能用同一種摻雜物能產生n型及p型的半導體嗎?

■半導體的摻雜(doping)因材料而異,一般來說要形成 n 型或 p 型需要不同的摻雜物(dopant),但氮化鎵(GaN)卻能用同一種摻雜物達成。

Sample chamber of the positron accelerator. Photo: Hanna Koikkalainen

撰文|方程毅

半導體能具有如此廣泛的應用,摻雜(doping)是重要的關鍵。乎所有半導體電子元件都需要 PN 接面(junction)注入電流。要讓半導體形成 n 型或 p 型需透過摻雜。以矽來說,其為四族元素,若摻入三族元素取代部分矽原子,例如硼(B),因為價電子少一個(Acceptor),所以會成為 p 型;若是摻雜入五族元素磷(P)(Donor)則會變成 n 型。

半導體不只有矽,還有三五族及二六族,我們曾在<三五族半導體是什麼?>一文中介紹過這類半導體。他們本身就是由三族跟五族元素所構成,若是要讓他們形成 n 型跟 p 型又要怎麼做呢?前面提到,使半導體成為 n 型或 p 型的機制是取代,也就是摻雜物取代該半導體原子本來應該站的位置。矽相對單純,因為摻雜原子進來只能取代矽。但三五族半導體或是其它化合物的半導體由不只一個元素組成,要判斷摻雜後成為 p 型或 n 型要看摻雜物取代的是哪個原子。

舉個例子來說,藍光 LED 的主要材料氮化鎵(GaN),要讓他們形成 p 型及 n 型要分別摻雜鎂(Mg)及矽(Si)。氮化鎵相對單純,摻雜原子無論是鎂或矽都是取代鎵。因此,2價的鎂取代鎵,對氮化鎵來說就少了一個價電子,形成p型;而矽因為是取代鎵,所以整個化合物多一個電子,而形成p型。再舉另一個例子,氧化鋅(ZnO)。若摻雜硼(B,3價),硼會取代二價的鋅,而成為 n 型氧化鋅;但若摻雜氮(N,5價),則會取代氧,形成p型氧化鋅。

由此上述例子可知,選摻雜物時不僅要知道摻雜原子本身的價數,還要知道他取代的原子,否則無從判斷。不僅如此,摻雜物也不是想摻就摻,不同的摻雜物也需要不同的製程調控。

最近芬蘭的阿爾托大學 Aalto University 物理系的 Filip Tuomisto 教授發現,當對氮化鎵摻雜鈹(Be)時,在不同條件下可以讓氮化鎵形成 p 型或 n 型。也就是一種摻雜物可以產生兩種結果。這項研究成果可以減少在摻雜過程中的製程成本,因為只需要用到一種摻雜物即可做出 p 型或 n 型。

這個特殊行為的機制其實很簡單,當摻雜鈹時,鈹本身理應會取代鎵原子而形成 p 型半導體。但由於鈹在週期表的第二行,原子半徑小,因此當鈹被摻雜到氮化鎵裡後,鈹原子不一定會取代某一個鎵原子,而是待在氮化鎵晶體的縫隙中,當鈹不取代任何原子,只是卡在縫隙中時,就像晶體多了兩個價電子,因此氮化鎵就會變 n 型。

同一種摻雜原子可以有兩種行為,並不是隨機產生的,而是跟製程溫度有關。一般製作鈹摻雜的氮化鎵為 675–770 °C。但當製程溫度超過 900°C 時,由於氮化鎵晶體內部缺陷減少[註],因此鈹原子沒有鎵的位置可佔,只好卡在縫隙中,形成 n 型氮化鎵;反之,氮化鎵晶體內部便有很多缺位,鈹可以直接站在鎵原子的位置上,形成 p 型。

這項技術厲害處在於僅僅利用一種摻雜物,改變製程溫度就可以達成兩種不同狀態,可以減少許多製程成本。Tuomisto 教授表示:「我們了解鈹如何因為製造過程的不同改變行為,這項結果提供給實驗科學家極具價值的資訊。」這項研究成果發表在 Physical Review Letters 期刊上。

 

[註]任何材料都不是完美的,內部一定會有缺陷。氮化鎵不會一個蘿蔔一個坑,會有本來屬於鎵或氮的位置空著。一般來說溫度上升有助於減少這些缺位。

原始論文:Tuomisto, Filip, Vera Prozheeva, Ilja Makkonen, Thomas H. Myers, Michal Bockowski, and Henryk Teisseyre. "Amphoteric Be in GaN: Experimental Evidence for Switching between Substitutional and Interstitial Lattice Sites." Physical Review Letters 119, no. 19 (2017): 196404.

 

參考資料:

  1. The next generation of power electronics? Gallium nitride doped with beryllium
  2. Doping of Wide Bandgap Semiconductors

 

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