[发明专利]一种基于镍-63源和砷化镓p-n结器件的微型核电池

说明书

本发明公开了一种基于镍‑63源和砷化镓p‑n结器件的微型核电池，其基本结构包括：镍‑63源，砷化镓p‑n结器件，电池防护外壳和电池正、负极引线。这种核电池中砷化镓p‑n结器件内部结构依次为：正面铟锡金属氧化物(ITO)薄膜电极层，p型高掺杂砷化镓帽子层，p型砷化镓发射层，n型砷化镓基区层，n型铝砷化镓(Al_0.7Ga_0.3As)背散层，n型砷化镓缓冲层，n型砷化镓衬底层和背面金属电极层。在正面铟锡金属氧化物(ITO)薄膜电极层和背面金属电极层分别焊接金导线形成电池正、负极引线。接着，将薄片状镍‑63源耦合加载到正面铟锡金属氧化物(ITO)薄膜电极层的上表面。最后，将这个装置封装后制备成一种微型核电池，它是各种以微机电系统为基础的电子设备理想的微电源。

技术领域

本发明涉及利用半导体器件将β放射源衰变能直接转化为电能的装置，属于核技术应用领域。

背景技术

近年来，以低功率电子器件技术为核心的微机电系统(MEMS)逐渐向体积更小、质量更轻、功率更低、便于移动、低成本和可植入方向发展。目前，微机电系统在深海探测、深空探测、军事国防、生物医疗、环境监测、物联网、心脏起搏器等领域应用广泛。微型电池是微机电系统重要的组成部分。而现有的各种微型电池由于使用寿命短、能量密度低，体积大、需要补充燃料或间断性充电、依赖太阳光等缺点而无法满足微机电系统的工作要求，极大地限制了微机电系统的进一步发展。

随着微型电池的不断发展，β辐射伏特效应核电池受到了广泛的关注和研究。β放射源、半导体换能器件和电极三部分构成了最简单的β辐射伏特效应核电池。它是利用半导体器件将辐生电子-空穴对分离后再分别收集到相应的电极，闭合回路中通过电流做功将放射性同位素衰变能转换为电能的装置。目前，这种电池是微机电系统电源理想的选择。主要原因包括：第一，β放射源释放的载能β粒子能量很低，这些低能β粒子对半导体器件和周围其他电子设备的辐射损伤效应很小。第二，相比于ɑ放射源和γ放射源，β放射源释放的载能β粒子更易于防护。一般情况下，正常的核电池封装材料便可以防止β粒子外泄。第三，β放射源的能量密度更适合微机电系统对微型电源功率密度的要求。第四，半衰期长的β放射源满足微机电系统长寿命的工作要求。第五，β辐射伏特效应核电池的工作原理与太阳能电池相近，其换能装置主要是半导体器件(p-n结，p-i-n结和Schottky结)。目前，太阳能电池换能器件发展迅速，加工工艺日益成熟，采用微纳米加工工艺可将其微型化到微纳米量级，制作成本不断降低，并且已经实现了批量工业生产。这将大大促进β辐射伏特效应核电池的发展。综上所述，β辐射伏特效应核电池满足微机电系统对微型电源质量轻、可微型化和集成化、使用寿命长、能量密度高、输出性能稳定、维护服务频率低、可植入及它不需要外界太阳光等要求。

目前，β辐射伏特效应核电池中常用的放射源是镍-63源。主要原因是它属于一种半衰期长，能量密度适中的固体源。同时它释放的β粒子很容易被电池外壳全部吸收，不会对人体和环境造成影响。因此，基于镍-63源的β辐射伏特效应核电池具有辐射防护难度小、便于加载、便于安装和移动等优势。半导体换能器件是β辐射伏特效应核电池的核心部件，它决定了核电池的能量转换效率的大小和抗辐照能力的高低。所以，选用合适的半导体材料有助于提高这种核电池的输出性能。近些年，已经成功地将GaAs、SiC、GaN以及金刚石等半导体材料应用到β辐射伏特效应核电池中。其中，GaAs作为直接带隙的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，它具有禁带宽度大，热稳定性强，电子迁移率高和抗辐照能力强等优点。同时，由于GaAsp-n 结器件的外延生长技术和加工工艺成熟，高质量的GaAs p-n结器件已经被广泛应用于光电子器件和光伏电池等行业中。因此，选用GaAs p-n结器件为β辐射伏特效应核电池的换能装置具有很大优势。

发明内容

本发明提供了一种基于镍-63源和砷化镓p-n器件的微型核电池。该装置主要是将镍-63 源与砷化镓p-n结器件加工集成为适用于微机电系统的微型核电池，其基本结构包括：镍-63 源，砷化镓p-n结器件，电池防护外壳和电池正、负极引线(见附图1和附图说明)。

为了实现上述目的，本发明内容是：