Технология легирования кремния в реакторах РБМК-1000

Атомная кремниевая долина

Кроме наработки важных для народного хозяйства изотопов, на ЛАЭС занимаются трансмутационным легированием кремния. Благодаря своим полупроводниковым свойствам кремний и его соединения широко используются в микроэлектронике и мощных преобразователях тока, в солнечной энергетике, приборостроении и связи.

Монокристаллы кремния, прошедшие нейтронно-трансмутационное легирование, приобретают уникальные свойства. На ЛАЭС получают именно такие, наиболее ценные легированные монокристаллы диаметром до 85 мм. Сегодня ЛАЭС обеспечивает легированным кремнием до 90% потребностей отечественного рынка. В первую очередь для оборонной, космической и транспортной промышленности, а также для тех областей, где нужна сверхустойчивость и сверхнадежность полупроводниковых приборов. Если обращаться к образам, понятным современному человеку, то каждый месяц ЛАЭС легирует кремний в объемах, достаточных для изготовления 300 тыс. мобильных телефонов.

ГК Росатом использует для промышленного получения радиационного легированного кремния (РЛК), эта технология используется на действующих российских АЭС с реакторами РБМК.

Основой технологии РЛК являются ядерные превращения атомов под воздействием тепловых нейтронов, а именно, нейтронное трансмутационное превращение ³⁰Si в фосфор в результате облучения тепловыми нейтронами в ядерном реакторе. Радиационно-легированный кремний используется для изготовления силовой полупроводниковой электроники и приборов специального назначения повышенной надежности и качества.

Область применения радиационно-легированного кремния необычайно широка: силовые полупроводниковые приборы, вставки постоянного тока для преобразования переменного тока в постоянный, силовые фотоэлектронные преобразователи для солнечных электростанций, мощные диоды и тиристоры для электрифицированного железнодорожного и автомобильного транспорта, высоковольтные и сильноточные полупроводниковые приборы для ядерной физики и электроники, в электронно-измерительном приборостроении; в фотоэлектронных преобразователях энергии, в системах оптической техники ит.

п.

Наиболее актуально использование полупроводниковых свойств кремния в различных электротехнических приборах и устройствах, которые играют важнейшую роль во всех областях электротехники, электроники и связи. В целом надежность и электрофизические параметры готовых приборов в первую очередь зависят от исходной чистоты, точности и равномерности дозировки легирующих примесей при сохранении однородности свойств монокристаллов кремния.

На ЛАЭС осуществляется радиационное легирование кристаллов кремния диаметром до 305 мм, объем радиационно-легированного кремния — 300 т в год. Принципиальным моментом нейтронно-трансмутационного легирования является то, что легирующие примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов легируемого материала. В основе метода лежат ядерные реакции, которые протекают в кристалле кремния. Под воздействием потока тепловых нейтронов происходит образование радиоактивного изотопа ³¹Si и его последующий распад с образованием стабильного фосфора ³¹P. Образующийся ³¹P создает проводимость n-типа. В РБМК-1000 спектр нейтронов существенно мягче, чем в легководных исследовательских и энергетических реакторах. Благодаря большим размерам реактора поток тепловых нейтронов в активной зоне имеет требуемую равномерность для легирования вертикальной гирлянды слитков кремния. К тому же плотность потока нейтронов при работе РБМК-1000 на заданной мощности остается практически постоянной за все время облучения. Все эти факторы приводят к снижению количества радиационных дефектов в облученном материале, что в конечном итоге обеспечивает высокое качество легирования кремния. На ЛАЭС для легирования кремния используются облучательные каналы реактора с водяным охлаждением. Облучательные комплексы реакторов ЛАЭС оснащены системами автоматизированного контроля потока нейтронов, позволяющих обеспечить требуемое качество и технологичность процесса легирования слитков кремния. Отметим, что в этих же каналах может быть обеспечена радиационная модификация свойств других кристаллических материалов, в том числе полудрагоценных и драгоценных камней в объеме до нескольких тонн.