5.4. Монокристалл
Если посмотреть на монокристалл вдоль определенного кристаллографического направления, то можно увидеть, что атомы полностью упорядочены и в кристалле имеются окна. Если проводить ионное легирование в таком направлении, то ионы могут внедряться довольно глубоко, не сталкиваясь с атомами мишени. Такое явление называется каналированием.
На практике наиболее распространенными методами определения распределения внедренных примесей являются:
метод радиоактивных изотопов;
метод измерения дифференциальной проводимости;
метод измерения дифференциальной проводимости с помощью эффекта Холла;
метод, основанный на определении глубины значения p-n-перехода.
При ионном легировании элементарных полупроводников внедренные ионы оказывают сильное влияние на изменение электрических характеристик. При ионном легировании сложных полупроводников большое влияние на электрические характеристики кристаллов оказывает нарушение стехиометрии.
Ионное легирование сложных полупроводников является интересной проблемой. Однако в связи с исключительной сложностью явлений, возникающих в них при ионном легировании, в настоящее время не проведено глубоких исследований по этому вопросу. Вопрос находится в стадии изучения.
5.6. Синтез веществ с помощью ионного легирования
При легировании GaAs ионами P и Al можно получить сложные соединения типа GaAsP и GaAlAs. GaAs – это основной материал фотодиодов. Для того чтобы спектр излучения сместить в видимую область необходимо использовать GaAsP, являющийся сложным кристаллическим веществом состоящим GaAs и GaP или GaAlAs, состоящий из GaAs и AlAs. На рисунке показана зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации фосфора (x) в GaAs1-xPx.
Если после образования соединения GaAsP образец облучать светом со стороны легированного P слоя, то максимальный фототок будет при длине волны света 0,65 мкм, при облучении с обратной стороны максимальный фототок наблюдается при длине волны 0,89 мкм.
5.7. Отжиг легированных слоев
Если в полупроводниковый материал, например кремний, вести донорную примесь (фосфор), то получается полупроводник n-типа (КЭФ) (КДБ). Однако полное легирование отличается от диффузии тем, что при обычном внедрении примесей получить полупроводник n-типа нельзя. Для этого необходима после легирования соответствующая термообработка, вызванная двумя причинами:
Необходимо восстановить упорядоченное расположение атомов в кристалле, которое было нарушено при легировании ионами высокой энергии.
При ионном легировании внедряемые ионы кроме положений замещения могут занимать и междуузельные положения в кристаллической решетке.
В междоузлии примесь находится в нестабильном положении. Местоположение энергетических уровней атомов, находящихся в междоузлии пока не известно. Однако установлено, что донорные уровни, как это имеет место в случае атомов замещения, для атомов в междоузлиях – отсутствуют. Перемещение атомов из междоузлий в положение замещения достигается термообработкой.
На рисунке приведены данные процентного содержания примесных атомов замещения и в междоузлиях в зависимости от температуры подложки при легировании кремния сурьмой Sb.
Если температуру подложки повысить во время легирования Sb до 300 oC, то почти все ее атомы перейдут в положение замещения. Следовательно, в кристалле образуются донорные уровни, что приводит к инверсии типа проводимости легированного слоя из p-типа в n-тип. В настоящее время ведутся интенсивные исследования процессов ионного легирования.