CN110428922A - 一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池，其基本结构包括：纯β放射源提供载能β粒子，慢化体将纯β放射源释放的高能β粒子慢化获得低能β粒子，碳化硅PIN结器件吸收纯β放射源的衰变能并将其转化为电能，电池外壳保护电池内部结构并屏蔽未能利用的载能β粒子和次生γ射线。碳化硅是目前商业化发展成熟的第三代宽禁带半导体材料，它具有禁带宽度大、热稳定性强、热导率高、载流子饱和速率大、抗辐照性能优越等特性。研究表明：基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池是微机电系统理想的微型电源。
Description
技术领域
本发明涉及利用半导体器件将放射性核素的衰变能转化为电能的装置，属于核能利用技术领域。
背景技术
近年来，微机电系统中微机电设备得到了快速的发展，但是微机电系统的进一步发展却受到了缺乏微型电源的限制。结合微机电设备的特点，其对微型电源的要求一般包括以下几个方面：(1)微型化。微机电系统的物理尺寸从开始的毫米量级、微米量级已经发展到纳米量级甚至更小。所以，微机电系统包含的微机电设备和微型电源的物理尺寸也需要达到微米量级、纳米量级甚至更小。(2)集成化。微机电系统的电子器件通常都是集成的。为了实现供能和便于应用，微型电源需要和电子器件集成才能适应微机电系统的物理尺寸和稳定工作的要求。(3)工作时间长。由于微机电设备的物理尺寸和特殊功能，它的加工工艺难度较高。因此，一旦这些设备投入使用，如果电源的使用寿命较短，那么整个系统的工作状态都会受到影响。但是，重新加载微型电源不但会影响原来电子设备的工作状态，而且还会增加生产成本。(4)电源功率小。微机电系统所需要的功率一般在毫瓦、微瓦甚至纳瓦量级，如果微型电源的输出电压和功率过大，它会严重影响微机电设备的正常工作。所以，能量密度高，满足低功率要求的微型电源是微机电系统所必需的。(5)适应性强。微机电系统往往需要与其他的设备同时工作，提高微型电源的环境适应性是微机电系统必需的。传统的微型电池主要包括微型燃料电池、微型化学电池、微型太阳能电池、微型内燃机等。研究表明：和传统的微型电池相比，β辐射伏特效应核电池具有质量轻、可微型化、可集成化、使用寿命长、能量密度高、输出性能稳定、维护服务频率低以及它不需要外界太阳光等特点。因此，β辐射伏特效应核电池得到了研究者的重视并逐渐成为微型电源的研究热点。
1913年，Mosley首次展示了一种β射线核电池，这种核电池的原理是将β射线能量直接转换为电能。1937年，Becker和Kruppke利用阴极电子射线轰击硒光电元件时观察到了电子-空穴对的产生，这种现象被称为电子的伏特效应。这是首次报道电子辐射伏特效应的研究工作。直到20世纪50、60年代，随着空间技术的发展，核电池的研究也得到了重视和进一步的研究。1953年，第一块真正意义上的β辐射伏特效应核电池诞生：Rappaport等人用β放射源(90S/90Y)照射硅基PN结半导体器件，在半导体内部产生电子-空穴对，并用电极收集产生的电子-空穴对，完成了将β放射源的衰变能转换为电能的过程，这种电池就是β辐射伏特效应核电池。从20世纪60、70年代，β辐射伏特效应核电池已经开始在空间探测和医疗领域得到应用与研究。直到20世纪90年，随着微机电系统的飞速发展，β辐射伏特效应核电池的研究得到迅速的发展。近年来，碳化硅是商业化发展成熟的第三代宽禁带半导体材料，它具有禁带宽度大、热稳定性强、热导率高、载流子饱和速率大、抗辐照性能优越等特性，这些特性有助于提高β辐射伏特效应核电池的能量转换效率和输出性能的稳定性。
发明内容
本发明提供了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池。利用成熟的半导体加工工艺和放射源加载技术将纯β放射源、慢化体和碳化硅PIN结器件制备集成为一种将放射源的衰变能转化为电能的装置。这种类型的核电池因其能量转化效率高、抗辐照性能强、输出性能稳定、使用寿命长而成为微机电系统理想的微型电源。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池(见附图1和附图说明)。
所述纯β放射源(1)为薄片状圆柱形固态放射源，选为氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)。进一步地，氚源(Ti3TX)的厚度不大于2μm且优选于2μm；镍-63源(63Ni)的厚度不大于3μm且优选于3μm；钷-147源(147Pm2O3)的厚度不大于43μm且优选于43μm；锶-90源(90Sr)的厚度不大于1cm且优选于1cm。
所述可拆卸慢化体(2)为圆柱形，其半径等于纯β放射源(1)的半径。改变慢化体(2)的材料和厚度将纯β放射源释放的高能β粒子慢化获得低于碳化硅PIN结器件辐射损伤能量阈值并满足微机电系统功率要求的低能β粒子。进一步地，慢化体(2)主要应用于钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)对应的核电池中。
所述碳化硅PIN结器件为圆柱形，半径与纯β放射源(1)的半径相同，其内部依次层叠设置为正面环形欧姆接触电极层(3)、二氧化硅钝化层(4)、P型高掺杂碳化硅层(5)、碳化硅本征层(6)、碳化硅缓冲层(7)、N型高掺杂碳化硅层(8)、单晶硅衬底层(9)和背欧姆接触电极层(10)。
所述碳化硅PIN结器件中正面环形欧姆接触电极层(3)为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm。其中，Au金属层蒸镀在二氧化硅钝化层(4)上表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。
所述碳化硅PIN结器件中二氧化硅钝化层(4)的厚度小于10nm且优选于2nm。
所述碳化硅PIN结器件中P型高掺杂碳化硅层(5)的厚度小于0.1μm，掺杂原子浓度NA>1018/cm3。
所述碳化硅PIN结器件中碳化硅本征层(6)在氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)对应的核电池中的厚度分别在1.1～2.5μm且优选于1.1μm、8～23μm且优选于8μm、0.1～0.2mm且优选于0.1mm和0.2～0.4cm且优选于0.2cm。
所述碳化硅PIN结器件中碳化硅缓冲层(7)的厚度小于10nm，掺杂原子浓度NA<1013/cm3。
所述碳化硅PIN结器件中N型高掺杂碳化硅层(8)的厚度小于10nm，掺杂原子浓度NA>1018/cm3。
所述碳化硅PIN结器件中单晶硅衬底层(9)为2～4英寸抛光单晶硅圆片，其厚度小于200μm。
所述碳化硅PIN结器件中背欧姆接触电极层(10)为圆柱形场板结构，其为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm。其中，Au金属层蒸镀在单晶硅衬底层(9)的下表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。更进一步地，在正面环形欧姆接触电极层(3)和背欧姆接触电极层(10)上分别设置第一引线和第二引线，进行退火后封装得到碳化硅PIN结器件。
所述核电池外壳(11)及其可拆卸部分(12)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度大于1.5cm。
综上所述，结合放射源的自吸收效应、放射源释放的载能粒子在材料表面的反散射过程、放射源在换能器件中的电离作用范围、碳化硅PIN结器件的制备技术及辐射防护，本发明提供了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池的技术方案和制备方法，这种类型的核电池具有重要的应用价值。
附图说明
图1是所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池的轴剖面示意图。图中标记：(1)为纯β放射源，(2)为可拆卸慢化体，(3)为环形欧姆接触电极层，(4)为二氧化硅钝化层，(5)为P型高掺杂碳化硅层，(6)为碳化硅本征层，(7)为碳化硅缓冲层，(8)为N型高掺杂碳化硅层，(9)为单晶硅衬底层，(10)为背欧姆接触电极层，(11)为核电池外壳，(12)为核电池外壳可拆卸部分。
图2是所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池的俯视图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池及其制备方法。
由于β放射源的自吸收效应，β辐射伏特效应核电池中放射源的厚度应不大于其表面出射功率达到饱和值时对应的厚度值。所述纯β放射源(1)为薄片状圆柱形固态放射源，选为氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)。进一步地，氚源(Ti3TX)的厚度不大于2μm且优先于2μm；镍-63源(63Ni)的厚度不大于3μm且优选于3μm；钷-147源(147Pm2O3)的厚度不大于43μm且优选于43μm；锶-90源(90Sr)的厚度不大于1cm且优选于1cm。
所述碳化硅材料的辐射损伤能量阈值小于400keV，选择慢化体(2)的材料和厚度将纯β放射源释放的高能β粒子慢化获得低于碳化硅辐射损伤能量阈值以保护碳化硅PIN结器件。进一步地，可拆卸慢化体(2)主要应用于钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)对应的核电池中。
所述碳化硅PIN结器件为圆柱形，其半径与纯β放射源(1)的半径相同，其内部依次层叠设置为正面环形欧姆接触电极层(3)、二氧化硅钝化层(4)、P型高掺杂碳化硅层(5)、碳化硅本征层(6)、碳化硅缓冲层(7)、N型高掺杂碳化硅层(8)、单晶硅衬底层(9)和背欧姆接触电极层(10)，其主要制备步骤如下：
步骤1：选择2～4英寸抛光单晶硅圆片作为单晶硅衬底层(9)，其厚度小于200μm。
步骤2：采用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术在预先形核的单晶硅衬底层(9)上表面外延生长N型高掺杂碳化硅层(8)，其厚度小于10nm，掺杂原子浓度NA>1018/cm3。
步骤3：采用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术在N型高掺杂碳化硅层(8)上表面外延生长碳化硅缓冲层(7)，其厚度小于10nm，掺杂原子浓度NA<1013/cm3。
步骤4：采用微波等离子体化学气相沉积技术在碳化硅缓冲层(7)上表面外延生长碳化硅本征层(6)。为了提高电荷收集效率，所述核电池结构的主要特征是将β放射源在换能器件内部的电离作用范围与其本征层区域相匹配。研究表明：氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)在碳化硅器件中的电离作用范围分别为2.5μm、23μm、0.2mm和0.4cm。同时，氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)在碳化硅器件中沉积能量为总沉积能量99％时对应的粒子入射深度分别为1.1μm、8μm、0.1mm和0.2cm。因此，碳化硅本征层(6)在氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)对应的核电池中的厚度分别在1.1～2.5μm且优选于1.1μm、8～23μm且优选于8μm、0.1～0.2mm且优选于0.1mm和0.2～0.4cm且优选于0.2cm。
步骤5：采用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术在碳化硅本征层(6)上表面外延生长P型高掺杂碳化硅层(5)，其厚度小于0.1μm，掺杂原子浓度NA>1018/cm3。
步骤6：所述核电池中的二氧化硅钝化层(4)的作用是降低半导体表面活性来降低少数载流子表面复合率，提高所述核电池的开路电压和能量转化效率。进一步地，二氧化硅钝化层(4)的厚度小于10nm且优选于2nm。
步骤7：利用匀胶机在经清洗完成的二氧化硅钝化层(4)的上表面形成均匀的光刻胶膜，厚度小于5μm。进一步地，利用预先制作完成的环形欧姆接触电极光刻掩模板，经过光刻、显影后形成所需要的正面环形欧姆接触电极(3)图形。进一步地，采用电子束蒸发镀膜技术，在光刻形成的正面环形欧姆接触电极(3)图形上蒸镀Au金属，然后再在Au金属膜上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层，其厚度小于50nm且优选于30nm。
步骤8：利用匀胶机在经清洗完成的单晶硅衬底层(9)的下表面形成均匀的光刻胶膜，厚度小于5μm。进一步地，利用预先制作完成的场板结构欧姆接触电极光刻掩模板，经过光刻、显影后形成所需要的背欧姆接触电极(10)图形。进一步地，采用电子束蒸发镀膜技术，在光刻形成的背欧姆接触电极(10)图形上蒸镀Au金属，然后再在Au金属膜上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层，其厚度小于50nm且优选于30nm。
步骤9：所述的正面环形欧姆接触电极(3)和背欧姆接触电极(10)上分别对应设置第一引线和第二引线。进一步地，在氮气气氛保护下完成所述碳化硅PIN结器件退火处理。更进一步地，将所述碳化硅PIN结器件进行封装。
所述核电池外壳(11)及其可拆卸部分(12)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度大于1.5cm。
综上所述，本发明所述的具体实施例详细说明了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池设计的理论基础和具体的技术方案。本发明的具体实施例，它并不用于限制本发明所述核电池的设计和制备。进一步地，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均包括在本发明的权力保护范围之内。更进一步地，本发明说明书中为了阐述简单和清晰，附图只是对一般性结构进行说明，省略了部分众所周知的结构以避免不必要的模糊表达，附图的横截面并非严格按照实际比例绘制。
Claims (10)
1.一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池，其特征在于包括纯β放射源(1)，慢化体(2)，碳化硅PIN结器件内部依次层叠设置为正面环形欧姆接触电极层(3)、二氧化硅钝化层(4)、P型高掺杂碳化硅层(5)、碳化硅本征层(6)、碳化硅缓冲层(7)、N型高掺杂碳化硅层(8)、单晶硅衬底层(9)、背欧姆接触电极层(10)，电池外壳(11)及其可拆卸部分(12)。
2.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中纯β放射源(1)为薄片状圆柱形固态放射源，选用的氚源(Ti3TX)的厚度不大于2μm且优先于2μm，镍-63源(63Ni)的厚度不大于3μm且优选于3μm，钷-147源(147Pm2O3)的厚度不大于43μm且优选于43μm，锶-90源(90Sr)的厚度不大于1cm且优选于1cm。
3.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中可拆卸慢化体(2)为圆柱形，其半径等于纯β放射源(1)的半径，改变慢化体(2)的材料和厚度将纯β放射源释放的高能β粒子慢化获得低于碳化硅PIN结器件的辐射损伤能量阈值并满足微机电系统功率要求的低能β粒子，慢化体(2)主要应用于钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)对应的核电池中。
4.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中碳化硅PIN结器件中正面环形欧姆接触电极层(3)为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm，Au金属层蒸镀在二氧化硅钝化层(4)上表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。
5.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中二氧化硅钝化层(4)的厚度小于10nm且优选于2nm，P型高掺杂碳化硅层(5)的厚度小于0.1μm，掺杂原子浓度NA>1018/cm3。
6.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中碳化硅本征层(6)在氚源(Ti3TX)、镍-63源(63Ni)、钷-147源(147Pm2O3)和锶-90源(90Sr)对应的核电池中的厚度分别在1.1～2.5μm且优选于1.1μm、8～23μm且优选于8μm、0.1～0.2mm且优选于0.1mm和0.2～0.4cm且优选于0.2cm。
7.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中碳化硅缓冲层(7)的厚度小于10nm，掺杂原子浓度NA<1013/cm3，N型高掺杂碳化硅层(8)的厚度小于10nm，掺杂原子浓度NA>1018/cm3。
8.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中单晶硅衬底层(9)为2～4英寸抛光单晶硅圆片，厚度小于200μm。
9.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中背欧姆接触电极层(10)为圆柱形场板结构，其为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm，Au金属层蒸镀在单晶硅衬底层(9)的下表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。
10.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池中核电池外壳(11)及其可拆卸部分(12)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度大于1.5cm。
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