RU2599274C1 - Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method - Google Patents
Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2599274C1 RU2599274C1 RU2015118011/28A RU2015118011A RU2599274C1 RU 2599274 C1 RU2599274 C1 RU 2599274C1 RU 2015118011/28 A RU2015118011/28 A RU 2015118011/28A RU 2015118011 A RU2015118011 A RU 2015118011A RU 2599274 C1 RU2599274 C1 RU 2599274C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- region
- plate
- anode
- cathode
- horizontal
- Prior art date
Links
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 22
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 22
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-RNFDNDRNSA-N nickel-63 Chemical compound [63Ni] PXHVJJICTQNCMI-RNFDNDRNSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 1
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/29—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to radiation having very short wavelengths, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию (ЭДС).The present invention relates to the field of converters of energy of ionizing radiation into electrical energy (EMF).
Известны конструкции планарных 2D преобразователей ионизирующих радиационных излучений в электрическую энергию (бета-гальваническая батарейка), которые впервые предложил Раппопорт в 1954 году [1. Rappaport P. The Electron-Voltaic Effect in p-n Junctions Induced by Beta-Particle Bombardment / P. Rappaport // Phys. Rev. 1954. V. 93. P. 246; 2. Rappaport P. Radioactive battery employing intrinsic semiconductor / P. Rappaport // US Patent 5,973. 1956] после обнаружения им того, что при распаде изотопов, например 63Ni или трития, могут образовываться в полупроводниковых материалах электронно-дырочные пары, это явление получило название бета-вольтаического эффекта. Позднее в 1957 году Elgin-Kidde впервые применили бета-вольтаический эффект для выработки электрической энергии с помощью планарных p-n-переходов, полученных на кремниевых пластинах [3. "Miniature Atomic Powered Battery", Radio and TV News, V. 57. May. 1957. Р. 160].Known designs of planar 2D converters of ionizing radiation into electrical energy (beta-galvanic battery), which were first proposed by Rappoport in 1954 [1. Rappaport P. The Electron-Voltaic Effect in pn Junctions Induced by Beta-Particle Bombardment / P. Rappaport // Phys. Rev. 1954. V. 93. P. 246; 2. Rappaport P. Radioactive battery employing intrinsic semiconductor / P. Rappaport // US Patent 5,973. 1956] after he discovered that during the decay of isotopes, for example 63 Ni or tritium, electron-hole pairs can form in semiconductor materials, this phenomenon is called the beta-voltaic effect. Later in 1957, the Elgin-Kidde first applied the beta-voltaic effect to generate electrical energy using planar pn junctions obtained on silicon wafers [3. "Miniature Atomic Powered Battery", Radio and TV News, V. 57. May. 1957. R. 160].
С 1989 года для создания преобразователя - бета-вольтаической батареи - стали исследоваться и применяться другие - широкозонные материалы GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4. 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; 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].Since 1989, to create a converter - a beta-voltaic battery - others began to be investigated and applied - wide-gap materials GaN, GaP, AlGaAs, SiC due to their higher temperature resistance [4. 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. No. 3. 2006. P. 033506. 1-3; 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].
Однако при создании трехмерных (3D) конструкций технологии, использующие широкозонные материалы, уступают в производительности и эффективности кремниевой технологии. В частности, глубина микроканалов в кремнии в разы больше, чем в карбиде кремния и других материалах. Степень дефектообразования при формировании микроканалов также минимальная в кремниевой технологии. Более того именно в кремниевой технологии наиболее просто и экономично совместить в одной конструкции набор двумерных элементов. Таким образом, технология, использующая кремниевые пластины, является наиболее эффективной с точки зрения минимизации объема и веса преобразователя, приходящегося на единицу вырабатываемой электроэнергии в трехмерных конструкциях.However, when creating three-dimensional (3D) structures, technologies using wide-gap materials are inferior in performance and efficiency to silicon technology. In particular, the depth of microchannels in silicon is several times greater than in silicon carbide and other materials. The degree of defect formation during the formation of microchannels is also minimal in silicon technology. Moreover, it is in silicon technology that it is most simple and economical to combine a set of two-dimensional elements in one design. Thus, a technology using silicon wafers is most effective in terms of minimizing the volume and weight of the converter per unit of generated electricity in three-dimensional structures.
Поэтому с 2004 года появилось множество работ, посвященных созданию трехмерных «объемных» конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [6. Долгий А.Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропористого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23-24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С. 57-60; 7. 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; 8. 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; 9. Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US 20080199736 A1. Pub. date: 21.08.2008. 10. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986B2. Pub. date: 10.05.2011]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда p-i-n-диодов, в которых генерируются бета-излучением носители заряда. Однако создание бета-батареек с такой конструкцией представляет сложную и нерешенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества р-n-переходов в каналах или щелях кремниевых пластин, что приводит к недопустимо большим токам утечки через них.Therefore, since 2004, there have been many works devoted to the creation of three-dimensional "three-dimensional" structures of 3D converters, mainly on monosilicon, aimed at optimizing the ratio of the weight of the converter to the generated energy [6. Dolgiy A.L. Beta-energy converters based on macroporous silicon // 4th International Scientific Conference “Materials and Structures of Modern Electronics”, September 23-24, 2010, Minsk, Belarus. S. 57-60; 7. 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. No. 5. P. 1536-1540; 8. Sun W., Kherani N.P., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. A Three-Dimensional Porous Silicon pn n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. No. 10. P. 1230-1233; 9. Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US20080199736 A1. Pub. date: 08.21.2008. 10. Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986B2. Pub. date: 05/10/2011]. Such constructions make it possible to obtain a developed surface of slits or channels of silicon wafers with optimal sizes of quasineutral regions and space charge regions of p-i-n-diodes in which charge carriers are generated by beta radiation. However, the creation of beta-batteries with this design is a complex and unresolved technological problem, primarily due to the low quality of pn junctions in the channels or slots of silicon wafers, which leads to unacceptably high leakage currents through them.
В последнее время появились технологии утонения кремниевых пластин до разменов 40-100 микрон, что соизмеримо с глубиной проникновения в кремний (20 мкм) бета-излучения радиоактивных изотопов, таких как никель-63 и тритий, что принципиально позволяет создавать планарные "тонкие" конструкции кремниевых p-i-n-диодов с близкими к оптимальным размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (10-29 мкм) [11. Park S.М., Ahn J.Н., Kim S.I. and Lee N.-E. NO-Induced Fast Chemical Dry Thinning of Si Wafer in NF3 Remote Plasmas // Journal of the Korean Physical Society. V. 54. №3. March 2009. P. 1127-1130]. Однако и «тонкие» планарные конструкции преобразователей на основе p-i-n-диодов [4. 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; 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; 12. Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472 A1. Pub. date: 14.08.2014 г.] не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку в них сбор носителей заряда от излучения имеет односторонний характер (только сверху) со стороны расположения поверхностного р-n перехода.Recently, technologies have appeared for thinning silicon wafers to exchanges of 40-100 microns, which is commensurate with the penetration depth of silicon (20 μm) of beta radiation from radioactive isotopes such as nickel-63 and tritium, which fundamentally allows you to create planar "thin" designs of silicon pin diodes with close to optimal sizes of quasineutral regions and regions of space charge (10-29 microns) [11. Park S.M., Ahn J.N., Kim S.I. and Lee N.-E. NO-Induced Fast Chemical Dry Thinning of Si Wafer in NF3 Remote Plasmas // Journal of the Korean Physical Society. V. 54. No. 3. March 2009. P. 1127-1130]. However, the "thin" planar designs of converters based on p-i-n-diodes [4. 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. No. 3. 2006. P. 033506. 1-3; 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; 12. Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process this. USA Patent US20140225472 A1. Pub. date: 08/14/2014] do not have the highest possible efficiency, since in them the collection of charge carriers from radiation is one-sided (only from above) from the location of the surface pn junction.
Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета-излучений в электрическую энергию [12. Guo Н., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472 A1. Pub. date: 14.08.2014 г.] (фиг. 1), взятая за прототип и содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n (р) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n+ (р+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная р+ (n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности р+ (n+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом.Known planar 2D design of semiconductor voltaic converters of radiation beta radiation into electrical energy [12. Guo N., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process this. USA Patent US20140225472 A1. Pub. date: 08/14/2014]] (Fig. 1), taken as a prototype and containing a lightly doped n (p) semiconductor wafer, in which a heavily doped n + (p + ) region is located, on the surface of which there is an electrically conductive electrode of the cathode (anode) ), on the upper surface of the wafer there is a heavily doped p + (n + ) region, which forms a pn junction with the semiconductor wafer, on the surface of the p + (n + ) region there is a layer of insulating dielectric and an electrically conductive electrode of the anode (cathode), which is a radioactive isotope.
Способ ее изготовления, планарной конструкции, состоящий в формировании эпитаксиальным наращиванием на поверхности полупроводниковой подложки n (р) типа проводимости слоев n- (р-)типа и р+ (n+)типа проводимости, осаждении на поверхность слоя р+ (n+) типа проводимости радиоактивного изотопа 63Ni, формировании электрода катода (анода), образующего омический контакт к подложке n- (р-) типа проводимости, и формировании электрода анода (катода), образующего омический контакт к слою р+ (n+)типа проводимости, изоляции планарной поверхности слоев оксидом кремния.The method of its manufacture, planar design, consisting in the formation of epitaxial build-up on the surface of a semiconductor substrate of n (p) type conductivity of the layers of n - (p - ) type and p + (n + ) type of conductivity, deposition on the surface of the layer p + (n + ) type of conductivity of the radioactive isotope 63 Ni, the formation of an electrode of the cathode (anode) forming an ohmic contact to the substrate n - (p - ) type of conductivity, and the formation of an electrode of the anode (cathode) forming an ohmic contact to a p + (n + ) layer of conductivity type, insulation planar surface layers ok silicon seed.
Общим недостатком аналогов и прототипа является невозможность достичь наилучших соотношений размеров (веса) преобразователя к выделяемой мощности ЭДС.A common disadvantage of analogues and prototype is the inability to achieve the best ratio of the size (weight) of the Converter to the allocated power of the EMF.
Техническим результатом изобретения является создание конструкции планарного преобразователя - бета-батарейки с значительно большей (в два раза) генерируемой электрической энергией (мощности), приходящейся на единицу его объема (веса) и более высокой энергоемкостью.The technical result of the invention is the creation of a planar converter design - a beta battery with significantly more (twice) generated electric energy (power) per unit volume (weight) and higher energy intensity.
Технический результат достигается путем создания новой функционально-интегрированной конструкции p-i-n-диода и МОП-конденсатора планарного преобразователя, состоящей из слаболегированной полупроводниковой пластины n (р) типа проводимости, в которой расположены сильнолегированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (n+) области, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (n+) кольцевой (замкнутой) областью, на верхней поверхности пластины также расположена n+ (р+) контактная область к пластине n- (р-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р+(n+) областях расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна соответственно к n+(р+) контактной области и нижней горизонтальной р+ (n+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла, образующие омические контакты соответственно с n+ (р+) контактной областью и нижней горизонтальной р+ (n+) областью, являющиеся электродами катода (анода) и анода (катода) соответственно p-i-n-диода, при этом верхняя горизонтальная р+ (n+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода) МОП структуру накопительного конденсатора.The technical result is achieved by creating a new functionally integrated design of a pin diode and a MOS capacitor of a planar converter, consisting of a lightly doped n (p) type semiconductor wafer, in which the upper and lower horizontal p + (n + ) regions are heavily doped, forming the pn junctions of the pin diode with the plate, while they are interconnected by a vertical p + (n + ) annular (closed) region, the n + (p + ) contact is also located on the upper surface of the plate the region to the plate is of the n - (p - ) type of conductivity, on the upper and lower surfaces of the horizontal p + (n + ) regions, respectively, are the layers of the upper and lower dielectric containing contact windows respectively to the n + (p + ) contact region and the lower horizontal p + (n + ) region, on the surface of the upper and lower dielectrics are located the upper and lower layers of the radioactive metal isotope, forming ohmic contacts, respectively, with the n + (p + ) contact region and the lower horizontal p + (n + ) region, which are electrodes of the cathode (anode) and anode (cathode), respectively, of a pin diode, while the upper horizontal p + (n + ) region forms a storage capacitor structure with an insulating dielectric layer and an electrically conductive electrode of the MOS cathode (anode).
Способом изготовления, состоящим в создании вертикальной кольцевой р+ (n+) области путем проведения первой фотолитографии, травлении в пластине глубокой кольцевой щели и диффузии в ее поверхность примеси р+ (n+) типа, создании верхней горизонтальной р+ (n+) области путем проведения второй фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации акцепторной (донорной) примеси в ее верхнюю и нижнюю поверхность и последующего температурного отжига радиационных дефектов, формировании n+ (р+) контактной области путем проведения третьей фотолитографии по верхней поверхности пластины и имплантации в нее донорной (акцепторной) примеси и последующего температурного отжига радиационных дефектов, нанесении на верхнюю и нижнюю поверхность пластины слоев нижнего и верхнего слоев диэлектрика, проведении четвертой и пятой фотолитографий, вскрытии контактных окон соответственно к верхней n+ (р+) контактной области и нижней р+ (n+) области, осаждении нижнего и верхнего слоев радиоактивного изотопа металла на верхнюю и нижнюю поверхность пластины, а также резке пластины на чипы.A manufacturing method consisting in creating a vertical annular p + (n + ) region by first photolithography, etching a deep annular gap in the plate and diffusing p + (n + ) type impurities into its surface, creating an upper horizontal p + (n + ) region by conducting a second photolithography on the upper surface of the plate and implanting an acceptor (donor) impurity into its upper and lower surfaces and subsequent temperature annealing of radiation defects, forming an n + (p + ) contact region by conducting a third photolithography on the upper surface of the plate and implantation of a donor (acceptor) impurity into it and subsequent temperature annealing of radiation defects, applying layers of the lower and upper layers of the dielectric to the upper and lower surface of the plate, carrying out the fourth and fifth photolithographs, opening the contact windows, respectively, to the upper n + ( p + ) contact region and lower p + (n + ) region, deposition of the lower and upper layers of the radioactive metal isotope on the upper and lower surface of the plate, as well as cutting the plate onto chips.
Изобретение поясняется приведенными чертежами:The invention is illustrated by the drawings:
Конструкция прототипа показана на фиг. 1, где а - структура, б - топология.The design of the prototype is shown in FIG. 1, where a is the structure, b is the topology.
Здесь 1 - полупроводниковая пластина n (р) типа проводимости, 2 - n+ (р+) сильнолегированный контактный слой, 3 - р(n) область р-n-перехода, 4 - материал радиоактивного изотопа, 5 - диэлектрик (оксид кремния), 6 - электрод анода, 7 - электрод катода.Here 1 is a semiconductor wafer of n (p) type of conductivity, 2 is n + (p + ) heavily doped contact layer, 3 is p (n) is the region of the pn junction, 4 is the material of the radioactive isotope, 5 is dielectric (silicon oxide) 6 - anode electrode; 7 - cathode electrode.
Конструкция преобразователя по изобретению показана фиг. 2, где а - структура, б - топология, в - эквивалентная электрическая схема.The construction of the converter of the invention is shown in FIG. 2, where a is the structure, b is the topology, and c is the equivalent electrical circuit.
В конструкции имеется полупроводниковая пластина n (р) типа проводимости - 1, на верхней и нижней поверхности которой расположены сильнолегированные соответственно верхняя - 8 и нижняя - 9 горизонтальные р+ (n+) области, к ним примыкает вертикальная р+ (n+) кольцевая область - 10, на верхней поверхности пластины также расположена n+(р+) контактная область - 11, на поверхности горизонтальных р+(n+) областей - 8 и 9 расположены соответственно слои верхнего - 12 и нижнего - 13 диэлектрика, на их поверхности расположены соответственно верхний - 14 и нижний - 15 слои радиоактивного изотопа - металла. При этом область катода - 14, верхняя горизонтальная область р+(n+) - 8 и область диэлектрика - 12 образуют накопительный МОП конденсатор.The design has a semiconductor wafer of n (p) type of conductivity - 1, on the upper and lower surfaces of which there are heavily doped upper - 8 and lower - 9 horizontal p + (n + ) regions, they are adjacent to the vertical p + (n +) ring region - 10, on the upper surface of the plate there is also an n + (p + ) contact region - 11, on the surface of horizontal p + (n + ) regions - 8 and 9, layers of the upper - 12 and lower - 13 dielectrics are respectively located, on their surface respectively, the upper - 14 and lower - 15 layers of a radioactive isotope - metal. In this case, the cathode region is 14, the upper horizontal region p + (n + ) - 8 and the dielectric region - 12 form a storage MOS capacitor.
Технология изготовления преобразователя по изобретению показана на фиг. 3 и состоит из следующей последовательности технологических операций:The manufacturing technology of the converter of the invention is shown in FIG. 3 and consists of the following sequence of technological operations:
а) - термическое окисление кремниевых пластин КЭФ 5 кΩ·см с ориентацией (100);a) - thermal oxidation of silicon wafers KEF 5 kΩ · cm with orientation (100);
- проводят 1-ую фотолитографию и травление пластин по границам чипов;- conduct the first photolithography and etching of the plates along the boundaries of the chips;
- проводят формирование вертикального р+ слоя путем «глубокой» диффузии бора вплоть до смыкания верхнего и нижнего фронтов;- carry out the formation of a vertical p + layer by "deep" diffusion of boron up to the closure of the upper and lower fronts;
б) - проводят 2-ую фотолитографию и формируют ионным легированием бора дозой D=10 мкКл энергией Е=20 кэВ р+ верхнюю горизонтальную область и р+ нижнюю горизонтальную область;b) - conduct the 2nd photolithography and form by ion doping of boron with a dose of D = 10 μC, energy E = 20 keV p + upper horizontal region and p + lower horizontal region;
в) - проводят 3-ую фотолитографию и формируют n+ контактный слой ионным легированием фосфора дозой D=300 мкКл с энергией Е=40 кэВ;c) - conduct the 3rd photolithography and form the n + contact layer by ion doping of phosphorus with a dose of D = 300 μC with an energy of E = 40 keV;
- проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=900°С в течение t=40 минут;- conduct thermal annealing of radiation defects at a temperature of T = 900 ° C for t = 40 minutes;
г) - проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т=860°С в течение 20 минут на толщину оксида SiO2=35 нм;g) - conduct thermal oxidation of the surface of the plates at a temperature of T = 860 ° C for 20 minutes to a thickness of the oxide of SiO 2 = 35 nm;
- проводят 4-ую и 5-ую фотолитографии контактных окон к верхней n+ контактной области и нижней горизонтальной р+ области;- spend the 4th and 5th photolithography of the contact windows to the upper n + contact region and the lower horizontal p + region;
д) - осаждают радиоактивный изотоп - 63Ni;e) - a radioactive isotope is deposited - 63 Ni;
е) - режут пластины на чипы (кристаллы).f) - they cut the plates into chips (crystals).
Пример практической реализации конструкции.An example of the practical implementation of the design.
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ·см с ориентацией (100) по технологии, представленной на фиг. 3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 63Ni, 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 - 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания p-n-переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа могут быть использованы иные материалы, например, твердотельный источник трития и т.д.The proposed converter can be implemented on KEF silicon wafers of 5 kΩ cm with (100) orientation according to the technology shown in FIG. 3. In this case, 63 Ni can be selected as an isotopic source, which has a long half-life (100.1 years) and emits electronic radiation with an average energy of 17 keV and a maximum energy of 64 keV, which is practically safe for human health. This energy of electrons is less than the energy of defect formation in silicon (160 keV). In this case, the absorption depth in silicon of electrons with an average energy of 17 keV is approximately 3.0 μm, and for 90% absorption - 12 μm. These sizes should correspond to the depths of the pn junctions and the SCR value, which is achieved on typical silicon structures. It should be noted that other materials, for example, a solid-state source of tritium, etc., can be used as a radioactive isotope.
По данной технологии изготовлены на кремниевых кристаллах площадью 1 см2 тестовые образцы бета-батареек с параметрами, лучшими, чем у известных аналогов. При активности источника 63Ni 2,7 мКи, получено значение напряжения холостого хода (Uxx) более 0,1 В и тока короткого (Iкз) замыкания более 25 нА.According to this technology, test samples of beta batteries with parameters better than those of the known analogues are made on silicon crystals with an area of 1 cm 2 . When the source activity of 63 Ni was 2.7 mCi, an open circuit voltage (U xx ) of more than 0.1 V and a short-circuit current (I kz ) of more than 25 nA were obtained.
По разработанной технологии были получены планарные односторонние макеты преобразователя с характеристиками, приведенными в таблице 1.According to the developed technology, planar unilateral transducer mockups with the characteristics given in table 1 were obtained.
На образцах 1, 2 присутствовал тонкий слой Al (400 ангстрем) над рабочей р-областью, образцы 3, 4 имели контакт только на периферии рабочей области.A thin Al layer (400 angstroms) was present on
На образцах 2 и 4 применялся геттерирующий отжиг с охлаждением с 900°С до 600°С со скоростью 1°С/мин.
Типичная ВАХ под облучением радиоизотопа Ni-63 с активностью 2,7 мКи представлена на фиг 4.A typical CVC under irradiation of a Ni-63 radioisotope with an activity of 2.7 mCi is shown in FIG. 4.
Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например кремния, бета-излучением изотопов (никеля, стронция, кобальта и т.д.). Образующиеся при этом электронно-дырочные пары разделяются полем p-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+ и n+ областях преобразователя (бета-гальваническую ЭДС). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем р-n перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии, равном диффузионной длине носителя заряда. Генерируемый p-n-переходами ионизационный заряд собирается накопительным МОП конденсатором.The principle of operation of the converter is based on the ionization of a semiconductor material, such as silicon, by beta radiation of isotopes (nickel, strontium, cobalt, etc.). The resulting electron-hole pairs are separated by a p-n junction field in the space charge region (SCR) and create a potential difference in the p + and n + regions of the transducer (beta-galvanic EMF). In this case, part of the electron – hole pairs can be assembled by the pn junction field also in the quasineutral region (CCW) at a distance equal to the diffusion length of the charge carrier. The ionization charge generated by pn junctions is collected by a storage MOS capacitor.
Технические преимущества изобретенияTechnical Advantages of the Invention
- конструкция бета-батарейки позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным p-i-n диодом (размеры n+ контактной области много меньше размеров р+ горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь);- the design of the beta battery allows you to get almost twice as much power as compared to a conventional pin diode (the dimensions of the n + contact area are much smaller than the sizes of p + horizontal areas and its contribution can be neglected);
- при этом генерируемая энергия накапливается внутри бета-батарейки, что во многих случаях исключает необходимость применения внешних аккумуляторов и конденсаторов;- in this case, the generated energy is accumulated inside the beta-battery, which in many cases eliminates the need for external batteries and capacitors;
- при производстве бета-батарейки преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;- in the production of beta-batteries of the converter of ionizing radiation, microelectronic technology is used;
- конструкция «высоковольтной» батареи собирается из элементарных батареек путем их склеивания электропроводящим клеем (фиг. 5, а - сборка (разрез структуры), фиг. 5, б - электрическая схема «высоковольтной» батареи);- the design of the "high-voltage" battery is assembled from elementary batteries by gluing them with an electrically conductive adhesive (Fig. 5, a - assembly (section of the structure), Fig. 5, b - electrical diagram of the "high-voltage" battery);
- современные технологии изготовления пластин позволяют провести утонение пластин кремния до оптимальных размеров Н=40 мкм, соответствующих глубине поглощения бета-излучения в кремнии, что позволяет получать максимальную мощность излучения и, соответственно, ЭДС на единицу объема (веса) преобразователя;- modern plate manufacturing technologies allow thinning silicon wafers to optimal sizes H = 40 μm, corresponding to the depth of beta radiation absorption in silicon, which allows to obtain the maximum radiation power and, accordingly, EMF per unit volume (weight) of the transducer;
- такой источник ЭДС обеспечит прямую зарядку (конденсатора) аккумулятора при отсутствии солнечных батарей при минимальном ее весе и размерах, что важно, например, для применения в беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах, электростимуляторах сердца и т.д.;- such a source of EMF will provide direct charging (of the capacitor) of the battery in the absence of solar batteries at its minimum weight and size, which is important, for example, for use in unmanned aerial vehicles, explosive rooms - mines, night indicators located in inaccessible places, heart pacemakers and etc .;
- важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиоактивного материала, который для 63Ni составляет 100,1 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.- An important circumstance is also that the service life of such a converter is determined by the half-life of the radioactive material, which is 100.1 years for 63 Ni, which is more than enough in most applications.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015118011/28A RU2599274C1 (en) | 2015-05-14 | 2015-05-14 | Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015118011/28A RU2599274C1 (en) | 2015-05-14 | 2015-05-14 | Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2599274C1 true RU2599274C1 (en) | 2016-10-10 |
Family
ID=57127584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015118011/28A RU2599274C1 (en) | 2015-05-14 | 2015-05-14 | Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2599274C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101599308A (en) * | 2009-06-30 | 2009-12-09 | 西北工业大学 | Micronuclear battery with protective ring structure and manufacturing method thereof |
| CN102254581A (en) * | 2011-06-30 | 2011-11-23 | 西安电子科技大学 | SiC ring electrode PIN-type nuclear battery |
| RU140489U1 (en) * | 2013-08-22 | 2014-05-10 | Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия" | SENSITIVE ELEMENT OF IONIZING RADIATION |
| US20140225472A1 (en) * | 2011-10-19 | 2014-08-14 | Xidian University | I-Layer Vanadium-Doped Pin Type Nuclear Battery and the Preparation Process Thereof |
| RU2545502C2 (en) * | 2013-08-22 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия" | Ionising radiation sensor |
-
2015
- 2015-05-14 RU RU2015118011/28A patent/RU2599274C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101599308A (en) * | 2009-06-30 | 2009-12-09 | 西北工业大学 | Micronuclear battery with protective ring structure and manufacturing method thereof |
| CN102254581A (en) * | 2011-06-30 | 2011-11-23 | 西安电子科技大学 | SiC ring electrode PIN-type nuclear battery |
| US20140225472A1 (en) * | 2011-10-19 | 2014-08-14 | Xidian University | I-Layer Vanadium-Doped Pin Type Nuclear Battery and the Preparation Process Thereof |
| RU140489U1 (en) * | 2013-08-22 | 2014-05-10 | Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия" | SENSITIVE ELEMENT OF IONIZING RADIATION |
| RU2545502C2 (en) * | 2013-08-22 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия" | Ionising radiation sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| US7939986B2 (en) | Betavoltaic cell | |
| US8134216B2 (en) | Nuclear batteries | |
| US3714474A (en) | Electron-voltaic effect device | |
| US10706983B2 (en) | Mass production method of loading radioisotopes into radiovoltaics | |
| RU2539109C1 (en) | Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions | |
| CN105448375B (en) | Using the carborundum PIN-type isotope battery and its manufacture method of αsource | |
| RU2599274C1 (en) | Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method | |
| KR102595089B1 (en) | Cross-linked ionizing radiation converter and method for manufacturing the same | |
| CN110459340B (en) | H-3 silicon carbide PN type isotope battery and manufacturing method thereof | |
| CN104051045B (en) | Series-connection PIN-structure alpha irradiation battery and preparation method | |
| RU2605783C1 (en) | Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof | |
| RU168184U1 (en) | PLANAR CONVERTER OF IONIZING RADIATIONS WITH ACCUMULATING CAPACITOR | |
| CN104051052A (en) | Trench isolation type alpha irradiation battery with PIN type GaN extension layer and manufacturing method | |
| RU2608313C2 (en) | High-voltage converter of ionizing radiation and its manufacturing method | |
| RU2608311C2 (en) | Optical and radiation converter and method of its making | |
| CN110556192B (en) | A kind of Pm-147 silicon carbide graded PN isotope battery and its making method | |
| KR20190025671A (en) | Beta cell | |
| CN105448374B (en) | Using the carborundum PIN buried structures isotope battery and its manufacture method of αsource | |
| RU2605784C1 (en) | Combined accumulating element of photo- and beta-voltaic on microchannel silicon | |
| KR20160098915A (en) | Vertical beta voltaic battery structure and method of manufacturing thereof | |
| RU2608302C1 (en) | Design of monolithic silicon photoelectric converter and its manufacturing method | |
| KR102513298B1 (en) | Radioisotope battery | |
| RU2605758C1 (en) | Electric power supply source | |
| CN110556193B (en) | A kind of Pm-147 silicon carbide graded N-region isotope battery and its manufacturing method |