[发明专利]一种砷化镓p-n结型核电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种砷化镓p‑n结型核电池及其制备方法。这种核电池由镍‑63源、砷化镓p‑n结器件和电池防护外壳组成。利用MOCVD外延生长技术获得由p型砷化镓发射层‑n型砷化镓基区层‑n型铝砷化镓背散层‑n型砷化镓衬底层构成的p‑n结，再利用磁控溅射技术在p‑n结上生成相应的欧姆接触电极层形成砷化镓p‑n器件。再将镍‑63源耦合加载到正面格栅电极上，封装制备成一种微型核电池。这种核电池是一种能通过电流做功将镍‑63源的衰变能转化为电能的装置。它因具有体积小、质量轻、使用寿命长、能量密度大和能量转换效率高等特点而成为微机电系统理想的微型电源。

技术领域

本发明涉及利用p-n结器件将放射性核素的衰变能转化为电能的装置，属于核能利用技术领域。

背景技术

随着低功率微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)技术的迅速发展，体积更小、质量更轻、使用寿命更长、集成度更高的微机电器件已经成为主要发展方向。但是，目前低功率微机电系统缺乏与之适配的微型动力源，这极大地限制了微机电系统微型化和集成化发展。结合微机电设备的特点，其对微型电源的要求一般包括以下几个方面：第一，微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的微型器件，它的物理尺寸从开始的毫米量级、微米量级已经发展到纳米量级甚至更小。因此，微机电系统电源的物理尺寸需要达到微米量级、纳米量级甚至更小。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；第二，微型电源作为微机电系统重要的组成部分，它需要和电子器件集成才能满足微机电系统的工作要求。因此，微机电系统电源应满足结构紧凑和集成化封装的设计要求；第三，由于微机电系统的结构不断复杂和功能不断多样化，它的制备工艺难度不断提高。也就是说，这些设备一旦投入使用，如果电源的使用寿命较短，那么整个系统的工作状态就会受到影响。但是，重新加载微型电源又会影响原来的电子设备的性能，甚至是损坏整个设备。因此，长寿命微型电源是微机电系统长时间工作的必要条件；第四，微机电系统所需要的功率一般在毫瓦到微瓦甚至可能是纳瓦量级。低功耗的电子设备需要低功率的微电源。如果微型电源输出的电压和功率过大，它对微机电设备的正常使用是不利的。所以，能量密度高，满足低功率要求的微型电源是微机电系统所必需的。最后，微型电源的环境适应性强将有利于扩大其应用范围。近年来，随着航天、航海和医学技术等方面的微机电系统的发展和需求在不断增加，例如在极地、深海、荒漠、深太空等极端条件下需要使用寿命长、抗干扰能力强、受温度、压力及电磁场等影响小的微型动力源。

在微型动力源方面，常规的微型电池主要有微型化学电池、微型燃料电池、微型太阳能电池。但是，随着微机电系统电子器件的发展，这些常规微型电池已经越来越不能满足其要求。近年来，放射性同位素电池因具有使用寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护和小型化等优点外还可以满足特殊应用领域对电源的特殊要求而受到国、内外学者和企业的广泛重视。其中，β辐射伏特效应核电池因具有使用寿命长、能量密度高、体积小、质量轻、工作稳定、环境适应性强和易防护等优点而成为与微机电系统适配的理想电源。目前，它已成功应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、航标灯、心脏起搏器和微型电动机械等方面，它具有广阔的发展前景。这种类型核电池将β放射源的衰变能转换为电能基本物理过程包括：第一，β粒子通过与半导体材料相互作用过程将其能量沉积在半导体材料内部。通过电离激发过程，半导体材料内部产生大量的辐生电子-空穴对；第二，半导体器件的内建电场会将这些过剩载流子对分开；第三，通过一种有识别性的输运机制，使带负电的自由载流子(电子)向阴极方向迁移，带正电的自由载流子(空穴)向阳极迁移。具体地，带负电的电子到达阴极，经过外电路输运过程中负载上通过电流做功完成能量转换；第四，运动到阳极的带负电的电子与阳极的带正电的空穴复合，使吸收材料原子回到基态。因此，β粒子与物质相互作用是β辐射伏特效应核电池的理论基础，半导体换能器件是其核心部件。显然，提高半导体器件换能单元的性能是提高核电池性能的关键技术。

发明内容

本发明提供了一种砷化镓p-n结型核电池及其制备方法。将镍-63源与砷化镓p-n结器件通过成熟的制备加工工艺集成为适用于微机电系统的微型电源，其基本结构包括：镍-63源、砷化镓p-n结器件和电池防护外壳(见附图1和附图说明)。