CN104064246A - 沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池及制备方法，主要解决现有技术中制作碳化硅PIN结β辐照电池输出电压有限的问题。其包括：PIN结、沟槽、β放射源层、金属键合部，其中PIN结自上而下依次为P型外延层欧姆接触电极、P型外延层、N型外延层、N型SiC衬底和N型欧姆接触电极；沟槽位于PIN结上部分的左右两侧；β放射源层位于P型外延层欧姆接触电极的上方；金属键合部位于β放射源层的左右两侧，每个键合部的下面与P型外延层欧姆接触电极完全接触。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
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沟槽隔离式外延GaN的PIN型β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
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-VoltaicBattery。由于β放射源对人体的损伤比α放射源更小，在医学领域得到更广的应用，如，心脏起搏器。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。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。
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。
理论分析指出β辐照电池的输出电压不会大于β辐照电池所使用的半导体材料的禁带宽度。因而，在当前条件下如何有效提高β辐照电池的输出电压，也成为一个重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池及其制备方法，以提高β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.本发明的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池，包括：PIN结、沟槽9、β放射源层8、金属键合部5，PIN结自上而下依次包括：P型外延层欧姆接触电极6、P型外延层2、N型外延层3、N型SiC衬底4和N型欧姆接触电极7，其特征在于：
所述P型外延层2，采用直接带隙的GaN材料，以提高电池的输出电压；
所述β放射源层8，位于P型外延层欧姆接触电极6的上方；
所述沟槽9，位于PIN结上部分的左右两侧，每个沟槽的侧壁和底部淀积有Si3N4钝化层1；
金属键合部5，位于β放射源层8的左右两侧，每个键合部的下面与P型外延层欧姆接触电极6完全接触。
作为优选，所述的β放射源层8采用相对原子质量为63的镍或相对原子质量为147的钷，即Ni63或Pm147。
作为优选，所述的P型外延层2的厚度为0.1～0.2μm，掺杂浓度为1×1019～5×1019cm-3；N型外延层3的厚度为5～10μm，掺杂浓度为1×1015～2×1015cm-3；N型SiC衬底4的掺杂浓度为1×1018cm-3。
作为优选，所述的N型外延层3和N型SiC衬底4均为4H-SiC材料，以提高电池的使用寿命和开路电压，同时解决了GaN材料散热性能较差的问题。
作为优选，所述的P型外延层欧姆接触电极6选用厚度为30nm的Al金属层，以降低金属接触层对入射高能β粒子的阻挡作用，提高和原料利用率。
作为优选，所述的金属键合部5选用Ti/Au合金，其厚度为100nm/200nm。
作为优选，所述的N型欧姆接触电极7为Ni/Ti/Au合金,其厚度分别为200nm/50nm/250nm。
二.本发明的制备方法包括以下步骤：
(1)利用化学气相淀积CVD法在N型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x1015～2x1015cm-3，厚度为5～10μm的SiC的N型外延层；
(2)利用化学气相淀积CVD方法在N型外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x1019～5x1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm的GaN的P型外延层；
(3)利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术在P型外延层上刻蚀出5μm深，30～50μm宽的隔离沟槽，以实现器件间的相互隔离；
(4)采用低压热壁化学气相淀积法，在上述沟槽的侧壁以及底部淀积30～50nm厚的Si3N4钝化层；
(5)在完成上述工艺的N型SiC衬底正面涂胶，光刻出P型欧姆接触电极的窗口，然后在其上淀积30nm厚的Al金属层并剥离去胶，得到P型欧姆接触电极；
(6)利用电子束蒸发法在N型SiC衬底未外延的背面淀积Ni/Ti/Au金属层，作为N型欧姆接触电极；
(7)在P型外延层欧姆接触电极上涂胶并在其上方左右两边光刻出窗口，然后依次淀积Ti金属层和Au金属层，去胶剥离形成金属键合部；
(8)对完成上述工艺的N型SiC衬底高温快速退火；
(9)在P型欧姆接触电极上通过电子束蒸发法或磁控溅射法选择性的淀积β放射源层，完成电池的制作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池，选用禁带宽度更大且为直接带隙的GaN材料作为P型外延层，工艺简单，且可以提高β辐照电池的输出电压。
2.本发明的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池，采用4H-SiC作为主体材料。较之于传统的Si，其材料本身的禁带宽度大，抗辐照特性更为优异，可以有效抵抗高能β粒子对器件的损伤，故可以提高电池的工作电压，同时延长电池使用寿命。
3.本发明由于选用了较薄的Al金属层作为P型欧姆接触电极，可以降低金属层对β入射粒子的阻挡作用，提高β放射源利用效率。
附图说明
图1是现有的PIN核电池的截面示意图；
图2是本发明沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池的截面示意图；
图3是本发明制作沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池的流程示意图。
具体实施方式
参照图2，本发明的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池，包括：PIN结、沟槽9、β放射源层8、金属键合部5，PIN结包括：P型外延层欧姆接触电极6、P型外延层2、N型外延层3、N型SiC衬底4和N型欧姆接触电极7，其中：
P型外延层欧姆接触电极6选用厚度为30nm的Al金属层；P型外延层2的厚度为0.1～0.2μm，掺杂浓度为1×1019～5×1019cm-3，其位于P型外延层欧姆接触电极下方；N型外延层3的厚度为5～10μm，掺杂浓度为1×1015～2×1015cm-3，其位于P型外延层2的下方；N型SiC衬底4的掺杂浓度为1×1018cm-3，其位于N型外延层3的下方；N型欧姆接触电极7为厚度分别为200nm/50nm/250nm的Ni/Ti/Au合金，其位于N型SiC衬底4的下方。
所述沟槽9，深度为5μm，宽度为30～50μm，分别位于PIN结上部分的左右两侧，每个沟槽的侧壁和底部淀积有Si3N4钝化层1；
β放射源层8位于P型外延层欧姆接触电极6的上方，它采用相对原子质量为63的镍或相对原子质量为147的钷，即Ni63或Pm147。
金属键合部5为厚度100nm/200nm的Ti/Au合金，位于β放射源层8的左右两侧，每个键合部的下面与P型外延层欧姆接触电极6完全接触。
器件工作状态下，从β放射源8放射出的高能β粒子穿过P型外延层欧姆接触电极6，在半导体内部激发载流子，这些载流子被P型外延层2和N型外延层3边界附近的自建电场分离，最终形成输出电流。
参照图3，本发明制作沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池的方法给出如下三个实施例：
实施例1，制备β放射源层为Ni63，沟槽宽度30μm的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池。
步骤1：生长N型外延层，如图3a所示。
利用化学气相淀积CVD法在掺杂浓度为1×1018cm-3的N型SiC衬底表面外延生长一层低掺杂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5μm的N型外延层。
步骤2：生长P型外延层，如图3b所示。
在生长的N型外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的高掺杂P型GaN外延层：
(2.1)将生长N型外延层的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；
(2.2)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；
(2.3)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0.1μm的GaN的P型外延层
步骤3：刻蚀沟槽，如图3c所示。
在P型外延层上涂胶，光刻出P型外延层两边窗口，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术在上述两个窗口下刻蚀出5μm深，30μm宽的隔离沟槽，从而实现器件间的相互隔离；
步骤4：淀积Si3N4钝化层，如图3d所示。
采用低压热壁化学气相淀积法，在上述沟槽的侧壁以及底部淀积30nm厚的Si3N4钝化层；超声波剥离P型外延层上的光刻胶。
步骤5：制作P型外延层欧姆接触电极，如图3e所示。
在完成上述工艺的N型SiC衬底正面涂胶，光刻出P型欧姆接触电极的窗口，然后淀积金属层30nm厚的Al金属层并剥离去胶，得到P型外延层欧姆接触电极。
步骤6：制作N型欧姆接触电极，如图3f所示。
利用电子束蒸发法在N型SiC衬底未外延的背面依次淀积厚度为200nm的Ni金属层、厚度50nm的Ti金属层、厚度250nm的Au金属层，作为N型欧姆接触电极；
步骤7：制作金属键合部，如图3g。
在P型外延层欧姆接触电极上涂胶并在其上方左右两边光刻出窗口，而后依次淀积100nm厚的Ti金属层和200nm厚的Au金属成，去胶剥离形成金属键合部；
步骤8：衬底退火。
对完成上述工艺的N型SiC衬底在850℃下高温快速退火5分钟，烧结欧姆接触电极。
步骤9：淀积β放射源层，如图3h所示。
在完成上述工艺的N型SiC衬底正面涂胶，光刻出两个金属键合部之间的窗口，露出P型外延层欧姆接触电极，用电子束蒸发法在其上淀积放射源为Ni63的β放射源层，最后去胶，完成电池的制作。
实施例2，制备β放射源层为Ni63，沟槽宽度40μm的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池。
步骤一：利用化学气相淀积CVD法在掺杂浓度为1×1018cm-3的N型SiC衬底表面外延生长一层低掺杂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1.5x1015cm-3，厚度为7μm的N型外延层，如图3a所示。
步骤二：在生长的N型外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的高掺杂P型GaN外延层，首先将生长N型外延层的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；然后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；最后将反应室降温至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0.15μm的GaN的P型外延层，如图3b所示。
步骤三：在P型外延层上涂胶，光刻出P型外延层两边窗口，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术在上述两个窗口下刻蚀出5μm深，40μm宽的隔离沟槽，从而实现器件间的相互隔离，如图3c所示；
步骤四：淀积Si3N4钝化层。
采用低压热壁化学气相淀积法，在上述沟槽的侧壁以及底部淀积40nm厚的Si3N4钝化层；超声波剥离P型外延层上的光刻胶，如图3d所示。
步骤五：制作P型外延层欧姆接触电极，如图3e所示：
本步骤与实施例一的步骤5相同。
步骤六：制作N型欧姆接触电极，如图3f所示：
本步骤与实施例一的步骤6相同。
步骤七：制作金属键合部，如图3g所示：
本步骤与实施例一的步骤7相同。
步骤八：对完成上述工艺的N型SiC衬底在900℃下高温快速退火3分钟，烧结欧姆接触电极。
步骤九：在完成上述工艺的N型SiC衬底正面涂胶，光刻出两个金属键合部之间的窗口，露出P型外延层欧姆接触电极，用电子束蒸发法在其上淀积放射源为Ni63的β放射源层，最后去胶，完成电池的制作，如图3h所示。
实施例3，制备β放射源层为Pm147，沟槽宽度为50μm的沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池。
步骤A：生长N型外延层，如图3a所示。
利用化学气相淀积CVD法在掺杂浓度为1×1018cm-3的N型SiC衬底表面外延生长一层低掺杂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2x1015cm-3，厚度为10μm的N型外延层。
步骤B：生长P型外延层，如图3b所示。
在生长的N型外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的高掺杂P型GaN外延层：
B1)将生长N型外延层的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；
B2)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；
B3)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5x1019cm-3，厚度为0.2μm的GaN材料的P型外延层。
步骤C：刻蚀沟槽，如图3c所示。
在P型外延层上涂胶，光刻出P型外延层两边窗口，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术在上述两个窗口下刻蚀出5μm深，50μm宽的隔离沟槽，从而实现器件间的相互隔离；
步骤D：淀积Si3N4钝化层，如图3d所示。
采用低压热壁化学气相淀积法，在上述沟槽的侧壁以及底部淀积50nm厚的Si3N4钝化层；超声波剥离P型外延层上的光刻胶。
步骤E：制作P型外延层欧姆接触电极，如图3e所示。
本步骤与实施例一的步骤5相同。
步骤F：制作N型欧姆接触电极，如图3f所示。
本步骤与实施例一的步骤6相同。
步骤G：制作金属键合部，如图3g所示。
本步骤与实施例一的步骤7相同。
步骤H：衬底退火。
对完成上述工艺的N型SiC衬底在950℃下高温快速退火3分钟，烧结欧姆接触电极。
步骤I：淀积β放射源层，如图3h所示。
在完成上述工艺的N型SiC衬底正面涂胶，光刻出两个金属键合部之间的窗口，露出P型外延层欧姆接触电极，用电子束蒸发法在其上淀积放射源为Pm147的β放射源层，最后去胶，完成电池的制作。
Claims (8)
1.一种沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池，包括：PIN结、沟槽(9)、β放射源层(8)、金属键合部(5)，PIN结自上而下依次包括：P型外延层欧姆接触电极(6)、P型外延层(2)、N型外延层(3)、N型SiC衬底(4)和N型欧姆接触电极(7)，其特征在于：
所述P型外延层(2)，采用直接带隙的GaN材料，以提高电池的输出电压；
所述β放射源层(8)，位于P型外延层欧姆接触电极(6)的上方；
所述沟槽(9)，位于PIN结上部分的左右两侧，每个沟槽的侧壁和底部淀积有Si3N4钝化层(1)；
金属键合部(5)，位于β放射源层(8)的左右两侧，每个键合部的下面与P型外延层欧姆接触电极(6)完全接触。
2.根据权利要求1所述的β辐照电池，其特征在于β放射源层(8)采用相对原子质量为63的镍或相对原子质量为147的钷，即Ni63或Pm147。
3.根据权利要求1所述的β辐照电池，其特征在于P型外延层(2)的厚度为0.1～0.2μm，掺杂浓度为1×1019～5×1019cm-3；N型外延层(3)的厚度为5～10μm，掺杂浓度为1×1015～2×1015cm-3；N型SiC衬底(4)的掺杂浓度为1×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的β辐照电池，其特征在于N型外延层(3)和N型SiC衬底(4)均为4H-SiC材料，以提高电池的使用寿命和开路电压，同时解决了GaN材料散热性能较差的问题。
5.根据权利要求1所述的β辐照电池，其特征在于P型外延层欧姆接触电极(6)采用厚度为30nm的Al金属层，以降低金属接触层对入射高能β粒子的阻挡作用，提高原料利用率。
6.根据权利要求1所述的β辐照电池，其特征在于金属键合部(5)选用Ti/Au合金，其厚度为100nm/200nm。
7.根据权利要求1所述的的β辐照电池，其特征在于所述N型欧姆接触电极(7)采用Ni/Ti/Au合金,其厚度分别为200nm/50nm/250nm。
8.一种沟槽隔离式外延GaN的PIN型β辐照电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用化学气相淀积CVD法在N型SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x1015～2x1015cm-3，厚度为5～10μm的SiC的N型外延层；
(2)利用化学气相淀积CVD方法在N型外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x1019～5x1019cm-3，厚度为0.1～0.2μm的GaN的P型外延层；
(3)利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术在P型外延层上刻蚀出5μm深，30～50μm宽的隔离沟槽，以实现器件间的相互隔离；
(4)采用低压热壁化学气相淀积法，在上述沟槽的侧壁以及底部淀积30～50nm厚的Si3N4钝化层；
(5)在完成上述工艺的N型SiC衬底正面涂胶，光刻出P型欧姆接触电极的窗口，然后在其上淀积30nm厚的Al金属层并剥离去胶，得到P型欧姆接触电极；
(6)利用电子束蒸发法在N型SiC衬底未外延的背面淀积Ni/Ti/Au金属层，作为N型欧姆接触电极；
(7)在P型外延层欧姆接触电极上涂胶并在其上方左右两边光刻出窗口，然后依次淀积Ti金属层和Au金属层，去胶剥离形成金属键合部；
(8)对完成上述工艺的N型SiC衬底高温快速退火；
(9)在P型欧姆接触电极上通过电子束蒸发法或磁控溅射法选择性的淀积β放射源层，完成电池的制作。
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