DE112017006974T5 - Converter for ionizing radiation with a network structure and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Energiekonverter zur Umwandlung von ionisierender Strahlung von Isotopen in Elektrizität (EMF).Diese Quellen unterscheiden sich von Kondensatoren und Batterien durch eine sehr viel höhere Energie pro Einheitsvolumen, weisen jedoch eine niedrige emittierte Leistung pro Zeiteinheit auf. Diese Quellen gestatten eine direkte Aufladung von Hochleistungsbatterien oder -kondensatoren in Abwesenheit von Sonnenstrahlung, wobei sie ein niedriges Gewicht und kleine Abmessungen aufweisen. Die Lebensdauer der Isotopenkonverter wird von der Halbwerts-Zerfallszeit des Bestrahlungsmaterials bestimmt. FürNi beträgt die Lebensdauer etwa 100 Jahre. Die Ziele der Erfindung bestehen in einer Erhöhung der spezifischen Ausgangsleistung von Konvertern für ionisierende Strahlung und in einer Vereinfachung und Kostensenkung ihrer Herstellungstechnologie. Diese Ziele werden erreicht durch die Verwendung einer spezifischen Betastrahlungskonverter-Konstruktion und deren Herstellungstechnologie, die eine maximale Größe der Isotopen-Emissionsoberfläche gewährleisten bei einer minimalen Größe des planaren horizontalen Hochqualitäts-p-n-Übergangs.The invention relates to energy converters for the conversion of ionizing radiation from isotopes to electricity (EMF). These sources differ from capacitors and batteries by a much higher energy per unit volume but have a low emitted power per unit time. These sources allow direct charging of high power batteries or capacitors in the absence of solar radiation, while being light in weight and small in size. The lifetime of the isotope converters is determined by the half-life decay time of the irradiation material. For Ni, the life is about 100 years. The objects of the invention are to increase the specific output power of ionizing radiation converters and to simplify and reduce the cost of their manufacturing technology. These goals are achieved through the use of a specific beta-radiation converter design and its fabrication technology that ensure maximum size of the isotope emission surface with a minimum size of the planar horizontal high-quality p-n junction.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Diese Erfindung betrifft Konverter für ionisierende Strahlungsenergie in Elektrizität (EMF) und kann verwendet werden im Drohnen-Flugbetrieb, in hoch explosionsgefährdeten Gebieten, beispielsweise in Schächten, in Nachtzeit-Anzeigern, die in schwierig zugänglichen Bereichen angeordnet sind, in der Medizin (Herzschrittmacher) usw.This invention relates to ionizing radiation energy in electricity (EMF) converters and can be used in drone flight operations, in high explosive areas, such as in shafts, in nighttime displays located in difficult to access areas, in medicine (pacemakers), etc ,
Das Interesse an derartigen Energiequellen wird zu einem großen Ausmaß von der hohen Energiedichte von Radioisotopen von chemischen Elementen diktiert, die vergleichbar ist der Energiedichte von Lithiumbatterien, sowie von der Möglichkeit, Radioisotopenbatterien in mikroelektromechanische Systeme zu inkorporieren, deren Technologie sich heutzutage intensiv entwickelt hat. Unabhängige Energiequellen auf der Basis von betavoltaischen Batterien werden in einer Vielzahl von Bereichen benötigt:
- - In der Medizin, für implantierte Sensoren und Schrittmacher, die direkt in das Herz eines Patienten implantiert werden sollen (kardiale Schrittmacher). Die dauerhafte Energiequelle mit einer langen Gebrauchs-Lebensdauer (die unabhängige Lebensdauer beträgt nicht weniger als 25 Jahre) beseitigte die Notwendigkeit, die Energiequellen von Herzschrittmachern durch wiederholte chirurgische Eingriffe auszutauschen.
- - Für Sensoren, die in die Baukonstruktion eingebettet sind, z.B. als Energieversorgung für meteorologische Stationen, die in schwer zugänglichen Bereichen angeordnet sind, die eine unabhängige Messung von Temperatur, Atmosphärendruck und Windgeschwindigkeit durch Selbstaufzeichnung ermöglichen.
- - In der Raumfahrttechnik, genauer als Hilfsenergiequellen von Navigationssatelliten, weil im Raum die Energiequellen Elektrizität über eine lange Zeit unter Bedingungen einer plötzlichen und sehr starken Temperaturänderung liefern sollen.
- - In der Militärindustrie, beispielsweise für Mikroroboter als Energiequellen für bodengestützte Vorrichtungen und den Drohnen-Flugbetrieb, bei dem es um Aufklärung oder andere taktische Zwecke geht.
- - In medicine, for implanted sensors and pacemakers that are to be implanted directly into the heart of a patient (cardiac pacemaker). The durable power source with a long service life (the independent lifetime is no less than 25 years) eliminated the need to replace the energy sources of cardiac pacemakers with repeated surgical procedures.
- - For sensors that are embedded in the building structure, eg as energy supply for meteorological stations, which are arranged in hard to reach areas, which allow an independent measurement of temperature, atmospheric pressure and wind speed by self-recording.
- - In space technology, more specifically as auxiliary power sources of navigation satellites, because in space the energy sources should supply electricity for a long time under conditions of sudden and very strong temperature change.
- In the military industry, for example for micro-robots as power sources for ground-based devices and drone flight operations, which is about reconnaissance or other tactical purposes.
Stand der TechnikState of the art
Es ist eine Vorrichtungsstruktur bekannt (
Nachteile der Struktur sind ein relativ geringes Volumen des bestrahlten halbleitenden Materials aufgrund des kleinen bestrahlten Oberflächenabschnitts und der geringen Eindringtiefe der ionisierenden Betastrahlung (weniger als 25 µm) und die geringe Lebensdauer der Minoritätsladungsträger, die von strukturellen Defekten bei der Dotierung der Arbeitsoberfläche mit Vanadium hervorgerufen wird.Disadvantages of the structure are a relatively small volume of the irradiated semiconducting material due to the small irradiated surface portion and the low penetration depth of the ionizing beta radiation (less than 25 microns) and the low lifetime of the minority carriers, which is caused by structural defects in the doping of the working surface with vanadium ,
Es ist ein Halbleiterkonverter bekannt, der Betastrahlung in Elektrizität umwandelt (RU 2452060, veröffentlicht am 27.06.2014), worin ein Halbleiterwafer eine texturierte Oberfläche in Form multipler Durchgangs-Mikrokanäle aufweist, wobei die Mikrokanäle eine runde, ovale, rechteckige oder andere willkürliche Form aufweisen und die Wanddicke h zwischen den Mikrokanälen mit der Weite der Mikrokanäle vergleichbar ist. Die Oberfläche der Mikrokanalwände sowie die Vorder- und Rückseiten des Halbleiterwafers weisen ein Mikrorelief auf, praktisch die gesamte Oberfläche des Halbleiterwafers, mit Ausnahme der Seitenflächen, enthält eine legierte Schicht, die einen p-n-Übergang und eine Diodenstruktur bildet, wobei die dotierte Schicht mit einer stromleitenden radioaktiven Schicht bedeckt ist, die die Rolle eines stromaufnehmende Kontakts zur Diodenstruktur erfüllt und eine Quelle für eine Betastrahlung darstellt, wobei die dotierte Schicht und die Bodenschicht das Profil der texturierten Oberfläche wiederholen, wobei der Kontakt zum Basisbereich des Halbleiterwafers auf der Seitenoberfläche liegt.There is known a semiconductor converter which converts beta radiation into electricity (RU 2452060, published Jun. 27, 2014), wherein a semiconductor wafer has a textured surface in the form of multiple passage microchannels, the microchannels having a round, oval, rectangular or other arbitrary shape and the wall thickness h between the microchannels is comparable to the width of the microchannels. The surface of the microchannel walls as well as the front and back sides of the semiconductor wafer have a microrelief, practically the entire surface of the semiconductor wafer, except for the side surfaces, contains an alloyed layer forming a pn junction and a diode structure, the doped layer having a electroconductive radioactive layer which fulfills the role of a current-receiving contact to the diode structure and constitutes a source of beta radiation, wherein the doped layer and the bottom layer repeat the profile of the textured surface, the contact with the base region of the semiconductor wafer being on the side surface.
Nachteile des Halbleiterkonverters sind die komplexe Technologie seiner Herstellung und des Füllens der Durchgangskanäle mit Festkörper-Radioisotopen. Eine niedrige Qualität der Oberfläche der texturierten Kanäle und ein entsprechend hohes Leckstromniveau gestatten es nicht, eine hohe spezifische Leistung des Konverters zu erhalten.Disadvantages of the semiconductor converter are the complex technology of its production and filling of the through-channels with solid-state radioisotopes. A low quality surface of the textured channels and a correspondingly high leakage current level do not allow to obtain a high specific power of the converter.
Der nächstliegende Stand der Technik für den ersten Gegenstand der Erfindung ist eine 3D-Struktur eines betavoltaischen Halbleiterkonverters, der Strahlung in Elektrizität umwandelt (
Nachteil der genannten Konstruktion ist die geringe Qualität der Oberfläche und dementsprechend das hohe Niveau von Rückströmen eines p-n-Übergangs in den Mikrokanälen, was es nicht gestattet, eine hohe spezifische Leistung des Konverters zu erhalten.Disadvantage of the above construction is the low quality of the surface and, accordingly, the high level of backflow of a p-n junction in the microchannels, which does not allow to obtain a high specific power of the converter.
Der nächstliegende Stand der Technik für den zweiten Gegenstand dieser Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung einer 3D Struktur einer Halbleiterdiode, die als betavoltaischer Konverter der Betastrahlung eines 63Ni-Isotops in Elektrizität verwendet wird (
Nachteile des bekannten Verfahrens sind die komplexe und unzureichend reproduzierbare Technologie der Erzeugung von p-n Übergängen in den Kanälen, was die Effizienz des Konverters vermindert, und besonders wichtig ein hohes Niveau des Dunkelstroms (
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das technische Resultat des ersten Gegenstands dieser Erfindung ist eine Erhöhung der Energie
Das technische Resultat des ersten Gegenstands der Erfindung wird wie folgt erreicht.The technical result of the first subject of the invention is achieved as follows.
Das Design des Konverters für ionisierende Strahlung mit einer Netzstruktur umfasst einen schwach dotierten Halbleiterwafer vom n(p) Leitungstyp, dessen Masse vertikale Kanäle umfasst, von denen ein Ende mit der Waferoberfläche verbunden ist, wobei die Kanalwandoberflächen hochdotierte Bereiche vom
Die Kanäle sind mit dem leitenden Radiosiotopenmaterial gefüllt, das die Elektrode, d.h. Anode (Kathode), der Konverterdiode bildet, und die Bodenoberfläche des Wafers umfasst eine horizontale hochdotierte Schicht vom
Die Deckoberfläche des Wafers umfasst einen horizontalen hochdotierten Bereich vom
Das technische Ergebnis des zweiten Gegenstands dieser Erfindung beinhaltet eine Vereinfachung der Konverterherstellungs-Technologie.The technical result of the second subject of this invention involves a simplification of the converter manufacturing technology.
Das technische Ergebnis des zweiten Gegenstands der Erfindung wird wie folgt erreicht.The technical result of the second subject of the invention is achieved as follows.
Das Herstellungsverfahren umfasst die Bildung einer hochdotierten Schicht vom
Die vertikalen Kanälen werden gebildet durch Ätzen der Bodenoberflächen des niederdotierten Wafers von
Diese Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren illustriert, die Beispiele für den Konverteraufbau zeigen, wobei
Das Design das Konverters der vorliegenden Erfindung umfasst einen niedrigdotierten Halbleiterwafer (
Das Arbeitsprinzip des Konverters dieser Erfindung basiert auf der Ionisation des halbleitenden Materials, z.B. Silicium, durch die Betastrahlung von Isotopen, z.B. Nickel, Tritium, Strontium, Kobalt usw. Die Elektronen/Loch-Paare, die aufgrund der Bestrahlung gebildet werden, werden durch das Feld des p-n-Übergangs im Raumladungsbereich separiert und erzeugen einen Unterschied der Potentiale zwischen
Es wurde gezeigt, dass ein wirksamer (optimaler) Betrieb des Konverters ein Hochqualitätssilicium erfordert, bei dem die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger
Der Abstand zwischen den Kanälen muss größer als die Eindringtiefe für die Betastrahlung der 63Ni-Isotopen-Elektronen, deren mittlere Energie E = 17,5 keV beträgt.The distance between the channels must be greater than the penetration depth for the beta radiation of the 63 Ni isotopic electrons whose mean energy E = 17.5 keV.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Verschiedene Beispiele für das Design des Betakonverters sind möglich, die sich hinsichtlich ihrer technischen Parameter unterscheiden. Beispielsweise weist der Konverter, der in den
Die Ausführungsform für ein Konverterdesign, wie es in den
Als Isotopenquelle kann beispielsweise 63Ni ausgewählt werden, das eine lange Halbwertszeit von 50 Jahren aufweist und eine Elektronenstrahlung mit einer mittleren Energie von 17 keV und einer maximalen Energie von 64 keV emittiert, was mit nahezu keinerlei Gesundheitsgefahr verbunden ist. Diese Elektronenenergie ist niedriger als die Fehlstellenbindungsenergie in Silicium, die 160 keV beträgt. Die Absorptionstiefe der Elektronen mit einer mittleren Energie von 17 keV in Silicium beträgt etwa 3,0 µm; für eine 90 % Absorption beträgt diese Tiefe 12 µm. Diese Abmessungen sollten dem Design der p-n-Übergangstiefen sowie der Größe des Raumladungsbereichs entsprechen, und das ist für herkömmliche Siliciumstrukturen erreichbar. Es sollte festgestellt werden, dass alternativ dazu andere Materialien als radioaktives Isotop verwendet werden könnten, z.B. Tritium usw. Außerdem ist wichtig, dass die Strahlungsquelle nicht notwendigerweise eine Betastrahlungsquelle ist, sondern alternativ auch eine Alphastrahlungsquelle, z.B. 238U sein kann, mit einer mittleren Energie von 6 MeV und einer Silicium-Eindringtiefe von etwa 20 bis 25 µm, was keine Gefahr für den p-n-Übergang darstellt.For example, 63 Ni can be selected as the isotope source, which has a long half-life of 50 years and emits electron radiation with an average energy of 17 keV and a maximum energy of 64 keV, which is associated with almost no health risk. This electron energy is lower than the vacancy bonding energy in silicon, which is 160 keV. The absorption depth of electrons with an average energy of 17 keV in silicon is about 3.0 μm; for a 90% absorption this depth is 12 μm. These dimensions should correspond to the design of the pn junction depths as well as the size of the space charge area, and this is achievable for conventional silicon structures. It should be noted that, alternatively, materials other than radioactive isotopes could be used, eg, tritium, etc. It is also important that the radiation source is not necessarily a beta radiation source but may alternatively be an alpha radiation source, eg 238U , with a medium energy of 6 MeV and a silicon penetration of about 20 to 25 microns, which poses no threat to the pn junction.
Das Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Konverter umfasst die folgende Folge von Verfahrensschritten.The manufacturing method for the converter according to the invention comprises the following sequence of method steps.
Eine thermische Oxidation (bis zur 0,6 µm) der Oberfläche eines Batches von Silikonwafern mit einer 5 kOhm × cm Resistivität, einem Durchmesser von 100 mm und einer (100) Orientierung, die Durchführung einer „0“ Lithografie auf der Rückseite der Wafer, Bildung von vertikalen Kanälen durch reaktive Ionenstrahlätzung und Diffusion in die Oberfläche des Schutzes.Thermal oxidation (up to 0.6 μm) of the surface of a batch of silicon wafers having a 5 kOhm.cm resistivity, a diameter of 100 mm and a (100) orientation, performing a "0" lithography on the backside of the wafers, Formation of vertical channels by reactive ion beam etching and diffusion into the surface of the protection.
Eine erste Lithografie für die
Eine zweite Lithografie und die Bildung des
Eine dritte Lithographie der p-Schicht im p-n-Übergang, der durch Borionendotierung gebildet ist, ein thermisches Brennen der implantierten Verunreinigung bei T =950°C für t = 40 min.A third lithography of the p-n junction p-layer formed by boron doping, thermal firing of the implanted impurity at T = 950 ° C for t = 40 min.
Eine vierte Lithographie des Kontaktfensters zu der
Eine 63Ni-Isotopenabscheidung auf der Deckoberfläche der Wafer und eine fünfte Lithographie zur Bildung der Anodenelektroden. 63 Ni isotope deposition on the top surface of the wafers and a fifth lithography to form the anode electrodes.
Ein Verdünnen des Bodenwafers durch chemomechanisches Polieren, gefolgt von einer Elektrolyse von radioaktivem 63Ni auf die Bodenoberfläche der Wafer, und Chipping der Wafer.Thinning the bottom wafer by chemo-mechanical polishing, followed by electrolysis of radioactive 63 Ni onto the bottom surface of the wafers, and chipping the wafers.
Es ist zu bemerken, dass es eine einfachere Ausführungsform des Prozessablaufs gibt, d.h. durch Photolithografie von vertikalen Kanälen am Ende des Verfahrensablaufs nach dem Abscheiden des 63Ni-Isotops auf der Deckoberfläche des Wafers. Diese Option schließt jedoch den Betriebsschritt der Wafer-Verdünnung nicht ein.It should be noted that there is a simpler embodiment of the process flow, ie, by photolithography of vertical channels at the end of the process after deposition of the 63 Ni isotope on the top surface of the wafer. However, this option does not include the wafer dilution step.
Experimentelle Untersuchungen von Konvertern auf Siliciumbasis mit einer Netztruktur des Prototyps und einer planaren Gestaltung bei einer 63Ni-Isotopenstrahlungsleistung und einer Dosisleistung P = 2,7 mC/cm2 zeigte, dass der horizontale planare p-n-Übergang mit der Fläche
Der Leckstrom einer entsprechenden p-n-Übergangsfläche, die in den Kanälen gebildet ist, ist drei Größenordnungen größer:
Das entsprach dem Leerlaufstrom für den planaren p-n-Übergang Uid.pl = 0.1 V und für den Massen-p-n-Übergang Uid.b = 4 mV:
Hierin ist Φt das thermische Potential und
Die Konverterleistung wird bestimmt durch die folgende Beziehung:
Für einen planaren p-n-Übergang beträgt
Ein technischer Vorteil dieser Erfindung besteht in einer Erhöhung der Einheitsleistung und der Wirksamkeit des Konverters sowie einer Vereinfachung und niedrigeren Kosten für seine Herstellungstechnologie.A technical advantage of this invention is an increase in unit performance and efficiency of the converter as well as a simplification and lower cost of its manufacturing technology.
Das wird erreicht aufgrund des Designs des Betastrahlungskonverters und seiner Technologie, was die fundamentale Möglichkeit bietet, die äquivalente Emissionsleistung der Isotopenoberfläche bei Sis wie im Prototyp zu verwirklichen, der eine 3D-Struktur aufweist; der Ionisationsstrom-Empfänger ist jedoch ein horizontaler (nicht vertikaler) p-n-Übergang mit einer relativ geringen Fläche (
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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