×
25.08.2017
217.015.a66b

Результат интеллектуальной деятельности: Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть также использовано в взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д. Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений содержит в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели, на поверхности которых расположены вертикальные p-n-переходы и которые заполнены электропроводящим материалом радиоактивного изотопа, при этом преобразователь содержит дополнительную изолирующую подложку, на которой расположена полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, в которой сформированы глубокие щели в виде решетки, перпендикулярные к поверхности пластины, при этом их глубина достигает поверхности диэлектрической подложки, образуя полупроводниковые столбики 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 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. Также предложен способ изготовления высоковольтного преобразователя ионизирующих излучений. Изобретение обеспечивает возможность получить практически не ограниченную величину выходного электрического напряжения и максимальную электрическую мощность на единицу объема и веса преобразователя. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

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.


Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления
Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления
Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления
Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления
Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 241-250 of 334 items.
11.10.2018
№218.016.8fcd

Коррозионно-стойкий материал с повышенным содержанием бора

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким нейтроно-поглощающим сплавам на основе железа, используемым для изготовления стеллажей уплотненного хранения топлива. Сплав содержит углерод, марганец, кремний, хром, бор, титан, цирконий и железо при следующем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002669261
Дата охранного документа: 09.10.2018
26.10.2018
№218.016.9689

Способ подготовки микропроводов со стеклянной оболочкой для электрического соединения

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в микроэлектронике для изготовления качественных электрических контактов на микропроводах диаметром до 40 мкм со стеклянной оболочкой до 15 мкм, в том числе переменного сечения, использующихся для изготовления ГМИ,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002670631
Дата охранного документа: 24.10.2018
01.11.2018
№218.016.9826

Адгезионная коллоидная взвесь

Изобретение относится к медицинской технике и технологии, а именно к коллоидной взвеси для адгезионной прослойки при пломбировании зубов, которая содержит метакрилаты, ацетон в качестве растворителя, а также равнораспределенные наночастицы металлов антибактериального действия, при этом в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671193
Дата охранного документа: 30.10.2018
17.11.2018
№218.016.9e5f

Коррозионностойкий литейный алюминиевый сплав

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде при температурах до 300-350°С. Литейный сплав на основе алюминия...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002672653
Дата охранного документа: 16.11.2018
16.01.2019
№219.016.b00a

Способ получения трехмерных изделий сложной формы из высоковязких полимеров

Изобретение относится к области аддитивных технологий для получения трехмерных изделий сложной формы и предназначено для быстрого прототипирования или получения малых серий изделий в общем и транспортном машиностроении, авиационной технике или индивидуализированных медицинских изделий....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677143
Дата охранного документа: 15.01.2019
19.01.2019
№219.016.b20e

Способ получения интерметаллических покрытий с использованием механохимического синтеза и последующей лазерной обработки

Изобретение относится к способу создания интерметаллических покрытий на основе соединений NiAl и Ni3Al. Осуществляют механоактивационную обработку в шаровой мельнице в течение 30-60 минут совместно с металлическим изделием, на которое наносится покрытие. Затем проводят лазерную обработку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677575
Дата охранного документа: 17.01.2019
19.01.2019
№219.016.b20f

Способ вскрытия эвдиалитового концентрата

Изобретение относится к металлургии редких металлов. Способ переработки эвдиалитового концентрата включает предварительную механоактивацию концентрата и последующую гидрометаллургическую обработку. Предварительную обработку проводят до суммарного количества усвоенной эвдиалитом энергии в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677571
Дата охранного документа: 17.01.2019
25.01.2019
№219.016.b3d9

Способ обработки магниевого сплава системы mg-y-nd-zr методом равноканального углового прессования

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке сплавов на основе магния, и может быть использовано в авиастроении, ракетной технике, в конструкциях автомобилей, хорошая биосовместимость позволяет использовать магниевые сплавы в медицине. Способ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002678111
Дата охранного документа: 23.01.2019
15.02.2019
№219.016.bac8

Способ получения порошка гафната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам (гафнат диспрозия - DyНfО), и может быть использовано в стержнях регулирования ядерных реакторов. Способ включает получение порошка гафната диспрозия путем механической активации смеси компонентов - диоксида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002679822
Дата охранного документа: 13.02.2019
03.03.2019
№219.016.d278

Способ получения узкофракционных сферических порошков из жаропрочных сплавов на основе алюминида никеля

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Способ получения узкофракционных сферических порошков из жаропрочных сплавов на основе алюминида никеля включает стадию предварительного выделения заданной фракции путем классификации исходного порошкообразного материала зернистостью 5-150...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002681022
Дата охранного документа: 01.03.2019
Showing 191-194 of 194 items.
19.04.2019
№219.017.3171

Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Пиксельная биполярная структура с сетчатой базой, согласно изобретению, содержит полупроводниковую подложку, в которой расположена область коллектора 1-го типа проводимости, на которой имеется электрод...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002427942
Дата охранного документа: 27.08.2011
11.07.2019
№219.017.b262

Способ изготовления фотовольтаических элементов с использованием прекурсора для жидкофазного нанесения полупроводниковых слоев р-типа

Изобретение относится технологии изготовления фотовольтаических преобразователей. Согласно изобретению предложен способ изготовления фотовольтаических (ФВЭ) элементов с использованием прекурсора для жидкофазного нанесения полупроводниковых слоев р-типа, включающий получение прекурсора...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002694118
Дата охранного документа: 09.07.2019
11.07.2019
№219.017.b2d7

Гибридный фотопреобразователь, модифицированный максенами

Изобретение относится к технологии полупроводниковых тонкопленочных гибридных фотопреобразователей. Гибридные, тонкопленочные фотопреобразователи с гетеропереходами и слоями, модифицированными максенами TiCT, работающие в видимом спектре солнечного света, а также ближних УФ и ИК областей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002694086
Дата охранного документа: 09.07.2019
01.07.2020
№220.018.2d27

Способ измерения переходного контактного сопротивления омического контакта

Изобретение относится к области технологии изготовления изделий микроэлектроники, в частности к контролю контактных сопротивлений омических контактов к полупроводниковым слоям на технологических этапах производства. Сущность: способ измерения переходного контактного сопротивления, заключающийся...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725105
Дата охранного документа: 29.06.2020
+ добавить свой РИД