КПД активированных наногетеропереходов на подложках кремния и карбида кремния
(Стр. 91-102)
Долгополов Михаил Вячеславович
Елисов Максим Вячеславович
Раджапов Сали Аширович
Чепурнов Виктор Иванович
Чипура Александр Сергеевич
Подробнее об авторах
Долгополов Михаил Вячеславович
Самарский государственный технический университет
г. Самара, Российская Федерация Елисов Максим Вячеславович
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
г. Самара, Российская Федерация Раджапов Сали Аширович
Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
г. Ташкент, Республика Узбекистан Чепурнов Виктор Иванович Чипура Александр Сергеевич
Самарский государственный технический университет
г. Самара, Российская Федерация Елисов Максим Вячеславович
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
г. Самара, Российская Федерация Раджапов Сали Аширович
Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
г. Ташкент, Республика Узбекистан Чепурнов Виктор Иванович Чипура Александр Сергеевич
Нажимая на кнопку купить вы соглашаетесь с условиями договора оферты
Аннотация:
Рассматривается концепция, модель, примеры активированных наноразмерных гетеропереходаов на специальных подложках карбида кремния и кремния для обеспечения максимальной мощности при комбинированных геометрическом и количественном масштабированиях чипов полупроводникового преобразователя энергии. Исследуется вопрос максимальных КПД преобразования энергии и эффективности разделения электрон-дырочных пар. Вариант оптимизации решения масштабирования реализуется гетеропереходами с вариациями последовательностей слоев с увеличением концентрации и направленности перемещения неравновесных носителей для дальнейшего повышающего преобразования напряжения с накачкой заряда. Проведено численное моделирование для проверки модели с тонкими слоями GaN, GaP на SiC, SiC/Si. Впервые предложены определения активации гетероперехода и активированного наногетероперехода как принципиальной структуры. Точность предложенных моделей сравнивается с точностью известных моделей, показано, что полученные результаты лучше, чем некоторые известные в литературе решения этих моделей.
Образец цитирования:
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Долгополов М.В., Елисов М.В., Раджапов С.А., Чепурнов В.И., Чипура А.С. КПД активированных наногетеропереходов на подложках кремния и карбида кремния // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 4. С. 91-102. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-4-91-102. EDN: BBEVNK
Список литературы:
Spencer M.G., Alam T. High power direct energy conversion by nuclear batteries // Applied Physics Reviews. 2019. No. 6. P. 21.
Murphy J.W., Voss L.F., Frye C.D. et al. Design considerations for three-dimensional betavoltaics // AIP Advances. 2019. No. 9 (6). Pp. 1–10.
Чепурнов В.И., Долгополов М.В., Гурская А.В. и др. Гетероструктура por-SiC/Si для прикладных целей // Электроника – 2015: тезисы докладов. М., 2015. С. 13.
Чепурнов В.И., Раджапов С.А., Долгополов М.В. и др. Задачи определения эффективности для микроструктур SiC*/Si и контактообразования // Comp. Nanotechnol. 2021. № 3. С. 59–68.
Ojha G.P., Kang G.W., Kuk Y.-S. et al. Silicon carbide nanostructures as potential carbide material for electrochemical supercapacitors: Review // Nanomaterials. 2023. No. 13 (1). P. 23.
Oishi M. Rechargeable solid-state SMD battery for IoT applications. EEPower Technical article. 2019. CeraCharge™ World’s first rechargeable solid-state SMD battery. Humanizing the Digital Experience: TDK Developers Conference 2018.
Yakimov E.B. Prediction of betavoltaic battery parameters // Energies. 2023. Vol. 16. No. 3740. P. 24.
Naseem M.B., Hong Soo Kim, Lee Ju. et al. Betavoltaic nuclear battery: Review of recent progress and challenges as an alternative energy source // Journal of Physical Chemistry C. 2023. No. 127 (16). Pp. 7565–7579.
Юдинцев В. Радиационно стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2007. № 5 (79). С. 72–77.
Чепурнов В.И., Долгополов М.В., Гурская А.В., Латухина Н.В. Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния. Патент на изобретение RU 2653398 C2. 08.05.2018. Заявка № 2016129598 от 19.07.2016.
Gurskaya A.V., Chepurnov V.I. et al. Theoretical aspects of direct conversion of radio-chemical energy in electric by radiation-stimulated SiC*/Si heterostructure // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2155. P. 012014.
Колайкова О.И., Гурская А.В., Долгополов М.В. и др. Моделирование управляющих уравнений для технологии эндотаксии материала 3C SiC/Si, прогнозирующих его свойства // Материалы Междунар. науч. конф. «Новые материалы и гелиотехнологии». Паркент, 2021. С. 97–99.
Анисимов Н.С., Долгополов М.В., Кузнецова А.А. и др. Исследование решений уравнений твердофазной диффузии с бета-источником // Математическое моделирование и краевые задачи: матер. XI Всерос. науч. конф. с междунар. участием. В 2 т. Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2019. С. 208–212.
Chepurnov V.I., Dolgopolov M.V., Gurskaya A.V. et al. Radiation-doped SiC*/Si heterostructure formation and defects evolution // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2155. P. 012012.
Чепурнов В.И., Пузырная Г.В., Гурская А.В. и др. Экспериментальное исследование полупроводниковых структур источника питания на углероде-14 // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22. № 3. С. 55–67.
Kuznetsov O., Chepurnov V., Gurskaya A. et al. C-beta energy converter efficiency modeling // EPJ Web of Conferences. 2019. No. 222. P. 02012.
Kuznetsova A., Dolgopolov M., Gurskaya A. et al. Micro alloying of SiC by radioisotope // EPJ Web of Conferences. 2019. No. 222. P. 02013.
Gurskaya A.V., Chepurnov V.I., Puzyrnaya G.V. et al. Silicon Carbide 3C-SiC phase band structures calculation in DFT // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1686. Issue 1. P. 012040.
Imamov E.Z., Muminov R.A., Rakhimov R.Kh. Analysis of the efficiency of a solar cell with nano-dimensional hetero transitions // Comp. Nanotechnol. 2021. Vol. 8. No. 4. Pp. 42–50.
Долгополов М.В., Елисов М.В., Раджапов С.А., Чипура А.С. Модели масштабирования электрических свойств фото- и бета-преобразователей с наногетеропереходами // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 1. С. 138–146.
Gurskaya A.V., Dolgopolov M.V., Elisov M.V. et al. Combined scaling of nanochip generators for betavoltaics // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2023. Vol. 20. No. 5. Pp. 1088–1093.
Гурская А.В., Долгополов М.В., Раджапов С.А., Чепурнов В.И. Контакты для SiC-преобразователей в диапазоне нано-микроватт // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2023. № 1. С. 2310103.
Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках / пер. с англ. М.: Мир, 1974. 464 с.
Imamov E.Z., Muminov R.A., Rakhimov R.Kh. et al. Modeling of the electrical properties of a solar cell with many nano-hetero junctions // Comp. Nanotechnol. 2022. Vol. 9. No. 4. Pp. 70–77.
Muminov R.A., Imamov E.Z., Rakhimov R.Kh., Askarov M.A. Factors of efficient generation of electricity in a solar cell with nanohetero junctions // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 1. Pp. 119–127.
Имамов Э.З., Муминов Р.А., Аскаров М.А. et al. Расчет числа переходов носителей тока, формирующих НГП – наногетеропереход // Междунар. науч. конф. «Тенденции развития физики конденсированных сред». Фергана, 2021. С. 57–59.
Marvin Tan Xing Haw. Power-scalable betavoltaic battery // UK Patent Journal Publication. 2012. No. GB2484028 (A).
Abanin I.E. Comparative analysis of power sources excited by various β isotopes. News of higher educational institutions // Electronics. 2016. Vol. 21. No. 5. Pp. 3–10.
Физика полупроводниковых преобразователей / под ред. А.Н. Саурова, С.В. Булярского. М.: РАН, 2018. 280 с.
Saurov A.N., Bulyarskiy S.V., Risovaniy V.D. et al. Nanostructured current sources based on carbon nanotubes excited by β radiation // Semiconductors. 2016. No. 50. Pp. 1744–1747.
Милнс А.Дж., Фойхт Д.Л. Гетеропереходы и переходы металл – полупроводник / пер. с англ. А.А. Гиппиуса; под ред. В.С. Вавилова. М.: Мир, 1975. 432 с.
Долгополов М.В., Елисов М.В., Рахманкулов И.Р. Моделирование полупроводниковых гетероструктур для преобразователей энергии и датчиков // Материалы международной научной конференции «Новые материалы и гелиотехнологии». Паркент, Узбекистан, 15–16 мая 2023 года. Паркент, 2023. С. 86–88.
Лебедев Д.М., Шишкина Д.А., Шишкин И.А. и др. Особенности роста пленок 3С-SiC/Si, изготовленные методом HTCVD // Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2023): сб. трудов по матер. IX Междунар. конф. и молодежной школы. Самара, 17–23 апреля 2023 г. В 6 т. Т. 1. Самара: Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, 2023. С. 12402.
Долгополов М.В., Бобрик А.Л., Волович И.В. и др. Математическая физика: задачи и решения заочной всероссийской студенческой тренинг-олимпиады по математической и теоретической физике (21–24 мая 2010 г.). Т. 4 Специальный выпуск: Современные проблемы математической физики. Самара: Изд-во Самарского университета, 2010. 84 с.
Khripunov V.I., Kurbatov D.K., Subbotin M.L. Source terms and carbon-14 production rates in power fusion reactors // Questions of Atomic Science and Technology. Series: Thermonuclear Fusion. 2007. No. 2. Pp. 10–17.
Небесный А.Ф., Нам И.В., Раджапов С.А., Пиндюрин Ю.С. USB-анализатор для спектрометрии ядерных излучений // Приборы и техника эксперимента. 2021. № 2. С. 157–159.
Bouzid F., Pezzimenti F., Dehimi L. Modelling and performance analysis of a GaN-based n/p-junction betavoltaic cell // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2020. No. 969. Pp. 164103.
Kavak Yürük R., Tütüncüler H. Theoretical investigation of high-efficiency GaN–Si heterojunction betavoltaic battery // Canadian Journal of Physics. 2019. No. 97. Pp. 1031–1038.
Kang T., Kim J., Park S.K. et al. Evaluation of a betavoltaic energy converter supporting scalable modular structure // ETRI Journal. 2019.No. 41 (2). Pp. 254–261.
Долгополов М.В., Чипура А.С. Моделирование бетавольтаического элемента на наногетеропереходах GaN и GaP на подложках Si и 3С-SiC/Si // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2023. Т. 29. № 4. С. 133–142.
Dolgopolov M.V., Chepurnov V.I., Chipura A.S. et al. Scaling and activation of nanoheterojunctions on silicon and silicon carbide substrates // International Conference “Fundamental and Applied Problems of Modern Physics”. Tashkent, 2023. Pp. 88–92.
Xiaoyi Li, Jingbin Lu, Zhanguo Chen et al. 14C diamond as energy converting material in betavoltaic battery: A first principles study // AIP Advances. 2023. No. 13 (11). P. 115314.
Yingying Zhao, Chen Zhao, Haibin Li et al. New member of micro power sources for extreme environmental explorations: X-ray-voltaic batteries // Applied Energy. 2024. No. 353. P. 122103.
Yu Wang, Jingbin Lu, Renzhou Zheng et al. Theoretical study of a high-efficiency GaP–Si heterojunction betavoltaic cell compared with metal–Si Schottky barrier betavoltaic cell // AIP Advances. 2021. No. 11. P. 065110.
Елисов М.В. Самоорганизационная динамика концентрации носителей зарядов в полупроводниках при их инжекции // Известия вузов. ПНД. 2023. T. 31. № 5. С. 622–627.
Murphy J.W., Voss L.F., Frye C.D. et al. Design considerations for three-dimensional betavoltaics // AIP Advances. 2019. No. 9 (6). Pp. 1–10.
Чепурнов В.И., Долгополов М.В., Гурская А.В. и др. Гетероструктура por-SiC/Si для прикладных целей // Электроника – 2015: тезисы докладов. М., 2015. С. 13.
Чепурнов В.И., Раджапов С.А., Долгополов М.В. и др. Задачи определения эффективности для микроструктур SiC*/Si и контактообразования // Comp. Nanotechnol. 2021. № 3. С. 59–68.
Ojha G.P., Kang G.W., Kuk Y.-S. et al. Silicon carbide nanostructures as potential carbide material for electrochemical supercapacitors: Review // Nanomaterials. 2023. No. 13 (1). P. 23.
Oishi M. Rechargeable solid-state SMD battery for IoT applications. EEPower Technical article. 2019. CeraCharge™ World’s first rechargeable solid-state SMD battery. Humanizing the Digital Experience: TDK Developers Conference 2018.
Yakimov E.B. Prediction of betavoltaic battery parameters // Energies. 2023. Vol. 16. No. 3740. P. 24.
Naseem M.B., Hong Soo Kim, Lee Ju. et al. Betavoltaic nuclear battery: Review of recent progress and challenges as an alternative energy source // Journal of Physical Chemistry C. 2023. No. 127 (16). Pp. 7565–7579.
Юдинцев В. Радиационно стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2007. № 5 (79). С. 72–77.
Чепурнов В.И., Долгополов М.В., Гурская А.В., Латухина Н.В. Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния. Патент на изобретение RU 2653398 C2. 08.05.2018. Заявка № 2016129598 от 19.07.2016.
Gurskaya A.V., Chepurnov V.I. et al. Theoretical aspects of direct conversion of radio-chemical energy in electric by radiation-stimulated SiC*/Si heterostructure // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2155. P. 012014.
Колайкова О.И., Гурская А.В., Долгополов М.В. и др. Моделирование управляющих уравнений для технологии эндотаксии материала 3C SiC/Si, прогнозирующих его свойства // Материалы Междунар. науч. конф. «Новые материалы и гелиотехнологии». Паркент, 2021. С. 97–99.
Анисимов Н.С., Долгополов М.В., Кузнецова А.А. и др. Исследование решений уравнений твердофазной диффузии с бета-источником // Математическое моделирование и краевые задачи: матер. XI Всерос. науч. конф. с междунар. участием. В 2 т. Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2019. С. 208–212.
Chepurnov V.I., Dolgopolov M.V., Gurskaya A.V. et al. Radiation-doped SiC*/Si heterostructure formation and defects evolution // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2155. P. 012012.
Чепурнов В.И., Пузырная Г.В., Гурская А.В. и др. Экспериментальное исследование полупроводниковых структур источника питания на углероде-14 // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22. № 3. С. 55–67.
Kuznetsov O., Chepurnov V., Gurskaya A. et al. C-beta energy converter efficiency modeling // EPJ Web of Conferences. 2019. No. 222. P. 02012.
Kuznetsova A., Dolgopolov M., Gurskaya A. et al. Micro alloying of SiC by radioisotope // EPJ Web of Conferences. 2019. No. 222. P. 02013.
Gurskaya A.V., Chepurnov V.I., Puzyrnaya G.V. et al. Silicon Carbide 3C-SiC phase band structures calculation in DFT // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1686. Issue 1. P. 012040.
Imamov E.Z., Muminov R.A., Rakhimov R.Kh. Analysis of the efficiency of a solar cell with nano-dimensional hetero transitions // Comp. Nanotechnol. 2021. Vol. 8. No. 4. Pp. 42–50.
Долгополов М.В., Елисов М.В., Раджапов С.А., Чипура А.С. Модели масштабирования электрических свойств фото- и бета-преобразователей с наногетеропереходами // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 1. С. 138–146.
Gurskaya A.V., Dolgopolov M.V., Elisov M.V. et al. Combined scaling of nanochip generators for betavoltaics // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2023. Vol. 20. No. 5. Pp. 1088–1093.
Гурская А.В., Долгополов М.В., Раджапов С.А., Чепурнов В.И. Контакты для SiC-преобразователей в диапазоне нано-микроватт // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2023. № 1. С. 2310103.
Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках / пер. с англ. М.: Мир, 1974. 464 с.
Imamov E.Z., Muminov R.A., Rakhimov R.Kh. et al. Modeling of the electrical properties of a solar cell with many nano-hetero junctions // Comp. Nanotechnol. 2022. Vol. 9. No. 4. Pp. 70–77.
Muminov R.A., Imamov E.Z., Rakhimov R.Kh., Askarov M.A. Factors of efficient generation of electricity in a solar cell with nanohetero junctions // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 1. Pp. 119–127.
Имамов Э.З., Муминов Р.А., Аскаров М.А. et al. Расчет числа переходов носителей тока, формирующих НГП – наногетеропереход // Междунар. науч. конф. «Тенденции развития физики конденсированных сред». Фергана, 2021. С. 57–59.
Marvin Tan Xing Haw. Power-scalable betavoltaic battery // UK Patent Journal Publication. 2012. No. GB2484028 (A).
Abanin I.E. Comparative analysis of power sources excited by various β isotopes. News of higher educational institutions // Electronics. 2016. Vol. 21. No. 5. Pp. 3–10.
Физика полупроводниковых преобразователей / под ред. А.Н. Саурова, С.В. Булярского. М.: РАН, 2018. 280 с.
Saurov A.N., Bulyarskiy S.V., Risovaniy V.D. et al. Nanostructured current sources based on carbon nanotubes excited by β radiation // Semiconductors. 2016. No. 50. Pp. 1744–1747.
Милнс А.Дж., Фойхт Д.Л. Гетеропереходы и переходы металл – полупроводник / пер. с англ. А.А. Гиппиуса; под ред. В.С. Вавилова. М.: Мир, 1975. 432 с.
Долгополов М.В., Елисов М.В., Рахманкулов И.Р. Моделирование полупроводниковых гетероструктур для преобразователей энергии и датчиков // Материалы международной научной конференции «Новые материалы и гелиотехнологии». Паркент, Узбекистан, 15–16 мая 2023 года. Паркент, 2023. С. 86–88.
Лебедев Д.М., Шишкина Д.А., Шишкин И.А. и др. Особенности роста пленок 3С-SiC/Si, изготовленные методом HTCVD // Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2023): сб. трудов по матер. IX Междунар. конф. и молодежной школы. Самара, 17–23 апреля 2023 г. В 6 т. Т. 1. Самара: Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, 2023. С. 12402.
Долгополов М.В., Бобрик А.Л., Волович И.В. и др. Математическая физика: задачи и решения заочной всероссийской студенческой тренинг-олимпиады по математической и теоретической физике (21–24 мая 2010 г.). Т. 4 Специальный выпуск: Современные проблемы математической физики. Самара: Изд-во Самарского университета, 2010. 84 с.
Khripunov V.I., Kurbatov D.K., Subbotin M.L. Source terms and carbon-14 production rates in power fusion reactors // Questions of Atomic Science and Technology. Series: Thermonuclear Fusion. 2007. No. 2. Pp. 10–17.
Небесный А.Ф., Нам И.В., Раджапов С.А., Пиндюрин Ю.С. USB-анализатор для спектрометрии ядерных излучений // Приборы и техника эксперимента. 2021. № 2. С. 157–159.
Bouzid F., Pezzimenti F., Dehimi L. Modelling and performance analysis of a GaN-based n/p-junction betavoltaic cell // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2020. No. 969. Pp. 164103.
Kavak Yürük R., Tütüncüler H. Theoretical investigation of high-efficiency GaN–Si heterojunction betavoltaic battery // Canadian Journal of Physics. 2019. No. 97. Pp. 1031–1038.
Kang T., Kim J., Park S.K. et al. Evaluation of a betavoltaic energy converter supporting scalable modular structure // ETRI Journal. 2019.No. 41 (2). Pp. 254–261.
Долгополов М.В., Чипура А.С. Моделирование бетавольтаического элемента на наногетеропереходах GaN и GaP на подложках Si и 3С-SiC/Si // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2023. Т. 29. № 4. С. 133–142.
Dolgopolov M.V., Chepurnov V.I., Chipura A.S. et al. Scaling and activation of nanoheterojunctions on silicon and silicon carbide substrates // International Conference “Fundamental and Applied Problems of Modern Physics”. Tashkent, 2023. Pp. 88–92.
Xiaoyi Li, Jingbin Lu, Zhanguo Chen et al. 14C diamond as energy converting material in betavoltaic battery: A first principles study // AIP Advances. 2023. No. 13 (11). P. 115314.
Yingying Zhao, Chen Zhao, Haibin Li et al. New member of micro power sources for extreme environmental explorations: X-ray-voltaic batteries // Applied Energy. 2024. No. 353. P. 122103.
Yu Wang, Jingbin Lu, Renzhou Zheng et al. Theoretical study of a high-efficiency GaP–Si heterojunction betavoltaic cell compared with metal–Si Schottky barrier betavoltaic cell // AIP Advances. 2021. No. 11. P. 065110.
Елисов М.В. Самоорганизационная динамика концентрации носителей зарядов в полупроводниках при их инжекции // Известия вузов. ПНД. 2023. T. 31. № 5. С. 622–627.
Ключевые слова:
масштабирование, активированный наногетеропереход, полупроводниковый преобразователь, аналитическое моделирование, гетероструктуры на карбиде кремния, микролегирование, энергоэффективность, ионизационные токи и напряжения, полупроводниковые микрогенераторы, образование точечных зарядовых дефектов.
