硅的中子嬗变掺杂

硅仍然是最主要的半导体材料。单晶硅是集成电路的关键材料，要求大直径、高纯度、高均匀性和高完整度。随着超大规模集成电路的集成度的不断提高，对单晶硅的均匀性和完整度的要求也不断提高。

前面我们已经在固体中的离子注入里讲过，单晶硅的掺杂是超大规模集成电路的五大关键工艺之一。这里我们再介绍一种硅的独特的掺杂方法—— 中子嬗变掺杂。

中子嬗变掺杂的原理很简单也很独特，是一个名叫 K.拉克-霍罗维茨在1951 年提出来的。它与热扩散和离子注入都不一样，不是从外部掺进去的，而是利用核反应堆中的中子，通过选择的核反应，在单晶硅内部中产生出原来不存在的新元素（掺杂元素），从而达到单晶硅掺杂的目的。天然硅是由三种稳定同位素组成，其中 30Si 占 3.1％。我们的目的就是使 30Si 在热中子的照射下发生核反应，可以用下面的式子来表示：

30Si+n→31Si+γ 31Si→31P+β

在上面的式子中，n 代表中子，γ代表γ粒子，β代表 β粒子。30Si 俘获一个热中子后变成放射性同位素 31Si，同时放出一个γ粒子。31Si 的放射性半衰期为 2.6 小时，它释放出一个β粒子后就嬗变成稳定同位素 31P，这就完成了单晶硅的掺磷过程。

这种独特的掺杂方法到底有哪些优点呢？主要的有以下几点：

由于 30Si 在硅中的分布非常均匀和中子有比较大的射程，因此最终生成的稳定同位素 31P 的分布也就很均匀，即掺杂的均匀性很好，从而可以得到电阻率很均匀的单晶硅。
通过控制中子通量（单位面积上的中子数）和照射时间，可以准确地控制核反应产物的数量，也就是说可以准确地控制掺杂量。
掺杂的纯度高，不会产生有害元素的污染。

因此用这种方法可以得到优质的掺杂单晶硅，特别适用于制作高压大功率电子器件。中子嬗变掺杂的单晶硅的缺点是还有残余放射性，这是因为在中子照射的过程中伴随产生的放射性同位素 32P，半衰期为 14.3 天。因此在中子照射后需要搁置一段时间（约 70 天）才能去除残余放射性。这可能在某种程度上限制了此项技术的更加广泛的应用。

在国际上是 1974 年就成功地用核反应堆热中子对单晶硅进行中子嬗变

掺杂，并开始实现商品化生产。中国原子能科学研究院也从 70 年代后期开始用核反应堆热中子进行单晶硅的中子嬗变掺杂，取得很好的效果。目前，中子嬗变掺杂单晶硅已经成为工业产品，产量逐年增加。