KR101685470B1 - 빔 접합 제조방법, 전자기파 빔 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 장치, 더 상세히 말하자면, 반도체 접합 구조와 장치에 관련된 것으로, 반도체 접합 구조는 2 종류가 가능한데 두 개의 반도체 접합 (두 개의 다른 반도체 간 p-n 접합(junction) 또는 화학구조가 다른 헤테로 접합) 또는 반도체와 금속의 (쇼트키 접합, Schottky junction) 접합이 그에 해당하고, 이 같은 접합 방법의 전자기파 변환기나 다른 반도체 장치와 연관성을 갖는다. 반도체 기판에서의 빔 접합은 개별적이며 동일한 접합 수 N은>1로 수행되고, 전류전극을 통해 병렬 회로로 연결되며, 이때 반도체 기반에서의 각각의 개별적이며 동일한 접합 체적은 주 위험 결함을 야기할 수 있는 체적보다는 작게 한다. 이 같은 접합구조는 반도체 기판에 무질서하게 분포하고 있는 결함에 영향을 미치는 반면, 이 같은 결함은 반도체 장치의 전기적 변수에는 영향을 미치지 않는다.

Description

빔 접합 제조방법, 전자기파 빔 변환기 {METHOD FOR MAKING A BEAM JUNCTION, AND ELECTROMAGNETIC-RADIATION BEAM CONVERTER}

본 발명은 반도체 장치, 더 상세히 말하자면, 반도체 접합 구조와 장치에 관련된 것으로, 반도체 접합 구조는 2 종류가 가능한데 두 개의 반도체 접합 (두 개의 다른 반도체 간 p-n 접합(junction) 또는 화학구조가 다른 헤테로 접합) 또는 반도체와 금속의 접합이 (쇼트키 접합, Schottky junction) 그에 해당하고, 이 같은 접합방법의 전자기파 변환기나 다른 반도체 장치와 연관된다.

현재 반도체 장치 제조에는 체흐랄 방법이나 존용융법으로 키운 다결정 실리콘을 사용한다. 이같은 장치의 특성은 전류를 고밀도 변위 조합 하에서 변환시키는 시스템이라고 볼 수 있으며, 고순도의 실리콘과 (불순물 함량은 10^-8 이하) 낮은 전위 밀도, 다시 말하면 반도체적으로 순수한 실리콘이 필요하다.

“태양광” 실리콘을 분리하기 위한 특수 연구방법이 일반적으로 널리 알려졌으며 (파렌브루흐 A., 뷰브 Z. “태양전지: 이론 및 실험” 모스크바, 에네르고아톰 출판사, 1987년, 280p 참조), 이 방법에 따르면 반도체 장치 제조에 있어 실리콘의 수명, 고순도의 불필요성, 작은 결함 농도가 품질을 결정하는 주요 인자에 해당한다.

“태양광” 실리콘의 불순물 함량의 범위는 10^-4.. 10^{- 7}으로, 반도체적으로 순수한 실리콘에 비해 그 가격은 10-15배 정도 저렴하다. 태양광 실리콘의 범위 내에서도 순도, 취득방법에 따라 5배 이상 가격 차이가 난다.

순도에 따른 실리콘의 가격차는 매우 크다. 따라서 실리콘 가격을 높이기 위해 결정을 키우는 다른 방법 곧, 띠 모양의 방법을 개발하였고 다결정 실리콘이나 멀티실리콘도 적용하게 되었다.

반도체 물질에 함유된 불순물이나 다양한 결함은 전자기파 하에서의 소수전하운반체의 수명 및 광변환 장치나 반도체 장치의 기계적 특성을 포함하여 전기적 물성 강도는 물론 다른 변수에도 (전자기파, 온도, 전류 부하 등) 영향을 미친다. 결국, 광변환 장치나 반도체 장치의 수명과 성능을 저하시킨다. 예를 들면, 현재 광변환 장치의 수명이나 보장성능 기간은 30-40년을 넘지 못한다.

광변환 장치의 수명과 보장성능을 증가시킬 수 있다면, 총생산전력이 현저히 증가될 것이며 따라서 생산된 전기에너지의 가격 또한 저렴해질 것이다. 예를 들어 광변환 장치의 수명을 10배 정도 늘릴 수 있다면, 동일한 생산 효율을 보장하면서도 10배 정도 에너지 가격을 낮추게 된다.

반도체 기반은 활성층에서의 소수전하운반체의 수명에 영향을 미치기 때문에 태양전지의 에너지 변환 효율은 주로 반도체 기반에 결함이 있는가, 그 농도는 얼마나 되는가에 따라 달라진다. 수명의 증가와 더불어 단락 전류 값만 증대되는 것이 아니라 역방향 포화전류를 감소시키는 무부하 전압도 동시에 증가한다.

반도체 기술에서 발생할 수 있는 결함은 2가지로 구분해 볼 수 있다: 구조적 결함 (전위, 격자간 원자, 결원, 유사체, 소각입계); 불순물 (유입 또는 치환된 외부 원자). 몇 가지 결함이 합쳐지거나 외부 불순물이 결합구조와 상호작용하여 대형 결합 복합체를 형성한다. 결함은 전기적으로 활성을 띠기도 하고 불활성일 수도 있다.

반도체 물질의 (재료, 기판, 기반) 경우, 예를 들면 실리콘에는 크고 작은 크기의 결함들이 혼합되어 있으며, 결함이라 함은 모든 종류의 불순물, 구조적 불완전성, 불연속성 (극세균열, 미세균열), 분자간 결합 단절과 같은 화학적 불연속성, 구조나 그 경계의 이질성, 전위 등을 모두 일컫는다. 결함에는 견본의 가장자리, 표면 및 체적에 분포하고 있는 자발적이며 구성적 측면의 결함이 있는 동시에 임의적이며 무질서한 분포로 인한 결함도 있다.

고체의 크기적 변수에 의한 결함은 3종류로 구분된다 (페겔 V.R., 슬루츠케르 A.I., Kartashov E.M., Shevelev V.V. The Statistical Nature of Strength and Lifetime in Polimer Films and Fibers. Utrecht-Boston. Brill Academic Publishers. VSP. 2004. 522p.): 가로 치수 1-100 nm (0,001-0,1 ㎛(마이크로 미터))의 극세균열; 가로 치수 100-1000 nm (0,1-1 ㎛(마이크로 미터))의 미세균열; 가로 치수 1000-10000 nm (1-10 ㎛(마이크로 미터))의 매크로균열 및 그 이상. 크기 결함 중 특히 위험한 것은 가장 큰 크기를 갖는 결함으로 반도체 기반체에 가장 크게 영향을 미친다.

상기 언급한 반도체 물질에는 결함 영역이나 불순물 영역만 있는 것이 아니라 결함이 없는 특수 순도 영역도 존재한다. 반도체 물질의 순도가 높을수록 결함이 없는 순도 영역과 초순도 영역이 넓어진다. 모든 몸체에는 결함영역과 무결함 영역이 동시에 존재한다. 검토 영역이 적을수록 순도는 높아진다. 이는 대형 결함이나 불순물은 그 크기가 커서 좁은 영역에 위치하기 어렵기 때문이다. 이상적인 물질 견본에는 결함은 존재하지 않는다. 견본 내 결함률은 제조시 기술적 특성에 좌우된다.

광변환 장치의 표준 기판에 해당하며 기하학적 크기로 볼 때 비교적 대형에 (구조적 결함에서 주로 나타나는 상대적으로 큰 형태의) 속하는 견본에는 위에서 말한 극세, 미세 및 매크로 균열이 모두 존재한다. 물질의 구조적 결함에 상응하는 특성적 크기는 이 같은 결함이 있는 물질의 체적의 3제곱근 값으로 이해하도록 한다. 구조적 결함이 발생한 물질의 체적은 농축액 회수량과 같다.

현대 표준 광변환 장치는 고체 단일 접합 다이오드로서 금속 경계 면적이 크고 이에 따라 대형 크기의 반도체 플레이트-기판에 생성되는 p-n 접합 면적이 크다. 접합층의 (또는 접합이나 공간전하 영역) 폭은 0-300 nm에 (0.3 마이크로, μ) 달한다. 공간전하 영역 폭은 합금 불순물 농도, 조사강도, 낙하 부하 등에 좌우된다. 공산품으로 생산되는 다이오드, 광 다이오드, LED나 다른 반도체 장치는 단일 접합 타입에 속하며 상대적으로 대형에 해당하여 구조적 결함이 있고 금속 경계선의 고체면적이 크다. 현재 광변환 장치 제조용 표준 실리콘 플레이트는 예를 들면, 156 mm x 156 mm, 두께 200 마이크로미터의 사각형으로 구성되어 있거나, 직경 150 mm의 원형 플레이트 또는 이처럼 크고 두꺼운 형태의 팔각형 플레이트 등이 있다.

종합하면, 반도체 기판의 결함은 실리콘의 순도를 결정하는 합금 불순물과 이물질성 결함과 같이 무질서하고 불균일한 분포성을 특징으로 한다. 따라서, 단일 고체접합의 대형 기판의 접합 부분 다시 말하면, 공간전하 영역에서는 극세균열, 미세균열, 매크로균열이 모두 발생한다. 공간전하 영역 구조에 결함이 있는 경우 내구성이 떨어지고 수명이 짧아지며 보장성능 시간이 줄어들게 되어 결국에는 반도체 장치의 변환효율이 떨어지게 된다.

특허 발원을 신청한 본 발명과 유사한 것으로는 본 발명의 이전 특허 발명자가 신청한 특허로서 그 내용은 전자기파 빔 변환기와 관련되며 주로 접합 크기를 작게 하고 수를 많게 함으로 고체 단일 n 접합층의 불연속에 대한 구조적인 해결책을 제안하고 있다 (예를 들면, 특허 RU 2355066 C2 참조). 이 해결책의 약점이라면 반도체 물질 모두에 포함되어 있는 결함에 대한 해결책에 주의를 기울이지 않은 점이라 하겠다.

현재 반도체 장치 제조에는 체흐랄 방법이나 존 용융법으로 키운 다결정 실리콘을 사용한다. 이같은 장치의 특성은 전류를 고밀도 변위 조합 하에서 변환시키는 시스템이라고 볼 수 있으며, 고순도의 실리콘과 (불순물 함량은 10^-8 이하) 낮은 전위 밀도, 다시 말하면 반도체적으로 순수한 실리콘이 필요하다.

이런 점에 착안하여, 반도체 기판 내 무질서하게 분포하고 있는 결함이 광변환 장치나 기타 반도체 장치의 전기적 변수에 영향을 미치지 않도록 접합의 구조 설계 및 수행을 본 발명의 주목적으로 한다.

반도체 기판에 빔 접합 제조방법을 적용함으로 동일한 접합의 수 N을 >1 하고 전류전극을 이용하여 병렬 회로에 연결함으로 각각의 개별적이며 동일한 접합 체적에 대한 처음 발명을 준수하고, 반도체 기반 내 주결함을 형성하는 체적보다 작게 하여 설정한 목적에 도달한다.

원하는 경우, 접합수 N을 ≥ Shck로 선택할 수 있으며, 여기서 S - 접합을 형성하는 반도체 기판의 작동 표면적, h - p-n 접합의 폭, c - 결함이나 불순물의 체적농도, k = 2, 3,..., k_m, k_m = 1/cv_a, v_a - 재료의 원자 부피, 1/c - 결함 한 개에 대한 체적.

각각의 개별적이며 동일한 접합 간 간격은 반도체 기반 내 가장 위험한 결함의 가로 치수로 하는 것이 좋다.

각각의 단일 타입 p-n 접합 간 간격은 확산 길이를 2배 한 길이보다 작게 하는 것이 좋다.

접합수 N이 ≥ (cV)^{2/ 3} 으로 하는 경우, 여기에서 c - 결함의 체적농도, V 반도체 기반의 체적.

기판의 폭은 60 마이크로미터 이하로 하는 것이 좋다.

그 외에도, 전자기파 빔 변환기 반도체 기판에 상기 언급한 방법에 의거하여 최소한 한 개 이상의 빔 접합을 적용할 경우에도 설정목적을 달성할 수 있다.

반도체 기판의 결함구조 및 새로운 구조적 해결책을 고려해 볼 때, 가장 좋은 방법은 다음과 같다: 결함구조를 갖는 일반적인 반도체 기판의 크기와 비교하여 기하학적으로 작은 크기로 하며, 상반되는 전류전극의 도움으로 병렬 회로에 연결되는 별개의 기본 접합에 대해서는 반도체 내 주결함을 특징짓는 기하학적 크기보다는 작게 그 크기를 적용하고, 접합 수량은 많게 하여 빔 접합을 수행한다. 별개의 기본 접합의 기하학적 크기가 작다는 말은 결함구조의 반도체 기판 내 가장 작은 크기와 비교하여 작다는 것을 의미한다. 별개의 접합 크기가 작기 때문에 결함 크기와 비교하여 크기가 큰 (접합 크기보다 큰) 것은 해당 접합 체적이나 영역에 들어갈 수 없다는 사실은 너무나 당연한 이치다.

그 외에도, 접합 크기가 기하학적으로 작기 때문에 반도체 기반 내 그 수량은 매우 많지만, 그 중 소량만 구조적 결함을 형성하게 될 것이다. 반면, 그것들 모두는 상반되는 전류전극의 도움으로 병렬 회로와 연결되기 때문에 반도체 기반의 접합에서 무결함 영역을 형성하게 될 것이다. 이는 기계 와이어(로우프, 빔)의 성분 중 하나나 집단에 결함이 있거나 약해져서 고장이 났을 때 다른 강하고 견고한 결합이 부하를 감당하고, 약하고 결함이 있는 구성성분을 차단해주는 것과 마찬가지의 이치이다.

아래에서 보는 바와 같이, 이 같은 빔 접합 구조의 장치는 반도체 기반이나 물질에서 불순물을 제거시키는 것이 아니라 단순히 결함의 영향력을 중화시킨다. 게다가, 접합의 빔 구조는 접합이나 접합 기반의 반도체 장치의 전기물리적 분해 강도를 현저하게 개선하고, 광변환 장치나 기타 반도체 장치 내 접합의 외부요인(온도, 조상 강도, 전류 부하 등)에 대한 내구성, 수명, 보장성능 시간을 몇 배나 증가시킨다.

제시된 빔 접합 구조는 매우 간단하고, 효과적이며 동급의 유사품에 비해 경제성이 뛰어나다.

전도도가 다른 두 개의 반도체 사이에서 접합이 만들어질 수 있고(p-n 접합), 반도체와 다양한 화학구조 간 접촉으로도 생성될 수 있으며(헤테로 접합), 반도체와 금속 간 접촉으로도 가능하다(쇼트키 접합). 이하 설명의 간단 명료성을 위해 접합이나 p-n 접합이라는 용어를 사용하도록 할 것이며, p-n 접합에 속한 법칙이나 현상은 헤테로 접합과 쇼트키 접합에도 적용이 가능하다. 광변환 장치와 기타 반도체 장치에 작은 크기의 P-n 빔 접합을 적용한다면 순도가 높지 않은 반도체 물질을 사용할 수 있다.

앞으로, 별첨된 도면을 인용하여 발명에 대해 자세하게 설명하도록 하겠다.

그림(도) 1 - 표준 광변환 장치(a) 내 고체 단일 접합 및 광변환 빔 장치(b) 내 빔 접합에 대한 원리적인 도식
그림(도) 2 - 표준 고체 접합(a)의 고장 및 빔 접합(b) 결함의 중립화 도식, 접합의 편재화 도식
그림(도) 3 - 견본의 단일요소(곡선 1) 구조와 다요소(곡선 2) 구조의 보장성능 시간. τ - c에서의 수명; F - 조건 단위 부하;
그림(도) 4 - 단일 고체 (선형) p-n 접합 면적 A², 기반 두께 W_b의 표준 고압 다이오드 전력 구조
그림(도) 5 - 면적 A², 기반 두께 W_b, n+p-다이오드 면적 각각이 a², N > 1인 고압 빔 다이오드 전력 구조
그림(도) 6 - n+p-다이오드 N 수량에 대한 면적 A² =1 cm², 기반 두께 W_b = 200 마이크로미터인 고압 빔 다이오드 전력의 기반 옴 저항 종속도
그림(도) 7 - 정면에 고체 단일 p-n 접합, T-형 전하 이동 궤적을 갖는 현대 표준 동종 광변환 장치 구조
그림(도) 8 - P-n 접합, r-형 전하 이동 궤적을 갖는 광변환 빔 장치
그림(도) 9 - 낙하 전력 P_fall에 대한 태양전지의 내부저항 종속도 R_int (Space - 항공우주용 표준 광변환 장치; SP-mono - Suny Power 사의 고효율 표준 광변환 장치; a4_14-7 - 광변환 빔 장치)
그림(도) 10 - 빔, 표준 요소에 대한 볼트암페어 특성 (낙하 전력 4000 - 4930 W/m², 온도 40-80℃); 40℃ - 측정시작, 80℃ - 측정 완료. a4_14-7 - 빔 요소, 흡수계수 55%, 효율 = 24-30%. Space - 항공우주용 표준, 러시아, 흡수계수 - 92%, 효율 = 8.1 10%)
그림(도) 11 - 빔 요소와 표준 요소의 전력곡선. 낙하 전력 4000 - 4930 W/m². (온도 40-80℃); 40℃ - 측정 시작, 80℃ - 측정 완료. a4_14-7 - 빔 요소, 흡수계수 55%, 효율 = 24-30%. Space 항공우주용 표준, 러시아, 흡수계수 - 92%, 효율 = 8.1 - 10%)
그림(도) 12 - 접합 면적이 큰 표준형 단일 접합 광변환 장치용 전압에 대한 전력밀도 p=f(U)의 종속도; 낙하 전력 500 MW/cm². 광변환 장치의 흡수계수 98%
그림(도) 13 - 발명에 의거한 광변환 빔 장치용 전압에 대한 전력밀도 p=f(U)의 종속도; 낙하 전력 500 MW/cm²

도면에서 1-, 2-, 3- p^- 기반, 4- p⁺ 기반, 5- n⁺ 이미터, 6- n⁺p^- 접합, 7- 이미터 영역 내 공간전하 영역의 분포, 8a- 순방향 바이어스 하에서 기반 영역 내 공간전하 영역의 분포, 8b- 역방향 바이어스 하에서 기반 영역 내 공간전하 영역의 분포, 9a- 이미터의 금속화, 9b- 기반의 금속화, 10- 결함, 11a- 작동 시작시 전류 라인, 11b- 오류 발생시 연결을 통한 전류 라인, 12- 오류 발생 후 회복존, 13- 접촉창, 14- 절연유전체, 15- p형 전도도의 반도체 기반, 16- 상반되는 타입의 전도도 기반을 갖는 전방 n+ 층 (이미터); 17- 전방 p-n+ 접합; 18- 같은 타입의 전도도 기반의 후면 초합금 p+ 층, 19- 동일 타입의 후면 p+p 접합; 20- 항반사체층; 21- 접촉창; 22- 전방의 금속화; 23- 후방의 금속화; 24- 낙하 조사; 25- 전하(전자) 운반체의 전류 라인; 25a- 금속-반도체 접촉에서 분사-재조합 된 전류; 26a- 무결함 요소, 효율=14%; 27a- 결함 요소, 효율=9.6%; 28a- 두 요소가 대형 p-n 접합 면적의 병렬 회로로 연결된 빔(전지) (26a, 27a), 효율=9%; 26b- 무결함 요소, 효율=14%; 27b- 결함 요소, 효율=5.2%; 28b- 26b, 27b 요소로 구성된 전지, 효율=15%.

본 발명에서는 빔과 스택의 기술발전 수준에 (PCT/RU 2007/000301, RU2006140882/28(044652), 최 B, 부디셉스키 U.D., 최 V.E. / 태양에너지: 현실과 전망.//러시아과학아카데미 간행물. 2007, 7권, No.1, 69-74p) 부합하게 개념을 올바르게 통일하기 위해 용어는 N 수가 > 1이며 (여기서, N - 무한대로 나아가는 자연수), 각 개별적 단일 타입 요소가 전체적으로 연결된 표면(가장자리)과 체적(간격)에서 서로 (상하적으로) 평행하게 위치하는 다요소 구조로 이해한다. 이 같은 구조의 요소는 (다시 말하면, 빔이나 스택) 반도체의 전도도 영역, p-n 접합 등에서 단일막, 단일 섬유나 전기장에서 이동하는 전하운반체를 의미한다. 빔이나 스택이 N 단일막으로 구성되어 있다면, 이 같은 다요소 구조에서는 표면(가장자리)과 간격(내부 체적) 층을 갖는 요소-막이 편평하고 평행하게 위치한다. 만약 빔이 단일 섬유 N 개 결합으로 구성되어 있다면, 이 같은 다요소 구조에서는 표면(가장자리)과 간격(내부 체적)에 위치한 요소-섬유는 (기계와이어와 유사하게) 선형적이며 평행하게 분포한다. 전기장에서 이동하는 전하운반체의 결합으로 (일반적으로 잘 알려진 어떤 결합 방법으로든지) 다요소 구조가 이루어져 있다면 N 요소로부터 우리는 좀더 종합적인 전하운반체 빔을 얻을 수 있다. 두 개의 (또는 그 이상) 상반되는 접촉이 일어나는 다요소 구조 내에서 요소가 병렬 연결되도록 만들어진 제품을 빔이라고 부른다: 빔 접합 (접합 수량 N이 >1 인 상태에서 병렬연결), 빔 레지스터 (N >1의 레지스터 막이나 섬유 요소가 병렬연결), 빔 다이오드 (공간전하 영역을 갖는 p-n 접합 수량 N이 >1 이며, 병렬 전기회로로 연결), 빔 트랜지스터 (p-n 접합 수량 N이 >1 이며, 양극 트랜지스터 기반, 컬렉터, 이미터, 드레인 영역, 원시영역, 게이트(전계효과 트랜지스터)에서 연결), 또는 동시에 이같은 제조방법을 강조하는 의미로 사용되기도 한다. 빔 반도체 장치는 (다이오드, 트랜지스터, 사이리스터, LED, 태양전지 등) 빔 다이오드, 빔 트랜지스터, 빔 사이리스터, 빔 LED, 빔 레이저, 빔 태양전지, 빔 변환기 등으로 불리며, 제조기술 자체는 빔 또는 π - 기술로 불리고, 재료와 장치는 π - 재료나 π - 장치로 불린다.

빔 내 요소에는 유기물이나 비유기물, 전하운반체, 전도도 영역, p-n 접합 등이 모두 가능하다. 막이나 섬유에는 유전체나 전도체, 반도체 등을 사용할 수 있다. 빔 효과를 달성하기 위해서는 기본적으로 빔 구성요소의 수량을 많게 하고 (N->∞), 크기는 작게 하되 미세크기로 한다, 구성요소를 나노크기 곧, 1 nm-100 nm 로 하는 것이 이상적이다.

상반되는 접촉이 병렬 회로로 연결되고 N이 무한대로 많아지게 하는 것은 본 발명에서 매우 중요하며 핵심을 이루고 있다, 따라서, 이 조건이 충족되지 않는다면 중화효과나 물질 내 결함이나 불순물의 우회효과를 기대하기 어렵다.

동일한(단일 타입) 요소라는 말은 기하학적 크기, 형태, 구성 면에서 그리고 물리적 (기계적, 자기장 등) 특성상 구조적-민감성 측면에서 물질 구조가 동일한 형태로부터 같은 방법으로 획득되었다는 의미이다.

“개별적/별개의” 또는 ‘서로가 관계가 없는’이라는 표시는 요소 간 경계가 존재하며 특이성이 존재한다는 의미이다. 공기, 중성적 환경, 유전체 등이 구분자가 될 수 있다.

위에서도 언급했듯이, 기술수준적 측면에서 접합이란 (두 개의 반도체 간, 반도체와 금속 간 접촉 또는 접합층) 광변환 장치나 반도체 장치 내 공간전하 영역을 의미하며, 구조적으로 큰 체적과 면적을 가지며, 그 안으로 극세균열, 미세균열, 매크로균열 등의 결함이 수집된다. 접합의 아주 일부분에서만 물질의 결함 영역을 만들고자 한다면 대다수의 접합을 가장 흔한 구조적 결함 하나 만을 함유할 수 있는 영역으로 만드는 것으로 충분하며, 그 같은 대다수의 접합 간 간격은 결함의 기하학적 크기 보다 크게 하도록 한다. 접합의 기하학적 크기와 접합간 간격의 크기 선택시 위의 방법으로 하면 기대하는 기술수준이 보장된다. 종합해 보면, 접합 한 개의 체적은 기반체에서 가장 흔하게 볼 수 있는 결함 타입 한 가지만을 처리할 수 있는 체적보다는 작게 해야 한다는 말이다.

이처럼, 반도체 기반의 구조적 결함이 반도체 장치에 미치는 전기물리학적, 볼트암페어적 영향력을 중화시키기 위해 본 발명에서는 접합의 크기를 작게 하고 (접합 하나가 차지하는 체적 특히 면적), 접합의 수는 현저히 증가시켰다. 반도체 장치의 기반을 이루는 반도체 기판은 일반적으로 알려진 어떤 방법을 사용해도 상관없으며 예를 들면, 불순물 합금방법과 같은 방법도 가능하며, 접합의 크기를 작고 많게 하여 N을 >> 1000로 한다(N>1, N>10, N>100, N>1000가 다 가능하나 N >> 1000 일 때가 가장 좋다), 기반의 영역에서 서로가 상관성을 가지지 않고 개별적이며 동일한 타입으로 한다. 이 같은 접합들은 빔으로 연결되며 다시 말하면, 상반되는 전류전극의 도움으로 한 개나 몇 개의 전류 병렬 회로로 연결된다, 게다가 개별적이고 기하학적으로 적은 크기의 요소들 (접합) 각각은 동일한 기능을 수행하며, M≥2 로 상반 전류 접촉 간에 위치한다. 접합요소 N 수량이 많고 기하학적 크기가 작아질수록, 결함에 대한 중화수준이 높아지기 때문에 빔 접합에서의 N 수량은 (기계 와이어와 유사) 충분히 늘리는 것이 좋다 (N= 2k, 3k, 4k, 5k,…, m, k - 자연수; N->∞).

그 외에도, 다요소 (빔) 구조를 구성하는 개별적인 단일 타입 (동일한)의 접합요소는 위에서 언급한 대로 자발적인 구성과 기하학적으로 작은 크기를 갖는다.

불순물의 합금으로 이루어진 반도체 기반의 빔 구조는 위에서도 명시했듯이 다이오드 구조 곧, N>> 1의 동일하고 개별적이며 작은 크기의 다이오드 요소로 구성된 빔 다이오드이다. 이 같이 작고 개별적인 다이오드는 전기회로 내부에서 병렬로 연결되어 있다.

접합의 기하학적 크기는 기대되는 물리적 특성에 도달할 수 있도록 작아져야 한다. 한 요소(공간전하 영역을 갖는 p-n 접합)의 영역 크기를 100,000 nm, 10,000 nm, 1000 nm 이하까지 줄일 수 있으나, p-n 접합 한 개 영역의 가로 치수는 100 nm 이하로 하는 것이 좋으며 최소한 1-100 nm 이 되도록 한다. 동시에, 한 개 접합 영역의 가로 치수는 1 nm 이상으로 (1 nm 이하인 경우 물리학적 물체는 존재하지 않는 것으로 간주되므로) 한다. 종합하면, 요소의 (p-n 접합) 크기가 작을수록 반도체 기판에서의 크기는 초순수 영역에 가까워진다.

공간전하 영역을 갖는 p-n 접합 한 개 체적이 반도체 물질 기판의 결함 구조에서 가장 흔하게 발견되는 타입 한가지의 체적보다 되도록 많이 적게 하는 방향으로 광변환 장치나 다른 반도체 장치에서 개별적인 N 접합의 수를 결정한다.

이 같은 결함이나 불순물의 체적농도를 c라고 한다면, p-n 접합을 적용하는 N 수량은 (cV)^2/3 보다 적지 않도록 한다, 여기서 V - 반도체 기반 (곧, N >> (cV)^2/3). 이 같은 경우, 공간전하 영역을 갖는 p-n 접합은 기하학적으로 작은 크기의 반도체 물질 (기반이나 기판) 영역에 위치하며, 대부분이 순수 영역이나 초순수 영역, 또는 클러스터에 해당한다.

다른 한편으로, 반도체 물질 내 결함이나 불순물의 수량으로부터 가장 이상적인 N 개수를 계산하여 수행하는 방법이 또한 존재한다. 결함이나 불순물의 체적농도를 c라고 한다면, 결함 한 개에 대한 체적은 1/c에 해당한다. 개별적인 접합이 수행되는 반도체 기판의 작동 표면적을 S라 하고, (광변환 장치의 경우 이 값은 광수신부의 표면적에 해당한다), p-n 접합의 폭을 h라고 한다면, 표면적에서의 p-n 접합 수는 N=N_p=Shck 보다 적을 수 없다 (여기서 k=2, 3,…, k_m, k_m = 1/cv_a, v_a - 재료의 원자 부피). 이 같은 경우, 개별적이고 작은 p-n 접합은 기하학적으로 작은 크기의 반도체 물질의 영역에 존재하며, Shc(k-1)에 해당하는 반도체 물질 영역의 대부분은 순수 영역, 초순수 영역이나 클러스터에 해당한다. 예를 들면, 구조적 결함이 불순물에 해당한다면, 순도 0.99의 경우, 원자부피 v_a = 10^-28 m³, 1/c =10^-26 m³이다. S=10^-2 m², h=10^-6 m의 경우, N=N_p=Shck=10¹⁸k이다.

그 외에도, p-n 접합 수 N (N>>1)이 크다면 나머지 적은 부분은 무결함 수에 대한 p-n 접합 결함의 수가 될 것이며, 1/(k-1)에 해당한다. 그러나 사용 과정에서 그 같은 결함은 전기회로에서 병렬 연결되는 p-n 접합의 성능으로 만회될 것이다. 이 같은 다요소적 빔 구조의 광변환 장치는 개별적이며 동일한 요소들 대부분이 병렬로 작동하는 시스템이며, 요소의 개별 집단은 동일한 작동 특성을 갖는다. 대수법칙에 따르면, 이 같은 광변환 장치의 종합적 작동특성은 내구력이 뛰어나다는 점이다.

빔 구조에서 (다요소) 공간전자 영역을 갖는 p-n 접합이 이전에는 기술적으로 성능을 발휘하지 못했을 지라도, 또는 어떤 요소 예를 들면 전류 부하나 방사선 부하와 같은 영향으로 고장이 발생하였다면, 이제는 구조 내 전류를 재분배하고, 수량적으로 나머지를 차지하는 대부분의 p-n 접합이 부하와 제품을 커버하여 성능이 개선되었다.

다요소 빔 구조의 광변환 장치에서 획득되는 전류 강도 i는 p-n 접합의 병렬연결 전력 곧, 모든 전류의 합 i=i₁ + i₂ + … + i_Np (N_p>>1)에 해당한다. 이 합에서 더해지는 각각의 항은 확률변수로서 전류 분배에 있어 다른 전류와 동일한 기능을 하며, 산술적 기대치는 i₀, 확산성은 σ²이다. 중심극한정리에 따르면, 확률변수 i는 정규분포를 갖는다. 따라서 i값에 대한 신뢰확률 0.99는 다음과 같은 신뢰구간

에 위치하게 된다. 이처럼, 작동 p-n 접합의 수 N_p가 커지면 (N_p>>1), 전류 강도 i는 N_pi₀와 같아지며, 이는 곧, 통계적으로 안정하다고 볼 수 있다.

광변환 빔 장치나 빔 구조의 다이오드에서 개별적 p-n 접합의 수 N이 매우 커지므로 이 같은 변환기에서의 전체 전류 i는 전기회로의 병렬성으로 인해 개별적이며 기하학적으로 작은 크기의 접합으로 재분배된다 (전위된다).

이처럼, 편재된 개별적이며 동일한 p-n 접합의 수가 커지면 광변환 장치에 예상치 못했던 현상이 발생한다: 비편재화(Delocalization) 현상이나 “스위치 효과” 발생, 다시 말하면, 빔효과 역행현상이 발생한다 (본문 아래 빔효과 참조). 각각의 개별적 소형 p-n 접합으로 “스위치 효과”가 발생한 결과 광전류 i_N 의 통과율이 i보다 현저히 떨어지게 된다 (i>>i_N), 게다가 N->∞ 하에서 p-n 접합에서의 전류 i_N -> δ이 되며, 여기서 δ - 무한대로 작은 값이 된다. 결과적으로, 기하학적으로 작은 크기의 p-n 접합이나 접합 집단이 결함 위험영역이 되면, 이 결함은 우회가 불가능할 뿐만 아니라 위험하지도 않게 된다 (그림 1, 2).

p-n 접합이 매우 작은 크기로 작아진 만큼 접합 면적의 감소로 말미암아 역방향 포화전류도 동시에 현저히 줄어든다.

발명자의 빔 구조 계산에서 (그림 3 참조) 보여주듯이, 광변환 빔 장치는 매우 내구성이 뛰어나고, 수명이 길며, 표준 1 접합 광변환 장치에 비해 보장성능 시간이 적어도 2배는 개선된다. 이는 각각의 작동 p-n 접합이 무결함 영역이나 전기적으로 불활성화 된 결함 영역에서 작동하므로 고장이 나는 p-n 접합이 소량에 불과하고 대부분의 접합들의 수 N_p에서는 전체적인 구조로 볼 때 성능을 보존하기 때문에 각각의 작동 p-n 접합이 내구성 τ_i을 유지하기 때문인 것으로 추정된다. 다요소 광변환 장치의 평균 내구성 τ

C_kτ_c, 여기서, τ_c - 다요소 광변환 장치의 개별 p-n 접합의 평균 내구성, C_k=N_k/N_p, N_k 다요소 광변환 장치의 성능을 잃어버린 고장 p-n 접합의 수 (N_k<<N_p). 오차의 제곱 평균 제곱근(표준 오차)은

이다. τ_c 값은

으로 계산되고, 여기서, P_i - 내구성 τ_i를 갖는 p-n 접합의 비율, n_T - 내구성 τ_i를 갖는 p-n 접합 집단수이다. τ_c >> τ₀ (τ_{0 -} 1 접합 광변환 장치의 내구성) 이므로, 다요소 광변환 장치의 평균 내구성 τ은 1 접합 광변환 장치의 평균 내구성보다 훨씬 뛰어나며, 이는 다시 말하면 τ>>τ₀ 이다. 만약 다요소 광변환 장치를 모든 p-n 접합이 고장날 때까지 사용한다면, 평균 내구성은

이다.

검토한 바와 같이, 다요소 (빔) 광변환 장치의 평균 내구성은 구성요소인 p-n 접합 각각에 대한 평균 내구성보다 내구성이 더 뛰어나며, 다요소 광변환 장치의 내구성 값의 분산이 작을수록 장치는 더 많은 요소들로 구성되어 있다. 따라서, 다요소 광변환 장치의 보장작동 시간은 1 요소 장치에 비해 예상하기 어려울 정도로 현저히 늘어난다 (그림 3 참조).

상기 명시한 반도체 물질 (기판, 기반) 내 결함의 중화방법은 각각의 개별적이며 작은 크기의 p-n 접합을 적용함으로 기술수준에서 순도를 높이는 것과 같은 효과를 가져오나 반면, 물질(재료)의 체적에서 순화(제거)의 과정을 거치지 않는다는 장점이 있다.

그 외 반도체 물질에서 구조적 결함을 야기시키는 이물질, 불순물의 제거방법 (헤테로방법) 및 결함 복합체를 전기적 활성에서 불활성화 시키는 방법들도 있지만, 이 같은 방법들은 제안된 방법에 비해 고가이다.

순도에 따른 실리콘 가격을 검토해 보면, 순도 99.9999의 실리콘을 사용하는 대신 순도 99.99의 실리콘을 사용한다면, 광변환 장치의 기판 가격은 대략 2배 정도 저렴해진다.

그 외에도, 순도를 높이는 대신 사용되는 방법에는 견본의 기하학적 크기를 감소시키는 방법이 있는데, 예를 들면, 변환기가 위치하게 될 기판의 폭을 감소시킬 수 있다. 반도체 기판에서 물리기계적, 전기물리적 측면에서 재료의 품질을 저하시키는 가장 위협적인 결함인 매크로결함을 중화시키거나 제거하기 위해서는 기판의 폭을 매크로결함의 가로 치수보다 작게 해야 한다. 이런 경우, 제3의 결함 집단이며 동시에 가장 위협적인 크기 1000-10,000 nm (또는 그 이상)의 매크로결함을 제거할 수 있게 된다.

실험통계 결과, 재료 두께를 50,000-60,000 nm (50-60 마이크로미터) 이하로 줄인다면, 결함이 고도의 특성을 통과해야 하기 때문에 특수한 물리적 성질을 띄게 된다. 이 같은 상태에서 물질은 고도의 물리적 성질 특히 기계적, 전기적 측면에서 고도의 내구성을 획득하게 된다. 이 같은 상태에서 (50-60 마이크로, μ 이하의 두께) 보통의 다결정 실리콘은 탄력이 생기고 내구력이 향상된다. 박막의 반도체 기반을 공간전하 영역을 갖는 동일하고 개별적이며 작은 (극세균열, 미세균열보다 작은) p-n 접합으로 채우고 이후 병렬 회로로 연결하면, 순도를 높이는 것과 동일한 효과를 발생시킬 수 있다. 광변환 장치를 박막 기반의 반도체로 설계하면 최소한 1배 이상 내구성을 개선할 수 있다.

발명가가 제안한 빔 접합 구조는 광변환 장치와 여타 반도체 장치의 제조시 (예를 들면, 전력 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터 등) 면적을 크게 해야 하며, 기반 물질(재료)은 결함률이 높은 것을 사용해도 괜찮다. 아래는 구체적인 사례이다.

사례 1.

선형 p-n 접합이라 불리는 고체 면적 A² 값이 큰 고압 표준 실리콘 다이오드 및 동일한 결함면적을 갖는 기판에서 각각의 다이오드들이 N>1이며 전류적으로 한 곳에서 연결되는 빔 다이오드의 구조와 작동을 살펴보자.

그림 4에 제시된 고체 다이오드의 구조에서 기반 저항 R은 비저항 P, 두께 W_b, 면적 A²에 좌우되며, 수식 R_b=p·W_b/A²으로 계산된다 (크루짜코바 M.G., 차르코프 N.A., 유딘 V.V. / 반도체 장치, 기본원리 및 설계. M: 무선통신, 1983, 3940p). 기반 두께 W_b 및 합금 정도는, 최대 고장전압을 고장전압의 1.5-2배로 하여 전압을 높였을 때 지지층 내 최대 전압 값에서 재료의 당량적 불연속이 이루어지는 값을 취한다, 다시 말하면, 다시 되돌릴 수 없도록 망가지게 하는 값을 취한다.

예를 들면, 고장전압 100 V 렉티파이어 다이오드 (rectifier diode)에서 기반의 비저항은 2.5 Ω·cm, 공간전하 영역은 8.6 마이크로미터 이어야 하며, 기판의 기계적 내구력을 고려하여 두께는 200250 마이크로미터로 한다. 순방향 바이어스 하에서 기반의 영역 내 전압 강하를 보장하기 위해 2030 마이크로미터 깊이에서 주rh 받게 불순물의 고온 확산을 수행하며, 렉티파이어 다이오드의 기반 비합금체 두께 W는 대략 150200 마이크로미터로 한다.

다이오드 면적 A²=1 cm²으로 하는 경우, 기반의 옴 저항 R_bo=0.5 Ω이다. 전류가 최대 허용한계 100A까지 증가할 때 기반의 전도도 모듈화를 고려하여 고수준의 인젝션 하에서 저항은 0.014 Ω이다. 표준모드 순방향 바이어스 하에서 가열시 다이오드에서 방출되는 전력은 140W 이다.

고압과 전류를 동시에 적용할 때 다이오드 접합은 개방에서 폐쇄로 전환된다, 다시 말하면, 모듈화 된 저항에서 비모듈화 된 저항으로 전환된다. 이때, 임펄스 전원은 통계적으로 몇 배 증가하여 결함 영역에서 국소적 과열을 야기시킨다.

폐쇄된 상태에서 결함은 전류를 생성하고 최대허용전압이 낮아져 위험 영역으로 바뀐다. 검토된 모든 경우에서 결함 영역에서의 전류밀도는 (그림 4 라인 11a) 기타 다이오드 영역에서 보다 높게 나타났다.

회로적 다회성의 영향을 적용한 결과 공간전하 영역이 결함 영역을 통과하게 되어 (공간전하 영역 경계선 8b -> 그림 4, 8a) 결함이 “변동한다”, 외부에서는 역방향 전류가 선형적으로 증가하고 작동시간과 열분해가 늘어난다. 이후 결함 10에 따른 고장이 야기된다. 고체 이미터 3의 전도도가 높은 비제한적 전류는 영역 12에서 실리콘을 녹여버리면서 결함 영역에서 편재화를 야기시킨다 (그림 4의 11b 라인).

그림 5에서와 같이 N>1인 개별적 다이오드 5로 구성된 구조에서 이미터에 들어오는 전류 흐름의 조건을 준수한 상태에서 선형 크기를 기반 두께 W_b보다 3배 줄였을 때, 기반 저항은 두께에 비종속적이 되며, 기반의 비저항 및 접합 면적에만 종속적이 된다, 수식 R= p/2 A^1/2.

실리콘의 설정된 Ω에 대해 이미터 5 구성요소의 크기가 a=10x10 μm² (10^-6 cm²) 일 때, 기반으로 흐르는 전류의 옴 저항은 r_bo=1250 Ω이다. 요소들 N을 전류 유닛에서 병렬로 연결할 경우, 그림 6에서 보는 바와 같이 저항 총합이 감소한다.

크기가 10x10 μm² 인 개별적인 다이오드 요소들을 간격 90 미이크로미터의 다이에 위치하게 하면, 면적 1x1 cm² 의 다이에 대략 14400개를 놓을 수 있다. 전류 유닛에 병렬로 연결함으로 저항 R_do < 0.085 Ω의 빔 다이오드를 만들 수 있고, 고체 다이오드 기반의 옴 저항보다는 5.5배나 낮은 저항을 설계할 수 있다. 기반 전도도에 대하여 모듈화 수준을 동일하게 하였을 때 저항은 0.0024 Ω이다.

통계 모드와 역동 모드에서 빔 다이오드를 가열하면 동일한 전환시간 하에서라도 고체 이미터 다이오드 보다는 빔 다이오드 기반의 옴 저항은 몇 배 감소한다.

다이오드를 직접 켜거나 전환시킬 때, 이 두 경우 모두에서 결함 영역에서의 전류밀도는 고저항으로 제한 받고, 다이오드를 공간적으로 이동시켜 공간전하 영역에 역방향 바이어스를 주었을 때에는 부분적으로만 다이오드에 영향을 미친다.

선형 접합의 장벽용량은 면적에 비례하며 C_bar~Spn=S_d이다. 빔 다이오드의 장벽용량은 이미터의 바닥과 측면 구성요소로 결정되나, Mesa-이미터의 경우에는 바닥의 구성요소 만을 이용한다. 검토대상의 경우, 용량은 면적과의 비율이 Spn/S_d=0.0144 이다. 장벽용량과 관련하여 폐쇄상태에서 개방상태로의 전환시간은 RC로 계산되며, 양쪽 요소 중 작은 값으로 회로에 전력을 공급함으로 전방의 갑작스런 전환을 보장해 주고, 결과적으로 결함에 대한 임펄스의 영향을 더 짧게 해준다.

다이오드 전방이 개방상태에서 폐쇄상태로 전환되는 것은 기반에 축적된 전하의 재조합 속도로 알 수 있다. 완화시간은 소수전하운반체의 수명으로 결정된다: 수명이 작을 수록, 완화시간이 낮고 지지전방은 높아진다. 수명을 조절하는 방법은 다양한데 예를 들면, 금의 확산이나 조사와 같은 방법들이 사용된다. 두 가지 경우 모두, 전하운반체의 확산거리 손실이 일어나며 이는 달리 말하면 운반체의 직접 작동 모드에서 주입된 양이 감소하게 되는 것을 의미하며, 결과적으로 직경 저항이 커지고 On 버튼을 누를 때 다이오드에 공급되는 전력이 증가한다는 말이다.

고체 접합의 선형 다이오드에서는 기반의 모든 표면과 체적이 수명을 단축시키는 요소의 영향을 받게 된다. 이러한 영향은 재조합을 야기시키며 결함을 활성화시킨다.

흐름 메커니즘, 빔 다이오드 내 전류 흐름, 재조합 유입을 활성 영역 외부에서 실현할 수 있다. 기반에 축적된 전하의 완화는 소수전환체의 확산 길이 값의 제한을 받아 좁은 영역에서 일어난다.

다이오드 고장의 대부분이 전환시에 발생한다는 점을 고려하여 한꺼번에 큰 전류가 흐를 때 임시적 요인을 도입할 수 있다. 내용의 핵심은 아래와 같다.

각 결함이 내구성에 미치는 영향은 수식 I·U·Δt로 표시할 수 있으며, 여기서 I·U - 임펄스 최소전력, Δt - 한 개의 임펄스가 결함을 파괴하는데 드는 최소시간이다. m=Δt/t, 여기서 t=t_on+t_off는 On, Off 시간의 합으로 공간전하 영역이 결함을 교차하는 회로수로 결정되며, 이 회로수는 결함이 제거되기까지 견디는 능력이다. I·U·Δt가 크고 t가 작을수록, 결함의 수명이 커지고 결과적으로 다이오드 내구성이 증가한다.

위에서 설명한 바와 같이, 빔 다이오드는 모든 조건을 만족한다. p-n 접합 및 전류 라인의 편재화는 결함이 활성 영역에 존재하도록 할 가능성을 감소시키고, 각 요소의 흐름에 대한 저항이 커서 병렬적 전류 유닛을 구성하는 요소의 총합적 측면에서 전류를 고르게 한다, 곧, 결함 영역을 통해 전류를 제한한다는 의미이다. 게다가, 결함에 의해 각 요소에 고장이 발생하였을 지라도 국소적 요소를 통과하는 전류가 저항으로 제한되고 요소 자체는 다른 요소와 관계가 없기 때문에 결함 주위 영역의 파괴로 이어지지 않는다.

이런 관점에서 보면, 요소간 전류와 잠재력을 고르게 분배할 필요가 있으며, 이는 달리 말하면, 요소는 동일한 것이어야 하며 요인들은 동일한 타입의 것이어야 한다는 말이다. 실제로 이를 실현하는 것이 불가능할 때가 있지만, 적어도 이 원리를 위반(각 요소들이 변수별 평균값에서 크게 차이가 나는 경우)하지 않는 편이 좋다, 만약 이를 위반한다면 장치의 내구성이 저하된다. 예를 들면, 요소의 면적이 다르면 임시요인은 큰 면적을 갖는 요소 총합으로 결정되고 면적이 커질수록 임시요인의 영향은 작아진다.

빔 요소의 역학특성이 선형적 역학특성보다 크다면, m=Δt/t는 증가하게 된다. 그 결과, 빔 다이오드의 내구성은 단일 접합 선형 다이오드의 내구성보다 커지게 된다.

이처럼, 결함이나 불순물에 대한 순도가 높지 않은 기판에 기하학적으로 작은 (D->δ. δ - 무한대로 작은 크기로 나노 크기이면 더 좋다) 개별적 p-n 접합을 다수로 (N->∞) 적용한다면, p-n 접합의 작은 크기로 인해 결함은 저지되거나 또는 위험성을 상실하게 된다.

p-n 접합의 크기가 작기 때문에 결함과 마주칠 확률이 낮아진다. 다른 한편으로, p-n접합이 작고, 개별적이며 그들 간에 주결함을 일으키는 크기보다 더 큰 가로 치수 간격이 있기 때문에 이같이 크기가 큰 결함은 p-n 접합이나 그 주위의 전도도 영역의 공간전하 영역에 위치하지 못한다. 따라서 p-n 접합의 수가 증가하고 크기가 작아질수록 (주결함의 크기보다 작게 하는 것이 좋다) 결함을 저지하는데 있어 효과적이며 내구성이 개선된다. 그 외에도, 일부가 결함이나 불순물로 저지되었다 해도 빔 구조 변환기의 나머지 접합 부위의 성능에는 이상이 없으며, 모든 부하를 감당할 수 있다.

접합의 요소를 반도체 내 주결함 보다 작게 하고 수량 N은 >> cV^{2 /3}으로 하며, 이 요소들이 반도체 장치 내부 회로에서 상반되는 전류전극의 도움으로 병렬 회로로 연결되는 빔 접합 구조는 결함의 중화, 내구성의 개선, 보장성능 시간의 증가는 물론이며 전기적 물성이 조사강도, 전류 부하, 온도 등과 같은 외부 요인에 의해 영향받지 않도록 해준다.

접합의 크기를 작게 하고 빔 구조로 연결하면 위에서 언급한 것 이상의 예기치 못한 효과를 볼 수 있다: 광변환 장치의 내열성 개선, 농축 조사에 대한 내구성 향상, 볼트암페어적 특성의 분해 저항성 개선, 단락전류 및 무부하 전압 값의 증가.

빔 접합 구조는 기하학적으로 작은 p-n 접합이 N 수량 중 선택될 수 있는 확률이다. 정적 선택이나 빔에서는 산술적 대수법칙의 원리에 따라 물리적 성질의 분산과 확산이 일어나고, 빔 내 N 수량이 많을수록 확산은 적고, 물리적 값의 안정성은 높아진다. 빔 내 요소의 크기가 작을수록, 곧, p-n 접합의 편재화 정도가 높을수록 빔의 효과가 명확해진다 (상반되는 접촉을 갖는 소형 빔 내 물리적 물체가 초극세 값이나 초강력의 상태가 된 다요소의 물리적 성질 요인 (최, 카르타쇼프, 쉐벨로프. / 요소의 수적 변화에 따른 다요소 구조의 폴리머 및 고체의 물리적 성질 변화 법칙. 모스크바. 졸업논문 No. 207, 18.06.2002, per No. 245. / 물리적 물체의 크기적 다요소 효과 (최카르타쇼프쉐벨로프 효과). 모스크바. 졸업논문 No. 243, 16.12.2003. Per. No.287).

무결함 요소의 빔 내부에 N 수량을 증가시킴으로 정적 빔(static beam) 내부의 결함적 요소가 중화되거나 우회된다. 빔 요소를 작게 하여 무결함의 크기적 요인을 강하게 하면 물리적 성질이 강해진다. 따라서 빔 (끈, 실, 로우프) 내부에서 결합된 기하학적으로 작은 요소들는 (예를 들면, 천연의 얇은 비단 섬유) 내구성이 높아지고, 이런 연유로 사람들은 몇 천년을 거쳐 실상에서 이 같은 원리를 이용하고 있다. 광변환 장치의 경우, 단락전류와 무부하 전압 값이 높다면 내구성, 내열성, 조사나 전류 강도에 대한 저항성이 증가된다.

얇은 요소로 구성된 정적 빔에서 다요소의 크기적 요인을 강화시키면 물리적 성질이 매우 강해지는 효과가 발생한다.

크기가 큰 접합들로 이루어진 빔에서는 빔(강화) 효과가 발생하지 않는다 (광전기 변환기와 전지에 대한 아래 설명 참조).

대형의 고체 단일 p-n 접합의 표준 광변환 장치를 개별적인 광변환 빔 장치로 바꾸면, 한편으로 p-n 접합과 접촉의 편재화가 발생하여 광 잠재력이 증가하고, 다른 한편으로 소형의 p-n 접합에서 전류 i와 열 Q의 재분배(비편재화)가 발생한다 (Q 열 방출과 배출 수치).

전류 및 다른 에너지 부하에 대한 비편재화 효과는 (달리 표현하면 “스위치 효과”) 고밀도 전류를 (또는 다른 에너지 부하) 광변환 장치나 반도체 장치에 통과시킬 때 발생한다. 게다가, 접합 수 N이 많아질수록 그 기하학적 크기는 줄어들고 편재화 수준은 높아지며 전류, 빛, 온도나 다른 기계적, 에너지적 부하에 대한 변환기의 내구성은 강해진다.

이처럼, 개별적이며 동일한 그러면서도 작은 크기의 p-n 접합에서 전류, 열방출, 열배출의 비편재화 과정은 광변환 장치의 내열성, 높은 조사량에 대한 내구성을 증가시키며, 이는 곧 농축된 낙하 조사와 기타 외부 요인에 대한 내구성의 증가도 의미한다. 접합 수 N을 최대한 늘린 상태에서 (무한대 ∞에 가깝게 하고자 노력), 기하학적으로 작은 크기의 개별적 p-n 접합 1개에서 발생하는 전류와 열 효과는 영(zero)에 근접한다 (i_N > 0, Q_N > 0). 전류 i와 열 Q의 비편재화 경향으로 인해 빔 구조를 이용하여 접합의 한 지점 및 점적 접촉에서의 편재화를 야기시킬 때 전류와 열의 비율은 표준 광변환 장치나 기타 반도체 장치의 전류밀도보다 몇 십 배에서 몇 백 배까지 증가한다.

단일 접합의 고체 구조에서 개별적인 빔(다요소) 구조로 변경할 때, 스위치 효과 다시 말하면, 비편재화 과정, 전류와 에너지의 재분배가 일어나 단파 전자기장 조사를 위한 “광학창”이 개방되고 전하이동궤적이 T형(기존의 고체 표준 광변환 장치)에서 r형으로 변한다, 이는 다시 말하면, 광변환 장치의 직렬 내부 저항에 해당하는 층저항이 제거된다는 의미이다 (그림 7, 8 참조). 궤적의 r형으로의 변화와 빔 접합 구조로 말미암아 전하 수명이 매우 짧아진 반도체 물질을 사용할 수 있게 되었다.

낙하 조사력을 달리하여 표준 견본과 실험용 광변환 빔 장치를 실험한 결과는 제안된 발명의 원리에 근거가 있음을 입증해 주고 있다 (그림 9 참조). 그림 9에서 보듯이, 공업용 시리즈 생산시설로 제조된 광변환 빔 장치의 내부 저항은 항공우주용 (러시아) 표준 장치 및 Suny Power사의 (미국) 고효율 광변환 장치보다도 더 낮았다.

동시에, 층저항의 제거로 (p-n 접합의 수가 늘고 그 면적이 적어져서) 포화전류, 출력 광전류가 현저히 감소하였고, 결과적으로 강도 특성이 증가하였다 (그림 10, 11). 전류와 열의 비편재화 효과 (스위치 효과), 단일 접합 고체 p-n 접합의 표준 광변환 장치에서 볼트암페어적 특성이 제거된 경우에라도 광변환 빔 장치의 낮은 내부 저항으로 말미암아 고도의 조사량(농축된 낙하 조사) 하에서 사용이 가능하다 (그림 10 참조).

광변환 빔 장치 발명의 핵심 포인트는 빔 구조 내에서 빔효과 발생 달리 말하면 물리적 성질의 강화효과 이다. 이 같은 효과는 한 개의 p-n 접합의 체적을 기판에서 주결함을 야기시키는 한가지 타입의 체적보다 작게 (매우 작게 하는 경우가 더욱 추천할 만하다) 하고, 수량은 N >> cV^{2 /3} 개로 설계한 개별적 접합 요소들이 병렬 전기회로로 연결 됨으로 실현된다.

예를 들어, 편평한 다이오드 내 p-n 접합이 원형이라면, 선형 가로 치수 I_n 은 매크로균열의 가로 치수 보다 작아야 한다 (I_n < L_makt), 또는 I_n 은 미세균열의 가로 치수 보다 작아야 한다 (I_n < L_mt), 가장 권장할 만한 경우는 선형 치수 I_n 이 극세균열과 같거나 작은 경우이다 (I_n < L_smT).

그 외에도, I_n = L_makt 또는 I_n = L_mt의 경우도 존재한다. 접합-요소가 동일하다면 사각형, 다각형, 원형 등이 모두 가능하다. p-n 접합의 기하학적 크기를 위한 조건 I_n < L은 반도체 물질의 순도에 좌우된다. 재료의 순도가 높다면 p-n 접합의 크기는 크더라도 무관하다, 곧, 이 같은 경우에는 I_n < L_makt 를 적용할 수 있으며 접합의 선형 크기는 매크로균열의 가로 치수나 결함체보다 작게 하면 된다. p-n 접합의 결함에서 자유로운 p-n 접합의 수 N은 반드시 cV^{2 /3} 값보다 매우 커야 하며, 곧, N>> cV^{2 /3} 수식이 성립되어야 하고, 여기서 V - 반도체 물질의 체적, c - 결함 농도이다.

종합하면, 기하학적 크기의 감소 (한 개 접합의 면적 또는 체적) 및 빔 접합-요소의 수량 증가는 반도체 물질 내 결함을 중화시키고 광변환 빔 장치의 모든 물리적 성질을 강화시킨다 (생성 전하 수명의 증가, 전류, 열, 광부하에 대한 내구성 개선 등). 따라서 p-n 접합의 크기는 극세균열 체적(또는 가로 치수) 보다 작거나 동일하게 하는 것이 좋다, 곧, p-n 접합 영역 한 개의 크기는 최대 1100 nm를 초과하지 않도록 한다.

광변환 빔 장치 내 개별적 p-n 접합 간 간격은 생성된 소수전하운반체의 확산 길이와 함께 측정하여야 하며, p-n 접합이 결함이나 불순물과 만날 수 있는 확률을 감소시키기 위해 적어도 결함의 주위험 영역의 가로 치수 보다는 커야 한다 (많이 클수록 좋다).

기하학적 대형 요소들의 결합시 광변환 장치 물질의 구조 내에 대형 결함이 존재하기 때문에 강화(빔) 효과는 발생하지 않는다. 발원 신청한 제안이 정말로 효과적인지에 대해서는 이하 실험용 광변환 빔 장치의 구체적인 사례를 통해 입증해 보도록 하겠다. 광변환 장치 견본은 공업용 시리즈 생산 설비 조건으로 제조하였다 (반도체 실리콘 플레이트 KDB-12 (100), 방향 100 +/- 0.5의 두께 440 마이크로미터, 비저항 9.6 - 14.4 Ω·cm, 흡수계수 45%).

사례2 .

그림 13의 사례를 위해, 두 개의 표준 고체 단일 접합 광변환 장치의 p-n 접합 면적을 크게 하였다 (4 cm²). 표준 요소가 빔 (병렬 회로)에서 연결될 때 출력 대 중량비(powertoweight ratio) 총합은 70 MW/cm², 48 MW/cm²에서 45 MW/cm²까지 감소하였다; 이 두 요소의 효율은 14%, 9.6% 였으나 요소들을 연결한 후에는 효율이 9%가 되었다. 결과적으로, 두 개의 태양 요소가 병렬로 연결되어 있으며 큰 면적의 p-n 접합을 갖는 전지나 모듈에 수집할 경우, 출력 대 중량비 총합은 각각의 요소에 대한 출력 대 중량비보다 작아졌고, 효율은 9%까지 감소하였다. 이는 매우 중요한 사실로 전지에 실제 적용할 경우 (효율을 떨어뜨리고 싶지 않다면) 반드시 동일한 요소들을 반드시 병렬 연결로 해야 함을 보여준다고 볼 수 있다. 본 발명에 의거한 광변환 빔 장치의 경우에는 그 결과가 매우 달랐다.

광변환 빔 장치는 발명에 따르면 N >>1, 개별적이며 동일한 p-n 접합 크기가 기하학적으로 작고 내부 회로에 병렬로 연결되어야 하며 상반되는 전류 접촉도체의 도움으로 한 개나 몇 개의 전류 유닛을 만들도록 되어 있다. 대수법칙에 따르면 접합수 N을 무한대로 하고 (N - 자연수이며, 1 보다 매우 많게 하되, N >> 1000, 10,000, 100,000, 1,000,000, 1,000,000,000, …, m, N 수량을 증가시킬수록 광변환 장치 내 강화효과가 개선된다), 공간전하 영역을 갖는 개별적이며 동일한 p-n 접합의 크기를 반도체 기반에서 주요 위험인자가 되는 매크로균열의 체적(가로 치수) 보다 작게 하되, 미세균열이나 극세균열 보다 작게 하는 것이 좋으며, 상반되는 전류전극 사이에 위치하도록 하고 M ≥ 2가 되도록 한다.

실제에서는 광변환 장치 p-n 접합의 수 N을 늘리고 그 크기를 작게 할수록 빔효과가 강화되고 광변환 장치의 전기적 성질이 개선된다.

제안한 광변환 장치에서 전기적 성질의 강화효과가 나타난 사실은 그림 13을 참조한다, 여기서 실리콘 빔 광변환 장치의 접합수 N = 300,000, 한 개의 사각형 p-n 접합 면적은 16 ²이다. 상반되는 전류전극 간에 병렬로 연결되어 있는 두 개의 다른 빔 요소로부터 전지 형태로 수집된 각각의 정보들을 제공하였다. 전지나 모듈로 요소의 수집시 직렬이나 병렬 연결 모두를 사용하였다.

그림 13에는 무결함, 결함 요소 정보 및 병렬 회로로 연결된 전지에서 만나는 두 개 요소 정보를 표시하였다. 이 도면에서 알 수 있듯이, 결함 견본은 전지에서 중화되지 않았다. 전지에서는 예상치 못한 효과가 발생하였다: 출력 대 중량비 총합 및 효율이 각각의 개별적인 요소 전력보다 상승하였다. 각각의 개별적 요소들의 전력은 26 mW/cm², 70 mW/cm² 였고, 효율은 5.2%, 14% 였으며, 전지로 연결한 후 출력 대 중량비는 75 mW/cm²이 되었고, 효율은 15% 상승하였다.

결과적으로, 전지로 연결되는 요소들의 출력 대 중량비 총합은 무결함 요소보다도 높게 나타났다. 빔 전지에서의 출력 대 중량비 총합은 수치가 가장 높은 무결함 요소의 출력 대 중량비 값보다 높았다. 종합해 보면, 광변환 빔 장치 전지 내 효율 총합은 개별 요소들의 효율과 비교하여 증가하였다. 이는 실용화에 있어 매우 중요한 결과이다.

전지 내 결함, 무결함 요소들의 행동은 위에서 이미 언급한 바와 같이, 광변환 빔 장치에서 p-n 접합의 수 N을 증가시키고, 크기를 작게 하며 (접합의 편재화), 광전류 및 열의 비편재화 과정을 통해 위험을 차단하거나 우회시킨다. 그 외에도, 광변환 빔 장치 전지 내 내부 저항이 감소하여 저항으로 말미암은 손실이 감소하며, 따라서 빔 전지의 효율이 증가한다. 내부저항의 감소는 수많은 소형의 동일 타입 p-n 접합이 병렬 연결되고, 병렬 회로 내 저항 총합이 감소한 것에 기인하며 (그림 6 참조), 그 외에도 저항 분산의 증가에서도 원인을 찾을 수 있다. 실험 결과, 접합의 크기가 작을수록 p-n 접합 저항의 통계분산은 더 자주 관찰되었다. 실험에서도 알 수 있듯이, 소형 접합의 수량을 늘림으로 여러 값 중 하나는 영(zero)에 근접한다. 이 같은 접합들을 빔으로 연결하거나 병렬 회로로 연결하면, 이 같은 빔의 저항 총합은 가장 작은 수치보다도 더 작아진다, 곧, 그 값은 영에 근접한다. p-n 접합의 내부 저항에 따른 손실은 감소하고, 수많은 빔 요소로 구성된 전지의 효율은 증가한다.

Claims (7)

1. 반도체 기판 내 빔 접합 제조 방법으로서,
   개별적 접합 수 N > 1로 하고, 접합들은 전류전극을 이용하여 병렬 회로로 연결하며, 동일한 개별적 접합 체적은 반도체 기반에서 주결함을 야기시키는 체적보다 작고,
   접합 수 N ≥ Shck이며, 여기서 S는 접합을 형성하는 반도체 기판의 작동 표면적이고, h는 p-n 접합의 폭이고, c는 결함이나 불순물의 체적 농도이고, k = 2, 3,..., k_m이고, k_m = 1/cv_a이고, v_a는 재료의 원자 부피이며, 1/c는 결함 한 개에 대한 체적인,
   반도체 기판 내 빔 접합 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   개별적이며 동일한 접합 간 간격이 반도체 기반 내 주위험 가로 치수보다 큰, 반도체 기판 내 빔 접합 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   개별적이며 동일한 접합 간 간격이 확산 길이의 2배 보다는 작은, 반도체 기판 내 빔 접합 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   접합 수 N ≥ (cV)^{2/ 3} 이며, 여기서 c는 결함의 체적 농도이고, V는 반도체 기반의 체적인, 반도체 기판 내 빔 접합 제조 방법.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
   기판의 두께가 60 마이크로미터 이하인, 반도체 기판 내 빔 접합 제조 방법.
7. 제1항, 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의한 반도체 기판에 적어도 한 개의 빔 접합을 포함하고 있는 전자기파 빔 변환기.

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