Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
При разумных с технико-экономической точки зрения степенях облучения различных материалов концентрация примесных атомов, образующихся в результате ядерных превращений, может составить в лучшем случае доли процента. Поэтому полученные атомы как химическая примесь не могут оказывать существенного влияния па свойства исходного материала. В этой связи представляет особый интерес тот факт, что в ряде случаев практически важные свойства облученных материалов, в частности определяемые электронной структурой, существенно зависят от природы и распределения малого количества примесных атомов. Примеры такого влияния — окраска облученных щелочно-галоидных кристаллов и различных стекол, а также изменение электрофизических свойств полупроводников.
Задачей легирования полупроводников является введение заданной концентрации и обеспечение заданного распределения конкретной легирующей примеси в объеме исходного материала. Эта задача требует для каждого конкретного полупроводникового материала создания оптимальных условий легирования как обычными методами, так и методом ядерных превращений.
Принципиальное отличие ядерного легирования заключается в том, что легирующие примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов легируемого материала. Для оценки принципиальной возможности такого процесса, не имея специального опыта, можно на основе общих сведений о физике ядерных излучений и их взаимодействии с веществом интуитивно исходить из того, что при определенных условиях каждый вид излучения способен вызывать ядерные превращения в облучаемом веществе.
В зависимости от вида и энергии облучающих частиц, от состава облучаемого вещества возможно одновременное протекание ядерных реакций на ядрах различных химических элементов с образованием различных примесей, так что конечный результат легирования будет определяться суммарной
30
ролью всех примесей. При этом по крайней мере часть примесей будет представлять собой ядра радиоактивных элементов, и, как следствие,, появится наведенная радиоактивность легированного материала, что осложняет или делает невозможной безопасную работу человека с этим материалом.
Кроме того, в результате столкновений облучающих частиц с атомами облучаемого материала последним передается энергия, во многих случаях достаточная для смещения их из узлов кристаллической решетки и даже для образования значительных областей нарушений в решетке в результате многократных столкновений частиц с атомами и первичных выбитых атомов с другими атомами. Радиоактивный распад нестабильных ядер представляет собой дополнительный источник радиационных нарушений (дефектов), создаваемых как вылетающими из ядер частицами, так и самими распадающимися ядрами, которые могут смещаться за счет энергии отдачи, передаваемой ядрам при вылете частиц. Априори не ясно, как будет влиять сложный набор радиационных дефектов на целевой результат легирования, а из общих соображений о связи свойств полупроводников с совершенством их структуры следует ожидать, что это влияние должно быть вредным
Таким образом, уже из этих рассуждений следует, что для каждого конкретного материала центр тяжести проблемы ядерного легирования смещается в область выбора нужных ядерных реакций и создания условий для эффективного их протекания ^без осложняющего влияния других возможных реакций и побочных эффектов облучения, какими являются радиационные дефекты и наведенная радиоактивность. Рассмотрим основные закономерности, одределяющие роль указанных факторов и возможность управления ими.
Согласно современным представлениям (см. например, [1, 2.1), ядерные реакции, приводящие к образованию легирующих примесей, могут протекать при облучении заряженными частицами (протоны, дейтроны, а-частицы, ионы других элементов), нейтронами и у-кв антами. Схематически ядерное взаимодействие частицы а с ядром Ж, в результате которого образуется другая частица Ъ и ядро У, можно записать в виде
причем во всех ядерных превращениях выполняются законы сохранения энергии, импульса, суммарного электрического заряда частиц и полного числа нуклонов. Если обозначить через г N А соответственно заряд и массовое число участвующих в реакциях частиц и ядер, то с учетом этих законов
где 0 энергия реакции, представляющая собой разницу
а + X -> Ъ + У, или Х(а,- Ь)У,
(2.1)
(2.2)
31
энергии совокупности начальных и конечных продуктов ре-'
акции. ' ¦ ’ .. ' . ¦ ' ’ ¦ ¦ .-4
Из (2.2) следует, что с точностью до разницы в энергии конечное ядро получается из начального следующим образом:;
¦ | Ах+Аа-Аь
I Ху ~~ 7'¦%х+2а—гЬ * ,
т. е. в зависимости от Ла, Аь, Ъа> Ъъ ядро У может быть ядром одного из изотопов исходного элемента X или ядром одного из изотопов соседних элементов. В ряде случаев образуются нестабильные изотопы, которые превращаются в стабильные продукты в результате последующего радиоактивного распада,] для описания которого применима та же схема реакции (2.2).
Что касается механизма реакций, описываемых выражениями (2.1) и (2.2), то во многих случаях энергия частицьь-а, цопавшей в ядро Хгх, перераспределяется между частицами ядра* в результате чего образуется возбужденное составное ядро
