[发明专利]一种辐射伏特同位素电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型同位素电池，尤其涉及一种以外延硅基肖特基为换能器件的辐射伏特同位素电池及其制备方法，用于将放射性衰变能直接转换成电能，属微机电系统中的微能源领域。

背景技术

同位素电池是通过利用放射性同位素的衰变能经换能单元转换成电能的一种供能装置。辐射伏特同位素电池是利用PN结或肖特基结的内建电场将同位素衰变发出的射线在半导体中激发产生的电子——空穴对（EHPs）分离并通过两电极收集引出而产生电流。辐射伏特同位素电池由于具有结构紧凑，小尺寸、长寿命、可靠性高和免维护等优特点，可望用于植入式微系统、无线传感器节点网络后备电源以及人工心脏起搏器和便携式以及深海深空等需更换不便的长期供电设备。

 早在1953年，P. Rappaport就利用半导体Si的PN结开展辐射伏特同位素电池研究，L.C. Olsen等在上世纪70年代研制了Betacel原型辐射伏特同位素电池。目前，国内外众多研究机构（如美国Wisconsin大学、Cornell大学、Rochester大学、Delaware大学，BetaBatt公司，widetronix 半导体公司等）大量的研究集中于半导体换能器件包括采用宽禁带新半导体材料以及新技术改进等以提高电池的转换效率。目前，在辐射伏特同位素电池研究中，尽管基于SiC、GaN等宽禁带半导体材料的换能器件获得了比硅基换能器件高的转换效率，但在宽禁带材料以及器件加工技术成熟度方面远不如硅基器件，在成本和后续电池与MEMS集成以及实际应用方面也远不如硅基器件有优势，这使得硅基换能器件仍成为辐射伏特同位素电池研究的重点。

BetaBatt公司以及美国专利US7939986B2等提出了采用三维多孔器件作为换能器件，三维多孔换能器件可以增加单位体积内的有效结面积，增加放射源的加载量并提高射线利用率。但现阶段难以制备大的深宽比三维多孔换能器件，使得有效结面积提升有限。同时，与制备三维多孔半导体相比，将三维多孔制备成换能器件更为困难，器件技术参数难于控制，器件稳定性能差。因此，在实际所获得的三维多孔换能器件中其性能甚至不及一些传统平面的换能器件，并且三维多孔换能器件尚存在放射源加载困难等问题。

 乔大勇等人在专利《具有保护环结构的微型核电池及其制备方法》（专利号CN101599308A）中提出采用保护环结构，以抑制表面漏电流，降低暗电流，从而使得辐射伏特同位素电池开路电压得到提高进而提高电池转换效率。但该专利放射源与换能器件的加载采用的是分离元件，放射源的具体加载不明确。

目前包括上述专利和众多发表的硅基辐射伏特同位素电池中都采用单晶硅作为换能器件的基材，由于受限于加工技术和材料本身限制，单晶硅基材厚度通常远大于辐射伏特同位素电池换能器件所需的理想基材厚度。因此目前采用单晶硅作为换能器件制备的基材存在下述矛盾：为减少载流子在单晶硅基材中输运过程中的复合，采用低掺杂高阻硅基材则会因为形成的PN结势垒高度等原因导致所获得的电池开路电压较低（一般0.1V左右）；而采用中、高掺杂低阻（0.1~1Ω·cm）硅基材，虽然能获得更高的开路电压，但会因基材太厚，导致在内建电场分离的载流子在基材向电极输运中复合损失严重，导致短路电流降低等问题。

刘云鹏等人在专利《外延硅基PIN结微型同位素电池及其制备方法》（专利号CN102522136A）中，为减小常规PN结换能器件内阻，采用外延硅基PIN结构制备换能器件。但在该专利中采用外延换能器件仅用于减小换能器件内阻和超浅结换能器件的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服基于单晶硅换能器件的辐射伏特同位素电池中的不足，提供一种辐射伏特同位素电池及其制备方法。采用本发明既满足高掺杂以获得高开路电压又满足薄基层减少载流子输运损失、易加工且耐辐射更强的换能器件。

本发明的辐射伏特同位素电池，包括外延硅基肖特基结型换能器件与加载放射源，其中，外延硅基肖特基结型换能器件由下至上分别由下电极金属层、N⁺或P⁺型硅基材层、外延N或P型硅层、肖特基势垒金属层、绝缘钝化层、上电极构成。