CN114203327A

CN114203327A - 一种p-i-n结及制备方法、二极管和β核电池

Info

Publication number: CN114203327A
Application number: CN202111518663.9A
Authority: CN
Inventors: 陈桎远; 李培咸; 周春林; 吴巍伟; 冯焕然; 苏晨; 徐盼; 王旭; 杨毓枢; 何川; 王磊; 张劲松
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本发明公开了一种p‑i‑n结及制备方法、二极管和β核电池，p‑i‑n结由下到上依次为GaN缓冲层、GaN的n型掺杂层、掺入层i层和GaN的p型掺杂层，所述掺入层i层为由不同带隙的半导体材料薄层周期性地交替生长而成的量子阱结构，所述不同带隙的半导体材料包括GaN，还至少包括一种比GaN更宽带隙的半导体材料。本发明一方面通过增大耗尽区的宽度来增加电子空穴对的收集空间，减少扩散运动所带来的影响，从而可以产生更多的载流子，获得更大电流，另一方面引入了更宽带隙的半导体，有利降低由载流子扩散引起的反向饱和电流获得更高的开路电压，进而获得更高的能量转换效率。

Description

一种p-i-n结及制备方法、二极管和β核电池

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种p-i-n结及制备方法、二极管和β核电池。

背景技术

微机电技术的不断发展和完善，使其在未来的平台应用中具备良好的前景。未来可以实现某种特定功能的MEMS产品将有很大的应用空间。这一应用需求也对与之匹配的能源供给装置提出了要求，众所周知常规能源供给装置因在体积、供能时间等方面的限制不能充当微机电系统理想的能源装置。因此，对微型能源的开发研究成为了MEMS体系研究中一个重要的组成部分。

β辐射伏特核电池是利用β伏特效应将同位素β辐射能直接转为电能的装置,通过收集β粒子在半导体材料中激发出的电子和空穴，实现电流倍增和能量转换。通过合理选择具有放射性半衰期长并且辐照粒子能量高的放射源，并利用该放射源制造的辐照电池，可以得到具有工作寿命长、对环境的适应性强、工作稳定可靠、体积小型化和环境污染小等优良特性的供能电池装置。同时它在使用过程中也无需不断的为其补充燃料，并且体积小，容易集成，使用方便，因此成为MEMS的理想微能源。

获得具有更高能量转换效率的β辐射伏特核电池是开发微型能源的关键，而获得具有更高能量转换效率的β辐射伏特核电池一方面可以减少单个电池厚度，以实现在同样空间内增加堆叠密度，另一方面可以开发可以产生更多的载流子或引入了更宽带隙的半导体材料的半导体整流结。

发明内容

本发明的目的在于提供一种p-i-n结，该p-i-n结中的i层由不同带隙的半导体材料薄层周期性地交替生长而成量子阱结构，能够实现更高的能量转换效率。

此外，本发明还提供上述p-i-n结的制备方法，以及由上述p-i-n结制备的二极管和β核电池。

本发明通过下述技术方案实现：

一种p-i-n结，由下到上依次为GaN缓冲层、GaN的n型掺杂层、掺入层i层和GaN的p型掺杂层，所述掺入层i层为由不同带隙的半导体材料薄层周期性地交替生长而成的量子阱结构，所述不同带隙的半导体材料包括GaN，还至少包括一种比GaN更宽带隙的半导体材料。

本发明所述的p-i-n结在p和n区之间引入由不同带隙的半导体材料薄层周期性地交替生长而成量子阱结构，一方面通过增大耗尽区的宽度来增加电子空穴对的收集空间，减少扩散运动所带来的影响，从而可以产生更多的载流子，获得更大电流，另一方面引入了更宽带隙的半导体，有利降低由载流子扩散引起的反向饱和电流获得更高的开路电压，进而获得更高的能量转换效率。

因此，本发明所述p-i-n结用于制备β核电池，能够实现更高的能量转换效率。

进一步地，掺入层i层为由AlGaN和GaN周期性地交替生长而成的量子阱结构。

基于GaN等宽禁带半导体材料材料的β辐射伏特效应核电池表现出较高的开路电压，较高的能量转换效率和较强的抗辐照能力，AlGaN具有更宽的禁带，在电力电子器件领域，由AlGaN/GaN异质结制备成的HEMT器件高频特性优越，高击穿场强，可以获得更高的功率密度，还具有低损耗与高转换效率的优点，将AlGaN/GaN这一结构以量子阱方式其引入GaN基β电池中有利于进一步提升电池能量转换效率。

进一步地，量子阱结构中，单层AlGaN的厚度为10-20nm，单层GaN的厚度为2-5nm。

一种p-i-n结的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上通过金属有机化学气相沉积外延生长依次形成GaN缓冲层和GaN的n型掺杂层；

所述衬底可以选用蓝宝石基底，具体地：先将衬底在H2氛围中加热到1050℃，并在该温度下进行高温脱附6分钟，去除氧并获得干净的衬底表面。通过MOCVD以三甲基镓(TMGa)为镓源外延生长GaN缓冲层(u-GaN)和n-GaN(用SiH4进行n型掺杂)。有机源是三乙基镓(TEGa)，氮源是氨气(NH₃)。

S2、生长多周期的量子阱结构，其中的势阱和势垒的厚度由外延时间来精确控制；

S3、外延生长形成Mg掺杂GaN的p型掺杂层；材料外延完成后需置于温度700℃以及气体氛围为氮气和空气混合的退火炉里面进行退火，从而激活p-GaN中的Mg受主。

进一步地，外延30个周期的AlGaN/GaN多量子阱，垒层和阱层的厚度分别为10和5nm，其中，AlGaN层为垒层，GaN层为阱层。

本发明所述方法能够通过合理调节量子阱结构的材料组分、厚度或者量子阱的数目等参数，就能够对量子阱太阳能电池的吸收性能进行调节。

进一步地，步骤S2中，在N₂氛围中，采用TEGa和TMIn为有机源，先外延3个周期的GaN/InGaN多量子阱，垒层和阱层的厚度别为14nm和2.5nm，生长温度分别为770℃和720℃，蓝光波长在450nm附近，垒生长的时候通入了很少的SiH₄；再外延一个周期的黄绿阱，垒层和阱层的厚度分别为14nm和3nm，生长温度分别为770℃和670℃，黄光波长在560nm附近，黄绿阱采用了生长中断的方式进行外延(插入了5次中断，每次中断时间是15s，中断时氨气保持通入)。黄绿阱层长完后外延一层厚约10nm的GaN空间阻挡(Spacer)层。最后进行p-GaN层的外延层生长，用TMGa做为镓源。

一种二极管，包括上述p-i-n结，还包括分别沉积在n型掺杂层和p型掺杂层上的n电极和p电极。

进一步地，n电极采用的金属包括Ti、Al、Ti和Au中的任意一种，所述p电极采用的金属包括Ni和Au中的任意一种。

一种β核电池，包括上述二极管，还包括贴设在p电极上的β辐射源。

进一步地，β辐射源包括⁶³Ni、⁹⁰Sr和⁹⁰Y中的任意一种。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明所述p-i-n结可以产生更多的载流子，获得更大电流，且能够获得更高的开路电压，进而获得更高的能量转换效率。

2、本发明将AlGaN/GaN这一结构以量子阱方式其引入GaN基β电池中有利于进一步提升电池能量转换效率。

3、将本发明所述β核电池用于制备EMT器件，使得制备的EMT器件高频特性优越，高击穿场强，可以获得更高的功率密度，还具有低损耗与高转换效率的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例1所述p-i-n结的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种p-i-n结，由下到上依次为GaN缓冲层、GaN的n型掺杂层、掺入层i层和GaN的p型掺杂层，所述掺入层i层为由不同带隙的半导体材料薄层周期性地交替生长而成的量子阱结构，所述不同带隙的半导体材料包括GaN，还至少包括一种比GaN更宽带隙的半导体材料。

在本实施例中，所述不同带隙的半导体材料包括GaN和AlGaN，所述掺入层i层为由AlGaN和GaN周期性地交替生长而成的量子阱结构。所述量子阱结构中，单层AlGaN的厚度为20nm，单层GaN的厚度为5nm。

本实施例所述p-i-n结的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上通过金属有机化学气相沉积外延生长依次形成GaN缓冲层和GaN的n型掺杂层：

衬底在H₂氛围中加热到1050℃，并在该温度下进行高温脱附6分钟，去除氧并获得干净的衬底表面。随后采用两步法外延GaN缓冲层；即反应室降温至530℃左右进行GaN成核层生长，成核层厚度约25nm；接着在NH₃氛围下升温至940℃左右进行退火，时间约30秒，之后同温度生长约1μm厚的GaN层(粗糙层)；然后升温至1050℃左右生长约1μm厚的非故意掺杂GaN(u-GaN)层(恢复层)，和约3μm厚的n-GaN层(GaN的n型掺杂层)，用SiH₄进行n型掺杂，获得的电子浓度约4×10¹⁸cm^-3。步骤S1中用TMGa做为镓源。

S2、随后外延30个周期的AlGaN/GaN多量子阱(Multiple Quantum Wells，MQWs)，垒层和阱层的厚度分10和5nm：

在N₂氛围中，采用TEGa和TMIn为有机源，先外延3个周期的GaN/InGaN多量子阱，垒层和阱层的厚度别为14nm和2.5nm，生长温度分别为770℃和720℃，蓝光波长在450nm附近，垒生长的时候通入了很少的SiH₄；再外延一个周期的黄绿阱，垒层和阱层的厚度分别为14nm和3nm，生长温度分别为770℃和670℃，黄光波长在560nm附近，黄绿阱采用了生长中断的方式进行外延(插入了5次中断，每次中断时间是15s，中断时氨气保持通入)。黄绿阱层长完后外延一层厚约10nm的GaN空间阻挡(Spacer)层。最后进行p-GaN层的外延层生长，用TMGa做为镓源。

S3、外延生长形成GaN的p型掺杂层(p-GaN层)：用TMGa做为镓源，生长温度约860℃，载气为H₂，Mg进行p型掺杂(获得空穴浓度约p＝5×10¹⁷cm^-3)，外延层厚度约180nm。材料外延完成后需置于温度700℃以及气体氛围为氮气和空气混合的退火炉里面进行退火。

实施例2：

一种二极管，包括如实施例1所述的p-i-n结，还包括分别沉积在n型掺杂层和p型掺杂层上的n电极和p电极。

随后利用ICP刻蚀电极窗口，并通过磁控溅射和电子束蒸发分别沉积Ti、Al、Ti或Au金属层为n电极和Ni或Au金属层为p电极，p-i-n结置于n电极和p电极之间。

实施例3：

一种β核电池，包括如实施例2所述的二极管，还包括贴设在p电极上的β辐射源；所述β辐射源包括⁶³Ni、⁹⁰Sr和⁹⁰Y中的任意一种。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种p-i-n结，由下到上依次为GaN缓冲层、GaN的n型掺杂层、掺入层i层和GaN的p型掺杂层，其特征在于，所述掺入层i层为由不同带隙的半导体材料薄层周期性地交替生长而成的量子阱结构，所述不同带隙的半导体材料包括GaN，还至少包括一种比GaN更宽带隙的半导体材料。

2.根据权利要求1所述的一种p-i-n结，其特征在于，所述掺入层i层为由AlGaN和GaN周期性地交替生长而成的量子阱结构。

3.根据权利要求2所述的一种p-i-n结，其特征在于，所述量子阱结构中，单层AlGaN的厚度为10-20nm，单层GaN的厚度为2-5nm。

4.如权利要求1-3任一项所述p-i-n结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、生长多周期的量子阱结构；

S3、外延生长形成GaN的p型掺杂层。

5.根据权利要求4所述p-i-n结的制备方法，其特征在于，步骤S2中，外延30个周期的AlGaN/GaN多量子阱，垒层和阱层的厚度分别为10-20nm和2-5nm，其中，AlGaN层为垒层，GaN层为阱层。

6.根据权利要求5所述p-i-n结的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在N₂氛围中，采用TEGa和TMIn为有机源，先外延3个周期的GaN/InGaN多量子阱，垒生长的时候通入SiH₄；再外延一个周期的黄绿阱，黄绿阱采用生长中断的方式进行外延，黄绿阱层长完后外延一层GaN空间阻挡层；最后进行p-GaN层的外延层生长，用TMGa做为镓源。

7.一种二极管，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的p-i-n结，还包括分别沉积在n型掺杂层和p型掺杂层上的n电极和p电极。

8.根据权利要求7所述的一种二极管，其特征在于，所述n电极采用的金属包括Ti、Al、Ti和Au中的任意一种，所述p电极采用的金属包括Ni和Au中的任意一种。

9.一种β核电池，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的二极管，还包括贴设在p电极上的β辐射源。

10.根据权利要求9所述一种β核电池，其特征在于，所述β辐射源包括⁶³Ni、⁹⁰Sr和⁹⁰Y中的任意一种。