核电池
- 格式：docx
- 大小：1.01 MB
- 文档页数：10
(e): RIE除去Si3N4掩模层,用掩模版光刻,RIE除去多余SiO2掩膜层,形成掺杂p型区的窗口,此掺杂窗口避开了n型区的金属电极区,并为其留出了电极面积5倍以上的间隙；
(f):浓硼扩散形成结深为1μm,p型区浓度为1020/cm3的p-n结；
结果在未被掺杂的p型区与n型区的表面分别留下了电极区,并形成欧姆联结。两电极间距为2mm,避免了过大的漏电流。电镀区淀积在垂直侧壁方孔阵列表面,且完全控制在p型区内,防止电池内部的短接。电镀区的金属层厚度为100nm,减小了β离子穿过电镀区过多的能量损耗。
关键词：微机电系统，微型核电池，辐射伏特，PN结，PIN结
1引言
微机电系统和纳米技术的研究在过去20年取得了巨大的进展,研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而,能量供给装置很难微小型化到相应尺度。传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件,这导致了整个系统体积增大、、频繁充电或电池单元组布置的困难。因此,研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中,基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型燃料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机并供给燃料到工作腔中,或者促成化学反应实现能量转换。微型铿电池也在研究当中,但是这类电池目前能量密度低,寿命短。目前研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列,其缺点在于需要光作为原始作上、下电极，作为器件打线以及降低器件整体串联电阻的导电层；
2)SiO2钝化层采用SiO2作为钝化层，降低半导体表面活性，以此来降低少数载流子表面复合速度，提高电池的开路电压和短路电流；
3) 硅区注入B形成 硅区，在高阻 层界面处形成突变PN结；
4) 硅区PN结式微型核电池中一般使用掺杂浓度较高的N型硅片作为衬底，在衬底的上表面扩散一层高掺杂的P区，从而形成PN结。但高掺杂衬底使得耗尽层宽度较小，电子空穴对的吸收能力差，影响器件性能.。本结构则是利用 硅层和 型(高阻)衬底之间的浓度差，形成宽度较大的耗尽层；
6.2微型核电池的工艺流程
图8
a)注入杂质P和B；
b)生长SiO2钝化层并图形化；
c)制作正面电极和背面电极。
7自震荡悬臂梁式核电池
弹性变形的悬臂粱放于距离放射源一段间隔的位置，当悬臂粱收集了来自放射源的带电荷粒子后．放射源剩余负电荷。因此，产生了静电力，将悬臂粱吸引向放射源：当悬臂粱接触到放射源，悬臂粱放电从而回到初始位置，再次进行下一循环周期的电荷收集。因此．实现了自主往复式悬臂粱．或称直接收集型电运动转换装置。图9为其结构。
对加工好的能量转换结构进行放射源电镀,采用含有次磷酸根的镍盐水溶液通过化学镀层的方式形成Ni-63。次磷酸根可以使用次磷酸纳,次磷酸钾或者次磷酸氨获得。电镀只在电镀区进行,对电极区进行有机硅橡胶涂敷保护,以便以后引出导线。电镀后,在微电池表面进行密封处理,避免放射源在工作时受到外界影响。
图6 能量转换结构
在航海、航空导航等领域海底设施,如海下声纳、各种海下科学仪器与军事设施、海底油井阀门的开关和海底电缆中继器等,所用核电池既能耐5—6km深海的高压,安全可靠地工作,花费成本又少。
同时，随着技术的不断发展，微型核电池将在航空、航天、航海、医疗等领域发挥更大的作用。
9国内外微型放射性同位素电池研究现状
与传统能源相比，利用衰变能的微型放射性同位素电池具有：不需外界为其提供燃料、能独立工作、结构简单、使用寿命长等特点。因此世界各地都开展了关于微型核电池的研究。2002年，美国Wisconsin大学Madison分校的Blanchard领导的研究小组[7-9]，在美国能源部(DOE)的支持下，对MEMS微型核电池进行了具有开创性意义的工作，证明利用放射性元素衰变释放的能量为MEMS器件供电的可行性。2003年，美国Cornell大学Lal研究小组在美国国防部高级研究计划署(DARPA)和美国国家科学基金(NSF)的支持下，对纳功率MEMS核电池的开展探索研究：以63NiCl溶液为放射源，将p-n结表面设计成倒金字塔形，从而提高p-n结对β粒子的收集效率。
同太阳能电池类似，同位素核电池的原理可以描述为：
（1）半导体两面经过掺杂形成PN结时，结内就存在了内建电场，放射性同位素辐射出β粒子，其中动能大于半导体材料电离能的β粒子能使半导体原子电离产生电子-空穴对；
（2）当电子或空穴运动到PN结时，在这个内建电场作用下，可实现对电子空穴对的分离，即电子向N区、空穴向P区运动；
6PIN结微型核电池简介
6.1PIN微型核电池结构
硅基PN结式微型核电池输出功率已达到纳瓦级，但其结构的局限性导致电荷收集区域狭小，少子寿命短，能量转换效率低下。图7为有保护环结构的PIN复合结换能结构(其中I代表高阻N－型硅)，可以克服衬底掺杂浓度较大而造成的少子寿命短、耗尽层宽度小等缺点，增大电子空穴对的收集空间，并且通过合理设计的保护环来降低漏电流密度，提高开路电压，最终提升能量转换效率。
图9
8微型核电池的应用
MEMS是一个飞速发展的领域，并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备。包括：“芯片上的实验室”、微机加工隧道扫描显微镜、用于生物制剂的徽吸探测器、用于DNA识别的微系统等．目前，这些设备受到缺乏随机电源的限制，目前正在研究的解决方法包括燃料电池、矿物燃料以及化学电池．但这些方法都有其局限性．对于长寿、高能密度的设备，随机的放射性同位素电源是最佳选择。
辐射伏特效应同位素电池能量转换材料主要分为两类：PN结型和非PN结型。截至目前，关于辐射伏特效应同位素电池的研究大多以PN结型能量转换材料为主。PN结型能量转换材料又分为单晶硅材料和非单晶硅材料两种。单晶硅是最早也是最成熟的半导体材料，它已广泛应用于辐射伏特效应同位素电池能量转换材料的研究当中。但是硅材料禁带宽度小，制成的PN结漏电流较大，使得电池的能量转换效率较低。碳化硅作为第三代半导体，不仅具有优异的温度特性和抗辐射特性，而且禁带宽度大，制成的PN结漏电流很低，可以得到比硅基辐射伏特效应同位素电池更高的开路电压和能量转换效率，成为目前备受瞩目的同位素电池应用材料。
2同位素电池材料
根据放射性同位素的衰变特性，大致将其分成α源、β源和γ源三种，其中适合作为同位素电池放射热源的有十几种。表1列出了常用的放射性同位素热源的参数比较。不同类型的同位素电池中放射性同位素热源所起的作用不尽相同，所用放射性同位素热源也不尽相同。
表1常用的放射性同位素热源
对于同位素微电池来说，α射线机制的电池由于衰变粒子能量大而具有的破坏作用，会大大降低电池的使用寿命而不能使用；γ射线机制的电池由于其穿透能力强，需加一个防护层，加大了体积，失去了小型化的意义；β射线机制的电池避免了这些不足因素。表2为用于微型核电池的纯β放射源。
图4
5同位素微电池的工艺流程
图5
(a):采用掺杂浓度为1017/cm3晶向为<100>的n型硅片为衬底；
(b):在n型硅片表面热氧化生成2μm SiO2掩膜层,在SiO2表面用LPCVD淀积2μmSi3N4掩膜层；
(c):用掩模版光刻。RIE干法刻蚀掉多余的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
(d):用KOH湿法腐蚀出深度为200μm,侧壁均为<100>晶向的垂直侧壁的方孔阵列；
表2 用于微型核电池的纯β放射源
3同位素微电池的工作原理
单晶硅太阳电池是利用光生伏打效应而制成的将光能直接转换成电能的一种器件,它是用单晶硅材料制成的。单晶硅太阳电池的工作原理可以概括成下面几个主要过程:第一,必须有光线的照射;第二,光子注入到单晶硅半导体后,激发出电子-空穴对;第三,必须存在一个静电场,使得电子-空穴对被分离;第四,被分离的电子和空穴,经由电极收集输出到电池体外,形成电流。
微型核电池具有寿命长、能量密度高、输出特性稳定等特点而成为未来能源发展的重要分支。微型核电池按换能原理不同可分为间接式和直接式两种。间接式换能结构有自震荡悬臂梁、辐射-荧光-电和辐射-热-电三种;直接式换能结构有PN结式和肖特基结式两种。直接换能是利用类似太阳能电池光生伏特的辐射伏特效应，直接将放射性同位素的辐射能通过半导体结构转化为电能，其换能结构简单，加工工艺成熟，研究最为广泛。
（3）半导体p-n结的两侧分别聚集了大量的电子和空穴，形成电势差，连接上外部负载就能形成电流对外输出能量。
图1为微型核电池电池工作原理示意图。
图1
4同位素微电池结构
倒三角直槽型转换结构是在表面呈倒三角直槽的N型硅上掺杂形成一层厚度均匀的倒三角直槽型的p型硅。同理可以形成倒金字塔型能量转换结构。图2与图3分别是倒三角直槽型与倒金字塔型能量转换结构示意图。
2005年，美国Rochester大学Fauchet教授联合BetaBett公司的Gadeken以Rochester理工学院、加拿大Toronto大学的研究人员加工出三维多孔硅β辐生伏特应电池；美国新墨西哥州的QynergyCorporationC.J.Eiting,V.Krishnamoorthy,S.Rodgers, andT.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.DavidRobertsonand John Brockman等人提出了碳化硅(4H-SiC)p-i-n结式核电池；2006年，在美国国防部高级研究计划署(DARPA)的资助下，Cornell大学的M.V.S.Chandrashekhar, C.I. Thomas,HuiLi, M.G. Spencer andAmitLal等人报道了碳化(4H-SiC)p-n结式核电池，结果表明SiC核电池比Si具有更高的能量转化效率。
图2图3
为了增加输出功率,可以在p- n结上加工出垂直侧壁方孔阵列,以增大接触面积。在太阳能电池中也采用过类似的技术。图4为同位素微电池的能量转换结构示意图。其包括n型区,垂直侧壁方孔阵列, p型区, n型区的电极区, p型区的电极区与电镀区。所采用的技术方案是在n型硅片表面刻蚀形成垂直侧壁方孔阵列。在垂直侧壁方孔阵列表面局部掺杂一层厚度均匀的p型区,由n型区与p型区共同形成p- n结。用于引出导线的p型区与n型区的金属电极区分别淀积在p型区与n型区的表面。电镀区淀积在垂直侧壁方孔阵列的表面。
(f):浓硼扩散形成结深为1μm,p型区浓度为1020/cm3的p-n结；
结果在未被掺杂的p型区与n型区的表面分别留下了电极区,并形成欧姆联结。两电极间距为2mm,避免了过大的漏电流。电镀区淀积在垂直侧壁方孔阵列表面,且完全控制在p型区内,防止电池内部的短接。电镀区的金属层厚度为100nm,减小了β离子穿过电镀区过多的能量损耗。
关键词：微机电系统，微型核电池，辐射伏特，PN结，PIN结
1引言
微机电系统和纳米技术的研究在过去20年取得了巨大的进展,研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而,能量供给装置很难微小型化到相应尺度。传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件,这导致了整个系统体积增大、、频繁充电或电池单元组布置的困难。因此,研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中,基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型燃料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机并供给燃料到工作腔中,或者促成化学反应实现能量转换。微型铿电池也在研究当中,但是这类电池目前能量密度低,寿命短。目前研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列,其缺点在于需要光作为原始作上、下电极，作为器件打线以及降低器件整体串联电阻的导电层；
2)SiO2钝化层采用SiO2作为钝化层，降低半导体表面活性，以此来降低少数载流子表面复合速度，提高电池的开路电压和短路电流；
3) 硅区注入B形成 硅区，在高阻 层界面处形成突变PN结；
4) 硅区PN结式微型核电池中一般使用掺杂浓度较高的N型硅片作为衬底，在衬底的上表面扩散一层高掺杂的P区，从而形成PN结。但高掺杂衬底使得耗尽层宽度较小，电子空穴对的吸收能力差，影响器件性能.。本结构则是利用 硅层和 型(高阻)衬底之间的浓度差，形成宽度较大的耗尽层；
6.2微型核电池的工艺流程
图8
a)注入杂质P和B；
b)生长SiO2钝化层并图形化；
c)制作正面电极和背面电极。
7自震荡悬臂梁式核电池
弹性变形的悬臂粱放于距离放射源一段间隔的位置，当悬臂粱收集了来自放射源的带电荷粒子后．放射源剩余负电荷。因此，产生了静电力，将悬臂粱吸引向放射源：当悬臂粱接触到放射源，悬臂粱放电从而回到初始位置，再次进行下一循环周期的电荷收集。因此．实现了自主往复式悬臂粱．或称直接收集型电运动转换装置。图9为其结构。
对加工好的能量转换结构进行放射源电镀,采用含有次磷酸根的镍盐水溶液通过化学镀层的方式形成Ni-63。次磷酸根可以使用次磷酸纳,次磷酸钾或者次磷酸氨获得。电镀只在电镀区进行,对电极区进行有机硅橡胶涂敷保护,以便以后引出导线。电镀后,在微电池表面进行密封处理,避免放射源在工作时受到外界影响。
图6 能量转换结构
在航海、航空导航等领域海底设施,如海下声纳、各种海下科学仪器与军事设施、海底油井阀门的开关和海底电缆中继器等,所用核电池既能耐5—6km深海的高压,安全可靠地工作,花费成本又少。
同时，随着技术的不断发展，微型核电池将在航空、航天、航海、医疗等领域发挥更大的作用。
9国内外微型放射性同位素电池研究现状
与传统能源相比，利用衰变能的微型放射性同位素电池具有：不需外界为其提供燃料、能独立工作、结构简单、使用寿命长等特点。因此世界各地都开展了关于微型核电池的研究。2002年，美国Wisconsin大学Madison分校的Blanchard领导的研究小组[7-9]，在美国能源部(DOE)的支持下，对MEMS微型核电池进行了具有开创性意义的工作，证明利用放射性元素衰变释放的能量为MEMS器件供电的可行性。2003年，美国Cornell大学Lal研究小组在美国国防部高级研究计划署(DARPA)和美国国家科学基金(NSF)的支持下，对纳功率MEMS核电池的开展探索研究：以63NiCl溶液为放射源，将p-n结表面设计成倒金字塔形，从而提高p-n结对β粒子的收集效率。
同太阳能电池类似，同位素核电池的原理可以描述为：
（1）半导体两面经过掺杂形成PN结时，结内就存在了内建电场，放射性同位素辐射出β粒子，其中动能大于半导体材料电离能的β粒子能使半导体原子电离产生电子-空穴对；
（2）当电子或空穴运动到PN结时，在这个内建电场作用下，可实现对电子空穴对的分离，即电子向N区、空穴向P区运动；
6PIN结微型核电池简介
6.1PIN微型核电池结构
硅基PN结式微型核电池输出功率已达到纳瓦级，但其结构的局限性导致电荷收集区域狭小，少子寿命短，能量转换效率低下。图7为有保护环结构的PIN复合结换能结构(其中I代表高阻N－型硅)，可以克服衬底掺杂浓度较大而造成的少子寿命短、耗尽层宽度小等缺点，增大电子空穴对的收集空间，并且通过合理设计的保护环来降低漏电流密度，提高开路电压，最终提升能量转换效率。
图9
8微型核电池的应用
MEMS是一个飞速发展的领域，并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备。包括：“芯片上的实验室”、微机加工隧道扫描显微镜、用于生物制剂的徽吸探测器、用于DNA识别的微系统等．目前，这些设备受到缺乏随机电源的限制，目前正在研究的解决方法包括燃料电池、矿物燃料以及化学电池．但这些方法都有其局限性．对于长寿、高能密度的设备，随机的放射性同位素电源是最佳选择。
辐射伏特效应同位素电池能量转换材料主要分为两类：PN结型和非PN结型。截至目前，关于辐射伏特效应同位素电池的研究大多以PN结型能量转换材料为主。PN结型能量转换材料又分为单晶硅材料和非单晶硅材料两种。单晶硅是最早也是最成熟的半导体材料，它已广泛应用于辐射伏特效应同位素电池能量转换材料的研究当中。但是硅材料禁带宽度小，制成的PN结漏电流较大，使得电池的能量转换效率较低。碳化硅作为第三代半导体，不仅具有优异的温度特性和抗辐射特性，而且禁带宽度大，制成的PN结漏电流很低，可以得到比硅基辐射伏特效应同位素电池更高的开路电压和能量转换效率，成为目前备受瞩目的同位素电池应用材料。
2同位素电池材料
根据放射性同位素的衰变特性，大致将其分成α源、β源和γ源三种，其中适合作为同位素电池放射热源的有十几种。表1列出了常用的放射性同位素热源的参数比较。不同类型的同位素电池中放射性同位素热源所起的作用不尽相同，所用放射性同位素热源也不尽相同。
表1常用的放射性同位素热源
对于同位素微电池来说，α射线机制的电池由于衰变粒子能量大而具有的破坏作用，会大大降低电池的使用寿命而不能使用；γ射线机制的电池由于其穿透能力强，需加一个防护层，加大了体积，失去了小型化的意义；β射线机制的电池避免了这些不足因素。表2为用于微型核电池的纯β放射源。
图4
5同位素微电池的工艺流程
图5
(a):采用掺杂浓度为1017/cm3晶向为<100>的n型硅片为衬底；
(b):在n型硅片表面热氧化生成2μm SiO2掩膜层,在SiO2表面用LPCVD淀积2μmSi3N4掩膜层；
(c):用掩模版光刻。RIE干法刻蚀掉多余的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
(d):用KOH湿法腐蚀出深度为200μm,侧壁均为<100>晶向的垂直侧壁的方孔阵列；
表2 用于微型核电池的纯β放射源
3同位素微电池的工作原理
单晶硅太阳电池是利用光生伏打效应而制成的将光能直接转换成电能的一种器件,它是用单晶硅材料制成的。单晶硅太阳电池的工作原理可以概括成下面几个主要过程:第一,必须有光线的照射;第二,光子注入到单晶硅半导体后,激发出电子-空穴对;第三,必须存在一个静电场,使得电子-空穴对被分离;第四,被分离的电子和空穴,经由电极收集输出到电池体外,形成电流。
微型核电池具有寿命长、能量密度高、输出特性稳定等特点而成为未来能源发展的重要分支。微型核电池按换能原理不同可分为间接式和直接式两种。间接式换能结构有自震荡悬臂梁、辐射-荧光-电和辐射-热-电三种;直接式换能结构有PN结式和肖特基结式两种。直接换能是利用类似太阳能电池光生伏特的辐射伏特效应，直接将放射性同位素的辐射能通过半导体结构转化为电能，其换能结构简单，加工工艺成熟，研究最为广泛。
（3）半导体p-n结的两侧分别聚集了大量的电子和空穴，形成电势差，连接上外部负载就能形成电流对外输出能量。
图1为微型核电池电池工作原理示意图。
图1
4同位素微电池结构
倒三角直槽型转换结构是在表面呈倒三角直槽的N型硅上掺杂形成一层厚度均匀的倒三角直槽型的p型硅。同理可以形成倒金字塔型能量转换结构。图2与图3分别是倒三角直槽型与倒金字塔型能量转换结构示意图。
2005年，美国Rochester大学Fauchet教授联合BetaBett公司的Gadeken以Rochester理工学院、加拿大Toronto大学的研究人员加工出三维多孔硅β辐生伏特应电池；美国新墨西哥州的QynergyCorporationC.J.Eiting,V.Krishnamoorthy,S.Rodgers, andT.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.DavidRobertsonand John Brockman等人提出了碳化硅(4H-SiC)p-i-n结式核电池；2006年，在美国国防部高级研究计划署(DARPA)的资助下，Cornell大学的M.V.S.Chandrashekhar, C.I. Thomas,HuiLi, M.G. Spencer andAmitLal等人报道了碳化(4H-SiC)p-n结式核电池，结果表明SiC核电池比Si具有更高的能量转化效率。
图2图3
为了增加输出功率,可以在p- n结上加工出垂直侧壁方孔阵列,以增大接触面积。在太阳能电池中也采用过类似的技术。图4为同位素微电池的能量转换结构示意图。其包括n型区,垂直侧壁方孔阵列, p型区, n型区的电极区, p型区的电极区与电镀区。所采用的技术方案是在n型硅片表面刻蚀形成垂直侧壁方孔阵列。在垂直侧壁方孔阵列表面局部掺杂一层厚度均匀的p型区,由n型区与p型区共同形成p- n结。用于引出导线的p型区与n型区的金属电极区分别淀积在p型区与n型区的表面。电镀区淀积在垂直侧壁方孔阵列的表面。
