Способ получения ядерно легированного германия

Способ получения ядерно легированного германия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНО ЛЕГИРОВАННОГО ГЕРМАНИЯ, включающий облучение германия естественного изотопного состава нейтронами о т л ичающийся тем, что, с целью повышения степени компенсации облучение проводят резонансными нейтронами или резонансными и тепловыми нейтронами .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (I!) (59 4 С 30 В 31 20 Н 01 L 21/263

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где N концентрация атомов германияэ Pp > Рт э Рта — содержание иэотопов Ge 0, Се ° Се, в облучаемом германии, 0, д,@, — сечения захва-, та тепловых нейтронов этими изотопами, Фг — флюэнс тепловых, нейтронов.

Вследствие равномерного поглощения тепловых нейтронов в кристаллах гер- . мания с линейными размерами порядка нескольких сантиметров и невысоких температур облучения, из-sa чего образующиеся в германии примеси непо-. движны, метод ядерного легирования

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I (21) 3451646/18-25 (22) 15.04.82 (46) 23. 10.89. Бюп. Р 39 (71) Институт полупроводников АН УССР (72) А.Г.. Беда, В.В. Вайнберг, Ф.И. Воробкало и Л.И. Зарубин (53) 621.382.002(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 799523, кл. С 30 В 31/20, С 30 В 29/08, 1980.

Полупроводниковые материалы./Пер. с англ. под ред. В.N. Тучкевича, M., ИЛ 1954, с. 62.

Изобретение относится к технологии однородного легирования .полупроводников и может быть использовано при создании полупроводниковых материа.лов для криогенной резистивной термометрии, оптоэлектроники, детекторов излучений и других полупроводниковых приборов.

Оно позволяет значительно повысить, степень компенсации ядерно легированного германия, полученного облучением нейтронами германия естественного изотопного состава.

Известен способ получения однородно легированного германия, включающий выращивание монокристаллов из расплава, изотопный состав которого отличается по содержанию изотопов от естественного германия, и дальнейшее облучейие тепловыми нейтронами. В результате захвата нейтронов изотопами германия протекают ядерные реакции, приводящие к образованию электрически активных примесей галлия (мелко-

2 (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНО. ЛЕГИРОВАННОГО ГЕРИАНИЯ, включающий облучение германия естественного изотопного состава нейтронами, о т л и- . ч а ю шийся тем, что, с целью повышения степени компенсации; облучение проводят резонансными нейтрона-. ми или резонансными и тепловыми нейтронами.

ro акцептора), мышьяка (мелкого донора) и селена (глубокого двухзарядио-; го донора), концентрации которых определяются формулами а е 1 т

I е е е Рт

ll00959 позволяет добиться максимальной однородности распределения примесей в полупроводнике. Концентрация вводимой примеси при этом контролируется

5 достаточно точно по времени облучения при известной величине мощности потока тепловых нейтронов. Этим способом можно получить. однсродно легированный германий как п-типа, так и р-типа с различной степенью компенсации, задаваемой выбором исходного изотопного состава.

Способ обладает существенными недостатками — сложностью технологических l5 операций и в связи с этим высокой стоимостью получаемого данным способом легированного германия. Это обусловлено тем, что для получения желае.мого изотопного состава исходного rep-20 мания необходимо иметь в наличии очищенные и обогащенные моноизотопы герI

7о 7f 76 мания з Се, Ge u Ge из сме32 си.которых выращивается германий желаемого изотопного состава. Техника же разделения и очистки изотопов весьма сложная и дорогая.

Наиболее близким к настоящему техническому решению является способ по- 30 лучения ядерно легированного германия, включающий облучение германия естественного изотопного состава нейтроками..

Германий в этом способе облучают медленными (тепловым) нейтронами.

Полученный таким образом ядерно легированный германий всегда будет р-типа проводимости и с фиксированной невысокой степенью компенсации, т.е. 40 отношением концентраций неосновной и основной примесей, К . = 0,23. Величина К, определяется формулой

И Л ==Z6 7й

Р 0 +2Р

В которую входя т лишь I 7p з Р7 р Р7б являющиеся константами для германия естественного изотопного состава, и

llg g 7 ф б величина которых также неизменна, а следовательно, не измен- 50 ная и величина К = 0,23.

Этот способ также позволяет получать однородное распределение примеси в полупроводнике и достаточно точно контролировать ее концентрацию по 55 времени облучения. При этом,в отличие от предыдущего способа, исключаютt ся сложные и дорогостоящие технологические процессы разделения и очистки изотопов германия.

Существенным недостатком этого способа является невозможность получения иных, кроме К = 0,23, значений степени компенсации.

Цель изобретения — повьш ение степени компенсации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения ядерно легированного германия, включающем облучение германия естественного изотопного состава нейтронами, облучение проводят резонансными нейтронами или резонансными и тепловыми нейтронами.

В результате облучения германия резонансными нейтронами происходят те же ядерные реакции, что и при облучении тепловыми нейтронами, и в германий вводятся примеси галлий, мышьяк и селен. Их концентрации определяются формулами, аналогичными (Е)

Ц Ъе Р7 Ег. "р > (2)

7b

Н М,Р„ Е, где I, I, I — интегралы захвата

70 71 тб резонансных нейтронов изотопами

7О 7б

9Ре 3Z Се Л Се соответственно, р — флюэнс резонансных нейтронов.

Соотношение величины Е, I, I

D таково (I . = 2,4 б, I . = 0,43 б, 77

76

2,2 б), что при облучении германия естественного изотопного состава резонансными нейтронами получается полупроводник р-типа с фиксированной высокой степенью компенсации К и 0,93, намного большей, чем К = 0,23, достигаемая при облучении естественного исходного германия тепловыми нейтронами. Комбинируя облучение тепловыми и резонансными нейтронами, можно получить любую степень компенсации в интервале значений 0,23-0,93, используя в качестве исходного германий естественного изотопного, состава и не прибегая к сложной и дорогой процедуре выращивания слитков германия с различным изотопным составом.

Облучение германия резонансными нейтронами реализуется путем облучения германиевого слитка в кадмиевом чехле достаточной толщины, который надежно экранирует слиток от тепловых нейтронов, 30 exp (ЯЙ), (4) 31 8Nr.. т т= .

1 т т(1+ОэЖ (10) 5 11009

Пучки нейтронов в каналах ядерных реакторов, в которых проводят облучение, содержат определенную долю как тепловых, так и резонансных нейтронов. Отношение флюэнсов Фр /Ф7 = p (жесткость спектра энергий нейтронов) может изменяться для разных типов реакторов в широком диапазоне. Так, например, в каналах тяжеловодного реак- 10 тора а 0,02-0,05, для реактора СИ-2

/ 0,8, а в каналах реактора БОР-60

10 . Изменять величину у в широS ких.пределах можно также при облучении в одном и том же реакторе путем 15 облучения германия в чехле нз материала, эффективно поглошающего тепловые нейтроны, например кадмия, варьируя толщину стенок чехла. Толщина стенки чехла определяет долю тепловых нейт- 20 ,ронов пучка, поглощенную материалом экрана, по формуле

f = 1 — ехр(-Яс!), (3) где Я вЂ” коэффициент поглощения тепловых нейтронов материалом чехла, d — - 25 толщина стенки. Жесткость спектра нейтронов !", прошедших через стенку чехла, равна

Ф /" Ф lo 4 а «4-+ т

Фг г(3f) exP(Zd) где /; — .жесткость спектра при облучении без чехла, Фр = Ф (1-1).

При облучении германия естественного изотопного состава в пучке нейтронов с жесткостью спектра, равной f,, получается полупроводник р-типа со степенью компенсации, равной 40

7f л

К P ggg+z,+ L. )+2Рд (d g Ф +Е Я

Td

Р7р (Roan+ Е - " р ) (5)

Подставляя в (5) P> = "т и учитывая, что 45

Р д + 2Pjyl

Р7О 7О а - -- — — - - - — 0,93, получим

Р7,7 . Е -,, 50

К 0,.23 + — " ——

0 7 (6)

1+1,43//

На фиг. l показана зависимость степени компенсации К от жесткости спект" ра нейтронов g (кривая I); на фиг.2— зависимость степени компенсации от соотношения времен tz/t, для - = 0,8 (кривая 2) и g = 0,02 (кривая 3); на

59 6 фиг. 3 — зависимость времени t и t от степени компенсации К: кривая 4 — t<, облучение в TBP кривая 5 — tg, облучение в TBP кривая 6 - t, облучение в СИ-2 кривая 7 - t, облучение в СИ-2

На фиг. 1 показано изменение степени комгенсации К при увеличении жесткости спектра нейтронов в пределах от 0,02 до 10 . При и менении 3

9 в таких пределах К изменяется от

0,23 до 0,93.

Управлять степенью компенсации ядерно легированного германия в пределах от 0,23 до 0,93 при использовании.в качестве исходного германия естественного изотопного состава можно также таким образом. Слиток германия облучают нейтронами с жесткостью спектра 4 в течение времени 1, а затем только резонансными нейтро" нами (поместив слиток в кадмиевый чехол достаточно большой толщины) в те- . чение времени tg. Степень компенсации в таком полупроводнике будет определяться формулой (5). Учитывая, что в данном случае р / (! + tg/t ), получим

К=0,23+

0 7 ! .43 . (7) г.(1+ — )

t)

На фиг . 2 показано, как изменяется К при изменении — от 0 01 до 10 ! и для двух значений Р (0,8 — кривая 2 и 0,02 — кривая 3). Практически все значения К в интервале 0,23-0,93 реализуются для этих двух g-в интервале значений + от 0,01 до 100. и

Концентрация основной примеси гала лия И в предлагаемом способе опре1целяется величинами флюэнсов тепловых и резонансных нейтронов и при известной мощностй потоков теп- . ловых и резонансных нейтронов достаточно точно контролируется по времени облучения. При управлении степенью компенсации путем облучения нейтронами с разной жесткостью спектра 3" !с М Р (Ф, +д" Е ) Р (9) время облучения определяется формулой

1100959 где 4 т — мощность потока тепловых нейтронов. В случае, если степенью компенсации управляют путем облучения слитка германия без кадмиевого чехла в течение времени t и в кадмиевом чехле в течение времени tg ) уо

-й -( уда c «JeeTox N«.„aP)o " 3,14 10 и ««, t «(получаем

Й«ь

31 8N (12) (,(I+0,7К(1+с, /t, )1

Величина С /t определяется as графика на фиг. 2 для необходимого значения К и подставляется в (12). Зная и --, можно определить t2, tg

t(Пример 1. Для получения гер. мания р-типа с концентрацией основной примеси галлия Л, = 5 10 см

Фб -3 20 и степенью компенсаций К = 0,93 выбирают слиток германия естественного изотопного состава, например серийно выпускаемого промь«шленностью германия марки ГЭС-45, содержание примесей в котором на три порядка меньше концентраций примесей, вводимых ядерным легированием. Требуемая величина флюэнса резонансных нейтронов определя30 ется формулой

+(, 45,45 Н = 45,45 5-10

«s 2

2,27 10 нейтрон/см

Зная мощность потока резонансных нейтронов »р в канале реактора, можно 35 определить время о учения, Например, в канале А9 тяжеловодного реак, тора ИТЭФ (2

4 1 2 10 нейтрон/см с. Отсюда получаем время облучения 40 P 6

1 89 ° 10 сек - 21 сут

«1«»

22 час 6 мнн

Дпя экранирования от тепловых нейтронов слиток германия помещается в кад- 45 миевый чехол.

П.р и м е р 2. Для получения германия р-типа с концентрацией Ы 5 ° 10 см и степенями компенсации 0,23; 0,25; 0,48 и 0,93 выбирают германий естественного изотопного состава, например выпускаемый промышленностью германий марки ГЭС-45. Облучение проводят в каналах А2 и А9 реакторе TBP (Ф О, 022 и О, 05 соответственно), а также в каналах реакторов СМ-2, где p" = 0,8, и БОР-60, где ф" > 10, без кадмиевого чехла. При этом получают (см. фиг. 1) значения

К = 0,23;. 0,25; 0,48 и 0,93 соответственно.

Требуемая величина флюэнсов нейтронов составит:

31 SN«; I 59.10 нсм 2 Р -2. ° т 1+ - /(- 1+О, 7г „= " Ф«1) К = 0,23; 3 = 0,22; Ф = 1,57»

«10 нейтрон/см

Ф = 3,4 -10 иейтрон/см

2) К= Оэ25; = 0)05; Рт =

1,54 10 нейтрон/см 1р = 7,7 IO нейтрон/см

3) К = О 48; P-= =О 8; «Р = 1«02»

»10 нейтрон/см

Фр = 8,15 ° 10 нейтрон/см

4) К О 93»/ )10 1 т 2

»1О нейтрон/см

+p = 2,27 ° I0 HBHTpOH/см

Ф 2

Зная мощность потока тепловых (Чт) либо резонансных (« р) нейтронов в самом реакторе, можно определить время облучения. Например, в канале А9 реактора TBP Ю = 2,38 10 нейтрон/см.с. (з g

Отсюда получим время облучения.

1,54-10 4 (.

t = -,- — -- — = б 74 10 с

2,38 ° 10 >

17 ч 58 мин 26 с.

Пример 3. Для получения германия р-типа с .концентрацией N

= 5 10 см и степенью компенсации, /6 изменяющейся в пределах 0,23-0,93, в качестве исходного выбирают германий естественного изотопного состава марки ГЭС-45. Облучение проводят в канале А2 реактора TBP (P=,0,02) и в реакторе CM-2 («t 0,8), варьируя величины t(.(время облучения без кадмиевого чехла) и t2 (время облучения в кадмиевом чехле). Из фиг. 2 видно, что при облучении в TBP за счет изменения отношения tz/t(от

0,01 до 40 перекрывается интервал значений К от 0,23 до 0,48, а при облучении в СИ-2 изменение ts/t(от 0,01 до 100 дает значения К в интервале ог 0,48 до 0,93. Величина флюэнсов нейтронов, необходимая для получения заданной концентрации K =

= 5 ° 10 см изменяется в таких пределах.

При облучении в реакторе ТВР йа первой стадии (облучение без чехла) изменяется от 1,57 1 0 до 1,01«

is

»lOш нейтрон/см при изменении К от 0,23 до 0,48.

Редактор С. Титова Техред Л.Сердюкова. Корректор М. Пожо

Подписное

Заказ 6881

Тираж 355

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауыская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101

11009

На второй стадии (облучение в чехле) » изменяется от 3,14 ° 10 до 8,08» и 10 нейтрон/см

1

При облучении в реакторе CM-2:

5 на первой стадии (облучение без чехла) Ф-, изменяется от 1,01 10 ней/ трон/см до 2,76 ° 10 нейтрон/см при

/б изменении К от 0,48 до 0,93; на второй стадии (облучение в чех- 10 ле) +р изменяется от 8,08 10 нейт/S рон/см до 2.21.10 нейтрон/см

Зная мощность потоков тепловых и резонансных нейтронов в каналах, где ведется облучение, можно определить длительность времен облучения t и t из уравнений (7) и (12).

На фиг. 3 показано изменение времен t и t при облучении в каналах реакторов TBP (Ч = 2,3.10 нейтрон/см 20

l 0,02) и СХ-2 ((10 нейтрон/см»

/Г Ф хс, 3" = 0,8) при Л/ = 5 10 и К, 59 10 изменяющемся от 0,23 до 0 ° 48 (облучение в ТВР) и от 0,48 до 0,93 (облучение в СИ-2). Кривые 4 и 5 соответствуют t1 и t< при облучении в TBP u кривые 6 и 7 соответствуют t< и t< при облучении в СМ-2.

Таким образом, предложенный состав обеспечивает следующие технико-экономические преимущества: возможность получения сильно компенсированного ядерно-легированного германия за счет облучения германия резонансными нейтронами, возможность управления степенью компенсации за счет облучения германия пучками нейтронов с различной жесткостью спектра; возможность управления степенью компенсации за счет раздельного облучения германия тепловыми и резонансными нейтронами.