（微电子学与固体电子学专业论文）氮化镓基微型同位素电池的研制.pdf

摘要 基于半导体p n 结的直接能量转换式同位素电池的研究最早开始于上个世 纪5 0 年代。随着微机械电子系统( m e m s ) 技术的快速发展，硅( s i ) 基、碳化硅( s i c ) 基直接转换式微型同位素电池正成为近1 0 年来m e m s 微能源领域的研究热点， 并已经取得了初步成果。但更高禁带宽度的半导体氮化镓( g a n ) ，由于受到材料 生长技术水平的局限，虽有一些研究小组在做尝试性研究，目前为止并没有取得 有意义的实验性结果。本文首创性的把补偿掺杂技术应用于g a n 基微型同位素 电池的研究中，详细介绍了基于第三代宽禁带半导体材料g a n 的微型同位素电 池的研制，内容包括辐射源辐射的b e t a 粒子在g a n 材料中输运轨迹和能量沉积 的蒙特卡罗模拟、电池参数设计、g a n 材料生长、电池器件的实验制备、电池 性能测试与分析等。通过补偿掺杂f e ，获得低电子浓度的n 型氮化镓作为吸收 层，补偿掺杂后的电池相比同种结构的非故意掺杂的电池，开路电压提高3 倍， 短路电流增大5 0 。通过对比补偿掺杂后不同吸收层厚度的p - i - n 结构电池的输 出，验证了理论模拟和电池参数设计的正确性。以6 3 n i 作为辐射源，研制的2 2m m 2 的g a n 同位素微电池在0 5m c i 的低放射活度辐射下，开路电压最大 高达1 6 5v ，最大转换效率达到1 1 。本文首次以实验的方式证实了宽禁带的 g a n 是一种更有前景的微型同位素电池换能材料，在微型同位素电池的研究领 域具有积极的指导意义，对以后的研究和实际应用具有重大的借鉴价值。 关键词：m e m s ；b e t a v o l t a i c ；同位素电池氮化镓 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rp - nd i o d e sf o rd i r e c t e dc o n v e r s i o no fn u c l e a rr a d i a t i o ni n t o e l e c t r i c a lp o w e rw e r ef i r s ts u g g e s t e di nt h e19 5 0 s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m s t e c h n o l o g y , i s o t o p eb e t a v o l t a i cm i c r o b a t t e r i e s b a s e do ns i l i c o n ( s i ) a n ds i l i c o n c a r b i d e ( s i c ) a st h em i c r o - e n e r g ys o u r c e sf o rp o w e r i n gm e m sd e v i c e sw e r eg e t t i n g m o r ea n dm o r ea t t r a c t i v ei nt h el a t e s td e c a d e i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c he f f o r t so nt h e w i d eb a n d g a p s e m i c o n d u c t o rs u c ha s g a l l i u mn i t r i d e ( g a n ) b e t a v o l t a i c m i c r o b a t t e r i e sh a sb e e nm a d eb ys e v e r a lr e s e a r c hg r o u p s ，h o w e v e r , n oe x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r er e p o r t e dy e td u et ot h el i m i t a t i o n so fm a t e r i a lg r o w t ht e c h n o l o g y i nt h i s w o r k , t e c h n i q u ef o rc o m p e n s a t i o nd o p i n gh a sb e e nd e v e l o p e dt od e p o s i tg a n f o r b e t a v o l t a i cb a t t e r y f o rt h ef i r s tt i m e ，f a b r i c a t e dg a nb e t a v o l t a i cm i c r o b a t t e r yb a s e d o nt h eo p t i m i z e dd e s i g na r ed e m o n s t r a t e d t h et h e s i sw i l la l s op r e s e n ti nd e t a i l ，t h e m o n t ec a r l os i m u l a t i o no ft h et r a n s p o r tt r a j e c t o r i e so fi n c i d e n tb e t ap a r t i c l e si nt h e g a nt a r g e ta n dt h ee n e r g yd e p o s i t i o na l o n gt h ep e n e t r a t i o np a t h ，t h ed e s i g n p a r a m e t e r sf o rt h ec e l l ，t h eg r o w t ho fg a nm a t e r i a l ，t h ee x p e r i m e n t a lf a b r i c a t i o no f d e v i c e sa n dt h ep e r f o r m a n c et e s t i n ga n da n a l y s i s l o we l e c t r o nc o n c e n t r a t i o no f n - t y p eg a nl a y e ri s a c h i e v e da st h eb e t a a b s o r b i n gl a y e rb yt h ep r o c e s so f c o m p e n s a t i o nd o p i n g ，i n w h i c ha n a c c e p t o ri m p u r i t yo ff e i sa d d e dt ot h e u n i n t e n t i o n a l l yd o p e dg a n c o m p a r i n gw i t ht h ec e l lf a b r i c a t e dw i t hu n i n t e n t i o n a l l y d o p e dg a n ，w h e n6 r n ii s u s e da st h er a d i o a c t i v es o u r c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l l d u et oc o m p e n s a t i o nd o p i n gi si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h eo p e nc i r c u i tv o l t a g ei s i n c r e a s e db y3 - f o l da n dt h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti si n c r e a s e da b o u t5 0 t h eo u t p u t s o fp i - nj u n c t i o nc e l l sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s so fa b s o r b i n gl a y e rc a l lv e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n dd e s i g n u n d e ra ne f f e c t i v ei r r a d i a t i o n a c t i v i t yo fa sl o wa s0 5m c i ，t h ef a b r i c a t e dc e l lw i t hd i m e n s i o no f2 x 2 m m 2e x h i b i t s ah i g ho p e n - c i r c u i tv o l t a g ev o co f1 6 5 v , ap o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f1 1 t h e r e s u l t ss u g g e s tt h a tg a ni sah i g hp o t e n t i a lc a n d i d a t ef o rd e v e l o p i n gt h ei s o t o p e b e t a v o l t a i cm i c r o b a t t e r y k e yw o r d s ：m e m s ；b e t a v o l t a i c ；i s o t o p eb a t t e r y ；g a n m i 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 人类进入新世纪以来，世界各国对能源的需求呈迅猛增长之势。而随着石油， 天然气以及煤炭等不可再生传统能源的日益枯竭，世界能源供应的危机日趋逼 近。中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要中明确提出“推 动能源生产和利用方式变革”，“坚持节约优先、立足国内、多元发展、保护环境， 加强国际互利合作，调整优化能源结构，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能 源产业体系。”1 1 】日本在新世纪公布的新国家能源战略中把新能源创新作为解决 能源问题的关键。1 2 】美国政府在2 0 0 9 年年初发布的奥巴马总统论述美国经济恢 复和再投资计划报告中，把能源列为最重要领域的第一位，提出了加速推进清洁 能源经济。【3 】欧盟委员会在2 0 1 0 年通过了未来十年的能源发展战略，强调了核 能作为欧洲大陆最大的低碳电源的作用。【4 】俄罗斯在2 0 0 9 年1 1 月1 3 日正式批 准了( ( 2 0 3 0 年前俄罗斯能源战略，主要目标是建立创新和高效的国家能源行业， 确保俄罗斯由传统能源出口国转变为创新发展型国家。【5 】与此同时，世界其他各 国也都纷纷建立了适合自己国家发展现状的能源战略。可见，进入2 l 世纪，能 源已经成为世界各国共同面临的首要问题，并成为社会和经济持续发展的决定因 素。寻找可再生的，清洁的新能源成为各国科学家的共识。 传统的能源研究和开发主要分为五大方耐6 】：大范围能源的产生和转换；可 持续绿色能源的开发；电力的有效传输和智能电网；电能的高密度存储；有效节 能技术和能源回收。对传统电能的需求绝大部分集中在工业用电、交通运输、建 筑、家庭和办公用能。这些对能源的需求可以靠大范围的电网来满足。而随着手 机，手提电脑等电子产品的普及以后，解决小范围的能源供应显得格外重要。1 9 5 9 年1 2 月2 9 日，理查德p 费曼在加利福尼亚理工学院举行的美国物理协会年会 上，发表了他的伟大演讲“t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h eb o 讹m - a ni n v i t a t i o nt o e n t e ran e wf i e l do f p h y s i c s ”。1 7 在这篇演讲里，费曼给未来世界描绘了一个新的 发展领域，人们有能力进入原子尺度的世界，去直接驾驭单个原子。这篇报告是 微纳米技术的思想源头，今天，费曼的许多预言都已变成了现实，当今的科学家 氮化镓基微型同位素电池的研制 们正在用他所描绘的技术让事物变的越来越小。 微电子机械系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是近年来最重要的 技术创新之一，电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大势所 趋。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通讯等技术的进步，推动了具有 现代意义的无线传感网络的产生和发展，其在国防、工业、建筑、生物医学等领 域逐渐显露重要的应用价值。无线传感网络的节点体积微小，数量众多，分布区 域广，且经常在环境较为复杂、恶劣的地方，有些区域甚至是人员不能到达的， 为大量的传感器节点频繁更换电池是不现实的。因此，如何解决无线传感器网络 节点的能源供应问题成为无线传感网络研究的核心问题之一。在未来不久，由于 微纳米技术的发展，微纳系统在人体健康的实时监测、基础设施监测、环境监测、 军事技术以及物联网上都将发挥巨大的作用。传统的利用蓄电池来供电就可能不 能满足或不能适应具体的工作环境和要求。微纳系统的尺寸越来越小，将来限制 整个系统大小的是电源而不是其他器件了。当一个子系统可以集成在一块芯片上 时，电源也必须完成小型化、微型化的革命。 当前，中国“十二五”规划已经明确提出，发展宽带融合安全的下一代国家基 础设施，推进物联网的应用。据中国能源网报道，“十二五”期间，物联网重点投 资智能电网、智能交通、环境与安全检查、国防军事等十大领域，总投资将达2 万亿元。物联网的关键技术包括传感器、m e m s 、f r i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 、无线通信芯片以及软件等。对于物联网的应用领域尤其是军事领 域，微型化同样是必然趋势。而m e m s 是解决物联网微型化的关键手段，m e m s 对于物联网的重要性，与集成电路技术之于i t 产业的重要性是一样的。物联网 的广阔应用前景，必将给m e m s 带来巨大发展契机和商机。m e m s 不仅仅是一 种微传感器制造的微加工技术，也是微型化的电子机械系统。完整的m e m s 是 由传感器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化微型器件 系统。然而，微型化和电源容量变成了一对矛盾，受电源容量所限，m e m s 处 理器的性能非但难以提高，有时甚至必须间歇工作来节省能耗，严重影响了信息 安全和工作效率。现实中，很多应用又要求物联网长期工作，这使m e m s 传感 器节点的能量供给面临着严峻的挑战。 可以说，能源问题，在微电子机械系统领域和传统领域同样重要。因此，近 1 绪论 年来微能源的研究已经成为m e m s 里的一个非常重要的研究领域，当前世界各 国都相继开展了微能源的研究工作，也制作出许多类型的微能源。 目前，国际上正在研制的微能源主要有1 8 ：微型镍锌电池1 9 - 1 3 、微型固体 电解质锂电池l l “l s 】、微型太阳电池1 1 9 - 2 4 1 、微型温差电池1 2 5 - 2 s 、微型内燃机系 统、微型燃料电池1 2 9 - 3 0 、微型振动能量采集器【3 1 1 、微型同位素核电池1 3 2 - 3 8 等。 微型镍锌电池的特点是体积小，输出能量密度比较高，但充放电循环过程将 损耗电池寿命。而微型内燃机系统、微型燃料电池目前还无法达到稳定高效的阶 段。锂电池的制造难度相对较低，但能量密度和输出功率不是很高，不容易微型 化。这几种电池都面临着原料的更换或者循环充放电的问题，不利于该类微能源 应用在需长期供应能量的电子系统中。【3 9 】微型太阳能电池是目前加工技术比较成 熟的微能源，其加工工艺简单，性能稳定，而且所需光能容易获得，但是微型太 阳能电池的输出功率密度较低，且其输出稳定性和应用场合受到光源的限制，在 光源不稳定或无光源的地带无法使用。f 加】微型振动能量采集器利用器件内的微型 机械结构( 比如悬臂梁结构) 收集外界振动源的能量，并通过电学结构( 比如电容、 压电陶瓷等) 转化为电能。日益成熟的微纳米加工技术简化了微型振动能量收集 器的结构加工工艺，并提高了器件的成品率。但是加工出的微型能量采集器的工 作环境单一，不能适应不同的外界能量源，无法满足物联网和无线传感网络节点 适应各式各样的复杂环境。 与上述各种微能源相比，同位素微电池具有无可比拟的优点，具体体现在如 下几个方面： ( 1 ) 微型同位素电池是绿色无污染能源。微型同位素电池虽然名义上是一种 核能电池，但是它利用的既不是核裂变过程也不是核聚变过程，不会产 生遗害千年的核废物。同时微型同位素电池发电过程中没有化学反应， 不会产生有害的污染物。微型同位素电池利用的能量来自于同位素衰变 产生粒子携带的动能，衰变是物质本身的属性，当物质的衰变过程完成 后，变成中性无毒的新物质，所以是完全无污染的绿色能源。 ( 2 ) 微型同位素电池使用寿命长。同位素微电池的理论寿命取决于选用的放 射性同位素的半衰期，如图1 1 所示为放射性同位素6 3 n i 在一个半衰期 内的衰变，若采用放射性同位素6 3 n i 作为辐射能源，同位素微电池工作 时间可长达1 0 0 年。氚3 h 的半衰期为1 2 3 年，选用氚3 h 的同位素微电 3 氮化镓基微型同位素电池的研制 池可持续工作1 0 年以上。相对于其他常规电池，同位素微电池具有超长 寿命优势，并可以根据不同的场合需求，选择不同的放射源，满足各种 寿命需求。 i ) e ( a yo fn i c k e ln l 6 3 1 o e + 8 50 e + 3 0 图1 16 3 n i 在一个半衰期内的衰变 ( 3 ) 微型同位素电池的能量密度高。图1 2 【4 1 】为各种化学电池，燃料电池以及 同位素衰变能的比能量对比。在以相同重量的每克为单位来看，同位素 衰变能远超于其他常规能源的比能量。以1 4 7 p m 为例，相同重量下其衰 变的比能量密度是常规锂离子电池的上千倍。 8 8 8 + + + e e e 5 0 5 2 2 1 兮邑釜fo。 1 绪论 m i c r o s c a l ep o w e rg e n e r a t i o n ( m p g ) i r a d i oi s o t o p em i c r o s c a l e l ib a t t e r y曩 。5 - 10w h r g p o w e rs o u r c e s ( r i m s ) 、 稳 一、 1 j i 1 o 掣时m m ks c a l e 。i ： ”一 刍 s 皇， m e t h a n 0 4 ， i 。 1 1 t e t h a n o i 曩 o l o s e i 匿i 。、j 1 1 - o _ g a s o t m e | i m e t l l a r 传 ” 棚f 8 9 鬯 - 5 0 0 10 0 0 0 盛l ；i w h r g p r o n r， “ ，一，t i ，o 0 2 l6b1 01 21 4s i _ 9 0 - 矗l! s p e c d r l ce n e r g yd e n s i t y w - h r g ) u - 2 3 5 一虿 il d e u t e r i u m ” 2 8888888 p 9o -9 o9o o oooo _ 288 8 66 -o s p e c i f i ce n e r g yd e n s n ym - 1 1 r t 9 1 图1 2 各种常规能源与同位素能源的比能量对比 ( 4 ) 易于微型化，集成化。同位素电池由于其理论能量密度超高，使电源的 真正微型化成为了可能。未来随着微型同位素电池转换效率的提高，极 有可能制各出微米量级甚至纳米量级的同位素电池来驱动m e m s 系统， 实现“s y s t e mo nac h i p ”。微米、纳米量级的同位素电池的研发成功，将 会出现自驱动的微纳米系统，在生物传感、环境和基础设施监测、军事 侦察、武器的惯性导航、无线传感网络和物联网中都将扮演重要的角色。 ( 5 ) 微型同位素电池的输出特性稳定，环境适应性强。放射性同位素的衰变 过程，不受物质形态和环境因素( 温度、湿度、酸碱度等) 的影响，因而 同位素微电池在设计服役期限内，具有稳定的输出特性，不受环境条件 的干扰，环境适应性强。此外，若采用p - n 结等静态能量转化结构，不 会产生磨损等问题，可使电池长时间持续使用，无需担心零部件寿命问 题。 综上所述，本论文的选题意义在于：微型同位素核电池是一新型的微能源 研究课题，它为无线传感网络、物联网等的节点单元能量供给提供了一条可行的 重要途径。本论文结合目前m e m s 的快速发展所迫切面临的匹配供能问题，积 极开展微能源领域内的同位素辐射能到电能的直接能量转换器的研究。此课题有 望解决微纳米机械电子系统m e m s n e m s 的微纳米尺度的长寿命供能问题，实 现自驱动的微纳米系统。功率自给的自驱动微纳米系统将在民用、医疗、国防、 5 氮化镓基微型同位素电池的研制 航空航天等等领域发挥出极为重要的作用。 1 2 同位素电池的发展历史 同位素是指原子系数相同但质量数不同的元素，放射性是不稳定同位素原子 的自然属性。自1 8 9 6 年由b e c q u e r e l 最早发现铀矿的放射性起，将放射性同位素 衰变辐射的能量转换为电能就成为研究者追求的目标，先后提出了各种可能实现 衰变能到电能的转换方式，探索有效收集衰变能的途径。虽然m o s e l e y 在1 9 1 3 年设计了第一个放射性同位素电池，【4 2 】但直到2 0 世纪4 0 年代末，同位素电池的 研究仍没取得明显进展。5 0 年代开始，由于核反应堆的投入运行和同位素分离 技术的出现、以及航天科技的需求，第一代热机制同位素电池诞生。同时，地球 上一些极端条件( 如：极地、深海、荒漠) 对长期工作不需维护的高能电池的需求， 使各国的科研工作者投入到同位素电池的研究之中。第一个实用的放射性同位素 电池是在1 9 5 9 年1 月1 6 日由美国人制成的，它重1 8 0 0 克，在2 8 0 天内发出1 1 6 度电。到8 0 年代，苏、美等国先后将同位素电池用于无人气象站和无线电站等 更为广泛的领域，苏、法、美先后开发出大功率热机制同位素发电装置，用做火 箭的第二级发动机动力和航天器的电源。前苏联、法国分别制成2 0 0k w 和1 0 0 k w 的同位素核发电装置。【4 3 川】美国也试制出了8k w 的同位素电源。到8 0 年代 中期之前，同位素电池研究一直是热电转化机制占统治地位。8 0 年代中期，半 导体二极管制造质量的迅速提高，推动了对温差电动势、辐射伏特效应以及光伏 特效应等机制的研究，其他转换机制的同位素电池也得到了进一步的发展。【4 5 】8 0 年代末，美国科学家p b r o w n 在利用1 3 伏特效应的研究中，采用共振吸收技术， 取得了较大进展，引起国际同位素电池研究界的普遍关注。上个世纪6 0 年代开 始，国内一些科研机构为追踪国际常规同位素微电池的发展也开展过相关研究， 以作为深海声纳和海岛灯塔的电源。如：中国科学院上海原子核研究所的2 1 0 p o 放射性同位素电池外形尺寸为1 2 0 x 1 5 0m m ，重约2k g ，输出功率为1 4w 。 4 6 1 目前为止，人们研制的同位素电池将辐射衰变能转换为电能主要有4 种转换 机制：热电转换( t h e r m o e l e c t r i cc o n v e r t e r ) 、直接充电( d i r e c t c h a r g e ) 、直接能量 转换( d i r e c t c o n v e r s i o n ) 以及间接能量转换( i n d i r e c t c o n v e r s i o n ) 。1 4 7 】 1 绪论 1 2 1 热电转换同位素电池 热电式同位素电池是在热电转换的基础上，利用放射性同位素在a 衰变和 衰变时产生的仅粒子和电子所携带的能量转化为电能装置。常用的热电转换方 法有：动态、热离子发射和温差发电机制。 动态热电换能同位素电池使用的是涡轮式发电机，发电机在一个闭合循环的 流体环境中，流体被放射性同位素的辐射能量加热气化来驱动发电机发电。这种 同位素涡轮发电式同位素电池上个世纪前苏联等国家研制过。【4 8 , 4 9 】但是由于动态 热电同位素电池结构复杂，并且动态转换过程中能量损失较大，需要大量的同位 素辐射源，所以这种电池的转换效率低，严格限制了电池的实际应用。 热离子热电同位素电池的转换机制是利用热电子发射现象，同位素源既做热 源又作转换器的阳极，在阳极与阴极收集极之间充以热电子发射介质。当温度高 到一定程度时，该介质发射出其原子外层电子，通过收集其发射的电子，实现衰 变能到电能的转换。要实现该过程，两极间的距离必须小于电子平均自由程，热 电子发射体的表面电子溢出功必须大于阳极的表面溢出功。而且热源的温度要在 1 5 0 0 2 0 0 0 ，因而对材料乃至介质性能的要求较苛刻。【5 0 】 温差发电同位素电池利用材料由于两端接触温度不同而产生两端点间的电 势差这一物理现象，以放射性同位素电池发射粒子在介质上电离发热为热源，以 空气或其它物质做冷源，利用半导体做温差器件，将热能转换成电能。利用该机 制进行能量转换的同位素电池称为r t g s ( r a d i o i s o t o p e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r s ) ， 转换效率实验室最高水平可达1 5 ，工业化生产可到8 1o 。图1 3 为r t g s 的结构示意图。 s 1 r t g s 同位素电池适合用于较大功率的电源，已经成为目前现 有电池中寿命最长、最为可靠的空间能源。自上个世纪6 0 年代开始美国就开始 使用r t g s 为太空探索提供能源，同时期的前苏联除了研究将r t g s 同位素电池 用于空间能源外，还将它用于导航的灯塔能源，在无人维护的情况下长期使用。 图1 4 为美国上个世纪9 0 年代末期发射的c a s s i n i 号土星探测器中r t g s 同位素 电池，每个r t g 中有1 0 8 妇2 3 8 p u ，可产生2 8 5w 电能。i s 2 】 7 氮化镓基微型同位素电池的研制 p r i n c i p a ls c h e m eo fr i t e g ：1 ) r h s f 2 lt h e r m a ii n s u l a t i o n f 3 ) h o th e a tc o n - c l l 碰o r ，( 4 ) 0 0 m m u t a t i n gp l a t eo ft h eh o ti u n c t i o n s f 5 ls e m i o rb r a n c h 酷 w t hd i t 耙r e n tt y p e so fc o r t a u c t i v i t y , ( 6 ) c o l dh e a tc o n o u c t o r 7 】o c = m m u t a t i n g r _ a t e so fc o l dj u n c t i o n s ：( 8 ) p o w e rp o i n t s f 9 ) e x t e r n a le l e c tr i c 陀s i s t a n c e ( 1 0 ) b i o l o g i c a ls h i e l d ，11 ) c a s i n g a n c l ( 1 2 c o o l i n gr i b s d e s i g n a t i o n s ：t ta r e t h e t e r n p e r a t u r e so fh o ta n c lo o l di u n c t i o n s ，r e s p e c t i v e l y ：, q ，q ，a r eh e a tp o w e r e m i t t i n gd yr h sa n 廿翻s = p a t e ah e a tp o w e r r e s p e c t i v e l 坼 图1 3 温差式同位素电池发电原理示意图 图1 4 美国c a s s i n i 号探测器中使用的r t g 同位素电池 国 1 绪论 1 2 2 直接充电式同位素电池 直接充电式同位素电池的发电机理是两个彼此绝缘的同心球面、或同轴圆 筒、或者平行板状的金属电极充当电池的两极，涂覆放射性同位素的为发射极， 收集带电粒子的为收集极。同位素辐射源发射的a 和d 粒子经由发射极发射后被 收集极直接收集，同时形成一个介于发射极和收集极之间的电势差，可达数百伏 甚至数千伏高压，其大小直接与辐射粒子的平均动能有关。对于理想电池，开路 电压的极限值，等于辐射的n 或1 3 粒子不能到达收集极时的电势差值。m o s e l e y 在1 9 1 3 年设计的第一个放射性同位素电池图的发电原理就是直接充电式的。图 1 5 为( a ) 为直接充电式同位素电池的原理示意图。图1 5 ( b ) 为l i n d e r 等人在上世 纪五十年代实验室研制的真空直接充电式同位素电池，发射极上涂覆9 0 s r 同位素 辐射源向收集极发射p 粒子。电池的开路电压达到3 6 5k v ，短路电流ln a ，p 粒子的收集率为7 5 。1 5 3 直接充电式同位素电池可以获得高达几十甚至几百千 伏的开路电压， 5 4 1 但是由于没有电荷倍增的机制，电流都很小，一般为n a 量级 甚至p a 量级，所以这种同位素电池一般作为高压脉冲源在电路中使用。 o i t a g e ( b ) a ：e m i t t e r c ：c o ll e c t o r d ：e l e c t r i c a li n s u l a t o r k ：s r - 9 0 图1 5 直接充电式同位素电池发电原理及样机实例 9 氮化镓基微型同位素电池的研制 1 2 3 直接转换同位素电池 直接转换同位素电池是将同位素辐射能直接转为电能的装置，与直接充电式 同位素电池靠收集带电的辐射粒子形成电流的机制不同的是，直接转换同位素电 池通过收集辐射粒子在周围环境电离出的带电离子、或者在半导体材料中激发出 的电子空穴对，实现电流倍增，很大提程度地提高了电流密度和转换效率。直接 转换同位素电池的换能结构主要有接触势差和半导体p - n 结两种。 接触势差结构的直接转换同位素电池利用两种功函数不同的金属制成电极， 形成内建电场。在电极之间充入高压气体电介质和同位素放射源，同位素辐射出 的高能带电粒子( 多为i f , 粒子) 撞击气体分子使之电离，电离的正负离子在电极之 间的内建电场电场力作用下被两极收集形成电流。电池的开路电压取决于两极金 属的功函数，其理论最大值等于电极金属的功函数之差。接触势差式同位素电池 最早是由k r a m e r 在1 9 2 4 年提出来的，其结构示意图如图1 6 所示。【5 5 1c o r l i s s ，w r 在1 9 6 7 年研制的接触势差式直接转换同位素电池用1 0m c i 的9 0 s r 做同位素辐射 源，获得1v 的开路电压，0 4n a 的短路电流，但是由于气体介质分子的电离能 需要高达3 0e v ，电池转换效率不到0 5 。 4 9 】最近l i u b ，c h c n ，k e 等人发表 了基于s c t 2 薄膜( 含3 h 辐射源) 的p t 、c u 收集电极之间的接触势式直接转换同位 素电池的研究，电池尺寸为2 5 x 1 3c m 2 ，获得的开路为0 5v ，短路电流密度为 2 6 7h a e r a 2 ，转换效率接近0 5 ，其输出如图1 7 所示。【5 6 】 h i g hw o r k i n g f u n c l o w f 睫u n c t i o ne l e c t r o d e 图1 6 接触势差式直接转换同位素电池的工作原理示意图 1 0 r l 嘛d 1 绪论 0 2j 0 4j 0 1o 00 1 v o l t a g e ( v o l t s ) 图1 7 基于s c 他薄膜的p t 、c u 接触势差式直接转换同位素电池的输出特性 利用半导体p - n 结进行辐射能到电能的能量转换机制也叫“辐射伏特效应”， 英文为b e t a v o l t a i c 。其转化机制是：d 粒子从半导体顶层辐射，在p 区，空间电 荷区和n 区产生非平衡载流子电子空穴对。在内建电场的作用下，实现对电子 空穴对的分离，使电子向1 1 区、空穴向p 区运动，在n 区积累负电荷，p 区积累 正电荷。若用金属与p 型和n 型半导体表面形成欧姆接触，再和外部负载连成 回路，就产生了电流的运输。 基于半导体p - n 结的直接能量转换式同位素电池最早起于上个世纪5 0 年代， e h r e n b e r g 在1 9 5 1 年第一次提出了辐射伏特效应( b e t a v o l t a i c ) ；【5 q r a p p a p o r t 在 1 9 5 4 年第一次研制出基于硅p - n 结的b e t a v o l t a i c 电池，电池在3 0m c i 的9 0 s r - 9 辐射源照射下，最大输出功率为o 8 哪，转换效率为0 4 。但是由于9 0 s r - 臾 辐射源辐射出的p 粒子平均能量高达0 7m e v ，对硅材料的损伤严重，电池性能 衰减很快。 5 s l 同时期陆续有b e t a v o l t a i c 同位素电池的研究报道，但进展不大。 5 9 , 6 0 l 从1 9 6 8 年至1 9 7 4 年期间，美国l a r r yo l s e n 博士领导的小组展开了基于1 4 7 p m 辐 射源和硅n p 结为换能材料的b e t a v o l t a i c 同位素电池的研究，试图用于给心脏起 搏器供给能量，取得了较好的结果，研制的多结串联式电池的最大输出功率为 4 0 0 微瓦，转换效率接近4 。【6 1 ，6 2 】表1 1 列出了过去半个世纪以来基于几种不 同半导体换能材料、不同b 粒子辐射源的b e t a v o l t a i c 同位素电池的研究情况。 由于一个高能辐射电子能够在半导体中电离激发出上千对电子空穴对，利 氮化镓基微型同位素电池的研制 用半导体p - n 结的内建电场收集放射性同位素辐射的高能粒子( 多为k e v 量级的 p 粒子) 在半导体中激发的电子- 空穴对，是更有效率的直接能量转换式同位素电 池，也是目前微型同位素电池的研究中最热门和最常用的能量转换结构。 表1 1 一些基于半导体p n 结的直接转换式同位素电池的研制及其输出 l 2 4 间接转换同位素电池 由于早期的直接转换b e t a v o l t a i c 同位素电池都是基于s i 基半导体材料，辐 射源大多使用9 0 s r - 9 0 y 或1 4 7 p m ，而s i 的抗辐射本领较差，高能辐射源对s i 材料 1 绪论 的辐射损伤严重，电池性能衰减很快，这不仅抵消了同位素电池使用寿命长的优 势，而且电池的输出性能也不稳定。所以早在上世纪5 0 年代，科学家们就开始 了间接能量转换式同位素电池的研究。间接转换式同位素电池的能量转换机制 是：放射性辐射源的辐射能首先经由辐射致发光的磷光物质转换为电磁辐射的形 式( 可见光、紫外线) ，再通过光伏半导体材料转换为电能。图1 8 为几种间接转 换同位素电池的结构设计图【7 k 矧，其中( a ) f 7 0 】、( b ) 【7 l 】结构类似，辐射源1 4 7 】p m 与 硫化镉( c d s ) 荧光粉混合，实现放射性衰变能向光能的转换，再通过上下两个光 伏电池组成三明治结构，实现光能向电能的转换；而( c ) f 7 l 】、( d ) f 诩、 器默、 l h r、 蟊鬻s y l k - 二：_ k， “q ，。、 ” _ t 一一一。? 、 。j “”，碑映烹曩舅s k “并i ；， o 删n 1 一j j 二l 一- l - - i _ r 互翌瑟嚣。 p h o t o v o l t a t c n e l l so p u m i z e i o rp h o l o n f l u xl e v e i a n op r 、o s p b o s d e c t r u m + p m - 1 4 7 + p h o s d h o r e n c a p s u l a t e d l i 3p l a s t i c ( b ) 一! 塑 形，曩i 了焉焉i = ：锄a i g a 酬a = 图1 8 几种间接转换同位素电池的结构设计 1 3 氮化镓基微型同位素电池的研制 ( e ) 【7 3 】是用氚( t r i t i u m ) 同位素源混合到辐射发光材料中，设计不同的发光几何结构 ( 如密闭矩形、管状或微球) ，以期最大限度的收集辐射致光能，进而转换为电能。 辐射能光能电能间接转换同位素电池由于受发光材料辐射致发光密度低 的限制，并且光伏转换的效率为1 5 以内，所以电池转换效率普遍偏低( 1 ) 。 此外，发光材料由于受辐射源辐射，发光密度也会随时间而衰减，电池寿命并没 有相应提高。所以间接转换式同位素电池不如直接转换式同位素电池，这种辐射 能电能的转换机制不适合用于研制微型同位素电池。 近年来，随着m e m s 工艺技术的快速发展，一种基于硅悬臂梁结构的间接 能量转换同位素电池也越来越多的被研究，该转换机制是将p 粒子与辐射源原子 核正带电离子之间的静电场能转换为振动机械能，再通过机械结构上的机电耦合 结构，将机械能转换为电能，实现b 粒子能量转换为电能的过程。典型的静电场 能转换为机械能是通过静电场力转换为机械力，再通过机电耦合结构，将机械能 转换为电能。h u il i 等【7 4 】通过构建一悬臂梁结构，收集6 3 n i 释放的b 粒子，研 究辐射能非直接转换可收集的能量形式，其结构如图1 9 所示。他们的研究结果 表明，当悬臂梁不断收集p 粒子，与辐射源之间的电场力逐渐增加，悬臂梁末端 向辐射源运动。在这个过程，系统存在由辐射能转换来的两种能量：悬臂梁的弹 性势能以及悬臂梁与辐射源之间形成的电容的电能。 图1 9 自动振动的悬臂梁等效电路图 1 4 1 绪论 图1 1 0 同位素压电式能量收集器简图 同位素压电式能量收集器就是以机械能为过渡转换能量，通过压电效应将静 电场能间接转换为电能。a m i tl a l 等 7 5 - 7 8 】设计一简单的质量弹簧系统，如图1 1 0 所示，将放射性同位素发射的p 粒子收集在振动质量块上，随着质量块同位素靠 近，将静电场力转换为悬臂梁的弹性力；当质量块下移到与同位梁的弹性力促使 质量块振动，通过悬臂梁上的压电陶瓷，将机械能转换为电能。当同位素的输出 功率为1 0 0n w 时，在1 0s 的振动周期内，该种同位素压电式能量收集器在9 0k q 的外部阻抗上可达到的最大即时输出功率为1 1 3g w ，辐射能量到电能的转换效 率达3 7 。 i ld u g g i r a l a 等【明在他们研究的同位素压电式能量收集器的基础上，在悬臂 梁末端粘附已经加工好的硅p - n 结芯片，将p 粒子的动能直接转换为电能，其 图1 1 1 压电式辐射能量收集的同位素核电池：( a ) 原理图；( b ) 结构图； 1 5 “罗弋毒 r 1 v 氮化镓基微型同位素电池的研制 原理结构图如图1 1 1 所示。该种结构通过p - n 结结构，将射入硅芯片内的1 3 粒 子的动能直接转换成电能，同时利用压电机电耦合结构，将1 3 粒子与同位素源之 间的静电场能间接转换成电能，实现1 3 粒子的势能与动能的同时收集。他们的研 究结果表明，结合压电式能量收集的同位素核电池的能量转换效率高达5 1 ， 高于贝塔伏特效应的同位素核电池的2 4 8 或者同位素压电式能量收集器的 3 9 4 。 同位素压电式能量收集器结构简单，可以通过压电效应，把辐射能量间接 转化为电能，且不需要复杂的几何外形和过多的外加元件。但是其缺点在于，输 出特性容易受到外界环境( 震动环境) 的干扰，此外为了防止发生源和辐射1 3 粒子 的电荷被空气中静电荷中和，电池需要真空封装，这就大大增加了封装的要求。 微能源的小型化和微型化的发展趋势要求压电材料的制备工艺必须尽可能与半 导体工艺兼容，此类工艺目前还需要完善。 1 3 微型同位素电池的研究现状 本章1 2 节分析指出，在传统同位素电池的几种不同转换机制中，适合用于 m e m s 领域的微型同位素电池的机制是直接能量转换方式，即基于半导体p n 结的b e t a v o l t a i c 效应1 3 辐射伏特电池。虽然有关b e t a v o l t a i c 效应发电最早可追溯 到2 0 世纪5 0 年代早期，但在随后的几十年里，由于其输出功率低，人们对 b e t a v o l t a i c 同位素的研究进展缓慢。直到半导体