Dopanttipitoisuuksia

Dopanttipitoisuudet kuvaavat dopanttiatomien määrää puolijohteessa tilavuusyksikköä kohti. Yleisin ilmaisutapa on pitoisuus cm^-3, eli dopanttien kokonaismäärä per kuutiösenttimetri. Dopanteilla pyritään hallitsemaan sähkönjohtavuutta muuttamalla materiaalia n- tai p-tyypin.

Donor-dopantit luovuttavat vapaita elektroneja ja muodostavat n-tyypin materiaalia, kun taas acceptor-dopantit ottavat elektroneja ja tuottavat p-tyypin. Usein dopanttipitoisuus voidaan erottaa kokonaispitoisuudesta, joka sisältää sekä sähköisesti aktiiviset että passiiviset dopantit. Aktivoitua pitoisuutta rajoittavat esimerkiksi lämpötilat ja kompensaatio, jolloin todellinen johto-ominaisuuksiin vaikuttava määrä voi olla pienempi kuin kokonaispitoisuus. Dopingin suunnittelussa huomioidaan myös liiallinen dopanttilisä ja sen vaikutus materiaalin rakenteeseen.

Pitoisuudet säädellään valmistusmenetelmillä kuten ionimplantoinnilla, diffuosiolla ja epitaksiallisella kasvulla. Eri profiilit ovat mahdollisia: tasainen (uniform), gradienttinen sekä delta-doppaus, jossa tihein dopanttilisä sijaitsee ohuena kerroksena. Profiilit vaikuttavat johdettavuuteen, kynnysjännityksiin ja elektronien liikkumiseen laitteissa.

Mittaukset ja analyysi ovat keskeisiä: yleisiä menetelmiä ovat SIMS (secondary ion mass spectrometry), spreading resistance profiling, Hall-tutkimukset ja C-V-profilointi. Näiden avulla voidaan määrittää kokonais- ja aktivoitu dopanttipitoisuus sekä dopanttiajattuman jakautuminen syvyyssuuntaan.

Dopanttipitoisuudet vaikuttavat puolijohteiden ominaisuuksiin kuten kynnysjännitykseen, vastaanottaman sähkövarauksen toimintaan ja liikkuvuuteen. Liian suurilla pitoisuuksilla voi ilmetä degeneroitumista, epätoivottua kompensaatiota sekä diffuusion hallinnan haasteita, mikä asettaa rajoja valmistusprosessien hallinnalle.