КОМБИНИРОВАННЫЙ НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ФОТО- И БЕТАВОЛЬТАИКИ НА МИКРОКАНАЛЬНОМ КРЕМНИИ
COMBINED ACCUMULATING ELEMENT OF PHOTO- AND BETA-VOLTAIC ON MICROCHANNEL SILICON

Настоящее изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления бетавольтаических и фотоэлектрических преобразователей ионизирующих излучений в электрическую энергию (ЭДС).
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 p-n переходов. Такая конструкция позволяет увеличивать поверхность p-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 бетавольтаических элементов используются широкозонные материалы - GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4, 5]. 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. Также в кремниевой технологии наиболее просто и экономично совместить в одной конструкции набор двумерных элементов.
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 КОН при температуре 60°C, в результате получают параллельные канавки. Затем проводят окисление и на центрифуге микроканалы заполняют мелкодисперсной суспензией кремния в 5%-ном растворе диметилсилоксановом каучуке в толуоле.
Известна технология размещения радиоактивного изотопа в трехмерной структуре p-n перехода на карбиде кремния [7]. При этом бета-изотоп помещается как сверху и снизу, так и с боковых сторон для того, чтобы возбуждение носителей заряда от источника излучения было максимальным. В результате достигается наилучшее соотношение объема ОПЗ p-n перехода к объему материала изотопа для улучшения КПД. Недостатком предложенной структуры является то, что технология создания структуры не применяет микроканальный кремний, поэтому сборка структуры частично осуществляется механически, что должно привести к повышению токов утечки и снижению КПД. Кроме этого структура собирает носители заряда только под действием бета-источников и не будет реагировать на свет, поскольку свет не попадает на поверхность p-n перехода, что существенно уменьшает возможности структуры.
Известна конструкция бетавольтаической структуры на микроканальном полупроводнике [8] (рис. 1), взятая за прототип и содержащая микроканалы, на поверхности которых сформирован p-n переход, внутрь каналов помещен радиоактивный материал - тритий, химически связанный с полимером, сверху и снизу сформированы контактные области. Преимуществом данной конструкции является, с одной стороны, возможность поместить газообразный радиоактивный тритий в полимер, тем самым переведя его в твердую фазу, с другой стороны, возможность увеличить поглощение бета-частиц за счет увеличения эффективной площади p-n перехода.
+
-
Способ изготовления конструкции прототипа, включающий формирование на поверхности пластин из карбида кремния вертикальных микроканалов, формировании на стенках каналов n-p переходов, формировании низкоомной контактной области и площадки к ней, формировании полимера и насыщение его тритием, а также насыщение микроканалов полученной смесью трития с полимером.
Общим недостатком аналогов и прототипа являются то, что предложенные микроканальные структуры собирают носители заряда только под действием бета-источников и не будут реагировать на свет, поскольку свет не попадает на поверхность p-n перехода, поглощаясь в верхних слоях, что существенно уменьшает возможности структур. Другим недостатком аналогов и прототипа бетавольтаических структур является то, что электрическая энергия генерируется непрерывно, однако ее использование происходит по мере необходимости, что приводит к существенным потерям.
Целью изобретения является создание конструкции комбинированного планарного элемента фото- и бетавольтаики на микроканальном кремнии с возможностью накопления электрического заряда.
Цель достигается путем создания новой двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации.
Способом изготовления, состоящим в формировании микроканалов в монокристаллической пластине кремния, формировании p-n переходов на обоих сторонах пластины и на боковых стенках микроканалов, формировании контактных n+(p+) площадок к n(p) областям p-n перехода, со стороны микроканалов проведения заполнения микроканалов радиоизотопом никель-63, со стороны плоского p-n перехода формировании на части поверхности просветляющего покрытия и на другой части поверхности напыления диэлектрического покрытия, а также напыления контактных площадок и металлической обкладки плоского конденсатора.
Конструкция прототипа показана на рис. 1, в которой диодная структура - 430, состоящая из пористого полупроводника - 302, пластины p-типа - 408, области n-типа - 410 и области p-n перехода - 412. Первый контакт - 414 соединен с p-типом областью - 408 через низкоомную контактную область - 416 к первой стороне входа - 423. Второй контакт - 420 соединен с областью n-типа проводимости - 410 через низкоомную область - 418 ко второй стороне входа - 423. Радиоактивный материал - 422 содержится в слое - 306, расположенном в порах - 304 диаметром - 425 и длиной - 426, при этом соотношение длины к диаметру более 20.
Конструкция комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики по изобретению показана на рис. 2, где а - структура, б - топология, в - эквивалентная электрическая схема.
В конструкции имеется полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости - 1, на верхней и нижней поверхности которой расположены сильно легированные соответственно верхняя - 2 и нижняя - 5 горизонтальные p+(n+) области, к ним примыкает вертикальная p+(n+) замкнутая область - 4, на боковых стенках микроканалов - 6 располагается вертикальная p+(n+) область - 3, на горизонтальной поверхности и станках микроканалов расположен подслой металла - 7, на котором внутри микроканалов и на верхней поверхности расположен радиоактивный бета-изотоп - металл - 8, который закрывается сверху металлом - 9, снизу расположено просветляющее покрытие - 10, контактная площадка - 11, слой диэлектрика - 12, слой металлизации - 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 p+ нижнюю и p+ верхнюю горизонтальную область;
- проводят 1-ю фотолитографию и формируют n+ контактный слой ионным легированием фосфора дозой D=300 мкКул с энергией Е=40 кэВ;
- проводят плазмохимическое осаждение окисла на нижнюю поверхность пластины;
б) - закрепляют пластину на кварцевом держателе нижней стороной;
- проводят 2-ю фотолитографию и травление в растворе KOH при температуре 60°C для создания щелей;
- проводят 3-ю фотолитографию и травление в растворе KOH при температуре 60°C для создания сквозных микроканалов вокруг каждого элемента;
в) - проводят формирование вертикальных p+ слоев на стенках микроканалов и торцевых сторонах пластины путем "глубокой" диффузии бора;
- проводят термический отжиг дефектов;
- проводят 4-ю фотолитографию и осаждение алюминия на верхнюю поверхность пластины, в том числе на поверхность стенок микроканалов;
г) - убирают кварцевый держатель и проводят электрохимическое осаждение радиоактивного никеля-63 в микроканалы и на верхнюю поверхность структуры;
- проводят напыление металла, например алюминия, толщиной более 4 мкм;
д) - проводят 5-ю фотолитографию и наносят просветляющее покрытие на нижнюю сторону структуры;
- проводят 6-ю фотолитографию и наносят слой металлизации на нижнюю часть структуры.
Принцип действия комбинированного элемента основан на ионизации полупроводникового материала - кремния одновременно светом и бета-излучением, например, никелем-63. 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. При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем p-n перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии, равном диффузионной длине носителя заряда. При этом комбинированный элемент фото- и бетавольтаики может накапливать энергию на плоском планарном конденсаторе, который заряжается как от фотоэлемента, так и от бетавольтаического элемента.
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 p-n переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Для увеличения тока генерации соотношение глубины микроканалов к их ширине должно быть порядка 20-80 и 4 мкм соответственно. Площадь плоского конденсатора занимает не более 1/3 площади нижней поверхности, фотоэлемент занимает, соответственно, - 2/3.
Технические преимущества изобретения:
- преимущество комбинированного накопительного элемента заключается в возможности накапливать энергию от различных источников энергии в моменты времени, когда потребления энергии не происходит;
- при производстве преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;
- толщина конструкции высоковольтного преобразователя соответствует толщине кремниевой пластины, т.е. 100-400 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 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.
Список литературы
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. № 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 p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. № 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. № 3. 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 Н.А. и др. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией, полученные вертикальным анизотропным травлением // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. № 9. С. 64-71.
7 - Spencer М. Chandrashekhar MVS, Thomas Ch. Nuclear batteries. USA Patent. US 8134216 B2. Pub. date: 13.03.2012.
8 - Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Synthesis of radioactive materials and compositions of same. European Patent. EP 1958928 A1. Pub. date: 20.08.2008.