RU2452060C2 - Beta radiation-to-electrical energy semiconductor converter - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: disclosed is the design of a beta radiation-to-electrical energy semiconductor converter, having a semiconductor plate with a textured surface, a diode structure along the textured surface and a layer of radioactive substance on the textured surface. The textured surface of the semiconductor plate is in form of a plurality of through-channels having the shape of a circle, an oval, a rectangle or another arbitrary shape, and the radioactive substance, which contains a nickel-63 radionuclide, tritium or both, covers the walls of the channels and a large part of the remaining surface of the semiconductor plate.

EFFECT: simplification of the method and low cost of making a beta radiation converter, as well as increase in specific electric power and reliability thereof.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к изготовлению маломощных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводников. Предлагаемый преобразователь является основным первичным элементом, из которых путем соответствующей коммутации могут собираться батареи бесперебойного электропитания со сроком службы 50 и более лет, безопасные в обращении и работоспособные независимо от условий окружающей среды, кроме физического разрушения.The invention relates to nuclear and semiconductor technology, in particular to the manufacture of low-power sources of electricity using radioactive isotopes and semiconductors. The proposed converter is the main primary element from which, through appropriate switching, uninterruptible power batteries with a service life of 50 years or more can be assembled, safe to use and operable regardless of environmental conditions, except for physical destruction.

Развитие и практическое внедрение изделий микросистемной техники поставили задачу создания миниатюрных энергоемких автономных источников электроэнергии нового поколения микроваттного диапазона мощности, отвечающих современным требованиям по таким показателям, как удельная энергоемкость, срок службы, время непрерывной работы, надежность в течение всего срока службы в широком диапазоне температур.The development and practical implementation of microsystem technology products has set the task of creating miniature energy-consuming autonomous sources of electricity of a new generation of the microwatt power range that meet modern requirements in terms of such indicators as specific energy consumption, service life, continuous operation time, reliability throughout the entire service life in a wide temperature range.

Наиболее полно поставленным требованиям отвечают атомные батареи, работающие на бета-вольтаическом эффекте. Бета-вольтаический эффект является аналогом фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электрон-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов (квантов светового излучения).The most fully set requirements are met by nuclear batteries operating on the beta-voltaic effect. The beta-voltaic effect is analogous to the photoelectric effect, with the difference that the formation of electron-hole pairs in the semiconductor crystal lattice occurs under the influence of beta particles (fast electrons), and not photons (light emission quanta).

Единичный элемент бета-электрического преобразователя представляет собой полупроводник с p-n-переходом, контактирующий с радиоактивным источником бета-излучения. Образование электрон-дырочных пар происходит при кулоновском взаимодействии проникших в объем полупроводника бета-частиц с электронами атомов кристаллической решетки. Количество образовавшихся неравновесных носителей заряда пропорционально энергии и интенсивности потока падающих бета-частиц.A single element of the beta-electric converter is a p-n junction semiconductor in contact with a radioactive beta radiation source. The formation of electron-hole pairs occurs during the Coulomb interaction of beta particles that have penetrated into the semiconductor volume with the electrons of the atoms of the crystal lattice. The number of nonequilibrium charge carriers formed is proportional to the energy and intensity of the incident beta particle flux.

Первые работы по бета-электрическим преобразователям с использованием радионуклида стронция-90 относятся к середине 50-х годов прошлого столетия [Rappaport P.I., Loferski J.J., Lindery E.G. A study program of possible uses new principle. Nucleonics. 1957. vol.15, р.99]. Энергия испускаемых стронцием-90 электронов - 546 килоэлектронвольт - почти вдвое превышает порог радиационных повреждений кристаллической структуры полупроводника, вследствие чего происходит неизбежная деградация p-n-перехода. Вторым недостатком являлся довольно высокий уровень вредного для человека проникающего излучения, что требовало громоздкой защитной оболочки.The first works on beta-electric converters using the strontium-90 radionuclide date back to the mid-1950s [Rappaport P.I., Loferski J.J., Lindery E.G. A study program of possible uses new principle. Nucleonics 1957. vol. 15, p. 99]. The electron energy emitted by strontium-90 - 546 kiloelectron-volts - almost doubles the threshold of radiation damage to the crystal structure of the semiconductor, resulting in the inevitable degradation of the p-n junction. The second drawback was a rather high level of penetrating radiation harmful to humans, which required a cumbersome protective sheath.

В семидесятых годах исследования бета-преобразования проводились с использованием прометия-147 и трития, наносимых на плоскую поверхность диодных структур из кремния [Гусев В.В., Кодюков В.М., Почтаков А.А., Пустовалов А.А. Особенности преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую с использованием кремниевых полупроводников с p-n-переходом. Радиационная техника. М.: Атомиздат, 1975, вып.11, с.61-67.]. Недостатком конструкций с прометием-147 является непродолжительный срок службы, обусловленный малым периодом полураспада этого радионуклида (2,62 года). Трудно преодолимая загрязненность прометия-147 сопутствующими радиоактивными изотопами прометия порождает нежелательные дозиметрические проблемы. Для конструкций с газообразным тритием характерна недостаточно высокая электрическая мощность, получаемая с единицы объема преобразователя бета-излучения (так называемая удельная мощность).In the seventies, beta-conversion studies were carried out using promethium-147 and tritium deposited on a flat surface of silicon diode structures [Gusev VV, Kodyukov VM, Pochtakov AA, Pustovalov AA Features of the conversion of radioactive decay energy into electrical energy using silicon semiconductors with a p-n junction. Radiation technology. M .: Atomizdat, 1975, issue 11, pp. 61-67.]. The disadvantage of designs with promethium-147 is the short service life due to the short half-life of this radionuclide (2.62 years). The difficult to overcome pollution of promethium-147 with the accompanying radioactive isotopes of promethium creates undesirable dosimetric problems. Structures with gaseous tritium are characterized by an insufficiently high electric power obtained from a unit volume of the beta radiation converter (the so-called specific power).

На современном уровне в качестве потенциальных первичных источников энергии для миниатюрных атомных батарей рассматриваются чистые (в смысле от любых других видов излучений) бета-излучатели. Из их числа наиболее перспективными являются тритий (тяжелый изотоп водорода ³H₁ с периодом полураспада 12,3 года) и изотоп никеля никель-63, имеющий период полураспада 100 лет. Невысокая средняя энергия бета-спектров этих радионуклидов не создает проблем с радиационной защитой и настолько меньше порога радиационных повреждений полупроводника, что полностью исключается деградация p-n-перехода.At the present level, pure (in the sense of any other types of radiation) beta emitters are considered as potential primary sources of energy for miniature atomic batteries. Of these, tritium (the heavy hydrogen isotope ³ H ₁ with a half-life of 12.3 years) and the nickel-nickel-63 isotope, having a half-life of 100 years, are the most promising. The low average energy of the beta spectra of these radionuclides does not create problems with radiation protection and is so less than the threshold of radiation damage to the semiconductor that degradation of the pn junction is completely eliminated.

Одним из путей повышения удельной электрической мощности преобразователя является увеличение площади поверхности диодной структуры, покрытой источником бета-излучения. Для этого используется текстурирование пластин кремния. Например, в объеме пластины создается квазитрехмерная пористая структура, состоящая из множества расположенных упорядоченным образом пор («колодцев») [By Wei Sun, N.P.Kherani et. al. A Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233.]. Такая структура именуется макропористой и характеризуется тем, что глубина «колодцев» во много раз больше их поперечного размера. Использование макропористой структуры для изготовления полупроводникового бета-преобразователя связано с технологическими сложностями формирования диодной структуры и/или нанесения радиоактивных слоев в узких и глубоких порах (канавках). В результате увеличивается стоимость изготовления бета-преобразователя, а реально образующаяся неравномерность толщины слоев снижает срок его службы.One of the ways to increase the specific electric power of the converter is to increase the surface area of the diode structure covered by the beta radiation source. For this, texturing of silicon wafers is used. For example, a quasi-three-dimensional porous structure is created in the wafer volume, consisting of many pores arranged in an ordered manner (“wells”) [By Wei Sun, N.P. Kherani et. al. A Three-Dimensional Porous Silicon pn n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233.]. This structure is called macroporous and is characterized by the fact that the depth of the "wells" is many times greater than their transverse size. The use of a macroporous structure for the manufacture of a semiconductor beta converter is associated with the technological difficulties of forming a diode structure and / or applying radioactive layers in narrow and deep pores (grooves). As a result, the manufacturing cost of the beta converter increases, and the really uneven thickness of the layers reduces its service life.

В качестве прототипа выбрана конструкция бета-преобразователя в виде диодной структуры из кремния с текстурированной поверхностью, покрытой радиоактивным никелем-63 [А.А.Пустовалов, В.В.Гусев, В.В.Заддэ, Н.С.Петренко, А.В.Тихомиров, Л.А.Цветков «Бета-вольтаический источник тока на основе никеля-63» Журнал «Атомная энергия», т.103, вып.6, декабрь 2007, стр.353-356.]. Недостатком этой конструкции является сложность формирования диодной структуры и создания покрытия из никеля-63 в узких и глубоких канавках, образующих текстурированную поверхность пластин кремния. В результате оказывается слишком высокой стоимость изготовления бета-вольтаического преобразователя.As a prototype, the design of the beta converter in the form of a silicon diode structure with a textured surface coated with radioactive nickel-63 [A.A.Pustovalov, V.V. Gusev, V.V. Zadde, N.S. Petrenko, A. V.Tikhomirov, L.A. Tsvetkov “Beta-voltaic current source based on nickel-63”, “Atomic Energy” magazine, vol. 103, issue 6, December 2007, pp. 353-356.]. The disadvantage of this design is the difficulty of forming a diode structure and creating a nickel-63 coating in narrow and deep grooves forming a textured surface of silicon wafers. As a result, the cost of manufacturing a beta-voltaic converter is too high.

Задачей данного изобретения является упрощение способа и снижение стоимости изготовления бета-преобразователя, повышение его удельной электрической мощности и надежности в эксплуатации.The objective of the invention is to simplify the method and reduce the cost of manufacturing a beta converter, increase its specific electric power and reliability in operation.

Указанная задача решается тем, что в полупроводниковом преобразователе бета-излучения в электроэнергию, содержащем пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и радиоактивный слой вещества на текстурированной поверхности, текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, имеющих форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму, а слой, содержащий радиоактивное вещество, например никель-63, тритий или оба вместе, покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.This problem is solved in that in a semiconductor converter of beta radiation into electricity containing a semiconductor wafer with a textured surface, a diode structure along the textured surface and a radioactive layer of matter on the textured surface, the textured surface of the semiconductor wafer is made in the form of many through channels having a circle shape, an oval, rectangle, or other arbitrary shape, and a layer containing a radioactive substance, such as nickel-63, tritium, or and together, covers the walls of the channels and most of the rest of the surface of the semiconductor wafer.

Дополнительное повышение удельной мощности бета-преобразователя достигается тем, что боковые стенки каналов и торцевые поверхности пластины имеют микрорельеф.An additional increase in the specific power of the beta converter is achieved by the fact that the side walls of the channels and the end surfaces of the plate have a microrelief.

Дальнейшее повышение удельной мощности бета-преобразователя достигается оптимизацией соотношения толщины стенок и ширины каналов. Предпочтительно, чтобы расстояние между каналами и их ширина были соизмеримы.A further increase in the specific power of the beta converter is achieved by optimizing the ratio of wall thickness to channel width. Preferably, the distance between the channels and their width are comparable.

Сущность изобретения поясняется с помощью фиг.1, 2, 3. На фиг.1 изображен в плане фрагмент конструкции единичного элемента бета-преобразователя. На фиг.2 показан в сечении тот же фрагмент конструкции бета-преобразователя. На фиг.3 показано увеличенное изображение рельефа поверхности пластины полупроводника, включая стенки каналов.The invention is illustrated using figures 1, 2, 3. Figure 1 shows in plan a fragment of the design of a single element of the beta Converter. Figure 2 shows in cross section the same construction fragment of the beta Converter. Figure 3 shows an enlarged image of the surface relief of the semiconductor wafer, including the walls of the channels.

На фиг.1-3 бета-преобразователь состоит из пластины 1 полупроводника, имеющей текстурированную поверхность в виде множества сквозных микроканалов 2. Сквозные микроканалы 2 имеют форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму. Толщина стенок h между микроканалами 2 соизмерима с шириной микроканалов. Поверхность стенок 3 микроканалов 2, а также лицевая и тыльная стороны пластины полупроводника имеют микрорельеф 4. Практически вся поверхность пластины 1 полупроводника, за исключением боковой поверхности, содержит легированный слой 5, образующий p-n-переход 6 и диодную структуру. Легированный слой 5 покрыт токопроводящим радиоактивным слоем 7, выполняющим роль токосъемного контакта к диодной структуре и являющимся источником бета-излучения. Легированный слой 5 и слой 7 повторяют профиль текстурированной поверхности. Контакт 8 к базовой области пластины 1 полупроводника расположен на боковой поверхности. В качестве полупроводника могут использоваться кремний, карбид кремния, другие широкозонные полупроводники.1-3, the beta converter consists of a semiconductor wafer 1 having a textured surface in the form of a plurality of through microchannels 2. The through microchannels 2 have the shape of a circle, oval, rectangle, or other arbitrary shape. The wall thickness h between the microchannels 2 is commensurate with the width of the microchannels. The surface of the walls 3 of the microchannels 2, as well as the front and back sides of the semiconductor wafer, have a microrelief 4. Almost the entire surface of the wafer 1 of the semiconductor, with the exception of the side surface, contains a doped layer 5, which forms a pn junction 6 and a diode structure. The doped layer 5 is covered with a conductive radioactive layer 7, which acts as a current collector contact to the diode structure and is a source of beta radiation. The doped layer 5 and layer 7 repeat the profile of the textured surface. Contact 8 to the base region of the semiconductor plate 1 is located on the side surface. As a semiconductor, silicon, silicon carbide, and other wide-gap semiconductors can be used.

В качестве примера рассмотрим работу бета-преобразователя на никеле-63. Полупроводниковая пластина из кремния p-типа толщиной около 300 мкм пронизана сквозными круглыми каналами, расположенными в узлах квадратной решетки. Диаметр каналов и расстояние между ними предпочтительно составляют около 10 мкм, но практически могут варьироваться от доли микрона до 100 мкм. Легированный слой 5 формируется из кремния n-типа и создает p-n-переход 6 на глубине около 1 мкм и диодную структуру. Слой 7 толщиной примерно 2 мкм из никеля, обогащенного изотопом никель-63, генерирует бета-частицы со средней энергией 18 кэВ, часть которых проникает в объем полупроводника и порождает вдоль трека пробега множество неравновесных электронно-дырочных пар. Диодная структура и базовая область полупроводника имеют достаточно низкую скорость объемной и поверхностной рекомбинации, что позволяет собрать и разделить по знаку электрического заряда неравновесные носители на p-n-переходе. Полученная таким образом текстурированная поверхность кремния увеличивает в десятки раз площадь поверхности диодной структуры и поверхности, покрытой бета-излучающим слоем 7. Благодаря этому в единице объема полупроводника происходит пропорциональное увеличение плотности неравновесных носителей и, как следствие, увеличение удельной электрической мощности.As an example, consider the operation of a beta converter on nickel-63. A semiconductor wafer made of p-type silicon with a thickness of about 300 μm is pierced through circular channels located in the nodes of the square lattice. The diameter of the channels and the distance between them are preferably about 10 microns, but can practically vary from a fraction of a micron to 100 microns. The doped layer 5 is formed from n-type silicon and creates a p-n junction 6 at a depth of about 1 μm and a diode structure. Layer 7 with a thickness of about 2 μm from nickel enriched with the nickel-63 isotope generates beta particles with an average energy of 18 keV, some of which penetrate into the semiconductor volume and generate many nonequilibrium electron-hole pairs along the path. The diode structure and the base region of the semiconductor have a rather low rate of volume and surface recombination, which makes it possible to collect and separate the nonequilibrium carriers at the p-n junction by the sign of the electric charge. The textured silicon surface thus obtained increases tenfold the surface area of the diode structure and the surface covered by the beta-emitting layer 7. Due to this, a proportional increase in the density of nonequilibrium carriers occurs in a unit volume of the semiconductor and, as a result, an increase in the specific electric power.

Изготовление предлагаемой конструкции бета-преобразователя проходит следующие основные этапы. Используют пластины полупроводника толщиной, сравнимой с диффузионной длиной неосновных носителей тока. Поверхность пластин покрывают защитной пленкой, например, из нитрида кремния. С помощью фотолитографии или импульсного лазера в защитной пленке вскрывают множество окон и анизотропным травлением создают сквозные каналы. Избирательным травлением создают микрорельеф на всей поверхности полупроводника, включая стенки каналов. После удаления защитной пленки из нитрида кремния термической диффузией из газовой фазы создают легированный слой 5. В случае использования пластин из монокристаллического кремния диффундируют примесь фосфора или бора. Затем наносят слой бета-излучателя с предпочтительной толщиной около 2 мкм для никеля-63 и около 0,3 мкм, если источником бета-частиц является тритий. Для осаждения никеля используют электрохимическое осаждение из раствора или термическое разложение газообразного тетракарбонила никеля на поверхности. Процесс изготовления преобразователя завершается лазерной обработкой боковой поверхности пластины для удаления в этом месте легированного слоя и нанесения металлического контакта 8 к базовой области пластины полупроводника.The manufacture of the proposed design of the beta Converter goes through the following main steps. They use semiconductor wafers with a thickness comparable to the diffusion length of minority current carriers. The surface of the plates is coated with a protective film, for example, silicon nitride. Using photolithography or a pulsed laser in a protective film, many windows are opened and through channels are created by anisotropic etching. Selective etching creates a microrelief on the entire surface of the semiconductor, including the channel walls. After removing the protective film from silicon nitride by thermal diffusion from the gas phase, a doped layer 5 is created. In the case of using single crystal silicon wafers, an impurity of phosphorus or boron is diffused. A beta emitter layer is then applied with a preferred thickness of about 2 microns for nickel-63 and about 0.3 microns if the source of beta particles is tritium. To precipitate nickel, electrochemical precipitation from solution or thermal decomposition of gaseous tetracarbonyl nickel on the surface is used. The manufacturing process of the converter is completed by laser processing of the side surface of the wafer to remove the doped layer at this location and to apply the metal contact 8 to the base region of the semiconductor wafer.

Создание сквозных каналов и микрорельефа на стенках каналов позволяет многократно увеличить площадь поверхности полупроводника, покрытой слоем бета-излучателя, что ведет к повышению удельной электрической мощности бета-преобразователя.The creation of through channels and a microrelief on the channel walls allows a multiple increase in the surface area of a semiconductor covered with a beta emitter layer, which leads to an increase in the specific electric power of the beta converter.

Сквозные каналы, в сравнении с глухими «колодцами» (порами) или канавками, обеспечивают благоприятные условия для получения однородного по толщине слоя бета-излучателя и равномерной термической диффузии при создании p-n-перехода на всей текстурированной поверхности. Существенно упрощается технология нанесения слоев радиоактивного вещества, снижается трудоемкость изготовления бета-преобразователя и повышается надежность конструкции в процессе эксплуатации.Through channels, in comparison with blind "wells" (pores) or grooves, provide favorable conditions for obtaining a uniform beta-emitter layer and uniform thermal diffusion when creating a p-n junction on the entire textured surface. The technology of applying layers of radioactive material is greatly simplified, the complexity of manufacturing a beta converter is reduced, and the reliability of the structure during operation is increased.

Claims (4)

1. Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию, содержащий пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного бета-излучающего вещества на текстурированной поверхности, отличающийся тем, что текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, имеющих форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму, а радиоактивное вещество покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.1. A semiconductor converter of beta radiation into electricity, containing a semiconductor wafer with a textured surface, a diode structure along the textured surface and a layer of radioactive beta-emitting substance on a textured surface, characterized in that the textured surface of the semiconductor wafer is made in the form of many through channels having the shape a circle, oval, rectangle or other arbitrary shape, and the radioactive substance covers the walls of the channels and most of the the semiconductor wafer surface. 2. Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию по п.1, отличающийся тем, что стенки каналов и поверхность полупроводниковой пластины имеют микрорельеф.2. The semiconductor converter of beta radiation into electricity according to claim 1, characterized in that the channel walls and the surface of the semiconductor wafer have a microrelief. 3. Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию по п.1, отличающийся тем, что расстояние между каналами соизмеримо с шириной каналов и предпочтительно не превышает 100 мкм.3. The semiconductor converter of beta radiation into electricity according to claim 1, characterized in that the distance between the channels is comparable with the channel width and preferably does not exceed 100 microns. 4. Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию по п.1, отличающийся тем, что в качестве бета-излучателя используются радионуклиды никель-63, тритий или оба вместе. 4. The semiconductor converter of beta radiation into electricity according to claim 1, characterized in that nickel-63, tritium, or both are used as beta emitters.

Images