[科普中国]-中子嬗变掺杂

简介

用中子照射半导体材料使其部分原子俘获中子后衰变变成另一种所需的原子(掺杂剂)而实现掺杂的过程。纯P型单晶硅材料在热中子照射下，发生核反应，原始单晶硅中由于出现衰变产物31P而实现磷掺杂，从而获得高阻N型单晶硅材料。中子嬗变掺杂的单晶硅材料最大的特点是，电阻率均匀性(包括断面均匀性)好，不均匀度可小于5%，远远胜过于常规区域熔融制备的单晶硅材料，这对提高半导体探测器的性能十分有利。2

优点中子嬗变掺杂最显著的优点是均匀性很好(可达4~2%)，它不但可以使高阻的悬浮区熔硅晶锭变成浓度分布十分均匀的n型(也可以实现P型)材料，而且可以获得非常均匀的外延层；其次是易于正确地监控所引进的载流予数目(准确度为±5%)。由于通过核反应加工引进了辐射损伤，所以还必须进行适当的退火(一般用500~900℃退火)，以便恢复其晶格和电阻率。

众所周知，半导体要达到高度均匀的掺杂，不是一件容易的事，而掺杂的均匀性与半导体元件和电路的电性能密切相关。所以，中子嬗变掺杂方法在大功率器件、高压半导体开关元件、二极管，以及获得大面积均匀的外延层等方面，正在日益为人们所关注。3

技术原理中子嬗变掺杂技术是另一种非常吸引人的掺杂方法，最普遍的是用它进行磷掺杂而形成均匀的n型材料。其基本原理是由于硅有三个稳定的同位素28Si、29Si和30Si，它们分别为92.21%、4.70%和3.02%，当受到热中子照射时，其中只有30Si捕获中子才产生放射性同位素31Si,随后。31Si嬗变为稳定的同位素31P，从而达到了n型掺杂的目的。这一过程的掺杂核反应式为右图所示。

由此看到，31P也可以捕获一个中子而引起32P的β发射。由于31Si的衰变寿命很短，没有显示出残余的放射性，而32P有中等的寿命，故可导致可测的放射性剂量。当然，32P的剂量主要取决于31P产生的剂量，它在一定程度上取决于中子流和硅中磷的最初剂量。3

研究成果中国科学院半导体研究所从1982年开始进行掺氮区熔硅单晶中子嬗变掺杂研究，1987年首次获得成功。该项成果居国际领先地位。国际上自80年代以来才开始进入掺氮硅单晶研究；但在中国研究成功以前，未曾出现进行“中子嬗变掺杂”工艺的报道。中国研制成功的掺氮NTD区熔硅单晶中子嬗变掺杂技术，不但提高了硅单晶材料机械强度，而且电阻率分布均匀，少数载流子寿命高，使材料利用率和器件的电学参数获得显著增长，尤以器材耐压力、放大倍数提高显著。显示了中国电子技术的实力。4

主要应用中子嬗变掺杂最早的应用是在高压功率可控硅方面。用NTD硅代替习用掺杂法制备的硅，基区宽度不变，可控硅的阻断电压明显增加，可重复地达到3~5kV。这主要是由于中子辐照硅的均匀性大大提高，消除了局部热斑，从而增加了功率容量。另外，NTD硅掺杂精度高，故能准确地控制雪崩击穿电压的数值。目前，这种器件在国外已大量地投入生产，用于高压电动机驱动和高压直流电系统。 5

为检测高能粒子，在核物理实验中广泛应用高纯硅制作粒子计数器。如果被检测的粒子能量要求硅材料的电阻率在100到500Ω·cm之间时，用中子辐照硅制作粒子探测器是十分合适的。

中子嬗变掺杂的另一应用是制备硅靶摄像管。硅靶是一个多二极管的阵列，由八十一万个以上的二极管组成。要求硅材料的均匀性十分严格，希望没有微观的掺杂起伏。用一般的区熔单晶制做时成品率很低，而用NTD硅单晶可以大大提高成品率。

在大规模和超大规模集成电路的研制中，中子嬗变掺杂技术的优越性也是明显的。曾用中子辐照硅试制256位动态移位寄存器，结果表明成品合格率显著提高。

中子嬗变掺杂法不仅能用于中阻N型体单晶的制备，而且也能用来制备均匀的外延层。在已获得的外延层中，无论横向或纵向杂质分布都是十分均匀。并且外延层与重掺衬底之间分布陡峭，这特别有利于某些微波器件的研制。

总之，硅的中子嬗变掺杂法是很有前途的，它突破了传统的制备硅单晶的方法，给硅材料工艺带来了新的活力。相信在不久的将来，有很多器件和电路将用中子辐照硅来制备。5