【会员论文】APL丨西电郭辉副教授、西交大周磊簜副教授、西北核技术研究所：MG-HJ-PND结构高效Ga₂O₃基贝塔伏特电池设计

        由西安电子科技大学郭辉副教授、西安交通大学周磊簜副教授以及西北核技术研究所的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters 发布了一篇名为Design of high-efficiency Ga₂O₃-based betavoltaic battery utilizing the MG-HJ-PND structure（MG-HJ-PND 结构高效 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池设计）的文章。

        在微机电系统（MEMS）、植入式医疗设备、航空航天和军事装备等领域，急需体积小、寿命长且无需维护的微型能源系统。这种电池利用半导体器件捕捉放射源衰变产生的能量，将其直接转换为电能。放射源产生的高能电子在半导体中通过电离作用生成大量的辐射感生电子-空穴对（RG-EHPs）。这些载流子在半导体 PN 结或肖特基结的内建电场作用下发生分离，从而产生电流。放射源产生的粒子会对半导体造成结构损伤。作为超宽禁带半导体，Ga₂O₃ 具有极强的抗辐射能力，能有效延长电池的工作寿命。其在高温环境下能保持极佳的稳定性，且具有良好的化学稳定性，适合恶劣环境应用。典型的 Ga₂O₃ 材料存在较高的无意掺杂浓度，这导致在零偏压下形成的耗尽区非常窄。由于耗尽层薄，大量的 RG-EHPs 无法被有效分离和收集，导致现有的 Ga₂O₃ 基电池能量转换效率极低。如何平衡载流子浓度与高效收集效率是目前的主要挑战。

        基于氧化镓（Ga₂O₃）的贝塔伏特电池凭借其宽带隙特性，具有体积小、抗辐射强、高温稳定性高及化学稳定性好等优势，在微型医疗设备、航空航天系统和军事装备领域展现出巨大潜力。这类电池通常采用二极管结构。然而 Ga₂O₃ 材料的高载流子浓度导致零偏压时耗尽层过薄。该缺陷削弱了 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池收集辐射激发的电子-空穴对（RG-EHPs）的能力，导致能量转换效率（η_c）偏低——该指标是评估贝塔伏特电池性能的关键指标。本研究采用 Monte Carlo FLUKA 粒子传输软件与 Sentaurus TCAD 半导体器件仿真软件，对基于二极管结构的 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池展开研究。设计出具有多沟槽异质结 PN 二极管结构的 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池 (MG-HJ-PND)结构，将放射源置于沟槽内，并在沟槽边缘注入 p 型氧化镍 (p-NiO)，该设计不仅增强了 RG-EHP 的产生，还扩展了耗尽区，最终使 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池实现了 10.38 % 的高 η_c 值。此外，通过对比 Ga₂O₃、硅及碳化硅材料基底的肖特基势垒二极管与异质结 PN 二极管（HJ-PND）结构性能，证实基于 MG-HJ-PND 结构的高效 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池有望成为永久微型能源的理想候选方案。

        •该 MG-HJ-PND 结构实现了高达 10.38% 的能量转换效率，远超传统的平面结构。

        •通过 3D 几何工程解决了材料本身载流子浓度高导致耗尽层薄的问题，为超宽禁带半导体在核电池领域的应用提供了新思路。

        通过 Monte Carlo FLUKA 粒子传输软件与 Sentaurus TCAD 半导体器件仿真软件，成功建立了采用 SBD 与 HJ-PND 结构的 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池仿真模型。经对 J-V 输出特性曲线的分析，发现提升 η_c 的两种有效途径：增加 RG-EHP 数量，以及优化 RG-EHP 至 J_RG 的收集效率。通过依次去除金属电极、引入沟槽结构及减薄 p-NiO 层，实现了 RG-EHPs 数量的增加。同时，通过添加 p-NiO 并延长其长度，扩大了耗尽区范围，从而提升了 RG-EHPs 的收集效率。这些优化措施使 J–V 输出特性曲线中的 J_sc、V_oc 和 FF 参数均获得提升。最终通过设计基于 Ga₂O₃ 的贝塔伏特电池结构，显著提升了 η_c 性能指标。在 Ga₂O₃ 基 MG-HJ-PND 贝塔伏特电池中实现了 5.0 %（Ti³H₂）、10.4 %（⁶³Ni）和 2.3 %（¹⁴⁷Pm₂O₃）的高 η_c 值。这些高效 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池作为免维护能源，在微机电系统和植入式医疗设备领域展现出巨大潜力。

        本工作由国家自然科学基金（62204198）资助，国家重点实验室基础研究专项基金（JBSY252800260），以及中央高校基本科研业务费专项资金（xxj032025008）。

图1. 电势操作：辐射能向电能的转换

图2. (a) 采用 SBD 结构的 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池横截面示意图及 (b) 电场分布图。(c) 模拟与实验获得的 J_F–V_F 特性拟合曲线及 SBD 的对数坐标 J_F–V_F 曲线。基于 SBD 结构的 (d) Ti³H₂、(e) ⁶³Ni 及 (f) ¹⁴⁷Pm₂O₃ 放射源的 J-V 输出特性曲线。

图3. 通过 FLUKA 模拟获得的 (a) Ti³H₂、(b) ⁶³Ni 和 (c) ¹⁴⁷Pm₂O₃ 在 Ni/Au-Ga₂O₃ 和 Ga₂O₃ 中的深度能量沉积分布。

图4. (a) 采用 HJ-PND 结构的 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池横截面示意图及 (b) 电场分布图。(c) 模拟与实验获得的 J_F–V_F 特性拟合曲线及 HJ-PND 的对数坐标 J_F–V_F 曲线。基于 HJ-PND 结构的 (d) Ti³H₂、(e) ⁶³Ni 及 (f) ¹⁴⁷Pm₂O₃放射源的 J-V 输出特性曲线。

图5. (a) 采用 MG-HJ-PND 结构的 Ga₂O₃ 基贝塔伏特电池横截面示意图；(b) 局部电场分布图。FLUKA 模拟显示 (c) Ti³H₂、(d) ⁶³Ni 及 (e) ¹⁴⁷Pm₂O₃ 放射性源在凹槽中的能量沉积分布。

图6. 基于 MG-HJ-PND 结构的 Ti³H₂, ⁶³Ni 和 ¹⁴⁷Pm₂O₃ 放射源的 J-V 输出特性曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0294422