単結晶シリコンでのヒ素ドーピングとリンドーピングの違いは何ですか

どちらもN型半導体ですが、単結晶シリコンでのヒ素とリンのドーピングの違いは何ですか？単結晶シリコンでは、ヒ素（AS）とリン（P）はどちらも一般的に使用されているn型ドーパント（遊離電子を提供する五角素要素）です。ただし、原子構造、物理的特性、および処理特性の違いにより、ドーピング効果とアプリケーションシナリオは大きく異なります。

I.原子構造と格子効果

原子半径と格子の歪み

リン（P）：原子半径は約1.06Åで、シリコン（1.11Å）よりわずかに小さく、シリコン格子の歪みが少なく、ストレスが低く、材料の安定性が向上します。

ヒ素（AS）：原子半径は約1.19Åで、シリコンよりも大きく、格子の歪みが大きくなり、より多くの欠陥を導入し、キャリアの移動に影響を与える可能性があります。

シリコン内の位置では、両方のドーパントが主に置換ドーパントとして作用します（シリコン原子の交換）。ただし、その半径が大きいため、ヒ素はシリコンとの格子マッチが低く、局所的な欠陥の増加につながる可能性があります。

ii。電気特性の違い

ドナーエネルギーレベルとイオン化エネルギー

リン（P）：ドナーエネルギーレベルは、伝導帯の底から約0.044 eVであり、イオン化エネルギーが低くなります。室温では、ほぼ完全にイオン化され、キャリア（電子）濃度はドーピング濃度に近いです。

ヒ素（AS）：ドナーのエネルギーレベルは、伝導帯の底から約0.049 eVであり、結果としてわずかに高いイオン化エネルギーをもたらします。低温では、不完全にイオン化されているため、ドーピング濃度よりもわずかに低いキャリア濃度が生じます。高温（例：300 Kを超える）では、イオン化効率はリンの効率に近づきます。

キャリアモビリティ

リンドープされたシリコンは、格子の歪みが少なく、電子移動度が高くなります（約1350cm²/（v・s））。

ヒ素ドーピングは、格子の歪みとより多くの欠陥のために、わずかに低い電子移動度（約1300cm²/（v・S））をもたらしますが、高ドーピング濃度での差は減少します。

iii。拡散および処理特性

拡散係数

リン（P）：シリコンでの拡散係数は比較的大きい（たとえば、1100°Cで約1E-13cm²/s）。その拡散速度は高温で高く、深い接合部（双極トランジスタのエミッターなど）を形成するのに適しています。

ヒ素（AS）：その拡散係数は比較的小さい（1100°Cで約1E-14cm²/s）。その拡散速度は遅く、浅い接合部（MOSFETのソース/ドレイン領域など）の形成に適しています。

固体溶解度

リン（P）：シリコンでの最大固形溶解度は約1×10²¹原子/cm³です。

ヒ素（AS）：その固形溶解度はさらに高く、約2.2×10²原子/cm³です。これにより、より高いドーピング濃度が可能になり、高い導電率を必要とするOHMIC接触層に適しています。

イオン着床特性

ヒ素の原子質量（74.92 U）は、リン（30.97 U）の原子質量よりもはるかに大きい。イオン着床により、より短い範囲と浅い移植深さが可能になり、浅い接合深度の正確な制御に適しています。一方、リンはより深い移植の深さを必要とし、その拡散係数が大きいため、制御がより困難です。

単結晶シリコンのn型ドーパントとしてのヒ素とリンの主要な違いは、次のように要約できます。リンは、深部接合部、中濃度から高濃度のドーピング、単純な処理、および高可動性に適しています。ヒ素は、浅い接合部、高濃度ドーピング、正確な接合深度制御に適していますが、格子効果が大きくなります。実際のアプリケーションでは、デバイス構造（ジャンクションの深さと濃度の要件など）、プロセス条件（拡散/移植パラメーターなど）、およびパフォーマンス目標（モビリティと導電率など）に基づいて、適切なドーパントを選択する必要があります。

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