[发明专利]β伏打设备及方法

说明书

联邦资助的研究

本发明是在政府支持下、在由DARPA资助的项目ID号W31P4Q-04-1-R002和ND N66001-07-1-2019下作出的。美国政府对本发明享有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年11月19日提交的、序列号为No.61/262,672的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的内容在此通过整体引用而被并入。

发明背景

1.本发明的技术领域

本发明的实施例总体上涉及β伏打(betavoltaic)领域，具体地说，涉及半导体β伏打设备及其制造方法和应用，更具体地说，涉及碳化硅(SiC)β伏打设备及其制造方法和应用。

2.背景技术

β伏打电池由半导体二极管构成，该半导体二极管暴露于从发射β射线的放射性同位素薄膜所发出的电子。这些电子穿透半导体材料，并通过不同的离子化过程生成电子-空穴对，它们在内部形成的耗散层电场上被收集，导致具有净功率的电流输出。由于电子在只有几微米的小的吸收深度内被吸收，要求被暴露的半导体有足够大的表面积，同时保持高的收集效率，以实现高的输出电能量密度。

由于具有1-10mJ/cc的非常高的能量密度(与传统的电化学和碳氢化合物燃料的1-20kJ/cc能量密度相比)和1-100年的长的半衰期，放射性同位素燃料电池对于需要紧凑的、长寿命电源的应用，诸如遥感和植入装置，是理想的。此外，低能β发射物(⁶³Ni,¹⁴⁷Pm,³H等)没有或很少有安全问题，在过去，由钷(Promethium)-147供电的β伏打电池已被植入到人体内，用于给心脏起搏器供电。

为了得到紧凑的放射性同位素电池，器件的功率密度应当尽可能高。β伏打电池的功率输出密度可被表示如下：

P_输出=P_燃料FFF_η燃料ηβ    (1)

其中P_燃料是燃料功率密度，FFF是燃料填充因子(放射性同位素燃料的体积百分数)，η_燃料是放射性同位素薄膜发射效率，ηβ是β伏打转换效率。P_燃料和η_燃料由放射性同位素材料决定。诸如¹³⁷Cs和⁹⁰Sr那样的较高能量β发射放射性同位素由于它们的高能量，具有较高的燃料功率密度，但由于这些燃料发射非常高的电子和很大的X射线通量，封装体积显著增加，因为需要屏蔽，这减小了电池的总的功率密度。⁶³Ni发射具有17.3keV的平均动能的粒子，其在大多数固体中的穿透深度小于10μm。其结果是，由⁶³Ni薄膜供能的器件例如可以通过毫米或者甚至微尺度的屏蔽被安全地布置。

以前已经报告了通过形成图样以及对其有源器件层进行蚀刻来改进β伏打电池的FFF的不同技术；然而，在所有报告的案例中，由于在蚀刻过程中对半导体材料的损坏，漏电流显著增加。因此，实验报告显示出非常低的转换效率，在迄今为止制作的实际器件中，很少或者没有看到总的功率密度的改进。

商业上可获得的半导体(包括但不限于SiC和Si)晶片的厚度的典型的范围是从约150μm到500μm，其中仅仅顶部约20μm是用于β伏打电池的活性工作区域。因此，常规的扁平β伏打电池可能浪费超过它们体积的90%。此外，在扁平器件中，从基质辐射出的全部电子的50%被浪费掉了。

发明人认识到能够克服上述缺点和不利因素以及技术上已知的其它缺点的β伏打器件及相关制造方法的优点和好处。

概述

本发明的一个一般性实施例涉及一种“非常薄的”β伏打电池，其具有顶部和底部金属化。在一个示例性方面，为了使效率最大化，SiC晶片被削薄到可与电子吸收深度相比的厚度。然而，应当指出的是，能够维持耗散层的任何半导体材料(包括但不限于Si、GaN、InN、BN)均可被用作削薄的β伏打器件的基质材料。所实现的构造允许放射性同位素以平坦的方式被集成。根据一个方面，多个非常薄的β伏打电池可以并联或者串联地级联，以生成较高的电压和功率密度，这样，一旦被级联，就有可能得到非常高的燃料填充效率。