ПЛАНАРНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ФОТО- И БЕТАВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PLANAR HIGH-VOLTAGE PHOTO- AND BETA-VOLTAIC CONVERTER AND METHOD OF MAKING THEREOF

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления бета-вольтаических и фотоэлектрических преобразователей ионизирующих излучений в электрическую энергию (ЭДС) высокого напряжения.
Известны конструкции планарных - трехмерных - преобразователей ионизирующих излучений в электрическую энергию, которые предложили Sun W. и Chandrashekhar M.V.S. [1-4] и которые используют микроканальное травление для создания вертикальных р-n-переходов. Такая конструкция позволяет увеличивать поверхность р-n-перехода, на которую в каналы осаждают радиоактивное вещество [1-4] либо заполняют светопроводящим материалом [1, 2], что позволяет пропорционально площади увеличить ток генерации в элементах и увеличить их эффективность. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (ОПЗ) p-i-n-диодов, в которых генерируются бета-излучением носители заряда. При этом для увеличения ЭДС фото- и бета-вольтаических элементов используются широкозонные материалы - GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4, 5]. Однако максимальное напряжение ЭДС таких структур не превышает контактной разности потенциалов этих материалов, что является недостатком в случае, когда требуется высокое напряжение питания.
Более того, 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.
Также известна технология диэлектрической изоляцией, полученная вертикальным анизотропным травлением кремния [6], в которой вертикальные изолирующие микроканалы реализованы в кремнии с ориентацией (110) либо ориентацией (100) и затем заполнены кремниевой суспензией на основе кремнийорганического полимера. Для этого сначала при помощи маски наносят рисунок фотошаблона, затем проводят травление в растворе KOH при температуре 60°С, в результате получают параллельные канавки глубиной до 150-200 мкм, шириной порядка 30 мкм и длиной несколько сантиметров. Затем проводят окисление на глубину 0,5-0,6 мкм и на центрифуге микроканалы заполняют мелкодисперсной суспензией кремния в 5%-ном растворе диметилсилоксанового каучука в толуоле.
+
-
Известна конструкция «Кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений» [7] (рис. 1), взятая за прототип и содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n-р-переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами. Преимуществом данной конструкции является возможность получения высокого выходного напряжения при воздействии светом или под действием радиационного излучения.
+
-
+
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
-
+
-
+
+
+
Способ изготовления конструкции прототипа, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных n-р-р (р-n-n)-переходов, металлизацию поверхности пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавление в вакуумной печи, резанье столбика на структуры, формирование горизонтальных n-р (р-n)-переходов, присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия, при этом до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных n-р-р (р-n-n)-переходов в объеме пластин формируют слаболегированные дополнительные вертикальные n-р (р-n)-переходы, затем формируют вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин, формируют горизонтальные n-р (р-n)-переходы, при этом концентрация примеси в дополнительных горизонтальные n-р (р-n)-переходах более чем на порядок меньше величины концентрации примеси в горизонтальных n-р (р-n)-переходах, у которых свою очередь концентрация примеси на порядок меньше величины концентрации примеси в областях - n (р)-типа вертикальных одиночных переходов.
Общим недостатком аналогов и прототипа являются высокие токи утечки и низкий КПД, что при низком уровне генерации носителей заряда от бета-источника, например никель-63, не позволяет получать приемлемые для практического использования значения ЭДС.
Целью изобретения является создание конструкции планарного фото- и бета-вольтаического преобразователя с высоким значением выходного напряжения ЭДС.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Цель достигается путем создания новой конструкции планарного преобразователя, состоящей из серии элементов - планарных p-i-n-структур, расположенных на одной пластине кремния, соединенных последовательно и изолированных друг от друга областями - сквозными микроканалами или щелями, заполненными мелкодисперсной суспензией кремния и покрытыми диоксидом кремния, при этом каждая p-i-n-структура состоит из слаболегированной полупроводниковой пластины -n(-р)-типа проводимости, в которой расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р (n)-области, образующие с пластиной p-n-переходы р-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р (n)-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)-областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, на верхних слоях которого содержатся контактные окна соответственно к n(р)- и р(n)-контактным областям, соединенным с соседними структурами металлическими контактами последовательно, т.е. n(р)-контактная область с р(n)-контактной областью следующей структуры, при этом на поверхности нижнего диэлектрика расположен слой радиоактивного изотопа, испускающего бета-частицы.
+
+
+
+
+
Способом изготовления, состоящим в формировании р нижней и р верхней горизонтальных областей, проведении термического окисления поверхности пластин, проведении 1-й фотолитографии и травлении микроканалов, формировании вертикального р-слоя, окислении боковых стенок каналов, заполнении мелкодисперсной суспензией кремния микроканалов, проведении 2-й фотолитографии и формировании n-контактного слоя, проведении 3-й фотолитографии и вскрытии окон для р-контактных областей, проведении 4-й фотолитографии и осаждение слоев металлизации и осаждении радиоактивного изотопа - никеля-63 - на нижнюю поверхность пластины.
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Конструкция прототипа показана на рис. 1, в которой диодные ячейки (ДЯ) - 1, с нанесенным на них светопросветляющим покрытием - 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными - 3 и анодными - 4 электродами, с расположенными соответственно на их поверхности полупроводниковыми областями - 5 n (р)-типа и - 6 р (n)-типа одиночных вертикальных n-р-р (р-n-n)-переходов. На верхней и нижней поверхности ДЯ - 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7 n (р)-типа - 8 р (n)-типа горизонтальных n-р (р-n)-переходов. На поверхности областей - 5 n (р)-типа и - 6 р (n)-типа расположены соответственно области - 9 р (n)-типа и - 10 n (р)-типа, образующие с ними соответственно одиночные n-р (р-n)- и дополнительные n-р (р-n)-переходы, на ее нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика - 11 толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике. На поверхности которого размещен слой радиоактивного металла - 12 толщиной, равной длине пробега электронов в металле.
Конструкция высоковольтного преобразователя по изобретению показана на рис. 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 сильно легированные соответственно верхняя - 2 и нижняя - 3 горизонтальные р(n)-области, к ним примыкает вертикальная р(n)-замкнутая область - 4, на верхней поверхности пластины также расположена n(р)-контактная область - 5, на поверхности горизонтальных р(n)-областей - 2 и 3 расположены соответственно слои верхнего - 6 и нижнего - 7 диэлектрика, в микроканалах расположена изолирующая мелкодисперсная суспензия кремния - 8, стенки микроканала покрыты тонким оксидом - 9, контактные площадки соседних элементов соединены слоем металлизации - 10, на нижней поверхности пластины расположен слой радиоактивного изотопа - металла - 11, конструкция содержит несколько элементов p-i-n-структур, соединенных последовательно, и имеющая контактные площадки анода - 12 и катода - 13.
Пример конкретной реализации
Технология изготовления высоковольтного преобразователя по изобретению показана на рис. 3 и состоит из следующей последовательности технологических операций:
+
+
а) - формируют ионным легированием бора дозой D=500 мкКул энергией Е=40 кэВ р нижнюю и р верхнюю горизонтальную область;
- проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т=860°С в течение 60 минут;
- закрепляют пластину на кварцевом держателе нижней стороной;
б) - проводят 1-ю фотолитографию и вскрытие окон для травления микроканалов;
- проводят травление в растворе KOH при температуре 60°С для создания щелей или сквозных микроканалов вокруг каждого элемента p-i-n-структур;
+
- проводят формирование вертикального р-слоя путем "глубокой" диффузии бора;
в) - проводят окисление боковых стенок каналов и на центрифуге микроканалы/щели заполняют мелкодисперсной суспензией кремния в 5%-ном растворе диметилсилоксанового каучука в толуоле;
+
г) - проводят 2-ю фотолитографию и вскрытие окон для n-контактных областей;
+
- формируют n-контактный слой ионным легированием фосфора дозой D=300 мкКул с энергией Е=40 кэВ;
+
д) - проводят 3-ю фотолитографию и вскрытие окон для р-контактных областей;
- проводят 4-ю фотолитографию и осаждение алюминия на верхнюю поверхность пластины;
- убирают кварцевый держатель и осаждают радиоактивный изотоп - никель-63 - на нижнюю поверхность пластины.
+
+
Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например кремния, светом и/или бета-излучением изотопов (никеля, стронция, кобальта и т.д.). Образующиеся при этом электронно-дырочные пары разделяются полем р-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р- и n-областях преобразователя. 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. При этом преобразователь состоит из нескольких элементов, каждый из которых является p-i-n-структурой, соединенных последовательно, что позволяет на выходе получить ЭДС высокого напряжения.
Пример практической реализации конструкции
63
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ·см с ориентацией (110) по технологии, представленной на рис. 3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран Ni, 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 - 20 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания р-n переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах.
Технические преимущества изобретения:
+
+
- конструкция преобразователя позволяет получить в несколько раз большую мощность по сравнению с аналогами и обычным p-i-n-диодом (размеры n-контактной области много меньше размеров p-горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь);
- при производстве преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;
- толщина конструкции высоковольтного преобразователя соответствует толщине кремниевой пластины, т.е. 200-400 мкм, и поэтому может применяться для электрического питания биосенсоров и МЭМС;
- конструкция преобразователя позволяет получать электрическую энергию, как под действием света, так и под действием бета-источника - никель-63;
- такой высоковольтный источник ЭДС обеспечит прямую зарядку аккумулятора на основе химических источников тока с твердотельным электролитом, для которых напряжение зарядки составляет 4,5-5 В, даже в отсутствие освещения;
- такой преобразователь может быть применен в труднодоступных местах для питания систем контроля и управления, например, во взрывоопасных помещениях, шахтах, радиоактивных хранилищах, для питания биосенсоров и т.д.;
63
- срок службы преобразователя будет определяться периодом полураспада радиоактивного материала, который для Ni составляет 100,1 лет.
Литература
1. 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.
2. Sun W., Kherani N.P., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. A Three-Dimensional Porous Silicon р-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230-1233.
3. 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.
4. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986B2. Pub. date: 10.05.2011.
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. Гук Е.Г., Ткаченко А.Г., Токранова H.A. и др. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией, полученные вертикальным анизотропным травлением // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. №9. С. 64-71.
7. Мурашев В.Н., Леготин С.А., Леготин А.Н., Мордкович В.Н., Краснов А.А. Кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений // Патент РФ 2539109 С1 от 10.01.2015.