GaN与Si器件作为辐伏电池换能单元性能比较

王关全 杨玉青 胡 睿 刘业兵 熊晓玲 罗顺忠

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

GaN与Si器件作为辐伏电池换能单元性能比较

王关全 杨玉青 胡 睿 刘业兵 熊晓玲 罗顺忠

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

利用63Ni和3H源等分别辐照两种可作为辐伏电池换能单元的GaN基和Si基PiN结型器件，比较了他们的输出电性能结果，以及两种器件的温度、辐照性能等。结果表明，GaN器件开路电压Voc比Si基器件有非常明显的提高，而短路电流Isc有较大下降；GaN基结型器件在高温和高能辐照条件下的性能比Si基结型器件有较大优势。

辐伏同位素电池，GaN器件，Si器件，电输出性能

辐射伏特效应同位素电池（简称辐伏电池）以其长寿命、高能量密度、小体积、易与其他电子元器件整合等优点，成为微型同位素电池研究的热点[1−3]。在辐伏电池的发展过程中，其换能单元材料和结构的研究受到较多关注，先后尝试过单晶硅、多晶硅、InGaP、SiC等多种材料[4−7]，并从最初的平面构型逐渐发展了沟槽型、倒金字塔型以及三维多孔等多种换能单元器件结构[8−11]。从材料方面讲，目前比较一致的看法是：辐伏电池的理论最大能量转换效率与换能单元所用半导体材料的带隙有直接联系，一般是随材料带隙而增加[12−13]。利用宽带隙半导体材料制作换能单元有利于提升辐伏电池的转换效率，有效提高电池的电输出性能。为验证宽带隙材料GaN（带隙宽度3.4 eV）结型器件作为辐伏电池换能单元对电池能量转换效率的提升效果，本文比较了GaN和Si材料器件在63Ni和3H源作用下的电输出性能，并比较了两种器件的温度及辐照性能。

1 器件参数及实验结果

1.1 GaN和Si器件结构参数与电学性能输出结果

设计的GaN器件由中国电子科技集团第四十四研究所（重庆）制作，GaN器件的结构参数列于表1，在Al2O3材料上生长GaN，正面电极为全覆盖的透明电极。Si器件的结构参数列于表2，在N-Si正面和背面分别掺杂制作P-Si和N+-Si，正面电极为环状合金电极。用标称活度3.0×108Bq的63Ni源、含3H量约为1.4×1010Bq的含氚钛片源在室温(23 °C)下辐照GaN器件和单晶Si器件，基本电输出性能测试结果列于表3。可以看到，GaN器件性能在开路电压上有较大优势，但是输出的短路电流比Si器件差很多。

测试设备为美国吉时利公司的KEITHLEY 6517B，该设备在器件受辐照条件下可测量输出电流和电压值，在无辐照条件下可测量器件的暗特性(I-V)曲线，可满足本文所涉及的所有电流特性测试。

表1 GaN器件结构参数(D=1.0 cm)Table 1 Configuration of GaN diodes (D=1.0 cm).

表2 Si器件结构参数(D=1.0 cm)Table 2 Configuration of Si diodes (D=1.0 cm).

表3 输出性能结果Table 3 Results of electrical performance.

1.2 GaN和Si器件的温度性能

比较了GaN器件和单晶硅器件在高温条件下Voc的变化，结果如图1所示。

图1 GaN和Si器件在高温下的VocFig.1 Comparison of Voc of GaN and Si diodes in high temperature.

图2 GaN器件在电子束辐照前后本征暗特性曲线(a) 辐照前，(b) 辐照后Fig.2 Dark characteristic curves of GaN diode before and after electron beam irradiation. (a) Before irradiation, (b) After irradiation

单晶硅器件的Voc随温度变化率约为−2.81mV·°C−1，GaN器件的Voc随温度变化率为−1.57 mV·°C−1。GaN器件由于较高的输出电压起点，以及在高温下较低的电压衰减率，使GaN器件的高温电压优势非常突出。

1.3 GaN和Si器件的辐照性能

在1.8 MeV电子束作用下，比较了GaN器件和单晶Si器件本征暗特性在辐照前后的变化。本征暗特性I-V曲线的比较见图2、图3，在一定反向偏压下的漏电流的数值比较见表4。可见，GaN器件在1.8 MeV电子束、500 kGy的剂量辐照后，本征暗特性没有恶化，在一定反向偏压下的漏电流没有增加。而相同的辐照条件下，单晶Si器件的本征暗特性明显变差，在一定偏压下的漏电流在辐照后增大两个数量级。

图3 Si器件在电子束辐照前后本征暗特性曲线(a) 辐照前，(b) 辐照后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器件在电子束辐照前后暗特性漏电流Table 4 The leakage currents of dark characteristic of GaN and Si diodes before and after electron beam irradiation.

2 结果分析与讨论

2.1 器件辐照下电输出性能比较

利用理论公式计算了GaN器件结构参数的内建电势Vbi、耗尽层宽度w、电池强度|E|等数值[14]。事实上，本研究设计制作的GaN器件为PiN(PNN+)结构，除了PN间的突变结，还有NN+间的高低结。对于突变结，有Vbi1=3.28 V，w1≈2.54×10−7m，|E|1=2.30×107V·m−1；对于高低结，有Vbi2=0.0955 V，w2≈4.33×10−8m，|E|2=3.92×106V·m−1。对于Si器件，由于N型区厚度为150 μm，Ni-63和H-3的发射的β粒子最大射程不能穿过该区域，因此Si器件起作用的是PN间的突变结，有Vbi1'=0.91 V，w1'≈1.15×10−7m，|E|1'=1.59×107V·m−1。

与单晶硅器件相比，GaN器件Vbi显著提高（单晶硅器件该值一般不高于1.0 V），w和|E|基本在同一量级水平。由于Vbi是开路电压Voc的上限，因此GaN器件的Voc比单晶硅的高得多，实验结果也证实了这一点。

2.2 器件温度性能

在T＜700 K的温度范围内，半导体材料的本征载流子浓度ni是温度T的函数，受温度影响较大，本征载流子浓度与温度的关系可表示成[15]：

不同温度T和不同掺杂浓度(Na,d)条件下的半导体材料中载流子迁移率μn,p（n和p对应n型和p型材料）有如下关系：

通过爱因斯坦公式可以将扩散系数D和迁移率μ联系起来：

对于少子的扩散长度L有如下关系：

式中，τ是少子寿命。

对于重要的参数反向饱和电流密度J0有公式：

由式(5)，反向饱和电流密度J0是由本征载流子浓度ni、扩散系数D、少子扩散长度L和掺杂浓度N等共同决定的，它是与开路电压Voc直接相关的一个重要参数。Voc与J0的关系：

式中，A是曲线因子；Jsc是短路电流密度。由于反向饱和电流密度是由众多材料参数决定的，这就建立了开路电压与材料性质参数的关系，而这些材料参数是与温度相关的，从而就将开路电压与温度的关系建立起来。

以上参数中ni和T是对Voc影响较大的参数，GaN材料ni仅为4.6×10−11cm−3，而Si材料ni为1.5×1010cm−3，这使GaN材料器件的理论J0比Si材料器件小数十个量级，开路电压的温度变化率也小。虽然实际制作的器件不可能达到理论的水平，但事实上GaN器件确实有比Si器件小很多的反向饱和电流，相应开路电压提高很大，而开路电压的温度变化率也较小。这解释了GaN器件比Si器件在高温下性能更好的原因。

2.3 器件辐照性能

GaN材料的可耐受的电子能力阈值约为440keV，而Si材料仅为155−221 keV。更重要的是，GaN受辐照后其晶格上的N原子可以在室温下自行退火[16]，这大大提高了GaN材料对电子的耐辐照性能。实验结果也证实了两种材料器件同在1.8 MeV、500 kGy电子辐照后，GaN器件性能几乎没有变化，而Si器件性能下降较大。显示GaN器件在相同高能射线辐照下比Si器件具有更好的耐辐照性能。

3 结语

比较了GaN基和Si基PiN结型器件在63Ni和3H源辐照下的电输出。结果表明，GaN器件开路电压Voc比单晶硅基器件有非常明显的提高，而短路电流Isc有较大下降，总的能量转换效率与理论值仍有一定的差距。比较了GaN基和Si基PiN结型器件的温度和辐照性能，GaN基结型器件在高温和高能辐照条件下的性能比Si基结型器件有较大优势。

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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

王关全，男，1977年出生，2007年于四川大学获硕士学位，从事同位素应用研究

2014-09-15，

2014-11-15