SiC基微型核电池研究进展

随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，体积更小，功能更多，集成度更高的MEMS器件已经成为新的发展方向和研究热点。微电池(也称微能源)是MEMS器件的电源供给装置和重要组成部分，MEMS器件的小型化即要求电源的能量密度更高和更小的尺寸，而现有的各种微能源由于其较低的能量密度，使用寿命、集成性和性能输出的稳定性等方面的制约，极大地限制了MEMS器件的发展。据此，研究体积小、可集成、能量密度大，特别是能够采用半导体工艺大批量制备的微电池具有重要的科学意义和军事实际应用意义，己经引起了国内外的广泛关注。

近日，“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”于西安召开。论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）指导，西安交通大学、极智半导体产业网（www.casmita.com）、第三代半导体产业主办，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、第三代半导体产业技术创新战略联盟人才发展委员会、全国半导体应用产教融合（东莞）职业教育集团联合组织、西安和其光电股份有限公司等单位协办。

论坛期间，陕西科技大学尉国栋带来“SiC基微型核电池的研究”的主题报告，SiC基辐致伏特效应核电池是通过半导体SiC的PN结将放射性同位素(放射源)衰变所放射出的粒子能(如α粒子、β粒子和γ射线)转换为电能的装置。它具有能量密度大、体积小，寿命长、工作稳定性好和易于集成等优点，其换能结构简单，加工工艺成熟，满足MEMS在军事、深海、太空等特殊环境条件下的使用要求，具有广阔的发展前景。

报告中介绍，MEMS传感器和机器人的微型化趋势给传统电源提出了挑战！小电源(小、薄、轻、柔)、长寿命、低功耗、可集成、抗电磁干扰，传统的微型电池难以满足MEMS和微型机器人等对电源的要求！核电池, 又称同位素电池, 它是利用放射性同位素衰变放出载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)并将其能量转换为电能的装置。核电池能量密度大、寿命长、抗干扰性强、输出特性稳定等优点，其中的辐伏核电池易于微型化，集成化，成为微机电系统最理想的微能源。

在核电池的应用方面，并以内置医疗设备及医疗可穿戴设备领域，植入式起搏器市场到2023年将达到近150亿美元，因此市场的年均增长率将达到9.3％。仿生假肢领域，世界人口中约15％患有肢体功能障碍，每年约有5000万人残废；仿生假肢市场估计为6.4万亿美元。在核电池微机电系统的应用方面，新华社报道：2020年中国人工智能市场规模到了150亿美元。根据Myria Research的分析，到2020年，机器人技术和智能操作系统市场以及生态系统（包括硬件，软件和服务）已超过3200亿美元。到2055年，机器人技术和智能操作系统的总市场规模估计为1.2万亿美元。

他认为，针对目前辐伏电池的研究现状和不足，亟待解决的主要问题包括：其一，如何建立辐伏电池输出性能与各物理参量的数量关系？其二，如何提高放射源的源效率，并且研发合适的放射源固定和搭载技术？其三，如何提高辐伏电池换能器件的器件效率，提升缺陷抑制水平？其四，如何建立辐伏电池集成系统和管理系统，将辐伏电池与实际应用器件适配。

可见，高性能辐伏微型电池的研究面临着巨大挑战，也是本研究组所瞄准的主要科学问题。

未来，需要进一步制备由H-3源、C-14放射源和SiC器件、金刚石器件构成的辐伏电池。计划采用氚/储氚合金和氧化铝阻氚涂层封装、14C金刚石固碳、高性能4H-SiC换能器件和基于Lift-off的金刚石换能器件。通过建立仿真模型、半导体IDM工艺、激光离子源在计算和实验上实现四个主要技术点。




审核编辑：刘清