CN104485150A - 多孔硅pn结型核电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
多孔硅PN结型核电池及其制备方法，涉及核电池。所述核电池从上至下依次设有放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层；各层尺寸相同。所述制备方法：在硅衬底层上扩散磷或者硼得到PN结；采用电化学阳极氧化的方法在硅片上腐蚀得到多孔硅层；在硅片的两面分别溅射上电极金属层和下电极金属层；在上电极金属层的上方耦合一层放射性同位素层。增加了放射性同位素层辐射出的电子与半导体PN结区的作用面积，并利用多孔硅的量子限制效应使硅的禁带得到展宽，从而提高该核电池的开路电压、短路电流和转换效率。能明显地提高电池的转换效率，在更小的体积内提供更多的电能。
Description
技术领域
本发明涉及核电池，尤其是涉及一种多孔硅(Porous Silicon)PN结型核电池及其制备方法。
背景技术
核电池(Betavoltaic Battery)是一种基于辐射伏特效应(betavoltaics)来产生电能的器件。辐射伏特效应是指，把β放射源和半导体PN结型器件耦合在一起后，放射源所辐射出来的β射线在半导体的耗尽区激发出大量的电子空穴对，电子空穴对在耗尽区内建电场的作用下分离分别流向N区和P区，从而在PN结两端产生电势差的现象。给核电池加上负载，它就能给负载供电。由于β放射源有很长的半衰期(几十年甚至上百年)，而且放射特性不受外界的干扰，因此核电池非常适合于调节恶劣长期无人看管又需要提供电源的场合，比如航空航天、深海、极地以及植入式器件等。由于核电池与半导体工艺的兼容，使得它具有成为MEMS器件片上电源的优点。
文献“Nanopower Betavoltaic Microbatteries”(Proceedings of the 12thInternational Conference on Solid State Sencors,Acturators and Microsystems,pp36-39)中Hang Guo，Amit Lal提出了两种基于硅PN结和Ni-63的微型核电池。一种是在未经处理的平面N型硅片上扩散形成P型区，然后在硅片的表面电镀上Ni-63放射源，从而形成一种平面型的硅基PN型核电池。另一种是先在N型硅片上采用微加工的方法得到倒金字塔结构的结构，然后再进行扩散形成P型区，最后再电镀上Ni-63放射源，从而得到一种倒金字塔型表面的硅基PN型核电池。由于采用了倒金字塔结构的核电池的表面积显著增大，使得Ni-63放射源辐射出来的电子和硅的作用更加充分，所以与平面型核电池相比，金字塔形核电池的转换效率等指标都更加优越。
文献“Silicon Quantum Wire Array Fabrication by Electrochemical and ChemicalDissolution of Water”(Applied Physics letters,57(10),1990)中L.T.Canham提出了使用电化学和化学阳极氧化的方法腐蚀硅片从而得到多孔硅薄膜的方法，并且论证了多孔硅的量子限制效应(Quantum Confinement Effect)使得多孔硅与晶体硅相比禁带宽度得到了展宽，即能带展宽效应。
文献“Betavoltaic Microbatteries Using Porous Silicon”(MEMS 2007,pp 867-870)中Hang Guo等提出了一种新型的基于多孔硅(Porous Silicon)的PN结型核电池：在N型硅片上扩散形成P型区，然后采用电化学阳极腐蚀的方法在硅片上制得多孔硅薄膜，多孔硅贯穿PN结。然后在硅的两面溅射一层铝薄膜作为电极。最后在多孔硅一侧覆盖上β放射源。由于多孔硅一方面有能带展宽的效应，另一方面它又极大的增加了β放射源与硅片之间作用的有效面积，因此这种核电池比采用平面结构和倒金字塔结构的核电池有更高的转换效率。
发明内容
本发明的目的在于针对一般硅基核电池禁带宽度较窄、β射线与半导体之间有效作用面积较小的缺点，提供一种硅的能带得到展宽、β射线与硅之间的有效作用面积得到大幅增加的转换效率更高的多孔硅PN结型核电池及其制备方法。
所述多孔硅PN结型核电池从上至下依次设有放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层；放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层的尺寸相同。
所述硅衬底层的可采用掺杂浓度为1014～1017cm-3，电阻率为40～60Ω·cm的N型硅片或P型硅片。
所述放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层的尺寸可为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)。
所述放射性同位素层可采用Ni-63、Pm-147或其它合适的放射性同位素；放射性同位素层可直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。
所述上电极金属层和下电极金属层均可采用Al层，Ti/Al层或Ti/Au层等；Al层的厚度可为100～300nm，Ti/Al层中的Ti层厚度可为10～30nm，Ti/Al层中的Al层厚度可为100～300nm；Ti/Au层中的Ti层厚度可为10～30nm，Ti/Au层中的Au层的厚度可为100～300nm。
所述多孔硅层的厚度可为1～5μm，孔隙直径为1～200nm。
所述多孔硅PN结型核电池的制备方法，具体步骤如下：
1)在硅衬底层上扩散磷或者硼得到PN结；
2)采用电化学阳极氧化的方法在硅片上腐蚀得到多孔硅层；
3)在硅片的两面分别溅射上电极金属层和下电极金属层；
4)在上电极金属层的上方耦合一层放射性同位素层。
本发明极大增加了放射性同位素层辐射出的电子与半导体PN结区的作用面积，并利用多孔硅的量子限制效应使硅的禁带得到展宽，从而提高该核电池的开路电压、短路电流和转换效率。与现有的平面型和倒金字塔型硅PN结型核电池相比，本发明能明显地提高电池的转换效率，在更小的体积内提供更多的电能。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图2是本发明实施例1的掺杂示意图。
图3是本发明实施例2的掺杂示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
参见图1，本发明的结构包括5层，从上至下依次为放射性同位素层1、上电极金属层2、多孔硅层3、硅衬底层4和下电极金属层5；各层的大小一致为(0.3μm×0.3)～(3mm×3mm)，只在放射性同位素层开一个200μm×200μm的空用于引出上电极。上电极金属层2和下电极金属层5为100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Au。放射性同位素层1为Ni-63或者Pm-147，采用的耦合方法为直接在上电极上方电镀或者先将放射源电镀在金属薄片上，然后再覆盖到上电极金属层2上。硅衬底层4为掺杂浓度为1014～1018cm-3，电阻率为40～60Ω·cm的N型或者P型硅片。通过电化学阳极氧化的方法在硅衬底上形成1～5μm的多孔硅层3(多孔硅的孔径为1～200nm)，然后用扩散的方法在多孔硅表面附近形成PN结(对于N型沉底扩散硼、对于P型沉底扩散磷)。参见图2，PN结沿着多孔硅的表面附近延展，极大的增加了放射性同位素层1辐射出的电子与半导体PN结区的作用面积，并利用多孔硅的量子限制效应使硅的禁带得到展宽，从而提高该核电池的开路电压、短路电流和转换效率。
实施例2
参见图1，与实施例1类似，本发明的结构包括5层，从上至下依次为放射性同位素层1、上电极金属层2、多孔硅层3、硅衬底层4和下电极金属层5。各层的大小一致为0.3μm×0.3～3mm×3mm，只在放射性同位素层开一个200μm×200μm的空用于引出上电极。上电极金属层2和下电极金属层5为100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Au。放射性同位素层1为Ni-63或者Pm-147，采用的耦合方法为直接在上电极上方电镀或者先将放射源电镀在金属薄片上，然后再覆盖到上电极金属层2上。本实施例与实施例1的区别在于，选用掺杂浓度为1014～1018cm-3，电阻率为40～60Ω·cm的N型或者P型硅片作为硅衬底层4后，先用扩散的方法得到PN结(对于N型沉底扩散硼、对于P型沉底扩散磷)，然后采用电化学阳极氧化的方法在硅衬底上形成1～5μm的多孔硅层3(多孔硅的孔径为1～200nm)。参见图3，此时多孔硅的孔穿透了整个PN结，本实施例极大的增加了放射性同位素层1辐射出的电子与半导体PN结区的作用面积，并利用多孔硅的量子限制效应使硅的禁带得到展宽，从而提高该核电池的开路电压、短路电流和转换效率。
Claims (9)
1.多孔硅PN结型核电池，其特征在于其从上至下依次设有放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层；放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层的尺寸相同。
2.如权利要求1所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于所述硅衬底层采用掺杂浓度为1014～1017cm-3，电阻率为40～60Ω·cm的N型硅片或P型硅片。
3.如权利要求1所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于所述放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层的尺寸为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)。
4.如权利要求1所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于所述放射性同位素层采用Ni-63、Pm-147或其它合适的放射性同位素。
5.如权利要求1或4所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于所述放射性同位素层直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。
6.如权利要求1所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于所述上电极金属层和下电极金属层均采用Al层，Ti/Al层或Ti/Au层。
7.如权利要求6所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于Al层的厚度为100～300nm，Ti/Al层中的Ti层厚度为10～30nm，Ti/Al层中的Al层厚度为100～300nm；Ti/Au层中的Ti层厚度为10～30nm，Ti/Au层中的Au层的厚度为100～300nm。
8.如权利要求1所述多孔硅PN结型核电池，其特征在于所述多孔硅层的厚度为1～5μm，孔隙直径为1～200nm。
9.如权利要求1～8中任一所述多孔硅PN结型核电池的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
1)在硅衬底层上扩散磷或者硼得到PN结；
2)采用电化学阳极氧化的方法在硅片上腐蚀得到多孔硅层；
3)在硅片的两面分别溅射上电极金属层和下电极金属层；
4)在上电极金属层的上方耦合一层放射性同位素层。
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