Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений



Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений
Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений
Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений
Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений
Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений

 


Владельцы патента RU 2539109:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц. Также предложен способ изготовления описанного выше кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя оптических и радиационных излучений. Изобретение обеспечивает повышение КПД преобразователей энергии излучения в электрическую энергию, уменьшение их веса на единицу площади и расширение области их применения. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с).

Известна конструкция (фиг.1) многопереходного (МП) кремниевого монокристаллического фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), содержащая диодные ячейки (ДЯ) с размещенными на их светопринимающей поверхности светопросветляющего покрытия и с расположенными в них одиночными p+-n--n+ (p+-p--n+) переходами, в направлении, перпендикулярном светопринимающей поверхности, соединенными в единую конструкцию металлическими анодными и катодными электродами (1. Тюхов И.И. «Способ изготовления полупроводникового фотопреобразователя», патент РФ №2127472 от 10.03.1999; 2. Е.Г. Гук и др. Характеристики кремниевого многопереходного солнечного элемента с вертикальными p-n переходами. Ж-л. Физика и техника полупроводников. 1997 г. Т.31, №7 стр.855-858).

Такой ФЭП обладает невысоким КПД, (менее 12%), поскольку имеет относительно небольшой объем области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода, примыкающего к фоточувствительной поверхности ФЭП.

Известна конструкция (фиг.2) кремниевого многопереходного (МП) монокристаллического ФЭП, содержащая диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной (перпендикулярной к направлению света) светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в солнечных элементах параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p- (p+-n-) переходами, все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей - n+(p+) типа перпендикулярных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов (3. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009).

Общими недостатками аналогов также является достижение немаксимально возможного КПД преобразователя и ограничение его области применения обязательным присутствием светового (оптического) излучения.

Целью изобретения является повышение КПД преобразователя, уменьшение его веса на единицу площади, расширение области его применения.

Цель достигается за счет:

- изменения конструкции ФЭП путем размещения на нижней и боковых поверхностях многопереходного монокристаллического кремниевого преобразователя (МПМКП) диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике и слоя радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле. При этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц в кремнии;

- технологии изготовления путем замены алюминиевых прокладок-электродов на прокладки из радиоактивного никеля-63(63Ni) толщиной не более 20 мкм. Изготовления конструкции с шириной кремния между электродами диодных ячеек, не превышающей 100 мкм, осаждения оксида кремния на нижнюю и боковые поверхности конструкции толщиной не более 10 мкм. Осаждения на оксид слоя радиоактивного 63Ni толщиной 10-20 мкм.

Конструкция прототипа показана на рис.3.

На фиг.3 а, б, в соответственно показаны структура (сечение), вид сверху и снизу. МПКМП, который содержит 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 - 5n+(p+) типа

и - 6p+(n+) типа одиночных вертикальных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов. На верхней и нижней поверхностях ДЯ 1 расположены соответственно полупроводниковые области - 7n+(p+) типа - 8 p+(n+) типа горизонтальных n+-p-(p+-n-) переходов. На поверхности областей - 5 n+(p+) типа и - 6 p+(n+) типа расположены соответственно области - 9 p-(n-) типа и - 10 n-(p-) типа, образующие с ними соответственно одиночные n+-p-(p+-n-) и дополнительные p+-n-(n+-p-) переходы.

Конструкция МПКМП по изобретению показана на фиг.4, где на нижней и боковых поверхностях МПКМП 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. При этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц в кремнии.

Пояснения.

Вышеуказанные ограничения носят принципиальный характер и обусловлены тем, что

- очевидно, что в случае превышения толщины диэлектрика длины пробега в нем электронов от 63Ni, имеющих энергию 63 кэВ и длину пробега в диэлектрике (оксиде) 40 мкм, электроны не смогут попасть в кремний и создать там ионизационный ток;

- толщина слоя 63Ni не должна превышать 2-е длины пробега в нем, в противном случае мала его эффективность использования;

- ширина монокремния между никелевыми электродами также не должна превышать 2-е длины пробега в нем, иначе электроны не смогут достичь ее центральной части и кремниевый материал не будет эффективно использован;

- оптимальной шириной является ширина, равная длине пробега электронов в кремнии, т.е. 45 мкм.

Технология изготовления изобретения.

Например, состоит из следующих технологических операций:

а) в пластины p--типа КДБ 10 Ом·см проводят ионное легирование фосфора дозой 2-4 мкКл с последующей разгонкой примеси в течение 4 часов при температуре 950°C;

б) затем формируют диффузией бора и фосфора p+- и n+-области;

в) спекают (сплавляют, сращивают) пластины в стопу через прокладки из радиоактивного 63Ni толщиной фольги 20 мкм;

г) режут стопку пластин на отдельные МКПМП;

д) полируют поверхность преобразователей и имплантируют в нижнюю и верхнюю поверхности ФП фосфор и бор дозой 50 и 40 мкКл соответственно и проводят фотонный отжиг радиационных дефектов;

е) наносят просветляющее покрытие (Si3N4) толщиной 0,15 мкм.

ж) наносят плазмохимический оксид кремния (SiO2) толщиной 1 мкм на поверхность конструкции МПКМП. Наносят резистивным напылением 63Ni толщиной 20 мкм на нижнюю и боковые поверхности конструкции МПКМП.

Технические преимущества изобретения.

Как видно из фиг.3 и 4, n- и p-области многопереходного кремниевого преобразователя образуют конструкцию, что дает возможность реализации максимального объема области пространственного заряда, в которой наиболее эффективно собираются генерированные светом и радиационным излучением носители заряда при минимальном весе на единицу площади преобразователя.

Следует отметить, что совмещение в единой функционально-интегрированной «гибридной» конструкции преобразователя солнечного и радиационного излучения дает в ряде применений таким источникам э.д.с. важные преимущества, а именно:

- возможность обеспечить зарядку аккумулятора при отсутствии солнечного света при минимальном ее весе, что важно, например, для применения в солнечных батареях беспилотных летательных аппаратов, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.;

- возможность дополнительного существенного повышения КПД на несколько %, преобразователя энергии по сравнению с эквивалентной по площади обычной кремниевой солнечной батареей;

- теоретически, срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для 63Ni составляет 50 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.

1. Кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями - n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, отличающийся тем, что на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц.

2. Способ изготовления преобразователя по п.1, включающий формирование на поверхности пластин из монокристаллического кремния вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-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+-p-(p+-n-) переходов, присоединение токовыводящих контактов и нанесение диэлектрического светопросветляющего покрытия, при этом до формирования на поверхности пластин из монокристаллического кремния одиночных вертикальных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, в объеме пластин формируют слаболегированные дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, затем формируют вертикальные одиночные переходы, затем после резки пластин формируют горизонтальные n+-p-(p+-n-) переходы, при этом концентрация примеси в дополнительных горизонтальных n+-p-(p+-n-) переходах более чем на порядок меньше величины концентрации примеси в горизонтальных n--p+(p--n+) переходах, у которых, в свою очередь, концентрация примеси на порядок меньше величины концентрации примеси в областях - n+(p+) типа вертикальных одиночных переходов, отличающийся тем, что пластины из монокристаллического кремния выполняются толщиной, не превышающей 100-300 мкм, а металлические прокладки выполняют из радиоактивного 63Ni толщиной не более 20 мкм, при этом на нижнюю и боковые поверхности конструкции осаждают оксид кремния толщиной не более 10 мкм, на который осаждается слой радиоактивного 63Ni толщиной 10-20 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света. Ячейка для фотоэлектронного умножителя на основе кремния согласно изобретению содержит первый слой (2) первого типа проводимости, второй слой (3) второго типа проводимости, сформированный на первом слое (2), причем первый слой (2) и второй слой (3) формируют первый p-n-переход.

Изобретение может найти применение для регистрации излучений в ядерной физике, в физике высоких энергий, а также при создании цифровых рентгеновских аппаратов, преимущественно маммографов.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для измерения основных параметров нейтронных потоков. .

Изобретение относится к микроэлектронике, и в частности к созданию матричных детекторов релятивистских частиц. .

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к области формирования радиологических изображений, компьютерной томографии (СТ), эмиссионной томографии, радиационных детекторов и их предшествующему уровню техники.

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате.
Изобретение относится к области измерительной техники, к измерению электрических свойств кристаллов алмаза, предназначенных для изготовления детекторов ионизирующих излучений.

Использование: для регистрации электромагнитного излучения, особенно рентгеновских лучей. Сущность изобретения заключается в том, что детектор рентгеновского излучения и цепь его пикселя позволяют покрывать широкий динамический диапазон с использованием автоматического выбора параметра чувствительности в каждом пикселе, таким образом обеспечивая улучшенное отношение сигнал-шум при всех уровнях воздействия.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е.

Изобретение относится к области измерения излучения физических частиц с помощью полупроводниковых детекторов и может быть использовано при создании многоэлементных детекторов заряженных частиц на основе полупроводниковых кристаллов.

Изобретение относится к детекторным модулям, также относится к детекторным устройствам, кроме того, относится к способам детектирования электромагнитного излучения.

Изобретение относится к медицинским системам визуализации, в частности, находит применение в компьютерной томографии (СТ) и, более конкретно, для реконструкции энергетического спектра.

Изобретение относится к детектору излучения и соответствующему способу детектирования излучения. Детектор (100-400) излучения содержит элемент-преобразователь (110) для преобразования падающего излучения (X) в электрические сигналы; периодический или квазипериодический массив анодов (130-430), расположенный на первой стороне элемента-преобразователя (110); по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), которые расположены примыкающими к двум различным анодам; блок (150) управления, который подсоединен к упомянутым по меньшей мере двум направляющим электродам (140-440) и приспособлен подавать различные электрические потенциалы на упомянутые по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), при этом упомянутые потенциалы являются функцией напряжений холостого хода, которые возникают между направляющим электродом (140-440) и соответствующим анодом, когда между соответствующими анодами (130-430) и катодом (120) подается напряжение. Технический результат - повышение точности детектирования излучения. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх