EDN: RKCCQW
Авторы
Бабаева Ю.А., Стук А.А., Кочнов О.Ю.
Организация
Акционерное общество «Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова», Обнинск, Россия
Бабаева Ю.А.* – ведущий инженер. Контакты: Калужская область, Обнинск, пр. Ленина, д. 223. Tел.: (919) 034-98-18; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript., Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Стук А.А. – начальник отдела, кандидат технических наук.
Кочнов О.Ю. – главный инженер, доктор технических наук.
Аннотация
В статье представлен всесторонний анализ современного состояния и перспектив развития технологии нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния – ключевого метода получения высококачественного полупроводникового материала для силовой электроники и других высокотехнологичных применений. Подробно рассмотрены физико-химические основы метода, базирующегося на ядерной реакции превращения изотопа кремния-30 в фосфор под действием тепловых нейтронов. Показано, что уникальная однородность распределения легирующей примеси достигается благодаря чистоте исходных монокристаллов, выращенных методом бестигельной зонной плавки, изотропности мишени, прозрачности материала для нейтронов и равномерности облучения. Проанализированы проблемы радиационного дефектообразования и оптимизации пострадиационного отжига для достижения предельных электрофизических параметров (радиальная неоднородность ≤ 2–3 %, отклонение от номинала ≤ 5–7 %, время жизни неосновных носителей ≥ 300 мкс). Представлены технологические схемы облучения, применяемые на различных типах реакторов, и описан многолетний опыт эксплуатации установки «Топаз-2» на реакторе ВВР-ц в АО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова» (Обнинск), где обработано более 50 тонн ядерно-легированного кремния (ЯЛК). Приведены данные о современных требованиях отечественных потребителей к электрофизическим параметрам ЯЛК, обоснована необходимость обновления технических условий. На основе анализа зарубежных облучательных центров и динамики мирового рынка (прогнозируемый рост с 150 до 500 тонн в год) сформулированы основные тенденции развития НТЛ кремния: освоение диаметров до 200 мм, расширение диапазона номиналов удельного электрического сопротивления (от 6 Ом·см до 500–600 Ом·см), легирование кремния, выращенного методом Чохральского, получение детекторного кремния и кремния для фотоприемников. Показано, что в России созданы мощности ЯЛК до 15 тонн в год и имеются резервы для наращивания производства до 30 тонн в год.
Ключевые слова
нейтронно-трансмутационное легирование, ядерно-легированный кремний, бестигельная зонная плавка, силовая электроника, радиационные дефекты, ядерная реакция (n, γ), отжиг, исследовательский реактор, удельное электрическое сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда, мировые тенденции
Полная версия статьи (PDF)
Список литературы
- Lark-Horovitz K. Nuclear transmutation of semiconductors. Semiconducting Materials, 1951, pp. 47–62.
- Tanenbaum M., Mills A.D. Preparation of uniform resistivity n-type silicon by nuclear transmutation. J. Electrochem. Soc., 1961, vol. 108, no. 2, pp. 171–176.
- Харченко В.А., Соловьев С.П. Радиационное легирование кремния. Известия АН СССР. Сер. Неорганические материалы, 1971, т. 7, № 12, с. 2137–2141.
- Легирование полупроводников методом ядерных реакций. Под ред. Смирнова Л.С. Новосибирск: Наука, 1981. 181 с.
- Janus A.M., Malmros O. Application of Thermal Neutron Irradiation for Large Scale Production of Homogeneous Phosphorus Doping of Float-zone Silicon. IEEE Trans. Electron. Devices, 1976, ED-23, vol. 8, no. 8, pp. 797–802.
- Афонин Л.Н., Мордкович В.Н., Смирнов Б.В., Соловьев С.П., Темпер Э.М., Харченко В.А. Радиационно-легированный кремний для высоковольтных приборов. Электронная промышленность, 1976, № 6, c. 53.
- Харченко В.А., Смирнов Б.В., Соловьев С.П., Стук А.А., Дроздов А.К. Легирование монокристаллического кремния фосфором с использованием метода ядерных превращений. Цветные металлы, 1981, № 5, c. 61–65.
- Kiessling F.-M., Büllesfeld F., Dropka N., Frank-Rotsch Ch., Müller M., Rudolph P. Characterisation of mc-Si directionally solidified in travelling magnetic fields. Proc. of the 5th International Workshop on Crystal Growth Technology. Berlin, Germany, June 26–30, 2011, p. 79. Доступно на: https://iwcgt5.ikz-berlin.de/IWCGT5_Abstractbook.pdf (дата обращения 12.04.2026).
- Herrmann H., Herzer H. Doping of Silicon by Neutron Irradiation. J. Electrochem. Soc., 1975, vol. 122, no. 11, pp. 1568–1569.
- Meese J.M. The NTD Process – a New Reactor Technology. In: Neutron Transmutation Doping in Semiconductors. Proc. of the 2th Intern. Conf. Columbia, Missouri, April 23–26, 1978. Ed. J.M. Meese. N.Y. London: Plenum Press, 1979. Pp. 1–10.
- Харченко В.А., Соловьёв С.П. Радиационное легирование кремния. Физика и техника полупроводников, 1971, т. 5, № 8, с. 1641–1643.
- Козлов В.А. и др. Радиационные эффекты в кремнии при нейтронном легировании. Атомная энергия, 1985, т. 58, вып. 3, с. 45–49.
- Соболев Н.А., Стук А.А., Харченко В.А., Шек Е.Н., Миненков С.В. Влияние среды отжига на электрофизические параметры радиационно-легированного кремния. Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы, 1990, т. 26, № 8, с. 1576–1578.
- Беда А.Г. Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников. Атомная техника за рубежом, 1980, № 11, c. 1–12.
- International Atomic Energy Agency. Neutron Transmutation Doping of Silicon: Technology and Applications. IAEA-TECDOC-1681. Vienna: IAEA, 2012.
- Лебедев И.И. Физико-технологические основы нейтронно-трансмутационного легирования кремния диаметром до 204 мм в бассейновом реакторе ИРТ-Т. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2025. 140 с.
УДК 621.315.592
Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2026, выпуск 2, с. 189–199
