ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ
BETA RADIATION-TO-ELECTRICAL ENERGY SEMICONDUCTOR CONVERTER

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к изготовлению маломощных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводников. Предлагаемый преобразователь является основным первичным элементом, из которых путем соответствующей коммутации могут собираться батареи бесперебойного электропитания со сроком службы 50 и более лет, безопасные в обращении и работоспособные независимо от условий окружающей среды, кроме физического разрушения.
Развитие и практическое внедрение изделий микросистемной техники поставили задачу создания миниатюрных энергоемких автономных источников электроэнергии нового поколения микроваттного диапазона мощности, отвечающих современным требованиям по таким показателям, как удельная энергоемкость, срок службы, время непрерывной работы, надежность в течение всего срока службы в широком диапазоне температур.
Наиболее полно поставленным требованиям отвечают атомные батареи, работающие на бета-вольтаическом эффекте. Бета-вольтаический эффект является аналогом фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электрон-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов (квантов светового излучения).
Единичный элемент бета-электрического преобразователя представляет собой полупроводник с p-n-переходом, контактирующий с радиоактивным источником бета-излучения. Образование электрон-дырочных пар происходит при кулоновском взаимодействии проникших в объем полупроводника бета-частиц с электронами атомов кристаллической решетки. Количество образовавшихся неравновесных носителей заряда пропорционально энергии и интенсивности потока падающих бета-частиц.
Первые работы по бета-электрическим преобразователям с использованием радионуклида стронция-90 относятся к середине 50-х годов прошлого столетия [Rappaport P.I., Loferski J.J., Lindery E.G. A study program of possible uses new principle. Nucleonics. 1957. vol.15, р.99]. Энергия испускаемых стронцием-90 электронов - 546 килоэлектронвольт - почти вдвое превышает порог радиационных повреждений кристаллической структуры полупроводника, вследствие чего происходит неизбежная деградация p-n-перехода. Вторым недостатком являлся довольно высокий уровень вредного для человека проникающего излучения, что требовало громоздкой защитной оболочки.
В семидесятых годах исследования бета-преобразования проводились с использованием прометия-147 и трития, наносимых на плоскую поверхность диодных структур из кремния [Гусев В.В., Кодюков В.М., Почтаков А.А., Пустовалов А.А. Особенности преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую с использованием кремниевых полупроводников с p-n-переходом. Радиационная техника. М.: Атомиздат, 1975, вып.11, с.61-67.]. Недостатком конструкций с прометием-147 является непродолжительный срок службы, обусловленный малым периодом полураспада этого радионуклида (2,62 года). Трудно преодолимая загрязненность прометия-147 сопутствующими радиоактивными изотопами прометия порождает нежелательные дозиметрические проблемы. Для конструкций с газообразным тритием характерна недостаточно высокая электрическая мощность, получаемая с единицы объема преобразователя бета-излучения (так называемая удельная мощность).
3
1
На современном уровне в качестве потенциальных первичных источников энергии для миниатюрных атомных батарей рассматриваются чистые (в смысле от любых других видов излучений) бета-излучатели. Из их числа наиболее перспективными являются тритий (тяжелый изотоп водорода H с периодом полураспада 12,3 года) и изотоп никеля никель-63, имеющий период полураспада 100 лет. Невысокая средняя энергия бета-спектров этих радионуклидов не создает проблем с радиационной защитой и настолько меньше порога радиационных повреждений полупроводника, что полностью исключается деградация p-n-перехода.
Одним из путей повышения удельной электрической мощности преобразователя является увеличение площади поверхности диодной структуры, покрытой источником бета-излучения. Для этого используется текстурирование пластин кремния. Например, в объеме пластины создается квазитрехмерная пористая структура, состоящая из множества расположенных упорядоченным образом пор («колодцев») [By Wei Sun, N.P.Kherani et. al. A Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233.]. Такая структура именуется макропористой и характеризуется тем, что глубина «колодцев» во много раз больше их поперечного размера. Использование макропористой структуры для изготовления полупроводникового бета-преобразователя связано с технологическими сложностями формирования диодной структуры и/или нанесения радиоактивных слоев в узких и глубоких порах (канавках). В результате увеличивается стоимость изготовления бета-преобразователя, а реально образующаяся неравномерность толщины слоев снижает срок его службы.
В качестве прототипа выбрана конструкция бета-преобразователя в виде диодной структуры из кремния с текстурированной поверхностью, покрытой радиоактивным никелем-63 [А.А.Пустовалов, В.В.Гусев, В.В.Заддэ, Н.С.Петренко, А.В.Тихомиров, Л.А.Цветков «Бета-вольтаический источник тока на основе никеля-63» Журнал «Атомная энергия», т.103, вып.6, декабрь 2007, стр.353-356.]. Недостатком этой конструкции является сложность формирования диодной структуры и создания покрытия из никеля-63 в узких и глубоких канавках, образующих текстурированную поверхность пластин кремния. В результате оказывается слишком высокой стоимость изготовления бета-вольтаического преобразователя.
Задачей данного изобретения является упрощение способа и снижение стоимости изготовления бета-преобразователя, повышение его удельной электрической мощности и надежности в эксплуатации.
Указанная задача решается тем, что в полупроводниковом преобразователе бета-излучения в электроэнергию, содержащем пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и радиоактивный слой вещества на текстурированной поверхности, текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, имеющих форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму, а слой, содержащий радиоактивное вещество, например никель-63, тритий или оба вместе, покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.
Дополнительное повышение удельной мощности бета-преобразователя достигается тем, что боковые стенки каналов и торцевые поверхности пластины имеют микрорельеф.
Дальнейшее повышение удельной мощности бета-преобразователя достигается оптимизацией соотношения толщины стенок и ширины каналов. Предпочтительно, чтобы расстояние между каналами и их ширина были соизмеримы.
Сущность изобретения поясняется с помощью фиг.1, 2, 3. На фиг.1 изображен в плане фрагмент конструкции единичного элемента бета-преобразователя. На фиг.2 показан в сечении тот же фрагмент конструкции бета-преобразователя. На фиг.3 показано увеличенное изображение рельефа поверхности пластины полупроводника, включая стенки каналов.
На фиг.1-3 бета-преобразователь состоит из пластины 1 полупроводника, имеющей текстурированную поверхность в виде множества сквозных микроканалов 2. Сквозные микроканалы 2 имеют форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму. Толщина стенок h между микроканалами 2 соизмерима с шириной микроканалов. Поверхность стенок 3 микроканалов 2, а также лицевая и тыльная стороны пластины полупроводника имеют микрорельеф 4. Практически вся поверхность пластины 1 полупроводника, за исключением боковой поверхности, содержит легированный слой 5, образующий p-n-переход 6 и диодную структуру. Легированный слой 5 покрыт токопроводящим радиоактивным слоем 7, выполняющим роль токосъемного контакта к диодной структуре и являющимся источником бета-излучения. Легированный слой 5 и слой 7 повторяют профиль текстурированной поверхности. Контакт 8 к базовой области пластины 1 полупроводника расположен на боковой поверхности. В качестве полупроводника могут использоваться кремний, карбид кремния, другие широкозонные полупроводники.
В качестве примера рассмотрим работу бета-преобразователя на никеле-63. Полупроводниковая пластина из кремния p-типа толщиной около 300 мкм пронизана сквозными круглыми каналами, расположенными в узлах квадратной решетки. Диаметр каналов и расстояние между ними предпочтительно составляют около 10 мкм, но практически могут варьироваться от доли микрона до 100 мкм. Легированный слой 5 формируется из кремния n-типа и создает p-n-переход 6 на глубине около 1 мкм и диодную структуру. Слой 7 толщиной примерно 2 мкм из никеля, обогащенного изотопом никель-63, генерирует бета-частицы со средней энергией 18 кэВ, часть которых проникает в объем полупроводника и порождает вдоль трека пробега множество неравновесных электронно-дырочных пар. Диодная структура и базовая область полупроводника имеют достаточно низкую скорость объемной и поверхностной рекомбинации, что позволяет собрать и разделить по знаку электрического заряда неравновесные носители на p-n-переходе. Полученная таким образом текстурированная поверхность кремния увеличивает в десятки раз площадь поверхности диодной структуры и поверхности, покрытой бета-излучающим слоем 7. Благодаря этому в единице объема полупроводника происходит пропорциональное увеличение плотности неравновесных носителей и, как следствие, увеличение удельной электрической мощности.
Изготовление предлагаемой конструкции бета-преобразователя проходит следующие основные этапы. Используют пластины полупроводника толщиной, сравнимой с диффузионной длиной неосновных носителей тока. Поверхность пластин покрывают защитной пленкой, например, из нитрида кремния. С помощью фотолитографии или импульсного лазера в защитной пленке вскрывают множество окон и анизотропным травлением создают сквозные каналы. Избирательным травлением создают микрорельеф на всей поверхности полупроводника, включая стенки каналов. После удаления защитной пленки из нитрида кремния термической диффузией из газовой фазы создают легированный слой 5. В случае использования пластин из монокристаллического кремния диффундируют примесь фосфора или бора. Затем наносят слой бета-излучателя с предпочтительной толщиной около 2 мкм для никеля-63 и около 0,3 мкм, если источником бета-частиц является тритий. Для осаждения никеля используют электрохимическое осаждение из раствора или термическое разложение газообразного тетракарбонила никеля на поверхности. Процесс изготовления преобразователя завершается лазерной обработкой боковой поверхности пластины для удаления в этом месте легированного слоя и нанесения металлического контакта 8 к базовой области пластины полупроводника.
Создание сквозных каналов и микрорельефа на стенках каналов позволяет многократно увеличить площадь поверхности полупроводника, покрытой слоем бета-излучателя, что ведет к повышению удельной электрической мощности бета-преобразователя.
Сквозные каналы, в сравнении с глухими «колодцами» (порами) или канавками, обеспечивают благоприятные условия для получения однородного по толщине слоя бета-излучателя и равномерной термической диффузии при создании p-n-перехода на всей текстурированной поверхности. Существенно упрощается технология нанесения слоев радиоактивного вещества, снижается трудоемкость изготовления бета-преобразователя и повышается надежность конструкции в процессе эксплуатации.