KR20190109495A - 가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 - Google Patents
가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20190109495A KR20190109495A KR1020197024967A KR20197024967A KR20190109495A KR 20190109495 A KR20190109495 A KR 20190109495A KR 1020197024967 A KR1020197024967 A KR 1020197024967A KR 20197024967 A KR20197024967 A KR 20197024967A KR 20190109495 A KR20190109495 A KR 20190109495A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- wafer
- doped
- channel
- horizontal
- junction
- Prior art date
Links
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 15
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 48
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 9
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 boron ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
본 발명은 동위원소 공급원의 이온화 방사선을 전기로 변환시키는 에너지 변환기에 관한 것이다 (EMF). 이러한 공급원은 단위 부피 당 에너지가 훨씬 더 커 축전기 및 배터리와 다르나 단위 시간당 낮은 방출 전력을 가진다. 이러한 공급원은 경량이고 크기가 작으면서도 태양 복사의 부재 하에 고출력 배터리 또는 축전기의 직접 충전을 제공할 수 있다. 동위 원소 변환기 수명은 조사 물질의 반감기에 의해 결정된다. 63Ni의 경우 수명은 약 100년이다. 본 발명의 목적은 이온화 방사선 변환기의 비출력 전력의 증가, 본 기술의 단순화 및 비용 절감이다. 이러한 목표는 특정 베타 방사선 변환기 구성을 사용하여 달성되며 동위원소 방출 표면의 최대 면적을 제공할 수 있는 이 생산 기술은 고품질 평면 수평 p-n 접합의 최소 면적으로 실현된다.
Description
본 발명은 이온화 방사선 에너지를 전기로 변환시키는 변환기(EMF)에 관한 것이며, 예를 들어 광산과 같이 매우 폭발하기 쉬운 지역의 드론 항공 분야, 접근하기 어려운 지역에 위치한 야간 표지, 의료 분야 (심장박동조절기) 등에 사용될 수 있다.
이러한 동력원에 대한 관심은 리튬 배터리의 에너지 밀도와 비교할 만한 방사성 동위 화학 원소의 높은 에너지 밀도뿐만 아니라 최근 급격히 발전하고 있는 기술인 마이크로 전자 기계 시스템 내에 방사성 동위원소 배터리를 통합할 가능성에 의해 크게 좌우된다. 베타-볼타 배터리를 기반으로 하는 독립적 동력원은 많은 영역에서 필요하다:
- 의료 분야의 경우, 이식된 센서 및 이식된 박동 조절기용, 예를 들어 환자의 심장에 직접 이식된 것 (심장박동조절기). 수명이 긴 오래가는 동력원(독립 수명은 25년 보다 적지 않음)은 심장박동조절기 동력원 교체를 위한 반복적 수술의 필요성을 없앨 것이다.
- 설비 내에 내장된 센서용, 예를 들어 접근하기 어려운 지역에 위치한 기상 관측소 동력원의 경우 자체 기록기의 사용으로 온도, 대기 압력 및 풍속을 독립적으로 측정할 수 있다.
- 우주 공학의 경우, 보다 구체적으로, 항해 위성의 보조 동력원용의 경우 우주에서 동력원은 갑작스럽고 매우 강력한 온도 변화 조건 하에서 장시간 동안 전기를 생산해야 하기 때문이다.
- 군사 산업의 경우, 예를 들어, 지상 장치의 동력원으로서 마이크로로보틱스(microrobotics)용 및 정보 및 기타 전술적 목적으로 사용되는 드론 항공용.
저도핑된 n(p) 전도형 반도체 웨이퍼를 포함하는 장치 구조가 알려져 있는데 (US 20140225472, publ. 14.08.2014), 이는 고도핑된 n+(p+) 영역을 포함하며, 영역의 표면에는 전도성 전극, 즉 음극(양극)이 위치하며, 웨이퍼의 상부에 고도핑된 p+(n+) 영역이 있어 반도체 웨이퍼와 p-n 접합을 형성하고, p+(n+) 영역 표면 상에 절연 유전체 층 및 전도성 양극 전극, 즉 음극 (양극)이 있으며, 후자는 방사성 동위 원소이다.
구조의 단점은 작은 조사된 표면적 및 베타 방사선을 이온화하는 제한된 침투 깊이(25 μm미만)로 인한 조사된 반도체 물질의 상대적으로 작은 부피이며 작업 영역의 바나듐 도핑 중 구조적 결함으로 인한 짧은 소수 운반체 전하 수명이다.
베타 방사선을 전기로 변환하는 반도체 변환기가 알려져 있고(RU 2452060, publ. 27.06.2014), 여기서 반도체 웨이퍼는 복수의 관통 마이크로채널 형태로 조직화된 표면을 가지며, 마이크로 채널은 원형, 타원형, 직사각형 또는 기타 임의의 형태를 가지며 마이크로 채널 사이의 벽 두께 h는 마이크로 채널의 폭과 비교할만하다. 마이크로 채널 벽의 표면 뿐만 아니라 반도체 웨이퍼의 전면 및 후면은 미세구조를 가지며, 이의 측 표면을 제외한 대부분의 전체 반도체 웨이퍼 표면은 p-n 접합을 형성하는 도핑 층 및 다이오드 구조를 포함하는데, 도핑 층은 다이오드 구조 내의 전류 수집 컨택트(contact)로 기능하는 방사선 반도체 층으로 덮여 있고, 베타 방사선원이며, 도핑 층 및 하부 층은 조직화된 표면의 형상을 복제하고, 반도체 웨이퍼의 베이스 영역의 컨택트는 측 표면 상에 위치한다.
반도체 변환기의 단점은 이의 생산의 복잡한 기술 및 고체 상태 방사성 동위 원소를 갖는 관통 채널을 채우는 것이다. 관통 채널의 조직화된 표면의 낮은 품질과 그로 인해 강한 누출이 발생하며 이는 변환기의 높은 비출력(specific power)을 달성할 수 없게 한다.
본 발명의 제1 목적의 프로토타입은 반도체 베타-볼타 변환기의 3D 구조인데, 이는 방사선을 전기로 변환하며 (US 20080199736, publ. 21.08.2008), 여기서 저도핑된 n (p) 전도형 반도체 웨이퍼의 상부 표면에 버티컬(vertical)은 채널에 위치하며, 이의 표면은 반도체 웨이퍼와 함께 버티컬 p-n 접합을 형성하는 고도핑된 p+ (n+) 영역을 포함하며, 채널은 변환기 다이오드의 전극, 즉, 양극 (음극)을 형성하는 전도성 방사성 동위 원소 물질로 채워지고, 하부의 웨이퍼 표면의 수평의 고도핑된 n+ (p+) 컨택트 층은 양극 (음극)의 금속 전극이 놓인 표면에 위치한다.
알려진 구조의 단점은 표면의 낮은 품질과 그로 인한 마이크로 채널 내 높은 수준의 역 p-n 접합 전류는 변환기의 높은 비출력을 달성할 수 없게 한다는 것이다.
본 발명의 제2 대상의 프로토타입은 63Ni 동위 원소의 베타 방사선을 전기로 변환시키는 베타-볼타 변환기로 사용되는 반도체 다이오드의 3D 구조를 제조하는 방법인데 (US 20080199736, publ. 21.08.2008), 이는 저도핑된 n(p) 전도형 웨이퍼의 하부 표면 상에 수평의 고도핑된 n+(p+) 전도형 층의 형성, 반도체 웨이퍼의 상부 표면을 식각, 채널 벽 표면을 도핑에 의한 버티컬 채널의 형성, 웨이퍼의 상부 표면 상 및 채널 내부에 전극, 즉 양극(음극)에 대한 방사성 동위 원소 금속의 증착, 및 웨이퍼 하부 표면 상에 전극, 즉 양극(음극)에 대한 금속 층의 증착을 포함한다.
알려진 방법의 단점은 변환기의 효율을 감소시키는 채널 내 p-n 접합을 합성하는 복잡하고 재현하기에 불충분한 기술이며, 가장 중요한 것은, 변환기의 유휴 전압(idle voltage)(Uid)을 극적으로 감소시키는 벌크 p-n 접합의 높은 수준의 암전류(dark current)(ID)와 그로 인한 최대 출력(Pmax)인데, 왜냐하면
Pmax = Uid × Isc × FF
여기서, Uid = Фt × L n (Isc / IS + 1), Фt는 열전위이고 Isc는 방사선 조사에 의해 생성되는 짧은 회로 전류이기 때문이다.
본 발명의 제1 대상의 기술적 결과는 방사성 동위 원소의 큰 발광 표면(Sem) 및 그로 인한 벌크 p-n 접합의 면적 (Sрn,b)으로 인한 변환기의 단위 부피당 에너지 Eu 의 증가이다.
본 발명의 제1 대상의 기술적 결과는 하기와 같이 달성된다.
가교 구조를 갖는 이온화 방사선 변환기의 설계는 약하게 도핑된 n(p) 전도형 반도체 웨이퍼를 포함하고 이의 벌크(bulk)는 일단이 웨이퍼 표면에 연결된 버티컬 채널을 포함하며, 채널 벽 표면은 반도체 웨이퍼와 함께 버티컬 p-n 접합을 형성하는 고도핑된 p+(n+) 전도형 영역을 포함한다.
채널은 변환기 다이오드의 전극, 즉, 양극 (음극), 을 형성하는 전도성 방사성 동위 원소 물질로 채워지고 웨이퍼의 하부 표면은 수평의 고도핑된 n+(p+) 전도형 층을 포함하며, 이의 표면은 변환기의 금속 전극, 즉, 양극 (음극)을 포함한다.
웨이퍼의 상부 표면은 수평의 p-n 접합을 형성하는 수평의 고도핑된 p+(n+) 전도형 영역을 포함한다. 버티컬 채널의 표면은 저도핑되고 n(p) 전도형을 가지며, 여기서 각 버티컬 채널의 일단은 하부 웨이퍼 표면과 연결되고 타단, 즉 각 버티컬 채널의 하부는 웨이퍼의 상부 표면으로부터 거리를 두고, 거리는 그것에 의해 형성되는 공간 전하 영역 내 수평의 p-n 접합의 전체 깊이보다 크다.
본 발명의 제2 대상의 기술적 결과는 변환기 제조 기술의 단순화를 포함한다.
본 발명의 제2 대상의 기술적 결과는 하기와 같이 달성된다.
저도핑된 n (p) 전도형 웨이퍼의 하부 표면 상에 수평의 고도핑된 n+(p+) 전도형 층의 형성, 반도체 웨이퍼의 상부 표면을 식각하고 채널 벽 표면을 도핑하여 버티컬 채널의 형성, 웨이퍼의 상부 표면 상 및 채널 내부에 전극, 즉 양극(음극)에 대한 방사성 동위 원소 금속의 증착, 및 웨이퍼 하부 표면 상에 전극, 즉 양극(음극)에 대한 금속 층의 증착을 포함한다.
버티컬 채널은 저도핑된 n(p) 전도형 웨이퍼의 하부 표면을 식각하여 형성되고, 이어서 채널 벽 표면을 공여체 (수용체) 불순물로 도핑하고 수평의 p-n 접합을 수용체 (공여체) 불순물로 도핑하여 웨이퍼의 상부 표면 상에 형성한다.
본 발명은 이제 변환기 설계 실시예를 나타내는 도면을 도시할 것이며, 여기서 도 1은 제1 구조 실시예에 대한 변환기 구조의 단면도를 나타내고, 도 2는 제1 구조 실시예에 대한 변환기 구조의 저면도를 나타내고, 도 3은 제2 구조 실시예에 대한 변환기 구조의 단면도를 나타내고, 도 4는 제2 구조 실시예에 대한 변환기 구조의 저면도를 나타낸다.
본 발명의 변환기 설계는 저도핑된 n(p) 전도형 반도체 웨이퍼 (1)을 포함하고, 상기 웨이퍼의 하부 표면은 n+(p+) 전도형 컨택트 층 (2)를 포함하고, 웨이퍼 벌크는 버티컬 채널 (3)을 포함하고, 여기서 각 버티컬 채널의 일단은 하부 웨이퍼 표면에 연결되고, 상부 웨이퍼 표면은 수평의 p-n 접합의 n+(p+) 전도형 영역 (4)을 포함하고, 여기서 상기 영역은 웨이퍼와 공간 전하 구역 (5)을 형성하고, n+(p+) 전도형 영역의 표면은 다이오드의 양극 (6)을 형성하는 금속 방사성 동위 원소를 포함하고, 하부 웨이퍼 표면 및 채널은 음극을 형성하는 금속 방사성 동위 원소를 포함한다 (7).
본 발명의 변환기의 작동 원리는 동위 원소, 예를 들어 니켈, 트리튬, 스트론튬, 코발트 등의 베타 방사선으로 반도체 물질 (예를 들어 실리콘)의 이온화에 기반을 둔다. 조사로 인해 형성되는 전자/정공 쌍은 공간 전하 영역 내 p-n 접합 필드에 의해 분리되며 변환기의 p+ 및 n+ 영역 사이의 전위차를 생성한다 (광전지 EMF). 동시에, 전자/정공 쌍의 일부는 확산 길이 거리에서 준중성 (quasi-neutral) 영역 내 p-n 접합 필드에 의해 대신 축적될 수 있다.
변환기의 효울적인 (최적의) 작동은 소수 운반체의 확산 길이인 Ld가 실리콘 웨이퍼 두께보다 큰, 즉 Ld > hw인 고품질의 실리콘을 필요로 한다는 것을 보여주어 왔다.
채널 사이의 거리는 평균 에너지가 E = 17.5 keV인 63Ni 동위 원소 전자에 대한 베타 방사선 침투 깊이보다 커야 한다.
기술적 파라미터가 다른 베타 변환기 설계의 다른 실시예가 가능하다. 예를 들어, 도 1 및 2에서 나타낸 변환기는 가장 높은 단위 전력을 갖지만 채널 내 많은 양의 니켈이 들어 있기 때문에 매우 비싸다. 도 3 및 4에서 나타낸 변환기는 훨씬 더 적은 양의 63Ni을 필요로 하므로 더 낮은 단위 전력을 가지면서 더 싸다.
도 1 내지 4에서 나타낸 변환기 설계의 구체예는 5 kOhm×cm 저항성, 100 mm 지름, hw = 420 μm 두께, (100) 배향, 운반체 수명 τ = 2 ms 및 확산 길이 Ld > 1.0 cm를 가진 인 도핑 실리콘 등급 KEF 웨이퍼에서 실행될 수 있다.
동위 원소 공급원은, 예를 들어, 50 년의 긴 반감기를 갖고 17 keV의 평균 에너지 64 keV의 최대에너지로 전자 방사선을 방출하는 63Ni로 선택될 수 있는데 이는 건강에 거의 유해하지 않다. 이 전자 에너지는 160 keV인 실리콘의 결함 형성 에너지보다 낮다. 평균 에너지 17 keV인 실리콘의 전자 흡수 깊이는 약 3.0 μm이며; 90% 흡수인 경우 이 깊이는 12 μm이다. 이러한 치수는 설계 p-n 접합 깊이 및 공간 전하 영역 크기에 의해 충족되어야 하며, 이는 종래의 실리콘 구조에 대해 달성될 수 있다. 다른 물질들이 방사성 동위 원소, 예를 들어 트리튬 등으로서 대신 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 또한 중요하게도, 방사선 공급원은 반드시 베타 방사선 공급원일 필요는 없으나, 대신 6 MeV의 평균 에너지 및 약 20-25 μm의 실리콘 침투 깊이를 가져, 즉 p-n 접합에 위험이 없는 알파 방사선 공급원, 예를 들어 238U일 수 있다.
본 발명의 변환기 제조 방법은 다음과 같은 일련의 공정 단계를 포함한다.
5 kOhm×cm 저항성, 100 mm 지름 및 (100) 배향을 갖는 실리콘 웨이퍼 배치(batch)의 표면의 열적 산화(~0.6 μm), 웨이퍼의 반대편 상의 “0” 리소그래피, 반응성 이온 빔 식각에 의한 버티컬 채널의 형성 및 쉘터의 표면 내로의 인 확산.
상부 웨이퍼 표면 상의 n+ 보호 영역에 대한 제1 리소그래피, 인 확산 및 상부 (정면) 웨이퍼 표면 상의 n+ 보호 영역 및 하부 웨이퍼 표면 상의 n+ 컨택트 층의 형성.
제2 리소그래피 및 용량 D = 600 μCl 및 에너지 E = 30 keV로 도핑된 보론 이온에 의한 p+ 컨택트 영역의 형성, t = 40 분 동안 T = 1050 ℃에서 주입된 불순물의 열적 어닐링, t = 40 분 동안 T = 950 ℃에서 0.3 μm 두께의 반도체 웨이퍼 상에서의 열적 산화 성장.
도핑된 보론 이온에 의해 형성된 p-n 접합 내 p 층의 제3 리소그래피, t = 40 분 동안 T = 950 ℃에서 주입된 불순물의 열적 어닐링.
p+ 층에서 컨택트 윈도우의 제4 리소그래피.
웨이퍼의 상부 정면 표면 상의 63Ni 동위 원소 증착 및 양극 전극을 형성하는 제5 리소그래피.
화학기계적 연마에 의한 하부 웨이퍼의 박리 후 이어서 웨이퍼 하부 표면 상의 방사성 63Ni의 전기분해 및 웨이퍼의 칩핑(chipping).
주목할만한 것은, 공정 경로의 더 단순한 구체예가 있는데, 이는 즉, 웨이퍼의 상부 표면상의 63Ni 동위 원소 증착 후 공정 경로의 끝에서 버티컬 채널의 포토리소그래피에 의한 것이다. 하지만 이러한 옵션은 웨이퍼 박리 작업을 포함하지 않는다.
63Ni 동위 원소 방사선 전력 및 용량 전력 P = 2.7 mC/cm2에서 프로토타입의 가교 구조 및 평면 설계를 가진 변환기에 기초한 실리콘의 실험적 연구들은 웨이퍼의 연마된 상부 표면 상에 위치한 면적 Spn.pl을 갖는 수평 평면 p-n 접합이 낮은 누설 암전류를 가짐을 나타냈다:
Id.pl = 0.5 nA/cm2
채널 내에서 형성된 p-n 접합과 동일한 면적의 누설 전류는 3배 더 크다:
Ilk.b = 1 μA
이는 평면 p-n 접합에 대한 유휴 전압 Uid.pl = 0.1 V 및 벌크 p-n 접합에 대한 유휴 전압 Uid.b = 4 mV에 대응한다:
Uid.pl = Фt × Ln (Isc / Id + 1), = 0.026 × Ln (27/0.5+1) = 0.1 V
여기서 Фt는 열적 전위이고 Isc는 방사성 방사선에 의해 생성된 짧은 회로 전류이다.
변환기 전력은 하기의 관계에 의해 결정된다:
Pmax = Uid × Isc × FF
평면 p-n 접합의 경우, Pmax.pl은 1.7 nW이고, 벌크 p-n 접합의 경우, Pmax.h은 0.08 nW이다.
본 발명의 기술적 장점은 단위 전력 및 변환기의 효율성의 증가와 본 기술의 단순화 및 더 낮은 가격이다.
이는 베타 방사선 변환기의 설계 및 3D 구조를 갖는 프로토타입 내 Sis에서 동위 원소 표면의 동등한 방출 전력을 수행하는 것의 근본적인 가능성을 제공하는 기술을 통해 달성되지만; 이온화 전류 수신기는 웨이퍼의 고품질 연마된 상부 표면 상에 위치한 상대적으로 작은 면적(Sр-п, пл)을 갖는 수평 (버티컬이 아닌) p-n 접합이고, 이는 암전류를 최소화하며 유휴 전압 및 그에 따른 변환기의 단위 전력을 증가시킨다.
Claims (2)
- 저도핑된 n (p) 전도형 반도체 웨이퍼를 포함하며, 이의 벌크는 상부 일부로부터 웨이퍼 표면에 생성된 버티컬 채널을 포함하며, 고도핑된 p+ (n+) 전도형을 가진 채널 벽 표면 및 채널은 변환기 다이오드의 전극, 즉 양극 (음극)을 형성하는 전도성 방사성 동위원소 물질로 채워지며, 웨이퍼의 하부 표면은 수평의 p-n 접합을 형성하는 수평의 고도핑된 n+ (p+) 전도형 영역을 포함하며 웨이퍼의 상부 표면은 수평의 p-n 접합을 형성하는 수평의 고도핑된 p+ (n+) 전도형 영역을 포함하고, 여기서 버티컬 채널의 표면은 저도핑되고 n (p) 전도형 영역을 가지며, 추가로 각 버티컬 채널의 일단은 하부 웨이퍼 표면과 연결되고 타단, 즉 각 버티컬 채널의 하부는 웨이퍼의 상부 표면으로부터 거리를 두고, 거리는 그것에 의해 형성되는 공간 전하 영역 내 수평의 p-n 접합의 전체 깊이보다 큰 것인, 가교 구조를 갖는 이온화 방사선 변환기.
- 저도핑된 n (p) 전도형 웨이퍼의 하부 표면 상의 수평의 고도핑된 n+ (p+) 전도형 층의 형성, 반도체 웨이퍼의 상부 표면의 식각, 채널 벽 표면의 도핑에 의한 버티컬 채널의 형성, 웨이퍼의 상부 표면 상 및 채널 내부의 양극(음극) 전극에 대한 방사성 동위 원소 금속의 도핑, 및 웨이퍼 하부 표면 상의 양극(음극) 전극 에 대한 금속 층의 증착을 포함하고,
버티컬 채널은 저도핑된 n (p) 전도형 반도체 웨이퍼의 상부 표면의 식각하고 공여체 (수용체) 불순물로 채널 벽 표면의 도핑하며 공여체 (수용체) 불순물로 도핑하여 웨이퍼의 상부 표면 상의 수평의 p-n 접합의 형성에 의해 형성되는 것인, 제조 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017103167A RU2659618C1 (ru) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | Преобразователь ионизирующих излучений с сетчатой объемной структурой и способ его изготовления |
| RU2017103167 | 2017-01-31 | ||
| PCT/RU2017/000663 WO2018143838A1 (en) | 2017-01-31 | 2017-09-11 | Ionizing radiation converter with cross-linked structure and its fabrication method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190109495A true KR20190109495A (ko) | 2019-09-25 |
| KR102595089B1 KR102595089B1 (ko) | 2023-10-26 |
Family
ID=62815832
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020197024967A KR102595089B1 (ko) | 2017-01-31 | 2017-09-11 | 가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2020507073A (ko) |
| KR (1) | KR102595089B1 (ko) |
| CN (1) | CN110494929A (ko) |
| DE (1) | DE112017006974T5 (ko) |
| EA (1) | EA201900377A1 (ko) |
| RU (1) | RU2659618C1 (ko) |
| WO (1) | WO2018143838A1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113223743B (zh) * | 2021-05-08 | 2023-10-20 | 西北核技术研究所 | 一种基于微孔阵列准直器的α放射源核电池 |
| CN114203330A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-03-18 | 中国核动力研究设计院 | 一种超薄镍-63辐射源及其制备方法、应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120071241A (ko) * | 2010-12-22 | 2012-07-02 | 한국전자통신연구원 | 베타소스로부터 전류를 생성하는 적층형 베타전지 및 그 제작방법 |
Family Cites Families (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01125988A (ja) * | 1987-11-11 | 1989-05-18 | Hitachi Ltd | 太陽電池素子の製造方法 |
| US5642014A (en) * | 1995-09-27 | 1997-06-24 | Lucent Technologies Inc. | Self-powered device |
| US20040154656A1 (en) * | 2003-02-10 | 2004-08-12 | Science & Technology Corporation @ Unm | Nuclear radiation fueled power cells |
| US7138701B2 (en) * | 2003-10-02 | 2006-11-21 | International Business Machines Corporation | Electrostatic discharge protection networks for triple well semiconductor devices |
| US7663288B2 (en) * | 2005-08-25 | 2010-02-16 | Cornell Research Foundation, Inc. | Betavoltaic cell |
| CN100414719C (zh) * | 2005-10-24 | 2008-08-27 | 西北工业大学 | 微电池及其制作方法 |
| US20080199736A1 (en) * | 2007-02-16 | 2008-08-21 | Gadeken Larry L | Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same |
| US20100071751A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-25 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Photo-induced metal-insulator-transition material complex for solar cell, solar cell and solar cell module comprising the same |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| CN102354540B (zh) | 2011-10-19 | 2013-08-14 | 西安电子科技大学 | I层钒掺杂的pin型核电池及其制作方法 |
| US10699820B2 (en) * | 2013-03-15 | 2020-06-30 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same |
| RU2539109C1 (ru) * | 2013-09-26 | 2015-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений |
| CN104051050A (zh) * | 2014-06-29 | 2014-09-17 | 西安电子科技大学 | 并联式PIN型α辐照电池及其制备方法 |
| RU2608311C2 (ru) * | 2015-05-14 | 2017-01-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления |
| RU2608313C2 (ru) * | 2015-05-14 | 2017-01-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления |
| RU2605783C1 (ru) * | 2015-08-10 | 2016-12-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет | Планарный высоковольтный фото- и бетавольтаический преобразователь и способ его изготовления |
| CN105448376B (zh) * | 2015-11-16 | 2017-11-03 | 长安大学 | 采用α放射源的碳化硅肖特基结型同位素电池及其制造方法 |
| RU168184U1 (ru) * | 2016-04-22 | 2017-01-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором |
-
2017
- 2017-01-31 RU RU2017103167A patent/RU2659618C1/ru active
- 2017-09-11 CN CN201780089174.1A patent/CN110494929A/zh active Pending
- 2017-09-11 EA EA201900377A patent/EA201900377A1/ru unknown
- 2017-09-11 JP JP2019541228A patent/JP2020507073A/ja active Pending
- 2017-09-11 DE DE112017006974.2T patent/DE112017006974T5/de not_active Withdrawn
- 2017-09-11 KR KR1020197024967A patent/KR102595089B1/ko active IP Right Grant
- 2017-09-11 WO PCT/RU2017/000663 patent/WO2018143838A1/en active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120071241A (ko) * | 2010-12-22 | 2012-07-02 | 한국전자통신연구원 | 베타소스로부터 전류를 생성하는 적층형 베타전지 및 그 제작방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2659618C1 (ru) | 2018-07-03 |
| EA201900377A1 (ru) | 2019-12-30 |
| WO2018143838A1 (en) | 2018-08-09 |
| JP2020507073A (ja) | 2020-03-05 |
| KR102595089B1 (ko) | 2023-10-26 |
| DE112017006974T5 (de) | 2019-10-17 |
| CN110494929A (zh) | 2019-11-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6774531B1 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
| US6949865B2 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
| US5642014A (en) | Self-powered device | |
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| US4024420A (en) | Deep diode atomic battery | |
| US6753469B1 (en) | Very high efficiency, miniaturized, long-lived alpha particle power source using diamond devices for extreme space environments | |
| US20120161575A1 (en) | Stack-type beta battery generating current from beta source and method of manufacturing the same | |
| US8937360B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
| KR102595089B1 (ko) | 가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 | |
| CN105388509A (zh) | 伽马射线检测器和检测伽马射线的方法 | |
| Dalla Betta et al. | Recent developments and future perspectives in 3D silicon radiation sensors | |
| Duggirala et al. | 3D silicon betavoltaics microfabricated using a self-aligned process for 5 milliwatt/cc average, 5 year lifetime microbatteries | |
| KR20090038593A (ko) | 방사선전지의 전하량 증가방법과 이를 이용한 고효율 구조베타전지 | |
| RU168184U1 (ru) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором | |
| KR20160098915A (ko) | 수직형 베타전지 구조체 및 그 제조방법 | |
| RU2608313C2 (ru) | Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления | |
| JP2019529944A (ja) | ベータボルタ電池 | |
| Murashev et al. | Improvement of Si-betavoltaic batteries technology | |
| RU2605783C1 (ru) | Планарный высоковольтный фото- и бетавольтаический преобразователь и способ его изготовления | |
| RU2608311C2 (ru) | Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления | |
| US9018721B1 (en) | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope | |
| EA042001B1 (ru) | Преобразователь ионизирующих излучений с сетчатой объемной структурой и способ его изготовления | |
| Choi et al. | Ni-63 radioisotope betavoltaic cells based on vertical electrodes and pn junctions | |
| RU2608058C1 (ru) | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии | |
| RU2599274C1 (ru) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |