CN104051043B - 3D式PIN结构α辐照电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D式PIN结构α辐照电池及其制备方法，主要解决当前α辐照电池能量转化率及输出功率低的问题。其实现步骤是：在清洗后的4H‑SiC衬底上依次外延生长N型低掺杂4H‑SiC外延层和P型高掺杂4H‑SiC外延层；再在P型高掺杂外延层上和SiC衬底未外延背面淀积欧姆接触电极；然后在P型欧姆接触电极上光刻出沟槽窗口，并刻蚀沟槽；最后在沟槽中放置α放射源，得到3D式PIN结构α辐照电池。本发明制作出的α辐照电池具有α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，电池输出电流和输出电压大的优点，可为微小电路持久供电，或在需长期供电但无人看守的场合下供电。

Description

3D式PIN结构α辐照电池及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子领域，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PIN型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，微型核电池变得备受关注。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(β-Particle)射线能在半导体内产生电子-空穴对，此现象则被称为β-Voltaic Effect。1957年，Elgin-Kidde首先将β-Voltaic Effect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制备技术和工艺技术的进步，出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。

中国专利CN 101325093A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“Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell”介绍了由美国纽约Cornell大学的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,Hui Li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SiC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，电池漏电流大，能量转换率较低。

文献“Demonstration of a tadiation resistant,hight efficiency SiCbetavoltaic”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation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。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种3D式PIN结构α辐照电池及其制备方法，以消除金属电极对α放射源辐射出的高能α粒子的阻挡作用，同时增加α放射源与半导体的接触面积，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。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.本发明的3D式PIN结构α辐照电池，包括：PIN结和α放射源，PIN结自下而上依次为，N型欧姆接触电极5、N型高掺杂4H-SiC衬底1’、N型低掺杂外延层8、P型高掺杂外延层4’和P型欧姆接触电极6，其特征在于：所述PIN结中设有至少两个沟槽9，α放射源7’放置在该沟槽9内，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7’采用原子质量为241的镅元素，即Am²⁴¹。

作为优选，所述的α放射源7’采用原子质量为238的钚元素，即Pu²³⁸。

作为优选，所述沟槽9的深度h满足m+q<h<m+n+q，其中m为P型高掺杂外延层4’的厚度，n为N型低掺杂外延层8的厚度，q为P型欧姆接触电极6的厚度。

作为优选，所述沟槽9的宽度L满足L≦2g，其中，g为α放射源7’释放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：g＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：g＝10μm。

作为优选，所述相邻两个沟槽9的间距d满足d≥i，其中，i为α放射源7’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，所述衬底1’采用掺杂浓度为l x 10¹⁸cm^-3的N型4H-SiC，P型高掺杂外延层4’和N型低掺杂外延层8均为外延的4H-SiC，其中P型高掺杂外延层4’的掺杂浓度为1x10¹⁹～5x 10¹⁹cm^-3，N型低掺杂外延层8的掺杂浓度为1x 10¹⁵～2x 10¹⁵cm^-3。

二.本发明的制备方法包括以下步骤：

1)清洗：对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

2)生长N型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的SiC样片表面外延生长一层掺杂浓度为1x 10¹⁵～2x 10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的N型低掺杂外延层；

3)生长P型高掺杂外延层：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1x 10¹⁹～5x 10¹⁹cm^-3，厚度为1～2μm的P型高掺杂外延层；

4)淀积P型金属接触电极：在P型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积一层厚度为300nm的Ni金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型欧姆接触金属；利用同样的方法在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；1100℃下氮气气氛中快速退火3分钟；

5)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版；在淀积的Ni金属层表面旋涂一层光刻胶，利用光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Ni金属层进行腐蚀，露出P型高掺杂外延层，得到P型欧姆接触电极和沟槽腐蚀窗口；

6)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出用于放置α放射源，深度为6.5～12μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的至少两个沟槽；

7)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在沟槽中放置α放射源，得到3D式PIN结构α辐照电池。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明将α放射源置于沟槽中，使得α放射源产生的高能α粒子直接射入PIN结的空间电荷区，减小了高能α粒子的能量损耗，从而提高了能量收集率；

2.本发明由于沟槽宽度不大于α放射源释放的高能α粒子在α放射源材料中平均入射深度的两倍，显著减少了高能α粒子在α放射源内部的能量衰减，提高了能量收集率；

3.本发明由于采用衬底材料4H-SiC的禁带宽度比传统Si的禁带宽度大，抗辐照特性更好，可以减小高能α粒子对器件的损伤，提高了电池的工作电压，同时延长了电池的使用寿命。

附图说明

图1是现有的PIN核电池的截面示意图；

图2是本发明3D式PIN结构α辐照电池的截面示意图；

图3是本发明制作3D式PIN结构α辐照电池的流程示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的辐照电池，包括：PIN结、沟槽9和α放射源7’，PIN结自下而上依次为，N型欧姆接触电极5、N型高掺杂4H-SiC衬底1’、N型低掺杂外延层8、P型高掺杂外延层4’和P型欧姆接触电极6。其中，N型低掺杂外延层8生长于N型高掺杂4H-SiC衬底1’的硅面上，P型高掺杂4H-SiC外延层4’生长于N型低掺杂4H-SiC外延层8上，P型欧姆接触电极6淀积在P型高掺杂4H-SiC外延层4’上，采用金属Ni，其厚度为300nm，背面N型欧姆接触电极5淀积在N型高掺杂4H-SiC衬底1’的背侧，采用金属Ni，其厚度为300nm，构成PIN结；在PIN结中设有至少两个沟槽9，其深度h满足m+q<h<m+n+q，m为P型高掺杂外延层4’的厚度，n为N型低掺杂外延层8的厚度，q为P型欧姆接触电极6的厚度，其宽度L满足L≦2g，g为α放射源7’释放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：g＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：g＝10μm，而相邻两个沟槽9的间距d满足d≥i，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；α放射源7’放置在沟槽9中。

电池在工作状态下，从α放射源放射出的大部分高能α粒子直接射入到P型高掺 杂外延层4’和N型低掺杂外延层8界面附近的空间电荷区，进而激发载流子，形成输出电流。

参照图3，本发明制作3D式PIN结构α辐照电池的方法给出如下三个实施例：

实施例1，制备α放射源为Am²⁴¹，具有两个沟槽的3D式PIN结构α辐照电池。

步骤1:清洗4H-SiC样片，以去除表面污染物，如图3(a)所示。

(1.1)将掺杂浓度为l x 10¹⁸cm^-3的高掺杂n型4H-SiC衬底样片在NH₄OH+H₂O₂试剂浸泡样品10min，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；

(1.2)将去除表面有机残余物后的4H-SiC样片再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡样品10min，取出后烘干，以去除离子污染物。

步骤2：外延生长N型低掺杂外延层，如图3(b)所示。

在清洗后的SiC样片上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，杂志源为液态氮气，载气为纯氢气，得到氮掺杂浓度为1x 10¹⁵cm^-3，厚度为5μm的N型低掺杂外延层。

步骤3：外延生长P型高掺杂外延层，如图3(c)所示。

在外延生长N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的P型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为1x 10¹⁹cm^-3，厚度为1μm的P型高掺杂外延层。

步骤4：淀积欧姆接触电极，如图3(d)所示。

(4.1)对完成P型高掺杂外延层生长后的SiC样片进行RCA标准清洗；

(4.2)将清洗后的样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，调整载玻片到靶材的距离为50cm，并将反应室压强抽至5×10^-4Pa，调节束流为40mA，在SiC样片的P型高掺杂外延层的表面淀积一层厚度为300nm的Ni金属层；

(4.3)利用电子束蒸发法，在衬底SiC未外延的背面淀积一层厚度为300nm的Ni金属层；

(4.4)1100℃下，氮气气氛中快速退火3分钟。

步骤5：在SiC外延一侧淀积的Ni金属层上刻出结构图形窗口，如图3(e)所示。

(5.1)在SiC外延一侧淀积的Ni金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池两个沟槽的位置制作成光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(5.2)利用反应离子工艺刻蚀Ni金属层，反应气体采用氧气，露出P型高掺杂外延层，得到P型欧姆接触电极和沟槽的刻蚀窗口。

步骤6：刻蚀沟槽，如图3(f)所示。

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为6.5μm，宽度为5μm，间距为12μm的两个沟槽。

步骤7：放置α放射源，如图3(g)所示。

采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源Am²⁴¹，得到3D式PIN结构α辐照电池。

实施例2，制备α放射源为Am²⁴¹，具有五个沟槽的3D式PIN结构α辐照电池。

步骤一:清洗4H-SiC样片，以去除表面污染物，如图3(a)。

本步骤与实施例1的步骤1相同。

步骤二：外延生长N型低掺杂外延层，如图3(b)。

在清洗后的SiC样片上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型低掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂志源为液态氮气，完成氮掺杂浓度为1.5x 10¹⁵cm^-3，厚度为8μm的N型低掺杂外延层的生长。

步骤三：外延生长P型高掺杂外延层，如图3(c)所示。

在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝离子掺杂的P型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，完成铝掺杂浓度为3x 10¹⁹cm^-3，厚度为1.5μm的P型高掺杂外延层的生长。

步骤四：淀积欧姆接触电极，如图3(d)。

本步骤与实施例一的步骤4相同。

步骤五：SiC外延一侧淀积的Ni金属层上刻出结构图形窗口，如图3(e)。

(5.1)在SiC外延一侧淀积的Ni金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池五个 沟槽的位置制作成光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(5.2)利用反应离子工艺刻蚀Ni金属层，反应气体采用氧气，露出P型高掺杂外延层，得到P型欧姆接触电极和沟槽的刻蚀窗口。

步骤六：刻蚀沟槽，如图3(f)。

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为10μm，宽度为10μm，间距为20μm的五个沟槽；

步骤七：放置α放射源，如图3(g)。

本步骤与实施例一的步骤7相同。

实施例3，制备α放射源为Pu²³⁸，具有10个沟槽的3D式PIN结构α辐照电池。

步骤A:清洗4H-SiC样片，以去除表面污染物，如图3(a)。

本步骤与实施例1的步骤1相同。

步骤B：在清洗后的SiC样片上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂志源为液态氮气。得到氮掺杂浓度为2x 10¹⁵cm^-3，厚度为10μm的N型低掺杂外延层如图3(b)。

步骤C：在外延生长N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝离子掺杂的P型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1570℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为5x10¹⁹cm^-3，厚度为2μm的P型高掺杂外延层如图3(c)。

步骤D：淀积欧姆接触电极，如图3(d)。

本步骤与实施例一的步骤4相同。

步骤E：在SiC外延一侧淀积的Ni金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池10个沟槽的位置制作成光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；然后利用反应离子工艺刻蚀Ni金属层，反应气体采用氧气，露出P型高掺杂外延层，得到P型欧姆接触电极和沟槽的刻蚀窗口如图3(e)。

步骤F：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为12μm，宽度为14μm，间距为25μm的10个沟槽如图3(f)。

步骤G：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源Pu²³⁸，得到3D式 PIN结构α辐照电池如图3(g)。

Claims (1)

1.一种3D式PIN结构α辐照电池的制备方法，包括以下步骤：

1)清洗：对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

2)生长N型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的SiC样片表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～2x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的N型低掺杂外延层；

3)生长P型高掺杂外延层：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1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为1～2μm的P型高掺杂外延层；

4)淀积欧姆接触电极：在P型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积一层厚度为300nm的Ni金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在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；1100℃下氮气气氛中快速退火3分钟；

5)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版；在淀积的Ni金属层表面旋涂一层光刻胶，利用光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Ni金属层进行腐蚀，露出P型高掺杂外延层，得到P型欧姆接触电极和沟槽腐蚀窗口；

6)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，刻出用于放置α放射源，深度为6.5～12μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的至少两个沟槽；

7)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在沟槽中放置α放射源，得到3D式PIN结构α辐照电池。