具有交联结构的电离辐射转换器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及将同位素源的电离辐射转换成电(EMF)的能量转换器。所述同位素源与电容器和电池的区别在于单位体积的能量要大得多，但单位时间的发射功率却很低。所述同位素源能够在没有太阳辐射的情况下直接为大功率电池或电容器充电，同时重量轻且尺寸小。同位素转换器的寿命由辐照材料的半衰期决定。使用

Ionizing radiation converter with crosslinked structure and its manufacturing method

The invention relates to an energy converter for converting ionizing radiation of an isotopic source into electricity (EMF). The difference between the isotope source, capacitor and battery is that the energy per unit volume is much larger, but the emission power per unit time is very low. The isotope source can directly charge a high-power battery or capacitor without solar radiation, and is light in weight and small in size. The lifetime of the isotope converter is determined by the half-life of the irradiated material. Use

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有交联结构的电离辐射转换器及其制造方法
本专利技术涉及将电离辐射能转化为电(EMF)的转换器，可用于无人机飞行、强爆炸性区域例如矿井、禁入区域中的夜间指示器、医学(心脏起搏器)等领域。这些电源的重要性在很大程度上取决于放射性同位素化学元素的高能量密度(可与锂电池的能量密度相媲美)，以及将放射性同位素电池纳入微机电系统的可能性，该技术近来得到了迅速发展。基于β伏打电池的独立电源对于许多领域来说是必要的：在医学领域，对于被直接植入患者的心脏(心脏起搏器)的植入传感器和起搏器来说是必要的。使用寿命长(独立寿命不短于25年)的耐用电源会消除在重复的外科手术中更换心脏起搏器电源的必要性。对于嵌入建筑物的传感器来说是必要的。例如对于位于禁入区域的气象站电源，可使用自动记录器独立测量温度、大气压力和风速。在空间工程领域，更具体地，对于导航卫星中的辅助电源来说是必要的。因为在太空中，电源应在突发且非常剧烈的温度变化条件下长时间发电。在军事工业领域，对于作为用于情报和其他战术目的的地面设备和无人机飞行的电源的微型机器人是必要的。
技术介绍
已知(US20140225472，2014年8月14日公开)一种器件结构，该器件结构包括低掺杂的n(р)导电型半导体晶片，该半导体晶片包括在其表面上设有导电电极即阴极(阳极)的重掺杂的n+(р+)区域，晶片顶部形成重掺杂的p+(n+)区域，与半导体晶片形成р-n结，在表面p+(n+)区域上设有一层绝缘电介质和导电阳极，即阴极(阳极)，导电阳极为放射性同位素。上述结构的缺点在于由于受辐射的表面积小，受辐射的半导体材料的体积相对较小；电离β辐射的穿透深度有限(小于25微米)；由于工作区钒掺杂过程中存在的结构缺陷，导致少数载流子的使用寿命短。已知将β辐射转换为电的半导体转换器(RU2452060，2014年6月27日公开)，其中半导体晶片具有呈多个穿透性微通道形式的网纹表面，所述微通道具有圆形、椭圆形、矩形或其他任意形状，所述微通道之间的壁厚h与微通道的宽度相当。所述微通道壁的表面以及半导体晶片的正面和背面均具有微纹理，除其侧面外，几乎整个半导体晶片表面都包含形成р-n结的掺杂层和二极管结构，掺杂层覆盖有放射性半导体层，该放射性半导体层用作二极管结构中的电流收集触点，且掺杂层是β辐射源，所述掺杂层和底层复制了网纹表面的形状，与所述半导体晶片的基区的接触点位于侧表面。该半导体转换器的缺点在于生产工艺复杂，采用固态放射性同位素填充穿透通道。穿透通道的网纹表面质量低劣，因此泄漏严重，无法实现转换器的高比功率。本专利技术的第一目的的原型是半导体β-伏打转换器的3D结构，其将辐射转换为电(US20080199736，2008年8月21日公开)，其中在低掺杂n(р)导电型半导体晶片的顶面上有垂直通道，所述垂直通道的表面包括重掺杂的p+(n+)区域，与所述半导体晶片形成垂直р-n结，所述通道内填充有形成电极的放射性同位素材料，即所述转换器二极管的阳极(阴极)，所述晶片底面的水平重掺杂n+(p+)接触层位于阳极(阴极)金属电极所在的表面。已知结构的缺点是表面质量低，因此在微通道中存在高强度的反向р-n结电流，导致无法实现转换器的高比功率。本专利技术第二个主题的原型是一种制造半导体二极管的3D结构的方法，所述半导体二极管用作将63Ni同位素的β辐射转化为电的β伏打转换器(US20080199736，2008年8月21日公开)，所述方法包括以下步骤：在低掺杂n(р)导电型晶片的底面形成水平重掺杂n+(p+)导电层，通过蚀刻半导体晶片的顶面形成垂直通道，通道壁表面掺杂，沉积阳极(阴极)电极的放射性同位素金属至所述晶片的顶面及通道内，并沉积阳极(阴极)金属层至所述晶片底面。已知方法的缺点在于通道内合成р-n结的复杂性和可重复性不足，降低了转换器的效率，最重要的是，р-n结的高强度暗电流(ID)大大降低了转换器的无功电压(Uid)以及最大输出功率(Pmax)，因为Pmax＝Uid×Isc×FF其中Uid＝Φt×Ln(Isc/IS+1)，Φt表示热势，Isc表示放射性辐射产生的短路电流。
技术实现思路
本专利技术第一个主题的技术效果是由于放射性同位素(Sem)的发射表面大，转换器的单位体积的能量Eu增加，进而р-n结的面积(Sрn，b)增加。本专利技术的第一主题的技术效果通过如下方案实现。设计一种具有交联结构的电离辐射转换器包括弱掺杂的n(р)导电型半导体晶片，其内包括垂直通道，所述垂直通道的一端连接到所述晶片表面，并且所述通道壁表面包括重掺杂的p+(n+)导电型区域，与所述半导体晶片形成垂直р-n结。所述通道内填充有导电放射性同位素材料，形成所述转换器二极管的电极，即阳极(阴极)，所述晶片的底面包括水平重掺杂的n+(p+)导电层，所述导电层的表面包括金属电极，即转换器的阳极(阴极)。所述晶片的顶面包括形成水平р-n结的水平重掺杂的p+(n+)导电型区域。所述垂直通道的表面为低掺杂且具有n(p)导电型，其中每个所述垂直通道的一端连接到所述晶片的底面，而另一端，即每个所述垂直通道的底部均与所述晶片的顶面保持一定距离，所述距离大于由其形成的空间电荷区域中所述水平р-n结的总深度。本专利技术第二主题的技术效果包括转换器制造工艺的简化。本专利技术的第二主题的技术效果通过如下方案实现。所述制造方法包括在低掺杂的n(p)导电型晶片的底面上形成水平重掺杂的n+(p+)导电层，通过蚀刻半导体晶片的顶面形成垂直通道，通道壁表面掺杂，阳极(阴极)电极的放射性同位素金属沉积至晶片的顶面及通道内，并沉积阳极(阴极)电极金属层至所述晶片底面。所述垂直通道是通过蚀刻所述低掺杂n(p)导电型晶片的底面而形成的，然后在通道壁表面掺杂给体(受体)杂质，并通过掺杂受体(给体)杂质至所述晶片顶面形成水平p-n结。以下通过示出转换器设计实例的附图来说明本专利技术，其中图1示出第一结构的转换器结构实例的剖视图，图2示出第一结构的转换器结构实例的仰视图，图3示出第二结构的转换器结构实例的剖视图，图4示出了第二结构的转换器结构实例的仰视图。本专利技术设计的是转换器包括低掺杂的n(р)导电型半导体晶片(1)，所述晶片的底面包括n+(р+)导电型接触层(2)，所述晶片包括垂直通道(3)，其中每个所述垂直通道的一端连接到所述晶片的底面，所述晶片顶面包括水平р-n结的n+(р+)导电型区域(4)，其中所述区域与所述晶片形成空间电荷区域(5)，所述n+(р+)导电型区域的表面包括形成所述二极管阳极(6)的金属放射性同位素，所述晶片的底面和所述通道包括形成所述阴极(7)的金属放射性同位素。本专利技术转换器的工作原理是基于通过同位素如镍、氚、锶、钴等的β辐射使半导体材料(例如硅)电离。由于辐照形成的电子/空穴对在空间电荷区域中被р-n结场隔开，并在所述转换器(光伏EMF)的р+和n+区域之间产生电势差。同时，部分电子/空穴对可以在扩散长度距离处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有交联结构的电离辐射转换器，包括弱掺杂的n(p)导电型半导体晶片，其内包含从顶部到所述晶片表面形成的垂直通道，所述通道壁表面具有重掺杂的p

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170131 RU 20171031671.一种具有交联结构的电离辐射转换器，包括弱掺杂的n(p)导电型半导体晶片，其内包含从顶部到所述晶片表面形成的垂直通道，所述通道壁表面具有重掺杂的p+(n+)导电型，所述通道填充有导电放射性同位素材料，形成所述转换器二极管的电极，即阳极(阴极)，所述晶片的底面包括水平重掺杂的n+(p+)导电型区域，形成水平p-n结，所述晶片的顶面包括水平重掺杂的p+(n+)导电型区域，形成水平p-n结，其中所述垂直通道的表面为低掺杂且具有n(p)导电型，每个所述垂直通道的一端连接到所述晶片的底...

【专利技术属性】
技术研发人员：维克托·尼古拉耶维奇·穆拉舍夫，谢尔盖·亚历山德罗维奇·列戈京，安德鲁·安德烈耶维奇·克拉斯诺夫，谢尔盖·伊万诺维奇·迪登科，克谢尼娅·安德烈耶芙娜·库兹明娜，玛丽亚·弗拉基米罗芙娜·西涅瓦，
申请(专利权)人：俄罗斯国立科技大学莫斯科钢铁合金研究所，
类型：发明
国别省市：俄罗斯;RU