Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа Ni и способ его получения Российский патент 2018 года по МПК G21H1/02 G21H1/06 H01L29/66 

Изобретение относится к технике безотходной ядерной технологии, в частности к бетавольтаическим источникам тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа ⁶³Ni, и может быть использовано для преобразования энергии ядерного распада в виде бета-частиц в электрическую энергию.

Известное ранее техническое решение - метод конвертирования энергии излучения в электрическую и конструкция планарных пластинчатых преобразователей β-излучения в электрическую энергию, так называемые бетавольтаические источники электрического тока, было запатентовано в 1953-1954 гг. [Патент США №2745973, кл. G21Н 1/06, опубл. 15.05.1956. "Radioactive battery employing semiconductors"]. В известном техническом решении был использован бетавольтаический эффект генерации электрического тока в p-n-переходах полупроводниковой структуры на основе кремния, являющегося результатом образования в ней электронно-дырочных пар вследствие воздействия β-излучения, возникающего при распаде ряда изотопов, например, стронция-90 или трития. Основным принципом запатентованного метода было воздействие излучения непосредственно на p-n-переход полупроводниковой структуры. Основными характерными признаками планарной структуры бетавольтаического источника тока были разнесенные по противоположным сторонам p-n-перехода электроды, позволяющие снимать и утилизировать генерируемый в источнике ток, а также миниатюризация источника тока.

Потребности в миниатюрных и надежных источниках тока с большим периодом эксплуатации (без дополнительного обслуживания - замены по мере эксплуатации основного изделия) в последние 10-15 лет резко возросли, причиной njму стало развитие потенциального рынка потребления - рынка микроэлектрических механических систем (МЭМС), рынка миниатюризованной медицинской электроники, сенсоров и датчиков охранных систем, космической техники и ряда оборонных технологий со сниженным порогом токопотребления в ждущем режиме до порядка 1-10 наноампера [Ю.С. Нагорнов, В.Н. Мурашев. Моделирование бетавольтаического эффекта на кремниевых pin-структурах при облучении β-источником никель-63. - Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 1, с. 17-22]. Развитию подобных источников способствует появление сложноструктурных материалов и технологии производства новых полупроводниковых, так называемых широкозонных структур, технологий их переработки и доведения до применения в промышленности, а также развитие технологии получения ряда высокообогащенных бета-изотопов, удешевляющих их применение.

Нижеприведенный анализ известных технических решений показал, что, несмотря на отдельные попытки создать технологию массового выпуска бетавольтаических источников тока с генерируемым током (короткого замыкания) в несколько десятков наноампер, все существующие разработки не позволяют пока создавать миниатюрные источники энергии, которые могли бы осуществлять основное электропитание МЭМС.

Известные реализованные технические решения представлены продукцией трех американских фирм.

Известно техническое решение - бетавольтаический источник тока фирмы City Labs Inc. с бета-эмиттером на основе трития с активностью 2 Ки и пористого кремния под маркой NanoTritium™ с напряжением 800 мВ и максимальным током 350 нА, в виде сборки в общем корпусе 10 элементарных микроисточников тока [L.C. Olsen, P. Cabauy and В.J. Elkind. Betavoltaic power sources. Physics Today, Декабрь 2012, p.p. 35-38].

Известно также техническое решение - аналогичный бетавольтаический источник на основе нанопористого кремния и бета-эмитера трития, разрабатываемый американской компанией BetaBatt, Inc. - выходная мощность которого должна составлять 50 и 175 мкВт/см³, производство которого отложено по неизвестной причине. В качестве источника β-частиц в источниках используют либо тритий (³Н₂) газ, либо тритированный бета-каротен (ТВС), либо тритированный полимерный бутилкаучук (TBR), синтезируемый при тритировании из исходной молекулы С₄Н₃Т₅ [Wei Sun, Hirshman K.D., et al., A three-dimensional porous silicon p-n diode for beta-voltaics. - Advanced Materials, 2005, v. 17, pp. 1230-1233].

Известно также техническое решение - бетавольтаический источник тока компании Widetronix Inc., (США), которая с 2011 г. производит по конкретным заказам бетавольтаические батареи с относительно низким энергопотреблением и долгим сроком эксплуатации на базе полупроводникового материала - карбида кремния; фирма планирует открыть центр изготовления прототипов, выходная мощность которых будет достигать 10 мкВт/см² [K. Bourzack, A 25-Year Battery - MIT Technology Review, November 17, 2009]. В настоящее время Widetronix предлагает бета-батарейки Firefli™, монтируемые в единый металлический корпус. Firefli-T: батарея имеет на выходе мощность от 10 до 1000 нВт, в качестве изотопа используется тритий с активностью 702 мКи, срок службы 5 лет, напряжение разомкнутой цепи составляет от 2 до 3 В. Firefli-H: Отличие этой батарейки состоит в использовании в этой модели бета-эмиттера изотопа никель - 63(⁶³Ni) с активностью 500 мКи. Этот изотоп позволяет увеличить срок службы до 20 лет. Начальная выходная мощность может быть от 5 до 500 нВт, с напряжением разомкнутой цепи от 2 до 3 В [K. Bourzack, А 25-Year Battery - MIT Technology Review, November 17, 2009].

Известные технические решения, защищенные патентами в области создания бетавольтаических источников тока с использованием в качестве источника бета-частиц радиоизотопа ⁶³Ni в период с 2005 по 2015 г., дают представление о строении и структуре предложенных бетавольтаических источников и позволяют выявить существенные отличия предлагаемого в данной заявке инновационного технического решения.

Так, известен ряд технических решений, направленных на создание бетавольтаических источников тока так называемой «сэндвичевой» послойно повторяющейся структуры с использованием в качестве эмиттера бета-частиц радиоизотопа ⁶³Ni и полупроводниковых преобразователей энергии бета-частиц в электрическую.

Известен бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе изотопа ⁶³Ni, включающий блок с полупроводниковым преобразователем энергии бета-частиц в электрическую энергию в виде плоской планарной пластинки на базе кремния или галлия с p-n-переходом, на одну сторону которой (непосредственно на p+ сторону) нанесен металлический слой изотопа ⁶³Ni и к нему подсоединен первый токосъемный электрод, а на вторую сторону (n+) нанесен инертный металлический (нерадиоактивный) слой, представляющий собой второй токосъемный электрод, причем два или более таких блоков соединены в стопку («сэндвичевую» структуру) таким образом, что инертные металлические слои с n+ сторон каждого блока прижаты или спаяны друг к другу, образуя внутреннюю сторону «сэндвича», и к ней крепится общий токосъемный электрод. Стороны р+ с нанесенными на них металлическими слоями изотопа ⁶³Ni находятся с внешних сторон стопки - «сэндвича», и к каждой из них подсоединен отдельный токосъемный электрод. Такая структура способна генерировать токи до 100 нА. Схема устройства такого источника приведена на Фиг. 1а [Патент WO 2011/149619 А1 от 01.12.2011, кл. G21Н 1/06, "Betavoltaic power converter die stacking"].

Известен также бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni, включающий в виде плоской планарной кремнийсодержащей пластинки с р-n-переходом полупроводниковый преобразователь энергии испускаемых им бета-частиц в электрическую энергию. Непосредственно на р+ сторону пластинки полупроводникового преобразователя нанесен напылением в вакууме тонкий нанометровый металлический слой из нерадиоактивного изотопа никеля ⁶²Ni. Этот тонкий непоглощающий бета-частицы слой используется в качестве основы для напыления радиоактивного изотопа бета-эмиттера ⁶³Ni в виде металлического слоя. В свою очередь, этот радиоактивный слой бета-эмиттера покрыт сверху нерадиоактивным защитным металлическим слоем инертного изотопа ⁶²Ni для защиты от бета-излучения. Подобная «сэндвичевая» структура, рассматриваемая в качестве базового составного компонента сборного элемента питания из нескольких таких пластин, представлена на Фиг. 1б [Патент США US 2014/0319963 от 30.10.2014, кл. G21Н 1/06, "Radioisotope battery and manufacturing method thereof"].

Известен бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni, или ¹⁴⁷Рm, или трития ³Н, взятый за прототип [Патент США US 8866152 В2 от 21.10.2014, кл. Н01L 29/15, G21H 1/06 "Betavoltaic apparatus and method"], включающий утонченный до толщины 50 мкм полупроводниковый преобразователь энергии бета-частиц в электрическую энергию - плоскую кремнийсодержащую n+ легированную пластинку карбида кремния SiC, с верхним эпитаксиальным n+ слоем и с токопроводящим слоем, непосредственно нанесенным на нижнюю смежную поверхность пластинки SiC, причем n+ эпитаксиальный слой непосредственно примыкает к верхней поверхности пластинки SiC, р+ эпитаксиальный слой выполнен одной стороной непосредственно примыкающим к верхней поверхности n+ эпитаксиального слоя, а с другой стороны поверхности р+ эпитаксиального слоя SiC к нему непосредственно примыкает омический контакт - электропроводный слой, непосредственно на который нанесен слой радиоизотопа в виде металлического покрытия. Таким образом, с двух сторон такая пластинка имеет металлические электропроводные слои.

Строение единичного компонента бетавольтаического источника тока в виде слоистой «сэндвичевой» структуры включает основу - сильно легированную N+ пластинку SiC толщиной 50 мкм или меньше, полученную из исходного сильно легированного субстрата - пластинки толщиной 150 мкм методом послойной обдирки с последующим шлифованием поверхности.

Эпитаксиальный слой р+-типа - сильнолегированный бором или галлием, или алюминием дырочный слой с концентрацией 10¹⁹ атомов/см³ и толщиной не более 250 нм.

Эпитаксиальный слой N^--типа - сильнолегированный азотом электронный слой с концентрацией легирующей примеси не более 4,6×10¹⁴/см³, толщина этого слоя меньше, чем длина пробега бета-частицы и длины диффузии пары электрон-дырка; для указанной концентрации примеси и изотопа ⁶³Ni длина пробега до 3 мкм.

Омический контакт - электропроводный слой осуществляет электрическое соединение между р+ эпитаксиальным слоем SiC и внешним электродом - токосъемником. В качестве металла используют состав из 90% вес. алюминия и 10% вес. титана. Толщина контактного слоя 250 нм.

Нижний металлизированный слой осуществляет электрический контакт с N-легированным слоем, его толщина до 1 мкм, в качестве металла использован природный нерадиоактивный никель из-за хорошего контакта с N-легированным субстратом SiC.

Радиоизотопный слой на базе ⁶³Ni выполнен в качестве тонкой пленки металла, толщина которой с целью исключить самопоглощение не превышает половину длины пробега бета-частиц (Е=17,4 кэВ) в SiC, для данного случая - 2 мкм. Этот слой непосредственно нанесен на омический контакт - электропроводный слой.

Получают пластинчатый бетавольтаический элемент последовательным выполнением технологических операций получения указанных выше слоев. Используются методы эпитаксии и напыления металлов при высоких температурах в вакууме, в том числе магнетронные методы.

Параметры генерации тока и напряжения бетавольтаического элемента-прототипа довольно низкие: для радиоизотопа ⁶³Ni с удельной радиоактивностью 1,5 мКи/см² генерируется ток короткого замыкания 300 пикоампер (пА) или 3×10^-10 А с напряжением холостого хода 1,9 В. При модельном облучении бетавольтаического источника тока в электронном микроскопе потоком электронов, эквивалентным активности 300 мКи и ультравысокой конверсии (кпд) полупроводникового преобразователя до 22,3% достигнутая мощность 340 нВт, при напряжении 1,76 В. При расчете на объем 1 см³ в сборке пластинок источника достигнутая мощность 0,05 мВт/см³. Удельная мощность такого бетавольтаического источника на радиоактивность изотопа в 1 Ки составила 100,6 мкВт/Ки.

Для большей эффективности такие источники могут быть собраны в стопку или планарную сборку и смонтированы с помощью коммутированных внешних электродов в электрическую цепь единого элемента питания либо параллельным для умножения тока, либо последовательным соединением для умножения напряжения (вольтажа) элемента питания [Патент США US 8866152 В2 от 21.10.2014, кл. Н01L 29/15, G21H 1/06 "Betavoltaic apparatus and method"].

Недостатком прототипа является невозможность при использовании известных конструкций «сэндвичевых» бетавольтаических источников тока достичь более высоких значений генерируемой электрической мощности, тока и напряжения, в частности, при оптимальных соотношениях размеров (веса) и оптимальной технологии получения источников, что связано с низкой эффективностью конверсии ионизирующего излучения, т.к. свыше 60% - бета-частиц, генерируемых радиоизотопом ⁶³Ni, не вносят вклад в генерацию связанной электронно-дырочной пары в теле полупроводникового материала.

Этот недостаток обусловлен целым рядом причин:

- использованием в качестве полуроводникового преобразователя пластинок на базе матрицы карбида кремния, сильно N-легированных, что не исключает образования нитрида кремния в толще матрицы, собственная электронная проводимость которого при комнатной температуре пренебрежимо мала, что снижает в целом эффективность переноса заряда в p-n-переходе;

- использованием технологии нанесения омического электропроводного слоя и контактных металлических слоев методами высокотемпературного напыления в вакууме, включая и магнетронные методы, что приводит к повреждению поверхностных слоев N-легированного субстрата пластинки SiC, и, возможно, оказывает влияние на стабильность p-n-перехода в нем, сформированного за счет неуправляемой диффузии напыляемых атомов;

- использованием сложной системы электропроводящих слоев-металлических покрытий, коммутируемых с внешними электродами, что приводит к потерям генерируемых тока и напряжения;

- сложностью технологического процесса, в частности необходимостью иметь специальную установку для напыления радиоактивного изотопа.

Известен способ [Патент США US 8866152 В2 от 21.10.2014, кл. Н01L 29/15, G21H 1/06 "Betavoltaic apparatus and method"] получения бетавольтаического устройства, включающий: получение по крайней мере первого и второго бетавольтаического устройства, получение соединительного промежуточного слоя, электрически контактирующего с проводящим слоем первого бетавольтаического устройства и радиоизотопным слоем второго бетавольтаического устройства; сборку по меньшей мере первого и второго бетавольтаических устройств и промежуточного соединительного слоя последовательно в стопку; присоединение положительного и отрицательного электродов к устройству с противоположных сторон, нагрев устройства до температуры плавления соединительного слоя или выше; присоединение положительного электрода к проводящим слоям сборки и отрицательного электрода с другой стороны сборки к омическим проводящим слоям, травление совпадающих областей по меньшей мере части радиоизотопного слоя, второго электрического проводящего слоя, Р⁺-легированного эпитаксиального слоя, N^--легированного эпитаксиального слоя и N⁺-легированного субстрата так, чтобы получилось множество устройств, включающих общий N⁺-легированный субстрат и первый электрический проводящий слой.

Недостатком прототипа является невозможность достичь высоких значений генерируемой электрической мощности, тока и напряжения.

Задачей изобретения является повышение генерируемой электрической мощности, тока и напряжения бетавольтаического источника при оптимальных массо-габаритных параметрах и простой технологии получения с минимальным количеством технологических операций.

Поставленная задача решается тем, что бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni представляет собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где каждый из микроисточников тока содержит полупроводниковый преобразователь энергии бета-частиц в электрическую энергию - кремнийсодержащую n⁺ легированную пластинку с p^{+ эпитаксиальным слоем, и источник бета-частиц в виде содержащего радиоизотоп никеля-63 металлического электропроводного слоя, контактирующего с одной или с двух сторон с полупроводниковым преобразователем, и систему токосъемных электродов для подключения к нагрузке, причем каждый из микроисточников тока содержит:}

- в качестве полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц в электрическую - матрицу монокристалического p- кремния типа 100 высокой чистоты с сопротивлением 5-10 Ом⋅см в виде пластинки толщиной 120-150 мкм с текстурированной поверхностью и с p-n-переходом, созданным одновременным легированием с внешней стороны на глубину 250-300 нм атомами фосфора (Р) - (n^- слой с концентрацией электронов в приповерхностном слое 4-6⋅10¹⁹ см^-3) и с внутренней стороны на глубину 400-500 нм атомами бора (В) - (р⁺ слой с концентрацией дырок в приповерхностном слое кремния 2-4⋅10¹⁹ см^-3);

- причем обе стороны такой пластинки содержат поверхностный слой нитрида кремния Si₃N₄ толщиной до 70 нм, покрывающий структурированную поверхность кремниевой матрицы;

- причем обе стороны такой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния содержат серебряные линейные электроды в виде нитей шириной 5-20 мкм, с расстоянием между ними 2,5-2,7 мм, выступающие внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой матрицы на 5-10 мкм и проникающие внутренней стороной сквозь слой нитрида кремния для контакта непосредственно с кремниевой матрицей;

- причем периметр торцов такой пластинки покрыт изолирующим слоем химически стойкого лака ХСЛ для предотвращения замыкания р-n-перехода;

- а в качестве источника бета-частиц - соразмерную с пластинкой полупроводника токопроводящую металлическую пластинку, включающую носитель радиоактивного изотопа в виде плоской пластинки из металлической фольги природного нерадиоактивного никеля толщиной 10-50 мкм с выступающими за габариты одну или более узких полосок для токосъема, с одной или обеих сторон фольги, представляющее собой металлический слой радиоактивного изотопа ⁶³Ni с толщиной активного слоя 1,12-1,15 мкм и степенью обогащения не менее 17% атомных и не более 82% атомных, суммарной активности от 10 мКи до 40 мКи; а также тонкий защитный металлический слой природного нерадиоактивного никеля толщиной 120-150 нм, нанесенный поверх радиоактивного слоя;

- причем размеры слоя радиоактивного никеля соразмерны с габаритами полупроводникового преобразователя, а конфигурация носителя - фольги природного никеля имеет выступающие за габариты одну или более узких полосок для токосъема;

- в качестве системы токосъемных электродов - комбинацию системы внутренних встроенных с обеих сторон кремниевой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния серебряных линейных электродов в виде нитей шириной 5-20 мкм, с расстоянием между ними 2,5-2,7 мм, выступающих внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой пластинки на 5-10 мкм и проникающие внутренней стороной сквозь слой нитрида кремния для контакта непосредственно с кремниевой матрицей, и системы внешних электродов - металлических пластинок источников бета-частиц, прижатых к внутренним встроенным электродам для электрического контакта, с выступами фольги-основы, или с прикрепленными внешними электродами, коммутирующими сборку микроисточников в стопку, или используемые при сборке определенного числа микроисточников в общем корпусе элемента питания;

- причем к токопроводящим металлическим пластинкам могут крепиться пайкой, сваркой или токопроводящим клеем внешние электроды, коммутирующие сборку микроисточников в стопку, или используемые при сборке определенного числа микроисточников в общем корпусе элемента питания;

- в качестве единичного микроисточника - комбинацию чередующихся и находящихся в электрическом контакте между собой пластинок полупроводниковых преобразователей и металлических пластинок источников бета-частиц, ориентированных таким образом, чтобы на одну металлическую пластинку бета-источника с двухсторонним радиоактивным покрытием на каждую из его сторон были прижаты две пластинки полупроводникового преобразователя с одинаковыми сторонами р-n-перехода, например, р⁺ и р⁺, а на внешние стороны этих двух пластинок - (n^- и n^-) были прижаты радиоактивными сторонами металлические пластинки бета-источников с односторонним радиоактивным покрытием, причем неактивные стороны последних используются как внешние токосъемные электроды микроисточника.

Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni представляет собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных микроисточников тока, разделенных слоем пленочного диэлектрика и коммутированных между собой системой внешних токосъемных электродов в последовательную или параллельную электрическую цепь;

- причем количество микроисточников в сборке «сэндвичевой» структуры в виде стопки может составлять от 2 до 10;

- причем общая активность радиоизотопа ⁶³Ni в сборке может составлять от 40 мКи до 1,0 Ки.

Поставленная задача также решается способом получения компактного бетавольтаического источника тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni, включающим сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных источников тока с полупроводниковым преобразователем энергии бета-частиц в электрическую энергию, термическую диффузию и травление, при этом формируют р-n-переход в матрице полупроводникового преобразователя - пластинке монокристалического р-кремния типа 100 высокой чистоты с сопротивлением 5-10 Ом⋅см толщиной 120-150 мкм с применением метода одновременной термической диффузии при температуре 1150-1250°С в приповерхностные слои матрицы атомов фосфора Р на глубину 250-300 нм из фосфорсодержащей пленки, нанесенной на внешнюю сторону пластинки (n^- слоя), и атомов бора В на глубину 400-500 нм из борсодержащей пленки, нанесенной на противоположную внутреннюю поверхность пластинки (р⁺ слой), причем перед процессом термической диффузии концентрация фосфора на всех участках фосфоросодержащей пленки должна превышать концентрацию бора на внутренней поверхности в 2-10 раз для исключения возможного проскока атомов бора в ходе диффузионного высокотемпературного процесса и устранения эффекта перекрытия n^- и p⁺ слоев, текстурируют поверхность матрицы полупроводникового преобразователя - пластинки монокристаллического кремния с одновременным удалением технического слоя, легированного фосфором, методом щелочного анизотропного травления при 80-90°С, причем скорость травления составляет 1,2-1,6 мкм/мин, структура поверхности типа тетраэдрической, - наносят защитный слой нитрида кремния Si₃Ni₄ толщиной не более 70 нм на структурированную поверхность матрицы полупроводникового преобразователя - пластинки монокристаллического кремния методом химического осаждения из газовой фазы с плазменной активацией осаждаемого азота (методом PECVD) при 120-135°С для снижения поверхностной рекомбинации и предотвращения дополнительного окисления Si при облучении, наносят внутренние встроенные в кремниевую матрицу электроды методом трафаретной печати из серебряной пасты в виде нитей шириной 5-20 мкм, с расстоянием между ними 2,5-2,7 мм, выступающих внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой матрицы на 5-10 мкм с последующим вжиганием их в матрицу - пластинку монокристаллического кремния при температуре не выше 1200°С в конвейерной печи, наносят на торцы сформированной кремниевой матрицы-пластинки изолирующего слоя химически стойкого лака ХСЛ для предотвращения замыкания p-n-перехода, изготавливают источник бета-частиц электрохимическим осаждением радиоизотопа ⁶³Ni из 0,5 М водного раствора хлорида ⁶³Ni с номинальной активностью до 270 мкКи на носитель - нерадиоактивную металлическую фольгу толщиной от 10 до 50 мкм из природного никеля (изотопного состава, % мас.: ⁵⁸Ni - 68,07%, ⁶⁰Ni - 20,22%, ⁶¹Ni - 1,14%, ⁶²Ni - 3,63%, ⁶⁴Ni - 0,93%) с конфигурацией при токовом режиме процесса электролиза 5-20 мА в течение 1,5-3 час, с формированием металлического слоя радиоизотопа ⁶³Ni (степень обогащения по радиоизотопу 17-82% ат) толщиной не более 1,12 мкм с одно- или двухсторонним нанесением на фольгу, последующей сушкой полученного слоя радиоизотопа и дальнейшим электрохимическим осаждением на него защитного слоя инертного природного никеля толщиной 0,12-0,19 мкм из 0,5М раствора сульфата никеля в том же токовом режиме электролиза; причем площадь радиоактивного покрытия на фольге должна быть соразмерна площади кремниевых пластинок - полупроводниковых преобразователей, а носитель - фольга может иметь большую площадь с местом для крепления внешних токосъемных электродов либо иметь вырезанные ленточные полоски шириной до 2 мм и выступающие на 2-10 мм за периметр фольги, используемые в качестве токосъемных электродов, собирают единичный микроисточник тока наложением на фольгу автономного источника бета-частиц с двухсторонним радиоактивным слоем ⁶³Ni с каждой стороны двух сформированных полупроводниковых преобразователей - кремниевых пластинок, с внутренними однородно ориентированными относительно радиоизотопных слоев сторонами p-n-перехода, например, p⁺ и p⁺, или n^- и n^- сторонами,

причем с внешних сторон обеих кремниевых пластинок могут быть также наложены фольги односторонних или двухсторонних источников бета-излучения, так, чтобы эти пластинки облучались с двух сторон,

причем в случае наложения на внешние стороны обеих кремниевых пластинок фольг односторонних источников бета-излучения их активные поверхности облучают также однородные стороны p-n-перехода кремниевых пластинок (n^- и n^- или p⁺ и p⁺ соответственно), а неактивные поверхности используются в качестве внешних токосъемных электродов,

причем в случае наложения на внешние стороны обеих кремниевых пластинок фольг двухсторонних источников бета-излучения на каждую внешнюю радиоактивную сторону наложены еще по одной кремниевой пластинке внутренние стороны с однородной ориентацией сторон р-n-перехода, а на внешние стороны наложены фольги односторонних источников бета-излучения, неактивные поверхности которых используются в качестве внешних токосъемных электродов,

собирают бетавольтаический источник тока посредством коммутирования единичных микроисточников тока соединением внешних токосъемных электродов в последовательную или параллельную электрическую цепь, причем число коммутируемых микроисточников может составлять от 2 до 10, собранных в виде «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных микроисточников тока, разделяемых слоями диэлектрика, а коммутация может осуществляться в едином корпусе с выводом двух или более токонесущих электродов.

Сущность изобретения раскрывается в нижеследующих пояснениях и примерах практического применения

Пример 1

Элемент питания I, в виде сборки автономных компонентов, включающий:

а) полупроводниковый преобразователь (ПП) энергии бета-частиц в электрическую в виде пластинки монокристалического р-кремния типа 100 высокой чистоты с сопротивлением 4,5 Ом⋅см толщиной 150 мкм с текстурированной поверхностью и с р-n-переходом, созданным одновременным легированием методом термической диффузии при температуре 1250°С с внешней стороны на глубину 250 нм атомами фосфора (Р) - (n^- слой с концентрацией электронов в приповерхностном слое 5⋅10¹⁹ см^-3) и с внутренней стороны на глубину 400 нм атомами бора (В) - (р⁺ слой с концентрацией дырок в приповерхностном слое кремния 3⋅10¹⁹ см^-3), с защитным слоем нитрида кремния Si₃N₄ толщиной до 70 нм с обеих сторон, и системой токосъемных серебряных электродов в виде нитей шириной 20 мкм, с расстоянием между ними 2,5 мм, выступающих внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой матрицы на 5 мкм и проникающих внутренней стороной сквозь слой нитрида кремния для контакта непосредственно с кремниевой матрицей. Структура двухстороннего полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц радиоизотопа ⁶³Ni в электрическую энергию приведена на Фиг. 2;

Фотография текстурированной поверхности кремния, сделанная методом РЭМ, приведена на Фиг. 3;

б) изготавливают источник бета-частиц (ИБЧ) электрохимическим осаждением радиоизотопа ⁶³Ni из 0,5 М водного раствора хлорида ⁶³Ni с активностью 40 мКи на носитель - нерадиоактивную металлическую фольгу толщиной от 50 мкм из природного никеля (изотопного состава, %мас.: ⁵⁸Ni - 68,07%, ⁶⁰Ni - 20,22%, ⁶¹Ni - 1,14%, ⁶²Ni - 3,63%, ⁶⁴Ni - 0,93%) с конфигурацией при токовом режиме процесса электролиза 5 мА в течение 3 час, с формированием металлического слоя радиоизотопа ⁶³Ni (степень обогащения по радиоизотопу 17% ат) толщиной 1,12 мкм с последующей сушкой полученного слоя радиоизотопа и дальнейшим электрохимическим осаждением на него защитного слоя инертного природного никеля толщиной 120 нм из 0,5М раствора сульфата никеля в том же токовом режиме;

в) внешние токосъемные электроды, закрепленные на верхней нерадиоактивной поверхности фольги ИБЧ.

Сборка представляет собой 1 ПП по п. а), зажатый с 2-х сторон односторонними ИБЧ таким образом, чтобы активная часть ИБЧ - покрытие с изотопом ⁶³Ni соприкасалась с поверхностями ПП и серебряными токосъемными электродами на этих поверхностях. Сборка проведена прижимом компонентов элемента питания друг к другу в стопку и возможной склейкой сжатой сборки по торцам стопки, с последующим креплением точечной сваркой внешних токосъемных электродов на внешнюю инертную поверхность односторонних ИБЧ сверху и снизу сборки.

Суммарная активность радиоизотопа ⁶³Ni в этом типе сборки 80 мКи.

Схема сборки элемента ЭП I приведена на Фиг. 4.

Для измерений параметров генерации тока и напряжения используется измерительный стенд, включающий нановольтметр, пикоамперметр и магазин сопротивлений, к входным клеммам которого подключают элемент ЭП I. Схема измерения параметров бетавольтаического элемента представлена на Фиг. 5, где А - пикоамперметр, V - нановольтметр, R - магазин сопротивлений с вариативным сопротивлением в широких пределах, β - бетавольтаический источник по изобретению.

Измерены значения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода. Для активности радиоизотопа ⁶³Ni, равной 80 мКи, эти значения I_кз=0,38 мкА (380 нА), U_xx=0,15 В (150 мВ).

Пример 2

Сборка представляет собой 10 ПП по п. 1а), зажатых с 2-х сторон двусторонними ИБЧ с активностью на каждой стороне 50 мКи таким образом, чтобы активные части ИБЧ - покрытие с изотопом ⁶³Ni соприкасалась с поверхностями ПП и серебряными токосъемными электродами на этих поверхностях. При этом два внешних ИБЧ имеют одностороннее покрытие изотопом ⁶³Ni. Сборка проведена прижимом компонентов элемента питания друг к другу в стопку и возможной склейкой сжатой сборки по торцам стопки, с последующим креплением точечной сваркой внешних токосъемных электродов на внешнюю инертную поверхность односторонних ИБЧ сверху и снизу сборки.

Суммарная активность радиоизотопа ⁶³Ni в этом типе сборки 1 Ки. Для сборки I_кз=0,38 мкА (380 нА), U_xx=1,87 В.

Пример 3

Использовали элемент питания, в котором ПП идентичен используемому в элементе питания в примере 1, но при сборке элемента питания использовались ИБЧ разной активности по радиоизотопу ⁶³Ni, а именно набиралась активность при схеме двухстороннего облучения ПП: 10 мКи, 20 мКи, 40 мКи, 60 мКи и 80 мКи. Измерялись значения I_кз и U_xx по схеме, представленной на Фиг. 5. С помощью пакета STATGRAPHICS данные были обработаны и получены зависимости этих параметров от активности А радиоизотопа ⁶³Ni. Зависимость I_кз от А описывается линейным уравнением (коэффициент корреляции 0,989):

где I_кз - ток короткого замыкания, мкА; А - активность радиоизотопа, мКи.

Экспериментальная зависимость тока короткого замыкания от активности радиоизотопа ⁶³Ni при двухстороннем расположении источников излучения представлена на Фиг. 6

Зависимость U_xx от А описывается также линейным уравнением (коэффициент корреляции 0,878):

где U_xx - напряжение холостого хода, В; А - активность радиоизотопа, мКи.

Экспериментальная зависимость напряжения холостого хода от активности радиоизотопа ⁶³Ni при двухстороннем расположении источников излучения представлена на Фиг. 7.

Также была рассчитана зависимость генерируемого U_xx от I_кз для возрастающей активности ИБЧ от 10 до 80 мКи при двухстороннем расположении источников излучения (Фиг. 8) - аналог вольт-амперной характеристики на начальном участке. Зависимость носит линейный характер, описывается линейным уравнением (коэффициент корреляции 0,9711):

Изобретение относится к технике безотходной ядерной технологии. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером, представляющий собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где каждый из микроисточников тока содержит кремнийсодержащую n+ легированную пластинку с р+ эпитаксиальным слоем, и источник бета-частиц в виде содержащего радиоизотоп никеля-63 металлического электропроводного слоя, контактирующего с одной или с двух сторон с полупроводниковым преобразователем, и систему токосъемных электродов для подключения к нагрузке, при этом в качестве полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц в электрическую энергию - матрицу монокристаллического р-кремния, а в качестве источника бета-частиц - соразмерную с пластинкой полупроводника токопроводящую металлическую пластинку, в качестве системы токосъемных электродов - комбинацию системы внутренних встроенных с обеих сторон кремниевой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния серебряных линейных электродов. Изобретение позволяет повысить генерируемую электрическую мощность, ток и напряжение бетавольтаического источника. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni, представляющий собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где каждый из микроисточников тока содержит полупроводниковый преобразователь энергии бета-частиц в электрическую энергию - кремнийсодержащую n+ легированную пластинку с р+ эпитаксиальным слоем, и источник бета-частиц в виде содержащего радиоизотоп никеля-63 металлического электропроводного слоя, контактирующего с одной или с двух сторон с полупроводниковым преобразователем, и систему токосъемных электродов для подключения к нагрузке, отличающийся тем, что он содержит:

- в качестве полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц в электрическую энергию - матрицу монокристаллического р-кремния типа 100 высокой чистоты с сопротивлением 5-10 Ом⋅см в виде пластинки толщиной 120-150 мкм с текстурированной поверхностью и с p-n-переходом, созданным одновременным легированием с внешней стороны на глубину 250-300 нм атомами фосфора (Р) - n^- слой, и с внутренней стороны на глубину 400-500 нм атомами бора (В) - р⁺ слой,

- причем обе стороны такой пластинки содержат поверхностный слой нитрида кремния Si₃N₄ толщиной до 70 нм, покрывающий структурированную поверхность кремниевой матрицы,

- причем обе стороны такой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния содержат серебряные линейные электроды в виде нитей шириной 5-20 мкм, с расстоянием между ними 2,5-2,7 мм, выступающие внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой матрицы на 5-10 мкм и проникающие внутренней стороной сквозь слой нитрида кремния для контакта непосредственно с кремниевой матрицей,

- причем периметр торцов такой пластинки покрыт изолирующим слоем химически стойкого лака ХСЛ для предотвращения замыкания p-n-перехода;

- в качестве источника бета-частиц - соразмерную с пластинкой полупроводника токопроводящую металлическую пластинку, включающую носитель радиоактивного изотопа в виде плоской пластинки из металлической фольги природного нерадиоактивного никеля толщиной 10-50 мкм с выступающими за габариты одну или более узких полосок для токосъема, покрытую с одной или обеих сторон радиоактивным металлическим слоем радиоактивного изотопа ⁶³Ni с толщиной активного слоя 1,12-1,15 мкм и степенью обогащения не менее 17% атомных и не более 82% атомных, суммарной радиоактивностью от 10 мКи до 40 мКи, с тонким толщиной 120-150 нм защитным металлическим слоем природного нерадиоактивного никеля, нанесенным поверх радиоактивного слоя;

- в качестве системы токосъемных электродов - комбинацию системы внутренних встроенных с обеих сторон кремниевой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния серебряных линейных электродов в виде нитей шириной 5-20 мкм, с расстоянием между ними 2,5-2,7 мм, выступающих внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой пластинки на 5-10 мкм и проникающие внутренней стороной сквозь слой нитрида кремния для контакта непосредственно с кремниевой матрицей, и системы внешних электродов - металлических пластинок источников бета-частиц, прижатых к внутренним встроенным электродам для электрического контакта, с выступами фольги-основы, или с прикрепленными внешними электродами, коммутирующими сборку микроисточников в стопку, или используемые при сборке определенного числа микроисточников в общем корпусе элемента питания.

2. Компактный бетавольтаический источник тока по п. 1, отличающийся тем, что к токопроводящим металлическим пластинкам крепятся пайкой, сваркой или токопроводящим клеем внешние электроды, коммутирующие сборку микроисточников в стопку, или используемые при сборке определенного числа микроисточников в общем корпусе элемента питания.

3. Компактный бетавольтаический источник тока по п. 1, отличающийся тем, что размеры слоя радиоактивного никеля соразмерны с габаритами полупроводникового преобразователя, а конфигурация носителя - фольги природного никеля - имеет выступающие за габариты одну или более узких полосок для токосъема.

4. Компактный бетавольтаический источник тока по п. 1, отличающийся тем, что концентрация электронов в приповерхностном n^- слое составляет 4-6⋅10¹⁹ см^-3, а концентрация дырок в приповерхностном р⁺ слое кремния составляет 2-4⋅10¹⁹ см^-3

5. Компактный бетавольтаический источник тока по п. 1, отличающийся тем, что - единичный микроисточник - компонент сборки представляет собой комбинацию чередующихся и находящихся в электрическом контакте между собой пластинок полупроводниковых преобразователей и металлических пластинок источников бета-частиц, ориентированных таким образом, чтобы на одну металлическую пластинку бета-источника с двухсторонним радиоактивным покрытием на каждую из его сторон были прижаты две пластинки полупроводникового преобразователя с одинаковыми сторонами p-n-перехода, например, р⁺ и р⁺, а на внешние стороны этих двух пластинок - (n^- и n^-) были прижаты радиоактивными сторонами металлические пластинки бета-источников с односторонним радиоактивным покрытием, причем неактивные стороны последних используются как внешние токосъемные электроды микроисточника.

6. Компактный бетавольтаический источник тока по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных микроисточников тока, разделенных слоем пленочного диэлектрика и коммутированных между собой системой внешних токосъемных электродов в последовательную или параллельную электрическую цепь, причем количество микроисточников в сборке «сэндвичевой» структуры в виде стопки может составлять от 2 до 10, а общая активность радиоизотопа ⁶³Ni в сборке может составлять от 40 мКи до 1,0 Ки.

7. Способ получения компактного бетавольтаического источника тока длительного пользования с источником бета-частиц на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni, охарактеризованного по п. 1, включающий сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных источников тока с полупроводниковым преобразователем энергии бета-частиц в электрическую энергию, термическую диффузию и травление, отличающийся тем, что:

- формируют p-n-переход в матрице полупроводникового преобразователя - пластинке монокристалического р-кремния типа 100 высокой чистоты с сопротивлением 4,5 Ом⋅см толщиной 120-150 мкм ведут с применением метода одновременной термической диффузии при температуре 1150-1250°C в приповерхностные слои матрицы атомов фосфора Р на глубину 250-300 нм из фосфорсодержащей пленки, нанесенной на внешнюю сторону пластинки, и атомов бора В на глубину 400-500 нм из борсодержащей пленки, нанесенной на противоположную внутреннюю поверхность пластинки, причем перед процессом термической диффузии концентрация фосфора на всех участках фосфоросодержащей пленки должна превышать концентрацию бора на внутренней поверхности в 2-10 раз для исключения возможного проскока атомов бора в ходе диффузионного высокотемпературного процесса и устранения эффекта перекрытия n^- и р⁺ слоев;

- текстурируют поверхность пластинки монокристаллического кремния с одновременным удалением технического слоя, легированного фосфором, методом щелочного анизотропного травления при 80-90°C, причем скорость травления составляет 1,2-1,6 мкм/мин, структура поверхности типа тетраэдрической;

- наносят защитный слой нитрида кремния Si₃N₄ толщиной не более 70 нм на структурированную поверхность матрицы полупроводникового преобразователя - пластинки монокристаллического кремния методом химического осаждения из газовой фазы с плазменной активацией осаждаемого азота (методом PECVD) при 120-135°C для снижения поверхностной рекомбинации и предотвращения дополнительного окисления Si при облучении;

- наносят внутренние встроенные в кремниевую матрицу электроды методом трафаретной печати из серебряной пасты в виде нитей шириной 5-20 мкм, с расстоянием между ними 2,5-2,7 мм, выступающих внешней стороной над поверхностью структурированной кремниевой матрицы на 5-10 мкм с последующим вжиганием их в матрицу - пластинку монокристаллического кремния при температуре не выше 1200°C в конвейерной печи;

- наносят на торцы сформированной кремниевой матрицы-пластинки изолирующий слой химически стойкого лака ХСЛ для предотвращения замыкания p-n-перехода;

- изготовливают источник бета-излучения электрохимическим осаждением радиоизотопа ⁶³Ni из 0,5 М водного раствора хлорида ⁶³Ni с номинальной активностью до 270 мкКи на носитель - нерадиоактивную металлическую фольгу толщиной от 10 до 50 мкм из природного никеля (изотопного состава, % мас.: ⁵⁸Ni - 68,07%, ⁶⁰Ni - 20,22%, ⁶¹Ni - 1,14%, ⁶²Ni - 3,63%, ⁶⁴Ni - 0,93%) с конфигурацией при токовом режиме процесса электролиза 5-20 мА в течение 1,5-3 час, с формированием металлического слоя радиоизотопа ⁶³Ni (степень обогащения по радиоизотопу 17-82% ат) толщиной не более 1,12 мкм с одно- или двухсторонним нанесением на фольгу, последующей сушкой полученного слоя радиоизотопа и дальнейшим электрохимическим осаждением на него защитного слоя инертного природного никеля толщиной 0,12-0,19 мкм из 0,5 М раствора сульфата никеля в том же токовом режиме электролиза; причем площадь радиоактивного покрытия на фольге должна быть соразмерна площади кремниевых пластинок - полупроводниковых преобразователей, а носитель - фольга - может иметь большую площадь с местом для крепления внешних токосъемных электродов, либо иметь вырезанные ленточные полоски шириной до 2 мм и выступающие на 2-10 мм за периметр фольги, используемые в качестве токосъемных электродов.

8. Способ получения компактного бетавольтаического источника тока длительного пользования с источником бета-частиц на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni по п. 7, отличающийся тем, что собирают единичный микроисточник тока, представляющий собой единичную составную часть бетавольтаического источника тока - предмета настоящего изобретения, наложением на фольгу автономного источника бета-излучения с двухсторонним радиоактивным слоем ⁶³Ni с каждой стороны двух сформированных полупроводниковых преобразователей - кремниевых пластинок, с внутренними однородно ориентированными относительно радиоизотопных слоев сторонами p-n-перехода, например р⁺ и р⁺, или n^- и n^- сторонами, причем с внешних сторон обеих кремниевых пластинок могут быть также наложены фольги односторонних или двухсторонних источников бета-излучения, так, чтобы эти пластинки облучались с двух сторон,

причем в случае наложения на внешние стороны обеих кремниевых пластинок фольг односторонних источников бета-излучения их активные поверхности облучают также однородные стороны p-n-перехода кремниевых пластинок (n^- и n^- или р⁺ и р⁺ соответственно), а неактивные поверхности используются в качестве внешних токосъемных электродов,

причем в случае наложения на внешние стороны обеих кремниевых пластинок фольг двухсторонних источников бета-излучения на каждую внешнюю радиоактивную сторону наложены еще по одной кремниевой пластинке внутренние стороны с однородной ориентацией сторон p-n-перехода, а на внешние стороны наложены фольги односторонних источников бета-излучения, неактивные поверхности которых используются в качестве внешних токосъемных электродов.

9. Способ получения компактного бетавольтаического источника тока длительного пользования с источником бета-частиц на базе радиоактивного изотопа ⁶³Ni по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что собирают бетавольтаический источник тока посредством коммутирования единичных микроисточников тока соединением внешних токосъемных электродов в последовательную или параллельную электрическую цепь, причем число коммутируемых микроисточников может составлять от 2 до 10, собранных в виде «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных микроисточников тока, разделяемых слоями диэлектрика, а коммутация может осуществляться в едином корпусе с выводом двух или более токонесущих электродов.