CN105448374B - 采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池及其制造方法，目的在于：提高能量转换效率和封装密度，提高集成度和实用性，本发明的电池所采用的技术方案为：包括自下而上依次设置的SiC衬底、第一N型SiC外延层、P型SiC外延层和第二N型SiC外延层，第二N型SiC外延层上开设有若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层，若干个台阶的顶部中间位置均开设有凹槽，凹槽内设置N型SiC欧姆接触掺杂区，N型SiC欧姆接触掺杂区上端设置有N型欧姆接触电极，N型欧姆接触电极的形状与N型SiC欧姆接触掺杂区形状相同，N型欧姆接触电极两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源；相邻台阶之间的沟槽底部设置有P型欧姆接触电极，P型欧姆接触电极与P型SiC外延层接触。

Description

采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件以及半导体工艺技术领域，尤其是涉及一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池及其制造方法。

背景技术

同位素电池是采用半导体二极管作为换能元件，采用放射性同位素衰变产生的带电粒子在半导体材料中的电离效应将核放射能转换成电能。为了获得足够高且长期稳定的输出功率以加快推进其实用，需要从换能元件和放射源两个方面同时进行优化设计。

在放射源方面，目前大都采用低能β放射源(如63Ni，粒子平均能量17.1KeV)作为能量源，其电子通量密度较低；同时由于放射源的自吸收效应，单纯的靠提高放射源的强度来提升输出功率的意义有限。如果采用高能β放射源(如147Pm等)，由于粒子射程较深，给辐照生载流子的有效吸收带来了困难。从电离能收集的角度上说，α放射源作为能源是比较理想的。以241Am为例，粒子能量高(5.5MeV)但射程适中(在Si材料中约28μm)，且主要以电离的方式在材料中沉积能量，如果用作能量源可以有效提高电池的输出功率；然而α粒子容易造成半导体器件的辐照损伤，降低换能元件的使用寿命。

以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大﹑抗辐射能力强等优点，用其制成的同位素电池换能元件的内建电势高﹑漏电流小，理论上可以得到比硅基电池更高的开路电压和能量转换效率。同时，宽禁带材料和器件优越的抗辐射特性，也使得采用α放射源作为同位素电池能源成为可能。相比于SiC肖特基二极管，SiC PIN二极管具有内建电势高、漏电流小等优点，用其制成的同位素电池具有开路电压高、转换效率高等优点。

但是目前采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池的研究也存在很多的问题，特别是目前报道的同位素电池大都采用纵向结构，即二极管的两个电极分别位于衬底和外延面上，并采用低掺杂厚外延层以充分吸收辐照生载流子。这种结构工艺较为简单，但并不适用于α放射源，这是因为根据辐射伏特理论，耗尽区内及其附近一个少子扩散长度内的辐照生载流子能被收集。对于SiC二极管，即使采用低掺杂的外延层，耗尽区宽度也不过1～2um，而SiC材料中少子扩散长度仅为几um。由于α粒子射程较深且能量在射程附近集中释放，因此材料深处的辐照生载流子难以充分吸收。同时，厚的外延层也会导致器件串联电阻较大，从而影响转换效率。因此，研制新型器件结构，充分吸收材料深处的辐照生载流子，是提升电池转换效率，是推进α放射源同位素电池尽快实用的关键。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种有利于提高能量转换效率和封装密度，有利于集成，实用性强的采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池及其制造方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，包括自下而上依次设置的SiC衬底、第一N型SiC外延层、P型SiC外延层和第二N型SiC外延层，所述第二N型SiC外延层上开设有若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层，所述若干个台阶的顶部中间位置均注入形成有N型SiC欧姆接触掺杂区，N型SiC欧姆接触掺杂区上端与台阶顶部齐平，N型SiC欧姆接触掺杂区上端设置有N型欧姆接触电极，所述N型欧姆接触电极的形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区形状相同，所述N型欧姆接触电极两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源；所述相邻台阶之间的沟槽底部设置有P型欧姆接触电极，P型欧姆接触电极与所述P型SiC外延层接触。

所述第二N型SiC外延层上的台阶高度为5μm～15μm，台阶宽度为10μm～20μm，台阶之间的间距为2μm～5μm。

所述第二N型SiC外延层的厚度为5μm～15μm。

所述第一N型SiC外延层的厚度为10μm～30μm。

所述P型SiC外延层的厚度为0.5μm～5μm。

所述N型SiC欧姆接触掺杂区和所述N型欧姆接触电极的宽度均为0.5μm～2μm。

所述N型欧姆接触电极包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述Pt层的厚度为50nm～200nm。

所述P型欧姆接触电极的宽度均与台阶间距相同。

所述P型欧姆接触电极包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述Pt层的厚度为50nm～200nm。

一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、提供由SiC基片构成的衬底；

步骤二、采用化学气相沉积法在衬底的上表面上依次外延生长掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3、厚度为10μm～30μm的第一N型SiC外延层，厚度为0.5μm～5μm的P型SiC外延层，厚度为5μm～15μm的第二N型SiC外延层；

步骤三、通过SF₆气体，采用反应离子干法刻蚀法在第二N型SiC外延层上刻蚀出宽度10μm～20μm，间距2μm～5μm，高度与第二N型SiC外延层厚度相同的若干个台阶，相邻台阶之间设沟槽，沟槽底部露出P型SiC外延层；

步骤四、采用离子注入法在第二N型SiC外延层的台阶顶部上形成掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3的N型SiC欧姆接触掺杂区，并在惰性气体气氛下进行温度为1650℃～1700℃的热退火；

步骤五、在N型SiC欧姆接触掺杂区上方依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm；

步骤六、在沟槽底部的P型SiC外延层上依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm；

步骤七、在N₂气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火，在N型SiC欧姆接触掺杂区的上部形成由Ni层和Pt层构成的N型欧姆接触电极；在沟槽底部的P型SiC外延层上部形成由Ni层和Pt层构成的P型欧姆接触电极；

步骤八、除去在台阶顶部两端的N型欧姆接触电极，仅保留中间的N型欧姆接触电极，并在台阶顶部除去N型欧姆接触电极的区域设置α放射源，即得到采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池。

与现有技术相比，本发明的采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池包括自下而上依次设置的SiC衬底、第一N型SiC外延层、P型SiC外延层和第二N型SiC外延层，在第二N型SiC外延层上开设若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层，沟槽底部设置P型欧姆接触电极，P型欧姆接触电极与P型SiC外延层接触，利用埋层结构将P区深入到I层深处，可以有效增强对α粒子射程附近辐照生载流子的吸收，提升输出功率和能量转化效率。传统结构因为主要靠耗尽区收集辐照生载流子，欧姆接触电极和欧姆接触掺杂区会造成入射粒子能量的损失；本发明的电池主要靠P型欧姆接触掺杂区附近一个少子扩散长度范围内的中性区收集辐照生载流子，不再依赖P型欧姆接触掺杂区的面积，从而有效的减少了入射粒子的能量损失，提高能量转换效率。

对于纵向结构的器件，I区的掺杂浓度会影响开路电压﹑灵敏区厚度﹑串联电阻等多个参数，难以折中；而横向结构由于采用了中性区收集辐照生载流子，P型欧姆接触电极与N型欧姆接触电极之间的间距由少子扩散长度决定，因此可以通过适当提高I区N型SiC外延层的掺杂浓度的方法来提高开路电压，降低串联电阻，并使器件的设计更加灵活，同时也可以有效的提升辐照容限，这对于采用α放射源的同位素电池意义更为重大。本发明的电池采用了横向器件结构，由于没有了衬底的影响，容易获得比纵向结构低的串联电阻，从而提高填充因子，采用了横向结构，可以减薄衬底来缩小电池的体积，提高了封装密度，有利于该微型核电池集成到MEMS微系统中，对P型欧姆接触电极金属层厚度和P型SiC欧姆接触掺杂区的厚度不像纵向结构那么敏感，易于工艺上的实现。

本发明的制造方法中在第二N型SiC外延层上刻蚀出与第二N型SiC外延层厚度相同的若干个台阶，相邻台阶之间设沟槽，沟槽底部露出P型SiC外延层，在沟槽底部的P型SiC外延层上部形成由Ni层和Pt层构成的P型欧姆接触电极，利用埋层结构将P区深入到I层深处，可以有效增强对α粒子射程附近辐照生载流子的吸收，提升输出功率和能量转化效率，制造出的电池采用了横向器件结构，由于没有了衬底的影响，容易获得比纵向结构低的串联电阻，从而提高填充因子，采用了横向结构，可以减薄衬底来缩小电池的体积，提高了封装密度，有利于该微型核电池集成到MEMS微系统中，对P型欧姆接触电极金属层厚度和P型SiC欧姆接触掺杂区的厚度不像纵向结构那么敏感，易于工艺上的实现。本发明的制造方法，工艺简单，实现方便且成本低，制造出的电池实用性强，推广应用价值高。

附图说明

图1为本发明电池的结构示意图；

图2为本发明制造方法的流程图；

图3a为步骤二完成后的电池结构示意图，图3b为步骤三完成后的电池结构示意图，图3c为步骤四完成后的电池结构示意图，图3d为步骤五完成后的电池结构示意图，图3e为步骤六完成后的电池结构示意图；

其中，1-SiC衬底；2-第一N型SiC外延层；3-P型SiC外延层；4-第二N型SiC外延层；5-N型SiC欧姆接触掺杂区；6-N型欧姆接触电极；7-P型欧姆接触电极；8-α放射源。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

参见图1，一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，包括自下而上依次设置的SiC衬底1、第一N型SiC外延层2、P型SiC外延层3和第二N型SiC外延层4，第二N型SiC外延层4的厚度为5μm～15μm，第一N型SiC外延层2的厚度为10μm～30μm；P型SiC外延层3的厚度为0.5μm～5μm；

第二N型SiC外延层4上开设有若干个台阶，第二N型SiC外延层4上的台阶高度为5μm～15μm，台阶宽度为10μm～20μm，台阶之间的间距为2μm～5μm，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层3，若干个台阶的顶部中间位置均注入有N型SiC欧姆接触掺杂区5，N型SiC欧姆接触掺杂区5上端与台阶顶部齐平，N型SiC欧姆接触掺杂区5上端设置有N型欧姆接触电极6，N型欧姆接触电极6的形状与N型SiC欧姆接触掺杂区5形状相同，N型SiC欧姆接触掺杂区5和N型欧姆接触电极6的宽度均为0.5μm～2μm，N型欧姆接触电极6包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm。N型欧姆接触电极6两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源8；相邻台阶之间的沟槽底部设置有P型欧姆接触电极7，P型欧姆接触电极7与P型SiC外延层3接触，P型欧姆接触电极7的宽度均与台阶间距相同，P型欧姆接触电极7包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm。

一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池的制造方法，参见图2，包括以下步骤：

步骤一、提供由SiC基片构成的衬底1；

步骤二、采用化学气相沉积法在衬底1的上表面上依次外延生长掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3、厚度为10μm～30μm的第一N型SiC外延层2，厚度为0.5μm～5μm的P型SiC外延层3，厚度为5μm～15μm的第二N型SiC外延层4，形成的电池结构如图3a所示；

步骤三、通过SF₆气体，采用反应离子干法刻蚀法在第二N型SiC外延层4上刻蚀出宽度10μm～20μm，间距2μm～5μm，高度与第二N型SiC外延层4厚度相同的若干个台阶，相邻台阶之间设沟槽，沟槽底部露出P型SiC外延层3，形成的电池结构如图3b所示；

步骤四、采用离子注入法在第二N型SiC外延层4的台阶顶部上形成掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3的N型SiC欧姆接触掺杂区5，并在惰性气体Ar气氛下进行温度为1650℃～1700℃的热退火10分钟，形成的电池结构如图3c所示；

步骤五、在N型SiC欧姆接触掺杂区5上方依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm，形成的电池结构如图3d所示；

步骤六、在沟槽底部的P型SiC外延层3上依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm，形成的电池结构如图3e所示；

步骤七、在N₂气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火两分钟，在N型SiC欧姆接触掺杂区5的上部形成由Ni层和Pt层构成的N型欧姆接触电极6；在沟槽底部的P型SiC外延层3上部形成由Ni层和Pt层构成的P型欧姆接触电极7；

步骤八、除去在台阶顶部两端的N型欧姆接触电极6，仅保留中间的N型欧姆接触电极6，并在台阶顶部除去N型欧姆接触电极6的区域设置α放射源8，即得到如图1所示的采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池。

本发明采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池采用埋层结构将P区深入到I层深处，可以有效增强对α粒子射程附近辐照生载流子的吸收，提升输出功率和能量转化效率。传统结构因为主要靠耗尽区收集辐照生载流子，欧姆接触电极和欧姆接触掺杂区会造成入射粒子能量的损失；本发明主要靠P型欧姆接触掺杂区附近一个少子扩散长度范围内的中性区收集辐照生载流子，不再依赖P型欧姆接触掺杂区的面积，从而有效的减少了入射粒子的能量损失，提高能量转换效率。

对于纵向结构的器件，I区的掺杂浓度会影响开路电压﹑灵敏区厚度﹑串联电阻等多个参数，难以折中；而横向结构由于采用了中性区收集辐照生载流子，P型欧姆接触电极与N型欧姆接触电极之间的间距由少子扩散长度决定，因此可以通过适当提高I区N型SiC外延层的掺杂浓度的方法来提高开路电压，降低串联电阻，并使器件的设计更加灵活，同时也可以有效的提升辐照容限，这对于采用α放射源的同位素电池意义更为重大。采用了横向器件结构，由于没有了衬底的影响，容易获得比纵向结构低的串联电阻，从而提高填充因子。本发明电池采用了横向结构，可以减薄衬底来缩小电池的体积，提高了封装密度，有利于该微型核电池集成到MEMS微系统中。本发明的电池器件结构，对P型欧姆接触电极金属层厚度和P型SiC欧姆接触掺杂区的厚度不像纵向结构那么敏感，易于工艺上的实现。本发明的制造方法，工艺简单，实现方便且成本低，制造出的电池的实用性强，推广应用价值高。

综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便，有利于提高采用α放射源的同位素电池的能量转换效率和封装密度，有利于集成，实用性强，推广应用价值高。

以上所述仅是对本发明的具体解释说明，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，包括自下而上依次设置的SiC衬底(1)、第一N型SiC外延层(2)、P型SiC外延层(3)和第二N型SiC外延层(4)，所述第二N型SiC外延层(4)上开设有若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层(3)，所述若干个台阶的顶部中间位置均注入形成有N型SiC欧姆接触掺杂区(5)，N型SiC欧姆接触掺杂区(5)上端与台阶顶部齐平，N型SiC欧姆接触掺杂区(5)上端设置有N型欧姆接触电极(6)，所述N型欧姆接触电极(6)的形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区(5)形状相同，所述N型欧姆接触电极(6)两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源(8)；所述相邻台阶之间的沟槽底部设置有P型欧姆接触电极(7)，P型欧姆接触电极(7)与所述P型SiC外延层(3)接触，所述P型欧姆接触电极(7)的宽度均与台阶间距相同；所述第二N型SiC外延层(4)上的台阶高度为5μm～15μm，台阶宽度为10μm～20μm，台阶之间的间距为2μm～5μm。

2.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述第二N型SiC外延层(4)的厚度为5μm～15μm。

3.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述第一N型SiC外延层(2)的厚度为10μm～30μm。

4.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述P型SiC外延层(3)的厚度为0.5μm～5μm。

5.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述N型SiC欧姆接触掺杂区(5)和所述N型欧姆接触电极(6)的宽度均为0.5μm～2μm。

6.根据权利要求5所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述N型欧姆接触电极(6)包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述Pt层的厚度为50nm～200nm。

7.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述P型欧姆接触电极(7)包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述Pt层的厚度为50nm～200nm。

8.一种如权利要求1-7任一项所述采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提供由SiC基片构成的衬底(1)；

步骤二、采用化学气相沉积法在衬底(1)的上表面上依次外延生长掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3、厚度为10μm～30μm的第一N型SiC外延层(2)，厚度为0.5μm～5μm的P型SiC外延层(3)，厚度为5μm～15μm的第二N型SiC外延层(4)；

步骤三、通过SF₆气体，采用反应离子干法刻蚀法在第二N型SiC外延层(4)上刻蚀出宽度10μm～20μm，间距2μm～5μm，高度与第二N型SiC外延层(4)厚度相同的若干个台阶，相邻台阶之间设沟槽，沟槽底部露出P型SiC外延层(3)；

步骤四、采用离子注入法在第二N型SiC外延层(4)的台阶顶部上形成掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3的N型SiC欧姆接触掺杂区(5)，并在惰性气体气氛下进行温度为1650℃～1700℃的热退火；

步骤五、在N型SiC欧姆接触掺杂区(5)上方依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm；

步骤六、在沟槽底部的P型SiC外延层(3)上依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm～400nm，Pt层的厚度为50nm～200nm；

步骤七、在N₂气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火，在N型SiC欧姆接触掺杂区(5)的上部形成由Ni层和Pt层构成的N型欧姆接触电极(6)；在沟槽底部的P型SiC外延层(3)上部形成由Ni层和Pt层构成的P型欧姆接触电极(7)；

步骤八、除去在台阶顶部两端的N型欧姆接触电极(6)，仅保留中间的N型欧姆接触电极(6)，并在台阶顶部除去N型欧姆接触电极(6)的区域设置α放射源(8)，即得到采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池。