新型软件在放射性构件材电池预设中运用剖析

  　　1传统能源在为MEMS器件提供能源时遭遇瓶颈，如微型化学电池（锂电池）能量密度低，寿命短，微型太阳能电池又受光照条件等限制。利用MEMS技术制作的63Ni同位素微电池体积小，质量轻，能量密度高，电池使用寿命长，可不间断供电50年以上，并且易于片上集成，可用于航空、航天领域，而且其制作工艺简便，成本低，可大批量生产，这些都成为解决MEMS器件能源问题的有利因素。　　263Ni微电池的工作原理　　利用带一定能量的β离子束辐射到半导体材料上，通过电离效应，产生电子2空穴对，当电子2空穴对扩散至半导体pn结的耗尽区时，在pn结内电场的作用下，实现对电子2空穴对的分离，即电子向n区、空穴向p区运动，产生电流输出。1为63Ni微电池工作原理示意图。　　同位素选择包括安全、寿命、活性和成本等方面的要求。63 Ni辐射的β离子**动能为6617 keV ，远小于对硅晶格结构造成无法恢复损伤的阈值200 keV～250 keV.此外，63Ni的辐射离子无法穿透人的真皮，不会给人体造成伤害。实验得到63Ni辐射的β离子在硅中的**扩散长度为43μm ，平均扩散长度为3μm.为了增加输出功率，63Ni微电池的能量转换结构可通过体微加工实现，即在pn结表面刻蚀出垂直侧壁的方孔阵列，以增大与放射源的接触面积。2为垂直侧壁方孔型能量转换结构的示意图。　　放射性同位素63Ni微电池的性能指标有开路电压Voc、短路电流ISC和**输出功率Pm，分别由（1）式～（3）式求出：　　V oc = k T e ln（1 + I p I 0）（1）　　I SC = I p（2）　　P m = f V oc I SC（3）　　其中：　　Ip是放射性同位素产生的电流，I0是漏电流，f是填充因子。　　由63 Ni微电池的工作原理可知，输出电流密度JL（ E）可视为各区的辐生电流密度之和，即J L（ E）= J n（ E）+ J c（ E）+ J p（E）（4）　　其中：　　Jp（E） ， Jc（E）和J n（E）分别表示p区、耗尽区和n区的辐生电流密度。　　当辐射粒子能量为E时，可以建立n区、p区及耗尽区的电流密度，当能量相同的离子束辐射时，电池中的辐生电流只需将式代入式相加即可，当辐射离子的能量不同时，则总的辐生电流密度还需对所有的离子能量进行积分，即JL=∫Emax0JL（E） dE.　　3给出了开路电压Voc与I p / I 0的关系曲线。　　由图可以看出，当I p / I 0大于1 000时，Voc趋于稳定，由此得出，要得到较大的输出功率，应尽可能地降低漏电流I0，使Ip/I0大于1 000.漏电流计算公式为I 0 = AJ 0 = A　　D n L n i 2 N A + D p L p n i 2 N D e　　其中：A是pn结有效接触面积，e是电子电量， n i是本征载流子浓度，J 0是漏电流密度。从式可以看出，增加掺杂浓度NA和ND均有助于降低漏电流。　　实验证明，增加N D还会降低载流子的扩散长度L n，则**掺杂浓度N A = 10 20 / cm 3，N D = 10 17 / cm 3。　　3 63Ni微电池的结构设计　　随着结深的增加，产生电子2空穴对的数目将减少。当结深约为1μm时，产生的电子2空穴对的数目为920.当结深大于38μm～40μm时，产生的数目将减少至几十个。　　若扩散浓度N A = 10 20 / cm 3，N D = 10 17 / cm 3，由式可以得到开路电压与结深的关系，如4所示。由图可以看出，随着结深的增大，开路电压不断的增大，当结深大于3μm时，开路电压逐渐趋于稳定。　　由式可以得到短路电流密度与结深的关系，如5所示，同样可以看出，随着结深的增大，短路电流密度不断的增大。当结深大于3μm时，短路电流趋于稳定。　　由式可以得到**输出功率与结深的关系，如6所示，由图可以看出，随着结深的增大，当结深大于3μm时，功率趋向于稳定。　　由于63Ni辐射的β离子在硅中的平均扩散长度小于3μm ，因此要使产生的空穴2电子对尽可能的多，以便提升电池性能，则结深的**选择范围应在2μm～3μm.　　β离子辐射到p2n结，产生电子2空穴对，形成辐生载流子，辐生载流子的定向移动形成辐生电流。　　如果辐射到电池表面的β离子激发产生的电子2空穴对均可全部被收集，由于产生一个电子2空穴对需312 eV，则辐生电流的理论**值为I max = N×317×10 7×E av 312 e　　其中：N是放射源活性， E av是放射源辐射离子的平均动能。　　7是源活度与短路电流关系图，可以看出源活度与短路电流近乎成正比例关系。要增大电池电流，必须使源密度尽可能大。　　4 63Ni微电池的制作和性能　　41实验仪器与设备　　同位素微电池制作工艺步骤如8所示。（a）采用掺杂浓度为10 17 / cm 3、晶向为< 100 >的n型区为衬底； （b）在n型区表面热氧化生成2μm厚的SiO 2掩膜层，再在其上LPCVD淀积2μm厚的Si 3 N 4掩膜层； （c）用掩模版光刻。RIE干法刻蚀掉多余的Si 3 N 4与SiO 2，形成湿法刻蚀窗口（7 mm×14 mm） ；（d）用KOH湿法腐蚀出深宽比为10∶1侧壁、均为< 100 >晶向的垂直侧壁方孔阵列； （e） RIE除去Si 3 N 4掩膜层，用掩膜版光刻，RIE除去多余的SiO 2掩膜层，形成掺杂p型区的窗口，此掺杂窗口避开了n型金属电极区，但为其预留出了5倍面积的空间； （f）浓硼扩散。形成结深为215μm ，p型区浓度为10 20 / cm 3的pn结； （g）用HF缓冲液除去SiO 2掩膜层，并涂胶； （h）用掩模版光刻出n型区的金属电极区、p型区的金属电极区与电镀区，溅射金属铜，剥离多余的金属铜。　　结果在未被掺杂的n型区表面留下了n型区的金属电极区，在p型区表面留下了p型区的金属电极区，这两个金属电极区分别与n型区及p型区形成欧姆联结，且两电极相距2 mm ，避免了过大的漏电流。电镀区淀积在垂直侧壁方孔阵列的表面，完全控制在p型区内，可防止因电镀区覆盖p型区与部分n型区而造成的短接。电镀区的金属层厚度为100 nm ，可阻止β离子穿过电镀区而产生过多的能量损耗，这样即可得到同位素微电池的能量转换结构，整个电池的有效面积为818 mm×1816 mm.　　对加工好的能量转换结构进行放射源电镀，采用含有次磷酸根的镍盐水溶液通过化学镀的方式形成63Ni ，电镀剂量为100 mCi/ cm 2，次磷酸根可以通过次磷酸纳、次磷酸钾或者次磷酸氨获得。电镀只在电镀区进行，电极区用有机硅橡胶涂敷保护，以便以后引出导线。电镀后，在微电池表面进行密封处理，避免放射源在工作时受到外界影响。　　9为电池能量转换结构宏观形貌图，0为能量转换结构在10倍显微镜下的形貌图。可以看出，湿法腐蚀形成的垂直侧壁方孔阵列结构的侧向钻蚀现象并不明显。1为微电池形貌图，从图中可以看出，电镀区均匀地附着在能量转换结构的表面。使用HP探针台测试仪对同位素微电池的电信号进行测试，得到V oc = 127 mV ，J SC = 4 nA/ mm 2，P m = 0141 nW/ mm 2.　　5结论　　大量的实验证明了使用同位素能源的可行性，而且它可以很好地与MEMS器件进行片上集成。　　这种电池所具备的各种优点为解决MEMS与能源片上集成问题以及商业化生产奠定了良好的基础。　　使用不同种类的同位素、不同结深和放射源活度，可以得到不同的电池性能。电流公式的建立使得对电池性能的分析更加完整。同时垂直侧壁方孔阵列的采用，增大了能量转换结构的表面积，从而增大了电池电流。对放射性同位素63Ni微电池的能量转换结构进行设计，发现**结深范围为2μm～3μm.在此基础上制作出电池，其性能指标为Voc= 127 mV ，J SC= 4 nA/ mm 2，P m= 0141 nW/ mm 2.                             来源:http://www.edianchi.com/news/html/Tech/9360.html