ПЛАНАРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию (ЭДС).

Известны конструкции планарных 2D преобразователей ионизирующих радиационных излучений в электрическую энергию (бета-гальваническая батарейка), которые впервые предложил Раппопорт в 1954 году [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] после обнаружения им того, что при распаде изотопов, например ⁶³Ni или трития, могут образовываться в полупроводниковых материалах электронно-дырочные пары, это явление получило название бета-вольтаического эффекта. Позднее в 1957 году Elgin-Kidde впервые применили бета-вольтаический эффект для выработки электрической энергии с помощью планарных p-n-переходов, полученных на кремниевых пластинах [3. "Miniature Atomic Powered Battery", Radio and TV News, V. 57. May. 1957. Р. 160].

С 1989 года для создания преобразователя - бета-вольтаической батареи - стали исследоваться и применяться другие - широкозонные материалы GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [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. №3. 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].

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 трехмерных «объемных» конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [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. № 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. № 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. US 20080199736 A1. Pub. date: 21.08.2008. 10. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986B2. Pub. date: 10.05.2011]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда p-i-n-диодов, в которых генерируются бета-излучением носители заряда. Однако создание бета-батареек с такой конструкцией представляет сложную и нерешенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества р-n-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 как никель-63 и тритий, что принципиально позволяет создавать планарные "тонкие" конструкции кремниевых p-i-n-диодов с близкими к оптимальным размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (10-29 мкм) [11. Park S.М., Ahn J.Н., 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. №3. March 2009. P. 1127-1130]. Однако и «тонкие» планарные конструкции преобразователей на основе p-i-n-диодов [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. №3. 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; 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 20140225472 A1. Pub. date: 14.08.2014 г.] не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку в них сбор носителей заряда от излучения имеет односторонний характер (только сверху) со стороны расположения поверхностного р-n перехода.

Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета-излучений в электрическую энергию [12. Guo Н., 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 20140225472 A1. Pub. date: 14.08.2014 г.] (фиг. 1), взятая за прототип и содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n⁺ (р⁺) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р⁺ (n⁺) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности р⁺ (n⁺) 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 n (р) типа проводимости слоев n^- (р^-)типа и р⁺ (n⁺)типа проводимости, осаждении на поверхность слоя р⁺ (n⁺) типа проводимости радиоактивного изотопа ⁶³Ni, формировании электрода катода (анода), образующего омический контакт к подложке n^- (р^-) типа проводимости, и формировании электрода анода (катода), образующего омический контакт к слою р⁺ (n⁺)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.

Техническим результатом 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.

Технический результат достигается путем создания новой функционально-интегрированной конструкции p-i-n-диода и МОП-конденсатора планарного преобразователя, состоящей из слаболегированной полупроводниковой пластины n (р) типа проводимости, в которой расположены сильнолегированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р⁺ (n⁺) области, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р⁺ (n⁺) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена n⁺ (р⁺) контактная область к пластине n^- (р^-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р⁺(n⁺) областях расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна соответственно к n⁺(р⁺) контактной области и нижней горизонтальной р⁺ (n⁺) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла, образующие омические контакты соответственно с n⁺ (р⁺) контактной областью и нижней горизонтальной р⁺ (n⁺) областью, являющиеся электродами катода (анода) и анода (катода) соответственно p-i-n-диода, при этом верхняя горизонтальная р⁺ (n⁺) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода) МОП структуру накопительного конденсатора.

Способом изготовления, состоящим в создании вертикальной кольцевой р⁺ (n⁺) области путем проведения первой фотолитографии, травлении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р⁺ (n⁺) типа, создании верхней горизонтальной р⁺ (n⁺) области путем проведения второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании n⁺ (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, проведении четвертой и пятой фотолитографий, вскрытии контактных окон соответственно к верхней n⁺ (р⁺) контактной области и нижней р⁺ (n⁺) области, осаждении нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, а также резке пластины на чипы.

Изобретение поясняется приведенными чертежами:

Конструкция прототипа показана на фиг. 1, где а - структура, б - топология.

Здесь 1 - полупроводниковая пластина n (р) типа проводимости, 2 - n⁺ (р⁺) сильнолегированный контактный слой, 3 - р(n) область р-n-перехода, 4 - материал радиоактивного изотопа, 5 - диэлектрик (оксид кремния), 6 - электрод анода, 7 - электрод катода.

Конструкция преобразователя по изобретению показана фиг. 2, где а - структура, б - топология, в - эквивалентная электрическая схема.

В конструкции имеется полупроводниковая пластина n (р) типа проводимости - 1, на верхней и нижней поверхности которой расположены сильнолегированные соответственно верхняя - 8 и нижняя - 9 горизонтальные р⁺ (n⁺) области, к ним примыкает вертикальная р⁺ (n+) кольцевая область - 10, на верхней поверхности пластины также расположена n⁺(р⁺) контактная область - 11, на поверхности горизонтальных р⁺(n⁺) областей - 8 и 9 расположены соответственно слои верхнего - 12 и нижнего - 13 диэлектрика, на их поверхности расположены соответственно верхний - 14 и нижний - 15 слои радиоактивного изотопа - металла. При этом область катода - 14, верхняя горизонтальная область р⁺(n⁺) - 8 и область диэлектрика - 12 образуют накопительный МОП конденсатор.

Технология изготовления преобразователя по изобретению показана на фиг. 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=10 мкКл энергией Е=20 кэВ р⁺ верхнюю горизонтальную область и р⁺ нижнюю горизонтальную область;

в) - проводят 3-ую фотолитографию и формируют n⁺ контактный слой ионным легированием фосфора дозой D=300 мкКл с энергией Е=40 кэВ;

- проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=900°С в течение t=40 минут;

г) - проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т=860°С в течение 20 минут на толщину оксида SiO₂=35 нм;

- проводят 4-ую и 5-ую фотолитографии контактных окон к верхней n⁺ контактной области и нижней горизонтальной р⁺ области;

д) - осаждают радиоактивный изотоп - ⁶³Ni;

е) - режут пластины на чипы (кристаллы).

Пример практической реализации конструкции.

Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ·см с ориентацией (100) по технологии, представленной на фиг. 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 p-n-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.

По данной технологии изготовлены на кремниевых кристаллах площадью 1 см² тестовые образцы бета-батареек с параметрами, лучшими, чем у известных аналогов. При активности источника ⁶³Ni 2,7 мКи, получено значение напряжения холостого хода (U_xx) более 0,1 В и тока короткого (I_кз) замыкания более 25 нА.

По разработанной технологии были получены планарные односторонние макеты преобразователя с характеристиками, приведенными в таблице 1.

На образцах 1, 2 присутствовал тонкий слой Al (400 ангстрем) над рабочей р-областью, образцы 3, 4 имели контакт только на периферии рабочей области.

На образцах 2 и 4 применялся геттерирующий отжиг с охлаждением с 900°С до 600°С со скоростью 1°С/мин.

Типичная ВАХ под облучением радиоизотопа Ni-63 с активностью 2,7 мКи представлена на фиг 4.

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 p-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+ и n+ областях преобразователя (бета-гальваническую ЭДС). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем р-n перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии, равном диффузионной длине носителя заряда. Генерируемый p-n-переходами ионизационный заряд собирается накопительным МОП конденсатором.

Технические преимущества изобретения

- конструкция бета-батарейки позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным p-i-n диодом (размеры n⁺ 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 (фиг. 5, а - сборка (разрез структуры), фиг. 5, б - электрическая схема «высоковольтной» батареи);

- 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.