КВАНТОВО-РАДИОИЗОТОПНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОДВИЖНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА И ФОТОНОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ ПОЛУПРОВОДНИКА
QUANTUM-RADIOISOTOPE GENERATOR OF MOBILE CHARGE CARRIERS AND PHOTONS IN CRYSTAL SEMICONDUCTOR LATTICE

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к изготовлению микромощных источников электроэнергии и квантового, электромагнитного излучения фотонов с различными длинами волн от инфракрасного до рентгеновского диапазона с использованием взаимодействия излучаемых изотопами высокоэнергетичных электронов с полупроводниковой кристаллической решеткой.
Предлагаемое изобретение базируется на преобразовании высокой энергии излучаемых изотопов электронов в зонную энергию проводимости заряженных частиц и энергию квантового излучения (фотонов) в кристаллической решетке полупроводника.
Развитие микроробототехники, микроэлектромеханики (МЭМС), микросистемотехники, микросенсорики и др. требует создания сверхкомпактных миниатюрных микромощных источников электропитания и электромагнитной генерации в широком диапазоне длин волн с длительным (в несколько лет) сроком службы в широком диапазоне механического, акустического, радиационного и температурного воздействия.
Наиболее полно поставленным требованиям отвечают атомные батареи электропитания на основе бета-вольтаического эффекта, т.е. взаимодействия излучаемых изотопом электронов с энергией атомов кристаллической решетки полупроводника.
Элементарная ячейка квантово-радиоизотопного источника электромагнитной энергии представляет собой полупроводниковый кристалл, содержащий р-n переход и контактирующий с ним изотопный материал, являющийся радиоактивным источником излучения высокоэнергетичных быстрых электронов (бета-частиц), которые взаимодействуют с энергией ядра и оболочных электронов атомов полупроводника. В результате данного энергетического взаимодействия в кристаллической решетке полупроводника генерируются электронно-дырочные пары и энергия излучения в виде квантов (фотонов) с различной длиной волны в зависимости от энергии преобразования быстрых радиоактивных электронов (от 5,0 до 250 кэВ) в энергию проводящих заряженных частиц - электронов и дырок, имеющих на три - четыре порядка меньшую энергию и энергию фотонного излучения в результате данного преобразования энергии радиоактивных элементов.
90
90
Первые квантово-радиоизотопные генераторы подвижных носителей заряда и фотонов были созданы в январе 1954 года с использованием изотопа стронций - 90 (Sr) - [Rappaport P.I., Loferski J.J., Lindery E.G. A study program of possible uses new principle. Nucleonics. 1957. vol. 15, p. 99]. Но энергия испускаемых Sr электронов превышает 546 кэВ, что превосходит порог радиационного дефектообразования в германии в 1,56 раза, в арсениде галлия - в 2,2÷2,4 раза (в зависимости от способа эпитаксии), в 2,8 раза в кремнии и более чем в три раза в таких полупроводниковых кристаллах, содержащих легкие атомы, как SiC, GaN, BN, diamond и др., что приводит к деградации р-n переходов.
147
147
113m
113m
Позднее, в 1968 году, появились бета-преобразователи на основе контактной системы прометия-147 (Pm) и кремниевых р-n переходов, однако, со временем возникла та же проблема постоянной деградации кристаллической структуры р-n перехода из-за превышения максимальной энергии радиоизотопных электронов Pm (≈ в 1,15 раза) порога радиационного дефектообразования в кремнии. Появившийся позднее бета-преобразователь энергии на основе системы кадмий - 113m и кремний (Cd/Si) с максимальной энергией изотопов электрона Cd в 190 кэВ находится в пограничной зоне надежность/ненадежность р-n перехода кремния, из-за деградации под действием радиоизотопных электронов.
63
В связи с этим чаще всего применяются квантово-радиоизотопные генераторы электромагнитной энергии на основе системы никель-63 и кремния (Ni/Si). Но изотоп Ni имеет недостаточно высокую энергию излучаемых электронов (максимальная энергия излучения - 66,7 кэВ, средняя энергия - 17,3 кэВ) с глубиной пробега в кристалле не более 12 мкм. Для повышения эффективности генерации электронно-дырочных пар в кремниевом р-n переходе, конечно, нужно увеличение объема генерации, что решается двумя способами - увеличение длины пробега электронов в кристаллической решетке (в области р-n перехода) с увеличением удельного сопротивления кремния, но превышение энергии свыше 180÷190 кэВ приведет к деградации р-n перехода либо к увеличению площади поверхности р-n перехода, что чаще всего и выполняется в конструкциях бета-источника электроэнергии на основе кремниевых р-n переходов, например, через создание множества упорядоченных квазитрехмерных пористых структур («колодцев») [Wei Sun, N.P. Kherani et. al. A Three-Dimensional Porous Silicon р-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233].
По результатам анализа известных конструкций бета-источников и с учетом радиационной стойкости полупроводниковых р-n структур в качестве прототипа конструкции бета-преобразователя энергии выбрана конструкция на основе кремниевого р-n перехода 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].
63
Недостатком такого типа бета - полупроводниковых конструкций является сложность формирования физических р-n переходов с фоновыми уровнями неравновесных токов насыщения при околонулевых смещениях на р-n переходе с величинами в десятые и сотые доли наноампер при реальных рабочих температурах эксплуатации бета-источников, а также из-за вклада огромных разниц в температурных коэффициентах линейного расширения металла Ni и кремния, достигающих разницы в более чем 6 раз (>600%) и приводящих к высоким тензонапряжениям в области р-n перехода, что, естественно, снижает его устойчивость к деградации и надежность.
Задачей данного изобретения является резкое увеличение эффективности квантово-радиоизотопного источника генератора подвижных носителей заряда и фотонов в кристаллической решетке полупроводника, повышение удельной электрической мощности, расширение температурного диапазона эксплуатации и радиационной стойкости к электронному излучению.
113m
147
Техническое решение данной задачи достигается тем, что в радиоизотопном источнике электромагнитной энергии, содержащем высокоэнергетичный изотопный слой, излучатель электронов, расположенный на текстурированной поверхности полупроводникового кристалла, содержащего р-n переход, где в качестве изотопного материала предлагается использовать атомы изотопов кадмия - 113m (Cd) или еще более энергоплотного прометия - 147 (Pm) с максимальным уровнем энергии излучаемых электронов соответственно в 190 и 220 кэВ, превышающем пороговую энергию дефектообразования в кремнии, карбиде кремния, нитриде галлия, алмазе и др., а в качестве полупроводника арсенид галлия, полученный жидкофазной эпитаксией, подавляющую часть объема которого занимает физический р-n переход, содержащий область пространственного заряда и соответствующее встроенное электрическое поле с вектором из р - зоны в n - зону.
113m
147
В данной области пространственного заряда происходит преобразование энергии излучаемых электронов из изотопов Cd, Pm и др. в десятки тысяч раз меньшую энергию электронно-дырочных пар и квантовую энергию излучения вследствие трансформации энергии излучаемых электронов в десятки килоэлектронвольт до уровня энергии проводящих подвижных зарядов в арсениде галлия несколько выше чем 1,43 эВ.
+
+
Дополнительная эффективность генерации подвижных носителей заряда и квантового излучения (фотонов) достигается путем применения 2-стороннего облучения физического р-n перехода на основе жидкофазного арсенида галлия, а также применения примыкающих к нему изотипных переходов n- n типа или р- р типа, выполненных на основе гетерофазных переходов, например, GaAs - Ge, GaAs - ZnTeS, AlGaAs и др., a также барьерных переходов металл - полупроводник - Шоттки - барьеров и, в некоторых случаях, путем использования комбинаций солнечной радиации и электронной радиации.
Одним из дополнительных способов повышения эффективности генерации электронно-дырочной плазмы при облучении изотипными электронами является импульсное воздействие электрическим полем с уровнем, близким к критической электропрочности жидкофазного арсенида галлия, когда высокоэнергетичные электроны взаимодействуют не с атомно-орбитальными электронами или энергией ядра атома, а со свободными электронами, образующимися в результате лавинизации в объеме пространственного заряда физического р-n перехода под действием импульсного электрического поля с уровнем, превышающим условия порога лавинизации в объеме р-n перехода.
-
-
+
+
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур 1, 2, 3, 4, 5, 6, где квантово-радиоизотопный генератор подвижных носителей заряда и фотонов состоит из атомно-ионно-связанного кристалла арсенида галлия, полученного методами жидкофазной эпитаксии, легированного примесными амфотерными атомами кремния или германия, или теми и другими, с прямым типом межзонного перехода, содержащего физический р-n переход 1 с встроенной i-областью пространственного заряда, ширина которой не менее длины свободного пробега электронов, излучаемых изотопом в кристалл арсенида галлия, переходные слаболегированные n-типа 2 и р-типа 3 области, субмикронные или нанометровые высоколегированные области р-типа 4 и n-типа 5, омические, в том числе локально выполненные контакты 6, а также выполненные в различном исполнении гетерофазные слои 7, 8, 9, в т.ч. с барьером Шоттки и изотопное вещество - 10.
147
147
q
В качестве примера рассмотрим принцип действия квантово-радиационного генератора подвижных носителей заряда и фотонов на основе взаимодействия высокоэнергетичных электронов, излучаемых изотопом Pm и p-i-n GaAs структурой, полученной методами жидкофазной эпитаксии. При попадании высокоэнергетичного электрона, излучаемого изотопом Pm в кристаллическую решетку полупроводника GaAs, содержащего р-n переход, наблюдается явление генерации электронно-дырочных пар в объеме пространственного заряда физического р-n перехода полупроводника, а также генерации квантов от рентгеновского излучения (X-rays) до фотонов низких энергий вплоть до инфракрасного диапазона с длиной волны ≈ 0,810 мкм, т.е. соответствующей ширине запрещенной зоны «прямоходного» полупроводника GaAs с энергией зоны ΔE=1,43 эВ.
1/2
Таким образом, энергия высокоэнергетичного электрона с длиной волны от длины Де Бройля λ=1,22/Е, где [λ] = нм, а [Е]=эВ, преобразуется в энергию подвижных носителей (электронов и дырок) уровня ≈ 1,43 эВ и выше и, в конечном счете, в энергию излучения, включая оптическое излучение (λ<0,75 мкм) или инфракрасное излучение (λ>0,81 мкм).
19
В целом различают два типа квантового излучения при пролете изотопных электронов в кристалле GaAs, которое связано с упругими и неупругими взаимодействиями изотопных электронов с орбитальными (атомно-оболочными) электронами и ядром атома: это энергия тормозного движения электрона в кулоновском поле ядра атома с длиной волны λ=1,24/Е, где [λ] = нм, а [Е]=кэВ, т.е. при энергии, допустим, Е=100 кэВ λ=0,0124 нм или = 0,124 Å (ангстрем), что соответствует энергии гамма-квантов рентгеновского излучения с частотой колебаний выше чем 10 Гц (данный тип излучения строго анизотропен и направлен вдоль оси пролета высокоэнергетичного электрона) и энергии излучения при остальных механизмах рассеяния энергии, точнее, упругого, непругого рассеяния энергии на атомно-орбитальных электронах, когда образуется целый спектр излучаемых квантов (фотонов) в объеме пространственного заряда полупроводника с учетом излучения - 360°, т.е. 2π.
-
+
-
+
Во втором случае менее энергетичные кванты энергии излучения взаимодействуют с амофотерными примесями Si и атомами Ge, As, имеющими пороговые энергии ионизации соответственно около 0,7 эВ (Si) и около 8,0 эВ (Ga, As), а также с энергией оптических валентных уровней соединения GaAs, что приводит к генерации электронно-дырочных пар в объеме пространственного заряда i-слоя GaAs. Внутри - переходное поле физического р-n перехода соответственно разделяет генерируемые электроны и дырки и направляет их в соответственные n-n и р-р области, где они далее аккумулируются на омических контактах.
113m
147
В результате на полюсах физического р-n перехода образуется электрический потенциал или, как еще часто его называют, бета - ЭДС (бета - вольтаический эффект). Для усиления данного эффекта генерации неосновных носителей заряда, а также более эффективного квантового излучения фотонов необходимо обеспечить два условия - применение изотопов с большой энергией ≥250 кэВ и большим флюенсом излучения электронов, т.е. их количества на единицу площади р-n перехода. Этим условиям для арсенида галлия удовлетворяют изотопы Cd (190 кэВ) и Pm (220 кэВ).
Для исключения условий радиационного дефектообразования в i-GaAs слоях целесообразно приповерхностные слои физического р-n перехода выполнять из изотипных гетерофазных систем, таких как Ge - GaAs, ZnTeS, Ni - GaAs (барьер Шоттки) и др., что повысит устойчивость квантово-изотопного генератора и его надежность.
q
При подаче коротких импульсов высокого обратносмещенного напряжения при длительности импульса не менее длины пробега лавинных носителей в объеме пространственного заряда будет наблюдаться явление взаимодействия высокоэнергетичных электронов, излучаемых изотопом, и генерируемой электронно-дырочной плазмы лавинного процесса при критических электрических полях. В этом случае будет наблюдаться резкое усиление плотности и энергии лавинной электронно-дырочной плазмы, а также явление квантово-генерационного излучения, с подавляющей частью спектра в пограничном оптоинфракрасном диапазоне с энергиями, незначительно превышающими энергии запрещенной зоны арсенида галлия ΔE=1,43 эВ.
2
11
-3
P-i-n GaAs структура изготавливается методом жидкофазной эпитаксии, где эпитаксиальный слой GaAs кристаллизуется из жидких растворов атомов Ga и GaAs (молекула GaAs является источником мышьяка). В процессе жидкофазной эпитаксии кристаллический слой GaAs легируется амфотерными примесными атомами кремния из источника SiO. Процесс эпитаксиального выращивания происходит в водородной атмосфере в кварцевом реакторе при температуре +750÷800°С. Вследствие того, что амфотерные атомы кремния одновременно замещают в решетке GaAs атомы Ga и As, образуя соответственно глубокие (≥0,7 эВ) донорные и акцепторные уровни, образуется высокоомный i-GaAs эпитаксиальный слой с разностной концентрацией донорной и акцепторной примесей меньше чем 10см.
13
-3
-
-
+
+
+
-
+
-
Физический р-n переход, содержащий область пространственного заряда, находится в пределах эпитаксиальной зоны с разностной концентрацией донорной и акцепторной примеси не более чем 10/см, выше данного уровня концентраций образуются примыкающие к физическому р-n переходу соответствующие пир- области, которые методом механической обработки (шлифовка, полировка) или химико-динамического травления сводятся до размеров от нескольких микрометров до долей микрон. На поверхности n и р- областей методами MOCVD выращиваются n и р- слои монокристалла GaAs или изотипные гетеропереходы n-n или р-р на основе гетеросистем, таких как: GaAs - Ge, GaAs - AlGaAs, GaAs - ZnTeS, а также методами вакуумного нанесения барьера Шоттки Ni-GaAs и др.
113m
147
В качестве источников высокоэнергетичных электронов используются такие материалы, как Cd, Pm, полученные или реакторными способами (в реакторах на быстрых нейтронах), или на циклотронных ускорителях с энергиями электронов до нескольких сотен мегаэлектронвольт. В качестве источников фотонного воздействия оптическими и инфракрасными квантами используется солнечная радиация (солнечный свет).
12
-2
Моделирование практических результатов эксперимента производилось с помощью облучения готовых p-i-n GaAs тестовых структур высокоэнергетичными электронами растрового электронного микроскопа, имеющего энергии излучения электронов до 80 кэВ и флюенс до 10см.
2
Результаты эксперимента показали выделение энергии на p-i-n GaAs структурах до 5 мкВт/см сек (одностороннее облучение p-i-n GaAs структур, показанное на Фиг. 1). При воздействии высокоэнергетичными электронами на p-i-n GaAs структуру с помощью тепловизора наблюдалось свечение облучаемой поверхности в инфракрасном диапазоне, а при импульсном воздействии обратного напряжения, соответствующего условиям лавинизации носителей заряда в области пространственного заряда, наблюдалось смещение спектра свечения в сторону более коротких волн, т.е. ближе к оптическому свечению.