一种核电池结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及核电池技术领域，尤其涉及一种核电池结构及核电池的制备方法。


背景技术：

2.放射性同位素电池又称为核电池，是利用放射性同位素衰变释放的能量来产生电能的装置。
3.随着微电子机械系统的发展，能源供给问题尤为重要。电子产品小型化、微型化、集成化发展，能源也必须实现小型化、微型化发展。核电池具有体积小、寿命长、重量轻、不受外界环境功能影响、比功率高、易于微型化等优点，使其成为微机电系统的理想能源。由于其优异的特点使其可应用在航空航天、深海、极地等需要长期供电无人值守的场合。
4.近几年，有关核电池的研究也十分广泛，提高核电池能量转换效率一直是研究的重点，半导体核电池是利用半导体的辐射伏特效应将同位素源能的衰变转化为电能。氮化镓（gan）作为第三代半导体材料具有抗辐射能力强、禁带宽度高等特点，特别适合用于制作核电池的材料。氮化镓基核电池一种形成方式是以pin型二极管结构为主体，在其基础上通过粘结等方式将同位素源整合在一起，最后封装成核电池。
5.目前核电池封装方式一般是将同位素源层粘接或者镀到核电池表面，核电池的能量转换效率的提高具有局限性。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种核电池结构及核电池的制备方法，解决相关技术中存在的核电池的能量转换效率低的问题。
7.作为本发明的第一个方面，提供一种核电池结构，其中，包括：第一核电池芯片、第二核电池芯片以及位于所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片中间的放射性同位素源层，所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片均包括第一导电类型衬底、在所述第一导电类型衬底上朝向所述放射性同位素源层依次设置的第一导电类型外延层、第一掺杂浓度的第二导电类型外延层、第二掺杂浓度的第二导电类型外延层、第二导电类型欧姆接触层和金属键合层，所述放射性同位素源层分别与所述第一核电池芯片的金属键合层以及所述第二核电池芯片的金属键合层接触，所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片的第一导电类型衬底背离所述放射性同位素源层的一面均设置第一导电类型欧姆接触层。
8.进一步地，当所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片均包括n型核电池芯片和p型核电池芯片，当所述第一核电池芯片和第二核电池芯片均为所述n型核电池芯片时，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型，当所述第一核电池芯片和第二核电池芯片均为p型核电池芯片时，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
9.进一步地，所述第一导电类型外延层包括n型氮化镓外延层，所述n型氮化镓外延层的厚度在3μm~10μm之间，所述n型氮化镓外延层的掺杂浓度在1
×
10
15
cm-3
～2
×
10
15
cm-3
之间。
10.进一步地，所述第一掺杂浓度的第二导电类型外延层包括p型氮化镓外延层，所述p型氮化镓外延层的厚度在0.1μm~0.2μm之间，所述p型氮化镓外延层的掺杂浓度在4
×
10
17
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
之间。
11.进一步地，所述第二掺杂浓度的第二导电类型外延层包括p+型氮化镓外延层，所述p+型氮化镓外延层的厚度在5nm~10nm之间，所述p+型氮化镓外延层的掺杂浓度在2
×
10
19
cm-3
～5
×
10
19
cm-3
之间。
12.进一步地，所述第一导电类型衬底包括n型氮化镓衬底，所述n型氮化镓衬底的厚度在300μm~500μm之间。
13.进一步地，所述第二导电类型欧姆接触层包括p型欧姆接触层，所述p型欧姆接触层包括厚度为100nm的ti金属层。
14.进一步地，所述第一导电类型欧姆接触层包括n型欧姆接触层，所述n型欧姆接触层包括ti金属层和al金属层，且所述ti金属层的厚度为100nm， al金属层的厚度为3μm。
15.进一步地，所述金属键合层包括p型金属键合层，所述p型金属键合层包括厚度为3μm的al金属层。
16.作为本发明的另一个方面，提供一种核电池的制备方法，用于制备前文所述的核电池结构，其中，包括：提供第一导电类型衬底；在所述第一导电类型衬底上生长第一导电类型外延层；在所述第一导电类型外延层上生长第一掺杂浓度的第二导电类型外延层；在所述第一掺杂浓度的第二导电类型外延层上生长第二掺杂浓度的第二导电类型外延层；在所述第二导电类型外延层上淀积金属层并刻蚀得到第二导电类型欧姆接触层；在所述第二导电类型欧姆接触层上淀积金属层并刻蚀得到金属键合层；在所述第一导电类型衬底背离所述第一导电类型外延层的表面淀积金属层得到第一导电类型欧姆接触层，退火后得到第一核电池芯片；重复上述步骤得到第二核电池芯片；将放射性同位素源层置于所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片中间，且将所述放射性同位素源层分别与所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片固定后进行封装，其中所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片的第一导电类型衬底背离所述放射性同位素源层的一面均设置第一导电类型欧姆接触层。
17.本发明提供的核电池结构，将两个核电池面对面进行封装，放射性同位素源层置于两个核电池芯片中间，然后将其进行封装。该核电池结构相当于有两个耗尽区，提高电子空穴对的收集效率，进而提高了核电池的能量转换效率。
附图说明
18.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
19.图1为本发明提供的核电池结构的结构示意图。
20.图2为本发明提供的第一核电池芯片或第二核电池芯片的结构示意图。
21.图3为本发明提供的核电池结构封装后的结构示意图。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
23.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.在本实施例中提供了一种核电池结构，图1是根据本发明实施例提供的核电池结构的结构示意图，图2为第一核电池芯片或第二核电池芯片的结构示意图，如图1和图2所示，包括：第一核电池芯片10、第二核电池芯片20以及位于所述第一核电池芯片10和所述第二核电池芯片20中间的放射性同位素源层8，所述第一核电池芯片10和所述第二核电池芯片20均包括第一导电类型衬底1、在所述第一导电类型衬底1上朝向所述放射性同位素源层8依次设置的第一导电类型外延层2、第一掺杂浓度的第二导电类型外延层3、第二掺杂浓度的第二导电类型外延层4、第二导电类型欧姆接触层5和金属键合层6，所述放射性同位素源层8分别与所述第一核电池芯片10的金属键合层以及所述第二核电池芯片20的金属键合层接触，所述第一核电池芯片10和所述第二核电池芯片20的第一导电类型衬底1背离所述放射性同位素源层8的一面均设置第一导电类型欧姆接触层7。
26.本发明实施例提供的核电池结构，将两个核电池面对面进行封装，放射性同位素源层置于两个核电池芯片中间，然后将其进行封装。该核电池结构相当于有两个耗尽区，提高电子空穴对的收集效率，进而提高了核电池的能量转换效率。
27.具体地，当所述第一核电池芯片10和所述第二核电池芯片20均包括n型核电池芯片和p型核电池芯片，当所述第一核电池芯片和第二核电池芯片均为所述n型核电池芯片时，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型，当所述第一核电池芯片和第二核电池芯片均为p型核电池芯片时，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
28.需要说明的是，本发明实施例所述第一核电池芯片10和所述第二核电池芯片20均以n型核电池芯片为例进行说明。
29.具体地，所述第一导电类型外延层2包括n型氮化镓外延层，所述n型氮化镓外延层的厚度在3μm~10μm之间，所述n型氮化镓外延层的掺杂浓度在1
×
10
15
cm-3
～2
×
10
15
cm-3
之间。
30.具体地，所述第一掺杂浓度的第二导电类型外延层3包括p型氮化镓外延层，所述p
型氮化镓外延层的厚度在0.1μm~0.2μm之间，所述p型氮化镓外延层的掺杂浓度在4
×
10
17
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
之间。
31.具体地，所述第二掺杂浓度的第二导电类型外延层4包括p+型氮化镓外延层，所述p+型氮化镓外延层的厚度在5nm~10nm之间，所述p+型氮化镓外延层的掺杂浓度在2
×
10
19
cm-3
～5
×
10
19
cm-3
之间。
32.具体地，所述第一导电类型衬底1包括n型氮化镓衬底，所述n型氮化镓衬底的厚度在300μm~500μm之间。
33.在本发明实施例中，所述n型氮化镓衬底的电阻率为0.015ω
•
cm。
34.具体地，所述第二导电类型欧姆接触层5包括p型欧姆接触层，所述p型欧姆接触层包括厚度为100nm的ti金属层。
35.具体地，所述第一导电类型欧姆接触层7包括n型欧姆接触层，所述n型欧姆接触层包括ti金属层和al金属层，且所述ti金属层的厚度为100nm， al金属层的厚度为3μm。
36.在本发明实施例中，所述金属键合层包括p型金属键合层，所述p型金属键合层包括厚度为3μm的al金属层。
37.作为本发明的另一实施例，提供一种核电池的制备方法，用于制备前文所述的核电池结构，其中，如图1至图3所示，包括：提供第一导电类型衬底1，在本发明实施例中，准备n型氮化镓衬底材料，n型衬底b级，典型厚度300-500um，电阻率0.015ω
•
cm。
38.在所述第一导电类型衬底1上生长第一导电类型外延层2，具体地，在n型氮化镓衬底上外延生长厚度在3μm~10μm之间，掺杂浓度在1
×
10
15
cm-3
～2
×
10
15
cm-3
之间的初始n型氮化镓外延层；在所述第一导电类型外延层2上生长第一掺杂浓度的第二导电类型外延层3，具体地，在n型外延层上生长p型外延层厚度在0.1μm~0.2μm之间，掺杂浓度在4
×
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cm-3
～5
×
10
17
cm-3
之间；在所述第一掺杂浓度的第二导电类型外延层3上生长第二掺杂浓度的第二导电类型外延层4，具体地，在p型外延层上生长一层高掺杂的p+外延层，厚度在5nm~10nm之间，掺杂浓度在2
×
10
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cm-3
～5
×
10
19
cm-3
之间；在所述第二导电类型外延层上淀积金属层并刻蚀得到第二导电类型欧姆接触层；在所述第二导电类型欧姆接触层上淀积金属层并刻蚀得到金属键合层；在所述第一导电类型衬底背离所述第一导电类型外延层的表面淀积金属层得到第一导电类型欧姆接触层，在1050℃高温下快速退火3分钟，最终得到第一核电池芯片；重复上述步骤得到第二核电池芯片；将放射性同位素源层置于所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片中间，且将所述放射性同位素源层分别与所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片固定后进行封装，其中所述第一核电池芯片和所述第二核电池芯片的第一导电类型衬底背离所述放射性同位素源层的一面均设置第一导电类型欧姆接触层。
39.需要说明的是，所述第二导电类型欧姆接触层5包括p型欧姆接触层，所述p型欧姆接触层包括厚度为100nm的ti金属层；所述第一导电类型欧姆接触层7包括n型欧姆接触层，
所述n型欧姆接触层包括ti金属层和al金属层，且所述ti金属层的厚度为100nm， al金属层的厚度为3μm；在本发明实施例中，所述金属键合层包括p型金属键合层，所述p型金属键合层包括厚度为3μm的al金属层。
40.本发明实施例，所述放射性同位素源层8采用sr
90
或者pm
147
放射源，将放射性同位素源层8置于两个核电池芯片中间，与两个芯片固定到一起，然后封装到管壳10中，管壳10设置有管壳盖板9，与所述放射性同位素源层8连接的p面电极线连接至所述管壳10的一个管壳贴面引脚13处，与所述n型欧姆接触层连接的n面电极线12连接至所述管壳10的另一个管壳贴面引脚13处。
41.综上，本发明实施例提供的核电池的制备方法制备得到的核电池结构能够提高电子空穴对的收集效率，大大提高了核电池的能量转换效率，且制备工艺简单，制备成本低廉。
42.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。