CN110164581A - 一种平面电极半导体薄膜pn结贝塔辐射伏特电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，属于微型核电池领域。该电池从下至上依次是放射性贝塔同位素源、半导体薄膜、掺杂区、欧姆接触重掺杂区、绝缘钝化层、平面电极；PN结是由半导体薄膜与掺杂区构成；平面电极包含正负电极，与欧姆接触重掺杂区采用点接触方式实现电学导通。本发明的半导体薄膜的厚度与放射性贝塔同位素源的最大输入深度匹配，减小了电池体积，放射性贝塔同位素源制备于背面，避免了重掺杂层对辐射能的损耗，提高了电池的功率密度以及转换效率。

Description

一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池

技术领域

本发明属于同位素电池领域，具体涉及一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池。

背景技术

随着微机电系统(Mico Electro-Mechanical System，简称MEMS)技术的迅速发展，基于此技术人们对微型电池的研究进行了广泛的研究。从原理上看，常见的微型电池主要有微型化学能电池、微型太阳能电池、微型机械能电池等。然而这些微型电池都存在一些自身的缺陷而导致并不能完全满足实际的运用需求，比如：微型化学能电池需要持续不断的补充消耗掉的化学燃料；微型太阳能电池对环境有着很苛刻的要求，必须在光照条件下才能工作；微型机械能电池则要求所处环境存在机械振动，基于摩擦发电或者压电效应将机械能转化为电能，在无外界振动时将无法工作。近些年来，放射性同位素电池由于其体积小、重量轻便、使用寿命长以及工作不受外界环境影响等诸多优点，被很多研究机构作为课题进行研究，目前同位素电池在航天深空探测、极地科研以及心脏起搏器等领域获得了成功的运用，与此同时，人们对同位素电池性能提出了更高的要求。

同位素电池是一种利用放射性同位素自身衰变放出具有一定能量的粒子(如α粒子、β粒子、γ射线)与换能器件作用产生的热效应、光效应或电离效应获取电能的一种供能装置。基于β粒子与半导体换能器件的辐射伏特效应成为目前同位素电池中最为重要的一种能量转换机制。早在1953年，新泽西普林斯顿RCA实验室的Rappaport首次报道了利用50毫居的Sr⁹⁰-Y⁹⁰的β放射源和硅质PN结相互作用产生类似于光电效应的现象，在半导体内产生电子空穴对，然后由耗尽层所产生的内建势通过漂移运动将其分开，对于耗尽层中所产生的电子空穴对直接通过内建势分开，而在耗尽层之外一个扩散长度内所产生的电子空穴则需要通过漂移运动到耗尽层区然后利用内建势将其分开，电极将分开的载流子进行收集并提供电学输出，此过程被称为辐射伏特效应(beta-voltaic effect)，该实验器件输出功率为0.8mW。经过对辐射伏特效应的持续研究终于在医疗领域获得显著成果，在1968到1974期间，由Olsen所领导的研究团队伍对基于辐射伏特效应的同位素电池在心脏起搏器中的运用进行了长期的实验，并最终获得成功，基于¹⁴⁷Pm-Si电池使用寿命到达10年以上。近年来采用³H和⁶³Ni作为辐射源成为了研究的重点，这两种同位素释放的β粒子能量适中，对环境危害小而且易于防护，在产业界的运用更具有前景，如Widetronix公司在2006年推出转换效率为6％的⁶³Ni辐射伏特电池产品；以及City Labs公司在2008年推出采用本公司专利材料技术效率为7.5％的Tritium^TM电池。对于换能器PN结半导体材料的选择是多种多样的，例如半导体材料硅，单晶硅是目前加工工艺最为成熟、加工费用最为便宜的选择而被广泛运用。常规的单晶硅晶圆的厚度在500μm左右，由该晶圆所制作的PN结换能器的厚度也通常在500μm这个量级；而实际上³H辐射的β粒子在硅中的最大穿透深度为2μm，⁶³Ni辐射的β粒子在硅中的最大穿透深度为15μm；最大穿透深度与器件厚度的不匹配导致器件功率密度的下降，同时常规的正面，如图1所示，过量掺杂导致的少数载流子寿命显著降低，表面区附近的死层对少数载流子收集几率几乎为零，采用该面作为源的入射面设计，不利于入射β粒子产生的电子空穴对的收集，降低电池的转换效率。

发明内容

本发明的目的是采用一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池。半导体薄膜厚度和源辐射粒子最大的穿透深度匹配，克服了常规晶圆厚度远大于源辐射贝塔粒子入射深度的尺寸失配问题，减小了电池的体积，提高了电池的功率密度；平面电极设计使得电池背面不存在电极金属层，放射源制备在背面，同时避免了重掺杂层区死层对入射粒子能量造成损耗的问题，提高了电池的转换效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，包括同位素源和半导体薄膜PN结换能器，半导体薄膜PN结换能器包括位于同位素源上面的半导体薄膜、位于半导体薄膜上面的绝缘钝化层、位于绝缘钝化层上面的平面电极，在半导体薄膜上面嵌有与该半导体薄膜构成PN结的掺杂区，在绝缘钝化层与半导体薄膜、掺杂区之间设有欧姆接触重掺杂区，平面电极与欧姆接触重掺杂区通过系列点状接触实现电学导通。

进一步地，半导体薄膜为N型或者P型的硅、金刚石、砷化镓、碳化硅或氮化镓的薄层。

进一步地，半导体薄膜为N型或者P型时，作为PN结的N区或者P区；与其构成PN结的掺杂区相应地为P型或N型，作为PN节的P区或者N区；位于绝缘钝化层与半导体薄膜之间的欧姆接触重掺杂区相应地为P⁺型或N⁺型，位于绝缘钝化层与掺杂区之间的欧姆接触重掺杂区相应地为N⁺型或P⁺型。

进一步地，掺杂区由离子注入或者扩散工艺获得，其掺杂浓度比半导体薄膜的掺杂浓度高。

进一步地，欧姆接触重掺杂区由离子注入或者掺杂工艺获得，其掺杂浓度满足与平面电极可以形成良好欧姆接触的条件。

进一步地，半导体薄膜的厚度根据同位素源辐射粒子的最大入射深度确定。

进一步地，绝缘钝化层的材料为二氧化硅、氮化硅或氧化铪，其生长方法为热氧化、LPCVD或PECVD。

进一步地，平面电极的正电极和负电极均是并联在一起的指状电极，正电极和负电极的指状电极交错排列，但不限于该种形状以及排列，电极的材料为Au或Al，但不限于这几种金属。

进一步地，系列点状接触是指平面电极穿过在绝缘钝化层上开有的系列分布的欧姆接触孔，与欧姆接触重掺杂区进行点状接触，欧姆接触孔的形状可以是方形或者圆形，但不限于这几种；欧姆接触孔的面积小于欧姆接触重掺杂区的面积，且欧姆接触孔由欧姆接触重掺杂区完全覆盖，其具体大小以及数量根据平面电极的几何结构进行调整。

进一步地，平面电极的正电极和负电极分别与欧姆接触N⁺型重掺杂区和欧姆接触P⁺型重掺杂区接触。

进一步地，同位素源为³H、⁶³Ni或¹⁴⁷Pm，但不限于这几种同位素，其共同点是在半导体材料中入射深度较浅，并且易于防护。

一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池的制备方法，步骤包括：

(1)选用P型或N型半导体薄膜，其厚度与同位素辐射粒子在该材料中的辐射深度匹配，进行清洗；

(2)在半导体薄膜的正面生长离子掺杂阻挡层；

(3)在掺杂阻挡层上制作注入或者扩散的图形掩膜，形成掺杂窗口；

(4)在掺杂窗口内掺杂形成N型或P型掺杂区，其浓度高于半导体薄膜的掺杂浓度，行成的掺杂区与半导体薄膜形成PN结；在半导体薄膜表面重掺杂P⁺型或N⁺型，在掺杂区表面重掺杂N⁺型或P⁺型，形成欧姆接触重掺杂区；并激活掺杂；

(5)去除掺杂阻挡层，并生长绝缘钝化层；

(6)图形化掩膜，形成平面电极与重掺杂区的欧姆接触孔；

(7)干法或湿法去除绝缘钝化层形成欧姆接触孔，生长平面电极金属材料；

(8)图形化掩膜，形成金属电极腐蚀掩膜图形；腐蚀或刻蚀，形成平面电极，合金形成欧姆接触；

(9)在半导体薄膜背面选择吸附或者电镀加载放射同位素源。

进一步地，利用SOI基片制备半导体薄膜PN结平面电极辐射同位素电池，制备时先对基片进行清洗，再生长湿法腐蚀掩膜层，基片背面涂光刻胶保护，刻蚀正面的湿法腐蚀掩膜层，去除光刻胶保留背面的湿法腐蚀掩膜层；

在所述形成欧姆接触后，正面涂胶保护，背面光刻图形化，形成背面刻蚀窗口，刻蚀湿法腐蚀掩膜层，背面去胶后再正面去胶，形成背面湿法腐蚀硅掩膜层；

正面涂保护层，背面腐蚀硅，并湿法腐蚀埋氧层，再去除正面保护层，然后再在半导体薄膜背面加载放射同位素源。

本发明提供的技术方案极大程度上减小了换能器的厚度以减小器件尺寸，提高电池的输出性能，与源辐射粒子入射最大深度匹配的优化半导体膜厚度比传统基片厚度大幅度减小了，大大提高了器件的功率密度；同时与传统电池源在正面加载的设计相比较，避免由于正面过量掺杂导致的少数载流子寿命显著降低，而导致表面区域附近的死层收集几率几乎为零的现象，采用背面加载同位素辐提高了电池的转换效率。

附图说明

图1为常规同位素电池示意图。

图2为本发明实施例中平面电极硅薄膜PN结贝塔辐射伏特电池的纵向剖面图。

图3为本发明实施例中平面电极硅薄膜PN结贝塔辐射伏特电池的俯视图。

图中：1-同位素源，2-N型薄层硅，3-绝缘钝化层，4-P型掺杂区，5-欧姆接触P⁺型重掺杂区，6-欧姆接触N⁺型重掺杂区，7-负电极，8-正电极，9-欧姆接触孔。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例以N型SOI基片制备的平面电极方形硅薄膜PN结贝塔辐射伏特电池为例来对本发明的技术方案进行说明：

图2和图3显示了本电池基本结构，图2为其纵向剖面图，图3为其俯视图。如图所示，本电池包括：放射性同位素源1、N型薄层硅2、绝缘钝化层3、P型掺杂区4、欧姆接触P⁺型重掺杂区5、欧姆接触N⁺型重掺杂区6、负电极7金属引线、正电极8金属引线、以及欧姆接触孔9。所述的N型薄层硅2是SOI基片的顶层硅，通过背面湿法腐蚀硅以及埋氧层后得到的一层厚度小于20μm的薄层硅，其掺杂类型为N型，浓度范围在10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3；P型掺杂区4的浓度范围在10¹⁹cm^-3～10²⁰cm^-3，该区与N型薄层硅2形成PN结结构；欧姆接触P⁺型重掺杂区5的浓度在10²⁰cm^-3量级，该P⁺型重掺杂区5属于P型掺杂区4，该P⁺重型掺杂5的深度小于P型掺杂区4的深度；欧姆接触N⁺型重掺杂区6的浓度在10²⁰cm^-3量级，该N⁺型重掺杂区6属于N型薄层硅2；放射性同位素源1位于N型薄层硅2的背面；负电极7和正电极8位于N型薄层硅2的正面，且绝缘钝化层3位于N型薄层硅2和电极7、8之间，绝缘钝化层3的材料为SiO₂；正电极8和负电极7与P⁺型重掺杂区5和N⁺型重掺杂区6通过欧姆接触孔9实现电学导通；欧姆接触孔9的面积小于P⁺型重掺杂区5和N⁺型重掺杂区6的面积。

本实施例中，由于N型薄层硅2的厚度较小，保证同位素源1从背面入射的粒子所产生的电子空穴对离PN结耗尽区自建电场区距离小，且背面为PN结的轻掺杂区有较长的扩散长度，该设计考虑均有利于载流子的收集，同时也减小了电池的体积；背面没有电极金属层的阻挡，同时避免的重掺杂区死层对辐射能的损失，更有利于辐射同位素的辐射能被吸收，从而增加电池性能。

上述的平面电极方形硅薄膜PN结贝塔辐射伏特电池的制备方法如下：

(1)选取4寸N型SOI基片，其晶向为(100)，电阻率为5Ω*cm，器件层厚度为15μm，埋氧层厚度为0.5μm，底层厚度为500μm。对本基片做清洗。

(2)采用LPCVD生长湿法腐蚀掩膜层Si₃N₄，基片背面涂光刻胶保护，通过RIE刻蚀正面Si₃N₄，发烟硝酸去光刻胶，保留背面Si₃N₄。

(3)清洗基片，通过热氧化生长SiO₂，作为离子掺杂阻挡层。

(4)正面光刻图形化，形成离子注入窗口，注入磷离子，形成欧姆接触N⁺型重掺杂区。

(5)正面光刻图形化，形成离子注入窗口，注入硼离子，形成P型掺杂区，二次注入硼离子，形成欧姆接触P⁺型重掺杂区，干法去胶。

(6)清洗基片，快速退火激活注入离子。

(7)湿法BHF去除正面掺杂阻挡层SiO₂。

(8)清洗基片，通过PECVD正面生长SiO₂，作为绝缘钝化层。

(9)正面光刻图形化，形成欧姆接触窗口，RIE刻蚀部分SiO₂，BHF腐蚀干净剩余SiO₂，干法去胶，形成欧姆接触孔。

(10)清洗基片，漂自然氧化层，溅射Ti/Al。

(11)正面光刻图形化，形成金属电极腐蚀图形化掩膜，湿法腐蚀Al，湿法腐蚀Ti，发烟硝酸去除光刻胶，形成平面电极。

(12)硫酸常温清洗，在N₂气氛下，温度400度，时间30分钟，合金形成欧姆接触。

(13)正面涂胶保护，背面光刻图形化，形成背面刻蚀窗口，RIE刻蚀Si₃N₄，干法背面去胶，发烟硝酸去正面胶，形成背面湿法腐蚀硅掩膜层。

(14)正面涂保护层，KOH背面腐蚀500μm的硅，并湿法腐蚀1.5μm埋氧层，干法去除正面保护层。

(15)电镀加载放射性同位素源⁶³Ni；最终获得硅薄膜PN结平面电极辐射同位素电池。

上述实施例中的薄硅层、掺杂区、重掺杂区、平面电极的类型也可以相反，如在另一实施例中(以图2、图3的构造为例)，硅薄膜PN结平面电极辐射同位素电池包括同位素源1、P型薄层硅2、绝缘钝化层3、N型掺杂区4、欧姆接触N⁺型重掺杂区5、欧姆接触P⁺型重掺杂区6、正电极7、负电极8以及欧姆接触孔9。因此，本发明公开的硅薄膜PN结平面电极辐射同位素电池可以有两种。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：包括同位素源和半导体薄膜PN结换能器，半导体薄膜PN结换能器包括位于同位素源上面的半导体薄膜、位于半导体薄膜上面的绝缘钝化层、位于绝缘钝化层上面的平面电极，在半导体薄膜上面嵌有与该半导体薄膜构成PN结的掺杂区，在绝缘钝化层与半导体薄膜、掺杂区之间设有欧姆接触重掺杂区，平面电极与欧姆接触重掺杂区通过系列点状接触实现电学导通。

2.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：半导体薄膜为N型或者P型的硅、金刚石、砷化镓、碳化硅或氮化镓的薄层，厚度根据同位素源辐射粒子的最大入射深度确定。

3.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：半导体薄膜为N型或者P型时，作为PN结的N区或者P区；与半导体薄膜构成PN结的掺杂区相应地为P型或N型，作为PN节的P区或者N区；位于绝缘钝化层与半导体薄膜之间的欧姆接触重掺杂区相应地为P⁺型或N⁺型，位于绝缘钝化层与掺杂区之间的欧姆接触重掺杂区相应地为N⁺型或P⁺型。

4.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：掺杂区由离子注入或者扩散工艺获得，其掺杂浓度比半导体薄膜的掺杂浓度高；欧姆接触重掺杂区由离子注入或者掺杂工艺获得，其掺杂浓度满足与平面电极可以形成良好欧姆接触的条件。

5.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：绝缘钝化层的材料为二氧化硅、氮化硅或氧化铪，其生长方法为热氧化、LPCVD或PECVD。

6.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：平面电极的正电极和负电极均为并联在一起的指状电极，正电极和负电极的指状电极交错排列，电极材料包括Au、Al。

7.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：系列点状接触是指平面电极穿过在绝缘钝化层上开有的系列分布的欧姆接触孔，与欧姆接触重掺杂区进行点状接触；欧姆接触孔的面积小于欧姆接触重掺杂区的面积，且欧姆接触孔由欧姆接触重掺杂区完全覆盖；其中平面电极的正电极和负电极分别与欧姆接触P⁺型重掺杂区和欧姆接触N⁺型重掺杂区接触。

8.如权利要求1所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池，其特征在于：同位素源包括³H、⁶³Ni或¹⁴⁷Pm。

9.一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池的制备方法，步骤包括：

选用P型或N型半导体薄膜，其厚度与同位素辐射粒子在该材料中的辐射深度匹配，进行清洗；

在半导体薄膜的正面生长离子掺杂阻挡层；

在掺杂阻挡层上制作注入或者扩散的图形掩膜，形成掺杂窗口；

在掺杂窗口内掺杂形成N型或P型掺杂区，其浓度高于半导体薄膜的掺杂浓度，行成的掺杂区与半导体薄膜形成PN结；在半导体薄膜表面重掺杂P⁺型或N⁺型，在掺杂区表面重掺杂N⁺型或P⁺型，形成欧姆接触重掺杂区，激活掺杂；

去除掺杂阻挡层，并生长绝缘钝化层；

图形化掩膜，形成平面电极与重掺杂区的欧姆接触孔图形；

干法或湿法去除绝缘钝化层形成欧姆接触孔，生长平面电极金属材料；

图形化掩膜，形成金属电极腐蚀掩膜图形；腐蚀或刻蚀，形成平面电极，合金形成欧姆接触；

在半导体薄膜背面选择吸附或者电镀加载放射同位素源。

10.如权利要求9所述的一种平面电极半导体薄膜PN结贝塔辐射伏特电池的制备方法，其特征在于：利用SOI基片制备半导体薄膜PN结平面电极辐射同位素电池，制备步骤还包括：

先对SOI基片进行清洗，再生长湿法腐蚀掩膜层，基片背面涂光刻胶保护，刻蚀正面的湿法腐蚀掩膜层，去除光刻胶保留背面的湿法腐蚀掩膜层；

在所述形成欧姆接触后，正面涂胶保护，背面光刻图形化，形成背面刻蚀窗口，刻蚀湿法腐蚀掩膜层，背面去胶后再正面去胶，形成背面湿法腐蚀硅掩膜层；

正面涂保护层，背面腐蚀硅，并湿法腐蚀埋氧层，再去除正面保护层，然后再在半导体薄膜背面加载放射同位素源。