Neutronen-Transmutationsdotierung

Grundidee und Ablauf

Die Neutronen-Transmutationsdotierung (NTD), auch n-Transmutationsdotierung oder Neutronendotierung genannt, ist ein Verfahren zur Herstellung einer höchst homogenen Dotierung mit Phosphor in Silicium. Dabei wird das zu dotierende Substrat mit thermischen Neutronen bestrahlt. Auch Galliumarsenid kann auf diese Weise dotiert werden.

Das Verfahren beruht auf Transmutation: Durch Neutroneneinfang wird ein stabiles Isotop zunächst in ein radioaktives Isotop umgewandelt. Dieses zerfällt anschließend durch Betazerfall in ein Atom des gewünschten Elements. Bei Silicium entsteht so Phosphor.

Prinzip der Phosphorerzeugung

Ein Teil der im natürlichen Silicium vorhandenen stabilen ^30Si-Isotope fängt ein Neutron ein. Unter Aussendung von Gammastrahlung entsteht das radioaktive Isotop ^31Si:

^30Si + n → ^31Si + γ

Das instabile ^31Si zerfällt mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden zu ^31P. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die in diesem Zusammenhang aus historischen Gründen als Betastrahlung bezeichnet werden:

^31Si → ^31P + β−

Auf diese Weise werden Phosphoratome direkt im Siliciumkristall erzeugt.

Nebenreaktionen und Radioaktivität

Die während der Bestrahlung bereits entstandenen Phosphoratome bleiben ebenfalls der Neutronenstrahlung ausgesetzt. Bei einem Teil dieser Atome kommt es deshalb zu einer weiteren Reaktion:

^31P + n → ^32P + γ

Das radioaktive ^32P wandelt sich mit einer Halbwertszeit von 14,3 Tagen durch Betazerfall in ^32S um:

^32P → ^32S + β−

Dadurch ist das transmutierte Material für eine gewisse Zeit radioaktiv. Je nach Verwendungszweck kann gewartet werden, bis diese Radioaktivität weitgehend abgeklungen ist. Üblicherweise gilt dies nach 10 Halbwertszeiten; dann beträgt die Aktivität noch 1/2^10 = 1/1024 des Ausgangswertes.

Eigenschaften, Einsatz und Neutronenquellen

Die Neutronenbestrahlung verursacht starke Schäden im Kristallgitter. Deshalb wird das Material anschließend bei 700 bis 800 °C getempert, um diese Schäden auszuheilen.

Die Zahl der erzeugten Phosphoratome ist proportional zur Bestrahlungszeit und zum Neutronenfluss. Weil Silicium thermische Neutronen nur schwach absorbiert und daher einen niedrigen Wirkungsquerschnitt besitzt, lässt sich eine besonders homogene Dotierung erreichen. NTD wird deshalb vor allem zur Grunddotierung von Substraten für Bauelemente der Leistungselektronik eingesetzt.

Das stabile Isotop ^30Si macht etwa 3,1 % des natürlichen Siliciums aus. Die Atomdichte von Silicium beträgt 5·10^22 cm−3. Mit NTD kann eine Phosphorkonzentration von bis zu 10^20 cm−3 erzielt werden. Neben der Homogenität ist diese hohe erreichbare Dotierung ein weiterer Vorteil gegenüber anderen Dotierverfahren.

Als Neutronenquellen kommen Quellen infrage, die auf Spallation, Kernspaltung, Kernfusion oder anderen Kernreaktionen wie (α,n) oder (γ,n) beruhen. Weltweit wird NTD an einigen Forschungsreaktoren angewandt, weil diese verhältnismäßig preiswert Neutronen bereitstellen. Auch Forschungsreaktoren für Ausbildungs- und Unterrichtszwecke, etwa der des Massachusetts Institute of Technology, werden eingesetzt.

Besonders geeignet sind Schwimmbadreaktoren. Sie bieten passive Sicherheit, einfache Bedienbarkeit und einen zugänglichen Reaktorkern, sodass Targets auch während des Betriebs hinzugefügt oder entfernt werden können. Leistungsreaktoren sind meist weniger geeignet, weil der Austausch von Targets im laufenden Betrieb bei vielen Reaktoren schwierig oder unmöglich ist. Außerdem ist das Neutronenspektrum bei höherer Kühlmitteltemperatur härter, enthält also einen höheren Anteil schneller Neutronen, was für NTD ungünstig ist. Unter den Leistungsreaktoren wäre der CANDU-Reaktor wegen des Online-Refuellings und seines verhältnismäßig weichen Neutronenspektrums am besten geeignet.