Легирование. Проводимость в легированном германии и кремнии Альтернативная версия написанного выше

Вторым высокотехнологичным направлением работ с использованием исследовательского ядерного реактора ВВР-ц является ядерное (нейтронно-трансмутационное) легирование и радиационное модифицирование полупроводниковых материалов.

Общеизвестно, что для придания полупроводниковому кремнию нужных электрических свойств необходимо введение в кристалл примесных атомов. Необходимым условием при этом является однородность распределения примесных атомов по объему кристалла, что, в свою очередь, обеспечивает однородность распределения удельного электрического сопротивления. Обычные методы легирования не могут обеспечить требуемого уровня однородности распределения легирующей примеси в объеме монокристалла, особенно при выращивании монокристаллов больших размеров. Только метод ядерного (нейтронно-трансмутационного) легирования позволяет получать высококачественный монокристаллический кремний, отвечающий современным требованиям силовой электроники и электроэнергетики по однородности, стабильности и воспроизводимости свойств.

Метод основан на ядерных преврящениях, протекающих при захвате тепловых нейтронов ядрами изотопа кремний-30 с последующим образованием в монокристалле кремния изотропно распределенной легирующей примеси фосфор-31.

Отечественная технология ядерного (нейтронно-трансмутационного) легирования была разработана на базе исследовательского реактора ВВР-ц.

Были разработаны основные способы облучения длинномерных монокристаллических заготовок кремния, обеспецивающие равномерное и прецизионное "введение" легирующей примеси в зависимости от
параметров зоны облучения и конструкционных особенностей используемого типа ядерного реактора: статический режим, возвратно-поступательное перемещение контейнера с одновременным вращением, непрерывное прохождение столба контейнеров вдоль активной зоны с одновременным вращением, методы постобработки и режимы отжига облученных кристаллов. В настоящее время функционирует линия облучения слитков кремния диаметром до 85 мм с полным циклом технологических операций постобработки. Отклонение от равномерности распределения атомов примеси по диаметру слитка при этом не превышает 3-5%. Удельное электрическое сопротивление в зависимости от степени легирования, которое определяется флюенсом нейтронов, составляет от 15 до 600 Ом*см. Время жизни неосновных носителей заряда при этом превышает 100 мкс.

Ядерно-легированный кремний (ЯЛК) филиала НИФХИ аттестован рядом зарубежных фирм: Wacker , Freiberger (Германия), Topsil (Дания), СКД (Чехия). Для некоторых из них нами производятся постоянные поставки на контрактной основе.

Одновременно на базе реактора ВВР-ц создаются две новые технологические линии производства ЯЛК: линия легирования особо чистого монокристаллического кремния диаметром до 105 мм для фотоприемников и детекторов ядерного и космического излучения и линия для получения ЯЛК диаметром до 156 мм.

Вторым полупроводниковым материалом, для которого разработана технология легирования и модифицирования, является арсенид галлия. В основе метода легирования лежат ядерные реакции:

Ядерно-легированный арсенид галлия находит применение в солнечной энергетике и микроэлектронике, а также используется для изготовления детекторов излучения.

Радиационное модифицирование полуизолирующего арсенида галлия основано на оптимальном сочетании условий облучения и последующей термообработки. При этом неоднородность электрофизических и оптических свойств по объему кристалла уменьшается в несколько раз и не превышает 5%, повышается термостабильность и радиационная стабильность материала. Этим же способом возможно получение арсенида галлия с коэффициентом оптического поглощения менее 60 при длине волны 10,6 мкм, что в два раза меньше, чем у исходного. Такой материал используется для оптических систем лазеров. Образцы этого материала прошли аттестацию ряда фирм США, с которыми заключен контракт на создание технологии производства с последующими поставками продукции.

Технические характеристики ЯЛК, выпускаемого по технологии, разработанной в филиале НИФХИ им. Л.Я. Карпова.

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния. Способ легирования кремния заключается в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде инертных газов, не являющихся легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды. Плазменное легирование может проводиться без специальных мер безопасности при исключении из процесса дорогостоящих высокочистых токсичных пожаровзрывоопасных газов, что упрощает процесс и снижает затраты. До ионно-плазменной обработки сопротивление пластины кремния составляло 10 Ом, после обработки оно уменьшилось до 3 Ом, что свидетельствует об улучшении технико-экономических параметров легирования кремния.

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников, и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния.

Наиболее известными способами легирования полупроводников являются диффузионное легирование (диффузия) , ионно-пучковое и ионно-плазменное внедрение (имплантации) легирующих примесей (ионное легирование) . Они используются в полупроводниковой технологии для формирования р-n-переходов в структурах интегральных микросхем (ИМС), солнечных элементов (СЭ) и других полупроводниковых приборов .

Диффузионное легирование заключается в том, что пластину нагревают до высокой температуры в диффузионных печах при использовании:

Газообразных диффузантов (типа PH 3 , B 2 H 6 при легировании кремния) ,

В парах жидких диффузантов (типа BBr 3 , РС1 3 при легировании кремния), поставляемых в рабочую зону газом-носителем (обычно N 2), с добавлением кислорода ,

Твердого диффузанта (соединения бора или фосфора при легировании кремния), предварительно нанесенного на поверхность полупроводника .

Однако, несмотря на простоту и дешевизну, этот способ имеет ряд существенных недостатков.

1. Из-за малых коэффициентов диффузии (например, диффузия в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму) легирование обычно проводят при высоких температурах (для Si при 800-1000°C) и в течение длительного времени.

2. Трудно получить тонкие легированные слои и резкие p-n-переходы.

3. В качестве диффузантов применяются высокотоксичные, пожаровзрывоопасные газы и жидкости, что затрудняет промышленное применение этого способа.

Известен способ ионной имплантации , в котором ионизированные атомы (ионы) легирующей примеси с высокой энергией (1-50 кэВ) внедряют в кристалл.

Внедряясь в кристалл, ионы примеси занимают в его решетке положение атомов замещения (при больших дозах большинство ионов останавливаются в междоузлиях и становятся электрически нейтральными), создавая соответствующий тип проводимости (в зависимости от типа примеси). Глубина проникновения ионов и характер их распределения в полупроводнике определяются: ускоряющим напряжением ионного ускорителя (блока ионно-лучевой установки), электрофизическими параметрами внедряющихся ионов и атомов полупроводника, направлением движения ионного пучка относительно кристаллографических осей полупроводника, условиями процесса внедрения и термообработки пластин после ионного внедрения. Для активации имплантированных примесей (перемещение их из межузельного положения в узлы кристаллической решетки), отжига аморфизированных слоев и дислокаций, индуцированных имплантацией, легируемую пластину нагревают (для кремния это 600-800°C ).

Для получения мелкозалегающих слоев используют две модификации этого способа.

Это известный способ ионно-пучковой имплантации, заключающийся в экстракции ионов, фокусировке, ускорении и сканировании ионного пучка по поверхности полупроводниковой пластины .

Недостатками этого способа являются следующие.

1. Оборудование (ионно-пучковые имплантеры) считается дорогостоящим.

2. Низкая производительность.

3. Высокие затраты в расчете на одну пластину.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ ионно-плазменной имплантации , который заключается в том, что пластину полупроводника обрабатывают в тлеющем разряде газа, имеющего в своем составе легирующий элемент.

По сравнению с ионно-пучковым способом этот метод является более производительным и менее затратным и так же, как и ионно-пучковый способ, позволяет получать мелкозалегающие слои.

Согласно данному способу легируемая пластина располагается в плазме, содержащей ионы легирующих примесей. Для легирования, как правило, используются те же, что и при диффузионном легировании, высокотоксичные, пожаровзрывоопасные газы и пары (водородные соединения - гидриды и галогениды фосфора и бора). На легируемую пластину подается последовательность отрицательных импульсов, в результате воздействия которых и низкой подвижности ионов в прикатодном пространстве вокруг легируемой пластины образуется ионная оболочка. Ионы, ускоряясь, бомбардируют поверхность пластины и внедряются в приповерхностный слой. В результате последующего отжига одновременно по всей площади пластины формируется тонкий легированный слой и резкий p-n-переход .

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков.

1. Применение в качестве источников легирующих примесей высокотоксичных, пожаровзрывоопасных газов и паров затрудняет промышленное применение данного способа, так как предъявляет повышенные, особые требования по безопасности к производственным помещениям и оборудованию, усложняя тем самым их конструкцию и эксплуатацию, приводит тем самым к росту затрат.

2. При использовании в качестве газа-источника легирующих примесей ВХ 3 или РХ 3 (X - галоген) внутрь легируемой пластины вместе с бором попадает X (фтор, хлор, бром), что негативно влияет на электрофизические свойства полупроводниковых структур.

Целью настоящего изобретения является улучшение технико-экономических параметров ионно-плазменного легирования кремния.

Предлагается способ легирования кремния, заключающийся в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы, которые не являются легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды.

В данном изобретении газ в разряде преимущественно инертные газы: аргон, гелий, криптон, неон. Для различных целей возможно добавление водорода или азота. Легирующий элемент появляется в газовой среде за счет катодного распыления легирующего электрода при ионной бомбардировке. И в дальнейшем ионы легирующего элемента могут ионизироваться и внедряться в кремниевую пластину.

Легирующий электрод для легирования кремниевой пластины содержит кремний (чтобы не загрязнять посторонними примесями и обеспечивать необходимую проводимость электрода) и легирующий элемент (фосфор или бор) с содержанием легирующего элемента (0,01-50) масс. % в виде растворенной примеси в кремнии и включений второй фазы.

Концентрация легирующего элемента выбирается в зависимости от требуемой степени легирования и воспроизводимости техпроцесса.

Легирующий электрод сплавляется в индукторе с сильным перемешиванием и быстрым затвердеванием расплава, так что в кремнии выпадает вторая фаза (легирующий элемент) с величиной включений, зависящей от скорости охлаждения. Также могут быть использованы ячеистые структуры, созданные по технологиям микроэлектроники, или структуры типа пористого кремния для помещения в них легирующего вещества.

Отказ от гидридов и галогенидов легирующих элементов позволяет проводить процесс плазменного легирования без специальных мер безопасности, убрать из процесса дорогостоящие высокочистые токсичные, пожаровзрывоопасные газы (которые, как правило, закупаются за границей), упростить техпроцесс и снизить затраты.

Устройство, реализующее предложенный способ, представляет собой диодную систему и содержит следующие элементы.

1. Вакуумная камера с необходимыми средствами откачки и возможностью напуска газов.

2. Блок питания (генератор импульсов).

3. Сильнолегированный электрод - источник легирующей примеси.

4. Обрабатываемая пластина (возможна групповая обработка).

5. Система напуска газа.

Работа устройства.

Камеру откачивают и напускают в нее аргон.

Подают импульсы напряжения на параллельно расположенные идентичные по площади электроды (один из которых - источник легирующей примеси, представляющий собой пластину из сплава кремния с бором, а другой - пластина кремния, предназначенная для легирования).

Импульсы напряжения амплитудой около 2 кВ, длительностью 20 мкс и частотой 1 кГц имеют форму, близкую к прямоугольной, и следуют группами (пачками). Каждая такая пачка состоит из 5 импульсов, полярность которых изменяется с частотой 50 Гц. Разрядный промежуток составляет 0,5 сантиметра, давление аргона 10 кПа. В межэлектродном промежутке загорается знакопеременный импульсный тлеющий разряд. В результате в межэлектродной области появляется плазма, которая включает атомы и ионы кремния, бора и аргона.

Легирование происходит за счет двух механизмов:

1. Имплантация приповерхностного слоя легируемой пластины ионами бора.

2. Доставка распыленных атомов на поверхность легируемой пластины с последующей диффузией, активированной ионной бомбардировкой, направленной в объем пластины.

Ионы образованной низкотемпературной плазмы аргона движутся, ускоряясь, в темном катодном пространстве (которое автоматически формируется в любом разряде из-за малой подвижности ионов) по направлению к мишени (катоду). В процессе движения ионы сталкиваются с атомами газа. При этом происходит упругое столкновение с рассеянием на большой угол или резонансная перезарядка, при которой ионы превращаются в нейтральные частицы с сохранением вектора своей скорости, а газовые атомы превращаются в ионы с энергией, соответствующей тепловой энергии атомов газа. Образованные в результате перезарядки ионы начинают ускоряться до нового столкновения с газовым атомом или мишенью, а нейтральные частицы полетят к мишени-катоду по инерции.

Ионы аргона, ускоряясь в области катодного падения потенциала, бомбардируют мишень - катод. Происходит процесс катодного распыления. При этом большая часть энергии ионов (до 90%) расходуется на нагрев мишени, а остальная часть - на эмиссию электронов, ионную имплантацию и распыление атомов и ионов (с легируемой пластины в основном Si, а с электрода - источника в основном Si и B).

При движении распыленные атомы (РА) сталкиваются как между собой, так и с атомами аргона, вследствие чего происходит перераспределение атомов по импульсам и энергиям.

Направление движение РА катода сильно изменяется уже после нескольких первых столкновений на расстоянии нескольких длин свободного пробега. Их распределение по направлениям импульса становится изотропным. Часть атомов в результате изменения направления возвращается на мишень, а остальные термализуются, и их дальнейший транспорт происходит в результате диффузии. Для эффективного легирования возврат РА на мишень минимизирован.

При смене полярности прикладываемого напряжения электроды поочередно выполняют функции анода и катода.

Во время ионной бомбардировки осажденные и имплантированные атомы легирующей примеси (бора) активизируются и диффундируют внутрь катода, легируя его.

В результате обработки по уменьшению сопротивления пластины обнаружено формирование приповерхностного легирующего слоя.

До ионно-плазменной обработки сопротивление составляло 10 Ом, а после обработки оно уменьшилось до 3 Ом.

Литература

1. Физико-химические основы технологии микроэлектроники / Ю.Д. Чистяков, Ю.П. Райнова: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1979. - 408 с.

2. Материаловедение полупроводников и металловедение / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1973. 495 с.

3. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: учеб. для вузов по направлению ″Материаловедение и технология новых материалов″, ″Материаловедение, технологии материалов и покрытий″ / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МИСИС, 2003. - 480 с.

4. Ионная имплантация / X. Риссел, И. Руге. - М.: Наука, 1983. - 362 с.

5. Ионное легирование полупроводников (кремний и германий) / Дж. Мейер, Л. Эриксон, Дж. Дэвис. - М.: Мир, 1973. - 296 с.

6. Ионная имплантация / Ф.Ф. Комаров, А.П. Новиков, А.Ф. Буренков. - Минск: Унiверсiтэцкае, 1994. - 303 с.

7. Физико-химические основы технологии полупроводников. Пучковые и плазменные процессы в планарной технологии: учеб. пособие / А.В. Бобыль, С.Ф. Карманенко. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2005. 113 с.

8. Jones Е.С. et al. Plasma immersion ion implantation for electronic materials // Jap. J. Appl. Phys. - 1996. - Pt. 1. - Vol. 35. - № 2 - B. - Р. 1027-1036.

9. Weiner K.H. et al. Microelectronic Engineering, 1993. - Vol. 20. - Р. 107-119.

10. Qin S., Chan C. Plasma immersion ion implantation doping experiments for microelectronics // J. of Vac. Sci. Technology-B. - 1994. - Vol. 12, № 2 (March/April).

11. Учебное пособие по дисциплине «Плазменные технологии в наноэлектронике» / А.А. Голишников Α.Α., Путря М.Г. - М.: МИЭТ, 2011. - 172 с.

12. Дифракционная рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия / И. Зельцер, Е. Моос. - Саарбрюкен, Германия: Ламберт, 2012. - 593 с.

Способ легирования кремния, заключающийся в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы, которые не являются легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конденсаторам с нестандартным расположением электродов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи, содержащему сплав, содержащий Si в диапазоне от 31% по массе или более до 50% по массе или менее, Sn в диапазоне от 16% по массе или более до 41% по массе или менее, Al в диапазоне от 24% по массе или более до 43% по массе или менее и неизбежные примеси в качестве остатка.

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий кремний в диапазоне от 33% по массе до 50% по массе, цинк в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 46% по массе исключительно, ванадий в диапазоне от 21% по массе до 67% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрических устройств, преимущественно для аккумуляторной батареи или конденсатора в источниках питания для электромобиля, содержащий сплав, имеющий состав, представленный формулой SixCyAlz.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрического устройства, который представляет собой сплав, содержащий Si в количестве от 17 до 90 масс.%, Ti в количестве от 10 до 83 масс.%, Ge в количестве от 0 до 73 масс.% и неизбежные примеси в качестве остатка.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, и может быть использовано в аккумуляторных батареях, конденсаторах или подобных устройствах для приводных и вспомогательных источников питания электродвигателей транспортных средств.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.

Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.

12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния

Если мы взглянем на электрическую схему любой солнечной или ветровой электростанции, то обязательно увидим там инверторное оборудование — электрические машины, преобразующие один постоянный ток в другой и в сетевой переменный. Они нужны для динамической организации потоков электроэнергии внутри СЭС или ветряка и стыковки с глобальной электросетью в правильном режиме.

Такие невзрачные ящики превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного.

А внутри них трудятся вот такие ключевые сборки - это например однофазный H-мост мощностью 6 мегаватт, в нем стоит 8 IGCT тиристоров, о которых ниже.

Инверторы в свою очередь представляют собой наборы пассивных фильтров, рабочих индуктивностей и трансформаторов и главное — мощных электрических ключей. В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей - IGBT транзисторы и IG С T тиристоры ( кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное:))

IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливает из круглой кремниевой пластинки

И вскрытый IGBT модуль чуть меньшей мощности. Здесь нет необходимости в сильноточном управлении затвором, а сам ключ набрам из множества мелких кристаллов

Относительно небольшие полупроводниковые ключи сегодня имеют максимальные рабочие напряжения до 7000 вольт при рабочем токе до 5000 А, т.е. устройство размером с чайное блюдце способно коммутировать 35 мегаватт. Наряду с высочайшим кпд в районе 99% и относительно высокой частотой коммутации такие ключи во многом определили мир современной силовой электроники. Сегодня кроме возобновляемой энергетики и линий электропередач постоянного тока ультравысокого напряжения, основным потребителем такой продукции являются силовые приводы (электродвигатели) с высоким кпд и гибкой работой — например приводы электровозов, электромобилей Тесла или мощных станков.

Тиристор в корпусе (т.н. пресс-паке) и собственно полупроводниковая пластина, которая коммутирует ток.

Так вот, все полупроводниковые ключи с рабочими напряжениями выше 1600 вольт изготавливаются из кремния, который был облучен в ядерном реакторе — ядерно-легированном кремнии. В настоящее время порядка 150 тонн такого кремния в год получают в двух десятках облучательных установках, обычно на базе исследовательских реакторов. Производители разбросаны по всему миру, а объем этого рынка — примерно 150 миллионов долларов в год, и это один из самых больших мировых рынков изотопной продукции. В т.ч. несколько российских исследовательских реакторов (Томский политех, НИФХИ, Маяк, НИИАР) обеспечивают порядка 10% мировых поставок. Обычно организации, владеющие реакторами работают в связке с поставщиками кремния, которые подготавливают исходный материал, и обеспечивают разделку слитков на пластины и сбыт.

Слиток после облучения и отжига.

Ядерно-легированный кремний (или Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультра-чистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30 Si трансмутировалась в атомы фосфора 30 P , создав допированную проводимость n- типа. Традиционно такое допирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния, но проблема в том, что при этом локальная концетрация допанта может отличатся на десятки процентов от среднего значения. В высоковольтных ключах такой разброс приводит к появлению «горячих пятен», где начинает течь гораздо больше тока, чем в среднем и транзистор или тиристор пробивает. Легирование путем нейтронного облучения позволяет путем некоторых ухищрений добиться равномерности лучше 5% отклонения от среднего значения - иногда и лучше 3%.

А это облучательные устройства датской фирмы Topsil, которая первой занялась коммерческим производством ЯЛК в конце 70-х

Для этого слиток чистого монокристаллического кремния помещают в ядерный реактор, по возможности заэкранировав от гамма-излучения и быстрых нейтронов, которые портят структуру кристалла. Для стандартного значения нейтронного потока в исследовательских реакторах (от 10 12 до 10 14 нейтрон на см 2 в секунду) требуется от пары часов до суток облучения что бы получить заданную проводимость кристалла кремния. При этом допирование происходит по реакции 30 Si + n -> 31 Si -> 30 P (период полураспада 2.6 часа), и полученный кремний необходимо выдержать пару суток, что бы его радиоактивность упала до безопасных уровней.

Связь между нейтронной дозой, проводимостью и получающимся содержанием допанта в ЯЛК

Во время облучения слиток вращают и перемещают вверх-вниз для равномерной засветки нейтронами. Кроме того на некоторых мощных реакторах применяется профилирующий поглотитель из кадмия или бора, который дополнительно выравнивает осевую неравномерность потока нейтронов.

Впрочем, сегодня существуют неядерные методы допирования кремния, которые позволяют получить почти ядерное качество, и они вытесняют ЯЛК из области 600-1600 вольт, где раньше так же применялся только ядерный кремний. Однако напряжения выше все равно не подвластны химическим методам, а в рамках общего тренда повышения удельной мощности напряжения силовой электроники постоянно ползут вверх, так что место для ЯЛК кремния есть.

Разные технологии получения допированных кремниевых пластин (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ и ядерный FZ-NTD) ориентированы на разные ниши, в т.ч. по напряжению, картинка от ведущего производителя кремния Topsil

Более того, аналитики прогнозируют рост потребления ЯЛК, связанным с ростом количества электромобилей с высоковольтной батареей (при напряжении батареи 800 вольт уже используются ключи с рабочим напряжением 1600 и выше вольт, на базе ЯЛ кремния). Некоторые оценки говорят о росте рынка с 150 до 500 тонн и выше в следующем десятилетии. Поэтому во многие вновь строящиеся реакторы еще на этапе проектирования закладывают каналы для получения ядерно-легированного кремния, надеясь таким образом снизить стоимость реактора для налогоплательщиков. Например такие каналы будут в МБИР и JHR .

Впрочем пока инвертор Tesla Model S управляющий 300-киловаттным двигателем имеет в своем составе 84 IGBT транзистора с рабочим напряжением 600 вольт, скорее всего не имеющих отношения к ядерно-легированному кремнию. Однако это далеко не самое передовое решение на сегодня.

Так что «зеленое электрическое будущее» человечества неразрывно связано с ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века.

Физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

Цели легирования

Основная цель - изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация , нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Ионная имплантация

Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие pn-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

• Загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа).
• Активация примеси, контроль глубины залегания и плавности pn-перехода путем отжига .

Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

• доза - количество примеси;
• энергия - определяет глубину залегания примеси (чем выше, тем глубже);
• температура отжига - чем выше, тем быстрее происходит перераспределение носителей примеси;
• время отжига - чем дольше, тем сильнее происходит перераспределение примеси.

Нейтронно-трансмутационное легирование

При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций , вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для легирования подложки, особенно для устройств силовой электроники .

Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30 Si образуется радиоактивный изотоп 31 Si, который затем распадается с образованием стабильного изотопа фосфора 31 P. Образующийся 31 P создаёт проводимость n-типа.

В России возможность нейтронно-трансмутационного легирования кремния в промышленных масштабах на реакторах АЭС и без ущерба для производства электроэнергии была показана в 1980 году. К 2004 году была доведена до промышленного использования технология по легированию слитков кремния диаметром до 85 мм, в частности, на Ленинградской АЭС . .

Термодиффузия

Термодиффузия содержит следующие этапы:

• Осаждение легирующего материала.
• Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
• Удаление легирующего материала.

Легирование в металлургии

История

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

Примечательно то, что первыми сталями , с которыми познакомился человек были природнолегированные стали. Еще до начала железного века применялось метеоритное железо , содержащее до 8,5 % никеля .

Высоко ценилось и природнолегированные стали, изготовленные из руд , изначально богатых легирующими элементами . Повышенная твёрдость и вязкость японских мечей с возможностью обеспечить остроту кромки возможно объясняются наличием в стали молибдена .

Современные взгляды о влиянии на свойство стали различных химических элементов начали складываться с развитием химии во второй четверти XIX века .

По-видимому, первым удачным использованием целенаправленного легирования можно считать изобретение в 1858 г. Мюшеттом стали, содержащей 1,85 % углерода , 9 % вольфрама и 2,5 % марганца . Сталь предназначалась для изготовления резцов металлообрабатывающих станков и явилась прообразом современной линейки быстрорежущих сталей . Промышленное производство этих сталей началось в 1871 г.

Принято считать, что первой легированной сталью массового производства стала Сталь Гадфильда , открытая английским металлургом Робертом Эбботом Гадфильдом в 1882 г . Сталь содержит 1,0 - 1,5 % углерода и 12 - 14 % марганца, обладает хорошими литейными свойствами и износостойкостью . Без особых изменений химического состава эта сталь сохранилась до настоящего времени.

Влияние легирующих элементов

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам , ванадий , ниобий , титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу - повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит , занимающий в структуре не менее 90 % по объему . Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность , снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость . Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды , давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку , нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления , они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости , прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

Альтернативная версия написанного выше:

Кремний не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1 % снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости . Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите , кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

• Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента;
• Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;
• Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.

Примеры использования

• Стали
  • Хромистые стали;
  • Хорошо известные стали ШХ15 (устаревшее обозначение марки), используемые в качестве материала для подшипников;
  • Так называемые «нержавеющие стали »;
  • Стали и сплавы, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием;
  • Жаростойкие стали и сплавы.
• Алюминий
• Бронзы
• Латуни
• Стекла

См. также

Примечания

Ссылки

• «Легирование» - статья в «Химической энциклопедии»
• «Легирование» - статья в «Металлургическом словаре»
• «Легирование» - статья в «Энциклопедии Кирилла и Мефодия»

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Легирование" в других словарях:

- (нем. legieren сплавлять от лат. ligo связываю, соединяю), 1) Введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или… … Большой Энциклопедический словарь

- (нем. Legirung, от лат. ligare связывать). Сплавливание благородного металла с каким либо другим. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЛЕГИРОВАНИЕ нем. Legirung, от лат. ligare, связывать. Сплавление… … Словарь иностранных слов русского языка

- (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Современная энциклопедия

ЛЕГИРОВАТЬ, рую, руешь; анный; сов. и несов., что (спец.). Добавить (влять) в состав металла другие металлы, сплавы для придания определённых свойств. Легирующие элементы. Легированная сталь. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова.… … Толковый словарь Ожегова

Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.

12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния.

Если мы взглянем на электрическую схему любой солнечной или ветровой электростанции, то обязательно увидим там инверторное оборудование - электрические машины, преобразующие один постоянный ток в другой и в сетевой переменный. Они нужны для динамической организации потоков электроэнергии внутри СЭС или ветряка и стыковки с глобальной электросетью в правильном режиме.

Такие невзрачные ящики превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного.

А внутри них трудятся вот такие ключевые сборки - это например однофазный H-мост мощностью 6 мегаватт, в нем стоит 8 IGCT тиристоров, о которых ниже.

Инверторы в свою очередь представляют собой наборы пассивных фильтров, рабочих индуктивностей и трансформаторов и главное - мощных электрических ключей. В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей - IGBT транзисторы и IGСT тиристоры (кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное:))

IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливается из круглой кремниевой пластинки

И вскрытый IGBT модуль чуть меньшей мощности. Здесь нет необходимости в сильноточном управлении затвором, а сам ключ набран из множества мелких кристаллов

Относительно небольшие полупроводниковые ключи сегодня имеют максимальные рабочие напряжения до 7000 вольт при рабочем токе до 5000 А, т.е. устройство размером с чайное блюдце способно коммутировать 35 мегаватт. Наряду с высочайшим кпд в районе 99% и относительно высокой частотой коммутации такие ключи во многом определили мир современной силовой электроники. Сегодня кроме возобновляемой энергетики и линий электропередач постоянного тока ультравысокого напряжения, основным потребителем такой продукции являются силовые приводы (электродвигатели) с высоким кпд и гибкой работой - например приводы электровозов, электромобилей Тесла или мощных станков.

Тиристор в корпусе (т.н. пресс-паке) и собственно кремниевая пластина, которая коммутирует ток.

Так вот, все полупроводниковые ключи с рабочими напряжениями выше 1600 вольт изготавливаются из кремния, который был облучен в ядерном реакторе - ядерно-легированном кремнии. В настоящее время порядка 150 тонн такого кремния в год получают в двух десятках облучательных установках, обычно на базе исследовательских реакторов. Производители разбросаны по всему миру, а объем этого рынка - примерно 150 миллионов долларов в год, и это один из самых больших мировых рынков изотопной продукции. В т.ч. несколько российских исследовательских реакторов (Томский политех, НИФХИ, Маяк, НИИАР) обеспечивают порядка 10% мировых поставок. Обычно организации, владеющие реакторами работают в связке с поставщиками кремния, которые подготавливают исходный материал, и обеспечивают разделку слитков на пластины и сбыт.

Слиток после облучения и отжига.

Ядерно-легированный кремний (или Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультра-чистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30Si трансмутировалась в атомы фосфора 31P, создав примесную проводимость n-типа. Традиционно такое легирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния, но проблема в том, что при этом локальная концетрация допанта может отличатся на десятки процентов от среднего значения. В высоковольтных ключах такой разброс приводит к появлению «горячих пятен», где начинает течь гораздо больше тока, чем в среднем и транзистор или тиристор пробивает. Легирование путем нейтронного облучения позволяет путем некоторых ухищрений добиться равномерности лучше 5% отклонения от среднего значения - иногда и лучше 3%.

А это облучательные устройства датской фирмы Topsil, которая первой занялась коммерческим производством ЯЛК в конце 70х.

Для этого слиток чистого монокристаллического кремния помещают в ядерный реактор, по возможности заэкранировав от гамма-излучения и быстрых нейтронов, которые портят структуру кристалла. Для стандартного значения нейтронного потока в исследовательских реакторах (от 10 12 до 10 14 нейтрон на см 2 в секунду) требуется от пары часов до суток облучения что бы получить заданную проводимость кристалла кремния. При этом легирование происходит по реакции 30 Si + n -> 31 Si -> 31 P (период полураспада 2.6 часа), и полученный кремний необходимо выдержать пару суток, что бы его радиоактивность упала до безопасных уровней.

Связь между нейтронной дозой, проводимостью и получающимся содержанием допанта в ЯЛК

Во время облучения слиток вращают и перемещают вверх-вниз для равномерной засветки нейтронами. Кроме того на некоторых мощных реакторах применяется профилирующий поглотитель из кадмия или бора, который дополнительно выравнивает осевую неравномерность потока нейтронов.
Впрочем, сегодня существуют неядерные методы легирования кремния, которые позволяют получить почти ядерное качество, и они вытесняют ЯЛК из области 600-1600 вольт, где раньше так же применялся только ядерный кремний. Однако напряжения выше все равно не подвластны химическим методам, а в рамках общего тренда повышения удельной мощности напряжения силовой электроники постоянно ползут вверх, так что место для ЯЛК кремния есть.

Разные технологии получения легированных кремниевых пластин (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ и ядерный FZ-NTD) ориентированы на разные ниши, в т.ч. по напряжению, картинка от ведущего производителя кремния Topsil

Более того, аналитики прогнозируют рост потребления ЯЛК, связанным с ростом количества электромобилей с высоковольтной батареей (при напряжении батареи 800 вольт уже используются ключи с рабочим напряжением 1600 и выше вольт, на базе ЯЛ кремния). Некоторые оценки говорят о росте рынка с 150 до 500 тонн и выше в следующем десятилетии. Поэтому во многие вновь строящиеся реакторы еще на этапе проектирования закладывают каналы для получения ядерно-легированного кремния, надеясь таким образом снизить стоимость реактора для налогоплательщиков. Например такие каналы будут в МБИР и .

Впрочем пока инвертор Tesla Model S управляющий 300-киловаттным двигателем имеет в своем составе 84 IGBT транзистора с рабочим напряжением 600 вольт, скорее всего не имеющих отношения к ядерно-легированному кремнию. Однако это далеко не самое передовое решение на сегодня.

Так что «зеленое электрическое будущее» человечества неразрывно связано с ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века.