Из-за быстрого торможения заряженных частиц с их помощью можно получить легированные слои небольшой толщины с очень неравномерным распределением легирующих примесей по глубине. Однако имеется ряд работ, демонстрирующих принципиальную возможность ядерного легирования германия пучками a - частиц и дейтронами, а кремния - пучком a - частиц.
Представляют интерес пороговые реакции с гамма-излучением высокой энергии. Эти реакции эндоэнергетичны и для их протекания необходимо превышение энергии гамма-кванта над энергией связи нуклона в ядре. В отличие от заряженнмх частиц гамма-кванты обладают большой проникающей способностью, что позволяет осуществлять легирование на большую глубину. Большинство источников гамма-квантов дает широкий спектр их энергии с
существенно неоднородной интенсивностью по спектру (например, микротрон). Это приводит к таким недостаткам метода, как сложность интерпретации интегрального эффекта воздействия и др. Имеется и проблема защиты от этого излучения. Тем не менее тормозное излучение ускорителей электронов использовалось для имитации радиационного воздействия протонов и нейтронов на кремниевые образцы, а также для прямого легирования кремния. В частности, было показано, что реакции (g, n), (g, p), (g, a) на изотопах кремния могут привести к образованию акцепторнsх примесей 27Al и изотопов магния.
Наибольшее распространение для ядерного легирования полупроводников получили реакции с нейтронами, которые тоже обладают большой проникающей способностью, а также могут взаимодействовать практически со всеми ядрами. Рассмотрим взаимодействие как быстрых, так и тепловых нейтронов с материалом образцов, подлежащих легированию. Будучи электронейтральными, нейтроны беспрепятственно преодолевают кулоновский барьер ядра, и даже очень медленные нейтроны могут проникать в глубь него. При этом чем меньше скорость у нейтрона, тем больше время его взаимодействия с ядром. Поэтому с уменьшением Еn вероятность захвата нейтронов ядром возрастает. Это взаимодействие определяется величиной сечения захвата se.
На рис. 1 показана зависимость сечения захвата от энергии нейтрона, усредненная по всем трем стабильным изотопам кремния. Аналогичный ход этой зависимости наблюдается отдельно для каждого из изотопов кремния. Видно, что при низких энергиях нейтронов
sс ~ En-1/2 ~ 1/Vn , (4)
где Vn - скорость нейтрона. Для ядер величина 1/Vn пропорциональна времени взаимодействия между ядром и нейтроном.
Ядро мишени, захватывающее нейтрон, представляет собой новый изотоп в возбужденном состоянии. При переходе этого ядра в состояние с меньшей энергией происходит, как правило, испускание гамма-квантов. Время их испускания может быть и очень коротким (мгновенное гамма-излучение), и достаточно продолжительным. Спектр испускаемого излучения характеризует структуру энергетических уровней ядер мишени и его можно использовать в качестве эффективного средства для обнаружения очень малых (следовых) количеств вещества (-109 атом/см3).
Согласно (2) процесс поглощения нейтронов и испускания гамма-квантов можно записать в виде
MX(n, g)M+1X (5)
Вполне возможно, что получающийся в результате захвата изотоп M+1X аналогичен природному и стабилен. Однако во многих случаях образующийся изотоп нестабилен и распадается, испуская электрон, позитрон (b-распад), протон и пр. В зтом случае говорят о радиоактивности изотопа и характеризуют его периодом полураспада Т1/2.
Для наиболее широко используемого в настоящее время полупроводникового материала - кремния содержащиеся в мишени три стабильных изотопа претерпевают превращения в следующих ядерных реакциях:
(92,18%) 28Si (n, g) 29Si; sc=0,08 d, (6)
(4,71 %) 29Si (n, g) 30Si; sc = 0,28 d,
(3,12%) 30Si (n, g) 31Si® 31P + b; sc = 0,11 d.
В скобках приведено относительное содержание каждого стабильного изотопа кремния. Сечения реакций sc даны в барнах (1 барн = 10-28 м2).
Первые две реакции не приводят к образованию легирующих добавок, а ведут лишь к незначительному перераспределению содержания изотопов. Легирующая примесь в виде изотопа 31P образуется в третьей реакции. Кроме полезной реакции с образованием фосфора существует и сопутствующая реакция
31P(n, g) 32P ® 32S + b (7)
c sc = 0,19 d и Т1/2 = 14,3 суток.
Распад изотопа 32P представляет собой первичный источник радиоактивности НТЛ-кремния. Несомненно, любые нежелательные примеси, присутствующие в малых количествах в исходном материале, могут приводить к образованию аномально долгоживущей радиоактивности,
Рис. 1. Зависимость сечения захвата нейтронов в кремниевом образце от энергии нейтрона
Рис. 2. Зависимость концентрации атомов фосфора 31P в кремниевом образце от потока нейтронов
вследствие чего материал нельзя будет использовать в производстве до тех пор , пока уровень радиоактивности не будет превышать предельно допустимый.
В таблице приведены данные о (n, g) - реакциях для некоторых полупроводниковых материалов. Они составлены с привлечением справочных сведений о сечениях поглощения и активации для нейтронов со скоростью Vn = 2200 м/с, а также данных полураспада радиоактивных изотопов. Из таблицы следует, что в ряде реакций изменяется только концентрация стабильных изотопов, что не влияет, в частности, 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 зависит от относительной эффективности соответствующих реакций, мерой которой является сечение активации в расчете на атом исходной примеси.
Свойства полученных в результате легирования материалов (после отжига дефектов) зависят от концентрации преобладающих примесей. Зависимость концентрации фосфора от потока нейтронов после облучения в реакторе различными интегральными потоками нейтронов и последующего отжига при 800°С в течение 1 часа в кремнии р-типа с удельным сопротивлением r = 200 Ом/см показана на рис. 2. Эта зависимость является основой для процесса легирования, в результате которого можно ввести
заданное количество донорных примесей в исходный материал n или p - типа, причем в последнем случае легирование можно довести до изменения типа проводимости.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.