CN113921161A - 一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于砷化镓p‑n结器件的β型核电池。这种核电池是由放射源镍‑63源、砷化镓p‑n结换能器件和电池外壳组成。利用MOCVD外延生长技术及设备制备砷化镓p‑n结，这种p‑n结包括：n型砷化镓衬底层、n型砷化镓缓冲层、n型铝砷化镓层、n型砷化镓基区层和p型砷化镓层。利用磁控溅射技术在p‑n结的上表面和下表面分别生成正面格栅电极层和背面电极层。由砷化镓p‑n结和电极层构成砷化镓p‑n结器件。然后，在正面格栅电极层和背面电极层上分别焊接金引线形成电池的正、负极引线。接着，将薄片放射源镍‑63源放置于砷化镓p‑n结器件的正面格栅电极层上。最后，将整个装置封装后制备成一种基于砷化镓p‑n结器件的β型核电池。
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
随着科技的进步，以微机电系统(MEMS)为代表的低功率电子器件技术飞速发展。例如，从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统的传感器，微机电系统已经应用到了人们的日常生活。微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的集微电源、微传感器、微执行器、微机械结构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信于一体的微型器件或系统。因此，微机电设备一般都具有体积小、质量轻、功率小、便于移动、性能稳定、成本低和可植入性等特点，它们在各行各业都有非常广泛的应用前景。核电池是20世纪50、60年代发展起来的一种新型能源。核电池具有寿命长、工作可靠、对环境适应性强、维护频率低、比容量高、不依赖燃料和太阳光等优点。因而，核电池在航空、航天、航海领域、深海、深地、极地领域、医学领域和微机电系统中都有广泛的应用。近年来，半导体材料和半导体器件制备工艺的迅速发展使得β辐射伏特效应核电池成为核电池研究领域的热点。这种核电池因具有体积小、质量轻、可微型化和可集成化的特点使它成为微机电系统进一步发展的理想微型电源。
β辐射伏特效应核电池是将β放射源的衰变能转换为电能的装置。这种类型核电池的能量转换必须具备以下基本步骤：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；半导体器件的内建电场会将这些过剩载流子对分开；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后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。
对于确定的β放射源和半导体换能器件，β辐射伏特效应核电池的输出性能主要取决于放射源在换能器件内部的主要能量沉积区域和半导体换能器件内有效能量吸收区域的匹配程度，当这两个区域相匹配时可以有效地提高放射源的能量利用率。但是，实际的核电池样品测量中，其输出性能远远小于其理论计算值。主要原因之一是放射源在材料内部的电离作用范围与半导体换能器件内有效能量转换区匹配情况很差造成的。在β辐射伏特效应核电池中，β粒子与半导体材料相互作用的过程中会产生大量的辐生电子-空穴对。半导体器件耗尽层内的电子-空穴对在其内建电场的作用下会被全部扫出该区域，在耗尽层之外的辐生电子-空穴对只有扩散到耗尽层内才能被其内建电场分离。那些未能扩散到耗尽层内的辐生电子-空穴对会复合产生热量。通常，在半导体器件内部耗尽层和距离耗尽层边缘一个少子扩散长度的区域统称为有效的能量吸收区。通常，实际生产中p-n结的耗尽层宽度只有几个微米，而常见β放射源在材料中的电离作用范围从几个微米到几个厘米不等。β辐射伏特效应核电池制备过程中，需要根据放射源在材料中的电离作用范围设计换能器件的主要能量吸收区进而提高放射源的能量利用率。综上所述，核电池的输出性能由放射源、放射源释放的载能粒子在换能材料中的输运过程、半导体换能器件及其制备工艺等决定。
发明内容
本发明提供了一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池。通过MOCVD设备及磁控溅射装置制备出砷化镓p-n结器件，再将放射源镍-63源与砷化镓p-n结器件组装成适配微机电系统的微型电源。这种核电池的基本结构包括：放射源镍-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：
所述放射源镍-63源为薄片状长方体固态放射源，镍-63源的厚度介于2μm～3μm之间且优选厚度为2μm，再将镍-63源放置在砷化镓p-n结器件中正面格栅电极层上，放射源和砷化镓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采用Au/Zn/Ag/Au复合金属层。这种复合金属层是在p型砷化镓层的上表面依次蒸镀Au金属层、Zn金属层、Ag金属层和Au金属层构成Au/Zn/Ag/Au复合金属层，各金属层厚度相同且均为30nm；正面格栅电极层的栅宽相同且宽度为0.2mm，栅间距为150μm。
所述砷化镓p-n结器件内部的p型砷化镓层为高浓度掺杂层，掺杂剂为碳，掺杂碳原子浓度NA为4×1018/cm3，厚度为0.1μm。
所述砷化镓p-n结器件内部的n型砷化镓基区层为高浓度掺杂层，掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为5×1017/cm3，厚度为3μm。
所述砷化镓p-n结器件内部的n型铝砷化镓层的材料为Al0.85Ga0.15As，n型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为2×1018/cm3，厚度为0.4μm。
所述砷化镓p-n结器件内部的n型砷化镓缓冲层，掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为3 ×1018/cm3，厚度为0.5μm。
所述砷化镓p-n结器件内部的n型砷化镓衬底层，选用4英寸单面抛光(100)2度偏角n型高掺杂砷化镓基片，n型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND大于1×1018/cm3，采用机械抛光减薄工艺使砷化镓衬底层厚度小于360μm。
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复合金属层构成，在n型砷化镓衬底层下表面依次蒸镀Ni金属层、Au金属层、Ge金属层、Au金属层构成Ni/Au/Ge/Au复合金属层，各金属层厚度相同且均为30nm。
所述砷化镓p-n结器件内部的正面格栅电极层焊接金引线作为核电池的正极引线。背面电极层焊接金引线作为核电池的负极引线。
所述电池防护外壳由高分子聚乙烯塑料构成，厚度为100μm。
综上所述，结合利用理论模拟程序模拟计算放射源镍-63源的自吸收效应和放射源镍-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放射源镍-63源的辐射防护技术，本发明提供了一种基于镍-63源和基于砷化镓p-n结器件的β型核电池的基本结构和技术方案。
附图说明
图1是所述一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池的轴剖面示意图。
图2是所述一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池的俯视图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池的结构。
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。利用理论模拟程序计算出当放射源镍-63源的厚度为2μm左右时，镍-63源的表面出射功率接近最大值。本发明中所述放射源镍-63源1为薄片状长方体固态放射源，其厚度介于2μm～3μm之间且优选厚度为2μm。然后将放射源镍-63源1放置到砷化镓p-n结器件中正面格栅电极2上。放射源镍-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。
本发明中所述砷化镓p-n结器件内部结构依次为正面格栅电极层2-p型砷化镓层3-n型砷化镓基区层4-n型铝砷化镓层5-n型砷化镓缓冲层6-n型砷化镓衬底层7-背面电极层8。
所述砷化镓p-n结器件的制备步骤如下：
步骤1：从市场上购买直径为4英寸单面抛光(100)2度偏角n型高掺杂砷化镓基片，n 型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND大于1×1018/cm3。采用机械抛光减薄工艺使衬底层7厚度小于360μm。最后，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7下表面生长背面电极层8。背面电极层 8采用场板结构。将Ni金属层蒸镀在n型砷化镓衬底层7下表面，然后在Ni金属层上依次蒸镀Au金属层、Ge金属层、Au金属层构成Ni/Au/Ge/Au复合金属层。复合金属层内部各金属层厚度相同且均为30nm。
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。利用理论模拟程序研究MOCVD材料生长的热力学及动力学过程。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，这些计算和测量可为基于砷化镓材料p-n结外延层的制备提供基础数据支撑。最后，利用MOCVD外延生长设备制备砷化镓p-n结外延生长结构。
首先，利用MOCVD外延生长设备在n型砷化镓衬底层7上表面生长n型砷化镓缓冲层6。 n型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为3×1018/cm3，厚度为0.5μm；接着，利用MOCVD外延生长设备系统在n型砷化镓缓冲层6上表面外延生长n型铝砷化镓层5。通常，核电池换能单元结构中也将n型铝砷化镓层5称为铝砷化镓背散层。这种n型铝砷化镓层5的材料为Al0.85Ga0.15As，n型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为2×1018/cm3，厚度为0.4μm；然后，利用MOCVD外延生长设备系统在n型铝砷化镓层5上表面外延生长n型砷化镓基区层4。n型砷化镓基区层4为高浓度掺杂层，掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为5×1017/cm3，厚度为3μm；最后，利用MOCVD外延生长设备系统在n型砷化镓基区层4上表面生长p型砷化镓层3。通常，p型砷化镓层3也称为核电池的发射层。其中，p型掺杂剂为碳，掺杂碳原子浓度NA为4 ×1018/cm3，厚度为0.1μm。
步骤4：首先，采用丙酮、异丙醇和去离子水清洗GaAs基外延片p型砷化镓层3表面的有机物和杂质，烘干。接着，利用磁控溅射技术在p型砷化镓层3的上表面依次蒸镀Au金属层、Zn金属层、Ag金属层和Au金属层构成Au/Zn/Ag/Au复合金属层，各金属层厚度相同且均为30nm；然后，采用紫外光刻机和ICP刻蚀技术对Au/Zn/Ag/Au复合金属层中上表面Au层进行电极图形刻蚀，制备完成正面格栅电极层2的格栅电极结构。正面格栅电极层2 的栅宽相同且宽度为0.2mm，栅间距为150μm。最后，采用丙酮、异丙醇和去离子水清洗去除GaAs基外延片衬底的导热硅脂，去胶液去除残留光刻胶，热板烘干。
步骤5：焊接砷化镓p-n结器件正、负极引线。首先，在砷化镓p-n结器件的正面格栅电极层2的上表面的格栅电极上焊接金引线，它是核电池的正极引线；接着，在砷化镓p-n结器件的背面电极层8下表面的Au层上焊接金引线，它是核电池的负极引线。最后，整个砷化镓p-n结器件装置在合金炉高温退火，并解理成单个芯片。
步骤6：将制备完成的砷化镓p-n结器件和放射源镍-63源构成的β型核电池进行封装。整个电池防护外壳9由高分子聚乙烯塑料构成，厚度为100μm。电池防护外壳9的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。
实际制备过程中可以在由上述步骤制备而成两个相同的砷化镓p-n结器件可以分别粘接在放射源镍-63源的上、下表面。这样就得到了基于相同原理和制备技术的另一种砷化镓p-n 结器件的β型核电池，提高放射源的能量利用率。
本发明所述的具体实施例详细说明了一种基于砷化镓p-n结器件的β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：放射源镍-63源
2：正面格栅电极层
3：p型砷化镓层
4：n型砷化镓基区层
5：n型铝砷化镓层
6：n型砷化镓缓冲层
7：n型砷化镓衬底层
8：背面电极层
9：电池电池防护外壳。
Claims (9)
1.一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，包括：
放射源镍-63源；
砷化镓p-n结器件，所述砷化镓p-n结器件的其内部结构依次由正面格栅电极层、p型砷化镓层、n型砷化镓基区层、n型铝砷化镓层、n型砷化镓缓冲层、n型砷化镓衬底层以及背面电极层构成；
焊接在所述正面格栅电极层的金引线；
焊接在所述背面电极层上的金引线；
电池外壳。
2.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述放射源镍-63源为薄片状长方体放射源，所述镍-63源的厚度介于2μm～3μm之间且优选厚度为2μm，将所述镍-63源放置在所述砷化镓p-n结器件中所述正面格栅电极层上。
3.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述正面格栅电极层采用Au/Zn/Ag/Au复合金属层，在所述p型砷化镓层的上表面依次蒸镀Au金属层、Zn金属层、Ag金属层和Au金属层构成Au/Zn/Ag/Au复合金属层，所述各金属层厚度相同且均为30nm，所述正面格栅电极层的栅宽相同且宽度为0.2mm，栅间距为150μm。
4.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述p型砷化镓层的掺杂剂为碳，掺杂碳原子浓度NA为4×1018/cm3，厚度为0.1μm。
5.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述n型砷化镓基区层的掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为5×1017/cm3，厚度为3μm。
6.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述n型铝砷化镓层材料为Al0.85Ga0.15As，n型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为2×1018/cm3，厚度为0.4μm。
7.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述n型砷化镓缓冲层的掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND为3×1018/cm3，厚度为0.5μm。
8.如权利要求1所述一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述n型砷化镓衬底层选用4英寸单面抛光(100)2度偏角n型高掺杂砷化镓基片，n型掺杂剂为硅，掺杂硅原子浓度ND大于1×1018/cm3，采用机械抛光减薄工艺使砷化镓衬底层厚度小于360μm。
9.如权利要求1所述的基于砷化镓p-n结器件的β型核电池，其中，所述背面电极层具有由Ni/Au/Ge/Au复合金属层构成的场板结构，在所述n型砷化镓衬底层下表面依次蒸镀Ni金属层、Au金属层、Ge金属层、Au金属层构成Ni/Au/Ge/Au复合金属层，所述各金属层厚度相同且均为30nm。
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