[发明专利]一种PIN型核电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体核电池器件，尤其涉及一次转换核电池中的辐射伏特效应核电池，属于能源应用领域。

背景技术

通常来说，电池包括化学电池和物理电池两大类。化学电池主要有干电池、蓄电池、燃料电池、微生物电池等，这些都是人类生活中见惯的常用电池类型，但此类电池的能量容积相对较小，无法满足长期供电的需求。物理电池主要包括太阳能电池和核电池两种，其中核电池也叫同位素电池或原子电池，是将原子核的放射能直接转换为电能的电池。按照能量源不同，核电池又可分为热源核电池和辐射能核电池。热源核电池利用的是同位素衰变热，如热电效应核电池；辐射能核电池是利用的同位素衰变时产生的射线能量，这一能量远远大于衰变热，如伏特效应核电池。按能量转换过程的次数可分为一次转换核电池(如热电效应和伏特效应核电池)与二次转换核电池(如辐射-光-伏特效应核电池)，一般一次转换核电池的效率要高于二次转换核电池。本发明涉及的核电池属于一次转换核电池中的辐射能核电池，即辐射伏特效应核电池，其工作原理是：当衰变能量射线照到核电池上，因吸收辐射能量而产生辐射电离效应，在材料中产生很多电子空穴对，电子空穴对在核电池PN结的内建电场作用下分别向P型和N型侧漂移，在P型侧将收集到大量的空穴，而在N型侧将收集到大量的电子，将P电极和N电极连接并加上负载，在回路中就会产 生电流，P电极相当于电池的正极，N电极相当于电池的负极。

核废料问题是当今国际上核能进一步发展的最大障碍之一，能够很好的利用这些特殊的垃圾，变废为宝，将是一件极有意义和价值的事情，将可以利用的核废料发电，从整体上看，将会产生巨大的经济效益和广泛的社会效益。

核电池具有体积小、重量轻、寿命长(由半衰期决定)、可靠性高、能量密度高等优点，因而在航空航天、深海、极地等需长期供电且无人值守的场合、心脏起搏器、微纳机电系统、手机、笔记本电脑等电子产品、甚至电动汽车等领域有着广泛应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PIN型核电池及其制备方法，将同位素与GaNPIN半导体器件通过简单而成熟的制备工艺集成，进而将同位素衰变能直接、高效地转换成电能，加以工业和生活利用。

本发明的技术解决方案是：

一种PIN型核电池，其特征在于：包括Al₂O₃衬底、n型掺杂层、绝缘层、p型掺杂层、p型接触电极、n型接触电极和同位素层；其中n型掺杂层是掺杂浓度在1×10¹⁸/cm³～1×10¹⁹/cm³之间的掺硅GaN层；而p型掺杂层是掺杂浓度在1×10¹⁹/cm³～1×10²⁰/cm³之间的掺镁GaN层。n型GaN掺杂层设在Al₂O₃衬底的抛光面，绝缘层设置在n型GaN掺杂层的表面上，p型掺杂层设置在绝缘层的表面上，p型接触电极和n型接触电极分别设置在p型GaN掺杂层和n型GaN掺杂层的表面上；纯β同位素层设置在p型接触电极上。

进一步地，上述的PIN型核电池，其中所述Al₂O₃衬底为β相蓝宝石，(001)晶相，厚度为200～600μm；所述n型GaN掺杂层的厚度为1～3μm，其中的Si掺杂是在MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×10¹⁸/cm³到1×10¹⁹/cm³之间通入SiH₄来实现的；所述绝缘层的厚度为15～100μm；所述p型GaN掺杂层的厚度为15～30nm，其中Mg掺杂是在继续进行MOCVD外延同时控制掺杂浓度在1×10¹⁹/cm³到1×10²⁰/cm³之间通入二茂镁来实现的；所述n型接触电极是通过沉积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p型接触电极是通过沉积Ni/Au得到的，其中Ni厚度为5～20nm；Au厚度为10～25nm。

更进一步地，上述的PIN型核电池，其中所述同位素层的上下两面分别粘结一个GaN PIN半导体器件。