CN101320601A - 碳化硅肖特基结式核电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅肖特基结式核电池及其制作方法，属于半导体、核物理和微能源领域。该结构依次包括核素6、上电极金属层5、金属黏附层4、势垒金属层3、本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10，其中的n⁺型SiC层1和势垒金属层3形成肖特基结。此外，本发明还公开了该结构的制作方法。由于本发明提供的同位素能量转换结构是基于碳化硅基底的肖特基结式的，而不是采用p－n结或p－i－n结式，因此不需要通过离子注入来形成良好的欧姆接触，也不需要通过高温退火来对p型SiC表面进行保护以避免产生沟状的表面结构，从而简化了工艺，相应地降低了制造成本。

Description

碳化硅肖特基结式核电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体、核物理和微能源领域，尤其涉及一种基于碳化硅(SiC)材料的肖特基结式核电池，以及这种结构的制作方法。

现有技术

碳化硅具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、介电常数小、抗辐射能力强和化学稳定性好以及高键合能等优点，特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。

参照图2，文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 91，0535 11(2007)《4H-SiC betavoltaicpowered temperature transducer》”介绍了由美国纽约Comell大学的M.V.S.Chandrashekhar，C.I.Thomas，Hui Li，M.G.Spencer and Amit Lal等人共同提出了碳化硅p-n结式核电池；p-n结式核电池是在p⁺型碳化硅基底上依次外延生长一层厚度均匀的p^-型碳化硅、一层厚度均匀的n⁺型碳化硅，从而使p^-型碳化硅层和n⁺型碳化硅层形成p-n结，再分别在n⁺型碳化硅层和p⁺型碳化硅基底上蒸镀或溅射上金属，通过高温退火来形成欧姆接触电极。当放射源衰变时，放射出的部分β粒子穿过p-n结，通过电离作用促使在p-n结附近的电子发生电离产生空穴-电子对，载流子在内电场的作用下定向移动，这样就可以从p-n结的两侧的欧姆接触电极引出建立电势。

参照图3，文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，064101(2006)《Demonstration of aradiation resistant，high efficiency SiC betavoltaic》”介绍了由美国新墨西哥州QynergyCorporation的C.J.Eiting，V.Krishnamoorthy，and S.Rodgers，T.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.David Robertson and John Brockman等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池；p-i-n结式核电池是在n⁺型碳化硅基底上依次外延生长一层厚度均匀的i层n^-型碳化硅，一层厚度均匀的p型碳化硅，一层厚度均匀的p⁺型碳化硅，从而使n⁺型碳化硅基底、i层n^-型碳化硅和p型碳化硅层形成p-i-n结，再分别在p⁺型碳化硅层和n⁺型碳化硅基底上蒸镀或溅射上金属，通过高温退火来形成欧姆接触电极。当放射源衰变时，放射出的部分β离子穿过p-i-n结，通过电离作用促使在p-i-n结附近的电子发生电离产生了空穴-电子对，载流子在内电场的作用下定向移动，这样就可以从p-i-n结两侧的欧姆接触电极引出建立电势。

但是，对于p-n结或p-i-n结式核电池来讲，都需要在p-n结或p-i-n结两侧作欧姆接触，但是在p型碳化硅上作欧姆接触是非常困难的。并且为了形成良好的欧姆接触，唯一的途径就是通过离子注入对碳化硅进行选择性区域高掺杂，但是注入之后必须进行温度为1400～1700℃的高温退火，且退火过程中必须对碳化硅表面进行保护以避免产生沟状的表面结构，则造成了p-n结或p-i-n结式核电池的工艺复杂，从而相应地增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中p-n结或p-i-n结式核电池工艺复杂，制造成本昂贵等方面的缺点，提供一种新型的基于碳化硅基底的肖特基结式核电池，同时提供一种简单的、成本低廉的制作方法。

本发明提供的基于碳化硅基底的肖特基结式核电池，依次包括上电极金属层5、金属黏附层4、势垒金属层3、本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9、下电极金属层10；n⁺型SiC层1掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；本征i层2掺杂浓度为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-3，位于n⁺型SiC层1的正面；本征i层2上表面依次排布着势垒金属层3、金属黏附层4、上电极金属层5；势垒金属层3的形状可以为圆形、方形等任意形状，面积小于本征i层2的面积，且从俯视角度看，其边框被包络于本征i层2的边框之内；金属黏附层4和上电极金属层5形状和大小一致；核素7排布在势垒金属层3上未被金属黏附层4覆盖的区域；欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10依次排布于n⁺型SiC层1的背面；本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10的形状和大小一致，形状可以为圆形、方形等任意形状；欧姆接触层7和势垒金属层3的材料为与n⁺型SiC层1接触性较好的Ni或Ti，金属过渡层8的材料为延展性能较好的Pt或Cu，金属阻挡层9和金属黏附层4的材料为黏附能力和阻挡能力较强的Cr或Mo或W，下电极金属层10和上电极金属层5的材料为导电性能较强的Au或Ag或Al或Pt。

作为一种优选方案，上电极金属层5、金属黏附层4、势垒金属层3、本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10的形状均为圆形。

该碳化硅肖特基结式核电池的制作方法包括以下步骤：

1)选用掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n⁺型SiC层1为衬底；

2)在n⁺型SiC层1正面外延生长一层本征i层2；

3)在n⁺型SiC层1背面依次蒸镀或溅射欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10；

4)高温退火，使得蒸镀或溅射的欧姆接触层7与n⁺型SiC层1形成良好的欧姆接触；

5)在本征i层2正面旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

6)蒸镀或溅射势垒金属层3；

7)剥离外围多余的金属；

8)再旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

9)依次蒸镀或溅射金属黏附层4和上电极金属层5；

10)剥离外围多余的金属；

11)电镀或分子镀或化学镀核素7。

本发明的有益效果是：提供核电池是基于碳化硅基底的肖特基结式的，而不是采用p-n结或p-i-n结式，因此不需要通过离子注入来形成良好的欧姆接触，也不需要通过高温退火来对p型SiC表面进行保护以避免产生沟状的表面结构，从而简化了工艺，相应地降低了制造成本。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的示意图

图2是现有的碳化硅p-n结式核电池

图3是现有的碳化硅p-i-n结式核电池

图4是本发明的工艺流程图

图中，1-n⁺型SiC层   2-本征i层         3-势垒金属层

4-金属黏附层        5-上电极金属层    6-核素

7-欧姆接触层        8-金属过渡层      9-金属阻挡层

10-下电极金属层     11-p⁺型SiC层      12-p^-型SiC层

13-p型SiC层

具体实施方式

具体实施例1：

参阅图1，本实施例提供的基于碳化硅基底的肖特基结式核电池，依次包括上电极金属层5、金属黏附层4、势垒金属层3、本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9、下电极金属层10；n⁺型SiC层1掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；厚度为13μm，掺杂浓度为5×10¹⁴cm^-3本征i层2位于n⁺型SiC层1的正面；本征i层2上表面依次排布着势垒金属层3、金属黏附层4、上电极金属层5；势垒金属层3的形状为圆形，面积小于本征i层2的面积，且从俯视角度看，其边框被包络于本征i层2的边框之内；金属黏附层4和上电极金属层5形状和大小一致；核素7为⁶³Ni，排布在势垒金属层3上未被金属黏附层4覆盖的区域；欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10依次排布于n⁺型SiC层1的背面；本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10的形状和大小一致，形状为圆形；选用与n⁺型SiC层1接触性较好的金属Ni作为势垒金属层3和欧姆接触层3.2的材料，选用延展性能较好的金属Pt为金属过渡层8的材料，选用黏附能力和阻挡能力较强的Cr作为金属黏附层4和金属阻挡层9的材料，选用导线性能强的金属Au作为上电极金属层5和下电极金属层6.2的材料。

本电池的工作原理：n⁺型SiC层1和势垒金属层3形成肖特基结，当⁶³Ni中的核素衰变时，放射出的部分β离子穿过肖特基结，通过电离作用促使在肖特基结附近的电子发生电离产生空穴-电子对，载流子在内电场的作用下定向移动，这样就可以从肖特基结的两侧的欧姆接触电极引出建立电势。

参阅图3，本实施例中碳化硅肖特基结式核电池的制作方法包括如下步骤：

1)选用掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3的n⁺型SiC层1为衬底；

2)在n⁺型SiC层1表面外延生长一层厚度为13μm，掺杂浓度为5×10¹⁴cm^-3的本征i层2；

3)在n⁺型SiC层1背面依次蒸镀一层厚度均匀的金属Ni作为欧姆接触层7、一层厚度均匀的金属Pt作为金属过渡层8、一层厚度均匀的金属Cr作为金属阻挡层9、一层厚度均匀的金属Au作为下电极金属层10；

4)高温退火，温度为950℃，时间为5min，保护气为Ar，使欧姆接触层7和n⁺型SiC层1之间形成良好的欧姆接触；

5)在本征i层2正面，旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

6)蒸镀一层厚度均匀的金属Ni作为势垒金属层3；

7)剥离掉外围多余的势垒金属层3的金属Ni；

8)再旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

9)依次蒸镀一层厚度均匀的金属Cr作为金属黏附层4、一层厚度均匀的金属Au作为上电极金属层5；

10)剥离掉外围多余的金属黏附层4的金属Cr和下电极金属层6.1的金属Au。

11)电镀⁶³Ni。

具体实施例2：

参阅图1，本实施例提供的基于碳化硅基底的肖特基结式核电池，依次包括上电极金属层5、金属黏附层4、势垒金属层3、本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9、下电极金属层10；n⁺型SiC层1掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；厚度为15μm，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3本征i层2位于n⁺型SiC层1的正面；本征i层2上表面依次排布着势垒金属层3、金属黏附层4、上电极金属层5；势垒金属层3的形状为圆形，面积小于本征i层2的面积，且从俯视角度看，其边框被包络于本征i层2的边框之内；金属黏附层4和上电极金属层5形状和大小一致；核素7为¹⁴⁷Pm，排布在势垒金属层3上未被金属黏附层4覆盖的区域；欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10依次排布于n⁺型SiC层1的背面；本征i层2、n⁺型SiC层1、欧姆接触层7、金属过渡层8、金属阻挡层9和下电极金属层10的形状和大小一致，形状为方形；选用与n⁺型SiC层1接触性较好的金属Ti作为势垒金属层3和欧姆接触层7的材料，选用延展性能较好的金属Cu为金属过渡层8的材料，选用黏附能力和阻挡能力较强的W作为金属黏附层4和金属阻挡层9的材料，选用导线性能强的金属Ag作为上电极金属层5和下电极金属层6.2的材料。

参阅图3，本实施例中碳化硅肖特基结式核电池的制作方法包括如下步骤：

1)选用掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n⁺型SiC层1为衬底；

2)在n⁺型SiC层1表面外延生长一层厚度为15μm，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3的本征i层2；

3)在n⁺型SiC层1背面依次溅射一层厚度均匀的金属Ti作为欧姆接触层7、一层厚度均匀的金属Cu作为金属过渡层8、一层厚度均匀的金属W作为金属阻挡层9、一层厚度均匀的金属Ag作为下电极金属层10；

4)高温退火，温度为1000℃，时间为3min，保护气为N₂，使欧姆接触层7和n⁺型SiC层1之间形成良好的欧姆接触；

5)在本征i层2正面，旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

6)溅射一层厚度均匀的金属Ti作为势垒金属层3

7)剥离掉外围多余的势垒金属层3的金属Ti。

8)再旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

9)依次溅射一层厚度均匀的金属W作为金属黏附层4、一层厚度均匀的金属Ag作为上电极金属层5；

10)剥离掉外围多余的金属黏附层4的金属W和下电极金属层6.1的金属Ag

11)化学镀¹⁴⁷Pm。

Claims (3)

1.一种碳化硅肖特基结式核电池，其特征在于：依次包括上电极金属层(5)、金属黏附层(4)、势垒金属层(3)、本征i层(2)、n⁺型SiC层(1)、欧姆接触层(7)、金属过渡层(8)、金属阻挡层(9)、下电极金属层(10)；n⁺型SiC层(1)掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；本征i层(2)掺杂浓度为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-3，位于n⁺型SiC层(1)的正面；本征i层(2)上表面依次排布着势垒金属层(3)、金属黏附层(4)、上电极金属层(5)；势垒金属层(3)的形状可以为圆形、方形等任意形状，面积小于本征i层(2)的面积，且从俯视角度看，其边框被包络于本征i层(2)的边框之内；金属黏附层(4)和上电极金属层(5)形状和大小一致；核素(6)排布在势垒金属层(3)上未被金属黏附层(4)覆盖的区域；欧姆接触层(7)、金属过渡层(8)、金属阻挡层(9)和下电极金属层(10)依次排布于n⁺型SiC层(1)的背面；本征i层(2)、n⁺型SiC层(1)、欧姆接触层(7)、金属过渡层(8)、金属阻挡层(9)和下电极金属层(10)的形状和大小一致；欧姆接触层(7)和势垒金属层(3)的材料为Ni或Ti，金属过渡层(8)的材料为Pt或Cu，金属阻挡层(9)和金属黏附层(4)的材料为Cr或Mo或W，下电极金属层(10)和上电极金属层(5)的材料为Au或Ag或Al或Pt。

2.一种如权利要求1所述的碳化硅肖特基结式核电池，其特征在于：所述的上电极金属层(5)、金属黏附层(4)、势垒金属层(3)、本征i层(2)、n⁺型SiC层(1)、欧姆接触层(7)、金属过渡层(8)、金属阻挡层(9)和下电极金属层(10)的形状均为圆形。

3.一种制作权利要求1所述的碳化硅肖特基结式核电池的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)选用掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n⁺型SiC层(1)为衬底；

2)在n⁺型SiC层(1)正面外延生长一层本征i层(2)；

3)在n⁺型SiC层(1)背面依次蒸镀或溅射欧姆接触层(7)、金属过渡层(8)、金属阻挡层(9)和下电极金属层(10)；

4)高温退火，使得蒸镀或溅射的欧姆接触层(7)与n⁺型SiC层(1)形成良好的欧姆接触；

5)在本征i层(2)正面旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

6)蒸镀或溅射势垒金属层(3)；

7)剥离外围多余的金属；

8)再旋涂一层厚度均匀的光刻胶，光刻；

9)依次蒸镀或溅射金属黏附层(4)和上电极金属层(5)；

10)剥离外围多余的金属；

11)电镀或分子镀或化学镀核素(6)。

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