[發明專利]采用氧化鋅層改善性能的金剛石肖特基同位素電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201910735205.7
• 申請日: 2019-08-09
• 公開（公告）號: CN110428923B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 朱嘉琦;劉本建;代兵;劉康;楊磊;韓杰才
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06;H01L29/06;H01L21/329;H01L29/872
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 侯靜

采用氧化鋅層改善性能的金剛石肖特基同位素電池及其制備方法，本發明屬于微能源領域，它為了解決現有同位素電池的短路電流、開路電壓以及能量轉換效率較低的問題。本發明采用氧化鋅層改善性能的金剛石肖特基同位素電池包括放射源、電池肖特基電極、氧化鋅層、本征金剛石層、摻硼p型金剛石層和電池歐姆電極，該金剛石肖特基同位素電池從上至下依次由放射源、電池肖特基電極、氧化鋅層、本征金剛石層、摻硼p型金剛石層和電池歐姆電極形成疊層結構。本發明在本征金剛石層和肖特基電極之間插入一層氧化鋅層，此氧化鋅層能夠阻擋空穴、同時傳輸電子，從而起到了減少電子空穴對復合的作用，進而提升能量轉換效率。

技術領域

本發明屬于微能源領域，具體涉及含有氧化鋅層的金剛石肖特基同位素電池及其制備方法。

背景技術

微機電系統是一種尺寸在毫米級或者微米級的高度集成化智能系統。其具有尺寸小、功耗低、性能穩定等優點。微機電系統屬于當代多學科交叉研究的重點領域，將是未來國防軍事及國民經濟領域新的增長點。微機電系統的小型化，低功耗的特點意味著其供電系統應具有尺寸小，且能夠長時間穩定供電的特點。基于同位素輻射福特效應的同位素電池以其長時間穩定供電無需更換、能量密度高、易于小型化、能夠適用于各種極端環境等優點，成為微機電系統的優良的能源提供者。

基于輻射伏特效應的同位素電池現在已經成功的運用到心臟起搏器中。這些電池一般是用硅基材料制作的半導體器件作為換能結構。隨著半導體禁帶寬度的增加，同位素電池最大理論轉換效率也隨之增加。因此，寬禁帶半導體相對于硅等窄禁帶半導體來說具有一定的優勢。金剛石具有5.5eV的禁帶寬度，比常見的寬禁帶半導體如氮化鎵，氧化鋅等都要寬。同時金剛石的具有良好的抗輻射特性，其成功用于各種高能輻射探測器中。因此，金剛石是同位素電池半導體材料的良好候選者。

現在的金剛石同位素電池主要是基于金剛石肖特基器件。其開路電壓和短路電流都與理論值相差較遠，因此能量轉換效率也相對較低，限制了其應用。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有同位素電池的短路電流、開路電壓以及能量轉換效率較低的問題，而提供一種采用氧化鋅層改進的金剛石肖特基同位素電池及其制備方法。

本發明采用氧化鋅層改善性能的金剛石肖特基同位素電池包括放射源、電池肖特基電極、氧化鋅層、本征金剛石層、摻硼p型金剛石層和電池歐姆電極，該金剛石肖特基同位素電池從上至下依次由放射源、電池肖特基電極、氧化鋅層、本征金剛石層、摻硼p型金剛石層和電池歐姆電極形成疊層結構。

本發明采用氧化鋅層改善性能的金剛石肖特基同位素電池的制備方法按以下步驟實現：

一、在摻硼p型金剛石基底層上，利用微波等離子體化學氣相沉積法外延生長本征金剛石層，得到生長有本征金剛石層的金剛石基底；

二、將步驟一得到的生長有本征金剛石層的金剛石基底置于濃H₂SO₄和濃HNO₃的混合溶液中，加熱至煮沸處理0.5～1小時，然后依次置于丙酮、去離子水和無水乙醇中進行超聲清洗，得到清洗后的生長有本征金剛石層的金剛石基底；

三、將清洗后的生長有本征金剛石層的金剛石基底放置到磁控濺射裝置中，在摻硼p型金剛石襯底一側濺射歐姆電極；

四、在步驟三所得的金剛石基底的本征金剛石層上磁控濺射氧化鋅層；

五、在步驟四所得的金剛石基底的氧化鋅層上面通過磁控濺射肖特基金屬電極層，即得到包含氧化鋅層的金剛石肖特基換能單元；

六、在金剛石肖特基換能單元肖特基電極上加載同位素²⁴¹Am放射源，得到氧化鋅層改善性能的金剛石肖特基同位素電池。