RU2145128C1 - Method for producing n-type nuclear-doped silicon (options) - Google Patents
Method for producing n-type nuclear-doped silicon (options) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2145128C1 RU2145128C1 RU98105733A RU98105733A RU2145128C1 RU 2145128 C1 RU2145128 C1 RU 2145128C1 RU 98105733 A RU98105733 A RU 98105733A RU 98105733 A RU98105733 A RU 98105733A RU 2145128 C1 RU2145128 C1 RU 2145128C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- ingot
- concentration
- isotope
- neutrons
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области ядерной технологии получения поли- и монокристаллического кремния n-типа и имеет целью резкое расширение возможностей регулирования структуры и, через нее, - электрофизических свойств полупроводникового кремния и устройств на его основе. The invention relates to the field of nuclear technology for the production of poly- and single-crystal n-type silicon and has the goal of dramatically expanding the control capabilities of the structure and, through it, the electrophysical properties of semiconductor silicon and devices based on it.
В настоящее время ядерное легирование кремния n-типа осуществляют путем нейтронного облучения слитка кремния нужных габаритов и качества в ядерном реакторе или на другой ядерно-физической установке, когда основной ядерной реакцией является реакция на стабильном изотопе 30Si, содержащемся в естественной смеси изотопов в количестве 3,12%:
где n - нейтрон, γ - гамма-излучение при захвате нейтрона; β- - бета-частица с энергией 2,5 МэВ, испускаемая со временем полураспада 157,3 мин компаунд-ядром 31Si, 31P - легирующая примесь - фосфор, являющийся продуктом ядерной реакции (И.М. Греськов, С.П. Соловьев, В.А. Харченко. "Ядерное легирование полупроводников. Обзорная информация" НИИТЭХИМ, Москва, 1982 г., с. 19; В.А. Харченко, С.П. Соловьев - Известия АН СССР, Сер. Неорганические материалы, 7, N 12, 2137, 1971 г.).At present, n-type silicon doping is carried out by neutron irradiation of a silicon ingot of the required dimensions and quality in a nuclear reactor or other nuclear-physical installation, when the main nuclear reaction is a reaction on a stable 30 Si isotope contained in an amount of 3 natural isotopes ,12%:
where n is the neutron, γ is gamma radiation during neutron capture; β - - beta particle with an energy of 2.5 MeV, emitted with a half-life of 157.3 min compound nucleus 31 Si, 31 P - dopant - phosphorus, which is the product of a nuclear reaction (I.M. Greskov, S.P. Soloviev, V. A. Kharchenko. "Nuclear Doping of Semiconductors. Overview" NIITEKHIM, Moscow, 1982, p. 19; V. A. Harchenko, S. P. Soloviev - Izvestiya AN SSSR, Ser. Inorganic Materials, 7 N 12, 2137, 1971).
Главный недостаток данного прототипа - ограничение нормы флюенса нейтронов и, следовательно, степени легирования фосфором вследствие накопления комплексных радиационных дефектов, которые не устраняются пострадиационным термическим отжигом облученного слитка и существенно снижают электрофизические свойства кремния. Норму флюенса ограничивают также в связи с неизбежной для ядерной технологии наведенной радиоактивности слитка. The main disadvantage of this prototype is the limitation of the neutron fluence rate and, therefore, the degree of doping with phosphorus due to the accumulation of complex radiation defects that are not eliminated by the post-radiation thermal annealing of the irradiated ingot and significantly reduce the electrophysical properties of silicon. The fluence rate is also limited in connection with the inevitability of induced ingot radioactivity for nuclear technology.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что исходное кремниевое сырье обогащают стабильным изотопом 30Si в N раз, получают из обогащенного сырья известным способом слиток нужных габаритов и качества и проводят в ядерном реакторе или на другой ядерно-физической установке легирование слитка по реакции (1). При этом могут быть обеспечены два варианта способа получения ядерно-легированного кремния n-типа, для которых пострадиационные операции - дезактивация слитка, его дозиметрический контроль, отжиг радиационных дефектов, улучшающий и стабилизирующий электрофизические свойства слитка, проводят так же, как предусмотрено прототипом. При этом оба варианта способа обеспечивают достижение одного и того же технического результата - снижение концентрации комплексных радиационных дефектов и, соответственно, улучшение электрофизических свойств кремния.The essence of the proposed method lies in the fact that the starting silicon raw material is enriched with a stable 30 Si isotope N times, an ingot of the required dimensions and quality is obtained from the enriched raw material in a known manner, and the ingot is doped in a nuclear reactor or other nuclear-physical installation by reaction (1) . In this case, two variants of the method for producing nuclear-doped silicon of n-type can be provided, for which the post-radiation operations — decontamination of the ingot, its dosimetric control, annealing of radiation defects, improving and stabilizing the electrophysical properties of the ingot, are carried out in the same way as provided by the prototype. In this case, both variants of the method ensure the achievement of the same technical result — a decrease in the concentration of complex radiation defects and, accordingly, an improvement in the electrophysical properties of silicon.
Вариант 1. Option 1.
Снижая в N раз флюенс нейтронов по сравнению с вышеназванным прототипом, получают в свежеоблученном материале в N раз меньшую концентрацию остаточных комплексных радиационных дефектов и соответствующее повышение электрофизических характеристик кремния. Reducing the neutron fluence by a factor of N in comparison with the above-mentioned prototype, a concentration of residual complex radiation defects and a corresponding increase in the electrophysical characteristics of silicon are obtained by a factor of N in freshly irradiated material.
Вариант 2. Option 2
При сохранении нормы флюенса, установленного для прототипа, повышение в N раз содержания в кремнии изотопа 30Si ведет к увеличению в N раз концентрации равномерно распределенной в кремнии донорной примеси - 32P, т.е. концентрации носителей заряда. Для этого способа требуется принятие мер по устранению в спектре нейтронов высокоэнергетической части, с которой связано образование в веществе комплексных радиационных дефектов. Требуемое изменение спектра нейтронов достигается применением известных модераторов из бериллия или других материалов с малым атомным весом; модераторы устанавливают в облучательном канале. Физическим обоснованием этого пути являются электронномикроскопические и рентгеноструктурные исследования распределения комплексных радиационных дефектов в кристаллических веществах в зависимости от энергии бомбардирующих ядерных частиц (K. Mercle-Report AEPE-R5269, Harwell, 1966; M. L. Jenkins, C.A. English-Journ. Nucl. Mat. 108-109, 46, 1982; В.В. Кирсанов "Комплексы точечных дефектов в облученных кубических металлах, распределение их по размерам", Препринт НИИАР, П-60, Мелекесс, 1970 г.). Это распределение подчиняется закону Релея:
где d0 - диаметр дефекта, Δ - мода распределения (для нейтронов спектра деления ). Также убедительно показано, что при уменьшении энергии бомбардирующих частиц мода распределения резко сдвигается в сторону меньших размеров дефектов. Полностью термализованные нейтроны комплексных радиационных дефектов практически не создают.While maintaining the fluence norm established for the prototype, an increase in N times the content of 30 Si isotope in silicon leads to an increase in N times the concentration of the donor impurity evenly distributed in silicon - 32 P, i.e. carrier concentration. This method requires taking measures to eliminate the high-energy part in the neutron spectrum, which is associated with the formation of complex radiation defects in matter. The required change in the neutron spectrum is achieved by using well-known moderators of beryllium or other materials with low atomic weight; moderators are installed in the irradiation channel. The physical justification for this pathway is electron microscopy and X-ray diffraction studies of the distribution of complex radiation defects in crystalline materials depending on the energy of the bombarding nuclear particles (K. Mercle-Report AEPE-R5269, Harwell, 1966; ML Jenkins, CA English-Journ. Nucl. Mat. 108 -109, 46, 1982; VV Kirsanov "Complexes of point defects in irradiated cubic metals, their size distribution", Preprint NIIAR, P-60, Melekess, 1970). This distribution is subject to Rayleigh law:
where d 0 is the diameter of the defect, Δ is the distribution mode (for neutrons of the fission spectrum ) It has also been convincingly shown that, as the energy of the bombarding particles decreases, the distribution mode shifts sharply toward smaller defect sizes. Fully thermalized neutrons of complex radiation defects practically do not create.
Вследствие появляющегося для обогащенного изотопом 30Si слитка резерва по флюенсу технолог получает возможность маневра при реализации первого или второго вариантов. Количественная сторона при определении компромисса между первым и вторым вариантами обеспечивается набором графиков или таблиц зависимости тех или иных контролируемых параметров от режима облучения и отжига.Due to the fluence reserve ingot obtained for the 30 Si isotope enriched, the fluence reserve allows the technologist to maneuver when implementing the first or second options. The quantitative side in determining the compromise between the first and second options is provided by a set of graphs or tables of the dependence of certain controlled parameters on the irradiation and annealing mode.
Для обоих вариантов (N 1 и N 2) справедливо утверждение: так как комплексные радиационные дефекты действуют на ряд важных физических свойств кремния как инородные примеси, наивысший результат при его ядерном легировании обеспечивается для максимального обогащения стабильным изотопом 30Si. Переход от полиизотопного состава кремния (28Si - 92,18%, 29Si - 4,71%, 30Si - 3,12%) к моноизотопному 30Si само по себе, т.е. без нейтронного облучения, действует в том же направлении, так как в этом случае в колебательном спектре кристалла устраняются частоты, обусловленные различием атомных весов изотопов.For both options (N 1 and N 2), the statement is true: since complex radiation defects act on a number of important physical properties of silicon as foreign impurities, the highest result during its nuclear doping is provided for maximum enrichment with the stable 30 Si isotope. The transition from the polyisotopic composition of silicon ( 28 Si - 92.18%, 29 Si - 4.71%, 30 Si - 3.12%) to the monoisotopic 30 Si by itself, i.e. without neutron irradiation, it acts in the same direction, since in this case the frequencies due to the difference in the atomic weights of the isotopes are eliminated in the vibrational spectrum of the crystal.
Пример N 1. Example No. 1.
Предлагаемый вариант N 1 получения ядерно-легированного кремния n-типа реализован на экспериментальном канале ядерного реактора на стандартных слитках кремния с естественной смесью стабильных изотопов, полученных методом бестигельной плавки, при значениях флюенса нейтронов 7•1020 см-2 получена концентрация носителей заряда 2,5•1017 см-3; в то же время для 20-граммового слитка кремния с размерами примерно 60х12 мм, содержание в котором стабильного изотопа 30Si увеличено с 3,12% до 15%, т.е. приблизительно в 5 раз, получена та же концентрация носителей заряда после облучения флюенсом 1,5•1020 см-2. График зависимости концентрации носителей заряда от флюенса нейтронов, где для обогащенного слитка кремния получены две экспериментальные точки, дан на чертеже. Таким образом, отношение значения флюенсов близко к обратной величине отношения содержания названного изотопа в облученных слитках, взятых для эксперимента. Это свидетельствует о правильности технического решения и практической ценности предложенного способа.The proposed option N 1 for producing nuclear-doped n-type silicon was implemented on the experimental channel of a nuclear reactor using standard silicon ingots with a natural mixture of stable isotopes obtained by the crucible-free melting method, with a neutron fluence of 7 • 10 20 cm -2 , the concentration of charge carriers 2 was obtained. 5 • 10 17 cm -3 ; at the same time, for a 20-gram silicon ingot with dimensions of about 60x12 mm, the content of which the stable 30 Si isotope is increased from 3.12% to 15%, i.e. approximately 5 times, the same concentration of charge carriers was obtained after irradiation with a fluence of 1.5 • 10 20 cm -2 . A graph of the dependence of the concentration of charge carriers on the neutron fluence, where two experimental points are obtained for the enriched silicon ingot, is given in the drawing. Thus, the ratio of the fluence value is close to the reciprocal of the ratio of the content of the named isotope in the irradiated ingots taken for the experiment. This indicates the correctness of the technical solution and the practical value of the proposed method.
Пример N 2. Example No. 2.
Вариант N 2 получения ядерно-легированного кремния n-типа реализован в том же эксперименте, что и вариант N 1, результаты которого приведены на чертеже. Из зависимости концентрации носителей заряда от флюенса нейтронов (например, для одного и того же значения ФН = 1018 см-2) видно, что эта концентрация приблизительно в 5 раз выше для слитка кремния, обогащенного в 5 раз изотопом 30Si, по сравнению со слитком с естественной смесью изотопов. Таким образом, обогащение кремния в N раз изотопом 30Si приводит после его облучения нейтронами к более высокой (в N раз) степени его легирования фосфором, т. е. вариант N 2 позволяет получать высокое пересыщение кремния фосфором при равномерном его распределении в объеме кристалла. При этом использование в данном варианте способа модератора спектра нейтронов позволяет уменьшить долю нейтронов высокой энергии и, соответственно, снижает число комплексных радиационных дефектов.Option N 2 for producing nuclear-doped n-type silicon was implemented in the same experiment as option N 1, the results of which are shown in the drawing. From the dependence of the concentration of charge carriers on the neutron fluence (for example, for the same value of Ф Н = 10 18 cm -2 ) it can be seen that this concentration is approximately 5 times higher for a silicon ingot enriched 5 times with the 30 Si isotope, compared with an ingot with a natural mixture of isotopes. Thus, the enrichment of silicon N times with the 30 Si isotope leads after its neutron irradiation to a higher (N times) degree of doping with phosphorus, i.e., option N 2 allows one to obtain high supersaturation of silicon with phosphorus with its uniform distribution in the bulk of the crystal. Moreover, the use of a moderator of a neutron spectrum moderator in this embodiment makes it possible to reduce the fraction of high-energy neutrons and, accordingly, reduces the number of complex radiation defects.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98105733A RU2145128C1 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Method for producing n-type nuclear-doped silicon (options) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98105733A RU2145128C1 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Method for producing n-type nuclear-doped silicon (options) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2145128C1 true RU2145128C1 (en) | 2000-01-27 |
RU98105733A RU98105733A (en) | 2000-03-20 |
Family
ID=20203993
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98105733A RU2145128C1 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Method for producing n-type nuclear-doped silicon (options) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2145128C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2514943C1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-05-10 | Георгий Николаевич ПЕТРОВ | Method and apparatus for neutron doping of substance |
-
1998
- 1998-03-19 RU RU98105733A patent/RU2145128C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Греськов И.М. и др. Ядерное легирование полупроводников: Обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ, 1982, с.19. Вопросы радиационной технологии полупроводников, Под ред.Л.С.Смирнова - Новосибирск, Наука, 1980, с.280 - 286. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2514943C1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-05-10 | Георгий Николаевич ПЕТРОВ | Method and apparatus for neutron doping of substance |
WO2014104945A2 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | Petrov Georgy Nikolaevich | Neutron doping method and device |
WO2014104945A3 (en) * | 2012-12-25 | 2014-08-07 | Petrov Georgy Nikolaevich | Neutron doping method and device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Haas et al. | Silicon doping by nuclear transmutation | |
WO2016158495A1 (en) | Scintillator | |
CA1068583A (en) | Method of producing homogeneously doped semiconductor material of p-conductivity | |
RU2145128C1 (en) | Method for producing n-type nuclear-doped silicon (options) | |
US5904767A (en) | Neutron transmutation doping of silicon single crystals | |
US4277307A (en) | Method of restoring Si crystal lattice order after neutron irradiation | |
Alenkov et al. | Ultrapurification of isotopically enriched materials for 40 Ca 100 MoO 4 crystal growth | |
US4048508A (en) | Apparatus for doping a semiconductor crystalline rod | |
Barnes et al. | Thermal-Neutron-Induced Defects in n-Type Cadmium Telluride | |
RU2162256C1 (en) | Method for reducing concentration of post-radiation flaws in neutron-doped silicon during its pulse radiation treatment | |
Yakubovskaya et al. | arch PbWO4 WITH IMPROVED OPTICAL PARAMETERS FROM ARCHAEOLOGICAL LEAD | |
US20200402802A1 (en) | Photonuclear transmutation doping in gallium-based semiconductor materials | |
Heydari et al. | Optimization study to determine the appropriate location for the implementation of silicon doping in Tehran research reactor | |
Findlay et al. | Photonuclear transmutation doping of semiconductors | |
CA1072422A (en) | Method of producing homogeneously doped semiconductor material of p-conductivity | |
CA1072423A (en) | Method of producing homogeneously doped semiconductor material of p-conductivity | |
JPS5669825A (en) | Impurity-adding method for compound semiconductor | |
SU1100959A1 (en) | Method of producing nuclearly alloyed germanium | |
Alenkov et al. | Enriched 40 Ca 100 MoO 4 Single Crystalline Material for Search of Neutrinoless Double Beta Decay | |
Yakubovskaya et al. | ᵃʳᶜʰPbWO₄ with improved optical parameters from archaeological lead | |
Blondiaux et al. | Studies on Polycrystalline Silicon for Solar Applications, including Characterization of Trace Elements B, C and Al by Charged Particles Activation Analysis | |
Pytel | SILICON TRANSMUTATION DOPING—BEAM TUBE APPLICATIONS | |
RU98105733A (en) | METHOD FOR PRODUCING N-TYPE NUCLEAR-SILICON SILICON (OPTIONS) | |
Gupta et al. | Positron annihilation studies in alpha-irradiated n-type GaP | |
Hardy Jr et al. | The Effective Resonance Integral and Doppler Coefficient of Thorium-Oxide Rods |