단결정 실리콘에서 비소 도핑과 인 도핑의 차이점은 무엇입니까?

둘 다 N 형 반도체이지만 단결정 실리콘에서 비소와 인 도핑의 차이점은 무엇입니까? 단결정 실리콘에서, 비소 (AS) 및 인 (P)은 일반적으로 N- 타입 도펀트 (자유 전자를 제공하는 펜타 발린 요소) 모두에 사용된다. 그러나 원자 구조, 물리적 특성 및 처리 특성의 차이로 인해 도핑 효과 및 응용 시나리오가 크게 다릅니다.

I. 원자 구조 및 격자 효과

원자 반경 및 격자 왜곡

인 (P) : 원자 반경이 약 1.06Å, 실리콘 (1.11Å)보다 약간 작고 실리콘 격자의 왜곡이 줄어들고, 스트레스가 적고, 더 나은 재료 안정성을 덜어줍니다.

비소 (AS) : 원자 반경이 약 1.19Å, 실리콘보다 크고, 더 큰 격자 왜곡을 초래하여 더 많은 결함을 도입하고 캐리어 이동성에 영향을 미칩니다.

실리콘 내의 위치에서, 두도 바트는 주로 치환도 바트 (실리콘 원자 대체)로서 작용한다. 그러나 반경이 커지기 때문에 비소는 실리콘과의 격자 일치가 열악하여 잠재적으로 국소 결함이 증가 할 수 있습니다.

II. 전기 특성의 차이

공여자 에너지 수준 및 이온화 에너지

인 (P) : 공여자 에너지 수준은 전도 밴드 바닥으로부터 약 0.044 eV이며, 이온화 에너지가 낮습니다. 실온에서, 그것은 거의 완전히 이온화되고, 캐리어 (전자) 농도는 도핑 농도에 가깝다.

비소 (AS) : 공여자 에너지 수준은 전도 대역 바닥으로부터 약 0.049 eV이므로 이온화 에너지가 약간 높아집니다. 저온에서는 불완전하게 이온화되어 운반체 농도가 도핑 농도보다 약간 낮습니다. 고온 (예 : 300k 이상)에서, 이온화 효율은 인의 이온화 효율에 접근한다.

캐리어 이동성

인-도핑 된 실리콘은 격자 왜곡이 적고 전자 이동성이 높다 (약 1350 cm²/(V ・ s)).

비소 도핑은 격자 왜곡 및 더 많은 결함으로 인해 전자 이동성 (약 1300 cm²/(V ・ S))가 약간 낮아 지지만 높은 도핑 농도에서는 차이가 감소합니다.

III. 확산 및 처리 특성

확산 계수

인 (P) : 실리콘의 확산 계수는 비교적 크다 (예를 들어, 1100 ℃에서 약 1e-13 cm²/s). 확산 속도는 고온에서 빠르게 이루어 지므로 깊은 접합부 (예 : 양극성 트랜지스터의 이미 터)를 형성하는 데 적합합니다.

비소 (AS) : 확산 계수는 비교적 작습니다 (1100 ° C에서 약 1E-14 cm²/s). 확산 속도는 느리기 때문에 얕은 접합부 (예 : MOSFET 및 Ultra-Shallow Junction Devices의 소스/배수 영역)를 형성하는 데 적합합니다.

견고한 용해도

인 (P) : 실리콘에서 최대 고체 용해도는 대략 1 × 10²¹ 원자/cm³입니다.

비소 (AS) : 고체 용해도는 약 2.2 × 10²¹ 원자/cm³입니다. 이것은 더 높은 도핑 농도를 허용하고 높은 전도도가 필요한 저장 접촉층에 적합합니다.

이온 이식 특성

비소의 원자 질량 (74.92 U)은 인 (30.97 U)의 원자 질량보다 훨씬 큽니다. 이온 임플란트는 더 짧은 범위와 얕은 이식 깊이를 허용하므로 얕은 접합 깊이의 정확한 제어에 적합합니다. 반면, 인은 더 깊은 이식 깊이를 필요로하며, 더 큰 확산 계수로 인해 제어하기가 더 어렵다.

단결정 실리콘에서 N- 형 도펀트로서 비소와 인의 주요 차이점은 다음과 같이 요약 될 수있다 : 인은 깊은 접합, 중간에서 높은 농도 도핑, 단순 처리 및 높은 이동성에 적합하다. 비소는 얕은 접합, 고농도 도핑, 정확한 접합 깊이 제어에 적합하지만 상당한 격자 효과가 있습니다. 실제 응용 분야에서, 장치 구조 (예 : 접합 깊이 및 농도 요구 사항), 공정 조건 (예 : 확산/이식 파라미터) 및 성능 목표 (예 : 이동성 및 전도도)에 따라 적절한 도펀트를 선택해야합니다.

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