Главная Вакуумные трубки



что трансмутационное легирование во всех случаях приводит к образованию значительного числа радиационных повреждений, которые дотжны устраняться различными Способами. Благодаря этим эффектам образуются энерге-гпческие уровни в запрещенной зоне, которые в свою оче-" редь приводят к уменьшению концентрации и подвижности свободных носителей заряда и времени жизни неосновных носителей заряда.

9. Число СЕ;ещекных атомов кремния на один атом фосфора, образогашихся в результате действия различных механизмов повреждения

Место облучения

Частицы, вызвавшие повреждение

в активной

зоне реактора

в замедлителе

Быстрые нейтроны 4,0610 1,38-10*

у-кванты реакции деления 3,64-lO 36,4

Ато.чы отдачи, обусловленные у-излу- 1,29-10" 1,29-1№

чс.чием

Атомы отдачи, обусловленные Р-из- 2,76 2,76

лу1ением

ролное число смещений на одни атом 4,06-10 1,51 • 10*

фосфора

Основные технологические процессы получения ядерного лсгиг.озанного кремния. Для ядерного легирования полупроводниковых материалов необходимо выполнить следующие условия: >

нестабильные изотопы должны быть короткожизущими, чтобы атомы целевых легирующихся примесей образовывались за достаточно короткий, допустимый по технико-экономическим сообрал<ениям, период времени после облу--чения;

диффузионная длина пробега нейтронов в облучаемом материале должна быть больше размеров легируемого кристалла, чтобы обеспечить достаточно равномерное распределение легирующих примесей по объе.му кристалла;

одновременно с атомами целевых примесей не должны образовываться другие примесные атомы, ухудшающие свойства легируемого материала, или их влияние должно быть мало по сравнению с влиянием атомов целевых примесей;

влияние примесей, имеющихся в исходном материале до облучения, должно быть мало по сравнению с целевым эффектом легирования или его следует строго учитывать;

наведенная радиоактивность должна быть мала по са-

нитарным условиям или достаточнобыстр о уменьшаться до допустимого уровня.

Схема технологических операций ядерного легирования кремния показана на рис. 47. Основной операцией, определяющей качественные и экономические показатели трансмутационного легирования, является облучение образцов кремния медленными нейтронами. Главная цель облучения - равномерное облучение слитков кремния. Это достигается путем вращения образцов в потоке нейтронов, а также использованием специальных приемов. Например, выравнивание неоднородности поюка нейтронов с гюмощью специаль-

Обпуяекае

Дезанти-Вация

Догимет-

ричесний

Teptiooff-patfomna Ютжиг)

Контроль паоамет-

Рис. 47. Схема технологических операций ядерного легирования

НОГО экрана или форма канала в реакторе имеет такой про филь, чтобы нейтроны гюглощались больше в тех участках где выше плотность потока.

Дезактивация необходима для очистки поверхности слитков от радиоактивных загрязнений. Для кремния су-щест.венный вклад в поверхностное загрязнение вносит изо-jon 3iSi, а также изотоп образующийся из кремния. /Если активность изотопа "Si равна нулю в результате распада через 4 сут, то радиоактивность, обусловленную поверхностным загрязнением, можно устранить путем травления кремния. Активностью Р, наведенной за счет дальнейшей активации кремния, можно пренебречь вплоть до концентраций 7.4 • 10* Бк/кг. При больших концентра циях необходимо следить за тем, чтобы пе был превышен предельно допустимый уровень (3,7 X 10 Бк).

В связи со специс()ической техпо.югией ядерного легирования должен быть исключен прямой контакт обслуживающего персонала с радиоактивными материалами. Необходимы меры, исключающие распространение радиоактивности за пределы специальных помещений.

Следующая важная операция термообработки - отжиг. Она необходима для удаления радиационных дефектов и стабилизации свойств ядерного легированного кремния .после облучения. До настоящего времени эта операция менее научно обоснована, чем другие. Оптимальным режимом для отжига М0Ж1Ю считать, когда при температуре 700- 800 °С в течение 0,5-2 ч происходит почти полное устранение радиационных нарушений и получаются стабильные значения удельного сопротивления, концентрации и по-



движности носителей заряда [166]. Однако, по еще не выясненным причинам, для получения стабильного времени жизни неосновных носителей в некоторых случаях необходим отжиг при более высоких температурах [166]. После облучения образцы имеют удельное сопротивление р, близкое к собственному его значению. Для отжига используется промышленная диффузионная печь того же типа, что и при изготовлении полупроводниковых приборов.

Использование нейтронного легирования для получения ь/-переходов при изготовлении полупрозодниковых при-СОроз. Если защитить экраном часть легированного кремния от действия нейтронов и провести облучение до изменения типа проводимости открытой части кремния, то на границе защиты образуется р-п-переход. Этим методом можно получить и более сложные структуры типа р-п-р, p-i-n и др. Метод имеет преимущество перед традиционным. Получение р-л-переходов путем термодиффузии при высоких температурах обычно сопровождается уменьшением времени носителей заряда, недостаточной предсказуемости результатов диффузии, техническими трудностями при легировании тонких слоев и др.

Технологическая схема создания р-п-переходов состоит из следующих операций [153]: разработки и изготовления экранов различных конфигураций; разработки и изготовления капсулы для размещения облучаемого нейтронами материала; предварительных измерений и выбора условий .облучения; облучения капсулы и мониторирования потока нейтронов; пострадиационную обработку и измерения; из-,готовление устройств, включая металлизацию, окисление, создание дополнительных контактов. Схема получения р-п-перехода несложной конфигурации методом нейтронного легирования показана на рис. 48, а. При использовании потоков тепловых нейтронов Ф„ для защиты отдельных участков облучаемого материала применяют экраны из элемен-<гов, хорошо поглощающих нейтроны. Обычно используют экраны из смеси изотопов кадмия и гадолиния, кадмия-113, бора-10. В работе [153] для создания полупроводниковых приборов НЛ предложен следующий метод. Если с помощью ядерных превращений создать окиси контролируемой толщины на образцах со структурой п-р-п, то получим транзисторную структуру (рис. 48, б). Центральная область транзистора служит затвором, часть одной освобожденной от окисла «-области является стоком, часть другой - истоком. Электрические измерения показали, что между этими областями возникает инверсионный слой толщиной порядка I мкм [153]. Структура микросхемы показана на рис. 49, а.

Сам р-л-переход перпендикулярен поверхности пластин. Преимущества ядерного легирования перед методом зонной плавки - более низкие температуры формирования р-п-переходов (даже когда переход образуется после отжига

радиационных дефектов), получение переходов на любой глубине и любой формы, определяемой профилем защиты. К настоящему



Рис. 48. Схема получения /7-п-перехода методом нейтронного легирования (а) и схема транзисторной структуры с активным окислом (б) / - металл; 2 - окисел

Рис. 49. Структура микросхемы (а) и ее электрическая эквивалентна*

схема (б)

времени принципы получения р-п-переходов лежат в основе изготовления полупроводниковых приборов [135], детекторов ядерного излучения [23] и микросхем [145].

Обычно для изготовления полупроводниковых приборов используется радиационно-модифицированный кремний, как наиболее исследованный материал к подходящий по своим ядерно-физическим свойствам.

Для кремниевых приборов большой мощности, которые имеют значительную площадь активной области и характеризуются высоким напряжением запирания, необходим однородный высокоомный бездефектный материал о большим временем жизни носителей заряда. В стандартном кремнии, например, полученным методом зонной плав-. Ки, время жизни носителей заряда обычно велико, концен-



трация дефектов мала, но разброс удельного сопротивления! составляет ±25%. Трансмутационно-легированный крем-1 НИИ с разбросом удельного сопротивления ±10% и мини-! мальным временем жизни носителей заряда 200 мкс можно! использовать в производстве мощных приборов, например,! для регуляторов фазы и быстродействующих переключателей [76].

10. Последовательность технологических операции при изготовлении быстродействующих переключателей и регуляторов фазы

Операция

Структура

1 Диффузия акцепторной примеси

2 Диффузия донорной прнмесн

3 Металлизация анода и катода

4 Косой шлиф

,5 Электронное облучение н отжиг *

-в Подтравливание р-п-перехода

и нанесение покрытия 7 Оценка надежности и испытание

А А К}

миниИ

1>\

Структура аналогична структуре 3, но без покрытия

Понрытие

МолиВОеи

• Для регуляторов фазы эта операция отсутствует.

Последовательность технологических операций при из- /•отовлении быстродействующих переключателей и регуляторов фазы приведена в табл. 10. Электрические характеристики мощных тиристоров (на напряжение 3000 В) приведены в табл. И.

Применяя ТЛ-кремнии с малым разбросом удельного сопротивления, можно получить более высокие значения напряжений. Благодаря однородности удельного сопротивления можно использовать исходный материал с более

низким удельным сопротивлением и тем не менее сохранить достаточно высокий уровень выхода приборов с расчетной величиной напряжения [155]. Прямое падение напряжения

п. Электрические характеристики мощных тиристоров (из пластин

0 50 мм)

Напряжение тиристоров, В

Обозначение напряжения

Т, с

Ток, мА

Метод зонной плавки

Метод ТЛ-кремння

fsan

2870

2900

3025

2285

2900

2925

3060

3450

3466

2130

2850

3060

Q, мкКл

1500

1,86

2,15

1,91

и в тиристорах большой мощности зависит от толщины ба-зы/i-типа (UJJ. Изготовление быстродействующих переключающих тиристоров или выпрямителей и тиристоров для фазового управления на основе ТЛ-кремния позволяет уменьшить толщину базы до 50 мкм. Напряжение запирания при этом не изменяет своего значения, но величина прямого

2,0

1,8 1,2

200 J00 W„,MH)A

50 100

150 ZOO 250 Q,MhK/i

Рис. 50. Зависимость прямого падения напряжения (при токе 1500 А) от толщины базы:

/ - X = 5 мкс; t = 35 мкс; г т = 30 мко; i = 250 мне

Рис. 51. Зависимость прямого падения напряжения от заряда, рассасывающегося при обратном восстановлении, при различной толщине базы в быстродействующем тиристоре большой мощности

падения напряжения уменьшается. На рис. 50 показана зависимость прямого падения напряжения от толщины базы тиристоров, изготовленных из пластин диаметром 50 мм и предназначенных либо для фазового управления, либо для высокоскоростного переключения.



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


0.0093