CN113851247A - 一种砷化镓p-n结型核电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砷化镓p‑n结型核电池及其制备方法。这种核电池由镍‑63源、砷化镓p‑n结器件和电池防护外壳组成。利用MOCVD外延生长技术获得由p型砷化镓发射层‑n型砷化镓基区层‑n型铝砷化镓背散层‑n型砷化镓衬底层构成的p‑n结，再利用磁控溅射技术在p‑n结上生成相应的欧姆接触电极层形成砷化镓p‑n器件。再将镍‑63源耦合加载到正面格栅电极上，封装制备成一种微型核电池。这种核电池是一种能通过电流做功将镍‑63源的衰变能转化为电能的装置。它因具有体积小、质量轻、使用寿命长、能量密度大和能量转换效率高等特点而成为微机电系统理想的微型电源。
Description
技术领域
本发明涉及利用p-n结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
随着低功率微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)技术的迅速发展，体积更小、质量更轻、使用寿命更长、集成度更高的微机电器件已经成为主要发展方向。但是，目前低功率微机电系统缺乏与之适配的微型动力源，这极大地限制了微机电系统微型化和集成化发展。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：第一，微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的微型器件，它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。因此，微机电系统电源的物理尺寸需要达到微米量级、纳米量级甚至更小。如果没有相应的微型电源，微机电系统也就失去了进一步发展的空间；第二，微型电源作为微机电系统重要的组成部分，它需要和电子器件集成才能满足微机电系统的工作要求。因此，微机电系统电源应满足结构紧凑和集成化封装的设计要求；第三，由于微机电系统的结构不断复杂和功能不断多样化，它的制备工艺难度不断提高。也就是说，这些设备一旦投入使用，如果电源的使用寿命较短，那么整个系统的工作状态就会受到影响。但是，重新加载微型电源又会影响原来的电子设备的性能，甚至是损坏整个设备。因此，长寿命微型电源是微机电系统长时间工作的必要条件；第四，微机电系统所需要的功率一般在毫瓦到微瓦甚至可能是纳瓦量级。低功耗的电子设备需要低功率的微电源。如果微型电源输出的电压和功率过大，它对微机电设备的正常使用是不利的。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。最后，微型电源的环境适应性强将有利于扩大其应用范围。近年来，随着航天、航海和医学技术等方面的微机电系统的发展和需求在不断增加，例如在极地、深海、荒漠、深太空等极端条件下需要使用寿命长、抗干扰能力强、受温度、压力及电磁场等影响小的微型动力源。
在微型动力源方面，常规的微型电池主要有微型化学电池、微型燃料电池、微型太阳能电池。但是，随着微机电系统电子器件的发展，这些常规微型电池已经越来越不能满足其要求。近年来，放射性同位素电池因具有使用寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护和小型化等优点外还可以满足特殊应用领域对电源的特殊要求而受到国、内外学者和企业的广泛重视。其中，β辐射伏特效应核电池因具有使用寿命长、能量密度高、体积小、质量轻、工作稳定、环境适应性强和易防护等优点而成为与微机电系统适配的理想电源。目前，它已成功应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、航标灯、心脏起搏器和微型电动机械等方面，它具有广阔的发展前景。这种类型核电池将β放射源的衰变能转换为电能基本物理过程包括：第一，β粒子通过与半导体材料相互作用过程将其能量沉积在半导体材料内部。通过电离激发过程，半导体材料内部产生大量的辐生电子-空穴对；第二，半导体器件的内建电场会将这些过剩载流子对分开；第三，通过一种有识别性的输运机制，使带负电的自由载流子(电子)向阴极方向迁移，带正电的自由载流子(空穴)向阳极迁移。具体地，带负电的电子到达阴极，经过外电路输运过程中负载上通过电流做功完成能量转换；第四，运动到阳极的带负电的电子与阳极的带正电的空穴复合，使吸收材料原子回到基态。因此，β粒子与物质相互作用是β辐射伏特效应核电池的理论基础，半导体换能器件是其核心部件。显然，提高半导体器件换能单元的性能是提高核电池性能的关键技术。
发明内容
本发明提供了一种砷化镓p-n结型核电池及其制备方法。将镍-63源与砷化镓p-n结器件通过成熟的制备加工工艺集成为适用于微机电系统的微型电源，其基本结构包括：镍-63源、砷化镓p-n结器件和电池防护外壳(见附图1和附图说明)。
为了实现上述目的，本发明内容是：
所述镍-63源为薄片状长方体固态放射源，其厚度介于1μm～5μm之间且优选厚度为2 μm。将镍-63源耦合加载到砷化镓p-n结器件中正面格栅电极上。镍-63源和砷化镓p-n结器件中正面格栅电极的横截面积相同；所述砷化镓p-n结器件内部的正面格栅电极层为Au/Zn/Ag复合金属层。这种复合金属层内部Au金属层厚度、Zn金属层厚度、Ag金属层厚度都介于20nm～100nm之间。正面格栅电极的主栅宽相同，主栅宽度介于0.3mm～0.6mm 之间且优选宽度为0.5mm，栅间距介于80μm～120μm之间且优选栅间距为100μm；所述砷化镓p-n结器件内部的p型砷化镓发射层为锌高掺杂层。此层掺杂浓度NA介于5× 1018/cm3～8×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3。发射层厚度介于0.1μm～0.3μm 之间且优选厚度为0.1μm；所述砷化镓p-n结器件内部的n型砷化镓基区层为硅高掺杂层。此层掺杂浓度ND介于2×1017/cm3～5×1017/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1017/cm3，厚度介于 3μm～6μm之间且优选厚度为4μm；所述砷化镓p-n结器件内部的n型铝砷化镓(Al0.7Ga0.3As) 背散层中掺杂原子浓度ND介于2×1018/cm3～6×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3，厚度介于0.3μm～0.6μm之间且优选厚度为0.3μm；所述砷化镓p-n结器件内部的n型砷化镓衬底层选用2～4英寸单面抛光高掺杂砷化镓基片。此衬底层厚度介于100μm～500μm之间且优选厚度为300μm。衬底层中掺杂硅原子浓度ND介于5×1018/cm3～9×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3；所述砷化镓p-n结器件内部的背面电极层采用场板结构，它是由 Ni/Au/Ge/Au/Ag复合金属层构成。将Ni金属层蒸镀在n型砷化镓衬底层下表面，然后在Ni 金属层上依次蒸镀Au金属层、Ge金属层、Au金属层和Ag金属层构成Ni/Au/Ge/Au/Ag复合金属层。这种复合金属层内部各金属层厚度均介于20nm～100nm之间；所述电池防护外壳由高分子聚乙烯塑料构成，其厚度介于50μm～100μm。
综上所述，结合模拟计算镍-63源的自吸收效应和镍-63源在砷化镓材料中的电离作用范围、实际生产中砷化镓p-n结器件的制备加工技术及镍-63源的辐射防护技术，本发明提供了一种基于镍-63源和砷化镓p-n结器件的微型核电池的技术方案。
附图说明
图1是所述一种砷化镓p-n结型核电池的轴剖面示意图。
图2是所述一种砷化镓p-n结型核电池的俯视图。
具体实施方式
本发明提供了一种砷化镓p-n结型核电池的技术方案及其制备方法。
本发明中核电池的放射源为镍-63源。镍-63源释放的载能β粒子与放射源自身发生相互作用时产生自吸收现象。可见，镍-63源衰变释放的β粒子在其内部输运过程中会发生能量损失，导致当镍-63源厚度达到一定值时，继续增加镍-63源厚度对提升其表面出射功率没有明显作用，反而会造成镍-63源的浪费和成本的增加。利用理论模拟程序可以计算出当镍-63 源的厚度为2μm左右时，镍-63源的表面出射功率接近饱和值。本发明中所述镍-63源1为薄片状长方体固态放射源，其厚度介于1μm～5μm之间且优选厚度为2μm。然后将镍-63源 1耦合加载到砷化镓p-n结器件中正面格栅电极2上。镍-63源1和砷化镓p-n结器件中正面格栅电极2的横截面积相同。具体器件的横截面积大小满足实际要求。
所述砷化镓p-n结器件内部层叠结构依次为正面格栅电极层2-p型砷化镓发射层3-n型砷化镓基区层4-n型铝砷化镓背散层5-n型砷化镓衬底层6-背面电极层7。所述砷化镓p-n 结器件的制备步骤如下：
步骤1：从市场上购买直径2～4英寸单面抛光砷化镓基片。采用机械抛光减薄工艺使衬底层6厚度介于100μm～500μm之间且优选厚度为300μm；采用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水清洗GaAs基片表面的杂质后热板烘干基片。
步骤2：利用磁控溅射技术在n型砷化镓衬底层6下表面生长背面电极层7。背面电极层 7采用场板结构。将Ni金属层蒸镀在n型砷化镓衬底层下表面，然后在Ni金属层上依次蒸镀Au金属层、Ge金属层、Au金属层和Ag金属层构成Ni/Au/Ge/Au/Ag复合金属层。复合金属层内部各金属层厚度均介于20nm～100nm之间。
步骤3：GaAs基外延材料高精度外延生长工艺主要包括高精度掺杂控制和生长厚度控制。研究MOCVD材料生长的热力学、动力学过程及其仿真模拟计算。利用LayTechEpiRAS原位检测和等效晶格拟合等方法，在AIXTRON AIX 200/4系统中实现准原子层级精度的高质量MOCVD 材料外延生长，并进行相应的表征，为GaAs p-n结的制备提供基础数据支撑。
首先，采用MOCVD外延生长设备系统在预先形核的n型砷化镓衬底层6上表面外延生长 n型铝砷化镓背散层5，掺杂原子浓度ND介于2×1018/cm3～6×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为 4×1018/cm3，厚度介于0.3μm～0.6μm之间且优选厚度为0.3μm；接着，采用MOCVD外延生长设备系统在n型铝砷化镓背散层5上表面外延生长n型砷化镓基区层4。这个基区层4掺杂浓度ND介于2×1017/cm3～5×1017/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1017/cm3，厚度介于3μm～ 6μm之间且优选厚度为4μm；最后，采用MOCVD外延生长设备系统在n型砷化镓基区层4上表面外延生长p型砷化镓发射层3。此层掺杂锌原子浓度NA介于5×1018/cm3～8×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3，厚度介于0.1μm～0.3μm之间且优选厚度为0.1μm。
步骤4：首先，采用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水清洗GaAs基外延片p型砷化镓发射层3表面的有机物和杂质，热板烘干。接着，利用磁控溅射技术将Au金属层蒸镀在p型砷化镓发射层上表面3的上表面，然后在Au金属层上依次蒸镀Zn金属层和Ag金属层构成 Au/Zn/Ag复合金属层。这种复合金属层内部各金属层厚度都介于20nm～100nm之间。再者，采用紫外光刻机和ICP刻蚀技术对Au/Zn/Ag复合金属层上表面进行电极图形刻蚀，获得正面格栅电极层2。正面格栅电极层2的主栅宽相同，主栅宽度介于0.3mm～0.6mm之间且优选宽度为0.5mm，栅间距介于80μm～120μm之间且优选栅间距为100μm。最后，采用异丙醇去除GaAs基外延片衬底的导热硅脂，去胶液去除残留光刻胶，采用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水清洗基片并用热板烘干。
步骤5：整个GaAs p-n结器件的正面格栅电极层2和背面电极层7上设置第一引线和第二引线。进一步地，整个装置在合金炉高温退火，并解理成单个芯片。
实际制备过程中可以在镍-63源的上、下表面分别粘接一个由上述步骤制备而成的GaAs p-n结器件，封装制成基于相同原理和制备技术的另一种GaAs p-n结核电池，提高放射源的能量利用率。
所述砷化镓p-n结型核电池的电池防护外壳8由高分子聚乙烯塑料构成，其厚度介于 50μm～100μm。其作用是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。
本发明所述的具体实施例详细说明了一种砷化镓p-n结型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利保护范围之内。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。
附图标记说明
[本发明]
1：镍-63源
2：正面格栅电极层
3：p型砷化镓发射层
4：n型砷化镓基区层
5：n型铝砷化镓背散层
6：n型砷化镓衬底层
7：背面电极层
8：电池防护外壳。
Claims (9)
1.一种砷化镓p-n结型核电池结构，包括：镍-63源；砷化镓p-n结器件，其内部层叠结构依次为正面格栅电极层-p型砷化镓发射层-n型砷化镓基区层-n型铝砷化镓背散层-n型砷化镓衬底层-背面电极层；电池防护外壳。
2.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，镍-63源为薄片状长方体固态放射源，该放射源的厚度介于1μm～5μm之间且优选厚度为2μm，将镍-63源耦合加载到砷化镓p-n结器件中正面格栅电极层上。
3.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，正面格栅电极采用Au/Zn/Ag复合金属层，
将Au金属层蒸镀在p型砷化镓发射层上表面，然后在Au金属层上依次蒸镀Zn金属层和Ag金属层构成Au/Zn/Ag复合金属层，
这种复合金属层内部各金属层厚度都介于20nm～100nm之间，
正面格栅电极的主栅宽相同，主栅宽度介于0.3mm～0.6mm之间且优选宽度为0.5mm，栅间距介于80μm～120μm之间且优选栅间距为100μm。
4.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，p型砷化镓发射层的掺杂剂为锌，掺杂锌原子浓度NA介于5×1018/cm3～8×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3，
发射层厚度介于0.1μm～0.3μm之间且优选厚度为0.1μm。
5.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，n型砷化镓基区层的掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND介于2×1017/cm3～5×1017/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1017/cm3，厚度介于3μm～6μm之间且优选厚度为4μm。
6.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，n型铝砷化镓(Al0.7Ga0.3As)背散层的掺杂原子浓度ND介于2×1018/cm3～6×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3，厚度介于0.3μm～0.6μm之间且优选厚度为0.3μm。
7.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，n型砷化镓衬底层选用2～4英寸单面抛光，
高掺杂砷化镓基片，采用机械抛光减薄工艺使砷化镓衬底层厚度介于100μm～500μm之间且优选厚度为300μm，
衬底层掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND介于5×1018/cm3～9×1018/cm3之间且优选掺杂浓度为4×1018/cm3。
8.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，背面电极层采用场板结构，它是由Ni/Au/Ge/Au/Ag复合金属层构成，
将Ni金属层蒸镀在n型砷化镓衬底层下表面，然后在Ni金属层上依次蒸镀Au金属层、Ge金属层、Au金属层和Ag金属层构成Ni/Au/Ge/Au/Ag复合金属层，
所述复合金属层内部各金属层厚度均介于20nm～100nm之间。
9.如权利要求1所述的砷化镓p-n结型核电池结构，其中，电池防护外壳由高分子聚乙烯塑料构成，其厚度介于50μm～100μm。
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