Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления



Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления
Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления
Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2608311:

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

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использовано во взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах, сенсорах, расположенных в труднодоступных местах, и т.д. Предложена оригинальная «щелевая» конструкция преобразователя оптических и радиационных излучений, содержащая в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели или каналы, на поверхности которых расположены вертикальные p-n-переходы, которые заполнены материалом радиоактивного изотопа, при этом на поверхности горизонтальных p-n-переходов пластины расположен диэлектрический слой, прозрачный для излучения оптического диапазона. Также предложен способ изготовления предложенной конструкции преобразователя оптических и радиационных излучений. Изобретение обеспечивает возможность расширения области применения преобразователя на оптический диапазон излучений, повышения его эффективности, т.е. позволяет получить максимальную электрическую мощность на единицу объема и веса преобразователя, и упрощения технологии изготовления. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

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

Известны конструкции трехмерных - (3D) преобразователей оптических и радиационных излучений в электрическую энергию [1. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009; 2. Мурашев В.Н., Леготин С.А. и др. «Кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления», заявка на изобретение №2012130896 от 20.07.12, решение о выдаче патента от 2013.08.07; 3. Долгий А.Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропофигтого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23-24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С. 57-60; 4. Clarkson J.P., 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]. Такие преобразователи не обладают максимально возможной эффективностью, поскольку преобразуют энергию либо оптического [1. Мурашев В.Н и др. «Полупроводниковый фотопреобразователь и способ его изготовления», Патент РФ №2377695 от 27.12.2009; 2. Мурашев В.Н., Леготин С.А. и др. «Кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления», заявка на изобретение №2012130896 от 20.07.12, решение о выдаче патента от 2013.08.07], либо только радиационного бета- или альфа-излучений [3. Долгий А.Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропористого кремния // 4-я Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23-24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С. 57-60; 4. Clarkson J.P., 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; 5. 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. N 10. P. 1230-1233; 6. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch. I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. 2011. USA Patent. US 7939986 B2; 7. Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. 2008. USA Patent. US 20080199736 A1].

Известна «щелевая» конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета-излучений в электрическую энергию [6. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch. I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. 2011. USA Patent. US7939986B2], (фиг. 1), взятая за прототип и содержащая в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели или каналы на поверхности, в которых расположены вертикальные p-n-переходы и которые заполнены материалом радиоактивного изотопа.

Способ ее изготовления, включающий формирование в объеме пластины n(p) типа проводимости щелей или каналов, диффузионное легирование поверхности каналов примесью p(n) типа, осаждение на поверхность пластины и полость щелей или каналов материала радиоактивного изотопа.

Общими недостатками аналогов и прототипа является ограничение его области применения из-за использования только радиоактивного бета-излучения.

Техническим результатом изобретения является расширение области применения преобразователя на оптический диапазон излучений, повышение его эффективности и упрощение технологии изготовления.

Технический результат достигается изменением конструкции преобразователя за счет устранения материала изотопа за пределами щелей на поверхности горизонтальных p-n-переходов пластины и размещения на их поверхности диэлектрического слоя, прозрачного для излучения оптического диапазона.

Способ ее изготовления включает формирование на поверхности пластин n(p) типа проводимости диффузией примеси p(n) типа горизонтальных p-n-переходов и осаждения диэлектрического слоя, прозрачного для излучения оптического диапазона, формирование в объеме пластины травлением полупроводника селективно к диэлектрику щелей или каналов, диффузионное легирование поверхности каналов примесью p(n) типа, осаждение на поверхность пластины и в каналы материала радиоактивного изотопа, удаление материала изотопа с поверхности диэлектрического слоя.

Конструкция прототипа показана на фиг. 1.

Здесь 1 - полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, 2-n+(p+) - сильнолегированный контактный слой, 3 - p(n) область вертикальных p-n-переходов, 4 - p(n) область горизонтальных p-n-переходов, 5 - материал радиоактивного изотопа.

Конструкция преобразователя по изобретению показана на фиг. 2.

Здесь 1 - полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, 2-n+(p+) - сильнолегированный контактный слой, 3 - p(n) область вертикальных p-n-переходов, 4 - p(n) область горизонтальных p-n-переходов, 5 - материал радиоактивного изотопа, 6 - диэлектрический слой, прозрачный для излучения оптического диапазона.

Технология изготовления преобразователя по изобретению показана на фиг. 3, которая состоит из следующей последовательности технологических операций:

а) в обратную сторону пластины n--типа КЭФ 5 кΩ⋅см ориентацией (100) проводят ионное легирование фосфора дозой 300 мкКл с энергией 50 кэВ с последующей разгонкой примеси в течение 30 минут при температуре 950°C;

затем формируют p-область горизонтальных переходов ионным легированием в лицевую сторону пластины ионов бора дозой 10 мкКл с энергией 30 кэВ с последующим отжигом радиационных дефектов в течение 40 минут при температуре 950°C;

выращивают оксид кремния на лицевой поверхности пластины толщиной 0,3 мкм при температуре 1050°C в течение 20 минут.

б) затем проводят фотолитографию и травят глубокие щели в оксиде, а затем в кремнии;

проводят диффузию бора (или плазменное ионное легирование бора) при температуре 900°C в течение 20 минут и удаляют боросиликатное стекло;

в) осаждают электролизом радиоактивный 63Ni толщиной 2,5-3,2 мкм;

г) проводят фотолитографию и удаляют никель 63Ni с поверхности диэлектрика;

д) режут пластины на отдельные кристаллы.

Пример практической реализации конструкции

Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кΩ⋅2 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 лет) и испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и с максимальной энергией 64 кэВ, а также 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 бета-частиц от изотопного источника 63Ni - 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, тритий и т д.

Принцип действия преобразователя (фиг. 4) основан на ионизации оптическим (световым) и бета (электронным) излучением материала полупроводника, например, кремния. Образующиеся при этом электронно-дырочные пары разделяются полем p-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) и создают разность потенциалов на p+ и n+ областях преобразователя (фотогальваническую э.д.с.). При этом часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем p-n-перехода также в квазинейтральной области (КНО) на расстоянии, равном диффузионной длине пробега.

Техническими преимуществами изобретения являются:

- простая, дешевая и стандартная “микроэлектронная” технология его изготовления, не требующая резки и шлифовки чипов;

- высокий коэффициент отношения площади принимающих излучение p-n-переходов к объему кремниевого материала, в котором они расположены, что позволяет получать максимальную мощность излучения и соответственно э.д.с. на единицу объема 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 аппаратах, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах и т.д.

- возможность дополнительного существенного повышения КПД на несколько процентов 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 100 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.

1. Конструкция преобразователя оптических и радиационных излучений, содержащая в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели или каналы, на поверхности которых расположены вертикальные p-n-переходы, которые заполнены материалом радиоактивного изотопа, отличающаяся тем, что на поверхности горизонтальных p-n-переходов пластины расположен диэлектрический слой, прозрачный для излучения оптического диапазона.

2. Способ изготовления конструкции преобразователя оптических и радиационных излучений по п. 1, включающий формирование в объеме пластины n(p) типа проводимости щелей или каналов, диффузионное легирование поверхности каналов примесью p(n) типа, осаждение на поверхность пластины и в каналы материала радиоактивного изотопа, отличающийся тем, что сначала проводится формирование на поверхности пластин n(p) типа p(n) типа горизонтальных p-n-переходов, затем проводится осаждение диэлектрического слоя прозрачного для излучения оптического диапазона, затем формирование в объеме пластины глубоких щелей путем селективного травления полупроводникового материала к диэлектрику, затем проводится диффузионное легирование поверхности каналов примесью p(n) типа, осаждение на поверхность пластины и в каналы материала радиоактивного изотопа и, наконец, удаление материала изотопа с поверхности диэлектрического слоя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), применяемых для солнечных батарей и фотоприемников космического и иного назначения.

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности.

Способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs включает выращивание методом жидкофазной эпитаксии на подложке n-GaAs базового слоя n-GaAs, легированного оловом или теллуром, толщиной 10-20 мкм и слоя p-AlxGa1-xAs, легированного цинком, при х=0,2-0,3 в начале роста и при х=0,10-0,15 в приповерхностной области слоя, при этом выращивание слоя p-AlGaAs ведут при температуре 600-730°С в течение 20-50 мин, за это время осуществляется формирование диффузионного р-n перехода в GaAs с образованием эмиттерного слоя p-GaAs толщиной 1-2 мкм, осаждение тыльного контакта термическим вакуумным напылением, отжиг осажденного тыльного контакта в атмосфере водорода, осаждение через маску фоторезиста лицевого контакта термическим вакуумным испарением и отжиг осажденного лицевого контакта в атмосфере водорода, металлизацию лицевого контакта гальваническим осаждением через маску из фоторезиста при одновременном осаждении золота на тыльную поверхность, разделительное травление структуры через маску из фоторезиста на отдельные фотоэлементы и нанесение антиотражающего покрытия.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии.

Изобретение относится к способу придания супергидрофобных свойств поверхности металла. Воздействуют на упомянутую поверхность сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне, осуществляют перемещение упомянутого луча относительно упомянутой поверхности по заранее заданному закону.

Способ формирования туннельного перехода (112) в структуре (100) солнечных элементов, предусматривающий попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V на структуре (100) солнечных элементов и управление отношением при осаждении указанного вещества Группы III и указанного вещества Группы V.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, в частности к кремниевым солнечным элементам и технологии их изготовления.

Изобретение относится к области солнечных фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния. Способ получения светопоглощающей кремниевой структуры включает нанесение на поверхность образца из монокристаллического кремния слоя ванадия толщиной от 50 нм до 80 нм, нагревание до температуры (430-440)°C в течение не менее 20 минут и выдержку в течение не менее 40 минут.

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах.

Изобретение может быть использовано в медицине, кристаллографии, ядерной физике и т.д. Гибридный пиксельный фотоприемник согласно изобретению содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n-(p-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n+(p+) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, при этом вторая подложка одного n-(p-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p+(n+) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Предложена конструкция планарного преобразователя ионизирующих излучений, содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n (p) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n+ (p+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p+ (n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности p+ (n+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, при этом на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины n- (p-) типа проводимости расположены сильнолегированные 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 р+ (n+) кольцевой областью, при этом верхняя горизонтальная p+ (n+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода) МОП структуру накопительного конденсатора, на верхней поверхности пластины также расположена n+ (p+) контактная область к пластине n- (p-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхности горизонтальных p+ (n+) областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна соответственно к n+ (p+) контактной области и нижней горизонтальной p+ (n+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа - металла, образующие омические контакты соответственно с n+ (p+) контактной областью и нижней горизонтальной p+ (n+) областью, являющиеся электродами катода (анода) и анода (катода) соответственно p-i-n-диода.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. В емкостной МОП диодной ячейке фотоприемника-детектора излучений применена новая электрическая схема, в которой используются усилительный обогащенный p-МОП транзистор, конденсатор, p-i-n-диод, поликремниевые резисторы, дополнительные p-МОП и n-МОП транзисторы и оригинальной конструкции ячейки координатного фотоприемника-детектора.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

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.

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.

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть также использовано в взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах и сенсорах, расположенных в труднодоступных местах и т.д. Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений содержит в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели, на поверхности которых расположены вертикальные p-n-переходы и которые заполнены электропроводящим материалом радиоактивного изотопа, при этом преобразователь содержит дополнительную изолирующую подложку, на которой расположена полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, в которой сформированы глубокие щели в виде решетки, перпендикулярные к поверхности пластины, при этом их глубина достигает поверхности диэлектрической подложки, образуя полупроводниковые столбики n-(p-) типа проводимости, нижняя поверхность которых примыкает к изолирующей подложке, боковые поверхности примыкают к щелям, на боковых поверхностях столбиков расположены p+(n+) области, образующие боковые вертикальные p-n-переходы, на поверхности щелей расположен тонкий диэлектрик, изолирующий полупроводниковые столбики сбоку друг от друга, в объеме щелей расположен радиоактивный изотоп, на верхней поверхности столбиков расположены диэлектрик и контактные области p+(n+) типа к p-n-переходам и контактные области n+(p+) к столбикам n-(p-) типа проводимости, при этом контактные области соседних столбиков последовательно соединены между собой металлическими проводниками. Также предложен способ изготовления высоковольтного преобразователя ионизирующих излучений. Изобретение обеспечивает возможность получить практически не ограниченную величину выходного электрического напряжения и максимальную электрическую мощность на единицу объема и веса преобразователя. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх