CN104464868B - GaN肖特基结型核电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

GaN肖特基结型核电池及其制备方法，涉及核电池。核电池从下至上依次包括蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层、n‑GaN层、肖特基金属层、SiO₂保护层、欧姆接触层和放射性同位素层。在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、n+GaN层、n‑GaN层；在n‑GaN层上得到两个暴露出n+GaN层的窗口；在整个器件的上表面生长SiO₂保护层；在SiO₂保护层上腐蚀出用于肖特基接触的窗口；通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层；光刻并腐蚀出用于欧姆接触的窗口；通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层，退火，得到良好的欧姆接触，SiO₂保护层在此过程中起到保护的作用；加上放射性同位素层以形成核电池。

Description

GaN肖特基结型核电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及核电池，尤其是涉及一种GaN(Gallium Nitride)肖特基结型核电池及其制备方法。

背景技术

核电池(Betavoltaic Battery)是一种依靠半导体结型器件的特性将放射性同位素辐射出的β射线能量直接转换成电能的器件。由于β放射源有很长的半衰期(几十年甚至上百年)，而且放射特性不受外界的干扰，因此核电池非常适合于调节恶劣长期无人看管又需要提供电源的场合，比如航空航天、深海、极地以及植入式器件等。由于核电池与半导体工艺的兼容，使得它具有成为MEMS器件片上电源的优点。

在核电池发展的几十年里，由于硅工艺的成熟和材料的易得性和微电子的迅猛发展，基于硅的PN结型核电池一直占据主导地位。同时，人们也对其它半导体材料在核电池上的应用做了探讨。在文献“Review of betavoltaic energy conversion(Proceedings ofthe 12th Space Photovoltaic Research and Technology Conference(SPRAT 12)p256-267)”中Olsen Larry C.指出核电池的转换效率η满足下面的关系式：

$\mathrm{\η}=\frac{J_{SC}{V}_{OC}FF}{P_{in}}=\frac{(1-R){\mathrm{QJ}}_{\max }{V}_{OV}FF}{1.6\×{10}^{-19}{N}_0{E}_{\mathrm{\β}}}=\frac{N_{\mathrm{\β}}}{N_0}(1-R)Q\frac{V_{OC}FF}{\mathrm{\ϵ}}$

其中，

ε＝2.8Eg+0.5(eV)

$FF=\frac{V_{OC}-\frac{kT}{q}ln\[{\mathrm{qV}}_{OC}/kT+0.72\]}{V_{OC}+kT/q}$

$V_{oc}=\frac{E_g}{q}-\frac{kT}{q}ln\frac{1.5\×{10}^5}{J_{SC}}$

也就是说在其他条件不变的情况下，核电池的转换效率η和所采用的半导体材料的禁带宽度Eg满足上述关系，可以看出，半导体材料的禁带宽度越大，核电池的转换效率就越高。所以采用宽禁带的半导体材料有助于提高核电池的性能。

在文献“Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell(APPLIED PHYSICSLETTERS 88,033506,2006)”中作者公布了一种基于宽禁带半导体碳化硅(SiC)的核电池。与基于窄禁带半导体硅的核电池相比，该电池的转换效率有了大幅度的提高。

随着GaN材料生产和加工技术的成熟，GaN宽禁带、抗辐照能力强等优点使它成为一种可用于核电池制备的申请号为200910030431.1的中国专利“一种PN型核电池和其制备方法”中，公开了一种基于GaN的PN结型核电池。

然而，由于P型GaN的生长的晶体质量有待提高并且掺杂得到的空穴浓度不高，这都限制了PN结型GaN核电池的性能。而N型GaN的晶体质量已经可以做到很好，掺杂浓度都可以做到很高，所以基于N型GaN的肖特基结型核电池就能在利用GaN宽禁带和抗辐照能力强的有点的同时避免P型GaN生长困难的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对硅基核电池由于禁带窄而导致转换效率偏低、而PN结型GaN核电池又难于得到质量好的P型GaN问题，提供一种转换效率高、抗辐照能力强、工艺简易可靠的GaN肖特基结型核电池及其制备方法。

所述GaN肖特基结型核电池从下至上依次包括蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层、n-GaN层、肖特基金属层、欧姆接触层和放射性同位素层；

蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸相同，n-GaN层和肖特基金属层是在蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层上刻蚀出两个电极窗口，欧姆接触层将电极窗口填满。

所述蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸可为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)；所述n+GaN层的厚度可为1～3μm；所述n-GaN层的厚度可为0.3～1μm。

所述电极窗口的尺寸可为200μm×200μm。

所述放射性同位素层可采用放射源Ni-63或Pm-147；放射性同位素层可直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。

所述n+GaN层的掺杂浓度可为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³。

所述n-GaN层的掺杂浓度可为1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³。

所述肖特基金属层可为5～30nm的Au，或5～30nm的Ni和5～30nm的Au。

所述欧姆接触可为10～20nm/100～200nm/10～50nm/100～200nm的Ti/Al/Ti/Au合金。

所述GaN肖特基结型核电池的制备方法，包括以下步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；

2)在GaN缓冲层上继续生长n+GaN层；

3)在n+GaN层上继续生长n-GaN层；

4)在n-GaN层上通过光刻和刻蚀的方法得到两个暴露出n+GaN层的窗口；

5)通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层；

6)通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层，在400～700℃的温度下退火，得到良好的欧姆接触；

7)加上放射性同位素层以形成核电池。

所述GaN肖特基结型核电池从下至上依次包括蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层、n-GaN层、肖特基金属层、SiO₂保护层、欧姆接触层和放射性同位素层；

蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸相同，n-GaN层和肖特基金属层是在蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层上刻蚀出两个电极窗口，SiO₂保护层、欧姆接触层将电极窗口填满。

所述蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸可为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)；所述n+GaN层的厚度可为1～3μm；所述n-GaN层的厚度可为0.3～1μm；SiO₂保护层的厚度可为0.3～1μm。

所述电极窗口的尺寸可为200μm×200μm。

所述放射性同位素层可采用放射源Ni-63或Pm-147；放射性同位素层可直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。

所述n+GaN层的掺杂浓度可为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³。

所述n-GaN层的掺杂浓度可为1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³。

所述肖特基金属层可为5～30nm的Au，或5～30nm的Ni和5～30nm的Au。

所述欧姆接触层可为10～20nm/100～200nm/10～50nm/100～200nm的Ti/Al/Ti/Au合金。

所述GaN肖特基结型核电池的制备方法，包括以下步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；

2)在GaN缓冲层上继续生长n+GaN层；

3)在n+GaN层上继续生长n-GaN层；

4)在n-GaN层上通过光刻和刻蚀的方法得到两个暴露出n+GaN层的窗口；

5)在整个器件的上表面采用PECVD的方法生长SiO₂保护层；

6)采用光刻和HF腐蚀的方法在SiO₂保护层上腐蚀出用于肖特基接触的窗口；

7)通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层；

8)光刻并腐蚀出用于欧姆接触的窗口；

9)通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层，在400～700℃的温度下退火，得到良好的欧姆接触，SiO₂保护层在此过程中起到保护的作用；

10)加上放射性同位素层以形成核电池。

本发明采用了宽禁带的半导体材料GaN，使得其开路电压、短路电流和转换效率都得到了明显的提高。另外，本发明采用了肖特基结构，避免了P型GaN难于生长或者生长质量有待提高的不足，同时也使制备工艺变得简单。

附图说明

图1是本发明的整体机构示意图。

图2是本发明中核电池的制备过程。

图3是本发明中另外一种核电池的整体结构示意图。

图4是本发明中另外一种核电池的制备过程。

在图中，各标记为：1.蓝宝石衬底层、2.GaN缓冲层、3.n+GaN层、4.n-GaN层、5.肖特基金属层、6.SiO₂保护层、7.欧姆接触层、8.放射性同位素层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

参见图1，本发明的结构包括8层，从下往上依次为蓝宝石衬底层1、GaN缓冲层2、n+GaN层3、n-GaN层4、肖特基金属层5、SiO₂保护层6、欧姆接触层7和放射性同位素层8。其中蓝宝石衬底层1、GaN缓冲层2和n+GaN层3的尺寸一致为0.3μm×0.3～3mm×3mm。n-GaN层4和肖特基金属层5的尺寸是在前面蓝宝石衬底层1、GaN缓冲层2、n+GaN层3的基础上刻蚀出两个200μm×200μm的电极窗口。而SiO₂保护层6、欧姆接触层7则将上述提到的电极窗口填满。放射源为Ni-63或者Pm-147，可以直接用电镀的方法与半导体结构耦合，也可以先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。n+GaN层3的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³。n-GaN层4的掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³。肖特基金属层5为5～30nm的Au或者5～30nm的Ni和5～30nm的Au。欧姆接触层7为10～20nm/100～200nm/10～50nm/100～200nm的Ti/Al/Ti/Au合金。本发明通过采用宽禁带的半导体材料GaN，提高了核电池的开路电压、短路电流和转换效率，并通过采用N型GaN肖特基结结构避免了P性GaN材料不易生长的不足。

参见图2，此实施例的制备方法如下

1.在蓝宝石衬底1上生长一层GaN缓冲层2；

2.在GaN缓冲层2上继续生长一层1～3μm厚度的n+GaN层3；

3.在n+GaN层3上继续生长一层0.3～1μm厚度的n-GaN层4；

4.在n-GaN层4上通过光刻和刻蚀的方法得到两个暴露出n+GaN层3的窗口；

5.在整个器件的上表面采用PECVD的方法生长一层0.3～1μm后的SiO₂保护层6；

6.采用光刻和HF腐蚀的方法在SiO₂保护层6上腐蚀出用于肖特基接触的窗口；

7.通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层5；

8.光刻并腐蚀出用于欧姆接触的窗口；

9.通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层7，在400～700℃的温度下退火，得到良好的欧姆接触，SiO₂保护层6在此过程中起到保护的作用；

10.加上放射性同位素层8以形成核电池。

实施例2

参见图3，与实施例1类似，只是结构中将SiO₂保护层去掉。鉴于GaN稳定的化学性质，此中涉及并不会对核电池性能造成很大影响，而又能极大地将制备过程简化。参见图4，实施例2的制备方法如下：

1)在蓝宝石衬底1上生长一层GaN缓冲层2；

2)在GaN缓冲层2上继续生长一层1～3μm厚度的n+GaN层3；

3)在n+GaN层3上继续生长一层0.3～1μm厚度的n-GaN层4；

4)在n-GaN层4上通过光刻和刻蚀的方法得到两个暴露出n+GaN层3的窗口；

5)通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层5；

6)通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层7，在400～700℃的温度下退火，得到良好的欧姆接触；

7)加上放射性同位素层8以形成核电池。

Claims (8)

1.GaN肖特基结型核电池，其特征在于其从下至上依次包括蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层、n-GaN层、肖特基金属层、欧姆接触层和放射性同位素层；

蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸相同，n-GaN层和肖特基金属层是在蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层上刻蚀出两个电极窗口，欧姆接触层将电极窗口填满；

所述蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)；所述n+GaN层的厚度为1～3μm；所述n-GaN层的厚度为0.3～1μm；所述电极窗口的尺寸为200μm×200μm。

2.如权利要求1所述GaN肖特基结型核电池，其特征在于所述放射性同位素层采用放射源Ni-63或Pm-147；放射性同位素层直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。

3.如权利要求1所述GaN肖特基结型核电池，其特征在于所述n+GaN层的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³；所述n-GaN层的掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³；

所述肖特基金属层为5～30nm的Au，或5～30nm的Ni和5～30nm的Au；

所述欧姆接触为10～20nm/100～200nm/10～50nm/100～200nm的Ti/Al/Ti/Au合金。

4.如权利要求1所述GaN肖特基结型核电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；

2)在GaN缓冲层上继续生长n+GaN层；

3)在n+GaN层上继续生长n-GaN层；

4)在n-GaN层上通过光刻和刻蚀的方法得到两个暴露出n+GaN层的窗口；

5)通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层；

6)通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层，在400～700℃的温度下退火，得到良好的欧姆接触；

7)加上放射性同位素层以形成核电池。

5.GaN肖特基结型核电池，其特征在于其从下至上依次包括蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层、n-GaN层、肖特基金属层、SiO₂保护层、欧姆接触层和放射性同位素层；

蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸相同，n-GaN层和肖特基金属层是在蓝宝石衬底层、GaN缓冲层、n+GaN层上刻蚀出两个电极窗口，SiO₂保护层、欧姆接触层将电极窗口填满；

所述蓝宝石衬底层、GaN缓冲层和n+GaN层的尺寸为(0.3μm×0.3μm)～(3mm×3mm)；所述n+GaN层的厚度为1～3μm；所述n-GaN层的厚度为0.3～1μm；SiO₂保护层的厚度为0.3～1μm；所述电极窗口的尺寸为200μm×200μm。

6.如权利要求5所述GaN肖特基结型核电池，其特征在于所述放射性同位素层采用放射源Ni-63或Pm-147；放射性同位素层直接用电镀的方法与半导体结构耦合，或先将放射源电镀在金属薄片上，再将其覆盖在半导体结构上。

7.如权利要求5所述GaN肖特基结型核电池，其特征在于所述n+GaN层的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹/cm³；所述n-GaN层的掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm³；

所述肖特基金属层为5～30nm的Au，或5～30nm的Ni和5～30nm的Au；

所述欧姆接触层为10～20nm/100～200nm/10～50nm/100～200nm的Ti/Al/Ti/Au合金。

8.如权利要求5所述GaN肖特基结型核电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；

2)在GaN缓冲层上继续生长n+GaN层；

3)在n+GaN层上继续生长n-GaN层；

4)在n-GaN层上通过光刻和刻蚀的方法得到两个暴露出n+GaN层的窗口；

5)在整个器件的上表面采用PECVD的方法生长SiO₂保护层；

6)采用光刻和HF腐蚀的方法在SiO₂保护层上腐蚀出用于肖特基接触的窗口；

7)通过光刻和溅射的方法得到肖特基金属层；

8)光刻并腐蚀出用于欧姆接触的窗口；

9)通过光刻和溅射的步骤得到欧姆接触层，在400～700℃的温度下退火，得到良好的欧姆接触，SiO₂保护层在此过程中起到保护的作用；

10)加上放射性同位素层以形成核电池。