Dotierung

Unter Dotierung versteht man ein Verfahren zur Verbänderung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern, indem Fremdatome in die Kristallstruktur eingebracht werden.

Dotierung – Lösung eines Problems der Halbleitertechnik

Die moderne Halbleitertechnik erfordert reinstes Ausgangsmaterial, dessen Eigenschaften von keinen Verunreinigungen gestört werden. Im elementaren Zustand ist die Leitfähigkeit in den gebräuchlichen Halbleiterelemente wie Gallium und Silicium jedoch innerhalb der gesamten Struktur des Kristalls gleich. Um die Leitfähigkeit in definierten Bereichen des Halbleiters zu verändern, muss dieser dotiert werden. Beim Dotieren werden Fremdatome in die Kristallstruktur eingebracht, die später unter Spannung einen Stromfluss erzeugen; dabei unterscheidet man zwischen Akzeptoren und Donatoren.

Dotierung von Halbleitern: theoretische Grundlagen

Um zu verstehen, welche Fremdatome als Akzeptoren und welche als Donatoren geeignet sind, müssen wir uns das Periodensystem der Elemente vergegenwärtigen. Dieses unterteilt die Elemente in acht vertikale Spalten, die Hauptgruppen genannt werden und mit römischen Ziffern bezeichnet werden. Die Zuordnung der Elemente zu einer Hauptgruppe erfolgt aufgrund der Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale. In der IV. Hauptgruppe finden sich die Halbleiterelemente wie Gallium und Silicium (oft auch Silizium geschrieben). 

Die Zuordnung zu einer Periode erfolgt Aufgrund der Elektronenvalenzen. Was bedeutet das? Jedes Atom eines Elements verfügt über mehrere Schalen, in der es eine bestimmte Anzahl von negativ geladenen Elektronen Aufnehmen kann und die den Kern aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen umgeben. Elemente der 1. Periode haben nur eine Schale, solche in der 2. Periode haben zwei Schalen usw. Wie viele Elektronen in jede Schale passen ist unterschiedlich und würde an dieser Stelle zu weit führen. Darum wollen wir uns in dieser Darstellung auf das Silicium beschränken, das in der IV. Hauptgruppe und in der 3. Periode steht. Das bedeutet, es gehört zur Kohlenstoffgruppe und verfügt über vier Elektronen in der 3. Schale (Außenelektronen). Mit diesen Außenelektronen kann das Siliciumatom Bindungen mit anderen Atomen eingehen. Reines Silicium besteht aus einer kristallinen Gitterstruktur, in der jedes Atom über je ein Außenelektron mit vier anderen Atomen verbunden ist.

Wenn die 3. Schale des Siliciums mit vier Elektronen besetzt ist, ist das Element elektrisch neutral und somit nicht leitfähig. Damit aus ihm ein Halbleiter wird, muss man es dotieren. Bei der Dotierung unterscheidet man grundsätzlich zwischen p- und n-Dotierungen.

Was ist der Unterschied zwischen p- und n-Dotierung?

Bei einer p-Dotierung wird ein Akzeptor in das Siliciumgitter eingebracht. Dieser verfügt lediglich über drei Elektronen in seiner äußeren Schale oder anders gesagt: Dem Gitter fehlt ein Elektron, darum spricht man auch von einem Defektelektron oder schlichtweg einem Loch. Legt man nun eine Spannung an, so bewegt sich das Loch, das heißt, ein Elektron springt aus seiner Bindung heraus, füllt das Loch und reißt somit ein neues. Das Loch hat also eine bewegliche positive Ladung, der die ortsfeste negative Ladung des Akzeptors gegenübersteht. In der Praxis kommen für die p-Dotierung Moleküle mit Elementen aus der III. Hauptgruppe wie etwa Bor, Indium oder Aluminium zum Einsatz. 

Die n-Dotierung funktioniert genau umgekehrt. Es wird ein Donator mit fünf Außenelektronen in das Gitter eingebracht. Das überzählige Elektron findet kein Siliciumatom als Bindungspartner und bleibt darum frei beweglich. Legt man an dieses Gitter eine Spannung an, bewegt sich das Elektron, so entsteht ein Stromfluss negativer Ladungsträger. Beim Donatoratom hinterlässt das überzählige Elektron ein Loch, das dem Stromfluss als ortsfeste positive Ladung gegenübersteht. Zur n-Dotierung verwendet man in der Praxis Moleküle mit Elementen der V. Hauptgruppe wie Phosphor, Arsen oder Antimon.

Wie funktioniert die Dotierung in der Praxis?

Es mag zunächst schwer vorstellbar erscheinen, einzelne Atome innerhalb einer Gitterstruktur auszutauschen, doch gibt es vier Verfahren zur praktischen Umsetzung der Dotierung. Grundsätzlich ist allen Verfahren gemein, dass sie nicht darauf abzielen, den gesamten Halbleiter gleichmäßig zu dotieren, sondern immer nur die Leitfähigkeit bestimmter Bereiche zu beeinflussen. Wichtig: Hier können nur die Grundlagen der verschiedenen Dotierverfahren dargestellt werden. In der Praxis gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Maskierverfahren, Dotierstoffe und Halbleiterelemente. 

Legierung

Das älteste Verfahren zur Dotierung von Halbleitern ist die Legierung. Dabei wird der metallische Dotierstoff auf den Halbleiter aufgebracht und anschließend so weit erhitzt, dass die Oberflächen beider Stoffe schmelzen. Beim anschließenden Abkühlen kristallisiert die jetzt dotierte Legierung wieder. Dieses Verfahren führt jedoch zu brüchigen Halbleitern und ist für moderne CMOS-Schaltungen nicht geeignet, weshalb es heute nicht mehr angewandt wird.

Neutronen-Transmutationsdotierung

Bei diesen Verfahren werden keine Fremdatome von außen in das Kristallgitter eingebracht, sondern die Kerne der Siliciumatome verändert, indem sie mit Neutronen bestrahlt werden. Neben dem hohen technischen Aufwand – manche Verfahren erfordern Schwerwasserreaktoren – ist die notwendige Abschirmung der radioaktiven Strahlung ein erhebliches praktisches Hindernis. Vorteil ist die extrem gleichmäßige Verteilung der Dotierungen, weshalb die Neutronen-Transmutationsdotierung (noch) bei sehr Schwankungsempfindlichen Halbleiterelementen eingesetzt wird.

Ionenimplantation

Bei der Ionenimplantation werden die Fremdatome als Ionen in die Kristallstruktur eingebracht, indem sie mit einem Ionenimplanter beschleunigt und in Richtung des Ziels gelenkt werden. Durch anschließendes Erhitzen des Halbleiters werden die Ionen auf elektrisch aktive Plätze im Kristallgitter gebracht und die Schäden, die durch ihr schnelles Eindringen verursacht wurden, teilweise wieder behoben.

Diffusion

Diffusion ist ein Ausgleichprozess zwischen unterschiedlichen Konzentrationen verschiedener Stoffe, in der Regel ist dazu eine thermische Anregung erforderlich, das bedeutet, Dotierstoff und Halbleiter müssen erhitzt werden. Dies kann entweder in einem Quarzofen geschehen oder mittels eines Lasers. Vorteil des letzteren ist, das er nur eine lokale Dotierung bewirkt. Mit dem Laser ist die partielle Dotierung eines Halbleiterelements also auch ohne Maskierung möglich.

Kurz zusammengefasst: Dotierung

Unter Dotierung versteht man verschiedene Verfahren zur Beeinflussung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleiterelementen. Zu diesem Zweck werden gezielt Fremdatome in die Kristallstruktur eingebracht. Je nachdem ob es sich um eine p- oder n- Dotierung handelt, unterscheidet man die Fremdatome in Akzeptoren und Donatoren. Es gibt grundsätzlich vier verschiedene Methoden zur praktischen Umsetzung der Dotierung, von denen die Ionenimplantation und die Diffusion am wichtigsten sind.