哈工大团队：p型金刚石/n型Ga₂O₃异质结新研究成果 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

微机电系统（MEMS）在极端环境中的应用日益广泛，如便携式医疗器械、深海探测器等。这类设备体积极小，通常以低占空比脉冲模式运行，对电源的要求是体积小、寿命长且稳定可靠。传统太阳能电池和锂电池在微型化、环境适应性和寿命方面存在不足，而核电池因其不受环境影响、能量密度高而被认为是理想的长期微型电源。

在诸多半导体材料中，金刚石因其超宽禁带（5.5 eV）、强抗辐射能力和高载流子迁移率，被认为是实现高开路电压核电池的最优候选材料。然而，传统金刚石核电池仍存在能量沉积不足、器件结构受限以及掺杂技术困难等瓶颈，导致性能落后于其他宽禁带半导体器件。

哈尔滨工业大学朱嘉琦团队提出并设计了一种堆叠式 p-金刚石/n-Ga₂O₃ 异质结核电池，并采用低能量损耗的 63Ni/Ni 同位素电极。相关研究成果以“High open-circuit voltage nuclear batteries enabled by integrated stacked p-diamond/n-Ga2O3 heterojunction”为题，发表在《Journal of Energy Storage》期刊上。

主要创新点包括：

堆叠异质结结构：突破传统单一垂直结构的能量沉积饱和限制，提高载流子收集效率。
集成放射源电极：通过将 63Ni 与 Ni 集成，显著减少自吸收效应带来的能量损失。
参数优化建模：结合蒙特卡洛与有限元模拟，考虑了金刚石不完全电离、载流子迁移与复合特性，优化了掺杂浓度和层厚度。

团队进一步提出将该电池与先进能量管理系统（EMS）集成，可在 nA–mA 范围内精准稳定地调控脉冲电流输出。这种设计不仅提高了运行效率，还延长了使用寿命。

典型应用场景：

便携式智能设备：体积极小，仅为传统纽扣电池的千分之一。
植入式医疗器械（如心脏起搏器）：单次植入即可满足患者终身需求，避免更换手术。
极端环境设备（如深海声学信标）：在高压、低温环境下可稳定运行，寿命长达 50 年。

该研究首次提出并验证了p-金刚石/n-Ga₂O₃ 堆叠异质结核电池方案，解决了能量沉积效率低、结构受限等关键问题，实现了高电压、高效率、长寿命的微型核电池设计。这为 MEMS 器件、医疗植入物及极端环境装备提供了一条可行的长期能源解决方案。

图文导读

图1. 集成式堆叠p型金刚石/n型异质结核电池示意图。

图2. (a) 不同镍源在不同条件下的表观功率密度与能量损耗率分布：(1) 250 nm镍电极上离散63Ni源（100%丰度）；(2) 250 nm镍电极上离散63Ni源 (24%丰度)在250 nm Ni电极上的分布，以及(3)集成63Ni/Ni (24%丰度)放射源电极随源厚度变化的分布。(b) (1)垂直金刚石、(2)垂直Ga₂O₃、(3)金刚石/Ga₂O₃异质结、(4)堆叠式金刚石/Ga₂O₃异质结结构中的能量沉积分布。(c) 载流子迁移率与掺杂浓度的关系曲线。(d) 金刚石离子化受主浓度(⁻)随受主浓度()变化的曲线。

图3. (a) 输出功率密度（）、短路电流密度（）和开路电压（）；(b) 电流密度-电压（J-V）与功率密度-电压（P-V）特性曲线； (c) 电场分布随p区掺杂浓度()的变化关系。参数： = 101⁶ cm⁻3, = 4 μm,且 = 2 μm。(d) 、和，(e) J-V特性曲线，以及(f) 热平衡状态下的能带图，作为n区掺杂浓度()的函数。参数： = 101⁵ cm⁻3, = 4 μm, = 2 μm。

图5. (a) , (b) , 以及 (c) 作为 p+ 区 (+ ) 和 n 区 (+ ) 厚度的函数。参数： = 101⁹ cm⁻3, = 101⁵ cm⁻3, = 3.98 × 101⁶cm⁻3, = 3.98 × 1017 cm−3, = 4 μm - + , = 2 μm - + 。(d) 单颗金刚石/Ga₂O₃异质结电池单元的优化二维结构示意图。参数： = 101⁹ cm⁻3, = 101⁵ cm⁻3, = 3.98 × 101⁷ cm⁻3, + = 0.1 μm, = 3.9 μm, + = 2 μm。（图例中颜色标识的解释请参阅本文网络版说明。）

来源：DT半导体

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