專利名稱:一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于同位素電池領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池。
技術(shù)背景
根據(jù)輻射伏特效應(yīng)和半導(dǎo)體結(jié)型器件的特殊性質(zhì)，可以將放射性同位素的衰變能轉(zhuǎn)換為電能，制成輻射伏特效應(yīng)同位素電池。這種電池不僅具有一般同位素電池能量密度高、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還可以做到很小的體積和很輕的質(zhì)量，兼之其主要部份是半導(dǎo)體器件，容易與其它半導(dǎo)體器件集成在一起，因此輻伏同位素電池成為MEMS、IC 以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等微小系統(tǒng)的最佳供電電源之一。近年來(lái)，隨著MEMS、IC和物聯(lián)網(wǎng)的大力發(fā)展，輻伏同位素電池也正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是從目前的結(jié)果來(lái)看，輻伏同位素電池的電輸出性能仍然很低，輸出電流、電壓不能滿足微系統(tǒng)對(duì)供電的要求，因此有必要發(fā)展電輸出性能更高的輻伏同位素電池。
換能單元用的器件是決定輻伏同位素電池電輸出性能的關(guān)鍵，目前發(fā)展比較成熟的換能單元器件是單晶硅基PN結(jié)型器件，但是這種器件能量轉(zhuǎn)換效率比較低。寬帶隙半導(dǎo)體材料器件被公認(rèn)為可以提高輻伏同位素電池轉(zhuǎn)換效率，理論上轉(zhuǎn)換效率可以從單晶硅最高 20%左右提高到 40% (M. V. S. Chandrashekhar,等人，Applied physics letters, 2006，88，033506)。GaN就是很有前途的寬帶隙半導(dǎo)體材料之一。但是目前的GaN材料電子 (空穴)遷移率還很低，其結(jié)型器件作為輻伏同位素電池?fù)Q能單元，其電性能提升程度有限， 尤其是實(shí)際輸出電流并不高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服輻伏同位素電池電輸出性能低，尤其短路電流和開(kāi)路電壓太小的不足， 本發(fā)明提供一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池。本發(fā)明的同位素電池可以大幅提升短路電流和開(kāi)路電壓等電輸出性能。
本發(fā)明的一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池，其特點(diǎn)是，所述的同位素電池含有氮化鎵基多結(jié)換能單元和輔助部件；所述的換能單元包括藍(lán)寶石基底、緩沖層、N氮化鎵層、N+氮化鎵層，i氮化鎵層，P+氮化鎵層、P氮化鎵層，SiO2保護(hù)層、正面電極以及臺(tái)階電極；氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系是，SiO2保護(hù)層、P+氮化鎵層、P氮化鎵層、i氮化鎵層、N氮化鎵層、N+氮化鎵層、緩沖層、藍(lán)寶石基底從上至下依次排布，在P+氮化鎵層表面制作正面電極且不被SiO2保護(hù)層覆蓋，在N+氮化鎵層裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極，構(gòu)成P+PiNN+型的氮化鎵基多結(jié)換能單元；所述的輔助部件包括放射源片、外封裝層、內(nèi)封裝層、正引線、負(fù)引線、正電極柱、負(fù)電極柱、絕緣膠以及底座；輔助部件中各部分的排列關(guān)系是，放射源片置于SiO2保護(hù)層之上正中央，在藍(lán)寶石基底正下方與底座正上方之間設(shè)置有絕緣膠，正引線的一端連接在正面電極上，另一端連接在正電極柱上；負(fù)引線的一端連接在臺(tái)階電極上，另一端連接在負(fù)電極柱上；所述的放射源片至底座之間排布的各部分均通過(guò)內(nèi)封裝層固定，在內(nèi)封裝層的外圍包覆有外封裝層；正電極柱、負(fù)電極柱分別垂直于底座，并穿過(guò)底座、內(nèi)封裝層和外封裝層。
所述的氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系替換為，SiO2保護(hù)層、N+氮化鎵層、N氮化鎵層、i氮化鎵層、P氮化鎵層、P+氮化鎵層、緩沖層、藍(lán)寶石基底從上至下依次排布，在N+氮化鎵層表面制作正面電極且不被SiO2保護(hù)層覆蓋，在P+氮化鎵層裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極，構(gòu)成N+NiPP+型的氮化鎵基多結(jié)換能單元。
所述的P+氮化鎵層摻雜濃度為1/1017 1/1018/(^3，？氮化鎵層摻雜濃度為 IXlO16 IXio1Vcm3, i氮化鎵層為非故意摻雜層，N氮化鎵層摻雜濃度為IXlO17 I X IO1Vcm3，N.氮化鎵層摻雜濃度為I X IO18 I X IO1Vcm30
所述的放射源片選自Ni-63放射源片、H-3放射源片。
本發(fā)明中的氮化鎵基多結(jié)器件換能單元制作過(guò)程是，以藍(lán)寶石為基底，利用MOVCD 方法在其上生長(zhǎng)氮化鎵材料同時(shí)制作成多結(jié)器件。首先生長(zhǎng)緩沖層，厚度為2 4μπι ;然后生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO18 I X IO1Vcm3的N+氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO17 I X IO1Vcm3的N氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上再生長(zhǎng)非故意摻雜的i氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上再生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO16 I X IO1Vcm3 的P氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上再生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO17 I X IO1Vcm3的P+ 氮化鎵層，厚度為O. 2 0.8 μ m。至此形成P+PiNN+型的多結(jié)結(jié)構(gòu)。在P+氮化鎵層表面沉積Ni/Au形成歐姆接觸制作正面環(huán)狀電極，并制作不覆蓋環(huán)狀電極的SiO2保護(hù)層?？涛gP+ 氮化鎵層、P氮化鎵層、i氮化鎵層、N氮化鎵層邊緣，露出N+氮化鎵層邊緣，在N+氮化鎵層邊緣上沉積Ni/Au形成歐姆接觸制作環(huán)狀臺(tái)階電極。至此制作成氮化鎵基P+PiNN+型多結(jié)器件。
本發(fā)明中的氮化鎵基多結(jié)器件換能單元的另一種制作過(guò)程是，以藍(lán)寶石為基底， 利用MOVCD方法在其上生長(zhǎng)氮化鎵材料同時(shí)制作成多結(jié)器件。首先生長(zhǎng)緩沖層，厚度為2 4 μ m ;然后生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO17 I X IO1Vcm3的P+氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ; 其上生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO16 I X IO1Vcm3的P氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上再生長(zhǎng)非故意摻雜的i氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上再生長(zhǎng)摻雜濃度為I X IO17 I X IO1Vcm3的N氮化鎵層，厚度為O. 2 O. 8 μ m ;其上再生長(zhǎng)摻雜濃度為IXlO18 I X IO1Vcm3的N+氮化鎵層，厚度為O. 2 0.8 μ m。至此形成N+NiPP+型的多結(jié)結(jié)構(gòu)。在N+ 氮化鎵層表面沉積Ni/Au形成歐姆接觸制作正面環(huán)狀電極，并制作不覆蓋環(huán)狀電極的SiO2 保護(hù)層?？涛gN+氮化鎵層、N氮化鎵層、i氮化鎵層、P氮化鎵層邊緣，露出P+氮化鎵層邊緣，在P+氮化鎵層邊緣上沉積Ni/Au形成歐姆接觸制作環(huán)狀臺(tái)階電極。至此制作成氮化鎵基N+NiPP+型多結(jié)器件。
輔助部件制作的技術(shù)方案是正引線連接正面環(huán)狀電極和正電極柱，負(fù)引線連接臺(tái)階電極和負(fù)電極柱。利用絕緣膠將氮化鎵基多結(jié)器件的藍(lán)寶石一面粘結(jié)在底座正中央，放射源片置于SiO2保護(hù)層之上正中央。放射源片選自選自Ni-63放射源片或H-3放射源片。 內(nèi)封裝層采用耐輻射的復(fù)合材料，通過(guò)模具灌注法澆灌在各部件之間(除放射源片與換能單元之間)的空隙中，起到固定和輻射防護(hù)的作用。外封裝層用FeNi可伐合金制作，起著增強(qiáng)電池整體強(qiáng)度和輻射防護(hù)的作用。正負(fù)電極柱垂直于底座并穿過(guò)底座和內(nèi)外封裝層。整個(gè)同位素電池從外觀上看是帶有兩個(gè)電極柱的紐扣形狀。
本發(fā)明所依據(jù)的科學(xué)原理是放射源射線入射到換能單元中，激發(fā)半導(dǎo)體材料晶格原子的電子，促使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)并擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)電子與空穴的分離，并利用結(jié)器件兩端電極的歐姆接觸將電子引出， 當(dāng)接通外電路時(shí)即產(chǎn)生電流，形成同位素電池。同理，本發(fā)明所提到一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池也是基于該原理，但由于采用了多結(jié)器件作為換能單元，其中多結(jié)器件中 P+P層界面、Pi層界面、iN層界面、NN+層界面都能分別形成具有內(nèi)建電場(chǎng)的結(jié)區(qū)，比傳統(tǒng)單一結(jié)型器件大大增加了電子與空穴的分離和收集效率，從而可以提高該電池輸出電流的短路電流和開(kāi)路電壓。
本發(fā)明的有益效果是電池體型微小，工作時(shí)不需要外界提供能量，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流的短路電流IOOnA I μ A、開(kāi)路電壓O. 8V I. 5V ;選用Η-3放射源片可保持6年以上不間斷地輸出電流，選用Ni-63放射源片可保持45年以上不間斷地輸出電流。


圖I是本發(fā)明的一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，I.放射源片 2.正面電極 3.外封裝層 4.內(nèi)封裝層 5.臺(tái)階電極6.正引線 7.絕緣膠 8.底座 9.正電極柱 10. SiO2保護(hù)層
11.P+氮化鎵層 12. P氮化鎵層 13. i氮化鎵層 14. N氮化鎵層 15. N+氮化鎵層 16.緩沖層 17.負(fù)引線 18.藍(lán)寶石基底 19.負(fù)電極柱。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例I
圖I是本發(fā)明的一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖I中，本發(fā)明的氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池，含有氮化鎵基多結(jié)換能單元和輔助部件；所述的換能單元包括藍(lán)寶石基底18、緩沖層16、N氮化鎵層14、N+氮化鎵層15，i氮化鎵層13，P+ 氮化鎵層11、P氮化鎵層12，SiO2保護(hù)層10、正面電極2以及臺(tái)階電極5 ;氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系是，SiO2保護(hù)層10、P+氮化鎵層11、P氮化鎵層12、i氮化鎵層 13、N氮化鎵層14、N+氮化鎵層15、緩沖層16、藍(lán)寶石基底18從上至下依次排布，在P+氮化鎵層11表面制作正面電極2且不被SiO2保護(hù)層10覆蓋，在N+氮化鎵層15裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極5，構(gòu)成P+PiNN+型的氮化鎵基多結(jié)換能單元；所述的輔助部件包括放射源片I、外封裝層3、內(nèi)封裝層4、正引線6、負(fù)引線17、正電極柱9、負(fù)電極柱19、絕緣膠7以及底座8 ;輔助部件中各部分的排列關(guān)系是，放射源片I置于SiO2保護(hù)層10之上正中央，在藍(lán)寶石基底18正下方與底座8正上方之間設(shè)置有絕緣膠7，正引線6的一端連接在正面電極 2上，另一端連接在正電極柱9上；負(fù)引線17的一端連接在臺(tái)階電極5上，另一端連接在負(fù)電極柱19上；所述的放射源片I至底座8之間排布的各部分均通過(guò)內(nèi)封裝層4固定，在內(nèi)封裝層4的外圍包覆有外封裝層3 ;正電極柱9、負(fù)電極柱19分別垂直于底座8，并穿過(guò)底座8、內(nèi)封裝層4和外封裝層3。
本實(shí)施例中，所述的P+氮化鎵層11摻雜濃度為I X 1017/cm3，P氮化鎵層12摻雜濃度為lX1016/cm3，i氮化鎵層13為非故意摻雜層，N氮化鎵層14摻雜濃度為lX1017/cm3， N+氮化鎵層15摻雜濃度為I X 101Vcm3。[0018]所述的放射源片I為Ni-63放射源片。
實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例I的基本結(jié)構(gòu)和排列關(guān)系相同，不同之處是，本實(shí)施例中的氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系為，SiO2保護(hù)層、N+氮化鎵層、N氮化鎵層、i氮化鎵層、 P氮化鎵層、P+氮化鎵層、緩沖層、藍(lán)寶石基底從上至下依次排布，在N+氮化鎵層表面制作正面電極且不被SiO2保護(hù)層覆蓋，在P+氮化鎵層裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極，構(gòu)成N+NiPP+ 型的氮化鎵基多結(jié)換能單元。本實(shí)施例中P+氮化鎵層摻雜濃度為I X IO1Vcm3, P氮化鎵層摻雜濃度為IXlO1Vcm3, i氮化鎵層為非故意摻雜層，N氮化鎵層摻雜濃度為lX1018/cm3, N+氮化鎵層摻雜濃度為I X 1019/cm3。
實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例I的基本結(jié)構(gòu)和排列關(guān)系相同，不同之處是，本實(shí)施例中放射源片I 為H-3放射源片。
實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例2的基本結(jié)構(gòu)和排列關(guān)系相同，不同之處是，本實(shí)施例中放射源片I 為H-3放射源片。
參閱附圖，在第一個(gè)實(shí)施例中，一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池由氮化鎵基多結(jié)換能單元和輔助部件組成。氮化鎵基多結(jié)換能單元的結(jié)構(gòu)為SiO2保護(hù)層10、P+氮化鎵層11、P氮化鎵層12、i氮化鎵層13、N氮化鎵層14、N+氮化鎵層15、緩沖層16、藍(lán)寶石基底18從上至下依次排布，在P+氮化鎵層11表面制作正面電極2且不被SiO2保護(hù)層10 覆蓋，在N+氮化鎵層15裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極5，構(gòu)成氮化鎵基P+PiNN+多結(jié)換能單元。輔助部件的結(jié)構(gòu)為含Ni-63放射源片I置于SiO2保護(hù)層10之上正中央；絕緣膠7位于藍(lán)寶石基底18正下方；絕緣膠7位于底座8之上正中央；正引線6的一端連接在正面電極2上，另一端連接在正電極柱9上；負(fù)引線17的一端連接在臺(tái)階電極5上，另一端連接在負(fù)電極柱19上；底座8包括底座8以上部分由內(nèi)封裝層4固定，其外再包覆外封裝層3 ;正電極柱9、負(fù)電極柱19垂直于底座8，并穿過(guò)底座8、內(nèi)封裝層4和外封裝層3。
在第二個(gè)實(shí)施例中，一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池由氮化鎵基多結(jié)換能單元和其他部件組成。氮化鎵基P+PiNN+多結(jié)換能單元的結(jié)構(gòu)與第一個(gè)實(shí)施例相同。輔助部件的結(jié)構(gòu)為含H-3放射源片I置于SiO2保護(hù)層10之上正中央，其他與第一個(gè)實(shí)施例相同。
在第三個(gè)實(shí)施例中，一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池由氮化鎵基多結(jié)換能單元和其他部件組成。氮化鎵基多結(jié)換能單元的結(jié)構(gòu)為SiO2保護(hù)層10、N+氮化鎵層15、N 氮化鎵層14、i氮化鎵層13、P氮化鎵層12、P+氮化鎵層11、緩沖層16、藍(lán)寶石基底18從上至下依次排布，在N+氮化鎵層15表面制作正面電極2且不被SiO2保護(hù)層10覆蓋，在P+氮化鎵層11裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極5，構(gòu)成氮化鎵基N+NiPP+多結(jié)換能單元。輔助部件的結(jié)構(gòu)與第一個(gè)實(shí)施例相同。
在第四個(gè)實(shí)施例中，一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池由氮化鎵基多結(jié)換能單元和其他部件組成。氮化鎵基N+NiPP+多結(jié)換能單元的結(jié)構(gòu)與第三個(gè)實(shí)施例相同。輔助部件的結(jié)構(gòu)為含H-3放射源片I置于SiO2保護(hù)層10之上正中央，其他與第一個(gè)實(shí)施例相同。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池，其特征是所述的同位素電池含有氮化鎵基多結(jié)換能單元和輔助部件；所述的換能單元包括藍(lán)寶石基底(18)、緩沖層(16)、N氮化鎵層(14)、N+氮化鎵層(15),i氮化鎵層(13), P+氮化鎵層(11 )、P氮化鎵層(12)，SiO2保護(hù)層(10)、正面電極(2)以及臺(tái)階電極(5);氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系是，SiO2 保護(hù)層(10)、P+氮化鎵層(11)、？氮化鎵層(12)、1氮化鎵層(13)』氮化鎵層(14)、^氮化鎵層(15)、緩沖層(16)、藍(lán)寶石基底(18)從上至下依次排布，在P+氮化鎵層(11)表面制作正面電極(2)且不被SiO2保護(hù)層(10)覆蓋，在N+氮化鎵層(15)裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極(5)，構(gòu)成P+PiNN+型的氮化鎵基多結(jié)換能單元；所述的輔助部件包括放射源片(I)、外封裝層(3)、內(nèi)封裝層(4)、正引線(6)、負(fù)引線(17)、正電極柱(9)、負(fù)電極柱(19)、絕緣膠(7) 以及底座(8);輔助部件中各部分的排列關(guān)系是，放射源片(I)置于SiO2保護(hù)層(10)之上正中央，在藍(lán)寶石基底(18)正下方與底座(8)正上方之間設(shè)置有絕緣膠(7)，正引線(6)的一端連接在正面電極(2 )上，另一端連接在正電極柱(9 )上；負(fù)引線(17 )的一端連接在臺(tái)階電極(5)上，另一端連接在負(fù)電極柱(19)上；所述的放射源片(I)至底座(8)之間排布的各部分均通過(guò)內(nèi)封裝層(4)固定，在內(nèi)封裝層(4)的外圍包覆有外封裝層(3);正電極柱(9)、 負(fù)電極柱(19)分別垂直于底座(8)，并穿過(guò)底座(8)、內(nèi)封裝層(4)和外封裝層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的同位素電池，其特征是所述的氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系替換為，SiO2保護(hù)層(10)、N+氮化鎵層(15)、N氮化鎵層(14)、i氮化鎵層(13)、卩氮化鎵層(12)、？+氮化鎵層(11)、緩沖層(16)、藍(lán)寶石基底(18)從上至下依次排布， 在N+氮化鎵層(15)表面制作正面電極(2)且不被SiO2保護(hù)層(10)覆蓋，在P+氮化鎵層(11)裸露的環(huán)形表面制作臺(tái)階電極(5)，構(gòu)成N+NiPP+型的氮化鎵基多結(jié)換能單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述同位素電池，其特征是所述的P+氮化鎵層(11)摻雜濃度為 1/1017 1/1018/0113，？氮化鎵層(12)摻雜濃度為IX IO16 IX 1017/cm3，i氮化鎵層(13) 為非故意摻雜層，N氮化鎵層(14)摻雜濃度為I X IO17 I X IO1Vcm3, N.氮化鎵層(15)# 雜濃度為 I X IO18 I X IO1Vcm30
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的同位素電池，其特征是所述的放射源片(I)采用Ni-63放射源片或H-3放射源片。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池，所述的同位素電池包括氮化鎵基多結(jié)換能單元和輔助部件。在換能單元中的上面P+型層或N+型層制作正面電極，下面N+型層或P+型層制作臺(tái)階電極，并由正負(fù)引線連接至正負(fù)電極柱；輔助部件中的放射源片置于換能單元正面正中央；以上部分通過(guò)絕緣膠固定于底座正中央；放射源片至底座之間排布的各部分均通過(guò)內(nèi)封裝層固定，在內(nèi)封裝層的外圍包覆有外封裝層；正負(fù)電極柱垂直于底座，并穿過(guò)底座、內(nèi)封裝層和外封裝層。本發(fā)明的同位素電池體型微小，工作時(shí)不需要外界提供能量，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流的短路電流100nA～1μＡ、開(kāi)路電壓0.8V～1.5V；可保持6年以上不間斷地輸出電流。
文檔編號(hào)G21H1/06GKCN102610289SQ201210110741
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月17日
發(fā)明者劉業(yè)兵, 張華明, 徐建, 李 昊, 楊玉青, 王關(guān)全, 羅順忠, 胡睿, 鐘正坤 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan