CN108962418B - 一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种Pm‑147碳化硅缓变肖特基同位素电池，包括衬底，衬底下方设置N型欧姆接触电极，衬底上部设置第一N型SiC外延层，第一N型SiC外延层上部设置第二N型SiC外延层，在第二N型SiC外延层的顶部设有若干肖特基电极，在第二N型SiC外延层的顶部除去肖特基电极的区域设有SiO2钝化层，在SiO2钝化层的上方设有Pm‑147放射性同位素源。本发明的Pm‑147碳化硅肖特基同位素电池采用两层掺杂浓度不同的N型层替代常规的N型，通过在辐照生载流子的扩散区中引入电场，将载流子的扩散运动转变成扩散运动和漂移运动的结合，有利于减少辐照生载流子的复合损耗，从而提升电池的输出功率。
Description
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，特别涉及一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池及其制造方法。
背景技术
同位素电池是一种采用放射性同位素衰变产生的带电粒子在半导体器件中产生的辐射伏特效应将核放射能转换成电能的一种能量转换装置。在诸多类型的微型能源中，同位素电池由于具有可靠性高、易集成、抗干扰性强等优点，被视为MEMS系统最理想的长期能源。高的输出功率是微型核电池可以广泛实用的前提，但由于同位素源的自吸收效应及成本等原因，微型核电池难以通过提升辐照源活度的方法来提升输出功率。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17.3KeV)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Pm-147，即钷-147，电子平均能量62keV)，虽然可以在相同的辐照源活度下获得更高的电离能沉积，但由于粒子射程较深，给辐照生载流子的有效吸收带来了困难。
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，也具有在高温强辐射等恶劣环境下长期工作的能力。相比于SiC PN或者PIN型二极管，SiC肖特基二极管具有工艺更简单成熟，可重复性更好等优点，是SiC基同位素电池的理想换能元件结构。
但是目前采用Pm-147的碳化硅PN型同位素电池的研究也存在很多的问题，其中最大的问题是如何充分吸收换能元件中沉积的电离能。如图3所示，Pm-147产生的辐照生载流子的分布很深，但峰值靠近表面，大部分载流子都聚集在表面附近的材料中。如果I厚过薄，会导致有可能被吸收的载流子数量减小。如果I层过厚，会导致电子被衬底电极收集前复合太多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池及其制造方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，包括衬底，衬底下方设置N型欧姆接触电极，衬底上部设置第一N型SiC外延层，第一N型SiC外延层上部设置第二N型SiC外延层，在第二N型SiC外延层的顶部设有若干肖特基电极，在第二N型SiC外延层的顶部除去肖特基电极的区域设有SiO2钝化层，在SiO2钝化层的上方设有Pm-147放射性同位素源。
进一步的，第一N型SiC外延层和第二N型SiC外延层的总厚度为14.5～39μm；第一N型SiC外延层的掺杂浓度高于第二N型SiC外延层的掺杂浓度。
进一步的，第一N型SiC外延层的厚度为7.5～11μm；第二N型SiC外延层的掺杂浓度为1×1014cm-3～1.2×1016cm-3；第一N型SiC外延层的掺杂浓度为1.2×1016cm-3～5×1017cm-3。N型SiC外延层的浓度越高厚度越薄，N型SiC外延层的浓度越低厚度越厚。
进一步的，SiO2钝化层的厚度为9nm～45nm。
进一步的，肖特基电极的宽度为0.3μm～1.5μm，间距为2μm～10μm。
进一步的，肖特基电极从下到上包括金属Ni层，金属Pt层，金属Au层，Ni层的厚度为50nm～100nm，Pt层的厚度为50nm～200nm，Au层的厚度为100nm～2000nm；金属Ni层能够替换为金属Ti层。
进一步的，一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、提供衬底，衬底由N型高掺杂SiC基片构成；
步骤二、采用化学气相沉积法在衬底的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1016cm-3～5×1017cm-3、厚度为7μm～28μm的第一N型SiC外延层；
步骤三、采用化学气相沉积法在第一N型SiC外延层的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3、厚度为7.5～11μm的第二N型SiC外延层；
步骤四、采用干氧氧化在在第二N型SiC外延层的上表面形成厚度为10nm～50nmSiO2钝化层。
步骤五、在衬底的下方依次淀积厚度为200nm～400nm的金属Ni和厚度为100～200nm的金属Pt；
步骤六、在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在衬底的下方形成N型欧姆接触电极；
步骤七、采用反应离子干法刻蚀法在SiO2钝化层刻蚀出与肖特基电极相匹配的宽度的窗口，露出N型SiC外延层；
步骤八、在N型SiC外延层的上方没有SiO2钝化层的窗口中依次淀积厚度为50nm～100nm的金属Ni和厚度为1000nm～2000nm的金属Al，形成肖特基电极；
步骤九、在所述SiO2钝化层顶部除去肖特基电极的区域设置有Pm-147放射性同位素源。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的Pm-147碳化硅肖特基同位素电池采用两层掺杂浓度不同的N型层替代常规的N型，通过在辐照生载流子的扩散区中引入电场，将载流子的扩散运动转变成扩散运动和漂移运动的结合，有利于减少辐照生载流子的复合损耗，从而提升电池的输出功率。
本发明中低的掺杂浓度可以获得长的少子扩散长度，从而带来低的载流子损耗，但同时低的掺杂浓度会带来电池辐照容限的下降，同时由于电池内建电势的下降，高温特性也会退化。采用缓变N区后，由于减少了载流子的复合损耗，也间接降低了电池特性对低掺杂浓度的依赖，从而可以适度提升N区掺杂以提升电池的高温抗辐射性能。同时，高的掺杂浓度也可以降低串联电阻，提升电池特性。
本发明的制造方法，工艺简单，实现方便且成本低。
本发明的实用性强，推广应用价值高。
附图说明
图1为本发明新型结构Pm-147碳化硅肖特基同位素电池的主视图。
图2为本发明新型结构Pm-147碳化硅肖特基同位素电池的制造方法的方法流程图。
图3为背景技术附图；
其中：1—N型欧姆接触电极；2—衬底；3—第一N型SiC外延层；4—第二N型SiC外延层；5—肖特基电极；6—SiO2钝化层；7—Pm-147放射性同位素源。
具体实施方式
请参阅图1和图2，一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，包括衬底2，衬底2下方设置N型欧姆接触电极1，衬底上部设置第一N型SiC外延层3，第一N型SiC外延层3上部设置第二N型SiC外延层4，在第二N型SiC外延层4的顶部设有若干肖特基电极5，在第二N型SiC外延层4的顶部除去肖特基电极5的区域设有SiO2钝化层6，在SiO2钝化层6的上方设有Pm-147放射性同位素源7。
第一N型SiC外延层3和第二N型SiC外延层4的总厚度为14.5～39μm；第一N型SiC外延层3的掺杂浓度高于第二N型SiC外延层4的掺杂浓度。
第一N型SiC外延层3的厚度为7.5～11μm；第二N型SiC外延层4的掺杂浓度为1×1014cm-3～1.2×1016cm-3；第一N型SiC外延层3的掺杂浓度为1.2×1016cm-3～5×1017cm-3。N型SiC外延层的浓度越高厚度越薄，N型SiC外延层的浓度越低厚度越厚。
SiO2钝化层7的厚度为9nm～45nm。
肖特基电极5的宽度为0.3μm～1.5μm，间距为2μm～10μm。
肖特基电极5从下到上包括金属Ni层，金属Pt层，金属Au层，Ni层的厚度为50nm～100nm，Pt层的厚度为50nm～200nm，Au层的厚度为100nm～2000nm；金属Ni层能够替换为金属Ti层。
一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、提供衬底2，衬底2由N型高掺杂SiC基片构成；
步骤二、采用化学气相沉积法在衬底2的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1016cm-3～5×1017cm-3、厚度为7μm～28μm的第一N型SiC外延层3；
步骤三、采用化学气相沉积法在第一N型SiC外延层3的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3、厚度为7.5～11μm的第二N型SiC外延层4；
步骤四、采用干氧氧化在在第二N型SiC外延层4的上表面形成厚度为10nm～50nmSiO2钝化层6。
步骤五、在衬底2的下方依次淀积厚度为200nm～400nm的金属Ni和厚度为100～200nm的金属Pt；
步骤六、在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在衬底2的下方形成N型欧姆接触电极1；
步骤七、采用反应离子干法刻蚀法在SiO2钝化层6刻蚀出与肖特基电极5相匹配的宽度的窗口，露出N型SiC外延层4；
步骤八、在N型SiC外延层4的上方没有SiO2钝化层6的窗口中依次淀积厚度为50nm～100nm的金属Ni和厚度为1000nm～2000nm的金属Al，形成肖特基电极5；
步骤九、在所述SiO2钝化层6顶部除去肖特基电极5的区域设置有Pm-147放射性同位素源7。
Claims (6)
1.一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，其特征在于：包括衬底(2)，衬底(2)下方设置N型欧姆接触电极(1)，衬底上部设置第一N型SiC外延层(3)，第一N型SiC外延层(3)上部设置第二N型SiC外延层(4)，在第二N型SiC外延层(4)的顶部设有若干肖特基电极(5)，在第二N型SiC外延层(4)的顶部除去肖特基电极(5)的区域设有SiO2钝化层(6)，在SiO2钝化层(6)的上方设有Pm-147放射性同位素源(7)；
第一N型SiC外延层(3)的厚度为7.5～11μm；第二N型SiC外延层(4)的掺杂浓度为1×1014cm-3～1.2×1016cm-3；第一N型SiC外延层(3)的掺杂浓度为1.2×1016cm-3～5×1017cm-3；N型SiC外延层的浓度越高厚度越薄，N型SiC外延层的浓度越低厚度越厚。
2.根据权利要求1所述的一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，其特征在于：第一N型SiC外延层(3)和第二N型SiC外延层(4)的总厚度为14.5～39μm；第一N型SiC外延层(3)的掺杂浓度高于第二N型SiC外延层(4)的掺杂浓度。
3.根据权利要求1所述的一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，其特征在于：SiO2钝化层(6)的厚度为9nm～45nm。
4.根据权利要求3所述的一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，其特征在于：肖特基电极(5)的宽度为0.3μm～1.5μm，间距为2μm～10μm。
5.根据权利要求4所述的一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池，其特征在于：肖特基电极(5)从下到上包括金属Ni层，金属Pt层，金属Au层，Ni层的厚度为50nm～100nm，Pt层的厚度为50nm～200nm，Au层的厚度为100nm～2000nm；金属Ni层能够替换为金属Ti层。
6.根据权利要求5所述的一种Pm-147碳化硅缓变肖特基同位素电池的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、提供衬底(2)，衬底(2)由N型高掺杂SiC基片构成；
步骤二、采用化学气相沉积法在衬底(2)的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1016cm-3～5×1017cm-3、厚度为7μm～28μm的第一N型SiC外延层(3)；
步骤三、采用化学气相沉积法在第一N型SiC外延层(3)的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3、厚度为7.5～11μm的第二N型SiC外延层(4)；
步骤四、采用干氧氧化在第二N型SiC外延层(4)的上表面形成厚度为10nm～50nmSiO2钝化层(6)；
步骤五、在衬底(2)的下方依次淀积厚度为200nm～400nm的金属Ni和厚度为100～200nm的金属Pt；
步骤六、在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在衬底(2)的下方形成N型欧姆接触电极(1)；
步骤七、采用反应离子干法刻蚀法在SiO2钝化层(6)刻蚀出与肖特基电极(5)相匹配的宽度的窗口，露出N型SiC外延层(4)；
步骤八、在N型SiC外延层(4)的上方没有SiO2钝化层(6)的窗口中依次淀积厚度为50nm～100nm的金属Ni和厚度为1000nm～2000nm的金属Al，形成肖特基电极(5)；
步骤九、在所述SiO2钝化层(6)顶部除去肖特基电极(5)的区域设置有Pm-147放射性同位素源(7)。
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