[go: up one dir, main page]

RU2605783C1 - Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof - Google Patents

Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2605783C1
RU2605783C1 RU2015133494/28A RU2015133494A RU2605783C1 RU 2605783 C1 RU2605783 C1 RU 2605783C1 RU 2015133494/28 A RU2015133494/28 A RU 2015133494/28A RU 2015133494 A RU2015133494 A RU 2015133494A RU 2605783 C1 RU2605783 C1 RU 2605783C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beta
silicon
regions
conducting
microchannels
Prior art date
Application number
RU2015133494/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Сергеевич Нагорнов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет
Priority to RU2015133494/28A priority Critical patent/RU2605783C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2605783C1 publication Critical patent/RU2605783C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21HOBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/06Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Weting (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to converters of optical and beta-radiation sources energy into electric energy. Creation of an original planar design of a high-voltage converter is implemented as per a standard microelectronic technology. Peculiar feature of such a design is arrangement of several elements of p-i-n-structures isolated from each other with microchannels and interconnected in series, herewith each structure collects radiation of p-n-junctions on both sides of a silicon plate both from a light source and a beta-source. Such converter can be used in difficult to access places, mines, for power supply of biosensors integrated inside the body, etc., as well as for charging microaccumulators based on chemical current sources with a solid-state electrolyte.
EFFECT: planar photo- and beta-voltaic converter according to the invention provides high value of output EMF voltage.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления бета-вольтаических и фотоэлектрических преобразователей ионизирующих излучений в электрическую энергию (ЭДС) высокого напряжения.The invention relates to the field of creating semiconductor devices, in particular to the manufacturing technology of beta-voltaic and photoelectric converters of ionizing radiation into electrical energy (EMF) of high voltage.

Известны конструкции планарных - трехмерных - преобразователей ионизирующих излучений в электрическую энергию, которые предложили Sun W. и Chandrashekhar M.V.S. [1-4] и которые используют микроканальное травление для создания вертикальных р-n-переходов. Такая конструкция позволяет увеличивать поверхность р-n-перехода, на которую в каналы осаждают радиоактивное вещество [1-4] либо заполняют светопроводящим материалом [1, 2], что позволяет пропорционально площади увеличить ток генерации в элементах и увеличить их эффективность. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда (ОПЗ) p-i-n-диодов, в которых генерируются бета-излучением носители заряда. При этом для увеличения ЭДС фото- и бета-вольтаических элементов используются широкозонные материалы - GaN, GaP, AlGaAs, SiC вследствие их более высокой температурной стойкости [4, 5]. Однако максимальное напряжение ЭДС таких структур не превышает контактной разности потенциалов этих материалов, что является недостатком в случае, когда требуется высокое напряжение питания.There are known designs of planar - three-dimensional - converters of ionizing radiation into electrical energy, which were proposed by Sun W. and Chandrashekhar M.V.S. [1-4] and which use microchannel etching to create vertical pn junctions. This design allows you to increase the surface of the pn junction, on which a radioactive substance is deposited in the channels [1-4] or filled with light-conducting material [1, 2], which allows to increase the generation current in the elements and increase their efficiency proportionally to the area. 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 (SCR) of p-i-n-diodes in which charge carriers are generated by beta radiation. In order to increase the emf of photo- and beta-voltaic elements, wide-gap materials — GaN, GaP, AlGaAs, and SiC — are used due to their higher temperature resistance [4, 5]. However, the maximum voltage of the EMF of such structures does not exceed the contact potential difference of these materials, which is a disadvantage in the case when a high supply voltage is required.

Более того, при создании трехмерных (3D) конструкций технологии, использующие широкозонные материалы, уступают в производительности и эффективности кремниевой технологии. В частности, глубина микроканалов в кремнии в разы больше, чем в карбиде кремния и других материалах. 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.Moreover, 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.

Также известна технология диэлектрической изоляцией, полученная вертикальным анизотропным травлением кремния [6], в которой вертикальные изолирующие микроканалы реализованы в кремнии с ориентацией (110) либо ориентацией (100) и затем заполнены кремниевой суспензией на основе кремнийорганического полимера. Для этого сначала при помощи маски наносят рисунок фотошаблона, затем проводят травление в растворе KOH при температуре 60°С, в результате получают параллельные канавки глубиной до 150-200 мкм, шириной порядка 30 мкм и длиной несколько сантиметров. Затем проводят окисление на глубину 0,5-0,6 мкм и на центрифуге микроканалы заполняют мелкодисперсной суспензией кремния в 5%-ном растворе диметилсилоксанового каучука в толуоле.Also known is the technology of dielectric isolation obtained by vertical anisotropic etching of silicon [6], in which the vertical insulating microchannels are realized in silicon with the (110) or (100) orientation and then are filled with a silicon suspension based on an organosilicon polymer. To do this, first use a mask to apply a photo mask pattern, then etch it in a KOH solution at a temperature of 60 ° C, resulting in parallel grooves with a depth of up to 150-200 microns, a width of about 30 microns and a length of several centimeters. Then oxidation is carried out to a depth of 0.5-0.6 μm and in the centrifuge the microchannels are filled with a fine suspension of silicon in a 5% solution of dimethylsiloxane rubber in toluene.

Известна конструкция «Кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений» [7] (рис. 1), взятая за прототип и содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+--переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами. Преимуществом данной конструкции является возможность получения высокого выходного напряжения при воздействии светом или под действием радиационного излучения.The known design "Silicon single-crystal multi-junction photoelectric transducer of optical and radiation radiation" [7] (Fig. 1), taken as a prototype and containing diode cells with vertical single junctions located perpendicular to the horizontal light-receiving surface and horizontal in the diode cells parallel to the light-receiving surface n + -p - transitions, all transitions being connected into a single structure by metal cathode and anode electrodes. The advantage of this design is the ability to obtain a high output voltage when exposed to light or under the influence of radiation.

Способ изготовления конструкции прототипа, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных n+-++-n--n+)-переходов, металлизацию поверхности пластин, сборку пластин в столбик с прокладками из алюминиевой фольги, сплавление в вакуумной печи, резанье столбика на структуры, формирование горизонтальных n+-+-n-)-переходов, присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия, при этом до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных n+-++-n--n+)-переходов в объеме пластин формируют слаболегированные дополнительные вертикальные n+-+-n-)-переходы, затем формируют вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин, формируют горизонтальные n+-+-n-)-переходы, при этом концентрация примеси в дополнительных горизонтальные n+-+-n-)-переходах более чем на порядок меньше величины концентрации примеси в горизонтальных n-+--n+)-переходах, у которых свою очередь концентрация примеси на порядок меньше величины концентрации примеси в областях - n++)-типа вертикальных одиночных переходов.A method of manufacturing the design of the prototype, including the formation on the surface of single crystal silicon wafers of vertical single n + -p - -p + (p + -n - -n + ) transitions, metallization of the surface of the plates, the assembly of the plates in a column with gaskets made of aluminum foil, fusion in a vacuum oven for cutting the column structure forming the horizontal n + -p - (p + -n -) transitions, accession tokovyvodyaschih contacts svetoprosvetlyayuschego and applying a dielectric coating, wherein prior to the formation on the surface of the plates mon vertical single crystalline silicon n + p - p + (p + -n - -n +) transitions in the screen plates form additional vertical weakly doped n + -p - (p + -n -) transitions, then form vertical single transitions, then after cutting the plates, form horizontal n + -p - (p + -n - ) transitions, while the concentration of impurities in the additional horizontal n + -p - (p + -n - ) transitions is more than an order of magnitude less impurity concentration in horizontal n - -p + (p - -n + ) transitions, in which the impurity concentration in turn is an order of magnitude less than the impurity concentration in the regions - n + (p + ) -type of vertical single transitions.

Общим недостатком аналогов и прототипа являются высокие токи утечки и низкий КПД, что при низком уровне генерации носителей заряда от бета-источника, например никель-63, не позволяет получать приемлемые для практического использования значения ЭДС.A common drawback of analogues and prototype is the high leakage currents and low efficiency, which with a low level of generation of charge carriers from a beta source, for example nickel-63, does not allow to obtain EMF values acceptable for practical use.

Целью изобретения является создание конструкции планарного фото- и бета-вольтаического преобразователя с высоким значением выходного напряжения ЭДС.The aim of the invention is the creation of the design of a planar photo- and beta-voltaic converter with a high value of the output voltage of the EMF.

Цель достигается путем создания новой конструкции планарного преобразователя, состоящей из серии элементов - планарных p-i-n-структур, расположенных на одной пластине кремния, соединенных последовательно и изолированных друг от друга областями - сквозными микроканалами или щелями, заполненными мелкодисперсной суспензией кремния и покрытыми диоксидом кремния, при этом каждая p-i-n-структура состоит из слаболегированной полупроводниковой пластины -n(-р)-типа проводимости, в которой расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные р+ (n+)-области, образующие с пластиной p-n-переходы р-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (n+)-замкнутой областью, на верхней поверхности пластины также расположена n++)-контактная область к пластине -n (-р)-типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных р+ (n+)-областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, на верхних слоях которого содержатся контактные окна соответственно к n++)- и р+(n+)-контактным областям, соединенным с соседними структурами металлическими контактами последовательно, т.е. n++)-контактная область с р+(n+)-контактной областью следующей структуры, при этом на поверхности нижнего диэлектрика расположен слой радиоактивного изотопа, испускающего бета-частицы.The goal is achieved by creating a new design of a planar converter, consisting of a series of elements - planar pin structures located on one silicon wafer, connected in series and isolated from each other by areas - through microchannels or slots filled with a finely dispersed suspension of silicon and coated with silicon dioxide, while each pin-structure consists of a lightly doped semiconductor wafer of an -n (-p) -type of conductivity, in which are heavily doped upper and lower, respectively horizontal p + (n + ) -regions forming pn junctions of the p-in diode with the plate, while they are interconnected by a vertical p + (n + ) -closed region, n + (p + ) -contact region to the plate of the -n (-p) -type of conductivity, on the upper and lower surfaces of the horizontal p + (n + ) -regions, respectively, are layers of the upper and lower dielectric, on the upper layers of which there are contact windows respectively to n + (p + ) - and p + (n + ) -contact regions connected to neighboring met allic contacts in series, i.e. an n + (p + ) contact region with a p + (n + ) contact region of the following structure, with a layer of a radioactive isotope emitting beta particles located on the surface of the lower dielectric.

Способом изготовления, состоящим в формировании р+ нижней и р+ верхней горизонтальных областей, проведении термического окисления поверхности пластин, проведении 1-й фотолитографии и травлении микроканалов, формировании вертикального р+-слоя, окислении боковых стенок каналов, заполнении мелкодисперсной суспензией кремния микроканалов, проведении 2-й фотолитографии и формировании n+-контактного слоя, проведении 3-й фотолитографии и вскрытии окон для р+-контактных областей, проведении 4-й фотолитографии и осаждение слоев металлизации и осаждении радиоактивного изотопа - никеля-63 - на нижнюю поверхность пластины.A manufacturing method consisting in the formation of p + lower and p + upper horizontal regions, the thermal oxidation of the wafer surface, the first photolithography and etching of the microchannels, the formation of a vertical p + layer, the oxidation of the side walls of the channels, the filling of a finely dispersed suspension of silicon microchannels, 2nd photolithography and the formation of the n + -contact layer, conducting the 3rd photolithography and opening the windows for p + -contact areas, conducting the 4th photolithography and deposition of metallization layers and the deposition of a radioactive isotope - Nickel-63 - on the lower surface of the plate.

Конструкция прототипа показана на рис. 1, в которой диодные ячейки (ДЯ) - 1, с нанесенным на них светопросветляющим покрытием - 2, соединенные в единую конструкцию металлическими катодными - 3 и анодными - 4 электродами, с расположенными соответственно на их поверхности полупроводниковыми областями - 5 n++)-типа и - 6 р+ (n+)-типа одиночных вертикальных n+-++-n--n+)-переходов. На верхней и нижней поверхности ДЯ - 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7 n++)-типа - 8 р+ (n+)-типа горизонтальных n+-+-n-)-переходов. На поверхности областей - 5 n++)-типа и - 6 р+ (n+)-типа расположены соответственно области - 9 р- (n-)-типа и - 10 n--)-типа, образующие с ними соответственно одиночные n+-+-n-)- и дополнительные n+-+-n-)-переходы, на ее нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика - 11 толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике. На поверхности которого размещен слой радиоактивного металла - 12 толщиной, равной длине пробега электронов в металле.The design of the prototype is shown in Fig. 1, in which diode cells (ДА) - 1, with a light-bleaching coating deposited on them - 2, connected to a single structure by metal cathode - 3 and anode - 4 electrodes, with semiconductor regions located respectively on their surface - 5 n + (p + ) -type and - 6 p + (n + ) -type of single vertical n + -p - -p + (p + -n - -n + ) transitions. On the upper and lower surfaces of ДЯ - 1, respectively, semiconductor regions are located - 7 n + (p + ) -type - 8 p + (n + ) -type of horizontal n + -p - (p + -n - ) junctions. On the surface of regions of the 5 n + (p + ) -type and - 6 p + (n + ) -type, respectively, the regions of the 9 p - (n - ) -type and - 10 n - (p - ) -type are located, forming with them, respectively, single n + -p - (p + -n - ) - and additional n + -p - (p + -n - ) junctions, on its lower and lateral surfaces there is a dielectric layer - 11 thicker than the mean free path of radiation particles in a dielectric. On the surface of which there is a layer of radioactive metal - 12 thick, equal to the mean free path of electrons in the metal.

Конструкция высоковольтного преобразователя по изобретению показана на рис. 2, где а - структура, б - топология, в - эквивалентная электрическая схема.The design of the high voltage converter according to 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 сильно легированные соответственно верхняя - 2 и нижняя - 3 горизонтальные р+(n+)-области, к ним примыкает вертикальная р+(n+)-замкнутая область - 4, на верхней поверхности пластины также расположена n++)-контактная область - 5, на поверхности горизонтальных р+(n+)-областей - 2 и 3 расположены соответственно слои верхнего - 6 и нижнего - 7 диэлектрика, в микроканалах расположена изолирующая мелкодисперсная суспензия кремния - 8, стенки микроканала покрыты тонким оксидом - 9, контактные площадки соседних элементов соединены слоем металлизации - 10, на нижней поверхности пластины расположен слой радиоактивного изотопа - металла - 11, конструкция содержит несколько элементов p-i-n-структур, соединенных последовательно, и имеющая контактные площадки анода - 12 и катода - 13.The design has a semiconductor wafer of n (p) type of conductivity - 1, on the upper and lower surfaces of which there are strongly doped upper - 2 and lower - 3 horizontal p + (n + ) regions, adjacent to them is vertical p + (n + ) -closed region - 4, on the upper surface of the plate there is also n + (p + ) -contact region - 5, on the surface of horizontal p + (n + ) -regions - 2 and 3, the layers of the upper - 6 and lower - 7 are located dielectric, in microchannels is an insulating fine suspension to emniya - 8, the microchannel walls are covered with thin oxide - 9, the contact pads of adjacent elements are connected by a metallization layer - 10, a layer of a radioactive isotope - metal - 11 is located on the bottom surface of the plate, the design contains several pin-structure elements connected in series, and having contact pads the anode is 12 and the cathode is 13.

Пример конкретной реализацииConcrete implementation example

Технология изготовления высоковольтного преобразователя по изобретению показана на рис. 3 и состоит из следующей последовательности технологических операций:The manufacturing technology of the high voltage converter according to the invention is shown in Fig. 3 and consists of the following sequence of technological operations:

а) - формируют ионным легированием бора дозой D=500 мкКул энергией Е=40 кэВ р+ нижнюю и р+ верхнюю горизонтальную область;a) - form by ion doping of boron with a dose of D = 500 μCool with an energy of E = 40 keV p + lower and p + upper horizontal region;

- проводят термическое окисление поверхности пластин при температуре Т=860°С в течение 60 минут;- conduct thermal oxidation of the surface of the plates at a temperature of T = 860 ° C for 60 minutes;

- закрепляют пластину на кварцевом держателе нижней стороной;- fix the plate on the quartz holder with the bottom side;

б) - проводят 1-ю фотолитографию и вскрытие окон для травления микроканалов;b) - conduct the 1st photolithography and opening windows for etching microchannels;

- проводят травление в растворе KOH при температуре 60°С для создания щелей или сквозных микроканалов вокруг каждого элемента p-i-n-структур;- etching is carried out in a KOH solution at a temperature of 60 ° C to create slots or through microchannels around each element of the p-i-n structures;

- проводят формирование вертикального р+-слоя путем "глубокой" диффузии бора;- carry out the formation of a vertical p + -layer by "deep" diffusion of boron;

в) - проводят окисление боковых стенок каналов и на центрифуге микроканалы/щели заполняют мелкодисперсной суспензией кремния в 5%-ном растворе диметилсилоксанового каучука в толуоле;c) - carry out the oxidation of the side walls of the channels and in the centrifuge the microchannels / slots are filled with a fine suspension of silicon in a 5% solution of dimethylsiloxane rubber in toluene;

г) - проводят 2-ю фотолитографию и вскрытие окон для n+-контактных областей;g) - carry out the 2nd photolithography and opening the windows for n + -contact areas;

- формируют n+-контактный слой ионным легированием фосфора дозой D=300 мкКул с энергией Е=40 кэВ;- form an n + -contact layer by ion doping of phosphorus with a dose of D = 300 μCool with an energy of E = 40 keV;

д) - проводят 3-ю фотолитографию и вскрытие окон для р+-контактных областей;d) - carry out the 3rd photolithography and opening of windows for p + -contact areas;

- проводят 4-ю фотолитографию и осаждение алюминия на верхнюю поверхность пластины;- conduct 4th photolithography and deposition of aluminum on the upper surface of the plate;

- убирают кварцевый держатель и осаждают радиоактивный изотоп - никель-63 - на нижнюю поверхность пластины.- remove the quartz holder and deposit the radioactive isotope - nickel-63 - on the lower surface of the plate.

Принцип действия преобразователя основан на ионизации полупроводникового материала, например кремния, светом и/или бета-излучением изотопов (никеля, стронция, кобальта и т.д.). Образующиеся при этом электронно-дырочные пары разделяются полем р-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на р+- и n+-областях преобразователя. 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. При этом преобразователь состоит из нескольких элементов, каждый из которых является p-i-n-структурой, соединенных последовательно, что позволяет на выходе получить ЭДС высокого напряжения.The principle of operation of the converter is based on the ionization of a semiconductor material, for example silicon, by light and / or beta radiation of isotopes (nickel, strontium, cobalt, etc.). The electron-hole pairs formed in this case are separated by the pn junction field in the space charge region (SCR) and create a potential difference on the p + and n + regions of the transducer. 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. In this case, the converter consists of several elements, each of which is a pin-structure connected in series, which allows to obtain high voltage EMF at the output.

Пример практической реализации конструкцииExample of practical implementation of the design

Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ·см с ориентацией (110) по технологии, представленной на рис. 3. При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 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 - 20 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания р-n переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах.The proposed converter can be implemented on KEF silicon wafers of 5 kΩ · cm with an orientation of (110) 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 it is 20 μm. These dimensions should correspond to the depths of the pn junctions and the SCR value, which is achieved on typical silicon structures.

Технические преимущества изобретения:Technical advantages of the invention:

- конструкция преобразователя позволяет получить в несколько раз большую мощность по сравнению с аналогами и обычным p-i-n-диодом (размеры n+-контактной области много меньше размеров p+-горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь);- the design of the converter allows you to get several times more power compared to analogs and a conventional pin diode (the dimensions of the n + -contact region are much smaller than the sizes of p + -horizontal regions and its contribution can be neglected);

- при производстве преобразователя ионизирующих излучений используется микроэлектронная технология;- in the manufacture of an ionizing radiation converter, microelectronic technology is used;

- толщина конструкции высоковольтного преобразователя соответствует толщине кремниевой пластины, т.е. 200-400 мкм, и поэтому может применяться для электрического питания биосенсоров и МЭМС;- the thickness of the design of the high voltage converter corresponds to the thickness of the silicon wafer, i.e. 200-400 microns, and therefore can be used for electrical power of biosensors and MEMS;

- конструкция преобразователя позволяет получать электрическую энергию, как под действием света, так и под действием бета-источника - никель-63;- the design of the converter allows you to receive electrical energy, both under the influence of light, and under the influence of a beta source - Nickel-63;

- такой высоковольтный источник ЭДС обеспечит прямую зарядку аккумулятора на основе химических источников тока с твердотельным электролитом, для которых напряжение зарядки составляет 4,5-5 В, даже в отсутствие освещения;- such a high-voltage EMF source will provide direct charging of the battery based on chemical current sources with solid-state electrolyte, for which the charging voltage is 4.5-5 V, even in the absence of lighting;

- такой преобразователь может быть применен в труднодоступных местах для питания систем контроля и управления, например, во взрывоопасных помещениях, шахтах, радиоактивных хранилищах, для питания биосенсоров и т.д.;- such a converter can be used in hard-to-reach places to power control and management systems, for example, in explosive rooms, mines, radioactive storage facilities, to power biosensors, etc .;

- срок службы преобразователя будет определяться периодом полураспада радиоактивного материала, который для 63Ni составляет 100,1 лет.- the service life of the converter will be determined by the half-life of the radioactive material, which for 100 Ni is 100.1 years.

ЛитератураLiterature

1. Sun W., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536-1540.1. Sun W., Hirschman K. D., Gadeken L. L. and Fauchet P.M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536-1540.

2. Sun W., Kherani N.P., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. A Three-Dimensional Porous Silicon р-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230-1233.2. Sun W., Kherani N.P., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. A Three-Dimensional Porous Silicon rn Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230-1233.

3. Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I.; Li H., Spencer M.G.; Lal A. Demonstration of a 4H SiC Betavoltaic Cell // Applied Physics Letters. V. 88. N3. 2006. P. 033506. 1-3.3. Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I .; Li H., Spencer M.G .; Lal A. Demonstration of a 4H SiC Betavoltaic Cell // Applied Physics Letters. V. 88. N3. 2006. P. 033506. 1-3.

4. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986B2. Pub. date: 10.05.2011.4. Chandrashekhar M.V.S., Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986B2. Pub. date: 05/10/2011.

5. Cheng Z., Zhao Z., San H.; Chen X. Demonstration of a GaN betavoltaic microbattery // Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). 2011. IEEE International Conference. P. 1036-1039.5. Cheng Z., Zhao Z., San H .; Chen X. Demonstration of a GaN betavoltaic microbattery // Nano / Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). 2011. IEEE International Conference. P. 1036-1039.

6. Гук Е.Г., Ткаченко А.Г., Токранова H.A. и др. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией, полученные вертикальным анизотропным травлением // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. №9. С. 64-71.6. Guk E.G., Tkachenko A.G., Tokranova H.A. et al. Silicon structures with dielectric insulation obtained by vertical anisotropic etching // Letters in the Journal of Technical Physics. 2001.V. 27. No. 9. S. 64-71.

7. Мурашев В.Н., Леготин С.А., Леготин А.Н., Мордкович В.Н., Краснов А.А. Кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений // Патент РФ 2539109 С1 от 10.01.2015.7. Murashev V.N., Legotin S.A., Legotin A.N., Mordkovich V.N., Krasnov A.A. Silicon single-crystal multi-junction photoelectric converter of optical and radiation radiation // RF Patent 2539109 C1 of 01/10/2015.

Claims (2)

1. Конструкция планарного высоковольтного фото- и бета-вольтаического преобразователя, состоящая из серии элементов - планарных p-i-n-структур, расположенных на одной пластине кремния, соединенных последовательно и изолированных друг от друга областями - сквозными микроканалами или щелями, заполненными мелкодисперсной суспензией кремния и покрытыми диоксидом кремния, при этом каждая p-i-n-структура состоит из слаболегированной полупроводниковой пластины -n(-p)-типа проводимости, в которой расположены сильно легированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные p+(n+)-области, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной p+(n+)-замкнутой областью, на верхней поверхности пластины также расположена n+(p+)-контактная область к пластине -n(-p)-типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях горизонтальных p+(n+)-областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, на верхних слоях которого содержатся контактные окна соответственно к n+(p+)- и p+(n+)-контактным областям, соединенным с соседними структурами металлическими контактами последовательно, т.е. n+(p+)-контактная область с p+(n+)-контактной областью следующей структуры, при этом на поверхности нижнего диэлектрика расположен слой радиоактивного изотопа, испускающего бета-частицы.1. The design of a planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter, consisting of a series of elements - planar pin structures located on one silicon plate, connected in series and isolated from each other by regions - through microchannels or slots filled with a finely dispersed suspension of silicon and coated with dioxide silicon, with each pin-structure consisting of a lightly doped semiconductor wafer -n (-p) -type of conductivity, in which strongly doped, respectively, upper I and the lower horizontal p + (n +) type region forming a pn-transitions plate pin-diode, while they are interconnected vertical p + (n +) region-closed, on the upper surface of the plate is also located n + (p + ) -contact region to the plate of the -n (-p) -type of conductivity, on the upper and lower surfaces of horizontal p + (n + ) -regions, respectively, are layers of the upper and lower dielectric, on the upper layers of which there are contact windows, respectively, to n + (p +) - and p + (n +) regions pin connected to adjacent structures m the metallic contacts in series, i.e., An n + (p + ) contact region with a p + (n + ) contact region of the following structure, with a layer of a radioactive isotope emitting beta particles located on the surface of the lower dielectric. 2. Способ изготовления конструкции по п.1, состоящий в формировании p+ нижней и p+ верхней горизонтальных областей, проведении термического окисления поверхности пластин, проведении 1-й фотолитографии и травлении микроканалов, формировании вертикального p+-слоя, окислении боковых стенок каналов, заполнении мелкодисперсной суспензией кремния микроканалов, проведении 2-й фотолитографии и формировании n+-контактного слоя, проведении 3-й фотолитографии и вскрытии окон для p+-контактных областей, проведении 4-й фотолитографии и осаждение слоев металлизации и осаждении радиоактивного изотопа - никеля-63 - на нижнюю поверхность пластины. 2. The manufacturing method of the structure according to claim 1, which consists in forming p + lower and p + upper horizontal regions, conducting thermal oxidation of the surface of the plates, conducting the 1st photolithography and etching of the microchannels, forming a vertical p + layer, oxidizing the side walls of the channels, filling microchannels with a finely dispersed silicon suspension, conducting the 2nd photolithography and forming the n + -contact layer, conducting the third photolithography and opening the windows for p + -contact regions, conducting the fourth photolithography and deposition of the layer in metallization and deposition of a radioactive isotope - nickel-63 - on the lower surface of the plate.
RU2015133494/28A 2015-08-10 2015-08-10 Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof RU2605783C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015133494/28A RU2605783C1 (en) 2015-08-10 2015-08-10 Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015133494/28A RU2605783C1 (en) 2015-08-10 2015-08-10 Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2605783C1 true RU2605783C1 (en) 2016-12-27

Family

ID=57793681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015133494/28A RU2605783C1 (en) 2015-08-10 2015-08-10 Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2605783C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2659618C1 (en) * 2017-01-31 2018-07-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Converter of ionizing radiations with net bulk structure and method of its production

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2452060C2 (en) * 2010-05-27 2012-05-27 Виталий Викторович Заддэ Beta radiation-to-electrical energy semiconductor converter
RU2539109C1 (en) * 2013-09-26 2015-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2452060C2 (en) * 2010-05-27 2012-05-27 Виталий Викторович Заддэ Beta radiation-to-electrical energy semiconductor converter
RU2539109C1 (en) * 2013-09-26 2015-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2659618C1 (en) * 2017-01-31 2018-07-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Converter of ionizing radiations with net bulk structure and method of its production
WO2018143838A1 (en) * 2017-01-31 2018-08-09 National University Of Science And Technology "Misis" Ionizing radiation converter with cross-linked structure and its fabrication method
CN110494929A (en) * 2017-01-31 2019-11-22 俄罗斯国立科技大学莫斯科钢铁合金研究所 Ionising radiation converter and its manufacturing method with cross-linked structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8866152B2 (en) Betavoltaic apparatus and method
US7939986B2 (en) Betavoltaic cell
US6774531B1 (en) Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material
KR20120071241A (en) Apparatus for beta-battery and method of making same
RU2539109C1 (en) Multijunction silicone monocrystalline converter of optic and radiation emissions
US4010534A (en) Process for making a deep diode atomic battery
RU2605783C1 (en) Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof
KR102134223B1 (en) Beta battery
CN104051050A (en) Parallel type PIN type alpha irradiation battery and preparing method thereof
KR102595089B1 (en) Cross-linked ionizing radiation converter and method for manufacturing the same
RU2608313C2 (en) High-voltage converter of ionizing radiation and its manufacturing method
RU2608311C2 (en) Optical and radiation converter and method of its making
RU2605784C1 (en) Combined accumulating element of photo- and beta-voltaic on microchannel silicon
RU2599274C1 (en) Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method
CN104051045A (en) Series-connection PIN-structure alpha irradiation battery and preparation method
CN104051042B (en) Parallel PIN-type β irradiation battery and preparation method thereof
RU168184U1 (en) PLANAR CONVERTER OF IONIZING RADIATIONS WITH ACCUMULATING CAPACITOR
RU2608302C1 (en) Design of monolithic silicon photoelectric converter and its manufacturing method
RU2608058C1 (en) Beta-voltaic semiconductor electric energy generator
RU2641100C1 (en) COMPACT BETAVOLTAIC POWER SUPPLY OF LONG USE WITH BETA EMITTER ON BASIS OF RADIOISOTOPE 63 Ni AND METHOD OF OBTAINING IT
RU2605758C1 (en) Electric power supply source
CN104064247A (en) 3D PIN-structure Beta irradiation battery and preparation method thereof
CN105448374B (en) Using the carborundum PIN buried structures isotope battery and its manufacture method of αsource
KR102513298B1 (en) Radioisotope battery
CN104051043A (en) 3D type PIN structure alpha irradiation battery and manufacturing method thereof