СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Российский патент 2015 года по МПК H01L31/04 G21H1/06 

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Способ может быть использован в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных источников электроэнергии с большим сроком службы.

Изучение процессов и методов преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию актуально по нескольким причинам. Во-первых, такие исследования имеют фундаментальное значение для изучения электронных свойств алмаза. Во-вторых, в России и в мире наблюдается потребность в источниках электроэнергии с большим сроком службы для нужд промышленности, в частности оборонной; такие источники могут быть созданы на основе заявляемого изобретения. В-третьих, автономные источники электроэнергии необходимы для исследовательских целей, в частности для исследования космоса и для глубоководных исследований.

Известен способ создания источника электроэнергии с помощью радиоактивного материала, используемого в электрическом генераторе, преобразующем энергию электронов радиоактивного распада в электроэнергию. Сущность изобретения заключается в выборе органического материала, а именно 1-этилэтилена, насыщении атомами трития ³Н (тритированиии) его таким образом, что соотношение количества атомов трития к количеству атомов углерода составляет по меньшей мере 1:1. Процесс тритирования заключается в добавлении или замещении атомов трития или сочетает оба процесса. Полученный полимерный материал используется в устройстве для генерации электрического тока за счет преобразования энергии, выделяющейся при распаде радиоактивного материала, в состав которого входит по меньшей мере один слой полупроводникового пористого материала, в поры которого вышеуказанный полимерный материал помещается путем пропитки. К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность и многостадийность процесса изготовления как собственно тритированного полимерного материала, так и устройства для генерации электрического тока, существенно повышающие стоимость изделия (Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009).

Известный способ генерации электрической мощности в ходе процесса распада радиоактивного материала, при этом радиоактивный материал и область полупроводникового р-n перехода объединены в ячейку. Область р-n перехода образована соответствующей структурой множества участков с р- и n-проводимостью. По меньшей мере часть одной из областей р-n перехода представляет собой область, насыщенную порами с соотношением глубины к диаметру больше 20:1 и расположенных под углом более 55 градусов к поверхности, на которой они сформированы. Размеры и формы областей с макропорами и улучшенные области р-n перехода способствуют улучшению параметров электрического тока, генерируемого устройством. В качестве полупроводникового материала используется кремний, а в качестве радиоактивного материала - тритий или изотопы ⁶³Ni или ²⁴¹Am. К недостаткам данного изобретения можно отнести использование в качестве полупроводникового материала кремния, обладающего радиационной стойкостью, в 100 раз меньшей, чем алмаз, а также использование в качестве источника излучения высокотоксичного ²⁴¹Am, являющегося α-излучателем с энергией излучаемых частиц 5,5 МэВ, которые вызовут радиационное повреждение кремния в ходе длительной эксплуатации устройства (Патент US 6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005).

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является автономный источник питания и способ изготовления источника преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29, включающий изготовление полупроводникового материала с использованием карбида кремния, состоящего из областей р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников, воздействие на один из слоев металла ионизирующим бета-излучением и снятие электричества с помощью проводников.

К недостаткам известного изобретения можно отнести сложную, многостадийную схему изготовления полупроводниковой структуры, использование низкоэнергетических источников бета-излучения, использование в качестве полупроводникового материала карбида кремния, обладающего существенно более низкой радиационной стойкостью, что определяет более низкий срок службы полупроводникового материала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающем изготовление полупроводникового материала состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением и снятие электричества с помощью проводников, согласно изобретению в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения, а в качестве полупроводникового материала берут синтетический алмаз р-типа с содержанием бора в количестве 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³.

На поверхностях алмаза в областях р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из них - трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото толщиной 5-100 нм для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия толщиной 5-100 нм, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разделяются на отрицательные, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.

Алмаз отличается от других полупроводниковых материалов повышенной радиационной стойкостью, что позволит создавать не деградирующие с течением времени гетероструктуры под действием радиоизотопов, испускающих высокоэнергетические электроны, и использовать их в сравнительно жестких радиационных условиях. Наибольший интерес представляет пороговая энергия электронов, достаточная для возникновения дефектов в алмазе, - она составляет 165-220 кэВ и меняется в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности алмаза. Для сравнения в кремнии дефекты образуются уже при энергии электрона несколько десятков кэВ. Алмаз также характеризуется уникально высокой подвижностью носителей заряда, что значительно уменьшает вероятность рекомбинации электронов и дырок при работе алмазного источника тока и приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Кроме того, уникально высокая теплопроводность алмаза значительно упрощает решение задачи об отводе тепла от любых электронных устройств на его основе. Система титан-платина-золото выступает в роли омического контакта, ее выбор обусловлен следующими требованиями: во-первых, данный контакт не должен приводить к существенному падению напряжения на нем, чтобы исключить дополнительные резистивные потери. Во-вторых, данный слой должен обладать высокой адгезией к алмазу и высокой стойкостью к термоциклированию, т.к. планируется, что он будет использоваться для соединения кристалла преобразователя с корпусом источника тока. Для формирования контакта с барьером Шоттки ключевой является максимальная разность работ выхода электрона из алмаза и из металла контакта - высота этого барьера определяет разность потенциалов на границах области пространственного заряда, от нее зависит напряжение, генерируемое базовым элементом. Именно платина (металлы платиновой группы) обеспечивает достижение максимального напряжения.

В качестве ионизирующего излучения взято альфа-излучение ²³⁸Pu, так как один грамм чистого ²³⁸Pu генерирует 0,567 Вт мощности, что обеспечивает достижение необходимого напряжения, также период полураспада ²³⁸Pu обеспечивает длительный срок службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию.

Изобретение поясняется чертежом, иллюстрирующим предлагаемое техническое решение.

Преобразование энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза осуществляется следующим образом. Источник 1 ионизирующего излучения испускает ионизирующее излучение 2. На пути ионизирующего излучения 2 располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа 3 с контактом Шоттки 4 и омическим контактом 5 так, чтобы ионизирующее излучение 2 полностью или частично попадало на контакт Шоттки 4. При помощи проводников 6 электрический ток снимается с контактов 4 и 5 и передается потребителю 7.

Была создана сборка из 130 преобразователей ионизирующего излучения, разделенная на 4 неравных сектора. В каждом секторе преобразователи были присоединены омическим контактом к медной подложке проводящим клеем и объединены параллельно при помощи микросварки к контактам Шоттки золотым проводом толщиной 40 мкм. Сектора были объединены последовательно-параллельно для достижения рабочего напряжения. Сборка была собрана в пластиковом корпусе для защиты от внешних воздействий.

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом выразится в повышении степени генерации электрической энергии за счет использования высокоэнергетических ионизирующих источников с альфа-излучением, а также в увеличении срока службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию за счет использования синтетического алмаза в качестве полупроводникового материала, имеющего более высокую радиационную стойкость в условиях ионизирующего излучения по сравнению с карбидом кремния.

Пример конкретного выполнения способа

Для проведения испытаний были изготовлены образцы полупроводникового материала, состоящего из синтетического алмаза с содержанием бора в количестве 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³, на который воздействовали альфа-излучением активностью 0,2 Ки.

В результате получена на выходе мощность 25 мкВт.

Одновременно проведены испытания известного способа. Результаты испытаний сведены в таблице.

Источники информации

1. Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009.

2. Патент US6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005.

3. Патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29.

Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³ и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество. Техническим результатом изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающий изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, отличающийся тем, что в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 10¹⁴-10¹⁶ атомов на см³ и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.

2. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что неразрывные металлические контакты из трехслойной системы металлизации вида титан-платина-золото и металла платиновой группы наносят толщиной 5-100 нм каждый.

3. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в металле контакта Шоттки формируют отверстия различной формы и размеров для лучшего прохождения ионизирующего излучения.