KR20160098915A - 수직형 베타전지 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

수직형 베타전지 구조체 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 형 기판, 상기 제1형 기판에 형성된 제1 형 전극 및 상기 제1형 기판에 트렌치 구조로 형성된 제2 형 전극을 포함하되, 상기 제1형 기판과 상기 제1 형 전극간 PN 접합에 의해 수직으로 형성된 공핍층에 방사선이 입사되는 수직형 베타전지 구조체가 제공된다.

Description

수직형 베타전지 구조체 및 그 제조방법{Vertical beta voltaic battery structure and method of manufacturing thereof}
본 발명은 동위원소전지에 관한 것으로, 상세하게는 베타선의 에너지 변환 효율이 높은 베타전지 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
베타전지는 방사성동위원소층에서 방사되는 베타선으로 반도체 소자 내에서 생성된 전하를 전력으로 공급하는 전지이다. 즉, 배타전지는 방사성 동위 원소의 핵분열을 통해 베타선을 방출하는 베타선의 에너지를 이용하여 PN접합의 공핍층에서 생성되는 전자-정공쌍을 생성시키고 이러한 에너지 변환을 통해 전기적인 전원으로 사용하기 위한 전지이다.
PN 접합을 일반적인 수평 구조로 제작되는데, 입사되는 베타선은 P 또는 N 중성영역을 지나서 상대적으로 얇은 공핍층에서 흡수된다. 그러나 공핍층에 도달하기 전에 베타선의 에너지가 흡수되어 전기에너지에 기여를 하지 못하고, 공핍층을 지나서 흡수되는 베타선도 전기에너지에 기여를 하지 못한다.
미국 특허공개번호 제2012/0161575호 미국 특허공개번호 제2014/0319963호
본 발명은 베타선의 에너지 변환 효율을 높인 수직형 베타전지 구조체 및 이를 제조하는 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 형 기판, 상기 제1형 기판에 형성된 제1 형 전극 및 상기 제1형 기판에 트렌치 구조로 형성된 제2 형 전극을 포함하되, 상기 제1형 기판과 상기 제1 형 전극간 PN 접합에 의해 수직으로 형성된 공핍층에 방사선이 입사되는 수직형 베타전지 구조체가 제공된다.
일 실시예로, 상기 제1 형은 P형이며, 상기 제2 형은 N형일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 형은 N형이며, 상기 제2 형은 P형일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 형 전극은, 상기 제1 형 기판에 제1 형 불순물로 형성된 제1 형 영역 및 상기 제1 형 영역의 상부에 형성된 금속층을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제2 형 전극은, 상기 트렌치 구조의 하부면 및 측면에 형성된 제2 형 영역, 상기 제2 영역에 의해 정의된 영역에 충진된 유전체물질 및 상기 제2 형 영역의 상부에 형성된 금속층을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 공핍층 상부에 위치하며 상기 방사선을 방사하는 방사성동위원소층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 형 기판과 상기 방사성동위원소층 사이에 형성된 시드층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치에 제2 형 전극을 형성하는 단계 및 상기 제1 형 기판에 제1 형 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1형 기판과 상기 제1 형 전극간 PN 접합에 의해 수직으로 형성된 공핍층에 방사선이 입사되는 수직형 베타전지를 제조하는 방법이 제공된다.
일 실시예로, 상기 제1 형은 P형이며, 상기 제2 형은 N형일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 형은 N형이며, 상기 제2 형은 P형 일 수 있다.
일 실시예로, 상기 상기 제1 형 기판에 제1 형 전극을 형성하는 단계는, 상기 제1 형 기판에 제1 형 불순물로 제1 형 영역을 형성하는 단계 및 상기 제1 형 영역의 상부에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 트렌치에 제2 형 전극을 형성하는 단계는, 상기 트렌치 구조의 하부면 및 측면에 제2 형 영역을 형성하는 단계, 상기 제2 영역에 의해 정의된 영역에 유전체물질을 충진하는 단계 및 상기 제2 형 영역의 상부에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 공핍층 상부에 위치하며 상기 방사선을 방사하는 방사성동위원소층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 공핍층 상부에 위치하며 상기 방사선을 방사하는 방사성동위원소층을 형성하는 단계 이전에 상기 제1 형 기판과 상기 방사성동위원소층 사이에 시드층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 신규한 구조를 갖는 베타전지는 베타선의 에너지 변환 효율을 높일 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 수직형 베타전지 구조체의 단면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 수직형 베타전지 구조체의 전극 구조를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e는 도 1의 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 수직형 베타전지 구조체의 에너지 변환 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 수직형 베타전지 구조체의 단면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 수직형 베타전지는 제1 형 기판(100)에 형성된 트렌치 구조의 제1 형 전극 및 제2 형 전극을 포함한다.
제1 형 전극은 제1 형 기판(100) 상에 형성된 제1 형 영역(120) 및 제1 형 영역의 상부에 전기적인 연결을 위해 형성된 금속층(320)을 구비한다. 제1 형 영역(120)은 고농도의 제1 형 불순물을 확산 또는 증착하여 형성될 수 있다. 제1 형 영역(120)은 제1 산화실리콘층(200)에 의해 정의되어 제1 형 기판(100)의 상부에 형성된다. 금속층(320)은 제1 산화실리콘층(200) 및 제2 산화실리콘층(210)에 의해 정의되어 제1 형 기판(100)으로부터 제2 산화실리콘층(210)의 상부로 연장된다. 제2 산화실리콘층(210)의 상부로 연장된 금속층(320)의 상부에 제3 산화실리콘층(220)이 적층된다. 금속층(320) 상부에 적층된 제3 산화실리콘층(220)의 일부에 전기적인 연결을 위한 개구(420)가 형성된다.
제2 형 전극은 제1 형 기판(100) 상에 트렌치 구조로 형성된다. 제2 형 전극은 트렌치의 하부면과 측면에 형성된 폴리실리콘(110), 폴리실리콘(110)에 의해 정의된 영역 즉 폴리실리콘(110)에 의해 채워지지 않은 트렌치의 나머지 공간에 충진된 유전체물질, 및 폴리실리콘(110)과 유전체물질(115)의 상부에 전기적인 연결을 위해 형성된 금속층(310)을 구비한다. 여기서, 유전체물질(115)은 예를 들어 BSG(Borosilicate glass) 등을 포함할 수 있다.
제2 형 전극의 구조를 상세히 설명한다. 트랜치는 제1 산화실리콘층(200)에 의해 정의되어 형성된다. 폴리실리콘(110)은 트랜치를 정의하는 제1 산화실리콘층(200)에 형성된 개구의 측면까지 연장되어 형성될 수 있다. 이에 따라 유전체물질(115)도 제1 산화실리콘층(200)의 상면과 같은 높이까지 충진될 수 있다. 금속층(310)은 제1 산화실리콘층(210) 상부에 형성된 제2 산화실리콘층(220)에 의해 정의되어 폴리실리콘(110) 및 유전체물질(115)의 상부에 전기적으로 연결된다. 금속층(310)은 제1 산화실리콘층(200)으로부터 제2 산화실리콘층(210)의 상부로 연장된다. 제2 산화실리콘층(210)으로 연장된 금속층(310)의 상부에 제3 산화실리콘층(220)이 적층된다. 금속층(310) 상부에 적층된 제3 산화실리콘층(220)의 일부에 전기적인 연결을 위한 개구(410)가 형성된다.
제1 형 기판(100)은 저농도의 제1 형 불순물로 도핑되며, 폴리실리콘(110)은 고농도의 제2 형 불순물로 도핑된다. 따라서 제1 형 기판(100)과 폴리실리콘(110)의 접합면은 PN 접합을 형성한다. PN 접합에 의해, 제1 형 기판(100)에 수직하는 방향, 즉, 상면에서 하면 방향으로 공핍층이 PN 접합면 주위에 형성한다. 여기서, 제1 형은 N형이며, 제2 형은 P형이나, 그 반대로도 구성할 수 있음은 물론이다.
상술한 구성을 갖는 수직형 베타전지는 다음과 같이 동작한다.
베타선을 방출하는 방사선동위원소층(500)은 방사선 동위원소, 예를 들어, Ni-63, H-3, Pm-147 등을 포함할 수 있다. 방사선동위원소층(500)은 제2 전극에 의해 수직 방향으로 형성되는 PN 접합면의 상부에 위치된다. 여기서, 방사선동위원소층(500)과 제1 형 기판 사이에 방사선동위원소층(500)을 적층하기 위한 시드층이 형성될 수 있다. 방사선동위원소층(500)에서 방출되는 베타선은 하부의 PN 접합면에 의해 형성된 공핍층에 흡수된다. 베타선이 흡수되면서 생성된 전자-정공쌍이 전류를 발생시키게 된다. 베타선의 입사 방향에 수평하게 공핍층이 형성되는 방식과 비교할 때, 공핍층의 깊이가 상대적으로 깊으므로 베타선이 공핍층을 통과하여 기판으로 입사하는 비율이 크게 낮아지게 된다. 즉, 공핍층에 입사한 대부분의 베타선이 공핍층에서 가지고 있던 모든 에너지를 방출하게 되므로, 에너지 변환 효율이 증가한다.
도 2는 도 1의 수직형 베타전지 구조체의 전극 구조를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 수직형 베타전지의 제1 형 전극(320)과 제2 형 전극(310)은 번갈아 배치된다. 제2 형 전극(310)의 하부에는 트렌치가 형성된다. 제1 형 전극(320)을 외부 회로와 연결하기 위한 전극 패드가 도면의 우측에 형성되며, 제2 형 전극(310)을 외부 회로와 연결하기 위한 전극 패드가 좌측에 형성된다. 복수의 제1 형 전극(320)은 우측의 전극 패드로부터 좌측 방향으로 연장된 빗살 형상이고, 복수의 제2 형 전극(310)은 좌측의 전극 패드로부터 우측 방향으로 연장된 빗살 형상으로, 서로 맞물린 형태로 형성된다. P형 전극과 N형 전극의 간격 d는 변경될 수 있으며, 아래 실험예에서는 50, 110, 190 ㎛로 변경하며 실험하였다.
도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e는 도 1의 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1 형 기판(100) 상부에 제1 산화실리콘층(200)이 형성된다.
도 3b를 참조하면, 제1 산화실리콘층(200) 상부에 제2 산화실리콘층(210)이 형성된다. 이후 포토 및 에칭을 통해 제1 형 전극과 제2 형 전극이 형성될 위치를 정의하는 개구(201, 202)가 제1 산화실리콘층(200) 및 제2 산화실리콘층(210)에 형성된다.
도 3c를 참조하면, 제2 형 전극을 형성하기 위하여 개구(201) 하부에 트랜치를 형성한다. 이후 트랜치의 하부면 및 측면에 폴리실리콘(110)을 적층하되, 제1 산화실리콘층(200)의 상면까지 적층한다. 적층된 폴리실리콘(110)에 의해 정의되는 공간은 BSG 등으로 충진한 후 열처리한다. 한편, 제1 형 전극을 형성하기 위하여 개구(202) 하부에 고농도의 제1 형 불순물을 주입하여 제1 형 영역(120)을 형성한다.
도 3d를 참조하면, 개구(201, 202)에 금속층(310, 320)을 적층한다. 금속층 형성에 이용되는 금속은 예를 들어, 티타늄, 알루미늄, 금, 구리 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다.
도 3e를 참조하면, 제2 산화실리콘층(210) 및 금속층(310, 320) 상부에 제3 산화실리콘층(220)을 형성한다. 이후 생성된 전류를 외부로 출력하기 위한 메탈 라인과의 전기적인 연결을 위한 개구(410, 420)를 각각 금속층(310, 320) 상부의 제3 산화실리콘층(220)에 형성한다.
실험예
PN 접합면으로 도 1에 도시된 단일 트렌치로 구현된 수직형 베타전지 구조체가 이용되었다. Ni-63가 적층되고 전력 출력을 측정할 수 있는 기판으로 PN 접합이 향하도록 하기 위해서, 금속 컨택이 Ni-63 전기도금을 위한 시드층으로 이용되는 기판 상에 배치되었다. 각각 200, 500, 및 1000 Å 두께의 Ni-63 시드층이 전자빔 조사에 의해 수직형 베타전지 구조체의 단일 트렌치 PN 접합면 상부에 적층되었다.
Ni 시드층이 없는 PN 접합의 성능 특성은 도 4에 도시된 바와 같이 17KeV의 전자빔 에너지로 전자빔 조사 실험을 이용하여 확인하였다. P형 전극과 N형 전극의 간격(이하 PN간격이라 함)은 각각 50, 110, 및 190 ㎛이었다. 전자빔 유도 전류 방식은 Ni-63의 베타선 방출을 실험적으로 시물레이션하고 총 장치 전류를 측정하기 위해 적용되었다. 오픈 서킷 전압은 PN 간격이 50, 110, 190 ㎛일 때 각각 0.29, 0.27, 0.41 V이었다. 쇼트 서킷 전류는 PN 간격은 50, 110, 190 ㎛일 때 3.3, 1.97, 3.7 ㎂이었다. 전력 출력은 PN 간격은 50, 110, 190 ㎛일 때 66.5, 36.9, and 105.3 ㎼/cm2 이었다. 이 실험으로부터 수직형 베타전지 구조체의 양호한 동작을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 제1 형 기판
110: 폴리실리콘
115: BSG
200: 제1 산화실리콘층
210: 제2 산화실리콘층
220: 제3 산화실리콘층
310, 320: 금속층
500: 방사성동위원소층

Claims (14)

  1. 제1 형 기판;
    상기 제1형 기판에 형성된 제1 형 전극; 및
    상기 제1형 기판에 트렌치 구조로 형성된 제2 형 전극을 포함하되,
    상기 제1형 기판과 상기 제1 형 전극간 PN 접합에 의해 수직으로 형성된 공핍층에 방사선이 입사되는 수직형 베타전지 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 형은 P형이며, 상기 제2 형은 N형인 수직형 베타전지 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 형은 N형이며, 상기 제2 형은 P형인 수직형 베타전지 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 형 전극은,
    상기 제1 형 기판에 제1 형 불순물로 형성된 제1 형 영역; 및
    상기 제1 형 영역의 상부에 형성된 금속층을 포함하는 수직형 베타전지 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 형 전극은,
    상기 트렌치 구조의 하부면 및 측면에 형성된 제2 형 영역;
    상기 제2 영역에 의해 정의된 영역에 충진된 유전체물질; 및
    상기 제2 형 영역의 상부에 형성된 금속층을 포함하는 수직형 베타전지 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공핍층 상부에 위치하며 상기 방사선을 방사하는 방사성동위원소층을 더 포함하는 수직형 베타전지 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 형 기판과 상기 방사성동위원소층 사이에 형성된 시드층을 더 포함하는 수직형 베타전지 구조체.
  8. 제1 형 기판에 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치에 제2 형 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 형 기판에 제1 형 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1형 기판과 상기 제1 형 전극간 PN 접합에 의해 수직으로 형성된 공핍층에 방사선이 입사되는 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 형은 P형이며, 상기 제2 형은 N형인 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 형은 N형이며, 상기 제2 형은 P형인 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 상기 제1 형 기판에 제1 형 전극을 형성하는 단계는,
    상기 제1 형 기판에 제1 형 불순물로 제1 형 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 형 영역의 상부에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 트렌치에 제2 형 전극을 형성하는 단계는,
    상기 트렌치 구조의 하부면 및 측면에 제2 형 영역을 형성하는 단계;
    상기 제2 영역에 의해 정의된 영역에 유전체물질을 충진하는 단계; 및
    상기 제2 형 영역의 상부에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 공핍층 상부에 위치하며 상기 방사선을 방사하는 방사성동위원소층을 형성하는 단계를 더 포함하는 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 공핍층 상부에 위치하며 상기 방사선을 방사하는 방사성동위원소층을 형성하는 단계 이전에
    상기 제1 형 기판과 상기 방사성동위원소층 사이에 시드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 수직형 베타전지 구조체를 제조하는 방법.
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