Главная Вакуумные трубки



где через (n, y) обозначено поглощение нейтрона ниспускав ние у-кванта; А - первоначальное чиаю нуклонов в ядре элемента А, представляющего собой мишень до (юглоще! ния нейтрона, и А + \ ~ число нуклонов после поглоще-! 11ия. Вполне в03м0ж1ю, что 1юлучающийся в результате захвата изотоп аналогичен природному и стабилен. Од- нако во многих случаях образующийся изотоп не является! стабильным. Нестабильные изотопы в дальнейшем распа-1 даются, испуская электроны, позитроны (Р-распад), про- тоны, а-частицы, до тех пор, пока изотоп не перейдет в ста- Сильное состояние. Для наиболее широко применяемого в] настоящее время полупроводникового материала - кремния-три стабильных изотопа, содержащихся в мишени, претерпевают превращения в следующих реакциях:

(92,18 %f Si (n, yf Si; о» = 0,08 б;

(47,71 %f S!(n, yfSi; 0 = 0,28 6,

(3,12o/„f Si(n, yf Si->"P + r, o,=0,ll 6,

где в скобках указано относительное содержание каждого стабильного изотопа кремния; сечения реакций приведены в j барнах (1 б = 10- м).

Первые две реакции не приводят к образованию легирующих добавок, а ведут лишь к незначительному перераспределению содержания изотопов. Легирующая примесь в виде изотопа "Р образуется в третьей реакции с вероятностью около 3,355 • Ю" атом • %. На каждые 10" см- тепловых нейтронов при расчете этой вероятности используя уравнение (94), сечение захвата osi и относительное содержание Si, получаем концентрацию Nj 5 10 -Si/ /смз . 0,031. Кроме полезной реакции, в результате которой, образуется фосфор с относительно коротким периодом распада с испусканием р -частиц, существует также сопутствующая вторичная реакций:

ip(«,y)32p->-S-f р- ае = 0,19б; Г,/, = 14,3 сут.

Распад изотопа представляет собой первичный источник радиоактивности трансмутационно-легированного кремния. Несомненно, любые нежелательные примеси, присутствующие в малых количествах в исходном кремниевом материале, могут привести к образованию аномально дол-1 гоживущей радиоактивности, вследствие чего материал 1 нельзя использовать в производстве до тех пор, пока сте- Щ пень радиоактивности не уменьшится до уровня, не пресыщающего предельно допустимый.

После того как благодаря трансмутации изотопа "Si получен кремний, легированный фосфором, необходимо решить задачу о том, как этот материал, подвергшийся радиационным повреждениям и нарушениям кристаллической структуры, сделать пригодным для создания электронного прибора.

В табл. 8 приведены данные о (п, у)-ядерных реакциях для полупроводниковых материалов. Они составлены для нейтронов со скоростью v = 2200 м/с. Из табл. 8 следует, что реакции 2, 5, 9 и 12 изменяют только концентрацию стабильных изотопов и не влияют на электрические свойства полупроводников. Остальные реакции приводят к образованию электрически активных примесей. В тех случаях, когда возможно образование как донорных, так и акцепторных примесей, конечный результат легирования должен зависеть от относительной эффективности соответствующих реакций, мерой которой является сечение активации в расчете на атом исходной смеси изотопов.

Таким образом, можно изменять электрофизические свойства полупроводниковых материалов с помощью примесей, вводимых методом ядерного легирования при облучении нейтронами. При этом свойства облученных гюлу-проводниковых материалов после соответствующего отжига, необходимого для удаления дефектов, образовавшихся в результате облучения нейтронами, зависят от концентрации преобладающих примесей, например: с Ga и As в Ge (отжиг 24 ч прн 450 °С) [73], с Sn и Те в InSb (отжиг в течение 25-30 ч при 620-675 °С) [21, 24], с Ge и Se в GaAs (отжиг при 650-700 °С) [291, с In в CdS (отжиг при 200 °С) [1691 и с фосфором в Si [73, 121] и др. Такая связь подтверждается, например, совпадением измеренной по эффекту Холла концентрации носителей с концентрацией примесей, вычисленной по выражению (94) для Ge [64], InSb [24] и GaAs 1291. Это совпадение особенно характерно для кремния, в котором под действием медленных нейтронов образуются примеси только одного сорта (фосфора). Зависимость концентрации фосфора от потока нейтронов после облучения в реакторе различными интегральными потоками нейтронов и последующего отжига при 800 °С в течение 1 ч для кремния /-тина с удельным сопротивлением р = 200 Ом • см, полученного методом бестигельной зонной плавки, показана на рис. 46 [121]. Эта зависимость является основой для процесса легирования, в результате которого можно ввести заданное количество донорных примесей в исходный материал п- и р-типа, причем в последнем случае легирование Ожно довести до изменения типа проводимости. Этот про-



8. Ядерные реакции на медленных нейтронах для полупроводниковых материалов

Сечение пог-

Изотоп

Концентрация изотопов, %

лощения или активации, бари

Реакция и конечные

Материал

иа атом изотопа

атом смесн изотопов

продукты ядерных превращений

Германий Qe

Естественная

2,45

Qe"

Qe8 Ge* Ge«

20,55 3,42 0,7

27,37 0,98 0.26

1) Оез,"(я, у)Оез-

к;захват

(1,4 дня -31

2) {Ge2, ОеЗ} (п, Y) Ge*) 3) Ge (n, Y) Ge p-

7,67 14 36,74 0,21 7,67 50

0,07

82 мин AS33

4) Ge6(n, Y)Ge

12,1 ч •*33

38,7 ч

Крелщий

Естест-

0,16

венная

Si28

92,18

0,08

0,07

4,71

0,28

0,01

Si»o

3,12

0,11

0,01

Естест-

2537

венная

weed

1,22

0,01

l»8Cd

0,88

»0Cd

12,39

0,02

5) [S-P, Si} (n, Y) 3 {Si2», SiO) 6) Si3,"(n,Y)Si3

P~ p31

2,62 4

Сулы})ид кадмия

7) Cdsin, Y)Cd"8

к-захват . щт 6.74 ч " Agf

8){Cdl»(n.Y)Cd«-

к-захват юд

&4

453 дня

9) fCd"«,Cd",Cd"2, Cd"3 (n, Y)-*{Cd", Cd"Cd Cd"*J

Материал

Изотоп

Концентрация изотопов, %

Сечение поглощения или активации, бари

Реакция и конечные

на атом изотопа

иа атом смесн изотопов

продукты ядерных превращений

uK:d

12,75

10) Cdi*(«,Y)Cd«-v

i"Cd iwCd i"Cd "«Cd

24,07 12,26 28,86 7,58

0,03 20 000 1,1 1,5

0,01 12 000 0,3 0,1

ll)Cd«(n,Y)Cd7

P~ . ,„И7 P~ 2,9

1,93 4

Сера

Естественная

0,760

4.22

0.014-

0.26 0,14

0,52 12) {S\ S} («, Y) - , 13) s3(n,Y)Sf-

P~ r, 35 87,9 дня 11

14) S36(n, Y)S

"~ ... ri 37 U 17

0,01 0,01

5,07 МИИ

Сурьмянис- In ТЫЙ нндий

[„113 1П"5

"Естественная

4,33 95,77

56 155

15) 1п3

49 дней

2,5 16) (п, у) 1п1б 148

54,0 мни

* Sn

Стельбен

Естест-

венная

57,25 42,73

6,8 2.5

3,9 М

17) Sbf («, Y) Sbt

Ё: Тр122

2,80 дня 62

18) Sbf (я, Y)Sbf-

60,4 дия



Материал

Изотоп

Концентрация

Сечение поглощения или активации, барн

Реакция и конечные

изотопов,

на атом изотопа

на атом смеси изото. пов

продукты ядерных превращений

Арсенид галлия

Gae Ga"

Естественная

60,2 39,8

2,80 19) Оазв?(п, г)Оаз7

1.4 5,0

21.1 иии"* г 0,84 20) Ga(n, v)Ga2.

Gel?

5,4 5,4

14,12 ч " -=32

21) Asg(n, v)As

, Cp76

26,4 Ч >-4

цесс, позволяющий получать кремний с высокой однородностью распределения легирующих примесей по объему кристаллов, осуществлен в нескольких странах [1661.

Механизм радиационного повреждения кремния при легировании нейтронами. Существует несколько механизмов радиационного повреждения, которые приводят к смещению атомов кремния от нормального положения в кристаллической решетке. Различают следующие повреждения: соударения с быстрыми нейтронами; испускание 7-квантов в результате деления ядер, если источником нейтронов служит реактор; образование атомов отдачи при испускании 7-квантов; образование атомов отдачи при испускании Р-частиц; соударение с частицами, образующимися в реакциях {«, р), {«, а) и др. Вероятность смещения атома кремния можно вычислить, если известен энергетический спектр нейтронов облучения. Значение той вероятности сравнивают с вероятностью образования фосфора. Число смещенных атомов ;Vd. приходящихся на единицу объема в секунду, можно вычислить по уравнению

dNo/di = МтаФу,

10"

Рис. 46. Зависимость от потока нейтронов концентрации атомов фосфора

где Nj - число атомов мишени в единице объема; Ф - поток частиц, вызывающих повреждения; v - число смещений, приходящихся на одну падающую частицу, вызывающую повреждение.

Из перечисленных выше механизмов повреждения процессами, в которых участвуют у-кванты и заряженные частицы, можно пренебречь. В кремнии сечение образования» смещений под действием у-квантов мало, а для реакций-(п, р), (п, а) эти сучения составляют величины порядка мил-либарп и имеют порог реакций в области энергий порядка мегаэлектронвольт. Смещения, обусловленные взаимодействием с быстрыми нейтронами можно рассчитать, зная сечение упругого рассеяния нейтронов при известном энергетическом спектре нейтронов. Даже если можно полностью» исключить повреждения, вызванные быстрыми нейтронами,, механизмы повреждений, обусловленные отдачей и связанные с захватом тепловых нейтронов, будут приводигь к значительному количеству смещений, сравнимому с числом образовавшихся атомов фосфора. В случае, когда атомы отдачи образуются благодаря излучению, у-квант с энергией /гсо имеет момент hca/c, который должен быть равен моменту Mv отдачи атома изотопа кремния. Поэтому в каждом акте испускания у-кванта атому кремния массой М передается энергия отдачи

Энергия отдачи, усредненная по всем сечениям и всем энергиям у-квантов, испускаемых изотопами кремния равна 780 эВ, что существенно выше энергии смещения атомов кремния в кристаллической решетке [125]. Аналогичные расчеты можно выполнить для Р~-распада изотопа SL Если р~-частица уносит момент

Р = (1 /с) - (т„с2)2 = Mv,

то, следовательно,

Е, = (Ч,) Mv = eU) (El - m,cflMc\

Если энергия, испускаемая "-частицей, равна 1,5 МэВ, 10 Ek = 33,2 эВ, что приблизительно в два раза выше порога смещения. Рассмотрим, как влияет количество смещенных атомов кремния iHa каждый образовавшийся aTONf фосфора под действием различных видов излучения при легировании кремния (табл. 9). Количество смещенных атомов велико и обусловлено в основном быстрыми нейтронами остальные частицы, вызвавшие повреждения, не играют существенной роли. Таким образом, можно сделать вывод.

5 8-1006



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [16] 17 18 19 20 21 22


0.0157