CN113990547B - 一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池及制备方法 - Google Patents
一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池及制备方法，辐照电池包括PiN单元和位于PiN单元上的放射性同位素单元，PiN单元包括N型掺杂4H‑SiC衬底、N型掺杂4H‑SiC外延层、P型离子注入区、N型欧姆接触电极、第一钝化层、第二钝化层、P型欧姆接触电极和栅电极，其中，P型离子注入区位于N型掺杂4H‑SiC外延层的表层中，形成分布式P型区；P型欧姆接触电极位于P型离子注入区上，且与第一钝化层相间设置；栅电极设置在第一钝化层上，且与P型欧姆接触电极交错分布。该辐照电池降低了β射线在P型区中的能量沉积，弱化了器件表面复合作用，提升了欧姆接触电极对辐照产生的载流子的收集效率，达到了提升β辐照电池能量转换效率的目的。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池及制备方法。
背景技术
微型核电池或称放射性同位素电池具有体积小、重量轻便、使用寿命长、易于集成以及工作不受外界环境影响等诸多优点，可用来解决航天深空探测、人工心脏起搏器、便携式移动电子产品、植入式微系统等的长期供电问题，被认为是微机电(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)、传感器等微电力应用理想的长期能源之一。
β辐照电池是一种利用3H、63Ni和147Pm等放射性同位素发射的贝塔(β-Particle)射线的辐射伏特效应输出电能的半导体同位素电池。1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的β射线能在硅PN结内产生电子-空穴对，并发生类似于光伏效应的载流子收集过程，最终将β射线能量转换为电能进行输出，此现象则被称为辐射福特效应(β-VoltaicEffect)。1957年，Elgin-Kidde首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功制造出第一个同位素微电池(β-Voltaic Battery)。
自2006年，随着宽禁带半导体材料SiC制备和工艺技术的进步，出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。碳化硅具有禁带宽度大、热稳定性强、热导率高、载流子饱和速率大、抗辐照性能优越等特性，这些特性有助于提高β辐照电池的能量转换效率和输出性能的稳定性。近几十年来，得益于宽禁带半导体材料的使用，β辐照电池的总转换效率已从0.2％提升到了接近4％，其中碳化硅PiN器件的能量转换效率达到了18.6％。
但是现有报道中，理想条件下的碳化硅二极管器件的能量转换效率可以达到23.5％，远高于实验结果，其原因主要为β射线在碳化硅材料中的能量沉积随入射深度呈指数型衰减，大量辐照产生的电子-空穴对位于器件表面1μm范围内，这导致了碳化硅PiN器件的表面复合与P型区死层厚度将对其能量转换效率产生显著的影响。
请参见图1，图1为现有技术提供的一种常规碳化硅PiN型β辐照电池的结构示意图，该PIN核电池自上而下依次为，放射性源60、P型欧姆接触电极50、P型高掺杂SiC层30、本征i层20、n型高掺杂SiC衬底10和N型欧姆接触电极40；其P型高掺杂SiC层30的表面复合一方面降低了β射线在半导体内产生的电子-空穴对的收集效率，从而导致短路电流Isc下降，另一方面增大了PiN器件的饱和电流，从而导致开路电压Voc与填充因子FF下降；其相对过厚的P型高掺杂SiC层30则在增大死层损耗的同时，也将进一步增强表面复合的负面影响。而β辐照电池的最大输出功率Pout＝FF·Isc·Voc，因此表面复合与P型区死层厚度将限制碳化硅PiN型β辐照电池的能量转化效率。另外，这种结构为避免欧姆接触电极阻挡入射离子，简单的将P型欧姆电极做在器件的一个角落，使得离P型欧姆电极较远的辐照生载流子在输运过程中被复合，降低了能量转化率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池，包括PiN单元和位于所述PiN单元上的放射性同位素单元，所述PiN单元包括N型掺杂4H-SiC衬底、N型掺杂4H-SiC外延层、P型离子注入区、N型欧姆接触电极、第一钝化层、第二钝化层、P型欧姆接触电极和栅电极，其中，
所述N型欧姆接触电极、所述N型掺杂4H-SiC衬底和所述N型掺杂4H-SiC外延层依次层叠，所述N型掺杂4H-SiC外延层的外周侧设置有隔离台面；
所述P型离子注入区位于所述N型掺杂4H-SiC外延层的表层中，形成分布式P型区；
所述第一钝化层位于所述N型掺杂4H-SiC外延层上且覆盖所述隔离台面的表面；
所述第二钝化层位于所述隔离台面处的所述第一钝化层上；
所述P型欧姆接触电极位于所述P型离子注入区上，且与所述第一钝化层相间设置；
所述栅电极设置在所述第一钝化层上，且与所述P型欧姆接触电极交错分布；
所述放射性同位素单元位于所述第一钝化层、所述P型欧姆接触电极和所述栅电极的上方。
在本发明的一个实施例中，所述P型欧姆接触电极包括若干第一纵向矩形条和若干第一横向矩形条，若干所述第一纵向矩形条等间距分布，若干所述第一横向矩形条并列分布且每条所述第一横向矩形条均连接在所述第一纵向矩形条的端部。
在本发明的一个实施例中，所述第一纵向矩形条的数量大于或等于5，所述第一横向矩形条的数量大于或等于1。
在本发明的一个实施例中，所述第一纵向矩形条的宽度和所述第一横向矩形条的宽度均为10μm～20μm，所述第一纵向矩形条之间的间距为20～1000μm。
在本发明的一个实施例中，所述栅电极包括若干第二纵向矩形条和若干第二横向矩形条，若干所述第二纵向矩形条等间距分布且与所述第一纵向矩形条交错分布，若干所述第二横向矩形条并列分布且每条所述第二横向矩形条均连接在所述第二纵向矩形条的端部。
在本发明的一个实施例中，所述第二纵向矩形条的数量大于或等于8，所述第二横向矩形条的数量大于或等于1；
所述第二纵向矩形条的宽度和所述第二横向矩形条的宽度均为10μm～20μm；
相邻所述第二纵向矩形条之间的间距满足：
d≤2×LS
其中，LS满足：LS为MOS结构耗尽层宽度，φms是电势表示的金半功函数差，Qox是耗尽区电荷，Cox是栅电容，e是电子电量，Nd是外延层掺杂浓度，εS是SiC材料的介电常数。
在本发明的一个实施例中，相邻所述第二纵向矩形条与所述第一纵向矩形条之间的间距满足：
d≤LS+Lj
其中，Lj满足：Lj是pn结耗尽区宽度，/> 是pn结的内建电势，ni是4H-SiC器件的本征载流子浓度，T为温度，Na为p型区掺杂浓度，k是玻尔兹曼常数。
在本发明的一个实施例中，所述P型欧姆接触电极包括若干第一圆弧和若干第一矩形条，
若干所述第一圆弧围绕成若干第一圆环，若干所述第一圆环按照半径由大到小的顺序依次套叠，且若干所述第一圆环等间距分布；
沿所述第一圆环的半径方向，相邻所述第一圆弧之间均连接有所述第一矩形条，且若干所述第一矩形条等角度分布。
在本发明的一个实施例中，所述第一圆弧形成的第一圆环数量大于或等于5，所述第一矩形条的数量大于或等于2；
所述第一圆弧的宽度和所述第一矩形条的宽度均为10μm～20μm，所述第一圆弧形成的第一圆环的环间距与中心第一圆弧的内半径均为20～1000μm。
在本发明的一个实施例中，所述栅电极包括若干第二圆弧和若干第二矩形条，其中，
若干所述第二圆弧围绕成若干第二圆环，若干所述第二圆环按照半径由大到小的顺序依次套叠，若干所述第二圆环等间距分布且与所述第一圆环交错分布；
沿所述第二圆环的半径方向，相邻所述第二圆弧之间均连接有所述第二矩形条，且若干所述第二矩形条等角度分布。
本发明的另一个实施例提供了一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池的制备方法，包括步骤：
S1、在N型掺杂4H-SiC衬底上外延生长N型掺杂4H-SiC外延层；
S2、对所述N型掺杂4H-SiC外延层进行台面刻蚀，形成隔离台面；
S3、在所述N型掺杂4H-SiC外延层的表层中进行离子注入，形成分布式的P型离子注入区；
S4、在所述N型掺杂4H-SiC外延层的表面和所述隔离台面的表面制备第一钝化层；
S5、在所述隔离台面处的所述第一钝化层上制备第二钝化层；
S6、在所述P型离子注入区上制备P型欧姆接触电极，使得所述P型欧姆接触电极与所述第一钝化层相间设置；
S7、在所述第一钝化层上制备栅电极，使得所述栅电极与所述P型欧姆接触电极交错分布；
S8、在所述N型掺杂4H-SiC衬底的背面外延生长N型欧姆接触电极；
S9、在所述第一钝化层、所述P型欧姆接触电极和所述栅电极的上方制备放射性同位素单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的辐照电池通过在N型掺杂4H-SiC外延层的表层中形成分布式P型离子注入区，并在分布式P型区上制备P型欧姆接触电极，同时对P型区外的表面进行钝化处理，并在第一钝化层上制备分布式栅电极，降低了β射线在P型区中的能量沉积，弱化了器件表面复合作用，提升了欧姆接触电极对辐照产生的载流子的收集效率，从而减少了辐照产生的载流子在输运过程中的复合，降低了器件饱和电流，进而提升了短路电流Isc、开路电压Voc以及填充因子FF，达到了提升β辐照电池能量转换效率的目的。
附图说明
图1为现有技术提供的一种常规碳化硅PiN型β辐照电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池的结构示意图；
图3a-图3d为本发明实施例提供的四种栅状的交错分布的P型欧姆接触电极和栅电极的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种圆环状的交错分布的P型欧姆接触电极和栅电极的结构示意图；
图5a-图5k为本发明实施例提供的一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池的结构示意图。该辐照电池包括PiN单元和位于PiN单元上的放射性同位素单元。
PiN单元包括N型掺杂4H-SiC衬底1、N型掺杂4H-SiC外延层2、P型离子注入区3、N型欧姆接触电极4、第一钝化层5、第二钝化层6、P型欧姆接触电极7和栅电极9。
具体的，PiN单元的形状可以为正方形或者圆形，当PiN单元为正方形时，其台面面积为0.5×0.5cm～1.0×1.0cm；当PiN单元为圆形时，其台面面积为Φ0.5cm～Φ1.0cm；但是PiN单元的形状和面积大小不限于上述描述，例如，PiN单元的形状还可以为矩形、梯形等。
N型欧姆接触电极4、N型掺杂4H-SiC衬底1和N型掺杂4H-SiC外延层2依次层叠。部分N型掺杂4H-SiC外延层2的外周侧形成隔离台面；具体的，部分N型掺杂4H-SiC外延层2的侧面以及N型掺杂4H-SiC外延层2的外周表面形成隔离台面。
在一个具体实施例中，N型掺杂4H-SiC衬底1的材料为N型高掺杂4H-SiC，其掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为380μm。N型掺杂4H-SiC外延层2的材料为N型低掺杂4H-SiC，其掺杂浓度为1×1014～1×1015cm-3，厚度为4.0～10.0μm，掺杂离子为氮离子。N型欧姆接触电极4的材料包括但不限于Ni，厚度为200nm；N型欧姆接触电极4与N型掺杂4H-SiC衬底1的界面之间形成欧姆接触。
P型离子注入区3位于N型掺杂4H-SiC外延层2的表层中，形成分布式P型区；分布式P型区可以为栅状分布式P型区和环状分布式P型区。具体地，P型离子注入区3为对N型掺杂4H-SiC外延层2进行离子注入形成的，其掺杂浓度为1×1019～5×1019cm-3，注入深度为0.2～0.5μm，宽度10～20μm，注入离子为铝离子；分布式P型离子注入区3中相邻注入区之间的间距为20～1000μm。
第一钝化层5位于N型掺杂4H-SiC外延层2上且覆盖隔离台面的表面，即，第一钝化层5位于P型离子注入区3之间的N型掺杂4H-SiC外延层2的表面，且位于P型离子注入区3外围的N型掺杂4H-SiC外延层2的表面和侧面。具体地，第一钝化层5的材料包括SiO2，厚度为30～50nm，位于P型离子注入区3之间即位于P型欧姆接触电极7之间的第一钝化层5的宽度与分布式P型离子注入区3中相邻注入区之间的间距相等，均为20～1000μm。
第二钝化层6位于隔离台面处的第一钝化层5上，即第二钝化层6位于第一钝化层5的外侧表面。具体地，第二钝化层6的厚度为0.2～0.5μm，侧面高度为1μm。
P型欧姆接触电极7位于P型离子注入区3上，且与第一钝化层5相间设置。可以理解的是，P型欧姆接触电极7将P型离子注入区3完全覆盖住，之外的部分为第一钝化层5。P型欧姆接触电极7的形状与P型离子注入区3的形状相同，形成分布式欧姆接触电极。P型欧姆接触电极7的材料包括但不限于Ti、Ni、Al中的一种或多种，例如，P型欧姆接触电极7的材料为Ti，或Ni，或Al，或Ti和Ni的组合，或Ti和Al的组合，或Ni和Al的组合，或Ti和Ni和Al组合成的多层金属；P型欧姆接触电极7的厚度为50～150nm，宽度为10μm～20μm；P型欧姆接触电极7与P型离子注入区3的界面之间形成欧姆接触。
栅电极9位于第一钝化层5的表面上，与P型欧姆接触电极7交错分布，形成分布型栅电极9；栅电极9与第一钝化层5之间的界面形成欧姆接触；并且，栅电极9的电位与N型欧姆接触电极4的电位相同。具体的，栅电极9的材料包括但不限于Cu、Ni、Fe中的一种或多种；栅电极9的厚度为10～30nm，栅电极9的宽度为10μm～20μm。
放射性同位素单元位于第一钝化层5、P型欧姆接触电极7和栅电极9的上方。具体的，放射性同位素单元包括放射性同位素源层8，放射性同位素源层8位于第一钝化层5、P型欧姆接触电极7和栅电极9的上方，放射性同位素源层8的β放射源材料包括Ni63、Pm137、H3中的一种或多种，但是不限于这几种同位素。
请参见图3a-图3d，图3a-图3d为本发明实施例提供的四种栅状的交错分布的P型欧姆接触电极和栅电极的结构示意图。
P型欧姆接触电极7为插指状分布电极，此时分布式P型区和P型欧姆接触电极7形成栅状；插指状的P型欧姆接触电极7包括若干第一纵向矩形条71和若干第一横向矩形条72，若干第一纵向矩形条71等间距分布，若干第一横向矩形条72并列分布且每条第一横向矩形条72均连接在若干第一纵向矩形条71的端部。
可以理解的是，若干第一纵向矩形条71可以作为1组并列，此时，若干第一横向矩形条72的数量为1条，1条第一横向矩形条72连接在若干第一纵向矩形条71的端部，如图3a所示；若干第一纵向矩形条71也可以作为2组并列设置，此时，若干第一横向矩形条72的数量为2条，2条第一横向矩形条72分别连接在2组第一纵向矩形条71的端部，如图3b所示，若干第一横向矩形条72的数量也可以为1条，两组第一纵向矩形条71分布在1条第一横向矩形条72的两侧，如图3c所示；若干第一纵向矩形条71也可以作为多组并列设置，此时，在每一组第一纵向矩形条71的端部均连接有第一横向矩形条72，两组第一纵向矩形条71可以分别连接在一条第一横向矩形条72的两侧，也可以一组第一纵向矩形条71连接在一条第一横向矩形条72的一侧，如图3d所示。
在上述插指状P型欧姆接触电极7的设置中，第一纵向矩形条71和第一横向矩形条的设置并不限于上述方式，只要满足以下条件即可：第一纵向矩形条71的其中一个端部连接有1条第一横向矩形条72，另一端部不连接第一横向矩形条72，以与栅电极9形成插指状。
在一个具体实施例中，第一纵向矩形条71的数量大于或等于5，第一横向矩形条72的数量大于或等于1；多个第一纵向矩形条71等间距分布，其长度与PiN单元纵向长度相适应，第一纵向矩形条71的宽度为10μm～20μm，第一纵向矩形条71之间的间距h1与分布式P型离子注入区3中相邻注入区之间的间距的宽度相同，为20～1000μm；第一横向矩形条72的长度与PiN单元横向长度相同，宽度为10μm～20μm。
本实施例中，由于P型欧姆接触电极7位于分布式P型区上，因此，分布式P型区的形状与P型欧姆接触电极7的形状相同。
栅电极9包括若干第二纵向矩形条91和若干第二横向矩形条92，若干第二纵向矩形条91等间距分布且与第一纵向矩形条71交错分布，若干第二横向矩形条92并列分布且每条第二横向矩形条92均连接在第二纵向矩形条91的端部。
可以理解的是，若干第二纵向矩形条91的组数与若干第一纵向矩形条71的组数相同，即，若干第二纵向矩形条91可以作为1组并列，此时，若干第二横向矩形条92的数量为1条，1条第二横向矩形条92连接在若干第二纵向矩形条91的端部，如图3a所示；若干第二纵向矩形条91也可以作为2组并列设置，此时，若干第二横向矩形条92的数量可以为1条，多条第二纵向矩形条91分布在1条第二横向矩形条92的两侧，如图3b所示，若干第二横向矩形条92的数量也可以为2条，2条第二横向矩形条92分别连接在2组第二纵向矩形条91的端部，如图3c所示；若干第二纵向矩形条91也可以作为多组并列设置，此时，若干第二横向矩形条92的数量也为多条，每一组第二纵向矩形条91的端部均连接有第二横向矩形条92，两组第二纵向矩形条91可以分别连接在一条第二横向矩形条92的两侧，也可以一组第二纵向矩形条91连接在一条第二横向矩形条92的一侧，如图3d所示。
栅电极9并不限于上述设置方式，只要其满足以下条件即可：第二纵向矩形条91的其中一个端部连接有1条第二横向矩形条92，另一端部不连接第二横向矩形条92，以与P型欧姆接触电极7形成插指状。
进一步的，相邻两个P型欧姆接触电极7之间可以设置一个第二纵向矩形条91，也可以设置多个第二纵向矩形条91，只要相邻两个纵向矩形条101之间的距离满足d≤2×LS，相邻第二纵向矩形条91与第一纵向矩形条71之间的间距满足d≤LS+Lj的要求即可。
在一个具体实施例中，第二纵向矩形条91的数量大于或等于8，第二横向矩形条92的数量大于或等于1。第二纵向矩形条91的长度与PiN单元纵向长度相适应，第二纵向矩形条91的宽度为10μm～20μm。第二横向矩形条92的长度与PiN单元横向长度相同，第二横向矩形条92的宽度为10μm～20μm。
相邻第二纵向矩形条91之间的间距满足式(1)，以保证耗尽区能覆盖整个电池区域：
d≤2×LS (1)
其中，LS满足：LS为MOS结构耗尽层宽度，φms是电势表示的金半功函数差，Qox是耗尽区电荷，Cox是栅电容，e是电子电量，Nd是外延层掺杂浓度，εS是SiC材料的介电常数。
进一步的，相邻第二纵向矩形条91与第一纵向矩形条71之间的间距满足：
d≤LS+Lj (2)
其中，Lj满足：Lj是pn结耗尽区宽度，/> 是pn结的内建电势，ni是4H-SiC器件的本征载流子浓度，T为温度，Na为p型区掺杂浓度，k是玻尔兹曼常数。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种圆环状的交错分布的P型欧姆接触电极和栅电极的结构示意图。图4中，P型欧姆接触电极7包括若干第一圆弧73和若干第一矩形条74，若干第一圆弧73围绕成若干第一圆环，若干第一圆环按照半径由大到小的顺序依次套叠；沿第一圆环的半径方向，相邻第一圆弧之间均连接有第一矩形条74。
具体的，若干第一圆环形成等间距分布的同心圆环，最外层的第一圆环的外径与PiN单元台面尺寸相适应。若干第一矩形条74等角度分布，即沿着第一圆环的圆周，相邻第一矩形条74之间的夹角均相等。
在一个具体实施例中，第一圆弧73组成的圆环数量大于或等于5，第一矩形条74的数量大于或等于2；第一圆弧73的宽度为10μm～20μm，第一圆弧73组成的第一圆环之间的间距h1与中心第一圆环的内半径、第一钝化层5的宽度相同，为20～1000μm；第一矩形条74沿第一圆环的半径方向连接第一圆弧73，宽度为10μm～20μm。
本实施例中，由于P型欧姆接触电极7位于分布式P型区上，因此，分布式P型区的形状与P型欧姆接触电极7的形状相同。
栅电极9包括若干第二圆弧93和若干第二矩形条94。若干第二圆弧93围绕成第二圆环，若干第二圆环按照半径由大到小的顺序依次套叠，且第二圆弧93形成的第二圆环与第一圆弧73形成的第一圆环交错分布。沿第二圆环的半径方向，相邻第二圆弧93之间均连接有第二矩形条94。
在一个具体实施例中，若干第二圆环形成等间距分布的同心圆环，且相邻第二圆环的环间距h2与中心第二圆环的内半径相同。若干第二矩形条94等角度分布，即沿着第二圆环的圆周，相邻第二矩形条94之间的夹角均相等。第二圆环的数量大于或等于37，第二矩形条94的数量大于或等于2。第二圆弧93的外径和第二矩形条94的长度均与PiN单元台面尺寸相适应，第二圆弧93的宽度和第二矩形条94的宽度均为10μm～20μm。
优选的，第一圆环与第二圆环为同心圆环。
相邻第二圆弧93组成的第二圆环之间的环间距h2满足式(3)，以保证耗尽区能覆盖整个电池区域：
d≤2×LS (3)
其中，LS满足：LS为MOS结构耗尽层宽度，φms是电势表示的金半功函数差，Qox是耗尽区电荷，Cox是栅电容，e是电子电量，Nd是外延层掺杂浓度，εS是SiC材料的介电常数。
进一步的，相邻第二圆弧93形成的第二圆环与第一圆弧94形成的第一圆环之间的间距满足：
d≤LS+Lj (4)
其中，Lj满足：Lj是pn结耗尽区宽度，/> 是pn结的内建电势，ni是4H-SiC器件的本征载流子浓度，T为温度，Na为p型区掺杂浓度，k是玻尔兹曼常数。
也就是说，不论是栅状栅电极还是环状栅电极，其电极间的间距均满足式(1)或式(3)，电极与P型欧姆接触电极之间的间距均满足式(2)或式(4)。
进一步的，若干第一矩形条74与若干第二矩形条94数量相等且交替分布，第一矩形条74与第二矩形条94的数量均为2的整数倍，每条第一矩形条74垂直平分若干第一圆弧94，每条第二矩形条94垂直平分若干第二圆弧93，如图4所示。
进一步的，相邻两个P型欧姆接触电极7之间可以设置一个第二圆弧93，也可以设置多个第二圆弧93，即相邻两个第一圆环之间，设置第二圆环的数量大于或等于1。只要相邻两个第二圆弧93之间的距离满足d≤2×LS，相邻第二圆弧93与第一圆弧73之间的间距满足d≤LS+Lj的要求即可。
需要说明的是，P型欧姆接触电极7和栅电极的形状不限于上述的形状，只要其满足插指状即可。
与常规碳化硅PiN型β辐照电池相比，本实施例通过对在N型外延层进行离子注入得到分布式P型区，仅在分布式P型区上方覆盖欧姆接触电极，对分布式P型区外的N型外延层表面进行钝化处理，使N型外延层表面覆盖有SiO2钝化薄层，并在SiO2钝化薄层上制备分布式栅电极。这样有以下几点好处：1.分布式P型区通过对N型外延层进行离子注入处理得到，相比于在N型外延层表面进行P型外延，并通过对P型外延层进行沟槽刻蚀来得到分布式P型区的工艺方法，避免了表面刻蚀带来的N型外延层表面损伤，降低了N型区表面的复合作用，同时离子注入工艺得到的平面型器件有利于分布式P型区产生的耗尽区电场在N型外延层中的横向扩展，这有利于提升了载流子的收集效率，降低饱和电流。2.分布式P型区及其上方的欧姆接触电极降低了器件表面的P型死区及相应金属电极的覆盖面积，从而降低了欧姆接触电极与P型死区对β射线造成的能量损耗，减少了载流子在P型死区与金属接触界面的复合，同时通过分布式P型区及其上方相应欧姆接触电极的图形设计，降低了载流子收集过程中的平均输运距离，降低了载流子在输运过程中的复合损失，提升了载流子的收集效率。3.由于P型区对载流子的收集效率远低于耗尽区，常规碳化硅PiN型β辐照电池主要将PN结形成耗尽区作为灵敏区的一部分收集β射线辐照产生的载流子，这样一来，入射β射线必须穿越P型死层区域，从而造成显著的粒子能量损失；而本实施例通过离子注入处理，仅在离子注入区域形成分布式P型区，并通过SiO2钝化薄层上的栅电极产生耗尽层，使β射线无需穿越P型死层区域就可以将能量沉积于耗尽层，从而提升了载流子的收集效率。4.N型外延层表面的SiO2钝化薄层提升了界面特性，降低了器件表面复合作用，同时N型外延层表面的耗尽区电场抽离了β射线产生的电子，并在表面形成了P型反型层，进一步降低了器件表面的复合作用，从而减少了载流子复合损失并降低了器件饱和电流。上述第2、3两点可以提升短路电流Isc，第1、4两点则使短路电流Isc、开路电压Voc以及填充因子FF同时得到提升，最终使β辐照电池的能量转换效率得到提升。
综上，本实施例的辐照电池通过在N型掺杂4H-SiC外延层的表层中形成分布式P型离子注入区，并在分布式P型区上制备P型欧姆接触电极，同时对P型区外的表面进行钝化处理，并在第一钝化层上制备分布式栅电极，降低了β射线在P型区中的能量沉积，弱化了器件表面复合作用，提升了欧姆接触电极对辐照产生的载流子的收集效率，从而减少了辐照产生的载流子在输运过程中的复合，降低了器件饱和电流，进而提升了短路电流Isc、开路电压Voc以及填充因子FF，达到了提升β辐照电池能量转换效率的目的。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图5a-图5k，图5a-图5k为本发明实施例提供的一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池的制备方法的过程示意图，该制备方法包括步骤：
S1、在N型掺杂4H-SiC衬底1上外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2，请参见图5a和图5b。
首先，对N型掺杂4H-SiC衬底1样片进行清洗，以去除表面污染物。
然后，利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片表面外延生长一层掺杂浓度为1×1014～1×1015cm-3，厚度为4.0～10.0μm的N型低掺杂4H-SiC，形成N型掺杂4H-SiC外延层2。
S2、对N型掺杂4H-SiC外延层2进行台面刻蚀，形成隔离台面，请参见图5c。
具体的，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀法对N型掺杂4H-SiC外延层2进行台面刻蚀，刻蚀深度为1μm，使得部分N型掺杂4H-SiC外延层2形成台面，从而形成器件的台面隔离。
S3、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表层中进行离子注入，形成分布式的P型离子注入区3，请参见图5d。
具体地，在样品表面淀积二氧化硅离子注入掩膜层，在二氧化硅离子注入掩膜层上涂胶，光刻形成具有分布式P型区图形的阻挡层，用酸湿法腐蚀二氧化硅打开离子注入窗口，采用离子注入方法在N型掺杂4H-SiC外延层2的上部形成掺杂浓度为1×1019～5×1019cm-3、深度为0.2～0.5μm的P型离子注入区，并在表面碳膜保护下进行1700℃的高温热退火，从而形成分布式的P型离子注入区3。
S4、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表面和隔离台面的表面制备第一钝化层5，请参见图5e。
具体地，对完成离子注入的样品进行牺牲氧化，用酸湿法腐蚀二氧化硅去除表面牺牲氧化层并对样品进行清洗，然后对样品进行高温热氧化，形成厚度为30～50nm的致密SiO2钝化薄层，形成第一钝化层5。
S5、在隔离台面处的第一钝化层5上制备第二钝化层6，请参见图5f。
具体地，在致密SiO2钝化薄层上涂胶，光刻形成具有灵敏区图形的阻挡层，在致密SiO2钝化薄层表面进行CVD淀积二氧化硅对样片进行钝化处理，在致密SiO2钝化薄层表面形成厚度为0.2～0.5μm的SiO2钝化层，形成第二钝化层6。
S6、在P型离子注入区3上制备P型欧姆接触电极7，使得P型欧姆接触电极7与第一钝化层5相间设置。
首先，在第一钝化层5上涂胶，光刻形成具有分布式P型区图形的阻挡层，用酸湿法腐蚀二氧化硅打开第一钝化层5窗口作为P型欧姆接触电极区7’，请参见图5g。
然后，在样片正面涂胶，光刻形成分布式P型区表面的金属淀积窗口，对开窗后的样片进行清洗，通过磁控溅射淀积P型欧姆接触电极金属，材料为Ti或Ni或Al或包含Ti或Ni或Al的多层金属，然后对光刻胶进行剥离，形成P型欧姆接触电极7，请参见图5h。
S7、在第一钝化层5上制备栅电极9，使得栅电极9与所述P型欧姆接触电极7交错分布，请参见图5i。
在样片正面涂胶，光刻形成第一钝化层5表面的金属淀积窗口，对开窗后的样片进行清洗，通过磁控溅射淀积栅电极金属，材料为Cu或Ni或Fe或包含Cu或Ni或Fe的单层金属，然后对光刻胶进行剥离，形成灵敏区栅电极图形，制备得到栅电极9。
S8、在N型掺杂4H-SiC衬底1的背面外延生长N型欧姆接触电极4，请参见图5j。
在样片正面涂胶保护，在样片背面通过磁控溅射淀积形成N型欧姆接触电极4，N型欧姆接触电极4的材料为Ni，厚度为200nm。
S9、在第一钝化层5、P型欧姆接触电极7和栅电极9的上方制备放射性同位素单元，请参见图5k。
具体地，利用淀积或涂抹法，在样件上表面形成放射性同位素源层8，得到具有分布式P型区与钝化层表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池。
上述制备方法制得的器件结构请参见实施例一，本实施例不再赘述。
本实施例的辐照电池通过在N型掺杂4H-SiC外延层的表层中形成分布式P型离子注入区，并在分布式P型区上制备P型欧姆接触电极，同时对P型区外的表面进行钝化处理，并在第一钝化层上制备分布式栅电极，降低了β射线在P型区中的能量沉积，弱化了器件表面复合作用，提升了欧姆接触电极对辐照产生的载流子的收集效率，从而减少了辐照产生的载流子在输运过程中的复合，降低了器件饱和电流，进而提升了短路电流Isc、开路电压Voc以及填充因子FF，达到了提升β辐照电池能量转换效率的目的。
实施例三
在实施例二的基础上，请结合图5a-图5k，本实施例以制备具有插指状分布式P型区与栅电极表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池为例对其制备方法进行说明，其中，电池面积0.5cm×0.5cm，P型注入区的间距为205μm，第一纵向矩形条71、第一横向矩形条72、第二纵向矩形条91、第二横向矩形条92的宽度即电极宽度为20μm，第一纵向矩形条71的电极数量为21，第二纵向矩形条91的电极数量为160，相邻第一纵向矩形条71之间设置有8条第二纵向矩形条91，相邻的第二纵向矩形条91之间的间距h2为5μm，第一横向矩形条72的数量为2，分别连接在两组第一纵向矩形条71的端部，第二横向矩形条92的数量为1，连于第二纵向矩形条91的中部。
S1、在N型掺杂4H-SiC衬底1上外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2。
首先，采用标准RAC清洗N型掺杂4H-SiC衬底1样片，以去除表面污染物，请参见图5a。
具体的，首先在25℃下，将掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为380μm的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片在H2SO4:H2O2(4:1)的试剂中浸泡10min，以去除样片表面有机、金属沾污；接着在85℃下，将去除表面有机、金属沾污的样片在H2O:NH4OH:H2O2(5:1:1)的试剂中浸泡10min，以去除杂质颗粒；之后，在85℃下，将去除杂质颗粒的样片在H2O:HCl:H2O2(5:1:1)的试剂中浸泡10min，以去除金属、重离子沾污；最后，在25℃下，将去除金属、重离子沾污的样片在H2O:HF(10:1)的试剂中浸泡10min，以去除表面自然氧化层。
然后，外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2，请参见图5b。
具体的，在清洗后的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片上利用低压化学气相淀积LPCVD方法，非故意掺杂外延生长N型4H-SiC低掺杂外延层2。其工艺条件为：外延温度为1580℃，压强为100mbar，反应气体为丙烷(C3H8)和硅烷(SiH4)，C/Si为1，载气为纯氢气，得到氮掺杂浓度为7×1014cm-3，厚度为9μm的N型4H-SiC低掺杂外延层2。
S2、对N型掺杂4H-SiC外延层2进行台面刻蚀，形成隔离台面，请参见图5c。
首先，将外延生长完成的样片进行标准RCA清洗；样片清洗完成后，在氮掺杂浓度为7×1014cm-3的N型掺杂4H-SiC外延层2上通过磁控溅射淀积厚度为200nm的Ni膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版将Ni膜图形化，形成刻蚀所需要的图案；接着对样片上表面利用电感耦合等离子体ICP对部分N型掺杂4H-SiC外延层2进行刻蚀，刻蚀深度为1μm，并在25℃下，用H2SO4:H2O2(4:1)试剂浸泡刻蚀完成的样片10min以去除Ni掩膜层，形成器件的台面隔离。
S3、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表层中进行离子注入，形成分布式的P型离子注入区3，请参见图5d。
首先，对进行台面刻蚀后的样片进行标准RCA清洗；然后，使用化学气相沉积法CVD在样片表面淀积3μm厚度的二氧化硅作为离子注入掩膜层；接着，在二氧化硅离子注入掩膜层上旋涂光刻胶，光刻形成具有分布式P型区图形的阻挡层，用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀二氧化硅打开离子注入窗口；之后，对N型掺杂4H-SiC外延层2进行离子注入，形成栅状分布式P型离子注入区3，掺杂浓度为1.5×1019cm-3，注入深度为0.3μm，宽度13μm，间距为205μm，离子注入参数为：P型注入杂质为一价铝离子，铝离子能量≤350KeV，注入温度为400℃；最后，对离子注入完成的样片采用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀去除二氧化硅离子注入掩膜层，然后对样片表面进行物理气相沉积PVD淀积碳膜保护层，在1700℃温度下，进行20分钟的高温热退火。
S4、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表面和隔离台面的表面制备第一钝化层5，请参见图5e。
首先，对离子注入后的样片进行标准RCA清洗；然后，在1150±50℃温度下，对样件表面进行2小时的湿氧氧化，形成牺牲氧化层；接着，对进行牺牲氧化后的样片采用浓度为10％的HF溶液DHF酸湿法腐蚀去除牺牲氧化层；之后，对去除牺牲氧化层的样片进行标准RCA清洗；最后，在1150±50℃温度下，对进行离子注入后的样件表面进行3小时的干氧氧化，形成30nm厚的致密SiO2钝化薄层，然后在1150±50℃温度下进行氮气氛围退火1小时，形成第一钝化层5。
S5、在隔离台面处的第一钝化层5上制备第二钝化层6，请参见图5f。
首先，在第一钝化层5上旋涂光刻胶；然后，使用光刻版将光刻胶图形化，形成具有灵敏区图形的阻挡层；最后，在250℃温度下，使用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在第一钝化层5上淀积300nm厚度的SiO2，然后在1000±50℃温度，纯氩气氛围中进行5分钟的快速热退火，形成第二钝化层6。
S6、在P型离子注入区3上制备P型欧姆接触电极7，使得P型欧姆接触电极7与第一钝化层5相间设置。
首先，对第一钝化层5进行腐蚀开窗，形成P型欧姆接触电极区7’，请参见图5g。具体的，在第一钝化层5上旋涂光刻胶，并使用光刻版将光刻胶图形化，形成腐蚀开窗所需要的具有分布式P型区图形的阻挡层，之后用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀二氧化硅打开第一钝化层5窗口，开窗区域作为P型欧姆接触电极区。
然后，形成灵敏区栅状分布式P型欧姆接触电极7，请参见图5h。具体地，首先在样片正面旋涂光刻胶；然后使用光刻版将光刻胶图形化，形成分布式P型区表面的金属淀积窗口；接着湿法、干法清洗开窗后的样片表面，通过磁控溅射淀积厚度分别为30nm/70nm的Ti/Al双层金属，形成P型欧姆接触电极的接触金属；最后对光刻胶进行剥离，形成电极宽度为20μm，第一纵向矩形条71间距为205μm，第一纵向矩形条71数量为21的栅状分布式P型欧姆接触电极7。
S7、在第一钝化层5上制备栅电极9，使得栅电极9与所述P型欧姆接触电极7交错分布，请参见图5i。
首先，在样片正面旋涂光刻胶；然后使用光刻版将光刻胶图形化，形成钝化薄层表面的金属淀积窗口；接着湿法、干法清洗开窗后的样片表面，通过磁控溅射淀积厚度分别为20nm的Ti单层金属，形成栅电极的接触金属；最后，对光刻胶进行剥离，形成电极宽度为20μm，第二纵向矩形条91间距为5μm，第二纵向矩形条91数量为160的栅状栅电极9。
S8、在N型掺杂4H-SiC衬底1的背面外延生长N型欧姆接触电极4，请参见图5j。
首先，在样片正面旋涂光刻胶。接着，湿法、干法清洗样片表面。之后，通过磁控溅射在样片下表面淀积厚度为200nm的Ni金属，形成N型欧姆接触电极4。最后，在1000℃温度下，进行3分钟纯氩气氛围下的快速热退火，同时形成N型欧姆接触电极4与P型欧姆接触电极7的欧姆接触界面。
S9、在第一钝化层5、P型欧姆接触电极7和栅电极9的上方制备放射性同位素单元，请参见图5k。
具体的，利用淀积或涂抹法，在样件上表面放置β放射源，形成放射性同位素源层8，得到具有栅状分布式P型区与钝化层表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池。
实施例四
在实施例二的基础上，请结合图5a-图5k，本实施例以制备具有插指状分布式P型区与栅电极表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池为例对其制备方法进行说明，其中，电池面积0.7cm×0.7cm，P型注入区的间距为305μm，第一纵向矩形条71、第一横向矩形条72、第二纵向矩形条91、第二横向矩形条92的宽度即电极宽度为20μm，第一纵向矩形条71的电极数量为21，第二纵向矩形条91的电极数量为240，相邻第一纵向矩形条71之间设置有12条第二纵向矩形条91，相邻的第二纵向矩形条91之间的间距h2为5μm，第一横向矩形条72的数量为1，连于第一纵向矩形条71的中部，第二横向矩形条92的数量为2，分别连接在两组第二纵向矩形条91的端部。
S1、在N型掺杂4H-SiC衬底1上外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2。
首先，采用标准RAC清洗N型掺杂4H-SiC衬底1样片，以去除表面污染物，请参见图5a。
具体的，首先在25℃下，将掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为380μm的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片在H2SO4:H2O2(4:1)的试剂中浸泡10min，以去除样片表面有机、金属沾污；接着在85℃下，将去除表面有机、金属沾污的样片在H2O:NH4OH:H2O2(5:1:1)的试剂中浸泡10min，以去除杂质颗粒；之后，在85℃下，将去除杂质颗粒的样片在H2O:HCl:H2O2(5:1:1)的试剂中浸泡10min，以去除金属、重离子沾污；最后，在25℃下，将去除金属、重离子沾污的样片在H2O:HF(10:1)的试剂中浸泡10min，以去除表面自然氧化层。
然后，外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2，请参见图5b。
具体的，在清洗后的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片上利用低压化学气相淀积LPCVD方法，非故意掺杂外延生长N型4H-SiC低掺杂外延层2。其工艺条件为：外延温度为1580℃，压强为100mbar，反应气体为丙烷(C3H8)和硅烷(SiH4)，C/Si为1.1，载气为纯氢气，得到氮掺杂浓度为7×1014cm-3，厚度为8μm的N型4H-SiC低掺杂外延层2。
S2、对N型掺杂4H-SiC外延层2进行台面刻蚀，形成隔离台面，请参见图5c。
首先，将外延生长完成的样片进行标准RCA清洗；样片清洗完成后，在氮掺杂浓度为7×1014cm-3的N型掺杂4H-SiC外延层2上通过磁控溅射淀积厚度为200nm的Ni膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版将Ni膜图形化，形成刻蚀所需要的图案；接着对样片上表面利用电感耦合等离子体ICP对部分N型掺杂4H-SiC外延层2进行刻蚀，刻蚀深度为1μm，并在25℃下，用H2SO4:H2O2(4:1)试剂浸泡刻蚀完成的样片10min以去除Ni掩膜层，形成器件的台面隔离。
S3、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表层中进行离子注入，形成分布式的P型离子注入区3，请参见图5d。
首先，对进行台面刻蚀后的样片进行标准RCA清洗；然后，使用化学气相沉积法CVD在样片表面淀积3μm厚度的二氧化硅作为离子注入掩膜层；接着，在二氧化硅离子注入掩膜层上旋涂光刻胶，光刻形成具有分布式P型区图形的阻挡层，用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀二氧化硅打开离子注入窗口；之后，对N型掺杂4H-SiC外延层2进行离子注入，形成栅状分布式P型离子注入区3，掺杂浓度为1.5×1019cm-3，注入深度为0.3μm，宽度20μm，间距为305μm，离子注入参数为：P型注入杂质为一价铝离子，铝离子能量≤350KeV，注入温度为400℃；最后，对离子注入完成的样片采用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀去除二氧化硅离子注入掩膜层，然后对样片表面进行物理气相沉积PVD淀积碳膜保护层，在1700℃温度下，进行20分钟的高温热退火。
S4、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表面和隔离台面的表面制备第一钝化层5，请参见图5e。
首先，对离子注入后的样片进行标准RCA清洗；然后，在1150±50℃温度下，对样件表面进行2小时的湿氧氧化，形成牺牲氧化层；接着，对进行牺牲氧化后的样片采用浓度为10％的HF溶液DHF酸湿法腐蚀去除牺牲氧化层；之后，对去除牺牲氧化层的样片进行标准RCA清洗；最后，在1150±50℃温度下，对进行离子注入后的样件表面进行3小时的干氧氧化，形成30nm厚的致密SiO2钝化薄层，然后在1150±50℃温度下进行氮气氛围退火1小时，形成第一钝化层5。
S5、在隔离台面处的第一钝化层5上制备第二钝化层6，请参见图5f。
首先，在第一钝化层5上旋涂光刻胶；然后，使用光刻版将光刻胶图形化，形成具有灵敏区图形的阻挡层；最后，在250℃温度下，使用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在第一钝化层5上淀积300nm厚度的SiO2，然后在1000±50℃温度，纯氩气氛围中进行5分钟的快速热退火，形成第二钝化层6。
S6、在P型离子注入区3上制备P型欧姆接触电极7，使得P型欧姆接触电极7与第一钝化层5相间设置。
首先，对第一钝化层5进行腐蚀开窗，形成P型欧姆接触电极区7’，请参见图5g。具体的，在第一钝化层5上旋涂光刻胶，并使用光刻版将光刻胶图形化，形成腐蚀开窗所需要的具有分布式P型区图形的阻挡层，之后用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀二氧化硅打开第一钝化层5窗口，开窗区域作为P型欧姆接触电极区。
然后，形成灵敏区栅状分布式P型欧姆接触电极7，请参见图5h。具体地，首先在样片正面旋涂光刻胶；然后使用光刻版将光刻胶图形化，形成分布式P型区表面的金属淀积窗口；接着湿法、干法清洗开窗后的样片表面，通过磁控溅射淀积厚度分别为30nm/70nm的Ti/Al双层金属，形成P型欧姆接触电极的接触金属；最后对光刻胶进行剥离，形成电极宽度为16μm，第一纵向矩形条71间距为305μm，第一纵向矩形条71数量为21的栅状分布式P型欧姆接触电极7。
S7、在第一钝化层5上制备栅电极9，使得栅电极9与所述P型欧姆接触电极7交错分布，请参见图5i。
首先，在样片正面旋涂光刻胶；然后使用光刻版将光刻胶图形化，形成钝化薄层表面的金属淀积窗口；接着湿法、干法清洗开窗后的样片表面，通过磁控溅射淀积厚度分别为20nm的Ti单层金属，形成栅电极的接触金属；最后，对光刻胶进行剥离，形成电极宽度为20μm，第二纵向矩形条91间距为5μm，第二纵向矩形条91数量为240的栅状栅电极9。
S8、在N型掺杂4H-SiC衬底1的背面外延生长N型欧姆接触电极4，请参见图5j。
首先，在样片正面旋涂光刻胶。接着，湿法、干法清洗样片表面。之后，通过磁控溅射在样片下表面淀积厚度为200nm的Ni金属，形成N型欧姆接触电极4。最后，在1000℃温度下，进行3分钟纯氩气氛围下的快速热退火，同时形成N型欧姆接触电极4与P型欧姆接触电极7的欧姆接触界面。
S9、在第一钝化层5、P型欧姆接触电极7和栅电极9的上方制备放射性同位素单元，请参见图5k。
具体的，利用淀积或涂抹法，在样件上表面放置β放射源，形成放射性同位素源层8，得到具有栅状分布式P型区与钝化层表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池。
实施例五
在实施例二的基础上，请结合图5a-图5k，本实施例以制备具有插指状分布式P型区与栅电极表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池为例对其制备方法进行说明，其中，电池面积Φ0.9cm，P型注入区的间距为230μm，第一圆弧73、第一矩形条74、第二圆弧93、第二矩形条94的宽度即电极宽度为20μm，第一圆弧73组成的第一圆环电极环数为35，第二圆弧93组成的第二圆环电极环数为315，相邻第一圆弧73组成的第一圆环之间设置有9个第二圆弧93组成的第二圆环，相邻的第二圆弧93组成的第二圆环之间的间距h2为5μm。
S1、在N型掺杂4H-SiC衬底1上外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2。
首先，采用标准RAC清洗N型掺杂4H-SiC衬底1样片，以去除表面污染物，请参见图5a。
具体的，首先在25℃下，将掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为380μm的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片在H2SO4:H2O2(4:1)的试剂中浸泡10min，以去除样片表面有机、金属沾污；接着在85℃下，将去除表面有机、金属沾污的样片在H2O:NH4OH:H2O2(5:1:1)的试剂中浸泡10min，以去除杂质颗粒；之后，在85℃下，将去除杂质颗粒的样片在H2O:HCl:H2O2(5:1:1)的试剂中浸泡10min，以去除金属、重离子沾污；最后，在25℃下，将去除金属、重离子沾污的样片在H2O:HF(10:1)的试剂中浸泡10min，以去除表面自然氧化层。
然后，外延生长N型掺杂4H-SiC外延层2，请参见图5b。
具体的，在清洗后的N型高掺杂4H-SiC衬底1样片上利用低压化学气相淀积LPCVD方法，非故意掺杂外延生长N型4H-SiC低掺杂外延层2。其工艺条件为：外延温度为1580℃，压强为100mbar，反应气体为丙烷(C3H8)和硅烷(SiH4)，C/Si为1.1，载气为纯氢气，得到氮掺杂浓度为7×1014cm-3，厚度为8μm的N型4H-SiC低掺杂外延层2。
S2、对N型掺杂4H-SiC外延层2进行台面刻蚀，形成隔离台面，请参见图5c。
首先，将外延生长完成的样片进行标准RCA清洗；样片清洗完成后，在氮掺杂浓度为7×1014cm-3的N型掺杂4H-SiC外延层2上通过磁控溅射淀积厚度为200nm的Ni膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版将Ni膜图形化，形成刻蚀所需要的图案；接着对样片上表面利用电感耦合等离子体ICP对部分N型掺杂4H-SiC外延层2进行刻蚀，刻蚀深度为1μm，并在25℃下，用H2SO4:H2O2(4:1)试剂浸泡刻蚀完成的样片10min以去除Ni掩膜层，形成器件的台面隔离。
S3、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表层中进行离子注入，形成分布式的P型离子注入区3，请参见图5d。
首先，对进行台面刻蚀后的样片进行标准RCA清洗；然后，使用化学气相沉积法CVD在样片表面淀积3μm厚度的二氧化硅作为离子注入掩膜层；接着，在二氧化硅离子注入掩膜层上旋涂光刻胶，光刻形成具有分布式P型区图形的阻挡层，用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀二氧化硅打开离子注入窗口；之后，对N型掺杂4H-SiC外延层2进行离子注入，形成环状分布式P型离子注入区3，掺杂浓度为1.5×1019cm-3，注入深度为0.3μm，宽度20μm，间距为230μm，离子注入参数为：P型注入杂质为一价铝离子，铝离子能量≤350KeV，注入温度为400℃；最后，对离子注入完成的样片采用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀去除二氧化硅离子注入掩膜层，然后对样片表面进行物理气相沉积PVD淀积碳膜保护层，在1700℃温度下，进行20分钟的高温热退火。
S4、在N型掺杂4H-SiC外延层2的表面和隔离台面的表面制备第一钝化层5，请参见图5e。
首先，对离子注入后的样片进行标准RCA清洗；然后，在1150±50℃温度下，对样件表面进行2小时的湿氧氧化，形成牺牲氧化层；接着，对进行牺牲氧化后的样片采用浓度为10％的HF溶液DHF酸湿法腐蚀去除牺牲氧化层；之后，对去除牺牲氧化层的样片进行标准RCA清洗；最后，在1150±50℃温度下，对进行离子注入后的样件表面进行3小时的干氧氧化，形成30nm厚的致密SiO2钝化薄层，然后在1150±50℃温度下进行氮气氛围退火1小时，形成第一钝化层5。
S5、在隔离台面处的第一钝化层5上制备第二钝化层6，请参见图5f。
首先，在第一钝化层5上旋涂光刻胶；然后，使用光刻版将光刻胶图形化，形成具有灵敏区图形的阻挡层；最后，在250℃温度下，使用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在第一钝化层5上淀积300nm厚度的SiO2，然后在1000±50℃温度，纯氩气氛围中进行5分钟的快速热退火，形成第二钝化层6。
S6、在P型离子注入区3上制备P型欧姆接触电极7，使得P型欧姆接触电极7与第一钝化层5相间设置。
首先，对第一钝化层5进行腐蚀开窗，形成P型欧姆接触电极区7’，请参见图5g。具体的，在第一钝化层5上旋涂光刻胶，并使用光刻版将光刻胶图形化，形成腐蚀开窗所需要的具有分布式P型区图形的阻挡层，之后用浓度为5％的缓冲HF溶液BHF酸湿法腐蚀二氧化硅打开第一钝化层5窗口，开窗区域作为P型欧姆接触电极区。
然后，形成灵敏区环状分布式P型欧姆接触电极7，请参见图5h。具体地，首先在样片正面旋涂光刻胶；然后使用光刻版将光刻胶图形化，形成分布式P型区表面的金属淀积窗口；接着湿法、干法清洗开窗后的样片表面，通过磁控溅射淀积厚度分别为30nm/70nm的Ti/Al双层金属，形成P型欧姆接触电极的接触金属；最后对光刻胶进行剥离，形成电极宽度为20μm，第一圆弧73组成的第一圆环间距为230μm，第一圆环数量为35的环状分布式P型欧姆接触电极7。
S7、在第一钝化层5上制备栅电极9，使得栅电极9与所述P型欧姆接触电极7交错分布，请参见图5i。
首先，在样片正面旋涂光刻胶；然后使用光刻版将光刻胶图形化，形成钝化薄层表面的金属淀积窗口；接着湿法、干法清洗开窗后的样片表面，通过磁控溅射淀积厚度分别为20nm的Ti单层金属，形成栅电极的接触金属；最后，对光刻胶进行剥离，形成电极宽度为20μm，第二圆弧93组成的第二圆环间距为5μm，第二圆环数量为315的环状电极9。
S8、在N型掺杂4H-SiC衬底1的背面外延生长N型欧姆接触电极4，请参见图5j。
首先，在样片正面旋涂光刻胶。接着，湿法、干法清洗样片表面。之后，通过磁控溅射在样片下表面淀积厚度为200nm的Ni金属，形成N型欧姆接触电极4。最后，在1000℃温度下，进行3分钟纯氩气氛围下的快速热退火，同时形成N型欧姆接触电极4与P型欧姆接触电极7的欧姆接触界面。
S9、在第一钝化层5、P型欧姆接触电极7和栅电极9的上方制备放射性同位素单元，请参见图5k。
具体的，利用淀积或涂抹法，在样件上表面放置β放射源，形成放射性同位素源层8，得到具有环状分布式P型区与钝化层表面场的平面碳化硅PiN型β辐照电池。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池，其特征在于，包括PiN单元和位于所述PiN单元上的放射性同位素单元，所述PiN单元包括N型掺杂4H-SiC衬底(1)、N型掺杂4H-SiC外延层(2)、P型离子注入区(3)、N型欧姆接触电极(4)、第一钝化层(5)、第二钝化层(6)、P型欧姆接触电极(7)和栅电极(9)，其中，
所述N型欧姆接触电极(4)、所述N型掺杂4H-SiC衬底(1)和所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)依次层叠，所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)的外周侧设置有隔离台面；
所述P型离子注入区(3)位于所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)的表层中，形成分布式P型区；
所述第一钝化层(5)位于所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)上且覆盖所述隔离台面的表面；
所述第二钝化层(6)位于所述隔离台面处的所述第一钝化层(5)上；
所述P型欧姆接触电极(7)位于所述P型离子注入区(3)上，且与所述第一钝化层(5)相间设置；
所述栅电极(9)设置在所述第一钝化层(5)上，且与所述P型欧姆接触电极(7)交错分布形成栅状或者圆环状；所述栅电极(9)的相邻电极间的间距满足：
d≤2×LS
其中，LS满足：LS为MOS结构耗尽层宽度，φms是电势表示的金半功函数差，Qox是耗尽区电荷，Cox是栅电容，e是电子电量，Nd是外延层掺杂浓度，εS是SiC材料的介电常数；
所述栅电极(9)的电极与所述P型欧姆接触电极(7)的电极之间的间距满足：
d≤LS+Lj
其中，Lj满足：Lj是pn结耗尽区宽度，/>是pn结的内建电势，ni是4H-SiC器件的本征载流子浓度，T为温度，Na为p型区掺杂浓度，k是玻尔兹曼常数；
所述放射性同位素单元位于所述第一钝化层(5)、所述P型欧姆接触电极(7)和所述栅电极(9)的上方。
2.根据权利要求1所述的具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池，其特征在于，所述P型欧姆接触电极(7)包括若干第一纵向矩形条(71)和若干第一横向矩形条(72)，若干所述第一纵向矩形条(71)等间距分布，若干所述第一横向矩形条(72)并列分布且每条所述第一横向矩形条(72)均连接在所述第一纵向矩形条(71)的端部。
3.根据权利要2所述的具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池，其特征在于，所述第一纵向矩形条(71)的数量大于或等于5，所述第一横向矩形条(72)的数量大于或等于1；
所述第一纵向矩形条(71)的宽度和所述第一横向矩形条(72)的宽度均为10μm～20μm，所述第一纵向矩形条(71)之间的间距为20～1000μm。
4.根据权利要2所述的具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池，其特征在于，所述栅电极(9)包括若干第二纵向矩形条(91)和若干第二横向矩形条(92)，若干所述第二纵向矩形条(91)等间距分布且与所述第一纵向矩形条(71)交错分布，若干所述第二横向矩形条(92)并列分布且每条所述第二横向矩形条(92)均连接在所述第二纵向矩形条(91)的端部。
5.根据权利要4所述的具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池，其特征在于，所述第二纵向矩形条(91)的数量大于或等于8，所述第二横向矩形条(92)的数量大于或等于1；
所述第二纵向矩形条(91)的宽度和所述第二横向矩形条(92)的宽度均为10μm～20μm。
6.根据权利要求1所述的具有栅电极表面场的沟槽PiN型β辐照电池，其特征在于，所述P型欧姆接触电极(7)包括若干第一圆弧(73)和若干第一矩形条(74)，若干所述第一圆弧(73)围绕成若干第一圆环，若干所述第一圆环按照半径由大到小的顺序依次套叠，且若干所述第一圆环等间距分布；
沿所述第一圆环的半径方向，相邻所述第一圆弧(73)之间均连接有所述第一矩形条(74)，且若干所述第一矩形条(74)等角度分布。
7.根据权利要求6所述的具有栅电极表面场的沟槽PiN型β辐照电池，其特征在于，所述第一圆弧(73)形成的第一圆环数量大于或等于5，所述第一矩形条(74)的数量大于或等于2；
所述第一圆弧(73)的宽度和所述第一矩形条(74)的宽度均为10μm～20μm，所述第一圆弧(73)形成的第一圆环的环间距与中心第一圆弧的内半径均为20～1000μm。
8.根据权利要求6所述的具有栅电极表面场的沟槽PiN型β辐照电池，其特征在于，所述栅电极(9)包括若干第二圆弧(93)和若干第二矩形条(94)，其中，
若干所述第二圆弧(93)围绕成若干第二圆环，若干所述第二圆环按照半径由大到小的顺序依次套叠，若干所述第二圆环等间距分布且与所述第一圆环交错分布；
沿所述第二圆环的半径方向，相邻所述第二圆弧(93)之间均连接有所述第二矩形条(94)，且若干所述第二矩形条(94)等角度分布。
9.一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在N型掺杂4H-SiC衬底(1)上外延生长N型掺杂4H-SiC外延层(2)；
S2、对所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)进行台面刻蚀，形成隔离台面；
S3、在所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)的表层中进行离子注入，形成分布式的P型离子注入区(3)；
S4、在所述N型掺杂4H-SiC外延层(2)的表面和所述隔离台面的表面制备第一钝化层(5)；
S5、在所述隔离台面处的所述第一钝化层(5)上制备第二钝化层(6)；
S6、在所述P型离子注入区(3)上制备P型欧姆接触电极(7)，使得所述P型欧姆接触电极(7)与所述第一钝化层(5)相间设置；
S7、在所述第一钝化层(5)上制备栅电极(9)，使得所述栅电极(9)与所述P型欧姆接触电极(7)交错分布形成栅状或者圆环状；所述栅电极(9)的相邻电极间的间距满足：
d≤2×LS
其中，LS满足：LS为MOS结构耗尽层宽度，φms是电势表示的金半功函数差，Qox是耗尽区电荷，Cox是栅电容，e是电子电量，Nd是外延层掺杂浓度，εS是SiC材料的介电常数；
所述栅电极(9)的电极与所述P型欧姆接触电极(7)的电极之间的间距满足：
d≤LS+Lj
其中，Lj满足：Lj是pn结耗尽区宽度，/>是pn结的内建电势，ni是4H-SiC器件的本征载流子浓度，T为温度，Na为p型区掺杂浓度，k是玻尔兹曼常数；
S8、在所述N型掺杂4H-SiC衬底(1)的背面外延生长N型欧姆接触电极(4)；
S9、在所述第一钝化层(5)、所述P型欧姆接触电极(7)和所述栅电极(9)的上方制备放射性同位素单元。
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|---|---|---|---|
| CN202111176816.6A CN113990547B (zh) | 2021-10-09 | 2021-10-09 | 一种具有栅电极表面场的平面PiN型β辐照电池及制备方法 |
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