JP2020507073A - 架橋構造を有する電離放射線コンバータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、同位体放射線源の電離放射線を電気（ＥＭＦ）に変換するエネルギーコンバータに関する。これらの放射線源は、単位体積当たりのエネルギーがはるかに大きいが、単位時間当たりの放出電力が低いという点で、キャパシタおよびバッテリとは異なる。これらの放射線源は、低重量および小寸法を有しながら、太陽放射がない状態で、高電力バッテリまたはキャパシタの直接充電を提供することができる。同位体コンバータの寿命は、照射材料の半減期によって決定される。６３Ｎｉの寿命は約１００年である。本発明の目的は、電離放射線コンバータの比出力を増大させ、その技術を単純化し、コストを低減することである。これらの目的は、高品質の平面の水平ｐ−ｎ接合部の最小面積で、同位体放射面の最大面積を提供する、特定のベータ線コンバータ構造およびその製造技術を使用することによって達成される。これらの利点により、暗電流を最小限に抑え、したがって、コンバータの開回路電圧および電力密度（power dencity）を増大させることができる。

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、電離放射線エネルギーから電気（ＥＭＦ）へのコンバータに関する。本発明は、無人航空、爆発性が高い領域（例えば、地雷）、アクセスが困難な領域に配置された夜間インジケータ、医療（心臓ペースメーカ）等に使用することができる。

これらの電源に対する影響は、リチウムバッテリのエネルギー密度に匹敵する放射性同位体化学元素の高エネルギー密度によって、また、近年活発に技術開発が行われている微小電気機械システムに放射性同位体バッテリを組み込む可能性によって、かなりの程度まで左右される。ベータボルタ電池に基づく独立した電源は、多くの領域で必要である：
例えば、患者の心臓（心臓ペースメーカ）に直接埋め込まれる埋込みセンサおよびペースメーカ、等の医療である。有効寿命が長い（単独寿命が２５年以上）を有する耐久性のある電源によって、心臓ペースメーカの電源交換のための繰り返しの手術の必要性がなくなる。

例えば、自己レコーダを使用して温度、大気圧および風速の単独測定を提供する、アクセスが困難な領域に配置された気象局電源等の、構造に埋め込まれたセンサである。

例えば、宇宙工学である。より具体的には、宇宙では急激で非常に大きい温度変化の条件下で、長時間にわたって電源が電気を生成すべきであるので、航法衛星における補助電源用である。

例えば、地上装置の動力源としてのマイクロロボット、およびインテリジェンスおよび他の戦術目的用に使用される無人航空機等の軍事産業である。

〔背景技術〕
低ドープされたｎ（ｐ）導電型半導体ウェハを含む装置構成が知られており（米国特許出願公開第20140225472号、公開日２０１４年８月１４日）。このウェハの表面に導電電極（すなわち、カソード（アソード））が配置された高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）領域を含む。ウェハの上部に半導体ウェハとｐ−ｎ接合を形成する高ドープされたｐ^＋（ｎ^＋）領域がある。表面ｐ^＋（ｎ^＋）領域は、絶縁誘電体および導電アノード電極（すなわち、カソード（アノード））の層がある。導電アノード電極は放射性同位体である。

上記構造の欠点は、照射される表面積が小さいために、照射された半導体材料の体積が比較的小さく、電離ベータ線の侵入深さが限られていること（２５μｍ未満）、作業領域のバナジウムドーピング中の構造欠陥による少数キャリア電荷寿命が短いことである。

ベータ線を電気に変換する半導体コンバータ（ロシア特許出願公開第2452060号、公開日２０１４年６月２７日）が知られている。半導体ウェハは、複数の貫通マイクロチャネルの形態のテクスチャ表面を有する。マイクロチャネルは、円形、楕円形、長方形、または他の任意の形状を有する。マイクロチャネル間の壁厚ｈが、マイクロチャネルの幅と同等である。マイクロチャネル壁の表面ならびに半導体ウェハの正面および背面は、微細組織を有し、半導体ウェハの側面を除くほぼ全面は、ｐ−ｎ接合およびダイオード構造を形成するドープ層を含む。ドープ層は、ダイオード構造に集電接点として作用する放射性半導体層で覆われ、β放射源であり、ドープ層および底層は、テクスチャ表面の形状を繰り返し、半導体ウェハの基部領域への接点は、側面上に位置する。

半導体コンバータの欠点は、その製造および貫通チャネルへの固体放射性同位体の充填が複雑な技術であることである。貫通チャネルのテクスチャ表面の品質が低く、したがって、コンバータの高い比電力を達成できない激しい漏電がある。

本発明の第１の目的のプロトタイプは、半導体ベータボルタコンバータの３Ｄ構造であり、放射を電気に変換する（米国特許出願公開第20080199736号、公開日２００８年８月２１日）。低ドープされたｎ（ｐ）導電型半導体ウェハの上面には、垂直に配置されたチャネルがある。その表面は、半導体ウェハとの垂直ｐ−ｎ接合を形成する高ドープされたｐ^＋（ｎ^＋）領域を含む。チャネルは、電極（すなわち、コンバータダイオードのアノード（カソード））を形成する導電性放射性同位体材料で充填される。ウェハの底面には、水平方向に高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）コンタクト層が配置されている。コンタクト層の表面には、アノード（カソード）の金属電極が配置されている。

既知の構造の欠点は、表面の質が低いことである。したがって、コンバータの高い比出力を達成することができないマイクロチャネル内の逆ｐ−ｎ接合電流が高くなる。

本発明の第２の課題のプロトタイプは、^６３Ｎｉ同位体のβ放射線を電気に変換するベータボルタコンバータとして使用される、半導体ダイオードの３Ｄ構造を製造する方法である（米国特許出願公開第20080199736号、公開日２００８年８月２１日）。当該方法は、低ドープされたｎ（ｐ）導電型ウェハの底面上への水平方向に高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）導電型層の形成と、半導体ウェハの上面をエッチンすることによる垂直チャネルの形成と、チャネルの壁面にドープすることと、ウェハの上面上またはチャネル内への、電極（すなわち、アノード（カソード））のための放射性同位体金属の蒸着と、ウェハの底面上への、電極（すなわち、アノード（カソード））のための金属層の蒸着と、を含む。

既知の方法の欠点は、チャネル内のｐ−ｎ接合の合成が複雑で再現性が不十分であり、コンバータの効率が低下することである。最も重要なことには、バルクｐ−ｎ接合部の暗電流（Ｉ_Ｄ）が高く、コンバータのアイドル電圧（Ｕ_ｉｄ）を劇的に低下させ、したがって最大出力電力（Ｐ_ｍａｘ）を低下させることである。

Ｐ_ｍａｘ＝Ｕ_ｉｄ×Ｉ_ｓｃ×ＦＦ
ここで、Ｕ_ｉｄ＝φｔ×Ｌ_ｎ（Ｉ_ｓｃ／Ｉ_Ｓ＋１）であり、φｔは熱ポテンシャルであり、Ｉ_ｓｃは放射線によって発生する短絡電流である。

〔発明の開示〕
放射性同位体の放射面（Ｓ_ｅｍ）が大きく、したがって、バルクｐ−ｎ接合部の面積（Ｓ_ｐｎ，ｂ）が大きいため、コンバータの単位体積当たりのエネルギーＥ_ｕが増大することが、第１の課題に対する本発明の技術的成果である。

第１の課題に対する本発明の技術的成果は、以下のようにして達成される。

架橋構造を有する電離放射線コンバータの設計は、低ドープされたｎ（ｐ）導電型半導体ウェハを含む。ウェハのバルクは、一方がウェハ表面に連結する垂直チャネルを含む。チャネルの壁面は、半導体ウェハと垂直ｐ−ｎ接合を形成する高ドープされたｐ^＋（ｎ^＋）導電型領域を含む。

チャネルは、コンバータダイオードの電極（すなわち、アノード（カソード））を形成する導電性放射性同位体材料で充填される。ウェハの底面は、水平方向に高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）導電型層を含む。層の表面は、コンバータの金属電極（すなわち、アノード（カソード））を含む。

ウェハの上面は、水平ｐ−ｎ接合を形成する水平方向に高ドープされたｐ^＋（ｎ^＋）導電型領域を含む。垂直チャネルの表面は低ドープされ、ｎ（ｐ）導電型を有する。各垂直チャネルの一端はウェハ底面に連結している。他端（すなわち、各垂直チャネルの底部）はウェハの上面から一定の距離を有する。当該距離は、水平ｐ−ｎ接合によって形成される空間電荷領域内の水平ｐ−ｎ接合の全体の深さよりも大きい。

第２の課題に対する本発明の技術的成果は、コンバータ製造技術の簡略化を含む。

第２の課題に対する本発明の技術的成果は、以下のようにして達成される。

本製造方法は、低ドープされたｎ（ｐ）導電型ウェハの底面上への水平方向に高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）導電型層の形成と、半導体ウェハの上面をエッチングすることによる垂直チャネルの形成と、チャネル壁面のドーピングと、ウェハの上面上およびチャネル内への電極（すなわち、アノード（カソード））のための放射性同位体金属の蒸着と、ウェハの底面上への電極（すなわち、アノード（カソード））のための金属層の蒸着と、を含む。

垂直チャネルは、低ドープされたｎ（ｐ）導電型ウェハの底面をエッチングすることによって形成される。次に、チャネル壁面はドナー（アクセプター）不純物でドープされ、水平ｐ−ｎ接合部はアクセプター（ドナー）不純物でドープすることによってウェハの上面に形成される。

本発明に関し、コンバータの設計例を図に示す。図１は、第１の構造例のコンバータ構造の断面を示す。図２は、第１の構造例のコンバータ構造の底面図を示す。図３は、第２の構造例のコンバータ構造の断面を示す。図４は、第２の構造例のコンバータ構造の底面図を示す。

本発明のコンバータの設計は、低ドープされたｎ（ｐ）導電型半導体ウェハ（１）を含む。ウェハの底面は、ｎ^＋（ｐ^＋）導電型コンタクト層（２）を含む。ウェハバルクは垂直チャネル（３）を含む。各垂直チャネルの一方はウェハの底面に連結している。ウェハの上面は、水平ｐ−ｎ接合のｎ^＋（ｐ^＋）導電型領域（４）を含む。当該領域は、ウェハと共に空間電荷領域（５）を形成する。ｎ^＋（ｐ^＋）導電型領域の表面は、ダイオードのアノード（６）を形成する金属放射性同位体を含む。ウェハの底面およびチャネルは、カソード（７）を形成する金属放射性同位体を含む。

本発明のコンバータの操作原理は、同位体（例えば、ニッケル、トリチウム、ストロンチウム、コバルト等）のベータ線による半導体材料（例えばシリコン）のイオン化に基づく。照射によって形成される電子／正孔対は、空間電荷領域内のｐ−ｎ接合の電界によって分離し、コンバータ（太陽光発電ＥＭＦ）のｐ^＋およびｎ^＋領域間に電位差を生成する。同時に、準中性領域におけるｐ−ｎ接合の電界により拡散距離において、電子／正孔対の一部が交互に蓄積され得る。

コンバータの効率的な（最適な）操作において、少数キャリアＬ_ｄの拡散長がシリコンウェハの厚さよりも長い（すなわちＬ_ｄ＞ｈ_ｗ）、高品質のシリコンを必要とすることが示されている。

チャネル間の距離は、平均エネルギーがＥ＝１７．５ｋｅＶである^６３Ｎｉ同位体電子のβ放射線の侵入深さよりも大きくなければならない。

〔発明を実施するための形態〕
技術的パラメータが異なる、異なる例のベータコンバータ設計が可能である。例えば、図１および２に示すコンバータは、最も高い単位出力を有する一方、チャネル内のニッケルの量が多いため、非常に高価である。図３および４に示すコンバータは、^６３Ｎｉの必要量がはるかに少なく安価である一方、単位出力が低い。

図１〜４に示すコンバータ設計の実施形態は、リンドープシリコングレードＫＥＦウェハにおいて実施され得る。当該ウェハは、抵抗率が５ｋΩ×ｃｍ、直径が１００ｍｍ、ｈ_ｗ＝４２０μｍの厚さ、（１００）方位、キャリア寿命τ＝２ｍｓ、および拡散長Ｌ_ｄ＞１．０ｃｍを有する。

同位体源は、例えば、半減期が５０年と長く、平均エネルギー１７ｋｅＶおよび最大エネルギー６４ｋｅＶを有する電子放射を放出する^６３Ｎｉを選択してもよい。^６３Ｎｉは、健康にほとんど危険を及ぼさない。この電子エネルギーは、１６０ｋｅＶであるシリコン中の欠陥形成エネルギーよりも低い。平均エネルギー１７ｋｅＶを有する電子のシリコン中の吸収深さは約３．０μｍである。９０％吸収の場合、当該深さは１２μｍである。これらの寸法は、設計するｐ−ｎ接合の深さおよび空間電荷領域の大きさによって満たされるべきであり、これは、従来のシリコン構造で達成可能である。トリチウム等の放射性同位体である他の材料を代替として使用し得ることについて留意されたい。また重要なことは、放射線源は必ずしもβ線源ではなく、平均エネルギー６ＭｅＶおよびシリコンの侵入深さが約２０〜２５μｍである^２３８Ｕ等のα線源を代替として使用し得る（すなわち、ｐ−ｎ接合部に危険を及ぼさない）。

本発明のコンバータの製造方法は、以下の一連のステップを含む。

抵抗率５ｋΩ×ｃｍ、直径１００ｍｍ、および（１００）の方位を有するシリコンウェハバッチの表面の熱酸化（０．６μｍまで）、ウェハの裏側の「０」リソグラフィ、反応性イオンビームエッチングによる垂直チャネルの形成、およびシェルタ表面へのリン拡散。

ウェハの上面のｎ^＋保護領域の第１のリソグラフィは、リン拡散およびウェハの上面のｎ^＋保護領域およびウェハ底面のｎ^＋コンタクト層の形成である。

第２のリソグラフィ、ならびに線量Ｄ＝６００μＣｌおよびエネルギーＥ＝３０ｋｅＶでのホウ素イオンドーピングによるｐ^＋コンタクト領域の形成は、ｔ＝４０分におけるＴ＝１０５０℃での注入した不純物の熱アニーリング、ｔ＝４０分におけるＴ＝９５０℃での半導体の熱酸化膜の成長（厚さ０．３μｍ）である。

ホウ素イオンドーピングにより形成されるｐ−ｎ接合におけるｐ層の第３のリソグラフィは、ｔ＝４０分におけるＴ＝９５０℃での注入した不純物の熱アニーリングである。

第４のリソグラフィは、ｐ^＋層へのコンタクトウィンドウ（contact windows）である。

ウェハの上面上に^６３Ｎｉ同位体を蒸着し、アノード電極を形成する第５のリソグラフィを行う。

化学機械的研磨によりウェハ底部を薄くし、ウェハの底面上で放射性^６３Ｎｉの電気分解を行い、ウェハを削る。

注目すべきは、プロセス手段が単純な実施形態であることである。すなわち、ウェハの上面上への^６３Ｎｉ同位体の蒸着後、プロセス手段の最後に垂直チャネルをフォトリソグラフィする。しかしながら、この選択肢は、ウェハを薄くする操作は含まない。

^６３Ｎｉ同位体放射電力および線量電力Ｐ＝２．７ｍＣ／ｃｍ^２における、プロトタイプの架橋構造と平面デザインを有するシリコンベースコンバータの実験的研究は、ウェハの研磨された上面に位置する領域Ｓ_{ｐｎ．ｐｌ}を有する水平面ｐ−ｎ接合の暗漏電流が低いことを示した：
Ｉ_ｄ．ｐｌ＝０．５ｎＡ／ｃｍ^２
チャネル内に形成された等しい面積のｐ−ｎ接合の漏電流は３桁大きい：
Ｉ_ｌｋ．ｂ＝１μＡ
これは、平面ｐ−ｎ接合Ｕ_{ｉｄ．ｐｌ}＝０．１Ｖおよびバルクｐ−ｎ接合Ｕ_ｉｄ．ｂ＝４ｍＶのアイドル電圧に一致した：
Ｕ_{ｉｄ．ｐｌ}＝φｔ×Ｌ_ｎ（Ｉ_ｓｃ／Ｉ_ｄ＋１）＝０．０２６×Ｌ_ｎ（２７／０．５＋１）＝０．１Ｖ
ここで、φｔは熱ポテンシャルであり、Ｉ_ｓｃは放射線によって生成される短絡電流である。

コンバータ電力は、以下の関係によって決定される：
Ｐ_ｍａｘ＝Ｕ_ｉｄ×Ｉ_ｓｃ×ＦＦ
平面ｐ−ｎ接合の場合、Ｐ_{ｍａｘ．ｐｌ}は１．７ｎＷであり、バルクｐ−ｎ接合の場合、Ｐ_{ｍａｘ．ｂ}は０．０８ｎＷである。

本発明の技術的利点は、単位電力およびコンバータの効率の増加、ならびにその技術の単純化および低価格化である。

本発明は、３Ｄ構造を有するプロトタイプにおけるように、Ｓ_ｉｓにおける同位体表面の同等の放射力を実現する基本的な可能性を提供するベータ線コンバータおよびその技術の設計によって達成される。しかしながら、電離電流レシーバは、ウェハの高品質である研磨された上面に位置する比較的小さな面積（Ｓ_{ｐ−п，пл}）を有する水平（垂直ではない）ｐ−ｎ接合部である。これは暗電流を最小化し、アイドル電圧（したがって、コンバータの単位電力）を増加させる。

第１の構造例のコンバータ構造の断面を示す。 第１の構造例のコンバータ構造の底面図を示す。 第２の構造例のコンバータ構造の断面を示す。 第２の構造例のコンバータ構造の底面図を示す。

Claims (2)

1. 架橋構造を有する電離放射線コンバータであって、
   低ドープされたｎ（ｐ）導電型半導体ウェハを含み、
   上記半導体のバルクは、上部から上記ウェハ表面に形成された垂直チャネルを含み、
   上記チャネルの壁面は、高ドープされたｐ^＋（ｎ^＋）導電型を有し、
   上記チャネルは、上記コンバータダイオードの電極（すなわち、アノード（カソード））を形成する導電性放射性同位体材料によって充填され、
   上記ウェハの底面は、水平ｐ−ｎ接合を形成する水平方向に高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）導電型領域を含み、
   上記ウェハの上面は、水平ｐ−ｎ接合を形成する水平方向に高ドープされたｐ^＋（ｎ^＋）導電型領域を含み、
   上記垂直チャネルの表面は、低ドープされ、さらにｎ（ｐ）導電型を有し、
   上記垂直チャネルのそれぞれの一端は、上記ウェハの底面と連結し、
   上記垂直チャネルの他端（すなわち、上記垂直チャネルのそれぞれの底面）は、上記ウェハの上面から一定の距離を有し、
   上記距離は、水平ｐ−ｎ接合によって形成される空間電荷領域における水平ｐ−ｎ接合の全体の深さよりも大きい、電離放射線コンバータ。
2. 低ドープされたｎ（ｐ）導電型ウェハの底面上に、水平方向に高ドープされたｎ^＋（ｐ^＋）導電型層を形成する工程と、
   半導体ウェハの上面をエッチングすることにより垂直チャネルを形成する工程と、
   上記チャネルの壁面をドープする工程と、
   上記ウェハの上面上および上記チャネル内にアノード（カソード）電極のための放射性同位体金属をドープする工程と、
   上記ウェハの底面上にアノード（カソード）電極のための金属層を蒸着する工程と、
   を含み、
   上記低ドープされたｎ（ｐ）導電型ウェハの底面をエッチングし、チャネル壁面をドナー（アクセプター）不純物でドープし、ドナー（アクセプター）不純物でドープすることによって水平ｐ−ｎ接合部をウェハの上面に形成することによって、垂直チャネルが形成される、製造方法。

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