[发明专利]一种宽禁带氧化物肖特基结β核电池单元的制备方法

说明书

本发明属于半导体器件技术与核科学技术领域，具体涉及一种宽禁带氧化物肖特基结β核电池单元的制备方法，通过两步水热法在基底上生长n型β‑Ga₂O₃织构膜，然后高温退火后与石墨烯或碳纳米管或金属Ti/Au膜顶电极组装得到Ga₂O₃基肖特基二极管单元；最后在Ga₂O₃基肖特基二极管单元上贴附超薄63Ni辐射源薄膜得到宽禁带氧化物肖特基结β辐射伏特核电池，制备的β辐射伏特核电池为深空、深海、极地等极端恶劣环境提供能够不依赖外界输入能量持续供电的可靠电源；通过掺杂金属元素实现宽禁带半导体能带结构控制，通过使用表面活性剂进行宽禁带半导体生长形态调控，实现宽禁带半导体的生长形态调控及能带结构控制。

技术领域

本发明属于半导体器件技术与核科学技术领域，具体涉及一种宽禁带氧化物肖特基结β核电池单元的制备方法。

背景技术

极端恶劣环境下，各类型电子器件系统的现有电池系统如化学电池、太阳能电池和燃料电池等，无法适应超高/低温、强辐射、高真空、充电困难等苛刻工作条件。因此，极端环境下能够免维护、长寿命、高转换效率的适配电源对于人类走向深空、迈向深海、踏入极地具有重要的科学与应用价值。β辐射伏特核电池因具备寿命长、单位能量密度高、抗外界干扰能力强、稳定可靠且无需维护和更换以及易于微型化与集成化等特点，是一种理想可靠长效的微型能源，成为 MEMS 和新能源领域的重要发展方向。

β辐射伏特电池的工作原理与太阳能电池相近，其换能装置主要是半导体器件（p-n 结，p-i-n 结或者肖特基二极管）。如图4所示，β粒子首先由同位素发射，当β粒子与半导体物质相互作用时，β粒子的电离作用产生辐生电子-空穴对。随后，β射线产生辐生电子-空穴对之后，基于p-n结或者p-i-n结的β辐射伏特效应核电池，原理类似于光伏电池，在p-n结、p-i-n结或者肖特基结内建电场作用下，电子-空穴对进行分离并且被两个电极收集，转化成电能。β辐射伏特核电池中常用的结构是p-n结结构和肖特基结构。p-n结的内建电场使电子-空穴对分离，其制备工艺相对简单，成本较低。随着半导体加工工艺的发展，肖特基结越来越多地应用于同位素电池中p-n结相对比，肖特基结抗辐射能力强，制备出的同位素电池电学输出也更为稳定。

β射线伏特电池的几大关键问题依旧未能有效解决：1）辐射防护问题：β射线照射下，半导体材料性能会逐步衰退，但宽禁带半导体Ga₂O₃材料有望改善该问题；2）宽禁带半导体掺杂困难：作为电池换能材料，需要半导体具有良好的载流子迁移能力，宽禁带半导体本征载流子浓度低，需要掺杂提高浓度，但是生长过程中，掺杂和掺杂元素的缺陷激活较为困难，需要长期研究克服；3）集成提升输出功率困难：现已证明β射线伏特电池性能提升的有效途径有二，其一是提升单个器件输出，其二是进行串并联集成。

相比于第三代半导体，β-Ga₂O₃具有禁带宽度更大、击穿场强更高、Baliga 品质因子更大、吸收截止边更短、生长成本更低、能带工程调控简单的优点，有望成为高压、大功率、低损耗功率器件和深紫外光电子器件的优选材料。同时，作为宽禁带半导体的β-Ga₂O₃具有强键合特性，其原子从其晶格位置置换的能量很高，所以抗辐照能力很强。β-Ga₂O₃的掺杂研究较多，可以实现多种元素的掺杂，对于氧化镓能带结构以及载流子数量、载流子迁移率的调控比较容易实现。因此β-Ga₂O₃在β-辐射伏特核电池领域有极好的前景。