隨著微機電系統(MEMS)技術的迅速發展，體積更小，功能更多，集成度更高的MEMS器件已經成為新的發展方向和研究熱點。微電池(也稱微能源)是MEMS器件的電源供給裝置和重要組成部分，MEMS器件的小型化即要求電源的能量密度更高和更小的尺寸，而現有的各種微能源由于其較低的能量密度，使用壽命、集成性和性能輸出的穩定性等方面的制約，極大地限制了MEMS器件的發展。據此，研究體積小、可集成、能量密度大，特別是能夠采用半導體工藝大批量制備的微電池具有重要的科學意義和軍事實際應用意義，己經引起了國內外的廣泛關注。

近日，“2023功率與光電半導體器件設計及集成應用論壇”于西安召開。論壇由第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA）指導，西安交通大學、極智半導體產業網（www.casmita.com）、第三代半導體產業主辦，西安電子科技大學、中國科學院半導體研究所、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟人才發展委員會、全國半導體應用產教融合（東莞）職業教育集團聯合組織、西安和其光電股份有限公司等單位協辦。

論壇期間，陜西科技大學尉國棟帶來“SiC基微型核電池的研究”的主題報告，SiC基輻致伏特效應核電池是通過半導體SiC的PN結將放射性同位素(放射源)衰變所放射出的粒子能(如α粒子、β粒子和γ射線)轉換為電能的裝置。它具有能量密度大、體積小，壽命長、工作穩定性好和易于集成等優點，其換能結構簡單，加工工藝成熟，滿足MEMS在軍事、深海、太空等特殊環境條件下的使用要求，具有廣闊的發展前景。

報告中介紹，MEMS傳感器和機器人的微型化趨勢給傳統電源提出了挑戰！小電源(小、薄、輕、柔)、長壽命、低功耗、可集成、抗電磁干擾，傳統的微型電池難以滿足MEMS和微型機器人等對電源的要求！核電池, 又稱同位素電池, 它是利用放射性同位素衰變放出載能粒子(如α粒子、β粒子和γ射線)并將其能量轉換為電能的裝置。核電池能量密度大、壽命長、抗干擾性強、輸出特性穩定等優點，其中的輻伏核電池易于微型化，集成化，成為微機電系統最理想的微能源。

在核電池的應用方面，并以內置醫療設備及醫療可穿戴設備領域，植入式起搏器市場到2023年將達到近150億美元，因此市場的年均增長率將達到9.3％。仿生假肢領域，世界人口中約15％患有肢體功能障礙，每年約有5000萬人殘廢；仿生假肢市場估計為6.4萬億美元。在核電池微機電系統的應用方面，新華社報道：2020年中國人工智能市場規模到了150億美元。根據Myria Research的分析，到2020年，機器人技術和智能操作系統市場以及生態系統（包括硬件，軟件和服務）已超過3200億美元。到2055年，機器人技術和智能操作系統的總市場規模估計為1.2萬億美元。

他認為，針對目前輻伏電池的研究現狀和不足，亟待解決的主要問題包括：其一，如何建立輻伏電池輸出性能與各物理參量的數量關系？其二，如何提高放射源的源效率，并且研發合適的放射源固定和搭載技術？其三，如何提高輻伏電池換能器件的器件效率，提升缺陷抑制水平？其四，如何建立輻伏電池集成系統和管理系統，將輻伏電池與實際應用器件適配。

可見，高性能輻伏微型電池的研究面臨著巨大挑戰，也是本研究組所瞄準的主要科學問題。

未來，需要進一步制備由H-3源、C-14放射源和SiC器件、金剛石器件構成的輻伏電池。計劃采用氚/儲氚合金和氧化鋁阻氚涂層封裝、14C金剛石固碳、高性能4H-SiC換能器件和基于Lift-off的金剛石換能器件。通過建立仿真模型、半導體IDM工藝、激光離子源在計算和實驗上實現四個主要技術點。




審核編輯：劉清