Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию (Э.Д.С.). Известны конструкции двумерных (планарных - 2D) [1. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления». Патент РФ №2377695 от 27.12.2009; 2. Guo Н., Zhang К., 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 от 14.08.2014 г.] и трехмерных - (объемных - 3D) [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. 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. US 20080199736 A1; 7. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch. L, Spencer M.G. Betavoltaic cell. 2011. USA Patent. US 7939986 B2] преобразователей оптических и ионизирующих радиационных излучений в электрическую энергию.

Недостатки

Такие преобразователи способны создать электрическое напряжение в кристалле (чипе) не более величины, равной контактной разности потенциалов p-n-перехода (0,7 В), не позволяют получать более высокое напряжение, необходимое и удобное для большинства применений. Они содержат в кристалле или на пластине только один изолированный p-n-переход, и для получения «высокого» напряжения батареи необходимо соединять в единую конструкцию множество последовательно включенных чипов (или пластин). Данное обстоятельство сильно усложняет конструкцию и технологию изготовления высоковольтной батареи и не позволяет выполнить ее в миллиметровых микронных размерах, что необходимо для ряда применений.

Наиболее близкой по технической сущности является «щелевая» 3D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета-излучений в электрическую энергию [7. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch. I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. 2011. USA Patent. US 7939986 B2] (см. фиг. 1), взятая за прототип, содержащая в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели, на поверхности которых расположены вертикальные p-n-переходы и которые заполнены электропроводящим материалом радиоактивного изотопа.

Способ ее изготовления включает формирование в объеме полупроводниковой пластины n(p) типа проводимости щелей, легирование поверхности каналов примесью p(n) типа, осаждение на поверхность пластины и в полость щелей материала радиоактивного изотопа.

Общим недостатком аналогов и прототипа является невозможность получения в пределах кристалла (чипа, пластины) в едином технологическом процессе высоковольтного преобразователя - батарейки.

Техническим результатом изобретения является создание высоковольтного преобразователя (батарейки) на кристалле или пластине для расширения области применения преобразователей ионизирующих излучений на микроэлектронные устройства и МЭМС микромашины и упрощение технологии их получения.

Технический результат достигается изменением конструкции преобразователя за счет создания конструкции, состоящей из изолирующей (диэлектрической) подложки, на которой расположена полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, в которой сформированы глубокие щели, например, в виде решетки, перпендикулярные к поверхности пластины, при этом их глубина достигает поверхности диэлектрической подложки, образуя полупроводниковые столбики (мезы) n^-(p^-) типа проводимости, нижняя поверхность которых примыкает к изолирующей подложке, боковые поверхности примыкают к щелям, на боковых поверхностях столбиков расположены p⁺(n⁺) области, образующие боковые вертикальные p-n переходы, на поверхности щелей расположен тонкий диэлектрик, изолирующий полупроводниковые столбики (мезы) сбоку друг от друга, в объеме щелей расположен радиоактивный изотоп, на верхней поверхности столбиков расположены диэлектрик и контактные области p⁺(n⁺) типа к p-n-переходам и контактные области n⁺(p⁺) к столбикам n(p) типа проводимости, при этом контактные области соседних столбиков последовательно соединены между собой металлическими проводниками.

Способ ее изготовления включает соединение диэлектрической подложки и полупроводниковой пластины n(p) типа проводимости, формирование на ее поверхности n⁺ и p⁺ контактных областей, выращивание на ее поверхности оксида кремния, формирование полупроводниковых столбиков путем селективного травления глубоких щелей в виде решетки в полупроводниковой пластине до поверхности диэлектрической подложки, проведение диффузии примеси p(n) типа на боковой поверхности щелей, тонкое окисление поверхности щелей, осаждение на поверхность пластины и в полость щелей радиоактивного изотопа, удаление радиоактивного изотопа с поверхности пластины и оксида кремния, осаждение низкотемпературного оксида кремния на поверхность пластины, формирование контактных окон к n⁺ и p⁺ контактным областям, осаждение металла и проведение операции разводки - соединения металлом контактных областей соседних столбиков.

Изобретение поясняется приведенными чертежами:

Конструкция прототипа показана на фиг. 1.

На фиг. 1: 1 - полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, 2 - n⁺(p⁺) сильнолегированный контактный слой, 3 - p(n) область вертикальных p-n-переходов, 4 - p(n) область горизонтальных p-n-переходов, 5 - материал радиоактивного изотопа.

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

В ней полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости - 1 расположена на изолирующей подложке, состоящей из кремниевой пластины - 6 и расположенного на ней слоя толстого диэлектрика - 7, в полупроводниковой пластине сформированы глубокие щели - 8 в виде решетки перпендикулярно к поверхности полупроводниковой пластины - 1, при этом глубина щелей достигает поверхности толстого диэлектрика - 7, образуя полупроводниковые столбики - 9 (мезы) n^-(p^-) типа проводимости, нижняя поверхность которых примыкает к поверхности толстого диэлектрика - 7, на боковой поверхности столбиков - 9, примыкающей к щелям - 8, расположен тонкий диэлектрик (оксид кремния) - 10, изолирующий столбики друг от друга, а в объеме щелей расположен материал радиоактивного изотопа - 5, на боковых поверхностях столбиков - 9, примыкающих к щелям – 8, расположены p⁺(n⁺) области - 3, образующие боковые вертикальные p-n-переходы, на верхней поверхности столбиков расположены диэлектрик - 11 и контактные области - 12 p⁺(n⁺) типа к p-n-переходам и контактные области - 13 n⁺(p⁺) к столбикам n^-(p^-) типа проводимости, контактные области соседних столбиков последовательно соединены между собой металлическими проводниками - 14, образуя электрическую схему последовательно соединенных диодов.

Пример конкретной реализации

Технология изготовления преобразователя по изобретению показана на фиг. 3, которая состоит из следующей последовательности технологических операций:

а) проводят термическое окисление обратных сторон кремниевых пластин КЭФ 5 кΩ⋅см с ориентацией (100) - 1 и 6, спекают их со стороны диэлектрика - 7;

- проводят утонение нижней пластины химико-механической полировкой;

- проводят 1-ую фотолитографию и формируют n⁺ контактный слой - 13 ионным легированием фосфора дозой D=300 мкКл с энергией E=50 кэВ;

- проводят 2-ую фотолитографию и формируют p⁺ контактный слой - 12 ионным легированием бора дозой D=600 мкКл с энергией E=30 кэВ;

- проводят термический отжиг имплантированной примеси при температуре T=1050°C t=40 минут;

- выращивают термический оксид - 15 на полупроводниковой пластине при температуре T=950°C t=40 минут толщиной 0,3 мкм;

б) проводят 3-ую фотолитографию и травят глубокие щели - 8 плазмохимическим травлением кремния - Si селективно к оксиду кремния - SiO₂ на всю глубину пластины, формируя изолированные кремниевые столбики;

- проводят диффузию бора в боковые поверхности щелей, формируя вертикальные p-n-переходы - 3 при температуре T=900°С t=20 минут;

- удаляют из щелей боросиликатное стекло;

в) проводят тонкое окисление поверхности столбиков (щелей) при температуре Т=850°C t=20 минут до толщины оксида кремния - 10 - SiO₂ 30 нм;

- затем осаждают электролизом радиоактивный никель - ⁶³Ni - 5;

г) удаляют реактивным ионным травлением никель ⁶³Ni с поверхности пластины;

- проводят осаждение низкотемпературного плазмохимического оксида -11;

- затем проводят 4-ую фотолитографию контактных окон;

д) осаждают металл - алюминий - AL - 14 и проводят 5-ую фотолитографию по разводке алюминия;

- затем режут пластины на отдельные кристаллы - чипы.

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 лет), испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и максимальной энергией 64 кэВ, практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов существенно 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% бета-излучения поглощение происходит на глубине до 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 тритий и т.д.

Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например кремния, бета-излучением изотопов никеля, трития, 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 p⁺ и n⁺ областях преобразователя (бета-гальваническая ЭДС). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем p-n перехода также в квазинейтральной (КНО) области на расстоянии, равном диффузионной длине.

Техническими преимуществами изобретения являются:

- реализация в одном чипе или пластине высоковольтного источника - ЭДС, что позволяет отказаться от трудоемкой и нетехнологической операции сборки «высоковольтной» батареи (с типовым напряжением для интегральных схем от 5 до 12 В) из отдельных низковольтовых чипов, генерируемое напряжение которых обычно не превышает 100 мВ;

- при производстве высоковольтного преобразователя используется стандартная «микроэлектронная» технология, не требующая резки и шлифовки чипов для получения высокого (стандартного напряжения от 5 до 12 В и выше);

- высокий коэффициент отношения площади принимающих излучение p-n-переходов к объему кремниевого материала, в котором они расположены, что позволяет получать максимальную мощность излучения и соответственно ЭДС на единицу объема преобразователя;

- последовательное соединение пиксель-высоковольтного преобразователя позволяет снизить потери активной энергии на внешнем и внутреннем активном сопротивлении, что дает повышение КПД в системе батарея - нагрузка по сравнению с низковольтным источником ЭДС и делает его перспективным для микроэлектронных и МЭМС применений;

- такой источник ЭДС может обеспечить 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, для питания биосенсоров и т.д.;

- важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для ⁶³Ni составляет 100 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.