本發(fā)明涉及核電池，尤其是涉及一種多孔硅(PorousSilicon)PN結(jié)型核電池及其制備方法。

背景技術(shù)：
核電池(BetavoltaicBattery)是一種基于輻射伏特效應(yīng)(betavoltaics)來產(chǎn)生電能的器件。輻射伏特效應(yīng)是指，把β放射源和半導(dǎo)體PN結(jié)型器件耦合在一起后，放射源所輻射出來的β射線在半導(dǎo)體的耗盡區(qū)激發(fā)出大量的電子空穴對，電子空穴對在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下分離分別流向N區(qū)和P區(qū)，從而在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。給核電池加上負(fù)載，它就能給負(fù)載供電。由于β放射源有很長的半衰期(幾十年甚至上百年)，而且放射特性不受外界的干擾，因此核電池非常適合于調(diào)節(jié)惡劣長期無人看管又需要提供電源的場合，比如航空航天、深海、極地以及植入式器件等。由于核電池與半導(dǎo)體工藝的兼容，使得它具有成為MEMS器件片上電源的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)“NanopowerBetavoltaicMicrobatteries”(Proceedingsofthe12thInternationalConferenceonSolidStateSencors,ActuratorsandMicrosystems,pp36-39)中HangGuo，AmitLal提出了兩種基于硅PN結(jié)和Ni-63的微型核電池。一種是在未經(jīng)處理的平面N型硅片上擴(kuò)散形成P型區(qū)，然后在硅片的表面電鍍上Ni-63放射源，從而形成一種平面型的硅基PN型核電池。另一種是先在N型硅片上采用微加工的方法得到倒金字塔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行擴(kuò)散形成P型區(qū)，最后再電鍍上Ni-63放射源，從而得到一種倒金字塔型表面的硅基PN型核電池。由于采用了倒金字塔結(jié)構(gòu)的核電池的表面積顯著增大，使得Ni-63放射源輻射出來的電子和硅的作用更加充分，所以與平面型核電池相比，金字塔形核電池的轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)都更加優(yōu)越。文獻(xiàn)“SiliconQuantumWireArrayFabricationbyElectrochemicalandChemicalDissolutionofWater”(AppliedPhysicsletters,57(10),1990)中L.T.Canham提出了使用電化學(xué)和化學(xué)陽極氧化的方法腐蝕硅片從而得到多孔硅薄膜的方法，并且論證了多孔硅的量子限制效應(yīng)(QuantumConfinementEffect)使得多孔硅與晶體硅相比禁帶寬度得到了展寬，即能帶展寬效應(yīng)。文獻(xiàn)“BetavoltaicMicrobatteriesUsingPorousSilicon”(MEMS2007,pp867-870)中HangGuo等提出了一種新型的基于多孔硅(PorousSilicon)的PN結(jié)型核電池：在N型硅片上擴(kuò)散形成P型區(qū)，然后采用電化學(xué)陽極腐蝕的方法在硅片上制得多孔硅薄膜，多孔硅貫穿PN結(jié)。然后在硅的兩面濺射一層鋁薄膜作為電極。最后在多孔硅一側(cè)覆蓋上β放射源。由于多孔硅一方面有能帶展寬的效應(yīng)，另一方面它又極大的增加了β放射源與硅片之間作用的有效面積，因此這種核電池比采用平面結(jié)構(gòu)和倒金字塔結(jié)構(gòu)的核電池有更高的轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對一般硅基核電池禁帶寬度較窄、β射線與半導(dǎo)體之間有效作用面積較小的缺點(diǎn)，提供一種硅的能帶得到展寬、β射線與硅之間的有效作用面積得到大幅增加的轉(zhuǎn)換效率更高的多孔硅PN結(jié)型核電池及其制備方法。所述多孔硅PN結(jié)型核電池從上至下依次設(shè)有放射性同位素層、上電極金屬層、多孔硅層、硅襯底層和下電極金屬層；放射性同位素層、上電極金屬層、多孔硅層、硅襯底層和下電極金屬層的尺寸相同。所述硅襯底層的可采用摻雜濃度為1014～1017cm-3，電阻率為40～60Ω·cm的N型硅片或P型硅片。所述放射性同位素層、上電極金屬層、多孔硅層、硅襯底層和下電極金屬層的尺寸可為(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)。所述放射性同位素層可采用Ni-63、Pm-147或其它合適的放射性同位素；放射性同位素層可直接用電鍍的方法與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)耦合，或先將放射源電鍍在金屬薄片上，再將其覆蓋在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上。所述上電極金屬層和下電極金屬層均可采用Al層，Ti/Al層或Ti/Au層等；Al層的厚度可為100～300nm，Ti/Al層中的Ti層厚度可為10～30nm，Ti/Al層中的Al層厚度可為100～300nm；Ti/Au層中的Ti層厚度可為10～30nm，Ti/Au層中的Au層的厚度可為100～300nm。所述多孔硅層的厚度可為1～5μm，孔隙直徑為1～200nm。所述多孔硅PN結(jié)型核電池的制備方法，具體步驟如下：1)在硅襯底層上擴(kuò)散磷或者硼得到PN結(jié)；2)采用電化學(xué)陽極氧化的方法在硅片上腐蝕得到多孔硅層；3)在硅片的兩面分別濺射上電極金屬層和下電極金屬層；4)在上電極金屬層的上方耦合一層放射性同位素層。本發(fā)明極大增加了放射性同位素層輻射出的電子與半導(dǎo)體PN結(jié)區(qū)的作用面積，并利用多孔硅的量子限制效應(yīng)使硅的禁帶得到展寬，從而提高該核電池的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)換效率。與現(xiàn)有的平面型和倒金字塔型硅PN結(jié)型核電池相比，本發(fā)明能明顯地提高電池的轉(zhuǎn)換效率，在更小的體積內(nèi)提供更多的電能。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的摻雜示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的摻雜示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1參見圖1，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括5層，從上至下依次為放射性同位素層1、上電極金屬層2、多孔硅層3、硅襯底層4和下電極金屬層5；各層的大小一致為(0.3μm×0.3)～(3mm×3mm)，只在放射性同位素層開一個(gè)200μm×200μm的空用于引出上電極。上電極金屬層2和下電極金屬層5為100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Au。放射性同位素層1為Ni-63或者Pm-147，采用的耦合方法為直接在上電極上方電鍍或者先將放射源電鍍在金屬薄片上，然后再覆蓋到上電極金屬層2上。硅襯底層4為摻雜濃度為1014～1018cm-3，電阻率為40～60Ω·cm的N型或者P型硅片。通過電化學(xué)陽極氧化的方法在硅襯底上形成1～5μm的多孔硅層3(多孔硅的孔徑為1～200nm)，然后用擴(kuò)散的方法在多孔硅表面附近形成PN結(jié)(對于N型沉底擴(kuò)散硼、對于P型沉底擴(kuò)散磷)。參見圖2，PN結(jié)沿著多孔硅的表面附近延展，極大的增加了放射性同位素層1輻射出的電子與半導(dǎo)體PN結(jié)區(qū)的作用面積，并利用多孔硅的量子限制效應(yīng)使硅的禁帶得到展寬，從而提高該核電池的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例2參見圖1，與實(shí)施例1類似，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括5層，從上至下依次為放射性同位素層1、上電極金屬層2、多孔硅層3、硅襯底層4和下電極金屬層5。各層的大小一致為0.3μm×0.3～3mm×3mm，只在放射性同位素層開一個(gè)200μm×200μm的空用于引出上電極。上電極金屬層2和下電極金屬層5為100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Al或者10～30nm的Ti和100～300nm的Au。放射性同位素層1為Ni-63或者Pm-147，采用的耦合方法為直接在上電極上方電鍍或者先將放射源電鍍在金屬薄片上，然后再覆蓋到上電極金屬層2上。本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，選用摻雜濃度為1014～1018cm-3，電阻率為40～60Ω·cm的N型或者P型硅片作為硅襯底層4后，先用擴(kuò)散的方法得到PN結(jié)(對于N型沉底擴(kuò)散硼、對于P型沉底擴(kuò)散磷)，然后采用電化學(xué)陽極氧化的方法在硅襯底上形成1～5μm的多孔硅層3(多孔硅的孔徑為1～200nm)。參見圖3，此時(shí)多孔硅的孔穿透了整個(gè)PN結(jié)，本實(shí)施例極大的增加了放射性同位素層1輻射出的電子與半導(dǎo)體PN結(jié)區(qū)的作用面積，并利用多孔硅的量子限制效應(yīng)使硅的禁帶得到展寬，從而提高該核電池的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)換效率。