RU2714783C2 - Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада с-14 в электрическую - Google Patents
Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада с-14 в электрическую Download PDFInfo
- Publication number
- RU2714783C2 RU2714783C2 RU2019116727A RU2019116727A RU2714783C2 RU 2714783 C2 RU2714783 C2 RU 2714783C2 RU 2019116727 A RU2019116727 A RU 2019116727A RU 2019116727 A RU2019116727 A RU 2019116727A RU 2714783 C2 RU2714783 C2 RU 2714783C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- silicon carbide
- temperature
- carbon
- silicon substrate
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 62
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 62
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 61
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 58
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 14
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 13
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims abstract description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims abstract 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 7
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-NJFSPNSNSA-N Carbon-14 Chemical compound [14C] OKTJSMMVPCPJKN-NJFSPNSNSA-N 0.000 claims 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005247 gettering Methods 0.000 abstract description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 230000010399 physical interaction Effects 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 20
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 16
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 16
- VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N tetrachloromethane Chemical compound ClC(Cl)(Cl)Cl VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 10
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-NJFSPNSNSA-N carbane Chemical compound [14CH4] VNWKTOKETHGBQD-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 5
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 5
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 4
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 4
- 244000309464 bull Species 0.000 description 3
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- MMCPOSDMTGQNKG-UJZMCJRSSA-N aniline;hydrochloride Chemical compound Cl.N[14C]1=[14CH][14CH]=[14CH][14CH]=[14CH]1 MMCPOSDMTGQNKG-UJZMCJRSSA-N 0.000 description 1
- MMCPOSDMTGQNKG-UHFFFAOYSA-N anilinium chloride Chemical compound Cl.NC1=CC=CC=C1 MMCPOSDMTGQNKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005255 beta decay Effects 0.000 description 1
- -1 carbon tetrachloride compound Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/32—Carbides
-
- H01L21/205—
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области микроэлектронной технологии, а именно к способу формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада С-14 в постоянный ток. Техническое решение включает CVD-процесс, в котором формирование пленки карбида кремния осуществляют с участием атомов кристаллической решетки кремниевой подложки и атомов углерода, для этого создают условия химического переноса водородом углерода через стадию образования углеводородов в контейнере-реакторе с температурой зоны 1000-1200°С и последующее их разложение на поверхности подложек кремния в более высокотемпературной зоне 1360-1380°С по ходу движения водорода расходом 0,3-0,5 л/мин, в процессе роста фазы карбида кремния на кремниевой подложке перед ней движется сетка дислокаций несоответствия параметров решетки, последующий термический отжиг гетероструктуры производят в вакууме при температуре от 1000 до 1100°С в течение соответственно от 60 до 30 минут, что обеспечивает эффект локализации или геттерирующего захвата сверхстехиометрического и растворенного атомарного С-14 на сетке дислокаций в фазе кремния, физическое взаимодействие бета-электронов высокой энергии с фазой кремния порождает дополнительные вторичные электроны, это приводит к градиентному диффузионному потоку электронов в фазе кремния, жертвенный карбидокремниевый слой выполнил свою роль и его удаляют частично или полностью для формирования контактных площадок к кремнию, а в других вариантах исполнения и к карбиду кремния, при этом пленка карбида кремния может быть изотипной с подложкой кремния как p-, так и n-типа проводимости, окисленной с нерабочей стороны. Способ упрощает технологию формирования структуры энергопреобразователя, сохраняя эффективность использования радиоизотопа в минимальном количестве. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области микроэлектронной технологии, а именно к способу формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада С-14 в электрическую.
Известны способы прямого преобразования энергии радиохимического распада полупроводниковыми структурами с p-n переходами. В известных способах используется энергия бета-электронов для генерации неравновесных носителей (электронов и дырок) в области объемного пространственного заряда p-n перехода, разделения их собственным внутренним полем (полевой эффект). В технических решениях, принятых за аналоги и прототип, отмечены факторы, влияющие на эффективность энергопреобразования, например, вид радионуклида, площадь излучающей поверхности, вид и тип полупроводника. Прямое преобразование энергии ядерного радиохимического превращения по бета-каналу распада в электрическую энергию осуществляют с использованием изотопов с приемлемым периодом полураспада: 3H, 63Ni, 147 Pm, 14C и полупроводников с p-n-переходом: Si, GaAs, Al0.35Ga0.65As, SiC, GaN, Si-аморфный гидрогенизованный, алмазные пленки. Кроме того, для увеличения площади контакта радионуклидов с полупроводниковой диодной структурой применяют микроэлектронные технологии для профилирования структур, изготовления сквозных каналов. Наиболее близкими аналогами и прототипом являются нижеприведенные изобретения, с общими для них недостатками - это сложность технологического способа формирования структур энергопреобразователей:
Айзенштат Г.И., Прокопьев Д.Г., Ядерная батарейка патент Н01L 31/04, RU№ 2461915, C1, Опубликовано: 20.09.2012 Бюл. №26;
Guo H. Zhang K., Zhang Yu, Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery fnd the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472 A1. Pub.date: 14.08.2014;
Акульшин Ю.Д., Лурье М.С., Пятышев Е.Н., Глуховской А.В., Казакин А.В. Бета-вольтаический МЭМС-преобразователь энергии. St. Petersburg State Poletechnecal University Journal 5 (205) 2014 Computer Science. Telecommunications and Control Systems. P.35-42).
Задде В.В., Пустовалов А.А., Пустовалов С.А., Цветков Л.А., Цветков С.Л. Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию, патент RU№2452060 C2, H01L 31/04, G01H 01/00 Опубликовано: 27.05.2012, бюл. №15) в котором использована пластина полупроводника с текстурированной поверхностью и со сквозными каналами. Стенки каналов имеют диодную структуру по образующей к стенкам каналов, стенки каналов и поверхность покрывают радиоактивным веществом, содержащим 3H или 63Ni. Шаг каналов в сотовой структуре и диаметр канала соизмерим и составляет 100мкм. Недостатком технического решения является технологически неэффективное использование дорогостоящего изотопа Ni-63, вследствие явления самопоглощения в пределах трековой области объема самого изотопа, кроме того, в данном техническом решении использована структура с недостаточно развитой поверхностью контакта изотоп - полупроводник.
Магобетбеков Э.П., Меркушкин А. О., и др. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа 63Ni и способ его получения. Патент RU №2641100 С1, МПК Н01L 29/66, G01H 1/02, опубликовано 16.01.2018 Бюл. № 2. Способ представлен последовательностью технологических операций изготовления структур и сборки элементов конструкции. Недостатком технического решения является неэффективность преобразования энергии радиохимического распада связанного с выбором способа сопряжения источника излучения с полупроводниковым преобразователем энергии, т.к. генерация неравновесных носителей ограничена площадью контакта 63Ni, несмотря на использование текстурированной поверхности полупроводниковой структуры.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является патент (RU №2653398 C2, H01L 21/205, C23C16/32, C23C16/32. Опубликовано: 08.05.2018, бюл. №13) - это способ получения полупроводниковой гетероструктуры карбида кремния на кремниевой подложке, включающий формирование слоя карбида кремния при участии поверхностных атомов кристаллической решетки кремниевой подложки и атомов углерода, процесс включает стадии: химический транспорт углерода посредством потока водорода расходом 0,3-0,5 л/мин. в молекулярной форме углеводородов образующихся при температуре 1000-1200°С, перенос углеводородов по кассетам реактора для последующей реакции углеводородов с атомами кристаллической решетки кремниевой подложки в зону протекания второй стадии процесса формирования фазы карбида кремния при температуре 1340-1360°С (диапазон температур предупреждает обеднение газовой смеси углеводородами по направлению газового потока); p-n-переход формируют посредством легирования атомами посторонней примеси предшествующего слоя карбида кремния, способ характеризуется тем, что углерод переносят в молекулярной форме соединения углеводорода содержащего изотоп углерода-14 одновременно с подачей легирующей примеси при формировании карбидокремниевой фазы. Радиоизотоп в структуре карбида кремния, испуская бета-электроны, возбуждает неравновесные носители в области p-n перехода и внутреннее электрическое поле области пространственного заряда, разделяет электроны и дырки, которые по внешней цепи создают постоянный электрический ток по времени соизмеримый с периодом полураспада. Недостаток данного технического решения заключается в том, что в гетероструктуре необходимо формировать поры для увеличения площади излучающей поверхности, на поверхности пор формируют p-n переход путем легирования посторонними примесями, в технологическом исполнении формирование структуры многостадийное и сложное.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в упрощении технологии изготовления энергопреобразователя без ухудшения функциональных возможностей радоизотопа и эффективности по генерации постоянного тока.
Указанный технический эффект достигается тем, что в предполагаемом изобретении используют иной физический механизм генерации, а именно, создают градиент концентрации носителей тока в структуре. В гетероструктуре карбида кремния на кремниевой подложке в процессе роста пленки карбида кремния при температуре 1360 - 1380°С формируется сетка дислокаций в матрице кремния, которая движется перед фронтом роста карбидокремниевой фазы. Сетка дислокаций выполняет две роли:
во-первых, выполняет роль буферного слоя, релаксируя механические напряжения несоответствия параметров решетки подложки кремния и пленки карбида кремния содержащего С-14, последний, имея больший атомный радиус, изменяет параметр решетки элементарной решетки карбида кремния в сторону увеличения, тем самым способствует уменьшению механических напряжений несоответствия в области сопряжения фаз и, во-вторых, при своем движении, связанном с ростом толщины пленки карбида кремния, сетка дислокаций локализованная по плоскости сопряжения фаз выполняет роль скрытого геттера или центра захвата точечных дефектов (собственных и посторонних примесей), включая радиоизотоп С-14. Последующий термический отжиг гетероструктуры при температуре 1000 - 1050°С приводит к гомогенизации распределения радиоизотопа в фазе карбида кремния и эффекту окончательной локализации на центрах стока адсорбированных атомов С-14. Энергии бета-электронов радиоизотопа достаточно для генерации неравновесных носителей в области сопряжения примыкающей к сетке дислокаций. Избыточная концентрация электронов диффундирует в направлении их пониженной концентрации в Si-подложке, защищенной с противолежащей стороны окисным слоем, предупреждающим рост пленки карбида кремния с С-14. Направленное движение носителей в градиенте его концентрации и есть диффузионный постоянный ток. В данном техническом решении металлизацию контактных площадок для съема электрических зарядов выполняют известными способами к области кремния на границе геттерного слоя и к тыльной стороне подложки противолежащей геттерирующему слою. Эффект, в некоторой степени, аналогичен термо-ЭДС, который наблюдается в однородных полупроводниках.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1.
Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада в электрическую реализуется в примерах его конкретного исполнения.
Пример 1. Выращивание пленки карбида кремния осуществляют, используя технологическую установку CVD-эпитаксии. В испаритель-барботер газового блока загружают органическое соединение гидрохлорид анилина, включающего в свою молекулу радиоизотоп С-14. Подложки монокристаллического кремния КЭФ-20 (110), окисленные с нерабочей стороны устанавливают в «секции-кассеты» контейнера. Секции с установленными подложками соединяют друг с другом таким образом, чтобы они сообщались по газовому потоку, омывающему подложки. На сочлененные секции (образующие контейнер) устанавливают тепловые экраны только на области расположения секций с подложками кремния, что обеспечивает необходимый градиент температуры по ходу движения газа-носителя. Крайняя секция контейнера для загрузки углеродом с целью генерации углеводородов, не оснащена тепловым экраном. Оснастка и контейнер выполнены из графита и футерованы поликристаллическим карбидом кремния. Контейнер устанавливают в реактор проточного типа, работающий при атмосферном давлении. Далее следуют типовые технологические операции в следующей последовательности: продувка аргоном, продувка водородом диффузионной очистки, затем включают ВЧ-нагрев водоохлаждаемого кварцевого реактора. Температуру поднимают ступенчато, чтобы обеспечить удаление неконтролируемых посторонних газов из реактора и из контейнера, затем повышают температуру для финишного травления подложек в парах четыреххлористого углерода в потоке водорода из отдельного испарителя. По завершении травления твердофазное превращение поверхности кремния в карбид кремния со скоростью от 0,8 до 1,5 мкм/час осуществляют при температуре 1360°С в потоке водорода 0,3 л/мин. через испаритель с радиоизотопным соединением, при этом температура крайней не заэкранированной тепловыми экранами секции-кассеты вследствие теплового рассеяния излучением и конвекцией устанавливается 1100°С, что обеспечивает генерацию углеводородов по обратимой реакции водорода с углеродом в крайней «секции-кассете» контейнера. Углеводородные газы (с парами гидрохлорида анилина, содержащего радиоизотоп С-14), газом-носителем водородом переносятся в последовательно сообщающиеся кассеты с подложками. Термодинамическое равновесие реакции углерода с водородом при температуре 1360°С смещается в сторону распада углеводородов с выделением углерода С- 12 и С-14 на поверхности подложек. Кремний и углерод при этой температуре вместе не сосуществуют (согласно диаграмме состояний «состав-свойство») и образуют новую фазу карбида кремния. Далее фазовое преобразование поверхности подложки кремния протекает по диффузионному механизму, процесс прекращают по достижении требуемой толщины пленки карбида кремния на подложке кремния, включая сформированный гетеропереход SiC/Si. Сетка дислокаций несоответствия при движении перед фронтом роста карбидокремниевой фазы выполнила функцию геттерирования радиоизотопа, сконцентрировав его в кремнии в области гетероперехода. Скорость роста пленки карбида кремния от 0,8 до 1,5 микрон в течение часа. Температуру снижают по окончании процесса со скоростью 100°С в минуту до 1000°С и ВЧ-нагрев выключают, далее следуют стандартные операции: продувка аргоном и извлечение изотипных гетероструктур из контейнера. Последующий термический отжиг гетероструктуры выполняют в вакууме при температуре 1050°С в течении 40 минут. Затем следуют стандартные технологические операции полупроводниковой микроэлектроники по удалению пленки карбида кремния выполняющую роль жертвенного слоя и защитного окисла с подложки кремния для формирования металлизации контактных площадок к градиентной структуре кремния по С-14. Излучение бета-электронов радиоизотопом С-14 генерирует дополнительную концентрацию неравновесных носителей в области гетероперехода, градиент концентрации электронов вызывает направленный диффузионный ток по толщине подложки кремния в области между контактными площадками.
После скрайбирования структур с градиентной концентрацией электронов чипы без металлизации размером 1,5×1,5 мм. и 10×10 мм. подвергнуты послеоперационным измерениям на измерительной ячейке с прижимными зондовыми контактами стенда электрофизических измерений, исключающим электромагнитные посторонние наводки и электромагнитное излучение, кроме теплового отвечающего комнатной температуре. Структуры генерируют постоянный ток короткого замыкания от 2.7 до 5.0 нА и напряжение холостого хода от 0.4 до 4.6 мВ, при активности исходного радиоизотопа, загруженного в барботер-испаритель 20 мкКи.
Пример 2. Выращивание пленки карбида кремния осуществляют, используя технологическую установку CVD-эпитаксии. В испаритель-барботер для легирования пленок карбида кремния загружают соединение четыреххлористый углерод, включающий в свою молекулу радиоизотоп С-14. Подложки монокристаллического кремния КСД-5 (111), окисленные с нерабочей стороны, устанавливают в секции контейнера. Секции-кассеты с подложками соединяют друг с другом таким образом, чтобы они сообщались по газовому потоку, омывающему подложки. На сочлененные секции (образующие контейнер) устанавливают тепловые экраны только на области расположения секций с подложками кремния, что обеспечивает необходимый градиент температуры по ходу движения газа-носителя. Крайняя секция контейнера выполнена из графита, она не оснащена тепловым экраном. Оснастка и контейнер изготовлены из графита и футерованы поликристаллическим карбидом кремния. Контейнер устанавливают в реактор проточного типа, работающий при атмосферном давлении. Далее следуют типовые технологические операции в следующей последовательности: продувка аргоном, продувка водородом диффузионной очистки, затем включают ВЧ-нагрев водоохлаждаемого кварцевого реактора. Температуру поднимают ступенчато, чтобы обеспечить удаление неконтролируемых посторонних газов из реактора и из контейнера, затем повышают температуру для финишного травления подложек при температуре в диапазоне от 1000 до 1100°С в парах четыреххлористого углерода из отдельного испарителя без радиоизотопа в потоке водорода 0,3 л/мин. По завершении травления твердофазное превращение кремния в карбид кремния осуществляют при температуре в диапазоне от 1360 до 1380°С в потоке водорода 3 л/мин через испаритель-барботер с четыреххлористым углеродом в молекуле которого содержится радиоизотоп С-14, температуру испарителя-барботера поддерживают в диапазоне 40-60°С. Термодинамическое равновесие реакции в системе (С-Сl-Н) над подложками кремния смещается в сторону восстановления четыреххлористого углерода в потоке водорода с выделением углерода С-14 на поверхности подложек. Кремний и углерод при этой температуре вместе не сосуществуют и образуют новую фазу карбида кремния. Далее фазовое преобразование протекает по диффузионному механизму, которое прекращают по достижении требуемой толщины пленки карбида кремния на подложке кремния, включая формирование гетероперехода SiC/Si. Сетка дислокаций несоответствия при движении перед фронтом роста карбидокремниевой фазы выполнила функцию геттерирования радиоизотопа, сконцентрировав его в кремнии в области гетероперехода. В рассматриваемом варианте по окончании ростового процесса водород направляют минуя барботеры, температуру контейнера снижают со скоростью 100°С в минуту до 1000°С и ВЧ-нагрев выключают, далее следуют стандартные операции: продувка аргоном и извлечение гетероструктур из контейнера. Полученные гетероструктуры изотипной проводимости, наследуют ориентацию исходных подложек кремния, скорость их формирования от 1,5 до 2,5 микрона в течение часа Последующий термический отжиг гетероструктуры выполняют в вакууме при температуре 1000°С в течении 60 минут. Затем следуют стандартные технологические операции полупроводниковой микроэлектроники по удалению пленки карбида кремния выполняющую роль жертвенного слоя и удалению защитного окисла с подложки кремния для формирования металлизации контактных площадок к градиентной структуре. Излучение бета-электронов радиоизотопа генерирует дополнительную концентрацию неравновесных носителей в области гетероперехода, градиент концентрации электронов вызывает направленный диффузионный ток по толщине подложки кремния между контактными площадками. После скрайбирования структур с градиентной концентрацией электронов чипы без металлизации размером 1,5×1,5 мм. и 10×10 мм. подвергнуты послеоперационным измерениям в ячейке с зондовыми прижимными контактами измерительного стенда, исключающем электромагнитные посторонние наводки и электромагнитное излучение, кроме теплового отвечающего комнатной температуре. Структуры генерируют постоянный ток короткого от 2.6 до 7.4 нА и напряжение холостого хода от 1.5 до 5.0 мВ, при активности исходного радиоизотопа, загруженного в барботер-испаритель 20 мкКи.
Пример 3. Выращивание пленки карбида кремния осуществляют, используя технологическую установку CVD-эпитаксии. В качестве углерода для химического транспорта используют изотоп углерода с массовым числом 14, его загружают в крайнюю кассету контейнера (без теплового экрана с рабочей температурой, поддерживаемой в диапазоне от 1000 до 1200°С). Подложки монокристаллического кремния КЭФ-32 (100), окисленные с нерабочей стороны, устанавливают в последующие кассеты контейнера. Кассеты с установленными подложками соединяют друг с другом таким образом, чтобы они сообщались по газовому потоку, омывающему подложки. На сочлененные секции (образующие контейнер) устанавливают тепловые экраны только в области расположения кассет с подложками кремния, что обеспечивает необходимый градиент температуры по ходу движения газа-носителя. Крайняя кассета контейнера не оснащена тепловым экраном. Оснастка и контейнер изготовлены из графита и футерованы поликристаллическим карбидом кремния. Контейнер устанавливают в реактор проточного типа, работающий при атмосферном давлении. Далее следуют типовые технологические операции в следующей последовательности: продувка аргоном, продувка водородом диффузионной очистки, затем включают ВЧ-нагрев водоохлаждаемого кварцевого реактора. Температуру поднимают ступенчато, чтобы обеспечить удаление неконтролируемых посторонних газов из реактора и из контейнера, затем повышают температуру для финишного травления подложек при температуре в диапазоне от 1000 до 1100°С в парах четыреххлористого углерода из испарителя в потоке водорода 0,3 л/мин. По завершении травления твердофазное превращение кремния в карбид кремния осуществляют при температуре в диапазоне от 1360 до 1380°С в потоке водорода 3 л/мин. Химический транспорт углерода С-12 и С-14 осуществляют посредством обратимой реакции водорода с углеродом из зоны контейнера с температурой 1100- 1200°С в виде углеводородов, которые переносятся в зону контейнера с температурой в диапазоне от 1360 до 1380°С, при которых углеводороды по обратно смещенной реакции разлагаются с выделением углерода С-12 и С-14 на поверхности подложек. Кремний и углерод при этой температуре вместе не сосуществуют и образуют на поверхности подложки кремния новую фазу карбида кремния. Далее фазовое преобразование протекает по диффузионному механизму, которое прекращают по достижении требуемой толщины пленки карбида кремния на подложке кремния, включая формирование гетероперехода SiC/Si. Сетка дислокаций несоответствия параметров решетки сопрягаемых фаз при движении перед фронтом роста карбидокремниевой фазы выполнила функцию геттерирования сверхстехиометрического и растворенного в структуре радиоизотопа, сконцентрировав его в кремнии в области гетероперехода. В рассматриваемом варианте по окончании ростового процесса температуру контейнера снижают со скоростью 100°С в минуту до 1000°С и ВЧ-нагрев выключают, далее следуют стандартные операции: продувка аргоном и извлечение гетероструктур из кассет контейнера. Полученные гетероструктуры изотипной проводимости, наследуют ориентацию исходных подложек кремния, скорость их формирования от 1,5 до 2,5 микрона в течение часа. Последующий термический отжиг гетероструктуры выполняют в вакууме при температуре 1050°С в течении 40 минут. Затем следуют стандартные технологические операции полупроводниковой микроэлектроники по удалению пленки карбида кремния выполняющую роль жертвенного слоя и защитного окисла с подложки кремния для формирования металлизации контактных площадок к полученной градиентной по С-14 подложке кремния. Излучение бета-электронов радиоизотопа генерирует дополнительную концентрацию неравновесных носителей в области гетероперехода, градиент концентрации электронов вызывает направленный диффузионный ток по подложке кремния в направлении от геттерирующей границы к тыльной стороне.
После скрайбирования структур чипы без металлизации размером 1,5×1,5 и 10×10 мм. мм. подвергнуты послеоперационным измерениям в ячейке с зондовыми прижимными контактами измерительного стенда, исключающем электромагнитные посторонние наводки и электромагнитное излучение, кроме теплового отвечающего комнатной температуре. Структуры генерируют постоянный ток короткого в диапазоне от 1.2 до 4.6 нА и напряжение холостого хода от 66 до 80.4 мВ, при активности исходного радиоизотопа 20 мкКи.
Пример 4. Выращивание пленки карбида кремния осуществляют, используя технологическую установку CVD-эпитаксии. В качестве углерода для химического транспорта используют изотоп углерода с массовым числом 14, его загружают в крайнюю кассету контейнера (без теплового экрана с рабочей температурой, поддерживаемой в диапазоне от 1000 до 1200°С). Подложки монокристаллического кремния КДБ-4,5 (100), окисленные с нерабочей стороны, устанавливают в последующие сборки кассет контейнера. Кассеты с установленными подложками соединяют друг с другом в сборку таким образом, чтобы они сообщались по газовому потоку, омывающему подложки. На сочлененные секции (образующие контейнер) устанавливают тепловые экраны только на области расположения кассет с подложками кремния, что обеспечивает необходимый градиент температуры по ходу движения газа-носителя. Крайняя кассета не оснащена тепловым экраном. Оснастка и контейнер изготовлены из графита и покрыты поликристаллическим карбидом кремния. Контейнер устанавливают в реактор проточного типа, работающий при атмосферном давлении. Далее следуют типовые технологические операции в следующей последовательности: продувка аргоном, продувка водородом диффузионной очистки, затем включают ВЧ-нагрев водоохлаждаемого кварцевого реактора. Температуру поднимают ступенчато, чтобы обеспечить удаление неконтролируемых посторонних газов из реактора и из контейнера, затем повышают температуру для финишного травления подложек при температуре в диапазоне от 1000 до 1100°С в парах четыреххлористого углерода из испарителя в потоке водорода 0,3 л/мин. По завершении травления твердофазное превращение кремния в карбид кремния осуществляют при температуре в диапазоне от 1360 до 1380°С в потоке водорода 3 л/мин. Химический транспорт углерода С-12 и С-14 осуществляют посредством обратимой реакции водорода с углеродом из зоны контейнера с температурой 1100 - 1200°С в виде углеводородов, которые переносятся в зону контейнера с температурой в диапазоне от 1360 до 1380°С в которой углеводороды по обратносмещенной реакции разлагаются с выделением углерода С-12 и С-14 на поверхности подложек. Кремний и углерод при этой температуре вместе не сосуществуют и образуют на поверхности подложки кремния новую фазу карбида кремния. Далее фазовое преобразование протекает по диффузионному механизму, которое прекращают по достижении требуемой толщины пленки карбида кремния на подложке кремния, включая формирование гетероперехода SiC/Si. Сетка дислокаций несоответствия параметров решетки сопрягаемых фаз при движении перед фронтом роста карбидокремниевой фазы выполнила функцию геттерирования радиоизотопа, сконцентрировав его в кремнии в области гетероперехода. В рассматриваемом варианте по окончании ростового процесса температуру контейнера снижают со скоростью 100°С в минуту до 1000°С и ВЧ-нагрев выключают, далее следуют стандартные операции: продувка аргоном и извлечение гетероструктур из кассет контейнера. Полученные гетероструктуры изотипной проводимости, наследуют ориентацию исходных подложек кремния, скорость их формирования от 1,5 до 2,5 микрона в течение часа. Последующий термический отжиг гетероструктуры выполняют в вакууме при температуре 1100°С в течении 30 минут. Затем следуют стандартные технологические операции полупроводниковой микроэлектроники по частичному удалению изотипной пленки карбида кремния и полному удалению защитного окисла с тыльной стороны подложки кремния для формирования металлизации контактных площадок к полученной структуре. Излучение бета-электронов радиоизотопа генерирует неравновесные носители в области объемного заряда с внутренним полем гетероперехода, и дополнительно работает механизм градиентной концентрации электронов по подложке кремния. После скрайбирования структур с градиентной концентрацией электронов чипы без металлизации размером 10×10 мм подвергнуты послеоперационным измерениям в ячейке с зондовыми прижимными контактами к частично оставленной (50%) карбидокремниевой пленке и к вскрытым от жертвенного слоя карбида кремния кремниевых поверхностей (фронтальной и тыльной). Измерительный стенд выполнен в исполнении, исключающем электромагнитные посторонние наводки и электромагнитное излучение, кроме теплового диапазона, отвечающего комнатной температуре. Структуры генерируют постоянный ток короткого замыкания в диапазоне от 1.3 до 3.4 нА и напряжение холостого хода от 0.4 до 29 мВ, при активности загруженного исходного радиоизотопа 20 мкКи.
Claims (3)
1. Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада С-14 в электрическую, включающий формирование пленки карбида кремния с участием атомов кристаллической решетки кремниевой подложки и атомов углерода, при этом осуществляют химический перенос водородом углерода через стадию образования углеводородов в зоне реактора с температурой 1000-1200°С и их последующее разложение на поверхности подложек кремния в высокотемпературной зоне 1360°С по ходу движения водорода расходом 0,3-0,5л/мин, альтернативой химического переноса углерода с массовым числом 14 является перенос водородом расходом 3-5 л/мин в зону подложек кремния органического соединения в соотношении от 1:4 до 1:10, содержащего в своем составе углерод-14, отличающийся тем, что пленка карбида кремния формируется в диапазоне температур от 1360 до 1380°С, при этом в процессе ее роста перед ней движется сетка дислокаций, последующий термический отжиг гетероструктуры производят в вакууме при температуре от 1000 до 1100°С в течение соответственно от 60 до 30 минут, что обеспечивает захват сверхстехиометрических и растворенных атомов С-14 на сетке дислокаций, выполняющей роль скрытого геттера в фазе кремния, взаимодействие бета-электронов с фазой кремния порождает вторичные электроны и тем самым создается градиентный диффузионный поток электронов со стороны жертвенного карбидокремниевого слоя и тыльной стороной подложки кремния, предварительно окисленной.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жертвенный слой карбида кремния делают изотипным с подложкой кремния как p-, так и n-типа проводимости.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жертвенный слой карбида кремния частично не удаляют, а изотипный гетеропереход карбида кремния на кремнии используют для целей дополнительной генерации электрического тока.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019116727A RU2714783C2 (ru) | 2019-05-29 | 2019-05-29 | Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада с-14 в электрическую |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019116727A RU2714783C2 (ru) | 2019-05-29 | 2019-05-29 | Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада с-14 в электрическую |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2019116727A RU2019116727A (ru) | 2019-07-09 |
| RU2019116727A3 RU2019116727A3 (ru) | 2019-10-31 |
| RU2714783C2 true RU2714783C2 (ru) | 2020-02-19 |
Family
ID=67209773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019116727A RU2714783C2 (ru) | 2019-05-29 | 2019-05-29 | Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада с-14 в электрическую |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2714783C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2814063C1 (ru) * | 2023-11-13 | 2024-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ выращивания полупроводниковой пленки |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2286616C2 (ru) * | 2005-02-10 | 2006-10-27 | Фонд поддержки науки и образования | Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| RU2461915C1 (ru) * | 2011-04-28 | 2012-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Ядерная батарейка |
| US20140225472A1 (en) * | 2011-10-19 | 2014-08-14 | Xidian University | I-Layer Vanadium-Doped Pin Type Nuclear Battery and the Preparation Process Thereof |
| RU2653398C2 (ru) * | 2016-07-19 | 2018-05-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния |
-
2019
- 2019-05-29 RU RU2019116727A patent/RU2714783C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2286616C2 (ru) * | 2005-02-10 | 2006-10-27 | Фонд поддержки науки и образования | Способ изготовления изделия, содержащего кремниевую подложку с пленкой из карбида кремния на ее поверхности |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| RU2461915C1 (ru) * | 2011-04-28 | 2012-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Ядерная батарейка |
| US20140225472A1 (en) * | 2011-10-19 | 2014-08-14 | Xidian University | I-Layer Vanadium-Doped Pin Type Nuclear Battery and the Preparation Process Thereof |
| RU2653398C2 (ru) * | 2016-07-19 | 2018-05-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2814063C1 (ru) * | 2023-11-13 | 2024-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ выращивания полупроводниковой пленки |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2019116727A3 (ru) | 2019-10-31 |
| RU2019116727A (ru) | 2019-07-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4582561A (en) | Method for making a silicon carbide substrate | |
| JP2965094B2 (ja) | 堆積膜形成方法 | |
| EP0179138B1 (en) | A method of forming a composite semiconductor structure | |
| CA2095449C (en) | Supersaturated rare earth doped semiconductor layers by chemical vapor deposition | |
| EP1036863B1 (en) | Method for synthesizing n-type diamond having low resistance | |
| Xu et al. | New strategies for Ge-on-Si materials and devices using non-conventional hydride chemistries: the tetragermane case | |
| RU2653398C2 (ru) | Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния | |
| JPS6043819A (ja) | 気相反応方法 | |
| Hong et al. | Fully Bottom‐Up Waste‐Free Growth of Ultrathin Silicon Wafer via Self‐Releasing Seed Layer | |
| RU2714783C2 (ru) | Способ формирования полупроводниковых структур для преобразования энергии радиохимического распада с-14 в электрическую | |
| Woodall et al. | LPE growth of GaAs-Ga1-xAlxAs solar cells | |
| Kumashiro et al. | Preparation of boron and boron phosphide films by photo-and thermal chemical vapor deposition processes | |
| Ritenour et al. | Towards high-efficiency GaAs thin-film solar cells grown via close space vapor transport from a solid source | |
| JPH0725636B2 (ja) | 半導体ダイヤモンドの製造方法 | |
| JPS6370515A (ja) | 化学的気相成長方法及び化学的気相成長装置 | |
| US20110042685A1 (en) | Substrates and methods of fabricating epitaxial silicon carbide structures with sequential emphasis | |
| Nakabayashi et al. | Epitaxial Growth of Pure 30Si Layers on a Natural Si (100) Substrate Using Enriched 30SiH4 | |
| JP3854072B2 (ja) | 半導体基板への不純物ドーピング方法及びそれによって製造される半導体基板 | |
| KR102489893B1 (ko) | 베타전지 및 베타전지의 제조 방법 | |
| RU2366035C1 (ru) | Способ получения структуры многослойного фотоэлектрического преобразователя | |
| WO2021261896A1 (ko) | 베타전지 및 베타전지의 제조 방법 | |
| EP4415024A1 (en) | Method for reducing stacking faults in silicon carbide, and structure created by means of said method | |
| WO2023199954A1 (ja) | 不純物ドープ半導体の製造方法 | |
| Venkatasubramanian et al. | Epitaxy of germanium using germane in the presence of tetramethylgermanium | |
| Kartopu et al. | Cadmium Telluride and Related II‐VI Materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |