Bessere Halbleiter durch Neutronenbeschuss
Chiptauglicher Halbleiter
Damit der Halbleiter aus Silicium erst zu dem Stoff wird, aus dem Chips gemacht sind, müssen Fremdatome hinzugefügt werden. Bislang geschah das durch Diffusion aus einem Gas. Die Fremdatome wurde möglichst gleichmäßig in den aufgeschmolzenen Halbleiter "gerührt".
Die dabei erzielten Ergebnisse waren nicht gerade aufregend.
Jetzt ist es möglich, die benötigten Fremdteilchen direkt durch eine Kernumwandlung zu erzeugen: Langsame Neutronen wandeln das Silicium entsprechend homogen in die benötigten Zusatzteilchen um: in diesem Fall Phosphoratome.
Der große Vorteil dieser Methode ist die wesentlich verbesserte Verteilung der Fremdatome, also der so genannten "Dotierung".
"Dotierung" mit Neutronen
Silicium ist an sich schon sehr gut für die Dotierung mit Neutronen geeignet. Ein von einem solchen Atomkern eingefangenes Neutron bewirkt, dass der Kern instabil wird und schließlich zerfällt. Er verliert dadurch ein Elektron, behält aber ein Proton. Das Proton und das Elektron haben sozusagen ein Neutron im Kern aufgebaut. Phosphor ist das Element, das Silicium im Periodensystem folgt: Es besitzt ein Proton mehr und wirkt in Silicium demzufolge als Elektronen-Donator(Geber).
Limitiernde Faktoren?
Beeinflusst wird die Homogenität allenfalls durch die Abnahme des Neutronen-Flusses mit dem Abstand vom Reaktorkern. Die Anzahl der Neutronen sinkt mit dem Abstand vom Reaktorkern. Bei einer stark exponenziellen Abnahme kann die Dotierung ungleichmäßig ausfallen.
Ist die Abnahme linearer, lässt sich die Schwankung durch Rotation der Siliciumstäbe stark reduzieren.
"Das Ergebnis rechtfertigt den Aufwand im Kernreaktor auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten", meint der Wiener Physiker Fridemar Kuchmar.
Die bei diesen Prozessen entstehende Radioaktivität scheint nur vordergründig ein Problem zu sein, denn sie klingt exponenziell ab. Obwohl bei einem Silicium-Kristall durch die Neutronen-Behandlung ein passender Widerstand erzeugt wird, leitet der Halbleiter erst nach einer Wärmebehandlung elektrischen Strom. Die Erwärmung auf 800 Grad Celsius beseitigt aufgetretene Schäden im Kristall.
Qualitätskontrolle
Die aufgebrachte Dotierung des Silicium-Halbleiters darf entsprechend den Anforderungen der Halbleiter-Industrie nur um wenige Prozent schwanken.Im Normalfall wird die Neutronen-Dosis genau gemessen und daraus die Anzahl der Fremdatome bestimmt. Zusätzliche Messungen klären schließlich, ob alle diese Fremdatome Elektronen-Donatoren sind. Vergleiche von Berechnungen und Messungen bewiesen, dass die gewünschte Dotierung mit großer Genauigkeit erreicht wird. Eine zu niedrige Dotierung lässt sich durch Nachbestrahlung erhöhen.
Erhöhte Reinheit von Silicium
Durch die Anwendung anderer Verfahren ist es möglich, die ohnehin schon hohe Reinheit des Silicium-Kristalls weiter zu optimieren. Die Ergebnisse sprechen für sich: Die Schwankungen des elektrischen Widerstandes sinken von 25 auf fünf Prozentpunkte. Die deutliche Zunahme an Homogenität rechtfertigt die gestiegenen Kosten.
Das Verfahren der Kernumwandlung hat noch einen sehr positiven Effekt: Durch Neutronenbeschuss lassen sich hoch radioaktive Elemente wie Plutonium in weniger bis kaum gefährliche Elemente umwandeln.
Silicon Electronics Research Laboratory der Bell Labs