RU2668229C1 - Method of manufacturing semiconductor converter of ionizing radiation energy to electricity - Google Patents
Method of manufacturing semiconductor converter of ionizing radiation energy to electricity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2668229C1 RU2668229C1 RU2017145935A RU2017145935A RU2668229C1 RU 2668229 C1 RU2668229 C1 RU 2668229C1 RU 2017145935 A RU2017145935 A RU 2017145935A RU 2017145935 A RU2017145935 A RU 2017145935A RU 2668229 C1 RU2668229 C1 RU 2668229C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- diamond
- substrate
- converter
- epitaxial layer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
- G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
- G21H1/06—Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к радиационно-стойкой полупроводниковой технике, в частности, к способам изготовления сверхтонких полупроводниковых структур с потенциальным барьером, способных генерировать полезную электрическую энергию под действием ионизирующего излучения. Изобретение может быть использовано в энергетике, машиностроении и космической технике для обеспечения электрическим питанием автономных устройств с длительным сроком службы.The present invention relates to radiation-resistant semiconductor technology, in particular, to methods for manufacturing ultra-thin semiconductor structures with a potential barrier, capable of generating useful electrical energy under the influence of ionizing radiation. The invention can be used in energy, engineering and space technology to provide electrical power to autonomous devices with a long service life.
Из текущего уровня техники известны полупроводниковые устройства различной конструкции, предназначенные для генерации полезной электрической энергии под действием ионизирующего излучения, возникающего при распаде ядер нестабильных радиоизотопов, и способы их изготовления.From the current level of technology, semiconductor devices of various designs are known for generating useful electrical energy under the influence of ionizing radiation arising from the decay of the nuclei of unstable radioisotopes, and methods for their manufacture.
Известна ядерная батарея типа PIN с легированным ванадием слоем и способ ее изготовления (патент US №9728292 В2, МПК G21H 1/06, H01L 21/04, H01L 29/868, H01L 29/167, H01L 29/66, H01L 29/36, H01L 29/861, H01L 29/16, H01L 21/02, дата приоритета 2011.10.09). Батарея включает в себя подложку из карбида кремния n-типа с концентрацией примеси от 1⋅1018 до 7⋅1018 1/см3, на одну сторону которого нанесен омический контакт, а на другую последовательно эпитаксиальный слой карбида кремния с собственной проводимостью с концентрацией примеси n-типа от 1⋅1013 до 5⋅1014 1/см3 толщиной от 3 до 5 мкм и эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа с концентрацией примеси 1⋅1019 до 5⋅1019 1/см3 толщиной от 0,2 до 0,5 мкм, причем слой карбида кремния с собственной проводимостью формируют при помощи имплантации ионов ванадия с энергией от 2000 до 2500 кэВ и дозой 5⋅1013 до 1⋅1015 1/см2. На часть поверхности эпитаксиальный слой карбида кремния p-типа наносят омический контакт, на другую часть поверхности наносят слой радиоизотопа. По периметру на эпитаксиальный слой карбида кремния р-типа и боковую часть эпитаксиального слоя карбида кремния с собственной проводимостью наносят последовательно изолирующий слой из оксида кремния толщиной 10-20 нм и пассивирующий слой из оксида кремния толщиной 0,3-0,5 мкм.A known PIN type nuclear battery with a vanadium doped layer and a method for its manufacture (US patent No. 9728292 B2, IPC
Недостатком данного изобретения является использование карбида кремния, обладающего низкими значениями радиационной стойкости, напряжения пробоя, подвижности электронов и дырок, что ограничивает область его использования.The disadvantage of this invention is the use of silicon carbide having low values of radiation resistance, breakdown voltage, mobility of electrons and holes, which limits the scope of its use.
Известна ядерная батарея из карбида кремния с контактом Шоттки и способ ее изготовления (патент CN №101320601 В, МПК G21H1/00, 21Н 1/06, H01L 29/47, дата приоритета 2008.06.18). На подложку из карбида кремния n+типа с концентрацией примеси от 1⋅1017 до 1⋅1018 1/см3 с одной стороны наносят слой карбида кремния с собственный проводимостью с концентрацией примеси от 1⋅1014 до 1⋅1016 1/см3, а с другой стороны наносят последовательно омический контактный слой из никеля или титана, металлический переходный слой из платины или меди, металлический отделяющий слой из хрома или молибдена или вольфрама и нижний металлический контакт из золота или серебра или алюминия или платины. Для создания омического контакта подложку с нанесенными слоями отжигают. На слой карбида кремния с собственной проводимостью наносят барьерный слой металла из хрома или молибдена или вольфрама, причем форму барьерного слоя металла задают методом литографии. На часть поверхности барьерного слоя металла наносят последовательно адгезионный слой из хрома или молибдена или вольфрама и верхний металлический контакт из золота или серебра или алюминия или платины одинаковой формы. На другую часть поверхности барьерного слоя металла наносят радиоактивный изотоп.A nuclear silicon carbide battery with a Schottky contact and a method for its manufacture are known (Patent CN No. 101320601 B, IPC G21H1 / 00,
Недостатком данного изобретения является использование карбида кремния, обладающего низкими значениями радиационной стойкости, напряжения пробоя, подвижности электронов и дырок, что ограничивает область его использования.The disadvantage of this invention is the use of silicon carbide having low values of radiation resistance, breakdown voltage, mobility of electrons and holes, which limits the scope of its use.
Известен высокоэффективный миниатюрный источник энергии на основе альфа-частиц и алмазных устройств для экстремальных космических условий (Патент US №6753469 В1, МПК G21H 1/00, G21H 1/04, H01L 31/04, H01L 31/06, H01L 31/068, H01L 31/072, дата приоритета 2002.08.05). Источник энергии состоит из альфа источника на основе кюрия-244 активностью около 1 Ки и расположенных вблизи него двух алмазных подложек толщиной по 10 мкм: положительной и легированной отрицательной. Положительная подложка легирована бором, а отрицательная легирована донорной примесью. Концентрации электрически активных примесей в обеих подложках составляют от 1014 1/см3 до 1020 1/см3. Роль механического носителя выполняет алмазная подложка, на которой закреплена положительная подложка. Толщина источника составляет 1 мм, при этом электрогенерирующая область, представляющая собой р-n переход между положительной и отрицательной подложками, составляет не более 20 мкм.Known for a highly efficient miniature energy source based on alpha particles and diamond devices for extreme space conditions (US Patent No. 6753469 B1, IPC
Недостатком данного изобретения является большой объем источника, обусловленный большой толщиной источника в сравнении с толщиной p-n перехода, что ограничивает область его использования.The disadvantage of this invention is the large volume of the source, due to the large thickness of the source in comparison with the thickness of the pn junction, which limits the scope of its use.
Общим недостатком упомянутых преобразователей является невозможность достичь высоких значений удельной мощности, генерируемой преобразователем, по причине наличия паразитного объема преобразователя, который не участвует в генерации электроэнергии и превышает полезный объем в 2-50 раз по сравнению с той его частью, которая генерирует ток, из-за чего удельная мощность снижается в 3-51 раз по отношению к преобразователю без паразитного объема.A common drawback of the mentioned converters is the inability to achieve high values of the specific power generated by the converter, due to the parasitic volume of the converter, which is not involved in the generation of electricity and exceeds the useful volume by 2-50 times compared to the part that generates the current due to why the specific power is reduced by 3-51 times in relation to the Converter without stray volume.
Наиболее близким к заявленном техническому решению является бета-вольтаическое устройство и способ его изготовления (Патент US №8866152 В2, МПК G21H 1/06, дата приоритета 2009.11.19). Способ изготовления устройства заключается в том, что изготавливают легированную подложку из карбида кремния толщиной более 100 мкм из полупроводника типа n+ и на одной ее стороне последовательно наносят эпитаксиальный слой полупроводника типа n- с концентрацией доноров не более 4,6⋅1014 1/см3 толщиной не более меньшей из величин: диффузионной длины электрон-дырочной пары (более 40 мкм) и длины пробега электрона распада изотопа (3 мкм для никеля-63 и 20 мкм для прометия-147), слой полупроводника типа р+ с концентрацией акцепторов не менее 1019 1/см3 толщиной не более 250 нм и омический проводящий слой из никеля толщиной не более 1 мкм. После этого с другой стороны подложку утоняют до толщины от 3 до 100 мкм и наносят на нее проводящий слой из никеля толщиной не более 1 мкм. Устройство отжигают. На омический проводящий слой наносят слой радиоизотопа из никеля-63 или водорода-3 толщиной не более длины самопоглощения изотопа. Выполняют травление слоя радиоизотопа, омического проводящего слоя, слоя полупроводника типа р+, слоя полупроводника типа n- и подложки из полупроводника типа n+ так, чтобы было образовано множество близлежащих устройств, расположенных на общей подложке из полупроводника типа n+. Полная толщина устройства составляет от 6 до 122 мкм.Closest to the claimed technical solution is a beta-voltaic device and a method for its manufacture (US Patent No. 8866152 B2, IPC
Описанное решение обладает рядом недостатков, ограничивающих его применимость. В качестве материала преобразователя используют карбид кремния, имеющий низкую радиационную стойкость. В ходе изготовления преобразователя подложку утоняют, в ходе чего расходуется карбид кремния, также в процессе утонения за счет непрочности и частой поломки подложкек снижается выход годных изделий. В патенте указано, что достижение толщины подложки менее 50 мкм технологически затруднительно, хотя и позволяет повысить генерируемую удельную мощность. Также в описанном патенте не указаны конкретные методы выполнения операций, в частности, метод утонения подложки до толщины менее 50 мкм. Для большинства полупроводниковых материалов не разработаны способы утонения пластин размером более 1×1 мм до толщин менее 50 мкм без создания дополнительных структур толщиной более 100 мкм, например, рамки по периметру.The described solution has several disadvantages that limit its applicability. Silicon carbide having low radiation resistance is used as the material of the converter. During the manufacture of the converter, the substrate is thinned, during which silicon carbide is consumed, and in the process of thinning due to the fragility and frequent breakdown of the substrates, the yield of suitable products is reduced. The patent indicates that achieving a substrate thickness of less than 50 μm is technologically difficult, although it can increase the generated specific power. Also, the described patent does not indicate specific methods for performing operations, in particular, the method of thinning the substrate to a thickness of less than 50 microns. For most semiconductor materials, no methods have been developed for thinning wafers larger than 1 × 1 mm to thicknesses less than 50 μm without creating additional structures with a thickness of more than 100 μm, for example, a perimeter frame.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в исключении вышеуказанных недостатков и достижении максимальной удельной мощности и минимизации толщины преобразователя, выполненного из алмаза, обладающего максимальной радиационной стойкостью среди всех полупроводниковых кристаллов.The problem to which the claimed technical solution is directed is to eliminate the above drawbacks and achieve maximum power density and minimize the thickness of the transducer made of diamond, which has maximum radiation resistance among all semiconductor crystals.
Данная задача решается за счет того, что подложку изготавливают из алмаза типа IIb толщиной от 100 до 1000 мкм. На одной из сторон алмазной подложки формируют жертвенный слой и остаточный слой посредством имплантации ионов с энергией не менее 100 кэВ с последующим отжигом подложки в вакууме или атмосфере инертного газа при температуре от 700 до 2000°С. Затем на остаточном слое проводят синтез эпитаксиального слоя алмаза типа IIb толщиной от 5 до 50 мкм. Из-за технологических ограничений синтез эпитаксиального слоя проходит не только на остаточном слое, но и на торцах подложки, поэтому синтезированный алмаз удаляют с торцов подложки. Жертвенный слой обрабатывают методом электрохимического травления в сильном окислителе до полного его удаления. После этого эпитаксиальный слой алмаза с остаточным слоем отделяют от основной части подложки, а основную часть подложки используют неоднократно.This problem is solved due to the fact that the substrate is made of type IIb diamond with a thickness of 100 to 1000 microns. A sacrificial layer and a residual layer are formed on one side of the diamond substrate by implanting ions with an energy of at least 100 keV, followed by annealing the substrate in a vacuum or inert gas atmosphere at a temperature of from 700 to 2000 ° C. Then, on the residual layer, an epitaxial layer of type IIb diamond is synthesized from 5 to 50 μm thick. Due to technological limitations, the synthesis of the epitaxial layer takes place not only on the residual layer, but also on the ends of the substrate, so the synthesized diamond is removed from the ends of the substrate. The sacrificial layer is treated by electrochemical etching in a strong oxidizing agent until it is completely removed. After that, the epitaxial layer of diamond with the residual layer is separated from the main part of the substrate, and the main part of the substrate is used repeatedly.
Затем магнетронным напылением формируют положительный контакт преобразователя на остаточном слое.Then magnetron sputtering form a positive contact of the Converter on the residual layer.
Эпитаксиальный слой алмаза подвергают воздействию ионизирующего излучения длиной волны не более 200 нм и мощностью не менее 50 мкВт/см2 в атмосфере кислорода при давлении 20-50 кПа в течение не менее 5 мин или нагреву до температуры 600-700°С в атмосфере кислорода в течение не менее 5 мин или воздействию кислородной плазмы при давлении 0,5-20 торр при плотности мощности 10-2000 мВт/см2 в течение не менее 20 секунд для подготовки поверхности эпитаксиального слоя к формированию магнетронным напылением отрицательного контакта. Затем магнетронным напылением формируют отрицательный контакт преобразователя на эпитаксиальном слое алмаза.The epitaxial layer of diamond is subjected to ionizing radiation with a wavelength of not more than 200 nm and a power of not less than 50 μW / cm 2 in an oxygen atmosphere at a pressure of 20-50 kPa for at least 5 minutes or heated to a temperature of 600-700 ° C in an oxygen atmosphere for at least 5 minutes or exposure to oxygen plasma at a pressure of 0.5-20 torr at a power density of 10-2000 mW / cm 2 for at least 20 seconds to prepare the surface of the epitaxial layer for the formation of negative contact by magnetron sputtering. Then, magnetron sputtering forms the negative contact of the transducer on the epitaxial layer of diamond.
При этом положительный контакт преобразователя выполняют магнетронным напылением из трех слоев, причем первый слой положительного контакта преобразователя выполняют из металла, выбранного из ряда: титана, молибден, вольфрам, хром, второй слой положительного контакта преобразователя выполняют из платины, а третий слой положительного контакта преобразователя выполняют из золота, а отрицательный контакт преобразователя выполняют магнетронным напылением из металла, выбранного из ряда: золото, платина, алюминий, никель.In this case, the positive contact of the converter is performed by magnetron sputtering from three layers, the first layer of the positive contact of the converter is made of a metal selected from the series: titanium, molybdenum, tungsten, chromium, the second layer of the positive contact of the converter is made of platinum, and the third layer of the positive contact of the converter is from gold, and the negative contact of the converter is performed by magnetron sputtering from a metal selected from the range: gold, platinum, aluminum, nickel.
Алмаз является наиболее радиационно-стойким полупроводниковым материалом, поэтому алмазный преобразователь энергии ионизирующего излучения обладает максимальным сроком службы. При формировании жертвенного и остаточного слоев имплантируемые ионы углубляются в подложку, теряют свою энергию за счет взаимодействия с атомами подложки и создают дефекты в подложке, причем концентрация создаваемых дефектов максимальна в области остановки ионов. При этом в объеме подложки формируются два слоя с различными физическими свойствами: жертвенный слой и остаточный слой. Энергия ионов должна быть не менее 100 кэВ для образования остаточного слоя достаточно большой толщины. Концентрация дефектов в жертвенном слое больше, чем в остаточном слое. Во время отжига подложки жертвенный слой частично или полностью преобразуется в графит, а остаточный слой остается алмазным.Diamond is the most radiation-resistant semiconductor material, therefore, a diamond ionizing radiation energy converter has a maximum service life. During the formation of the sacrificial and residual layers, the implantable ions deepen into the substrate, lose their energy due to interaction with the atoms of the substrate and create defects in the substrate, and the concentration of created defects is maximum in the region where the ions stop. In this case, two layers with different physical properties are formed in the volume of the substrate: the sacrificial layer and the residual layer. The ion energy must be at least 100 keV for the formation of a residual layer of a sufficiently large thickness. The concentration of defects in the sacrificial layer is greater than in the residual layer. During the annealing of the substrate, the sacrificial layer is partially or completely converted to graphite, and the residual layer remains diamond.
Так как жертвенный слой содержит графит, он растворяется при обработке электрохимическим травлением, остаточный слой и остальная часть подложки состоят из алмаза без примеси графита, поэтому обладают химической стойкостью и не растворяются.Since the sacrificial layer contains graphite, it dissolves during processing by electrochemical etching, the residual layer and the rest of the substrate are composed of diamond without graphite impurity, therefore they have chemical resistance and do not dissolve.
При формировании положительного контакта первый слой положительного контакта преобразователя формируют из карбидообразующего металла, например, титана, молибдена, вольфрама или хрома. На первом слое положительного контакта формируют второй слой положительного контакта из платины, который обладает химической стойкостью и разделяет первый слой и третий слой, предотвращая их самопроизвольное смешение за счет диффузии. На втором слое положительного контакта формируют третий слой положительного контакта из золота, которое не окисляется и по сравнению с платиной является мягким материалом и легко паяется, поэтому обеспечивает возможность надежного электрического контакта при включении преобразователя в электрическую цепь.When a positive contact is formed, the first positive contact layer of the converter is formed from a carbide-forming metal, for example, titanium, molybdenum, tungsten or chromium. On the first positive contact layer, a second positive contact layer of platinum is formed, which has chemical resistance and separates the first layer and the third layer, preventing their spontaneous mixing due to diffusion. On the second layer of positive contact, a third layer of positive contact is formed of gold, which is not oxidized and, compared with platinum, is a soft material and is easily soldered, therefore, it provides the possibility of reliable electrical contact when the converter is included in the electric circuit.
Особенностью формирования контактов на поверхности алмаза является то, что поверхность алмаза самопроизвольно покрывается одноатомным слоем вещества из атмосферы. Данный эффект связан с тем, что углерод в алмазе связан с четырьмя соседними атомами, а на поверхности алмаза одна из этих связей оборвана и неизбежно оказывается занята (терминирована) другим атомом. Как правило, таким атомом является водород или кислород. Наличие моноатомного слоя на поверхности алмаза чрезвычайно сильно влияет на электрофизические характеристики металлических контактов на его поверхности. Терминация водородом снижает работу выхода электрона, что приводит к снижению потенциального барьера, и, следовательно, напряжения, генерируемого преобразователем. Терминация кислородом, наоборот, повышает генерируемое напряжение, и является предпочтительным состоянием поверхности алмаза. Воздействие ионизирующего излучения в атмосфере кислорода или нагрев в атмосфере кислорода или воздействие кислородной плазмы приводят к полной терминации поверхности эпитаксиального слоя алмаза кислородом.A feature of the formation of contacts on the diamond surface is that the diamond surface is spontaneously coated with a monatomic layer of matter from the atmosphere. This effect is due to the fact that the carbon in diamond is bonded to four neighboring atoms, and on the surface of the diamond one of these bonds is cut off and inevitably becomes occupied (terminated) by the other atom. Typically, such an atom is hydrogen or oxygen. The presence of a monoatomic layer on the surface of a diamond has an extremely strong effect on the electrophysical characteristics of metal contacts on its surface. Termination with hydrogen reduces the electron work function, which leads to a decrease in the potential barrier, and, consequently, the voltage generated by the converter. Oxygen termination, on the contrary, increases the generated voltage, and is the preferred state of the diamond surface. Exposure to ionizing radiation in an oxygen atmosphere or heating in an oxygen atmosphere or exposure to oxygen plasma leads to complete termination of the surface of the epitaxial layer of diamond with oxygen.
При формировании магнетронным напылением отрицательного контакта преобразователя наиболее высокое напряжение генерируется на контакте алмаза с металлом, выбранным из ряда: золото, платина, алюминий, никель. При напылении металла отрицательного контакта возможна металлизация боковых сторон преобразователя, что может соединять положительный и отрицательный контакты и в результате нарушает работу преобразователя. Для избежания нанесения металлизации на боковые стороны преобразователя при магнетронном напылении могут быть использованы теневые маски. Маски выполняют из листа твердого материала или из фоторезиста, нанесенного на эпитаксиальный слой алмаза.When magnetron sputtering forms a negative converter contact, the highest voltage is generated at the diamond contact with a metal selected from the range: gold, platinum, aluminum, nickel. When spraying metal of a negative contact, metallization of the sides of the converter is possible, which can connect the positive and negative contacts and as a result disrupts the operation of the converter. To avoid metallization on the sides of the transducer during magnetron sputtering, shadow masks can be used. Masks are made of a sheet of solid material or of photoresist deposited on an epitaxial layer of diamond.
Одной из важнейших характеристик преобразователя является его толщина. Традиционным методом механической полировки возможно создание преобразователя толщиной около 100 мкм. Дальнейшее снижение толщины практически невозможно в связи с недостаточной механической прочностью тонких алмазных пластин. Для достижения максимальной удельной мощности, генерируемой преобразователем, необходимо уменьшение его толщины до величины, равной длине пробега продукта распада радиоактивного изотопа в алмазе. В качестве источника энергии для бета-вольтаических радиационно-стимулированных элементов питания, как правило, используют бета-активные изотопы: тритий, никель-63 и прометий-147. Максимальной энергией распада обладает прометий-147, при этом длина пробега большей части электронов распада прометия-147 в алмазе составляет приблизительно 50 мкм. Для электронов никеля-63 и трития длина пробега меньше. Таким образом, при использовании тонких преобразователей удельная мощность повышается в 2 и более раз по сравнению с использованием изготовленных традиционным методом преобразователей толщиной 100 и более.One of the most important characteristics of the converter is its thickness. The traditional method of mechanical polishing is possible to create a transducer with a thickness of about 100 microns. A further decrease in thickness is almost impossible due to the insufficient mechanical strength of thin diamond plates. To achieve the maximum specific power generated by the converter, it is necessary to reduce its thickness to a value equal to the path length of the decay product of the radioactive isotope in diamond. As an energy source for beta-voltaic radiation-stimulated batteries, as a rule, beta-active isotopes are used: tritium, nickel-63 and promethium-147. Promethium-147 has a maximum decay energy, while the mean free path of most of the promethium-147 decay electrons in diamond is approximately 50 μm. For electrons of nickel-63 and tritium, the mean free path is shorter. Thus, when using thin transducers, the specific power is increased by 2 or more times compared with the use of transducers made by the traditional method with a thickness of 100 or more.
Технический результат заключается в повышении не менее чем на 100% удельной мощности, генерируемой радиационно-стойким полупроводниковым преобразователем энергии ионизирующего излучения в электроэнергию, и снижении толщины преобразователя не менее, чем на 50% по сравнению с радиационно-стойкими преобразователями, изготавливаемыми методами механической и лазерной обработки.The technical result consists in increasing by at least 100% the specific power generated by a radiation-resistant semiconductor converter of ionizing radiation energy into electric energy, and reducing the thickness of the converter by at least 50% compared to radiation-resistant converters made by mechanical and laser methods processing.
Для пояснения сущности предлагаемого технического решения приведены фиг. 1-6.To clarify the essence of the proposed technical solution are shown in FIG. 1-6.
На фиг. 1 показана схема процесса ионной имплантации и образования жертвенного слоя.In FIG. 1 shows a diagram of the process of ion implantation and the formation of the sacrificial layer.
В подложку из алмаза типа IIb 1 с одной стороны выполняют имплантацию ионов 2 так, чтобы ионы останавливались в жертвенном слое 3, проходя через остаточный слой 4. При этом остаточный слой 4 не разрушается. После имплантации методом высокотемпературного отжига подложки жертвенный слой 3 преобразуют в состояние графита или смеси графита и алмаза.On the one hand,
На фиг. 2 показана схема после синтеза эпитаксиального слоя алмаза.In FIG. 2 shows a diagram after synthesis of an epitaxial diamond layer.
Подложку 1 ориентируют таким образом, чтобы остаточный слой 4 был обращен вверх, и помещают в установку синтеза алмаза методом газофазного осаждения, после чего выполняют синтез эпитаксиального слоя алмаза типа IIb 5 поверх остаточного слоя 4. При этом из-за технических ограничений алмаз синтезируется на верхней стороне пластины и на торцах.The
На фиг. 3 показана схема после удаления с торцов подложки синтезированного алмаза методом лазерной резки.In FIG. Figure 3 shows a diagram after removing synthesized diamond from the ends of the substrate by laser cutting.
При помощи импульсного лазера удаляют алмаз, синтезированный в ходе газофазного осаждения на торцах пластины.Using a pulsed laser, the diamond synthesized during gas-phase deposition at the ends of the plate is removed.
На фиг. 4 показана схема после электрохимического травления жертвенного слоя.In FIG. 4 shows a diagram after electrochemical etching of the sacrificial layer.
Подложку 1 с жертвенным слоем 3 и эпитаксиальным слоем алмаза 5 помещают в раствор сильного окислителя и пропускают через раствор электрический ток для растворения жертвенного слоя 3. Протекание тока поддерживают до тех пор, пока жертвенный слой 3 не будет растворен целиком. После этого эпитаксиальный слой алмаза 5 вместе с остаточным слоем 4 механически отделяют от подложки 1.A
На фиг. 5 показана схема после нанесения положительного контакта преобразователя.In FIG. 5 shows a diagram after applying a positive contact of the converter.
На остаточный слой подложки 4 методом магнетронного напыления выполняют формирование положительного контакта преобразователя 6.On the residual layer of the
На фиг. 6 показана схема после нанесения отрицательного контакта преобразователя.In FIG. 6 shows a diagram after applying a negative contact of the converter.
На эпитаксиальный слой алмаза 5 методом магнетронного напыления выполняют формирование отрицательного контакта преобразователя 7.On the epitaxial layer of
Решение технической задачи подтверждено примерами.The solution to the technical problem is confirmed by examples.
Пример №1. В качестве подложки используем алмазную пластину типа IIb размером 4×4 мм2 толщиной 300 мкм с концентрацией примеси бора не менее 1019 1/см3. С верхней стороны подложки имплантируем ионы бора с энергией 500 кэВ и дозой 1016 1/см2, образуя жертвенный слой на глубине менее 1 мкм и остаточный слой. Выполняем отжиг в вакууме при давлении 10-5 мбар и температуре 1400°С в течение 1 часа. С верхней стороны и на торцах подложки методом газофазного осаждения формируем эпитаксиальный слой алмаза толщиной 14 мкм с концентрацией бора не более 1015 1/см3. При помощи импульсного лазера удаляем алмаз на торцах подложки. Выполняем электрохимическое травление жертвенного слоя в водном растворе оксида хрома с концентрацией 10 мг/л при токе 40 мА в течение 8 часов. Отделяем эпитаксиальный слой алмаза вместе с остаточным слоем от подложки пинцетом.Example No. 1. As the substrate, we use a diamond plate of type IIb with a size of 4 × 4 mm 2 300 microns thick with a boron impurity concentration of at least 10 19 1 / cm 3 . We implant boron ions with an energy of 500 keV and a dose of 10 16 1 / cm 2 from the upper side of the substrate, forming a sacrificial layer at a depth of less than 1 μm and a residual layer. We carry out annealing in vacuum at a pressure of 10 -5 mbar and a temperature of 1400 ° C for 1 hour. On the upper side and at the ends of the substrate by gas-phase deposition, we form an epitaxial diamond layer with a thickness of 14 μm with a boron concentration of not more than 10 15 1 / cm 3 . Using a pulsed laser, we remove the diamond at the ends of the substrate. We perform electrochemical etching of the sacrificial layer in an aqueous solution of chromium oxide with a concentration of 10 mg / l at a current of 40 mA for 8 hours. Separate the epitaxial layer of diamond together with the residual layer from the substrate with tweezers.
Методом магнетронного напыления формируем на остаточном слое положительный контакт состоящий из трех последовательных слоев металлов: титан толщиной 50 нм, платина толщиной 30 нм, золото толщиной 200 нм.Using magnetron sputtering, we form a positive contact on the residual layer consisting of three successive layers of metals: titanium 50 nm thick, platinum 30 nm thick, gold 200 nm thick.
Обрабатываем эпитаксиальный слой алмаза кислородной плазмой при давлении 5 торр и плотности мощности 800 мВт/см2 в течение 4 минут. Методом магнетронного напыления через литографическую маску формируем на эпитаксиальном слое алмаза отрицательный контакт состоящий из никеля толщиной 30 нм.We process the epitaxial layer of diamond with oxygen plasma at a pressure of 5 torr and a power density of 800 mW / cm 2 for 4 minutes. Using magnetron sputtering through a lithographic mask, we form a negative contact on the epitaxial layer of diamond consisting of nickel 30 nm thick.
Полная толщина преобразователя составляет около 15 мкм, из которых 0,31 мкм составляют положительный и отрицательный контакты, 14 мкм составляет эпитаксиальный слой алмаза, а остальное (менее 1 мкм) составляет остаточный слой.The total thickness of the transducer is about 15 μm, of which 0.31 μm are the positive and negative contacts, 14 μm is the epitaxial layer of diamond, and the rest (less than 1 μm) is the residual layer.
Пример №2. Все как в примере 1, только имплантируем ионы гелия с энергией 300 кэВ и дозой 1016 1/см2. Выполняем отжиг в атмосфере аргона при температуре 1200°С в течение 3 часов. Методом магнетронного напыления формируем на остаточном слое положительный контакт состоящий из трех последовательных слоев металлов: молибден толщиной 60 нм, платина толщиной 40 нм, золото толщиной 150 нм. Нагреваем эпитаксиальный слой до температуры 650°С в атмосфере кислорода в течение 30 минут. Методом магнетронного напыления через маску из пластины кремния толщиной 275 мкм формируем на эпитаксиальном слое алмаза отрицательный контакт состоящий из алюминия толщиной 50 нм.Example No. 2. Everything is as in example 1, only we implant helium ions with an energy of 300 keV and a dose of 10 16 1 / cm 2 . We carry out annealing in an argon atmosphere at a temperature of 1200 ° C for 3 hours. Using magnetron sputtering, we form a positive contact on the residual layer consisting of three successive layers of metals: molybdenum 60 nm thick, platinum 40 nm thick, 150 nm gold. We heat the epitaxial layer to a temperature of 650 ° C in an oxygen atmosphere for 30 minutes. Using magnetron sputtering through a mask of a silicon wafer with a thickness of 275 μm, we form a negative contact on the epitaxial layer of diamond consisting of aluminum with a thickness of 50 nm.
Пример №3. Все как в примере 1, только имплантируем ионы углерода с энергией 500 кэВ и дозой 1016 1/см2. После нанесения положительного контакта подвергаем эпитаксиальный слой алмаза воздействию ионизирующего излучения с непрерывным спектром в области 190-200 нм и мощностью не менее 250 мкВт/см2 в атмосфере кислорода при давлении 25 кПа в течение 40 мин.Example No. 3. Everything is as in example 1, only we implant carbon ions with an energy of 500 keV and a dose of 10 16 1 / cm 2 . After applying positive contact, we expose the epitaxial layer of diamond to ionizing radiation with a continuous spectrum in the region of 190-200 nm and a power of at least 250 μW / cm 2 in an oxygen atmosphere at a pressure of 25 kPa for 40 minutes.
Предлагаемый способ изготовления полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего излучения в электроэнергию позволяет достичь максимальной удельной мощности и минимизации толщины преобразователя, выполненного из алмаза. Это позволит создать автономные радиоизотопные источники электрического питания с большим соотношении мощности к массе и габаритам, чем у аналогов, изготавливаемых методами механической и лазерной обработки, таким образом, позволяя при неизменном объеме источника обеспечивать энергией более требовательные устройства. Кроме того, предлагаемый способ позволяет снизить стоимость изготовления преобразователей из алмаза, за счет изготовления 10-500 преобразователей с многократным использованием одной алмазной подложки.The proposed method for manufacturing a semiconductor converter of energy of ionizing radiation into electricity allows to achieve maximum specific power and minimize the thickness of the Converter made of diamond. This will make it possible to create autonomous radioisotope sources of electrical power with a greater ratio of power to mass and dimensions than analogues produced by mechanical and laser processing, thus allowing for more demanding devices to provide energy with an unchanged source volume. In addition, the proposed method allows to reduce the cost of manufacturing converters from diamond, due to the manufacture of 10-500 converters with multiple use of one diamond substrate.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017145935A RU2668229C1 (en) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | Method of manufacturing semiconductor converter of ionizing radiation energy to electricity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017145935A RU2668229C1 (en) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | Method of manufacturing semiconductor converter of ionizing radiation energy to electricity |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2668229C1 true RU2668229C1 (en) | 2018-09-27 |
Family
ID=63668936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017145935A RU2668229C1 (en) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | Method of manufacturing semiconductor converter of ionizing radiation energy to electricity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2668229C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023280689A1 (en) * | 2021-07-05 | 2023-01-12 | University Of Bristol | Process for integrating tritium into diamond |
| RU2793798C1 (en) * | 2021-12-24 | 2023-04-06 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Чеченский Государственный Университет Имени Ахмата Абдулхамидовича Кадырова" | Process for increasing adhesion |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6753469B1 (en) * | 2002-08-05 | 2004-06-22 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Very high efficiency, miniaturized, long-lived alpha particle power source using diamond devices for extreme space environments |
| CN101320601A (en) * | 2008-06-18 | 2008-12-10 | 西北工业大学 | Silicon carbide Schottky junction type nuclear cell and preparation thereof |
| US20120326164A1 (en) * | 2009-11-19 | 2012-12-27 | Cornell University | Betavoltaic apparatus and method |
| RU2568958C1 (en) * | 2014-07-08 | 2015-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method to convert energy of ionising radiation into electric energy |
-
2017
- 2017-12-26 RU RU2017145935A patent/RU2668229C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6753469B1 (en) * | 2002-08-05 | 2004-06-22 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Very high efficiency, miniaturized, long-lived alpha particle power source using diamond devices for extreme space environments |
| CN101320601A (en) * | 2008-06-18 | 2008-12-10 | 西北工业大学 | Silicon carbide Schottky junction type nuclear cell and preparation thereof |
| US20120326164A1 (en) * | 2009-11-19 | 2012-12-27 | Cornell University | Betavoltaic apparatus and method |
| RU2568958C1 (en) * | 2014-07-08 | 2015-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method to convert energy of ionising radiation into electric energy |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023280689A1 (en) * | 2021-07-05 | 2023-01-12 | University Of Bristol | Process for integrating tritium into diamond |
| RU2793798C1 (en) * | 2021-12-24 | 2023-04-06 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Чеченский Государственный Университет Имени Ахмата Абдулхамидовича Кадырова" | Process for increasing adhesion |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2922779B2 (en) | Nuclear battery | |
| US5637510A (en) | Method for fabricating solar cell | |
| JP2003017723A (en) | Method of manufacturing thin semiconductor film and method of manufacturing solar battery | |
| US3714474A (en) | Electron-voltaic effect device | |
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| JP2003516631A (en) | Low leakage current protected silicon carbide device and manufacturing method | |
| EP0175567B1 (en) | Semiconductor solar cells | |
| US11875907B2 (en) | Series and/or parallel connected alpha, beta, and gamma voltaic cell devices | |
| JP5156059B2 (en) | Diode and manufacturing method thereof | |
| JP2010103510A (en) | Photoelectric conversion device and method of manufacturing the same | |
| US4151011A (en) | Process of producing semiconductor thermally sensitive switching element by selective implantation of inert ions in thyristor structure | |
| RU2668229C1 (en) | Method of manufacturing semiconductor converter of ionizing radiation energy to electricity | |
| JPH0815160B2 (en) | Diamond Schottky gate type field effect transistor | |
| JPS58197825A (en) | Method of forming semiconductor protecting layer | |
| JPH08107223A (en) | Manufacture of silicon carbide semiconductor element | |
| RU2791719C1 (en) | Beta-voltaic battery and method of its production | |
| US9842958B2 (en) | Ultrananocrystalline diamond contacts for electronic devices | |
| JPS5817678A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
| JPH0467336B2 (en) | ||
| CN110892514A (en) | Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device | |
| Candelori | Semiconductor materials and detectors for future very high luminosity colliders | |
| US20220352048A1 (en) | Method of Manufacturing Semiconductor Chips having a Side Wall Sealing | |
| CN116598038A (en) | Nuclear battery and manufacturing method thereof | |
| TW447000B (en) | Alternative structure to SOI using proton beams | |
| JP4061413B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device |