專利名稱：肖特基型核電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體核電池器件，尤艽涉及一次轉(zhuǎn)換核電池中的輻射伏 特效應(yīng)核電池，屬于能源應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通常來(lái)說(shuō)，電池包括化學(xué)電池和物理屯池兩大類?；瘜W(xué)電池主要有干電 池、蓄電池、燃料電池、微生物電池等，這些都是人類生活中見(jiàn)慣的常用電池 類型，但此類電池的能量容積相對(duì)較小，無(wú)法滿足K:期供電的需求。物理電池 主要包括太陽(yáng)能電池和核電池兩種，其中核電池也叫同位素電池或原子電池， 是將原子核的放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的電池。按照能量源不同，核電池乂可分 為熱源核電池和輻射能核電池。熱源核電池利用的是同位素衰變熱，如熱電效 應(yīng)核電池；輻射能核電池是利用的同位素衰變時(shí)產(chǎn)生的射線能量，這一能量遠(yuǎn) 遠(yuǎn)人于衰變熱，如伏特效應(yīng)核電池。按能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的次數(shù)可分為一次轉(zhuǎn)換核 電池(如熱電效應(yīng)和伏特效應(yīng)核電池)與二次轉(zhuǎn)換核電池(如輻射-光-伏特效 應(yīng)核電池)， 一般一次轉(zhuǎn)換核電池的效率要高于二次轉(zhuǎn)換核電池。本發(fā)明涉及 的核電池屬于一次轉(zhuǎn)換核電池中的輻射能核電池，即輻射伏特效應(yīng)核電池，其 工作原理是當(dāng)衰變能量射線照到核電池上，因吸收輻射能量而產(chǎn)生輻射電離 效應(yīng)，在材料中產(chǎn)生很多電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在核電池肖特基結(jié)的內(nèi)建電 場(chǎng)作用下分別向肖特基結(jié)和N型側(cè)漂移，在肖特基結(jié)側(cè)將收集到大量的空穴， 而在N型側(cè)將收集到大量的電子，將肖特基接觸電極和N電極連接并加上負(fù)載，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，肖特基接觸電極相當(dāng)于電池的正極，N電極相當(dāng) 于電池的負(fù)極。
核廢料問(wèn)題是當(dāng)今國(guó)際上核能進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙之一，能夠很好的利 用這些特殊的垃圾，變廢為寶，將是一件極有意義和價(jià)值的事情，將可以利用 的核廢料發(fā)電，從整體上看，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的社會(huì)效益。
核電池具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)(由半衰期決定)、可靠性高、能量 密度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、深海、極地等需長(zhǎng)期供電且無(wú)人值守的場(chǎng) 合、心臟起搏器、微納機(jī)電系統(tǒng)、手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品、甚至電動(dòng)汽 車等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種肖特基型核電池及其制備方法，將同位素與 GaN肖特基結(jié)半導(dǎo)體器件通過(guò)簡(jiǎn)單而成熟的制備工藝集成，進(jìn)而將同位素衰變 能直接、高效地轉(zhuǎn)換成電能，加以工業(yè)和生活利用。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種肖特基型核電池，其特征在于包括八1203襯底、n型摻雜 層、表面積小于n型摻雜層的絕緣層、肖特基接觸電極、n型接觸電 極和同位素層；其中n型摻雜層是摻雜濃度在lxl018/cm3 lxlO"/cmS之間的摻硅GaN層，且設(shè)在A1203襯底的拋光面；絕緣層 設(shè)置在n型GaN摻雜層的表面上；肖特基接觸電極和n型接觸電極 分別設(shè)置在GaN絕緣層和n型GaN摻雜層的表面上；純(3同位素層 設(shè)置在肖特基接觸電極上。進(jìn)一步地，上述的肖特基型核電池，其中所述八1203襯底為卩相
藍(lán)寶石，(001)晶相，厚度為200 600[im;所述n型GaN摻雜層 的厚度為l 3|im，其中的Si摻雜是在MOCVD外延同時(shí)控制摻雜濃 度在lxl0"/ctV到lxl019/cm3之間通入SiH4來(lái)實(shí)現(xiàn)的；所述絕緣層 的厚度為15 100pm;所述n型接觸電極是通過(guò)沉積Ti/Al/Ti/Au得 到的，其中Ti厚度20 80nm， Al厚度20 100nm， Ti厚度20 200nm， Au厚度100 300nm;所述肖特基接觸電極是通過(guò)沉積 Ni/Au得到的，其中Ni厚度為5 20nm; Au厚度為10 25nm。
更進(jìn)一步地，上述的肖特基型核電池，其中所述同位素層的上下 兩面分別粘結(jié)一個(gè)GaN肖特基半導(dǎo)體器件。
更進(jìn)一步地，上述的肖特基型核電池，其中在所述A1203襯底和 n型GaN摻雜層之間還可進(jìn)一 步設(shè)有氮化鎵緩沖層。
上述肖特基型核電池，按以下步驟進(jìn)行制備
(1) 在Al203襯底的拋光面上使用MOCVD外延方法生長(zhǎng)n型摻雜 層，并在MOCVD外延同時(shí)控制摻雜濃度在lxl0"/cm3到lxl019/cm3 之間通入SiH4;
(2) 使用HVPE外延方法在n型GaN摻雜層上生長(zhǎng)GaN絕緣層；
(3) 采用半導(dǎo)體加工，在n型摻雜層表面得到n型摻雜層臺(tái)階；
(4) 在裸露的n型GaN臺(tái)階面上磁控濺射并沉積Ti/Al/Ti/Au合 金，形成n型接觸電極，并在GaN絕緣層表面也磁控濺射并沉積完 整覆蓋的Ni/Au合金，形成肖特基接觸電極；
(5) 將同位素層粘結(jié)在肖特基接觸電極的表面；(6)進(jìn)行核電池封裝。
進(jìn)一步地，步驟(l)中在所述A1203襯底的拋光面上先外延一厚度
約為20nm的氮化鎵緩沖層。
應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，大大提高了核電池的能量轉(zhuǎn)換效率和能 量密度(能量容積)，延長(zhǎng)了核電池的使用壽命，同時(shí)也為核廢料變 廢為寶、合理利用創(chuàng)造了有效途徑。


圖1是本發(fā)明肖特基型核電池一實(shí)施例的軸剖面示意圖； 圖2是圖1所示核電池實(shí)施例的俯視示意圖； 圖3是本發(fā)明肖特基型核電池另一實(shí)施例的軸剖面示意圖。 其中，各附圖標(biāo)記的含義為
l一Ab03襯底、2—n型GaN慘雜層、3 —絕緣層、4一肖特基接觸 電極、5—n型接觸電極、6—同位素層、7—氮化鎵緩沖層。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例及其附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一歩詳細(xì)描述 實(shí)施例一
如圖1所示的核電池一實(shí)施例結(jié)構(gòu)軸剖面示意圖，首先準(zhǔn)備A1203圓 片，其可從市場(chǎng)上購(gòu)買獲得單面拋光直徑2英寸C面P-A1203襯底 1，其厚度為300fim。
然后進(jìn)行肖特基晶圓生長(zhǎng)工藝使用MOCVD外延生長(zhǎng)設(shè)備，先 將八1203襯底1在110(TC下通入氨氣氮化2分鐘左右，然后降溫到57(TC通入三甲基鎵和氨氣外延20nm左右的氮化鎵(GaN)緩沖層 7，然后升溫至115(TC在控制硅摻雜濃度在lxl018/cm3的穩(wěn)定情況下 通入三甲基鎵、氨氣和硅烷外延2pm左右的n-GaN摻雜層2，之后 降至室溫，取出樣品；將樣品放入HVPE系統(tǒng)，升溫至107(TC通入 氯化氫、氨氣和金屬鎵外延20pm的GaN絕緣層3，之后再降至室 溫，取出樣品。
接著，使用紫外光刻機(jī)光刻和ICP刻蝕技術(shù)，在n型GaN摻雜 層2的表面得到n型臺(tái)階；在上述n型臺(tái)階上使用磁控濺射技術(shù)沉積 Ti (20nm) /Al ( 20應(yīng))/Ti ( 20證)/Au ( 300nrn)(艮卩Ti沉積 20nm， Al沉積20nm， Ti沉積20nm， Au沉積300nm)制備完成n型 接觸電極5;在上述GaN絕緣層3的表面的上使用磁控濺射技術(shù)沉積 Ni (5nm) /Au ( 10nm)制備完成肖特基接觸電極4;將片狀鎳-63同 位素層6粘結(jié)在肖特基接觸電極4上；封裝制成GaN肖特基型核電 池。
實(shí)施例二
首先準(zhǔn)備八1203圓片，其可從市場(chǎng)上購(gòu)買獲得單面拋光直徑2英寸 C面(3-八1203襯底1，其厚度為400|im。
然后進(jìn)行肖特基晶圓生長(zhǎng)工藝使用MOCVD外延生長(zhǎng)設(shè)備，先 升溫至1150。C在控制硅摻雜濃度在lxl019/cm3的穩(wěn)定情況下通入三 甲基鎵、氨氣和硅烷外延2|im左右的n-GaN慘雜層2，之后降至室 溫，取出樣品；將樣品放入HVPE系統(tǒng)，升溫至107(TC通入氯化 氫、氨氣和金屬鎵外延20)im的GaN絕緣層3，之后再降至室溫，取出樣品。
接著，使用紫外光刻機(jī)光刻和ICP刻蝕技術(shù)，在n型GaN摻雜 層2的表面得到n型臺(tái)階；在上述n型臺(tái)階上使用磁控濺射技術(shù)沉積 Ti (20nm) /Al ( 20nm) /Ti ( 20nm) /Au ( 300nm )(艮[J Ti沉積 20nm， Al沉積20nm， Ti沉積20nm， Au沉積300nm)制備完成n型 接觸電極5;在上述GaN絕緣層3的表面的上使用磁控濺射技術(shù)沉積 Ni (6nm) /Au ( 12nm)制備完成肖特基接觸電極4，由此完成GaN 肖特基半導(dǎo)體器件的制備。
最后在片狀钷-147同位素層7的上下兩面分別粘結(jié)一個(gè)由先前歩 驟制備而成的GaN肖特基半導(dǎo)體器件(同位素層6分別與每個(gè)GaN肖特基 半導(dǎo)體器件的肖特基接觸電極粘結(jié)，如圖3所示)，封裝制成GaN肖特基核 電池。如此將能提高能量轉(zhuǎn)換效率兩倍。
實(shí)施例三
制備方法與上述兩實(shí)施例相同，電池結(jié)構(gòu)既可以選用實(shí)施例一的 單一結(jié)構(gòu)，也可選用實(shí)施例二的復(fù)合結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例的區(qū)別特點(diǎn)在于
該同位素層6還可使用核廢料鍶-90，同樣可以實(shí)現(xiàn)制備高效的輻射 伏特效應(yīng)核電池。
需要注意的是包括上述三個(gè)實(shí)施例在內(nèi)的所有實(shí)施方式中，肖 特基接觸電極的厚度不能超過(guò)40nm (對(duì)于實(shí)施例二所描述的情況取 其一側(cè)計(jì)算)，否則將影響核電池的轉(zhuǎn)換效率。并且，可以將不同的 核電池按照一定的方式集成起來(lái)，從而獲得更高電壓或電流的核電 池，以滿足不同情形的需要。從拓展應(yīng)用上來(lái)看，在2英寸GaN肖特基晶圓上使用光刻技術(shù)將 微能源版圖(每個(gè)核電池為直徑200pm的圓面，如圖2所示)傳遞 到晶圓上，采用CMP減薄拋光A1203至100pm，采用激光劃片機(jī)切 割成邊長(zhǎng)為220x220)im的方格，然后用裂片機(jī)將上述方格裂開(kāi)成分 列的單個(gè)微能源核電池器件，可以與效應(yīng)的MEMS鍵合或集成在一 起，給MEMS提供能源。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)
1. 現(xiàn)有技術(shù)中，投入應(yīng)用的核電池主要是熱電效應(yīng)核電池，使 用在航天器上。熱電效率核電池若想獲得較高的效率，必須要有一定 的功率，因此不適合低功率和微系統(tǒng)供電場(chǎng)所。而MEMS和NEMS 的快速發(fā)展，對(duì)微能源的需求也將快速增長(zhǎng)，這也正是本發(fā)明的一個(gè) 重要應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)楸景l(fā)明的核電池，可制備成體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 單個(gè)電池功率可以做到lpW-5W之間。另外熱電效應(yīng)核電池中使用的 同位素是Pu-238和Po-210，具有很強(qiáng)的毒性，使用很不安全；而本 發(fā)明設(shè)計(jì)的核電池可以使用氳、Ni、 Pm等無(wú)毒的同位素，可以安全 使用；再者熱電效應(yīng)核電池的理論轉(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本發(fā)明的輻射 伏特效應(yīng)核電池。
2. 由于本發(fā)明所述GaN肖特基核電池使用的是最成熟的第三代 半導(dǎo)體材料GaN，它比現(xiàn)有技術(shù)(Si核電池)中的Si材料具有更寬 的帶寬，更好的抗輻射和耐溫性能。因此本發(fā)明的GaN肖特基核電池 效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si核電池(Si最高轉(zhuǎn)換效率為15%，而GaN肖特基 最高轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)30%)。綜上，本發(fā)明肖特基型核電池及其制備方法提供了一種切實(shí)可行 的技術(shù)方案。大大提高了核電池的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度(能量容 積)，延長(zhǎng)了核電池的使用壽命，同時(shí)也為核廢料變廢為寶、合理利 用創(chuàng)造了有效途徑。以上僅是本發(fā)明的若干具體應(yīng)用范例，對(duì)本發(fā)明 的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的 技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.肖特基型核電池，其特征在于電池底部Al2O3襯底表面設(shè)有n型摻雜層，n型摻雜層表面設(shè)有表面積小于n型摻雜層的本征GaN絕緣層，肖特基接觸電極和n型接觸電極分別設(shè)置在對(duì)應(yīng)的絕緣層和n型摻雜層表面上，并在肖特基接觸電極表面設(shè)有相同表面積的純?chǔ)峦凰貙?，其中n型摻雜層是摻雜有硅且摻雜濃度介于1×1018/cm3～1×1019/cm3的GaN層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型核電池，其特征在于所述純[3同位素層為鎳-63、钷-147或鍶-90。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型核電池，其特征在于所述 A1203襯底與n型摻雜層之間設(shè)有氮化鎵緩沖層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的肖特基型核電池，其特征在于所述 n型摻雜層的厚度為1 3pm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型核電池，其特征在于所述 絕緣層的厚度為15 100(im。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型核電池，其特征在于所述 肖特基接觸電極的厚度為15 30nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型核電池，其特征在于所述 同位素層與肖特基接觸電極的表面積一致，其取值介于0.01-l謂mm2。
8. —種制備權(quán)利要求1所述的肖特基型核電池的方法，其特征在于包括步驟(1) 在Al203襯底的拋光面上使用MOCVD外延方法生長(zhǎng)n型摻雜 層，并在MOCVD外延同時(shí)控制摻雜濃度在lxio"/cmS到l><1019/cm3 之間通入SiH4;(2) 使ffl HVPE外延方法在n型GaN摻雜層上生長(zhǎng)GaN絕緣層；(3) 采用半導(dǎo)體加工，在n型摻雜層表面得到n型摻雜層臺(tái)階；(4) 在裸露的n型GaN臺(tái)階面上磁控濺射并沉積Ti/Al/Ti/Au合 金，形成n型接觸電極，并在GaN絕緣層表面也磁控濺射并沉積完 整覆蓋的Ni/Au合金，形成肖特基接觸電極；(5) 將同位素層粘結(jié)在肖特基接觸電極的表面；(6) 進(jìn)行核電池封裝。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制備肖特基型核電池的方法，其 特征在于步驟(l)中在所述A1203襯底的拋光面上先外延一氮化鎵緩 沖層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了肖特基型核電池及其制備方法，通過(guò)一次MOCVD外延和一次HVPE外延的復(fù)合外延技術(shù)生長(zhǎng)獲得襯底-n型GaN摻雜層-絕緣GaN摻雜層結(jié)構(gòu)的肖特基型器件材料結(jié)構(gòu)，再使用半導(dǎo)體微加工工藝濺射生成對(duì)應(yīng)的接觸電極，制備形成基本的電池器件，并將同位素耦合到肖特基接觸電極上，封裝制備完成核電池。由于核電池的壽命取決于同位素的半衰期，故而本發(fā)明可以靈活使用防護(hù)簡(jiǎn)單的同位素種類(純?chǔ)峦凰?，大大提高了核電池的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度(能量容積)，延長(zhǎng)了核電池的使用壽命，同時(shí)也為核廢料變廢為寶、合理利用創(chuàng)造了有效途徑。
文檔編號(hào)H01L21/205GK101527174SQ200910030429
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者敏 陸 申請(qǐng)人:蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所