СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА
METHOD AND APPARATUS FOR NEUTRON DOPING OF SUBSTANCE

Область техники
Группа изобретений относится к технологии нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния тепловыми нейтронами, широко применяемого в технологии изготовления приборов электронной и электротехнической промышленности.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известен способ получения ядерно-легированного кремния n-типа, описанный в патенте RU 2145128, опубликованном 27.01.2000, включающий замедление быстрых нейтронов источника веществом замедлителя, формирование потока тепловых нейтронов и облучение тепловыми нейтронами блока легируемого вещества, обогащенного изотопом кремния 30. К недостаткам данного способа относятся радиационные нарушения легируемого вещества быстрыми нейтронами и отсутствие возможности повышения плотности потока легирующих тепловых нейтронов в выделенных областях легируемого вещества.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является способ нейтронно-трансмутационного легирования кремния, описанный в патенте RU 2089011, опубликованном 27.08.1997, включающий возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненным по длине слитков в контейнере флюенсом нейтронов, отличающийся тем, что предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль канала (оси x) выбирают участок - a≅x≅a, на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией (f(x) f(-x)), в контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале (2a), а в процессе облучения контейнер со слитками перемещают по каналу из одного крайнего положения, в котором слитки в контейнере расположены за пределами зоны облучения, в другое, в котором средина длины слитков совмещена со срединой выбранного участка в канале (x=0), причем после облучения половинным флюенсом от требуемого процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно так же дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов. К недостаткам данного способа относятся радиационные нарушения легируемого вещества быстрыми нейтронами и отсутствие возможности повышения плотности потока легирующих тепловых нейтронов, в выделенных областях легируемого вещества.
Из уровня техники также известно устройство получения ядерно-легированного кремния, раскрытое в патенте RU 2193610, опубликованном 27.11.2002, включающее внешний источник быстрых нейтронов, замедлитель, блок легируемого вещества, обогащенного изотопом кремния 30, устройство перемещения легируемого вещества, которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявленному изобретению. К недостаткам данного устройства относятся радиационные нарушения легируемого вещества быстрыми нейтронами и отсутствие возможности повышения плотности потока легирующих тепловых нейтронов, в выделенных областях легируемого вещества.
30
Исходным состоянием прототипа является облучение в канале реактора тепловыми нейтронами, цилиндрической заготовки из кремния, обогащенного изотопом Si. При этом под воздействием тепловых нейтронов в кремнии протекают реакции:
31
31
В результате этой реакции образуется радиоактивный изотоп Si, с распадом которого происходит накопление P (фосфора-31) - донорской легирующей примеси, создающей проводимость n-типа. Важно, что фосфор рождается в узлах решетки кремния.
В способе, принятом за прототип, производят облучение крупных заготовок из кремния помещением их в канал какого-либо промышленного или исследовательского реактора и их выдерживанием там до набора интегрального нейтронного потока, необходимого для получения нужных электрофизических параметров кремния. При этом заготовку в канале вращают и возвратно поступательно перемещают для равномерного распределения в ее теле легируемых примесей. Но для некоторых объектов электроники необходимо более сложное распределение легируемого фосфора в заготовке, чем просто однородное.
Раскрытие изобретений
Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка способа и устройства, повышающих поток тепловых нейтронов в выделенных областях легируемого вещества и увеличивающих отношение этого потока к фоновым быстрым нейтронам в них.
Техническим результатом, достигаемым при реализации группы изобретений, является рост производительности процесса легирования и формирование областей с повышенной степенью легирования в заданных участках легируемого вещества, что соответственно, позволяет повысить качество и расширить технические возможности элементов электроники и электронных устройств, создаваемых при применении легированного нейтронами вещества.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе нейтронного легирования вещества, включающем замедление быстрых нейтронов источника веществом замедлителя, формирование потока тепловых нейтронов в выделенную область и облучение тепловыми нейтронами легируемого вещества, быстрые нейтроны источника в процессе замедления сепарируют по углам их распространения, выделяют их потоки, двигающиеся в выделенном структурой вещества замедлителя направлении, суммируют выделенные структурой потоки, формируют в виде узкой полосы и направляют на легируемое вещество, легируемое вещество управляемо перемещают в области фокуса потоков нейтронов.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что в устройстве для нейтронного легирования вещества, включающем источник нейтронов, замедлитель, легируемое вещество и устройство перемещения легируемого вещества, замедлитель представляет собой устройство формирования направленного потока нейтронов, выполненное в виде протяженных пластин с анизотропно структурированной селектирующей структурой с каналами между ними, ориентированными в выделенных структурой направлениях области фокусов потоков нейтронов, причем легируемое вещество, по крайней мере, своей частью размещено в области фокусов потоков нейтронов, а устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением в области фокуса. При этом селектирующая структура замедлителя может быть выполнена или в виде пакетов щелевых продольных клиновидных пластин так, что образованные ими клиновидные каналы своей осью ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов, или в виде группы изогнутых пластин переменной кривизны, причем таких, что образованные между ними криволинейные каналы на участках с минимальной кривизной ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов, или селектирующая структура может быть выполнена так, что пластины легируемого вещества размещены в каналах между пластинами замедлителя, причем пластины могут быть как плоскими, так и профилированными, например, изогнуты с переменной кривизной, так что максимум радиуса кривизны находится в центре пластины.
Возможность реализации способа обусловлена тем, что поведение нейтронов в замедлителе, вне замедлителя и на границе раздела сред существенно различаются.
Сущность данного способа заключается в том, что в начале веществом замедлителя быстрые нейтроны замедляют, передавая их избыточную энергию ядрам его вещества в процессе рассеяния на них. Затем, при выполнении замедлителя структурированным и анизотропным, в виде тонких протяженных профилированных пластин, с каналами, образованными между ними, нейтроны, двигающиеся вдоль каналов из глубины замедлителя, выводят в направлении областей, где расположено легируемое вещество.
При этом потоки нейтронов, отселектированные структурой из разных мест в теле анизотропного замедлителя и из разных каналов структуры, суммируют в области фокуса потоков нейтронов на легируемом веществе, чем повышают интенсивность потока нейтронов в них. Нейтроны, вышедшие из легируемого вещества без взаимодействия с ним, продолжают диффузное движение до повторного попадания в замедлитель и затем их вновь возвращают в процесс сепарирования веществом и структурой замедлителя. С целью коррекции процесса легирования и набора в выделенных областях пластин кремния необходимого интеграла потока нейтронов, легируемое вещество управляемо перемещают относительно области фокуса потоков нейтронов, структуры замедлителя.
Способ осуществляют в устройстве для нейтронного легирования вещества, включающем источник нейтронов, замедлитель, легируемое вещество, устройство перемещения легируемого вещества, характеризующемся тем, что замедлитель выполнен в виде анизотропно-структурированного устройства формирования направленного потока нейтронов, содержащего селектирующую структуру из протяженных пластин с каналами между ними, ориентированными в выделенных структурой направлениях области фокусов потоков нейтронов, причем легируемое вещество, по крайней мере, своей частью размещено в области фокусов потоков нейтронов, а устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением.
Возможен вариант реализации устройства, характеризующийся тем, что структура замедлителя выполнена в виде пакетов щелевых продольных клиновидных пластин так, что образованные ими клиновидные каналы своей осью ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов.
Обратим внимание на закономерности выхода нейтронов из щелевых клиновидных структур, вначале без учета тонкостей взаимодействия нейтронов с поверхностью клиновидных щелей. Считая, что поток нейтронов с каждого элемента поверхности клина равен потоку нейтронов с поверхности блока и при этом изотропен по углу рассеяния 2π, но ограничен по выходу углом раскрытия клина α, проинтегрировав поток нейтронов по площади поверхности клина, и отнеся его к площади щели получим, что поток из щели равен потоку с поверхности блока. Но при этом возникло новое качество - поток из щели является узконаправленным. Поэтому, объединяя узконаправленные потоки из совокупности подобных щелевых источников нейтронов, и геометрически сводя эти потоки в выделенной области, можно увеличить общую плотность потока нейтронов в этой области.
Так, на пакете из Ns клиновидных пластин поток в выделенной структурой области можно увеличить в Ks=2×(Ns-1) раз (смотри рис.2).
30
Если вдоль центральной оси пакета и поперек плоскостей пакета, поместить несколько тонких плоских пластин легируемого кремния, а вместо одного пакета пластин формирователя потока нейтронов использовать группу подобных пакетов, то в этом случае можно формировать ряд узких поперечных линеек с повышенной плотностью концентрации примеси фосфора в них. Ширина линеек и скважность между ними зависит от отношения размеров клиновидных полос к их расстоянию до легируемой пластины. После набора необходимого интегрального потока нейтронов легируемую пластину Si можно развернуть на 90 градусов и сформировать решетку примеси фосфора в ней.
Возможен вариант, когда структура замедлителя выполнена в виде пакетов щелевых продольных клиновидных пластин так, что образованные ими клиновидные каналы своей осью ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов, причем пакеты пластин замедлителя, размещенные справа от пластины легируемого вещества, и пакеты пластин замедлителя, размещенные слева от пластины легируемого вещества, выполнены взаимно перпендикулярно. В результате, мы получим квадратную матрицу из линеек легированного вещества на кремниевой пластине. В узлах решетки степень легирования остается увеличенной Ks - кратно в сравнении с фоном, а на линейных участках решетки степень легирования вдвое ниже. При этом доля фоновых быстрых нейтронов в области линеек падает в ξ=1/Ks раз.
Поскольку устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением, то изменяя положение легируемых пластин относительно сформированной решетки клиновидных пластин замедлителя можно изменять скважность, ширину, направление и интегральный поток нейтронов в областях легирования вещества.
Возможен вариант реализации устройства, характеризующийся тем, что структура замедлителя выполнена в виде группы щелевых изогнутых пластин переменной кривизны, причем таких, что образованные между ними криволинейные каналы на их выходе ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов.
В этом случае работа подобной структуры для селекции нейтронов существенно определяется отражением нейтронов от поверхности пластин селектирующей структуры.
Прежде всего, обратим внимание на то, что для полного внешнего отражения нейтронов от поверхности необходимо, чтобы поперечная компонента кинетической энергии нейтрона у поверхности была меньше средней потенциальной энергии отталкивания нейтронов в среде, которая может быть определена и как граничная энергия нейтронов в среде.
гр
гр
гр
Можно представить следующую таблицу для граничной энергии E, граничной длины волны λ и поперечной граничной скорости нейтронов V для разных веществ на поверхности замедлителя:
Таблица 1
Вещество
E<sub>гр</sub>, нэВ
λ<sub>гр</sub>, нм
v<sub>гр</sub>, м/с
Al
0.54
123
3.22
Cu
1.68
69.8
5.67
C (графит плотность 2 г/см<sup>3</sup>)
1.73
68.7
5.67
Be
2.43
58
6.81
BeO (2.9 г/см<sup>3</sup>)
2.62
55.8
7.08
D<sub>2</sub>O (1.105 г/см<sup>3</sup>)
1.66
70.2
5.63
Нерж. сталь 1Х18Н10Т
1.82
67.0
5.90
Стекло
0.9
95.3
4.15
Свинец
0.87
96.9
4.08
гр
0
s
s
s
s
s
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>s</mi></msub><mo>≈</mo><mn>360</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
При этом угол полного внешнего отражения определяется отношением граничной скорости нейтрона v к скорости теплового нейтрона v=2200 м/с,
. Этот угол равен φ=10' для поверхности из графита, φ=12' для поверхности из бериллия, φ=10.7' для поверхности из железа, φ=11.5' для поверхности из никеля и φ=9.5' для поверхности из меди. Угол полного отражения нейтронов можно увеличить снижением температуры замедлителя вплоть до 4.2 К, и увеличить до единиц градусов при нанесении на поверхности суперзеркальных покрытий. Суперзеркала представляют собой слоистые структуры из слоев с различными оптическими потенциалами нанесенными на какую-либо подложку. Например, это может быть многослойная система из широкого барьера и 12 тонких периодических слоев из FeCo-Si. Возможны нейтронные поляризующие суперзеркала, эффективность отражения нейтронов которыми зависит от величины и направления наложенного на зеркало, например, из CoFe(V)TiZr, магнитного поля.
гр,
гр
Существенно то, что нейтрон, выходящий из поверхности вещества, получает дополнительную энергию, равную E и при этом получает дополнительную поперечную скорость, равную v, отклоняющую траекторию от поверхности, а нейтрон. входящий в вещество, теряет эти энергию и скорость. Поэтому плоский протяженный равномерный канал не обладает селектирующими нейтроны свойствами. По этой же причине не обладает такими свойствами и протяженный канал, имеющий постоянную кривизну его поверхности, если при этом величина граничной энергии на поверхности постоянна.
Для того чтобы щелевой канал получил способность селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны, он должен иметь переменную, спадающую к его выходу кривизну этой поверхности. Или с другой стороны, радиус кривизны этой поверхности или граничная энергия на ней должны непрерывно расти в направлении выхода из канала.
s
В этом случае в структуре, в каждой точке профилированной поверхности канала существует область захвата нейтронов по углам Δφ (смотри рис.3) и потому подобный канал обладает способностью захватывать и выводить в выделенном направлении нейтроны как на всей ширине селектирующей пластины, так и во всем объеме селектирующей структуры замедлителя.
Кроме того важно, что весь этот поток обладает малым разбросом по углам, и он имеет на выходе высокую плотность потока нейтронов в тонком пристеночном слое каждой селектирующей пластины. А поэтому возможно формирование на легируемых кремниевых пластинах как линеек, так и квадратных и иных матриц из вещества, обогащенного фосфором 31 со скважностью между обогащенными полосами, равной толщине пластин селектирующей структуры.
<mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>a</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo>+</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mo>⋅</mo><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
s
При этом необходимо обратить внимание на то, что распределение потока нейтронов по углу выхода, из поверхности вещества из толстого блока замедлителя не изотропно, а имеет преимущественное направление по нормали к ней и описывается зависимостью
. Где θ - угол отклонения потока выходящих нейтронов от нормали, θ=90°-φ. Это обусловлено тем, что из-за малого пробега нейтронов до рассеяния, λ, приповерхностные нейтроны успевают рассеяться на ядрах вещества раньше, чем выходят за границу поверхности блока вещества.
ch
pl
s
Для снижения этого эффекта расстояние h между соседними каналами селекции нейтронов и толщина селектирующих пластин замедлителя h должны быть выполнены малыми, много меньшими, чем длина рассеяния нейтронов в веществе λ, и составлять единицы и доли миллиметра. В результате такого выполнения селектирующей структуры распределение нейтронов в пакете из тонких селектирующих пластин устройства остается изотропным по углам, как и в толстом блоке замедлителя, и нейтроны в процессе своего движения пересекают множество пластин структуры, повышая эффективность процесса.
Возможен вариант реализации устройства, характеризующийся тем, что селектирующая структура выполнена так, что пластины легируемого вещества размещены в каналах между пластинами замедлителя, причем пластины могут быть как плоскими, так и профилированными, например, изогнуты с переменной кривизной, так что максимум радиуса кривизны находится в центре пластины.
В этом случае облучение кристаллического кремния происходит внутри пакета пластин, в котором промежутки между ними заполнены замедлителем, или в виде пластин графита, или в виде слоев тяжелой воды. Пластины замедлителя при этом могут иметь суперзеркальные покрытия на их поверхности.
Для начала, представим некоторые радиационные характеристики основных материалов устройства в этом случае:
Таблица 2
(на тепловых нейтронах)
Si
<sup>30</sup>Si
C(графит)
D<sub>2</sub>O
H<sub>2</sub>O
Сечение рассеяния, σ<sub>s</sub> (барн)
1.99
2.4
4.8
13.6
103.0
Сечение поглощения, σ<sub>а</sub> (барн)
0.171
0.1
0.003
0.001
0.66
Пробег до рассеяния, λ<sub>s</sub> (см)
10
8.3
2.7
2.6
1.1
Пробег до поглощения, λ<sub>a</sub> (см)
118
200
3845
3·10<sup>4</sup>
45
Диффузионная длина, L (см)
20
23.6
54
120
2.7
Альбедо толстого блока, γ
0.5
0.62
0.93
0.97
0.57
Число пересечений границы толстого блока, k
2
2.6
14
33
2.3
Концентрация атомов, nСм<sup>-3</sup>
0.05·10<sup>24</sup>
0.05·10<sup>24</sup>
0.08·10<sup>24</sup>
0.03·10<sup>24</sup>
0.03·10<sup>24</sup>
Длина замедления до тепловой энергии, Ls (см)
17.7
11.0
5.4
Средний угол отклонения нейтрона при рассеянии, θ (град)
89°
89°
86°
70°(нa D)
48°(на Н)
s
s
a
a
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>λ</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>λ</mi><mi>a</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mi>l</mi><mrow><mi>L</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>l</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>γ</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>cos</mi><mi>θ</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mn>2</mn><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mi>A</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>A</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>18</mn><mo>⋅</mo><mi>A</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
При этом: λ=1/nσ; λ=1/nσ;
;
;
;
;
,
0
Где A - масса атома замедлителя, T, T - энергия нейтрона до и после замедления. Важно, что снижение температуры как в области селектирующей структуры, так и в области размещения легируемого вещества повышает эффективность процесса.
Существенно, что пробег до рассеяния тепловых нейтронов в кремнии больше, чем в графите или тяжелой воде, а пробег до поглощения в нем меньше, чем в графите или тяжелой воде. При этом также важно, что при рассеянии нейтронов на ядрах замедлителя, в среднем, угол отклонения нейтронов от исходной траектории близок к прямому углу.
В этом случае нейтрон, двигающийся поперек пластины замедлителя, рассеявшись на его ядрах, фактически без поглощения пройдет пластину замедлителя, но при этом в следующей за ним пластине кремния он будет преимущественно двигаться вдоль ее плоскости, участвуя в реакциях обогащения кремния фосфором. При этом этот нейтрон, полого двигающийся вдоль пластины с кремнием, при рассеянии на его ядрах, выйдет из пластины в замедлитель вновь преимущественно перпендикулярно его плоскости. В результате эффективность использования потока нейтронов вырастет.
В рамках рассмотренной пакетной конструкции области легирования кремния использование устройства формирования направленного потока нейтронов возможно и вокруг пакета легируемых пластин. При направлении нейтронов вдоль пластин кремния это целесообразно, и позволит увеличить эффективность их легирования.
Существенно, что устройство позволяет проводить легирование нейтронами не только кремния, но и любых других веществ, увеличивая интеграл потока в выделенных их областях и при этом снижая негативное влияние фоновых быстрых нейтронов.
Таким образом, данное конструктивное выполнение способа и устройства для нейтронного легирования вещества позволяет повысить величину потока тепловых нейтронов в выделенных областях легируемого вещества и повысить отношение этого потока к фоновым быстрым нейтронам в них. А этим повысить качество и расширить технические возможности элементов электроники и электронных устройств, создаваемых при применении легированного нейтронами вещества.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1. изображена схема формирования направленного потока из клиновидной щели;
на фиг.2. представлена схема устройства для нейтронного легирования вещества, интеграция потоков нейтронов на примере пакета клиновидных пластин;
на фиг.3. - селектирование нейтронов в криволинейном канале селекции.
Устройство для нейтронного легирования вещества состоит из анизотропно-структурированного устройства формирования направленного потока нейтронов, включающего внешний источник нейтронов, замедляющее вещество 1, профилированные пластины для селекции нейтронов 2, фокусную область 3, устройства формирования направленного потока нейтронов, легируемое вещество 4, угловую область захвата нейтронов в процесс селекции 5, устройство перемещения легируемого вещества 6.
Осуществление группы изобретений
Осуществление способа нейтронного легирования вещества поясняется следующими примерами.
17
2
12
2
14
2
Пример 1. Легируемое вещество представляет собой однородный поликристаллический кремний природного состава. При облучении его тепловыми нейтронами получается полупроводник n-типа, причем с увеличением интегрального потока F нейтронов увеличивается степень легирования кремния и его проводимость. Так, при интегральном потоке в F=3·10 1/см проводимость легированного кремния будет составлять ρ=100 Ом·см. При облучении кремния посредством устройства для нейтронного легирования вещества в фокусных областях устройства степень легирования будет увеличена Ks - кратно в сравнении с фоном, где Ks≈150. При плотности потока нейтронов в реакторе в 2·10 1/смсек, плотность потока нейтронов в области фокуса селектирующих пластин в легируемом веществе будет составлять 3·10 1/смсек. Время облучения до достижения данной проводимости составит около 18 мин. Таким образом, применение предлагаемых способа и устройства, позволяет увеличить эффективность легирования, поскольку оно производится только в необходимых участках полупроводника.
17
2
Пример 2. Легируемое вещество представляет собой однородный поликристаллический кремний природного состава, в который при кристаллизации добавлен германий природного состава. В зависимости от концентрации германия в исходном кремнии могут быть получены полупроводники различного типа. При увеличении в составе атомарной концентрации германия в кремнии свыше 0.0065 возможно получение легированного кремния p-типа. Так для получения на базе кремния радиационно-легированного полупроводника со степенью компенсации K=0.5 и величиной удельного сопротивления ρ=100 Ом·см, величина атомарной концентрации германия в кремнии должна составлять 0.00275, который получают интегральным потоком нейтронов в 5.4·10 1/см. После легирования материал подвергают отжигу при температуре 800°C в течение 30 минут. Применение предлагаемых способа и устройства, управляемо легируя вещество в заданных участках полупроводника, позволяет увеличить эффективность процесса.
115
116
Пример 3. Легируемое вещество представляет собой однородный монокристалл антимонида индия. Облучение антимонида индия тепловыми нейтронами приводит к превращению In, составляющего 96% естественной смеси, в олово Sn. Образующиеся атомы олова в узлах катионной решетки ведут себя как доноры. После легирования полученный полупроводник подвергают отжигу. Применение предлагаемых способа и устройства, управляемо легируя вещество в заданных участках полупроводника, позволяет увеличить эффективность процесса.
Работа устройства рассмотрена на примере одного из вариантов, показанного на фиг.2.
Быстрые нейтроны от внешнего их источника, например, реактора, термализуют на веществе замедлителя 1. Диффузное поле тепловых нейтронов, включающее и быстрые нейтроны, достигает устройства формирования направленного потока нейтронов, размещенного в одном из каналов. Тепловые нейтроны после замедления сепарируют по углам их распространения на профилированных пластинах для селекции нейтронов 2 и при этом выделяют их потоки, двигающиеся в выделенном сепарирующей структурой вещества замедлителя направлении.
В зависимости от вариантов исполнения, это могут быть нейтроны, двигающиеся в направлении широкой части клиновидных каналов, образованных между пластинами 2, либо нейтроны, которые двигаются вдоль криволинейно профилированных пластин 2 в направлении минимальной их кривизны.
За счет профилирования пластин 2 обеспечивается возможность захвата нейтронов на всей поверхности пластин. Сформированные и направленные потоки нейтронов суммируют в фокусной области 3 на легируемом веществе 4, в результате чего в фокусной области повышается интенсивность потока нейтронов. Нейтроны, вышедшие из легируемого вещества без взаимодействия с ним, вновь возвращают в процесс их сепарирования анизотропно-структурированным устройством формирования направленного потока нейтронов. Причем легируемое вещество 4 посредством устройства перемещения 6 легируемого вещества 4 управляемо перемещают в фокусной области потоков нейтронов, чем и формируют необходимый интеграл потока нейтронов в его веществе.
31
31
16
-1
13
-2
-1
P
0
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mi>P</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>σ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Рассмотрим также несколько численных примеров реализации предлагаемых способа и устройства. Пусть селектирующая структура выполнена в варианте клиновидных пластин при Ns=7, тогда поток в выделенной структурой области, можно увеличить в Ks=2×(Ns-1)=12 раз, с учетом удвоения от взаимодействия потоков с противоположных сторон фокусной области устройства. Считая, что необходимо набрать интеграл потока таким, чтобы среднее расстояние между легируемыми примесями P в кристалле было 22 нм, необходимо, чтобы плотность сформированных примесей P в решетке была n=9×10 см. Отсюда, при плотности внешнего потока тепловых нейтронов в реакторе, n=5×10 смсек необходимое время:
интеграла потока на линейке будет близко к 8 часам. Линейки могут быть, например, шириной 5 мм при скважности между ними в 35 мм, при этом пакет может включать до 80 пластин 1 мм кремния, установленных поперек пучка.
ch
ch
pl
В варианте селектирующей структуры из пластин переменной кривизны, ширина пристеночного потока нейтронов h на выходе из селектирующего канала будет меньше h≈0.1 мм, при этом важно, что Ks зависит не от толщины пластин h≤1 мм, а от глубины L структуры. Поэтому, возможно Ks»10 и на пластинах легируемого вещества возможно нанесение как линеек, так и решеток вещества, обогащенного фосфором 31 с их шириной около 0.1 мм со скважностью менее 1 мм. Как и ранее, поток от соседних селектирующих пластин может быть объединен в общем фокусе и еще более увеличен. Профиль изгиба пластин может иметь вид, например, как части параболы, так и части гиперболической спирали, или клотоиды.
Если пластины кремния изогнуты и размещены между пластинами замедлителя, то поток нейтронов в тонком поверхностном слое кремния, находящемся вблизи вогнутой части пластины замедлителя, вырастет, как и степень легирования фосфором 31 в нем.