高功率密度氮化镓基微型同位素电池的研究

The research is to develop high power-density and long lifetime GaN-based isotope microbatteries. The principle of compensation doping will be applied to deposit GaN for betavoltaic microbattery, with which low electron concentration and high resistant N-type GaN layer as the beta-absorbing layer will be obtained and thus enhance the thickness of the energy-absorbed layer. Also, the method of doping compensation will solve the difficulties of high background-electron concentrations of N-type MOCVD GaN and of the extremely narrow absorbing layer of the battery, at last will achieve the high power-density outputs. The project will present in detail including the research and simulation of the transport trajectories of incident beta particles in the GaN target and the energy deposition along the penetration path, the research of theoretical model of the GaN-based isotope battery, the design parameters for the cell, the study of wide energy-absorbed layer of the GaN isotope battery based on compensation doping, the experimental fabrication of devices and the performance testing and analysis. The research in this project is aimed to match the demands of the self-supply microscale power source in MEMS devices, and will help us to design and fabricate microscale power source with long lifetime, high open-circuit voltage and high-power density.

本项目研制高功率密度长寿命氮化镓基微型同位素电池。将补偿掺杂原理应用于氮化镓基同位素电池的研制中，通过补偿掺杂方法，研究获得低电子浓度的高阻N型氮化镓作为能量吸收层，提高电池的有效吸收厚度，解决传统MOCVD方法生长的氮化镓N区背景浓度高、电池有效吸收层太窄的难题，实现电池的高功率密度输出。本项目的研究内容包括辐射源辐射的Beta粒子在GaN材料中的输运和能量沉积的研究和仿真、氮化镓基同位素电池的理论模型研究和电参数设计、基于补偿掺杂原理获得氮化镓同位素电池宽能量吸收层的研究、电池器件的实验制备、电池性能测试与分析等。本项目的研究旨在解决匹配MEMS领域微能源自供给的难题，为设计和制备高开路电压和高能量输出密度的长寿命微能源奠定理论和技术基础。

随着微机械电子系统(MEMS)技术的快速发展，硅(Si)基、碳化硅(SiC)基直接转换式微型同位素电池正成为近10年来MEMS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(GaN)，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，但并没有取得有意义的实验性结果。本项目研制基于第三代宽禁带半导体材料GaN的微型同位素电池，项目研究内容包括辐射源辐射的Beta粒子在GaN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、GaN材料的补偿掺杂生长、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Fe，获得低电子浓度的N型氮化镓作为能量吸收层，补偿掺杂后的电池相比同种结构非故意掺杂的电池性能大幅提高。以Ni-63作为辐射源，2×2 mm2 的三明治结构GaN基同位素微电池开路电压最大高达1.6 V，短路电流密度32nA/cm2，面功率密度为27.6 nW/cm2，转换效率达到2.1%。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。本项目以实验的方式证实了宽禁带的GaN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，为以后的研究和实际应用奠定了基础。