ЯДЕРНАЯ МИКРОБАТАРЕЯ
NUCLEAR MICRO-BATTERY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к ядерной микробатарее, которая содержит радиоизотоп и один или несколько диодов и в которой радиоизотоп распадается с образованием фотонов или частиц, принимаемых указанными одним или несколькими диодами для выработки тока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способность обеспечивать небольшие количества энергии в течение длительного периода времени становится все более значимой во многих областях применения, таких как технологии создания приборов на основе микроэлектромеханических систем, биомедицина и аэрокосмическая промышленность. Для этого могут быть использованы ядерные микробатареи, преобразующие ядерную энергию в электрическую. В ядерной микробатарее радиоактивный источник совмещен с конверсионным материалом, который поглощает частицы высокой энергии, испускаемые радиоактивным источником, и вырабатывает электрический ток. В отличие от традиционных источников питания, таких как химические батареи, ядерные микробатареи обладают важными характеристиками, такими как высокая плотность энергии, стабильность, устойчивость к повреждениям, и длительный срок службы Например, ядерные микробатареи в течение многих десятилетий могут обеспечивать небольшие количества энергии (напр. от ~пВт до ~мкВт).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение представляет собой ядерную микробатарею, которая содержит:
радиоактивный материал, который испускает фотоны или частицы; и
по меньшей мере один диод, который содержит полупроводниковый материал размещенный с возможностью приема и поглощения фотонов или частиц и выработки носителей электрического заряда в ответ на эти прием и поглощение, причем, упомянутый полупроводниковый материал представляет собой структуру кристаллической решетки, содержащую алюминий, индий и фосфор.
Было обнаружено, что использование этого типа полупроводникового материала в микробатарее обеспечивает микробатарее исключительно хорошие электрические характеристики. Это в особенности характерно для таких вариантов исполнения микробатареи, в которых радиоактивный источник испускает рентгеновское излучение, гамма-излучение или бета-частицы, а полупроводниковый материал преобразует это рентгеновское излучение, гамма-излучение или бета-частицы в носители электрического заряда.
Возможность использования полупроводникового материала для создания улучшенной микробатареи не была выявлена, хотя известно использование полупроводникового материала в фотодиодах для других целей, таких как спектроскопия. Радиоактивный материал содержит радиоизотоп в концентрации достаточной, чтобы доставить вышеупомянутые фотоны или частицы к диоду таким образом, что микробатарея вырабатывает электрическую энергию.
Поглощение фотонов или частиц полупроводниковым материалом приводит к образованию электронно-дырочных пар.
Структура кристаллической решетки может представлять собой AlInP. Это вещество может иметь решетку, согласованную по параметрам с обычной полупроводниковой подложкой GaAs, и поэтому может быть выращено на ней с высоким качеством кристалла. Качество согласованной по параметру кристаллической решетки AlInP, может быть очень высоким по сравнению с качеством нитридов III-V группы и соединений II-VI группы с аналогичной шириной запрещенной зоны. Контролировать легирование AlInP также легче, чем для некоторых полупроводников в других II-VI группах.
0,52
0,48
0,53
0,47
x
1-x
Структура решетки может иметь состав AlInР или AlInP. Такие композиции AlInP обеспечивают в значительной степени согласованность по параметрам материала с решеткой и позволяют вырастить материал на традиционных, таких как GaAs, подложках. Также эти соотношения позволяют выращивать AlInP с высоким качеством кристалличности и/или до относительно большой толщины. Это особенно ценно, поскольку, для увеличения вероятности поглощения какого-либо фотона или частицы из радиоактивного материала, может потребоваться относительно толстый слой AlInP. Однако предполагается, что материал AlInP может представлять собой кристаллическую структуру, с составом решетки AlInP, причем х имеет значение, отличное от 0,5.
AlInP может быть создан на подложке, предпочтительно на полупроводниковой, такой, как GaAs.
Микробатарея может содержать электроды для снятия электрического тока, вырабатываемого по меньшей мере одним упомянутым диодом путем выработки носителей электрического заряда.
По меньшей мере один диод может содержать множество диодов, соединенных параллельно или последовательно. Микробатарея может содержать ≥2, ≥3, ≥4, ≥5, ≥10, ≥15, ≥20, ≥30, ≥40, ≥50, ≥100, ≥150, или ≥200 диодов.
По меньшей мере один диод может содержать множество диодов, причем один или несколько диодов расположены на одной стороне радиоактивного материала, а один или несколько диодов - на второй, противоположной стороне радиоактивного материала.
Между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом может быть создан зазор, который может быть заполнен газом, поддерживаемым под давлением несколько ниже атмосферного. Разрежение в зазоре поддерживается на уровне давления несколько ниже атмосферного (относительно давления воздуха на уровне моря).
Между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом может быть создан зазор, который может быть заполнен инертным газом. Инертным газом может быть, например, гелий.
Между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом может быть создан зазор, который может быть заполнен радиоактивным газом. Таким газом может быть, например, тритий. В таком исполнении упомянутый радиоактивный материал может быть источником бета-частиц, поскольку бета-частицы в тритии имеют относительно большую среднюю величину длины свободного пробега. В вариантах исполнения, в которых диоды расположены на противоположных сторонах радиоактивного материала, зазоры могут быть предусмотрены на любой стороне радиоактивного материала, и один или оба этих зазора могут находиться под давлением ниже атмосферного и/или заполнены инертным газом и/или радиоактивным газом.
Радиоактивный материал и по меньшей мере один диод могут быть размещены в общем корпусе, который расположен и выполнен с возможностью по существу предотвращать выход из корпуса фотонов или частиц радиоактивного материала; или микробатарея может содержать экранирующий элемент, который расположен и выполнено возможностью по существу предотвращать прохождение через него фотонов или частиц радиоактивного материала.
Корпус или элемент защиты могут быть выполнены из металла, например из листового металла или из металлической фольги. Могут быть использованы такие металлы, как, например, алюминий, сталь (напр. нержавеющая сталь) или вольфрам. Однако допускается возможность применения и других металлов или других материалов при условии, что они препятствуют прохождению через них фотонов или частиц радиоактивного материала. Например, возможно использование керамического корпуса или экрана.
По меньшей мере один диод может содержать PIN переход или р-n переход, образованный упомянутой структурой кристаллической решетки.
+
+
PIN переход (напр. р-i-n) может быть образован нелегированным слоем AlInP, расположенным непосредственно между р-легированным слоем AlInP и n-легированным слоем AlInP.
Включение собственного i-слоя (с собственной электропроводностью) в PIN переход может быть использовано для создания относительно широкой обедненной области и, следовательно, относительно большого объема для поглощения фотонов или частиц радиоактивного материала и последующей выработки носителей заряда. Однако также допускается возможность создания слоя AlInP в виде р-n-перехода. р-n-переход может быть образован р-легированным слоем AlInP, контактирующим с п-легированным слоем AlInP. Альтернативно, материал слоя AlInP может быть выполнен с переходом в форме контакта Шоттки.
Толщины i-слоя PIN перехода могутиметь значения: ≥5 мкм, ≥10 мкм, ≥15 мкм, ≥20 мкм, ≥25 мкм, ≥30 мкм, ≥35 мкм, ≥40 мкм, ≥45 мкм или ≥50 мкм; и/или толщины i-слоя PIN перехода могутиметь значения: ≤5 Омкм; ≤45 мкм; ≤40 мкм; ≤35 мкм; ≤30 мкм; ≤25 мкм; ≤20 мкм; ≤15 мкм; ≤10 мкм; или ≤5 мкм. Каждый из перечисленных нижних пределов толщины, может быть объединен с любым из перечисленных верхних пределов толщины, при условии, что пределы не являются взаимоисключающими. Рассматриваются такие варианты исполнения, в которых толщины i-слоя имеют значения ≥6 мкм, ≥8 мкм или ≥23 мкм.
Создание такого относительно толстого i-слоя обеспечивает условия для поглощения сравнительно высокой доли падающих фотонов или частиц, в результате чего вырабатывается относительно большое количество носителей заряда, и диод становится сравнительно эффективен при выработке тока от фотонов или частиц. Относительно высокая толщина обеспечивает высокую квантовую эффективность устройства для различных типов радиоактивных источников (напр. источников рентгеновского или бета-излучения).
Полупроводниковый материал обеспечивает относительно высокий коэффициент затухания для испускаемых радиоактивным источником фотонов или частиц, и особенно для рентгеновского излучения.
Толщины р-слоя и/или n-слоя PIN-перехода могут иметь значения: ≤0,5 мкм, ≤0,4 мкм, ≤0,3 мкм, ≤0,2 мкм или ≤0,1 мкм.
Создание таких относительно тонких слоев ограничивает поглощение этими слоями фотонов или частиц. Например, в случае использования р-слоя (или n-слоя), расположенного на стороне перехода, обращенной к радиоактивному источнику, относительно тонкий р-слой (или n-слой) будет поглощать относительно небольшую долю фотонов или частиц таким образом, что большая часть падающих фотонов или частиц сможет попасть в i-слой PIN-перехода, быть в нем поглощенной и выработать носители заряда (хотя здесь допускается, что часть р-слоя может также активно способствовать выработке полезных носителей заряда).
Микробатарея может содержать электрод на каждой стороне PIN-перехода или р-n-перехода для подачи напряжения на переход и/или для снятия электрического тока, полученного в результате выработки носителей заряда в переходе. Причем по меньшей мере один из электродов частично не покрывает ту сторону перехода, на которой он расположен, так что упомянутые фотоны или частицы могут проходить в переход с указанной стороны, не проходя на упомянутый по меньшей мере один электрод.
По меньшей мере один электрод может быть кольцевым, перфорированным, с углублением или встречно-штыревым, для того, чтобы не закрывать полностью упомянутую сторону и дать возможность упомянутым фотонам или частицам проходить в переход, не проходя материал, формирующий электрод. Например, по меньшей мере один электрод может быть расположен только по периметру той стороны перехода, на которой электрод расположен.
По меньшей мере один электрод может закрывать ≤ х % площади той стороны перехода, на которой электрод расположен, причем значение х выбирается из: 40; 35; 30; 25; 20; 15 и 10.
Напряжение прямого смещения микробатареи может быть подано на PIN- или р-п-переход, причем это напряжение может иметь значения: ≥0,1 В; ≥0,2 В; ≥0,3 В; ≥0,4 В; ≥0,5 В; ≥0,6 В; ≥0,7 В; ≥0,8 В; ≥0,9 В; ≥1 В; ≥1,1 В; ≥1,2 В; ≥1,3 В; ≥1,4 В; ≥1,5 В; ≥1,6 В; ≥1,7 В; ≥1,8 В; ≥1,9 В; и ≥2 В; и/или ≤0,1 В; ≤0,2 В; ≤0,3 В; ≤0,4 В; ≤0,5 В; ≤0,6 В; ≤0,7 В; ≤0,8 В; ≤0,9 В; ≤1 В; ≤1,1 В; ≤1,2 В; ≤1,3 В; ≤1,4 В; ≤1,5 В; ≤1,6 В; ≤1,7 В; ≤1,8 В; ≤1,9 В; и ≤2 В. Любой из диапазонов, с пределом сверху, может быть объединен с диапазоном, с пределом снизу, при условии, что они не являются взаимоисключающими.
Каждый диод и по меньшей мере один может иметь структуру меза-диода. Альтернативно по меньшей мере один диод может быть создан способом ионного легирования или может представлять собой планарное устройство с контактами Шоттки.
Диод может содержать один или несколько слоев для создания электрического контакта на каждой стороне полупроводникового материала. Например, один из нескольких слоев может содержать по меньшей мере один слой металла и/или по меньшей мере один слой полупроводника. Примеры слоев металла включают такие металлы, как золото и титан. Примеры слоя полупроводника включают в себя GaAs или InGe.
Между одним и несколькими слоями может быть предусмотрен связующий слой для создания электрического контакта и полупроводникового материала (напр. AlInP), для хорошего соединения электрических контактов с полупроводниковым материалом (напр. AlInP). Связующим слоем может быть металл или полупроводник, такой, как GaAs. Одним из связующих слоев может быть подложка, на которой был создан полупроводниковый материал (напр. AlInP).
Поверхность каждого по меньшей мере одного диода, обращенного к радиоактивному материалу, фактически может иметь форму многоугольника.
Поверхность в форме многоугольника может иметь закругленные углы. Это помогает предотвратить электрический пробой на углах.
Поверхность в форме многоугольника может иметь по меньшей мере 5 сторон или по меньшей мере 6 сторон. Благодаря этому батарея может содержать несколько близко расположенных диодов, что позволяет оптимизировать соотношение размера и мощности батареи.
Радиоактивный материал может быть расположен в пределах расстояния X мм от материала полупроводника диода, причем величина X выбирается из значений: ≤5; ≤4; ≤3; ≤2; ≤1; ≤0,8; ≤0,7; ≤0,6; ≤0,5; ≤0,4; ≤0,3; ≤0,2; и ≤0,1.
Радиоактивный материал может являться источником рентгеновского и/или гамма-излучения или источником бета-частиц и/или нейтронов.
Варианты такого исполнения имеют преимущества перед такими микробатареями, которые преобразуют альфа-частицы и бета-частицы в носители заряда, поскольку альфа-частицы могут вызвать существенные повреждения устройства, а бета-частицы могут создать ионизационный след вдоль траектории движения бета-частицы, который уменьшает сопротивление и понижает напряжение батареи.
Однако, допускается, что радиоактивный источник может быть источником альфа-частиц.
Диод ядерной микробатареи может с помощью полупроводникового материала преобразовывать испускаемые радиоактивным материалом фотоны или частицы непосредственно в электричество, или может сначала преобразовать испускаемые радиоактивным материалом фотоны или частицы, в другие типы фотонов или частиц. Эти другие фотоны или частицы могут воздействовать на материал полупроводника для выработки носителей заряда.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Радиоактивный материал фактически может представлять собой планарную массу, величина массовой толщины которой выбирается из: ≤10 мг/см, ≤9 мг/см, ≤8 мг/см, ≤7 мг/см, ≤6 мг/см, ≤5 мг/см, ≤4 мг/см, ≤3 мг/см, ≤2 мг/см и ≤1 мг/см. Радиоактивный материал в действительности может представлять собой планарную массу, величина видимой активности которой на единицу площади, выбирается из: ≥1 МБк/мм; ≥2 МБк/мм; ≥3 МБк/мм; ≥4 МБк/мм; ≥5 МБк/мм; ≥6 МБк/мм; ≥7 МБк/мм; ≥8 МБк/мм; ≥9 МБк/мм; ≥10 МБк/мм; ≥12 МБк/мм; ≥14 МБк/мм; ≥16 МБк/мм; ≥18 МБк/мм; ≥20 МБк/мм; ≥25 МБк/мм; ≥30 МБк/мм; ≥35 МБк/мм; и ≥40 МБк/мм. Следует отметить, что любой из указанных выше пределов массовой толщины может комбинироваться с любым из указанных выше пределов видимой активности.
Установлено, что предпочтительным является высокий уровень видимой активности радиоактивного материала, а не фактической активности радиоактивного материала как таковой (вследствие явления самопоглощения в радиоактивном материале), и что постоянное увеличение количества радиоактивного материала не будет постоянно увеличивать видимую активность. Соответственно, утверждается, что величина массовой толщины радиоактивного материала может быть оптимизирована таким образом, чтобы при относительно низком значении массовой толщины радиоактивного материала получить хорошую производительность микробатареи (т.е. относительно высокую видимую активность).
Микробатарея может содержать преобразователь для поглощения или взаимодействия с фотонами или частицами, испускаемыми радиоактивным материалом, и выработки других типов фотонов или частиц в ответ на эти поглощения и взаимодействия; при этом материал полупроводника выполнен для осуществления захвата и поглощения этих фотонов или частиц другого типа и выработки электрической энергии в ответ на эти захваты и поглощения. Например, в качестве преобразователя может быть использован фосфорный или другой сцинтиллятор для поглощения или взаимодействия с фотонами или частицами, испускаемыми радиоактивным материалом, и выработки в ответ на эти поглощения и взаимодействия других типов фотонов или частиц, которые затем проходят на диод.
Например, преобразователь может принимать нейтроны из радиоактивного материала (напр. от AmBe источника) и вырабатывать в ответ электроны и/или гамма-излучение, которые затем падают на диод для выработки носителей заряда.
Преобразователем может быть металлическая фольга, такая как, например, Гадолиниевая фольга.
Преобразователь может быть устроен таким образом, чтобы не подвергать диод прямому воздействию радиоактивного материала, уменьшая тем самым повреждение диода.
По меньшей мере один диод может быть не лавинным диодом. Микробатарея может не содержать усилитель тока и не усиливает ток от микробатареи.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Микробатарея может содержать внешний корпус, определяющий объем батареи, выбранный из следующих значений: ≤50 см, ≤40 см, ≤30 см, ≤20 см, ≤10 см, ≤5 см, ≤4 см, ≤3 см, ≤2 см, или ≤1 см.
Настоящее изобретение также предлагает устройство, которое содержит микробатарею, как описано далее и электронное устройство, подсоединенное к микробатарее, или с возможностью подсоединения к микробатарее, с целью получения питания от микробатареи для выполнения одного или нескольких действий.
Устройство может быть выполнено таким образом, что микробатарея подает электрический ток на электронное устройство без усиления тока.
Варианты исполнения настоящего изобретения предлагают надежную, миниатюрную и высокоэффективную радиоизотопную микробатарею для устройств микроэлектроники с низким потреблением мощности. Устройство может использоваться во множестве приложений, где не применима технология химической батареи, например, из-за способа использования, условий окружающей среды или ограничений объема или массы источника питания. Варианты исполнения изобретения используются в электронных устройствах, требующих повышенной надежности в подаче относительно небольшого количества энергии (напр. подача питания в диапазоне мощности от 1 пВт до 1000 нВт) в течение длительных периодов времени (напр. ≥ 10 лет), например, в электронных медицинских имплантатах, устройствах защиты от несанкционированного доступа, встроенной электронике, военных шифровальных устройствах с резервным питанием от батарей, в часах реального времени, устройствах отслеживания активов и локаторах, а также в датчиках, предназначенных для контроля целостности конструкции или загрязнения окружающей среды. Варианты исполнения изобретения применимы в устройствах, которые при использовании подвергаются воздействию экстремальных температур, давления, вибрации или других неблагоприятных условий окружающей среды, например, таких, как высокоточные управляемые боеприпасы или интеллектуальное оружие, точные управляемые системы вооружения и многоцелевые боеприпасы, ключи шифрования в микроэлектронных устройствах, устройства наблюдения за хранением ядерных отходов или за другими экстремальными условиями окружающей среды, такими как вулканическая активность и геологические разрывы.
Варианты исполнения изобретения полезны в тех случаях, когда требуются длительные периоды резервного питания, например, для усиления основного источника питания химических батарей.
Заявляемые микробатареи могут быть использованы в таких областях, как технологии создания приборов на основе микроэлектромеханических систем, военная и аэрокосмическая промышленность, биомедицина.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи будут описаны различные варианты исполнения настоящего изобретения, приведенной только в качестве примера, на чертежах:
Фиг. 1 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для фотодиода в соответствии с вариантом исполнения;
Фиг. 2 показывает зависимость между логарифмом тока насыщения и температурой для фотодиода;
Фиг. 3 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока и фототока от приложенного напряжения смещения для фотодиода;
Фиг. 4 показывает зависимость типовых характеристик тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для фотодиода;
Фиг. 5А показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры для фотодиодов, а Фиг. 5В показывает найденную зависимость между напряжением разомкнутой цепи и током насыщения;
Фиг. 6 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры для фотодиодов;
Фиг. 7 показывает зависимость выходной мощности фотодиода от приложенного напряжения прямого смещения при различных температурах;
Фиг. 8А показывает зависимость величины максимальной измеренной выходной мощности от температуры, а Фиг. 8В показывает зависимость эффективности внутренней конверсии от температуры; и
Фиг. 9 схематически показывает геометрическое расположение радиоактивного источника и фотодиодов;
Фиг. 10 показывает зависимость характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для бета-вольтаического элемента;
Фиг. 11 показывает зависимость измеренного тока насыщения и коэффициента идеальности от температуры;
Фиг. 12 показывает зависимость характеристик фототока от напряжения прямого смещения при различных температурах;
Фиг. 13 показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры;
Фиг. 14 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры;
Фиг. 15 показывает зависимость выходной мощности бета-вольтаического элемента от приложенного напряжения прямого смещения в диапазоне температур;
Фиг. 16 показывает зависимость максимальной измеренной выходной мощности от температуры и зависимость эффективности внутренней конверсии бета-вольтаического элемента от температуры;
6
3
Фиг. 17 показывает зависимость фактической поверхностной активности на единицу площади и измеряемой поверхностной активности на единицу площади радиоактивного материала Ni от массовой толщины радиоактивного материала;
Фиг. 18 показывает зависимость вероятности излучения источника от энергии бета-частицы;
Фиг. 19 показывает схематическое изображение микробатареи, с расположенными по обе стороны от радиоактивного материала матрицами диодных ячеек;
Фиг. 20 показывает схематическое изображение ячейки диода в соответствии с вариантом исполнения; и
Фиг. 21 показывает схематическое изображение ячейки сверху вниз, с изображением верхнего омического контакта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В вариантах исполнения настоящего изобретения ядерная микробатарея содержит радиоактивный источник для излучения фотонов или частиц и по меньшей мере один диод для приема этих фотонов или частиц и преобразования их энергии в электрическую энергию.
Далее, исключительно в качестве примера, будет описан типовой вариант исполнения ядерной микробатареи для лучшего понимания изобретения. В этом варианте исполнения микробатарея содержит радиоизотоп для излучения рентгеновских лучей и фотодиод для преобразования энергии рентгеновских лучей в электричество. Следует иметь в виду, что изобретение не ограничивается конкретным радиоактивным источником или диодом, содержащим все описанные слои, или конкретным составом различных слоев в данном примере.
0,52
0
48
0,52
0,48
0,52
0,48
0,52
0,48
0,52
0,48
0,52
0,48
3
4
2
2
2
2
4
2
2
2
18
-3
17
-3
18
-3
В соответствии с Таблицей 1, типовой фотодиод содержит указанные слои. Слой пластины AlIn,Р (слои 3-5 в Таблице 1) был выращен по методу газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС) на n+ -легированной GaAs:Si подложке (слой 6 в Таблице 1) с разориентацией в 10 градусов по отношению к <1 1 1> А, для подавления упорядоченной фазы как у CuPt, для создания p+-i-n+структуры. Слои пластины AlInP были успешно выращены на подложке GaAs для создания легированного кремнием n+слоя AlInP с концентрацией легирования 2 х 10 см и толщиной 0,1 мкм (слой 6 в Таблице 1), за которым следует внутренний слой AlInP, не имеющий легирования и с толщиной 2 мкм (слой 4 в Таблице 1), за которым следует цинковый р+ - легированный слой AlInP, с концентрацией легирования 5×10 см и толщину 0,2 мкм (слой 3 в Таблице 1). Сильно легированный цинковый р+ - легированный слой GaAs, с концентрацией легирования 1×10 см и толщину 0,01 мкм (слой 2 в Таблице 1), был выращен над р+ - легированным слоем AlInP (слой 3 в Таблице 1) для улучшения омического контакта. Затем для изготовления двух круглых меза-фотодиодов с диаметром 400 мкм применялись методы жидкостного химического травления слоев. Для травления круглых меза-фотодиодов был применен раствор НРО:НО:HO, в соотношении 1:1:1, а затем в течение 10 с раствор HSO:НО:HO в соотношении 1:8:80.
Омический верхний контакт был создан на сильно легированном слое GaAs (слой 2 в Таблице 1) путем напыления как слоя золота толщиной 0,2 мкм, так и слоя титана толщиной 0,02 мкм с образованием контакта сплава Au/Ti (элемент 1 в Таблице 1). Верхний Омический контакт покрывал 33% поверхности каждого фотодиода диаметром 400 мкм. Омический тыльный контакт был создан на тыльной поверхности подложки GaAs (слой 6 в Таблице 1) путем напыления слоя InGe толщиной 0,02 мкм (слой 8 в Таблице 1) и слоя золота толщиной 0,2 мкм (слой 8 в Таблице 1).
5
6
Каждый из двух разпассивированных меза фотодиодов диаметром 400 мкм был создан на одной микросхеме и подвержен воздействию 238 МБк от источника рентгеновского излучения  Fe (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ). Источник рентгеновского излучения был расположен в 5 мм от поверхности фотодиодов.
Квантовая эффективность рентгеновского излучения полупроводникового фотодетектора определяется процентным содержанием фотонов рентгеновского излучения, поглощенных фотодетектором. Согласно закону Ламберта-Бэра и, допуская накопление полного заряда в активном р-слое и i-слое, были рассчитаны квантовые эффективности рентгеновского излучения в 20% и 30% для каждого фотодиода для фотонов 5,9 кэВ и 6,49 кэВ соответственно, принимая во внимание мертвую зону GaAs. Значения квантовой эффективности (QE) были рассчитаны согласно равенству (1) ниже, с учетом того, что 33% поверхности каждого фотодиода были покрыты верхним металлическим контактом. Квантовая эффективность представляет собой:
Ti
Ti
Au
Au
GaAs
GaAs
AlInP
AlInP
0,52
0,48
0,52
0,48
-1
-1
3
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Где μ и d - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина Ti, μ и d - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина Au, μ и d - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина GaAs, μ и d - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина активной зоны AlInP. Для расчета квантовой эффективности при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ были приняты значения коэффициентов ослабления AlInР, равные 0,1301 мкм и 0,1004 мкм (при плотности соединения 3,66 г/см). Для расчета квантовой эффективности при 5,9 кэВ для GaAs, Ti и Au были приняты значения коэффициентов ослабления 0,0837 мкм, 0,2081 мкм и 0,8832 мкм, соответственно. Для расчета квантовой эффективности при 6,49 кэВ для GaAs, Ti и Au были приняты значения коэффициентов ослабления 0,0645 мкм, 0,1684 мкм и 0,718 мкм, соответственно.
+
+
Микробатарея была исследована в диапазоне температур от -20°С до 160°С с помощью климатической камеры TAS Micro МТ с атмосферой сухого азота (относительная влажность <5%). При различных значениях температуры, были измерены характеристики темнового тока и фототока каждого p-i-n фотодиода в зависимости от приложенного напряжения смещения. Измерения напряжения прямого смещения от 0 В до 1,6 В выполнялись с промежутком в 0,01 В с помощью пикоамперметра / источника напряжения серии Keithley 6487. Погрешность, связанная со значениями тока, составляла 0,3% от их величины плюс 400 фА, при том, что погрешность, связанная с приложенным напряжением смещения, составляла 0,1% от их значений плюс 1 мВ.
0
Фиг. 1 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для одного из фотодиодов. Можно увидеть, что темновые токи растут в зависимости от приложенного напряжения прямого смещения из-за большей величины электрического поля во внутренней области каждого фотодиода. Величина темнового тока в фотодиоде также увеличивается с температурой из-за наличия более высокой тепловой энергии. Для каждого значения температуры был применен метод наименьших квадратов данных темнового тока в зависимости от приложенного напряжения смещения для экстраполяции тока насыщения (I) в каждом фотодиоде.
0
0
g
Фиг. 2 показывает измеренную зависимость логарифма тока насыщения (I) от температуры для одного из фотодиодов. Также Фиг. 2 показывает зависимость тока насыщения (I) от температуры для одного из фотодиодов. Значение рассматриваемого натурального логарифма тока насыщения уменьшилось при более высоких температурах. В диапазоне температур от -20°С до 160°С значение уменьшилось на 22,19±0,13 для одного фотодиода и на 22,18±0,10 для другого фотодиода. Эти значения прекрасно согласуются с ожидаемой величиной уменьшения на 22,27, рассчитанной на основе предположения, что температурная зависимость тока насыщения пропорциональна ехр(-E/2kT),
-1
-1
5
5
Фиг. 3 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока (круги с заливкой) и фототока (пустые круги) от приложенного напряжения смещения для одного из фотодиодов при 20°С. Можно увидеть, что с ростом напряжения прямого смещения темновой ток остается относительно стабильным, а затем начинает экспоненциально возрастать в зависимости от приложенного напряжения смещения. Темновой ток возрастает экспоненциально и пропорционально функции exp{qV/nkT}, где n - коэффициент идеальности, k - постоянная Больцмана и T - температура. Применение метода наименьших квадратов данных для каждого диода показывает линейную зависимость значений натурального логарифма темнового тока от приложенного напряжения прямого смещения. Значения градиентов, полученные методом наименьших квадратов, составляют (22,23±0,10) АВ и (22,36±0,07) АВдля двух фотодиодов, соответственно. Для этих диодов, соответственно, были получены такие значения коэффициентов идеальности: 1,775±0,008 и 1,769±0,006. Эти (близкие к 2) значения коэффициентов идеальности показывают, что токи генерации-рекомбинации в устройстве доминировали над токами диффузии. Под воздействием излучения источника рентгеновского излучения радиоизотопа  Fe измеренное значение величины тока (пустые кружки на Фиг. 3) через каждый фотодиод увеличилось, так как к темновому току добавился фототок. После излучения фотоны рентгеновского излучения были поглощены фотодиодом с созданием электрон-дырочных пар в результате фотоэффекта. Таким образом, электроны и дырки в обедненной области перемещались в области р+ - типа и n+ - типа соответственно, вырабатывая наблюдаемый фототок.
Фиг. 4 показывает зависимость типовых характеристик тока от напряжения прямого смещения при различных температурах в диапазоне от -20°С до 160°С для одного из фотодиодов, подверженного воздействию рентгеновского излучения источника. Данные, полученные при температуре 160°С, отмечены кругами с заливкой, полученные при 140°С, отмечены пустыми кругами, при 120°С, отмечены квадратами с заливкой, при 100°С, отмечены пустыми квадратами, при 80°С, отмечены ромбами с заливкой, при 60°С, отмечены пустыми ромбами, при 40°С, отмечены крестиками, при 20°С, отмечены треугольниками с заливкой, при 0°С, отмечены пустыми треугольниками и при -20°С, отмечены звездочками. Видно, что при повышенных температурах уменьшается плавность кривой зависимости измеренного тока в фотодиоде от приложенного напряжения прямого смещения. Экспериментальные значения напряжения разомкнутой цепи были получены как точки пересечения кривых с горизонтальной осью на Фиг. 4.
oc
0
Фиг. 5А показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры для одного фотодиода. С ростом температуры напряжение разомкнутой цепи уменьшается, так как зависит от тока насыщения. Напряжение разомкнутой цепи (V) логарифмически возрастает с уменьшением тока насыщения (I), в соответствии со следующей формулой:
ph
0
где k - постоянная Больцмана, T - температура, I - фототок через устройство и I - ток насыщения.
ос
0,52
0,48
-1
-1
5
5
Наблюдается линейное снижение напряжения разомкнутой цепи с температурой. В диапазоне от -20°С до 160°С, напряжение разомкнутой цепи V=- AT+В; где А=(0,00460±0,00003) В°С и В=(0,871±0,002) В для одного фотодиода, и где А=(0,00460±0,00002) В°С и В=(0,866±0,002) В для другого фотодиода. Значения напряжения разомкнутой цепи до 0,97 В наблюдались для фотодиодов при -20°С. Эти значения намного превышают полученные ранее (напр. 0,3 В при использовании микробатареи на основе радиоизотопа GaAs Fe при такой же температуре). Это происходит благодаря более высокому значению ширины запрещенной зоны AlInP по сравнению с GaAs.
Фиг. 5В показывает найденную экспериментальную зависимость между напряжением разомкнутой цепи и током насыщения.
Фиг. 6 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры фотодиодов. Эти экспериментальные значения тока короткого замыкания были получены как точки пересечения кривых на Фиг. 4 с вертикальной осью. Наблюдалось не достаточно определенное соотношение между током короткого замыкания и температурой из-за относительно высокой погрешности пикоамперметра в измерениях низких токов фотодиодов, расположенных в системе климатической камеры.
Фиг. 7 показывает зависимость выходной мощности одного фотодиода от приложенного напряжения прямого смещения при различных температурах. Данные, полученные при 160°С, отмечены ромбами с заливкой, при 140°С, отмечены пустыми ромбами, при 120°С, отмечены треугольниками с заливкой, при 100°С, отмечены пустыми треугольниками, при 80°С, отмечены черточками, при 60°С, отмечены крестиками, при 40°С, отмечены квадратами с заливкой, при 20°С, отмечены пустыми квадратами, при 0°С, отмечены кругами с заливкой и при -20°С, отмечены пустыми кругами. Выходная мощность каждого фотодиода была рассчитана в результате умножения приложенного напряжения смещения и соответствующего, измеренного устройством, тока. Как показано на Фиг. 7, с ростом напряжения смещения выходная мощность сначала возрастает до максимума и затем снижается.
0,52
0,48
Фиг. 8А показывает зависимость величины максимальной измеренной выходной мощности от температуры. С ростом температуры величина максимальной выходной мощности уменьшается в связи с зависимостью от фото-ЭДС. Максимальное значение выходной мощности 0,62 пВт, соответствующее 0,3 мкВт/Ки, наблюдалось на фотодиоде при -20°С. В результате сложения выходных мощностей двух фотодиодов диаметром 400 мкм полная выходная мощность микробатареи составит 1,2 пВт (при -20°С). Можно улучшить значение максимальной выходной мощности фотодиодов с помощью увеличения толщины внутреннего слоя AlInP таким образом, что большая доля фотонов рентгеновского излучения поглощается и преобразуется в электрическую энергию.
th
th
0,52
0,48
th
55
55
Фиг. 8В показывает зависимость эффективности внутренней конверсии от температуры. Эффективность внутренней конверсии была рассчитана путем деления максимальной выходной мощности, измеренной при каждой температуре, на максимальную мощность (P) полученную от фотонов рентгеновского излучения обычно поглощаемых фотодиодом, при 100% эффективности конверсии фотодиода. Значение P было определено на основании известных значений активности источника, вероятности эмиссии Mn Kα и Mn Kβ рентгеновского излучения от Fe (0,245 и 0,0338 соответственно), толщины бериллиевого (Be) окна (0,25 мм) радиоизотопного источника рентгеновского излучения, площади радиоактивного источника Fe и слоя AlInP меза диода, квантовой эффективности диода и допускаемой величины энергии создания электронно-дырочных пар в 5,8 эВ (в 2,5 раза больше ширины обедненной зоны). Значение P было определено как 2,8 пВт. Как показано на Фиг. 8В величина эффективности внутренней конверсии может достигать 22% при -20°С.
5
5
7
5
7
2
2
7
4
В вариантах исполнения, описанных выше, только 0,3% испускаемых фотонов рентгеновского излучения попадали на поверхность фотодиодов и только 0,05% были действительно поглощены фотодиодами. Количество фотонов, испускаемых источником в любом направлении за одну секунду, было определено на основании известных значений активности источника и вероятностей эмиссии Mn Kα и Mn Kβ рентгеновского излучения от  Fe (0,245 и 0,0338 соответственно). Было установлено, что количество фотонов, испускаемых радиоактивным источником за одну секунду, равно 6,6×10. Примерно половина из них испускаются в направлении фотодиодов и, предположительно половина фотонов теряется потому, что испускаются в направлении противоположном от фотодиодов. Количество фотонов, падающих на фотодиоды за одну секунду, было определено как 1,7×10 в секунду, на основании количества фотонов в секунду, испускаемых источником в направлении фотодиодов (3,3×10 в секунду), толщины (0,25 мм) бериллиевого (Be) окна радиоизотопного источника рентгеновского излучения и расположения источника и фотодиодов. Фиг. 9 схематически показывает расположение источника и детектора. Соотношение площадей поверхности фотодиодов (0,25 мм) и поверхности радиоактивного источника (28,27 мм) равно 0,0089. Количество фотонов на детекторе определено умножением числа 0,0089 на количество фотонов, проходящих за 1 секунду через бериллиевое (Be) окно источника рентгеновского излучения (1,9×10 в секунду). Количество фотонов, поглощаемых фотодиодами в секунду, было рассчитано по закону Ламберта - Бэра при условии накопления полного (100%) заряда в активных р- и i-слоях. Количество фотонов в секунду на фотодиодах было умножено на квантовую эффективность устройства, вычисленную по формуле (1) выше, при условии, что 3,4×10 фотонов в секунду поглощается фотодиодами.
Не смотря на то, что описание настоящего изобретения составлено со ссылкой на предпочтительные варианты исполнения, специалистам в данной области будет понятно, что в форме и деталях возможны различные изменения в пределах объема изобретения, как указано в сопроводительных пунктах.
Различные радиоактивные источники могут быть использованы помимо упомянутых выше. Радиоактивный источник может испускать фотоны отличные от рентгеновского излучения. В качестве альтернативы радиоактивный источник может испускать альфа-частицы, бета-частицы или нейтроны, которые поглощаются диодом и преобразуются в электрическую энергию.
63
63
Например, радиоактивным источником может быть эмиттер бета-частиц, такой, как Ni. Теперь будет описан вариант исполнения, в котором микробатарея содержит радиоактивный источник Ni (активность 185 МБк; энергия электрона до 66 кэВ), расположенный на расстоянии 3 мм от диода, как описано выше в соответствии с Таблицей 1.
Программа компьютерного моделирования CASINO (версия 3.3) Монте Карло была использована для моделирования взаимодействия бета-электронов в диоде. В частности, было изучено количество энергии бета-частиц, поглощенной в i-слое AlInP. Были смоделированы процессы испускания источником 4000 бета-частиц с величиной энергии в промежутке между 1 кэВ и 66 кэВ и попадания частиц на р+ сторону эпитаксиального слоя AlInP. Моделирование показало, что бета-частицы с энергиями ниже 22 кэВ не достигали i-слоя преимущественно из-за ослабления энергии частиц в защитном неактивном Ni поверхностном слое используемого источника бета-частиц. Ослабление в верхнем контакте металла (покрывающем 33% поверхности диода) и в мертвом слое GaAs было вторичным эффектом, так же как и ослабление в р+слое AlInP. Бета-электроны с энергией ≥22 кэВ оставили часть своей энергии в i-слое. В модели предполагалось, что электроны с энергией 39 кэВ оставили наибольшую часть своей энергии в i-слое (17%): бета частицы с энергией <39 кэВ потеряли часть своей энергии выше i-слоя, в то время как бета частицы с энергией >39 кэВ легко преодолели i-слой толщиной 2 мкм, оставив там лишь малую часть своей энергии (напр. только 8% энергии от 66 кэВ было поглощено в i-слое). Таким образом, структура диода в Таблице 1 оптимизирована для поглощения бета-электронов из радиоактивного источника с энергией 39 кэВ.
63
63
Однако в радиоактивном источнике Ni наиболее вероятным является испускание электронов с энергией 17 кэВ; относительная вероятность испускания электронов с энергией 39 кэВ относительно 17 кэВ составляет 0,5. По этой причине радиоизотопный Ni источник бета-частиц без защитного неактивного поверхностного слоя Ni и/или более толстый i-слой AlInP и/или более тонкий р+-слой могут быть использованы для возможного поглощения электронов в более широком диапазоне энергий. Это позволит оставлять в i-слое больший процент энергии, испускаемой радиоактивным материалом.
63
Изучение радиоизотопного бета-вольтаического элемента в диапазоне температур от 140°С до -20°С проводилось с помощью климатической камеры TAS Micro для достижения и поддержки температуры исследования. Для контроля влажности атмосферы, в которой проводилось тестирование элемента (относительная влажность <5%) в климатическую камеру непрерывно направлялся поток сухого азота. Исследование эффективности элемента проводилось с использованием пикоамперметра/источника напряжения серии Keithley 6487. Измерения напряжения прямого смещения в условиях затемнения и под воздействием бета-излучения от источника - радиоизотопа Ni проводились в диапазоне от 0 В до 1 В с интервалом в 0,01 В. Погрешность, связанная со значениями тока составляла 0,3% от их величины плюс 400 фА, при том, что погрешность, связанная с приложенным напряжением смещения составляла 0,1% от их значений плюс 1 мВ.
Фиг. 10 показывает зависимость характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения для бета-вольтаического элемента при различных температурах. Исследовались температуры 140°С (круги с заливкой), 120°С (пустые круги), 100°С (квадраты с заливкой), 80°С (пустые квадраты), 60°С (крестики), 40°С (треугольники с заливкой), 20°С (пустые треугольники), 0°С (ромбы с заливкой), и -20°С (пустые ромбы). Очевидно, что при высоких температурах темновой ток через устройство увеличивается за счет наличия большей тепловой энергии. С ростом напряжения прямого смещения к обедненной области диода прикладывается большее электрическое поле, что приводит к увеличению темнового тока при каждой температуре
Темновой ток I и приложенное напряжение смещения для простого р-n диода связаны соотношением:
0
0
0
-1
где I - ток насыщения, q - элементарный заряд электрона, n - коэффициент идеальности, k - постоянная Больцмана, и Т - температура. При каждом значении температуры величины I и n диода определялись экспериментально с помощью линейного метода наименьших квадратов натурального логарифма измеренного темнового тока в зависимости от приложенного напряжения прямого смещения. Уравнение выше было представлено в линейном виде: Ln/=А+BV, при А=LnI и В=q(nkT), и применен линейный метод наименьших квадратов.
0
0
Фиг. 11 показывает соответствующие зависимости логарифма измеренного тока насыщения (левая ось, круги с заливкой) и коэффициента идеальности (правая ось, крестики) от температуры. Натуральный логарифм тока насыщения возрастает с уменьшением температуры. Наблюдался рост значений натурального логарифма на 23,13±0,19 (соответствующий увеличению тока насыщения I на 0,013 пА) в диапазоне температур между 140°С и -20°С. Что прекрасно согласуется с ожидаемым ростом натурального логарифма на 20,50 (соответствующим увеличению тока насыщения, Iна 0,008 пА). Расчет ожидаемого роста был выполнен на основании предположения, о том, что температурная зависимость натурального логарифма тока насыщения пропорциональна Eg/2kT. В данном диапазоне температур также наблюдалось изменение коэффициента идеальности. Поскольку значение коэффициента идеальности было >1,5 при каждом значении температуры, то можно заключить, что механизм генерации-рекомбинации являлся доминантным по отношению к механизму диффузии. Меньшее значение коэффициента идеальности, которое наблюдалось при более высокой температуре (1,561±0,003 при 140°С против 1,682±0,011 при -20°С) можно объяснить увеличением вклада диффузионного тока при повышенной температуре.
Фиг. 12 показывает зависимость характеристик фототока от напряжения прямого смещения при 5 различных температурах. Исследовались температуры 140°С (круги с заливкой), 120°С (пустые круги), 100°С (квадраты с заливкой), 80°С (пустые квадраты), 60°С (крестики), 40°С (треугольники с заливкой), 20°С (пустые треугольники), 0°С (ромбы с заливкой), и -20°С (пустые ромбы). Напряжение разомкнутой цепи и ток короткого замыкания экстраполировались, соответственно, как точки пересечения кривых с горизонтальной и вертикальной осями. При температурах выше 40°С ток, проходящий через устройство, возрастал с уменьшением температуры. Противоположная тенденция наблюдалась при температурах ниже 40°С. В диапазоне температур между 40°С и -20°С измеренные характеристики тока имели разброс, накладывались одна на другую, указывая тем самым, что эффекты насыщения от проводимости, индуцированной бета-частицами, преобладали над тепловым механизмом (рассеянием), значение которого возрастало при более высоких температурах. Бета-электроны, теряя энергию в структуре AlInP, вырабатывали электронно-дырочные пары вдоль траекторий своего движения, что снижало резистивность в этой зоне
Фиг. 13 показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры. Напряжение разомкнутой цепи снижается с ростом температуры.
Фиг. 14 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры. Фиг. 15 показывает зависимость выходной мощности бета-вольтаического элемента от приложенного напряжения прямого смещения в диапазоне температур. Исследовались температуры 140°С (круги с заливкой), 120°С (пустые круги), 100°С (квадраты с заливкой), 80°С (пустые квадраты), 60°С (крестики), 40°С (треугольники с заливкой), 20°С (пустые треугольники), 0°С (ромбы с заливкой), и -20°С (пустые ромбы). Выходная мощность бета-вольтаического элемента рассчитывалась по формуле: Р=IV. С ростом приложенного напряжения прямого смещения выходная мощность элемента возрастала до максимума (Pm) и затем снижалась. При температурах ниже 40°С характеристики мощности имели разброс и накладывались одна на другую, как следствие результатов для тока, показанных в Фиг. 12.
th
th
Фиг. 16 показывает зависимость величины максимальной измеренной выходной мощности от температуры (левая ось, круги с заливкой) и зависимость эффективности внутренней конверсии бета-вольтаического элемента от температуры (правая ось, пустые круги). Эффективность внутренней конверсии бета-вольтаического элемента была подсчитана путем деления максимального экспериментального значения выходной мощности на максимальную мощность (P). Значение P, было рассчитано по следующей формуле:
63
2
2
i
Ni
AlInP
AlInP
th
где А - активность радиоактивного Ni источника (185 МБк), Eт вероятность эмиссии электрона с энергией i, A - площадь радиоактивного источника (49 мм), A - площадь детектора AlInP (0,13 мм), QEi - доля энергии каждого, поглощенного в меза-устройстве, электрона (рассчитанная с помощью программы CASINO), и ω - это энергия создания электронно-дырочной пары AlInP (5,34 эВ). В выше указанной формуле, активность радиоактивного источника была уменьшена вдвое на основании предположения, что половина электронов теряется, в связи с тем, что выпускается диодом. Величина P, была определена и равна 4,3 пВт.
На Фиг. 16 величина максимальной выходной мощности возрастает с уменьшением температуры, достигая значения насыщения 0,28 пВт, соответствующего 0,11 мкВт/Ки при температурах <40°С. Наблюдаемое поведение можно объяснить, учитывая зависимость максимальной выходной мощности от напряжения разомкнутой цепи. Эффективность ядерной микробатареи зависит, частично, от видимой активности радиоактивного материала, используемого для освещения по меньшей мере одного диода и, частично, от толщины материала полупроводника для поглощения фотонов или частиц испускаемых радиоактивным материалом.
0
Для конкретного радиоактивного материала, возможно, определить фактическую активность и видимую активность. В любой момент времени, активность А, через промежуток времени t лет, связана с исходной активностью А (в момент времени t=0), следующим выражением:
1/2
где T - период полураспада радиоактивного материала.
Благодаря явлению самопоглощения в самом радиоактивном материале видимая активность на единицу поверхности, А арр, определяется по формуле:
m
m
2
2
где С [МБк/мг] - удельная активность источника радиоактивного материала, t [мг/см] - массовая толщина радиоактивного материала и μ [см/мг] - массовый коэффициент ослабления.
Например, для радиоактивного материала, испускающего бета-частицу, массовый коэффициент ослабления определяется формулой:
max
m
63
2
где E [МэВ] является максимальной энергией бета-частицы. Данный бета-радиоизотопный радиоактивный материал имеет удельный массовый коэффициент ослабления (напр. для Ni, μ=0,828 см/мг).
63
63
63
Удельная активность зависит от чистоты радиоактивного материала. Например, величина удельной активности радиоактивного материала Ni высокой чистоты может быть равной 2072 МБк/мг, и будет меньше для менее чистого радиоактивного материала Ni. Удельная активность типового доступного в промышленном производстве Ni радиоактивного материала равна 481 МБк/мг.
63
2
Фиг. 17 показывает зависимость фактической активности на единицу поверхности (непрерывные линии) и видимой активности на единицу поверхности (прерывистые линии) радиоактивного материала Ni от массовой толщины (в мг/см) радиоактивного материала, для материала с удельной активностью 2072 МБк/мг и материала с удельной активностью 481 МБк/мг. Можно заметить, что фактическая активность на единицу поверхности линейно возрастает с увеличением массовой толщины, при этом видимая активность на единицу поверхности сначала возрастает линейно и затем, с увеличением массовой толщины, переходит в плато к определенному значению. В связи с этим можно выбрать величину массовой толщины радиоактивного материала таким образом, чтобы максимально увеличить видимую активность на единицу поверхности при наиболее низком значении массовой толщины, поскольку большее значение массовой толщины приведет к большему различию между фактической и видимой активностями на единицу поверхности.
63
Важно, также, учитывать размеры слоев по меньшей мере одного диода. Например, в случае p-i-n или р-n диода, можно выбрать настолько малую толщину р-слоя, насколько возможно, с тем, чтобы снизить ослабление фотонов или частиц радиоактивного материала. Толщина i-слоя в диоде с p-i-n переходом может быть выбрана достаточно большой, чтобы существенная часть или даже все фотоны или частицы, излученные радиоизотопным материалом (напр. даже частицы/фотоны более высоких энергий) были поглощены (напр. чтобы приблизить 100% квантовой эффективности). Однако не всегда большая толщина i-слоя увеличивает эффективность микробатареи, а может, возможно, и добавить различные проблемы. Например, эффективность сбора заряда может быть снижена, если толщина i-слоя намного больше, чем обедненного слоя. В диоде обедненная область без внешнего напряжения смещения фиксирована диффузионным напряжением диода (которое зависит от концентраций легирующей примеси). Таким образом, наличие обедненного слоя, толщина которого значительно меньше толщины i-слоя может повлиять на эффективность сбора заряда из-за эффектов рекомбинации: вырабатываемые носители заряда имеют высокую вероятность рекомбинации, поскольку им приходится преодолевать большие расстояния через не обедненный материал до достижения электрических контактов. В идеале, толщины обедненного слоя и i-слоя совпадают. Эпитаксиальное наращивание толстой полупроводниковой структуры также затруднено и может повлиять на качество полупроводниковых кристаллов. Таким образом, использование оптимизированной толщины i-слоя позволяет получить системы микробатарей высокой производительности, в которых выделяемая микробатареей электрическая выходная мощность - максимальна. Например, моделирование показало, что для микробатареи Ni AlInP с наибольшей энергией электрона, равной 66 кэВ, оптимальная толщина i-слоя составляет 23 мкм.
63
m
m
Теперь, исключительно в качестве примера, будет описан образец варианта исполнения микробатареи Ni AlInP, чтобы помочь в понимании изобретения. Рассматривалась батарея с параметрами напряжения V=1,5 В и тока I=160 нА. В этом варианте исполнения микробатарея содержит матрицу диодов, расположенных на противоположных сторонах радиоактивного материала и соединенных последовательно, так, что от каждой матрицы требуется выработка тока 80 нА. Однако диоды могли бы быть расположены только на одной стороне радиоактивного материала.
OC
SC
На основании вышеизложенных требований, можно рассчитать значения напряжения разомкнутой цепи (V) и тока короткого замыкания (I) для каждой матрицы микробатареи. Требуемое напряжение разомкнутой цепи, рассчитывается по формуле:
где β=q/kT. Было установлено, что требуется напряжение разомкнутой цепи величиной 1,67 В.
Коэффициент заполнения (т.е. отношение реальной возможной максимальной величины вырабатываемой мощности, к максимальной теоретической мощности), FF, был рассчитан в соответствии с формулой:
,
OC
OC
где υ=Vβ. Величина коэффициента заполнения равна 0,7.
SC
m
m
Требуемый ток короткого замыкания I связан с коэффициентом заполнения и требуемыми величинами I и V и задается формулой:
m
Было установлено, что для работы матрицы микробатареи с I=80 нА, требуется ток короткого замыкания 103 нА.
OC
SC
SCpp
OCpp.
OC
OCpp
OC
SC
SCpp
SC
После вычисления всех величин V и I, количество диодных ячеек на матрицу микробатареи может быть рассчитано на основе активности радиоактивного материала и квантовой эффективности QE каждой диодной ячейки. Каждая диодная ячейка имеет соответственно ток короткого замыкания I и напряжение разомкнутой цепи VТаким образом, матрица микробатареи состоит из ячеек V/V, соединенных параллельно, чтобы получить требуемое значение V, и ячеек I/I, соединенных последовательно, что приводит к требуемому значению I.
63
63
2
2
2
2
app
app
В качестве радиоактивного материала может быть взят источник бета-частиц Ni с толщиной 3 мкм (хотя допускаются и другие радиоактивные источники, и другие толщины). Зависимость вероятности излучения такого источника от энергии бета-частиц показана на Фиг. 18. Исходная фактическая активность радиоактивного источника Ni на единицу площади равная 7,91 МБк/мм, через 30 лет уменьшится до 6,43 МБк/мм (период полураспада равен 100 лет). Более высокая фактическая активность для источника с такими же геометрическими параметрами не отразится на увеличении видимой активности, как видно из Фиг. 17, благодаря самопоглощению в материале источника. Удельная активность, равная 481 МБк/мг, приведет к снижению активности на единицу площади с 6,43 МБк/мм (фактической) до 3,88 МБк/мм(видимой). Более того, величина полезной видимой активности на единицу площади источника А': считается равной половине видимой активности на единицу площади, если только половина излучения направлена на одну матрицу микробатареи. Полезная видимая активность на единицу площади, А', задается формулой:
к
2
В результате, 1,94 МБ/мм излучается в сторону одной матрицы микробатареи (другая половина излучается в сторону другой матрицы микробатареи).
Считается, что каждая диодная ячейка микробатареи имеет прямоугольную форму площадью 0,8 мм × 0,8 мм. Активность, попадающая на каждую ячейку, задается формулой:
det
2
где S - площадь диодной ячейки в мм.
Ток короткого замыкания каждой диодной ячейки задается формулой:
i
i
где E - энергия (эВ) i-того электрона, попавшего на поверхность ячейки, QE - квантовая эффективность ячейки при энергии i-того упавшего электрона и ω - это энергия создания электронно-дырочной пары материала ячейки.
Квантовая эффективность ячейки зависит от энергии электрона и может быть определена с помощью моделирования. Она зависит от мертвых слоев перед активным слоем, толщины активного слоя и какого-либо мертвого слоя после активного слоя. При уменьшении толщины любого из верхних мертвых слоев (например, верхних контактных) и р+ слоя диодной ячейки p+-i-n+, и при оптимальной толщине активного i-слоя, квантовая эффективность может приблизиться к 100%. Конструкция верхних контактов может быть решена таким образом, чтобы открытая к излучению радиоактивного материала поверхность была наибольшей. Для осуществления этого могут быть использованы межпальцевые контакты. Толщина р+-слоя может быть уменьшена до 0,1 мкм, что приводит к минимуму потери бета-частиц, особенно в верхней части графика энергии бета-частиц.
При квантовой эффективности, принятой для упрощения за 100%, ток короткого замыкания на ячейку составляет 0,96 нА.
OCpp
После расчета тока короткого замыкания ячейки, напряжение разомкнутой цепи ячейки V, рассчитывается по формуле:
ph
SC
SAT
где I - это фототок, равный I при приложенном напряжении смещения равном 0, a I - это ток насыщения. Ток насыщения может быть получен путем измерений тока в зависимости от приложенного напряжения прямого смещения, или может быть рассчитан теоретически:
,
C
V
A
D
n
p
n
p
g
SAT
tot
-17
где N и N - это эффективные плотности состояния электронов в полосе пропускания и дырок в валентной зоне соответственно, N и N - это концентрации акцепторов и доноров соответственно, D и D - это коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно, t и t - это время жизни электронов и дырок соответственно, E - это ширина запрещенной зоны материала полупроводника и n - это коэффициент идеальности диодной ячейки. Здесь была использована величина тока насыщения I, равная 2,9×10 А (это значение было определено экспериментально AlInP p-i-n диода с толщиной i-слоя, равной 2 мкм). Таким образом, величина напряжения разомкнутой цепи каждой ячейки определена и равна 0,53 В. Общее количество ячеек N, необходимых в каждой матрице, на основании выше изложенных условий, определяется выражением:
63
63
Каждая матрица может содержать три последовательно соединенных элемента, причем каждый элемент имеет 108 параллельно соединенных диодных ячеек. Таким образом, размер каждой матрицы микробатареи рассчитан как . Поскольку предполагалось, что площадь каждой диодной ячейки равна 0,8 мм × 0,8 мм, то площадь матрицы составляет 14,6 мм × 14,6 мм (расстояние между ячейками составляет всего 15 мкм). Поверхность радиоизотопного источника Ni между матрицами может перекрываться. Таким образом, радиоизотопный источник Ni может иметь начальную активность 1,7 ГБк и площадь 14,6 мм × 14,6 мм.
Фиг. 19 показывает схематическое изображение микробатареи с двумя матрицами диодных ячеек, расположенных на каждой стороне радиоактивного материала. Для предотвращения выхода излучения радиоактивного материала микробатарея может иметь внешний корпус. Например, корпус может быть изготовлен из вольфрама. Области между радиоактивным материалом и диодами могут поддерживаться при давлении ниже атмосферного и/или в эти области может быть введен газ, отличный от воздуха (напр. гелий).
Фиг. 20 показывает схему диодной ячейки в соответствии с вариантом исполнения. Эпитаксиальный AlInP слой ячейки может наращиваться по методу газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС) на промышленной n-летированной (1 0 0) n-GaAs:Si подложке с разориентацией в 10 градусов по отношению к <1 1 1>А, для подавления упорядоченной фазы как у CuPt.
+
+
17
-3
18
-3
+
+
3
4
2
2
2
2
4
2
2
2
Концентрации легирования ри nслоев AlInP могут составлять 5×10 см и 2×10см, соответственно. Толщина слоев может составлять 0,1 мкм для р- области, 23 мкм для i-области и 0,1 мкм для n- области. После наращивания, для формирования квадратной мезаструктуры (со скругленными углами) пластина может быть обработана раствором веществ НРО:НО:HO в соотношении 1:1:1, с последующей обработкой раствором HSO:НО:HO, в соотношении веществ 1:8:80 в течение 10 с. Омический тыльный контакт, например, содержащий 20 нм InGe и 200 нм Au, может быть напылен на тыльную сторону подложки, а Омический верхний контакт, содержащий, например, 20 нм Ti и 200 нм Au, может быть напылен на р-стороне меза-устройства. Верхний Омический контакт может лишь частично покрывать поверхность каждой ячейки, (например, на 25%) так, чтобы фотоны или частицы, падающие на ячейку, не ослаблялись контактом.
Фиг. 21 схематически показывает вид ячейки сверху вниз, показывая, что верхний омический контакт распространяется только по периметру ячейки. Однако, допускаются и другие варианты исполнения с большими открытыми поверхностями, такие, как межпальчиковые контакты. В качестве примера могут быть использованы межпальчиковые контакты с шириной 0,002 мм и межпиксельным расстоянием 0,01 мм, покрывая только 17% поверхности каждой ячейки.
m
m
Хотя, описанный выше, вариант исполнения соответствует определенным требованиям к микробатарее (V=1,5 В и ток I=160 нА), допускается, что микробатарея может иметь другие значения требуемых параметров. Также, величины различных описанных параметров могут быть изменены, чтобы соответствовать этим требованиям. Например, чистота радиоактивного источника может быть увеличена, что позволит уменьшить количество ячеек и размер каждой матрицы.
При том, что форма поверхности диодных ячеек была описана как прямоугольная, (может иметь и не иметь скругленные углы), могут быть использованы и ячейки другой формы. Например, с целью предотвратить возможные проблемы краевого пробоя (которые могут присутствовать в углах квадратных ячеек, если углы недостаточно закруглены), и уменьшить общее расстояние, покрываемое любыми двумя соседними ячейками (которое увеличится для круглых ячеек), ячейки могут иметь форму многоугольника с пятью, шестью или более сторонами.
При том, что были описаны меза-диоды, можно использовать плоские диоды (например, чтобы избежать высокого поверхностного тока утечки). В этих вариантах исполнения используется ионное легирование для создания зон высокого электрического сопротивления, разделяющих диодные ячейки матрицы.
При том, что были описаны варианты исполнения, в которых радиоактивный материал расположен на р-стороне диода, допускается, что он может быть расположен на n-стороне. В таких вариантах исполнения подложка (например, подложка GaAs) может быть вытравлена из пластины, возможно, так, чтобы оставленный тонкий слой подложки служил для механического соединения диодов, или альтернативно, с использованием эпитаксиального слоя n-типа для механического соединения диодов в каждой матрице (возможно, с эпитаксиальными слоями, либо не полностью вытравленными через n слой, и/или, возможно, с толщиной эпитаксиального слоя n-типа, увеличенной для обеспечения механической поддержки). Затем на этот слой может быть нанесено n-стороннее соединение, и в непосредственной близости с ним может быть расположен радио изотопный источник.