WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников:

наука и приложения © И.С. Шлимак Jack and Pearl Resnick Institute of Advanced Technology, Department of Physics, Bar-Ilan University, Ramat-Gan 52900, Israel E-mail: issai@physnet.ph.biu.ac.il Рассмотрены различные аспекты технологии нейтронного трансмутационного легирования (НТЛ) кремния (Si) и германия (Ge) причем особое внимание уделено вкладу в решение этих проблем ученых Физико-технического института им. А.Ф..Иоффе РАН. Обсуждаются вопросы фундаментальных исследований по определению сечений захвата тепловых нейтронов изотопами полупроводниковых материалов, отжига радиационных дефектов, вводимых быстрыми реакторными нейтронами, использования метода НТЛ для изучения структуры примесной зоны Ge. Обсуждаются проблемы получения НТЛ-Si в промышленных масштабах и применения НТЛ-Si и НТЛ-Ge в производстве мощных тиристоров, детекторов ядерных частиц, инфракрасного излучения, глубоко охлаждаемых термисторов и болометров. В заключение обсуждаются дальнейшие перспективы применения НТЛ-Si и НТЛ-Ge, основанные на использовании материалов с контролируемым искусственно-измененным изотопным составом.

Метод НТЛ полупроводников основан на ядерных нейтронного потока. Учитывая, что значения i лежат превращениях изотопов полупроводниковых материалов примерно в области 10-23-10-24 cm2, легко определить, при захвате ими медленных (тепловых) нейтронов [1,2].

что при максимальных потоках тепловых нейтронов в Для проведения НТЛ образцы или целые слитки полу- современных ядерных реакторах и разумных временах проводниковых кристаллов облучают потоком нейтронов облучения, концентрация введенных примесей фосфов ядерных реакторах. При захвате нейтрона данный ра в Si не превысит нескольких единиц на 1015 cm-3, изотоп переходит в другой изотоп с массовым числом чего, однако, оказывается достаточно для целого ряда на один номер больше важных практических применений, особенно для производства высоковольтных мощных диодов и тиристо1 ZNA = NA+1. (1) Z ров [3]. Это обстоятельство привело к созданию в Европе и США промышленной технологии получения Здесь (cm-2) — интегральный поток (доза) теплоНТЛ-Si в объеме порядка сотен тонн в год на базе вых нейтронов, i (cm2) — сечение захвата теплового специально созданных материаловедческих исследованейтрона данным изотопом, NA, NA+1 (cm-3) —конZ Z тельских ядерных реакторов. В бывшем Советском Соцентрации исходного и конечного продуктов реакции юзе была разработана оригинальная технология промысоответственно, Z — заряд ядра, A — его массовое число.

шленного получения НТЛ-Si на базе уже существуюЕсли полученный изотоп NA+1 является стабильным, Z щего энергетического ядерного реактора большой мощто такая ядерная реакция не приводит к легированию.

Наибольший интерес представляет случай, когда по- ности РБМК-1000 [4]. Это позволило отказаться от строительства специализированного реактора, что резко лученный изотоп является нестабильным. Тогда, после определенного времени полураспада i, он превращается удешевило технологию и ускорило процесс создания в ядро нового элемента: на номер больше NA+1 в промышленного производства НТЛ-Si. Большой вклад в Z+случае - — распада или на номер меньше NA+1 эту работу внесли сотрудники ЛИЯФ им. Б.П. КонстанZ-в случае электронного захвата K —capture). В каче- тинова и ФТИ им. А.Ф. Иоффе во главе с академиком стве примера можно привести реакцию, приводящую к В.М. Тучкевичем.

появлению в кремнии донорной примеси фосфора:

Что касается германия, то благодаря большим значениям 1 и содержанию активных для НТЛ изотоSi30 + n = Si31 — -(2.62 h) P31. (2) 14 14 пов Ge70, Ge74 и Ge76 его удается пролегиро32 32 вать вплоть до перехода к металлической проводимоИнтерес к НТЛ обусловлен двумя его основными сти (3 · 1017 cm-3), что позволяет, с одной стороны, преимуществами перед обычными металлургическими исследовать в НТЛ-Ge фундаментальные проблемы прометодами введения примесей. Это, во-первых, высокая водимости в примесной зоне [5,6] и перехода металл– точность легирования, поскольку концентрация введенизолятор [7], а с другой стороны, предложить ряд ных примесей при постоянном нейтронном потоке проприменений в качестве низкотемпературных термомепорциональна времени облучения, которое может быть тров сопротивления (термисторов) и детекторов излупроконтролировано с большой точностью. Во-вторых, чения [8,9]. Эти приборы широко использовались в это высокая однородность распределения примесей, что определяется случайным распределением изотопов, ма- нейтронной физике и проекте по обнаружению ”скрытой лыми сечениями захвата нейтронов i и равномерностью массы Вселенной” [10,11]. Соответствующие реакции Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников: наука и приложения для активных изотопов Ge приведены ниже длительным отжигом (рис. 2). Еще более удивительный эффект наблюдался при повторном облучении образGe70 + n = Ge71 — K-capture (11.4days) 32 32 цов Ge74 предварительно сильно легированных As методом НТЛ. Вместо ожидаемого увеличения концен Ga71 (acceptor), (3) трации свободных носителей (электронов) n наблюдалось уменьшение n, причем тем большее, чем сильнее Ge74 + n = Ge75 — -(82 min) 32 был легирован образец НТЛ-Ge74. Оба этих эффекта могут быть объяснены образованием комплексов РД и As75 (donor), (4) примесных атомов As, вводимых в Ge74 методом НТЛ.

Разумеется, концентрация вводимых атомов As линейно Ge76 + n = Ge77 — -1(12 h) As77 — -(39 h) 32 32 растет с ростом дозы облучения, однако не все введенные атомы могут проявлять свойства доноров и поставлять Se77 (donor). (5) свободные электроны. Если РД возник вблизи атома As, Основной особенностью процесса НТЛ в Ge является то, что в него вводятся как акцепторы (основная примесь), так и доноры (неосновная, компенсирующая примеси). В результате, получается Ge p-типа проводимости с величиной компенсации K = 0.32-0.40 [5,12–14].

Некоторая неопределенность в значении K обусловлена тем, что в трансмутационном легировании принимают также участие и ”надтепловые” нейтроны, поэтому коэффициент легирования для каждой примеси, связывающий концентрацию введенных примесей и дозу облучения N =, несколько отличается от значения = iZNA, рассчитанного на основе сечения захвата для тепловых нейтронов. В результате, величина слегка варьируется в зависимости от конкретного энергетического спектра нейтронов в том реакторе, где производится облучение.

Процесс НТЛ, однако, не заканчивается облучениРис. 1. Зависимость измеренной по эффекту Холла концентраем образцов или слитков в ядерном реакторе. Налиции атомов фосфора после облучения кристаллов кремния разчие в реакторном спектре так называемых ”быстрых” личными дозами нейтронов и последующего отжига при 800C нейтронов, обладающих высокой энергией, приводит к в течение 1 часа (по данным [14]).

появлению в образце радиационных дефектов (РД) и даже целых ”разупорядоченных областей”. Отжиг РД является сложной технологической задачей, поскольку РД образуют комплексы с примесями, содержащимися в исходном материале, что приводит в результате к необходимости разработки различных режимов отжига (температуры, длительности, атмосферы) для различных полупроводниковых материалов и даже для одного и того же материала с различным содержанием некоторых глубоких остаточных примесей (кислород, углерод) [2].

Как уже отмечалось, одним из преимуществ метода НТЛ является точность легирования, обусловленная линейной зависимостью концентрации введенных примесей от дозы облучения. Такая зависимость, действительно, многократно наблюдалась на опыте. В качестве примера на рис. 1 показана приведенная в работе [15] зависимость измеренной по эффекту Холла концентрации введенной примеси фосфора при различных дозах облучения кремния потоком нейтронов в ядерном реакторе. Однако в случае больших доз возможны нелинейные эффекты.

Так, в работе [16] было обнаружено, что при больших Рис. 2. Зависимость концентрации свободных электронов дозах облучения изотопно обогащенного Ge74 наблюв НТЛ-Ge74 от дозы облучения тепловыми нейтронами и даются отклонения от линейного закона (1) в сторону последующего отжига при 460C в течение 24 (1), 50 (2) и насыщения, которые частично компенсировались более 100 часов (3) (по данным [15]).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 796 И.С. Шлимак то может образоваться трудно отжигаемый комплекс РД–As, при этом атом As перестанет быть донором, что понизит n, кроме того, такой комплекс проявляет акцепторные свойства [17], что приводит к компенсации и дополнительному уменьшению n. В процессе длительного облучения концентрации РД и атомов As велики, поэтому велика и вероятность того, что они образуют комплексы. При малых дозах облучения этим эффектом можно пренебречь, поскольку РД и атомы As находятся далеко друг от друга.

Другим важным преимуществом НТЛ является высокая однородность распределения примесей. В обычных металлургических методах легирования полупроводников, когда примесь вводится в расплав с последующим ростом кристалла, трудности получения однородного распределения примесей носят принципиальный характер. Они связаны с неустойчивостью фронта кристаллизации легированных кристаллов, неизбежным градиентом температуры в растущем слитке между его центром и периферией. Эти трудности особенно резко возрастают при увеличении диаметра слитков. В методе НТЛ однородность легирования обусловливается случайным распределением изотопов в кристаллической решетке, однородностью нейтронного потока (для этого образцы Рис. 4. Температурная зависимость удельного сопротивления в процессе облучения вращают вокруг своей оси и n-Ge As при разных степенях компенсации (по данным [19]):

одновременно ”протягивают” через активную зону реак- 1 — исходный образец (ND = 1 · 1016 cm-3, K = 0);

2–4 — компенсация путем увеличения акцепторной примеси тора), а также малой величиной i. Произведение iNi, галлия, появляющейся в образце в результате ядерных транссуммированное по всем стабильным изотопам данного мутаций Ge70 на 15, 27 и 51 день после облучения нейтронами в полупроводника, определяет коэффициент линейного поядерном реакторе дозой =3·1017 cm-2, 5–12 — дальнейшая глощения нейтронов, т. е. величину ”блок-эффекта” — компенсация гамма-облучением. K: 2 — 0.67, 3 — 0.82, экранирования внутренних частей слитка внешними. Зна4 — 0.90, 5 — 0.944, 6 — 0.956. При дальнейшем росте ние величины позволяет рассчитать максимальный разкомпенсации определение величины K по эффекту Холла мер кристалла, который можно пролегировать методом становится невозможным из-за неоднородности образцов.

НТЛ с заданной однородностью. Так, для Si эта величина составляет = 4.5·10-3 cm-1, что позволяет обеспечить макрооднородность легирования не хуже 10% даже для нии микрораспределения удельного сопротивления даже крупногабаритного слитка диаметром 200 mm. Явное в сравнении с образцовыми сопротивлениями, изготопреимущество метод НТЛ демонстрирует и при изменевленными ”металлургическим” методом (рис. 3, [18]).

Именно высокая макро- и микрооднородность легирования обусловили широкое применение НТЛ-Si, в том числе и полученного на реакторе РБМК-1000, в производстве мощных высоковольтных преобразователей [19].

Особенностью НТЛ германия является также большое время полураспада (11 дней) изотопа Ge71, дающего акцепторную примесь Ga. Это приводит, с одной стороны, к неудобству, связанному с большим временем выдержки после облучения, которое необходимо чтобы закончились все ядерные реакции и снизилась радиоактивность образцов. С другой стороны, это дает возможность исследовать один и тот же образец в процессе распада при разных концентрациях ”появляющейся” акцепторной примеси галлия как функции времени, прошедшего после облучения. Если облучить Рис. 3. Микрораспределение величины удельного сопротивлегерманий n-типа, то это дает возможность наблюдать ния образцовых сопротивлений, изготовленных из германия, легированного методом НТЛ (1) и ”металлургическим” мето- образец при все возрастающей степени компенсации дом (2) (по данным [17]). вплоть до конверсии в p-тип проводимости. На рис. Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников: наука и приложения показано влияние увеличения компенсации на электро- В кремнии возможности изотопной инженерии ограпроводность исходного образца n-Ge [20]. Из рис. 4 ничены тем, что ядерное легирование осуществляется видно, что энергия активации проводимости с ростом K только одним изотопом Si30. Правда, его содержание непрерывно растет, что соответствует смещению уровня всего 3.1%, так что обогащение естественного Si этим Ферми к середине запрещенной зоны. В свою очередь, изотопом привело бы к увеличению до 30 раз предельэто явление позволило осуществить своеобразную ”спек- ной концентрации фосфора, введенной методом НИЛ, троскопию” запрещенной зоны, определять энергии и однако экономическая целесообразность такого проекта зарядовые состояния глубоких примесей в германии [21]. вызывает сомнения. В литературе обсуждается также Определение точного момента конверсии из n- в p-тип возможность обогащения Si изотопом Si28 [25]. Это позволило также уточнить значение i для Ge74 [12]. должно привести к увеличению теплопроводности Si, что В последнее время получили развитие работы по НТЛ важно для разработчиков интегральных схем.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.