[发明专利]一种同位素电池制作方法及结构

说明书

技术领域

本发明一种同位素电池制作方法及结构，属于微机械电子系统中的微能源领域。

背景技术

微能源是微系统发展中的一个瓶颈问题，研究高效、长寿命的微能源是微系统发展中一直追求的目标。虽然广泛开展了微能源的研究工作，储能原理也在不断改进，但单位体积能量密度却始终没有得到有效的提高，微能源的研发速度始终落后于IC技术和微传感器与微执行器技术。随着无线传感网络技术的发展，现有化学电池的使用寿命远远达不到无线传感器节点的使用要求。鉴于以上分析，寻找高能量密度、长寿命的微型化电源成为MEMS领域的一个关键问题，并被列为未来十大科技之一。

同位素电池是利用放射性同位素衰变时发射粒子所带动能发电的电源装置，同位素电池的实质性研究始于上个世纪50年代，随着核反应堆的投入运行和同位素分离技术的发展，以及航天技术对长寿命电源的需求，第一代热机制同位素电池于上世纪50年代后期在美苏两国研制成功，但热机制同位素电池在安全性和结构上都难以应用到微系统中。随着对放射性同位素研究的深入以及半导体技术、压电功能材料技术的迅猛发展，在技术和材料上提供了制作长寿命微型同位素电池的条件。

β辐射伏特效应的研究始于上世纪50年代，β辐射伏特效应PN结同位素微电池的工作原理和太阳能电池相近，它是利用同位素中释放出来的电子代替光子在半导体中激发出电子空穴对。在PN结同位素微电池的研究方面，美国Wisconsin University的Jake Blanchard等人制作出了面积为4×4mm²的平面式和倒金字塔式的PN结同位素电池。他们在平面式PN结同位素微电池的表面分别电镀了0.25mCi和1mCi的⁶³Ni同位素源，测量出的短路电流分别为0.71nA和2.41nA，开路电压分别为64mV和115mV，最大输出功率分别为0.04nW和0.24nW，经过1年时间后，电池性能无明显下降。现有技术研制的PN结同位素电池，其输出电压一般为毫伏级，输出电流为微安、纳安级，由于输出电流、电压很低，在应用范围上受到了很大限制。

发明内容

本发明的目的是克服上述同位素电池的不足，制作一种具有选择性发射极结构的同位素电池，采用该结构的同位素电池其输出电压和输出电流要高于背电场式同位素电池，选择性发射极结构提高电离载流子的收集率，减小扩散死层的影响，从而改善扩散层的整体性能，应用范围更加广泛。

本发明采用的技术方案是一种同位素电池制作方法采用P型硅为衬底，首先采用掺杂浓度为10¹⁴/cm³～10¹⁵/cm³晶向为<100>的P型硅为衬底，即P型区5；然后在P型区5的上表面掺杂磷，掺杂浓度为10^19～20/cm³，形成N型区3；这样在P型区5和N型区3之间就产生了PN结4；在P型区5的下表面掺杂硼，掺杂浓度为10¹⁶/cm³，形成P⁺区6；在P型区5的上表面制作电极的区域进行二次掺杂磷，掺杂浓度为10^20～21/cm³，形成重掺杂N区8，即形成选择性发射极结构；然后对硅片进行退火，在N型区3的上表面生成100nm二氧化硅保护层2；在P型区5的上下表面溅射金属铝，形成电池的上电极1和下电极7，就完成了具有选择性发射极的同位素电池的制作方法。

一种同位素电池其结构由上电极1、二氧化硅保护层2、重掺杂N区8、N型区3、PN结4、P型区5、P⁺区6、下电极7组成。

本发明的效果是采用选择性发射极结构的同位素电池，其输出性能要优于背电场式同位素电池。选择性发射极结构提高电离载流子的收集率，提高同位素电池的输出电压，降低电池的串联电阻，减小电离少数载流子的表面复合，减小扩散死层的影响，从而改善扩散层的整体性能。

附图说明

图1是背电场式同位素电池结构示意图

图中：1-上电极；2-二氧化硅保护层；3-N型区；4-PN结；5-P型区；6-P⁺型区；7-下电极。

图2是选择性发射极式同位素电池结构示意图

图中：1-上电极；2-二氧化硅保护层；3-N型区；4-PN结；5-P型区；6-P⁺型区；7-下电极；8-重掺杂N型区。

图3是背电场式同位素电池结构的能带图