Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Смоленский государственный университет»
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры
студента 5 курса
физико-математического факультета
Бессарабова Ильнура Магомедовича
Смоленск
2013
СОДЕРЖАНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………..…100
Рисунок 14 – Фотография бетавольтаической батарейки на основе жидкого полупроводника
В работе [26] описаны подробности технологии изготовления бетавольтаической батареи с использованием жидкого полупроводника. Жидкий диод Шоттки основан на смеси селена и радиоактивного изотопа S35 в форме элементарной серы. Этот изотоп является чистым бета источником со средней энергией частиц 49 кэВ и периодом полураспада 87 дней.
Устройство способно вырабатывать электрический ток силой 107,4 нА. Мощность микробатареи составила 16,2 нВт, а напряжение - 899 мВ. Удельная плотность энергии устройства на 5 порядков выше, чем у обычных химических батарей и топливных ячеек [27], что делает его перспективным для использования в качестве источника питания для МЭМС.
и . При обычных условиях твёрдое вещество с . с широкой .
Нитрид галлия (GaN) обычно используется во всех приборных слоях, требующих быстрого переноса носителей заряда и высокого напряжения пробоя. GaN используется как материал канала в различных полевых транзисторах, а также как основной материал в AlGaN/GaN-биполярных транзисторах с гетеропереходом. Большинство слоев для формирования омических контактов в любых приборах включает в себя n-легированный и p-легированный GaN.
Уровень производства подложек и слоев из нитрида галлия находится в самом начале развития. Для бетавольтаических батарей необходимо наличее высокоомной области. В настоящее время основной метод выращивания структур GaN это металлически-органическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) это название способа выращивания, который включает динамический поток, в котором газообразные реагенты проходят над нагретой подложкой и химически реагируют, формируя полупроводниковый слой. Этот процесс не позволяет выращивать высококачественный и достаточно толстый высокоомный слой GaN, что приводит к истощению области p-n перехода.
В работе [30] продемонстрирована батарея из нитрида галлия. Структуры GaN (рисунок 17) выращивали на подложках сапфира MOCVD методом.
Рисунок 17 − Структура батареи на основе GaN
Использовалась тонкая пластинка никель - 63 площадью 4 х 4 мм2 с активностью 2 мКи. Исследователи установили, что их батарейка имеет достаточно большое напряжение холостого хода и достигает значения более 1,62 В, а плотность тока короткого замыкания равна 16 нА см-2, с эффективностью преобразования 1,13 %.
45 Drouin, D., Coutre, A.R., Gauvin, R., Hovington, P., Horny, P., Demers,H. (2002). Monte Carlo simulation of electron trajectories in solids (CASINO). University of Sherbrooke, Quebec.
46 JPL Publication No. D-11777 Cassini Document No. 699-070-2.
47 http://ie.lbl.gov/education/isotopes.htm
48 Фрадкин Г.М., Кодюков В.М., Радиоизотопные источники электрической энергии.-М.,Атомиздат, 1972.
49 Лазаренко Ю.В., Пустовалов А.А., Шаповалов В.П.// Малогабаритные ядерные источники электрической энергии.- М., Энергоатомиздат, 1992.
50 Марухин О.В., Пикулев А.А., Модель генератора для прямого преобразования энергии осколков деления в электричество //ВАНТ, сер.Физика ядерных реакторов. 2000.
51 www.citylabs.net
52 www.betabatt.com
53 http://www.news.cornell.edu/stories/2010/05/widetronix-corp-receives-federal-funding
54
55 Громов Д.Г., Гаврилов С.А. Проявление гетерогенного механизма при плавлении малоразмерных систем // Физика твердого тела. 2009. Т. 51. Вып. 10. с. 2012-2021.
56 Нагорнов Ю.С. Расчет эффективности элементов питания на основе микроканального кремния и бета-источника никель-63. Известия вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. №3, 2013. С.55-58.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
ПЛАНАРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию (Э.Д.С.).
Известны конструкции планарных - 2D преобразователей ионизирующих радиационных излучений в электрическую энергию (бета гальваническая батарейка), которые впервые предложил Раппопорт в 1954 году [1,2], после обнаружения им того, что при распаде изотопов, например, никеля-63 или трития могут образовываться в полупроводниковых материалах электронно-дырочные пары, это явление получило название бетавольтаического эффекта. Позднее в 1957 году Elgin-Kidde впервые применили бетавольтаический эффект для выработки электрической энергии с помощью планарных р-п переходов, полученных на кремниевых пластинах [3].
С 1989 года для создания преобразователя - бетавольтаической батареи стали исследоваться и применяться другие - широкозонные материалы GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4,5].
Однако при создании трехмерных (3D) конструкций технологии, использующие широкозонные материалы, уступают в производительности и эффективности кремниевой технологии. В частности, глубина микроканалов в кремнии в разы больше, чем в карбиде кремния и других материалах. Степень дефектообразования при формировании микроканалов также минимальная в кремниевой технологии. Более того именно в кремниевой технологии наиболее просто и экономично совместить в одной конструкции набор двумерных элементов. Таким образом, технология, использующая кремниевые пластины является наиболее эффективной с точки зрения минимизации объема и веса преобразователя, приходящегося на единицу вырабатываемой электроэнергии в трехмерных конструкциях.
Поэтому с 2004 года появилось множество работ посвященных созданию 3-ех мерных "объемных "конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [6-10]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда р- i-п диодов, в которых генерируются бета излучением носители заряда. Однако создание бета батареек с такой конструкцией представляет сложную и не решенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества р-п переходов в каналах или щелях кремниевых пластин, что приводит к недопустимо большим токам утечки через них.
В последнее время появились технологии утонения кремниевых пластин до разменов 40-100 микрон, что соизмеримо с глубиной проникновения в кремний (20 мкм) бета излучения радиоактивных изотопов таких, так никель-63 и тритий, что принципиально позволяет создавать планарные "тонкие" конструкции кремниевых р- i-п диодов с близкими к оптимальным размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (10-29 мкм) [11].
Однако и "тонкие " планарные конструкции преобразователей на основе р-i-п диодов [4,5,12] не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку в них сбор носителей заряда от излучения имеет односторонний характер (только сверху) со стороны расположения поверхностного р-п перехода.
Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета излучений в электрическую энергию [12] (см.рис.1), взятая за прототип и содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину п (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная п+ (р+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (п+) область образующая с полупроводниковой пластиной р-п переход, на поверхности р+ (п+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом.
Способ ее изготовления, планарной конструкции, состоящий в формировании эпитаксиальным наращиванием на поверхности полупроводниковой подложки п(р) типа проводимости слоев п-(-р) типа и + р(+п) типа проводимости, осаждении на поверхность слоя +р(+п) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля, формировании электрода катода (анода) образующего омический контакт к подложке п-(-р) типа проводимости и формировании электрода анода (катода) образующего омический контакт к слою +р (+ п) типа проводимости, изоляции планарной поверхности слоев оксидом кремния.
Общим недостатком аналогов и прототипа является невозможность достичь наилучших соотношений размеров (веса) преобразователя к выделяемой мощности ЭДС.
Целью изобретения является создание конструкции планарного преобразователя - бета батарейки с значительно большей (в два раза) генерируемой электрической энергией ( мощности ) приходящейся на единицу его объема (веса) и более высокой энергоемкостью.
Цель достигается − путем создания новой функционально интегрированной конструкции р-i-п диода и МОП конденсатора планарного преобразователя, состоящей из слаболегированной полупроводниковой пластины п(-р) типа проводимости, в которой расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р- п переходы р- i- п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область к пластине -п (-р) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р+ (п+) областях расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика содержащие контактные окна, соответственно, к п+(р+) контактной области и нижней горизонтальной р+(п+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла образующие омические контакты соответственно с п+(р+) контактной областью и нижней горизонтальной р+(п+) областью, являющиеся электродами катода(анода) и анода (катода) соответственно р- i- п диода. при этом верхняя горизонтальная р+ (п+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода), МОП структуру накопительного конденсатора
Способом изготовления, состоящим в создании вертикальной кольцевой р+ (п+) области путем проведения первой фотолитографии, тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+(р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, нанесении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины слоев нижнего и верхнего слоев диэлектрика, проведения четвертой и пятой фотолитографий, вскрытия контактных окон соответственно к верхней п+(р+) контактной области и нижней р+ (п+)области, осаждения нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, а также резка пластины на чипы.
Конструкция прототипа показана на рис. 1, где а - структура, б- топология.
здесь 1- слаболегированная полупроводниковая пластина п- типа проводимости, 2- п+ сильно легированная область, 3- р- область р-п перехода,4- материал радиоактивного изотопа, 5-диэлектрик - оксид кремния, 6- электрод анода, 7-электрод катода.
Конструкция преобразователя по изобретению показана рис. 2, где а - структура, б- топология, в- эквивалентная электрическая схема.
В конструкции имеется полупроводниковая пластина п (р) типа проводимости – 1, на верхней и нижней поверхности которой расположены сильно легированные соответственно верхняя – 2 и нижняя – 3 горизонтальные р+ (п+) области, к ним примыкает вертикальная р+ (п+) кольцевая область – 4, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область – 5, на поверхности горизонтальных р+ (п+) областей – 2 и 3 расположены соответственно слои верхнего – 6 и нижнего – 7 диэлектрика, на их поверхности расположены соответственно верхний – 8 и нижний – 9 слои радиоактивного изотопа – металла. При этом область катода -8 , верхняя горизонтальная область р+(п+) -2 и область диэлектрика - 6 образуют накопительный МОП конденсатор.
(Пример конкретной реализации)
Технология изготовления преобразователя по изобретению
показана на рис. 3 и состоит из следующей последовательности технологических операций:
а) - термическое окисление кремниевых пластин КЭФ 5 кΩ∙см с ориентацией (100);
- проводят 1-ую фотолитографию и травление пластин по границам чипов;
- проводят формирование вертикального р+ слоя путем "глубокой" диффузии бора вплоть до смыкания верхнего и нижнего фронтов;
б) - проводят 2-ую фотолитографию и формируют ионным легированием бора дозой D=500 мкКул энергией Е=40 кэВ р+ верхнюю горизонтальную область и р+ нижнюю горизонтальную область;
в) - проводят 3-ую фотолитографию и формируют п+ контактный слой ионным легированием фосфора дозой D= 300 мкКул с энергией E= 40 кэВ;
- проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т= 900 ºС в течение t= 40 минут;
г) - проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т= 860 ºС в течение 20 минут на толщину оксида SiO2 = 35 нм;
- проводят 4-ую и 5 -ую фотолитографии контактных окон к верхней п+ контактной области и нижней горизонтальной р+ области;
д) - осаждают радиоактивный изотоп – никель-63;
е)- режут пластины на чипы (кристаллы).
По данной технологии изготовлены на кремниевых кристаллах площадью 1см 81см тестовые образцы бета батареек с параметрами лучшими, чем у известных аналогов. При мощности источника Ni -63 2,7 мКюри безопасного для применения в бытовых условиях , получено значение напряжения холостого хода более 0,1 в и тока короткого замыкания более 100 на.
Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например, кремния бета излучением изотопов (никеля, стронция, кобальта и т.д.). Образующиеся при этом электронно- дырочные пары разделяются полем р-п перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+ и п+ областях преобразователя.(бетагальваническую Э.Д.С). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем р-п перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии равном диффузионной длине носителя заряда. Генерируемый р-п переходами ионизационный заряд собирается накопительным МОП конденсатором.
Пример практической реализации конструкции.
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ∙см с ориентацией (100) по технологии, представленной на рис. 3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 63Ni, имеющий большой период времени полураспада (100,1 лет) и испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и максимальной энергией 64 кэВ, практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов меньше энергии дефектообразования в кремнии (160 кэВ). При этом глубина поглощения в кремнии электронов со средней энергией 17 кэВ составляет примерно 3.0 мкм, а для 90 % поглощения – 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания р-п переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа могут быть использованы иные материалы, например, твердотельный источник трития и т.д.
Технические преимущества изобретения:
- конструкция бета батарейки позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным р- i-п диодом (размеры п+ контактной области много меньше размеров р+ горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь);
- при этом генерируемая энергия накапливается внутри бета батарейки, что во многих случаях исключает необходимость применения внешних аккумуляторов и конденсаторов;
- при производстве бета батарейки преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;
- конструкция "высоковольтной" батареи собирается из элементарных батареек путем их склеивания электропроводящим клеем (см рис 4);
- современные технологии изготовления пластин позволяют провести утонение пластин кремния до оптимальных размеров Н=40 мкм соответствующих глубине поглощения бета излучения в кремнии, что позволяет получать максимальную мощность излучения и, соответственно, ЭДС на единицу объема (веса) преобразователя;
- такой источник ЭДС обеспечит прямую зарядку ( конденсатора ) аккумулятора при отсутствии солнечных батарей при минимальном ее весе и размерах, что важно, например, для применения в беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях – шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах, электростимуляторах сердца и т.д.;
− важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиоактивного материала, который для 63Ni составляет 100,1 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.
Список литературы
1- Rappaport P. The Electron-Voltaic Effect in p-n Junctions Induced by Beta-Particle Bombardment / P. Rappaport // Phys. Rev. 1954. V. 93. P. 246.
2- Rappaport P. Radioactive battery employing intrinsic semiconductor / P. Rappaport // US Patent 5,973. 1956.
3- "Miniature Atomic Powered Battery", Radio and TV News, V.57. May. 1957. P.160.
4- Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I.; Li H., Spencer M.G.; Lal A. Demonstration of a 4H SiC Betavoltaic Cell // Applied Physics Letters. V. 88. N3. 2006. P. 033506. 1-3.
5- Cheng Z., Zhao Z., San H.; Chen X. Demonstration of a GaN betavoltaic microbattery // Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). 2011. IEEE International Conference. P. 1036-1039.
6- Долгий А. Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропористого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23–24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С.57–60.
7- Sun W., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536–1540.
8- Sun W., Kherani N. P., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. A Three-Dimensional Porous Silicon p–n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230–1233.
9- Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US20080199736A1. Pub. date: 21.08.2008.
10- Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US7939986B2. Pub. date: 10.05.2011.
11- Park S. M., Ahn J. H., Kim S. I. and Lee N.-E. NO-Induced Fast Chemical Dry Thinning of Si Wafer in NF3 Remote Plasmas // Journal of the Korean Physical Society. V. 54. N 3. March 2009. P. 1127-1130.
12- Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472A1. Pub. date: 14.08.2014г.
Формула изобретения
Планарный преобразователь ионизирующих излучений
П1 конструкция содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину п (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная п+ (р+) область на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (п+) область, образующая с полупроводниковой пластиной р-п переход, на поверхности р+ (п+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, отличающаяся тем, что на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины - п (-р) типа проводимости расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р- п переходы р- i- п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой областью, при этом верхняя горизонтальная р+ (п+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода), МОП структуру накопительного конденсатора, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область к пластине - п (-р) типа проводимости, на верхней и нижней поверхности горизонтальных р+ (п+) областей расположены, соответственно, слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна, соответственно, к п+(р+) контактной области и нижней горизонтальной р+(п+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены, соответственно, верхний и нижний слои радиоактивного изотопа – металла, образующие омические контакты, соответственно, с п+(р+) контактной областью и нижней горизонтальной р+(п+) областью, являющиеся электродами катода(анода) и анода (катода) соответственно р- i- п диода.
П2 Способ изготовления по П1, состоящий в формировании на поверхности полупроводниковой подложки п (р) типа проводимости слоев п+(+р) типа и р+ (п+) типа проводимости, осаждении на поверхность слоя п+ (р+) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля и формировании электрода катода (анода), образующего с этой областью омический контакт, осаждении на поверхность слоя р+ (п+) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля и формировании электрода анода (катода), образующего с этой областью омический контакт, отличающийся тем, что формируют, вертикальную кольцевую р+ (п+) область путем проведении первой фотолитографии, в последующем тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+ (р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, нанесении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины нижнего и верхнего слоев диэлектрика, проведения четвертой и пятой фотолитографий и вскрытия контактных окон, соответственно, к верхней п+ (р+) контактной области и нижней р+ (п+) области, осаждении нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа - металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, резки пластины на чипы.
Реферат
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Целью изобретения является создание планарного преобразователя – бета батарейки с повышенной мощностью и энергоемкостью на единицу объема по сравнению с традиционной конструкцией р- i- п диода.
Цель достигается путем создания оригинальной функционально интегрированной конструкции р-i-п диода и МОП конденсатора планарного преобразователя, «, содержащей двойной р-i-п диод и реализуемой по стандартной микроэлектронной технологии. Особенностями такой конструкции является размещение собирающих излучение р-п переходов на обеих сторонах кремниевой пластины и симметричном расположении электродов анода и катода диода, а также размещение внутри конструкции накопительного МОП конденсатора.
Такой преобразователь может быть использован в взрывоопасных помещениях − шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.
Приложение 2
ПЛАНАРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию (Э.Д.С.).
Известны конструкции планарных - 2D преобразователей ионизирующих радиационных излучений в электрическую энергию (бета гальваническая батарейка), которые впервые предложил Раппопорт в 1954 году [1,2], после обнаружения им того, что при распаде изотопов, например, никеля-63 или трития могут образовываться в полупроводниковых материалах электронно-дырочные пары, это явление получило название бетавольтаического эффекта. Позднее в 1957 году Elgin-Kidde впервые применили бетавольтаический эффект для выработки электрической энергии с помощью планарных р-п переходов, полученных на кремниевых пластинах [3].
С 1989 года для создания преобразователя - бетавольтаической батареи стали исследоваться и применяться другие - широкозонные материалы GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4,5].
Однако при создании трехмерных (3D) конструкций технологии, использующие широкозонные материалы, уступают в производительности и эффективности кремниевой технологии. В частности, глубина микроканалов в кремнии в разы больше, чем в карбиде кремния и других материалах. Степень дефектообразования при формировании микроканалов также минимальная в кремниевой технологии. Более того именно в кремниевой технологии наиболее просто и экономично совместить в одной конструкции набор двумерных элементов. Таким образом, технология, использующая кремниевые пластины является наиболее эффективной с точки зрения минимизации объема и веса преобразователя, приходящегося на единицу вырабатываемой электроэнергии в трехмерных конструкциях.
Поэтому с 2004 года появилось множество работ посвященных созданию 3-ех мерных "объемных "конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [6-10]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда р- i-п диодов, в которых генерируются бета излучением носители заряда. Однако создание бета батареек с такой конструкцией представляет сложную и не решенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества р-п переходов в каналах или щелях кремниевых пластин, что приводит к недопустимо большим токам утечки через них.
В последнее время появились технологии утонения кремниевых пластин до разменов 40-100 микрон, что соизмеримо с глубиной проникновения в кремний (20 мкм) бета излучения радиоактивных изотопов таких, так никель-63 и тритий, что принципиально позволяет создавать планарные "тонкие" конструкции кремниевых р- i-п диодов с близкими к оптимальным размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (10-29 мкм) [11].
Однако и "тонкие " планарные конструкции преобразователей на основе р-i-п диодов [4,5,12] не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку в них сбор носителей заряда от излучения имеет односторонний характер (только сверху) со стороны расположения поверхностного р-п перехода.
Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета излучений в электрическую энергию [12] (см.рис.1), взятая за прототип и содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину п (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная п+ (р+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (п+) область образующая с полупроводниковой пластиной р-п переход, на поверхности р+ (п+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом.
Способ ее изготовления, планарной конструкции, состоящий в формировании эпитаксиальным наращиванием на поверхности полупроводниковой подложки п(р) типа проводимости слоев п-(-р) типа и + р(+п) типа проводимости, осаждении на поверхность слоя +р(+п) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля, формировании электрода катода (анода) образующего омический контакт к подложке п-(-р) типа проводимости и формировании электрода анода (катода) образующего омический контакт к слою +р (+ п) типа проводимости, изоляции планарной поверхности слоев оксидом кремния.
Общим недостатком аналогов и прототипа является невозможность достичь наилучших соотношений размеров (веса) преобразователя к выделяемой мощности ЭДС.
Целью изобретения является создание конструкции планарного преобразователя - бета батарейки с значительно большей (в два раза) генерируемой электрической энергией приходящейся на единицу его объема (веса).
Цель достигается − путем создания новой конструкции планарного преобразователя, состоящей из слаболегированной полупроводниковой пластины п(-р) типа проводимости, в которой расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р- п переходы р- i- п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область к пластине -п (-р) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р+ (п+) областях расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика содержащие контактные окна, соответственно, к п+(р+) контактной области и нижней горизонтальной р+(п+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла образующие омические контакты соответственно с п+(р+) контактной областью и нижней горизонтальной р+(п+) областью, являющиеся электродами катода(анода) и анода (катода) соответственно р- i- п диода.
Способом изготовления, состоящим в создании вертикальной кольцевой р+ (п+) области путем проведения первой фотолитографии, тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+(р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, нанесении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины слоев нижнего и верхнего слоев диэлектрика, проведения четвертой и пятой фотолитографий, вскрытия контактных окон соответственно к верхней п+(р+) контактной области и нижней р+ (п+)области, осаждения нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, а также резка пластины на чипы.
Недостатком конструкции является то, что диэлектрик, расположенный под слоями радиоактивного изотопа частично поглощает бета излучение, несколько снижая КПД преобразователя.
Поэтому целью дальнейшего повышения эффективности предлагаемой планарной конструкции, в которой, на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины -п (-р) типа проводимости расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р-п переходы р-i-п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена п+ (р+) контактная область к пластине -п (-р) типа проводимости на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р+ ( п+) областей располагаются верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла, образующие омический контакт соответственно с верхними и нижними горизонтальными р+ (п+) областями, при этом нижний слой изотопа образует электрод анода (катода) на поверхности верхнего слоя изотопа и части верхней поверхности пластины расположен диэлектрик, на котором расположен металлический электрод катода (анода) образующий омический контакт с контактной п+ ( р+ ) областью.
Способом изготовления, состоящим создании вертикальной кольцевой р+ (п+) области путем проведении первой фотолитографии, тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ ( п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+ (р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, осаждении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины слоев радиоактивного изотопа, проведения четвертой фотолитографии удаления части верхнего слоя изотопа расположенного на поверхности подложки п-(р-) типа и контактной п+ (р+) области, осаждении диэлектрика на верхний слой изотопа и часть верхней поверхности пластины, проведение пятой фотолитографии - вскрытия контактного окна к п+ (р+) контактной области, осаждении на верхнюю поверхность пластины металла, резки пластины на чипы.
Конструкция прототипа показана на рис. 1, где а - структура, б- топология.
здесь 1- слаболегированная полупроводниковая пластина п- типа проводимости, 2- п+ сильно легированная область, 3- р- область р-п перехода,4- материал радиоактивного изотопа, 5-диэлектрик - оксид кремния, 6- электрод анода, 7-электрод катода.
Конструкция преобразователя по изобретению показана рис. 2, где а - структура, б- топология, в- эквивалентная электрическая схема.
В конструкции имеется полупроводниковая пластина п (р) типа проводимости – 1, на верхней и нижней поверхности которой расположены сильно легированные соответственно верхняя – 2 и нижняя – 3 горизонтальные р+ (п+) области, к ним примыкает вертикальная р+ (п+) кольцевая область – 4, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область – 5, на поверхности верхней горизонтальных р+ (п+) и –п (-р) областей – 1 и 2 расположен слой верхнего диэлектрика – 6, под ним расположен верхний слои радиоактивного изотопа – металла – 8, соответственно под нижним горизонтальным р+ (п+) слоем – 3 расположен нижний слой радиоактивного изотопа – металла – 9, верхний контакт -7 подводится к п+(р+) контактной области – 5.
(Пример конкретной реализации)
Технология изготовления преобразователя по изобретению
показана на рис. 3 и состоит из следующей последовательности технологических операций:
а) - термическое окисление кремниевых пластин КЭФ 5 кΩ∙см с ориентацией (100);
- проводят 1-ую фотолитографию и травление пластин по границам чипов;
- проводят формирование вертикального р+ слоя путем "глубокой" диффузии бора вплоть до смыкания верхнего и нижнего фронтов;
б) - проводят 2-ую фотолитографию и формируют ионным легированием бора дозой D=500 мкКул энергией Е=40 кэВ р+ верхнюю горизонтальную область и р+ нижнюю горизонтальную область;
в) - проводят 3-ую фотолитографию и формируют п+ контактный слой ионным легированием фосфора дозой D= 300 мкКул с энергией E= 40 кэВ;
- проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т= 900 ºС в течение t= 40 минут;
г) - проводят 4-ую фотолитографию формирования верхних окон;
- осаждают радиоактивный изотоп – никель-63 на верхнюю часть пластины;
- осаждают радиоактивный изотоп – никель-63 на всю нижнюю часть пластины;
д) - проводят 5-ую фотолитографию формирования верхних окон к контактным п+ площадкам;
- проводят плазмохимическое осаждение окисла на верхнюю поверхность пластины;
д) – проводят осаждение металла на верхнюю часть пластины для создания контакта с п+ областью;
- режут пластины на чипы (кристаллы).
Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например, кремния бета излучением изотопов (никеля, стронция, кобальта и т.д.). Образующиеся при этом электронно- дырочные пары разделяются полем р-п перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+ и п+ областях преобразователя.(бетагальваническую Э.Д.С). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем р-п перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии равном диффузионной длине носителя заряда.
Пример практической реализации конструкции.
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ∙см с ориентацией (100) по технологии, представленной на рис. 3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 63Ni, имеющий большой период времени полураспада (100,1 лет) и испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и максимальной энергией 64 кэВ, практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов меньше энергии дефектообразования в кремнии (160 кэВ). При этом глубина поглощения в кремнии электронов со средней энергией 17 кэВ составляет примерно 3.0 мкм, а для 90 % поглощения – 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания р-п переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа могут быть использованы иные материалы, например, твердотельный источник трития и т.д.
Технические преимущества изобретения:
- конструкция бета батарейки позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным р- i-п диодом (размеры п+ контактной области много меньше размеров р+ горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь);
- при производстве бета батарейки преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;
- конструкция "высоковольтной" батареи собирается из элементарных батареек путем их склеивания электропроводящим клеем (см рис 4);
- современные технологии изготовления пластин позволяют провести утонение пластин кремния до оптимальных размеров Н=40 мкм соответствующих глубине поглощения бета излучения в кремнии, что позволяет получать максимальную мощность излучения и, соответственно, ЭДС на единицу объема (веса) преобразователя;
- такой источник ЭДС обеспечит прямую зарядку аккумулятора при отсутствии солнечных батарей при минимальном ее весе и размерах, что важно, например, для применения в беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях – шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах, электростимуляторах сердца и т.д.;
− важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиоактивного материала, который для 63Ni составляет 100,1 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.
Список литературы
1- Rappaport P. The Electron-Voltaic Effect in p-n Junctions Induced by Beta-Particle Bombardment / P. Rappaport // Phys. Rev. 1954. V. 93. P. 246.
2- Rappaport P. Radioactive battery employing intrinsic semiconductor / P. Rappaport // US Patent 5,973. 1956.
3- "Miniature Atomic Powered Battery", Radio and TV News, V.57. May. 1957. P.160.
4- Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I.; Li H., Spencer M.G.; Lal A. Demonstration of a 4H SiC Betavoltaic Cell // Applied Physics Letters. V. 88. N3. 2006. P. 033506. 1-3.
5- Cheng Z., Zhao Z., San H.; Chen X. Demonstration of a GaN betavoltaic microbattery // Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). 2011. IEEE International Conference. P. 1036-1039.
6- Долгий А. Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропористого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23–24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С.57–60.
7- Sun W., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536–1540.
8- Sun W., Kherani N. P., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. A Three-Dimensional Porous Silicon p–n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230–1233.
9- Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US20080199736A1. Pub. date: 21.08.2008.
10- Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US7939986B2. Pub. date: 10.05.2011.
11- Park S. M., Ahn J. H., Kim S. I. and Lee N.-E. NO-Induced Fast Chemical Dry Thinning of Si Wafer in NF3 Remote Plasmas // Journal of the Korean Physical Society. V. 54. N 3. March 2009. P. 1127-1130.
12- Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472A1. Pub. date: 14.08.2014г.
Формула изобретения
Планарный преобразователь ионизирующих излучений
П1 конструкция содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину п (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная п+ (р+) область на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (п+) область, образующая с полупроводниковой пластиной р-п переход, на поверхности р+ (п+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, отличающаяся тем, что на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины - п (-р) типа проводимости расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р- п переходы р- i- п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область к пластине - п (-р) типа проводимости, на верхней поверхности горизонтальной р+ (п+) области расположен слой верхнего диэлектрика, содержащий контактное окно к п+ (р+) контактной области, на поверхности верхнего р+(п+) слоя под диэлектриком расположен верхний слой радиоактивного изотопа – металла, соответственно, нижний слой радиоактивного изотопа – металла расположен на поверхности нижнего р+(п+) слоя, на верхнем слое диэлектрика расположен контактный слой металла с п+(р+) контактной областью, контактом к нижней горизонтальной р+(п+) области является нижний слой радиоактивного изотопа – металла, указанные контакты являются электродами катода(анода) и анода (катода) соответственно р- i- п диода.
П2 Способ изготовления по П1, состоящий в формировании на поверхности полупроводниковой подложки п (р) типа проводимости слоев п+(+р) типа и р+ (п+) типа проводимости, осаждении на поверхность слоя п+ (р+) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля и формировании электрода катода (анода), образующего с этой областью омический контакт, осаждении на поверхность слоя р+ (п+) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля и формировании электрода анода (катода), образующего с этой областью омический контакт, отличающийся тем, что формируют, вертикальную кольцевую р+ (п+) область путем проведении первой фотолитографии, в последующем тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+ (р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, осаждении радиоактивного изотопа – никель-63 на верхнюю часть пластины путем проведения 4-ой фотолитографии, а также осаждении радиоактивного изотопа – никель-63 на всю нижнюю часть пластины, проведении низкотемпературного плазмохимического осаждения окисла на верхнюю поверхность пластины путем проведения 5-ой фотолитографии, осаждении металла на верхнюю часть пластины для создания контакта, резки пластины на чипы.
Реферат
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Целью изобретения является создание планарного преобразователя – бета батарейки с повышенной энергоемкостью на единицу объема по сравнению с традиционной конструкцией р- i- п диода.
Цель достигается путем создания оригинальной «планарной» конструкции преобразователя, реализуемой по стандартной микроэлектронной технологии. Особенностями такой конструкции является размещение собирающих излучение р-п переходов на обеих сторонах кремниевой пластины и симметричном расположении электродов анода и катода диода.
Такой преобразователь может быть использован в взрывоопасных помещениях − шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.
Приложение 3
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с.).
Известны конструкции 3-ех мерных - (3D) преобразователей оптических и радиационных излучений в электрическую энергию [1-4].
Такие преобразователи не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку преобразуют энергию либо оптического [1,2] либо только радиационного бета- или альфа-излучений [3-7].
Известна "щелевая" конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета-излучений в электрическую энергию [6], (см. рис. 1) взятая за прототип и содержащая в полупроводниковой пластине п(р) типа проводимости вертикальные щели или каналы на поверхности, в которых расположены вертикальные р-п переходы, и которые заполнены материалом радиоактивного изотопа.
Способ ее изготовления, включающий формирование в объеме пластины п(р) типа проводимости щелей или каналов, диффузионное легирование поверхности каналов примесью р(п) типа, осаждение на поверхность пластины и полость щелей или каналов материала радиоактивного изотопа.
Общими недостатками аналогов и прототипа является ограничение его области применения из-за использования только радиоактивного бета- излучения.
Целями изобретения является расширение области применения преобразователя на оптический диапазон излучений, повышение его эффективности и упрощение технологии изготовления.
Цель достигается изменением конструкции преобразователя за счет устранения материала изотопа за пределами щелей на поверхности горизонтальных р-п переходов пластины, и размещения на их поверхности диэлектрического слоя прозрачного для излучения оптического диапазона.
Способ ее изготовления включает формирование на поверхности пластин п(р) типа проводимости диффузией примеси р(п) типа горизонтальных р-п переходов и осаждения диэлектрического слоя, прозрачного для излучения оптического диапазона, формирование в объеме пластины травлением полупроводника селективно к диэлектрику щелей или каналов, диффузионное легирование поверхности каналов примесью р(п) типа, осаждение на поверхность пластины и в каналы материала радиоактивного изотопа, удаление материала изотопа с поверхности диэлектрического слоя.
Конструкция прототипа показана на рис. 1.
здесь 1 - полупроводниковая пластина п(р) типа проводимости, 2 - п+ (р+) сильнолегированный контактный слой, 3 - р(п) область вертикальных р-п переходов, 6 - материал радиоактивного изотопа.
Конструкция преобразователя по изобретению показана на рис. 2
здесь 1 - полупроводниковая пластина п(р) типа проводимости, 2- п+(р+) сильнолегированный контактный слой, 3 - р(п) область вертикальных р-п переходов, 4 - р(п) область горизонтальных р-п переходов, 5 - диэлектрический слой прозрачный для излучения оптического диапазона, 6 - материал радиоактивного изотопа.
Технология изготовления преобразователя по изобретению показана на рис.3, которая состоит из следующей последовательности технологических операций:
а) - в обратную сторону пластины п–-типа КЭФ 5 кΩ·см ориентацией (100) проводят ионное легирование фосфора дозой 300 мкКл с энергией 50 кэВ с последующей разгонкой примеси в течении 30 минут при температуре 950 ○С;
- затем формируют р- область горизонтальных переходов ионным легированием в лицевую сторону пластины ионов бора дозой 10 мкКл с энергией 30 кэВ с последующим отжигом радиационных дефектов в течение 40 минут при температуре 950 ○С;
- выращивают оксид кремния на лицевой поверхности пластины толщиной 0,3 мкм при температуре 1050 ○С в течение 20 минут.
б) - затем проводят фотолитографию и травят глубокие щели в оксиде, а затем в кремнии;
- проводят диффузию бора (или плазменное ионное легирование бора) при температуре 900 ○С в течение 20 минут и удаляют боросиликатное стекло.
в) осаждают электролизом радиоактивный 63Ni толщиной 2,5- 3,2 мкм;
г) проводят фотолитографию и удаляют никель 63Ni с поверхности диэлектрика.
д) режут пластины на отдельные кристаллы.
Принцип действия преобразователя (см. рис 4) основан на ионизации оптическим (световым) и бета- (электронным) излучением материала полупроводника, например, кремния. Образующиеся при этом электронно-дырочные пары разделяются полем р-п перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+ и п+ областях преобразователя (фотогальваническую Э.Д.С). При этом часть электронно дырочных пар может быть собрана полем р-п перехода также в квази-нейтральной области (КНО) на расстоянии равном диффузионной длине пробега.
Пример практической реализации конструкции
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ·см с ориентацией (100) по технологии представленной на рис.3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 63Ni, имеющий большой период времени полураспада (100 лет) и испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и с максимальной энергией 64 кэВ, а также практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов меньше энергии дефектообразования в кремнии (160 кэВ). При этом глубина поглощения в кремнии электронов со средней энергией 17 кэВ составляет примерно 3.0 мкм, а для 90 % поглощения бета-частиц от изотопного источника 63Ni – 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания р-п переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа может быть использованы иные материалы, например, тритий и т д.
Техническими преимуществами изобретения являются:
- простая, дешевая и стандартная "микроэлектронная" технология его изготовления, не требующая резки и шлифовки чипов;
- высокий коэффициент отношения площади принимающих излучение р-п переходов к объему кремниевого материала, в котором они расположены, что позволяет получать максимальную мощность излучения и соответственно ЭДС на единицу объема преобразователя.
Следует отметить, что совмещение в единой функционально- интегрированной «гибридной» конструкции преобразователя солнечного и радиационного излучения дает в ряде применений таким источникам э.д.с. важные преимущества, а именно:
- возможность обеспечить зарядку аккумулятора при отсутствии солнечного света при минимальном ее весе, что важно, например, для применения в солнечных батареях беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях – шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.
- возможность дополнительного существенного повышения КПД на несколько процентов преобразователя энергии по сравнению с эквивалентной по площади обычной кремниевой солнечной батареей;
- теоретически, срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для 63Ni составляет 100 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.
Литература
1. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ № 2377695 от 27.12.2009.
2. Мурашев В.Н., Леготин С.А. и др. «Кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления», заявка на изобретение № 2012130896 от 20.07.12, решение о выдаче патента от 2013.08.07.
3. Долгий А. Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропористого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23–24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С.57–60.
4. Clarkson J.P., Sun W., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536–1540.
5. Sun W., Kherani N. P., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. A Three-Dimensional Porous Silicon p–n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230–1233.
6. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. 2011. USA Patent. US7939986B2.
7. Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. 2008. USA Patent. US20080199736A1.
Формула изобретения
Преобразователь оптических и радиационных излучений
П1 Конструкция содержащая в полупроводниковой пластине п(р) типа проводимости вертикальные щели или каналы на поверхности, которых расположены вертикальные р-п переходы, и которые заполнены материалом радиоактивного изотопа, отличающаяся тем, что за счет устранения материала изотопа с поверхности горизонтальных р-п переходов пластины происходит размещение на их поверхности диэлектрического слоя прозрачного для излучения оптического диапазона.
П2 Способ изготовления по П1, включающий формирование в объеме пластины п(р) типа проводимости щелей или каналов, диффузионное легирование поверхности каналов примесью р(п) типа, осаждение на поверхность пластины и в каналы материала радиоактивного изотопа, отличающийся тем, что сначала проводится формирование на поверхности пластин п(р)-типа р(п)-типа горизонтальных р-п переходов, затем проводится осаждение диэлектрического слоя прозрачного для излучения оптического диапазона, затем формирование в объеме пластины глубоких щелей путем селективного травления полупроводникового материала к диэлектрику, затем проводится диффузионное легирование поверхности каналов примесью р(п) типа, осаждение на поверхность пластины и в каналы материала радиоактивного изотопа и, наконец, удаление материала изотопа с поверхности диэлектрического слоя.
Реферат
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию.
Целями изобретения является расширение области применения преобразователя на оптический диапазон излучений, повышение его эффективности и упрощение технологии изготовления.
Поставленные цели достигаются путем создания оригинальной «щелевой» конструкции преобразователя реализуемой по близкой к стандартной микроэлектронной технологии. Важной особенностью данной конструкции является максимально высокое соотношение площади р-п переходов, преобразующих излучение в ЭДС, ко всему полупроводниковому объему материала преобразователя.
Такое техническое решение позволяет получить максимальную электрическую мощность на единицу объема и веса преобразователя.
Предлагаемый преобразователь может быть использован во взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах, сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.
Приложение 4
ПЛАНАРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию (Э.Д.С.).
Известны конструкции планарных - 2D преобразователей ионизирующих радиационных излучений в электрическую энергию (бета гальваническая батарейка), которые впервые предложил Раппопорт в 1954 году [1,2], после обнаружения им того, что при распаде изотопов, например, никеля-63 или трития могут образовываться в полупроводниковых материалах электронно-дырочные пары, это явление получило название бетавольтаического эффекта. Позднее в 1957 году Elgin-Kidde впервые применили бетавольтаический эффект для выработки электрической энергии с помощью планарных р-п переходов, полученных на кремниевых пластинах [3].
С 1989 года для создания преобразователя - бетавольтаической батареи стали исследоваться и применяться другие - широкозонные материалы GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4,5].
Однако при создании трехмерных (3D) конструкций технологии, использующие широкозонные материалы, уступают в производительности и эффективности кремниевой технологии. В частности, глубина микроканалов в кремнии в разы больше, чем в карбиде кремния и других материалах. Степень дефектообразования при формировании микроканалов также минимальная в кремниевой технологии. Более того именно в кремниевой технологии наиболее просто и экономично совместить в одной конструкции набор двумерных элементов. Таким образом, технология, использующая кремниевые пластины является наиболее эффективной с точки зрения минимизации объема и веса преобразователя, приходящегося на единицу вырабатываемой электроэнергии в трехмерных конструкциях.
Поэтому с 2004 года появилось множество работ посвященных созданию 3-ех мерных "объемных "конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [6-10]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда р- i-п диодов, в которых генерируются бета излучением носители заряда. Однако создание бета батареек с такой конструкцией представляет сложную и не решенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества р-п переходов в каналах или щелях кремниевых пластин, что приводит к недопустимо большим токам утечки через них.
В последнее время появились технологии утонения кремниевых пластин до разменов 40-100 микрон, что соизмеримо с глубиной проникновения в кремний (20 мкм) бета излучения радиоактивных изотопов таких, так никель-63 и тритий, что принципиально позволяет создавать планарные "тонкие" конструкции кремниевых р- i-п диодов с близкими к оптимальным размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (10-29 мкм) [11].
Однако и "тонкие " планарные конструкции преобразователей на основе р-i-п диодов [4,5,12] не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку в них сбор носителей заряда от излучения имеет односторонний характер (только сверху) со стороны расположения поверхностного р-п перехода.
Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета излучений в электрическую энергию [12] (см.рис.1), взятая за прототип и содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину п (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная п+ (р+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (п+) область образующая с полупроводниковой пластиной р-п переход, на поверхности р+ (п+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом.
Способ ее изготовления, планарной конструкции, состоящий в формировании эпитаксиальным наращиванием на поверхности полупроводниковой подложки п(р) типа проводимости слоев п-(-р) типа и + р(+п) типа проводимости, осаждении на поверхность слоя +р(+п) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля, формировании электрода катода (анода) образующего омический контакт к подложке п-(-р) типа проводимости и формировании электрода анода (катода) образующего омический контакт к слою +р (+ п) типа проводимости, изоляции планарной поверхности слоев оксидом кремния.
Общим недостатком аналогов и прототипа является невозможность достичь наилучших соотношений размеров (веса) преобразователя к выделяемой мощности ЭДС.
Целью изобретения является создание конструкции планарного преобразователя - бета батарейки с значительно большей (в два раза) генерируемой электрической энергией ( мощности ) приходящейся на единицу его объема (веса) и более высокой энергоемкостью.
Цель достигается − путем создания новой конструкции планарного преобразователя, состоящей из слаболегированной полупроводниковой пластины п(-р) типа проводимости, в которой расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р- п переходы р- i- п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область к пластине -п (-р) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р+ (п+) областях расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика содержащие контактные окна, соответственно, к п+(р+) контактной области и нижней горизонтальной р+(п+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла образующие омические контакты соответственно с п+(р+) контактной областью и нижней горизонтальной р+(п+) областью, являющиеся электродами катода(анода) и анода (катода) соответственно р- i- п диода. при этом верхняя горизонтальная р+ (п+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода), МОП структуру накопительного конденсатора
Способом изготовления, состоящим в создании вертикальной кольцевой р+ (п+) области путем проведения первой фотолитографии, тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+(р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, нанесении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины слоев нижнего и верхнего слоев диэлектрика, проведения четвертой и пятой фотолитографий, вскрытия контактных окон соответственно к верхней п+(р+) контактной области и нижней р+ (п+)области, осаждения нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, а также резка пластины на чипы.
Конструкция прототипа показана на рис. 1, где а - структура, б- топология.
здесь 1- слаболегированная полупроводниковая пластина п- типа проводимости, 2- п+ сильно легированная область, 3- р- область р-п перехода,4- материал радиоактивного изотопа, 5-диэлектрик - оксид кремния, 6- электрод анода, 7-электрод катода.
Конструкция преобразователя по изобретению показана рис. 2, где а - структура, б- топология, в- эквивалентная электрическая схема.
В конструкции имеется полупроводниковая пластина п (р) типа проводимости – 1, на верхней и нижней поверхности которой расположены сильно легированные соответственно верхняя – 2 и нижняя – 3 горизонтальные р+ (п+) области, к ним примыкает вертикальная р+ (п+) кольцевая область – 4, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область – 5, на поверхности горизонтальных р+ (п+) областей – 2 и 3 расположены соответственно слои верхнего – 6 и нижнего – 7 диэлектрика, на их поверхности расположены соответственно верхний – 8 и нижний – 9 слои радиоактивного изотопа – металла. При этом область катода -8 , верхняя горизонтальная область р+(п+) -2 и область диэлектрика - 6 образуют накопительный МОП конденсатор.
(Пример конкретной реализации)
Технология изготовления преобразователя по изобретению
показана на рис. 3 и состоит из следующей последовательности технологических операций:
а) - термическое окисление кремниевых пластин КЭФ 5 кΩ∙см с ориентацией (100);
- проводят 1-ую фотолитографию и травление пластин по границам чипов;
- проводят формирование вертикального р+ слоя путем "глубокой" диффузии бора вплоть до смыкания верхнего и нижнего фронтов;
б) - проводят 2-ую фотолитографию и формируют ионным легированием бора дозой D=500 мкКул энергией Е=40 кэВ р+ верхнюю горизонтальную область и р+ нижнюю горизонтальную область;
в) - проводят 3-ую фотолитографию и формируют п+ контактный слой ионным легированием фосфора дозой D= 300 мкКул с энергией E= 40 кэВ;
- проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т= 900 ºС в течение t= 40 минут;
г) - проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т= 860 ºС в течение 20 минут на толщину оксида SiO2 = 35 нм;
- проводят 4-ую и 5 -ую фотолитографии контактных окон к верхней п+ контактной области и нижней горизонтальной р+ области;
д) - осаждают радиоактивный изотоп – никель-63;
е)- режут пластины на чипы (кристаллы).
Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например, кремния бета излучением изотопов (никеля, стронция, кобальта и т.д.). Образующиеся при этом электронно- дырочные пары разделяются полем р-п перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+ и п+ областях преобразователя.(бетагальваническую Э.Д.С). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем р-п перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии равном диффузионной длине носителя заряда. Генерируемый р-п переходами ионизационный заряд собирается накопительным МОП конденсатором.
Пример практической реализации конструкции.
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ∙см с ориентацией (100) по технологии, представленной на рис. 3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 63Ni, имеющий большой период времени полураспада (100,1 лет) и испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и максимальной энергией 64 кэВ, практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов меньше энергии дефектообразования в кремнии (160 кэВ). При этом глубина поглощения в кремнии электронов со средней энергией 17 кэВ составляет примерно 3.0 мкм, а для 90 % поглощения – 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания р-п переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа могут быть использованы иные материалы, например, твердотельный источник трития и т.д.
Технические преимущества изобретения:
- конструкция бета батарейки позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным р- i-п диодом (размеры п+ контактной области много меньше размеров р+ горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь);
- при этом генерируемая энергия накапливается внутри бета батарейки, что во многих случаях исключает необходимость применения внешних аккумуляторов и конденсаторов;
- при производстве бета батарейки преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;
- конструкция "высоковольтной" батареи собирается из элементарных батареек путем их склеивания электропроводящим клеем (см рис 4);
- современные технологии изготовления пластин позволяют провести утонение пластин кремния до оптимальных размеров Н=40 мкм соответствующих глубине поглощения бета излучения в кремнии, что позволяет получать максимальную мощность излучения и, соответственно, ЭДС на единицу объема (веса) преобразователя;
- такой источник ЭДС обеспечит прямую зарядку ( конденсатора ) аккумулятора при отсутствии солнечных батарей при минимальном ее весе и размерах, что важно, например, для применения в беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях – шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах, электростимуляторах сердца и т.д.;
− важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиоактивного материала, который для 63Ni составляет 100,1 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.
Список литературы
1- Rappaport P. The Electron-Voltaic Effect in p-n Junctions Induced by Beta-Particle Bombardment / P. Rappaport // Phys. Rev. 1954. V. 93. P. 246.
2- Rappaport P. Radioactive battery employing intrinsic semiconductor / P. Rappaport // US Patent 5,973. 1956.
3- "Miniature Atomic Powered Battery", Radio and TV News, V.57. May. 1957. P.160.
4- Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I.; Li H., Spencer M.G.; Lal A. Demonstration of a 4H SiC Betavoltaic Cell // Applied Physics Letters. V. 88. N3. 2006. P. 033506. 1-3.
5- Cheng Z., Zhao Z., San H.; Chen X. Demonstration of a GaN betavoltaic microbattery // Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). 2011. IEEE International Conference. P. 1036-1039.
6- Долгий А. Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропористого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23–24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С.57–60.
7- Sun W., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536–1540.
8- Sun W., Kherani N. P., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P. M. A Three-Dimensional Porous Silicon p–n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230–1233.
9- Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US20080199736A1. Pub. date: 21.08.2008.
10- Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US7939986B2. Pub. date: 10.05.2011.
11- Park S. M., Ahn J. H., Kim S. I. and Lee N.-E. NO-Induced Fast Chemical Dry Thinning of Si Wafer in NF3 Remote Plasmas // Journal of the Korean Physical Society. V. 54. N 3. March 2009. P. 1127-1130.
12- Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472A1. Pub. date: 14.08.2014г.
Формула изобретения
Планарный преобразователь ионизирующих излучений
П1 конструкция содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину п (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная п+ (р+) область на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (п+) область, образующая с полупроводниковой пластиной р-п переход, на поверхности р+ (п+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, отличающаяся тем, что на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины - п (-р) типа проводимости расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (п+) области, образующие с пластиной р- п переходы р- i- п диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (п+) кольцевой областью, при этом верхняя горизонтальная р+ (п+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода), МОП структуру накопительного конденсатора, на верхней поверхности пластины также расположена п+(р+) контактная область к пластине - п (-р) типа проводимости, на верхней и нижней поверхности горизонтальных р+ (п+) областей расположены, соответственно, слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна, соответственно, к п+(р+) контактной области и нижней горизонтальной р+(п+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены, соответственно, верхний и нижний слои радиоактивного изотопа – металла, образующие омические контакты, соответственно, с п+(р+) контактной областью и нижней горизонтальной р+(п+) областью, являющиеся электродами катода(анода) и анода (катода) соответственно р- i- п диода.
П2 Способ изготовления по П1, состоящий в формировании на поверхности полупроводниковой подложки п (р) типа проводимости слоев п+(+р) типа и р+ (п+) типа проводимости, осаждении на поверхность слоя п+ (р+) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля и формировании электрода катода (анода), образующего с этой областью омический контакт, осаждении на поверхность слоя р+ (п+) типа проводимости радиоактивного изотопа никеля и формировании электрода анода (катода), образующего с этой областью омический контакт, отличающийся тем, что формируют, вертикальную кольцевую р+ (п+) область путем проведении первой фотолитографии, в последующем тралении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (п+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (п+) области путем проведении второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании п+ (р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, нанесении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины нижнего и верхнего слоев диэлектрика, проведения четвертой и пятой фотолитографий и вскрытия контактных окон, соответственно, к верхней п+ (р+) контактной области и нижней р+ (п+) области, осаждении нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа - металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, резки пластины на чипы.
Реферат
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Целью изобретения является создание планарного преобразователя – бета батарейки с повышенной мощностью и энергоемкостью на единицу объема по сравнению с традиционной конструкцией р- i- п диода.
Цель достигается путем создания оригинальной «планарной» конструкции преобразователя, содержащей двойной р-i-п диод и реализуемой по стандартной микроэлектронной технологии. Особенностями такой конструкции является размещение собирающих излучение р-п переходов на обеих сторонах кремниевой пластины и симметричном расположении электродов анода и катода диода, а также размещение внутри конструкции накопительного МОП конденсатора.
Такой преобразователь может быть использован в взрывоопасных помещениях − шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.