SiC基微型核電池研究進(jìn)展

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，體積更小，功能更多，集成度更高的MEMS器件已經(jīng)成為新的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。微電池(也稱微能源)是MEMS器件的電源供給裝置和重要組成部分，MEMS器件的小型化即要求電源的能量密度更高和更小的尺寸，而現(xiàn)有的各種微能源由于其較低的能量密度，使用壽命、集成性和性能輸出的穩(wěn)定性等方面的制約，極大地限制了MEMS器件的發(fā)展。據(jù)此，研究體積小、可集成、能量密度大，特別是能夠采用半導(dǎo)體工藝大批量制備的微電池具有重要的科學(xué)意義和軍事實(shí)際應(yīng)用意義，己經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

近日，“2023功率與光電半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)及集成應(yīng)用論壇”于西安召開(kāi)。論壇由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）指導(dǎo)，西安交通大學(xué)、極智半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)（www.casmita.com）、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主辦，西安電子科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟人才發(fā)展委員會(huì)、全國(guó)半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)教融合（東莞）職業(yè)教育集團(tuán)聯(lián)合組織、西安和其光電股份有限公司等單位協(xié)辦。

論壇期間，陜西科技大學(xué)尉國(guó)棟帶來(lái)“SiC基微型核電池的研究”的主題報(bào)告，SiC基輻致伏特效應(yīng)核電池是通過(guò)半導(dǎo)體SiC的PN結(jié)將放射性同位素(放射源)衰變所放射出的粒子能(如α粒子、β粒子和γ射線)轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它具有能量密度大、體積小，壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定性好和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，其換能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝成熟，滿足MEMS在軍事、深海、太空等特殊環(huán)境條件下的使用要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

報(bào)告中介紹，MEMS傳感器和機(jī)器人的微型化趨勢(shì)給傳統(tǒng)電源提出了挑戰(zhàn)！小電源(小、薄、輕、柔)、長(zhǎng)壽命、低功耗、可集成、抗電磁干擾，傳統(tǒng)的微型電池難以滿足MEMS和微型機(jī)器人等對(duì)電源的要求！核電池, 又稱同位素電池, 它是利用放射性同位素衰變放出載能粒子(如α粒子、β粒子和γ射線)并將其能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。核電池能量密度大、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、輸出特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其中的輻伏核電池易于微型化，集成化，成為微機(jī)電系統(tǒng)最理想的微能源。

在核電池的應(yīng)用方面，并以內(nèi)置醫(yī)療設(shè)備及醫(yī)療可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，植入式起搏器市場(chǎng)到2023年將達(dá)到近150億美元，因此市場(chǎng)的年均增長(zhǎng)率將達(dá)到9.3％。仿生假肢領(lǐng)域，世界人口中約15％患有肢體功能障礙，每年約有5000萬(wàn)人殘廢；仿生假肢市場(chǎng)估計(jì)為6.4萬(wàn)億美元。在核電池微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用方面，新華社報(bào)道：2020年中國(guó)人工智能市場(chǎng)規(guī)模到了150億美元。根據(jù)Myria Research的分析，到2020年，機(jī)器人技術(shù)和智能操作系統(tǒng)市場(chǎng)以及生態(tài)系統(tǒng)（包括硬件，軟件和服務(wù)）已超過(guò)3200億美元。到2055年，機(jī)器人技術(shù)和智能操作系統(tǒng)的總市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為1.2萬(wàn)億美元。

他認(rèn)為，針對(duì)目前輻伏電池的研究現(xiàn)狀和不足，亟待解決的主要問(wèn)題包括：其一，如何建立輻伏電池輸出性能與各物理參量的數(shù)量關(guān)系？其二，如何提高放射源的源效率，并且研發(fā)合適的放射源固定和搭載技術(shù)？其三，如何提高輻伏電池?fù)Q能器件的器件效率，提升缺陷抑制水平？其四，如何建立輻伏電池集成系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，將輻伏電池與實(shí)際應(yīng)用器件適配。

可見(jiàn)，高性能輻伏微型電池的研究面臨著巨大挑戰(zhàn)，也是本研究組所瞄準(zhǔn)的主要科學(xué)問(wèn)題。

未來(lái)，需要進(jìn)一步制備由H-3源、C-14放射源和SiC器件、金剛石器件構(gòu)成的輻伏電池。計(jì)劃采用氚/儲(chǔ)氚合金和氧化鋁阻氚涂層封裝、14C金剛石固碳、高性能4H-SiC換能器件和基于Lift-off的金剛石換能器件。通過(guò)建立仿真模型、半導(dǎo)體IDM工藝、激光離子源在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)四個(gè)主要技術(shù)點(diǎn)。




審核編輯：劉清