Совместное нейтронное трансмутационное легирование изотопами фосфора 31f и серы 32S изотопа кремния 30Si Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

—ш

V, А

УДК 538.915

СОВМЕСТНОЕ НЕЙТРОННОЕ ТРАНСМУТАЦИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ИЗОТОПАМИ ФОСФОРА 31F И СЕРЫ 32S ИЗОТОПА КРЕМНИЯ 30Si

В.А.Абрамовский, Н.В.Абрамовская

JOINT NEUTRON TRANSMUTATION DOPING OF A SILICON ISOTOPE 30Si BY THE ISOTOPES

OF PHOSPHORUS 31F AND SULFUR 32S

VA.Abramovsky, N.V.Abramovskaya

Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected],

Natalya.Radchenko@novsu. ru

Показана принципиальная возможность совместного нейтрон-трансмутационного легирования изотопа кремния 30Si изотопами фосфора 31F и серы 32S. Такое легирование может быть осуществлено на реакторах, на которых плотность потока тепловых нейтронов порядка (2,5 - 5)1015 нейтронов/см2сек. Ключевые слова: кремний, сера, фосфор, легирование, нейтрон

F and

15

The principal possibility of joint neutron transmutation doping of a silicon isotope Si by the isotopes of phosphorus sulfur 32S is shown. This type of doping can be carried out in the reactors where the thermal neutron fluence rate is about (2,5 - 5)10 neutrons/cm2sec.

Keywords: silicon, sulfur, phosphorus, doping, neutron

Введение

Метод легирования полупроводников позволяет получить полупроводниковые материалы с заданными свойствами, что является важным для современной твердотельной электроники. Например, легирование германия позволяет получить металлическую проводимость в этом полупроводнике [1].

Легирование кремния серой 32$ приводит к появлению глубоких уровней ионизации Ec - 0,13,

Ec - 0,25, Ec - 0,37, Ec - 0,50 еВ; также приводит к

изменению типа проводимости кремния и снижению величины удельного сопротивления [2].

Совместное легирование может привести к появлению различных важных свойств полупроводников, недоступных при обычном легировании одним из изотопов [3].

Важными моментами для легирования являются две проблемы.

1. Высокая точность легирования, т. е. точное знание концентрации примеси.

2. Высокая степень однородности распределения примеси по объему образца.

Обе эти проблемы решаются методом нейтронного трансмутационного легирования [4]. Точность легирования обеспечивается тем, что концентрация вводимых примесей пропорциональна плотности потока тепловых нейтронов и времени облучения. Оба эти параметра известны с очень высокой точностью.

Равномерное распределение примеси обеспечивается однородностью потока нейтронов и случайным распределением поглощения нейтронов. В настоящий момент достигнута концентрация примеси фосфора в кремнии порядка 1015 см-3. Это связано с тем, что плотности потока нейтронов в облучающих реакторах составляют 1013 нейтронов/см2-сек. Более высокие концентрации требуют большого времени облучения, что приводит к появлению радиационных дефектов, которые нивелируют эффект легирования.

В настоящей работе мы предлагаем легировать изотоп кремния одновременно изотопами фосфора и серы Наличие полупроводников с двумя заметными долями концентраций может привести к появлению совершенно неожиданных свойств материалов, и, по нашему мнению, такая возможность должна быть изучена.

Основа метода

Одновременное легирование изотопа кремния изотопами фосфора и серы мы предлагаем провести методом нейтронного трансмутационного легирования. Это основано на двух реакциях.

1. Поглощение нейтрона изотопом кремния 31^:

30^ + п ^

Нестабильный изотоп за счет р-распада переходит в стабильный изотоп в 2,6 часа:

F с периодом полураспада

31

Р-

Si ^ F.

Эта реакция используется при нейтронном трансмутационном легировании кремния.

2. Поглощение нейтрона изотопом фтора 31Р: 31р + п - 32Б.

Нестабильный изотоп 32F с периодом полураспада в 14,5 суток за счет р-распада переходит в стабильный изотоп

Концентрация примеси 31F выражается следующим образом

N = / • * • Л30 • с30 . (1)

Р Jn 30д| 30д| V /

Здесь ]п — плотность потока нейтронов, * — время

облучения, М,0 — число атомов 30Si в см3, а30 —

сечение захвата нейтрона изотопом 30Si.

Подставляя вместо Л30 Лр в правую часть

(1) и интегрируя по времени, получим для концентрации изотопа 32S

N = j ^т'N30 • с,„ • с„ , S Jb 2 Si 30Si F

(2)

31

где с31р — сечение захвата нейтрона изотопом Р.

Для оценки мы возьмем Л30 и 5 1022 атом/см3,

о3^. и 0,107 б, о31 и 0,165 б. При плотности потока

нейтронов в ]п = 1013 нейтрон/см2хек концентрация примеси изотопа 31Р в образце кремния 31^, полученная в [5] Лр и 5,8 -1016 см-3, достигалась за время

* и 106 сек, или 11,6 дня. За это время концентрация серы

N « 4,4 • 1010 см-3.

Это пренебрежимо мало и такая концентрация не будет оказывать никакого влияния на свойства полупроводника.

Однако в 1962 г. в СССР был запущен водо-водяной реактор СМ-2 [6] с плотностью потока тепловых нейтронов ]п = 2,5 -1015 нейтрон/см2хек. В этом случае концентрация серы 32S в образце кремния достигает значения Л3 и 1015 атомов/см3 за 6 -105 сек (примерно 7 суток). За это время будет достигнута концентрация фтора 31Р Лр и 8 -1018 атомов/см3.

Для модернизированного реактора СМ-2 с плотностью потока тепловых нейтронов ]п = 5 • 1015 ней-

трон/см2^сек [6] концентрация Л3 и 1015 атомов/см3 будет достигнута за время 3 -105 сек. За это же время концентрация ЛР и 8 -1018 атомов/см3.

Как видно из этих оценок, время облучения и концентрации Лр и Л3 вполне разумно и позволяет

проводить эксперименты для выяснения свойств кремния, легированного фтором и серой. Также такое время облучения и концентрации позволяет, в принципе, организовать промышленное производство, если будут получены необходимые свойства полупроводников.

Заключение

Показано, что принципиально существует возможность нейтрон-трансмутацинного легирования изотопа кремния одновременно изотопами фтора 31Р и серы Это может привести к появлению полупроводниковых материалов на основе кремния с новыми свойствами. Для такого совместного легирования необходимы реакторы с плотностью потока тепловых нейтронов (2,5 - 5) • 1015 нейтронов/см2хек. Эти плотности потока были достигнуты на ректоре СМ-2 в 1962 г. Они позволяют сепарировать тепловые нейтроны от быстрых нейтронов, обеспечивая тем самым практически отсутствие радиационных повреждений в материале полупроводника.

1. Шлимак И.С. Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников: наука и приложения // Физика твердого тела. 1999. Т.41. №5. С.794-798.

2. Махкамов Ш., Турсунов Н.А., Каримов М. и др. Двух-стадийное легирование кремния изотопами фосфора и серы-32 // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. № 13. С.69-73.

3. Милешко Л.П. Совместное легирование фосфором и мышьяком анодных оксидных пленок кремния // Неорганические материалы. 2009. Т.45. №3. С.300-301.

4. Neutron transmutation doping in semicondactors / Ed. by J.Meese. N.-Y., L.: Plenum Press, 1979. 384 p.

5. Ионов А.Н., Баранов Г.Г., Бор Б.Я. и др. Нейтронно-трансмутационное легирование фосфором моноизотопа кремния 30Si // Письма в ЖТФ. 2006. Т.32. №12. С.87-94.

6. Николаев Ю.Г. Ядерные реакторы / Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1966. С.551-555.

Bibliography (Transliterated)

1. Shlimak I.S. Neitronnoe transmutatsionnoe legirovanie poluprovodnikov: nauka i prilozheniia // Fizika tverdogo tela. 1999. T.41. №5. S.794-798.

2. Makhkamov Sh., Tursunov N.A., Karimov M. i dr. Dvukh-stadiinoe legirovanie kremniia izotopami fosfora i sery-32 // Pis'ma v ZhTF. 2008. T.34. № 13. S.69-73.

3. Mileshko L.P. Sovmestnoe legirovanie fosforom i mysh'iakom anodnykh oksidnykh plenok kremniia // Neorga-nicheskie materialy. 2009. T.45. №3. S.300-301.

4. Neutron transmutation doping in semicondactors / Ed. by J.Meese. N.-Y., L.: Plenum Press, 1979. 384 p.

5. Ionov A.N., Baranov G.G., Bor B.Ia. i dr. Neitronno-transmutatsionnoe legirovanie fosforom monoizotopa kremniia 30Si // Pis'ma v ZhTF. 2006. T.32. №12. S.87-94.

6. Nikolaev Iu.G. Iadernye reaktory / Fizicheskii entsik-lopedicheskii slovar'. M.: Sovetskaia entsiklopediia, 1966. S.551-555.

2