CN104051045A - 串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法，主要解决现有技术中制作碳化硅辐照电池能量转换效率低、输出电压有限的问题。其由上下两个串联的PIN结构成；上PIN结包括N型外延层欧姆接触电极、N型高掺杂外延层、P型低掺杂外延层、P型高掺杂SiC衬底、P型欧姆接触电极；下PIN结包括N型欧姆接触电极、N型高掺杂SiC衬底、N型低掺杂外延层、P型高掺杂外延层、P型外延层欧姆接触电极；每个PIN结中包含多个沟槽，这两个PIN结通过其外延层欧姆接触电极相接触，上下沟槽镜像对称且相互贯通，每个沟槽内均放置α放射源。本发明具有核原料利用率及能量收集率高，电池输出电压大的优点，可为微小电路持久供电。

Description

串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及半导体器件结构及其制备方法，具体地说是一种碳化硅基的串联式PIN型α辐照电池及其制备方法，可用于将同位素放射的核能直接转换为电能，在微纳机电系统等微小电路和航空航天、沙漠、极地等需长期供电且无人值守的场合。

技术背景

随着人们对于低功耗、长寿命、高可靠性和小体积供电设备的需求，以及对核废料处理的关注，微型核电池变得愈发关注。微型核电池由于其突出的特点可用来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等的长期供电问题，并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等的长期供电问题。

1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的贝塔(β-Particle)射线能在半导体内产生电子-空穴对，此现象则被称为β-Voltaic Effect。1957年，Elgin-Kidde首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功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。自2006年，随着宽禁带半导体材料SiC制备和工艺技术的进步，出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。

中国专利CN 101325093A中公开了由张林、郭辉等人提出的基于SiC的肖特基结式辐照电池。该肖特基结辐照电池中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，这种结构的辐照电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

文献“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和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图1所示。该PIN核电池自上而下依次为，放射性源7、P型欧姆接触电极6、P型高掺杂SiC层4、P型SiC层3、本征i层2、n型高掺杂SiC衬底1和N型欧姆接触电极5。这种结构中，只有耗尽层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。并且，为避免欧姆接触电极阻挡入射离子，将P型欧姆电极做在器件的一个角落，使得离P型欧姆电极较远的辐照生载流子在输运过程中被复合，降低了能量转化率，减小了电池的输出电流。

另外β射线本身的能量较低，可用于激发辐照生载流子的能量也较少，这也限制了β辐照电池的输出大小。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种串联式PIN结构α辐照电池，以提高α放射源的利用率，进而提高电池的输出电流和输出电压。

实现本发明目的的技术思路是：通过将α放射源完全包裹在电池内部，消除金属电极对α放射源辐射出的高能α粒子的阻挡作用，提高α放射源的利用率；通过两个PIN结相串联的结构，提高输出电压。

本发明的技术思路是这样实现的：

一、本发明提出了一种串联式PIN结构α辐照电池，包括：

PIN单元和α放射源，其特征在于：所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；上PIN结自下而上依次为N型外延层欧姆接触电极5、N型高掺杂外延层4、P型低掺杂外延层3、P型高掺杂SiC衬底2、P型欧姆接触电极1；下PIN结自下而上依次为N型欧姆接触电极10、N型高掺杂SiC衬底9、N型低掺杂外延层8、P型高掺杂外延层7、P型外延层欧姆接触电极6；

所述每个PIN结中均设有n个沟槽11，其中n≥2；

所述上PIN结的N型外延层欧姆接触电极5与下PIN结的P型外延层欧姆接触电极6接触在一起，使上下PIN结中沟槽11形成镜面对称，相互贯通的一体结构，每个沟槽内均填满α放射源12。

作为优选，所述电池P型高掺杂SiC衬底2、P型低掺杂外延层3、N型高掺杂外延层4、P型高掺杂外延层7、N型低掺杂外延层8和N型高掺杂SiC衬底9均为4H-SiC材料，以提高电池的使用寿命和开路电压。

作为优选，所述α放射源12采用采用相对原子质量为241的镅元素或相对原子质量为238的钚元素，即Am²⁴¹或Pu²³⁸。

作为优选，所述沟槽11的宽度L满足L≤2g，其中，g为α放射源12释放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：g＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：g＝10μm。

作为优选，所述沟槽11的深度h满足m+q<h<m+q+r，其中，对于上PIN结，m为N型高掺杂外延层4的厚度，q为N型外延层欧姆接触电极5的厚度，r为P型低掺杂外延层3的厚度；对于下PIN结，m为P型高掺杂外延层7的厚度，q为P型外延层欧姆接触电极6的厚度，r为N型低掺杂外延层8的厚度。

作为优选，所述相邻两个沟槽11的间距d满足d≥i，其中，i为α放射源12释放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：i＝10μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：i＝18.2μm。

作为优选，所述N型外延层欧姆接触电极5选用Ni/Ti合金，其厚度为Ni＝200nm，Ti＝50nm；P型外延层欧姆接触电极6选用金属Al，其厚度为Al＝250nm。

作为优选，所述P型欧姆接触电极1与N型欧姆接触电极10均采用金属层Ni，Ni金属层的厚度为300～350nm。

二、本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)制作上PIN结：

1a)选用浓度为1x10¹⁸cm^-3的P型高掺杂SiC衬底，对该P型高掺杂SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1b)生长P型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型高掺杂SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的P型低掺杂外延层；

1c)生长N型高掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在P型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的N型高掺杂外延层；

1d)淀积接触电极：在N型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ni/Ti金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和N型外延层欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在P型SiC衬底未外延的背面淀积金属层Ni，作为P型欧姆接触电极；

1e)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的Ti金属表面旋涂一层光刻胶，利用光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Ti、Ni金属层进行腐蚀，露出N型高掺杂外延层，得到N型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口；

1f)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在露出的N型高掺杂外延层上刻出深度为4～8μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Ti表面的光刻胶；

1g)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源，得到带有沟槽的上PIN结；

(2)制作下PIN结：

2a)选用浓度为1x10¹⁸cm^-3的N型高掺杂SiC衬底，对该N型高掺杂SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2b)生长N型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型高掺杂SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的N型低掺杂外延层；

2c)生长P型高掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD方法在N型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的P型高掺杂外延层；

2d)淀积接触电极：在P型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积Al金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型外延层欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在N型SiC衬底未外延的背面淀积Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

2e)光刻图形：在淀积的Al金属层表面旋涂一层光刻胶，利用上PIN结沟槽光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Al金属层进行腐蚀，露出P型高掺杂外延层，得到P型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口；

2f)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为4～8μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部Al金属层表面的光刻胶；

2g)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源，得到带有沟槽的下PIN结；

(3)利用键合法将下PIN结中的P型外延层欧姆接触电极与上PIN结中的N型外延层欧姆接触电极压合在一起，使上下PIN结中的沟槽形成镜面对称、相互贯通的一体结构，从而完成串联式PIN结构α辐照电池的制作。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于将两个PIN结串联组合，提高了电池的输出电压；

2.本发明由于将α放射源置于沟槽中，使得α放射源产生的高能α粒子无需穿过P型或N型高掺杂外延层及其金属电极，而直接射入PIN结的空间电荷区，减小了高能α粒子的能量损耗，从而提高了能量收集率和电池的输出电流；

3.本发明由于沟槽宽度不大于高能α粒子在α放射源材料中平均入射深度的两倍，显著减少了高能α粒子在α放射源内部的能量衰减，进一步提高了能量收集率和电池的输出电流。

4.本发明由于采用的衬底材料4H-SiC比传统的材料Si禁带宽度大，抗辐照特性更好，可以减小高能α粒子对器件的损伤，提高电池的工作电压，同时延长电池的使用寿命。

附图说明

图1是现有的PIN核电池的截面示意图；

图2是本发明串联式PIN结构α辐照电池的截面示意图；

图3是本发明制作串联式PIN结构α辐照电池的流程图；

图4是本发明制作串联式PIN结构α辐照电池上PIN结的流程示意图；

图5是本发明制作串联式PIN结构α辐照电池下PIN结的流程示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的串联式PIN结构α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源，所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成，其中：

上PIN结，包括P型欧姆接触电极1、P型高掺杂SiC衬底2、P型低掺杂外延层3、N型高掺杂外延层4、N型外延层欧姆接触电极5。其中：N型外延层欧姆接触电极5由厚度分别为200nm、50nm的Ni/Ti金属层构成；N型高掺杂外延层4的厚度为0.5～1μm，其位于N型外延层欧姆接触电极5的上方；P型低掺杂外延层3的厚度为5～10μm，其位于N型高掺杂外延层4的上方；P型高掺杂SiC衬底2为浓度1x10¹⁸cm^-3的P型4H-SiC衬底，其位于P型低掺杂外延层3上方；P型欧姆接触电极1采用厚度为300～350nm的Ni金属，其位于P型高掺杂SiC衬底2的上方。

下PIN结，包括P型外延层欧姆接触电极6、P型高掺杂外延层7、N型低掺杂外延层8、N型高掺杂SiC衬底9、N型欧姆接触电极10。其中：N型欧姆接触电极10采用厚度为300～350nm金属Ni作为接触电极；N型高掺杂SiC衬底9为浓度1x10¹⁸cm^-3的N型4H-SiC衬底，其位于N型欧姆接触电极10的上方；N型低掺杂外延层8的厚度为5～10μm，其位于N型高掺杂衬底9的上方；P型高掺杂外延层7的厚度为0.5～1μm，其位于N型低掺杂外延层8的上方；P型外延层欧姆接触电极6采用厚度为250nm的Al金属层作为接触电极，其位于P型高掺杂外延层7的上方。

每个PIN结中均设有n个沟槽11，其中n≥2，沟槽11的深度h满足m+q<h<m+q+r，m为N型高掺杂外延层4或P型高掺杂外延层7的厚度，q为N型外延层欧姆接触电极5或P型外延层欧姆接触电极6的厚度，r为P型低掺杂外延层3或N型低掺杂外延层8的厚度；每个沟槽11的宽度L满足L≤2g，其中g为α放射源12释放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：g＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：g＝10μm；而相邻两个沟槽11的间距d满足d≥i，i为α放射源12释放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：i＝10μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：i＝18.2μm；α放射源12放置在每个沟槽11中，以产生高能α粒子。

上PIN结的N型外延层欧姆接触电极5与下PIN结中的P型外延层欧姆接触电极6键合在一起，从而组成一个PIN单元。上PIN结与下PIN结的每个沟槽11在PIN单元中呈镜面对称分布，贯通在一起。

上述PIN单元中的P型高掺杂SiC衬底2、P型低掺杂外延层3、N型高掺杂外延层4、P型高掺杂外延层7、N型低掺杂外延层8、N型高掺杂SiC衬底9，均为4H-SiC材料。

器件工作状态下，大部分从α放射源12所释放的高能α粒子直接入射于N型高掺杂外延层4和P型低掺杂外延层3交界处附近的空间电荷区，以及P型高掺杂外延层7和N型低掺杂外延层8交界处附近的空间电荷区，进而激发载流子，最终形成输出电流。

参照图3，本发明制作串联式PIN结构α辐照电池的方法，给出如下三个实施例：

实施例1，制备α放射源为Am²⁴¹，具有两个沟槽的串联式PIN结构α辐照电池。

步骤1:制作上PIN结。

参照图4，本步骤的实施如下：

(1a)清洗P型高掺杂SiC衬底，以去除表面污染物，如图4(a)所示：

(1a.1)将掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3的P型高掺杂SiC衬底在NH₄OH+H₂O₂试剂中浸泡10min，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；

(1a.2)将去除表面有机残余物后的P型高掺杂SiC衬底再在HCl+H₂O₂试剂中浸泡样品10min，取出后烘干，以去除离子污染物。

(1b)外延生长P型低掺杂外延层，如图4(b)所示：

在清洗后的P型高掺杂SiC衬底上利用化学气相淀积CVD方法外延生长铝掺杂的P型低掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为1x10¹⁵cm^-3，厚度为5μm的P型低掺杂外延层。

(1c)外延生长N型高掺杂外延层，如图4(c)所示：

在生长的P型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长氮掺杂的N型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1550℃，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，得到氮掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5μm的N型高掺杂外延层，得到P型SiC样片。

(1d)淀积金属接触电极，如图4(d)所示：

(1d.1)对完成N型高掺杂外延层生长后的P型SiC样片进行RCA标准清洗；

(1d.2)将清洗后的样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，调整载玻片到靶材的距离为50cm，并将反应室压强抽至5×10^-4Pa，调节束流为40mA，在P型SiC样片的N型高掺杂外延层的表面依次淀积厚度为200nm的Ni金属层与厚度为50nm的Ti金属层；

(1d.3)利用电子束蒸发法，在上述P型SiC样片未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层。

(1e)在P型SiC样片外延一侧淀积的Ti金属层上刻出结构图形窗口，如图4(e)所示：

(1e.1)在P型SiC样片外延一侧淀积的Ti金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池两个沟槽的位置制作成光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(1e.2)利用反应离子工艺刻蚀Ti、Ni金属层，直至在腐蚀窗口露出N型高掺杂外延层，得到N型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口。

(1f)刻蚀沟槽，如图4(f)所示：

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的N型高掺杂外延层上刻出深度为4μm，宽度为5μm，间距为12μm的两个沟槽。

(1g)放置α放射源，如图4(g)所示：

采用涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源Am²⁴¹，得到带有沟槽的上PIN结。

步骤2:制作下PIN结。

参照图5，本步骤的实施如下：

(2a)清洗N型高掺杂SiC衬底，以去除表面污染物，该N型高掺杂SiC衬底的掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3，如图5(a)所示：

本步骤与步骤(1a)相同。

(2b)外延生长N型低掺杂外延层，如图5(b)所示：

在清洗后的N型高掺杂SiC衬底上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1550℃，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，得到氮掺杂浓度为1x10¹⁵cm^-3，厚度为5μm的N型低掺杂外延层。

(2c)外延生长P型高掺杂外延层，如图5(c)所示：

在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的P型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5μm的P型高掺杂外延层，得到N型SiC样片。

(2d)淀积金属接触电极，如图5(d)所示。

(2d.1)对完成P型高掺杂外延层生长后的N型SiC样片进行RCA标准清洗；

(2d.2)将清洗后的样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，调整载玻片到靶材的距离为50cm，并将反应室压强抽至5×10^-4Pa，调节束流为40mA，在N型SiC样片的P型高掺杂外延层的表面淀积一层厚度为250nm的Al金属层；

(2d.3)利用电子束蒸发法，在上述N型SiC样片未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层。

(2e)在N型SiC样片外延一侧淀积的Al金属层上刻出结构图形窗口，如图5(e)所示：

(2e.1)在SiC外延一侧淀积的Al金属层表面上旋涂一层光刻胶，使用上PIN结工艺中的沟槽光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(2e.2)利用反应离子工艺刻蚀Al金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出P型高掺杂外延层，得到P型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口。

(2f)刻蚀沟槽，如图5(f)所示。

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为4μm，宽度为5μm，间距为12μm的两个沟槽。

(2g)放置α放射源，如图5(g)所示。

采用涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源Am²⁴¹，得到带有沟槽的下PIN结。

步骤3：利用键合法，将上PIN结的N型外延层欧姆接触电极与下PIN结的P型外延层欧姆接触电极压合在一起，使上下PIN结中的沟槽形成镜面对称、相互贯通的一体结构，从而得到串联式PIN结构α辐照电池，如图2所示。

实施例2，制备α放射源为Am²⁴¹，具有8个沟槽的串联式PIN结构α辐照电池。

步骤一:制作上PIN结。

参照图4，本步骤的实施如下：

1)清洗P型高掺杂SiC衬底，以去除表面污染物，该P型高掺杂SiC衬底的掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3，如图4(a)所示：

本步骤与实施例一的步骤(1a)相同。

2)外延生长P型低掺杂外延层，如图4(b)所示。

在清洗后的P型高掺杂SiC衬底上利用化学气相淀积CVD方法外延生长铝掺杂的P型掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为2x10¹⁵cm^-3，厚度为8μm的P型低掺杂外延层。

3)外延生长N型高掺杂外延层，如图4(c)所示：

在生长的P型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长氮掺杂的N型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1550℃，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，得到氮掺杂浓度为3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.8μm的N型高掺杂外延层，得到P型SiC样片。

4)淀积金属接触电极，如图4(d)所示：

(4.1)本步骤的实施与实施例一的步骤(1d.1)相同。

(4.2)本步骤的实施与实施例一的步骤(1d.2)相同。

(4.3)利用电子束蒸发法，在上述P型SiC样片未外延的背面淀积厚度为320nm的Ni金属层。

5)在P型SiC样片外延一侧淀积的Ti金属层上刻出结构图形窗口，如图4(e)所示：

(5.1)在P型SiC样片外延一侧淀积的Ti金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池8个沟槽的位置制作成光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(5.2)利用反应离子工艺刻蚀Ti、Ni金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出N型高掺杂外延层，得到N型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口。

6)刻蚀沟槽，如图4(f)所示：

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的N型高掺杂外延层上刻出深度为6μm，宽度为10μm，间距为20μm的8个沟槽。

7)放置α放射源，如图4(g)所示。

采用淀积的方法，在每个沟槽中放置α放射源Am²⁴¹，得到带有沟槽的上PIN结。

步骤二:制作下PIN结。

参照图5，本步骤的实施如下：

1)清洗N型高掺杂SiC衬底，以去除表面污染物，该N型高掺杂SiC衬底的掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3，如图5(a)所示：

本步骤与实施例1的步骤(1a)相同。

2)外延生长N型低掺杂外延层，如图5(b)所示：

在清洗后的N型高掺杂SiC衬底上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1550℃，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，得到氮掺杂浓度为2x10¹⁵cm^-3，厚度为8μm的N型低掺杂外延层。

3)外延生长P型高掺杂外延层，如图5(c)所示。

在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的P型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.8μm的P型高掺杂外延层，得到N型SiC样片。

4)淀积金属接触电极，如图5(d)所示。

(4.1)本步骤的实施与实施例一的步骤(2d.1)相同。

(4.2)本步骤的实施与实施例一的步骤(2d.2)相同。

(4.3)利用电子束蒸发法，在上述N型SiC样片未外延的背面淀积厚度为320nm的Ni金属层。

5)在N型SiC样片外延一侧淀积的Al金属层上刻出结构图形窗口，如图5(e)所示。

(5.1)在N型SiC样片外延一侧淀积的Al金属层表面上旋涂一层光刻胶，使用上PIN结工艺中的沟槽窗口光刻版，，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(5.2)利用反应离子工艺刻蚀Al金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出P型高掺杂外延层，得到P型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口。

6)刻蚀沟槽，如图5(f)所示。

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为6μm，宽度为10μm，间距为20μm的8个沟槽。

7)放置α放射源，如图5(g)所示。

采用淀积的方法，在每个沟槽中放置α放射源Am²⁴¹，得到带有沟槽的下PIN结。

步骤三：利用键合法，将上方PIN结的P型欧姆接触电极与下方PIN结的P型欧姆接触电极压合在一起，使上下PIN结中的沟槽形成镜面对称、相互贯通的一体结构，从而得到串联式PIN型α辐照电池，如图2所示。

实施例3，制备α放射源为Pu²³⁸，具有12个沟槽的串联式PIN结构α辐照电池。

步骤A:制作上PIN结。

参照图4，本步骤的实施如下：

A1)清洗P型高掺杂SiC衬底，以去除表面污染物，该P型高掺杂SiC衬底掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3，如图4(a)所示：

本步骤的实施与实施例一的步骤(1a)相同。

A2)外延生长P型低掺杂外延层，如图4(b)所示。

在清洗后的P型高掺杂SiC衬底上利用化学气相淀积CVD方法外延生长铝掺杂的P型低掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为3x10¹⁵cm^-3，厚度为10μm的P型低掺杂外延层。

A3)外延生长N型高掺杂外延层，如图4(c)所示。

在生长的P型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长氮掺杂的N型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1550℃，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，得到氮掺杂浓度为5x10¹⁹cm^-3，厚度为1μm的N型高掺杂外延层，得到P型SiC样片。

A4)淀积金属接触电极，如图4(d)所示。

(A4.1)本步骤的实施与实施例一的步骤(1d.1)相同。

(A4.2)本步骤的实施与实施例一的步骤(1d.2)相同。

(A4.3)利用电子束蒸发法，在上述P型SiC样片未外延的背面淀积厚度为350nm的Ni金属层。

A5)在P型SiC样片外延一侧淀积的Ti金属层上刻出结构图形窗口，如图4(e)所示。

(A5.1)在P型SiC样片外延一侧淀积的Ti金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池12个沟槽的位置制作成光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(A5.2)利用反应离子工艺刻蚀Ti、Ni金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出N型高掺杂外延层，得到N型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口。

A6)刻蚀沟槽，如图4(f)所示。

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的N型高掺杂外延层上刻出深度为8μm，宽度为14μm，间距为25μm的12个沟槽。

A7)放置α放射源，如图4(g)所示。

采用淀积的方法，在每个沟槽中放置α放射源Pu²³⁸，得到带有沟槽的上PIN结。

步骤B:制作下PIN结。

参照图5，本步骤的实施如下：

B1)清洗N型高掺杂SiC衬底，以去除表面污染物，该N型高掺杂SiC衬底掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3，如图5(a)所示。

本步骤与实施例1的步骤(1a)相同。

B2)外延生长N型低掺杂外延层，如图5(b)所示。

在清洗后的N型高掺杂SiC衬底上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为：外延温度为1550℃，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，得到氮掺杂浓度为3x10¹⁵cm^-3，厚度为10μm的N型低掺杂外延层。

B3)外延生长P型高掺杂外延层，如图5(c)所示。

在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的P型高掺杂外延层，其工艺条件为：外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为5x10¹⁹cm^-3，厚度为1μm的P型高掺杂外延层，得到N型SiC样片。

B4)淀积金属接触电极，如图5(d)所示。

(B4.1)本步骤的实施与实施例一的步骤(2d.1)相同。

(B4.2)本步骤的实施与实施例一的步骤(2d.2)相同。

(B4.3)利用电子束蒸发法，在上述N型SiC样片未外延的背面淀积厚度为350nm的Ni金属层。

B5)在N型SiC样片外延一侧淀积的Al金属层上刻出结构图形窗口，如图5(e)所示。

(B5.1)在N型SiC样片外延一侧淀积的Al金属层表面上旋涂一层光刻胶，使用上PIN结工艺中的腐蚀窗口光刻版，用电子束对光刻胶曝光，形成腐蚀窗口；

(B5.2)利用反应离子工艺刻蚀Al金属层，直至在腐蚀窗口露出P型高掺杂外延层，得到P型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口。

B6)刻蚀沟槽，如图5(f)所示。

利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在沟槽刻蚀窗口露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为8μm，宽度为14μm，间距为25μm的12个沟槽。

B7)放置α放射源，如图5(g)所示。

采用淀积的方法，在每个沟槽中放置α放射源Pu²³⁸，得到带有沟槽的下PIN结。

步骤C：利用键合法，将下PIN结的P型外延层欧姆接触电极与上PIN结的N型外延层欧姆接触电极键合在一起，使上下PIN结中的沟槽形成镜面对称、相互贯通的一体结构，从而得到串联式PIN结构α辐照电池，如图2所示。

Claims (9)

1.一种串联式PIN结构α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源，其特征在于：

所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；上PIN结自下而上依次为N型外延层欧姆接触电极(5)、N型高掺杂外延层(4)、P型低掺杂外延层(3)、P型高掺杂SiC衬底(2)、P型欧姆接触电极(1)；下PIN结自下而上依次为N型欧姆接触电极(10)、N型高掺杂SiC衬底(9)、N型低掺杂外延层(8)、P型高掺杂外延层(7)、P型外延层欧姆接触电极(6)；

所述每个PIN结中均设有n个沟槽(11)，其中n≥2；

所述上PIN结的N型外延层欧姆接触电极(5)与下PIN结的P型外延层欧姆接触电极(6)接触在一起，使上下PIN结中的沟槽(11)形成镜面对称，相互贯通的一体结构，每个沟槽内均填满α放射源(12)。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，P型高掺杂SiC衬底(2)、P型低掺杂外延层(3)、N型高掺杂外延层(4)、P型高掺杂外延层(7)、N型低掺杂外延层(8)和N型高掺杂SiC衬底(9)均为4H-SiC材料，以提高电池的使用寿命和开路电压。

3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源(12)采用相对原子质量为241的镅元素或相对原子质量为238的钚元素，即Am²⁴¹或Pu²³⁸。

4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于沟槽(11)的宽度L满足L≤2g，其中，g为α放射源(12)释放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：g＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：g＝10μm。

5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于沟槽(11)的深度h满足m+q<h<m+q+r，其中，对于上PIN结，m为N型高掺杂外延层(4)的厚度，q为N型外延层欧姆接触电极(5)的厚度，r为P型低掺杂外延层(3)的厚度；对于下PIN结，m为P型高掺杂外延层(7)的厚度，q为P型外延层欧姆接触电极(6)的厚度，r为N型低掺杂外延层(8)的厚度。

6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于相邻两个沟槽(11)的间距d满足d≥i，其中，i为α放射源(12)释放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：i＝10μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：i＝18.2μm。

7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于N型外延层欧姆接触电极(5)选用Ni/Ti合金，其厚度为Ni＝200nm，Ti＝50nm；P型外延层欧姆接触电极(6)选用金属Al，其厚度为Al＝250nm。

8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于P型欧姆接触电极(1)与N型欧姆接触电极(10)均采用金属层Ni，Ni金属层的厚度为300～350nm。

9.一种串联式PIN结构α辐照电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作上PIN结：

1a)选用浓度为1x10¹⁸cm^-3的P型高掺杂SiC衬底，对该P型高掺杂SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1b)生长P型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型高掺杂SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的P型低掺杂外延层；

1c)生长N型高掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在P型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的N型高掺杂外延层；

1d)淀积接触电极：在N型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ni/Ti金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和N型外延层欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在P型SiC衬底未外延的背面淀积金属层Ni，作为P型欧姆接触电极；

1e)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的Ti金属表面旋涂一层光刻胶，利用光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Ti、Ni金属层进行腐蚀，露出N型高掺杂外延层，得到N型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口；

1f)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在露出的N型高掺杂外延层上刻出深度为4～8μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Ti表面的光刻胶；

1g)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源，得到带有沟槽的上PIN结；

(2)制作下PIN结：

2a)选用浓度为1x10¹⁸cm^-3的N型高掺杂SiC衬底，对该N型高掺杂SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2b)生长N型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型高掺杂SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的N型低掺杂外延层；

2c)生长P型高掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD方法在N型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的P型高掺杂外延层；

2d)淀积接触电极：在P型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积Al金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型外延层欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在N型SiC衬底未外延的背面淀积Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

2e)光刻图形：在淀积的Al金属层表面旋涂一层光刻胶，利用上PIN结沟槽光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Al金属层进行腐蚀，露出P型高掺杂外延层，得到P型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口；

2f)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为4～8μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部Al金属层表面的光刻胶；

2g)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源，得到带有沟槽的下PIN结；

(3)利用键合法将下PIN结中的P型外延层欧姆接触电极与上PIN结中的N型外延层欧姆接触电极压合在一起，使上下PIN结中的沟槽形成镜面对称、相互贯通的一体结构，从而完成串联式PIN结构α辐照电池的制作。