(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスである固体状態の高エネルギー密度マイクロラジオアイソトープ電源デバイスの構築方法であって：
少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのアイソトープ材料とを混合して、電流が流れない粉末状の半導体組成物を供する工程；
前記電流が流れない粉末状の半導体組成物を、高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部に形成されたマイクロチャンバ内に堆積する工程であって、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部は、前記マイクロチャンバの底部に設けられた第1電極を有する、工程；
前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部を、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部の上方に配置し、これによって、前記マイクロチャンバを被覆し、かつ前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの組立体を供する工程であって、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部は、前記マイクロチャンバ上部に設けられた第2電極を有する、工程；
前記組立体を、前記電流が流れない半導体組成物が前記マイクロチャンバ内部で液化する温度にまで加熱して、前記少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのラジオアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントが完全かつ均一に混合することで、液体状態の複合混合体を供する工程；
前記組立体及び液体状態の複合混合体を冷却することで、前記液体状態の複合混合体を固化して、固体状態の電流が流れる複合半導体を供することで、固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスを供する工程；
を有する方法。
【請求項２】
少なくとも1つのドーパントと、前記の少なくとも1つのラジオアイソトープ材料を有する少なくとも1つの半導体材料とを一つにすることで、前記電流が流れない半導体組成物を供する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記の組立体を加熱する工程が、前記電流が流れない半導体組成物が液化する温度にまで加熱することで、前記少なくとも1つの半導体材料、少なくとも1つのラジオアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントが完全かつ均一に混合することで、液体状態の複合混合体を供する工程を有する、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記電流が流れない半導体組成物が液化する温度にまで前記組立体が加熱される際、圧縮結合プロセスを、前記組立体に適用することで、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部と底部との間に漏れのない密封を構成する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記第1及び第2電極のうちの少なくとも1つの内面にナノ構造を供することで、前記第1及び第2電極のうちの少なくとも1つに対する前記固体の電流が流れる複合半導体の体積当たりの表面積の比を増大させる結果、前記固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの変換効率を高める工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記第1電極の底部から延在する櫛歯状の指状突起物を含むように前記第1電極の構造を形成する工程；並びに、
前記第2電極の底部から延在する櫛歯状の指状突起物を含むように前記第2電極の構造を形成する工程であって、前記第1電極の櫛歯状の指状突起物と、前記第2電極の櫛歯状の指状突起物とは互いに介在し、かつ前記の介在した第1電極の櫛歯状の指状突起物と第2電極の櫛歯状の指状突起物との間にはギャップが供され、前記固体の電流が流れる複合半導体が設けられることで、前記第1及び第2電極に対する前記固体の電流が流れる複合半導体の体積に対する表面積の比が増大する結果、当該固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの変換効率が高くなる、工程；
をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスは、少なくとも0℃乃至250℃の範囲の温度で動作する、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
アモルファスである固体状態の高エネルギー密度マイクロラジオアイソトープ電源デバイスの構築方法であって：
少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのラジオアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントとを混合して、電流が流れない粉末状の半導体組成物を供する工程；
前記電流が流れない粉末状の半導体組成物を、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部に形成されたマイクロチャンバ内に堆積する工程であって、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部は、前記マイクロチャンバの底部に設けられた第1電極を有する、工程；
前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部を、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部の上方に配置し、これによって前記マイクロチャンバを被覆し、かつ前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの組立体を供する工程であって、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部は、前記マイクロチャンバ上部に設けられた第2電極を有する、工程；
前記組立体を、前記電流が流れない粉末状の半導体組成物が前記マイクロチャンバ内部で液化する温度にまで加熱して、前記少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのラジオアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントが完全かつ均一に混合することで、液体状態の複合混合体を供する工程；
圧縮結合プロセスを、前記組立体に適用することで、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部と底部との間に漏れのない密封を構成する工程；並びに、
前記組立体及び液体状態の複合混合体を冷却することで、前記液体状態の複合混合体を固化して、固体状態の電流が流れる複合半導体を供することで、固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスを供する工程；
を有する方法。
【請求項９】
前記第1及び第2電極のうちの少なくとも1つの内面にナノ構造を供することで、前記第1及び第2電極のうちの少なくとも1つに対する前記固体の電流が流れる複合半導体の体積当たりの表面積の比を増大させる結果、前記固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの変換効率を高める工程をさらに有する、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記第1電極の底部から延在する櫛歯状の指状突起物を含むように前記第1電極の構造を形成する工程；並びに、
前記第2電極の底部から延在する櫛歯状の指状突起物を含むように前記第2電極の構造を形成する工程であって、前記第1電極の櫛歯状の指状突起物と、前記第2電極の櫛歯状の指状突起物とは互いに介在し、かつ前記の介在した第1電極の櫛歯状の指状突起物と第2電極の櫛歯状の指状突起物との間にはギャップが供され、前記固体の電流が流れる複合半導体が設けられることで、前記第1及び第2電極に対する前記固体の電流が流れる複合半導体の体積に対する表面積の比が増大する結果、当該固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの変換効率が高くなる、工程；
をさらに有する、請求項8に記載の方法。
【請求項１１】
前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスは、少なくとも0℃乃至250℃の範囲の温度で動作する、請求項8に記載の方法。
【請求項１２】
固体状態の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスであって、
当該デバイスは：
内部に形成されたキャビティを有する誘電性の放射線遮蔽体；
前記キャビティの第1端に設けられた第1電極、及び、前記キャビティの第1端に対向する第2端に設けられ、かつ、前記第1電極との間にマイクロチャンバが供されるように、前記第1電極から離間する、第2電極；
前記マイクロチャンバ内であって前記第1電極と第2電極との間に設けられ、かつ前記第1電極及び第2電極と接する、固体の電流が流れる複合半導体；
を有し、
前記固体状態の電流が流れる複合半導体は、少なくとも1つの半導体材料と少なくとも1つのラジオアイソトープ材料を混合させることで、電流が流れない粉末状の半導体組成物を供する工程、前記電流が流れない粉末状の半導体組成物を前記マイクロチャンバへ堆積する工程、前記誘電性の放射線遮蔽体を、前記電流が流れない半導体組成物が前記マイクロチャンバ内部で液化する温度にまで加熱することで、前記少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントが完全かつ均一に混合する工程、並びに、前記誘電性の放射線遮蔽体と液体状態の組成物である混合体を冷却して、前記液体状態の組成物を固化させることで、固体の電流が流れる複合半導体を供する工程、によって製造される、
デバイス。
【請求項１３】
前記電流が流れない粉末状の半導体組成物は、前記の少なくとも1つのラジオアイソトープ材料を有する少なくとも1つの半導体材料と一つになった少なくとも1つのドーパントをさらに有する、請求項12に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記誘電性の放射線遮蔽体は上部及び底部を有し、
前記誘電性の放射線遮蔽体が、前記電流が流れない粉末状の半導体組成物が液化する温度にまで加熱されるときに、前記上部及び底部は、圧縮結合プロセスを用いて一つになるように結合されることで、前記上部と底部との間には漏れのない封止が構成される、
請求項12に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第1及び第2電極のうちの少なくとも1つが、前記第1及び第2電極のうちの少なくとも1つに対する前記固体の電流が流れる複合半導体の体積当たりの表面積の比を増大させるように各々の内面に形成された複数のナノ構造を有し、
前記のように形成された複数のナノ構造により、前記固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの変換効率が高まる、
請求項12に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第1電極が、該第1電極の底部から延在する櫛歯状の指状突起物を含むように構造を形成され、
前記第2電極が、該第2電極の底部から延在する櫛歯状の指状突起物を含むように構造を形成され、
前記第1電極の櫛歯状の指状突起物と、前記第2電極の櫛歯状の指状突起物とは互いに介在し、かつ前記の介在した第1電極の櫛歯状の指状突起物と第2電極の櫛歯状の指状突起物との間にはギャップが供され、
前記固体の電流が流れる複合半導体が設けられることで、前記第1及び第2電極に対する前記固体の電流が流れる複合半導体の体積に対する表面積の比が増大する結果、当該固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの変換効率が高くなる、  請求項12に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスは、少なくとも0℃乃至250℃の範囲の温度で構造を形成され、かつ動作する、請求項12に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本教示は、微小電気機械システムにおいて用いられる高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源−たとえばマイクロサイズのバッテリー−に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここでの記載は、本開示に関連する背景技術情報を供するだけのものに過ぎず、従来技術を構成するものではない。
【０００３】
大きくて重いバッテリーは、マイクロ/ナノテクノロジーでの近年のめざましい成長において開発されてきた様々な小型化された電気及び機械デバイスの十分な潜在能力を実現する上で重大な障害となってきた。微小電気機械システム(MEMS)デバイスは、様々なセンサ及びアクチュエータとして、生医学デバイスとして、無線通信システムとして、並びにマイクロ化学分析システムとして用いられるために開発されてきた。しかしこれらのシステムを、通常の環境でも極限環境においても携帯可能な単独で使用できるデバイスとして用いることのできる可能性は、MEMS技術との相性の良い電源の開発に依存する。最悪の場合、電源が急速に劣化して、そのシステムは、連続的かつ長寿命動作するために頻繁に充電することを必要とする。
【０００４】
相当量の研究が、高エネルギー密度かつ軽量の電源の開発に費やされてきた。たとえば太陽電池は、MEMSの電力を供するのに用いることができる。マイクロ燃料電池もまた多くの用途向けに開発されてきた。マイクロ燃焼エンジンも報告されてきた。化学反応に基づく電源を用いることの主な欠点の一つは、システムのサイズが小さくなることで、燃料の出力密度が低くなることである。第2の主な課題は、これらのシステムが長寿命を実現するように設計されると、これらのシステムの性能が顕著に落ちることである。そのような場合、燃料の再装填（再充電）は現実的な選択肢ではない。なぜなら燃料の再装填（再充電）は、小さな携帯可能なデバイスで容易に行うことができないからである。そして究極的には、上述した電源は極限環境で使用することができない。なぜなら、反応速度が温度による影響を受けるか、かつ/あるいは、そのデバイスに電力を与えるのに利用可能な日光が存在しないからである。
【０００５】
既知のラジオアイソトープ電源は1950年代後半に導入された。そのような直接変換法（α線電池(alphavoltaics)及びβ線電池(betavoltaics)）の基本的な考え方は、放射性崩壊からのエネルギーを利用するものである。ラジオアイソトープ材料はα又はβ粒子を放出する。前記α又はβ粒子は、整流接合（たとえば半導体p-n接合（ダイオード））と結合する。前記粒子は、前記整流接合へ伝播し、かつ電子正孔対(EHP)を生成する。EPHは、前記整流接合により分離され、かつ電気エネルギーに変換される。
【０００６】
以前は既知の結晶性固体である半導体−たとえばシリコンカーバイド(SiC)又はシリコンを基礎とした半導体−が、整流接合を利用した低エネルギーのβ線電池として用いられていた。しかしそのような既知の固体β線電気変換器を用いることの主な課題の一つは、電離放射線が、前記変換デバイスの効率、性能、及び寿命を劣化させることである。基本的な劣化機構は、長期間にわたる格子変位損傷からの荷電担体の捕獲が発生することである。同様だがより深刻な問題として、高エネルギーα粒子は、固体である半導体の整流接合に深刻な損傷を引き起こす恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、微小電気機械システムで用いられるための高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源−たとえばマイクロサイズのバッテリー−に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
様々な実施例では、本開示は、固体の高エネルギー密度マイクロラジオアイソトープ電源デバイスの構築方法を供する。係る実施例では、当該方法は、半導体材料とラジオアイソトープ材料を有する電流が流れない半導体組成物を、電源デバイス本体内部に形成されたマイクロチャンバに堆積する工程を有する。当該方法はさらに、前記電源デバイス本体を、前記電流が流れない半導体組成物が前記マイクロチャンバ内部で液化する温度にまで加熱することで、液体の複合混合体を供する工程を有する。さらに当該方法は、前記電源デバイス本体及び液体の複合混合体を冷却することで、前記液体の複合混合体を固化させて、固体の電流が流れる複合半導体を供する工程、並びに、固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスを供する工程を有する。
【０００９】
様々な実施例では、本開示は、アモルファスである固体の高エネルギー密度マイクロラジオアイソトープ電源デバイスの構築方法を供する。当該方法は、少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントとを結合して、電流が流れない半導体組成物を供する工程を有する。当該方法はさらに、前記電流が流れない半導体組成物を、高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部に形成されたマイクロチャンバ内に堆積する工程を有する。前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部は、前記マイクロチャンバの底部に設けられた第1電極を有する。当該方法はさらに、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部を、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの底部に設けることで、前記マイクロチャンバを被覆し、かつ前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの組立体を供する工程を有する。前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部は、前記マイクロチャンバ上部に設けられた第2電極を有する。
【００１０】
さらに当該方法は、前記組立体を、前記電流が流れない半導体組成物が前記マイクロチャンバ内部で液化する温度にまで加熱して、前記少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントが完全かつ均一に混合することで、液体の複合混合体を供する工程を有する。当該方法はまたさらに、圧縮結合プロセスを、前記の加熱された組立体に適用することで、前記高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの上部と底部との間に「漏れのない」密封を構成する工程を有する。さらに当該方法は、前記組立体及び液体状態の複合混合体を冷却することで、前記液体状態の複合混合体を固化して、固体状態である電流が流れる複合半導体を供する工程、並びに、固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスを供する工程を有する。
【００１１】
さらに他の実施例では、本開示は、固体の高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスを供する。係る実施例では、当該デバイスは、内部に形成されたキャビティを有する誘電性の放射線遮蔽体を有する。当該デバイスはさらに、前記キャビティの第1端に設けられた第1電極、及び、前記キャビティの第1端に対向する第2端に設けられた第2電極を有する。前記第1電極と第2電極との間にマイクロチャンバが供されるように、前記第2電極は前記第1電極から離間する。当該デバイスはさらに、前記マイクロチャンバ内に設けられた固体の電流が流れる複合半導体を有する。前記固体の電流が流れる複合半導体は、前記第1電極と第2電極との間に設けられ、かつ前記第1電極及び第2電極と接する。前記固体の電流が流れる複合半導体は以下の工程により作製される。前記以下の工程とは、(1)少なくとも1つの半導体材料と少なくとも1つのラジオアイソトープ材料を結合させることで、電流が流れない半導体組成物を供する工程、(2)前記電流が流れない半導体組成物を前記マイクロチャンバへ堆積する工程、(3)前記誘電性の放射線遮蔽体を、前記電流が流れない半導体組成物が前記マイクロチャンバ内部で液化する温度にまで加熱することで、前記少なくとも1つの半導体材料と、少なくとも1つのアイソトープ材料及び少なくとも1つのドーパントが完全かつ均一に混合する工程、並びに(4)前記誘電性の放射線遮蔽体と液体の複合混合体を冷却して、前記液体の複合混合物を固化させることで、固体の電流を流す複合半導体を供する工程、である。
【００１２】
本教示の応用可能性のさらに別な領域は、本願の説明から明らかとなる。発明の詳細な説明と具体冷は、例示目的に過ぎず、本教示の技術的範囲を限定するものと解されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本開示の様々な実施例による、微小電気機械システムで用いられる高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの等角図である。
【図１Ｂ】本開示の様々な実施例による、図1Aに図示された高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの断面図である。
【図２Ａ】本開示の様々な実施例による、図1Aに図示された高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの典型的な製造プロセスを示した流れ図である。
【図２Ｂ】本開示の様々な実施例による、図2Aに示された典型的な製造プロセスの処理手順図である。
【図３Ａ】本開示の様々な実施例による、高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源デバイスの半導体材料内部で移動可能な電子正孔対の生成を表す、図1Aと図1Bに図示されたマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの典型的な概略図である。
【図３Ｂ】本開示の様々な実施例による、高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源デバイスの半導体材料内部で移動可能な電子正孔対の生成を表す、図1Aと図1Bに図示されたマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの典型的なバンド図である。
【図４Ａ】本開示の様々な実施例による、櫛歯型の構成を有する図1に図示された高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスのオーミックコンタクト層と整流コンタクト層の等角図である。
【図４Ｂ】本開示の様々な実施例による、図4Aに図示されたオーミックコンタクト層と整流コンタクト層の上面の一部である。
【図５】本開示の様々な実施例による、オーミックコンタクト層と整流コンタクト層を有する、図1Aに図示された高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイスの断面図である。オーミックコンタクト層と整流コンタクト層の各々はナノ構造を有する。
【図６】本開示の様々な実施例による、図1に図示された高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源デバイスで用いられる典型的な電流を流す半導体の様々な材料組成についての二相図である。
【図７】本開示の様々な実施例による、図1に図示された高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源デバイスによって22℃で生成された暗電流を示す典型的なI-V曲線の例である。
【図８】本開示の様々な実施例による、図1に図示された高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源デバイスによって生成された出力バイアス電圧を示す典型的なP-V曲線の例である。
【図９】本開示の様々な実施例による、図1に図示された高エネルギー密度のラジオアイソトープマイクロ電源デバイスによって生成された典型的な試験データ結果に関する様々な既知のβ線電池デバイスの比較を示す表である。
【図１０】本開示の様々な実施例による、様々な印加された負荷に関する、図1に図示されたマイクロラジオアイソトープマイクロ電源デバイスの出力電圧を示す典型的な図である。
【図１１】本開示の様々な実施例による、様々な印加された負荷に関する、図1に図示されたマイクロラジオアイソトープマイクロ電源デバイスの出力電圧を示す典型的な図である。
【図１２】本開示の様々な実施例による、9日間にわたる、図1に図示されたマイクロラジオアイソトープマイクロ電源デバイスの電力の出力を示す典型的な図である。
【図１３】本開示の様々な実施例による、図1に図示されたマイクロラジオアイソトープマイクロ電源デバイスであって放射性硫黄を含むものと含まないものについての典型的なI-V特性の図である。
【図１４】本開示の様々な実施例による、様々なバイアス電圧に関する、図1に図示されたマイクロラジオアイソトープマイクロ電源デバイスの典型的な出力電力の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図1A及び図1Aを参照すると、微小電気機械システム(MEMS)で用いられる高エネルギー密度マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10が供される。本明細書で説明されているように、マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、電流が流れる半導体セルを供する。前記電流が流れる半導体セルでは、ラジオアイソトープ材料が半導体材料と一体化し、それにより前記の一体化した半導体は放射性エネルギー−たとえばα放射線、β放射線、又は核分裂片も−を吸収することで、電子正孔対(EHP)を生成することができる。
【００１５】
一般的に、マイクロ電源デバイス10は、内部にキャビティが形成された誘電性の放射線遮蔽体14を有する。キャビティ18の一の端部にはオーミックコンタクト層又は電極22が設けられる。キャビティ18の一の端部に対向する他の端部には整流コンタクト層又は電極26−たとえばショットキーコンタクト層−が設けられる。オーミックコンタクト層及び整流コンタクト層26は、選ばれた間隔だけ離れていることで、マイクロチャンバ28を画定する。内部キャビティ18は、任意の所望のサイズ及び体積のマイクロチャンバ28を供するのに必要とされる任意の寸法及び体積を有して良い。オーミックコンタクト層は、誘電性の放射線遮蔽体14の外部表面上に設けられ、かつ/あるいは誘電性の放射線遮蔽体14の外部表面から延在するオーミックリード30を有する。マイクロ電源デバイス10はさらに、マイクロチャンバ28内部に設けられて、オーミックコンタクト層22及び整流層34と接する、電流が流れる固体の複合半導体38を有する。
【００１６】
オーミックコンタクト層22は、任意の適切な導電性材料を有して良い。たとえば様々な実施例では、オーミックコンタクト層22はニッケルを有する。整流コンタクト層26は任意の適切な導電性材料を有して良い。たとえば様々な実施例では、整流コンタクト層26はアルミニウムを有する。電流が流れる半導体38は、1つ以上のラジオアイソトープ材料を有する1つ以上の半導体材料を有する組成物である。様々な実施例では、電流が流れる半導体38はさらに、1つ以上のドーパント−つまり不純物すなわちドーピング材料−を有して良い。ドーパントとはたとえば、燐、ホウ素、炭素等である。1つ以上のドーパントは、マイクロ電源デバイス10の様々な挙動特性を制御するのに用いられて良い。様々な実施例では、電流が流れる半導体38は、ラジオアイソトープ材料である硫黄35(35S)及びドーパントである燐と一体化した半導体材料であるセレン(Se)を有して良い。
【００１７】
ここで図2A及び図2Bを参照すると、図2Aは高エネルギー密度の典型的な製造プロセスを表す流れを示し、かつ、図2Bは図2Aで表された典型的な処理手順図を示している。様々な実施例では、マイクロ電源デバイス10を製造するため、底部電極が、スパッタリングシステム内において、底部の誘電性放射線遮蔽基板14A−たとえばガラス基板−上に堆積され、かつ標準的なフォトリソグラフィプロセスによってパターニングされることで、図2Aの202及び図2Bの(i)で示されたような整流コンタクト層26を供する。あるいはその代わりに底部電極はオーミックコンタクト層22を供しても良い。
【００１８】
続いて誘電性の放射線遮蔽材料14Bが、基板14A上であって、整流コンタクト層26の周囲かつショットキーリード34の上に堆積されることで、図2Aの204及び図2Bの(ii)で示されたようなマイクロチャンバ28の底部28Aを供する。整流コンタクト層26（又はオーミックコンタクト層22。これらはどちらが先に堆積されたかによる）を堆積する前、堆積と同時に、若しくは堆積の後に、並びに/又は、誘電性の放射線遮蔽材料14Bを堆積する前、堆積と同時に、若しくは堆積の後に、半導体材料−たとえばSe−は、ラジオアイソトープ材料−たとえば35S−、及び、様々な実施例ではドーパント−たとえばP−と一体化されることで、図2Aの206に示されたように電流が流れない半導体組成物38Aが供される。後述するように、半導体、ラジオアイソトープ、及びドーパント材料は、マイクロチャンバ28内部で一体化されて設けられることが可能となる任意の状態で供されて良い。たとえば様々な実施例では、半導体、ラジオアイソトープ材料、及びドーパント材料は、微粉末又は微粒子状で供される。あるいはその代わりに、1つ以上の材料は、材料の混合を促進する、たとえば高蒸気圧の溶媒内部で溶解しても良い。高蒸気圧の溶媒とはたとえば、トルエン(21.86mmHg)、エタノール(43.89mmHg)、又は二硫化炭素(300mmHg)である。
【００１９】
その後図2Aの208及び図2Bの(iii)で示されたように、電流が流れない半導体組成物38Aは、マイクロチャンバ28の底部に設けられる。次に上部電極が、スパッタリングシステム内において、上部誘電性放射線遮蔽基板14C−たとえばガラス基板−に堆積され、かつ標準的なフォトリソグラフィプロセスによってパターニングされることで、図2Aの210及び図2Bの(iv)で示されたように、オーミックコンタクト層22が供される。あるいはその代わりに、第1電極がオーミックコンタクト層22を有する実施例において、上部電極は整流コンタクト層26を供しても良い。
【００２０】
続いて、オーミックコンタクト層22を有する上部誘電性放射線遮蔽基板14Cは、図2Aの212に示されているように、電流が流れない半導体組成物38Aによって充填されたマイクロチャンバ28の底部の上方で、誘電性放射線遮蔽材料14Bと接するように設けられる。次に、図2Aの214及び図2Bの(v)で示されたように、底部基板14A、誘電性放射線遮蔽材料14B、上部基板14C、及び電流が流れない半導体組成物38Aは、電流が流れない半導体組成物38Aが液化する温度−たとえば35Sと混合したSeを含む電流が流れない半導体組成物については275℃−にまで加熱されることで、半導体材料と、ラジオアイソトープ材料及び（用いられている場合には）ドーパントとは、液体の複合混合体38B内で混合及び一体化される。従って非常に均一に混合した液体の複合混合体38が、電流が流れない半導体混合体38Aを液体状態にまで加熱することによって供される。
【００２１】
図2Aの216及び図2Bの(v)で示されたように、底部電極14A、誘電性放射線遮蔽材料14B、上部基板14C、及び液化した複合混合体38Bが加熱される一方で、上部基板14Cと誘電性放射線遮蔽材料14Bとを結合することで、本体14（結合して一つになった底部基板14A、誘電性放射線遮蔽材料14B、及び上部基板14Cを有する）を形成するのに、熱圧縮による結合プロセスが用いられる。特に、熱圧縮結合プロセスは、底部基板14A、誘電性放射線遮蔽材料14B、及び上部基板14Cの間で「漏れのない」封止を供する。あるいはその代わりに、上部基板14Cは、底部基板14A、誘電性放射線遮蔽材料14B、及び上部基板14Cの間での「漏れのない」封止を供するのに適した他の結合プロセスを用いて、誘電性放射線遮蔽材料14Bと結合されても良い。たとえば様々な実施例では、結合プロセスは、陽極酸化結合、共晶結合、融合結合、ポリマー結合、又は他の適切な結合方法を有して良い。
【００２２】
次に、図2Aの218及び図2Bの(vi)で示されたように、封止体14及び液化した混合体は冷却され、液化した混合体が、固体の電流が流れる半導体38を生成することが可能である。それによりマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10が供される。
【００２３】
ここで図3A及び図3Bを参照すると、当該デバイスのマイクロチャンバ28内部に封入された固体の電流が流れる半導体38内で発生する移動可能な電子正孔対が、図3A及び図3Bにおいて例示的に表されている。固体の電流が流れる半導体38では、電子は最初、価電子帯に位置して、共有結合する隣接原子に束縛されている。一旦電子が、ラジオアイソトープの放射性崩壊からの電離放射線によって励起すると、その電子は、価電子帯から伝導帯へ移動して、価電子帯内に未占有状態（正孔）を残す。その後隣接原子からの別な電子が、先の励起により生成された正孔を充填するように移動する。固体の電流が流れる半導体38における電離放射線のエネルギーの吸収の全般的な効果は、多数の移動可能な電子正孔対の生成である。しかも封入方法によって、β粒子が半導体内でランダムな方向に進行することに起因した放射線の進行方向に係る損失を抑制することができる。従ってすべてのエネルギーが、電子正孔対の生成に寄与することができる。
【００２４】
仕事関数qΦmを有する整流コンタクト層26が、仕事関数qΦsを有する固体の電流が流れる半導体38と接するとき、フェルミ準位が平衡準位と一致するまで、電荷の輸送が起こる。Φm>Φsであるとき、固体の電流が流れる半導体38のフェルミ準位は最初、コンタクトがとられる前の整流コンタクト層26のフェルミ準位よりも高い。整流コンタクト層26と固体の電流が流れる半導体38との接合位置では、空乏領域に電場が発生する。電離放射線が、整流コンタクト層26と固体の電流が流れる半導体38との接合位置付近の空乏領域全体にエネルギーを与えることで、電場は、各異なる方向（電子は半導体38へ向かい、正孔は整流コンタクト層26へ向かい）に電子正孔対を分離する。この結果、整流コンタクト層26とオーミックコンタクト層22との間に電位差が発生する。
【００２５】
固体の電流が流れる半導体38と、オーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26との間の接触面積は、変換効率−つまり電子正孔対(EHP)の生成−を増大させるように増加させることが可能であると予想される。
【００２６】
たとえば図4A及び図4Bを参照すると、様々な実施例では、オーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26は、「櫛歯」型電極構造を供するような構造にされて良い。前記「櫛歯」型電極構造は、マイクロ電源デバイス10のサイズを増大させることなく、固体の電流が流れる半導体38とオーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26との間の全接触表面を拡大することを可能にする。オーミックコンタクト底部22Bから延在し、整流コンタクト層26から延在する整流コンタクト層の櫛歯状の指状突起物26Aが介在するオーミックコンタクト層の櫛歯状の指状突起物22Aは、図4A及び図4Bに図示されているように、オーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26に対する固体の電流が流れる半導体38の体積当たりの表面の比を増大させる。その結果変換効率が増大する。
【００２７】
オーミックコンタクト層の櫛歯22A及び整流コンタクト層の櫛歯26Aの厚さは、マイクロ電源デバイス10の効率を増大させるように調節されて良い。β粒子は、薄い金属構造を侵入して、オーミックコンタクト層22の櫛歯22Aと整流コンタクト層の櫛歯26Aとの間に設けられた固体の電流が流れる半導体38内部でのEHPの生成に寄与することができる。
【００２８】
ここで図5を参照すると、固体の電流が流れる半導体38とオーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26との間の全接触表面が増大する別の例として、様々な実施例では、オーミックコンタクト層22及び/又は整流コンタクト層26は、各々の内部表面に沿って形成されるナノ構造42及び/又はナノ柱状体46をそれぞれ有して良い。より詳細には、ナノ構造42及び/又はナノ柱状体46は、固体の電流が流れる半導体38と、オーミックコンタクト層22及び/又は整流コンタクト層26との間の界面でのオーミックコンタクト層22及び/又は整流コンタクト層26の内部表面上に形成される。ナノ構造42及び/又は46は、オーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26に対する固体の電流が流れる半導体38の体積当たりの表面の比を増大させる結果として、高変換効率を実現する。
【００２９】
様々な実施例では、ナノ構造42及び/若しくは46は、有孔性アルミナ酸化物(PAO)テンプレートを用いることによって、オーミックコンタクト層22及び/若しくは整流コンタクト層26の内部表面上で、成長、堆積、又は形成されて良い。PAOテンプレートは、任意の所望のサイズのナノ構造を形成するように制御されて良い。たとえばPAOテンプレートは、直径100nm〜400nmで高さが15μm〜30μmの  ナノ構造42及び/又は46を成長、堆積、又は形成するのに利用されて良い。あるいはその代わりにナノ構造42及び/又は46は、シード層を介して適切な金属−たとえばNi、Au、Cu、Pd、Al、Ag、及びCo−を電解メッキすることによって、オーミックコンタクト層22及び/若しくは整流コンタクト層26の内部表面上で、成長、堆積、又は形成されても良い。
【００３０】
オーミックコンタクト層22及び/若しくは整流コンタクト層26の内部表面上に、ナノ構造42及び/又は46を成長、堆積、又は形成する典型的な方法は以下である。最初に整流コンタクト層26が、たとえば厚さ0.5μmのニッケル層をスパッタリングすることによって、ガラス基板上に堆積されて良い。続いて第2金属層が、底部電極−たとえば厚さ0.2μmのアルミニウム層−の上部に堆積されて良い。次に第2層が、シュウ酸によって陽極酸化されることで、有孔性膜−有孔性アルミニウム膜−が生成される。続いて整流コンタクト層26に用いられる材料と同一の金属−たとえばニッケル−が、電解メッキによって、有孔性膜を介して堆積される。様々な実施例では、電解質は、15g/LのNiSO4・6H2O、35g/LのH3BO3、及び0.3〜0.6mA/cm2の蒸留水を有して良い。続いて、有孔性膜−たとえばアルミニウムの有孔性膜−は、水溶液−たとえばNaOH−によって除去されることで、整流コンタクト層26上にナノ構造46が供される。ナノ構造42は、実質的に同様の方法で、オーミックコンタクト層22上に成長、堆積、又は形成されて良い。
【実施例１】
【００３１】
典型的な高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10が、本明細書で説明したように構築され、かつ試験された。試験手順及び結果は以下の通りである。
【００３２】
この例では、セレン(Se)が半導体材料として用いられ、かつ硫黄35(35S)がラジオアイソトープ材料として用いられる。硫黄35は2つの主要な理由により用いられる。第1に、35Sは、最大崩壊エネルギーが0.167MeV、平均β崩壊エネルギーが49keV、かつ半減期が87.3日の純粋なβ放出体であることである。49keVベータ線の飛程は、電流が流れる半導体38内で全崩壊エネルギーを与えるのに理想的であるセレンでは、50μm未満である。第2に、35Sはセレンと化学的に相性が良いことである。セレンは、固体（アモルファス）状態と液体状態のいずれの状態においても半導体性の特性を有する。アモルファスセレンの化学結合モデルは、不対電子を有する半導体（二配位）に分類される。なぜなら電子配置は[Ar]3d104S24p4で、このことは、Seの特性が、共有結合を示す16属のカルコゲンの非結合p軌道によって基本的に影響されることを意味しているからである。Se原子は、螺旋鎖（三方晶相）の生成又はSe8環（単晶相）の生成のいずれかにおいて、半導体内部の不対電子内で結合しようとする。一旦Seが融解する(Tm=221℃)と、液相Seの構造は、略平面鎖ポリマーである。このときTm付近では鎖あたり平均104〜106の原子と、わずかなSe8環を有する。
【００３３】
液化した複合混合体38Bは、自然に電極−つまりオーミックコンタクト層22及び整流コンタクト層26−の表面を濡らし、かつ整流コンタクトとオーミックコンタクトのいずれの接触抵抗をも減少させることによって、電気的接触を改善する。それに加えて、電流が流れない半導体混合物38Aの融点は、共晶混合物を用いることによって、個々の材料の本来の融点よりも低くすることができる。
【００３４】
最初に、セレン−硫黄二成分系の固相と液相との間での異種平衡が調査された。図6に示された二相図は、各異なる全体的な複合混合体について作られたものである。実験的に得られた相図から、2つの液相曲線が共晶点で交差しているのが分かる。SexSy二成分半導体の共晶温度及び組成は、それぞれ105℃及びSe65S35で測定された。
【００３５】
各異なる金属が、整流接合−たとえばショットキー接合−及びオーミック接合を形成するのに用いられた。半導体ダイオードの特性は、仕事関数がそれぞれ異なることに起因した金属−半導体接合でのバリアによって決定することができる。仕事関数の大きな金属−たとえばニッケル(5.1〜5.2eV)又は金(5.1〜5.4eV)が、オーミックコンタクトとして用いられて良い。その結果、接合全体にわたって正孔が容易に流れることができる。p型半導体（アモルファスセレン）の整流挙動については、4.1eV〜4.3eVの仕事関数(φm)の小さなアルミニウムが用いられて良い。図2Bは、平衡状態での整流接合のバンド構造を表すのに用いられて良い。たとえば、セレンのバンドギャップエネルギー(Eg)は1.77eVで、セレンの電子親和力(χs)は3.3eVで、かつセレンの仕事関数(φs)は4.92eVである。仕事関数qφmの小さな金属が、仕事関数qφsのp型半導体と接触するとき、各側のフェルミ準位が平衡状態で一致するまで電荷の輸送が起こる。それが、金属−半導体コンタクトにて整流バリア−すなわちショットキーバリア−を形成する。電場は空乏領域内に生成される。一旦電離放射線が、金属−半導体接合付近の空乏領域全体にエネルギーを与えると、電場は、整流コンタクトにてEHPを互いに反対方向に分離する。この結果、2つの電極間−つまりオーミックコンタクト層22と整流コンタクト層26との間−には電位差が生じる。
【００３６】
本例では、複合したセレン−硫黄は、1cm2の活性領域を有する厚さ20μmのSU8ポリマー容器内部に設けられ、かつ2つの電極間−つまりオーミックコンタクト層22と整流コンタクト層26との間−に挟まれた。厚さ0.3μmのアルミニウム層が底部ガラス基板14Aに堆積されることで、整流コンタクト電極すなわちショットキーコンタクト電極が供された。厚さ0.3μmのニッケル層が上部ガラス基板14Cに堆積されることで、オーミックコンタクト電極が供された。混合したセレン−硫黄Se35Sは、マイクロチャンバ28の底部28A内に堆積された。上に整流コンタクト電極が堆積された上部電極14Cは上に設けられた。当該デバイスは急速に275℃にまで加熱され、その後熱圧縮結合により漏れに強いパッケージが生成された。I-V特性曲線が、1fA(10-15A)の電流測定分解能を有する半導体パラメータアナライザ(Keithley2400)によって測定された。
【００３７】
図7は、室温でのマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10によって生成された暗電流データを図示している。特に室温では、752nAの短絡回路電流(ISC)及び864mVの開回路電流電圧が観測された。
【００３８】
図8は、室温でのマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10のバイアス電圧に対する出力電力を図示している。特に室温では、193mVで76.53nWの最大出力が得られた。35S(402MBq)が封入されたβ線により通電する−つまり固体の複合した電流が流れる半導体38の全体的な変換効率は2.42%と観測された。この結果は、図9−高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10によって生成される典型的な試験結果に対して多くの既知のβ線電池を比較してまとめている−に図示された従来知られたラジオアイソトープマイクロバッテリーよりもはるかに高い。そのような既知の挙動のほとんどは、かさばる遮蔽構造の結果出力密度が低くなるという欠点を有する。出力密度を比較すると、各デバイスの出力電力は、その放射能である10Ciに規格化される。高エネルギー密度のラジオアイソトープ電源デバイス10によって得られる結果は、従来のデバイスのβセル型50の出力密度のおおよそ2倍の出力密度を示す。よって、本明細書に記載されているように、適切なラジオアイソトープ材料の選択をして、高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10の封入された固体の複合した電流が流れる半導体38の設計を利用することによって、略36.41μW/cm3の高い全出力密度を実現することができる。
【００３９】
ここで図10及び図11を参照すると、負荷をかけた条件下でのマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10の機能を観察し、かつ当該デバイス10の出力電圧を評価するため、広範囲の負荷抵抗が、マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10に接続された。図10及び図11は、様々な負荷抵抗（100Ω〜10MΩ）に対する出力電圧及び出力電力を示している。図示されているように、出力電圧は負荷の増大に対して徐々に増大し、かつ、発生する最大出力電圧は、1MΩのレジスタで0.499V（日数230）及び0.4555V（日数236）と観察された。それに加えて、出力電力は約1MΩで最大となった。図示されているように、日数230での最大電力は59.59nW（効率η=2.56%）で、日数236でも略56.38nW（効率η=2.54%）と依然として非常に高かった。
【００４０】
ここで図12を参照すると、さらに、電力の消失を評価するため、非常に大きな抵抗負荷(10MΩ)が、マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10に接続された。9日間にわたって、出力電圧が連続的に測定及び記録された。図12に図示されているように、9日間にわたって、出力電力は決して消失せず、かつ、平均出力電力は17.5nW(±2.5%)だった。
【００４１】
図13は、非放射性硫黄を有するマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10と放射性硫黄を有するマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10の140℃での典型的なI-V特性を図示している。図示されているように、非放射性硫黄を有するマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、561mVの開回路電圧(VOC)を得る。この値は、熱電効果から得ることのできる電圧レベルよりもはるかに高い。なぜなら純粋なセレンのゼーベック係数は140℃で1.01mV/℃に過ぎないからである。空乏領域での拡散とトンネリングの促進、及び、液相接触による接触抵抗の減少に起因した温度の増大に伴って、開回路電圧は増大した。
【００４２】
それに加えて、0.15nAの短絡回路電流(ISC)を有する暗電流が観測された。外部バイアスのないこの負の電流は、液状半導体のキャリアの熱の発生に起因した熱イオン放出によって駆動することができる。さらに図13に図示されているように、放射性硫黄35S(166MBq)によって、107.4nAの短絡回路電流(ISC)及び899mVの開回路電圧(VOC)が観測された。特に、ラジオアイソトープの放射線に対応する短絡回路電流は、非放射性デバイスの短絡回路電流とは約3桁異なる。
【００４３】
図14は、様々なバイアス電圧に対するマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10の典型的な出力電力を図示している。図示されているように、放射性35Sを有するマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10から、359.9mVで16.2nWの最大出力が得られ、かつ、放射性物質のみからの最大出力は約15.58nWだった。35Sからの最大利用可能出力の理論値は、平均のβ線エネルギースペクトルから見いだすことが可能である。また35S(166MBq)の最大ラジオアイソトープ出力変換効率は以下のように計算することができる。
【００４４】
【数１】
0005749183.tif 000002
従って、β線束と熱流束の両方から1.207%の全出力効率が得られた。
【００４５】
マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、例として、放射線源材料である硫黄35(35S)と一体化したものとして説明されてきたが、マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、他の適切な半導体材料及び/又は他の適切な化学的に相性の良い放射線源材料を有しうることも考えられる。たとえば様々な実施例では、マイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、1つ以上の他の半導体材料−たとえばTe、Si等−を有して良く、かつ、各々の半導体材料は、基本的にはγ線を放出しない1つ以上の他のβ線若しくはα線放出放射性核種−たとえばPm147及びNi63−と一体化されて良い。
【００４６】
それに加えて、（複数の）半導体材料、（複数の）アイソトープ材料、及び（複数の）ドーパントの混合比は、任意の選択された周辺温度でマイクロ電源デバイス10の所望の特性を供するように変化して良い。従って、高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、本明細書に記載されているように、たとえば0℃以下〜250℃以上の広範囲の温度で効率的に動作することが可能である。
【００４７】
高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、本明細書に記載されているように、特にMEMSシステムが極限環境及び/又は使用困難な環境で使用されている場合でのMEMS技術の用途を革新する潜在能力を与える。MEMSを、熱、磁気、光学センサ及びアクチュエータとして、マイクロ化学分析システムとして、並びに係る環境でのワイヤレス通信システムとして利用する能力は、将来の技術発展において大きな効果を有すると考えられる。たとえばそのような能力は、交通のインフラ（たとえば橋及び道床）における埋め込みセンサ及び通信システムを用いることを可能にする技術を供することによって、公共の安全性を増大させることができる。
【００４８】
それに加えて、高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10の利点の一部は、本明細書に記載されたように、(1)化学システムで利用可能なエネルギー密度よりも104〜105倍大きなエネルギー密度であること、(2)極限温度及び圧力でも一定出力となること、並びに(3)（適切なアイソトープを選ぶことによって）長寿命となること、である。それに加えて、高エネルギー密度のマイクロラジオアイソトープ電源デバイス10は、本明細書に記載されたように、固体の変換デバイスにおいてα線を放出するアイソトープを用いた基本的な課題−たとえば格子変位による損傷−を解決する。
【００４９】
さらに他の利点には、既知のラジオアイソトープ電源において一般的な、放射線の自己吸収損失と、ラジオアイソトープとベータ線による電池との間での損失を除去することが含まれる。これは、放射性物質と半導体材料が、マイクロチャンバ28内部で混合して一つになることに起因する。放射線源の選択については、高いベータ線スペクトルのエネルギー及び高い比活量が検討されるべき2つの主要パラメータである。さらに一般的な相互作用の損失は、固体の複合した電流が流れる半導体38の厚さを調節することによって減少させることができる。固体の複合した電流が流れる半導体38の厚さは、β線が、マイクロチャンバ28内に封入された固体の複合した電流が流れる半導体38の全体積を網羅するような厚さでなければならない。
【００５０】
他の利点は、マイクロチャンバ内での固体の電流が流れる半導体38の封入の利点は、本明細書に記載に記載されているように、確実な自己遮蔽を供し、かつさらなる遮蔽構造を必要としないことである。このことにより、従来のデバイスよりも顕著に小さなデバイスが供される。また非常に費用対効果がよい。なぜなら固体の電流が流れる半導体38は、本明細書に記載に記載されているように、コストを要するシリコンを中心とした材料を含まないためである。
【図１Ａ】
0005749183.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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