[發(fā)明專利]一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210110741.6
• 申請日: 2012-04-17
• 公開（公告）號: CN102610289A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王關(guān)全;楊玉青;胡睿;劉業(yè)兵;徐建;李昊;張華明;鐘正坤;羅順忠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;韓志英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于同位素電池領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池。

背景技術(shù)

根據(jù)輻射伏特效應(yīng)和半導(dǎo)體結(jié)型器件的特殊性質(zhì)，可以將放射性同位素的衰變能轉(zhuǎn)換為電能，制成輻射伏特效應(yīng)同位素電池。這種電池不僅具有一般同位素電池能量密度高、壽命長、免維護、抗干擾性強等優(yōu)點，還可以做到很小的體積和很輕的質(zhì)量，兼之其主要部份是半導(dǎo)體器件，容易與其它半導(dǎo)體器件集成在一起，因此輻伏同位素電池成為MEMS、IC以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等微小系統(tǒng)的最佳供電電源之一。近年來，隨著MEMS、IC和物聯(lián)網(wǎng)的大力發(fā)展，輻伏同位素電池也正在受到越來越多的關(guān)注。但是從目前的結(jié)果來看，輻伏同位素電池的電輸出性能仍然很低，輸出電流、電壓不能滿足微系統(tǒng)對供電的要求，因此有必要發(fā)展電輸出性能更高的輻伏同位素電池。

換能單元用的器件是決定輻伏同位素電池電輸出性能的關(guān)鍵，目前發(fā)展比較成熟的換能單元器件是單晶硅基PN結(jié)型器件，但是這種器件能量轉(zhuǎn)換效率比較低。寬帶隙半導(dǎo)體材料器件被公認(rèn)為可以提高輻伏同位素電池轉(zhuǎn)換效率，理論上轉(zhuǎn)換效率可以從單晶硅最高20％左右提高到40％（M.?V.?S.?Chandrashekhar，等人，Applied?physics?letters，2006，88，033506）。GaN就是很有前途的寬帶隙半導(dǎo)體材料之一。但是目前的GaN材料電子（空穴）遷移率還很低，其結(jié)型器件作為輻伏同位素電池?fù)Q能單元，其電性能提升程度有限，尤其是實際輸出電流并不高。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服輻伏同位素電池電輸出性能低，尤其短路電流和開路電壓太小的不足，本發(fā)明提供一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池。本發(fā)明的同位素電池可以大幅提升短路電流和開路電壓等電輸出性能。

本發(fā)明的一種氮化鎵基多結(jié)換能單元同位素電池，其特點是，所述的同位素電池含有氮化鎵基多結(jié)換能單元和輔助部件；所述的換能單元包括藍寶石基底、緩沖層、N氮化鎵層、N⁺氮化鎵層，i氮化鎵層，P⁺氮化鎵層、P氮化鎵層，SiO₂保護層、正面電極以及臺階電極；氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系是，SiO₂保護層、P⁺氮化鎵層、P氮化鎵層、i氮化鎵層、N氮化鎵層、N⁺氮化鎵層、緩沖層、藍寶石基底從上至下依次排布，在P⁺氮化鎵層表面制作正面電極且不被SiO₂保護層覆蓋，在N⁺氮化鎵層裸露的環(huán)形表面制作臺階電極，構(gòu)成P⁺PiNN⁺型的氮化鎵基多結(jié)換能單元；所述的輔助部件包括放射源片、外封裝層、內(nèi)封裝層、正引線、負(fù)引線、正電極柱、負(fù)電極柱、絕緣膠以及底座；輔助部件中各部分的排列關(guān)系是，放射源片置于SiO₂保護層之上正中央，在藍寶石基底正下方與底座正上方之間設(shè)置有絕緣膠，正引線的一端連接在正面電極上，另一端連接在正電極柱上；負(fù)引線的一端連接在臺階電極上，另一端連接在負(fù)電極柱上；所述的放射源片至底座之間排布的各部分均通過內(nèi)封裝層固定，在內(nèi)封裝層的外圍包覆有外封裝層；正電極柱、負(fù)電極柱分別垂直于底座，并穿過底座、內(nèi)封裝層和外封裝層。

所述的氮化鎵基多結(jié)換能單元中各部分的排列關(guān)系替換為，SiO₂保護層、N⁺氮化鎵層、N氮化鎵層、i氮化鎵層、P氮化鎵層、P⁺氮化鎵層、緩沖層、藍寶石基底從上至下依次排布，在N⁺氮化鎵層表面制作正面電極且不被SiO₂保護層覆蓋，在P⁺氮化鎵層裸露的環(huán)形表面制作臺階電極，構(gòu)成N⁺NiPP⁺型的氮化鎵基多結(jié)換能單元。

所述的P⁺氮化鎵層摻雜濃度為1×10¹⁷～1×10¹⁸/cm³，P氮化鎵層摻雜濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³，i氮化鎵層為非故意摻雜層，N氮化鎵層摻雜濃度為1×10¹⁷～1×10¹⁸/cm³，N⁺氮化鎵層摻雜濃度為1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³。