2. Основыполучения нтл-кремния и приборов на его базе

Для ядерного легирования полупроводниковых материалов необходимо выполнить следующие условия;

- нестабильные изотопы должны быть короткоживущими, чтобы атомы целевых легирующихся примесей образовывались за остаточно короткий, допустимый по технико-экономическим соображениям, период времени после облучения;

- диффузионная длина пробега нейтронов должна быть больше азмеров легируемого кристалла, чтобы обеспечить достаточно равномерное распределение легирующих примесей по объему кристалла;

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

- влияние примесей, имеющихся в исходном материале до облучения, должно бытъ мало по сравнению с целевым эффектом легирования;

- наведенная радиоактивность не должна превышать требуемого уровня или достаточно быстро уменьшаться до него.

Схема основных технологических операций нейтронного легирования кремния показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема технологических операций ядерного легирования.

Основной операцией, определяющей качественные и экономические показатели трансмутационного легирования, является облучение образцов медленными нейтронами. Главная цель - равномерное облучение слитков кремния - достигается путем вращения образцов в потоке нейтронов, а также использованием специальных приемов. Например, с помощью специального экрана или профилирования канала реактора.

Дезактивация необходима для очистки поверхности от радиоактивных загрязнений. Для кремния основной вклад в поверхностное загрязнение вносят изотопы ³¹Si и ³¹Р. Поверхностные загрязнения, в частности, удаляют путем травления. В любом случае должен быть исключен прямой контакт обслуживающего персонала с радиоактивными материалами и налажен непрерывный дозиметрический контроль.

Для устранения нежелательных радиационных дефектов и стабилизации свойств облученных образцов, как правило, требуется проведение операции отжига. Для кремния обычно его проводят путем нагрева до температуры 700 - 800 °С и выдержки в течение 0,5 - 2 часов. В ряде случаев для увеличения стабильности времени жизни неосновных носителей отжиг проводят при более высоких температурах.

Если провести облучение нейтронами до изменения типа проводимости только в части образца кремния, то на границе облучения образуется р-n переход. Для защиты отдельных частей образца используют специальные экраны, содержащие элементы, хорошо поглощающие тепловые нейтроны: ¹¹³Cd, ¹⁰В, смеси изотопов кадмия и гадолиния.

В настоящее время принципs получения р-n переходов методом нейтронного легирования заложены в основу изготовления ряда детекторов ядерного излучения, микросхем для систем обнаружения и формирования сигналов изображения, быстродействующих переключателей и регуляторов фазы (тиристоров, выпрямителей).

Так, сейчас разрабатьтваются высококачественные системы обнаружения и формирования сигналов изображения на основе монолитных фоточувствительных элементов, изготавливаемых из кремния, легированного индием или галием. Одно из основных требований к этим ИК-приемникам состоит в следующем. В сильнолегированной кремниевой подложке остаточные примеси с мелкими уровнями (например, бор) должны бьпъ скомпенсированы по возможности донорными примесями. Метод нейтронного легирования позволяет создавать однородно распределеннне концентрации атомов фосфора, компенсирующих акцепторные примеси в исходном р-кремнии. Разработанные уже ИК-приемники обладают высокой фоточувствительностью ( 100 А/Вт) и большим временем жизни носителей заряда (  20 с).

Проведенные исследования также показали, что методом нейтронного легирования можно получить высокоомный кремний n-типа с удельным сопротивлением более 30 кОм см и неоднородностью по объему /_ср == 4%, что существенно ниже, чем у серийно изготавливаемого высокоомного кремния. Такой кремний очень эффективен при изготовлении спектрометрических детекторов с хорошим энергетическим разрешением ( < 1%) и большой толщиной чувствительной области.

В заключение можно отметить, что в сравнении с обычным легированием нейтронное легирование обладает такими существенными преимуществами, как высокая точность легирования - на уровне 1% и лучше, большая глубина легирования и существенно более однородное распределение примеси по объему. Это очевидным образом сказывается на отсутствии микронеоднородностей в распределении удельного сопротивления.

Растущая потребность промышленности в НТЛ-кремнии и других легированннх материалах (германий, арсенид галия и др.) в сочетании со сложностью эксплуатации в этих целях современных ядерных реакторов приводит к необходимости разработки специальных нейтронных источников. Одно из возможных направлений здесь связано с созданием интенсивных генераторов нейтронов, что позволило бы использовать метод нейтронного легирования непосредственно в производственных условиях. Успехи, достигнутые в последние годы в области разработки и конструирования лабораторных генераторов нейтронов (в том числе с лазерными ионными источниками), позволяющих получать потоки моноэнергетических нейтронов до 10¹³ нейтр/с и существенно более радиационно-безопасных, делают их серьезными конкурентами реакторным источникам.