夹心串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种夹心串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法，主要解决当前核电池能量转化率及输出功率低的问题。其包括：串联的上、下两个PIN结和α放射源层；上PIN结自下而上依次为N型外延层欧姆接触电极、N型高掺杂外延层、P型低掺杂外延层、p型SiC衬底、P型欧姆接触电极；下PIN结自下而上依次为N型欧姆接触电极、n型SiC衬底、N型低掺杂外延层、P型高掺杂外延层和P型外延层欧姆接触电极；α放射源层夹在上下两个PIN结的外延层欧姆接触电极之间，以实现对高能α粒子的充分利用。本发明专利技术具有放射源与半导体接触面积大，核原料利用率及能量收集率高，电池输出电压大的优点，可为微小电路持久供电。

【技术实现步骤摘要】
夹心串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法
本专利技术属于微电子领域，涉及半导体器件结构及制备方法，具体地说是一种碳化硅基的夹心串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法，可用于微纳机电系统等微小电路和航空航天、深海、极地等需长期供电且无人值守的场合。技术背景随着人们对于低功耗、长寿命、高可靠性和小体积供电设备的需求，以及对核废料处理的关注，微型核电池变得愈发关注。微型核电池由于其突出的特点可用来解决微型管道机器人、植入式微系统、无线传感器节点网络、人工心脏起搏器和便携式移动电子产品等的长期供电问题。并有望取代太阳能电池和热电式放射性同位素电池，在航天和航空领域解决微/纳卫星、深空无人探测器和离子推进器等的长期供电问题。1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的贝塔(α-Particle)射线能在半导体内产生电子-空穴对，此现象则被称为β-VoltaicEffect。1957年，Elgin-Kidde首先将β-VoltaicEffect用在电源供应方面，成功制造出第一个同位素微电池β-VoltaicBattery。自2006年，随着宽禁带半导体材料SiC制备和工艺技术的进步，出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。核电池在应用中，由于激发的高能粒子利用率比较低，能量收集率低，限制了电池的输出电压。中国专利CN101325093A中公开了由张林，郭辉等人提出的基于SiC的肖特基结式核电池。由于该肖特基结核电池中肖特基接触层覆盖整个电池区域，入射粒子到达器件表面后，都会受到肖特基接触层的阻挡，只有部分粒子能进入器件内部，而进入耗尽区的粒子才会对电池的输出功率有贡献。因此，这种结构的核电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。文献“Demonstrationofa4HSiCbetavoltaiccell”介绍了由美国纽约Cornell大学的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,HuiLi等人提出了碳化硅PN结式核电池。这种结构采用的衬底为P型高掺杂衬底，而在其衬底上生长外延层的现有工艺不成熟，因此，易引入表面缺陷，器件漏电流大，能量转换率较低。文献“Demonstrationofatadiationresistant,hightefficiencySiCbetavoltaic”介绍了由美国新墨西哥州QynergyCorporation的C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图1所示。该PIN核电池自上而下依次为，放射性源7、P型欧姆接触电极6、P型高掺杂SiC层4、P型SiC层3、本征i层2、n型高掺杂SiC衬底1和N型欧姆接触电极5。这种结构中，只有耗尽层内及其附近一个少子扩散长度内的辐照生载流子能够被收集。并且，为避免欧姆接触电极阻挡入射离子，将P型欧姆电极做在器件的一个角落，使得离P型欧姆电极较远的辐照生载流子在输运过程中被复合，降低了能量转化率，减小了电池的输出电流。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种夹心串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法，以提高α放射源的利用率，从而提高电池的输出电流和输出电压。本专利技术的技术方案是这样实现的：一.本专利技术的夹心串联式PIN结构α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源层7’，其特征在于：所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；上PIN结自下而上依次为，N型外延层欧姆接触电极11、N型高掺杂外延层10、P型低掺杂外延层9、p型SiC衬底8、P型欧姆接触电极6；下PIN结自下而上依次为，N型欧姆接触电极5、n型SiC衬底14、N型低掺杂外延层13、P型高掺杂外延层4’、P型外延层欧姆接触电极12；α放射源层7’，夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极11与下PIN结P型外延层欧姆接触电极12之间，以实现对高能α粒子的充分利用。作为优选，所述的α放射源层7’采用相对原子质量为241的镅元素或相对原子质量为238的钚元素，即Am241或Pu238。作为优选，所述的α放射源层7’的厚度h满足h≤m，其中m为α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，对于α放射源为Am241的，其取值为：m＝7.5μm，对于α放射源为Pu238的，其取值为：m＝10μm。作为优选，所述的P型低掺杂外延层9和N型低掺杂外延层13的厚度L满足L≥g，其中，g为α放射源所释放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，对于α放射源为Am241的，其取值为：i＝10μm，对于α放射源为Pu238的，其取值为：i＝18.2μm。作为优选，所述的p型SiC衬底8、n型SiC衬底14均采用掺杂浓度为8x1017cm-3的4H-SiC衬底，P型低掺杂外延层9、N型高掺杂外延层10、P型高掺杂外延层4’、N型低掺杂外延层13均为外延的4H-SiC材料，以提高电池的寿命和开路电压。二.本专利技术的制备方法包括以下步骤：第一步，制作上PIN结：1.1)对p型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；1.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的p型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x1015～3x1015cm-3，厚度为15～28μm的P型低掺杂外延层；1.3)利用化学气相淀积CVD法在P型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x1019～3x1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm的N型高掺杂外延层；1.4)利用电子束蒸发法在N型高掺杂外延层表面和p型SiC衬底未外延的背面分别淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型外延层欧姆接触电极和P型欧姆接触电极；第二步，制作下PIN结：2.1)对n型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；2.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的n型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x1015～3x1015cm-3，厚度为15～28μm的N型低掺杂外延层；2.3)利用化学气相淀积CVD法在N型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x1019～3x1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm的P型高掺杂外延层；2.4)利用电子束蒸发法在P型高掺杂外延层表面淀积厚度为300nm的Al金属层，作为P型外延层欧姆接触电极；在n型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；2.5)制备α放射源层：利用分子镀在上述n型SiC衬底淀积的Al金属层上镀一层厚度为4～8μm的α放射源层；第三步，利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极与下PIN结的P型外延层欧姆接触电极中间，形成夹心串联式PIN结构α辐照电池。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术由于将α放射源层夹在上下两个PIN结的外延层欧姆接触电极之间，较之于现有技术将放射源层置于电池的上表面，节省了α放射源材料，提高了α放射源的利用率，从而提高了电池的能量利用率；2.本专利技术由于P型和N型高掺杂外延层的厚度仅为0.1～0.2μm，以及α放射源层的厚度不大于α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，可以减小高能α粒子在高掺杂外延层和α放射源层中的衰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种夹心串联式PIN结构α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源层(11)，其特征在于：所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；其上PIN结自下而上依次为，N型外延层欧姆接触电极(5)、N型高掺杂外延层(4)、P型低掺杂外延层(3)、p型SiC衬底(2)、P型欧姆接触电极(1)；其下PIN结自下而上依次为，N型欧姆接触电极(10)、n型SiC衬底(9)、N型低掺杂外延层(8)、P型高掺杂外延层(7)、P型外延层欧姆接触电极(6)；所述α放射源层(11)，夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极(5)与下PIN结P型外延层欧姆接触电极(6)之间，以实现对高能α粒子的充分利用。

【技术特征摘要】
1.一种夹心串联式PIN结构α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源层(7’)，其特征在于：所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；其上PIN结自下而上依次为，N型外延层欧姆接触电极(11)、N型高掺杂外延层(10)、P型低掺杂外延层(9)、p型SiC衬底(8)、P型欧姆接触电极(6)；其下PIN结自下而上依次为，N型欧姆接触电极(5)、n型SiC衬底(14)、N型低掺杂外延层(13)、P型高掺杂外延层(4’)、P型外延层欧姆接触电极(12)；所述α放射源层(7’)，夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极(11)与下PIN结P型外延层欧姆接触电极(12)之间，以实现对高能α粒子的充分利用；所述p型SiC衬底(8)、n型SiC衬底(14)均采用掺杂浓度为8x1017cm-3的4H-SiC衬底，P型低掺杂外延层(9)、N型高掺杂外延层(10)、P型高掺杂外延层(4’)、N型低掺杂外延层(13)均为外延的4H-SiC材料，以提高电池的寿命和开路电压。2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源层(7’)采用相对原子质量为241的镅元素或相对原子质量为238的钚元素，即Am241或Pu238。3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源层(7’)的厚度h满足h≤m，其中m为α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，对于α放射源为Am241的，其取值为：m＝7.5μm，对于α放射源为Pu238的，其取值为：m＝10μm。4.一种夹心串联式PIN结构α辐照电池的制备方法，包括以下步骤：第一步，制作上PIN结：1.1)对p型SiC衬底...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭辉，黄海栗，张艺蒙，宋庆文，张玉明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61