CN103646677A - 一种包括铌掺杂的n型SiC外延层的PIN型同位素核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括铌掺杂的n型SiC外延层的PIN型同位素核电池，其包括放射性同位素源层1、SiO₂钝化层2、SiO₂致密绝缘层3、p型欧姆接触电极4、p型SiC外延层5、n型SiC外延层6、n型SiC衬底7和n型欧姆接触电极8，其中n型SiC外延层6是通过注入能量为2000KeV～2500KeV，剂量为5×10¹³～1×10¹⁵cm^-2的铌离子形成掺杂浓度为1×10¹³～5×10¹⁴cm^-3。其减少本征层的载流子浓度，增大耗尽区宽度，提高产生的电子空穴对的收集率，进而提高器件的开路电压和能量转换效率。

Description

一种包括铌掺杂的n型SiC外延层的PIN型同位素核电池

技术领域

本发明涉及核科学技术与微电子技术的交叉领域，尤其涉及一种PIN型同位素核电池。

技术背景

1953年，人们发现利用同位素衰变所产生的β粒子能在半导体内产生电子空穴对，此现象则被称为β电压效应。1957年，人们首先将β电压效应用在电源供应方面，成功实验制造出第一个同位素微电池。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，国内外上相继出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。

2006年，美国纽约Cornell大学的Chandrashekhar等人提出了一种碳化硅PIN结式同位素核电池，其自上而下依次包括放射性同位素源、p型欧姆接触层、p型高掺杂SiC层、p型低掺杂SiC层、本征层、n型高掺杂SiC衬底、欧姆接触电极。在这种结构中，衬底为n型高掺杂衬底，在上面生长外延层的工艺不成熟，易引入表面缺陷，器件漏电流增大，能量转换率较低，同时p型低掺杂SiC层是通过非故意掺杂外延生长形成的，掺杂浓度偏高，得到的耗尽区宽度偏小，产生的载流子不能被全部收集，器件开路电压变小，能量转换效率降低。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种包括铌掺杂的n型SiC外延层的PIN型同位素核电池及其制作方法，以减少本征层的载流子浓度，增大耗尽区宽度，提高产生的电子空穴对的收集率，进而提高器件的开路电压和能量转换效率。

为实现上述目的，本发明公开了一种包括铌掺杂n型外延层的PIN型同位素核电池，依次包括放射性同位素源层1、SiO₂钝化层2、SiO₂致密绝缘层3、p型欧姆接触电极4、p型SiC外延层5、n型SiC外延层6、n型SiC衬底7和n型欧姆接触电极8，其中，n型SiC外延层6是通过注入能量为2000KeV～2500KeV，剂量为5×10¹³～1×10¹⁵cm^-2的铌离子形成掺杂浓度为1×10¹³～5×10¹⁴cm^-3。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明制作的PIN核电池，由于n型外延层是采用掺氮外延生长，然后对外延层再进行铌离子注入对外延层能级上的自由载流子进行补偿，故n型外延层的载流子掺杂浓度极低，增大耗尽区宽度，提高了产生电子空穴对的收集率，进而提高器件的开路电压和能量转换效率；同时由于p型外延层为0.2um～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。

附图说明

图1为本发明的PIN型同位素核电池的剖面结构示意图；

具体实施方式

参照图1，本发明的核电池包括放射性同位素源层1，SiO₂钝化层2，SiO₂致密绝缘层3，p型欧姆接触电极4，p型SiC外延层5，n型SiC外延层6，n型SiC衬底7和n型欧姆接触电极8，其中n型SiC衬底7的掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3，它的背面是由厚度分别为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金组成的n型欧姆接触电极8，正面是厚度为3um～5um，掺杂浓度为1×10¹³～5×10¹⁴cm^-3的n型SiC外延层6，该n型SiC外延层6通过铌离子注入形成，n型SiC外延层6的左右上方是厚度为10nm～20nm的SiO₂致密绝缘层3，SiO₂致密绝缘层3上面是厚度为0.3um～0.5um的SiO₂钝化层2，n型SiC外延层6的正上方为掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.2um～0.5um的高掺杂p型SiC外延层5，高掺杂p型SiC外延层5上面左半边是由厚度分别为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金组成的p型欧姆接触电极4，右半边是放射性同位素源层1。

本发明的PIN型同位素核电池的制作方法的优选实施例如下。

实施例1

步骤1：在SiC高掺杂n型衬底样片上外延n型外延层。

选用掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3高掺杂n型SiC衬底7，清洗后，在高掺杂n型SiC衬底上外延生长厚度为4um，氮离子掺杂的初始n型外延层，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。

步骤2：对掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3初始n型SiC外延层进行铌离子注入。

(2.1)对掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3的初始n型SiC外延层进行铌离子注入，其铌离子注入条件为：离子注入的能量为2200KeV，注入剂量为5×10¹³cm^-2；

(2.2)对离子注入后的n型SiC外延层进行高温热退火，使注入离子重新分布，降低晶格损伤，进而得到掺杂浓度为1×10¹³cm^-3的低掺杂n型SiC外延层6，其高温热退火的条件为：退火温度为1450℃，退火时间为30分钟。

步骤3：外延生长高掺杂p型外延层。

在所述的低掺杂n型SiC外延层上外延生长厚度为0.5um，铝离子掺杂的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。

步骤4：光刻形成台面。

(4.1)将p型外延层5生长好的样片采用RCA清洗标准进行清洗；

(4.2)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；

(4.3)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0.6um。

步骤5：在进行了台面刻蚀后的样片表面上形成SiO₂致密绝缘层。

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。

步骤6：在SiO₂致密绝缘层上再生长SiO₂钝化层。

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0.5um的SiO₂钝化层2，其反应气体为硅烷和氧气，载气为氮气。

步骤7：在SiO₂钝化层2上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。

(7.1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶；

(7.2)在光刻胶上利用光刻版光刻制作阻挡层；

(7.3)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。

步骤8：在开窗完的样片正面涂胶，使用带p型电极的光刻板，光刻出电极图形，通过磁控溅射淀积厚度分别为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金，通过超声波剥离形成p型电极接触图形，同时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。

步骤9：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10：在高掺杂p型外延层上选择性的电镀上同位素源。

实施例2

步骤一：在SiC高掺杂n型衬底样片上外延n型外延层。

选用掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3高掺杂n型SiC衬底7，清洗后，在高掺杂n型SiC衬底上外延生长厚度为3um，氮离子掺杂的初始n型外延层，其掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-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。

步骤二：对掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3初始n型SiC外延层进行铌离子注入。

(2.1)对掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3的初始n型SiC外延层进行铌离子注入，其铌离子注入条件为：离子注入的能量为2000KeV，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2；

(2.2)对离子注入后的n型SiC外延层进行高温热退火，使注入离子重新分布，降低晶格损伤，进而得到掺杂浓度为5×10¹⁴cm^-3的低掺杂n型SiC外延层6，其高温热退火的条件为：退火温度为1550℃，退火时间为40分钟。

步骤三：外延生长高掺杂p型外延层。

在所述的低掺杂外延层上外延生长厚度为0.4um，铝离子掺杂的p型外延层5，其掺杂浓度为1×10¹⁹em^-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。

步骤四：光刻形成台面。

(4.1)将p型外延层5生长好的样片采用RCA清洗标准进行清洗；

(4.2)样片清洗完后，在掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-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；

(4.3)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0.6um。

步骤五：在进行了台面刻蚀后的样片表面上形成SiO₂致密绝缘层。

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20nm的SiO₂致密绝缘层3。

步骤六：在SiO₂致密绝缘层上再生长SiO₂钝化层。

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0.4um的SiO₂钝化层2，其反应气体为硅烷和氧气，载气为氮气。

步骤七：在SiO₂钝化层2上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。

(7.1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶；

(7.2)在光刻胶上利用光刻版光刻制作阻挡层；

(7.3)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。

步骤八：在开窗完的样片正面涂胶，使用带p型电极的光刻板，光刻出电极图形，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p型电极接触图形，同时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。

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：在高掺杂p型外延层上选择性的分子镀上同位素源。

实施例3

步骤A：在SiC高掺杂n型衬底样片上外延n型外延层。

选用掺杂浓度为7×10¹⁸cm^-3高掺杂n型SiC衬底7，清洗后，在高掺杂n型SiC衬底上外延生长厚度为5um，氮离子掺杂的初始n型外延层，其掺杂浓度为2×10¹⁵cm^-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。

步骤B：对掺杂浓度为2×10¹⁵cm^-3初始n型SiC外延层进行铌离子注入。

(B1)对掺杂浓度为2×10¹⁵cm^-3的初始n型SiC外延层进行铌离子注入，其铌离子注入条件为：离子注入的能量为2500KeV，注入剂量为1×10¹⁴cm^-2；

(B2)对离子注入后的n型SiC外延层进行高温热退火，使注入离子重新分布，降低晶格损伤，进而得到掺杂浓度为5×10¹³cm^-3的低掺杂n型SiC外延层6，其高温热退火的条件为：退火温度为1650℃，退火时间为20分钟。

步骤C：外延生长高掺杂p型外延层。

在所述的低掺杂外延层上外延生长厚度为0.2um，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。

步骤D：光刻形成台面。

(D1)将p型外延层5生长好的样片采用RCA清洗标准进行清洗；

(D2)样片清洗完后，在掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-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；

(D3)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0.5um。

步骤E：在进行了台面刻蚀后的样片表面上形成SiO₂致密绝缘层。

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F：在SiO₂致密绝缘层上再生长SiO₂钝化层。

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0.3um的SiO₂钝化层2，其反应气体为硅烷和氧气，载气为氮气。

步骤G：在SiO₂钝化层2上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。

(G1)在SiO₂钝化层上旋涂光刻胶；

(G2)在光刻胶上利用光刻版光刻制作阻挡层；

(G3)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。

步骤H：在开窗完的样片正面涂胶，使用带p型电极的光刻板，光刻出电极图形，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p型电极接触图形，同时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。

步骤I：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J：在高掺杂p型外延层上选择性的化学镀上同位素源。

从以上对本发明的描述可明显得知，本发明可以以许多形态来进行变化，特别是铌离子注入的能量和剂量，需根据实际需要的载流子浓度来确定。而这些变化将不能被认为超过了本发明的技术思想和范围。并且，对于本领域技术人员而言，这些显而易见的变型方式都包括在本发明权利要求书的范围之内。

Claims (5)

1.一种PIN型同位素核电池，自上而下依次包括放射性同位素源层(1)、SiO₂钝化层(2)、SiO₂致密绝缘层(3)、p型欧姆接触电极(4)、p型SiC外延层(5)、n型SiC外延层(6)、n型SiC衬底(7)和n型欧姆接触电极(8)，其特征在于：n型SiC外延层(6)的掺杂浓度为1×10¹³～5×10¹⁴cm^-3，且通过注入能量为2000KeV～2500KeV，剂量为5×10¹³～1×10¹⁵cm^-2的铌离子形成。

2.根据权利要求1所述的一种铌掺杂n型外延层的PIN型同位素核电池，其特征在于所述的n型SiC外延层(6)的厚度为3um～5um。

3.根据权利要求1所述的一种铌掺杂n型外延层的PIN型同位素核电池，其特征在于所述的p型SiC外延层(5)的厚度为0.2um～0.5um。

4.根据权利要求1所述的一种铌掺杂n型外延层的PIN型同位素核电池，其特征在于所述的SiO₂致密绝缘层(3)的厚度为10nm～20nm。

5.根据权利要求1所述的一种铌掺杂n型外延层的PIN型同位素核电池，其特征在于所述的SiO₂钝化层(2)的厚度为0.3um～0.5um。

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