[发明专利]一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池

说明书

本发明公开了一种基于砷化镓p‑n结器件的β型核电池。这种核电池是由放射源镍‑63源、砷化镓p‑n结换能器件和电池外壳组成。利用MOCVD外延生长技术及设备制备砷化镓p‑n结，这种p‑n结包括：n型砷化镓衬底层、n型砷化镓缓冲层、n型铝砷化镓层、n型砷化镓基区层和p型砷化镓层。利用磁控溅射技术在p‑n结的上表面和下表面分别生成正面格栅电极层和背面电极层。由砷化镓p‑n结和电极层构成砷化镓p‑n结器件。然后，在正面格栅电极层和背面电极层上分别焊接金引线形成电池的正、负极引线。接着，将薄片放射源镍‑63源放置于砷化镓p‑n结器件的正面格栅电极层上。最后，将整个装置封装后制备成一种基于砷化镓p‑n结器件的β型核电池。

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

随着科技的进步，以微机电系统(MEMS)为代表的低功率电子器件技术飞速发展。例如，从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统的传感器，微机电系统已经应用到了人们的日常生活。微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的集微电源、微传感器、微执行器、微机械结构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信于一体的微型器件或系统。因此，微机电设备一般都具有体积小、质量轻、功率小、便于移动、性能稳定、成本低和可植入性等特点，它们在各行各业都有非常广泛的应用前景。核电池是20世纪50、60年代发展起来的一种新型能源。核电池具有寿命长、工作可靠、对环境适应性强、维护频率低、比容量高、不依赖燃料和太阳光等优点。因而，核电池在航空、航天、航海领域、深海、深地、极地领域、医学领域和微机电系统中都有广泛的应用。近年来，半导体材料和半导体器件制备工艺的迅速发展使得β辐射伏特效应核电池成为核电池研究领域的热点。这种核电池因具有体积小、质量轻、可微型化和可集成化的特点使它成为微机电系统进一步发展的理想微型电源。

β辐射伏特效应核电池是将β放射源的衰变能转换为电能的装置。这种类型核电池的能量转换必须具备以下基本步骤：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；半导体器件的内建电场会将这些过剩载流子对分开；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后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。

对于确定的β放射源和半导体换能器件，β辐射伏特效应核电池的输出性能主要取决于放射源在换能器件内部的主要能量沉积区域和半导体换能器件内有效能量吸收区域的匹配程度，当这两个区域相匹配时可以有效地提高放射源的能量利用率。但是，实际的核电池样品测量中，其输出性能远远小于其理论计算值。主要原因之一是放射源在材料内部的电离作用范围与半导体换能器件内有效能量转换区匹配情况很差造成的。在β辐射伏特效应核电池中，β粒子与半导体材料相互作用的过程中会产生大量的辐生电子-空穴对。半导体器件耗尽层内的电子-空穴对在其内建电场的作用下会被全部扫出该区域，在耗尽层之外的辐生电子-空穴对只有扩散到耗尽层内才能被其内建电场分离。那些未能扩散到耗尽层内的辐生电子-空穴对会复合产生热量。通常，在半导体器件内部耗尽层和距离耗尽层边缘一个少子扩散长度的区域统称为有效的能量吸收区。通常，实际生产中p-n结的耗尽层宽度只有几个微米，而常见β放射源在材料中的电离作用范围从几个微米到几个厘米不等。β辐射伏特效应核电池制备过程中，需要根据放射源在材料中的电离作用范围设计换能器件的主要能量吸收区进而提高放射源的能量利用率。综上所述，核电池的输出性能由放射源、放射源释放的载能粒子在换能材料中的输运过程、半导体换能器件及其制备工艺等决定。

发明内容

本发明提供了一种基于砷化镓p-n结器件的β型核电池。通过MOCVD设备及磁控溅射装置制备出砷化镓p-n结器件，再将放射源镍-63源与砷化镓p-n结器件组装成适配微机电系统的微型电源。这种核电池的基本结构包括：放射源镍-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)。