CN110517804A - 一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种单晶金刚石n‑i‑p结核动力电池及其制备方法，解决了现有金刚石肖特基结核动力电池开路电压低、输出电流小的问题，从而提升金刚石核动力电池的性能和应用前景。该一种单晶金刚石n‑i‑p结核动力电池，包括层叠接触设置的本征单晶金刚石衬底、n型金刚石层、i型金刚石层、p型金刚石层和p型欧姆电极；在n型金刚石层与i型金刚石层所接触的表面上，一部分接触设置i型金刚石层，其余部分接触设置n型欧姆电极；p型欧姆电极通过引线连接有，i型金刚石层通过引线连接有；还包括放射源，放射源设置于p型欧姆电极的上方，或者环绕设置于i型金刚石层的外侧。
Description
【技术领域】
本发明属于半导体能源器件技术领域，具体涉及一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池及其制备方法。
【背景技术】
核动力电池有多种分类，其中较为常见的是利用半导体技术的辐射伏特效应能量转换电池。早期的辐射伏特效应能量转换电池以硅和AlGaAs为主，但是由于辐射能量高，电池材料损伤大，使电池性能在很短时间内急剧衰退。近年来，人们开始应用高抗辐射损伤能力的半导体材料来制备核动力电池，如碳化硅和氮化镓等。与碳化硅和氮化镓相比，金刚石材料具有更高的抗辐射损伤能力，因此是最适合制备核动力电池的材料。同时，金刚石材料的禁带宽度也比较大，其理论转换效率也会很大。由于n型掺杂技术的限制，金刚石核动力电池主要以p型肖特基二极管结构为主。但是，肖特基结的势垒高度较低，使得电池的开路电压较小，并且由于金刚石的高阻特性，使得反偏电流小，影响了其输出特性。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池及其制备方法，以解决现有金刚石肖特基结核动力电池开路电压低、输出电流小的问题，从而提升金刚石核动力电池的性能和应用前景。
本发明采用以下技术方案：一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，包括层叠接触设置的本征单晶金刚石衬底、n型金刚石层、i型金刚石层、p型金刚石层和p型欧姆电极；在n型金刚石层与i型金刚石层所接触的表面上，一部分接触设置i型金刚石层，其余部分接触设置n型欧姆电极；p型欧姆电极通过引线连接有，i型金刚石层通过引线连接有；还包括放射源，放射源设置于p型欧姆电极的上方，或者环绕设置于i型金刚石层的外侧。
进一步的，放射源不与n型欧姆电极和p型欧姆电极同时接触。
进一步的，当放射源设置在p型欧姆电极上侧时，i型金刚石层的厚度处于5-30μm之间；当放射源环绕设置在i型金刚石层外侧时，i型金刚石的直径为20-100μm之间。
本发明采用的第二种技术方案，一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用微波等离子体化学气相沉积在高磷/碳比气氛中在本征单晶金刚石衬底上生长一层n型金刚石层，通过氧化处理将n型金刚石层表面氢终端氧化成氧终端，并在900℃以上退火5min以上得到高导电表面；
步骤二、在高导电表面上划分出两部分区域：
其中一部分区域上，通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在n型金刚石层表面制备钨电极作为n型欧姆电极；
在另一部分区域上，采用微波等离子体化学气相沉积依次向上生长i型金刚石层和p型金刚石层，并通过氧化处理将p型金刚石层的表面氢终端氧化成氧终端；
步骤三、在p型金刚石层的表面制备p型欧姆电极，通过退火形成欧姆接触；
步骤四、在p型欧姆电极的上方、或者环绕i型金刚石的外侧设置放射源，将p型欧姆电极与电池正极用引线连接，将n型欧姆电极与电池负极用引线连接，利用电池外壳对整体进行封装。
进一步的，n型欧姆电极，为高熔点金属。
进一步的，n型金刚石层，其生长气氛中磷/碳体积比大于0.01％，其生长厚度为50-200nm，生长结束后，采用硫酸/硝酸1:1在超过200℃的温度条件下加热、或者采用紫外臭氧处理将表面氢终端氧化成氧终端。
进一步的，i型金刚石层，在O2/H2体积比为0-1％的条件下生长，生长温度在900-1100℃之间。
进一步的，p型金刚石层，为硼掺杂层，掺杂浓度ND≥1019cm-3，厚度为50-200nm，步骤二中，采用紫外臭氧处理的方式的将p型金刚石层的表面氢终端氧化成氧终端。
进一步的，p型欧姆电极，为能与金刚石表面形成碳化物的金属，退火处理温度在500-700℃，退火时间在10min以上。
本发明的有益效果是：采用n-i-p结构，有效的提高了金刚石核动力电池的输出电压。同时，在n型金刚石层上掩膜生长i型金刚石层，可以在高温和等离子体轰击的作用下使金属与n型金刚石形成良好的欧姆接触，解决了现有技术中金属与n型金刚石欧姆接触难的问题，从而能够提高金刚石n-i-p结核动力电池的输出电流。
【附图说明】
图1是本发明中放射源设置在p型欧姆电极上侧的金刚石n-i-p结核动力电池结构示意图；
图2是本发明中放射源设置在i型金刚石层侧面的金刚石n-i-p结核动力电池结构示意图；
图3为本发明实施例3中的金刚石n-i-p结核动力电池结构示意图。
其中，1.本征单晶金刚石衬底；2.n型金刚石层；3.n型欧姆电极；4.i型金刚石层；5.p型金刚石层；6.p型欧姆电极；7.放射源；8.引线；9.电池正极；10.电池负极；11.电池外壳。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，包括层叠接触设置的本征单晶金刚石衬底1、n型金刚石层2、i型金刚石层4、p型金刚石层5和p型欧姆电极6；在所述n型金刚石层2与所述i型金刚石层4所接触的表面上，一部分接触设置i型金刚石层4，其余部分接触设置n型欧姆电极3；实际中，可以将n型欧姆电极3设置为圆孔状，将i型金刚石层4和p型金刚石层5设置于n型欧姆电极3的圆孔内。
p型欧姆电极6通过引线8连接有9，所述i型金刚石层4通过引线8连接有10；还包括放射源7，所述放射源7设置于所述p型欧姆电极6的上方，或者环绕设置于所述i型金刚石层4的外侧。
本征单晶金刚石衬底1可以是高温高压合成衬底，也可以是CVD合成衬底，还可以是自支撑金刚石薄膜。本征单晶金刚石衬底1的形状为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状。
n型金刚石层2为磷掺杂，通过MPCVD外延技术获得，为了使磷原子具有诱导表面重构的功能，需要在高磷/碳比环境中外延，要求其生长气氛中磷/碳的体积比大于0.01％，生长厚度为50-200nm。生长结束后，需要采用硫酸/硝酸1:1在超过200℃的温度条件下加热或者采用紫外臭氧处理将其表面氢终端氧化成氧终端，并在900℃以上退火5min以上得到高导电表面。
n型欧姆电极3只需覆盖在所述n型金刚石层2的一部分表面上，所以实际中可以将n型欧姆电极3制备成圆孔状电极，以便后续在其孔区域内进行i型金刚石层4和p型金刚石层5的选择性生长。为了能够保持n型欧姆电极3在生长过程中的完整性，要求其所用金属熔点较高，并且在外延生长过程中不具备催化生成其他碳材料的作用。
i型金刚石层4是核动力电池的主要工作区域。在射线粒子作用下，i型金刚石层4会产生电子-空穴对，进而在内建电势差的作用下分别移动到n型金刚石层2和p型金刚石层5，形成电势差，从而为外电路供电。因此，i型层的质量需要高。采用在n型金刚石2上外延生长i型金刚石层4的方式，可以解决传统工艺中掺杂剂堕化i型层质量的问题。在i型金刚石层4生长过程中，在O2/H2体积比为0-1％的条件下生长，以进一步提高薄膜质量。为了有效吸收射线粒子并传导，对i型金刚石层的尺寸有要求。当放射源7设置在p型欧姆电极6上侧时，要求i型金刚石层4的厚度处于5-30μm之间。当放射源7设置在i型金刚石层侧面时，要求i型金刚石的直径为20-100μm之间。
p型金刚石层5需要重掺杂，以形成良好的欧姆接触和更高的内建电势差从而提高开路电压和输出电流。要求p型金刚石层5中硼掺杂浓度ND>1019cm-3，并且为了减少射线粒子吸收，其厚度为50-200nm。生长结束后，需要采用紫外臭氧处理的方式的将表面氢终端氧化成氧终端。
为了形成良好的欧姆接触，p型欧姆电极6要求为钛、钨等能与金刚石表面形成碳化物的金属，并且要求在惰性保护气体氛围中进行退火，退火温度为500-700℃，退火时间大于10min。p型欧姆电极6的形状可以为圆形、矩形或者其它形状。
放射源7设置于p型欧姆电极7上方或者环绕i型金刚石层4外侧面。为了提高电池的寿命，要求放射源的半衰期长于20年。
为了安全，需要用能够屏蔽辐射的电池外壳11对器件进行封装，同时将p型欧姆电极7与电池正极9用引线8连接，将n型欧姆电极3与电池负极10用引线8连接。
本发明提供了一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用微波等离子体化学气相沉积在高磷/碳比气氛中在本征单晶金刚石衬底1上生长一层n型金刚石层2，通过氧化处理将所述n型金刚石层2表面氢终端氧化成氧终端，并在900℃以上退火5min以上得到高导电表面；
步骤二、在高导电表面上划分出两部分区域：
其中一部分区域上，通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在n型金刚石层2表面制备钨电极作为n型欧姆电极3；
在另一部分区域上，采用微波等离子体化学气相沉积依次向上生长i型金刚石层4和p型金刚石层5，并通过氧化处理将p型金刚石层5的表面氢终端氧化成氧终端；
步骤三、在所述p型金刚石层5的表面制备p型欧姆电极6，通过退火形成欧姆接触；
步骤四、在p型欧姆电极6的上方、或者环绕i型金刚石4的外侧设置放射源7，将p型欧姆电极6与电池正极9用引线8连接，将n型欧姆电极3与电池负极10用引线8连接，利用电池外壳11对整体进行封装。
其中，n型欧姆电极3，为高熔点金属。n型金刚石层2，其生长气氛中磷/碳体积比大于0.01％，其生长厚度为50-200nm，生长结束后，采用硫酸/硝酸1:1在超过200℃的温度条件下加热、或者采用紫外臭氧处理将表面氢终端氧化成氧终端。i型金刚石层4，在O2/H2体积比为0-1％的条件下生长，生长温度在900-1100℃之间。p型金刚石层5，为硼掺杂层，掺杂浓度ND≥1019cm-3，厚度为50-200nm，所述步骤二中，采用紫外臭氧处理的方式的将p型金刚石层5的表面氢终端氧化成氧终端。p型欧姆电极6，为能与金刚石表面形成碳化物的金属，退火处理温度在500-700℃，退火时间在10min以上。
实施例1
如图1，一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，本征单晶金刚石衬底1为高温高压合成单晶金刚石，尺寸为3×3×0.3mm3。采用MPCVD方法在该衬底表面外延生长200nm厚的n型金刚石层2，生长条件为：气压100Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，PH3/CH4＝0.1％，衬底温度为900℃。生长结束后，将样品放入硫酸和硝酸1:1混合液中，250℃下加热1h，将表面氢终端转变成氧终端，并在1000℃下退火5min得到高导电表面。
通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在n型金刚石层2表面制备圆孔型钨电极作为n型欧姆电极3，电极厚度为100nm。之后采用MPCVD方法，在未被金属钨覆盖的区域依次生长10μm的i型金刚石层4和100nm的p型金刚石层5。i型金刚石层4生长条件为：气压80Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，O2/H2＝0.05％，衬底温度为900℃。
p型金刚石层7的生长条件为：气压80Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，TMB/CH4＝10000ppm，衬底温度为900℃，最终得到的掺杂浓度为1019cm-3。生长结束后，对样品进行紫外臭氧处理，将表面氢终端转变成氧终端。
通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在p型金刚石层5表面制备圆形钛电极作为p型欧姆电极6，在氩气环境中500℃下退火30min得到良好的欧姆接触。将放射源7放置在p型欧姆电极6上侧，再用电池外壳11进行封装，将p型欧姆电极7与电池正极9用引线8连接，将n型欧姆电极3与电池负极10用引线8连接，得到金刚石n-i-p结核动力二极管。
实施例2
如图2，一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，本征单晶金刚石衬底1为CVD合成单晶金刚石，尺寸为2×2×0.2mm3。采用MPCVD方法在该衬底表面外延生长100nm厚的n型金刚石层2，生长条件为：气压100Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，PH3/CH4＝0.5％，衬底温度为900℃。生长结束后，采用紫外臭氧处理，将表面氢终端转变成氧终端，并在900℃下退火10min得到高导电表面。
通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在n型金刚石层2表面制备圆孔型钨电极作为n型欧姆电极3，电极厚度为50nm，圆孔直径为30μm。之后采用MPCVD方法，在未被金属钨覆盖的区域依次生长40μm的i型金刚石层4和100nm的p型金刚石层5。i型金刚石层4生长条件为：气压80Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，O2/H2＝0.1％，衬底温度为900℃。
p型金刚石层7的生长条件为：气压80Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，TMB/CH4＝20000ppm，衬底温度为900℃，最终得到的掺杂浓度为1019cm-3。生长结束后，对样品进行紫外臭氧处理，将表面氢终端转变成氧终端。
通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在p型金刚石层5表面制备圆形钛电极作为p型欧姆电极6，在氩气环境中600℃下退火30min得到良好的欧姆接触。将放射源7环绕设置在i型金刚石层4外侧面，再用电池外壳11进行封装，将p型欧姆电极7与电池正极9用引线8连接，将n型欧姆电极3与电池负极10用引线8连接，得到金刚石n-i-p结核动力二极管。
实施例3
如图3，一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，本征单晶金刚石衬底1为CVD合成单晶金刚石，尺寸为5×5×0.5mm3。采用MPCVD方法在该衬底表面外延生长50nm厚的n型金刚石层2，生长条件为：气压100Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，PH3/CH4＝1％，衬底温度为900℃。生长结束后，采用紫外臭氧处理，将表面氢终端转变成氧终端，并在1100℃下退火5min得到高导电表面。
通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在n型金刚石层2表面制备条型钨电极作为n型欧姆电极3，电极厚度为50nm，宽度为2.5mm，长度为5mm。之后采用MPCVD方法，在未被金属钨覆盖的区域依次生长40μm的i型金刚石层4和100nm的p型金刚石层5。i型金刚石层4生长条件为：气压80Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，O2/H2＝0.1％，衬底温度为900℃。
p型金刚石层7的生长条件为：气压80Torr，气体流量为500sccm，CH4/H2＝1％，TMB/CH4＝100000ppm，衬底温度为900℃，最终得到的掺杂浓度为1020cm-3。生长结束后，对样品进行紫外臭氧处理，将表面氢终端转变成氧终端。通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在p型金刚石层5表面制备圆形钛电极作为p型欧姆电极6，在氩气环境中600℃下退火30min得到良好的欧姆接触。将放射源7放置在i型金刚石层4侧面，再用电池外壳11进行封装，将p型欧姆电极7与电池正极9用引线8连接，将n型欧姆电极3与电池负极10用引线8连接，得到金刚石n-i-p结核动力二极管。
由于n型掺杂技术的限制，金刚石核动力电池主要以p型肖特基二极管结构为主。但是，肖特基结的势垒高度较低，使得电池的开路电压较小，并且由于金刚石的高阻特性，使得反偏电流小，影响了其输出特性。本发明在n型金刚石层上掩膜生长i型金刚石层，可以在高温和等离子体轰击的作用下使金属与n型金刚石形成良好的欧姆接触，解决了现有技术中金属与n型金刚石欧姆接触难的问题。解决了现有技术中金属与n型金刚石欧姆接触难的问题之后，本发明即采用n-i-p结构制备核动力电池。对于n-i-p二极管而言，光生电动势的产生是为了平衡内建电势差，内建电势差越大，则光生电动势越大；金刚石n-i-p结的内建电势差理论值为4.51V,远高于其他材料，因此其光生电动势就越大，施加给外电路的电压高，电流大。所以说，n-i-p结构制备核动力电池可以有效的提高电池的输出电压和输出电流，解决了现有金刚石肖特基结核动力电池开路电压低、输出电流小的问题，是一种具备高性能和广阔应用前景的新型核动力电池。
Claims (9)
1.一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，其特征在于，包括层叠接触设置的本征单晶金刚石衬底(1)、n型金刚石层(2)、i型金刚石层(4)、p型金刚石层(5)和p型欧姆电极(6)；在所述n型金刚石层(2)与所述i型金刚石层(4)所接触的表面上，一部分接触设置i型金刚石层(4)，其余部分接触设置n型欧姆电极(3)；所述p型欧姆电极(6)通过引线(8)连接有(9)，所述i型金刚石层(4)通过引线(8)连接有(10)；还包括放射源(7)，所述放射源(7)设置于所述p型欧姆电极(6)的上方，或者环绕设置于所述i型金刚石层(4)的外侧。
2.如权利要求1所述的一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，其特征在于，所述放射源(7)不与n型欧姆电极(3)和p型欧姆电极(6)同时接触。
3.如权利要求1或2所述的一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池，其特征在于，当放射源(7)设置在p型欧姆电极(6)上侧时，所述i型金刚石层(4)的厚度处于5-30μm之间；当放射源(7)环绕设置在i型金刚石层外侧时，所述i型金刚石的直径为20-100μm之间。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的一种单晶金刚石n-i-p结核动力电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用微波等离子体化学气相沉积在高磷/碳比气氛中在本征单晶金刚石衬底(1)上生长一层n型金刚石层(2)，通过氧化处理将所述n型金刚石层(2)表面氢终端氧化成氧终端，并在900℃以上退火5min以上得到高导电表面；
步骤二、在高导电表面上划分出两部分区域：
其中一部分区域上，通过光刻、磁控溅射和剥离工艺，在n型金刚石层(2)表面制备钨电极作为n型欧姆电极(3)；
在另一部分区域上，采用微波等离子体化学气相沉积依次向上生长i型金刚石层(4)和p型金刚石层(5)，并通过氧化处理将p型金刚石层(5)的表面氢终端氧化成氧终端；
步骤三、在所述p型金刚石层(5)的表面制备p型欧姆电极(6)，通过退火形成欧姆接触；
步骤四、在p型欧姆电极(6)的上方、或者环绕i型金刚石(4)的外侧设置放射源(7)，将p型欧姆电极(6)与电池正极(9)用引线(8)连接，将n型欧姆电极(3)与电池负极(10)用引线(8)连接，利用电池外壳(11)对整体进行封装。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述n型欧姆电极(3)，为高熔点金属。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述n型金刚石层(2)，其生长气氛中磷/碳体积比大于0.01％，其生长厚度为50-200nm，生长结束后，采用硫酸/硝酸1:1在超过200℃的温度条件下加热、或者采用紫外臭氧处理将表面氢终端氧化成氧终端。
7.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述i型金刚石层(4)，在O2/H2体积比为0-1％的条件下生长，生长温度在900-1100℃之间。
8.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述p型金刚石层(5)，为硼掺杂层，掺杂浓度ND≥1019cm-3，厚度为50-200nm，所述步骤二中，采用紫外臭氧处理的方式的将p型金刚石层(5)的表面氢终端氧化成氧终端。
9.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述p型欧姆电极(6)，为能与金刚石表面形成碳化物的金属，退火处理温度在500-700℃，退火时间在10min以上。
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