[发明专利]多孔硅PN结型核电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及核电池，尤其是涉及一种多孔硅(Porous Silicon)PN结型核电池及其制备方法。

背景技术

核电池(Betavoltaic Battery)是一种基于辐射伏特效应(betavoltaics)来产生电能的器件。辐射伏特效应是指，把β放射源和半导体PN结型器件耦合在一起后，放射源所辐射出来的β射线在半导体的耗尽区激发出大量的电子空穴对，电子空穴对在耗尽区内建电场的作用下分离分别流向N区和P区，从而在PN结两端产生电势差的现象。给核电池加上负载，它就能给负载供电。由于β放射源有很长的半衰期(几十年甚至上百年)，而且放射特性不受外界的干扰，因此核电池非常适合于调节恶劣长期无人看管又需要提供电源的场合，比如航空航天、深海、极地以及植入式器件等。由于核电池与半导体工艺的兼容，使得它具有成为MEMS器件片上电源的优点。

文献“Nanopower Betavoltaic Microbatteries”(Proceedings of the 12th International Conference on Solid State Sencors,Acturators and Microsystems,pp36-39)中Hang Guo，Amit Lal提出了两种基于硅PN结和Ni-63的微型核电池。一种是在未经处理的平面N型硅片上扩散形成P型区，然后在硅片的表面电镀上Ni-63放射源，从而形成一种平面型的硅基PN型核电池。另一种是先在N型硅片上采用微加工的方法得到倒金字塔结构的结构，然后再进行扩散形成P型区，最后再电镀上Ni-63放射源，从而得到一种倒金字塔型表面的硅基PN型核电池。由于采用了倒金字塔结构的核电池的表面积显著增大，使得Ni-63放射源辐射出来的电子和硅的作用更加充分，所以与平面型核电池相比，金字塔形核电池的转换效率等指标都更加优越。

文献“Silicon Quantum Wire Array Fabrication by Electrochemical and Chemical Dissolution of Water”(Applied Physics letters,57(10),1990)中L.T.Canham提出了使用电化学和化学阳极氧化的方法腐蚀硅片从而得到多孔硅薄膜的方法，并且论证了多孔硅的量子限制效应(Quantum Confinement Effect)使得多孔硅与晶体硅相比禁带宽度得到了展宽，即能带展宽效应。

文献“Betavoltaic Microbatteries Using Porous Silicon”(MEMS 2007,pp 867-870)中Hang Guo等提出了一种新型的基于多孔硅(Porous Silicon)的PN结型核电池：在N型硅片上扩散形成P型区，然后采用电化学阳极腐蚀的方法在硅片上制得多孔硅薄膜，多孔硅贯穿PN结。然后在硅的两面溅射一层铝薄膜作为电极。最后在多孔硅一侧覆盖上β放射源。由于多孔硅一方面有能带展宽的效应，另一方面它又极大的增加了β放射源与硅片之间作用的有效面积，因此这种核电池比采用平面结构和倒金字塔结构的核电池有更高的转换效率。

发明内容

本发明的目的在于针对一般硅基核电池禁带宽度较窄、β射线与半导体之间有效作用面积较小的缺点，提供一种硅的能带得到展宽、β射线与硅之间的有效作用面积得到大幅增加的转换效率更高的多孔硅PN结型核电池及其制备方法。

所述多孔硅PN结型核电池从上至下依次设有放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层；放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层的尺寸相同。

所述硅衬底层的可采用掺杂浓度为1014～1017cm^-3，电阻率为40～60Ω·cm的N型硅片或P型硅片。

所述放射性同位素层、上电极金属层、多孔硅层、硅衬底层和下电极金属层的尺寸可为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)。

所述放射性同位素层可采用Ni-63、Pm-147或其它合适的放射性同位素；放射性同位素层可直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。