CN114203328A - 基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构及其制备方法及β核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构及其制备方法及β核电池,制备方法包括以下步骤:S1、水热生长ZnO纳米线阵列:采用由硝酸锌和六亚甲基四胺组成的生长溶液,通过水热反应在目标基底上形成ZnO纳米线阵列;S2、采用ALD法在步骤S1制备的ZnO纳米线阵列表面沉积绝缘层;S3、采用ALD法在步骤S2制备的绝缘层表面沉积辐射源层。通过本发明所述制备方法制备的三维MIS结构不仅能够提高辐射源与换能器件的接触面积,进而提高辐射源的利用率,且辐射源可作为肖特基结的金属材料,从而简化了电池结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域,具体涉及基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构及其制备方法及β核电池。
背景技术
随着MEMS的迅速发展,相配套的微型电源也逐渐成为研究热点。但传统微型电源存在需要补给、寿命短等局限性,不利于在环境恶劣、人类难以到达的环境中使用。β辐射伏特效应核电池具有体积小、能量密度大、不受外界环境影响、无需人工维护等特点,是MEMS微电源的理想选择。
现有的β辐射伏特效应核电池将辐射源如63Ni制作成薄膜置于换能器件表面,现有β辐射伏特效应核电池的换能器件(二极管)主要是采用GaN宽禁带半导体材料制备,以GaN宽禁带半导体材料制备的器件主要包括PN结、PIN结和肖特基结等类型;其中,肖特基结越来越多地应用于同位素电池中p-n结相对比,肖特基结抗辐射能力强,制备出的同位素电池电学输出也更为稳定。
现有技术将辐射源制作成薄膜置于换能器件表面,导致其辐射入射深度有限,对辐射源的利用率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构及其制备方法,通过本发明所述制备方法制备的三维MIS结构不仅能够提高辐射源与换能器件的接触面积,进而提高辐射源的利用率,且辐射源可作为肖特基结的金属材料,从而简化了电池结构。
此外,本发明还提供由上述三维MIS结构制备而成的β核电池。
本发明通过下述技术方案实现:
基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,包括以下步骤:
S1、水热生长ZnO纳米线阵列:采用由硝酸锌和六亚甲基四胺组成的生长溶液,通过水热反应在目标基底上形成ZnO纳米线阵列;
S2、采用ALD法在步骤S1制备的ZnO纳米线阵列表面沉积绝缘层;
S3、采用ALD法在步骤S2制备的绝缘层表面沉积辐射源层。
本发明中使用的半导体材料ZnO具有禁带宽度大、热导率高、电子漂移饱和速度大、介电常数小,适于制作耐辐射、高功率及高集成度的电子器件。
与PN结相对比,本发明制备的三维MIS结构增大了载流子的扩散长度,减少电子空穴对的复合,有助于电子空穴对的分离和收集,从而提高核电池的电学性能。且其抗辐射能力强,制备出的电池输出更稳定。
本发明打破了传统技术中将辐射源制作成薄膜形式置于换能器件表面的惯有思维,本发明通过原子层沉积技术(ALD)在三维ZnO纳米线阵列表面沉积辐射源,一方面,辐射源可与每一根ZnO纳米线紧密接触,极大地增大了有效辐射面积,另一方面直接利用辐射源作为换能器件的金属端,简化电池的结构,易于器件的加工。
并且ALD方法基于其独特的自限制生长机理,使得该方法具有成膜均匀性及保形性好、薄膜组成及原子层级别厚度可控等优势。
本发明采用MIS结构,与PN结、肖特基结相对比,MIS结增大了载流子的扩散长度,减少电子空穴对的复合,有助于电子空穴对的分离和收集,从而提高核电池的电学性能,基于MIS结构,选择了适用的Ni源。本发明可通过控制水热生长参数来控制ZnO纳米线大小和间距以实现比表面积最大化。
综上,通过本发明所述制备方法制备的三维MIS结构不仅能够提高辐射源与换能器件的接触面积,进而提高辐射源的利用率,且辐射源可作为肖特基结的金属材料,从而简化了电池结构。
进一步地,步骤S1中,水热反应的温度为70-95℃,时间为6-12h。
进一步地,步骤S1中,先通过磁控溅射的方法在目标基底表面溅射形成ZnO种子层,再将目标基底置于生长溶液中进行水热反应。
先形成ZnO种子层的目的是保证在目标基底表面能够生长出取向一致的ZnO纳米线阵列。
进一步地,步骤S1中,目标基底包括硅片。
进一步地,步骤S2中,所述绝缘层的材料包括Al2O3或SiO2。
进一步地,步骤S2中,绝缘层的沉积过程为将绝缘层采用的前驱体以脉冲的形式吹入腔室,以共价键的形式在ZnO纳米线阵列表面形成原子层沉积作为一个循环,通过控制循环次数控制绝缘层的厚度。
进一步地,步骤S3中,辐射源层的沉积过程为将辐射源前驱体以脉冲的形式吹入腔室,并被吸附在绝缘层表面,然后还原吸附在绝缘层表面的辐射源前驱体作为一个循环,通过控制循环次数控制辐射源层的厚度。
进一步地,步骤S3中,辐射源层所采用的辐射源包括63Ni、90Sr或90Y。
一种三维MIS结构,所述三维MIS结构以ZnO纳米线阵列作为主体骨架,在ZnO纳米线阵列的表面依次沉积绝缘层和辐射源层。
一种ZnO基三维MIS结构β核电池,包括三维MIS结构,还包括分别由ZnO纳米线阵列和辐射源层引出的两个电极。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、本发明能增大辐射源与换能器件的接触面积,提高换能器件对辐射源的利用率较低。
2、本发明辐射源还具有作为肖特基结金属端的作用,利于简化电池结构,更利于实现MEMS器件的微型化。
3、本发明的绝缘层和辐射源层均可通过控制循环次数控制厚度,因此,利用本发明得到的ZnO基三维MIS结构β核电池辐射源厚度可控,易于寻找最优辐射源厚度,有效避免对辐射源的浪费。
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所述制备方法的流程图;
图2为实施例1制备的三维MIS结构的结构示意图。
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:
本实施例以Al2O3作为绝缘层,63Ni作为辐射源进行说明,具体如下:
如图1所示,基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构β核电池的制备方法,包括以下步骤:
S1、水热生长ZnO纳米线阵列:首先通过磁控溅射的方法在基底表面溅射ZnO种子层,之后以硝酸锌和六亚甲基四胺作为原料在90℃下进行水热反应,得到长度约为10μm,直径约为100nm的ZnO纳米线阵列,分别用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗10min,以除去衬底表面所携带的有机污染物;
S2、在ZnO纳米线阵列表面通过ALD法沉积厚度约为30nm的Al2O3绝缘保护层:
选用TMA(三甲基铝)和H2O作为前驱体,腔室温度设为200℃,通过控制循环数精确控制薄膜厚度。首先以一定的温度和压力条件下,将TMA蒸气以脉冲的形式吹入腔室,并被吸附在衬底,TMA的-CH3与清洗后停留在表面的-OH发生反应形成Al-CH3和CH4,然后利用惰性气体N2作为清洗气体将反应生成的CH4这一多余气体将其排出腔室。而后将H2O以同样的脉冲形式送入腔室内与-CH3反应,水分子中的-H置换上一层原子中的-CH3生成Al-O键和-OH,然后用N2再清除多余的水蒸气和甲烷,并再次重复该过程进行原子层沉积以此作为一个循环;
S3、在ZnO/Al2O3纳米线阵列表面通过ALD法沉积厚度约为50nm的63Ni辐射源:
选用63Ni(iPr-DAD)2和NH3作为前驱体,腔室温度设为200℃,首先以150℃的温度将63Ni(iPr-DAD)2蒸气以脉冲的形式吹入腔室,并被吸附在纳米线表面,以N2为吹扫气吹走多余的前驱体,之后通入NH3,还原吸附在纳米线表面的63Ni前驱体。进行30次ALD循环。制备完成后,在100sccm的N2气氛中冷却至室温,然后打开腔室取出所制备样品,之后在5%的H2和95%的Ar气氛中400℃退火30min,分别从ZnO、63Ni端引出电极,即可得到ZnO基三维MIS结构β核电池。
通过本实施例制备的三维MIS结构的结构示意图如图2所示。
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 (10)
1.基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、水热生长ZnO纳米线阵列:采用由硝酸锌和六亚甲基四胺组成的生长溶液,通过水热反应在目标基底上形成ZnO纳米线阵列;
S2、采用ALD法在步骤S1制备的ZnO纳米线阵列表面沉积绝缘层;
S3、采用ALD法在步骤S2制备的绝缘层表面沉积辐射源层。
2.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S1中,水热反应的温度为70-95℃,时间为6-12h。
3.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S1中,先通过磁控溅射的方法在目标基底表面溅射形成ZnO种子层,再将目标基底置于生长溶液中进行水热反应。
4.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S1中,目标基底包括硅片。
5.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S2中,所述绝缘层的材料包括Al2O3或SiO2。
6.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S2中,绝缘层的沉积过程为将绝缘层采用的前驱体以脉冲的形式吹入腔室,以共价键的形式在ZnO纳米线阵列表面形成原子层沉积作为一个循环,通过控制循环次数控制绝缘层的厚度。
7.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S3中,辐射源层的沉积过程为将辐射源前驱体以脉冲的形式吹入腔室,并被吸附在绝缘层表面,然后还原吸附在绝缘层表面的辐射源前驱体作为一个循环,通过控制循环次数控制辐射源层的厚度。
8.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线阵列的三维MIS结构的制备方法,其特征在于,步骤S3中,辐射源层所采用的辐射源包括63Ni、90Sr或90Y。
9.如权利要求1-7任一项所述制备方法制备的三维MIS结构,其特征在于,所述三维MIS结构以ZnO纳米线阵列作为主体骨架,在ZnO纳米线阵列的表面依次沉积绝缘层和辐射源层。
10.一种ZnO基三维MIS结构β核电池,其特征在于,包括如权利要求9所述三维MIS结构,还包括分别由ZnO纳米线阵列和辐射源层引出的两个电极。
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