CN101599308A - 具有保护环结构的微型核电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PN结或PIN结式的微型核电池及其制备方法，属于半导体、核物理和微能源领域。该电池在传统的PN结或PIN结式微型核电池的基础上，在p+型半导体层5的外围环形区域设计有一个保护环6；同时在保护环6上方有一个保护环接触电极8将电信号引出；此外，也公开了改核电池的制作方法。本发明公开的微型核电池，保护环的加入抑制了表面漏电、界面态电流对辐生电流的影响，间接提高了开路电压，同时增大了器件对低能量放射源的灵敏度，从而改善器件能量转换效率。

Description

具有保护环结构的微型核电池及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体、核物理和微能源领域，尤其涉及一种PN结或PIN结式的微型核电池及其制备方法。

背景技术

微型核电池可以为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的长期供电问题；该装置采用采用直接换能结构，直接将放射能转化为电能，优于需要隔热层的传统热电式放射性同位素电池(RTG，RadioisotopeThermoelectric Generator)，更适于微型化、轻量化和集成化，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的长期供电问题。

参照图7，文献“the 12^th International Conference on Solid State Sensors，Actuators andMicrosystems(Boston 8-12 June 2003)p36《NANOPOWER BETAVOLTAICMICROBATTERIES》”介绍了由美国Cornell大学Hang Guo，Amit Lal等人共同提出了基于硅材料的PN结式核电池；参照图8，文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，064101(2006)《Demonstration of a radiation resistant，high efficiency SiC betavoltaic》”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation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等人共同提出了基于碳化硅材料的PIN结式核电池；两种结构的微型核电池工作原理类似，当放射源衰变时，放射出的部分β离子穿过PN结，通过电离作用促使在PN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PN结或PIN结两侧的欧姆接触电极引出建立电势。

但是，对于目前微型核电池结构，无论是PN结式还是PIN结式，都存在漏电流。漏电流通常由几部分组成：自身扩散电流，热生电流，材料表面的电流，两种材料之间的界面态电流等。少子扩散电流是由于加了偏压之后，耗尽层内部已平衡的少子运动被打破，当多数载流子被电场拉开之后，耗尽层内部少数的载流子就会取代原有的空位，这种运动就导致了扩散电流的形成；由于湿度、各种污染或者其他可凝结气体的存在以及器件周围内建电势场方向发生横向畸变，会产生表面漏电；在两种材料的界面之间，由于两种不同元素之间共价键的断裂、键位的悬空、杂质导致的面缺陷等造成的电子空穴对的产生与再复合，这就导致了界面态电流的产生；温度的变化，载流子产生、复合速率不再维持动态平衡，在内建电场的驱动下，载流子流动到两电极导致热生电流的产生。

漏电流的存在严重影响微型核电池对低能放射源的灵敏度及器件转换效率，因此需要从结构上加以控制。

发明内容

本发明的目的在于克服目前现有微型核电池存在漏电流而导致的灵敏度及能量转换效率低的不足，提供一种漏电流较小，转换效率更高的新型微型核电池结构，并提供一种易于加工制造的制备方法。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种具有保护环结构的微型核电池，依次包括同位素10、上电极金属层9、保护环接触电极8、钝化层7、保护环6、p+型半导体层5、本征层4、n+型半导体层3、金属黏附层2、下电极金属层1；其中本征层4的掺杂浓度5×10¹⁰～1×10¹⁵cm^-3，厚度为300μm～550μm；p+型半导体层5位于本征层4上部，形状为圆形、方形等任意形状，掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3，厚度大于0.1μm；保护环6位于本征i层4上部p+型半导体层5的外围环形区域，保护环6内环和p+型半导体层5外环间距为30μm～200μm；保护环接触电极8位于保护环6上方，且形状大小与保护环6相同；上电极金属层9为排布于p+型半导体层5上方的环形，且其外边框和p+型半导体层5的外边框一致；钝化层7覆盖本征层4上方除上电极金属9和保护环接触电极8之外的所有区域；同位素10覆盖钝化层7上方；本征层4下方依次为大小形状一致的n⁺型半导体层3、金属黏附层2和下金属电极层1，n⁺型半导体层3的掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²¹cm^-3。

一种具有保护环结构的微型核电池，依次包括同位素10、上电极金属层9、保护环接触电极8、钝化层7、保护环6、p+型SiC层5、n+型SiC层3、金属黏附层2、下电极金属层1。p+型半导体层5位于n+型SiC层3上部，形状任意，掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3，厚度大于0.1μm；保护环6位于p+型SiC层5外围，形成一个将p+型SiC层5包含在内的环状，保护环6材料与p+型SiC层5一致；保护环接触电极8位于保护环6上方，形状大小同保护环6；上电极金属层9为位于p+型SiC层5上方的环状，且其外框形状和p+型SiC层5外框形状大小一致，材料和保护环接触电极8相同；钝化层7覆盖在本征硅层4上方除上电极金属层9和保护环接触电极8之外所有区域；同位素10覆盖在钝化层7上方；n+型SiC层3下方依次为形状大小一致的金属黏附层2和下电极金属层1；n⁺型半导体层3的掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²¹cm^-3。

结合封装特点，作为优选方案，上述两种具有保护环结构的微型核电池，所述的钝化层7、p+半导体层5、本征层4以及金属黏附层2、下电极金属层1的形状均为力形；上电极金属层9、保护环接触电极8、保护环6形状为方形环状；

作为优选方案，上述的两种具有保护环结构的微型核电池上电极金属层9和保护环接触电极8是电阻率较低的Au、Ag或者IC工艺中常用金属Al；金属黏附层2的材料是同基底材料黏附性较好的Ti或Ni，下电极金属层1介质为Au或Al。

上述的两种具有保护环结构的微型核电池钝化层7介质为氮化硅或者二氧化硅。

该带有保护环结构的微型核电池的制作方法包括以下步骤：

1)选用掺杂浓度为1×10¹⁰～1×10¹⁷cm^-3的半导体材料作为衬底，做常规清洗；

2)生长二氧化硅层作为离子注入的阻挡层，厚度在20nm～200nm；

在做离子注入后，由于杂质粒子在硅中的分布规律近似为高斯分布，为了使注入得到的峰值浓度在硅片的表面呈现，也同时减小了表面污染及注入时产生的晶格损伤，根据注入能量的不同，在表面生长一定厚度的二氧化硅层做阻挡层。

3)正面图形化，形成p+区及保护环图案；正面注入硼离子，在没有光刻胶覆盖的区域下方形成B+掺杂区；离子注入的能量应控制在50到200keV，注入剂量优选在1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2；后做高温快速热退火，使注入离子重新分布，降低晶格损伤；快速热退火温度优先选择在900℃到1100℃，退火时间在50s至200s；对于PIN结，背面还需注入磷离子，整个区域形成n+区；离子注入能量优选在60到90keV，注入剂量优选在5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-2；同样做高温快速热退火，温度优选在900℃到1100℃，退火时间持续60s到240s；

4)去除二氧化硅层；进行常规清洗去金属离子、氧化物、浮尘等；

5)LPCVD外延二氧化硅层，外延厚度优选在50nm到300nm；

6)正面光刻，产生上电极金属区和保护环图形，用二氧化硅缓冲刻蚀液刻蚀所述两接触区，直至裸露出基片；

7)正面溅射金属Al等，厚度优选为0.6μm到1.2μm；通过光刻和剥离工艺把除上电极金属区域及保护环接触电极区以外的多余金属去掉；

8)背面溅射Ti做黏附金属层2，厚度优选在5nm到50nm；溅射Al做为下电极金属层1，厚度优选在1.0μm到2.0μm；进行快速热退火使其合金化，形成良好欧姆接触，温度优选为350℃到460℃，时间为5分钟到20分钟；

9)选择性电镀同位素放射源。

本发明的有益效果是：提供具有保护环结构的微型核电池，从结构上控制了表面漏电及界面态电流对器件的影响。对于表面漏电，使用保护环6不仅可以使原本流经器件表面的漏电流通过保护环接触电极8流向地，还同时把器件周围畸变电场区与中间受辐照区也就是p+型半导体层5隔开，阻断侧面产生的沟道电流对器件的影响；对于钝化层7和p+型半导体层5之间的界面态电流，保护环6的效果同隔离表面漏电作用一样，使原本流经整个辐照区的界面态电流通过保护环6和保护环接触电极8而流向地；对于自身扩散电流，由于微型核电池工作时不需要外加偏压(仅测试时需要偏压的支持)，从而产生的扩散电流忽略不计；同样在室温工作下的器件，温度变化较小，由此产生的热生电流同样可以忽略。因此，保护环的加入，抑制了表面漏电、界面态电流对辐生电流的影响，间接提高了开路电压，同时增大了器件对低能量放射源的灵敏度，从而改善器件能量转换效率。

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是实施例1中具有保护环结构的微型核电池示意图

图2是实施例1中核电池俯视图

图3是实施例1中核电池制作方法示意图

图4是实施例2中具有保护环结构的微型核电池示意图

图5是实施例2中核电池俯视图

图6是实施例2中核电池制作方法示意图

图7是传统的PN结式核电池

图8是传统的PIN结式核电池

图中，1-下电极金属层    2-金属黏附层        3-n+型半导体层

4-本征层                5-p+型半导体区      6-保护环

7-钝化层                8-保护环接触电极    9-上电极金属层

10-同位素

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明带保护环结构的硅基核电池及其制作方法做进一步说明。

具体实施例1：

参阅图1和图2，本实施例为一个基于硅材料PIN结式带保护环结构的微型核电池，依次包括同位素10、上电极金属层9、保护环接触电极8、钝化层7、保护环6、p+型硅区5、本征硅层4、n+型硅层3、金属黏附层2、下电极金属层1。本征硅层4的电阻率为2000欧姆厘米，厚度为300μm，正方形；本征硅层4上部掺杂浓度为6×10²⁰cm^-3的正方形区域为p+型硅区5，其厚度为1μm；保护环6位于p+型硅区5外围，形成一个将p+型硅区5包含在内的等厚方框，保护环6材料与p+型硅区5一致；保护环接触电极8位于保护环6上方，形状大小和保护环6一致，介质为金属Ag；上电极金属9为位于p+型硅区5上方的方框，且其外框形状和p+型硅区5外框形状大小一致，材料为金属Ag；钝化层7为二氧化硅，厚度为100nm，覆盖在本征硅层4上方除上电极金属层9和保护环接触电极8之外所有区域，且上电极金属层9和保护环接触电极8的厚度高出钝化层7的厚度；同位素10选用¹⁴⁷Pm，覆盖钝化层7上方上电极金属层9形成的方框内部；本征硅层4下方依次为形状大小一致的n+型硅区3、金属黏附层2和下电极金属1，n+型硅区3的掺杂浓度6×10²⁰cm^-3，厚度为0.3μm；金属黏附层2的材料为和硅基底黏附性能较好的金属Ni，厚度在20nm；下电极金属层1位于金属黏附层2下方，材料为Au，厚度为1.3μm。

本电池的工作原理：p⁺型硅层5和本征层4形成PN结，当同位素¹⁴⁷Pm衰变时，放射出的部分β离子穿过PN结，通过电离作用促使在PN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PIN结的两侧的欧姆接触电极引出建立电势。其中保护环接触电极8接地，进一步降低漏电流/暗电流，提高输出开路电压。

参阅图3，本实例中的微型核电池的制作方法包括如下步骤：

1)选用n^-型硅片，(110)晶向，电阻率为2000欧姆厘米，厚度在300μm，备片后进行常规清洗；如图5(a)所示；

2)干氧氧化硅片，温度1050℃，时间10分钟；该步骤之后的结构图如图5(b)所示；

3)光刻出p+区与保护环区，p+型半导体层5为正方形，边长10mm，保护环6宽度为120μm，保护环6内边与p+型半导体层外侧相距80μm；正面做离子注入B+离子，注入剂量为120keV，注入浓度为6×10¹⁵cm^-2，后快速热退火；背面做离子注入P^-离子，注入剂量为90keV，注入剂量为5×10¹⁶cm^-2，后做快速热退火；该步骤之后的结构图如图5(c)所示；

4)湿法刻蚀二氧化硅，之后进行标准清洗工艺；该步骤之后的结构图如图5(d)所示；

5)LPCVD外延二氧化硅做钝化层7，厚度100nm；该工艺步骤之后的结构图如图5(e)所示；

6)正面光刻出保护环接触电极8和上电极金属层9区域，刻蚀二氧化硅直至裸露出硅基；该工艺步骤之后的结构图如图5(f)所示；

7)正面溅射金属Ag，厚度为0.8μm，再剥离掉除上金属电极层9和保护环接触电极8以外多余的金属；该步骤之后的结构图如图5(g)所示；

8)背面依次溅射Ni、Au形成金属黏附层2和下电极金属层1，后进行快速热退火，该工艺步骤之后的结构图如图5(h)所示；

9)正面选择性电镀放射源¹⁴⁷Pm；该工艺步骤之后的结构图如图5(i)所示。

具体实施例2：

参阅图4和图5，本实施例为一个基于SiC材料PN结式带保护环结构的微型核电池，依次包括同位素10、上电极金属层9、保护环接触电极8、钝化层7、保护环6、p+型SiC层5、n+型SiC层3、金属黏附层2、下电极金属层1。其中n+型SiC层3掺杂浓度在6×10¹⁷cm^-3，厚度为500μm，圆形；n+型SiC层3的上部掺杂浓度为6×10¹⁹cm^-3，半径为5.6mm，厚度为0.8μm的圆形区域为p+型SiC层5；保护环6位于p+型SiC层5外围，形成一个将p+型SiC层5包含在内的等厚圆环，圆环内外半径相差100μm，保护环6材料与p+型SiC层5一致；保护环接触电极8位于保护环6上方，形状大小同保护环6，介质为金属Al；上电极金属层9为位于p+型SiC层5上方的圆环，且其外框形状和p+型SiC层5外框形状大小一致，材料和保护环接触电极8相同；钝化层7为二氧化硅，厚度为200nm，覆盖在本征硅层4上方除上电极金属层9和保护环接触电极8之外所有区域，且上电极金属层9和保护环接触电极8的厚度高出钝化层7的厚度；同位素10选用⁶³Ni，覆盖在钝化层7上方上电极金属层9形成的圆环内部；n+型SiC层3下方依次为形状大小一致的金属黏附层2和下电极金属层1；金属黏附层2的材料为和SiC黏附性能较好的金属Ti，厚度在5nm；下电极金属层1位于金属黏附层2下方，材料为Al，厚度为1.2μm。

本电池的工作原理：p⁺型SiC层5和n+型SiC层3形成PN结，当同位素⁶³Ni衰变时，放射出的部分β离子穿过PN结，通过电离作用促使在PN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PN结的两侧的欧姆接触电极引出建立电势。其中保护环接触电极8接地，进一步降低漏电流/暗电流，提高输出开路电压。

参阅图6，本实例中的微型核电池的制作方法包括如下步骤

1)选用n+型SiC片，(100)晶向，掺杂浓度为6×10¹⁷cm^-3，厚度为500μm，备片后进行常规清洗；如图6(a)所示；

2)外延二氧化硅层，厚度在30nm；该步骤之后的结构图如图6(b)所示；

3)光刻出p+SiC层5与保护环6图形区域，p+型SiC层5区域为半径5.6mm圆形，保护环内外径相差100μm，保护环6内径比p+型SiC层5半径大60μm；正面做离子注入B+离子，注入剂量为90keV，浓度为5×10¹⁵cm^-2，后快速热退火；该步骤之后的结构图如图6(c)所示；

4)湿法刻蚀二氧化硅，之后进行标准清洗工艺；该步骤之后的结构图如图6(d)所示；

5)LPCVD外延二氧化硅做钝化层7，厚度200nm；该步骤之后的结构图如图6(e)所示；

6)正面光刻出保护环接触电极8和上电极金属层9区域，刻蚀二氧化硅直至露出SiC材料；该步骤之后的结构图如图6(f)所示；

7)正面溅射金属Al，厚度为1.0μm，再剥离掉除上金属电极层9和保护环接触电极8以外多余的金属；该步骤之后的结构图如图6(g)所示；

8)背面依次溅射Ti、Al形成金属黏附层2和下电极金属层1，后进行快速热退火，该工艺步骤之后的结构图如图6(h)所示；

9)正面选择性电镀放射源⁶³Ni；该工艺步骤之后的结构图如图6(i)所示。

Claims (9)

1.一种具有保护环结构的微型核电池，依次包括同位素(10)、上电极金属层(9)、p+型半导体层(5)、本征层(4)、n+型半导体层(3)、金属黏附层(2)、下电极金属层(1)；本征层(4)下方依次为大小形状一致的n⁺型半导体层(3)、金属黏附层(2)和下金属电极层(1)，n⁺型半导体层(3)的掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²¹cm^-3，其特征在于：还包括保护环接触电极(8)、钝化层(7)、保护环(6)；所述的本征层(4)的掺杂浓度5×10¹⁰～1×10¹⁵cm^-3，厚度为300μm～550μm；p+型半导体层(5)位于本征层(4)上部，形状为圆形、方形等任意形状，掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3，厚度大于0.1μm；保护环(6)位于本征i层(4)上部p+型半导体层(5)的外围环形区域，保护环(6)内环和p+型半导体层(5)外环间距为30μm～200μm；保护环接触电极(8)位于保护环(6)上方，且形状大小与保护环(6)相同；上电极金属层(9)为排布于p+型半导体层(5)上方的环形，且其外边框和p+型半导体层(5)的外边框一致；钝化层(7)覆盖本征层(4)上方除上电极金属(9)和保护环接触电极(8)之外的所有区域；同位素(10)覆盖钝化层(7)上方上电极金属层(9)形成的圆环内部。

2.一种具有保护环结构的微型核电池，依次包括同位素(10)、上电极金属层(9)、p+型SiC层(5)、n+型SiC层(3)、金属黏附层(2)、下电极金属层(1)；n+型SiC层(3)下方依次为形状大小一致的金属黏附层(2)和下电极金属层(1)，其特征在于：还包括保护环接触电极(8)、钝化层(7)、保护环(6)；所述的p+型半导体层(5)位于n+型SiC层(3)上部，形状任意，掺杂浓度在1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3，厚度大于0.1μm；保护环(6)位于p+型SiC层(5)外围，形成一个将p+型SiC层(5)包含在内的环状，保护环(6)材料与p+型SiC层(5)一致；保护环接触电极(8)位于保护环(6)上方，形状大小同保护环(6)；上电极金属层(9)为位于p+型SiC层(5)上方的环状，且其外框形状和p+型SiC层(5)外框形状大小一致，材料和保护环接触电极(8)相同；钝化层(7)覆盖在本征硅层(4)上方除上电极金属层(9)和保护环接触电极(8)之外所有区域；同位素(10)覆盖在钝化层(7)上方。

3.一种如权利要求1或2所述的具有保护环结构的微型核电池，其特征在于：钝化层(7)、p+半导体层(5)、本征层(4)以及金属黏附层(2)、下电极金属层(1)的形状均为方形；上电极金属层(9)、保护环接触电极(8)、保护环(6)形状为方形环状。

4.一种如权利要求1或2所述的具有保护环结构的微型核电池，其特征在于：钝化层(7)、p+半导体层(5)、本征层(4)以及金属黏附层(2)、下电极金属层(1)的形状均为圆形；上电极金属层(9)、保护环接触电极(8)、保护环(6)形状为圆环。

5.一种如权利要求1或2所述的具有保护环结构的微型核电池，其特征在于：上电极金属层(9)和保护环接触电极(8)的材料是Au、Ag或Al。

6.一种如权利要求1或2所述的具有保护环结构的微型核电池，其特征在于：金属黏附层(2)的材料是Ti或Ni。

7.一种如权利要求1或2所述的具有保护环结构的微型核电池，其特征在于：下电极金属层(1)介质为Au或Al。

8.一种如权利要求1或2所述的具有保护环结构的微型核电池，其特征在于：钝化层(7)介质为氮化硅或者二氧化硅。

9.一种如权利要求1所述的具有保护环结构的微型核电池的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)选用掺杂浓度为1×10¹⁰～1×10¹⁷cm^-3的半导体材料作为衬底，做常规清洗；

(2)生长二氧化硅层作为离子注入的阻挡层，厚度在20nm～200nm；

(3)正面图形化，形成p+型半导体层(5)和保护环(6)；正面注入硼离子，在没有光刻胶覆盖的区域下方形成B+掺杂区；离子注入的能量为50到200keV，注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2；后做高温快速热退火，使注入离子重新分布，降低晶格损伤；快速热退火温度为900℃到1200℃，退火时间在50s至240s；对于PIN结，背面还需注入磷离子，整个区域形成n+区；离子注入能量为60到90keV，注入剂量为5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-2；同样做高温快速热退火，温度为900℃到1200℃，退火时间持续60s到300s；

(4)去除二氧化硅层；进行常规清洗去金属离子、氧化物、浮尘；

(5)LPCVD外延二氧化硅层，外延厚度为50nm～300nm；

(6)正面光刻，产生上电极金属区和保护环图形，用二氧化硅缓冲刻蚀液刻蚀所述两接触区，直至裸露出基片；

(7)正面溅射金属等，厚度为0.5μm～1.2μm；通过光刻和剥离工艺把除上电极金属区域及保护环接触电极区以外的多余金属去掉；

(8)背面溅射金属等做黏附金属层(2)，厚度为5nm～50nm；溅射金属等做为下电极金属层(1)，厚度为1.0μm～2.0μm；进行快速热退火，温度为350℃到460℃，时间为5分钟到20分钟；

(9)选择性电镀同位素放射源。

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