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Grundwissen

Technik der Dotierung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Halbleiter werden meist durch ein Diffusionsverfahren oder durch Implantation (Einschuss) mit Fremdatomen dotiert.

Um die Leitfähigkeit eines Halbleiterkristalls gezielt erhöhen zu können werden ihm drei- bzw. fünfwertige Fremdatome eingebaut (Dotierung). Beim Einbringen der Fremdatome verwendet man heute zwei Verfahren, die Diffusion und die Implantation.

Dotierung durch Diffusion

Ofen zur Dotierung von Halbleitern mittels Diffusion © Creative Commons CC-BY-SA-3.0 Guillaume Paumier
Abb. 1 Ofen zur Dotierung von Halbleitern mittels Diffusion

Bei der Diffusion dringen die Fremdatome in den Halbleiterkristall aufgrund eines bestehenden Konzentrationsgefälles ein (zunächst ist außerhalb der Siliziumscheiben die Konzentration der Fremdatome hoch, in der Scheibe dagegen gering).

Dazu bringt man die Siliziumscheiben (Wafer) in eine Gasatmosphäre, welche die Dotier-Atome enthält. Als Gas eignet sich z.B. Phosphin (PH3 oder Diboran (B2H6). Der Diffusionsprozess läuft bei hohen Temperaturen (ca. 1000°C) besonders effektiv ab, da die Siliziumatome in Bewegung sind und leichter an der ein oder anderen Stelle durch Fremdatome ersetzt werden können.

Das Diffusionsverfahren ist im Vergleich zum Implantationsverfahren billig, weist jedoch einige Nachteile auf:

  • Die Konzentration der Dotieratome lässt sich nicht sehr genau einstellen.

  • Die größte Dotierungsdichte herrscht trotz ausgeklügelter Verfahren immer an der Oberfläche.

Dotierung durch Implantation

Bei diesem Verfahren werden Ionen des Dotierungsstoffes (z.B. B-Ionen oder P-Ionen) durch ein elektrische Spannung stark beschleunigt und auf den Halbleiterkristall geschossen. Aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie können die Fremdionen in den Kristall eindringen und z.B. Siliziumatome aus ihren Gitterplätzen drängen. Bei den hohen kinetischen Energien der implantierten Ionen kann die Kristallstruktur teilweise zerstört werden. Durch Erwärmen des nun schon dotierten Kristalls können Gitterfehler wieder beseitigt werden. Man nennt diesen Prozess "Ausheilen".

Das Implantationsverfahren kann die Nachteile des Diffusionsverfahrens weitgehend überwinden, ist aber deutlich teuerer.