CN102254581A - 碳化硅环状电极pin型核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅环状电极PIN型核电池及其制作方法，主要解决现有技术中制作碳化硅PIN结核电池转化效率低的问题。本发明自上而下依次包括放射性同位素源层(1)、SiO₂钝化层(3)、SiO₂致密绝缘层(2)、p型欧姆接触电极(4)、掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的p型SiC外延层(5)、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型SiC外延层(6)、掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的n型SiC衬底(7)和n型欧姆接触电极(8)。该p型欧姆接触电极(4)采用中心为一个圆环，周围是以该中心为圆心的多个圆环结构，环间由多个矩形条相连，环的外围留有多个引脚，同位素源层(1)覆盖在p型欧姆接触电极(4)的表面。本发明具有能量转换效率高的优点，可作为MEMS片上电源、心脏起搏器电源和手机备用电源。

Description

碳化硅环状电极PIN型核电池

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环状电极PIN型核电池，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(β-Particle)粒子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 88，033506(2006)《Demonstration of a 4HSiC 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6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14、n型高掺杂SiC层6、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7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。该肖特基结核电池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“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，andS.Rodgers，T.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.David Roberston and JohnBrockman等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图5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。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。在这种p-i-n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，造成能量损失，降低能量转换效率。 

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种碳化硅环状电极PIN型核电池及其制作方法，以减少辐照产生的载流子在输运过程中被复合，提高能量转换效率。 

为实现上述目的，本发明提供的碳化硅环状电极PIN型核电池，自上而下依次包括放射性同位素源层，SiO₂钝化层，SiO₂致密绝缘层，p型欧姆接触电极，掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3p型高掺杂SiC外延层，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，n型欧姆接触电极，其中p型欧姆接触电极采用同心圆环结构，该环结构的中心是一个半径为R的圆环，周围是m个以该中心为圆心的同心圆环，m≥2，环间由n个宽度为T的矩形条相连，n≥4，放射性同位素源层覆盖在圆环接触电极的表面。 

所述的矩形条的长度 矩形条宽度T为矩形条的长度d的1/10倍，保证整个电池区域内产生的载流子能够全部被收集，其中l为载流子扩散长度，D为载流子扩散系数，τ为载流子从产生到复合所用的时间。 

所述的中心圆环的半径R≤l，圆环宽度M等于连接圆环的矩形条的宽度T。 

所述的圆环电极外围的正方形引脚，其边长a为连接圆环的矩形条的长度d的1/2倍。 

为实现上述目的，本发明提供的碳化硅环状电极PIN型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衬底的样片上外延面上生长掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为3um～5um的低掺杂n型外延层； 

(2)在所述的低掺杂n型外延层上生长掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.2um～0.5um的高掺杂p型外延层； 

(3)用电感耦合等离子体刻蚀法在所述高掺杂p型外延层进行台面刻蚀0.2um～0.6um； 

(4)对刻蚀后的样片进行标准清洗，干氧氧化2小时，退火，形成厚度为10～20nm的致密氧化层； 

(5)在致密氧化层上用LPCVD的方法淀积厚度为0.3～0.5um的SiO₂钝化层； 

(6)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； 

(7)在开窗完的样片正面涂胶，使用圆环形状的光刻版，光刻出电极图形，然后通过磁控溅射淀积Ti/Al/Au合金，再进行剥离，形成p型电极图形； 

(8)在样片背面通过磁控溅射淀积Ni/Cr/Au合金，形成n型接触电极； 

(9)将整个样片在1050℃下氮气气氛中快速热退火3分钟，同时形成p型和n型欧姆接触电极； 

(10)将同位素源层覆盖在圆环p型欧姆接触电极的表面，完成微型核电池的制作。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

本发明由于采用圆环形欧姆接触电极，因而能够将辐照产生的载流子电流全部收集，避免了载流子的复合，提高了核电池的能量转换效率；同时由于p型外延层为0.2～0.5um的薄层，有效降低了外延层对入射粒子的阻挡作用，能有效的提高能量转换效率；此外由于本发明采用n型碳化硅衬底，故价格便宜且外延层的生长工艺成熟，操作简单，易于实现。 

测试结果表明，该电池的开路电压达到了0.95V，填充因子达到了0.64，转化效率为2.4％，比现有核电池的转换效率提高了近1％。 

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图； 

图2是本发明环状电极结构示意图； 

图3是本发明制作方法的主要工艺流程示意图； 

图4是本发明的电性能测试结果图； 

图5是现有的p-i-n结构核电池截面示意图； 

图6是现有的p-n结结构核电池截面示意图； 

图7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，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7；衬底7背面是由厚度分别为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金组成的欧姆接触电极8；衬底7上面是一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为3um～5um的n型低掺杂外延层6；n型低掺杂外延层6的上面是一层掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.2um～0.5um的p型高掺杂外延层5；p型高掺杂外延层5上为圆环形p型欧姆接触电极4，如图2所示，该圆环电极是由厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金组成，该环结构的中心是一个半径为R的圆环，周围是m个以该中心为圆心的同心圆环，m≥2，环间由n个宽度为T的矩形条相连，n≥4，矩形条的长度 

矩形条宽度T为矩形条的长度d的1/10倍，其中l为载流子扩散长度，D为载流子扩散系数，τ为载流子从产生到复合所用的时间，其中心圆环的半径R≤l，圆环宽度M等于连接圆环的矩形条的宽度T，通过矩形条保证整个电池区域内产生的载流子能够全部被收集。圆环p型欧姆接触电极4的外围留有四个引脚，引脚为正方形条，其边长a为连接圆环的矩形条的长度T的1/2倍。放射性同位素源层1覆盖在圆环p型欧姆接触电极4的表面；放射性同位素层1周围是SiO₂致密绝缘层3和SiO₂钝化层2。 

参照图3，本发明的制作方法给出三种实施例： 

实施例1 

第1步，SiC高掺杂n型衬底样片上外延低掺杂n型外延层，如图3a。 

选用掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3高掺杂n型SiC衬底样片7，清洗后，在高掺杂n型SiC衬底样片上外延生长厚度为3μm，氮离子掺杂的n型低掺杂外延层6，其掺杂浓 度为1×10¹⁵cm^-3，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，杂质源为液态氮气。 

第2步：外延生长高掺杂p型外延层，如图3b。 

在所述的低掺杂外延片上外延生长厚度为0.5μm，铝离子掺杂的p型外延层5，其掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，外延温度为1570℃，压力为100mbar，反应气体为硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝。 

第3步：光刻形成台面，如图3c。 

(3.1)将外延层生长好的样片采用RCA清洗标准进行清洗； 

(3.2)样片清洗完后，在掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3的高掺杂p型外延层5上，用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版进行光刻，形成刻蚀所需要的图案； 

(3.3)在刻蚀的图案上用电感耦合等离子体方法刻蚀形成台面，台面刻蚀深度为0.6μm。 

第4步：在进行了台面刻蚀后的样片表面上形成SiO₂致密绝缘层，如图3d。 

在1100±50℃温度下，对在进行台面刻蚀后的样片表面进行两小时的干氧氧化，形成10nm的SiO₂致密绝缘层3。 

第5步：在SiO₂致密绝缘层上再生长SiO₂钝化层，如图3e。 

在温度为600℃，压强为80Pa条件下，通过低压热壁化学气相淀积法在SiO₂致密绝缘层3上淀积一层厚度为0.3μm的SiO₂钝化层2，其反应气体为硅烷和氧气，载气为氮气。 

第6步：在SiO₂钝化层2上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗，如图3f。 

(6.1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶； 

(6.2)在光刻胶上利用光刻版光刻制作阻挡层； 

(6.3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO₂钝化层中开窗，开窗的区域作为核电池的有效区域。 

第7步：在开窗完的样片正面涂胶，使用带环状结构图形的光刻板，光刻出环状图形，通过磁控溅射淀积厚度分别为50nm/100nm/100nmTi/Al/Au合金，通过超声波剥离形成由一个中心圆，4个矩形条和2个与所述中心圆同心的圆环组成的环状p型电极接触图形，如图3g。 

第8步：通过磁控溅射在样片衬底背面淀积Ni/Cr/Au合金，其厚度分别为200nm/50nm/100nm，形成n型接触电极，如图3h。 

第9步：在1100±50℃温度下的氮气气氛中，对整个样片进行快速热退火3分钟，同时形成p型和n型欧姆接触电极。 

第10步：先将同位素源电镀在薄层金属Al上，再将薄层金属覆盖在圆环p型欧姆接触电极4的表面，用作产生能量的同位素源层1，如图3i。 

实施例2 

步骤一：SiC高掺杂n型衬底样片上外延低掺杂n型外延层，如图3a。 

选用高掺杂的n型SiC衬底样片7，其掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，清洗后，高掺杂n型SiC衬底样片在外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体为硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为液态氮气的情况下，外延生长厚度为4μm，氮离子掺杂的n型低掺杂外延层6，其掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3。 

步骤二：外延生长高掺杂p型外延层，如图3b。 

在所述的低掺杂外延层上外延生长掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，厚度为0.3μm，铝离子掺杂的p型外延层5，其外延温度为1570℃，压力为100mbar，反应气体为硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝。 

步骤三：光刻形成台面，如图3c。 

(3.1)采用RCA清洗标准对外延层生长好的样片进行清洗； 

(3.2)样片清洗完后，在掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3的高掺杂p型外延层5上，用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版进行光刻，形成刻蚀所需要的图案； 

(3.3)在刻蚀的图案上用电感耦合等离子体方法刻蚀形成台面，台面刻蚀深度为0.4μm。 

步骤四：在台面刻蚀后的样片表面上形成SiO₂致密绝缘层，如图3d。 

在1100±50℃温度下，对在进行台面刻蚀后的样片表面进行两小时的干氧氧化，形成15nm的SiO₂致密绝缘层3。 

步骤五：在SiO₂致密绝缘层上生长SiO₂钝化层，如图3e。 

采用低压热壁化学气相淀积法在SiO₂致密绝缘层3上淀积一层厚度为0.4μm的SiO₂钝化层2，其工艺条件是：温度为500℃，压强为70Pa，反应气体为硅烷和氧气， 载气为氮气。 

步骤六：在SiO₂钝化层2上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗，如图3f。 

(6.1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶； 

(6.2)在光刻胶上利用光刻版光刻制作阻挡层； 

(6.3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒对SiO₂钝化层进行开窗，将窗口作为核电池的有效区域。 

步骤七：在开窗完的样片正面涂胶，使用带环状结构图形的光刻版，光刻出环状图形，通过磁控溅射淀积厚度分别为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金，再进行超声波剥离，形成由一个中心圆，6个矩形条和10个与所述中心圆同心的圆环组成的p型电极接触图形，如图3g。 

步骤八：通过磁控溅射在样片衬底背面淀积厚度分别为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金，形成n型接触电极，如图3h。 

步骤九：在1100±50℃温度下的氮气气氛中，对整个样片进行快速热退火3分钟，同时形成p型和n型欧姆接触电极。 

步骤十：先将同位素源电镀在薄层金属Al上，再将薄层金属覆盖在圆环p型欧姆接触电极4的表面，用作产生能量的同位素源层1，如图3i。 

实施例3 

第A步，在SiC高掺杂n型衬底样片上外延低掺杂n型外延层，如图3a。 

将选用掺杂浓度为7×10¹⁸cm^-3的n型高掺杂SiC衬底样片7清洗后，外延生长厚度为5μm，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3的n型低掺氮离子外延层6，其外延生长工艺条件是：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，杂质源为液态氮气。 

第B步：外延生长高掺杂p型外延层，如图3b。 

在所述的低掺杂外延层上外延生长铝离子掺杂的厚度为0.2μm的p型外延层5，其掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，外延温度为1570℃，压力为100mbar，反应气体为硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝。 

第C步：光刻形成台面，如图3c。 

(C1)采用RCA清洗标准对外延层生长好的样片进行清洗； 

(C2)样片清洗完后，在掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3的高掺杂p型外延层5上，用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版进行光刻，形成刻蚀所需要的图案； 

(C3)在刻蚀的图案上刻蚀形成台面，所用的方法为用电感耦合等离子体法，台面刻蚀深度为0.35μm。 

第D步：在进行了台面刻蚀后的样片表面上形成SiO₂致密绝缘层，如图3d。 

在1100±50℃温度下，对在进行台面刻蚀后的样片表面进行干氧氧化，氧化时间为两个小时，形成20nm的SiO₂致密绝缘层3。 

第E步：在SiO₂致密绝缘层上再生长SiO₂钝化层，如图3e。 

在温度为500℃，压强为80Pa条件下，通过低压热壁化学气相淀积法在SiO₂致密绝缘层3上淀积一层厚度为0.5μm的SiO₂钝化层2，其反应气体为硅烷和氧气，载气为氮气。 

第F步：在SiO₂钝化层2上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗，如图3f。 

(F1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶； 

(F2)利用光刻版在光刻胶上光刻制作阻挡层； 

(F3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO₂钝化层中开窗，开窗区域作为核电池的有效区域。 

第G步：在开窗完的样片正面涂胶，使用带环状结构图形的光刻版，光刻出环状图形，通过磁控溅射淀积厚度分别为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金，再进行超声波剥离，形成由一个中心圆，10个矩形条和15个与所述中心圆同心的圆环组成的p型电极接触图形，如图3g。 

第H步：通过磁控溅射在样片衬底背面淀积Ni/Cr/Au合金，其厚度分别为200nm/50nm/100nm，形成n型接触电极，如图3h。 

第I步：在1100±50℃温度下的氮气气氛中，对整个样片进行快速热退火3分钟，同时形成p型和n型欧姆接触电极。 

第J步：先将同位素源电镀在薄层金属Cu上，再将薄层金属覆盖在圆环p型欧姆接触电极4的表面，用作产生能量的同位素源层1，如图3i。 

本发明的效果可通过对制作的环状电极PIN核电池器件的测试结果进一步说明。 

测试采用实施例2中的环状电极PIN核电池，测试结果如图4所示。从图4可见， 电池的单管的开路电压为0.95v，短路电流为0.23nA，填充因子为0.64，其转换效率约为2.4％，比现有的PIN核电池的转换效率提高了近1％。 

上述实施例不构成对本发明的任何限制，特别是同心圆环的个数，需根据实际制作的器件的大小来确定。 

Claims (8)

1.一种基于碳化硅的PIN型核电池，自上而下依次包括放射性同位素源层(1)、SiO₂钝化层(3)、SiO₂致密绝缘层(2)、p型欧姆接触电极(4)、掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的p型SiC外延层(5)、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型SiC外延层(6)、掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的n型SiC衬底(7)和n型欧姆接触电极(8)，其特征在于p型欧姆接触电极(4)采用同心圆环结构，该环结构的中心是一个半径为R的圆环，周围是m个以该中心为圆心的同心圆环，m≥2，环间由n个宽度为T的矩形条相连，n≥4，环的外围留有四个引脚，引脚为正方形条，其边长为a，放射性同位素源层(1)覆盖在圆形接触电极的表面。

2.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于矩形条的长度

矩形条宽度T为矩形条的长度d的1/10倍，，保证整个电池区域内产生的载流子能够全部被收集，其中l为载流子扩散长度，D为载流子扩散系数，τ为载流子从产生到复合所用的时间。

3.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于中心圆环的半径R≤l，圆环宽度M与连接圆环的矩形条的宽度T相同。

4.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于圆环外围引脚的边长a为连接圆环的矩形条的长度d的1/2倍。

5.一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衬底的样片上外延面上生长掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为3um～5um的低掺杂n型外延层；

(2)在所述的低掺杂n型外延层上生长掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.2um～0.5um的高掺杂p型外延层；

(3)电感耦合等离子体刻蚀法在所述高掺杂p型外延层进行台面刻蚀0.2um～0.6um；

(4)对刻蚀后的样片进行标准清洗，干氧氧化2小时，退火，形成厚度为10～20nm的致密氧化层；

(5)在致密氧化层上用LPCVD的方法淀积厚度为0.3～0.5um的SiO₂钝化层；

(6)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；

(7)在开窗完的样片正面涂胶，使用圆环形状的光刻版，光刻出电极图形，然后通过磁控溅射淀积Ti/Al/Au合金，再进行剥离，形成p型电极图形；

(8)在样片背面通过磁控溅射淀积Ni/Cr/Au合金，形成n型接触电极；

(9)将整个样片在1050℃下氮气气氛中快速热退火3分钟，同时形成p型和n型欧姆接触电极；

(10)将同位素源层覆盖在圆环p型欧姆接触电极的表面，完成微型核电池的制作。

6.根据权利要求5所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(7)所述的通过磁控溅射淀积Ti/Al/Au合金，其厚度分别为50nm/100nm/100nm。

7.根据权利要求5所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(8)所述的通过磁控溅射淀积Ni/Cr/Au合金，其厚度分别为200nm/50nm/100nm。

8.根据权利要求5所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(10)所述的将同位素源层覆盖在圆环p型欧姆接触电极的表面，是先将同位素源电镀在薄层金属上，再将薄层金属覆盖在圆环p型欧姆接触电极的表面。

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