Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой P-I-N структуры



Рисунок 62 - Образец бетабатарейки Firefli™

С 2013 года фирма осуществляет выпуск surface mount package. Объем корпуса батарейки составляет 10 x 8.5 х 2 мм. Кроме того, корпус позволяет увеличить выходную мощность за счет последовательного соединения при минимальном объеме.

Приборы Widetronix успешно интегрированы в электронные устройства. Примеры этих устройств показаны на рисунке 63.

Рисунок 63 - Пример использования бевольтаической батареи

Например, в электронные часы или микроконтроллер. Бетавольтаическая батарейка обеспечивает питание для выполнения определенных функций. Микроконтроллер может быть в сочетании с датчиками сбора, хранения или передачи информации. Кроме того, использование такого источника питания обеспечивает уверенность в том, что устройства будут работать более 10 лет.

8.1 Выводы по главе

Проанализированы существующие на сегодняшний день коммерчески доступные варианты бетавольтаических батарей. Показано, что на сегодняшний день в мире только две фирмы выпускают бетавольтаические батареи. Выпускаемые бетавольтаические батареи на сегодняшний день не подходят для основного питания электрических устройств.

9. Составление рекомендаций по улучшению параметров автономного источника питания

9.1 Структуры автономных источников питания

Для составления рекомендаций кремниевых структур представлены три варианта структур, соответствующие полупроводниковой технологии (рисунок 64). Структуры должны быть радиационно-стойкие для диапазона энергий бета-источника никель-63. Для уменьшения сопротивления базы и возбуждения носителей заряда с двух сторон целесообразно утонить пластину до толщины 10-40 мкм (рисунок 64 А). C другой стороны, сбор сгенерированных носителей заряда будет наиболее эффективным на структурах, в которых наиболее эффективно используется радиоактивный источник. Учитывая, что бета-частицы никеля-63 испытывают самопоглощение, а максимальная глубина выхода частиц не превышает 40 мкм, целесообразно использовать микроканальный кремний или формировать щели толщиной до 10-40 мкм (рисунок 64 B). Здесь встает технологическая задача заполнения радиоактивным источником щелей без пустот, что требует дополнительного подслоя перед нанесением никеля [55]. Наконец, третий вариант структур предполагает создание кроме p-n перехода еще переход металл-оксид-полупроводник (рисунок 64 С).

С точки зрения технологии наиболее простым вариантов является структура с утонённой базой (рисунок 64 А). Здесь на кремниевой пластине n- создается слой n+, затем производится шлифовка пластины до толщины порядка 10-15 мкм с сохранением ободка, который позволяет механически держать всю структуру. Затем проводится либо диффузионное легирование либо ионная имплантация атомов бора для создания тонкого подслоя p+. В заключении проводится осаждение и вжигание 63Ni на обе стороны пластины. Таким образом, достигается эффект генерации носителей заряда в ОПЗ от двух бета-источников - сверху и снизу структуры, что должно повысить ее эффективность в два раза.

Также для улучшения параметров автономного источника питания необходимо использовать современное технологическое оборудование, например, установку для нанесения фоторезиста аэрозольным методом.

Рисунок 64 ? Варианты кремниевых структур бетавольтаических элементов:

A - структура с утонённой базой, B - структура с щелями, C - двухсторонняя структура с оксидом. Штриховкой показан радиоактивный источник никель-63

К достоинствам описанной структуры можно отнести не только простую технологию изготовления, но также и возможность создать микросборку из пластин для повышения напряжения источника питания. Недостатками такой структуры является низкий выход годных изделий, поскольку при утонении пластины становятся хрупкими, также после шлифовки возникают большие токи утечки в структуре, что снижает ее эффективность.

Структура, представленная на рисунок 64 В, формируется на пластине n-, в которой при помощи фотолитографии создаются щели глубиной более 100 мкм и шириной порядка 10 мкм с последующим диффузионным легированием. В результате формируется p-n переход на стенках каналов [56], после чего проводится металлизация, осаждение и вжигание 63Ni. При создании структур необходимо предусмотреть, чтобы ОПЗ p-n перехода на стенках щелей занимала все пространство между щелями для наиболее эффективного сбора носителей заряда. Достоинствами указанной структуры являются большая удельная площадь, которая в десятки раз увеличивает ток генерации. Можно также отметить, что другим преимуществом структуры является свобода выбора ширины щелей и расстояния между ними. К сожалению, у такого варианта имеется ряд недостатков. Во-первых, метод легирования глубоких щелей не распространен в кремниевой технологии и, поэтому требует более детального подхода, в частности, непонятно как контролировать равномерность легирования стенок щелей. Во-вторых, возникает сложность металлизации щелей радиоактивным никелем, поскольку для щелей с диаметром микронных размеров из-за плохой адгезии к тонкому диоксиду кремния никель будет осаждаться только на поверхность образца без глубокого проникновения в щели. В результате может возникнуть ситуация формирования пустот в щелях и резкое снижение эффективности структур.

Наконец, вариант, представленный на рисунке 64 С, является технологически сложным и включает несколько процессов: эпитаксию на пластине n- слоя р-, фотолитографию и ионное легирование бором с последующей разгонкой, вторую фотолитографию и ионное легирование фосфором для создания n+ контактного слоя, шлифовку пластины до толщины 10-30 мкм и заключительное ионное легирование бором для создания p+ контактного слоя. В заключении проводится выращивание тонкого окисла и нанесение металлизации радиоактивным никелем-63 для создания дополнительной структуры металл-оксид-полупроводник с целью сбора носителей заряда в p+ области. При достаточно сложной технологии у этого варианта бетавольтаического элемента имеется главное достоинство - сбор сгенерированных носителей заряда осуществляется практически во всей области кремниевой пластины, поскольку в области n- находится ОПЗ p-n перехода, а в области p+ существует встроенное поле МОП- структуры никель-оксид-p-Si. Из схемы видно, что оба перехода подключены параллельно и имеют два контакта - верхний и нижний, оба контакта реализованы на никеле-63. Такая структура эффективна и удобная для дальнейшей микросборки, например, для последовательного соединения структур с целью увеличения напряжения питания, достаточно просто структуры прижать друг к другу и отжечь, что обеспечит как надежный контакт, так и исключит потери на сопротивлении между элементами. В результате эффективность на единицу объема должна быть наиболее высокой.

9.2 Рекомендации по улучшению параметров автономных источников питания

Для составления рекомендаций по улучшению параметров автономных источников питания была проведена численная оценка токов генерации, КПД и коэффициента сбора сгенерированных носителей заряда для структур, представленных на рисунке 64, а также были определены оптимальные значения геометрических размеров p и n областей каждой структуры. На основе численных данных была определена эффективность сбора носителей заряда для представленных структур при разных сочетаниях глубины залегания p-n перехода d и ширины ОПЗ w. Варьируя только эти два параметра для каждой структуры, можно рассчитать значения d и w, при которых разработанные структуры будут наиболее эффективны.

Необходимо рассчитывать эффективность сборки из структур, получая значения, нормированные на единицу объема, обозначим эту величину как зV. Для определенности будем считать, что площадь всех структур равна 1 см2, а толщина структуры определяется задаваемыми параметрами глубины залегания p-n перехода и ширины ОПЗ, все расчеты проведем для активности бета-источника 10 мКи/см2. Выбор значений d и w, проводился для каждой структуры таким образом, чтобы с одной стороны эффективность была максимальной, а значение толщины структуры - минимальное.

Перед оптимизацией параметров учтем результаты работы [56], где показано, что из-за самопоглощения бета-частиц толщина изотопа никель-63 должна быть более 4 мкм, что определяет минимальную ширину каналов на структуре В (рисунок 64). В результате для всех структур примем толщину слоя металлизации никель-63 равной 4 мкм, в том числе металлизации по бокам стенок щелей на структуре В. Рекомендации по улучшению параметров автономных источников питания представлены в отдельным документе.

9.3 Выводы по главе

Проведена численная оценка токов генерации, КПД и коэффициента сбора сгенерированных носителей заряда для различных структур. Составлены рекомендации для планарной, щелевой и МОП структуры. Показано, что наиболее эффективной является МОП структура.

Заключение

В ходе выполнения первого этапа ПНИ проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области разработки радиоизотопных источников питания, исследованы возможные области применения источников питания на основе бета-изотопов.

В ходе патентного исследования найдены, изучены и проанализированы российские и иностранные патенты и заявки на патенты по темам, пересекающимся с данной работой. В ходе исследования не было выявлено нарушений патентного права, что говорит о патентной чистоте проводимой работы.

Обоснован выбор оптимального варианта направления исследований. При этом определено, что перспективным направлением является создание конструкции на основе пористого или микроканального кремния. Для достижения необходимых параметров автономного источника питания необходимо последовательно и параллельно соединять элементарные ячейки.

Разработаны алгоритмы решения уравнения Пуассона, уравнения непрерывности, распределения генерации электронно-дырочных пар при облучении электронами, расчетов токов и спектральной характеристики структуры.

Был проведен анализ потерь энергии электронами в полупроводниковой p-i-n структуре.

Проведено моделирования влияния жизни подвижных носителей заряда в радиационно-стимулированных источниках питания на зависимости их чувствительности от энергии электронов.

Показано, что при низком уровне легирования i-области поле обеспечивает максимальное собирание подвижных носителей генерированных электронами.

Проведено сравнение зависимостей чувствительности p-i-n структур от энергии быстрых электронов для структур с металлизацией Ni63, расположенной с лицевой стороны (со стороны p-области) и с обеих сторон.

Показано, что при снижении уровня легирования слаболегированной n-области чувствительность структур меньше зависит от времени жизни.

Дополнительная металлизация Ni63 приводит более равномерной зависимости радиационно-стимулированных токов от энергии электронов. В тоже время, вклад обратной металлизации значительно меньше вклада металлизации с лицевой стороны.

Была проведена оценка КПД радиационно-стимулированного источника питания для структур с металлизацией Ni63, расположенной с лицевой стороны (со стороны p-области) и с обеих сторон.

Разработана эскизная конструкторская документация элементарной ячейки автономного источника питания.

Произведен анализ различных альфа и бета источников и обоснован выбор никеля-63 в качестве источника радиоизотопа. Показано что, для оптимального преобразования ионизирующего излучения толщина никелевой металлизации не должна превышать 1 мкм.

Разработана эскизная конструкторская документация на измерительный стенд для проверки параметров экспериментальных образцов автономного источника питания.

Проанализированы существующие на сегодняшний день коммерчески доступные варианты бетавольтаических батарей. Показано, что на сегодняшний день в мире не существует бетавольтаических батарей подходящих для основного электропитания.

Составлены рекомендации по улучшению параметров радиационно-стимулированного источника питания.

Список использованных источников

1 H. G. J. Moseley, and J. Harling, “The Attainment of High Potentials by the Use of Radium, Proc. R. Soc. (London) A, 88, 471 1913.

2 H. J. Gerwin, Selected Thermoelectric Thermionic, and Electron-Voltaic Energy Conversion Device Characteristics, SC-ARPIC-1011, Sandia Laboratories (May 1969).

3 Kenneth E. Bower, Yuri A. Barbanel, Yuri G. Shreter, George W. Bohnert. POLYMERS, PHOSPHORS, AND VOLTAICS FOR RADIOISOTOPE MICROBATTERIES. 2002. 472 p.

4 Robert D. Abelson. Expanding Frontiers with Standard Radioisotope Power Systems. 2005

5 Cassini Program Environmental Impact Statement Supporting Study. Vol. 2 Cassini Document No. 699-070-2. 1994.

6 Карасев П.А. Ядерные энергетические установки в космосе//Атомная стратегия. -2007-№ 30.

7 Scott, A. Improving power density and efficiency of miniature radioisotopic thermoelectric generators / A. Scott [et all] // Journal of Power Sources 180, 2008, P. 657-663.

8 Егоров О. Изотопные источники энергии // Квант. -2001. - № 1.
- С. 31-34.

9 Olsen, L.C. Review of betavoltaic energy conversion / L.C. Olsen // Proceedings of the XII Space Photovoltaic Research and Technology Conference, 1992. - P. 256.

10 A. Scharman, "A Photoelectric Radionuclide-Battery and Its Limits," Proc. Intl. Sympos. Industrial Applications of Isotopic Power Generators, AERE, Harwell, September 1966.

11 Reisfeld, R. and Jorgensen, C.K., Luminescent solar concentrators for energy conversion, in Structure and Bonding, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1982, 2-36.

12 Yakubova, G. N. Dissertation // Nuclear batteries with tritium and promethium-147 radioactive sources // Urbana, Illinois / 2010.

13 W.Ehrenberg, et al. The Electron Voltaic Effect.- Proc. Roy. Soc. 64, 424(1951).

14 P.Rappaport, The Electron-Voltaic Effect in p-n Junctions Induced by Beta Particle Bombardment, Phys. Rev. 93, 246 (1953).

15 L. C. Olsen, “Review of Betavoltaic Energy Conversion” Processing of the 12th Space Photovoltaic Research and Technology Conference, 256 (1993).

16 L.C. Olsen, P. Cabauy, B.J. Elkind. Betavoltaic power sources / Physics Today. - pp 35 - 38. - 2012.

17 Jinkui Chu Xianggao Piao. Research of radioisotope microbattery based on в-radio-voltaic effect // Micro/Nanolith. MEMS MOEMS. - 2009. - № 8.

18 Нагорнов Ю.С., Современные аспекты применения бетавольтаического эффекта. // Ульяновск. - 2012.

19 Ю. С. Нагорнов, Е. С. Пчелинцева, Б. М. Костишко. / Моделирование радиационно-стимулированного источника тока на p-i-n структурах. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион № 3 (11), 2009. с. 113-125

20 Wei Sun, Nazir P. Kherani, Karl D. Hirschman, Larry L. / A three-dimensional porous silicon p-n diode for betavoltaics and photovoltaics // Advanced materials. -2005 p. 1230-1233.

21 T. Wacharasindhu, J.W. Kwon, A. Y. Garnov, and J. D. Robertson / Encapsulated radioisotope for efficiency improvement of nuclear microbattery // PowerMEMS. - 2009 p. 193-196.

22 P. D. Desai, B. Ulmen, J. R. Lee, S. Moghaddam, R. I. Masel, G. H. Miley / Ni-63 Schottky Barrier Nuclear Battery // 2011.

23 N. Luo, B. Ulmen and G. H. Miley \\ Nanopore/Multilayer Isotope Batteries Using Radioisotopes from Nuclear Wastes \\ ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit \\ Nashville 2010

24 George H. Miley, Nie Lou \\ A Nanopore Multilayer Isotope Battery Using Radioisotopes from Nuclear Wastes \\ Annual International Energy Conversion Engineering Conference \\ San Diego 2011

25 A.Dolgyi, S.Redko, H.Bandarenka, A.Shapel and V.Bondarenko // Beta-battery based on 63Ni/macroporous silicon // The Electrochemical Society 2012

26 Wacharasindhu T., Kwon J.W., et al., Radioisotope Microbattery Based on Liquid Semiconductor // Journal of Applied Physics Letters. - 2009. - 95,014103

27 Meier D., Garnov A., Kwon J.W., et al. Production of S35 for a Liquid Semiconductor Betavoltaic // Journal of Radio analytical and Nuclear Chemistry. - 2009. - № 9. - С. 193-196.

28 Li H., Lal A., Blanchard J., et al., Self-reciprocating radioisotope - powered cantilever // J. Appl. Phys., - 2002. - № 92. P. 271 - 274

29 Xiao-Ying Li, et al., / Ni63 schottky barrier nuclear battery of 4H-SiC // Radioanal Nucl Chem. - 2011. - № 287. - С. 173 - 176.

30 Pen-Tung Sah. Demonstration of a High Open-Circuit Voltage GaN Betavoltaic Microbattery // Chin. Phys. Lett. - Vol.28, № 7. - 2011.

31 Методические рекомендации по применению классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых / Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых - М., 2007.

32 B. Campbell, W. Choudhury, A. Mainwood, M. Newton, G. Davies. Lattice damage caused by the irradiation of diamond. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 476 (2002) 680-685.

33 Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.В. Беринцев, Б.М. Костишко / Импульсный радиационно-стимулированный источник электрического питания. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук,
т. 14, №4(4), 2012. - с. 1126-1128.

34 МОП СБИС. Моделирование элементов и технологических процессорв.- М.: Радио и связь, 1988.- 496с.

35 Р. Маллер, Т. Кейминс Элементы интегральных схем.- М.: Мир, 1989.- 630 с.

36 A. De Mari, “An accurate numerical steady-state one-dimensional solution of the p-n junction”, Solid-St. Electronics, vol. 11, p. 33-58, 1968.

37 Марчук Г.И. Методы вычислительной математики.- М.: Наука, 1989.- 608с.

38 Самарский А.А. Введение в численные методы.- М.: Наука, 1982.- 272 с.

39 Исследование профиля энерговыделения в NaCl при облучении / Ганн В.В. [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005, - Вып. 88. - С. 32-35.

40 Нагорнов, Ю.С. Моделирование процесса генерации электронно-дырочных пар в солнечном элементе при электронном облучении/ Ю.С. Нагорнов [и др.] // 1-ая Всероссийская конференция по многомасштабному моделированию процессов и структур в нанотехнологиях (ММПСН 2008) 2008 г., с.254-256/

41 Нагорнов, Ю.С. Моделирование процесса генерации энергии в радиационно-стимулированном источнике питания для МЭМС/ Ю.С. Нагорнов [и др.] // Тезисы конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» 2009. с. 284-285.

42 PohChin Phua, Vincent K. S. Ong Determining the Location of Localized Defect in the Perpendicular Junction Configuration With the Use of Electron Beam Induced Current//IEEE of Transaction on Electron Devices.- V.49.¬No. 11, P.2036-2046.

43 Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Пер. с англ.- М.: Мир, 1984.- 456 с.

44 http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/

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 www.widetronix.com

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.

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 к?•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 єС в течение t= 40 минут;

г) - проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т= 860 єС 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 к?•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