CN202976869U - 碳化硅横向pin型微型核电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种碳化硅横向PIN型微型核电池，包括衬底和设在衬底上的N型SiC外延层，N型SiC外延层上设有N型SiC欧姆接触掺杂区和P型SiC欧姆接触掺杂区，N型SiC欧姆接触掺杂区上设有N型欧姆接触电极，P型SiC欧姆接触掺杂区上设有P型欧姆接触电极；N型欧姆接触电极和P型欧姆接触电极均为由一条水平指条和多条垂直指条构成的指状结构，N型欧姆接触电极的垂直指条与P型欧姆接触电极的垂直指条相互交叉设置构成了叉指结构；N型SiC外延层上部除去N型欧姆接触电极和P型欧姆接触电极的区域设有二氧化硅层。本实用新型设计合理，实现方便，能量转换效率和封装密度高，有利于集成，实用性强，推广应用价值高。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件以及半导体工艺技术领域，尤其是涉及一种碳化硅横向PIN型微型核电池。
背景技术
微型核电池是一种采用半导体二极管作为能量转换结构，将核能直接转换为电能的装置。它利用放射性同位素(如63Ni，147Pm)发射的辐射粒子在半导体材料中的电离效应作为能源，收集辐辐射粒子在半导体中产生的电子空穴对产生输出功率。
微型核电池的最大输出功率为：Pout=FF·VOCISC。其中FF是填充因子，VOC是开路电压，ISC是短路电流。
在确定的辐照源和器件面积下，VOC主要受限于器件的内建电势，ISC主要由器件的灵敏区厚度和表面结构决定，而FF主要由器件的串联电阻和并联电阻决定。根据以上的理论，如果想具备高的输出功率，作为能量转换结构的半导体二极管必须具备较高的内建电势﹑较低的漏电流﹑适当厚度的有源区﹑较低的串联电阻等要求；并要求器件的表面结构合理，尽量避免入射粒子在表面的能量损耗。
碳化硅作为第三代半导体，具有禁带宽度大﹑抗辐射能力强等优点，用其制成的二极管的内建电势大﹑漏电流低，可以得到比硅基微核电池更高的开路电压和能量转换效率，成为很有前景的核电池电池应用材料。尤其是SiCPIN结具有高的内建电势和低的漏电流，成为当前国内外微型核电池研究的热点。但是目前的研究也存在很多的问题：
1.表面结构的问题
根据现有理论，粒子入射材料产生辐照生载流子，耗尽区内及其附近一个少子扩散长度内的辐照生载流子能被收集。基于此理论，现有的研究大都是将PN结的耗尽区作为灵敏区的一部分收集辐照生载流子。这样一来，入射粒子必须穿越P型区域（俗称死层），造成显著的粒子能量损耗。
2.纵向结构的问题
现有的报道大都是基于纵向结构的，纵向结构避免了电极的面积竞争，尤其是将耗尽区作为灵敏区时具有重要意义。但是纵向结构会增大器件的串联电阻，导致填充因子下降，降低了电池的最大输出功率。同时，纵向结构不利于集成，也不利于提高封装密度。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳化硅横向PIN型微型核电池，其设计新颖合理，实现方便，有利于提高微型核电池的能量转换效率和封装密度，有利于集成，实用性强，推广应用价值高。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：包括由N型SiC基片构成的衬底和设置在所述衬底上部的N型SiC外延层，所述N型SiC外延层上设置有N型SiC欧姆接触掺杂区和P型SiC欧姆接触掺杂区，所述N型SiC欧姆接触掺杂区上部设置有形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区形状相同的N型欧姆接触电极，所述P型SiC欧姆接触掺杂区上部设置有形状与所述P型SiC欧姆接触掺杂区形状相同的P型欧姆接触电极；所述N型SiC欧姆接触掺杂区、P型SiC欧姆接触掺杂区、N型欧姆接触电极和P型欧姆接触电极均为由一条水平指条和多条垂直指条构成的指状结构，所述N型欧姆接触电极的垂直指条与所述P型欧姆接触电极的垂直指条相互交叉设置构成了叉指结构；所述N型SiC外延层上部除去N型欧姆接触电极和P型欧姆接触电极的区域设置有二氧化硅层。
上述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型SiC欧姆接触掺杂区和N型欧姆接触电极均为由一条水平指条和三条垂直指条构成的指状结构，所述P型SiC欧姆接触掺杂区和P型欧姆接触电极均为由一条水平指条和两条垂直指条构成的指状结构，所述P型欧姆接触电极的两条垂直指条分别位于所述N型欧姆接触电极的三条垂直指条之间的两个间隙中构成了叉指结构。
上述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型SiC外延层的厚度为5μm～15μm。
上述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型SiC欧姆接触掺杂区的水平指条和垂直指条的宽度，所述P型SiC欧姆接触掺杂区的水平指条和垂直指条的宽度，所述N型欧姆接触电极的水平指条和垂直指条的宽度，以及所述P型欧姆接触电极的水平指条和垂直指条的宽度均为0.5μm～2μm；所述P型欧姆接触电极的垂直指条与所述N型欧姆接触电极的垂直指条之间的间隔距离为10μm～15μm。
上述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型欧姆接触电极由依次从下到上的第一Ni层和第一Pt层构成，所述第一Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm。
上述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述P型欧姆接触电极由依次从下到上的第二Ni层和第二Pt层构成，所述第二Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第二Pt层的厚度为50nm～200nm。
上述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为10nm～50nm。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型采用了横向结构，设计新颖合理，工作时没有了衬底的影响，因此容易获得比纵向结构更低的串联电阻，从而易于提高填充因子。
2、传统结构因为要靠P型欧姆接触电极来收集入射粒子，P型欧姆接触电极的金属层太厚了就会阻挡粒子；本实用新型主要靠P型欧姆接触电极附近一个少子扩散长度范围内的中性区（即位于二氧化硅层下部的N型SiC外延层区域）收集辐照生载流子，因此P型SiC欧姆接触掺杂区的面积可以做的比较小，从而有效的解决P型欧姆接触电极和P型SiC欧姆接触掺杂区对入射粒子的阻挡问题，提高能量转换效率，相比于纵向结构的器件，此结构的灵敏区更靠近材料表面，有利于收集辐照生载流子。
3、本实用新型采用了横向结构，纵向结构的器件，I区的掺杂浓度会影响开路电压﹑灵敏区厚度﹑串联电阻等多个参数，难以折中；而横向结构由于采用了中性区收集辐照生载流子，P型欧姆接触电极的垂直指条与N型欧姆接触电极的垂直指条之间的间距由少子扩散长度决定，因此可以通过适当提高I区N型SiC外延层的掺杂浓度的方法来提高开路电压，降低串联电阻，器件的设计更加灵活。
4、本实用新型采用了横向结构，可以减薄衬底来缩小电池的体积，提高了封装密度，有利于该微型核电池集成到MEMS微系统中。
5、本实用新型的结构，对P型欧姆接触电极金属层厚度和P型SiC欧姆接触掺杂区的厚度不像纵向结构那么敏感，易于工艺上的实现。
6、本实用新型的制造工艺简单，实现方便且成本低。
7、本实用新型的实用性强，推广应用价值高。
综上所述，本实用新型设计新颖合理，实现方便，有利于提高微型核电池的能量转换效率和封装密度，有利于集成，实用性强，推广应用价值高。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用的主视图。
图2为本实用的俯视图。
附图标记说明:
1-衬底； 2-N型SiC外延层； 3-N型SiC欧姆接触掺杂区；
4—P型SiC欧姆接触掺杂区； 5—N型欧姆接触电极；
6—P型欧姆接触电极； 7—二氧化硅层。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，包括由N型SiC基片构成的衬底1和设置在所述衬底1上部的N型SiC外延层2，所述N型SiC外延层2上设置有N型SiC欧姆接触掺杂区3和P型SiC欧姆接触掺杂区4，所述N型SiC欧姆接触掺杂区3上部设置有形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区3形状相同的N型欧姆接触电极5，所述P型SiC欧姆接触掺杂区4上部设置有形状与所述P型SiC欧姆接触掺杂区4形状相同的P型欧姆接触电极6；所述N型SiC欧姆接触掺杂区3、P型SiC欧姆接触掺杂区4、N型欧姆接触电极5和P型欧姆接触电极6均为由一条水平指条和多条垂直指条构成的指状结构，所述N型欧姆接触电极5的垂直指条与所述P型欧姆接触电极6的垂直指条相互交叉设置构成了叉指结构；所述N型SiC外延层2上部除去N型欧姆接触电极5和P型欧姆接触电极6的区域设置有二氧化硅层7。
本实施例中，所述N型SiC欧姆接触掺杂区3和N型欧姆接触电极5均为由一条水平指条和三条垂直指条构成的指状结构，所述P型SiC欧姆接触掺杂区4和P型欧姆接触电极6均为由一条水平指条和两条垂直指条构成的指状结构，所述P型欧姆接触电极6的两条垂直指条分别位于所述N型欧姆接触电极5的三条垂直指条之间的两个间隙中构成了叉指结构。所述N型SiC外延层2的厚度为5μm～15μm。所述N型SiC欧姆接触掺杂区3的水平指条和垂直指条的宽度，所述P型SiC欧姆接触掺杂区4的水平指条和垂直指条的宽度，所述N型欧姆接触电极5的水平指条和垂直指条的宽度，以及所述P型欧姆接触电极6的水平指条和垂直指条的宽度均为0.5μm～2μm；所述P型欧姆接触电极6的垂直指条与所述N型欧姆接触电极5的垂直指条之间的间隔距离为10μm～15μm。所述N型欧姆接触电极5由依次从下到上的第一Ni层和第一Pt层构成，所述第一Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm。所述P型欧姆接触电极6由依次从下到上的第二Ni层和第二Pt层构成，所述第二Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第二Pt层的厚度为50nm～200nm。所述二氧化硅层7的厚度为10nm～50nm。
具体实施时，本实用新型的制造方法包括以下步骤：
步骤一、提供衬底1，所述衬底由N型SiC基片构成；
步骤二、采用低压热壁化学气相沉积法在所述衬底1的上表面上外延生长掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3、厚度为5μm～15μm的N型SiC外延层2，外延生长的温度为1570℃，外延生长的压力为100mbar，外延生长的气体为体积比为2:1:4的C3H8、SiH4和H2的混合气体；
步骤三、采用离子注入方法在所述N型SiC外延层2的上部形成掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3的N型SiC欧姆接触掺杂区3；
步骤四、采用离子注入方法在所述N型SiC外延层2的上部形成掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3的P型SiC欧姆接触掺杂区4，并在Ar气氛下进行温度为1650℃～1700℃的热退火10分钟；
步骤五、在1150℃的温度下通过干氧氧化方法在所述N型SiC外延层2上部形成厚度为10nm～50nm的二氧化硅层7；
步骤六、腐蚀去除位于所述N型SiC欧姆接触掺杂区3上方的二氧化硅层7，形成一个暴露出所述N型SiC欧姆接触掺杂区3的第一指状窗口，在所述第一指状窗口内采用电子束依次蒸发金属Ni和Pt，并在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在所述N型SiC欧姆接触掺杂区3的上部形成由第一Ni层和第一Pt层构成的N型欧姆接触电极5；其中，所述第一Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm；
步骤七、腐蚀去除位于所述P型SiC欧姆接触掺杂区4上方的二氧化硅层7，形成一个暴露出所述P型SiC欧姆接触掺杂区4的第二指状窗口，在所述第二指状窗口内采用电子束依次蒸发金属Ni和Pt，并在N2气氛下进行温度为950℃～1050℃的热退火2分钟，在所述P型SiC欧姆接触掺杂区4的上部形成由第二Ni层和第二Pt层构成的P型欧姆接触电极6；其中，所述第二Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第二Pt层的厚度为50nm～200nm。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：包括由N型SiC基片构成的衬底（1）和设置在所述衬底（1）上部的N型SiC外延层（2），所述N型SiC外延层（2）上设置有N型SiC欧姆接触掺杂区（3）和P型SiC欧姆接触掺杂区（4），所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）上部设置有形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）形状相同的N型欧姆接触电极（5），所述P型SiC欧姆接触掺杂区（4）上部设置有形状与所述P型SiC欧姆接触掺杂区（4）形状相同的P型欧姆接触电极（6）；所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）、P型SiC欧姆接触掺杂区（4）、N型欧姆接触电极（5）和P型欧姆接触电极（6）均为由一条水平指条和多条垂直指条构成的指状结构，所述N型欧姆接触电极（5）的垂直指条与所述P型欧姆接触电极（6）的垂直指条相互交叉设置构成了叉指结构；所述N型SiC外延层（2）上部除去N型欧姆接触电极（5）和P型欧姆接触电极（6）的区域设置有二氧化硅层（7）。
2.按照权利要求1所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）和N型欧姆接触电极（5）均为由一条水平指条和三条垂直指条构成的指状结构，所述P型SiC欧姆接触掺杂区（4）和P型欧姆接触电极（6）均为由一条水平指条和两条垂直指条构成的指状结构，所述P型欧姆接触电极（6）的两条垂直指条分别位于所述N型欧姆接触电极（5）的三条垂直指条之间的两个间隙中构成了叉指结构。
3.按照权利要求1或2所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型SiC外延层（2）的厚度为5μm～15μm。
4.按照权利要求1或2所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型SiC欧姆接触掺杂区（3）的水平指条和垂直指条的宽度，所述P型SiC欧姆接触掺杂区（4）的水平指条和垂直指条的宽度，所述N型欧姆接触电极（5）的水平指条和垂直指条的宽度，以及所述P型欧姆接触电极（6）的水平指条和垂直指条的宽度均为0.5μm～2μm；所述P型欧姆接触电极（6）的垂直指条与所述N型欧姆接触电极（5）的垂直指条之间的间隔距离为10μm～15μm。
5.按照权利要求1或2所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述N型欧姆接触电极（5）由依次从下到上的第一Ni层和第一Pt层构成，所述第一Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第一Pt层的厚度为50nm～200nm。
6.按照权利要求1或2所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述P型欧姆接触电极（6）由依次从下到上的第二Ni层和第二Pt层构成，所述第二Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第二Pt层的厚度为50nm～200nm。
7.按照权利要求1或2所述的碳化硅横向PIN型微型核电池，其特征在于：所述二氧化硅层（7）的厚度为10nm～50nm。
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