CN110556192B - 一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Pm‑147碳化硅缓变PN型同位素电池及其制造方法，该同位素电池的结构自下而上包括N型欧姆接触电极，N型高掺杂SiC衬底，N型SiC外延层，N型SiC外延层，P型SiC外延层，P型SiC欧姆接触掺杂层，在P型SiC欧姆接触掺杂区的顶部中心处设有P型欧姆接触电极，在在P型SiC欧姆接触掺杂区的顶部除去P型欧姆接触电极的区域设有SiO2钝化层，在SiO2钝化层的上方设有Pm‑147放射性同位素源。本发明设计新颖合理，可以有效解决Pm‑147在材料深处的电离能量沉积的收集问题，有效提高了同位素电池的输出功率、能量转换效率。
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PN型同位素电池及其制作方法。
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肖特基二极管，SiC PN或者PIN型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PN型同位素电池及其制作方法，以解决上述问题。
为实现上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池，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，N型SiC外延层上部设置第二N型SiC外延层，第二N型SiC外延层上部设置P型SiC外延层，P型SiC外延层上部设置P型SiC欧姆接触掺杂层，在P型SiC欧姆接触掺杂层的顶部中心处设有P型欧姆接触电极，在P型SiC欧姆接触掺杂层的顶部除去P型欧姆接触电极的区域设有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，P型SiC外延层的掺杂浓度为1×1014cm-3～5×1015cm-3，厚度为3.5-1.0μm，掺杂浓度越高，厚度越小。
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15μm～40μm；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；第一N型SiC外延层的厚度为7～10μm。
进一步的，第一N型SiC外延层的掺杂浓度为8×1015cm-3～5×1017cm-3；第二N型SiC外延层的掺杂浓度为1×1014cm-3～8×1015cm-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10nm～55nm。
进一步的，一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池的制造方法，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8μm～12μm的第二N型SiC外延层；
采用化学气相沉积法在第二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3.5-1.0μm的P型SiC外延层；
采用化学气相沉积法在N型SiC外延层的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为0.5μm～1μm的P型SiC欧姆接触掺杂层；
步骤五、采用干氧氧化在P型SiC欧姆接触掺杂层的上表面形成厚度为10nm～50nm的SiO2钝化层。
步骤六、采用反应离子干法刻蚀法在SiO2钝化层刻蚀出宽度1μm～5μm台阶，露出P型SiC欧姆接触掺杂层；
步骤七、在P型SiC欧姆接触掺杂层的上方没有SiO2钝化层的窗口上依次淀积厚度为200nm～400nm的金属Ni和厚度为100～200nm的金属Pt；
步骤八、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；
步骤九、在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在P型SiC欧姆接触掺杂层的上方没有SiO2钝化层的窗口上形成P型欧姆接触电极；在衬底的下方形成N型欧姆接触电极；
步骤十、在SiO2钝化层顶部除去P型欧姆接触电极的区域设置有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：
本发明新型结构Pm-147碳化硅PN型同位素电池采用P+P-N-NN+结结构替代传统的PIN结构，采用P-N-结代替PI结可以提高耗尽区厚度，提高载流子吸收效率。
两层掺杂浓度不同的N型层替代常规的N型或者I型层，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。
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PN型同位素电池的主视图。
图2为本发明新型结构Pm-147碳化硅PN型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—P型SiC外延层；6—P型SiC欧姆接触掺杂层；7—P型欧姆接触电极；8-SiO2钝化层；9—Pm-147放射性同位素源。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1和图2，一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池，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，N型SiC外延层3上部设置第二N型SiC外延层4，第二N型SiC外延层4上部设置P型SiC外延层5，P型SiC外延层5上部设置P型SiC欧姆接触掺杂层6，在P型SiC欧姆接触掺杂层6的顶部中心处设有P型欧姆接触电极7，在P型SiC欧姆接触掺杂层6的顶部除去P型欧姆接触电极7的区域设有SiO2钝化层8，在SiO2钝化层8的上方设有Pm-147放射性同位素源9。
P型SiC外延层5的掺杂浓度为1×1014cm-3～5×1015cm-3，厚度为3.5-1.0μm，掺杂浓度越高，厚度越小。
第一N型SiC外延层3和第二N型SiC外延层4的总厚度为15μm～40μm；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7～10μm。
第一N型SiC外延层3的掺杂浓度为8×1015cm-3～5×1017cm-3；第二N型SiC外延层4的掺杂浓度为1×1014cm-3～8×1015cm-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10nm～55nm。
一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池的制造方法，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8μm～12μm的第二N型SiC外延层4；
采用化学气相沉积法在第二N型SiC外延层4的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3，厚度为3.5-1.0μm的P型SiC外延层5；
采用化学气相沉积法在N型SiC外延层5的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为0.5μm～1μm的P型SiC欧姆接触掺杂层6；
步骤五、采用干氧氧化在P型SiC欧姆接触掺杂层6的上表面形成厚度为10nm～50nm的SiO2钝化层8。
步骤六、采用反应离子干法刻蚀法在SiO2钝化层8刻蚀出宽度1μm～5μm台阶，露出P型SiC欧姆接触掺杂层6；
步骤七、在P型SiC欧姆接触掺杂层6的上方没有SiO2钝化层8的窗口上依次淀积厚度为200nm～400nm的金属Ni和厚度为100～200nm的金属Pt；
步骤八、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；
步骤九、在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在P型SiC欧姆接触掺杂层6的上方没有SiO2钝化层8的窗口上形成P型欧姆接触电极7；在衬底2的下方形成N型欧姆接触电极1；
步骤十、在SiO2钝化层8顶部除去P型欧姆接触电极7的区域设置有Pm-147放射性同位素源9。
Claims (4)
1.一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池，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)，第二N型SiC外延层(4)上部设置P型SiC外延层(5)，P型SiC外延层(5)上部设置P型SiC欧姆接触掺杂层(6)，在P型SiC欧姆接触掺杂层(6)的顶部中心处设有P型欧姆接触电极(7)，在P型SiC欧姆接触掺杂层(6)的顶部除去P型欧姆接触电极(7)的区域设有SiO2钝化层(8)，在SiO2钝化层(8)的上方设有Pm-147放射性同位素源(9)；
第一N型SiC外延层(3)和第二N型SiC外延层(4)的总厚度为15～40μm；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7～10μm；
第一N型SiC外延层(3)的掺杂浓度为8×1015cm-3～5×1017cm-3；第二N型SiC外延层(4)的掺杂浓度为1×1014cm-3～8×1015cm-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PN型同位素电池，其特征在于：P型SiC外延层(5)的掺杂浓度为1×1014cm-3～5×1015cm-3，厚度为3.5～1.0μm，掺杂浓度越高，厚度越薄。
3.根据权利要求1所述的一种Pm-147碳化硅缓变PN型同位素电池，其特征在于：SiO2钝化层(7)的厚度为10nm～55nm。
4.根据权利要求1所述的一种Pm-147碳化硅缓变PN型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8μm～12μm的第二N型SiC外延层(4)；
采用化学气相沉积法在第二N型SiC外延层(4)的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3，厚度为3.5-1.0μm的P型SiC外延层(5)；
采用化学气相沉积法在N型SiC外延层(5)的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为0.5μm～1μm的P型SiC欧姆接触掺杂层(6)；
步骤五、采用干氧氧化在P型SiC欧姆接触掺杂层(6)的上表面形成厚度为10nm～50nm的SiO2钝化层(8)；
步骤六、采用反应离子干法刻蚀法在SiO2钝化层(8)刻蚀出宽度1μm～5μm台阶，露出P型SiC欧姆接触掺杂层(6)；
步骤七、在P型SiC欧姆接触掺杂层(6)的上方没有SiO2钝化层(8)的窗口上依次淀积厚度为200nm～400nm的金属Ni和厚度为100～200nm的金属Pt；
步骤八、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；
步骤九、在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在P型SiC欧姆接触掺杂层(6)的上方没有SiO2钝化层(8)的窗口上形成P型欧姆接触电极(7)；在衬底(2)的下方形成N型欧姆接触电极(1)；
步骤十、在SiO2钝化层(8)顶部除去P型欧姆接触电极(7)的区域设置有Pm-147放射性同位素源(9)。
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