Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0051

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0051
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры
Докладчик
Мурашев Виктор Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: Разработка и создание автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры для электропитания миниатюрных космических аппаратов, глубоководных гидроакустических станций, медицинских электрокардиостимуляторов и микроэлектромеханических систем
Задачи:
- теоретическое исследование путей создания автономных источников
питания;
- разработка конструктивно-технологических методов и технологии для
создания автономного источника питания;
- создание экспериментальных образцов автономного источника питания;
- проведение экспериментальных исследований разработанных образцов;
- оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным
научно-техническим уровнем.
Актуальность и новизна исследования
Разработка новых источников питания с длительным скором службы и 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. Для решения данной проблемы можно использовать радиоизотопные источники энергии, срок службы которых определяется периодом полураспада радиоизотопа и может составлять десятки и сотни лет. Наиболее оптимальное направление преобразования ионизирующего излучения радиоизотопных источников это создание полупроводниковых бета-вольтаических батарей, которые осуществляют прямое преобразование кинетической энергии в электрическую.
Теоретически, наиболее подходящими материалами для изготовления бетавольтаических батарей являются полупроводники с большой шириной запрещенной зоны, такие как SiC и GaN. Однако значения времени жизни неосновных носителей в этих полупроводниках существенно ниже, чем в кремнии. Поскольку кремний намного дешевле SiC и GaN, и уровень развития технологии изготовления структур на его основе хорошо развит, вопрос об оптимальном материале требует более детального исследования.
Поставленные цели ПНИ достигаются путем создания оригинальной конструкции преобразователя, реализуемой по близкой к стандартной микроэлектронной технологии.
Описание исследования

Состояние поверхности полупроводникового материала, на которую имеет выход p-n переход, оказывает более сильное влияние на электрические параметры приборов, чем физические свойства объема полупроводника. Если p-n переход внутри полупроводникового материала надежно защищен от внешних воздействий, то часть, выходящая на поверхность, не может без дополнительной защиты противостоять влиянию этих воздействий. Адсорбция различных газов и паров приводит к образованию пространственного заряда в приповерхностной области. 

Значительную роль в изменении электрических параметров играют токи утечки, обусловленные образованием инверсных слоев. Так инверсный слой, примыкающий к p-n переходу, увеличивает эффективную площадь и способствует возрастанию обратного тока, что в свою очередь приводит к снижению напряжения холостого хода и коэффициента полезного действия. Для снижения влияния инверсионных слоев в структуре используются узлы охраны, уровень легирования которых не позволяет образовываться инверсным слоям, тем самым минимизируя их влияние. Наиболее эффективным средством минимизации тока утечки является применение охранных колец, которые создаются вокруг основного p-n перехода диффузией или ионным легированием.

Пассивация поверхности различными покрытиями является заключительной стадией производства практически любого прибора. Пассивация должна стабилизировать свойства поверхности, заданные предыдущими процессами, а защита должна обеспечивать полную изоляцию поверхности от воздействия вредных факторов окружающей среды. Защиту и пассивацию поверхности осуществляют нанесением или созданием химическим или другим путем пленок диэлектрика различного состава. Для снижения поверхностной рекомбинации используется термический окисел, выращенный трех стадийным окислением в сухом кислороде и парах воды.

Толщина окисла над рабочей областью должна быть не более 200 А. Легирование через этот окисел при формировании рабочей области осуществляется с минимальной энергией 5-20 КэВ для обеспечения минимальной глубины P-N перехода.

Для снижения рекомбинационных потерь в области сильнолегированного p-n перехода формировалась сетчатая структура эмиттера. Шаг сетки выбирается такой, чтобы расстояние между p областями составляло примерно удвоенное значение ОПЗ. При этом данные изменения не должны оказывать влияние на значение напряжения холостого хода бетавольтаического преобразователя, так как оно не зависит от площади и определяется только энергетической диаграммой. 

Нанесение радионуклида никель-63 на кремниевые структуры осуществлялось из водного раствора в гальванодинамическом режиме. Второй этап никелирования заключался в электрохимическом нанесении герметизирующего слоя из электролита Уоттса.

Измерения осуществлялись с использованием оборудования научно-исследовательского центра коллективного пользования «Материаловедение и металлургия» (НИТУ «МИСиС»). Большая часть измерения проводились в светонепроницаемой камере с помощью зондовой станции, к которой подключался полупроводниковый анализатор Agilent B1500A. С помощью этой системы измерялись такие параметры как ток короткого замыкания, напряжение холостого хода и максимальная выходная мощность.

 

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИ проведены экспериментальные исследования экспериментальных образцов автономного источника питания. Анализ ВАХ полученных структур, при воздействии бета-частиц, был проведен с источником, содержащим радиоактивный изотоп 63Ni. В нашем случае толщина слоя никеля не превышала 1,5 мкм, площадь занимаемая этим слоем составила 1 х 1 см2, активность радиоактивной пленки 63Ni составляет 10 мКи.

Измерения ВАХ экспериментальных образцов автономного источника питания проводились в ЗАО «РИТВЕРЦ». В ходе проведения исследований было установлено, что разработанные образцы на основе планарных структур имеют следующие характеристики:

− значение тока короткого замыкания – от 56 до 66 нА;

− значения напряжения холостого хода – от 0,33 до 0,35 В;

− максимальная выходная мощность – от 9,5 до 11,6 нВт;

Проведены исследования зависимостей тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и выходной мощности от активности радиоизотопа 63Ni. Установлен коэффициент увеличения генерационного тока от активности бета-источника, который составил 7 мкА/Ки. Кроме того с увеличением активности бета-источника происходит ожидаемое увеличение выходной мощности преобразователя. При этом величина оптимальной нагрузки уменьшается с 4 МОм при 2,7 мКи до 1,78 МОм при 10 мКи.

Показано, что при использовании в структуре бетавольтаических элементов источника 63Ni с активностью более 20 мКи/см2, то коэффициент полезного действия составит более 5 %.

Проведены технологические эксперименты по определению оптимальных технологических режимов изготовления экспериментальных образцов кремниевых p-i-n структур. Экспериментально проверено, что увеличение глубины залегания p-n перехода снижает ток короткого замыкания и, соответственно, напряжение холостого хода. Установлено, что доза легирования 5-10 мкКл/cм2 является наиболее оптимальной. Кроме этого рассмотрено влияние уровня легирования подложки. Влияние концентрации носителей в n-слое на вольт-амперные характеристики более существенно, чем глубины залегания p-n перехода. Ток короткого замыкания изменяется слабо, а напряжение холостого хода изменяется существенно. Таким образом, для рассмотренного ряда концентраций значение 1014 см-3 можно считать оптимальным. 

Отработаны режимы электрохимического осаждения 63Ni из аммиакатного и водного электролитов.

При анализе опубликованных результатов, в том числе элементов на основе карбида кремния, алмаза, арсенида и нитрида галлия показано, что разработанные экспериментальные образцы находятся на мировом уровне и по параметрам превышают прямые аналоги на основе кремния. По значениям максимальной выходной мощности и эффективности преобразования разработанные элементы уступают только результатам на основе карбида кремния и находятся на уровне результатов на основе С и GaN, а по значению генерации тока на Ки (мкА/Ки) превосходит аналоги на всех материалах.

Разработка была представлена на XIX Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2016», решением международного жюри работа была награждена золотой медалью. На сегодняшний день приборы такого рода на кремнии в России представлены впервые. Научных публикаций о создании рабочих структур с результатами экспериментальных работ на кремнии от других разработчиков представлено не было.

 

Практическая значимость исследования
Интерес к таким источникам в значительной степени обусловлен плотностью энергии радиоизотопных элементов, которая сопоставима с плотностью энергии в литиевых аккумуляторах, а также возможностью встраивания радиоизотопных батарей в микроэлектромеханические системы, технология которых бурно развивается в настоящее время. Автономные источники питания на основе бета-вольтаических батарей необходимы во многих областях:
- в медицине - для имплантированных датчиков и стимуляторов, которые, например, устанавливаются непосредственно в сердце (кардиостимуляторы). Разрабатываемый источник питания с длительным сроком службы позволит обойтись без повторных операций пациентов для замены источника питания в кардиостимуляторе.
- для датчиков, встраиваемых в строительные конструкции, в частности, для энергопитания метеостанций, устанавливаемых в труднодоступных регионах, которые автономно измеряют температуру, атмосферное давление и скорость ветра фиксирующими самопишущими приборами.
- в космической технике, а именно, в качестве вспомогательных источников электроэнергии в навигационных спутниках, поскольку в космосе требуются источники, которые способны вырабатывать электричество в течение длительного времени, в условиях резкого и очень сильного перепада температур.
- в оборонной промышленности например, в микророботехнике в качестве источника питания аппаратов как наземного применения, так и летательных микроаппаратах для ведения разведки и выполнения других тактических задач.
Помимо этого радиоизотопные батареи могут использоваться:
- в автономном режиме для слаботочных приборов;
- в паре с аккумулятором или конденсаторов для приборов, работающих в импульсном режиме;
- в паре с химической батареей для больших токов, выступая в качестве дополнительного зарядного устройства, повышая тем самым надежность и срок использования.
Результаты данной работы можно будет использовать при разработке
долголетнего автономного источника питания для получения стабильного
напряжения и тока.
Постер

Poster_template_EE.ppt