專利名稱:一種用于放射性同位素伏特效應β電池的貯氚薄膜電極及其與半導體整合的設計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件的電極，尤其涉及一種基于PN結或PIN結的放射性同 位素伏特效應電池的電極，屬于能源應用領域和材料領域。
背景技術：
通常電池可分為化學電池和物理電池兩大類?；瘜W電池主要有干電池、蓄電池、燃 料電池、微生物電池等。物理電池主要包括太陽能電池和放射性同位素電池兩種。其中化學 電池的缺點是無法滿足長期供電的需求，而太陽能電池則無法在黑暗條件下工作。放射性 同位素電池也叫核電池，是將原子核的衰變能轉換為電能的電池。放射性同位素電池具有 壽命長(由放射性同位素的半衰期決定)、可靠性高、能量密度高等優(yōu)點，因而在航空航天、 深海、極地等需長期供電且無人值守的場合、心臟起搏器、微納機電系統(tǒng)、手機、筆記本電腦 等電子產品等領域有著廣泛應用前景。放射性同位素的來源之一是核廢料，核廢料問題是 當今國際上核能進一步發(fā)展的最大障礙之一，能夠很好的利用這些特殊的垃圾，變廢為寶， 將是一件極有意義和價值的事情，將可以利用的核廢料發(fā)電，從整體上看，將會產生巨大的 經(jīng)濟效益和廣泛的社會效益。
放射性同位素電池的種類也是多種多樣的，按照轉換機理不同，放射性同位素電 池又可分為熱源放射性同位素電池和輻射能放射性同位素電池。熱源放射性同位素電 池利用的是同位素衰變熱能；輻射能放射性同位素電池是利用的同位素衰變時產生的射 線能量。2000年以后，隨著信息科學發(fā)展的需求，放射性同位素電池主要向低功率(小于 100 μ W)、微型化、系統(tǒng)整合方向發(fā)展。特別是隨著納米微加工技術的發(fā)展，大大地推動了微 型電動機械(MEMS)傳感器的研發(fā)和應用，其應用市場發(fā)展非常迅速。據(jù)資料報道，美國在 2005年對MEMS傳感器的需求達11. 6億美元，而有50%的MEMS器件是由微型電池提供能量 的，其市場價值約占整個市場份額的10%。也就是說，僅僅美國，每年用于MEMS傳感器的微 型電池的市場價達1. 16億美元。
傳感器的加工是在微米級甚至納米級范圍，這就是說，要求電池也要微型化并整 合到器件中。傳統(tǒng)的化學電池滿足不了這些要求，而利用同位素衰變能為能源的放射性同 位素電池一放射性同位素PN結型伏特效應電池就具備這樣的融合能力。因而，放射性同 位素伏特效應電池作為最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姵囟鴤涫荜P注。這種電池工作原理是當 同位素衰變產生的電子射線照到PN結上，因吸收輻射能量而產生輻射電離效應，在材料中 產生很多電子空穴對，電子空穴對在PN結的內建電場作用下分別向P型和N型例漂移，在 P型側將收集到大量的空穴，而在N型側將收集到大量的電子，將P電極和N電極連接并加 上負載，在回路中就會產生電流，P電極相當于電池的正極，N電極相當于電池的負極。
常用的β放射源有高純的63Ni、90Sr、147Pm和3H。高純的63Ni、90Sr、147Pm 價格非常昂貴并且國內難以獲得，氚(3H)是目前已知的β源中最容易獲取、最適合產業(yè)化 的候選材料。氚的平均衰變能為5. 7 KeV，氚衰變的β電子射程小，半衰期為12. 3年；能量密度達到1000 mff-h/g,比高能鋰電池能量密度高出4個數(shù)量級；無毒性，低污染，又安 全具有良好的生物兼容性，比現(xiàn)有的鋰電池等更環(huán)保。因此氚同位素伏特效應電池具有廣 闊的應用前景。文獻(Advanced Materials 2005，17 1230-1233)報道了使用氣態(tài)氚作為 同位素源多孔硅作為半導體換能器的設計，采用氣態(tài)氚的缺點是氚的比活度低，制備的電 池效率低，電池封裝也很困難。發(fā)明專利(CN200910030430. 7、CN200910030431. 1)及文獻 (Applied Physics Letters 2009 95，233112和Applied Radiation and Isotopes 2010， 68 2214-2217)公布的伏特效應同位素β電池都是將同位素源1放置于PN結3和電極2 外做成氚同位素伏特效應電池，如圖1所示。這種方式的優(yōu)點是工藝簡單，可在傳統(tǒng)半導體 的制備工藝上進行制作，但此方法的不足之處是同位素源置于PN結較遠處，衰變的β電子 射程小，自吸收效應會導致β電子的利用率大為降低，因此電池效率極低。特別是對于用 氚作同位素源的電池來說，這種方法的劣勢更為明顯。
儲氫金屬或儲氫合金中所能儲存的氫的最大密度可以大于固態(tài)氫的密度，并且某 些貯氫金屬或貯氫合金也有良好的導電性。因此，可以設計采用貯氚金屬或貯氚合金用作 放射性同位素伏特效應β電池的電極。

發(fā)明內容
針對傳統(tǒng)伏特效應放射性同位素β電池電極吸收導致轉換效率低的問題，本發(fā) 明基于儲氫金屬或儲氫合金的基本性質以及形成金屬_半導體之間歐姆接觸的原理，提出 了將貯氚薄膜兼作電極技術方案，如圖2所示，以降低電子穿越電極薄膜時的吸收，從而達 到提高電池效率節(jié)約同位素源用量的目的。與傳統(tǒng)純金屬電極不同，這種新型電極4的材 料是貯氚的金屬包括氚化鈦(Ti:3H)、氚化鋯(&:3H)或者貯氚的合金，包括氚化鈦合金、 氚化鎂合金、氚化鋁合金、氚化鋯合金、氚化鐵合金、氚化稀土合金。這種電極4制作在半導 體晶片7的表面，連接PN結或PIN結的是N+區(qū)域或P+區(qū)域5，以此形成電極和半導體晶 片之間的歐姆接觸。這種電極的厚度L1S ΙΟηπΓ ΟΟ μπι。N+區(qū)域或P+區(qū)域5的厚度L2 為10 nnT700 nm。電極面向半導體晶片的表面距離PN結或PIN結6的距離L2為10 ηπΓ2 μπι。為了保證電極的低電導率和足夠的衰敗電子密度，含氚電極中氚的比活度應為100 Ci/g 3000 Ci/go


圖1顯示了傳統(tǒng)的電極和氚源分離的放射性同位素電池的結構。
圖2顯示了新型的以含氚金屬或含氚合金為電極的新型同位素電池的結構。
其中，1-氚源 2-電極 3-PN結或PIN結 4_貯氚金屬或貯氚合金5_P+或N+ 重摻雜區(qū)6-PN結或PIN結7-半導體晶片。
具體實施方式
下面結合附圖2，對本發(fā)明的實施進行清楚、完整的說明。 實施例
厚度為3 ym的含氚化鈦Ti:3H薄膜用作貯氚電極4。貯氚電極4制備在Si半導體晶片7外。電極中氚的比活度為1100 Ci/g。與電極直接相連的是厚度為10 nm的P+ 重摻雜區(qū)5。電極4距離PN結6的距離為400 nm。
權利要求
1.一種用于伏特效應放射性同位素β電池的貯氚電極是在半導體晶片表面制備的 一層貯氚金屬或貯氚合金，其特征在于貯氚金屬電極或貯氚合金電極中氚的比活度為100 Ci/g^3000 Ci/g，貯氚金屬電極或貯氚合金電極的厚度為10 rniTlOO ym;貯氚金屬電極 或貯氚合金電極與半導體晶片整合的結構為貯氚金屬電極或貯氚合金電極直接制備在半 導體的P+重摻雜區(qū)或N+重摻雜區(qū)表面上，貯氚金屬電極或貯氚合金電極與半導體接觸的 表面距離PN結或PIN結的距離為10 ηπΓ2 μ m, P+重摻雜區(qū)或N+重摻雜區(qū)的厚度是10 nm 700 nm。
2.根據(jù)權利要求
1所述的一種用于伏特效應放射性同位素電池的貯氚電極，其特征在 于，所述的貯氚金屬包括氚化鈦(Ti = 3H)、氚化鋯(Zr = 3H)。
3.根據(jù)權利要求
1所述的一種用于伏特效應放射性同位素電池的貯氚電極，其特征在 于，所述的貯氚合金包括氚化鈦合金、氚化鎂合金、氚化鋁合金、氚化鋯合金、氚化鐵合金、 氚化稀土合金。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于伏特效應放射性同位素β電池的新型電極，屬于微機電系統(tǒng)的微電源領域和材料領域。此電極是在半導體表面制備的貯氚金屬或貯氚合金薄膜，它與半導體能形成良好的歐姆接觸，具有導電、貯氚功能。相比常規(guī)電極，此發(fā)明可減少氚衰變電子在電極中的自吸收，因而提高電池的轉換效率和節(jié)省氚的用量。
文檔編號G21H1/06GKCN102097149SQ201110027365
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月26日
發(fā)明者任丁, 展長勇, 林黎蔚, 肖婷, 鄒宇, 黃寧康 申請人:四川大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan