14.578.21.0103

Разработка технологии создания преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких широкозонных полупроводниковых структур для использования в составе автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения, обеспечивающей увеличение КПД преобразование не менее чем на 50% по сравнению с существующими аналогами.

Разработка новых источников питания с длительным сроком службы без необходимости регулярного обслуживания является в настоящее время одной из наиболее актуальных проблем развития мобильных устройств, длительное время находящейся в удалении от стационарных источников питания: космической и морской техники, медицинских устройств, приборов для освоения дальнего севера. Одним из способов решения этой проблемы является использование радиационно-стимулированных источников электроэнергии: срок их службы определяется периодом полураспада радиоизотопа и может составлять десятки лет, они не требуют обслуживания и заправки топлива.
В настоящее время в мире имеются полупроводниковые преобразователи, основанные на p-n переходе в кристаллах кремния, однако срок их службы ограничен из-за быстрого накопления радиационных дефектов в кремнии под действием высокоэнергетических продуктов радиоактивного распада, которое значительно снижает КПД преобразования. Для решения этой проблемы в качестве рабочей среды преобразователя предлагается использовать синтетические монокристаллы алмаза, обладающие высокой радиационной стойкостью. Кроме того за счет большой ширины запрещенной зоны алмаза (~5.5 эВ) возрастает выходное напряжение и увеличивается КПД преобразователя бета-излучения, что связано с уменьшением относительных затрат энергии на рождение электрон-дырочных пар. Данное обстоятельство позволяет ожидать получение полупроводниковых преобразователей с увеличенным не менее чем на 50% КПД преобразования по сравнению с аналогами на кремнии.

Наиболее компактными и неприхотливыми к условиям эксплуатации являются радиационно-стимулированные источники на основе полупроводниковых преобразователей или бета-вольтаических генераторов (БВГ). В них энергия ионизирующего излучения преобразуется в электрическую энергию за счет рождения электрон-дырочных пар в области пространственного заряда полупроводника и сбора этих пар. Такие источники отличаются повышенным КПД, компактностью, отсутствием движущихся частей и сравнительно высоким выходным напряжением.

К настоящему моменту практически все производимые в мире БВГ основаны на наиболее распространенном полупроводнике – кремнии. Однако из-за малой ширины запрещенной зоны, низкой подвижности носителей заряда и низкой радиационной стойкости использование кремния значительно ограничивает технические характеристики таких источников. Использование кремния как материала преобразователя значительно ограничивает спектр радиоизотопов, которые могут быть использованы как источники ионизирующего излучения, так как излучение высокоэнергетических изотопов (например, стронция-90) приводит к быстрому накоплению центров захвата заряда в объеме полупроводника, что снижает подвижность носителей заряда и в конечном итоге приводит к резкому падению КПД.

В настоящем проекте изучается возможность создания преобразователя для радиационно-стимулированного источника питания на основе широкозонного материала. Это позволит достичь высокого значения КПД на протяжении всего срока службы источника. В мире существует сравнительно мало работ, посвященных созданию преобразователей ионизирующего излучения на основе широкозонных полупроводников. Практически все такие работы сосредоточены на разработке преобразователей на основе карбида кремния.

В отличие от известных разработок в качестве рабочей среды БВГ предлагается использовать полупроводниковый синтетический алмаз, что позволит создать универсальный высокоэффективный преобразователь для работы с ионизирующим излучением с различной энергией. Длительное время в технических применениях эксплуатировались только исключительно высокие механические свойства алмазов. Крупные природные монокристаллы алмазы хорошего качества весьма редки, имеют большую стоимость и поэтому не могут рассматриваться как значимый источник сырья в таких наукоемких областях, как электроника. Поэтому синтетические монокристаллы алмаза, качество и воспроизводимость свойств которых значительно улучшились в последние годы, должны стать востребованными среди разработчиков электроники.

1.   На  основе  патентных  исследований  и  аналитического  обзора  литературы  выполнена  сравнительная  оценка  возможных направлений  исследований  и  осуществлен  выбор  и  обоснование  оптимального  варианта  решения  задачи  по  созданию полупроводникового  преобразователя  энергии  ионизирующего  бета-излучения  в  электрическую  энергию  для  использования  в составе автономных радиационно-стимулированных элементов питания.
2 .   Разработана  математическая  модель  функционирования  полупроводникового  преобразователя  энергии  ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия.
3.   Проведены  расчеты  оптимальной  схемы  коммутации  преобразователя  в  элементе  питания  в  зависимости  от технологических параметров преобразователя.
4.   Разработан  метод  формирования  тонких  слоев  широкозонных  полупроводник овых  материалов,  в  том  числе  сверхтвердых,  с использованием метода ионной имплантации.
5.  Осуществлен выбор конструкции и разработана КД для изготовления экспериментальных образцов преобразователей.
6.  Разработана техническая (КД и ТД) документация для изготовления экспериментальных образцов пластин- заготовок.
7.  Изготовлены экспериментальные образцы пластин-заготовок в соответствии с разработанной документацией.
8.   Разработан  технологический  процесс  изготовления  преобразователей  энергии  ионизирующего  бета-излучения  в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно- стойких полупроводниковых структур.
9.   Подготовлен  комплект  технологической  документации  на  разработанный  технологический  процесс  изготовления преобразователей  энергии  ионизирующего  бета-излучения  в  электрическую  энергию  прямого  действия  на  основе радиационно- стойких полупроводниковых структур.
10.  Изготовлены экспериментальные образцы преобразователей энергии бета-излучения.
11.  Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов преобразователей.
12 . Разработана  конструкция  и  осуществлено  изготовление  держателя  для  закрепления  экспериментальных  образцов преобразователей  для  обеспечения  экспериментальных  исследований  стабильности  их  характеристик  во  времени  с использованием средств моделирования воздействия бета- излучения.

Ожидаемые результаты ПНИ будут использованы при разработки базовых конструкций и технологий создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения с удельной мощностью не менее 50 мкВт/см3 и сроком службы не менее 20 лет в рамках выполняемого комплексного проекта.
Новое поколение батарей позволит создать стратегический задел в области специальных источников питания, нацеленный на:
1) Обеспечение безопасности на атомных станциях за счет создания энергонезависимых систем контроля;
2) Обеспечение автономным питанием специальной техники;
3) Освоение космоса за счет создания автономных необслуживаемых спутников и зондов;
4) Развитие медицины за счет создания нового поколения необслуживаемых имплантов;
5) Освоение труднодоступных регионов, в частности, крайнего Севера, за счет создания автономных геолого-разведывательных зондов, энергонезависимых сенсоров, буев и т.д.
Кроме того, промышленное внедрение разработанной технологии создания преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур способствует развитию направления экстремальной электроники, что позволит в перспективе выйти на масштабные сегменты применения электронных компонентов в промышленных секторах, где нет такой жесткой ценовой конкуренции, как в потребительской электронике, но имеющих при этом довольно высокую емкость с точки зрения объемов потребления.