CN102097148A - 一种砷化镓基多结同位素微电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种砷化镓基多结同位素微电池，属于微机电系统中能源领域。本发明包括两个或两个以上的单结砷化镓基同位素微电池，每两个单结砷化镓基同位素微电池之间通过隧道结相连，多结同位素微电池的表面采用SiO2钝化；其结构表达式为：单结砷化镓基同位素微电池/隧道结/单结砷化镓基同位素微电池/隧道结/…/单结砷化镓基同位素微电池/衬底。本发明利用多层PN结结构来提高同位素微电池的开路电压，弥补电池收集电荷能力的不足，从而提高同位素微电池的能量转换效率，扩展了能量的选择范围，使得电池的输出功率大大提高，其可使用的领域更加广泛。

Description

一种砷化镓基多结同位素微电池
技术领域
本发明为一种砷化镓基多结同位素微电池，属于微机电系统中能源领域。
背景技术
近年来，人们对微小型机电系统的研究异常活跃。微能源是微系统发展中的一个瓶颈问题，研究高效、长寿命的微能源是微系统发展中一直追求的目标。世界各国都相继开展了微能源的研究工作，制作出许多微能源。如微型燃料电池、微型内燃机系统、微型太阳能电池、微型同位素微电池等。同位素微能微电池则显示出其特有的优势，如体积小(微米量级)、寿命长(可达十几甚至几十年)、稳定性好，能量密度高等优点，成为微能源系统研究的一个新方向。
常规半导体Si基电池的理论能量转化效率上限较低，其耐辐射，耐温度的性能较差。
为了获得具有更高的能量转换效率的微电池，研究者尝试了多种半导体材料，如硅、多孔硅等，以及各种高禁带的半导体，如SiC，4H-SiC，InGaP等。理论上高禁带半导体PN结在辐照下可具有更高的输出电压，因此比常规半导体Si可以获得更高的能量转化效率。
高禁带半导体的材料生长，掺杂等工艺与常规半导体Si相比还很不成熟，其材料缺陷使得电池的PN结的暗电流过大，难以获得较高的电压；掺杂浓度范围的限制甚至会使具有较高能量转化效率电池的结构难以实现，此外高禁带半导体的材料及加工工艺的成本较高。上述问题均限制了高禁带半导体的应用。
基于以上原因，本发明者考虑从多结同位素微电池的角度来提高同位素微电池的电压，从而来提高同位素微电池的输出能量和转换效率。然而常规半导体材料Si自身形成的PN结已经很厚，不适合再做多结同位素微电池，而高禁带半导体材料生长工艺等还不成熟，所以也无法满足做多结同位素微电池的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前同位素微电池存在电池的输出功率低等问题，而提供一种砷化镓基多结同位素微电池结构。
GaAs基微电池，辐射阻抗和耐温性均要优于常规Si基微电池，而与高禁带半导体电池相近。其与高禁带半导体相比其生长，掺杂，钝化工艺要成熟，制作成本较低。并且GaAs是直接带隙半导体，少数载流子扩散长度较低，电池的有效厚度很薄(0.2-0.3μm)，因此比较适合做多结同位素微电池。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提出的一种砷化镓基多结同位素微电池，包括两个或两个以上的单结砷化镓基同位素微电池，每两个单结砷化镓基同位素微电池之间通过隧道结相连，砷化镓基多结同位素微电池的耗尽区和表面采用SiO2钝化；其结构如下：
单结砷化镓基同位素微电池/隧道结/单结砷化镓基同位素微电池/隧道结/.../单结砷化镓基同位素微电池/衬底。
其中单结砷化镓基同位素微电池结构为P+PN，单结电池P+层为GaAs，厚度为0.05～0.15μm，Mg的掺杂浓度为1～5×1018cm-3；单结电池P层为GaAs，厚度为0.2～0.3μm，Mg的掺杂浓度为2～5×1016cm-3；单结电池N层为GaAs，厚度为0.05～0.15μm，Si掺杂浓度为1～5×1018cm-3；
隧道结为NP型GaAs，隧道结N层为GaAs，厚度为0.01～0.02μm，Si的掺杂浓度为1～5×1019cm-3；隧道结P层为GaAs，厚度为0.01～0.02μm，Mg的掺杂浓度为1～5×1019cm-3；
电池耗尽区钝化SiO2的厚度为0.3～0.35μm，电池表层钝化SiO2的厚度为50～100nm；
衬底为N型GaAs。
有益效果
本发明提出了一种砷化镓基多结同位素微电池，利用多层PN结结构来提高同位素微电池的开路电压，弥补电池收集电荷能力的不足，从而提高同位素微电池的能量转换效率。如：该同位素微电池为三结结构，则该电池的电压将增加为原来的三倍，该电池的能量转换效率将为单结的三倍。电池的层数的增加也增加了电池的有效收集厚度，扩展了能量的选择范围，使得电池的输出功率大大提高，其可使用的领域更加广泛。
附图说明
图1为本发明提出的一种砷化镓基多结同位素微电池的结构示意图：
其中，1-单结砷化镓基同位素微电池A；2-隧道结A；3-单结砷化镓基同位素微电池B；4-隧道结B；5-单结砷化镓基同位素微电池C；6-单结电池P+层；7-单结电池P层；8-单结电池N层；9-隧道结N层；10-隧道结P层；11-N型GaAs衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明
实施例
本发明的一种砷化镓基多结同位素微电池，如图1所示，包括三个单结砷化镓基同位素微电池，每两个单结砷化镓基同位素微电池之间通过隧道结相连，砷化镓基多结同位素微电池的耗尽区和表面采用SiO2钝化；其具体加工步骤如下：
1)、将清洁的GaAs衬底装入分子束外延进样室，经200℃烘烤4小时后，送入缓冲室待生长；
2)、生长前，将GaAs衬底加热到600℃，去除表面氧化层(通过高能电子衍射图案可以判断氧化层的去除)；
3)、在GaAs衬底上采用MBE(分子束外延生长)技术依次生长单结砷化镓基同位素微电池5、隧道结4、单结砷化镓基同位素微电池3、隧道结2、单结砷化镓基同位素微电池1；生长温度为580℃，生长速率为1um/h，V/III族束流比为15～20/1；
其中每个单结砷化镓基同位素微电池结构为P+PN，单结电池P+层6为GaAs，厚度为0.05μm，Mg的掺杂浓度为2×1018cm-3；单结电池P层7为GaAs，厚度为0.25μm，Mg的掺杂浓度为2×1016cm-3；单结电池N层8为GaAs，厚度为0.05μm，Si的掺杂浓度为2×1018cm-3；
隧道结为NP结构，隧道结N层9为GaAs，厚度为0.015μm，Si的掺杂浓度为2×1019cm-3；隧道结P层10为GaAs，厚度为0.015μm，Mg的掺杂浓度为2×1019cm-3；
4)在第3)步得到的多结同位素微电池上刻蚀隔离槽作为电池耗尽区，隔离槽深度为2.3μm，厚度为0.5μm；然后采用PECVD技术对隔离槽蒸渡SiO2钝化层，电池边缘钝化层要能覆盖电池耗尽区，温度为300℃；电极加工，最后在电池表层蒸渡厚度为50nm的SiO2钝化层。

Claims (4)

1.一种砷化镓基多结同位素微电池，其特征在于：包括两个或两个以上的单结砷化镓基同位素微电池，每两个单结砷化镓基同位素微电池之间通过隧道结相连，砷化镓基多结同位素微电池的耗尽区和表面采用SiO2钝化；其结构如下：
单结砷化镓基同位素微电池/隧道结/单结砷化镓基同位素微电池/隧道结/.../单结砷化镓基同位素微电池/衬底；
其中单结砷化镓基同位素微电池结构为P+PN，单结电池P+层为GaAs；单结电池P层为GaAs；单结电池N层为GaAs；
隧道结为NP型GaAs，隧道结N层为GaAs；隧道结P层为GaAs；
衬底为N型GaAs。
2.如权利要求1所述的一种砷化镓基多结同位素微电池，其特征在于：多结同位素微电池的耗尽区和表面采用SiO2钝化，电池耗尽区钝化SiO2的厚度为0.3～0.35μm，电池表层钝化SiO2的厚度为50～100nm。
3.如权利要求1所述的一种砷化镓基多结同位素微电池，其特征在于：单结电池P+层的厚度为0.05～0.15μm，Mg的掺杂浓度为1～5×1018cm-3；单结电池P层的厚度为0.2～0.3μm，Mg的掺杂浓度为2～5×1016cm-3；单结电池N层的厚度为0.05～0.15μm，Si掺杂浓度为1～5×1018cm-3。
4.如权利要求1所述的一种砷化镓基多结同位素微电池，其特征在于：隧道结N层的厚度为0.01～0.02μm，Si的掺杂浓度为1～5×1019cm-3；隧道结P层的厚度为0.01～0.02μm，Mg的掺杂浓度为1～5×1019cm-3。
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