CN101923906B - 碳化硅栅状肖特基接触式核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池及其制作方法，主要解决现有技术中碳化硅pn结核电池制作工艺困难及肖特基结核电池效率低的问题。本发明自上而下依次包括键合层(1)、放射性同位素源层(3)、栅状半透明肖特基接触层(2)、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型SiC外延层(5)、掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的n型SiC衬底(6)和欧姆接触电极(7)，放射性同位素源层的周围是SiO₂钝化层(4)。该肖特基接触层(2)由一条水平栅条和多条垂直栅条组成，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，放射性同位素源层位于垂直栅条以及垂直栅条之间的外延层(5)上。本发明具有能量损失小，能量转换效率高的优点，可作为MEMS的片上电源、心脏起搏器的电源和手机备用电源。

Description

碳化硅栅状肖特基接触式核电池

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及一种基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池，可用于将同位素放射的核能直接转换为电能。 

技术背景

1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的贝他粒子(β-Particle)能在半导体内产生电子空穴对，此现象则被称为β-Voltaic Effect。之后不久，Elgin-Kidde在1957年首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功实验制造出第一个同位素微电池(β-Voltaic Battery)。从1989年以来，GaN，GaP，AlGaAs，多晶硅等材料相继被利用作为β-Voltaic电池的材料。随着宽禁带半导体材料SiC的制备和工艺技术的进步，2006年开始，国际上相继出现了SiC基同位素电池的相关报道。 

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，064101(2006)《Demonstration of a tadiation resistant，hight 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 Roberston and John Brockman等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图7所示，该p-i-n结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、p型欧姆接触层12、p型高掺杂SiC层9、p型SiC层11、本征i层10、n高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。 

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，033506(2006)《Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell》”介绍了由美国纽约Cornell大学的M.V.S.Chandrashekhar，C.I.Tomas，Hui Li，M.G.Spencer and Amit Lal等人提出了碳化硅pn结式核电池，如图8所示，该pn结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、欧姆接触电极7、n型高掺杂SiC层14、p型低掺杂SiC层8、p型高掺杂SiC层9和p型欧姆接触层12。 

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，如图9所示，该肖特基结式核电池自上而下依次包括键合层1、肖特基金 属层13、SiO₂钝化层4、n型低掺杂SiC外延层5、n型高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。 

但是，SiC材料的工艺加工比较困难。在制备SiC PN结时，一般是采用同质外延生长低掺杂的n型层，之后再用同质外延或粒子注入技术在表面制备一层高掺杂的p型层，这种碳化硅PN结和PIN结核电池在工艺和结构上都存在一定的缺陷。采用同质外延制备P型层往往掺杂浓度不高，内建电势相应较低，且会给p型欧姆接触的制备带来困难；采用离子注入方法形成p型层工艺比较复杂，而且对注入杂质的高温激活过程会造成表面损伤，增强表面复合效应，加大器件的漏电流，影响电池特性。在结构上只有耗尽区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。这种PN结结构中，为了防止欧姆接触电极阻挡入射粒子，必须将欧姆电极过载器件的一个角落，但这样会使离欧姆电极远的辐照生载流子在输运过程中被复合，而且入射粒子必须穿过表面的SiO₂钝化层和部分P型层，造成能量损失，降低能量转换效率。 

中国专利CN 101325093A公开的核电池采用肖特基结结构，避免了上述PN结工艺实现难的问题，但是该肖特基结核电池肖特基接触层覆盖整个电池区域，如图9所示，由于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。 

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池及其制作方法，以减小入射粒子能量损失，提高能量转换效率。 

为实现上述目的,本发明提供的栅状肖特基接触式微型核电池，自上而下依次包括键合层、放射性同位素源层、肖特基接触层、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型低掺杂SiC外延层、掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的n型高掺杂SiC衬底和欧姆接触电极，放射性同位素源层的周围是SiO₂钝化层，其中，肖特基接触层为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m≥3，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，将每条垂直栅条分为上下两部分，放射性同位素源层覆盖在上下两部分垂直栅条及它们之间的低掺杂SiC外延层上，键合层位于栅状肖特基接触层的水平栅条上。 

所述的栅状肖特基接触层半透明，厚度小于等于20nm。 

所述的垂直栅条间距： 

保证耗尽区能覆盖整个电池区域，其中，W为肖特基结耗尽区宽度，ε为碳化硅介电常数，e为电子电量，V_bi为内建电势差，N_d为低掺杂外延层掺杂浓度。 

所述的水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2≤a≤30；水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，1≤b≤10。 

为实现上述目的，本发明提供的栅状肖特基结式微型核电池的制作方法，包括如下步骤： 

(1)在掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的SiC高掺杂n型SiC衬底的外延面上生长掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3低掺杂n型外延层； 

(2)对所述的外延层进行干氧氧化，形成SiO₂钝化层； 

(3)用反应离子刻蚀法在衬底的背面刻蚀SiC层，电子束蒸发Ni/Cr/Au金属层，在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火形成欧姆接触； 

(4)在SiO₂钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒开窗； 

(5)在衬底正面涂胶，使用带栅状结构图形的光刻板，光刻出栅状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Ni或Pt或Au，通过超声波剥离形成由一条水平栅条和至少3条垂直栅条组成的栅状肖特基接触层； 

(6)在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平栅条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层； 

(7)在肖特基接触层的每条垂直栅条的上下两部分及它们之间的外延层上，镀上放射性同位素源Ni-63层。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

1)本发明由于采用碳化硅基肖特基结结构，而不是p-n结或p-i-n结构，工艺简单，易于实现。 

2)本发明由于采用半透明高势垒的肖特基金属层，不仅提高了核电池开路电压，而且有效的减少了金属层对低能入射粒子的阻挡，使核电池的能量转换效率明显提 高。 

3)本发明由于采用栅状肖特基接触而非全覆盖式肖特基接触，使很大一部分入射粒子可以不穿过肖特基金属层，而是直接进入耗尽区，进一步提高了核电池的能量转换效率。 

附图说明

图1是与本发明的立体结构示意图； 

图2是本发明的俯视示结构意图； 

图3是图2在A-A截面的剖面结构示意图； 

图4是图2在A-B截面的剖面结构示意图； 

图5是本发明的栅状肖特基接触层结构示意图； 

图6是本发明制作方法的主要工艺流程示意图； 

图7是现有的p-i-n结构核电池截面示意图； 

图8是现有的p-n结结构核电池截面示意图； 

图9是现有的肖特基结结构核电池截面示意图。 

具体实施方式

参照图1，图2和图3，本发明的核电池采用掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的SiC高掺杂n型SiC衬底6；衬底上面是一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型低掺杂外延层5；衬底6背面是由厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au组成的欧姆接触电极7；n型低掺杂外延层5上为栅状肖特基接触层2，如图5所示，该栅状肖特基接触层厚度小于等于20nm，由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m≥3，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，将每条垂直栅条分为上下两部分，水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2≤a≤30，水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，1≤b≤10，垂直栅条间距： 

其中，W为肖特基结耗尽区宽度，ε为碳化硅介电常数，e为电子电量，V_bi为内建电势差，N_d为低掺杂外延层掺杂浓度；上下两部分垂直栅条及它们之间的低掺杂SiC外延层上为放射性同位素源层3；水平栅条上面是由Cr/Au组成的键合层1，如图4所示；放射性同位素层3周围是 SiO₂钝化层4。 

参照图6，本发明的制作方法通过下面实施例说明。 

实施例1 

第1步，SiC高掺杂n型衬底上外延低掺杂n型外延层，如图6a。 

选用掺杂浓度为7×10¹⁸cm^-3的SiC高掺杂n型SiC基片作衬底6，清洗后，用低压热壁化学汽相淀积法在外延面上生长厚度约为3μm掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3的4H-SiC低掺杂外延层5，其外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气。 

第2步，在外延层上形成SiO₂钝化层，如图6b。 

在1100±50℃温度下，对外延后的衬底样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层。 

第3步，在衬底背面形成欧姆接触，如图6c。 

(3.1)用反应离子刻蚀法在衬底6的背面刻蚀厚度为0.5μm的SiC层； 

(3.2)在刻蚀后的衬底6背面用电子束蒸发厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au； 

(3.3)在1100±50℃温度下，氮气气氛中对样品退火2分钟形成欧姆接触电极7。 

第4步，在SiO₂钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗，如图6d。 

(4.1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶； 

(4.2)光刻制作阻挡层； 

(4.3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO₂钝化层4中刻蚀出电池的有效区域。 

第5步，在衬底正面涂胶，使用带栅状结构图形的光刻板，光刻出栅状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Ni，通过超声波剥离形成由一条水平栅条和3条垂直栅条组成的栅状肖特基接触层，如图6e。 

第6步，在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平栅条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层，如图6f。 

第7步，在肖特基接触层的每条垂直栅条的上下两部分及它们之间的低掺杂SiC 外延层上，电镀放射性同位素源Ni-63层，如图6g。 

实施例2 

第一步，SiC高掺杂n型衬底上外延低掺杂n型外延层。 

选用掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的SiC高掺杂n型SiC基片作衬底6，清洗后，用低压热壁化学汽相淀积法在外延面上生长厚度约为3μm掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3的4H-SiC低掺杂外延层5，其外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气。 

第二步，在外延层上形成SiO₂钝化层。 

在1100±50℃温度下，对外延后的衬底样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层。 

第三步，在衬底背面形成欧姆接触。 

(3.1)用反应离子刻蚀法在衬底6的背面刻蚀厚度为0.5μm的SiC层； 

(3.2)在刻蚀后的衬底6背面用电子束蒸发厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au； 

(3.3)在1100±50℃温度下，氮气气氛中对样品退火2分钟形成欧姆接触电极7。 

第四步，在SiO₂钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。 

(4.1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶； 

(4.2)光刻制作阻挡层； 

(4.3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO₂钝化层4中刻蚀出电池的有效区域。 

第五步，在衬底正面涂胶，使用带栅状结构图形的光刻板，光刻出栅状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Pt，通过超声波剥离形成由一条水平栅条和30条垂直栅条组成的栅状肖特基接触层。 

第六步，在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平栅条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层。 

第七步，在肖特基接触层的每条垂直栅条的上下两部分及它们之间的低掺杂SiC外延层上，化学镀放射性同位素源Ni-63层。 

实施例3 

第A步，SiC高掺杂n型衬底上外延低掺杂n型外延层。 

选用掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的SiC高掺杂n型SiC基片作衬底6，清洗后，用低压热壁化学汽相淀积法在外延面上生长厚度约为3μm掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3的4H-SiC低掺杂外延层5，其外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气。 

第B步，在外延层上形成SiO₂钝化层。 

在1100±50℃温度下，对外延后的样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层。 

第C步，在衬底背面形成欧姆接触。 

(C1)用反应离子刻蚀法在衬底6的背面刻蚀厚度为0.5μm的SiC层； 

(C2)在刻蚀后的衬底6背面用电子束蒸发厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au； 

(C3)在1100±50℃温度下，氮气气氛中对样品退火2分钟形成欧姆接触电极7。 

第D步，在SiO₂钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。 

(D1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶； 

(D2)光刻制作阻挡层； 

(D3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO₂钝化层4中刻蚀出电池的有效区域。 

第E步，在衬底正面涂胶，使用带栅状结构图形的光刻板，光刻出栅状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Cu，通过超声波剥离形成由一条水平栅条和80条垂直栅条组成的栅状肖特基接触层。 

第F步，在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平栅条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层。 

第G步，在肖特基接触层的每条垂直栅条的上下两部分及它们之间的低掺杂SiC外延层上，分子镀放射性同位素源Ni-63层。 

上述实施例不构成对本发明的任何限制，特别是栅状肖特基层中的垂直栅条个数，需根据实际应用所要求的输出功率来确定。 

Claims (8)

1.一种基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池，自上而下依次包括键合层(1)、放射性同位素源层(3)、肖特基接触层(2)、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型低掺杂SiC外延层(5)、掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的n型高掺杂SiC衬底(6)和欧姆接触电极(7)，放射性同位素源层的周围是SiO₂钝化层(4)，其特征在于，肖特基接触层(2)为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m≥3，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，将每条垂直栅条分为上下两部分，放射性同位素源层(3)覆盖在上下两部分垂直栅条及它们之间的低掺杂SiC外延层上，键合层(1)位于栅状肖特基接触层的水平栅条上。

2.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于所述的垂直栅条间距：

保证耗尽区能覆盖整个电池区域，其中，W为肖特基结耗尽区宽度，ε为碳化硅介电常数，e为电子电量，V_bi为内建电势差，N_d为低掺杂外延层掺杂浓度。

3.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于所述的水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2≤a≤30；水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，1≤b≤10。

4.一种制作微型核电池的方法，包括如下步骤：

(1)在掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的SiC高掺杂n型SiC衬底的外延面上生长掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3低掺杂n型外延层；外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气；

(2)在1100±50℃温度下，对外延后的衬底样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层；

(3)用反应离子刻蚀法在衬底的背面刻蚀SiC层，电子束蒸发Ni/Cr/Au金属层，在1100±50℃温度下，氮气气氛中退火形成欧姆接触；

(4)在SiO₂钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒开窗；

(5)在衬底正面涂胶，使用带栅状结构图形的光刻板，光刻出栅状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Ni或Pt或Au，通过超声波剥离形成由一条水平栅条和至少3条垂直栅条组成的栅状肖特基接触层；

(6)在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平栅条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层；

(7)在肖特基接触层的每条垂直栅条的上下两部分及它们之间的外延层上，镀上放射性同位素源Ni-63层。

5.根据权利要求4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(3)所述的用反应离子刻蚀法在衬底的背面刻蚀SiC层，是将衬底背面的SiC刻蚀掉0.5μm。

6.根据权利要求4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(3)所述的电子束蒸发Ni/Cr/Au，其厚度分别为200nm/50nm/200nm。

7.根据权利要求4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(5)所述的半透明高势垒肖特基金属层的厚度小于等于20nm。

8.根据权利要求4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(7)所述的在外延层上镀上放射性同位素源Ni-63层，是通过电镀或化学镀或分子镀。

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