15. Ядерное (трансмутационное) легирование.

Сущность метода ядерного, или трансмутационного, легирования кремния заключается в том, что под воздействием нейтронного облучения чистого монокристаллического слитка кремния с высоким удельным сопротивлением происходит конвертирование его в гомогенный равномерно легированный

фосфором материал п-типа. Для реализации этого метода монокристаллический слиток кремния помещают в реактор, где происходит его облучение потоком тепловых нейтронов с энергией примерно 0,025 эВ. Тепловые нейтроны очень слабо взаимодействуют с веществом, поэтому их проникающая способность очень велика. Проникая в кристалл, они захватываются ядрами кремния, что приводит к цепочке ядерных превращений:

В результате первых двух реакций образуются изотопы кремния и , причем данные ядра будут находиться в возбужденном состоянии. Их переход в основное состояние сопровождается испусканием γ-квантов. Таким образом, первые две реакции не приводят к ядерному легированию, они лишь несколько перераспределяют исходную концентрацию изотопов кремния. В результате третьей реакции образуется нестабильный изотоп кремния , который испытывает β-распад:

В результате распада образуется изотоп фосфора и электрон. Период полураспада данной реакции составляет 2,6 ч. Таким образом, часть атомов кремния в результате захвата их ядрами тепловых нейтронов превратилась в атомы фосфора, которые являются для кремния донорной примесью.

Помимо этих основных реакций происходят побочные ядерные реакции,

обусловленные захватом ядрами фосфора тепловых нейтронов:

Образовавшийся в результате этой реакции изотоп фосфора нестабилен и испытывает β-распад с периодом полураспада, примерно равным 14,3 дня:

Последние две ядерные реакции являются нежелательными, поскольку сопровождаются уменьшением концентрации атомов фосфора в кремнии. Тем не менее существенного влияния на процесс легирования эти реакции не оказывают.

В ходе протекания вышеуказанных реакций в исходном монокристалле кремния наряду с донорной примесью фосфора возникают радиационные дефекты. Использовать такой монокристалл для изготовления каких-либо полупроводниковых приборов нельзя. Поэтому после ядерного легирования монокристалл кремния необходимо отжечь, чтобы восстановить его исходную кристаллическую структуру.

Ядерное легирование в настоящее время является хорошо отработанным методом равномерного введения атомов фосфора в беспримесный кремний с целью получения материала п-типа. Легированный таким способом кремний особенно необходим как исходный материал при проектировании и изготовлении мощных полупроводниковых приборов, где требуется прецизионное управление величиной напряжения пробоя р-п-перехода и однородное распределение электрического тока, протекающего через р-п-переход. Кроме этого, данный метод можно использовать при изготовлении лавинных и инфракрасных детекторов, для которых требуется материал с высоким удельным сопротивлением.

Помимо однородного распределения примеси по кристаллу это метод легирования имеет еще ряд достоинств: отсутствие в обработанном слитке неконтролируемой примеси, отсутствие сегрегации легирующей примеси на границах зерен в поликристаллическом кремнии. Вместе с этим имеются и некоторые ограничения, в частности, данный метод позволяет получать только кремний п-типа проводимости. Кроме того, в отличие от диффузии или ионной имплантации этим методом невозможно осуществить селективное легирование.