Главная Вакуумные трубки



Заряд, рассасывающийся при обратном восстановлении, пропорционален времени запирания и обратно пропорциО нален прямому падению напряжения (рис. 51). Данные которые приведены в табл. 11, показывают, что приборы, из готовленные из ТЛ-кремния, имеют меньшие значения Q чем приборы из материала, полученного зонной плавкой хотя величина прямого падения напряжения в обоих слу чаях примерно одинаковая. Это объясняется структурными нарушениями, которые полностью не отжигаются в процессе высокотемпературной диффузии. Из рис. 51 видно, что величина Q пропорциональна 1F„.

Среднее значение времени запирания у приборов для схем с фазовым управлением не зависит от того, изготовлен ли прибор из ТЛ-кремния или из обычного кремния, полученного методом зонной плавки. Разброс времени запирания у быстродействующих переключателей из ТЛ-крем ния весьма мал. Обычно у 80 % приборов время запирания составляет 35 мкс, т. е. приборы, изготовленные из! ТЛ-кремния, имеют малый разброс параметров относительно! расчетных. Применение ТЛ-кремния позволяет создавать приборы большой мощности на пластине большого диаметра.

3 настоящее время разрабатывают высококачественные системы обнаружения и формирования сигналов изображения на основе монолитных фоточувствительных элементов, которые изготовляют из примесного кремния, легированного индием или галлием. К рабочей температуре фотоприемника и его чувствительности предъявляют требование, чтобы в сильнолегированных кремниевых подложках остаточные примеси с мелкими уровнями (например, бор) должны быть скомпенсированы по возможности допориыми примесями. Метод нейтронного легирования позволяет вводить в решетку кремния однородно распределенные и заранее точно заданные концентрации атомов фосфора, что делает этот метод перспективным для точно скомпенсированного материала р-типа с высокой фоточувствительностью в инфракрасной (ИК) области спектра.

Превращение кремния в фосфор успешно использовано для точной компенсации остаточных акцепторных примесей В кремнии, что позволило получить примесный материал для ИК-приемников с большим временем жизни носителей заряда и высокой фоточувствительностью. В примесном Кремнии высокой чистоты, выращенном методом зонной плавки и сильнолегированном индием, удалось снизить эффективную концентрацию компенсирующих доноров до 2 • 10 см~. Фоточувствительность такого материала ДО

стигает 100 А/Вт при температуре 50 К и напряженности поля смещения 860 В/см, что соответствует времени жизни заряда 260 нс и величине произведения подвижности на время жизни, равной 2 • 10~ см-/В вследствие малой эф-фнективной концентрации доноров, реализуемой с помощью трансмутационного легирования. На рис. 52 показано распределение фототока по диаметру пластины кремния, легированного индием, при выраш,ивании методом зонной, плавки и трансмутационно-компенсированного фосфором.


Рис. 52. Распределение фототока по диаметру пластины кремния

{Np/Nb « 2), где Np, Nb - концентрации доноров фосфора и бора соответственно. Величина фототока при температуре 50 К постоянна по диаметру пластины с точностью ±10 %. Если не учитывать крайнюю матрицу вблизи левой границы пластины, то средние токи в отдельных матрицах отличаются не более чем на 5 %.

Нейтронное трансмутационное легирование по сравнению с обычным имеет следующие преимущества: высокую точность легирования мишени (1 % или лучше): более однородное распределение примеси как в аксиальном, так и в радиальном направлениях; отсзтствие микронеоднородно-стей распределения удельного сопротивления. К недостаткам можно отнести высокую стоимость производства из-за затрат, связанных с нейтронным облучением, уменьшением времени жизни носителей заряда, необходимостью обеспечения радиационной безопасности. С ростом требований к параметрам полупроводниковых материалов потребность в трансмутационно-легированных материалах (и не только в кремнии) будет возрастать. Это требует дальнейших разработок генераторов нейтронов, энергию и выход нейтронов в которых можно изменять в широких пределах с досгаточнс-высокой интенсивностью нейтронного потока, т. е. шире



использовать методы иейтронногп легирования непосредственно на производстве.

Применение нейтронно-легированного кремния (НЛК) для изготовления полупроводниковых детекторов. Особо важное место занимает метод нейтронного легирования для создания высокоомного кремния, пригодного для изготовления полупроводниковых детекторов с большой толщиной чувствительной области. Разрабатываемые детекторы широко применяют в активаиионном анализе, для исследования излучения ядер при определении примеси в полупроводниковом материале, а также для детектирования ядер-


1,ии

Рис. 53. Зависимость удельного сопротивления кремния от длини для трех образцов

ного излучения в различных областях науки и техники. Применение метода НЛК для изготовления полупроводниковых детекторов рассмотрено в работе [23]. Исследовали три образца коемния с различным удельным сопротивлением: Pi = 8400... 10300 Ом . см; = 21 ООО...28ООО Ом х X см; рз = 20 200...31 ООО Ом • см, которые облучали потоком нейтронов с плотностью соответственно: Ф, = 3 • 10* нейтр./с, 02=10" нейтр./с и Фд = 1,7 . 10" нейтр./с. После облучения образцы подвергались термоотжигу при температуре 750 °С в течение 1 ч.

Измеренное распределение удельного сопротивления по длине образца приведено на рис. 53, где р; - сопротивление в произвольной точке образца; рср - среднее сопротивление исследуемого образца кремния; / - длина образца, мм. Из рис. 53 видно, что иеодкородность удельного сопротивления Рг/рср составляет 4 % для нейтронно-легированного кремния (кривая /), 6 % для кремния р-типа (кривая 2) и для кремния п-типа 18 % (кривая 5).

На основе 1юлученного кремния п-типа с удельным сопротивлением 30 и 25 кОм • см изготовлены спектрометрические детекторы. Рабочий о-п-переход создавался по поверхностно-барьерной технологии: напылением слоя золота плотностью 30 мкг/см, а тыльный неинжектирующий контакт - напылением слоев германия и алюминия плотностью

35 мкг/см на предварительно химически протравленную кремниевую поверхность. Детекторы имеют ток около 5 мкА/см- при обратном смещении 400 В (рис. 54). Вольт-амперные характеристики детекторов, изготовленных на основе обычного кремния, изображены на рис. 54 штриховыми линиями. Ток в детекторах на основе НЛК на порядок выше, чем в детекторах на основе обычного кремния

rt-типа.

>1

Г 1

НТП п-т

»

i .

г .-

1---

-а"

п-типа

20 J0 tfOSOSO 80

Ц 5 li J

2-10"

3 7 6 5

2-10

200 m¥JOu,B

характеристи-

Рис. 54. Вольт-амперные / ки детекторов

На рис. 55 изображена зависимость емкости детектора от напряжения для различного нейтронного потока. Из рис. 55 видно, что насыщение происходит при напряжении. 500 В для дозы 7 • 10" нейтр./с, а для дозы 7 • IQi нейтр./с- при более высоком смещении (1000 В), что объясняется отличием удельного сопротивления нейтронно-легированного кремния, которое зависит от величины нейтронного потока. Спектрометрические характеристики детекторов проверялись на источнике а-частиц с энергией 5,8 МэВ, Показано, что детекторы на основе НЛК имеют энергетическое разрешение 0,8 % при напряжении смещения 320 В (образец № 2) и 1 % при напряжении смещения 200 В (образец № 3). \

Измерение спектрометрических характеристик детекторов при облучении с обеих сторон показало, что детекторы пз НЛК при дозе 7 • 10 нейтр./с имеют энергетическое разрешение при облучении с тыльной стороны 2 % при напряжении смещения 600 В. Таким образом, на основе НЛК можно изготовить спектрометрические прострельные



детекторы с толщиной чувствительной области более 1,5 мм, что является важным для решения задач в различных областях науки и техники.

В заключение можно сделать следующие выводы. Метолом нейтронного легирования можно получить высокоомный кремний п-типа с удельным сопротивлением более 30 кОм • см при неоднородности удельного сопротивления р,/рср = 4 %,

>-

/0"

1 11

1 1 1 •*

С,пФ 50 0 50

20 J0 40 50 100 200 тш U,B

Рис. 55. Зависимость емкости от напряжения детекторов при различном нейтронном потоке

что существенно ниже для серийного высокоомного кремния. Полученный НЛК можно использовать для изготовления спектрометрических Е-детекторов с энергетическим разрешением менее 1 %. Высокоомный НЛК пригоден для получения А-детекторов с большой толщиной чувствительной области.

3.2. ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙТРОНОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

В последние годы большое распространение в актива-ционном анализе получили источники нейтронов на запаянных трубках для решения аналитических задач, возникающих в электронной промышленности [77]. Для решения задач требуются источники нейтронов с потоком 10-10 нейтр./с, кроме того они должны быть малогабаритными, надежными и удобными в эксплуатации. Рассмотрим методы использования потоков нейтронов для активацион-ного анализа, применяемого в технике полупроводников.

Благодаря высоким достижениям в области ядерной физики и электроники в настоящее время широко применяются ядерно-физические методы анализа элементного и изотопного состава вещества. Они являются инструментальным» методами, не требуют сложной подготовки образцов, обеспечивают экспрессность и их можно автоматизнровать-При этом они позволяют не только определять концентрацию изотопов, но и при работе с естественными смесями изотопов являются методами элементного анализа. Важное место среди ядерно-физических методов анализа занимают методы, основанные на спектроскопии у-излучения, возникающего прн взаимодействии вещества с нейтронами. Так как пейтропное и у-излучения обладают высокой прони-


Рис.. 56. Зависимость чувствительности методов анализа определения примесей в чистых веществах

10-" 10-"

10"

т im Ш 1958 тг тг

кающей способностью, то можно выполнять дистанционный анализ без отбора проб и непосредственного контакта с исследуемым материалом.

Нейтронные у-спектрометри-ческие методы можно разделить на две rpyiHibi: с регистрацией запаздывающего-относительно момента реакции с нейтронами у-излучени» и с регистрацией мгновенного у-излучения, испускаемого за время Ю*-10 с. Методы первой группы называют нейтронно-активационным анализом, методы второй группы - нейтронно-радиационным анализом.

Развитие современной электронной техники характеризуется быстрым ростом требований к чистоте материалов и к определению следов элементов, а следовательно, и к чувствительности методов анализа (рис. 56) [5]. Разработаны методы контроля содержания примесей в интервале 10~- 10~* %. Для измерения столь малых концентраций примесей нейтронно-активационный анализ можно считать одним из наиболее чувствительных. Суть его заключается в следующем. Исследуемый материал (образец) бомбардируется интенсивным потоком нейтронов. Нейтроны, взаимодействуя с ядрами атомов, образуют радиоактивные ядра. Затем образец убирается из-под пучка нейтронов и измеряется радиоактивность образца. 1-1злучение, исходящее от таких образцов, имеет характерный спектр, анализ которого позволяет определить как элементы, составляющие образец, так и их относительную концентрацию. Чувствительность

12. Определение чувствительности

Элементы

Чувствнтельност(( определения в 1 г образца, %

Sc, Мп, Си, As, In, La, Pr, Sm, Eu, Tb, Dy,

Ho, Tm, Yb, Lu, W, Re, Ir, Au

Na, P, Cl, Ar, V, Cr, Co, Ga, Br, Sr, Y. Rh. Pd.

Sb, I, Cs, Cd, Er, Hf, Та, Os, Th, U

Al, K, Ni, Zn, Ge, Kr, Rb, Nb, Mo, Ru. Ag, Cd.-

Sn, Те, Ва, Се, Nd, Pt, Hg

F, Mg, Si, S, Ca, Ti, Fe, Se, Zr. Xe, Hf, Tl, Bi

10-8-lo-"* 10-7-10-8 10-6-10- 10--10-®



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


0.0178