氚/单晶硅器件辐伏电池模型及样机的长期稳定性研究

杨玉青，雷轶松，钟正坤， 向勇军，刘业兵，李 刚，秦传洲，徐 建，罗顺忠

(1.中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900；2.中国电子科技集团 第四十四研究所，重庆 400060)

辐射伏特效应同位素电池(简称辐伏同位素电池)是同位素电池中重要的一个分支[1-2]，是利用半导体结型器件实现对同位素衰变射线能量转换成电能的装置。由于其全静态工作，直流稳定输出，非常适合对超低功耗IC芯片及超低功耗MEMS传感器进行长期免维护供能。辐伏同位素电池的基础研究始于上世纪50年代。自上世纪90年代以来，在低功耗、超低功耗芯片及传感器技术迅速发展的大背景下，世界各国均积极开展辐伏同位素电池的研究和研制。氚是辐伏同位素电池研制中最常用的同位素，一方面由于氚来源方便，国际国内都可大量生产供应，另一方面源于氚的射线能量低，平均电子能量6.7 keV、最大电子能量18.3 keV，特征韧致辐射X射线能量2 keV～5 keV，最大韧致辐射X射线能量18.3 keV，低于绝大部分半导体材料的位移损伤阈值。这使得半导体换能器件的辐射损伤可以控制，电池整体的表面辐射剂量也容易控制。单晶硅器件的材料生长工艺及器件制备工艺非常成熟，而且硅也是绝大部分低功耗集成电路和低功耗MEMS系统的原料，基于单晶硅器件制作辐伏同位素电池也易于实现与集成电路和MEMS系统集成。

在应用低能同位素氚、Ni-63等的辐伏同位素电池研究中，人们首先关注的是射线能量在半导体换能器件结构中的能量沉积的优化[3-5]，但辐伏电池的输出稳定性是之后更须关注的研究内容。辐伏同位素电池的基本要素是同位素和半导体结型器件，一般所选同位素半衰期很长，同位素材料一般为简单的无机材料，性能稳定，而单晶硅结型器件结构复杂且脆弱，是辐伏电池中的薄弱环节[6-8]，辐伏电池的稳定性研究常采用放射源原位长时间辐照和加速器电子束加速辐照[9-10]两种方式。

本工作制备氚化钛源/单晶硅P+NN+器件的辐伏电池模型和组阵型实验室电池原型样机，对电池模型和电池样机在氚源原位作用下的辐伏输出性能进行长期监测与分析，同时对单晶硅P+NN+器件在低能电子作用下的长期稳定性进行加速老化实验，测定加速辐照前后单晶硅器件的暗特性的变化、在氚源作用下辐伏输出性能的变化，并开展辐照前后器件材料的缺陷对比分析。本研究旨在为开发长期稳定的氚化钛源/单晶硅P+NN+器件辐伏电池的工程化样机提供重要的数据，并对其他辐伏同位素电池长期稳定性的研究提供参考。

1 实验方法

1.1 单晶硅器件

在〈100〉晶向N型重掺杂硅基底上，制备P+NN+器件[3]，器件表面钝化采用硼硅玻璃/氮化硅复合钝化。

1.2 辐照条件

1.2.1氚化钛源原位辐照 在金属衬底上制备氚化钛薄膜源，氚/钛原子比1.9。氚化钛源活性面辐照单晶硅PN结器件光敏面。

1.2.2加速器低能电子束辐照 采用电子加速器的低能电子束模拟低能β源[10]，电子腔束流90 kV、2 mA，到达样品台电子束平均能量40 keV，为避免束流升温对辐照效应的影响，采用循环水冷不锈钢样品台，保证在电子加速器辐照期间温度可控。实验现场测试了90 kV、2 mA电子腔束流下，样品台的温度控制在37 ℃并维持稳定，在流动氮气下辐照不同时间。电子注量加速倍数6 540。

1.3 测量方法与仪器

1.3.1辐伏输出和暗特性 采用吉时利静电计6517B和数字源表2635A测试电池模型及组阵型电池样机的辐伏输出短路电流(Isc)、开路电压(Voc)，并扫描I-V特性曲线和单晶硅器件的暗特性曲线。

1.3.2电子顺磁能谱(ESR)测试 ESR测试在中国科学院强磁场中心BRUKER EMX-10/12 plus仪器上进行测试，测试温度为4.2 K，测试波段为X波段，频率为9.4 GHz左右，8 μW。在划片机下将样品切割成2 mm×4 mm的小块进行测试，磁场与晶体表面垂直。

2 结果与讨论

2.1 辐伏模型输出长期测试及加速辐照损伤研究

2.1.1辐伏模型输出长期测试 由单晶硅器件和氚化钛源组成的电池实验模型如图1所示，引出正负电极，测试辐伏输出I-V曲线。电池模型持续辐照115 d的辐伏输出短路电流Isc和开路电压Voc的变化如图2所示，在最初的4 d中，短路电流有先升高后下降的过程，但在随后的辐照期间内基本保持稳定；与短路电流对应的开路电压在最初的4 d内则先下降后升高，随后基本保持稳定。辐照前后单晶硅器件的本征暗特性曲线的对比示于图3，可见单晶硅器件在辐照后暗特性变化微小。

图1 氚辐伏电池实验模型结构示意图

图2 氚源原位辐照下电池模型的辐伏输出随辐照时间的变化

图3 氚源原位辐照下电池模型中单晶硅器件在辐照前后的本征I-V暗特性曲线对比

2.1.2电池模型的加速辐照损伤研究 1) 氚辐伏输出随低能电子束加速辐照的变化。电池模型中单晶硅器件为易损功能件，单晶硅器件在电子辐射下的性能直接决定电池模型的辐伏输出性能。采用加速器低能电子束流开展单晶硅P+NN+器件的加速老化研究，为避免空气中氧气和水汽对辐照下器件性能的附加影响，在流动氮气中开展加速辐照实验，束流注量加速倍数为6 540，720 min的加速辐照对应氚化钛源10年的累积电子注量。加速辐照不同时间后的氚源辐伏输出Isc和Voc的变化如图4所示。加速辐照显示单晶硅器件的辐伏输出短路电流和开路电压的衰减在加速辐照2 min内产生，随后保持稳定，不再随辐照时间的增加而有明显下降。按加速倍数6 540，加速辐照2 min对应实际电池模型存储9 d，而在此期间储存电池模型的辐伏输出短路电流和开路电压并不发生明显衰减，如图2所示。两者的区别一方面是由于加速辐照电子能量高于氚源β电子，另一方面加速辐照的高注量率比实际氚源的低注量率造成更强的损伤。对比加速辐照60 min前后单晶硅器件的本征暗特性(如图5所示)，器件暗特性的变化微小。

图4 低能电子束加速辐照对单晶硅器件氚辐伏输出的影响

2) 单晶硅器件材料缺陷在加速辐照后的变化。单晶硅器件在低能电子辐射下的损伤主要发生在器件表面层[7]，已经对表面层微结构开展了二次离子质谱分析(SIMS)和氩离子刻蚀表面光电子能谱分析(XPS)，表明当前器件表面层材料化学微结构在辐照后变化很小[8]。

本工作中，对相同表面钝化结构的P+型单晶硅材料开展加速辐照前后的ESR缺陷分析，如图6所示，实验测试得到辐照前后材料中缺陷信号g值均为2.005的洛伦兹峰，对应Pb中心中的一种DB0(Si3≡Si)，辐照后单晶硅器件材料中该缺陷的浓度没有明显增大，也没有新类型的缺陷产生。由图4可知，在低能电子束加速辐照60 min后，硼硅玻璃/Si3N4表面钝化的单晶硅P+NN+器件的氚辐伏输出性能已经历早期的下降而保持平稳，但图6所示的Si3≡Si缺陷为单晶硅器件材料中的固有缺陷，并没有随辐照而增加，该结果与已开展的SIMS、XPS分析一致，这是单晶硅器件在辐照后保持性能稳定的本质原因。

图5 低能电子束加速辐照电池模型中单晶硅器件在辐照1 h前后的本征I-V暗特性曲线对比

图6 低能电子加速辐照1 h前后单晶硅器件表面层材料的缺陷ESR分析

2.2 实验室组阵型电池原型样机的辐伏输出长期稳定性

采用8组氚化钛/单晶硅P+NN+器件电池单元，组成4串×2并的实验室组阵型电池原型样机，样机存放在室温大气环境中，电池样机在64个月中的辐伏输出随时间的变化如图7所示，在36个月时两套各由4个电池单元串联的小组阵之间的并联结构失效，但由4个电池单元串联的小组阵输出仍然稳定(如图8所示)。按起始氚源加载氚活度的自发衰变公式[12]，不考虑氚源在存储条件下的氚释放，对比由4个电池单元串联的小组阵的辐伏输出电流随时间的衰减和氚的自发衰变随时间的衰减，如图9所示，在36个月以内，小组阵辐伏输出电流的衰减与氚自发衰变衰减的偏差小于2.6%；64个月时，实际小组阵的辐伏输出电流衰减比氚自发衰变衰减大11.4%，说明此时单晶硅P+NN+器件的性能有一定的衰减，参考空间用单晶硅太阳电池规范[13]，要求带电粒子辐照后系列单晶硅太阳能电池的平均最佳输出功率衰减在20%～26%以内，当前小组阵样品的辐伏输出衰减还在可接受的范围之内。

图7 实验室组阵型电池原型样机(8组)的辐伏输出长期变化

图8 实验室组阵型电池原型样机内4组阵列的辐伏输出长期变化

图9 实验室组阵型电池原型样机内4组阵列的辐伏输出短路电流衰减与氚源自发衰变衰减对比

电池样机的长期稳定性检测表明，单元电池性能的稳定性是保证电池输出长期稳定的核心必要条件，并且电池内部串并联结构的稳定性必须充分关注。在电子元器件的封装可靠性实践中已经证明引线连接是可靠性中的薄弱环节[11]，在组阵型辐伏电池中，同样需要重视组阵内各单元之间电连接结构的稳定性。

3 结论

单晶硅器件和材料在氚源辐照下能保持性能和结构的长时间稳定，这是保持氚/单晶硅PN结器件辐伏输出稳定的必要条件。

加速辐照在相同电子注量下对电池模型造成的性能衰减远大于氚源原位辐照，但损伤仅在辐照最初期快速产生，随后基本保持稳定；加速辐照60 min后单晶硅器件材料的ESR缺陷没有明显的增加。

组阵型实验室原型样机在64个月的储存期内基本电池单元的辐伏输出稳定性较好，36个月内辐伏输出短路电流下降与氚自发衰变衰减的偏差小于2.6%，64个月时辐伏输出短路电流下降比氚自发衰变衰减大11.4%，说明此时单晶硅P+NN+器件的性能有一定的衰减，但在可接受的范围之内。另外，组阵型实验室原型样机的引线电互连结构有部分失效，需要后续改进。

致谢：感谢中国科学院强磁场科学中心提供了样品缺陷的ESR测试！