一種基于PIN結(jié)的硅基微型核電池研究*

喬大勇 陳雪嬌 任 勇 藏 博 苑偉政

(西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

(2010年4月12日收到;2010年6月2日收到修改稿)

一種基于PIN結(jié)的硅基微型核電池研究*

喬大勇?陳雪嬌 任 勇 藏 博 苑偉政

(西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

(2010年4月12日收到;2010年6月2日收到修改稿)

針對(duì)PN結(jié)式微型核電池由于襯底摻雜濃度較大而造成的少子壽命短，收集效率低等缺點(diǎn)，提出使用硅基PIN結(jié)作為微型核電池的換能結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了PIN換能結(jié)構(gòu)的電學(xué)模型，并對(duì)其性能影響因素進(jìn)行了分析和仿真，優(yōu)化了換能結(jié)構(gòu)參數(shù).完成換能結(jié)構(gòu)加工之后，分別使用63Ni，147Pm和241Am對(duì)換能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PIN換能結(jié)構(gòu)通過(guò)增加耗盡層寬度來(lái)增大電子空穴對(duì)的收集空間，通過(guò)使用保護(hù)環(huán)來(lái)降低漏電流，能夠有效提高短路電流和開(kāi)路電壓，最終提升能量轉(zhuǎn)換效率.

微型核電池，輻射伏特，微機(jī)電系統(tǒng)，PIN結(jié)

PACS:07.10.Cm，89.30.－ g，73.30.+y，78.66.Fd

1.引 言

電池的體積、容量和環(huán)境適應(yīng)性是決定電子產(chǎn)品體積和壽命的瓶頸性因素.微型核電池具有壽命長(zhǎng)、能量密度高、輸出特性穩(wěn)定等特點(diǎn)而成為未來(lái)能源發(fā)展的重要分支.微型核電池按換能原理不同可分為間接式和直接式兩種.間接式換能結(jié)構(gòu)有自震蕩懸臂梁、輻射-熒光-電和輻射-熱-電三種［1，2］;直接式換能結(jié)構(gòu)有 PN 結(jié)式［3］和肖特基結(jié)式兩種［4，5］.直接換能是利用類似太陽(yáng)能電池光生伏特［6，7］的輻射伏特效應(yīng)，直接將放射性同位素的輻射能通過(guò)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為電能［8，9］，其換能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝成熟，研究最為廣泛.現(xiàn)有的硅基PN結(jié)式微型核電池輸出功率已達(dá)到納瓦級(jí)，但其結(jié)構(gòu)的局限性導(dǎo)致電荷收集區(qū)域狹小，少子壽命短，能量轉(zhuǎn)換效率低下.本研究以現(xiàn)有的PN結(jié)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種具有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的PIN復(fù)合結(jié)換能結(jié)構(gòu)(其中I代表高阻N－型硅)，以期克服襯底摻雜濃度較大而造成的少子壽命短、耗盡層寬度小等缺點(diǎn)，增大電子空穴對(duì)的收集空間，并且通過(guò)合理設(shè)計(jì)的保護(hù)環(huán)來(lái)降低漏電流密度，提高開(kāi)路電壓，最終提升能量轉(zhuǎn)換效率.

2.PIN微型核電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的PIN結(jié)式微型核電池基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，依次包括上電極金屬層、SiO2鈍化層、P+硅區(qū)、N－(I)硅區(qū)、N+硅區(qū)和下電極金屬層.P+硅區(qū)和N－硅區(qū)中間形成寬度為W的耗盡層.

1)上、下電極 采用金屬Al制作上、下電極，作為器件打線以及降低器件整體串聯(lián)電阻的導(dǎo)電層;

2)SiO2鈍化層 采用SiO2作為鈍化層，降低半導(dǎo)體表面活性，以此來(lái)降低少數(shù)載流子表面復(fù)合速度，提高電池的開(kāi)路電壓和短路電流;

3)P+硅區(qū) 注入B形成P+硅區(qū)，在高阻N－層界面處形成突變PN結(jié);

圖1 PIN式微型核電池結(jié)構(gòu)示意圖

4)N－硅區(qū) PN結(jié)式微型核電池中一般使用摻雜濃度較高(1×1015cm3)的N型硅片作為襯底，在襯底的上表面擴(kuò)散一層高摻雜的P區(qū)，從而形成PN結(jié).但高摻雜襯底使得耗盡層寬度較小，電子空穴對(duì)的吸收能力差，影響器件性能.本設(shè)計(jì)則是利用P+硅層和N－型(高阻)襯底之間的濃度差，形成寬度較大的耗盡層;

5)N+硅區(qū) 同P+硅區(qū)一樣，N+硅區(qū)也是一個(gè)重?fù)诫s區(qū)域，N+硅區(qū)和下電極金屬相連，其高摻雜濃度是為了形成良好歐姆接觸;

6)保護(hù)環(huán) 表面反型層會(huì)使PIN結(jié)電場(chǎng)畸變，在結(jié)邊緣附近電場(chǎng)并不垂直于硅片表面，而有橫向分量存在，如圖2(a)所示.當(dāng)結(jié)表面附近有帶電粒子產(chǎn)生和存在時(shí)，此橫向電場(chǎng)就推動(dòng)了這些電荷的移動(dòng)，從而形成了表面漏電流.對(duì)于太陽(yáng)能電池，光伏電流的數(shù)量級(jí)為mA—100mA，而漏電流數(shù)量級(jí)只為nA—μA，影響不大.而對(duì)于微型核電池，輻生電流的數(shù)量級(jí)為 pA或 nA.如果漏電流的量級(jí)仍為nA—μA，電池就無(wú)法產(chǎn)生電能輸出.為了減小漏電流，在換能結(jié)構(gòu)外圍添加保護(hù)環(huán)，將雜散電場(chǎng)的影響排除在換能結(jié)構(gòu)之外，如圖2(b)所示.

3.PIN式微型核電池電學(xué)模型

微型核電池等效電路如圖3所示，由一個(gè)能產(chǎn)生穩(wěn)定輻生電流的電流源IB、一個(gè)理想二極管電流ID和并聯(lián)電阻 Rsh、串聯(lián)電阻 Rs組合而成.Rsh為考慮載流子產(chǎn)生與復(fù)合以及沿電池邊緣的表面漏電流而設(shè)計(jì)的一個(gè)等效并聯(lián)電阻，Rs為擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池體電阻及上下電極之間的歐姆電阻等綜合得到的等效串聯(lián)電阻，Rc為外負(fù)載電阻.電池兩端的電壓為Vj，負(fù)載兩端電壓為V，流過(guò)電池單位面積的電流為I.

圖2 內(nèi)電場(chǎng)圖 (a)無(wú)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)電場(chǎng)，(b)有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)電場(chǎng)

圖3 微型核電池等效電路圖

微型核電池電學(xué)特性參數(shù)主要有:

1)輻生電流密度

外部β粒子入射到微型核電池?fù)Q能結(jié)構(gòu)中，激發(fā)出電子空穴對(duì)產(chǎn)生輻生電流，輻生電流密度表示為［10］

其中Tp是P+層的厚度，La是入射粒子穿透材料的厚度，Ln，Lp分別是電子、空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，T是總的有效電池厚度，W是耗盡層寬度，Epair是材料的電離能(對(duì)于硅而言，Epair=3.2 eV)，Φ·E是放射源的輸出功率.如果以 α1，α2和 α3分別代表 P+層.耗盡層和N－層三部分對(duì)輻生電流的貢獻(xiàn)比例，則公式(1)可以表示為

2)短路電流Isc

在圖3所示的電路模型中，設(shè)微型核電池的反向飽和電流為I0，根據(jù)理想二極管方程則有

則短路電流可以表示為

3)開(kāi)路電壓Voc

當(dāng)負(fù)載R無(wú)窮大時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)路，此時(shí)I=0，電池開(kāi)路電壓Voc為

4)輸出功率P

電池的輸出功率表達(dá)式為

5)填充因子FF

填充因子用“FF”表示，也就是最大功率矩形面積對(duì) Voc·Isc矩形面積比例，即

式中Vm是最大輸出功率時(shí)的電壓，Im代表最大輸出功率時(shí)的電流.

填充因子越大，輸出功率越接近極限功率.在一定照射活度下，填充因數(shù)越大，輸出功率就越高.

6)轉(zhuǎn)換效率η

微型核電池的轉(zhuǎn)換效率η是判定換能結(jié)構(gòu)優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)，可以表示為

式中Vbeam對(duì)應(yīng)加速帶電粒子相應(yīng)動(dòng)能所需的電壓，例如，63Ni放射出的β粒子的平均動(dòng)能為17.1 keV，那么Vbeam則為17.1 kV;Ibeam為放射源衰變發(fā)出的帶電粒子電量(活度乘以電子電量).

4.PIN換能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響PIN結(jié)式微型核電池的因素很多，本研究從微型核電池的微觀電學(xué)特性角度著手，在分析微電池性能影響因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行換能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

4.1.β粒子穿透深度

β粒子在材料中的射程尚沒(méi)有一種精確的定量解，目前有兩種理論求解方法，一種方法是根據(jù)電子在介質(zhì)中的電離損失的 Bethe變形公式［11］，一種則是利用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推導(dǎo)其射程.β粒子射程的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為［12］

式中的E代表粒子動(dòng)能(單位為MeV)，R代表β粒子射程(單位為cm)，ρ為穿透物質(zhì)的密度(硅的密度為2.33 g/cm3).本研究所用到的兩種放射源63Ni和147Pm粒子能量均在此范圍內(nèi).

利用經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出63Ni最大動(dòng)能為66.7 keV的β粒子在硅中的射程約為28μm，63Ni平均動(dòng)能為17.1 keV的β粒子在硅中的射程為2.8μm.圖 4給出不同能量的 β粒子在硅中的射程.

圖4 不同能量的β粒子在硅中的射程

4.2.耗盡層寬度優(yōu)化

耗盡層內(nèi)部存在內(nèi)建電勢(shì)，利用電場(chǎng)力對(duì)耗盡層內(nèi)部的電子空穴對(duì)進(jìn)行分離，從而在外電路產(chǎn)生電流.耗盡層是對(duì)短路電流貢獻(xiàn)最大的區(qū)域，為了在耗盡層內(nèi)部激發(fā)出的電子空穴對(duì)最多，就要讓外部β粒子的能量盡可能的在耗盡層區(qū)域釋放，設(shè)計(jì)的耗盡層寬度必須和β粒子的穿透深度相匹配，達(dá)到能量利用的最大化.

對(duì)于PN結(jié)，其耗盡層寬度的表達(dá)式為

其中NA是P區(qū)(受主區(qū))摻雜濃度，ND為 N區(qū)(施主區(qū))摻雜濃度，對(duì)于PIN結(jié)，由于 NA數(shù)量級(jí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ND，上式可以簡(jiǎn)化成

其中εS為硅的介電常數(shù)，ε0為真空中的介電常數(shù)，q為電子電量值，Vbi是內(nèi)建電勢(shì)

式中Vt是熱電壓，常溫下等于0.0259 V，ni是硅材料的本征載流子濃度.

開(kāi)路電壓的理論極限值等于內(nèi)建電勢(shì)，圖5給出了N－型襯底摻雜濃度與耗盡層寬度及內(nèi)建電勢(shì)的關(guān)系.

圖5 襯底摻雜濃度與耗盡層寬度及內(nèi)建電勢(shì)關(guān)系曲線

從圖5可以看出，耗盡層寬度W與襯底摻雜濃度成反比，而內(nèi)建電勢(shì)Vbi隨著摻雜濃度升高而變大.對(duì)于最大動(dòng)能的63Niβ粒子射程來(lái)說(shuō)，耗盡層寬度W應(yīng)該保持在28μm左右，得到的襯底摻雜濃度為1×1012/cm3.但從另一方面來(lái)說(shuō)，內(nèi)建電勢(shì) Vbi是開(kāi)路電壓Voc的理論極限值，提高內(nèi)建電勢(shì)，開(kāi)路電壓的上限也就會(huì)有所上升，但實(shí)際上開(kāi)路電壓并不是完全按照理論值線性上升，隨著摻雜濃度的升高，由于少子壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度等參數(shù)的限制，開(kāi)路電壓會(huì)先增大后下降.

4.3.少子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度優(yōu)化

輻生伏特效應(yīng)也與少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān).少數(shù)載流子壽命越高，擴(kuò)散長(zhǎng)度越長(zhǎng)，在耗盡層外產(chǎn)生的空穴電子對(duì)就越容易通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)進(jìn)入耗盡層而對(duì)輻生電流作出貢獻(xiàn)，相應(yīng)的短路電流也就越高.實(shí)驗(yàn)研究表明，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度以及少子壽命隨摻雜濃度的增加而減少，并且在摻雜濃度大于1017/cm3時(shí)，擴(kuò)散長(zhǎng)度和少子壽命急劇下降.

為了增加少子壽命、增大少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度應(yīng)該盡可能低.對(duì)于N區(qū)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)表明，雖然 ND小于1014/cm3時(shí)少子壽命還在增大，但其少子擴(kuò)散長(zhǎng)度 Lp已經(jīng)沒(méi)有太大變化，故選擇的襯底硅材料摻雜濃度只要小于1014/cm3就可以了.對(duì)于P區(qū)來(lái)說(shuō)，能夠與上電極金屬形成較好歐姆接觸的摻雜濃度下限為1×1019/cm3，摻雜濃度在1019/cm3量級(jí)左右是比較合適的，再高會(huì)使P區(qū)禁帶寬度收縮，少子壽命降低，從而影響開(kāi)路電壓和短路電流.

4.4.體電阻優(yōu)化

增加開(kāi)路電壓和短路電流的另外一個(gè)途徑是減小串聯(lián)電阻Rs和增加并聯(lián)電阻Rsh.串聯(lián)電阻是電極金屬電阻、金屬與硅的歐姆接觸電阻和襯底體電阻.在器件加工良好的條件下，金屬電極電阻和金屬-硅歐姆接觸電阻較小，可以忽略不計(jì).

襯底體電阻定義為

式中ρb是體電阻率，A是換能結(jié)構(gòu)面積，T是換能結(jié)構(gòu)厚度.電阻率ρb主要取決于襯底的摻雜濃度，它隨著摻雜濃度的減小而增大.當(dāng)N－層的摻雜濃度為 2×1012/cm3時(shí)，ρb會(huì)達(dá)到 2000 Ω·cm，高的電阻率必然會(huì)增大體電阻，因此，換能結(jié)構(gòu)的厚度必須加以控制.

換能結(jié)構(gòu)厚度為 P+區(qū)厚度、N－層寬度、N+區(qū)厚度和上下電極厚度之和.采用突變式PN結(jié)，P區(qū)厚度小于1μm，耗盡層寬度根據(jù)β粒子的穿透深度決定，約為28μm，背面的 N+區(qū)只是為了做歐姆接觸層，厚度也低于1μm，主要影響體電阻的部分分布在N－層區(qū)域.為了能讓在耗盡層外部產(chǎn)生的電子空穴對(duì)也可以躍遷到耗盡層內(nèi)部，并在內(nèi)建電場(chǎng)下分離以產(chǎn)生可用的電流，理想的N－層厚度的選取應(yīng)該等于耗盡層寬度W和少子(空穴)擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp之和.設(shè)計(jì)中，認(rèn)為 Lp長(zhǎng)度約為 200 μm［13］.按照上述理論，器件的總厚度就可以確定，約為240μm.

4.5.優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化所得到的準(zhǔn)則，最終選擇P+區(qū)摻雜為1×1019/cm3，N－區(qū)摻雜濃度為 2×1012/cm3.由于市場(chǎng)上的高阻硅厚度一般為300μm(2英寸)，在盡量滿足要求的前提下，選擇300μm厚的區(qū)熔高阻硅作為襯底.

5.PIN核電池版圖設(shè)計(jì)與制造工藝

換能結(jié)構(gòu)版圖如6所示.換能結(jié)構(gòu)大小為1.2 cm×1.2 cm，有效面積為1 cm2，上電極寬度設(shè)計(jì)為60μm，保 護(hù) 環(huán) 寬 度 設(shè) 計(jì) 為 120 μm.根 據(jù)Kyuregyan［14］的理論，保護(hù)環(huán)與上電極的間隔距離必須大于或等于3倍的耗盡層寬度，由于前面設(shè)計(jì)的耗盡寬度約為28μm，考慮到一些誤差因素，實(shí)際版圖中金屬電極與保護(hù)環(huán)之間的距離為100μm.

圖6 版圖形貌及局部放大圖

微型核電池的工藝流程如圖7所示.

圖7 PIN微型核電池器件加工工藝流程 (a)注入雜質(zhì)P和B，(b)生長(zhǎng)SiO2鈍化層并圖形化，(c)制作正面電極和背面電極

如圖7(a)所示，襯底正面注入雜質(zhì) B，注入能量為60 keV，摻雜濃度在1019/cm3量級(jí)，注入劑量為1×1015/cm2，注入掩模為光刻膠.在襯底背面注入P，使硅中摻雜濃度大于1019/cm3，以確保硅能和金屬形成良好的歐姆接觸，參數(shù)如表1所示.為了防止注入形成死層，在注入之前需要通過(guò)熱氧化在襯底表面形成一層氧化硅.

表1 離子注入相關(guān)參數(shù)

圖7(b)使用40%HF溶液去除二氧化硅層，快速熱退火激活注入雜質(zhì).低壓化學(xué)沉積二氧化硅并濕法腐蝕形成鈍化層.圖7(c)為制備上電極和下電極.

6.PIN微型核電池的測(cè)試及分析

加工完成的PIN換能結(jié)構(gòu)如圖8所示.抽取6片換能結(jié)構(gòu)作為測(cè)試對(duì)象.首先測(cè)試暗特性曲線，得到漏電流.從0 V逐漸加偏壓到100 V，6片器件的漏電流均在11 nA以下，最優(yōu)值不超過(guò)1 nA.在無(wú)外置偏壓下，漏電流均保持在皮安級(jí)，說(shuō)明器件的加工工藝較好、污染小.

圖8 PIN微型核電池樣件

其次用63Ni，147Pm，241Am三種放射源對(duì)換能結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻照測(cè)試.三種放射源的基本參數(shù)如表2所示.

用活度密度為4 mCi/cm2(1Ci=37 GBq)的63Ni放射源進(jìn)行了輻照測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示.由表3可見(jiàn)，器件的一致性較好，每個(gè)器件的并聯(lián)電阻都在兆歐姆級(jí)，可以認(rèn)為旁路電阻對(duì)器件性能的影響忽略不計(jì).對(duì)于微型核電池來(lái)講，轉(zhuǎn)換效率和最終輸出功率是衡量器件實(shí)用性的標(biāo)準(zhǔn).可以看出，3號(hào)器件最大輸出功率為9.94 nW/cm2，轉(zhuǎn)換效率最高的可以達(dá)到2.45%(硅的理論極限轉(zhuǎn)換效率為4%—6%).在同樣的放射源測(cè)試下，PN結(jié)的輸出功率只能達(dá)到0.12 nW/cm2［13］，表明采用 PIN 結(jié)構(gòu)之后，硅基微型核電池的轉(zhuǎn)化效率得到明顯提高.

表2 三種核素放射源的基本參數(shù)

表3 換能結(jié)構(gòu)一致性測(cè)試對(duì)照表

在使用63Ni放射源進(jìn)行一致性測(cè)試后，取2號(hào)和3號(hào)器件，分別使用63Ni和147Pm放射源進(jìn)行為期1 a的不間斷輻照，測(cè)量前后的性能變化如表4所示.其中，63Ni的活度密度為4 mCi/cm2，且因?yàn)?3Ni的半衰期長(zhǎng)達(dá)100 a，可以忽略63Ni在一年時(shí)間內(nèi)的活度變化;而147Pm在2008年的活度密度為64 mCi/cm2，因?yàn)槠浒胨テ趦H為2.6 a，輻照1 a后對(duì)其活度進(jìn)行重新測(cè)試，活度密度下降為44 mCi/cm2，在計(jì)算換能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率的時(shí)候應(yīng)該使用下降后的活度密度.測(cè)試數(shù)據(jù)表明，換能結(jié)構(gòu)在低能β放射源下持續(xù)輻照1 a后，其性能沒(méi)有明顯衰減.

使用低能β放射源得到的輸出功率距離實(shí)用的微瓦級(jí)還有一定的距離.提高輸入功率的方法有兩種:

1)增大單位面積上β放射源的活度.但是由于放射源的自吸收效應(yīng)，使得投料量和最終表觀活度兩者增長(zhǎng)不成正比，并且當(dāng)源厚度達(dá)到一定程度后，表觀活度不再增長(zhǎng);

2)選擇更高能量的α放射源.α射線能量高，能在更小的活度下產(chǎn)生較大的源功率，且其在空氣中的電離衰減很快，比較容易防護(hù).

因此，本研究嘗試了用低活度、高能量的放射源241Am進(jìn)行測(cè)試.241Am半衰期為458 a，衰變?chǔ)亮Ｗ樱芰繛?.5 MeV，在空氣中射程超過(guò)20 cm后損失殆盡，容易防護(hù).選擇241Am，首先其在煙霧探測(cè)器中應(yīng)用廣泛，比較容易購(gòu)買，其次是根據(jù) Trim95仿真其在Si中的穿透深度接近28μm，與前面所研制換能結(jié)構(gòu)的耗盡層寬度匹配度較高.

測(cè)試中用到的每個(gè)放射源活度為0.8μCi，面積大約為3 mm2，為了使器件的輻照區(qū)全部被放射源照射，本文使用了16個(gè)相同規(guī)格的放射源放置在換能結(jié)構(gòu)表面，分別測(cè)試輻照時(shí)間為1 min，10 min，10 h和24 h的1號(hào)換能結(jié)構(gòu)的I-V性能曲線.

圖9 241 Am輻照不同時(shí)間下的I-V曲線 (a)1 min后測(cè)試曲線，(b)10 min后測(cè)試曲線，(c)10 h后測(cè)試曲線，(d)24 h后測(cè)試曲線

表5 在241 Am輻照不同時(shí)間下的測(cè)試數(shù)據(jù)

從圖9中可以看出，硅基PIN換能結(jié)構(gòu)在活度僅為12.8μCi的強(qiáng)α放射源的照射下，初期性能優(yōu)越.但是，硅基換能結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間的高能α粒子轟擊下，性能逐漸變差，經(jīng)過(guò)10 h的照射，換能結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受了不可逆轉(zhuǎn)的晶格損傷，經(jīng)過(guò)24 h的輻照后，電學(xué)性能基本消失，結(jié)構(gòu)徹底失效.雖然硅結(jié)構(gòu)不能承受α的輻照能量，但是證明如果能夠選擇抗輻射能力更強(qiáng)、禁帶寬度更大的材料(如SiC)，就可能制造出轉(zhuǎn)換效率更高、輸出功率密度更大的器件.

7.結(jié) 論

使用硅基PIN結(jié)作為換能結(jié)構(gòu)來(lái)增大耗盡層寬度，并使用保護(hù)環(huán)減小漏電流，可以有效增強(qiáng)微型核電池的轉(zhuǎn)化效率.β粒子輻照實(shí)驗(yàn)表明，換能結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)明顯性能衰減，可以長(zhǎng)期有效地將輻射能轉(zhuǎn)化為電能.α粒子輻照實(shí)驗(yàn)表明，在有限的活度下，高能粒子能夠產(chǎn)生較大的電能輸出，雖然由于硅材料的禁帶寬度小而在長(zhǎng)時(shí)間輻照后發(fā)生損傷而失效，但證明采用更高能量的放射源和更高禁帶寬度的耐輻照半導(dǎo)體材料制備換能結(jié)構(gòu)是提升輻射伏特型微型核電池效率的有效途徑.

［1］Li H，Lal A，Blanchard J，Henderson D 2002J.Appl.Phys.92 1122

［2］Rinehart G H 2001Prog.Nucl.Energ.39 305

［3］Chandrashekhar M V S，Thomas C I，Li H，Spencer M G，Lai A 2006Appl.Phys.Lett.88 033506

［4］Lee S K，Son SH，Kim K，Park JW，Lim H，Lee JM，Chung E S 2009Appl.Radiat.Isotopes67 1234

［5］Qiao D Y，Yuan W Z，Gao P，Yao X W，Zang B，Zhang L，Guo H，Zhang H J 2008Chin.Phys.Lett.25 3798

［6］Tian R Y，Yang R Q，Peng J B，Cao Y 2005Chin.Phys.14 1032

［7］Yuan Y J，Hou G F，Xue JM，Han X Y，Liu Y Z，Yang X Y，Liu L J，Dong P，Zhao Y，Geng X H 2008ActaPhys.Sin.57 3892(in Chinese)［袁育杰、侯國(guó)付、薛俊明、韓曉艷、劉云周、楊興云、劉麗杰、董 培、趙 穎、耿新華 2008物理學(xué)報(bào)57 3892］

［8］Guo H，Li H，Lal A，Blanchard J 2008Proceedingofthe9thIEEEInternationalConferenceonSolidStateandIntegrated CircuitTechnologyBeijing，China，October20—23，2008 p2365

［9］Guo H，Yang H，Zhang Y 2007Proceedingofthe20thIEEE InternationalConferenceonMEMSHyogo，Japan，January21—25，2007 p867

［10］Lutz G 1999SemiconductorRadiationDetectors(Berlin Heidelberg:Springer-Verlag)p95

［11］Lu X T 1981NuclearPhysics(Beijing:Atomic Energy Press)p 104(in Chinese)［盧希庭1981原子核物理 (北京:原子能出版社)第104頁(yè)］

［12］Liu Q C 2005OverviewofNuclearScience(Harbin:Harbin Institute of Technology Press)p 28(in Chinese)［劉慶成2005核科學(xué)概論 (哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社)第28頁(yè)］

［13］Dong P 2008MSdissertation(Xi’an:Northwestern Polytechnical University)(in Chinese)［董 鵬 2008碩士論文 (西安:西北工業(yè)大學(xué))］

［14］Kyuregyan A S 2000Semiconductors34 835

PACS:07.10.Cm，89.30.－ g，73.30.+y，78.66.Fd

A nuclearm icro-battery based on silicon PIN diode*

Qiao Da-Yong?Chen Xue-Jiao Ren Yong Zang Bo Yuan Wei-Zheng
(Micro and Nano Electromechanical Systems Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)
(Received 12 April 2010;revised manuscript received 2 June 2010)

Due to the use of heavily doped N type silicon substrate，the nuclearmicro-battery based on silicon PN diode suffers from the small minority carrier life-time and small depletion region width，and can not achieve high energy transfer efficiency.A nuclear micro-battery utilizing silicon PIN diode as the energy transfer structure was demonstrated with achieves higher electrical power output.Theoreticalmodelwas built to predict the power output performance of this kind of micro-nuclear battery and structure optimization was performed in terms of the stopping range of beta particles，the dep letion region width，the minority carrier life-time and the body resistance.Prototypes of PIN energy transfer structure were fabricated and were illuminated by using beta radioisotopes63Ni，147Pm and alpha radioisotope241Am as the radiation sources，and proved to be effective to improve the energy transfer performance.

micro-nuclear battery，betavoltaics，MicroElectroMechanical systems，PIN diode

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2009AA04Z318)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):NCET-10-0075)資助的課題.

*Project supported by the National H igh Technology Research and Development Program of China(Grant No.2009AA04Z318)and Program for the New Century Excellent Talents in Universities，Ministry of Education of China(Grant No.NCET-10-0075).