SU1100959A1 - Способ получени дерно легированного германи - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНО ЛЕГИРОВАННОГО ГЕРМАНИЯ, включающий облучение германи  естественного изотопного состава нейтронами о т л ичающийс  тем, что, с целью повышени  степени компенсации облу- чение провод т резонансными нейтронами или резонансными и тепловыми нейтронами .

Description

Изобретение относитс  к технологии однородного легировани  .полупроводников и может быть использовано при создании полупроводниковых материалов дл  криогенной резистйвной термометрии , оптоэлектроники, детекторов излучений и других полупроводниковых приборов.

Оно позвол ет значительно повысить степень компенсации  дерно легированного германи , полученного облучением нейтронами германи  естественного изотопного состава.

Известен способ получени  однородно легированного германи , включающий выращивание монокристаллов из расплава, изотопный состав которого отличаетс  по содержанию изотопов от естественного германи , и дальнейшее облучейие тепловыми нейтронами. В результате захвата нейтронов изотопами германи  протекают  дерные реакции, привод щие к образованию электрически активных примесей галли  (мелкоg

го акцептора), мышь ка мелкого донора ) и селена (глубокого двухзар дно- ; го донора), концентрации которых определ ютс  формулами

N6 %е-Р 7 т,

Ntfe .,Р,

(О

Ы

AS

,

N.

NC

.

бе

где- N(jg - концентраци  атомов германи , PJ. , , P7ft - содержание изо76

топов Се . , j2Ge

В облучаемом

германии, д 4 захвата тепловых нейтронов этими изотопами , Фу- - флюэнс тепловых нейтронов. . Вследствие равномерного поглощени  тепловых нейтронов в кристаллах германи  с линейньп4й размерами пор дка

нескольких сантиметров и невысоких температур облучени , из-за чего образующиес  в германии примеси непо-. движны, метод  дерного легировани  позвол ет добитьс  максимальной однородности распределени  примесей в полупроводнике. Концентраци  вводимой примеси при этом контролируетс  достаточно точно по времени облучени  при известной величине мощности потока тепловых нейтронов. Этим способом можно получить однородно легированный германий как п-типа, так и р-типа с различной степенью компенсации, задаваемой выбором исходного изотопного состава. Способ обладает существенными недо статками - сложностью технологических операций и в св зи с этим высокой стоимостью получаемого данным способом легированного германи . Это обусловлено тем, что дл  получени  желае .мого изотопного состава исходного rep мани  необходимо иметь в наличии очищенные и обогащенные монойзотопы гер70 Ge , , Ge i смеси . которых выращиваетс  германии же лаемого изотопного состава. Техника же разделени  и очистки изотопов весь ма сложна  и дорога . Наиболее близким к насто щему техническому решению  вл етс  способ получени   дерно легированного германи , включающий облучение германи  е тественного изотопного состава нейтронами . Германий в этом способе облучают медленными (тепловым-) нейтронами, Полученный таким образом  дерно легированный германий всегда будет р-типа проводимости и с фиксированно невысокой степенью компенсации, т.е. отношением концентраций неосновной и основной примесей. Kg 0,23. Беличина KO определ етс  формулой PZ 1 , в которую вход т лишь Р7 , . , Р7 ,  вл ющиес  константами дл  германи  естественного изотопного состава, и б,( , ( , величина которых также неизменна, а следовательно, не измен на  и величина К 0,23. Этот способ также позвол ет получать однородное распределение примеси в полупроводнике и достаточно точ :но контролировать ее концентрацию по времени облучени . При этом,в отличие от предыдущего способа, исключаю с  сложные и дорогосто щие технологические процессы разделени  и очистки изотопов германи . Существенным недостатком этого способа  вл етс  невозможность получени  иных, кроме Ко 0,23, значений степени компенсации. Цель изобретени  - повьщ1ение степени компенсации. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе получени   дерно легированного германи , включающем облучение германи  естественного изотопного состава нейтронами, облучение провод т резонансными нейтронами или резонансными и тепловыми нейтронами. В результате облучени  германи  резонансными нейтронами происход т те же  дерные реакции, что и при облучении тепловыми нейтронами, и в германий ввод тс  примеси галлий, мышь к и селен. Их концентрации определ ютс  формулами, аналогичными (I) NG. . V Р. %s N«€ РГ.. /- Рр f% где 1 , 1 , i.y - интегралы захвата резонансных нейтронов изотопами 74 76 .,,Ge ,Ge соответственно, Р - флюэнс резонансных нейтронов. Соотношение величины I -ГО-Т/ таково (1 2,4 б, , 0,43 б, 7Й 1 2,2 б), что при облучении германи  естественного изотопного состава резонансными нейтронами получаетс  полупроводник р-типа с фиксированной высокой степенью компенсации Ki:0,93, намно.го большей, чем К,, 0,23, достигаема  при облучении естественного исходного германи  тепловыми нейтронами . Комбиниру  облучение тепловыми и резонансными нейтронами, можно получить любую степень компенсации в интервале значений 0,23-0,93, использу  в качестве исходного германий естественного изотопного, состава и не прибега  к сложной и дорогой процедуре выращивани  слитков германи  с различным изотопным составом. Облучение германи  резонансными нейтронами реализуетс  путем облучени  германиевого слитка в кадмиевом чехле достаточной толщины, который надежно экранирует слиток от тепловых нейтронов. Пучки нейтронов в каналах  дерных реакторов, в которых провод т облучение , содержат определенную долю ка тепловых, так и резонансных нейтронов . Отношение флюэнсов ,. (f (жесткость спектра энергий нейтронов может измен тьс  дл  разных типов ре акторов в широком диапазоне. Так, на пример, в каналах т желоводного реак тора t 0,02-0,05, дл  реактора СМf 0,8, а в каналах реактора БОР-60 (f 10 . Измен ть величину / в широких , пределах можно также при облучении в одном и том же реакторе путем облучени  германи  в чехле из материала , эффективно поглощающего тепловые нейтроны, например кадми , варьиру  толщину стенок чехла. Толщина стенки чехла определ ет долю тепловых нейтронов пучка, поглощенную материалом экрана, по формуле f 1 - exp(), (3) где Л - коэффициент поглощени  тепловых нейтронов материалом чехла, d толщина стенки. Жесткость спектра ней тронов /41 , прошедших через стенку чехла, равна

-Л Г f4

Фг(Л) exp7-/ d)

;

exp(Ad), где fa - .жесткость спектра при облуч НИИ без чехла,fp Rp (1-f). При облучении германи  естественно го изотопного состава в пучке нейтронов с жесткостью спектра, равной /,. .получаетс  полупроводник р-типа со степенью компенсации, равной Pzi.i.2til)i2PziLMi5xiia5i Р7 (7Л+ lf%) (5) Рр и учиПодставл   в тыва , что Z2i. KO 0,23, , SaLiLi.25. .1 0,93, получим 2iZ К о,.23 + 1 + 1, На фиг. 1 показана зависимость сте пени компенсации К от жесткости спект ра нейтронов f (крива  1); на фиг.2 зависимость степени компенсации от соотношени  времен , дл  (/ 0,8 (крива  2) и if 0,02 (крива  3); на

2zZ0 ,23 +

(7)

1 + .(. 4i) фиг. 3 - зависимость времени t, и t от степени компенсации К: 4- t, облучение в ТВР крива  5- t, облучение в ТВР крива  6- t, облучение в СМ-2 крива  7- t, облучение в СМ-2 крива  На фиг. 1 показано изменение степени компенсации К при увеличении жесткости спектра нейтрогюв в пределах от 0,02 до 10 . При изменении / в таких пределах К измен етс  от 0,23 до 0,93. Управл ть степенью компенсации  дерно легированного германи  в пределах от 0,23 до 0,93 при использовании в качестве исходного германи  естественного изотопного состава можно также таким о бразом. Слиток.германи  облучают нейтронами с жесткостью спектра J в течение времени 2f/, а затем только резоиансньп4и нейтронами (поместив слиток в кадмиевыйчехол достаточно большой толщины) в течение времени t. Степень компенсации в таком полупроводнике будет определ тьс  формулой (5). Учитыва , что в данном случае р . Г С t«/t/ ) 2 показано, как измен етНа фиг. с  К при изменении -- от 0,01 до Ч дл  двух значений / (0,8 - крива  2 и 0,02 - крива  3). Практически все значени  К в интервале 0,23-0,93 реализую-Гс  дл  этих двух f- в интервале значений - от 0,01 до 100. Концентраци  основной примеси галли  Ng в предлагаемом способе определ етс  величинами флюэнсов тепловых и резонансных нейтронов а. N.ePr. (гД , ) (8) и при известной мощности потоков тепловых и резонансных нейтронов достаточно точно контролируетс  по времени облучени . При управлении степенью компенсации путем облучени  нейтронами с разной жесткостью спектра f )iV . врем  облучени  определ етс  формулой 9 Yr(T+0,7) где T- - мощность потока тепловых не тронов. В случае, если степенью компенсации управл ют путем облучени  слитка германи  без кадмиевого чехла в течение времени t и в кадмиевом чехле в течение времени If, (1+|)Н.(П уда с учетом Nc. 3,14-10 см откуда с учетом wf tjV;. получаем . . Ч Tn+0,7r(l+t,/t,) Величина t.j/tj определ етс  из графика на фиг. 2 дл  необходимого значени  К и подставл етс  в (12). Зна  t можно определить t. и м е р I. Дл  получени  гер мани  р-типа с концентрацией основной примеси галли  5-10 и степенью компенсации К 0,93 выби рают слиток германи  естественного изотопного состава, например серийно выпускаемого промышленностью германи  марки ГЭС-45, содержание примесе в котором на три пор дка меньше концентраций примесей, вводимых  дерным легированием. Требуема  величина флю энса резонансных нейтронов определ етс  формулой ,, 45.45 N 45,45-5-10 10 нейтрон/см . 2,27 Зна  мощность потока резонансных нейтронов в канале реактора, можн определить врем  оо учени . Например , в канале А9 т желоводного реактора ИТЭФ нейтрон/см с. Отсюд 4 1,2.10 облучени  получаем врем  РО 1,89-10 сек - 21 сут - ; 22 час 6 мин Дл  экранировани  от тепловых нейтро нов слиток германи  помещаетс  в кад миевый чехол. Пример 2. Дл  получени  гер мани  р-типа с концентрацией N и степен ми компенсации 0,23; 0,25; 0,48 и 0,93 выбирают гер маний естественного изотопного соста ва, например выпускаемый промьшшенностью германий марки ГЭС-45. Облуче ние провод т в каналах А2 и А9 реактора ТВР (rf 0,022 и 0,05 соответственно ) , а также в каналах реакторов СМ-2, где Г 0,8, и ВОР-60, где / 10, без кадмиевого чехла. При этом получают (см. фиг, 1) значени  К 0,23; 0,25; 0,48 и 0,93 соответственно . Требуема  величина флюэнсов нейтронов составит: ср 5ii§S o. 59-10 нем i-i-rif /: 0,23; Г 0,22; « 1,57 J О 10 нейтрон/см V 3,4-10 нейтрон/см 2)К 0,25; 0,05; . 1,54-10 нейтрон/см ; fp 7,7-10 нейтрон/см 3)К - 0,48; 0,8; жЮ нейтрон/см ; Фр 8,15-10 нейтрон/см 4)К 0,93; ,2н х10 нейтрон/см п2 10 нейтрон/см . Зна  мощность потока тепловых (V) либо резонансных (р) нейтронов в самом реакторе, можно определить врем  облучени . Например, в канале А9 реактора ТВР 2,38-10 нейтрон/см с. Отсюда получим врем  облучени . 6,74 17 ч 58 мин 26 с. Пример 3. Дл  получени  германи  р-типа с концентрацией 540 см и степенью компенсации, измен ющейс  в пределах 0,23-0,93, в качестве исходного выбирают германий естественного изотопного состава марки ГЭС-45. Облучение провод т в канале А2 реактора ТВР (,02) и в реакторе СМ-2 ( 0,8), варьиру  величины t (врем  облучени  без кадмиевого чехла) и t (врем  облучени  в кадмиевом чехле). Кз фиг. 2 видно, что при облучении в ТВР за счет изменени  отношени  от 0,01 до 40 перекрываетс  интервал значений К от 0,23 до 0, при облучении в СМ-2 изменение .| от 0,01 до 100 дает значени  К в интервале о 0,48 до 0,93. Величина флюзнсов нейтронов, необходима  дл  получени  заданной концентрации K(;.Q , измен етс  в таких пределах . При облучении в реакторе ТВР йа первой стадии (облучение без чехла) 7- измен етс  от 1,57 Ю до 1 ,01 х «10 нейтрон/см при изменении К от 0,23 до 0,48.

На второй стадии (облучение в чехле ) р измен етс  от 3,14-10 до 8,08 /Ю нейтрон/см .

При облучении в реакторе СМ-2: .

на первой стадии (облучение

Ю нейчехла ) ;- измен етс  от 1.01

л . М.

трон/см до 2,7610 нейтрон/см при изменении К от 0,48 до 0,93;

на второй стадии (облучение в чехле )iV измен етс  от 8,08-10 нейтрон/см до 2.21.10 нейтрон/см.

Зна  мощность потоков тепловых и резонансных нейтронов в каналах, где ведетс  облучение, можно определить длительность времен облучени  t| и t из уравнений (7) и (12).

На фиг. 3 показано изменение вреизмен ющемс  -от 0,23 до 0,48 (облучение в ТВР) и от 0,48 до 0,93 (облучение в СМ-2). Кривые 4 и 5 соответствуют t и t2 при облучении в ТВР и кривые 6 и 7 соответствуют t и t при облучении в СМ-2.

Таким образом, предложенный состав обеспечивает следунщие технико-экономические преимущества:

возможность получени  сильно компенсированного  дерно-легированного германи  за счет облучени  германи  резонансными нейтронами,

возможность управлени  степенью компенсации за счет облучени  германи  пучками нейтронов с различной жесткостью спектра;

Claims (1)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНО ЛЕГИРОВАННОГО ГЕРМАНИЯ, включающий облучение германия естественного изотопного состава нейтронами, от л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения степени компенсации, облучение проводят резонансными нейтронами или резонансными и тепловыми нейтронами.