CN104051051A - 外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池，主要解决现有技术中制作碳化硅PIN型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GaN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结包括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、P型GaN外延层欧姆接触电极；每个PIN结中包含多个填满β放射源沟槽，两个PIN结的外延层欧姆接触电极相接触，使上下沟槽镜像对称且相互贯通。本发明具有放射源利用率及能量收集率高，电池输出电压大的优点，用于微纳机电系统等电路的供电。

Description

外延GaN的串联式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外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法，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

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-VoltaicEffect。1957年，Elgin-Kidde首先将β-VoltaicEffect用在电源供应方面，成功制造出第一个同位素微电池β-VoltaicBattery。从1989年以来，GaN、GaP、AlGaAs、多晶硅等材料相继被利用作为α-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。

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。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池，以增强α放射源的有效利用率，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；使用GaN材料的外延层，进一步提高输出电压。

本发明的技术思路是这样实现的：

一、本发明的外延GaN的串联式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GaN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，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、N型SiC外延层8、P型GaN外延层7、P型GaN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GaN外延层欧姆接触电极5与下PIN结的P型GaN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。

作为优选，所述电池的P型SiC衬底2、P型SiC外延层3、N型SiC外延层8、N型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GaN外延层4的厚度，q为N型GaN外延层欧姆接触电极5的厚度，r为P型SiC外延层3的厚度；对于下PIN结，m为P型GaN外延层7的厚度，q为P型GaN外延层欧姆接触电极6的厚度，r为N型SiC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GaN外延层欧姆接触电极5和P型GaN外延层欧姆接触电极6均由金属层Ti/Au构成，其厚度为Ti＝100nm，Au＝200nm；P型欧姆接触电极1和N型欧姆接触电极10均采用厚度为300nm的Ni金属层。

二、本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)制作上PIN结：

1.1)选用浓度为lx10¹⁸cm^-3的P型SiC衬底，对该P型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1.2)生长P型SiC外延层：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1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为4～9μm的P型SiC外延层；

1.3)生长N型GaN外延层：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1x10¹⁹～3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的N型GaN外延层；

1.4)淀积接触电极：在N型GaN外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ti/Au金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和N型GaN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；

1.5)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的金属Au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Au、Ti金属层进行腐蚀，露出N型GaN外延层，得到沟槽刻蚀窗口和N型GaN外延层欧姆接触电极；

1.6)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GaN外延层上刻出深度为3～7μm，宽度为5～14μm，间距为12～24μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶；

(2)制作下PIN结：

2.1)选用浓度为lx10¹⁸cm^-3的N型SiC衬底，对该N型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2.2)生长N型SiC外延层：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1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为4～9μm的N型SiC外延层；

2.3)生长P型GaN外延层：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1x10¹⁹～3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的P型GaN外延层；

2.4)淀积接触电极：在P型GaN外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ti/Au金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型GaN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金属层Ni，作为N型欧姆接触电极；

2.5)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的金属层Au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Au、Ti金属层进行腐蚀，露出P型GaN外延层，得到沟槽刻蚀窗口和P型GaN外延层欧姆接触电极；

2.6)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GaN外延层上刻出深度为3～7μm，宽度为5～14μm，间距为12～24μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属层Au表面的光刻胶；

(3)填充α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在上PIN结和下PIN结的沟槽中填满α放射源；

(4)利用键合法将下PIN结的P型GaN外延层欧姆接触电极与上PIN结的N型GaN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，从而完成外延GaN的串联式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.本发明由于高掺杂外延层采用GaN材料，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.本发明由于将两个PIN结串联放置，提高了电池的输出电压。

3.本发明将α放射源置于沟槽中，使得α放射源产生的高能α粒子直接射入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；

4.本发明由于沟槽宽度不大于α放射源释放的高能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，提高了能量收集率和电池的输出电流；

附图说明

图1是现有的PIN核电池的截面示意图；

图2是本发明外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池的截面示意图；

图3是本发明制作外延GaN的串联式PIN结构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；

图6是本发明在上、下PIN结沟槽填充α放射源的示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的外延GaN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SiC衬底2、P型SiC外延层3、N型GaN外延层4、N型GaN外延层欧姆接触电极5。其中：N型GaN外延层欧姆接触电极5由100nm、200nm厚的Ti/Au金属层构成；N型GaN外延层4的厚度为0.5～1μm，其位于N型GaN外延层欧姆接触电极5的上方；P型SiC外延层3的厚度为4～9μm，其位于N型GaN外延层4的上方；P型SiC衬底2浓度为lx10¹⁸cm^-3，其位于P型SiC外延层3上方；P型欧姆接触电极1采用厚度为300nm的金属层Ni，其位于P型SiC衬底2的上方。

下PIN结，包括P型GaN外延层欧姆接触电极6、P型GaN外延层7、N型SiC外延层8、N型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300nm金属层Ni作为接触电极；N型SiC衬底9浓度为lx10¹⁸cm^-3，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4～9μm，其位于N型SiC衬底9的上方；P型GaN外延层7的厚度为0.5～1μm，其位于N型SiC外延层8的上方；P型GaN外延层欧姆接触电极6由100nm、200nm厚的Ti/Au金属层构成，其位于P型GaN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GaN外延层4或P型GaN外延层7的厚度，q为N型GaN外延层欧姆接触电极5或P型GaN外延层欧姆接触电极6的厚度，r为P型SiC外延层3或N型SiC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，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GaN外延层欧姆接触电极5与下PIN结中的P型GaN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SiC衬底2、P型SiC外延层3、N型SiC外延层8、N型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GaN外延层4和P型SiC外延层3交界处附近的空间电荷区，以及P型GaN外延层7和N型SiC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，本发明制作外延GaN的串联式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2个沟槽的外延GaN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lx10¹⁸cm^-3的P型SiC衬底样片在NH₄OH+H₂O₂试剂中浸泡样品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，杂质源为三甲基铝，得到铝掺杂浓度为1x10¹⁵cm^-3，厚度为4μm的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1x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5μm的N型GaN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GaN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GaN外延层的表面依次淀积厚度为100nm的Ti金属层与厚度为200nm的Au金属层；

(1d.3)利用电子束蒸发法，在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Au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Au金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池2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Au、Ti金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出N型GaN外延层，得到N型GaN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GaN外延层上刻出深度为3μm，宽度为5μm，间距为12μm的2个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶。

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，该N型SiC衬底的掺杂浓度为lx10¹⁸cm^-3，如图5(a)所：

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SiC样片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，得到氮掺杂浓度为1x10¹⁵cm^-3，厚度为4μm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1x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5μm的P型GaN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GaN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GaN外延层的表面表面依次淀积厚度为100nm的Ti金属层与厚度为200nm的Au金属层；

(2d.3)利用电子束蒸发法，在衬底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Au金属层上刻出结构图形窗口，如图5(e)所示。

(2e.1)在N型SiC外延一侧淀积的Au金属层表面上旋涂一层光刻胶，使用上PIN结工艺中的光刻版，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Au、Ti金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出P型GaN外延层，得到P型GaN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GaN外延层上刻出深度为3μm，宽度为5μm，间距为12μm的2个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶。

步骤3：填充α放射源，如图6所示。

采用涂抹的方法，在上PIN结的所有沟槽中填满α放射源Am²⁴¹，如图6(a)；

采用涂抹的方法，在下PIN结的所有沟槽中填满α放射源Am²⁴¹，如图6(b)。

步骤4：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，从而得到外延GaN的串联式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10个沟槽的外延GaN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SiC衬底，以去除表面污染物，该P型SiC衬底的掺杂浓度为lx10¹⁸cm^-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6μm的P型SiC外延层。

3)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0.7μm的N型GaN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。

本步骤与实施例一的步骤(1d)相同。

5)在P型SiC样片外延一侧淀积的Au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Au金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池10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Au、Ti金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出N型GaN外延层，得到N型GaN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GaN外延层上刻出深度为5μm，宽度为10μm，间距为18μm的10个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶。

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SiC衬底，以去除表面污染物，该N型SiC衬底的掺杂浓度为lx10¹⁸cm^-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6μm的N型SiC外延层。

3)外延生长P型GaN外延层，如图5(c)所示。

3.1)本步骤的实施与实施例1的(2c.1)相同；

3.2)本步骤的实施与实施例1的(2c.2)相同；

3.3)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2×10¹⁹cm^-3，厚度为0.7μm的P型GaN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。

本步骤与实施例一的步骤(2d)相同。

5)在N型SiC样片外延一侧淀积的Au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Au金属层表面上旋涂一层光刻胶，利用上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；

5.2)利用反应离子工艺刻蚀Au、Ti金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出P型GaN外延层，得到P型GaN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GaN外延层上刻出深度为5μm，宽度为10μm，间距为18μm的10个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶。

步骤三：填充α放射源，如图6所示。

采用淀积的方法，在上PIN结的所有沟槽中填满α放射源Am²⁴¹，如图6(a)；

采用淀积的方法，在下PIN结的所有沟槽中填满α放射源Am²⁴¹，如图6(b)。

步骤四：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，从而得到外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池，如图2所示。

实施例3，制备α放射源为Pu²³⁸，具有16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SiC衬底，以去除表面污染物，该P型SiC衬底的掺杂浓度为lx10¹⁸cm^-3，如图4(a)所示：

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)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9μm的P型SiC外延层。

A3)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1μm的N型GaN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。

本步骤与实施例一的步骤(1d)相同。

A5)在P型SiC样片外延一侧淀积的Au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Au金属层表面上旋涂一层光刻胶，按照电池16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Au、Ti金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出N型GaN外延层，得到N型GaN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GaN外延层上刻出深度为7μm，宽度为14μm，间距为24μm的16个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶。

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lx10¹⁸cm^-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9μm的N型SiC外延层。

B3)外延生长P型GaN外延层，如图5(c)所示。

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3x10¹⁹cm^-3，厚度为1μm的P型GaN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。

本步骤与实施例一的步骤(2d)相同。

B5)在N型SiC样片外延一侧淀积的Au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Au金属层表面上旋涂一层光刻胶，利用上PIN结的16个沟槽图形的光刻版，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Au、Ti金属层，反应气体采用氧气，直至在腐蚀窗口露出P型GaN外延层，得到P型GaN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GaN外延层上刻出深度为7μm，宽度为14μm，间距为24μm的16个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶。

步骤C：填充α放射源，如图6所示。

采用涂抹的方法，在上PIN结的所有沟槽中填满α放射源Pu²³⁸，如图6(a)；

采用涂抹的方法，在下PIN结的所有沟槽中填满α放射源Pu²³⁸，如图6(b)。

步骤D：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，从而得到外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池，如图2所示。

Claims (8)

1.一种外延GaN的串联式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GaN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)，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)、N型SiC外延层(8)、P型GaN外延层(7)、P型GaN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GaN外延层欧姆接触电极(5)与下PIN结的P型GaN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)。

2.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。

3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，P型SiC衬底(2)、P型SiC外延层(3)、N型SiC外延层(8)、N型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。

4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源放置沟槽(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GaN外延层(4)的厚度，q为N型GaN外延层欧姆接触电极(5)的厚度，r为P型SiC外延层(3)的厚度；对于下PIN结，m为P型GaN外延层(7)的厚度，q为P型GaN外延层欧姆接触电极(6)的厚度，r为N型SiC外延层(8)的厚度。

6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于相邻的两个沟槽(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GaN外延层欧姆接触电极(5)和P型GaN外延层欧姆接触电极(6)均由金属层Ti/Au构成，其厚度为Ti＝100nm，Au＝200nm；P型欧姆接触电极(1)和N型欧姆接触电极(10)均采用厚度为300nm的Ni金属层。

8.一种外延GaN的串联式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：

1.1)选用浓度为lx10¹⁸cm^-3的P型SiC衬底，对该P型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1.2)生长P型SiC外延层：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1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为4～9μm的P型SiC外延层；

1.3)生长N型GaN外延层：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1x10¹⁹～3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的N型GaN外延层；

1.4)淀积接触电极：在N型GaN外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ti/Au金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和N型GaN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；

1.5)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的金属Au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Au、Ti金属层进行腐蚀，露出N型GaN外延层，得到沟槽刻蚀窗口和N型GaN外延层欧姆接触电极；

1.6)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GaN外延层上刻出深度为3～7μm，宽度为5～14μm，间距为12～24μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Au表面的光刻胶；

(2)制作下PIN结：

2.1)选用浓度为lx10¹⁸cm^-3的N型SiC衬底，对该N型SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2.2)生长N型SiC外延层：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1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为4～9μm的N型SiC外延层；

2.3)生长P型GaN外延层：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1x10¹⁹～3x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的P型GaN外延层；

2.4)淀积接触电极：在P型GaN外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ti/Au金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型GaN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金属层Ni，作为N型欧姆接触电极；

2.5)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的金属层Au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Au、Ti金属层进行腐蚀，露出P型GaN外延层，得到沟槽刻蚀窗口和P型GaN外延层欧姆接触电极；

2.6)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GaN外延层上刻出深度为3～7μm，宽度为5～14μm，间距为12～24μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属层Au表面的光刻胶；

(3)填充α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在上PIN结和下PIN结的沟槽中填满α放射源；

(4)利用键合法将下PIN结的P型GaN外延层欧姆接触电极与上PIN结的N型GaN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，从而完成外延GaN的串联式PIN结构α辐照电池的制作。