Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
, ¦ 4 /М\ з/2
П(1’) = У^\т (2.19)
где к — постоянная Больцмана; Т — температура.
Усреднение сечения по спектру п{у) дает
о = “т-2 п (и) »(1и11 п (у) у<2у = (2.20)
где у = ~]/8кгТ/лМп — среднее значение скорости.
В практике расчетов и измерений удобнее иметь дело со значениями сечения при наиболее вероятной скорости нейтронов
у„.в = Й^=К^=Т/1Д28, ,
соответствующей максимуму распределения л(и). Тогда можно
¦ ' ¦- ¦ '’?*"*•* ' 1
; ¦ ¦ ¦ ¦ ¦. ¦ . ;' -а
от температуры. Это необходимо иметь в виду при строгою оценке факторов, влияющих иа результаты ядерного легирова^ ния. В частности, температурная зависимость сечения дает] возможность уменьшить роль тех или иных реакций, если| проводить легирование при разных температурах. |
' ¦ ' * . " ' ¦ ¦¦ ' '¦ ' I
2.5. ЛЕГИРУЮЩИЕ ПРИМЕСИ ;
И ХАРАКТЕР ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, |
ЛЕГИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ [п, ^-РЕАКЦИЙ >
" • . . 'л
Согласно общей схеме ядерных реакций [(см. (2.1)1. первич^ ные продукты (га, у)-реакций представляют собой ядра на одну атомную единицу тяжелее исходных. Это могут бытщ более тяжелые изотопы того же или соседнего элемента перио-: дической системы. Если эти изотопы имеются в естественной^ смеси изотопов облучаемого материала и являются стабильны-,! ми, то соответствующие ядерные превращения приводят только! к изменению исходной концентрации стабильных изотопов в облучаемом веществе, не создавая примесей соседних элементов периодической системы. I
Если первичные продукты (га, у)-реакций—нестабильные изотопы, то они претерпевают (в одну или несколько стадий) последующий радиоактивный распад, чаще всего [3-распад, ПО схеме . !
Х$(.п,ч)*Хг+1 (2.23)
* ¦ ' ' ¦ . . ’ , ¦ где Ту/з — период полураспада . нестабильного изотопа *Хг ' 17 —• заряд, уносимый р-частицами; Хг-Ъ ~~ конечный продукт ядерных превращений.
Анализ всех возможных ядерных реакций позволяет предсказать для каждого конкретного материала набор вводимых таким способом электрически активных примесей и их относительную активность. Концентрация примеси г-го сорта
N<>1 = ^оМг<Р*, (2.24).
где А0 — концентрация исходной смеси изотопов; кц и ог — соответственно относительное содержание и сечение активации г-го изотопа, из которого образуется примесь *-го сорта; (р —; плотность потока нейтронов; I — время облучения. ;
В выражений (2.24) величины А"0, кь cri являются константами^ характеризующими исходный материал. При облучении, в ядерном реакторе, работающем на постоянной мощности, величину ф также мощно считать постоянной. Тогда концентрация вводимых примесей должна зависеть только от времени облучения, которое можно контролировать с достаточной степенью точности, следовательно, довольцо легко обеспечиваются заданные значения электрофизических свойств легированных
43 ; : . ' . /. . .. . -¦ ¦¦ ¦ ¦ . , ; ". , ; г ,: ;
материалов. Однако для того, чтобы ядерное легирование оказалось технически полезным способом получения полупроводниковых материалов с заданными свойствами, необходимо выполнение следующих условий:
1) образующиеся нестабильные изотопы должны быть достаточно короткоживущими для того, чтобы атомы целевых легирующих примесей образовались за достаточно короткий, допустимый по технико-экономическим соображениям период времени после облучения;
2) диффузионная длина пробега нейтронов в облучаемом материале должна быть существенно больше размеров легируемого кристалла для того, чтобы обеспечить достаточно равномерное распределение легирующих примесей по объему кристалла;
3) одновременно с целевыми примесями не должны образовываться другие примесные атомы, ухудшающие свойства легируемого материала, или их влияние должно быть мало по сравнению с влиянием целевых примесей;
4) влияние примесей, имеющихся в исходном материале до облучения, должно быть либо мало по сравнению с целевым эффектом легирования, либо поддаваться достаточно строгому учету;
5) по санитарным условиям наведенная радиоактивность должна быть либо мала, либо достаточно б ретро уменьшаться до допустимого уровня.
Рассмотрим с этих позиций данные о (п, у)-ядерных реакциях для ряда полупроводниковых материалов (табл. 2.6), составленные с привлечением справочных сведений [5] о сечениях поглощения и активации для нейтронов со скоростью ¦о = 2200 м/с, а также о периодах полураспада радиоактивных изотопов. Из таблицы 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 (графа 5 табл. 2.6).
Возможность изменения электрофизических свойств с помощью примесей, вводимых методом ядерного легирования при облучении нейтронами, доказана для всех приведенных в табл. 2.6 полупроводников. При этом те или иные свойства облученных полупроводников после соответствующего отжига удалось связать с природой и концентрацией преобладающих примесей, в частности с Иа и Аз в Пе (отжиг 24 часа при 450°С) [7, 14], со Э-п и Те в МЬ (отжиг в течение 25—30 ч при 620— 675°С) [15—17], с Ие и Зе в ОаЛэ (отжиг при 650—700°С) [18],
