專利名稱：一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池及其制作方法
技術領域：
本發明為一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池及其制作方法，屬于微機電系統中的能源領域。
背景技術：
近年來，人們對微小型機電系統的研究異常活躍。微能源是微系統發展中的一個瓶頸問題，研究高效、長壽命的微能源是微系統發展中一直追求的目標。世界各國都相繼開展了微能源的研究工作，制作出許多微能源。如微型燃料電池、微型內燃機系統、微型太陽能電池、微型同位素核電池等。太陽能微電池和同位素核能微電池則顯示出其特有的優勢。
太陽能電池利用半導體材料的光生福特效應發電原理，無需補充燃料并且無廢物排放的清潔能源，在太陽光照或環境提供的紅外輻照下即可產生電能的輸出，太陽能電池可作為長期電源，已經在人造衛星及宇宙飛船中廣泛使用。
而同位素核能電池的能量密度高、使用壽命長，近年來得到了相當的研究和發展。同位素核電池的種類繁多，有初級同位素電池、熱
電轉換同位素電池、熱離子發射同位素電池、PN結同位素電池等。其中，熱電轉換同位素電池應用最廣，我國也自行研制出百毫瓦級的熱電轉換同位素電池樣品，但是產品的使用安全性、以及小型化是主要問題。
PN結同位素電池與太陽能電池非常相似，只不過在PN結同位素電池中用a或(和)P粒子代替太陽光作為能源。PN結同位素微電池主要用于微機電系統中，普遍采用對人體安全的鎳-63同位素輻射源，提供nw量級的功率，目前還沒有定型的產品出現。太陽能電池的優點為轉化效率高輸出功率大，但的無法在黑暗的環境下長期使用,同位素電池優點是使用環境不受限制，但輸出功率較低。經檢索，有關將同位素發電和太陽能發電合二為一的微電池專利文獻未曾發現。
本發明結合同位素發電和太陽能發電兩種發電機制，提出一種復合型結構，使同位素電池的在微機電領域的大范圍應用成為可能。
發明內容
本發明的目的在于提供一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池
及其制作方法，在藍寶石基底上生長兩個背靠背的PN結，分別實現太陽能和同位素能量發電，以解決傳統微電池或受環境限制，或轉化效率和輸出功率偏低等問題。
本發明的目的是通過以下技術方案是實現的本發明的一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池，其結構為光學增透膜/藍寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生
長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層。
其中光學增透膜為0.2pmSiO2薄膜，用于增強太陽光藍紫成分
的透過性；
藍寶石基片的厚度為0.1-lmm，雙面拋光；內層P型GaN外延生長層的厚度為0.3-0.5pm，摻雜濃度為10'6-'W1的Si;
N型GaN外延生長層的厚度為2-5pm，摻雜濃度為1018'19Cm"的Mg;
外層P型GaN外延生長層的厚度為0.2-0.5|im，摻雜濃度為10關cm"的Si;
同位素放射性層為"Ni金屬，采用鍍制法的厚度為l-2pm，采用緊固法的厚度為20-100pm。
本發明的一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池的制作方法，具
體步驟如下1) 以藍寶石為基底，采用射頻磁控反應濺射法制備工藝，在其
一側鍍厚度為0.2pm的Si02光學增透膜。由于藍寶石在0.20-5.50pm波段內具有較好的透光性，這一厚度有利于藍紫成分的透過性；
2) 然后對基底進行清洗，氫氣環境下900°C溫度下處理20分鐘，在基底另一側利用金屬有機物化學氣象沉淀(MOCVD)工藝，根據10"^cm—1的摻雜濃度依次生長0.3-0.5pm的內層P型GaN外延生長層、2-5iim的N型GaN外延生長層、0.2-0.5pm的外層P型GaN外延生長層，形成兩個背靠背PN結；
其中，N型GaN外延生長層的Ga、 N和Si源分別為TMGa(Trimethylgallium)、 NH3和SiH4，流量分別為30Sccm、 5000Sccm和100-180Sccm;P型GaN外延生長層的Ga、N和Mg源分別為TMGa、服3禾口 Cp2Mg(bicyclopentadienylymagnesi畫)，流量分別為15、 4000和200-260Sccm;生長時反應室壓強為100T;
3) 采用是電鍍工藝，在外層P型GaN外延生長層上鍍制厚度為l-2pm的同位素63Ni金屬，或采用緊固法在外層P型GaN外延生長層上，將厚度為20-100pm固態63Ni金屬片緊固于半導體材料表面；
4) 在兩個P型和N型區域刻蝕電機鍍制空間，然后進行電極的鍍制和壓線工藝，將兩個P型區電極并聯作為復合型微電池的電源正極， 一個N型電極作為復合型微電池的電源負極。
有益效果-.
該復合型電池的實質是太陽能PN結轉換結構和同位素PN結能量轉換結構共用一個N型區，在同一個半導體片子上同時實現兩種不同形式的能源的轉換。本復合型太陽能同位素微電池不需外界提供能量，在任何環境下可提供電能的輸出，克服了太陽能電池僅有光照下才可提供電能的局限；同時克服了同位素電池的功率輸出小的局限，光照條件下，本發明的輸出功率比同樣制作參數的同位素微電池輸出功率提高10倍以上。本發明將同位素微電池和太陽能電池集成，使同位素電池在微機電領域的大范圍應用成為可能。
圖1為本發明提出的復合型氮化鎵太陽能同位素微電池的結構示意其中1-光學增透膜，2-藍寶石基片，3-P型GaN外延生長層，4-N型GaN外延生長層，5-P型GaN外延生長層，6-同位素放射源；7-太陽能正極，8-共用負極，9-同位素放射能正極。
具體實施例方式
本發明的復合型太陽能同位素微電池的結構為
光學增透膜/藍寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層。
本發明的復合型太陽能同位素微電池的制作方法如下
1) 以藍寶石為基底，采用射頻磁控反應濺射法制備工藝，在其一側鍍厚度為0.2pm的Si02光學增透膜。
2) 然后對基底進行清洗，氫氣環境下900QC溫度下處理20分鐘，在基底另一側利用金屬有機物化學氣象沉淀(MOCVD)工藝，根據1016—19(^—1的摻雜濃度依次生長0.5pm的內層P型GaN外延生長層、5pim的N型GaN外延生長層、0.5)Lim的外層P型GaN外延生長層，形成兩個背靠背PN結。
其中，N型GaN外延生長層的Ga、 N和Si源分別為TMGa(Trimethylgallium)、 NH3禾卩SiH4，流量分別為30Sccm、 5000Sccm和100Sccm; P型GaN外延生長層的Ga、 N和Mg源分別為TMGa、麗3禾卩Cp2Mg(bicyclopentadienylymagnesium)，流量分別為15、 4000和260Sccm;生長時反應室壓強為IOOT。
3) 采用是電鍍工藝，在外層P型GaN外延生長層上鍍制厚度為2|Lim的同位素63Ni金屬，或采用緊固法在外層P型GaN外延生長層上，將厚度為20|im的固態63Ni金屬片緊固于半導體材料表面。
4) 在兩個P型和N型區域刻蝕電機鍍制空間，然后進行電極的鍍制和壓線工藝，將兩個P型區電極并聯和一個N型電極一起作為 復合型微電池的輸出電極，其中P區電極為復合型電源正極，N型電 極為電源負極。
以上述實例參數相同，但沒有采用太陽能收集結構的同位素微電 池輸出為20nw，而本發明的復合型結構后，微電池輸出功率為230nw, 功率提高10.5倍。
權利要求
1. 一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池，其特征在于結構為光學增透膜/藍寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層；其中光學增透膜為0.2μm的SiO2薄膜；藍寶石基片的厚度為0.1-1mm，雙面拋光；內層P型GaN外延生長層的厚度為0.3-0.5μm，摻雜濃度為1016-17cm-1的Si；N型GaN外延生長層的厚度為2-5μm，摻雜濃度為1018-19cm-1的Mg；外層P型GaN外延生長層的厚度為0.2-0.5μm，摻雜濃度為1016-17cm-1的Si；同位素放射性層為63Ni金屬，采用鍍制法的厚度為1-2μm，采用緊固法的厚度為20-100μm。
2. —種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池的制作方法，其特征在 于具體步驟如下1) 以藍寶石為基底，采用射頻磁控反應濺射法制備工藝，在其 一側鍍厚度為0.2)im的Si02光學增透膜；2) 然后對基底進行清洗，氫氣環境下900°C溫度下處理20分鐘， 在基底另一側利用金屬有機物化學氣象沉淀工藝，根據10^"cm"的 摻雜濃度依次生長0.3-0.5inm的內層P型GaN外延生長層、2-5pm的 N型GaN外延生長層、0.2-0.5pm的外層P型GaN外延生長層，形 成兩個背靠背PN結；3) 采用是電鍍工藝，在外層P型GaN外延生長層上鍍制厚度為 1-2,的同位素63Ni金屬，或采用緊固法在外層P型GaN外延生長 層上，將厚度為20-100pm固態63Ni金屬片緊固于半導體材料表面；4) 在兩個P型和N型區域刻蝕電機鍍制空間，然后進行電極的鍍制和壓線工藝，將兩個P型區電極并聯作為復合型微電池的電源正 極， 一個N型電極作為復合型微電池的電源負極。
3.如權利要求2所述的一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池的 制作方法，其特征在于N型GaN外延生長層的Ga、 N和Si源分別 為TMGa、 NH3禾Q SiH4 ，流量分別為30Sccm 、 5000Sccm和 100-180Sccm; P型GaN外延生長層的Ga、N和Mg源分別為TMGa、 NH3和Cp2Mg，流量分別為15、 4000和200-260Sccm;生長時反應 室壓強為IOOT。
全文摘要
本發明為一種氮化鎵太陽能同位素復合型微電池及其制作方法，屬于微機電系統中的能源領域。本發明的結構為光學增透膜/藍寶石基片/P型GaN外延生長層/N型GaN外延生長層/P型GaN外延生長層/同位素放射層。本發明的制作方法首先在基底的一側鍍制一層光學增透膜，然后在基底另一側利用金屬有機物化學氣象沉淀工藝，依次生長兩個背靠背PN結，最后在PN結外側固定同位素放射層。本發明克服了太陽能電池僅有光照下才可提供電能的局限；同時克服了同位素電池的功率輸出小的局限；光照條件下，本發明相對同參數的同位素微電池輸出功率提高10倍以上。
文檔編號H01L31/18GK101521240SQ20091008282
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者瀾 姜, 朵英賢, 李遂賢, 婷 王, 陳海洋 申請人:北京理工大學