Моделирование и исследование бетавольтаического эффекта на кремниевых PIN структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Пчелинцева, Екатерина Сергеевна

• Пчелинцева, Екатерина Сергеевна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Пчелинцева, Екатерина Сергеевна

Выводы по главе 5

Для расчета оптимальной структуры радиационно-стимулированного источника тока в процессе моделирования менялись такие параметры как глубина залегания рп-перехода и ширина области пространственного заряда (ОПЗ). Перед проведением численного эксперимента из справочных данных определялся энергетический спектр бета-частиц, для каждой бета-частицы проводилось моделирование тока генерации в структуре с заданной шириной ОПЗ и глубиной залегания рп-перехода при фиксированном коэффициенте рекомбинации.

По зависимости тока генерации для разных глубин залегания р-п-перехода с шириной ОПЗ 8 мкм от бета-источника 63№ активностью 20 мКи видно, что чем меньше глубина, тем больше ток генерации. Данный факт объясняется тем, что частицы, испускаемые изотопом, рекомбинируют в верхнем слое, не успев долететь до ОПЗ. Также наблюдается смещение максимума генерируемого тока, которое связано с распределением энерговыделения для электронов различной энергии.

Показано также, что минимальная энергия бета-частиц, при которой начинает происходить генерация тока в структуре зависит от глубины залегания р-п-перехода. Чем больше глубина, тем большая начальная энергия частиц необходима для преодоления поглощающего слоя. При моделировании зависимости тока генерации с глубиной залегания перехода 2 мкм от ширины ОПЗ видно, что максимальная генерация тока происходит для значения ширины ОПЗ до 4 мкм, вариация этой величины в пределах 610 мкм практически не влияет на генерацию тока.

Для верификации модели и определения возможностей использования бетавольтаического эффекта на практике был проведен эксперимент на базе центра коллективного пользования Ульяновский государственный университет - ОАО «ГНЦ РФ НИИАР» в г. Димитровград с использованием изотопа № различной активности.

По зависимости напряжения холостого хода от времени облучения видно, что напряжение уменьшается более чем в три раза за 15 суток, затем испытывает скачки в диапазоне 6-15 мВ. Характерное время уменьшения напряжения ЭДС на разных временных участках приблизительно одинаково. Данный эффект определяется зарядкой поверхности образца в результате облучения бета-частицами радионуклида 63№. Действительно, часть бета-частиц проникает вглубь образца, и затем накопленный отрицательный заряд стекает через контакты р-п-перехода. Небольшая часть бета-частиц попадает в ловушки на границе окисел-кремний и создает поверхностный заряд, что меняет наблюдаемое значение напряжения ЭДС. В пользу зарядки говорит также тот факт, что изменения ЭДС носят обратимый характер.

В соответствии с расчетами для образцов типа А ток генерации составил 13 и 50 нА для источников активностью 10 и 40 мКи соответственно. При проведении экспериментальных измерений у образцов типа А наблюдались токи генерации в диапазонах 30-40 и 60-90 нА для источников активностью 10 и 40 мКи соответственно. Различие в экспериментальных и численных значениях тока генерации можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, происходит зарядка поверхности, которая отрицательно влияет на генерацию тока, что невозможно учесть в модели. Во-вторых, в модели не учитывается генерация в приповерхностном слое и вклад этих носителей в ток.

Основным отличием образцов типа А и В является глубина залегания рп-перехода - 1,2 мкм и 6,5 мкм соответственно. По расчетам в этом случае отношении токов генерации составляет 3,1, а по экспериментальным данным это отношение составило 2,5 раза. Таким образом, в пределах принятых допущений модель качественно описывает экспериментальные данные.

В дальнейшем необходимо создавать структуры с элементами для стока заряда. В этом случае время непрерывной работы радиационно-стимулированных источников тока будет определяться только периодом полураспада бета- источника.

Заключение

Таким образом, были проведены исследования процесса генерации тока в pin структурах при облучении электронами с энергиями в диапазоне от 5 до 40 кэВ на растровом электронном микроскопе РЭМ-100У. Модельный эксперимент показал, что в применяемых структурах электроны с энергией 5 кэВ не генерируют ток, что может быть объяснено поглощением низкоэнергетичных электронов в верхнем слое pin-структуры, из-за чего первичные электроны не достигают ОПЗ.

Экспериментальное значение скорости генерации при облучении электронами лежат в диапазоне 5000-6000 для электронов с энергиями 30-40 кэВ, однако при уменьшении энергии электронов до 15 кэВ скорость генерации уменьшается более, чем в 5 раз. При этом, учитывая теоретическое значение скорости генерации как отношения энергии первичных электронов к характеристической энергии для кремния, должно было наблюдаться увеличение скорости генерации на 33% при увеличении энергии от 30 до 40 кэВ. На практике увеличение произошло только на 10%. Таким образом, для исследуемого типа структур облучение электронами с энергией 30 кэВ является оптимальным.

Действительно, при облучении исследуемых диодов энергией 15 кэВ, степень эффективности составила около 0,2%, а при облучении в 30-40 кэВ, при внешней нагрузки в 400-600 Ом, варьировалась от 1 до 1,5%. КПД структуры при облучении электронами энергией 30 кэВ оказался примерно на 25% больше чем при облучении электронами энергией 40 кэВ. Наблюдаемые различия в КПД могут быть объяснены рекомбинацией в верхнем поглощающем слое, а также потерями за счет темновых токов. Результаты модельных экспериментов показывают, что кремниевые pin структуры с глубиной залегания рп-перехода менее 5 мкм могут быть использованы в качестве структур с радиационно-стимулированной генерацией. глубиной залегания рп-перехода при фиксированном коэффициенте рекомбинации.

По зависимости тока генерации для разных глубин залегания рп-перехода с шириной ОПЗ 8 мкм от бета-источника 63№ активностью 20 мКи видно, что чем меньше глубина, тем больше ток генерации. Данный факт объясняется тем, что частицы, испускаемые изотопом, рекомбинируют в верхнем слое, не успев долететь до ОПЗ. Также наблюдается смещение максимума генерируемого тока, которое связано с распределением энерговыделения для электронов различной энергии.

Показано также, что минимальная энергия бета-частиц, при которой начинает происходить генерация тока в структуре зависит от глубины залегания рп-перехода. Чем больше глубина, тем большая начальная энергия частиц необходима для преодоления поглощающего слоя. При моделировании зависимости тока генерации с глубиной залегания перехода 2 мкм от ширины ОПЗ видно, что максимальная генерация тока происходит для значения ширины ОПЗ до 4 мкм, вариация этой величины в пределах 610 мкм практически не влияет на генерацию тока.

Для верификации модели и определения возможностей использования бетавольтаического эффекта на практике был проведен эксперимент на базе центра коллективного пользования Ульяновский государственный университет - ОАО «ГНЦ РФ НИИАР» в г. Димитровград с использованием изотопа 63№ различной активности. Были определены зависимости тока и ЭДС полученных структур от активности бета-источника. По зависимости напряжения холостого хода от времени облучения видно, что напряжение уменьшается более чем в три раза за 15 суток, затем испытывает скачки в диапазоне 6-15 мВ. Характерное время уменьшения напряжения ЭДС на разных временных участках приблизительно одинаково.

Данный эффект определяется зарядкой поверхности образца в

63 * результате облучения бета-частицами радионуклида N1. Действительно,

часть бета-частиц проникает вглубь образца, и затем накопленный

107 отрицательный заряд стекает через контакты р-п-перехода. Небольшая часть бета-частиц попадает в ловушки на границе окисел-кремний и создает поверхностный заряд, что меняет наблюдаемое значение напряжения ЭДС. В пользу зарядки говорит также тот факт, что изменения ЭДС носят обратимый характер.

В соответствии с расчетами для образцов типа А ток генерации составил 13 и 50 нА для источников активностью 10 и 40 мКи соответственно. При проведении экспериментальных измерений у образцов типа А наблюдались токи генерации в диапазонах 30-40 и 60-90 нА для источников активностью 10 и 40 мКи соответственно. Различие в экспериментальных и численных значениях тока генерации можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, происходит зарядка поверхности, которая отрицательно влияет на генерацию тока, что невозможно учесть в модели. Во-вторых, в модели не учитывается генерация в приповерхностном слое и вклад этих носителей в ток.

Основным отличием образцов типа А и В является глубина залегания р-п-перехода - 1,2 мкм и 6,5 мкм соответственно. По расчетам в этом случае отношении токов генерации составляет 3,1, а по экспериментальным данным это отношение составило 2,5 раза. Таким образом, в пределах принятых допущений модель качественно описывает экспериментальные данные.

В дальнейшем необходимо создавать структуры с элементами для стока заряда. В этом случае время непрерывной работы радиационно-стимулированных источников тока будет определяться только периодом полураспада бета-источника

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пчелинцева, Екатерина Сергеевна, 2011 год

1. Performance Prediction of Nuclear Micro Power Sources Based on Beta Emitters Электронный ресурс.: база данных. - Режим доступа: http://www.ecsdl ■org/termsjjse.i sp

2. Wang, Z. L. Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays / Z. L. Wang, J. Song // Science. -2006. V.312. - P. 243.

3. Mi, M. RF Energy Harvesting with Multiple Antennas in the Same Space / M Mi et al. // IEEE Antennas and Propagation Magazine. -2005. -V. 47. -N. 5. -P. 100-105.

4. Wang, X C)irect-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Vaves / X Wang et al. // Science.-2007.-V316.-P. 102-.105.

5. Ддерная индустрия Электронный ресурс.: курс лекций. / Москгос.унив-т им. Ломоносова Режим доступа : http7yproibeck1nan.narod.ru/NIL 10.pdf (дата обращения 16.11.2009).

6. Olsen, L.C. Review of betavoltaic energy conversion / L.C. Olsen // Proceedings of the ХП Space Photovoltaic Research and Technology Conference, 1992. P. 256.

7. Bower, K. Polymers Phosphors and Voltaics for Radioisotope Microgenerators / 1С Bower et al. //CRC Press, Boca Raton, FL. -2002. -P. 441.

8. Sychov, MM Radioluminescent glass based light and power source Bower / MM. Sychov, K.E., Kavetsky, AG., Andreev, V.M. // In: Guo, R (Ed), Optoelectronics—Materials and Technology in the Information Age,. ACerS, Ohio Ceramic Transactions. -2002. -P. 126

9. Булярский, СВ. Изготовление и применение источников альфа-излучения / СВ. Булярский. Ульяновск: УлГУ, 2005. - 88 с.

10. Ануфриенко, В.Б. Использование сверхмногослойных наноструктур для прямого преобразования ядерной энергии в электрическую / ВБ. Ануфренко и др. // Нано- и микросисгемная техника -2008. -№8. С. 30-38.

11. Ануфриенко, В.Б. Преобразователи ядерной энергии в электрическую на вторичных электронов / В. Ануфриенко и др. // Российский химический журнал. 2006. Том. L. №5. С. 120-125.

12. Scott, A. Improving power density and efficiency of miniature radioisotopic thermoelectric generators / A. Scott et all. // Journal of Power Sources 180, 2008, P. 657-663

13. Kavetsky, A. G. Polymers, Phosphers, and Voltaics for Radioisotope Microbatteries / A. G. Kavetsky, S. P. Meleshkov, M. M. Sychov. 2002. - P. 1.

14. Blanchard, J. Technical Report No. DE-FG07-99ID13781/ J. Blanchard, D. Henderson, A. Lai // U.S. Department of Energy Award. 2002.

15. Sun, W / W. Sun et al. // Advanced Materials. 2005. V. 17. - P. 1230.

16. Eiting, C. J. / C. J. Eiting, V. Krishnamoorthy, S. Rodgers et al. // Applied Physics Letters. -2006. V. 88.-P. 064101.

17. Guo, H. Nanopower betavoltaic microbatteries / H. Guo, A. Lai // the 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (Boston, 2003). Boston, 2003. - P. 36-39.

18. Lai, A. / A. Lai, R. Duggirala, H. Li // IEEE Pervasive Comput. 2005. - V. 4. - № 53. -P.75-80

19. Sun, W. A Three-Dimensional Potorus Silicon p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics / W. Sun et al. // Adv. Mater. 2005. - V. 17. - P. 1230-1233.

20. Cress, C.D. InGaP alpha voltaic batteries: Synthesis, modeling, and radiation tolerance / C.D. Cress, B.J.Landi, R.P. Raffaelle, D.M. Wilt // Appl. Phys. 2006. -V. 100.-P. 114519.

21. Lynch, J./ J. Lynch, K. Loh // Shock Vib. Dig. 2006. - V. 38. - P. 91.

22. U.S. Environmental Protection Agency. Federal Guidance Report No. 13, 1999.

23. Lee, S-K. Development of nuclear micro-battery with solid tritium source / S-K. Lee et al. // Applied Radiation and Isotopes. 2009. - Issues 7-8. V. 67, - P. 1234-1238.

24. Hurysz, K.M. The processing of titanium hydride powders into uniform hollow spheres / K.M. Hurysz // Master's Thesis of Georgia Institute of Technology. 1998. -P. 56-61.

25. Kherani, N.P. Electron flux at the surface of titanium tritide films / N.P. Kherani, W.T. Shmayda // Fusion Technology. 1992. - V. 21. P. 334-339.

26. Lawrence, S. Parametric studies and optimization of the beta-voltaic cell — I. Short-circuit current / S. Lawrence // Solid-State Electronics. 1974. - V. 10. - P. 10911098.

27. Lawrence, S. Parametric studies and optimization of the beta-voltaic cell — II open-circuit voltage and power efficiencies / S. Lawrence // Solid-State Electronics. 1975. -V. l.-P. 71-77.

28. Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material: пат. US 6774531 США. Опубл. 10.08.2004.

29. Радиоактивная батарейка эксплуатирует дырки от кремния Электронный ресурс. : Портал Membrana. Люди. Идеи. Технологии. Режим доступа http://www.membrana.rU/articles/inventions/2005/05/l 1/212100.html (дата обращения 16.11.2009)

30. Liu, Baojun Betavoltaics using scandium tritide and contact potential difference / Baojun Liu et all. // Applied Physics Letters 92. 2008. P. 083511-1-083511-3

31. Liu, B.K. / B.K. Liu P. et all. //Appl. Phys. Lett. 88, 134101 2006.

32. Kosteski T. // Ph.D thesis, University of Toronto, 2001.

33. Kherani, N. P. /N. P. Kherani et all. // J. Appl. Phys. 103, 2008. 024906.

34. Kosteski, Т. / T. Kosteski et all. // IEE Proc.: Circuits Devices Syst. 150, 2003. 274.

35. Kherani, N. P. / N. P. Kherani et all. // Fusion Technol. 28, 1995. 1609.

36. Eiting, C.J. Demonstration of radiation resistant, high efficiency SiC betavoltaic / C.J. Eiting, V.Krishnamoorthy, S. Rodgers // Applied Physics letters, 88, 2006. P. 0641011-064101-3

37. Guo, H. Technical Digest / H. Guo, A. Lai // IEEE Transducers, Boston, MA. 2003. -V. l.-P. 36-39.

38. S. D. Senturia, S. D. Microsystem Design / S. D. Senturia // Kluwer, Boston, 2001. -P.256

39. Lu,F. / F. Lu, H Lee, Lim // Smart Mater. Struct -2004. V. 13. - P. 57.

40. Duggirala, R. High efficiency p radioisotope energy conversion using reciprocating electromechanical converters with integrated betavoltaics / R. Duggirala, H. Li, A. Lai // Applied Physics Letters. 2008. - V. 92. - P. 154104.

41. Lu, F. / F. Lu, H. Lee, Lim // Smart Mater. Struct. 2004. - V. 13. - P. 57.

42. Duggirala, R. Technical Digest / R. Duggirala, H. Li, A. Lai // Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC. 2004. - V. 1. - P. 137-140.

43. Chandrashekhar, M. Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell / M. Chandrashekhar et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. - V. 88. - P.033506-1.

44. Li, H. Self-reciprocating Radioisotope-Powered Cantilever / H. Li, A. Lai, J.Blanchard, D. Henderson // J. Appl. Phys. 2002. - V. 92. - P. 1122-1187.

45. Blanchard, J. Nuclear microbatteries for MEMS and nano devices / J. Blanchard et al. // Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology— APCOT. 2006. - P. 1-4.

46. M.E1-Wakil, Nuclear Energy Conversion, Amer. Nuc. Soc., 1978.

47. Han, G. / G. Han, M. Khan, Y. Fang, F. Cerrina // Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 2002. - V. 20.-P. 2666.

48. Han, G. / G. Han, F. Cerrina // Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 2000. - V. 18. - P. 3297.

49. Han, G. / G. Han, M. Khan, Y. Fang, F. Cerrina // Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 2002. - V. 20. - P. 2666.

50. Вавилов, B.C. Дефекты в кремнии и на его поверхности / B.C. Вавилов, В.Ф. Киселев, Б.Н. Мукашев // Наука. М. - 1990. - С. 212.

51. Емцев, В.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках / В.В. Емцев, Т.В. Машовец // Радио и связь. М. - 1981. - С. 226.

52. Козлов, В.А. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и а1рЬа-частицами / В.А. Козлов, В.В. Козловский // Физика и техника полупроводников. 2001. - Вып. 35. - №7, - С. 769-795.

53. Обратимое изменение микротвердости кристаллов Si, вызванное малыми дозами облучения электронами / Ю.И. Головин и др. // Физика твердого тела. 2004. - Вып. 46.-№10,-С. 1790-1792.

54. Пагава, Т.А. Исследование рекомбинационных центров в облученных кристаллах p-Si / Т.А. Пагава // Физика и техника полупроводников. -2004. Вып. 38. - № 6. - С. 665-669.

55. Головин, Ю.И. Структура комплексов, ответственных за радиационно-стимулированное разупрочнение монокристаллов кремния / Ю.И. Головин, А.А. Дмитриевский, Н.Ю. Сучкова // Физика твердого тела. -2006. Т. 48, - Вып. 2. С. 262-265

56. Емцев, В.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках / В.В. Емцев, Т.В. Машовец // Радио и связь. М. - 1981. - С. 226.

57. Витвовский Н.А., Машовец Т.В., Оганесян О.В. // Физика и техника полупроводников. 1978. - Т. 12. - Вып. 11. - С. 2143

58. Мукашев, Б.Н. Метастабильные и бистабильные дефекты в кремнии / Б.Н. Мукашев, Х.А. Абдуллин, Ю.В. Горелкинский // Успехи физических наук. 2000. - Т. 170. - № 2. - С. 143-155.

59. Коноплева, Р.Ф. Особенности радиационного повреждения полупроводников частицами высоких энергий. / Р.Ф. Коноплева, B.JI. Литвинов, Н.А. Ухин // Атомиздат. М. - 1971. - С. 234.

60. Радиационные методы в твердотельной электронике. / Вавилов B.C. и др. / Наука. М. - 1990. - С. 184.

61. Palmetshofer, L. Defect levels in H+-, D+- and He+-bombarded silicon / L. Palmetshofer, J. Reisinger // J. Appl. Phys. 1992. - V. 72, - № 6. - P. 21672173.

62. Deep level transient spectroscopy analysis of fast ion tracks in silicon / A. Hallen and etc. // J. Appl. Phys. 1990. - V. 67. - № 3. - P. 1266-1271.

63. Wondrak, W. Radiation defect distribution in proton-irradiated silicon / W. Wondrak, K. Bethge, D. Silber // J. Appl. Phys. 1987. - V. 62. - №8. - P. 3464-3466.

64. Wondrak, W. Buried recombination layers with enhanced n-type conductivity for silicon power devices / W. Wondrak, D. Silber // Physica. 1985. - V. 129B+C. - №1. - P. 322-326.

65. Hazdra, P. Nondestructive defect characterization and engineering in contemporary silicon power devices / P. Hazdra, J. Vobecky // Solid State Phenomena. 1999. - V. 69-70. - P. 545-550.

66. Батавин, B.B. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур / В.В. Батавин и др. // Измерения в электронике, М.: Радио и связь, 1985. с.264.

67. Пчелинцева, Е.С. Определение мощности и кпд pin структур при бета облучении / Е.С. Пчелинцева и др. // Труды XI международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы, Ульяновск.: УлГУ, 2009, с. 235.

68. Цербст, М. Контрольно-измерительная техника// М.:Энергоатомиздат, 1989, 320с.

69. Кикоин, И.К. Таблицы физических величин. Справочник. / И.К. Кикоин // Атомиздат. М. - 1976, - С. 1008.

70. Григорьев, И.С. Справочник физических величин / И.С. Григорьев, Е.З Мейлихов // Энергоатомиздат. М. - 1991, - С. 1232.

71. Исследование профиля энерговыделения в NaCl при облучении / Ганн В.В. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2005, -Вып. 88.-С. 32-35.

72. Михайлович, Я.Б. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Я.Б. Михайлович, A.A. Детлаф // Наука. М. - 1977. - С. 944.

73. Пчелинцева, Е.С. Моделирование процесса генерации энергии в радиационно-стимулированном источнике питания для МЭМС/ Е.С. Пчелинцева и др. // Тезисы конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» 2009. с. 284-285.

74. Пчелинцева, Е.С. Экспериментальное исследование бетавольтаического эффекта на примере pin структур / Е.С. Пчелинцева и др. // Труды IX Российской конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 2009, с. 185-187.

75. Костишко, Б.М. Радиационно-стимулированные источники энергии на основе бета-изотопов / Б.М. Костишко и др. // Сборник научных работ. Инновационные технологии. УлГУ 2010., с. 94-111.

76. Родичев, С.В. Бета- и антинейтринное излучение радоактивных ядер / С.В. Родичев и др. // Справочник. Энергоатомиздат, 1989, 797с.

77. Вахетов, Ф.З. Экспериментальное исследование закономерностей накопления 63NÍ в реакторе БОР-бО / Ф.З. Вахетов и др. // Отчет об основных исследовательских работах, выполненных в 2003 г. -Димитровград: ФГУП "ГНЦ РФ НИИАР", 2003, С. 180-181.

78. Андрейчук, H.H. Источники на основе никеля-63 / Андрейчук H.H. // Отчет об основных исследовательских работах, выполненных в 2007-08 г. Димитровград: ФГУП "ГНЦ РФ НИИАР", 2007-2008, - С. 128-130.

79. Пчелинцева, Е.С. Влияние поверхностой зарядки на мощность р-п-структуры под действием изотопа ni-63 / Е.С. Пчелинцева и др. // XX Международное совещание «Радиационная физика твердого тела», т.1, 2010., с. 274-275.

80. Пчелинцева, Е.С. Влияние зарядки на бетавольтаический эффект с использованием радионуклида никель-63 / Е.С. Пчелинцева и др. // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2011. №1(87). С. 9092.

81. Пчелинцева, Е.С. Влияние зарядки поверхности на ЭДС р-n- структур при бетавольтаическом эффекте / Е.С. Пчелинцева и др. // Труды X международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы, Ульяновск.: УлГУ, 2010, с. 229.

82. Пчелинцева, Е.С. Радиационно-стимулированный источник энергии на основе изотопа никель-63 / Е.С. Пчелинцева и др. // Вопросы атомной науки и техники. 2011.вып. 1. с. 65-69.