Dotierung
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Eine Dotierung oder das Dotieren (v. lat. dotare „ausstatten“) ist in der Mikroelektronik bei der Chipherstellung das Einbringen (Implantation) von Fremdatomen in eine Schicht oder ins Grundmaterial eines elektronischen Bauteiles oder eines integrierten Schaltkreises, und zwar in sehr geringer Konzentration (Größenordnung ca. 10–10). Dies verändert gezielt die Eigenschaften dieser Schicht, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur. Es gibt hierfür verschiedene Verfahren, z. B. Diffusion, Sublimation aus der Gasphase oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation).
Für die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei gängigen Halbleiterbauelemente aus Silicium oder Germanium (der vierten Hauptgruppe) kommen für p-Gebiete die Elemente aus der dritten Hauptgruppe wie beispielsweise: Bor, Indium, Aluminium oder Gallium und für n-Gebiete die Elemente aus der fünften Hauptgruppe wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon zum Einsatz.
Der III-V-Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) wird beispielsweise mit den IV-wertigen Elementen Kohlenstoff oder Silicium oder mit Gold dotiert.
Eine andere in der Mikroelektronik häufig genutzte Anwendung ist das Dotieren von Siliciumdioxid mit Bor oder Phosphor. Das entstehende Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG) hat einen um 600-700 K niedrigeren Schmelzpunkt als Siliciumdioxid. Dadurch eigenet sich BPSG beispielsweise für die Planarisierung der Waferoberfläche mit Hilfe eines Reflow-Prozesses.
[Bearbeiten] p- und n-Dotierung von Silicium
Ein Siliciumeinkristall besteht aus IV-wertigen Siliciumatomen. Die vier Außenelektronen eines jeden Siliciumatoms bauen vier Atombindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur.
Bei der n-Dotierung werden V-wertige Elemente, die so genannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür IV-wertige Silicium-Atome. Ein V-wertiges Element hat fünf Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung, sodass bei der Einbindung in den Siliciumkristall ein Außenelektron des Donators freibeweglich zur Verfügung steht. Dieses Elektron kann beim Anlegen einer Spannung Arbeit verrichten. An der Stelle des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des freibeweglichen Elektrons gegenübersteht.
Bei der p-Dotierung werden III-wertige Elemente, die so genannten Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür IV-wertige Silicium-Atome. Ein III-wertiges Element hat drei Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung. Für die vierte Atombindung im Siliciumkristall fehlt ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ oder Defektelektron bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein freibeweglicher positiver Ladungsträger und kann analog zum negativ geladenen Elektron Arbeit verrichten. Dabei springt ein Elektron – angetrieben durch das äußere Feld – aus einer Atombindung heraus, füllt ein Loch und hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht.
Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung.
Eine genauere Beschreibung der „elektrischen Effekte“ erfolgt durch das Bändermodell.
In der Elektronik benötigt man Dotierungen mit unterschiedlichem Dotierungsgrad. Man unterscheidet hierbei starke Dotierung (n+; p+), mittlere Dotierung (n; p) und schwache Dotierung (n–, p–)
| Symbol | Verhältnisse in Si | Verhältnisse in GaAs |
|---|---|---|
| n– | ||
| p– | ||
| n | 1 Donator/107 Si-Atome | |
| p | 1 Akzeptor/106 Si-Atome | |
| n+ | 1 Donator/104 Si-Atome | |
| p+ | 1 Akzeptor/104 Si-Atome |
[Bearbeiten] Dotierverfahren
Neben der Zugabe der Dotierstoffe schon bei der Herstellung der Einkristalle gibt es zwei Möglichkeiten der Dotierung während des Fertigungsprozesses von integrierten Schaltungen:
- Diffusion (Dotierverfahren)
- Ionenimplantation
