DE112017006974T5 - Converter for ionizing radiation with a network structure and method for its production - Google Patents

Converter for ionizing radiation with a network structure and method for its production Download PDF

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DE112017006974T5
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Viktor Nikolaevich Murashev
Sergej Aleksandrovich Legotin
Andrej Andreevich Krasnov
Sergej Ivanovich Didenko
Kseniya Andreevna Kuz'mina
Mariya Vladimirovna Sineva
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National Univ Of Science And Technology Misis
SCIENCE AND TECHNOLOGY MISIS, National University of
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    • 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
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547Monocrystalline silicon PV cells

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.
The interest in such energy sources is dictated to a large extent by the high energy density of radioisotopes of chemical elements, which is comparable to the energy density of lithium batteries, as well as the ability to incorporate radioisotope batteries into microelectromechanical systems, the technology of which has developed intensely these days. Independent energy sources based on betavoltaic batteries are needed in a variety of areas:
  • - 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 ( US 20140225472 , veröffentlicht am 14. August 2014), die einen niedrigdotierten Halbleiterwafer vom n(p)-Leitungstyp aufweist, der einen hochdotierten n+ (p+ )-Bereich aufweist, auf dessen Oberfläche eine leitende Elektrode angeordnet ist, d.h. eine Kathode (Anode), auf der Oberseite des Wafers ist ein hochdotierter p+ (n+ )-Abschnitt, der einen p-n-Übergang mit dem Halbleiterwafer bildet, und auf der Oberfläche des p+ (n+ )-Bereichs befindet sich ein isolierendes Dielektrikum und eine leitende Anodenelektrode, d.h. Kathode (Anode), wobei die letztgenannte ein radioaktives Isotop ist.A device structure is known ( US 20140225472 , published August 14, 2014) comprising a low-doped n (p) -line semiconductor wafer containing a highly doped semiconductor wafer n + ( p + ) Region, on the surface of which a conductive electrode is arranged, ie, a cathode (anode) on the upper side of the wafer is a highly doped one p + ( n + ) Portion forming a pn junction with the semiconductor wafer, and on the surface of the p + ( n + ) Region is an insulating dielectric and a conductive anode electrode, ie, cathode (anode), the latter being a radioactive isotope.

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 ( US 20080199736 , veröffentlicht am 21.08.2008), bei dem auf der Deckoberfläche eines niedrigdotierten Halbleiterwafers vom n(p) Leitungstyp Kanäle angeordnet sind, deren Oberflächen hochdotierte n+ (p+ )Bereiche aufweisen, die vertikale p-n-Übergänge mit dem Halbleiterwafer bilden, wobei die Kanäle mit einem leitenden Radioisotopenmaterial gefüllt sind, das die Elektrode bildet, d.h. eine Anode (Kathode) der Konverterdiode, und wobei auf der Bodenoberfläche des Wafers eine horizontale hochdotierte Schicht vom n+ (p+ ) Kontakttyp angeordnet ist, auf deren Oberfläche eine metallische Kathodenelektrode (Anode) angeordnet ist.The closest prior art for the first subject of the invention is a 3D structure of a betavoltaic semiconductor converter which converts radiation into electricity ( US 20080199736 , published on 21.08.2008), in which channels are arranged on the top surface of a low-doped semiconductor wafer of the n (p) conduction type, whose surfaces are highly doped n + (p + ) Have regions which form vertical pn junctions with the semiconductor wafer, the channels being filled with a conductive radioisotope material forming the electrode, ie an anode ( Cathode) of the converter diode, and wherein on the bottom surface of the wafer, a horizontal highly doped layer of n + ( p + ) Contact type is arranged on the surface of a metallic cathode electrode (anode) is arranged.

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 ( US 20080199736 , veröffentlicht am 21.08.2008), das die Bildung einer horizontalen hochdotierten Schicht vom n+ (p+ ) Leitungstyp auf der Bodenoberfläche eines niedrigdotierten Wafers vom n(p) Leitungstyp, die Bildung von vertikalen Kanälen durch Ätzen der Deckoberfläche des Halbleiterwafers, das Dotieren der Kanalwandoberflächen, die Abscheidung eines Radioisotopenmetalls als Elektrode, d.h. Anode (Kathode), auf der Deckoberfläche des Wafers und in den Kanälen, und die Abscheidung einer Metallschicht als Elektrode, d.h. Anode (Kathode), auf der Bodenoberfläche des Wafers umfasst. The closest prior art to the second subject of this invention is the method of fabricating a 3D structure of a semiconductor diode used as a betavoltaic converter for beta radiation of a 63 Ni isotope into electricity ( US 20080199736 , published on 21.08.2008), which is the formation of a horizontal highly doped layer of the n + ( p + ) Conduction type on the bottom surface of a low-doped n (p) conductivity type wafer, formation of vertical channels by etching the top surface of the semiconductor wafer, doping the channel wall surfaces, deposition of a radioisotope metal as an electrode, ie, anode (cathode), on the top surface of the wafer and in the channels, and the deposition of a metal layer as an electrode, ie, anode (cathode), on the bottom surface of the wafer.

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 (ID ) des Massen p-n Übergangs, was die Leerlaufspannung (Uid ) des Konverters und damit auch die maximale Ausgangsleistung (Pmax ) vermindert, da gilt P max = U id × I sc × FF

Figure DE112017006974T5_0001
worin Uid = Φt × Ln (ISC / Is + 1), wobei Φt das thermische Potential ist und Isc der Kurzschlussstrom ist, der durch die radioaktive Strahlung erzeugt wird.Disadvantages of the known method are the complex and inadequately reproducible technology of generating pn transitions in the channels, which reduces the efficiency of the converter, and particularly important a high level of dark current ( I D ) of the mass pn junction, which is the open circuit voltage ( U id ) of the converter and thus also the maximum output power ( P max ), as is true P Max = U id × I sc × FF
Figure DE112017006974T5_0001
where U id = Φt × L n (I SC / I s + 1), where .phi.T the thermal potential is and I sc is the short-circuit current generated by the radioactive radiation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das technische Resultat des ersten Gegenstands dieser Erfindung ist eine Erhöhung der Energie Eu pro Einheitsvolumen des Konverters aufgrund der großen Emissionsoberfläche des radioaktiven Isotops (Sem ) und damit der Fläche des Massen p-n-Übergangs (Spn,b ).The technical result of the first subject of this invention is an increase in energy e u per unit volume of the converter due to the large emission surface of the radioactive isotope ( S em ) and thus the surface of the mass pn junction ( S pn, b ).

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 p+ (n+ ) Leitungstyp umfassen, die vertikale p-n Übergänge mit dem Halbleiterwafer bilden.The design of the ionizing radiation converter having a network structure comprises a lightly doped semiconductor n (p) conductivity type semiconductor wafer whose mass includes vertical channels, one end of which is connected to the wafer surface, the channel wall surfaces having highly doped regions of the p + ( n + ) Comprise conduction type which form vertical pn junctions with the semiconductor wafer.

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 n+ (p+ ) Leitungstyp, deren Oberfläche eine metallische Elektrode, d.h. Anode (Kathode), des Konverters aufweist.The channels are filled with the conductive radio-biotope material forming the electrode, ie, anode (cathode), the converter diode, and the bottom surface of the wafer comprises a horizontally highly doped layer of n + ( p + ) Conductivity type whose surface has a metallic electrode, ie anode (cathode), of the converter.

Die Deckoberfläche des Wafers umfasst einen horizontalen hochdotierten Bereich vom p+ (n+ ) Leitungstyp, der einen horizontalen p-n-Übergang bildet. Die Oberflächen der vertikalen Kanäle sind niedrigdotiert und weisen den n(p) Leitungstyp auf, wobei ein Ende eines jeden der vertikalen Kanäle mit der Bodenoberfläche des Wafers verbunden ist und das andere Ende, d.h. der Boden eines jeden der vertikalen Kanäle sich in einem Abstand von der Deckoberfläche des Wafers befindet, wobei der Abstand größer ist als die gesamte Tiefe des horizontalen p-n Übergangs in dem Raumladungsbereich, der von ihm gebildet wird.The top surface of the wafer comprises a horizontal highly doped area of the wafer p + ( n + ) Line type that forms a horizontal pn junction. The surfaces of the vertical channels are low-doped and have the n (p) conduction type, with one end of each of the vertical channels connected to the bottom surface of the wafer and the other end, ie, the bottom of each of the vertical channels spaced apart the cover surface of the wafer, wherein the distance is greater than the entire depth of the horizontal pn junction in the space charge region, which is formed by it.

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 n+ (p+ ) Leitungstyp auf der Bodenoberfläche eines niedrigdotierten Wafers vom n(p)-Leitungstyp, die Bildung von vertikalen Kanälen durch Ätzen der Deckoberfläche des Halbleiterwafers, das Dotieren der Kanalwandoberflächen, die Abscheidung eines radioaktiven Isotopenmetalls als Elektrode, d.h. Anode (Kathode), auf der Deckoberfläche des Wafers und in den Kanälen, und die Abscheidung einer Metallschicht als Elektrode, d.h. Anode (Kathode) auf der Bodenoberfläche des Wafers.The manufacturing process involves the formation of a highly doped layer of n + ( p + ) Conduction type on the bottom surface of a low-doped n (p) -line type wafer, formation of vertical channels by etching the top surface of the semiconductor wafer, doping of the channel wall surfaces, deposition of a radioactive isotopic metal as an electrode, ie, anode (cathode), on the top surface of the wafer and in the channels, and the deposition of a metal layer as an electrode, ie, anode (cathode) on the bottom surface of the wafer.

Die vertikalen Kanälen werden gebildet durch Ätzen der Bodenoberflächen des niederdotierten Wafers von p+ (n+ )-Leitungstyp, woran sich das Dotieren der Kanalwandoberfläche mit einem Donator (Akzeptor-Verunreinigung) anschließt und ein horizontaler p-n-Übergang auf der Deckoberfläche des Wafers gebildet wird durch Dotieren mit einer Akzeptor (Donator) Verunreingigung.The vertical channels are formed by etching the bottom surfaces of the low-doped wafer of FIG p + ( n + ) Conduction type followed by doping the channel wall surface with a donor (acceptor impurity) and forming a horizontal pn junction on the top surface of the wafer by doping with an acceptor (donor) impurity.

Diese Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren illustriert, die Beispiele für den Konverteraufbau zeigen, wobei 1 einen Schnitt der Konverterstruktur für das erste Strukturbeispiel zeigt, 2 eine Bodenansicht einer Konverterstruktur für das erste Strukturbeispiel zeigt, 3 einen Schnitt der Konverterstruktur für das zweite Strukturbeispiel zeigt, und 4 eine Bodenansicht der Konverterstruktur für das zweite Strukturbeispiel zeigt. This invention will now be illustrated with reference to figures showing examples of the converter construction, wherein 1 shows a section of the converter structure for the first structural example, 2 shows a bottom view of a converter structure for the first structural example, 3 shows a section of the converter structure for the second structural example, and 4 shows a bottom view of the converter structure for the second structural example.

Das Design das Konverters der vorliegenden Erfindung umfasst einen niedrigdotierten Halbleiterwafer (1) vom n(p)-Leitungstyp, wobei die Bodenoberfläche des Wafers eine Kontaktschicht (2) vom n+ (p+ )-Leitungsstyp aufweist, wobei die Wafer-Masse senkrechte Kanäle (3) umfasst, wobei ein Ende eines jeden der vertikalen Kanäle mit der Bodenoberfläche des Wafers verbunden ist, während die Deckoberfläche des Wafers einen Bereich (4) vom n+ (p+ )-Leitungsstyp eines horizontalen p-n-Übergangs umfasst, wobei der Bereich einen Raumladungsbereich (5) im Wafer bildet, wobei die Oberfläche des Bereichs vom n+ (p+ )-Leitungstyp ein metallisches radioaktives Isotop umfasst, das die Anode (6) der Diode bildet, und die Boden-Waferoberfläche und die Kanäle ein metallisches radioaktives Isotop aufweisen, das eine Kathode (7) bildet.The design of the converter of the present invention comprises a low-doped semiconductor wafer ( 1 ) of the n (p) -line type, wherein the bottom surface of the wafer has a contact layer ( 2 ) from n + ( p + ) -Line type, wherein the wafer mass has vertical channels ( 3 ), wherein one end of each of the vertical channels is connected to the bottom surface of the wafer while the top surface of the wafer is a region (Fig. 4 ) from n + ( p + ) Line type of a horizontal pn junction, wherein the region comprises a space charge region ( 5 ) in the wafer, the surface area of the n + ( p + ) Conduction type comprises a metallic radioactive isotope, which is the anode ( 6 ) the diode forms, and the bottom wafer surface and the channels have a metallic radioactive isotope that is a cathode ( 7 ).

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 p+ (n+ )-Bereichen des Konverters (die photovoltaische EMF). In ähnlicher Weise können ein Teil der Elektroden/Loch-Paare durch das Feld des p-n-Übergangs auch im quasineutralen Bereich im Diffusionslängenabstand gesammelt werden.The working principle of the converter of this invention is based on the ionization of the semiconductive material, eg silicon, by the beta radiation of isotopes, eg nickel, tritium, strontium, cobalt etc. The electron / hole pairs formed due to the irradiation are dominated by the Field of pn junction in the space charge region separated and generate a difference of potentials between p + (n + ) Areas of the converter (the photovoltaic EMF). Similarly, a portion of the electrode / hole pairs may also be collected through the pn junction field in the quasi-neutral region at the diffusion distance distance.

Es wurde gezeigt, dass ein wirksamer (optimaler) Betrieb des Konverters ein Hochqualitätssilicium erfordert, bei dem die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger Ld größer ist als die Siliciumwafer-Dicke, d.h. Ld > hw .It has been shown that efficient (optimal) operation of the converter requires high quality silicon, where the diffusion length of the minority carriers L d is greater than the silicon wafer thickness, ie L d > h w ,

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 1 und 2 gezeigt ist, die höchste Einheitsleistung auf, ist jedoch aufgrund der großen Nickelmenge in den Kanälen recht teuer. Der Konverter, der in den 3 und 4 gezeigt ist, benötigt eine erheblich geringere Menge 63Ni und ist daher billiger, während er gleichzeitig eine niedrigere Einheitsleistung aufweist.Various examples of the design of the beta converter are possible, which differ in terms of their technical parameters. For example, the converter included in the 1 and 2 is the highest unit performance, but is quite expensive due to the large amount of nickel in the channels. The converter in the 3 and 4 is shown to require a significantly lower amount of 63 Ni and is therefore cheaper while having a lower unit performance.

Die Ausführungsform für ein Konverterdesign, wie es in den 1 gezeigt ist, kann in phosphordotierten Siliciumwafern von KEF-Qualität von 5 kOhm × cm, einem Durchmesser von 100 mm, einer Dicke von hw = 420 µm, einer (100) Orientierung, einer Ladungsträgerlebensdauer t = 2 ms und einer Diffusionslänge Ld > 1,0 cm verwirklicht werden.The embodiment for a converter design, as in the 1 can be shown in phosphorous doped silicon wafers KEF quality of 5 kOhm × cm, a diameter of 100 mm, a thickness of h w = 420 microns, a (100) orientation, a carrier lifetime t = 2 ms and a diffusion length L d > 1.0 cm can be realized.

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 n+ -Schutzbereiche auf den oberen Waferoberflächen, eine Phosphor-Diffusion und Bildung von n+ -Schutzbereichen auf den Deck(Front)-Waferoberflächen und n+ -Kontaktschichten auf der Boden-Waferoberfläche.A first lithograph for the n + Protective areas on the upper wafer surfaces, a phosphorus diffusion and formation of n + Protective areas on the deck (front) wafer surfaces and n + Contact layers on the bottom wafer surface.

Eine zweite Lithografie und die Bildung des p+ -Kontaktbereichs durch Borionendotierung mit einer Dosis von D = 600 µCl und der Energie E = 30 keV, einem thermischen Brennen der implantierten Verunreinigung bei T = 1050°C für t = 40 min, das Wachstum eines thermischen Oxids auf dem Halbleiterwafer bei T = 950°C für t = 40 min, Dicke 0,3 µm.A second lithograph and the formation of the p + Contact area by Borionendotierung with a dose of D = 600 μCl and the energy E = 30 keV, a thermal burn of the implanted impurity at T = 1050 ° C for t = 40 min, the growth of a thermal oxide on the semiconductor wafer at T = 950 ° C for t = 40 min, thickness 0.3 μm.

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 p+ -Schicht.A fourth lithograph of the contact window to the p + -Layer.

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 Spn.pl , die auf der polierten Deckoberfläche des Wafers angeordnet ist, einen niedrigen Dunkel-Leckstrom aufweist: I d . pl = 0,5  nA / cm 2

Figure DE112017006974T5_0002
Experimental studies of silicon-based converters with a prototype network structure and a planar design at a 63 Ni isotope radiation power and a dose rate P = 2.7 mC / cm 2 showed that the horizontal planar pn junction with the surface S pn.pl that is located on the polished top surface of the wafer, has a low dark leakage current: I d , pl = 0.5 n / A / cm 2
Figure DE112017006974T5_0002

Der Leckstrom einer entsprechenden p-n-Übergangsfläche, die in den Kanälen gebildet ist, ist drei Größenordnungen größer: I lk . b = 1   μ A

Figure DE112017006974T5_0003
The leakage current of a corresponding pn junction area formed in the channels is three orders of magnitude larger: I lk , b = 1 μ A
Figure DE112017006974T5_0003

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: U id . pl = ϕ t × L n ( I sc / I d + 1 ) = 0.026 × L n ( 27 / 0.5 + 1 ) = 0.1  V

Figure DE112017006974T5_0004
This corresponded to the no-load current for the planar pn junction U id.pl = 0.1 V and for the mass pn junction U id.b = 4 mV: U id , pl = φ t × L n ( I sc / I d + 1 ) = 0026 × L n ( 27 / 0.5 + 1 ) = 0.1 V
Figure DE112017006974T5_0004

Hierin ist Φt das thermische Potential und Isc ist der Kurzschlussstrom, der durch radioaktive Strahlung erzeugt wird.Herein, Φt is the thermal potential and I sc is the short-circuit current generated by radioactive radiation.

Die Konverterleistung wird bestimmt durch die folgende Beziehung: P max = U id × I sc × FF

Figure DE112017006974T5_0005
The converter performance is determined by the following relationship: P Max = U id × I sc × FF
Figure DE112017006974T5_0005

Für einen planaren p-n-Übergang beträgt Pmax.pl 1, 7 nW, und für eine Masse p-n-Übergang beträgt Pmax.b 0,08 nW.For a planar pn junction is P max.pl 1, 7 nW, and for a mass pn junction is P max.b 0.08 nW.

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 (Sp-p , pl), die sich auf einer polierten Hochqualitäts-Deckoberfläche des Wafers befindet, was den Dunkelstrom minimiert und den Leerlaufstrom erhöht und damit die Einheitsleistung des Konverters.This is achieved because of the design of the beta radiation converter and its technology, which provides the fundamental opportunity to realize the equivalent emission performance of the isotopic surface at Sis as in the prototype having a 3D structure; However, the ionization current receiver is a horizontal (non-vertical) pn junction with a relatively small area ( S pp , pl ) located on a polished high quality top surface of the wafer, which minimizes the dark current and increases the no-load current and hence the unit performance of the converter.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (2)

Konverter für ionisierende Strahlung mit einer Netzstruktur, der einen niedrigdotierten Halbleiterwafer vom n(p)-Leitungstyp umfasst, in dessen Masse vertikale Kanäle enthalten sind, die vom Oberteil zur Waferoberfläche erzeugt sind, wobei die Oberflächen der Kanalwände von einem hochdotierten p+(n+) Leitungstyp sind und die Kanäle mit einem leitfähigen Radioisotopenmaterial gefüllt sind, das die Elektrode, d.h. Anode (Kathode), der Konverterdiode bildet und wobei die Bodenoberfläche des Wafers einen horizontalen hochdotierten Bereich vom n+(p+) Leitungstyp aufweist, der einen horizontalen p-n-Übergang bildet, und die Deckoberfläche des Wafers einen horizontalen hochdotierten Bereich vom p+(n+) Leitungstyp aufweist, der einen horizontalen p-n-Übergang bildet, wobei die Oberflächen der vertikalen Kanäle niedrigdotiert sind und einen n(p) Leitungstyp aufweisen, wobei außerdem ein Ende eines jeden der vertikalen Kanäle mit der Bodenoberfläche des Wafers verbunden ist und das andere Ende, d.h. der Boden eines jeden der vertikalen Kanäle, einen Abstand von der Deckoberfläche des Wafers aufweist, wobei der Abstand größer ist als die Gesamttiefe des horizontalen p-n-Übergangs im Raumladungsbereich, der davon gebildet wird.An ionizing radiation converter having a mesh structure comprising a low-doped n (p) -line semiconductor wafer having in its mass vertical channels formed from the top to the wafer surface, the surfaces of the channel walls being dominated by a highly doped p + (n + ) Are conduction type and the channels are filled with a conductive radioisotope material forming the electrode, ie anode (cathode), of the converter diode and wherein the bottom surface of the wafer has a horizontal highly doped region of n + (p + ) conduction type having a horizontal pn Transition, and the top surface of the wafer has a horizontal highly doped region of the p + (n + ) conduction type forming a horizontal pn junction, the surfaces of the vertical channels being low doped and having an n (p) conduction type one end of each of the vertical channels is connected to the bottom surface of the wafer and the other end, ie, the bottom of each of the vertical channels, is spaced from the top surface of the wafer, the distance being greater than the total depth of the horizontal pn junction in the space charge region formed therefrom. Verfahren zur Herstellung, das umfasst: die Bildung einer horizontalen hochdotierten Schicht vom n+(p+) Leitungstyp auf der Bodenoberfläche eines niedrigdotierten Wafers vom n(p) Leitungstyp, die Bildung von vertikalen Kanälen durch Ätzen der Deckoberfläche des Halbleiterwafers, Dotieren der Kanalwandoberflächen, Dotieren von radioaktivem Isotopenmetall für eine Anoden- (Kathoden-) Elektrode, auf die Deckoberfläche des Wafers und in die Kanäle, und die Abscheidung einer Metallschicht für die Anoden- (Kathoden-) Elektrode, auf der Bodenoberfläche des Wafers, wobei die vertikalen Kanäle durch Ätzen der Deckoberfläche des niedrigdotierten Halbleiterwafers vom n(p) Leitungstyp gebildet werden, Dotieren der Kanalwandoberflächen mit einer Donator- (Akzeptor-) Verunreinigung und Bilden eines horizontalen p-n Übergangs auf der Deckoberfläche des Wafers durch Dotieren mit einer Donator- (Akzeptor-) Verunreinigung.A method of manufacturing comprising: forming a horizontal n + (p +) conductivity type heavily doped layer on the bottom surface of a low doped n (p) conductivity type wafer, forming vertical channels by etching the top surface of the semiconductor wafer, doping the channel wall surfaces, doping radioactive isotopic metal for an anode (cathode) electrode, on the top surface of the wafer and in the channels, and depositing a metal layer for the anode (cathode) electrode on the bottom surface of the wafer, the vertical channels being etched through the substrate Top surface of the low doped n (p) conductivity type semiconductor wafer, doping the channel wall surfaces with a donor (acceptor) impurity, and forming a horizontal pn junction on the top surface of the wafer by dopant donor (acceptor) impurity doping.
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