专利名称:一种氮化镓基多结换能单元同位素电池的制作方法
技术领域：
本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种氮化镓基多结换能单元同位素电池。
技术背景
根据辐射伏特效应和半导体结型器件的特殊性质，可以将放射性同位素的衰变能转换为电能，制成辐射伏特效应同位素电池。这种电池不仅具有一般同位素电池能量密度高、寿命长、免维护、抗干扰性强等优点，还可以做到很小的体积和很轻的质量，兼之其主要部份是半导体器件，容易与其它半导体器件集成在一起，因此辐伏同位素电池成为MEMS、IC 以及物联网节点等微小系统的最佳供电电源之一。近年来，随着MEMS、IC和物联网的大力发展，辐伏同位素电池也正在受到越来越多的关注。但是从目前的结果来看，辐伏同位素电池的电输出性能仍然很低，输出电流、电压不能满足微系统对供电的要求，因此有必要发展电输出性能更高的辐伏同位素电池。
换能单元用的器件是决定辐伏同位素电池电输出性能的关键，目前发展比较成熟的换能单元器件是单晶硅基PN结型器件，但是这种器件能量转换效率比较低。宽带隙半导体材料器件被公认为可以提高辐伏同位素电池转换效率，理论上转换效率可以从单晶硅最高 20%左右提高到 40% (M. V. S. Chandrashekhar,等人，Applied physics letters, 2006，88，033506)。GaN就是很有前途的宽带隙半导体材料之一。但是目前的GaN材料电子 (空穴)迁移率还很低，其结型器件作为辐伏同位素电池换能单元，其电性能提升程度有限， 尤其是实际输出电流并不高。
发明内容
为了克服辐伏同位素电池电输出性能低，尤其短路电流和开路电压太小的不足， 本发明提供一种氮化镓基多结换能单元同位素电池。本发明的同位素电池可以大幅提升短路电流和开路电压等电输出性能。
本发明的一种氮化镓基多结换能单元同位素电池，其特点是，所述的同位素电池含有氮化镓基多结换能单元和辅助部件；所述的换能单元包括蓝宝石基底、缓冲层、N氮化镓层、N+氮化镓层，i氮化镓层，P+氮化镓层、P氮化镓层，SiO2保护层、正面电极以及台阶电极；氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系是，SiO2保护层、P+氮化镓层、P氮化镓层、i氮化镓层、N氮化镓层、N+氮化镓层、缓冲层、蓝宝石基底从上至下依次排布，在P+氮化镓层表面制作正面电极且不被SiO2保护层覆盖，在N+氮化镓层裸露的环形表面制作台阶电极，构成P+PiNN+型的氮化镓基多结换能单元；所述的辅助部件包括放射源片、外封装层、内封装层、正引线、负引线、正电极柱、负电极柱、绝缘胶以及底座；辅助部件中各部分的排列关系是，放射源片置于SiO2保护层之上正中央，在蓝宝石基底正下方与底座正上方之间设置有绝缘胶，正引线的一端连接在正面电极上，另一端连接在正电极柱上；负引线的一端连接在台阶电极上，另一端连接在负电极柱上；所述的放射源片至底座之间排布的各部分均通过内封装层固定，在内封装层的外围包覆有外封装层；正电极柱、负电极柱分别垂直于底座，并穿过底座、内封装层和外封装层。
所述的氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系替换为，SiO2保护层、N+氮化镓层、N氮化镓层、i氮化镓层、P氮化镓层、P+氮化镓层、缓冲层、蓝宝石基底从上至下依次排布，在N+氮化镓层表面制作正面电极且不被SiO2保护层覆盖，在P+氮化镓层裸露的环形表面制作台阶电极，构成N+NiPP+型的氮化镓基多结换能单元。
所述的P+氮化镓层掺杂浓度为1/1017 1/1018/(^3，？氮化镓层掺杂浓度为 IXlO16 IXio1Vcm3, i氮化镓层为非故意掺杂层，N氮化镓层掺杂浓度为IXlO17 I X IO1Vcm3，N.氮化镓层掺杂浓度为I X IO18 I X IO1Vcm30
所述的放射源片选自Ni-63放射源片、H-3放射源片。
本发明中的氮化镓基多结器件换能单元制作过程是，以蓝宝石为基底，利用MOVCD 方法在其上生长氮化镓材料同时制作成多结器件。首先生长缓冲层，厚度为2 4μπι ;然后生长掺杂浓度为I X IO18 I X IO1Vcm3的N+氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上生长掺杂浓度为I X IO17 I X IO1Vcm3的N氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上再生长非故意掺杂的i氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上再生长掺杂浓度为I X IO16 I X IO1Vcm3 的P氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上再生长掺杂浓度为I X IO17 I X IO1Vcm3的P+ 氮化镓层，厚度为O. 2 0.8 μ m。至此形成P+PiNN+型的多结结构。在P+氮化镓层表面沉积Ni/Au形成欧姆接触制作正面环状电极，并制作不覆盖环状电极的SiO2保护层。刻蚀P+ 氮化镓层、P氮化镓层、i氮化镓层、N氮化镓层边缘，露出N+氮化镓层边缘，在N+氮化镓层边缘上沉积Ni/Au形成欧姆接触制作环状台阶电极。至此制作成氮化镓基P+PiNN+型多结器件。
本发明中的氮化镓基多结器件换能单元的另一种制作过程是，以蓝宝石为基底， 利用MOVCD方法在其上生长氮化镓材料同时制作成多结器件。首先生长缓冲层，厚度为2 4 μ m ;然后生长掺杂浓度为I X IO17 I X IO1Vcm3的P+氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ; 其上生长掺杂浓度为I X IO16 I X IO1Vcm3的P氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上再生长非故意掺杂的i氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上再生长掺杂浓度为I X IO17 I X IO1Vcm3的N氮化镓层，厚度为O. 2 O. 8 μ m ;其上再生长掺杂浓度为IXlO18 I X IO1Vcm3的N+氮化镓层，厚度为O. 2 0.8 μ m。至此形成N+NiPP+型的多结结构。在N+ 氮化镓层表面沉积Ni/Au形成欧姆接触制作正面环状电极，并制作不覆盖环状电极的SiO2 保护层。刻蚀N+氮化镓层、N氮化镓层、i氮化镓层、P氮化镓层边缘，露出P+氮化镓层边缘，在P+氮化镓层边缘上沉积Ni/Au形成欧姆接触制作环状台阶电极。至此制作成氮化镓基N+NiPP+型多结器件。
辅助部件制作的技术方案是正引线连接正面环状电极和正电极柱，负引线连接台阶电极和负电极柱。利用绝缘胶将氮化镓基多结器件的蓝宝石一面粘结在底座正中央，放射源片置于SiO2保护层之上正中央。放射源片选自选自Ni-63放射源片或H-3放射源片。 内封装层采用耐辐射的复合材料，通过模具灌注法浇灌在各部件之间(除放射源片与换能单元之间)的空隙中，起到固定和辐射防护的作用。外封装层用FeNi可伐合金制作，起着增强电池整体强度和辐射防护的作用。正负电极柱垂直于底座并穿过底座和内外封装层。整个同位素电池从外观上看是带有两个电极柱的纽扣形状。
本发明所依据的科学原理是放射源射线入射到换能单元中，激发半导体材料晶格原子的电子，促使电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对并扩散进入结区，在结区的内建电场作用下实现电子与空穴的分离，并利用结器件两端电极的欧姆接触将电子引出， 当接通外电路时即产生电流，形成同位素电池。同理，本发明所提到一种氮化镓基多结换能单元同位素电池也是基于该原理，但由于采用了多结器件作为换能单元，其中多结器件中 P+P层界面、Pi层界面、iN层界面、NN+层界面都能分别形成具有内建电场的结区，比传统单一结型器件大大增加了电子与空穴的分离和收集效率，从而可以提高该电池输出电流的短路电流和开路电压。
本发明的有益效果是电池体型微小，工作时不需要外界提供能量，能够实现输出电流的短路电流IOOnA I μ A、开路电压O. 8V I. 5V ;选用Η-3放射源片可保持6年以上不间断地输出电流，选用Ni-63放射源片可保持45年以上不间断地输出电流。
图I是本发明的一种氮化镓基多结换能单元同位素电池的结构示意图；
图中，I.放射源片 2.正面电极 3.外封装层 4.内封装层 5.台阶电极6.正引线 7.绝缘胶 8.底座 9.正电极柱 10. SiO2保护层
11.P+氮化镓层 12. P氮化镓层 13. i氮化镓层 14. N氮化镓层 15. N+氮化镓层 16.缓冲层 17.负引线 18.蓝宝石基底 19.负电极柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容进一步说明。
实施例I
图I是本发明的一种氮化镓基多结换能单元同位素电池的结构示意图。图I中，本发明的氮化镓基多结换能单元同位素电池，含有氮化镓基多结换能单元和辅助部件；所述的换能单元包括蓝宝石基底18、缓冲层16、N氮化镓层14、N+氮化镓层15，i氮化镓层13，P+ 氮化镓层11、P氮化镓层12，SiO2保护层10、正面电极2以及台阶电极5 ;氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系是，SiO2保护层10、P+氮化镓层11、P氮化镓层12、i氮化镓层 13、N氮化镓层14、N+氮化镓层15、缓冲层16、蓝宝石基底18从上至下依次排布，在P+氮化镓层11表面制作正面电极2且不被SiO2保护层10覆盖，在N+氮化镓层15裸露的环形表面制作台阶电极5，构成P+PiNN+型的氮化镓基多结换能单元；所述的辅助部件包括放射源片I、外封装层3、内封装层4、正引线6、负引线17、正电极柱9、负电极柱19、绝缘胶7以及底座8 ;辅助部件中各部分的排列关系是，放射源片I置于SiO2保护层10之上正中央，在蓝宝石基底18正下方与底座8正上方之间设置有绝缘胶7，正引线6的一端连接在正面电极 2上，另一端连接在正电极柱9上；负引线17的一端连接在台阶电极5上，另一端连接在负电极柱19上；所述的放射源片I至底座8之间排布的各部分均通过内封装层4固定，在内封装层4的外围包覆有外封装层3 ;正电极柱9、负电极柱19分别垂直于底座8，并穿过底座8、内封装层4和外封装层3。
本实施例中，所述的P+氮化镓层11掺杂浓度为I X 1017/cm3，P氮化镓层12掺杂浓度为lX1016/cm3，i氮化镓层13为非故意掺杂层，N氮化镓层14掺杂浓度为lX1017/cm3， N+氮化镓层15掺杂浓度为I X 101Vcm3。[0018]所述的放射源片I为Ni-63放射源片。
实施例2
本实施例与实施例I的基本结构和排列关系相同，不同之处是，本实施例中的氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系为，SiO2保护层、N+氮化镓层、N氮化镓层、i氮化镓层、 P氮化镓层、P+氮化镓层、缓冲层、蓝宝石基底从上至下依次排布，在N+氮化镓层表面制作正面电极且不被SiO2保护层覆盖，在P+氮化镓层裸露的环形表面制作台阶电极，构成N+NiPP+ 型的氮化镓基多结换能单元。本实施例中P+氮化镓层掺杂浓度为I X IO1Vcm3, P氮化镓层掺杂浓度为IXlO1Vcm3, i氮化镓层为非故意掺杂层，N氮化镓层掺杂浓度为lX1018/cm3, N+氮化镓层掺杂浓度为I X 1019/cm3。
实施例3
本实施例与实施例I的基本结构和排列关系相同，不同之处是，本实施例中放射源片I 为H-3放射源片。
实施例4
本实施例与实施例2的基本结构和排列关系相同，不同之处是，本实施例中放射源片I 为H-3放射源片。
参阅附图，在第一个实施例中，一种氮化镓基多结换能单元同位素电池由氮化镓基多结换能单元和辅助部件组成。氮化镓基多结换能单元的结构为SiO2保护层10、P+氮化镓层11、P氮化镓层12、i氮化镓层13、N氮化镓层14、N+氮化镓层15、缓冲层16、蓝宝石基底18从上至下依次排布，在P+氮化镓层11表面制作正面电极2且不被SiO2保护层10 覆盖，在N+氮化镓层15裸露的环形表面制作台阶电极5，构成氮化镓基P+PiNN+多结换能单元。辅助部件的结构为含Ni-63放射源片I置于SiO2保护层10之上正中央；绝缘胶7位于蓝宝石基底18正下方；绝缘胶7位于底座8之上正中央；正引线6的一端连接在正面电极2上，另一端连接在正电极柱9上；负引线17的一端连接在台阶电极5上，另一端连接在负电极柱19上；底座8包括底座8以上部分由内封装层4固定，其外再包覆外封装层3 ;正电极柱9、负电极柱19垂直于底座8，并穿过底座8、内封装层4和外封装层3。
在第二个实施例中，一种氮化镓基多结换能单元同位素电池由氮化镓基多结换能单元和其他部件组成。氮化镓基P+PiNN+多结换能单元的结构与第一个实施例相同。辅助部件的结构为含H-3放射源片I置于SiO2保护层10之上正中央，其他与第一个实施例相同。
在第三个实施例中，一种氮化镓基多结换能单元同位素电池由氮化镓基多结换能单元和其他部件组成。氮化镓基多结换能单元的结构为SiO2保护层10、N+氮化镓层15、N 氮化镓层14、i氮化镓层13、P氮化镓层12、P+氮化镓层11、缓冲层16、蓝宝石基底18从上至下依次排布，在N+氮化镓层15表面制作正面电极2且不被SiO2保护层10覆盖，在P+氮化镓层11裸露的环形表面制作台阶电极5，构成氮化镓基N+NiPP+多结换能单元。辅助部件的结构与第一个实施例相同。
在第四个实施例中，一种氮化镓基多结换能单元同位素电池由氮化镓基多结换能单元和其他部件组成。氮化镓基N+NiPP+多结换能单元的结构与第三个实施例相同。辅助部件的结构为含H-3放射源片I置于SiO2保护层10之上正中央，其他与第一个实施例相同。
权利要求
1.一种氮化镓基多结换能单元同位素电池，其特征是所述的同位素电池含有氮化镓基多结换能单元和辅助部件；所述的换能单元包括蓝宝石基底(18)、缓冲层(16)、N氮化镓层(14)、N+氮化镓层(15),i氮化镓层(13), P+氮化镓层(11 )、P氮化镓层(12)，SiO2保护层(10)、正面电极(2)以及台阶电极(5);氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系是，SiO2 保护层(10)、P+氮化镓层(11)、？氮化镓层(12)、1氮化镓层(13)』氮化镓层(14)、^氮化镓层(15)、缓冲层(16)、蓝宝石基底(18)从上至下依次排布，在P+氮化镓层(11)表面制作正面电极(2)且不被SiO2保护层(10)覆盖，在N+氮化镓层(15)裸露的环形表面制作台阶电极(5)，构成P+PiNN+型的氮化镓基多结换能单元；所述的辅助部件包括放射源片(I)、外封装层(3)、内封装层(4)、正引线(6)、负引线(17)、正电极柱(9)、负电极柱(19)、绝缘胶(7) 以及底座(8);辅助部件中各部分的排列关系是，放射源片(I)置于SiO2保护层(10)之上正中央，在蓝宝石基底(18)正下方与底座(8)正上方之间设置有绝缘胶(7)，正引线(6)的一端连接在正面电极(2 )上，另一端连接在正电极柱(9 )上；负引线(17 )的一端连接在台阶电极(5)上，另一端连接在负电极柱(19)上；所述的放射源片(I)至底座(8)之间排布的各部分均通过内封装层(4)固定，在内封装层(4)的外围包覆有外封装层(3);正电极柱(9)、 负电极柱(19)分别垂直于底座(8)，并穿过底座(8)、内封装层(4)和外封装层(3)。
2.根据权利要求
I所述的同位素电池，其特征是所述的氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系替换为，SiO2保护层(10)、N+氮化镓层(15)、N氮化镓层(14)、i氮化镓层(13)、卩氮化镓层(12)、？+氮化镓层(11)、缓冲层(16)、蓝宝石基底(18)从上至下依次排布， 在N+氮化镓层(15)表面制作正面电极(2)且不被SiO2保护层(10)覆盖，在P+氮化镓层(11)裸露的环形表面制作台阶电极(5)，构成N+NiPP+型的氮化镓基多结换能单元。
3.根据权利要求
I所述同位素电池，其特征是所述的P+氮化镓层(11)掺杂浓度为 1/1017 1/1018/0113，？氮化镓层(12)掺杂浓度为IX IO16 IX 1017/cm3，i氮化镓层(13) 为非故意掺杂层，N氮化镓层(14)掺杂浓度为I X IO17 I X IO1Vcm3, N.氮化镓层(15)# 杂浓度为 I X IO18 I X IO1Vcm30
4.根据权利要求
I所述的同位素电池，其特征是所述的放射源片(I)采用Ni-63放射源片或H-3放射源片。
专利摘要
本发明公开了一种氮化镓基多结换能单元同位素电池，所述的同位素电池包括氮化镓基多结换能单元和辅助部件。在换能单元中的上面P+型层或N+型层制作正面电极，下面N+型层或P+型层制作台阶电极，并由正负引线连接至正负电极柱；辅助部件中的放射源片置于换能单元正面正中央；以上部分通过绝缘胶固定于底座正中央；放射源片至底座之间排布的各部分均通过内封装层固定，在内封装层的外围包覆有外封装层；正负电极柱垂直于底座，并穿过底座、内封装层和外封装层。本发明的同位素电池体型微小，工作时不需要外界提供能量，能够实现输出电流的短路电流100nA～1μＡ、开路电压0.8V～1.5V；可保持6年以上不间断地输出电流。
文档编号G21H1/06GKCN102610289SQ201210110741
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月17日
发明者刘业兵, 张华明, 徐建, 李 昊, 杨玉青, 王关全, 罗顺忠, 胡睿, 钟正坤 申请人:中国工程物理研究院核物理与化学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan