一种基于辐射伏特效应和热电转换效应的芯片级核电池及其应用

1.本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种基于辐射伏特效应和热电转换效应的芯片级核电池。


背景技术：

2.电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大势所趋，微电子机械系统(mems，microelectromechanical systems)是近年来最重要的技术创新之一。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通讯等技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感网络的产生和发展，其在国防、工业、建筑、生物医学等领域逐渐显露重要的应用价值。传统利用蓄电池来供电的方式将不能满足或不能适应具体的工作环境和要求，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。
3.常见的微型电池包括微型燃料电池、微型化学电池、微型太阳能电池、微型内燃机等。微型燃料电池、微型化学电池和微型内燃机需要不断地从外界补充燃料或是间断性充电，并且补充燃料或充电过程对电池制备工艺的要求很高，增加设备成本。此外，他们的能量转换效率低，也很难微型化和集成化到微米量级。
4.微型太阳能电池具有清洁、安全、技术成熟等特点。它们还可以采用微纳米加工工艺将其微型化和集成化到微纳米量级。因此，微型太阳能电池是微机电系统电源合适的选择。但是，由于微型太阳能电池依赖太阳光工作，这种类型的电池在阳光不稳定的环境中是无法正常工作的。核电池具有质量轻、体积小、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优点，因此微型核电池是集成电路系统理想的电源。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了提供一种基于辐射伏特效应和热电转换效应的芯片级核电池及其应用。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明的技术方案之一提供了一种基于辐射伏特效应和热电转换效应的芯片级核电池，包括从上到下依次设置的pin结换能器件、热电换能器件，以及罩住所述pin结换能器件和热电换能器件的隔离防护罩，所述pin结换能器件包括高阻衬底、以及依次复合在所述高阻衬底上的下电极、pin结换能单元和上电极，所述热电换能器件包括第二衬底、位于所述衬底上的底电极、位于所述底电极上方的顶电极，以及位于所述底电极和顶电极之间的串联结构热电柱，所述的上电极的上表面还设有放射性同位素层，所述的底电极还与上电极之间还通过内部电路连接。
8.进一步的，所述的串联结构热电柱包括p型热电柱和n型热电柱，所述的底电极和顶电极采用分段设置，相邻的p型热电柱和n型热电柱之间通过分段的顶电极或底电极连
接，并使得所有p型热电柱和n型热电柱形成串联结构。
9.更进一步的，所述的串联结构热电柱的串联结构周期数为m，m≥1。
10.进一步的，所述pin结换能单元与上电极和下电极形成欧姆接触。
11.进一步的，所述的pin结换能单元中的pin结为碳化硅pin结或氮化镓pin结，其pin结的数量为n，n≥1。
12.更进一步的，所述的pin结换能单元采用外延生长技术或磁控溅射技术制备而成。
13.进一步的，所述的上电极和下电极分别独立的为金、银、铂或铜。
14.进一步的，所述的顶电极和底电极分别独立的为金、银、铂或铜。
15.进一步的，所述的pin结换能器件和热电换能器件通过吸附、粘结或键合组装在一起。
16.进一步的，所述的第二衬底为半导体薄膜、氧化物薄膜或有机物薄膜。
17.本发明中，pin结换能器件对β射线能量的利用率有限，并且大部分的β射线能量以热能的形式释放。热电换能器件可以将半导体pin结器件的产生热能转变成电能，从而提高核电池对β射线能量的利用率。
18.本发明的技术方案之二提供了基于辐射伏特效应和热电转换效应的芯片级核电池的应用，该芯片级核电池用于集成电路中，并给集成电路器件供能。
19.进一步的，所述集成电路器件设于所述第二衬底上，并分别通过内部电路连接芯片级核电池的下电极和底电极。
20.进一步的，所述芯片级核电池设有一个或多个，且当芯片级核电池设有多个时，所有芯片级核电池串联形成电源组并为集成电路器件供能。
21.进一步的，集成电路器件由晶体管，电阻，电容，电感等元件组成。
22.传统的核电池只能利用部分β射线能量并将其转换成电能，而大部分β射线能量以热能的形式耗散无法利用。本发明将热电换能器件引入核电池中，实现了对核电池中低品质废热的再利用，提高了核电池整体对β射线能量的利用效率，从而可以为集成电路提供长久稳定的能源供给。放射性同位素衰变时释放粒子轰击pin结换能单元，在材料内部产生大量电子空穴对，这些电子空穴对在内建电场作用下定向移动形成电流。放射性同位素衰变，以及粒子轰击核电换能材料的过程中会释放大量热量，这些热量可以驱动n型热电柱和p型热电柱中的电子空穴对定向移动，从而产生电流。将这两种产生电流的方式综合利用，可以提高器件整体的输出性能。本发明中，放射性同位素层，pin结换能器件和热电换能器件呈“三明治”式结构分布，可以提高接触面积，提高对同位素衰变能利用率。高阻衬底是为了隔离pin结换能器件和顶电极，防止顶电极材料中的电子中和pin结换能单元中的空穴，此外高阻衬底还能使核电换能器件产生的热量更均匀的导入热电换能器件，提高对热能的利用率。
23.传统的焊接技术需要利用多种粘结剂来连接各组件，加大了界面热阻，降低了界面稳定性，对设备整体的输出性能，可靠性和服役寿命产生了不利影响。同时，这种方法难以运用在微型器件的加工过程中。本发明利用mems加工技术实现了对热电换能器件和pin结换能器件的高集成度一体化和微型化制备，解决了传统工艺中的界面失效问题，有利于提高核电池工作的稳定性并延长核电池的使用寿命。
附图说明
24.图1为芯片级核电池与集成电路器件形成上下结构时的示意图；
25.图2为芯片级核电池与集成电路器件形成左右结构时的示意图；
26.图3为2个芯片级核电池通过串联形成电源组时的示意图；
27.图4为芯片级核电池能量转换图；
28.图中标记说明：
29.1、隔离防护层；2、放射性同位素层；3、上电极；4、pin结换能单元；5、下电极；6、高阻衬底；7、内部电路；8、底电极；9、p型热电柱；10、n型热电柱；11、顶电极；12、第二衬底；13、集成电路器件。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.以下各实施例中，hj3527型号光刻胶，lol2000型号光刻胶和hj238型号显影液采购于华积半导体(上海)有限公司，靶材采购于中诺新材(北京)科技有限公司。
32.其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
33.实施例1：
34.本发明实施例以标准mems加工工艺为基础，利用曝光，显影，薄膜沉积和剥离工艺，提供了一种在衬底上加工芯片级核电池的技术方案及制备方法：
35.步骤1：在氧化硅衬底(即第二衬底12)上旋涂lol2000型号光刻胶，并用掩膜版进行紫外曝光图案化。
36.步骤2：在hj238型号显影液中洗去曝光部分的光刻胶。
37.步骤3：利用磁控溅射沉积20nm铬和200nm金。
38.步骤4：放入丙酮中浸泡剥离，留下底电极8。
39.步骤5：利用磁控溅射在底电极8上沉积bi2te3作为n型热电柱10，sb2te3作为p型热电柱9，热电柱高度为2μm，热电柱的对数为4对。
40.步骤6：旋涂hj3527型号光刻胶作为支撑结构并进行紫外曝光图案化，支撑结构的高度与热电柱相同。
41.步骤7：在支撑结构上方沉积金作为顶电极11，顶电极11厚度为200nm。
42.步骤8：利用氧等离子体处理，去除支撑结构，形成热电换能器件，且此时，n型热电柱10与p型热电柱9通过顶电极11和底电极8连接形成串联结构。
43.步骤9：在热电换能器件的顶电极11上方吸附同等面积大小的200μm单晶碳化硅衬底，即高阻衬底6。
44.步骤10：在单晶碳化硅衬底上外延生长100nm金层作为下电极5。
45.步骤11：利用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术，在单晶碳化硅衬底的金层上依次外延生长p型高掺杂碳化硅层(掺杂原子浓度约为5
×
10
17
/cm3)，本征碳化硅层和n型高掺杂碳化硅层(掺杂原子浓度约为5
×
10
17
/cm3)，形成pin结换能单元4，其具有
碳化硅pin结的结数为1，厚度为10μm。
46.步骤12：在碳化硅pin结上外延生长100nm金层作为上电极3。
47.步骤13：在上电极3上方吸附同等面积大小的厚度为2μm的镍-63作为放射性同位素层2。
48.步骤14：用内部电路7将热电换能器件的顶电极11、底电极8，pin结换能器件的上电极3、下电极5串联起来，并接入位于下方的集成电路器件13中(图1)。
49.步骤15：在核电池外部设置隔离防护层1。
50.实施例2：
51.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，热电柱的对数为512。
52.实施例3：
53.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，碳化硅pin结的结数为5。
54.实施例4：
55.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，核电池位于集成电路器件13的侧方(如图2)。
56.实施例5：
57.与实施例4相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，电源组由两个核电池串联而成(如图3)。此时，两个核电池的底电极8相连接，且沿朝向集成电路器件13的方向，上一个核电池的下电极5还通过内部电路7连接下一个核电池的上电极3。
58.总的来说，传统的核电池只能利用部分β射线能量并将其转换成电能，而大部分β射线能量以热能的形式耗散无法利用。本发明将热电换能器件引入核电池中，实现了对核电池中低品质废热的再利用，提高了核电池整体对β射线能量的利用效率(图4)，从而可以为集成电路提供长久稳定的能源供给。此外，本发明利用mems加工技术实现了对热电换能器件和pin结换能器件的高集成度一体化和微型化制备，解决了传统工艺中的界面失效问题，有利于提高核电池工作的稳定性并延长核电池的使用寿命。
59.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。