[发明专利]一种氮化镓基多结换能单元同位素电池

说明书

技术领域

本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种氮化镓基多结换能单元同位素电池。

背景技术

根据辐射伏特效应和半导体结型器件的特殊性质，可以将放射性同位素的衰变能转换为电能，制成辐射伏特效应同位素电池。这种电池不仅具有一般同位素电池能量密度高、寿命长、免维护、抗干扰性强等优点，还可以做到很小的体积和很轻的质量，兼之其主要部份是半导体器件，容易与其它半导体器件集成在一起，因此辐伏同位素电池成为MEMS、IC以及物联网节点等微小系统的最佳供电电源之一。近年来，随着MEMS、IC和物联网的大力发展，辐伏同位素电池也正在受到越来越多的关注。但是从目前的结果来看，辐伏同位素电池的电输出性能仍然很低，输出电流、电压不能满足微系统对供电的要求，因此有必要发展电输出性能更高的辐伏同位素电池。

换能单元用的器件是决定辐伏同位素电池电输出性能的关键，目前发展比较成熟的换能单元器件是单晶硅基PN结型器件，但是这种器件能量转换效率比较低。宽带隙半导体材料器件被公认为可以提高辐伏同位素电池转换效率，理论上转换效率可以从单晶硅最高20％左右提高到40％（M. V. S. Chandrashekhar，等人，Applied physics letters，2006，88，033506）。GaN就是很有前途的宽带隙半导体材料之一。但是目前的GaN材料电子（空穴）迁移率还很低，其结型器件作为辐伏同位素电池换能单元，其电性能提升程度有限，尤其是实际输出电流并不高。

发明内容

为了克服辐伏同位素电池电输出性能低，尤其短路电流和开路电压太小的不足，本发明提供一种氮化镓基多结换能单元同位素电池。本发明的同位素电池可以大幅提升短路电流和开路电压等电输出性能。

本发明的一种氮化镓基多结换能单元同位素电池，其特点是，所述的同位素电池含有氮化镓基多结换能单元和辅助部件；所述的换能单元包括蓝宝石基底、缓冲层、N氮化镓层、N⁺氮化镓层，i氮化镓层，P⁺氮化镓层、P氮化镓层，SiO₂保护层、正面电极以及台阶电极；氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系是，SiO₂保护层、P⁺氮化镓层、P氮化镓层、i氮化镓层、N氮化镓层、N⁺氮化镓层、缓冲层、蓝宝石基底从上至下依次排布，在P⁺氮化镓层表面制作正面电极且不被SiO₂保护层覆盖，在N⁺氮化镓层裸露的环形表面制作台阶电极，构成P⁺PiNN⁺型的氮化镓基多结换能单元；所述的辅助部件包括放射源片、外封装层、内封装层、正引线、负引线、正电极柱、负电极柱、绝缘胶以及底座；辅助部件中各部分的排列关系是，放射源片置于SiO₂保护层之上正中央，在蓝宝石基底正下方与底座正上方之间设置有绝缘胶，正引线的一端连接在正面电极上，另一端连接在正电极柱上；负引线的一端连接在台阶电极上，另一端连接在负电极柱上；所述的放射源片至底座之间排布的各部分均通过内封装层固定，在内封装层的外围包覆有外封装层；正电极柱、负电极柱分别垂直于底座，并穿过底座、内封装层和外封装层。

所述的氮化镓基多结换能单元中各部分的排列关系替换为，SiO₂保护层、N⁺氮化镓层、N氮化镓层、i氮化镓层、P氮化镓层、P⁺氮化镓层、缓冲层、蓝宝石基底从上至下依次排布，在N⁺氮化镓层表面制作正面电极且不被SiO₂保护层覆盖，在P⁺氮化镓层裸露的环形表面制作台阶电极，构成N⁺NiPP⁺型的氮化镓基多结换能单元。

所述的P⁺氮化镓层掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸/cm³，P氮化镓层掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³，i氮化镓层为非故意掺杂层，N氮化镓层掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸/cm³，N⁺氮化镓层掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³。