CN102024879B - 一种降低砷化镓同位素电池暗电流的方法 - Google Patents

一种降低砷化镓同位素电池暗电流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种降低砷化镓同位素电池暗电流的方法，属于微机电系统中的能源领域。本发明的方法首先在砷化镓同位素微电池上刻蚀隔离槽作为电池耗尽区，采用PECVD技术对隔离槽蒸渡SiO2钝化层，电池边缘钝化层要能覆盖电池耗尽区；然后加工同位素微电池导电电极，采用PECVD技术在电池表层蒸渡SiO2钝化层；最后在砷化镓同位素微电池隔离槽中心位置进行刻蚀辅助电极槽，加工辅助电极。本发明的方法操作简单，成本低，工艺稳定，通过半导体的钝化，以及利用辅助电极结构形成肖特基势垒，有效降低砷化镓同位素微电池的暗电流，进而增大开路电压，提高输出效率。本发明的方法也适用于具有类似钝化思路的其它同位素电池。

Description

一种降低砷化镓同位素电池暗电流的方法
技术领域
本发明为一种降低砷化镓同位素电池暗电流的方法，属于微机电系统中的能源领域。
背景技术
近年来，人们对微小型机电系统的研究异常活跃。微能源是微系统发展中的一个瓶颈问题，研究高效、长寿命的微能源是微系统发展中一直追求的目标。世界各国都相继开展了微能源的研究工作，制作出许多微能源。如微型燃料电池、微型内燃机系统、微型太阳能电池、微型同位素电池等。Beta伏特效应同位素微电池则显示出其特有的优势，如体积小(微米量级)、寿命长(可达十几甚至几十年)、稳定性好，能量密度高等优点，成为微能源系统研究的一个新方向。
为了保证同位素电池的超长寿命，beta伏特效应电池的放射性同位素源的选择有一定的限制，其辐射的beta粒子的最大能量应小于可以在该电池半导体材料中产生晶格缺陷的最小能量(几百kev)。此外基于安全性的考虑(放射源辐射的beta射线要易于封装、对人无害)放射源的辐射粒子能量也不应该太高。又因为该同位素微电池体积较小为毫米、甚至微米量级，所以beta伏特效应同位素电池的输出功率一般不高，在纳瓦至微瓦量级。这种微小输出的性质使得电池对暗电流提出了很高的要求。即电池的暗电流必须要足够低，使得电池在较小电流的输出小也能获得较高的输出电压。于是这就对电池的表面钝化方式提出了严格的要求。
研究工作者往往以降低钝化层与半导体材料的表面态，从而降低电池边缘复合而降低电池的暗电流为思路，这种方法在一定程度上能够降低电池的暗电流，但是该种方法工艺复杂，成本较高，并且性能不稳定。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统降低电池的暗电流的方法存在加工工艺复杂、成本高、且性能不稳定等问题，而提出一种降低砷化镓同位素电池暗电流的方法，该方法是通过一种辅助电极结构和相应的表面钝化方式来实现的。
本发明的一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，其具体步骤如下：
1)按要求在砷化镓同位素微电池上刻蚀隔离槽，采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)技术对隔离槽蒸镀SiO2钝化层，隔离槽内的钝化层要能覆盖电池耗尽区；
2)对第1)步所得到的砷化镓同位素微电池表面加工导电电极，采用PECVD技术在电池表层蒸镀SiO2钝化层，厚度为50～100nm；
3)在第2)步所得到的砷化镓同位素微电池隔离槽中心位置进行刻蚀辅助电极槽，然后加工辅助电极，形成肖特基势垒；电池辅助电极的材料为功函数大于4eV的金属。
本发明方法适用的砷化镓同位素微电池优选为P+PN型GaAs同位素微电池。
有益效果
本发明的方法操作简单，成本低，工艺稳定，该方法利用界面态与半导体间形成的耗尽层作为隔离带，隔离由于界面态存在导致的高复合率的边缘结，从而降低电池的暗电流。同时，利用一种辅助电极结构形成肖特基势垒，进一步降低砷化镓同位素微电池的暗电流，进而增大该同位素电池的开路电压，使同位素电池输出的效果较佳。本发明的方法也适用于具有类似钝化思路的其它同位素电池。
附图说明
图1为本发明提出的表面钝化方式和相应的同位素电池结构示意图：
其中，1-GaAs电池P+层；2-GaAs电池P层；3-GaAs电池N层；4-N型GaAs衬底；5-电池电极；6-辅助电极；7-SiO2钝化层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明
实施例
本发明的一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，是通过一种辅助电极结构和相应的表面钝化方式来实现的，其处理后的电池结构如图1所示，以P+PN型GaAs同位素微电池为例，表面采用SiO2钝化，其具体工艺步骤如下：
1)、将清洁的GaAs衬底装入分子束外延进样室，经200℃烘烤4小时后，送入缓冲室待生长；
2)、生长前，将GaAs衬底加热到600℃，去除表面氧化层(通过高能电子衍射图案可以判断氧化层的去除)；
3)、在N型GaAs衬底上采用MBE(分子束外延生长)技术依次生长GaAs电池N层3，GaAs电池P层2，GaAs电池P+层1；生长温度为580℃，生长速率为1um/h，V/III族束流比为15～20/1；
其中，GaAs电池P+层1的厚度为0.05μm，Mg的掺杂浓度为2×1018cm-3；GaAs电池P层2的厚度为2μm，Mg的掺杂浓度为2×1015cm-3；GaAs电池N层3的厚度为0.05μm，Si的掺杂浓度为2×1018cm-3；
4)在第3)步得到的P+PN型GaAs同位素微电池上刻蚀隔离槽，深度为2.3μm，厚度为0.5μm；然后采用PECVD技术对隔离槽蒸镀SiO2钝化层，电池边缘钝化层要能覆盖电池耗尽区，钝化温度为300℃；
5)对第4)步所得到的同位素电池加工导电电极5，电极结构为Ti/Al/Ti/Au；然后在电池表层蒸镀厚度为50nm的SiO2钝化层；
6)对第5)步所得到的同位素电池隔离槽中心位置进行刻蚀宽度为0.2μm、深度为1.5μm的辅助电极槽，然后加工辅助电极，材料为Au。

Claims (5)

1.一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，其特征在于具体步骤如下：
1)按要求在砷化镓同位素微电池上刻蚀隔离槽，采用PECVD技术对隔离槽蒸镀SiO2钝化层，隔离槽内的钝化层要能覆盖电池耗尽区；
2)对第1)步所得到的砷化镓同位素微电池表面加工导电电极，采用PECVD技术在电池表层蒸镀SiO2钝化层；
3)在第2)步所得到的砷化镓同位素微电池隔离槽中心位置进行刻蚀辅助电极槽，然后加工辅助电极，形成肖特基势垒；
其中，电池辅助电极的材料为功函数大于4eV的金属。
2.如权利要求1所述的一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，其特征在于：电池表层蒸镀SiO2钝化层的厚度为50～100nm。
3.如权利要求1所述的一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，其特征在于：电池辅助电极的材料优选为Au、Ti、Pt。
4.如权利要求1所述的一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，其特征在于：导电电极的结构为Ti/Al/Ti/Au。
5.如权利要求1所述的一种降低砷化镓同位素微电池的暗电流的方法，其特征在于：适用的砷化镓同位素微电池优选为P+PN型GaAs同位素微电池。
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