Способ получения легированного германия Советский патент 1981 года по МПК C30B31/20 C30B29/08 

Изобретение отнооится к тезшолотил получ-егаия легдарованиых полудроиодников и может быть 1использова1но -в тех областях полупроводниковой элект|ро1НИ1ки, где требуется высокая од)н0 родность легирования материала.

Известен слосаб (полу1чения лвгиров.а Нноло полуп р01водн икового материала, юостояЩИЙ во иведеяни шрвмесей в расплав полупроводиика с 1пасл1едую( вщращиваиием кристалла {I.

Однако нрИ 9ТО.М способе IB пространственном ра1С|Пред1елении п|р;и1масей имеются ра зличиого рода неоднородности: лрадиентные, радиальные, «саолосы роста. Наличлета|К1их 1неод Н0|рО1Дно1Стей связаж) с особенностями процесса кристаллизации лепироваиного полу1П|роводнико1В01Го |ра1С1Пла1ва.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ получегния легированного полугароводникового маггбриала, основаиный на облу1чен1И1И иолупроводнийовых материалов шедленнымн («тепловыМИ) нейтронами 2. Дри этом опособе nipHMecTi В1водятся оутем ядерных опревращений изотопов элемантов, образую-, щих основной полупроводниковый мате1р Иал. Материал Лредва1рительно ВЫ1ращнвают из xiHMiraecaaix элементов «очищают от «€1конп1ролируемы1х вримесей. При способе «нейтронного легирования однородность распределения легирующих примесей достаточно высока, .а концентрации введенных лримесей три иостоя1нной .мощности потока нейтрО1-Ю1В определяются 1вре;менем 01бл-учан1ия, которое может быть проконтролировано с большой точ1НО1Стью.

Однако облассть 1П|р1именен1ия этого способа Нбдостаточло ЩИ1рока, что связано с

естественным изотопным составом элементов, об|разующих данное полуироврдникоВое соединение. Например, есте1ств:енный 1ге|р.м,аний состоит из шяти стабилыных изотопов: 70Ge-21,2%,72Ge-27,3%, sQe-7,9%,

74Ge-37,1 о/о и SQe-6,5%. Захватив медленный нейтрон, эти изотопы переходят в Друпие, на иомер больше. Из новых изотопов два стабильны, а три - (радиоактивны. Ра1опадая1сь с (различными периодами

полурасп-ада, они переходят в 1стабиль«ые изотопы других элементов (галлий, мышьяк и селен), которые в германии являются соответственно мелким акцептором, мелким донором и глубоким двухзарядным

донором. Если учесть для к аждого изотопа германия сечение захвата медленного нейтрона, получается, что nipiH облучени1И естественного германня «езагвисимо от дозы облучекня можно получить только материал

р-типа с комп:еНса(цией 40%.

В то же е.ремя для практических целей представляют интерес материалы как л-, так и /7-типа с другими степенями компенсации. Например, для производства низкотемпературных те|рмосоп1ротивлен1ий требуется германий /7-типа с компенсацией около 90%.

ДлЯ получения однородного расиределения примесей ,и угаралления стеспанъю «омиенсащии германия s качестве исходного Материала берут изотопы .ма1Н;ИЯ, образующие при .яяарных превращениях тоЛ1уч:аемый материал -и лримвюные атомы, обладающие донариы-ми или аицептарными свойствами, а соотнощение изотопов определяют (ПО формуле - K . .J., 2-,а,г, где - кон:цвн7 рация аицепторов; NU - К101Н Ц1внт ра1Ция доноров; /С - степень гкомиансации, равлая Nf, ду- для полупроводника л-типа Jvu и - - для /7-Tnmta; X - доля изотопна; а - оечение реаицйи; Z - зарядовое состояние охримеси; индексы f относятся к изотопам, дающим в результате ядерной реакции донорную примесь, индексы ,/ - .акцепторную примесь и индексы / - к индексам, не дающим примесных атомов. Доатолнительно к ге)рма.нию с естественным изотопным составом добавляют изотопы, дающие донорные или акцепторные примеси в результате ядерных превращеПример 1. Требуется получить германий р-тип,а с И «оюцентрацией основной примеси 10 см. Для р-нипа основная примесь - .ащетторная, такую иримесь дает изотоп °Ge, превращающийся в галлий (,25 б,арн, ). Неооновиая лримёсь - донорная, такую npHMiSCb может дать изотоп Ge, яревращающийся в мьищьяок (а-0,60 баря, ). Подставляя эти значения в формулу (I), лолуч|Им систему уравиенИй для определения соопнощеиия изотопов Q q ,60 - 3725 л:, + лч 1 , откуда ,17 и ,вЗ. TaKHiM образом, требуемый материал пол1учается, если вызрастлть германий из изотопов ™Ое и Ge в в есовом соотнощё«ии17%и83%.

После выращивания полупроводника Из изотопов его очищают от (неконтролируемых Примесей. Обе эти операции (выращи.вание кристалла и его очистка) могут быть объединены, например, в методе зонной плавки.

Доза облучения D определяется «з соотнощенйя Ni NxiCiiD, оде Л 4,45 Ю iCM - .концентрация узлов в решетке гермаиия. Подставляя сюда известные значения, получим

10 смD4,45 10-- CM-3o;i7 3,25 см- 4.07 10-см 2 .Зная М)ОЩ1НОсть по-гока медленных нейтронов в канале реактора, 1МОЖ|НО ояределить вре.мя обЛ|уч.ения. Например, .если М1ащность потока составляет 10 нейтрон/см с, время облучения равно 4,07 F с, что составляет 4 суток, 17 ч, 3 ,мин. Пример 2. Требуемый материал можно получить, добавляя изотап Ge к естественному ге1р:ма1нию. При облучении естественного германия получ.аются образцы / -типа с /С 40%. Следовательно, если обогатить германий изотопом, дающим донорную примесь, мож-, но получить после «блучония .нейтронами материал -ти1па с -большей степенью компенсации или даже материал д-типа. Исходя из ивоттапнопо сОСтава естестввнно,го элемента германия и сечений реаюций {2}, можно рассчитать, что требуемый материал /з-типа с получится в том случае, если .вырастить кристалл ге|р1ма ния, состоящий на 63% из естественного Ge и на 37% - от .изотопа Ge. Б этом матер.иале изотопа ™Ge, дающего о сЕОвную примесь, будет меньше (21,2% .0,,3%), так что требуемая ко.нцентрация (10 см) будет доствлнута при большей дозе облуч,ен.ия (5,2 . Таким образо м, предложенный способ поз воляет получать .новые полупроводниковые материалы, обладающие однородным райпр1еделвн1ием примесей и в то же время с необходимыми параме- рами: типом проводимости, конц.ен11ра1цией примеси и степенью компенсации. Формула изобретения 1. Способ получения легированного германия, .включ ающ ий выращи1ва1Н)ие .монокристалла и облучение его медленным: нейтронами, отличающийся тем, что, с целью получения однородного расцределения примесей и управления степенью компенсации германия, в качестве исходнош материала берут изотопы германия, обазующие при ядерных П1реаращеииях по х1Л:емый .матйп.иял -и mnHiMiftCHH я.тпмы.

обладающие данорными или .ащептарными свойствами, а соотношение изотопов оцре. деляют по фармуле

S t.},i -1 NoS-«jVi

i.i.l

е - концентрация акцепторов; JVo - концен-драцня доноросв; К. - степень (номпенюацки, (равная

для полупроводника п-типа

- ДЛЯ шолугороводника

1И

р-типа;

X - доля изотопа; а. - сечение реакции; Z - зарядовое состояние примеси; индексы i относятся к изотопам, дающим

(В результате яще р|ной реакции донарную примесь; и ндексы / - акцепторную прим-есь, а И1ндек1сы / - к изотопам, не дающим оримесных атамо1В.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к гермавию с естественным изотюиньЕм составом добавляют изотопы, дающие донорные или акцепторные огримеси в результате ядерных П(р€|В ращс1Ш1Й.

Источники :И-нфор,ма1Ции, П1р0нятые

во внимание при aKcneipT se:

1. Баранский П. И. и др. Полупроводниковая электроника. Киев, «Наукова думка,

15 1975, с. 40.

2. Полупровоощнкавые материалы. Под рея. Тучкевича В. М., М., Ш54, с. 62-54 20 (прототип).