專利名稱：一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池及其制作方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)中的能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，人們對微小型機(jī)電系統(tǒng)的研究異?；钴S。微能源是微系統(tǒng)發(fā)展中的一個瓶頸問題，研究高效、長壽命的微能源是微系統(tǒng)發(fā)展中一直追求的目標(biāo)。世界各國都相繼開展了微能源的研究工作，制作出許多微能源。如微型燃料電池、微型內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)、微型太陽能電池、微型同位素核電池等。太陽能微電池和同位素核能微電池則顯示出其特有的優(yōu)勢。
太陽能電池利用半導(dǎo)體材料的光生福特效應(yīng)發(fā)電原理，無需補(bǔ)充燃料并且無廢物排放的清潔能源，在太陽光照或環(huán)境提供的紅外輻照下即可產(chǎn)生電能的輸出，太陽能電池可作為長期電源，已經(jīng)在人造衛(wèi)星及宇宙飛船中廣泛使用。
而同位素核能電池的能量密度高、使用壽命長，近年來得到了相當(dāng)?shù)难芯亢桶l(fā)展。同位素核電池的種類繁多，有初級同位素電池、熱
電轉(zhuǎn)換同位素電池、熱離子發(fā)射同位素電池、PN結(jié)同位素電池等。其中，熱電轉(zhuǎn)換同位素電池應(yīng)用最廣，我國也自行研制出百毫瓦級的熱電轉(zhuǎn)換同位素電池樣品，但是產(chǎn)品的使用安全性、以及小型化是主要問題。
PN結(jié)同位素電池與太陽能電池非常相似，只不過在PN結(jié)同位素電池中用a或(和)P粒子代替太陽光作為能源。PN結(jié)同位素微電池主要用于微機(jī)電系統(tǒng)中，普遍采用對人體安全的鎳-63同位素輻射源，提供nw量級的功率，目前還沒有定型的產(chǎn)品出現(xiàn)。太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)為轉(zhuǎn)化效率高輸出功率大，但的無法在黑暗的環(huán)境下長期使用,同位素電池優(yōu)點(diǎn)是使用環(huán)境不受限制，但輸出功率較低。經(jīng)檢索，有關(guān)將同位素發(fā)電和太陽能發(fā)電合二為一的微電池專利文獻(xiàn)未曾發(fā)現(xiàn)。
本發(fā)明結(jié)合同位素發(fā)電和太陽能發(fā)電兩種發(fā)電機(jī)制，提出一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)，使同位素電池的在微機(jī)電領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池
及其制作方法，在藍(lán)寶石基底上生長兩個背靠背的PN結(jié)，分別實(shí)現(xiàn)太陽能和同位素能量發(fā)電，以解決傳統(tǒng)微電池或受環(huán)境限制，或轉(zhuǎn)化效率和輸出功率偏低等問題。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案是實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池，其結(jié)構(gòu)為光學(xué)增透膜/藍(lán)寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生
長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層。
其中光學(xué)增透膜為0.2pmSiO2薄膜，用于增強(qiáng)太陽光藍(lán)紫成分
的透過性；
藍(lán)寶石基片的厚度為0.1-lmm，雙面拋光；內(nèi)層P型GaN外延生長層的厚度為0.3-0.5pm，摻雜濃度為10'6-'W1的Si;
N型GaN外延生長層的厚度為2-5pm，摻雜濃度為1018'19Cm"的Mg;
外層P型GaN外延生長層的厚度為0.2-0.5|im，摻雜濃度為10關(guān)cm"的Si;
同位素放射性層為"Ni金屬，采用鍍制法的厚度為l-2pm，采用緊固法的厚度為20-100pm。
本發(fā)明的一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池的制作方法，具
體步驟如下1) 以藍(lán)寶石為基底，采用射頻磁控反應(yīng)濺射法制備工藝，在其
一側(cè)鍍厚度為0.2pm的Si02光學(xué)增透膜。由于藍(lán)寶石在0.20-5.50pm波段內(nèi)具有較好的透光性，這一厚度有利于藍(lán)紫成分的透過性；
2) 然后對基底進(jìn)行清洗，氫氣環(huán)境下900°C溫度下處理20分鐘，在基底另一側(cè)利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣象沉淀(MOCVD)工藝，根據(jù)10"^cm—1的摻雜濃度依次生長0.3-0.5pm的內(nèi)層P型GaN外延生長層、2-5iim的N型GaN外延生長層、0.2-0.5pm的外層P型GaN外延生長層，形成兩個背靠背PN結(jié)；
其中，N型GaN外延生長層的Ga、 N和Si源分別為TMGa(Trimethylgallium)、 NH3和SiH4，流量分別為30Sccm、 5000Sccm和100-180Sccm;P型GaN外延生長層的Ga、N和Mg源分別為TMGa、服3禾口 Cp2Mg(bicyclopentadienylymagnesi畫)，流量分別為15、 4000和200-260Sccm;生長時(shí)反應(yīng)室壓強(qiáng)為100T;
3) 采用是電鍍工藝，在外層P型GaN外延生長層上鍍制厚度為l-2pm的同位素63Ni金屬，或采用緊固法在外層P型GaN外延生長層上，將厚度為20-100pm固態(tài)63Ni金屬片緊固于半導(dǎo)體材料表面；
4) 在兩個P型和N型區(qū)域刻蝕電機(jī)鍍制空間，然后進(jìn)行電極的鍍制和壓線工藝，將兩個P型區(qū)電極并聯(lián)作為復(fù)合型微電池的電源正極， 一個N型電極作為復(fù)合型微電池的電源負(fù)極。
有益效果-.
該復(fù)合型電池的實(shí)質(zhì)是太陽能PN結(jié)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和同位素PN結(jié)能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)共用一個N型區(qū)，在同一個半導(dǎo)體片子上同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種不同形式的能源的轉(zhuǎn)換。本復(fù)合型太陽能同位素微電池不需外界提供能量，在任何環(huán)境下可提供電能的輸出，克服了太陽能電池僅有光照下才可提供電能的局限；同時(shí)克服了同位素電池的功率輸出小的局限，光照條件下，本發(fā)明的輸出功率比同樣制作參數(shù)的同位素微電池輸出功率提高10倍以上。本發(fā)明將同位素微電池和太陽能電池集成，使同位素電池在微機(jī)電領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用成為可能。


圖1為本發(fā)明提出的復(fù)合型氮化鎵太陽能同位素微電池的結(jié)構(gòu)示意其中1-光學(xué)增透膜，2-藍(lán)寶石基片，3-P型GaN外延生長層，4-N型GaN外延生長層，5-P型GaN外延生長層，6-同位素放射源；7-太陽能正極，8-共用負(fù)極，9-同位素放射能正極。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的復(fù)合型太陽能同位素微電池的結(jié)構(gòu)為
光學(xué)增透膜/藍(lán)寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層。
本發(fā)明的復(fù)合型太陽能同位素微電池的制作方法如下
1) 以藍(lán)寶石為基底，采用射頻磁控反應(yīng)濺射法制備工藝，在其一側(cè)鍍厚度為0.2pm的Si02光學(xué)增透膜。
2) 然后對基底進(jìn)行清洗，氫氣環(huán)境下900QC溫度下處理20分鐘，在基底另一側(cè)利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣象沉淀(MOCVD)工藝，根據(jù)1016—19(^—1的摻雜濃度依次生長0.5pm的內(nèi)層P型GaN外延生長層、5pim的N型GaN外延生長層、0.5)Lim的外層P型GaN外延生長層，形成兩個背靠背PN結(jié)。
其中，N型GaN外延生長層的Ga、 N和Si源分別為TMGa(Trimethylgallium)、 NH3禾卩SiH4，流量分別為30Sccm、 5000Sccm和100Sccm; P型GaN外延生長層的Ga、 N和Mg源分別為TMGa、麗3禾卩Cp2Mg(bicyclopentadienylymagnesium)，流量分別為15、 4000和260Sccm;生長時(shí)反應(yīng)室壓強(qiáng)為IOOT。
3) 采用是電鍍工藝，在外層P型GaN外延生長層上鍍制厚度為2|Lim的同位素63Ni金屬，或采用緊固法在外層P型GaN外延生長層上，將厚度為20|im的固態(tài)63Ni金屬片緊固于半導(dǎo)體材料表面。
4) 在兩個P型和N型區(qū)域刻蝕電機(jī)鍍制空間，然后進(jìn)行電極的鍍制和壓線工藝，將兩個P型區(qū)電極并聯(lián)和一個N型電極一起作為 復(fù)合型微電池的輸出電極，其中P區(qū)電極為復(fù)合型電源正極，N型電 極為電源負(fù)極。
以上述實(shí)例參數(shù)相同，但沒有采用太陽能收集結(jié)構(gòu)的同位素微電 池輸出為20nw，而本發(fā)明的復(fù)合型結(jié)構(gòu)后，微電池輸出功率為230nw, 功率提高10.5倍。
權(quán)利要求
1. 一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池，其特征在于結(jié)構(gòu)為光學(xué)增透膜/藍(lán)寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層；其中光學(xué)增透膜為0.2μm的SiO2薄膜；藍(lán)寶石基片的厚度為0.1-1mm，雙面拋光；內(nèi)層P型GaN外延生長層的厚度為0.3-0.5μm，摻雜濃度為1016-17cm-1的Si；N型GaN外延生長層的厚度為2-5μm，摻雜濃度為1018-19cm-1的Mg；外層P型GaN外延生長層的厚度為0.2-0.5μm，摻雜濃度為1016-17cm-1的Si；同位素放射性層為63Ni金屬，采用鍍制法的厚度為1-2μm，采用緊固法的厚度為20-100μm。
2. —種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池的制作方法，其特征在 于具體步驟如下1) 以藍(lán)寶石為基底，采用射頻磁控反應(yīng)濺射法制備工藝，在其 一側(cè)鍍厚度為0.2)im的Si02光學(xué)增透膜；2) 然后對基底進(jìn)行清洗，氫氣環(huán)境下900°C溫度下處理20分鐘， 在基底另一側(cè)利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣象沉淀工藝，根據(jù)10^"cm"的 摻雜濃度依次生長0.3-0.5inm的內(nèi)層P型GaN外延生長層、2-5pm的 N型GaN外延生長層、0.2-0.5pm的外層P型GaN外延生長層，形 成兩個背靠背PN結(jié)；3) 采用是電鍍工藝，在外層P型GaN外延生長層上鍍制厚度為 1-2,的同位素63Ni金屬，或采用緊固法在外層P型GaN外延生長 層上，將厚度為20-100pm固態(tài)63Ni金屬片緊固于半導(dǎo)體材料表面；4) 在兩個P型和N型區(qū)域刻蝕電機(jī)鍍制空間，然后進(jìn)行電極的鍍制和壓線工藝，將兩個P型區(qū)電極并聯(lián)作為復(fù)合型微電池的電源正 極， 一個N型電極作為復(fù)合型微電池的電源負(fù)極。
3.如權(quán)利要求2所述的一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池的 制作方法，其特征在于N型GaN外延生長層的Ga、 N和Si源分別 為TMGa、 NH3禾Q SiH4 ，流量分別為30Sccm 、 5000Sccm和 100-180Sccm; P型GaN外延生長層的Ga、N和Mg源分別為TMGa、 NH3和Cp2Mg，流量分別為15、 4000和200-260Sccm;生長時(shí)反應(yīng) 室壓強(qiáng)為IOOT。
全文摘要
本發(fā)明為一種氮化鎵太陽能同位素復(fù)合型微電池及其制作方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)中的能源領(lǐng)域。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)為光學(xué)增透膜/藍(lán)寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層。本發(fā)明的制作方法首先在基底的一側(cè)鍍制一層光學(xué)增透膜，然后在基底另一側(cè)利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣象沉淀工藝，依次生長兩個背靠背PN結(jié)，最后在PN結(jié)外側(cè)固定同位素放射層。本發(fā)明克服了太陽能電池僅有光照下才可提供電能的局限；同時(shí)克服了同位素電池的功率輸出小的局限；光照條件下，本發(fā)明相對同參數(shù)的同位素微電池輸出功率提高10倍以上。
文檔編號H01L31/18GK101521240SQ20091008282
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者瀾 姜, 朵英賢, 李遂賢, 婷 王, 陳海洋 申請人:北京理工大學(xué)