CN104051049A - 串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池及制备方法，主要解决当前核电池能量转化率及输出功率低的问题。其包括：串联的上、下两个PIN结和α放射源层；上PIN结自下而上依次为N型外延层欧姆接触电极、N型GaN外延层、P型SiC外延层、P型SiC衬底、P型欧姆接触电极；下PIN结自下而上依次为N型欧姆接触电极、N型SiC衬底、N型SiC外延层、P型GaN外延层和P型外延层欧姆接触电极；α放射源层夹在上下两个PIN结的外延层欧姆接触电极之间，以实现对高能α粒子的充分利用。本发明具有放射源与半导体接触面积大，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

串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池及制备方法

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及半导体器件结构及制备方法，具体地说是一种碳化硅基的串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池及制备方法，可用于微纳机电系统等微小电路和航空航天、深海、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。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。但是，核电池在应用中，由于激发的高能粒子利用率比较低，能量收集率低，限制了电池的输出电压。

作为一种重要的第三代半导体，近年来人们对GaN的关注越来越多。由于其禁带宽度大，热导率高，制作的器件工作温度和击穿电压高。另外，GaN材料一直被认为是一种理想的抗辐照半导体材料，随着核技术和空间技术的发展，GaN材料及其器件被用于辐射很强的极端恶劣的条件下工作。

中国专利CN101325093A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。由于该肖特基结核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，这种结构的核电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

文献“Demonstration of a4H SiC betavoltaic cell”介绍了由美国纽约Cornell大学的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,Hui Li等人提出了碳化硅PN结式核电池。这种结构采用的衬底为P型高掺杂衬底，而在其衬底上生长外延层的现有工艺不成熟，因此，易引入表面缺陷，器件漏电流大，能量转换率较低。

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。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池及制备方法，以提高α放射源的利用率，从而提高电池的输出电流和输出电压。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.本发明的串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源层11，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、掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的N型GaN外延层4、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的P型SiC外延层3、P型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SiC衬底9、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的N型SiC外延层8、掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的P型GaN外延层7、P型外延层欧姆接触电极6；

所述α放射源层11，夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极5与下PIN结P型外延层欧姆接触电极6之间，以实现对高能α粒子的充分利用。

作为优选，所述的α放射源层11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P型SiC衬底2和N型SiC衬底9的掺杂浓度均为l.5x10¹⁸cm^-3。

作为优选，所述的α放射源层11的厚度h满足h≤m，其中m为α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：m＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：m＝10μm。

作为优选，所述的P型SiC衬底2和N型SiC衬底9采用4H-SiC衬底，P型SiC外延层3、N型SiC外延层8均为4H-SiC材料，以提高电池的寿命和开路电压。

作为优选，所述的P型SiC外延层3和N型SiC外延层8的厚度L满足L≥g，其中，g为α放射源所释放的高能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。

二.本发明的制备方法包括以下步骤：

一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的制备方法，包括：

(1)制作上PIN结步骤：

1.1)对P型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的P型SiC外延层；

1.3)利用化学气相淀积CVD法在P型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的N型GaN外延层；

1.4)利用电子束蒸发法在N型GaN外延层表面淀积厚度为100nm/200nm的金属层Ti/Au，作为N型外延层欧姆接触电极；在P型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为P型欧姆接触电极；

(2)制作下PIN结步骤：

2.1)对N型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的N型SiC外延层；

2.3)利用化学气相淀积CVD法在N型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的P型GaN外延层；

2.4)利用电子束蒸发法在P型GaN外延层表面淀积厚度为300nm的Al金属层，作为P型外延层欧姆接触电极；在N型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

2.5)制备α放射源层：利用分子镀在上述N型SiC衬底淀积的Al金属层上镀一层厚度为4～8μm的α放射源层；

(3)上、下PIN结键合：

利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池。

一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的制备方法，包括：

第一步，制作上PIN结：

1.1)对P型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的P型SiC外延层；

1.3)利用化学气相淀积CVD法在P型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的N型GaN外延层；

1.4)利用电子束蒸发法在N型GaN外延层表面淀积厚度为100nm/200nm的金属层Ti/Au，作为N型外延层欧姆接触电极；在P型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为P型欧姆接触电极；

1.5)制备α放射源层：利用分子镀在上述P型SiC衬底淀积的Au金属层上淀积一层厚度为4～8μm的α放射源层；

第二步，制作下PIN结：

2.1)对N型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的N型SiC外延层；

2.3)利用化学气相淀积CVD法在N型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的P型GaN外延层；

2.4)利用电子束蒸发法在P型GaN外延层表面淀积厚度为300nm的Al金属层，作为P型外延层欧姆接触电极；在N型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

第三步，将上、下PIN结键合在一起：

利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于采用GaN材料作为P型GaN外延层和N型GaN外延层，其禁带宽度比SiC大，抗辐照特性更好，进一步提高了电池的工作电压；

2.本发明由于将α放射源层夹在上、下两个PIN结的外延层欧姆接触电极之间，较之于现有技术将放射源层置于电池的上表面，节省了α放射源材料，提高了α放射源的利用率，从而提高了电池的能量利用率；

3.本发明由于P型和N型GaN外延层的厚度仅为0.1～0.2μm，以及α放射源层的厚度不大于α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，可以减小高能α粒子在GaN外延层和α放射源层中的衰减，提高能量收集率；

4.本发明由于外延的N型和P型SiC外延层厚度不小于α放射源所释放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，可以减少高能α粒子在N型和P型SiC外延层中的衰减，使得高能α粒子集中在上、下PIN结中GaN外延层和SiC外延层界面附近的空间电荷区，提高能量转化率；

5.本发明由于将两个PIN结串联放置，提高了电池的输出电压。

6.本发明由于衬底采用4H-SiC材料，其禁带宽度比传统Si的禁带宽度大，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是本发明串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的截面示意图；

图3是本发明制作串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的流程图；

图4是本发明制作上PIN结的流程示意图；

图5是本发明制作下PIN结的流程示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源层11，所述PIN单元由上、下两个PIN结串联构成，其中：

上PIN结包括N型外延层欧姆接触电极5、N型GaN外延层4、P型SiC外延层3、P型SiC衬底2、P型欧姆接触电极1。其中，N型外延层欧姆接触电极5是厚度为100nm/200nm的金属层Ti/Au；N型GaN外延层4的厚度为0.1～0.2μm，其位于N型外延层欧姆接触电极5上方；P型SiC外延层3的厚度为15～25μm的4H-SiC外延层，其位于N型GaN外延层4的上方；P型SiC衬底2是浓度为l.5×10¹⁸cm^-3的P型4H-SiC衬底，其位于P型SiC外延层3的上方；P型欧姆接触电极1是厚度为300nm的Ni金属层，其位于P型SiC衬底2的上方；

下PIN结，包括N型欧姆接触电极10、N型SiC衬底9、N型SiC外延层8、P型GaN外延层7、P型外延层欧姆接触电极6。其中，N型欧姆接触电极10是厚度为300nm的Ni金属层；N型SiC衬底9是浓度为l.5x10¹⁸cm^-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SiC外延层8的厚度为15～25μm的4H-SiC外延层，其位于N型SiC衬底9的上方；P型GaN外延层7的厚度为0.1～0.2μm，其位于N型SiC外延层8的上方；P型外延层欧姆接触电极6是厚度为300nm的Al金属层，其位于P型GaN外延层7上方。

α放射源层11，夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极5与下PIN结P型外延层欧姆接触电极6之间，对于α放射源材料为Am²⁴¹，其厚度小于等于7.5μm，对于α放射源材料为Pu²³⁸，其厚度小于等于10μm。

电池在工作状态下，从α放射源层11放射出的高能α粒子分别穿过上、下两个PIN结的N型外延层欧姆接触电极5、P型外延层欧姆接触电极6，射入到P型GaN外延层7和N型SiC外延层8界面附近的空间电荷区，以及N型GaN外延层4和P型SiC外延层3界面附近的空间电荷区，进而激发载流子，形成输出电流。

参照图3，本发明制作串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的方法给出如下三个实施例：

实施例1，制备夹心放射源为Am²⁴¹，α放射源层厚度为4μm的串联夹心式外延GaN的PIN型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l.5x10¹⁸cm^-3的高掺杂P型4H-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SiC衬底再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡10min，取出后烘干，以去除离子污染物。

(1b)外延生长P型SiC外延层，如图4(b)所示：

在清洗后的P型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SiC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15μm的低掺杂P型SiC外延层。

(1c)外延生长N型GaN外延层，如图4(c)所示：

在生长的P型SiC外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长N型GaN外延层，其工艺条件为：外延温度为940℃，压强为100mbar，反应物是TEGa和氨气，载气为纯氢气，形成载流子浓度为2x10¹⁹cm^-3，厚度为0.1μm的N型GaN外延层。

(1d)淀积金属欧姆接触电极，如图4(d1)所示：

(1d.1)对完成N型GaN外延层生长后的P型SiC衬底进行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衬底的N型GaN外延层的表面依次淀积厚度为100nm的Ti金属层、厚度为200nm的Au金属层，作为N型外延层欧姆接触电极；

(1d.3)利用电子束蒸发法，在P型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为P型欧姆接触电极。

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SiC衬底，以去除表面污染物，如图5(a)所示：

(2a.1)将掺杂浓度为l.5x10¹⁸cm^-3的N型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；

(2a.2)将去除表面有机残余物后的N型SiC衬底再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡10min，取出后烘干，以去除离子污染物。

(2b)外延生长N型SiC外延层，如图5(b)所示：

在清洗后的N型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SiC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15μm的N型SiC外延层。

(2c)外延生长P型GaN外延层，如图5(c)所示：

(2c.1)将生长N型SiC外延层的N型SiC衬底放入化学气相淀积CVD炉中，在H₂氛围下加热到1100℃，保持10min；

(2c.2)将反应室的压强设为200mbar，用N₂和H₂的混合气体作为载气，向反应室内通入流量分别为52.3μmol·min^-1和0.035mol·min^-1的三甲基铝和NH3，在SiC外延层上生长60nm厚的AlN；

(2c.3)将反应室降温至1050℃，向反应室内通入流量分别为6.5μmol·min^-1、8.93mmol·min^-1和0.18μmol·min^-1的三乙基镓、NH3和CP2Mg，完成镁掺杂浓度为2x10¹⁹cm^-3，厚度为0.1μm的P型GaN外延层。

(2d)淀积金属欧姆接触电极，如图5(d1)所示：

(2d.1)对完成P型GaN外延层生长后的N型SiC衬底进行RCA标准清洗；

(2d.2)将清洗后的衬底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衬底的P型GaN外延层的表面淀积一层厚度为300nm的Al金属层，作为P型外延层欧姆接触电极；

(2d.3)利用电子束蒸发法，在N型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型欧姆接触电极。

(2e)制备α放射源层，如图5(d2)所示：

在上述N型SiC衬底淀积的Al金属层上，利用分子镀方法，用Am²⁴¹镀一层厚度为4μm的α放射源层。

步骤3：利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池，如图2所示。

实施例2，制备夹心放射源为Am²⁴¹，放射源层厚度为6μm的串联夹心式外延GaN的PIN型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：

1a)清洗P型SiC衬底，以去除表面污染物，该P型SiC衬底的掺杂浓度为l.5x10¹⁸cm^-3，如图4(a)所示：：

本步骤与实施例一的步骤(1a)相同。

1b)外延生长P型SiC外延层，如图4(b)所示：：

在清洗后的P型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SiC外延层。在外延温度为1550℃，压强为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气，杂质源为三甲基铝的工艺条件下，得到铝掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3，厚度为20μm的低掺杂P型SiC外延层。

1c)外延生长N型GaN外延层，如图4(c)所示：

在生长的P型SiC外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长N型GaN外延层，其工艺条件为：外延温度为940℃，压强为100mbar，反应物是TEGa和氨气，载气为纯氢气，形成载流子浓度为3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.15μm的N型GaN外延层。

1d)淀积金属接触电极，如图4(d1)所示：

本步骤与实施例一的步骤(1d)相同。

1e)制备α放射源层，如图4(d2)所示：

在上述P型SiC衬底淀积的Au金属层上，利用分子镀方法，用Am²⁴¹镀一层厚度为6μm的α放射源层。

步骤二:制作下PIN结。

参照图5，本步骤的实施如下：

2a)清洗N型SiC衬底，以去除表面污染物，该N型SiC衬底的掺杂浓度为l.5×10¹⁸cm^-3，如图5(a)所示：

本步骤与实施例1的步骤(1a)相同。

2b)外延生长N型SiC外延层，如图5(b)所示：

在清洗后的N型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SiC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，杂质源为液态氮气工艺条件，完成氮掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3，厚度为20μm的低掺杂N型SiC外延层的生长。

2c)外延生长P型GaN外延层，如图5(c)所示：

2c.1)本步骤的实施与实施例1的(2c.1)相同；

2c.2)本步骤的实施与实施例1的(2c.2)相同；

2c.3)将反应室降温至1050℃，向反应室内通入流量分别为6.5μmol·min^-1、8.93mmol·min^-1和0.18μmol·min^-1的三乙基镓、NH3和CP2Mg，完成镁掺杂浓度为3×10¹⁹cm^-3，厚度为0.15μm的P型GaN外延层。

2d)淀积金属接触电极，如图5(d1)所示：

本步骤与实施例一的步骤(2d)相同。

步骤三：利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池，如图2所示。

实施例3，制备夹心放射源为Pu²³⁸，放射源层厚度为8μm的串联夹心式外延GaN的PIN型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SiC衬底，以去除表面污染物，该P型SiC衬底的掺杂浓度为l.5×10¹⁸cm^-3，如图4(a)。

本步骤与实施例一的步骤(1a)相同。

A2)外延生长P型SiC外延层，如图4(b)：在清洗后的P型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5×10¹⁵cm^-3，厚度为25μm的P型SiC外延层。

A3)外延生长N型GaN外延层，如图4(c)：在生长的P型SiC外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长N型GaN外延层，其工艺条件为：外延温度为940℃，压强为100mbar，反应物是TEGa和氨气，载气为纯氢气，形成载流子浓度为5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.2μm的N型GaN外延层。

A4)淀积金属接触电极，如图4(d1)：

本步骤与实施例一的步骤(1d)相同。

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SiC衬底，以去除表面污染物，该N型SiC衬底的掺杂浓度为l.5×10¹⁸cm^-3，如图5(a)：本步骤与实施例1的步骤(1a)相同。

B2)外延生长N型SiC外延层，如图5(b)：在清洗后的N型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SiC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，完成氮掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3，厚度为25μm的低掺杂N型SiC外延层的生长。

B3)外延生长P型GaN外延层，如图5(c)：

B3.1)本步骤的实施与实施例1的(2c.1)相同；

B3.2)本步骤的实施与实施例1的(2c.2)相同；

B3.3)将反应室降温至1050℃，向反应室内通入流量分别为6.5μmol·min^-1、8.93mmol·min^-1和0.18μmol·min^-1的三乙基镓、NH₃和CP₂Mg，完成镁掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.2μm的P型GaN外延层。

B4)淀积金属接触电极，如图5(d1)。

本步骤与实施例一的步骤(2d)相同。

B5)制备α放射源层，如5(d2)。

在上述N型SiC衬底淀积的Al金属层上，利用分子镀方法，用Pu²³⁸镀一层厚度为8μm的α放射源层。

步骤C：利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池，如图2所示。

Claims (8)

1.一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源层(11)，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)、掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的N型GaN外延层(4)、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的P型SiC外延层(3)、P型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SiC衬底(9)、掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的N型SiC外延层(8)、掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的P型GaN外延层(7)、P型外延层欧姆接触电极(6)；

所述α放射源层(11)，夹在上PIN结的N型外延层欧姆接触电极(5)与下PIN结P型外延层欧姆接触电极(6)之间，以实现对高能α粒子的充分利用。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源层(11)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。

3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于P型SiC衬底(2)和N型SiC衬底(9)的掺杂浓度均为1.5×10¹⁸cm^-3。

4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源层(11)的厚度h满足h≤m，其中m为α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：m＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：m＝10μm。

5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于P型SiC衬底(2)和N型SiC衬底(9)采用4H-SiC衬底，P型SiC外延层(3)、N型SiC外延层(8)均为4H-SiC材料，以提高电池的寿命和开路电压。

6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于P型SiC外延层(3)和N型SiC外延层(8)的厚度L满足L≥g，其中，g为α放射源所释放的高能α粒子在SiC材料中的平均入射深度，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。

7.一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的制备方法，包括：

(1)制作上PIN结步骤：

1.1)对P型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的P型SiC外延层；

1.3)利用化学气相淀积CVD法在P型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的N型GaN外延层；

1.4)利用电子束蒸发法在N型GaN外延层表面淀积厚度为100nm/200nm的金属层Ti/Au，作为N型外延层欧姆接触电极；在P型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为P型欧姆接触电极；

(2)制作下PIN结步骤：

2.1)对N型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的N型SiC外延层；

2.3)利用化学气相淀积CVD法在N型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的P型GaN外延层；

2.4)利用电子束蒸发法在P型GaN外延层表面淀积厚度为300nm的Al金属层，作为P型外延层欧姆接触电极；在N型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

2.5)制备α放射源层：利用分子镀在上述N型SiC衬底淀积的Al金属层上镀一层厚度为4～8μm的α放射源层；

(3)上、下PIN结键合：

利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池。

8.一种串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池的制备方法，包括如下步骤：

第一步，制作上PIN结：

1.1)对P型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的P型SiC外延层；

1.3)利用化学气相淀积CVD法在P型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的N型GaN外延层；

1.4)利用电子束蒸发法在N型GaN外延层表面淀积厚度为100nm/200nm的金属层Ti/Au，作为N型外延层欧姆接触电极；在P型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为P型欧姆接触电极；

1.5)制备α放射源层：利用分子镀在上述P型SiC衬底淀积的Au金属层上淀积一层厚度为4～8μm的α放射源层；

第二步，制作下PIN结：

2.1)对N型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3，厚度为15～25μm的N型SiC外延层；

2.3)利用化学气相淀积CVD法在N型SiC外延层表面外延生长一层掺杂浓度为2×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1～0.2μm的P型GaN外延层；

2.4)利用电子束蒸发法在P型GaN外延层表面淀积厚度为300nm的Al金属层，作为P型外延层欧姆接触电极；在N型SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

第三步，将上、下PIN结键合在一起：

利用键合法将上PIN结与下PIN结键合在一起，使α放射源层夹在上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中间，形成串联夹心式外延GaN的PIN型α辐照电池。