公众号:weijiezhimi999(点击复制)微信
>>>点击查看肺炎疫情实时动态<<<
当前位置: 环球解密 > 科学探索 > 能用同一种掺杂物能产生n型及p型的半导体吗?

能用同一种掺杂物能产生n型及p型的半导体吗?

2017-12-4 环球解密

半导体的掺杂(doping)因材料而异,一般来说要形成 n 型或 p 型需要不同的掺杂物(dopant),但氮化镓(GaN)却能用同一种掺杂物达成。

半导体能具有如此广泛的应用,掺杂(doping)是重要的关键。乎所有半导体电子元件都需要 PN 接面(junction)注入电流。要让半导体形成 n 型或 p 型需透过掺杂。以硅来说,其为四族元素,若掺入三族元素取代部分硅原子,例如硼(B),因为价电子少一个(Acceptor),所以会成为 p 型;若是掺杂入五族元素磷(P)(Donor)则会变成 n 型。

半导体不只有硅,还有三五族及二六族,我们曾在<;;三五族半导体是什么?>;;一文中介绍过这类半导体。他们本身就是由三族跟五族元素所构成,若是要让他们形成 n 型跟 p 型又要怎么做呢?前面提到,使半导体成为 n 型或 p 型的机制是取代,也就是掺杂物取代该半导体原子本来应该站的位置。硅相对单纯,因为掺杂原子进来只能取代硅。但三五族半导体或是其它化合物的半导体由不只一个元素组成,要判断掺杂后成为 p 型或 n 型要看掺杂物取代的是哪个原子。

举个例子来说,蓝光 LED 的主要材料氮化镓(GaN),要让他们形成 p 型及 n 型要分别掺杂镁(Mg)及硅(Si)。氮化镓相对单纯,掺杂原子无论是镁或硅都是取代镓。因此,2价的镁取代镓,对氮化镓来说就少了一个价电子,形成p型;而硅因为是取代镓,所以整个化合物多一个电子,而形成p型。再举另一个例子,氧化锌(ZnO)。若掺杂硼(B,3价),硼会取代二价的锌,而成为 n 型氧化锌;但若掺杂氮(N,5价),则会取代氧,形成p型氧化锌。

由此上述例子可知,选掺杂物时不仅要知道掺杂原子本身的价数,还要知道他取代的原子,否则无从判断。不仅如此,掺杂物也不是想掺就掺,不同的掺杂物也需要不同的制程调控。

最近芬兰的阿尔托大学 Aalto University 物理系的 Filip Tuomisto 教授发现,当对氮化镓掺杂铍(Be)时,在不同条件下可以让氮化镓形成 p 型或 n 型。也就是一种掺杂物可以产生两种结果。这项研究成果可以减少在掺杂过程中的制程成本,因为只需要用到一种掺杂物即可做出 p 型或 n 型。

这个特殊行为的机制其实很简单,当掺杂铍时,铍本身理应会取代镓原子而形成 p 型半导体。但由于铍在周期表的第二行,原子半径小,因此当铍被掺杂到氮化镓里后,铍原子不一定会取代某一个镓原子,而是待在氮化镓晶体的缝隙中,当铍不取代任何原子,只是卡在缝隙中时,就像晶体多了两个价电子,因此氮化镓就会变 n 型。

同一种掺杂原子可以有两种行为,并不是随机产生的,而是跟制程温度有关。一般制作铍掺杂的氮化镓为 675–770 °C。但当制程温度超过 900°C 时,由于氮化镓晶体内部缺陷减少[注],因此铍原子没有镓的位置可占,只好卡在缝隙中,形成 n 型氮化镓;反之,氮化镓晶体内部便有很多缺位,铍可以直接站在镓原子的位置上,形成 p 型。

这项技术厉害处在于仅仅利用一种掺杂物,改变制程温度就可以达成两种不同状态,可以减少许多制程成本。Tuomisto 教授表示:“我们了解铍如何因为制造过程的不同改变行为,这项结果提供给实验科学家极具价值的资讯。”这项研究成果发表在 Physical Review Letters 期刊上。

[注]任何材料都不是完美的,内部一定会有缺陷。氮化镓不会一个萝卜一个坑,会有本来属于镓或氮的位置空着。一般来说温度上升有助于减少这些缺位。

点击关注【世界未解之谜】

共有1212阅 / 0我要评论

发表你的评论吧返回顶部

!评论内容需包含中文


请勾选本项再提交评论