CN101527175B - 一种pin型核电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PIN型核电池及其制备方法，通过两次MOCVD外延和一次HVPE外延的复合外延技术生长获得衬底-n型GaN掺杂层-绝缘层-p型GaN掺杂层结构的PIN器件材料结构，再使用半导体微加工工艺溅射生成对应的接触电极，制备形成基本的电池器件，并将同位素耦合到p型接触电极上，封装制备完成核电池。由于核电池的寿命取决于同位素的半衰期，故而本发明可以灵活使用防护简单的同位素种类(纯β同位素)，大大提高了核电池的能量转换效率和能量密度(能量容积)，延长了核电池的使用寿命，同时也为核废料变废为宝、合理利用创造了有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体核电池器件，尤其涉及一次转换核电池中的辐射伏特效应核电池，属于能源应用领域。
背景技术
通常来说，电池包括化学电池和物理电池两大类。化学电池主要有干电池、蓄电池、燃料电池、微生物电池等，这些都是人类生活中见惯的常用电池类型，但此类电池的能量容积相对较小，无法满足长期供电的需求。物理电池主要包括太阳能电池和核电池两种，其中核电池也叫同位素电池或原子电池，是将原子核的放射能直接转换为电能的电池。按照能量源不同，核电池又可分为热源核电池和辐射能核电池。热源核电池利用的是同位素衰变热，如热电效应核电池；辐射能核电池是利用的同位素衰变时产生的射线能量，这一能量远远大于衰变热，如伏特效应核电池。按能量转换过程的次数可分为一次转换核电池(如热电效应和伏特效应核电池)与二次转换核电池(如辐射-光-伏特效应核电池)，一般一次转换核电池的效率要高于二次转换核电池。本发明涉及的核电池属于一次转换核电池中的辐射能核电池，即辐射伏特效应核电池，其工作原理是：当衰变能量射线照到核电池上，因吸收辐射能量而产生辐射电离效应，在材料中产生很多电子空穴对，电子空穴对在核电池PN结的内建电场作用下分别向P型和N型侧漂移，在P型侧将收集到大量的空穴，而在N型侧将收集到大量的电子，将P电极和N电极连接并加上负载，在回路中就会产 生电流，P电极相当于电池的正极，N电极相当于电池的负极。
核废料问题是当今国际上核能进一步发展的最大障碍之一，能够很好的利用这些特殊的垃圾，变废为宝，将是一件极有意义和价值的事情，将可以利用的核废料发电，从整体上看，将会产生巨大的经济效益和广泛的社会效益。
核电池具有体积小、重量轻、寿命长(由半衰期决定)、可靠性高、能量密度高等优点，因而在航空航天、深海、极地等需长期供电且无人值守的场合、心脏起搏器、微纳机电系统、手机、笔记本电脑等电子产品、甚至电动汽车等领域有着广泛应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PIN型核电池及其制备方法，将同位素与GaNPIN半导体器件通过简单而成熟的制备工艺集成，进而将同位素衰变能直接、高效地转换成电能，加以工业和生活利用。
本发明的技术解决方案是：
一种PIN型核电池，其特征在于：包括Al2O3衬底、n型掺杂层、绝缘层、p型掺杂层、p型接触电极、n型接触电极和同位素层；其中n型掺杂层是掺杂浓度在1×1018/cm3～1×1019/cm3之间的掺硅GaN层；而p型掺杂层是掺杂浓度在1×1019/cm3～1×1020/cm3之间的掺镁GaN层。n型GaN掺杂层设在Al2O3衬底的抛光面，绝缘层设置在n型GaN掺杂层的表面上，p型掺杂层设置在绝缘层的表面上，p型接触电极和n型接触电极分别设置在p型GaN掺杂层和n型GaN掺杂层的表面上；纯β同位素层设置在p型接触电极上。
进一步地，上述的PIN型核电池，其中所述Al2O3衬底为β相蓝宝石，(001)晶相，厚度为200～600μm；所述n型GaN掺杂层的厚度为1～3μm，其中的Si掺杂是在MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×1018/cm3到1×1019/cm3之间通入SiH4来实现的；所述绝缘层的厚度为15～100μm；所述p型GaN掺杂层的厚度为15～30nm，其中Mg掺杂是在继续进行MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×1019/cm3到1×1020/cm3之间通入二茂镁来实现的；所述n型接触电极是通过沉积Ti/Al/Ti/Au得到的，其中Ti厚度20～80nm，Al厚度20～100nm，Ti厚度20～200nm，Au厚度100～300nm；所述p型接触电极是通过沉积Ni/Au得到的，其中Ni厚度为5～20nm；Au厚度为10～25nm。
更进一步地，上述的PIN型核电池，其中所述同位素层的上下两面分别粘结一个GaN PIN半导体器件。
更进一步地，上述的PIN型核电池，其中在所述Al2O3衬底和n型GaN掺杂层之间还可进一步设有氮化镓缓冲层。
上述PIN型核电池按以下步骤进行制备：
(1)在Al2O3衬底的抛光面上使用MOCVD外延方法生长n型掺杂层，并在MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×1018/cm3到1×1019/cm3之间通入SiH4；
(2)使用HVPE外延方法在n型GaN掺杂层上生长GaN绝缘层；
(3)在GaN绝缘层表面继续使用MOCVD外延方法生长p型GaN掺杂层，并在MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×1019/cm3到1×1020/cm3之间通入二茂镁；
(4)采用半导体加工，在n型掺杂层表面得到n型掺杂层台阶；
(5)在裸露的n型GaN台阶面上磁控溅射并沉积Ti/Al/Ti/Au合金，形成n型接触电极，并在p型GaN表面也磁控溅射并沉积完整覆盖的Ni/Au合金，形成p型接触电极；
(6)将同位素层粘结在p型接触电极的表面；
(7)进行核电池封装。
进一步地，步骤(1)中在所述Al2O3衬底的抛光面上先外延一厚度约为20nm的氮化镓缓冲层。
应用本发明的技术方案，大大提高了核电池的能量转换效率和能量密度(能量容积)，延长了核电池的使用寿命，同时也为核废料变废为宝、合理利用创造了有效途径。
附图说明
图1是本发明PIN型核电池一实施例的轴剖面示意图；
图2是图1所示核电池实施例的俯视示意图；
图3是本发明PIN型核电池另一实施例的轴剖面示意图。
其中，各附图标记的含义为：
1-Al2O3衬底、2-n型GaN掺杂层、3-绝缘层、4-p型GaN掺杂层、5-p型接触电极、6-n型接触电极、7-同位素层、8-氮化镓缓冲层。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图，对本发明进一步详细描述：
实施例一：
如图1所示的核电池一实施例结构轴剖面示意图，首先准备Al2O3圆片，其可从市场上购买获得单面抛光直径2英寸C面β-Al2O3衬底1，其厚度为300μm。
然后进行PIN晶圆生长工艺：使用MOCVD外延生长设备，先将Al2O3衬底1在1100℃下通入氨气氮化2分钟左右，然后降温到570℃通入三甲基镓和氨气外延20nm左右的氮化镓(GaN)缓冲层8，然后升温至1150℃在控制硅掺杂浓度在1×1018/cm3的稳定情况下通入三甲基镓、氨气和硅烷外延2μm左右的n-GaN掺杂层2，之后降至室温，取出样品；将样品放入HVPE系统，升温至1070通入氯化氢、氨气和金属镓外延20μm的GaN绝缘层3，之后再降至室温，取出样品；再次将样品重新放入MOCVD系统，升温至1070℃在控制镁掺杂浓度在1×1019/cm3的稳定情况下通入三甲基镓、氨气和二茂镁，外延20nm的p-GaN掺杂层4。
接着，使用紫外光刻机光刻和ICP刻蚀技术，在n型GaN掺杂层2的表面得到n型台阶；在上述n型台阶上使用磁控溅射技术沉积Ti(20nm)/Al(20nm)/Ti(20nm)/Au(300nm)(即Ti沉积20nm，Al沉积20nm，Ti沉积20nm，Au沉积300nm)制备完成n型接触电极6；在上述p型GaN掺杂层4的表面的上使用磁控溅射技术沉积Ni(5nm)/Au(10nm)制备完成p型接触电极5；将片状镍-63同位素层7粘结在p型接触电极5上；封装制成GaN PIN核电池。
实施例二：
首先准备Al2O3圆片，其可从市场上购买获得单面抛光直径2英寸C面β-Al2O3衬底1，其厚度为400μm。
然后进行PIN晶圆生长工艺：使用MOCVD外延生长设备，先升温至1150℃在控制硅掺杂浓度在1×1019/cm3的稳定情况下通入三甲基镓、氨气和硅烷外延2μm左右的n-GaN掺杂层2，之后降至室温，取出样品；将样品放入HVPE系统，升温至1070℃通入氯化氢、氨气和金属镓外延20μm的GaN绝缘层3，之后再降至室温，取出样品；再次将样品重新放入MOCVD系统，升温至1070℃在控制镁掺杂浓度在1×1020/cm3的稳定情况下通入三甲基镓、氨气和二茂镁，外延17nm的p-GaN掺杂层4。
接着，使用紫外光刻机光刻和ICP刻蚀技术，在n型GaN掺杂层2的表面得到n型台阶；在上述n型台阶上使用磁控溅射技术沉积Ti(20nm)/Al(20nm)/Ti(20nm)/Au(300nm)(即Ti沉积20nm，Al沉积20nm，Ti沉积20nm，Au沉积300nm)制备完成n型接触电极6；在上述p型GaN掺杂层4的表面的上使用磁控溅射技术沉积Ni(6nm)/Au(12nm)制备完成p型接触电极5，由此完成GaN PIN半导体器件的制备。
最后在片状钷-147同位素层7的上下两面分别粘结一个由先前步骤制备而成的GaN PIN半导体器件(同位素层7分别与每个GaN PIN半导体器件的p型接触电极粘结，如图3所示)，封装制成GaN PIN核电池。如此将能提高能量转换效率两倍。
实施例三：
制备方法与上述两实施例相同，电池结构既可以选用实施例一的单一结构，也可选用实施例二的复合结构，本实施例的区别特点在于该同位素层7还可使用核废料锶-90，同样可以实现制备高效的辐射伏特效应核电池。
需要注意的是：包括上述三个实施例在内的所有实施方式中，p型GaN掺杂层和p型接触电极总厚度不能超过40nm(对于实施例二所描述的情况取其一侧计算)，否则将影响核电池的转换效率。并且，可以将不同的核电池按照一定的方式集成起来，从而获得更高电压或电流的核电池，以满足不同情形的需要。
从拓展应用上来看，在2英寸GaN PIN晶圆上使用光刻技术将微能源版图(每个核电池为直径200μm的圆面，如图2所示)传递到晶圆上，采用CMP减薄抛光Al2O3至100μm，采用激光划片机切割成边长为220×220μm的方格，然后用裂片机将上述方格裂开成分列的单个微能源核电池器件，可以与效应的MEMS键合或集成在一起，给MEMS提供能源。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.现有技术中，投入应用的核电池主要是热电效应核电池，使用在航天器上。热电效率核电池若想获得较高的效率，必须要有一定的功率，因此不适合低功率和微系统供电场所。而MEMS和NEMS的快速发展，对微能源的需求也将快速增长，这也正是本发明的一个重要应用领域。因为本发明的核电池，可制备成体积小、结构简单、 单个电池功率可以做到1μW-5W之间。另外热电效应核电池中使用的同位素是Pu-238和Po-210，具有很强的毒性，使用很不安全；而本发明设计的核电池可以使用氚、Ni、Pm等无毒的同位素，可以安全使用；再者热电效应核电池的理论转换效率要远远低于本发明的辐射伏特效应核电池。
2.由于本发明所述GaN PIN核电池使用的是最成熟的第三代半导体材料GaN，它比现有技术(Si核电池)中的Si材料具有更宽的带宽，更好的抗辐射和耐温性能。因此本发明的GaN PIN核电池效率要远远高于Si核电池(Si最高转换效率为15％，而GaN PIN最高转换效率可高达30％)。
综上，本发明PIN型核电池及其制备方法提供了一种切实可行的技术方案。大大提高了核电池的能量转换效率和能量密度(能量容积)，延长了核电池的使用寿命，同时也为核废料变废为宝、合理利用创造了有效途径。以上仅是本发明的若干具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种PIN型核电池，其特征在于：电池底部Al2O3衬底表面设有n型掺杂层，n型掺杂层表面设有绝缘层，且在绝缘层表面设有表面积小于n型掺杂层的p型掺杂层，而两个接触电极分别设置在对应的n型掺杂层和p型掺杂层表面上，并在p型接触电极表面设有相同表面积的纯β同位素层，其中n型掺杂层是掺杂有硅且掺杂浓度介于1×1018/cm3～1×1019/cm3的GaN层；而p型掺杂层是掺杂有镁且掺杂浓度介于1×1019/cm3～1×1020/cm3的GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述纯β同位素层为镍-63、钷-147或锶-90。
3.根据权利要求1所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述Al2O3衬底与n型掺杂层之间设有氮化镓缓冲层。
4.根据权利要求3所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述n型掺杂层的厚度为1～3μm。
5.根据权利要求1所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述绝缘层的厚度为15～100μm。
6.根据权利要求1所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述p型掺杂层的厚度为15～30nm。
7.根据权利要求1所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述p型接触电极的厚度为15～30nm，且P型接触电极与p型GaN掺杂层的总厚度小于40nm。
8.根据权利要求1所述的一种PIN型核电池，其特征在于：所述同位素层与p型接触电极的表面积一致，其取值介于0.01-1800mm2。
9.一种制备权利要求1所述的PIN型核电池的方法，其特征在于：包括步骤：
(1)在Al2O3衬底的抛光面上使用MOCVD外延方法生长n型掺杂层，并在MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×1018/cm3到1×1019/cm3之间通入SiH4；
(2)使用HVPE外延方法在n型GaN掺杂层上生长GaN绝缘层；
(3)在GaN绝缘层表面继续使用MOCVD外延方法生长p型GaN掺杂层，并在MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×1019/cm3到1×1020/cm3之间通入二茂镁；
(4)采用半导体加工，在n型掺杂层表面得到n型掺杂层台阶；
(5)在裸露的n型GaN台阶面上磁控溅射并沉积Ti/Al/Ti/Au合金，形成n型接触电极，并在p型GaN表面也磁控溅射并沉积完整覆盖的Ni/Au合金，形成p型接触电极；
(6)将同位素层粘结在p型接触电极的表面；
(7)进行核电池封装。
10.根据权利要求9所述的一种制备PIN型核电池的方法，其特征在于：步骤(1)中在所述Al2O3衬底的抛光面上先外延一氮化镓缓冲层。
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