Neutronen-Transmutationsdotierung

Das NTD-Verfahren wird im Folgenden anhand von Silicium beschrieben.

Einige der im natürlichen Silicium vorhandenen stabilen ³⁰Si-Isotope absorbieren im Rahmen einer Neutronenanlagerung ein Neutron und werden unter Emission von Gammastrahlung zu ³¹Si:

${\displaystyle \mathrm {{}^{30}Si\ +n\longrightarrow {}^{31}Si+\gamma } }$

Das instabile ³¹Si-Isotop zerfällt mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden zu ³¹P. Dabei werden Elektronen freigesetzt (aus historischen Gründen in diesem Zusammenhang Betastrahlung genannt):

${\displaystyle \mathrm {{}^{31}Si\ {\stackrel {2,62\,\mathrm {h} }{\longrightarrow }}\ {}^{31}P+\beta ^{-}} }$

Die noch während der Neutronenbestrahlung entstehenden Phosphor-Atome sind ebenfalls der Neutronenbestrahlung ausgesetzt, weshalb bei einigen dieser Atome weitere Reaktionen ablaufen, die das transmutierte Material eine Zeit lang radioaktiv machen:

${\displaystyle \mathrm {{}^{31}P\ +n\longrightarrow {}^{32}P+\gamma } }$

Die Umwandlung von ³²P in ³²S erfolgt mit einer Halbwertszeit von 14,3 Tagen:

${\displaystyle \mathrm {{}^{32}P\ {\stackrel {14,3\,\mathrm {d} }{\longrightarrow }}\ {}^{32}S+\beta ^{-}} }$

Je nach Verwendungszweck kann nötigenfalls gewartet werden, bis diese Radioaktivität abgeklungen ist, was üblicherweise nach 10 Halbwertszeiten der Fall ist.[1] (Reduktion auf 1/10^2=1/1024 des Ausgangswertes)

Durch die Strahlenschädigung ist das Kristallgitter stark gestört, es wird deshalb in einem nachfolgenden Temperschritt bei 700 bis 800 °C ausgeheilt.

Die Zahl der erzeugten Phosphor-Atome ist proportional der Bestrahlungszeit und dem Neutronenfluss. Zusammen mit der geringen Absorption thermischer Neutronen in Silicium (niedriger Wirkungsquerschnitt) lassen sich so sehr homogen dotierte Proben gewinnen. Das Verfahren wird daher bei der Grunddotierung von Substraten vor allem für Bauelemente der Leistungselektronik eingesetzt.

Das stabile Isotop ³⁰Si hat in Silicium einen Anteil von etwa 3,1 %, die Atomdichte von Silicium beträgt 5·10²² cm⁻³. Mit dem NTD-Verfahren kann deshalb eine hohe Phosphordotierung von bis zu 10²⁰ cm⁻³ erreicht werden und hat damit, neben der Homogenität der Dotierung, einen weiteren Vorteil gegenüber anderen Dotierverfahren.

Da das Verfahren gut beherrschbar und sicher ist, wird es weltweit an einigen Forschungsreaktoren angewandt, welche verhältnismäßig preiswert Neutronen bereitstellen. Auch Forschungsreaktoren, welche teilweise Ausbildungs- und Unterrichtszwecken dienen, wie jener des Massachusetts Institute of Technology werden hierfür eingesetzt.[2][3] Gerade Schwimmbadreaktoren bieten sich durch ihr hohes Maß an passiver Sicherheit, einfache Bedienbarkeit und Zugänglichkeit des Kerns auch bei laufendem Betrieb (zum Hinzufügen oder Entfernen von Targets) besonders an.

• Rolf Sauer: Halbleiterphysik: Lehrbuch für Physiker und Ingenieure. Oldenbourg, 2009, ISBN 3-486-58863-X.
• Wilhelm T. Hering: Angewandte Kernphysik. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-03244-9.
• Josef Lutz: Halbleiter-Leistungsbauelemente. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-34206-0.
• Adolph Blicher: Field-Effect and Bipolar Power Transistor Physics. Academic Press, Inc., New York 1981, ISBN 0-12-105850-6.
• Roland Schindler, Wolfgang R. Fahrner: Kurs 02175 Halbleitertechnik I. FernUniversität in Hagen, Hagen 1997.

1. https://ionactive.co.uk/resource-hub/guidance/the-10-half-life-rule-of-thumb-for-radioactive-materials
2. https://nrl.mit.edu/facilities/ntds
3. https://nrl.mit.edu/about