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。
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：
- The next generation of power electronics? Gallium nitride doped with beryllium
- Doping of Wide Bandgap Semiconductors
