Siliziumdotierung

Silizium-Einkristall für die Halbleiterindustrie. Foto: Siltronic

Die Siliziumdotierungsanlage (SDA) ist die einzige rein kommerziell genutzte Produktionseinrichtung des FRM II. Sie dient der Dotierung von Reinstsilizium, das in der Halbleiterindustrie beispielsweise für Hochleistungselektronik verwendet wird, etwa für die langreichweitige Gleichstromübertragung oder in der Automobilindustrie.

Reines Silizium leitet Strom nur sehr schlecht. Es wird aber zum technisch verwertbaren Halbleiter, wenn es eine geringe Menge Fremdatome (z.B. Phosphor) enthält. Das Einbringen dieser Fremdatome nennt man Dotierung. An der Forschungs-Neutronenquelle wird die Dotierung mit Hilfe von Neutronen erreicht: Der Siliziumkristall wird in die Bestrahlungsposition gebracht und einem genau definierten, thermischen Neutronenfluss ausgesetzt. Der Effekt der Dotierung beruht darauf, dass das Siliziumisotops 30Si (etwa 3 % des in der Natur vorkommenden Siliziums besteht aus diesem Isotop) während der Bestrahlung durch Einfang von Neutronen in vorher berechneter Weise aktiviert und mit einer Halbwertszeit von 2,6 Stunden in stabiles 31P (Phosphor) umgewandelt wird. Im Gegensatz zu anderen Dotiertechniken garantiert die geschilderte sog. Neutronen-Transmutationsdotierung (NTD) eine besonders homogene P-Verteilung im Siliziumkristall.

Die SDA am FRM II kann zylindrische Si-Einkristalle mit bis zu 50 cm Höhe und einem Durchmesser bis zu 20 cm bestrahlen. Um eine homogene Dotierung zu erreichen, wird der Neutronenfluss in der Bestrahlungsposition der SDA durch eine geeignete Nickelbeschichtung geglättet und der Bestrahlungskorb rotiert zusätzlich während der Bestrahlung um die eigene Zylinderachse. Die Nachfrage nach durch Neutronenbestrahlung dotiertem Silizium ist so hoch, dass am FRM II bis zu 15 Tonnen jährlich von Firmen aus Europa und Asien beauftragt werden. Die Siliziumkristalle haben nach der Bestrahlung einen spezifischen Widerstand von 25 bis zu 1000 Ωcm.