Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania jednorodnie domieszkowanych monokrysztalów krzemu o przewodnosci typu p, przy uzyciu galu jako materialu domieszkowego, przez napromieniowanie neutronami.Domieszkowanie krystalicznych pretów krzemu osiaga sie na ogól przy osadzaniu krzemu z fazy gazowej, za posrednictwem termicznego i/lub pirolitycznego rozkladu zwiazku krzemu o postaci gazowej, na ogrzanym nosniku w postaci preta z tego samego materialu. Przy tym do zwiazków krzemu o postaci gazowej zostaja domieszane materialy domieszkowe, które rozkladaja sie na nosniku. Tak wytworzone krystaliczne prety krze¬ mu sa polikrystaliczne i musza byc doprowadzane do stanu monokrystylicznego w dodatkowym procesie stapia¬ nia strefowego. Przy tym nastepuje zmiana koncentracji domieszek, czesto w sposób niemozliwy do skontrolowa¬ nia jfralezy ustawiac o wiele wyzsze koncentracje domieszek aby wreszcie otrzymac w produkcie koncowym zadana koncentracje, ewentualnie po kilku procesach stapiania strefowego.Te metody sa pzasochlonWi niedokladne. Uzywana przy nich aparatura pracuje z zadowalajacymi tylko do pewnego stopnia wynikami i przy duzych kosztach.Inne sposoby produkcji domieszkowanych pretów krystalicznych krzemu znane sa z opisów patentowych ogloszeniowych RFN nr 1554276 i 2020182. Przy tych sposobach material domieszkowy doprowadzany jest do stopionego krzemu w postaci gazowej, wewnatrz pojemnika z wytworzona próznia, przy czym material domiesz¬ kowy nadmuchiwany jest przy pomocy strumienia gazu nosnego, podczas beztyglowego stapiania strefowego, ( bezposrednio na strefe stapiania. Jako materialy domieszkowe stosuje sie przy tych sposobach, wygodne w stoso¬ waniu i latwe do sprezenia zwiazki boru i fosforu. Dozowanie ilosci materialu domieszkowego regulowanejest tu przez wentyle. Wielka wada tego sposobu polega na tym, ze uzywane do dozowania wentyle nie pracuja doklad¬ nie. Cierpi na tym mozliwosc reprodukcji domieszkowania tak wytwarzanych pretów krystalicznego krzemu.Ponadto sposoby terdaja w efekcie wieksza lub mniejsza niejednorodnosc rozkladu domieszek po stapianiu strefowym.Do wytwarzania krzemu domieszkowanego p -wykorzystuje sie takze czesto pierwiastek gal. Rozklad tego materialu domieszkowego w siatce krystalicznej krzemu równiez nie jest wystarczajaco jednorodny. Dotyczy to2 91842 zwlaszcza krzemu o duzej opornosci. Ze wzgledu na stosunkowo maly wspólczynnik rozkladu, bardzo trudne Jest docelowo jednorodne wbudowanie galu w krzem. Wyprodukowane z tego materialu elementy pólprzewodni¬ kowe nie moga utrzymac optymalnych parametrów, poniewaz wahania koncentracji materialu domieszkowego w trakcie wzrostu monokrysztalów przy stapianiu strefowym, powstale na skutek tworzenia skosów i nierówno¬ miernego rozkladu temperatur w obszarze stopionym, znajduja odbicie w niejednorodnym radialnie i osiowo ' rozkladzie opornosci, np. przy wystepowaniu „prazkowania", to jest w przyblizeniu periodycznie wystepujacych niejednorodnosci wahan koncentracji w krysztale, Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania krysztalów krzemu o przewodnosci p przy uzy¬ ciu galu jako domieszki, przy zapewnieniu jednorodnosci wbudowywania domieszki w siatke krystaliczna krze¬ mu. Poza tym w prosty i racjonalny sposób, niezaleznie od srednicy preta, lecz poprzez jego dlugosc i przekrój, powinna nastepowac regulacja jednorodnego i wolnego od „prazkowania" domieszkowania w krysztale krzemu.Wynalazek wykorzystuje przy tym fakt, ze krzem i german w kazdym stosunku, a wiec bez zakresu mieszanin, daja sie dobrze mieszac i ze mozliwe jest uzyskanie jednorodnego rozkladu domieszek przez napromienianie siatki krystalicznej neutronami.Wedlug wynalazku proponuje sie wiec najpierw wytworzenie stopu krzemu i germanu z dominujaca siatka krzemu, nastepnie doprowadzenie stopu do stanu 'monokrystalicznego, a wreszcie monokrysztalu krzemu zawie¬ rajacego german napromienianiu neutronami termicznymi, przy czym zgodnie ze znana reakcja jadrowa. .;J1 70Ge/n.T/7lG*-* 7iGa w stopie monokrystalicznym wytworzona zostanie dodatkowa ilosc galu. .Reakcje jadrowe przebiegajace z izotopami germanu (bez przejsc izomerowych) sa nastepujace: 7bGe/n?7/ 71Ge^7lGa -staMny O) 74Ge/n,y/ 75Ge^75As -stabilny' (2) 7 6Ge /n,7/ 77 Ge £~7 7As & 7 Se ^stabilny (3) Przy tym eoznacza wychwyt elektronu warstwy K przy emitowaniu chatakterystycziiego promieniowania Roent¬ gena, a n napromieniane neutrony.Reakcja (1) jest dominujaca. W krzemie, dzieki istnieniu naturalnego izotopu *?Si, przy przyjmowaniu neutronu termicznego i wydzielaniu promieniowania y wytwarza sie niestabilny izotop 3! Si który przy emitowa¬ niu promieni # przechodzi w stabilny 3 ! P (fosfor).n Przebiegajaca reakcje jadrowa 3aSi/n,7/ .3iSi£'3iP nalezy uwzgledniac przy radiogenicznym domieszkowaniu stopu krzemu i germanu.Mozliwe do osiagniecia domieszkowanie wynosi Cp = 1,7 10 *V; • t (koncentracja fosforu w atomach);,cm3 Dla reakcji (1), (2) i (3) obowiazuje: l.CGa = 3,0 10"2 0 • t (koncentracja galu w atomach/cm3) 2. CAs = 1,1 10"1 0 • t (koncentracja arsenu w atomach/cm3) 3. CSe = 1,0 10"3 • t (koncentracja selenu w atomach/cm3) Pod wyrazeniem ffl- t nalezy rozumiec iloczyn ze strumienia neutronów/cm2 i czasu napromieniowania w sek.Zakres wynalazku obejmuje stosowanie stopu krzemu i germanu,w którym udzial germanu wynosi najwy¬ zej 10%. Aby siatka krzemu pozostala dominujaca, zaleca sie dodawac do krzemu mniej niz 1% germanu, Celowymjest wytwarzanie stopu metoda stapiania strefowego.Aby dla napromieniania neutronami otrzymac krysztal wolny od przemieszczen, poddaje sie zawierajacy german monokrysztal krzemu dodatkowemu procesowi stapiania strefowego, przy którym stosuje sie znane sposoby uzyskiwania materialu wolnego od przemieszczen (np.cienkie krysztaly zarodkowe). Uzywajac dla doprowadzenia do stanu monokrystalicznego krysztalów zarodkowych o orientacji (111), (100) lub (115) ulat¬ wia sie znacznie, wytwarzanie krzemu wolnego od przemieszczen równiez dla wiekszych srednic preta.91842 3 W rozwinieciu pomyslu wynalazku przewidziano, ze zawierajacy german monokrysztal krzemu podczas napromieniania w polu neutronów bedzie sie obracal wokól swojej podluznej osi.Jako /rodla promieniowania uzywa sie w znany sposób reaktora jadrowego, typu reaktora z woda zwykla, z woda ciezka lub z moderatorem grafitowym.Figura pokazana na rysunku przedstawia schematycznie ulozenie. wytopionego strefowo i wolnego do przemieszczen preta krzemowego (1) o orientacji (111), stopionego z objetosciowo 2% germanu, przy napromie¬ nianiu w polu neutronów. To ostatnie przedstawiono przy pomocy punktów (2). Strzalka (3) wskazuje obrót preta (I) podczas napromieniania,wokól jego osi potiluznej (4).W oparciu o dwa przyklady wykonania blizej wyjasniono sposób wedlug wynalazku.Przyklad I. Jako material wyjsciowy stosuje sie polikrystaliczny pret krzemowy o dlugosci 900 mm i srednicy 35 mm, który przy wielkiej czestotliwosci posiada opornosc wlasciwa 900 il*cm typu p. Odpowiada to 1.5*101 3 akceptorom/cm3.Do tego preta dodaje sie objetosciowo 1,2% germanu i przy pomocy stapiania strefowego wytwarza sie stop krzemu zawierajacy german. Wreszcie w nastepnym procesie stapiania strefowego w ochronnej atmosferze argonu, dzieki zatopieniu krysztalu zarodkowego o orientacji (111), wytworzony zostaje wolny od przemiesz¬ czen pret monokrystaliczny.Cel domieszkowania typu p krzemowego preta monokrystalicznego wynosi 500O*cm, to jest 2,78*1013 akceptorów/cm3.Napromienianie w reaktorze strumieniem neutronów ($*t) o gestosci 2,5*10*7 atomów/cm2)(czas napro¬ mieniania 1 godzina) daje w efekcie zmiane domieszkowania krzemu (ze wzgledu na wytworzony fosfor) na 4,0*1013 donarów/cm3 oraz przemiane atomów germanu na atomy galu, odpowiednio 5,3*1013 akcepto¬ rów/cm3 .Z tego wynika koncentracja akceptorów (domieszka galu) równa 2,8*lQl3akceptorów/cm3 = 500G*cm.Przyklad II. Material wyjsciowy: polikrystaliczny pret krzemowy o opornosci wlasciwej równej 40CK2*cm, typu n. Odpowiada to 1,3* 1013 donorom/cm3; udzial germdnu objetosciowo 3%. Krysztal zarodko¬ wy o orientacji (111); cel - domieszkowanie p, 180O*cm, to jest 7,7* 101 3 akceptórów/cm3; strumien neutro¬ nów 2,5* 1017 atomów/cm2 (czas napromieniania 1 godzina); wytworzone atomy galu -- l ,3* 1014 atomów/cm3; wynikowa koncentracja akceptorów przy uwzglednieniu zmiany domieszki krzemowej (z powodu wytworzonego fosforu) 7,7* 101 3akceptorów/cm3 = 180n*cm.W rozwinieciu pomyslu wynalazku przewidziane jest wygrzewanie napromienionego monokrystalicznego preta krzemoSwego w mrze krzemowej, w temperaturze powyszej 1000PC i przez czas co najmniej 1 godz, w celu naprawienia mozliwych uszkodzen siatki krystalicznej. Proces ten mozna jednak pominac, jezeli material pólprzewodnikowy bedzie dalej przetwarzany na podzespól i przy dalszym przetwarzaniu beda musialy byc przeprowadzane procesy w wysokiej temperaturze (dyfuzje w wysokiej temperaturze).Sposób wedlug wynalazku daje dwie mozliwosci dokladnej regulacji domieszkowania typu p w krysztale krzemu za pomoca dwóch parametrów: poprzez udzial germanu w stopie krzemu oraz poprzez intensywnosc wzglednie czas trwania napromieniania.Dopiero dzieki metodzie bedacej przedmiotem wynalazku udalo sie jednorodne domieszkowanie galem, monokrystalieznych pretów krzemowych o stosunkowo duzych srednicach, w sposób wolny od przemieszczen i prazkowania. Takie prety wykorzystuje sie zwlaszcza do wytwarzania liczników czastek,jak detektory promie¬ niowania lub licznik warstw granicznych. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL