(Al)GaN基辐射伏特效应同位素电池的关键换能器件

For the application demand in long-life and micro batteries, we study the (Al)GaN based energy conversion units of radiation voltaic isotope batteries(RVIB) by investigating the MOCVD growth of (Al)GaN materials, solving the p-doping in AlGaN materials and designing the device structure. Firstly, we must study the growth kinetics process of (Al)GaN materials, reveal the defect formation process, find methods to decrease the defect density, and obtain high quality (Al)GaN materials. Then, we will improve the p-AlGaN quality by using the new structure of p-InGaN/(Al)GaN superlattice and by suppressing the acceptor compensation effect. We also need to investigate the transport mechanism of carriers in the interface between metal and semiconductor to solve the problem of p-(Al)GaN ohmic contact. Finally, according to the characteristics of the decay electron spectrum of tritium, the structures of (Al)GaN based energy conversion units are designed and the devices are fabricated.

本项目针对长寿命微型电池的应用需求，研究(Al)GaN材料外延生长技术，解决AlGaN P型掺杂和欧姆接触问题，设计器件结构，研制高转化效率核电池的换能单元。研究(Al)GaN生长动力学过程，揭示(Al)GaN材料中缺陷的形成和湮灭机理，掌握抑制缺陷方法，生长出高质量的(Al)GaN材料；研究采取超晶格结构等方法，利用极化效应，减小受主电离能，并研究补偿杂质来源和补偿机理，控制补偿，提高p型掺杂效率；研究载流子在金属半导体界面输运机理，解决p-(Al)GaN材料的欧姆接触问题。最后针对氚辐射源衰变电子能谱特征，设计(Al)GaN换能单元器件结构，最终制备用于氚辐射伏特效应同位素电池的(Al)GaN换能单元器件。

由于放射源有很长的半衰期( 几十年甚至上百年)，且放射特性不受外界的干扰，因此辐射伏特效应同位素电池非常适合于条件恶劣、长期无人看管又需要提供电源的场合，同时由于可以采用半导体技术，使得这类电池又具有能量密度高、体积小、可靠性高等特点，也是微型电动机械（MEMS）器件的理想电源，因此辐射伏特同位素电池无论是在医学还是航天、航空、深海等领域都有巨大的市场应用前景。本项目针对长寿命、微型电源需求，研究(Al)GaN生长动力学过程，揭示(Al)GaN材料中缺陷的形成和湮灭机理，掌握抑制缺陷方法，生长出高质量的(Al)GaN材料；研究杂质来源和补偿机理，控制补偿，提高p型掺杂效率；研究载流子在金属半导体界面输运机理，解决p-(Al)GaN材料的欧姆接触问题。最后重点研究了辐射伏特电池中氮化镓换能器的漏电问题。阐述了三级漏电机制，即最大的漏电来自于器件击穿及结构破坏，其中材料中的纳米管与器件击穿紧密相关，而表面结构破坏主要与材料生长过程中的杂质滴落有关。二级漏电来自于纳米管缺陷，漏电与镓元素在纳米管中的聚集有关。第三级漏电来自于材料中的螺位错。通过在材料生长过程中插入一层铝镓氮可以阻止纳米管继续延伸，进而降低器件漏电，增加其工作稳定性。目前，已制备出漏电流显著降低的肖特基二极管。