中子嬗變摻雜

中子嬗變摻雜（NTD）是採用中子輻照的辦法來對材料進行摻雜的一種技術，其最大優點就是摻入的雜質濃度分布非常均勻。摻雜劑的完全均勻分布，且在摻雜劑濃度的最大值和最小值之間不存在任何差異，可望獲得最佳的器件性能。此外，良好的摻雜重複性對於製造高能設備中的高壓器件也非常重要，這些高能設備中需要大量使用具有相同性能的器件。

基本介紹

• 中文名：中子嬗變摻雜
• 外文名：Neutron Transmutation Dopin
• 縮寫：NTD
• 定義：用中子輻照來進行材料摻雜的技術
• 特點：摻入的雜質濃度分布非常均勻
• 套用：製造高能設備中的高壓器件

簡介

用中子照射半導體材料使其部分原子俘獲中子後衰變變成另一種所需的原子(摻雜劑)而實現摻雜的過程。純P型單晶矽材料在熱中子照射下，發生核反應，原始單晶矽中由於出現衰變產物³¹P而實現磷摻雜，從而獲得高阻N型單晶矽材料。中子嬗變摻雜的單晶矽材料最大的特點是，電阻率均勻性(包括斷面均勻性)好，不均勻度可小於5%，遠遠勝過於常規區域熔融製備的單晶矽材料，這對提高半導體探測器的性能十分有利。

優點

中子嬗變摻雜最顯著的優點是均勻性很好(可達4~2%)，它不但可以使高阻的懸浮區熔矽晶錠變成濃度分布十分均勻的n型(也可以實現P型)材料，而且可以獲得非常均勻的外延層；其次是易於正確地監控所引進的載流予數目(準確度為±5%)。由於通過核反應加工引進了輻射損傷，所以還必須進行適當的退火(一般用500~900℃退火)，以便恢復其晶格和電阻率。

眾所周知，半導體要達到高度均勻的摻雜，不是一件容易的事，而摻雜的均勻性與半導體元件和電路的電性能密切相關。所以，中子嬗變摻雜方法在大功率器件、高壓半導體開關元件、二極體，以及獲得大面積均勻的外延層等方面，正在日益為人們所關注。

技術原理

中子嬗變摻雜技術是另一種非常吸引人的摻雜方法，最普遍的是用它進行磷摻雜而形成均勻的n型材料。其基本原理是由於矽有三個穩定的同位素²⁸Si、²⁹Si和³⁰Si，它們分別為92.21%、4.70%和3.02%，當受到熱中子照射時，其中只有³⁰Si捕獲中子才產生放射性同位素³¹Si,隨後。³¹Si嬗變為穩定的同位素³¹P，從而達到了n型摻雜的目的。這一過程的摻雜核反應式為右圖所示。

圖1 反應過程

由此看到，³¹P也可以捕獲一個中子而引起³²P的β發射。由於³¹Si的衰變壽命很短，沒有顯示出殘餘的放射性，而³²P有中等的壽命，故可導致可測的放射性劑量。當然，³²P的劑量主要取決於³¹P產生的劑量，它在一定程度上取決於中子流和矽中磷的最初劑量。

研究成果

中國科學院半導體研究所從1982年開始進行摻氮區熔矽單晶中子嬗變摻雜研究，1987年首次獲得成功。該項成果居國際領先地位。國際上自80年代以來才開始進入摻氮矽單晶研究；但在中國研究成功以前，未曾出現進行“中子嬗變摻雜”工藝的報導。中國研製成功的摻氮NTD區熔矽單晶中子嬗變摻雜技術，不但提高了矽單晶材料機械強度，而且電阻率分布均勻，少數載流子壽命高，使材料利用率和器件的電學參數獲得顯著增長，尤以器材耐壓力、放大倍數提高顯著。顯示了中國電子技術的實力。

主要套用

中子嬗變摻雜最早的套用是在高壓功率可控矽方面。用NTD矽代替習用摻雜法製備的矽，基區寬度不變，可控矽的阻斷電壓明顯增加，可重複地達到3~5kV。這主要是由於中子輻照矽的均勻性大大提高，消除了局部熱斑，從而增加了功率容量。另外，NTD矽摻雜精度高，故能準確地控制雪崩擊穿電壓的數值。目前，這種器件在國外已大量地投入生產，用於高壓電動機驅動和高壓直流電系統。

為檢測高能粒子，在核物理實驗中廣泛套用高純矽製作粒子計數器。如果被檢測的粒子能量要求矽材料的電阻率在100到500Ω·cm之間時，用中子輻照矽製作粒子探測器是十分合適的。

中子嬗變摻雜的另一套用是製備矽靶攝像管。矽靶是一個多二極體的陣列，由八十一萬個以上的二極體組成。要求矽材料的均勻性十分嚴格，希望沒有微觀的摻雜起伏。用一般的區熔單晶製做時成品率很低，而用NTD矽單晶可以大大提高成品率。

在大規模和超大規模積體電路的研製中，中子嬗變摻雜技術的優越性也是明顯的。曾用中子輻照矽試製256位動態移位暫存器，結果表明成品合格率顯著提高。

中子嬗變摻雜法不僅能用於中阻N型體單晶的製備，而且也能用來製備均勻的外延層。在已獲得的外延層中，無論橫向或縱向雜質分布都是十分均勻。並且外延層與重摻襯底之間分布陡峭，這特別有利於某些微波器件的研製。

總之，矽的中子嬗變摻雜法是很有前途的，它突破了傳統的製備矽單晶的方法，給矽材料工藝帶來了新的活力。相信在不久的將來，有很多器件和電路將用中子輻照矽來製備。