一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池

技术领域

本发明涉及利用半导体器件将β放射源的衰变能转化为电能的装置，属于核技术应用领域。

背景技术

近年来，以低功率电子器件技术为核心的微机电系统逐渐向体积更小、质量更轻、功率更低、便于移动、性能稳定、低成本和可植入等方向发展。微型电源作为微机电系统重要的组成部分，它一般由化学电池和太阳能电池组成。然而，化学电池因能量密度较低，体积较大、难以集成化，需要补充燃料或间断性充电等缺点而无法满足微机电系统的一些工作要求。微型太阳能电池具有清洁、安全、技术成熟、能量密度高等特点。但是，这种类型电池在黑暗或者光线不稳定的环境中是无法持续稳定工作的。可见，传统的微型电池极大地限制了微机电系统的进一步发展。因此，研究具有体积微小、质量轻、使用寿命长、能量密度高、维护频率低、环境适应性强等特点的微型电池具有重要的实际意义。

随着微型电池的不断发展，β辐射伏特效应微型核电池因有望解决微机电系统电源瓶颈问题而引起广泛的关注与研究。单晶硅率先成为β辐射伏特效应微型核电池的换能材料。因为它具有成本低、制作工艺精良、晶体掺杂技术成熟、晶体杂质和缺陷复合中心少等一系列优点。但是，这种类型核电池的辐射损伤严重，使用寿命很短。后来，由于半导体材料与换能器件制备工艺发展滞后，β辐射伏特效应微型核电池未能取得显著的研究进展。直到20世纪60、 70年代，随着空间探测科学和医疗领域对长寿命微型电源的需求增加，它们重新得到关注与研究。特别是随着半导体器件加工工艺日益成熟，采用微纳米加工工艺可将其微型化和集成化到微纳米量级，制作成本不断降低，并且已经实现了批量的工业生产。这大大促进了β辐射伏特效应微型核电池的发展。概括的说，这类核电池具有寿命长、可微型化和可集成化、工作可靠、对环境适应性强、维护频率低、比容量高、不依赖燃料和太阳光等优点。因而，它们在航空航天航海领域、深海深地极地领域、医学领域和微机电系统中的一些低功率电子设备上都有广泛的应用前景。

β辐射伏特效应微型核电池的核心部件是β放射源和半导体换能器件。它的工作原理是：β放射源释放的载能β粒子与半导体材料相互作用，通过电离激发过程在半导体材料内部产生大量的辐生电子-空穴对。半导体器件的内建电场会将大部分辐生电子-空穴对分开，通过一种有识别性的输运机制使带负电的自由载流子(电子)向阴极迁移，带正电的自由载流子(空穴)向阳极迁移。最后，经过外电路负载中电流做功将放射源的衰变能转换为电能。近年来，随着β辐射伏特效应微型核电池的不断发展，镍-63源是常用的放射源。在半导体材料的选择上，宽禁带材料制成的换能器件有利于提升核电池的能量转换效率。氮化镓是备受关注的第三代宽禁带半导体材料，它具有较高的热导率、较强的抗辐射能力、较大的击穿电压和电子饱和速率、环境稳定性好等特点。这些特点使得氮化镓器件在核辐射探测器与β辐射伏特效应微型核电池领域的应用十分广泛。研究表明：基于氮化镓器件的β辐射伏特效应微型核电池具有开路电压大，能量转换效率高和抗辐射能力强等特点，它是微机电系统理想的微型动力源。

发明内容

本发明提供了一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池。这种电池的基本结构包括：镍-63源，氮化镓器件和电池防护层。其中，氮化镓器件的内部结构依次为:p型格栅接触电极层，p型氮化镓帽子层，p型氮化铝镓(Al

为了实现上述目的，本发明内容是：

所述镍-63源1为薄片状固态放射源，其厚度介于0.3μm～6μm之间。将薄片状镍-63源1耦合加载到所述p型格栅接触电极层2的上表面，镍-63源1的横截面积等于p型格栅接触电极层2的横截面积。

所述p型格栅接触电极层2采用Ni/Au复合金属层。利用电子束金属蒸镀机在p型氮化镓帽子层3的上表面依次蒸镀Ni金属层和Au金属层构成Ni/Au复合金属层，Ni金属层和Au金属层的厚度都介于5nm～30nm之间。

所述p型格栅接触电极层2主栅条宽介于0.5mm～1mm之间，从栅条宽介于10μm～30μm之间，相邻从栅条间隙宽介于200μm～500μm之间。

所述p型氮化镓帽子层3的镁原子掺杂浓度介于1×10

所述p型氮化铝镓(Al

所述p型氮化镓发射层5的镁原子掺杂浓度介于1×10

所述n型氮化镓基区层6的硅原子掺杂浓度介于1×10

所述n型氮化铝镓(Al

所述n型氮化镓缓冲层8的硅原子掺杂浓度介于1×10

所述三氧化二铝衬底层9选用单面抛光β相蓝宝石，其晶向为(001)，该衬底层的厚度介于200μm～500μm之间。

所述n型接触电极层10为Ti/Ni/Ti/Au复合金属层。利用电子束金属蒸镀机在n型高掺杂氮化镓缓冲层8上表面的n型台阶上依次蒸镀Ti金属层、Ni金属层、Ti金属层和Au金属层构成Ti/Ni/Ti/Au复合金属层。n型接触电极层10内部的Ti金属层、Ni金属层、Ti金属层的厚度都介于10nm～30nm之间，Au金属层的厚度介于80nm～200nm之间。

所述电池防护层11由超轻铝箔构成，其厚度大于50μm。

需要说明的是，本发明提供的是一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池基片。实际应用中可以根据具体需要将该电池基片切割成一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池。例如，当制备完成的核电池基片横截面的尺寸为3英寸，若获得横截面尺寸为1cmх1cm 的微型核电池，在充分利用基片面积的基础上可以得到25～30块核电池单元。

附图说明

图1是所述一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池的轴剖面示意图。

图2是所述一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池的俯视图。

具体实施方式

本发明中提供了一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池。这是一种体积小、可集成、使用寿命长、开路电压大、能量转换效率高、维护频率低且抗辐照能力强的微型电源。

本发明中所述氮化镓器件的内部结构依次为：p型格栅接触电极层2，p型氮化镓帽子层 3，p型氮化铝镓(Al

所述氮化镓器件的制备步骤如下：

以三氧化二铝为衬底，利用三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、二茂镁(CP2Mg)、硅烷(SiH

步骤1：准备三氧化二铝晶圆。首先，选用单面抛光β相蓝宝石，其晶向为(001)，常见的此类晶圆的横截面尺寸介于3～4英寸之间，厚度介于200μm～500μm之间。其次，采用丙酮、甲醇和去离子水等清洗晶圆表面的杂质，烘干基片，获得三氧化二铝衬底层9。

步骤2：利用MOCVD外延生长设备系统制备n型外延层薄膜。

首先，在预先形核的三氧化二铝衬底层9的抛光表面外延生长n型氮化镓缓冲层8，该缓冲层的硅原子掺杂浓度介于1×10

步骤3：利用MOCVD外延生长设备系统制备p型外延层薄膜。

首先，在n型氮化镓基区层6的上表面外延生长p型氮化镓发射层5，该发射层的镁原子掺杂浓度介于1×10

步骤4：利用工业标准湿法清洗工艺(RCA)去除所述p型氮化镓帽子层3上表面的杂质，热板烘干。

步骤5：首先，使用紫外光刻机光刻技术和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术，在n型氮化镓缓冲层8上得到n型台阶；接着，利用电子束金属蒸镀机在n型台阶上依次蒸镀Ti金属层、Ni金属层、Ti金属层和Au金属层形成n型接触电极层10。其中，n型接触电极层10 内部的Ti金属层、Ni金属层、Ti金属层的厚度都介于10nm～30nm之间，Au金属层的厚度介于80nm～200nm之间。

步骤6：结合紫外光刻机光刻技术和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术，利用电子束金属蒸镀机在p型氮化镓帽子层3的上表面制备p型格栅接触电极层2。p型氮化镓帽子层3的上表面在依次蒸镀Ni金属层和Au金属层构成Ni/Au复合金属层，Ni金属层和Au金属层的厚度都介于5nm～30nm之间。p型格栅接触电极层2的主栅条宽介于0.5mm～1mm之间，从栅条宽介于10μm～30μm之间，相邻从栅条间隙宽介于200μm～500μm之间。

所述基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池封装步骤如下：

步骤1：从放射性核素生产与销售公司购买镍-63源。所述镍-63源1为薄片状固态放射源，其厚度介于0.3μm～6μm之间。将薄片状镍-63源1耦合加载到所述p型格栅接触电极层2的上表面，镍-63源1的横截面积等于p型格栅接触电极层2的横截面积。

步骤2：制备完成所述氮化镓器件的基础上，将镍-63源1和氮化镓器件集成为微型核电池基片。

实际制备过程中可以在镍-63源1的上、下表面分别粘接一个由上述步骤制备而成的氮化镓器件，制成基于相同原理和制备技术的另一种基于镍-63源和氮化镓器件微型核电池，提高镍-63源的能量利用率。

步骤3：整个装置放置在电池防护层11内部，该防护层由超轻铝箔构成，厚度大于50μm。

需要说明的是，本发明提供的是一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池基片。实际应用中可以根据具体需要将该电池基片切割成一种基于镍-63源和氮化镓器件的微型核电池。例如，当制备完成的核电池基片横截面的尺寸为3英寸，若获得横截面尺寸为1cmх1cm 的微型核电池，在充分利用基片面积的基础上可以得到25～30块核电池单元。

本发明所述的具体实施例详细说明了一种基于镍-63源和砷化镓p-n结器件的微型核电池设计的基本原理和具体的技术方案。本发明的具体实施例并不用于限制本发明所述核电池的设计和制备。进一步地，凡是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等均包括在本发明的权利保护范围之内。更进一步地，本发明说明书中为了阐述简单和清晰，附图只是对一般性结构进行说明，省略了部分众所周知的结构以避免不必要的模糊表达，附图的横截面并非严格按照实际比例绘制。

附图标记说明

[本发明]

1：镍-63源

2：p型格栅接触电极层

3：p型氮化镓帽子层

4：p型氮化铝镓(Al

5：p型氮化镓发射层

6：n型氮化镓基区层

7：n型氮化铝镓(Al

8：n型氮化镓缓冲层

9：三氧化二铝衬底层

10：n型接触电极层

11：电池防护。