王關(guān)全 楊玉青 胡 睿 劉業(yè)兵 熊曉玲 羅順忠

（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所 綿陽 621900）

GaN與Si器件作為輻伏電池換能單元性能比較

王關(guān)全 楊玉青 胡 睿 劉業(yè)兵 熊曉玲 羅順忠

（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所 綿陽 621900）

利用63Ni和3H源等分別輻照兩種可作為輻伏電池換能單元的GaN基和Si基PiN結(jié)型器件，比較了他們的輸出電性能結(jié)果，以及兩種器件的溫度、輻照性能等。結(jié)果表明，GaN器件開路電壓Voc比Si基器件有非常明顯的提高，而短路電流Isc有較大下降；GaN基結(jié)型器件在高溫和高能輻照條件下的性能比Si基結(jié)型器件有較大優(yōu)勢。

輻伏同位素電池，GaN器件，Si器件，電輸出性能

輻射伏特效應(yīng)同位素電池（簡稱輻伏電池）以其長壽命、高能量密度、小體積、易與其他電子元器件整合等優(yōu)點，成為微型同位素電池研究的熱點[1?3]。在輻伏電池的發(fā)展過程中，其換能單元材料和結(jié)構(gòu)的研究受到較多關(guān)注，先后嘗試過單晶硅、多晶硅、InGaP、SiC等多種材料[4?7]，并從最初的平面構(gòu)型逐漸發(fā)展了溝槽型、倒金字塔型以及三維多孔等多種換能單元器件結(jié)構(gòu)[8?11]。從材料方面講，目前比較一致的看法是：輻伏電池的理論最大能量轉(zhuǎn)換效率與換能單元所用半導(dǎo)體材料的帶隙有直接聯(lián)系，一般是隨材料帶隙而增加[12?13]。利用寬帶隙半導(dǎo)體材料制作換能單元有利于提升輻伏電池的轉(zhuǎn)換效率，有效提高電池的電輸出性能。為驗證寬帶隙材料GaN（帶隙寬度3.4 eV）結(jié)型器件作為輻伏電池換能單元對電池能量轉(zhuǎn)換效率的提升效果，本文比較了GaN和Si材料器件在63Ni和3H源作用下的電輸出性能，并比較了兩種器件的溫度及輻照性能。

1 器件參數(shù)及實驗結(jié)果

1.1 GaN和Si器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與電學性能輸出結(jié)果

設(shè)計的GaN器件由中國電子科技集團第四十四研究所（重慶）制作，GaN器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1，在Al2O3材料上生長GaN，正面電極為全覆蓋的透明電極。Si器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2，在N-Si正面和背面分別摻雜制作P-Si和N+-Si，正面電極為環(huán)狀合金電極。用標稱活度3.0×108Bq的63Ni源、含3H量約為1.4×1010Bq的含氚鈦片源在室溫(23 °C)下輻照GaN器件和單晶Si器件，基本電輸出性能測試結(jié)果列于表3?？梢钥吹剑珿aN器件性能在開路電壓上有較大優(yōu)勢，但是輸出的短路電流比Si器件差很多。

測試設(shè)備為美國吉時利公司的KEITHLEY 6517B，該設(shè)備在器件受輻照條件下可測量輸出電流和電壓值，在無輻照條件下可測量器件的暗特性(I-V)曲線，可滿足本文所涉及的所有電流特性測試。

表1 GaN器件結(jié)構(gòu)參數(shù)(D=1.0 cm)Table 1 Configuration of GaN diodes (D=1.0 cm).

表2 Si器件結(jié)構(gòu)參數(shù)(D=1.0 cm)Table 2 Configuration of Si diodes (D=1.0 cm).

表3 輸出性能結(jié)果Table 3 Results of electrical performance.

1.2 GaN和Si器件的溫度性能

比較了GaN器件和單晶硅器件在高溫條件下Voc的變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 GaN和Si器件在高溫下的VocFig.1 Comparison of Voc of GaN and Si diodes in high temperature.

圖2 GaN器件在電子束輻照前后本征暗特性曲線(a) 輻照前，(b) 輻照后Fig.2 Dark characteristic curves of GaN diode before and after electron beam irradiation. (a) Before irradiation, (b) After irradiation

單晶硅器件的Voc隨溫度變化率約為?2.81mV·°C?1，GaN器件的Voc隨溫度變化率為?1.57 mV·°C?1。GaN器件由于較高的輸出電壓起點，以及在高溫下較低的電壓衰減率，使GaN器件的高溫電壓優(yōu)勢非常突出。

1.3 GaN和Si器件的輻照性能

在1.8 MeV電子束作用下，比較了GaN器件和單晶Si器件本征暗特性在輻照前后的變化。本征暗特性I-V曲線的比較見圖2、圖3，在一定反向偏壓下的漏電流的數(shù)值比較見表4。可見，GaN器件在1.8 MeV電子束、500 kGy的劑量輻照后，本征暗特性沒有惡化，在一定反向偏壓下的漏電流沒有增加。而相同的輻照條件下，單晶Si器件的本征暗特性明顯變差，在一定偏壓下的漏電流在輻照后增大兩個數(shù)量級。

圖3 Si器件在電子束輻照前后本征暗特性曲線(a) 輻照前，(b) 輻照后Fig.3 Dark characteristic curves of Si diode before and after electron beam irradiation. (a) Before irradiation, (b) After irradiation

表4 GaN和Si器件在電子束輻照前后暗特性漏電流Table 4 The leakage currents of dark characteristic of GaN and Si diodes before and after electron beam irradiation.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 器件輻照下電輸出性能比較

利用理論公式計算了GaN器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)建電勢Vbi、耗盡層寬度w、電池強度|E|等數(shù)值[14]。事實上，本研究設(shè)計制作的GaN器件為PiN(PNN+)結(jié)構(gòu)，除了PN間的突變結(jié)，還有NN+間的高低結(jié)。對于突變結(jié)，有Vbi1=3.28 V，w1≈2.54×10?7m，|E|1=2.30×107V·m?1；對于高低結(jié)，有Vbi2=0.0955 V，w2≈4.33×10?8m，|E|2=3.92×106V·m?1。對于Si器件，由于N型區(qū)厚度為150 μm，Ni-63和H-3的發(fā)射的β粒子最大射程不能穿過該區(qū)域，因此Si器件起作用的是PN間的突變結(jié)，有Vbi1'=0.91 V，w1'≈1.15×10?7m，|E|1'=1.59×107V·m?1。

與單晶硅器件相比，GaN器件Vbi顯著提高（單晶硅器件該值一般不高于1.0 V），w和|E|基本在同一量級水平。由于Vbi是開路電壓Voc的上限，因此GaN器件的Voc比單晶硅的高得多，實驗結(jié)果也證實了這一點。

2.2 器件溫度性能

在T＜700 K的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度ni是溫度T的函數(shù)，受溫度影響較大，本征載流子濃度與溫度的關(guān)系可表示成[15]：

不同溫度T和不同摻雜濃度(Na,d)條件下的半導(dǎo)體材料中載流子遷移率μn,p（n和p對應(yīng)n型和p型材料）有如下關(guān)系：

通過愛因斯坦公式可以將擴散系數(shù)D和遷移率μ聯(lián)系起來：

對于少子的擴散長度L有如下關(guān)系：

式中，τ是少子壽命。

對于重要的參數(shù)反向飽和電流密度J0有公式：

由式(5)，反向飽和電流密度J0是由本征載流子濃度ni、擴散系數(shù)D、少子擴散長度L和摻雜濃度N等共同決定的，它是與開路電壓Voc直接相關(guān)的一個重要參數(shù)。Voc與J0的關(guān)系：

式中，A是曲線因子；Jsc是短路電流密度。由于反向飽和電流密度是由眾多材料參數(shù)決定的，這就建立了開路電壓與材料性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，而這些材料參數(shù)是與溫度相關(guān)的，從而就將開路電壓與溫度的關(guān)系建立起來。

以上參數(shù)中ni和T是對Voc影響較大的參數(shù)，GaN材料ni僅為4.6×10?11cm?3，而Si材料ni為1.5×1010cm?3，這使GaN材料器件的理論J0比Si材料器件小數(shù)十個量級，開路電壓的溫度變化率也小。雖然實際制作的器件不可能達到理論的水平，但事實上GaN器件確實有比Si器件小很多的反向飽和電流，相應(yīng)開路電壓提高很大，而開路電壓的溫度變化率也較小。這解釋了GaN器件比Si器件在高溫下性能更好的原因。

2.3 器件輻照性能

GaN材料的可耐受的電子能力閾值約為440keV，而Si材料僅為155?221 keV。更重要的是，GaN受輻照后其晶格上的N原子可以在室溫下自行退火[16]，這大大提高了GaN材料對電子的耐輻照性能。實驗結(jié)果也證實了兩種材料器件同在1.8 MeV、500 kGy電子輻照后，GaN器件性能幾乎沒有變化，而Si器件性能下降較大。顯示GaN器件在相同高能射線輻照下比Si器件具有更好的耐輻照性能。

3 結(jié)語

比較了GaN基和Si基PiN結(jié)型器件在63Ni和3H源輻照下的電輸出。結(jié)果表明，GaN器件開路電壓Voc比單晶硅基器件有非常明顯的提高，而短路電流Isc有較大下降，總的能量轉(zhuǎn)換效率與理論值仍有一定的差距。比較了GaN基和Si基PiN結(jié)型器件的溫度和輻照性能，GaN基結(jié)型器件在高溫和高能輻照條件下的性能比Si基結(jié)型器件有較大優(yōu)勢。

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CLC TL82

Analysis on electrical performance of GaN and Si diodes as betavoltaic batteries energy converters

WANG Guanquan YANG Yuqing HU Rui LIU Yebing XIONG Xiaoling LUO Shunzhong
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: Betavoltaic battery is a hot spot in micro isotope batteries due to its advantages of small volume, maintenance-free, high energy conversion efficiency, ease of integration and so on. GaN is a promising wide bandgap semiconductor for energy converter of betavoltaic battery. Purpose: This study aims to explore the performance of GaN diode as the energy converter of betavoltaic battery, and to compare it with the performance of Si diode. Methods: Two kinds of GaN and Si PiN diodes were prepared to be the energy converters of betavoltaic batteries, and irradiated by63Ni and3H radioactive sources. Their electrical performances, temperature and irradiation tolerance, were compared. Results: The results showed that the Vocof GaN diode was higher than that of Si diode, while Iscwas lower; the electrical performance of GaN diode under the conditions of high temperature and high energy irradiation were better than that of Si diode. Conclusion: GaN diode could increase the Vocof betavoltaic battery, and improve electrical performance under high temperature and high energy irradiation conditions.

Betavoltaic, GaN diodes, Si diodes, Electrical performance

TL82

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020401

王關(guān)全，男，1977年出生，2007年于四川大學獲碩士學位，從事同位素應(yīng)用研究

2014-09-15，

2014-11-15