专利名称：一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池及其制作方法
技术领域：
本发明为一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池及其制作方法，属于微机电系统中的能源领域。
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、微型同位素核电池等。太阳能微电池和同位素核能微电池则显示出其特有的优势。
太阳能电池利用半导体材料的光生福特效应发电原理，无需补充燃料并且无废物排放的清洁能源，在太阳光照或环境提供的红外辐照下即可产生电能的输出，太阳能电池可作为长期电源，已经在人造卫星及宇宙飞船中广泛使用。
而同位素核能电池的能量密度高、使用寿命长，近年来得到了相当的研究和发展。同位素核电池的种类繁多，有初级同位素电池、热
电转换同位素电池、热离子发射同位素电池、PN结同位素电池等。其中，热电转换同位素电池应用最广，我国也自行研制出百毫瓦级的热电转换同位素电池样品，但是产品的使用安全性、以及小型化是主要问题。
PN结同位素电池与太阳能电池非常相似，只不过在PN结同位素电池中用a或(和)P粒子代替太阳光作为能源。PN结同位素微电池主要用于微机电系统中，普遍采用对人体安全的镍-63同位素辐射源，提供nw量级的功率，目前还没有定型的产品出现。太阳能电池的优点为转化效率高输出功率大，但的无法在黑暗的环境下长期使用,同位素电池优点是使用环境不受限制，但输出功率较低。经检索，有关将同位素发电和太阳能发电合二为一的微电池专利文献未曾发现。
本发明结合同位素发电和太阳能发电两种发电机制，提出一种复合型结构，使同位素电池的在微机电领域的大范围应用成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池
及其制作方法，在蓝宝石基底上生长两个背靠背的PN结，分别实现太阳能和同位素能量发电，以解决传统微电池或受环境限制，或转化效率和输出功率偏低等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案是实现的本发明的一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池，其结构为光学增透膜/蓝宝石基片/P型GaN外延生长层/N型GaN外延生
长层/P型GaN外延生长层/同位素放射层。
其中光学增透膜为0.2pmSiO2薄膜，用于增强太阳光蓝紫成分
的透过性；
蓝宝石基片的厚度为0.1-lmm，双面抛光；内层P型GaN外延生长层的厚度为0.3-0.5pm，掺杂浓度为10'6-'W1的Si;
N型GaN外延生长层的厚度为2-5pm，掺杂浓度为1018'19Cm"的Mg;
外层P型GaN外延生长层的厚度为0.2-0.5|im，掺杂浓度为10關cm"的Si;
同位素放射性层为"Ni金属，采用镀制法的厚度为l-2pm，采用紧固法的厚度为20-100pm。
本发明的一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池的制作方法，具
体步骤如下1) 以蓝宝石为基底，采用射频磁控反应溅射法制备工艺，在其
一侧镀厚度为0.2pm的Si02光学增透膜。由于蓝宝石在0.20-5.50pm波段内具有较好的透光性，这一厚度有利于蓝紫成分的透过性；
2) 然后对基底进行清洗，氢气环境下900°C温度下处理20分钟，在基底另一侧利用金属有机物化学气象沉淀(MOCVD)工艺，根据10"^cm—1的掺杂浓度依次生长0.3-0.5pm的内层P型GaN外延生长层、2-5iim的N型GaN外延生长层、0.2-0.5pm的外层P型GaN外延生长层，形成两个背靠背PN结；
其中，N型GaN外延生长层的Ga、 N和Si源分别为TMGa(Trimethylgallium)、 NH3和SiH4，流量分别为30Sccm、 5000Sccm和100-180Sccm;P型GaN外延生长层的Ga、N和Mg源分别为TMGa、服3禾口 Cp2Mg(bicyclopentadienylymagnesi画)，流量分别为15、 4000和200-260Sccm;生长时反应室压强为100T;
3) 采用是电镀工艺，在外层P型GaN外延生长层上镀制厚度为l-2pm的同位素63Ni金属，或采用紧固法在外层P型GaN外延生长层上，将厚度为20-100pm固态63Ni金属片紧固于半导体材料表面；
4) 在两个P型和N型区域刻蚀电机镀制空间，然后进行电极的镀制和压线工艺，将两个P型区电极并联作为复合型微电池的电源正极， 一个N型电极作为复合型微电池的电源负极。
有益效果-.
该复合型电池的实质是太阳能PN结转换结构和同位素PN结能量转换结构共用一个N型区，在同一个半导体片子上同时实现两种不同形式的能源的转换。本复合型太阳能同位素微电池不需外界提供能量，在任何环境下可提供电能的输出，克服了太阳能电池仅有光照下才可提供电能的局限；同时克服了同位素电池的功率输出小的局限，光照条件下，本发明的输出功率比同样制作参数的同位素微电池输出功率提高10倍以上。本发明将同位素微电池和太阳能电池集成，使同位素电池在微机电领域的大范围应用成为可能。
图1为本发明提出的复合型氮化镓太阳能同位素微电池的结构示意其中1-光学增透膜，2-蓝宝石基片，3-P型GaN外延生长层，4-N型GaN外延生长层，5-P型GaN外延生长层，6-同位素放射源；7-太阳能正极，8-共用负极，9-同位素放射能正极。
具体实施例方式
本发明的复合型太阳能同位素微电池的结构为
光学增透膜/蓝宝石基片/P型GaN外延生长层/N型GaN外延生长层/P型GaN外延生长层/同位素放射层。
本发明的复合型太阳能同位素微电池的制作方法如下
1) 以蓝宝石为基底，采用射频磁控反应溅射法制备工艺，在其一侧镀厚度为0.2pm的Si02光学增透膜。
2) 然后对基底进行清洗，氢气环境下900QC温度下处理20分钟，在基底另一侧利用金属有机物化学气象沉淀(MOCVD)工艺，根据1016—19(^—1的掺杂浓度依次生长0.5pm的内层P型GaN外延生长层、5pim的N型GaN外延生长层、0.5)Lim的外层P型GaN外延生长层，形成两个背靠背PN结。
其中，N型GaN外延生长层的Ga、 N和Si源分别为TMGa(Trimethylgallium)、 NH3禾卩SiH4，流量分别为30Sccm、 5000Sccm和100Sccm; P型GaN外延生长层的Ga、 N和Mg源分别为TMGa、丽3禾卩Cp2Mg(bicyclopentadienylymagnesium)，流量分别为15、 4000和260Sccm;生长时反应室压强为IOOT。
3) 采用是电镀工艺，在外层P型GaN外延生长层上镀制厚度为2|Lim的同位素63Ni金属，或采用紧固法在外层P型GaN外延生长层上，将厚度为20|im的固态63Ni金属片紧固于半导体材料表面。
4) 在两个P型和N型区域刻蚀电机镀制空间，然后进行电极的镀制和压线工艺，将两个P型区电极并联和一个N型电极一起作为 复合型微电池的输出电极，其中P区电极为复合型电源正极，N型电 极为电源负极。
以上述实例参数相同，但没有采用太阳能收集结构的同位素微电 池输出为20nw，而本发明的复合型结构后，微电池输出功率为230nw, 功率提高10.5倍。
权利要求
1. 一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池，其特征在于结构为光学增透膜/蓝宝石基片/P型GaN外延生长层/N型GaN外延生长层/P型GaN外延生长层/同位素放射层；其中光学增透膜为0.2μm的SiO2薄膜；蓝宝石基片的厚度为0.1-1mm，双面抛光；内层P型GaN外延生长层的厚度为0.3-0.5μm，掺杂浓度为1016-17cm-1的Si；N型GaN外延生长层的厚度为2-5μm，掺杂浓度为1018-19cm-1的Mg；外层P型GaN外延生长层的厚度为0.2-0.5μm，掺杂浓度为1016-17cm-1的Si；同位素放射性层为63Ni金属，采用镀制法的厚度为1-2μm，采用紧固法的厚度为20-100μm。
2. —种氮化镓太阳能同位素复合型微电池的制作方法，其特征在 于具体步骤如下1) 以蓝宝石为基底，采用射频磁控反应溅射法制备工艺，在其 一侧镀厚度为0.2)im的Si02光学增透膜；2) 然后对基底进行清洗，氢气环境下900°C温度下处理20分钟， 在基底另一侧利用金属有机物化学气象沉淀工艺，根据10^"cm"的 掺杂浓度依次生长0.3-0.5inm的内层P型GaN外延生长层、2-5pm的 N型GaN外延生长层、0.2-0.5pm的外层P型GaN外延生长层，形 成两个背靠背PN结；3) 采用是电镀工艺，在外层P型GaN外延生长层上镀制厚度为 1-2,的同位素63Ni金属，或采用紧固法在外层P型GaN外延生长 层上，将厚度为20-100pm固态63Ni金属片紧固于半导体材料表面；4) 在两个P型和N型区域刻蚀电机镀制空间，然后进行电极的镀制和压线工艺，将两个P型区电极并联作为复合型微电池的电源正 极， 一个N型电极作为复合型微电池的电源负极。
3.如权利要求2所述的一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池的 制作方法，其特征在于N型GaN外延生长层的Ga、 N和Si源分别 为TMGa、 NH3禾Q SiH4 ，流量分别为30Sccm 、 5000Sccm和 100-180Sccm; P型GaN外延生长层的Ga、N和Mg源分别为TMGa、 NH3和Cp2Mg，流量分别为15、 4000和200-260Sccm;生长时反应 室压强为IOOT。
全文摘要
本发明为一种氮化镓太阳能同位素复合型微电池及其制作方法，属于微机电系统中的能源领域。本发明的结构为光学增透膜/蓝宝石基片/P型GaN外延生长层/N型GaN外延生长层/P型GaN外延生长层/同位素放射层。本发明的制作方法首先在基底的一侧镀制一层光学增透膜，然后在基底另一侧利用金属有机物化学气象沉淀工艺，依次生长两个背靠背PN结，最后在PN结外侧固定同位素放射层。本发明克服了太阳能电池仅有光照下才可提供电能的局限；同时克服了同位素电池的功率输出小的局限；光照条件下，本发明相对同参数的同位素微电池输出功率提高10倍以上。
文档编号H01L31/18GK101521240SQ20091008282
公开日2009年9月2日 申请日期2009年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者澜 姜, 朵英贤, 李遂贤, 婷 王, 陈海洋 申请人:北京理工大学