CN211264978U

CN211264978U - 一种具有多个结的氮化镓基核电池

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Publication number: CN211264978U
Application number: CN201921651152.2U
Authority: CN
Inventors: 张玲玲; 韩天宇
Original assignee: Wuxi Hope Microelectronics Co ltd
Current assignee: Wuxi Hope Microelectronics Co ltd
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2029-09-29

Abstract

本实用新型涉及半导体器件技术与核科学技术领域，具体涉及一种具有多个结的氮化镓基核电池。所述具有多个结的氮化镓基核电池包括衬底层，所述衬底层上形成N型导电层，所述N型导电层边缘设有阴极金属层，所述阴极金属层与N型导电层欧姆接触；N型导电层的中部下至上依次形成第一N型氮化镓层、本征层、第二N型氮化镓层和P型导电层，所述P型导电层上欧姆接触有阳极金属层，所述阳极金属层和P型导电层上设有放射性同位素层。具有多个结的氮化镓基核电池具有多个不同浓度及厚度N型掺杂层形成的多结结构，解决了核电池PIN结构中I区过长导致的少子无法扩散到内建电场区的问题，增大了电池的短路电流，提高了核电池的转化效率。

Description

一种具有多个结的氮化镓基核电池

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术与核科学技术领域，具体涉及一种具有多个结的氮化镓基核电池。

背景技术

核电池是一种利用半导体的辐射伏特效应将同位素源产生衰变能转化为电能的微型能源。该微型能源被应用在航空航天、深海、极地等恶劣环境，在心脏起搏器，微纳机电系统等也有广泛的应用。

目前常用的同位素是β源，主要有³H、³⁵S、⁶³Ni、¹⁴⁷Pm、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs等，它们辐射的β射线最大能量从18.6Kev～1176Kev之间分布。氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料具有抗辐射能力强、禁带宽度高等特点，特别适合用于制作核电池的材料。氮化镓基核电池一种形成方式是以PIN型二极管结构为主体，在其基础上通过粘结等方式将同位素源整合在一起，最后封装成核电池。

常规的PIN结构只有两个结，分别为P区和I区之间的结P+N-结，以及I区和N区之间的N-N+结。当β源产生的β粒子进入到内部PIN结构时将发生衰变，将衰变能作用于半导体材料，产生电子-空穴对，在内建结的电场作用下形成电流，从而产生了电能。但是总有一部分能量高的粒子能量沉淀在I区没有结的区域，它们产生的电子空穴对只能依靠少子扩散长度进行扩散形成电流，但是由于少子扩散长度一般比较小，其中电子的少子扩散长度只有几个微米，空穴的少子扩散长度十微米左右，超过这个范围产生的电子空穴对电流没有贡献即无法转变为电能。

现有技术中的氮化镓基核电池制造多采用³H或⁶³Ni等辐射能量较低的元素，采用这些源的PIN结构I区可以做的较薄常见的在1μm～10μm之间，由于I区长度在少子扩散长度以内，最终核电池的转化效率可以做的较高。然而对于¹⁴⁷Pm、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs等能量较高的辐射源来说，这就要求PIN器件结构中的I区厚度尽量厚以配匹辐射源产生高能粒子的射程，典型的在40μm-200μm。这样单纯的增加I区的厚对最终核电池的转化效率没有什么改进，反而由于氮化镓材料生长过程内部缺陷的增加使辐生载流子过早的被俘获，导致最终转化效率变低，无法实现核电池技术指标要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种具有多个结的氮化镓基核电池。所述一种具有多个结的氮化镓基核电池具有多个不同浓度及厚度N型掺杂层形成的多结结构，解决了核电池PIN结构中I区过长导致的少子无法扩散到内建电场区的问题，增大了电池的短路电流，提高了核电池的转化效率。

根据本实用新型提供的技术方案，一种具有多个结的氮化镓基核电池，所述具有多个结的氮化镓基核电池包括衬底层，所述衬底层上形成N型导电层，所述N型导电层边缘设有阴极金属层，所述阴极金属层与N型导电层欧姆接触；

N型导电层的中部下至上依次形成第一N型氮化镓层、本征层、第二N型氮化镓层和P型导电层，所述P型导电层上欧姆接触有阳极金属层，所述阳极金属层和P型导电层上设有放射性同位素层。

进一步地，所述第一N型氮化镓层包括从下至上设置的：第一掺杂浓度N型氮化镓层和第二掺杂浓度N型氮化镓层；

所述第二N型氮化镓层包括从下至上设置的：第三掺杂浓度N型氮化镓层和第四掺杂浓度N型氮化镓层。

进一步地，所述第一掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度与第四掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度数量级相等；

第二掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度与第三掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度数量级相等。

进一步地，第一掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹⁴ cm^-3～1×10¹⁵cm^-3。

进一步地，第二掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹² cm^-3～1×10¹³cm^-3。

进一步地，第三掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹² cm^-3～1×10¹³cm^-3。

进一步地，第四掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹⁴ cm^-3～1×10¹⁵cm^-3。

进一步地，第一N型氮化镓层、第二N型氮化镓层、本征层、第三N型氮化镓层、第四N型氮化镓层的厚度之和为1μm～200μm。

进一步地，所述N型导电层的掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3～5×10¹⁹cm^-3。

进一步地，P型导电层的厚度为0.2μm～0.5，掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

从以上所述可以看出，本实用新型提供的具有多个结的氮化镓基核电池，与现有技术相比具备以下优点：本实用新型形成了多个结的结构，从而缩短了受辐射伏特效应产生电子和空穴在I区中的运动长度，并使大部分电子空穴对能扩散进入多结形成的内建加速场区。从而解决了PIN结构中I区过长导致少子无法扩散到内建电场区的问题，增大了电池的短路电流，提高了核电池的转化效率。

附图说明

图1为本实用新型的纵剖结构示意图。

图2为本实用新型的内部示意图。

100. 衬底层，200. N型导电层，210. 第一N型氮化镓层，220. 第二N型氮化镓层，230. 氮化镓本征层，240. 第三N型氮化镓层，250. 第四N型氮化镓层，260. P型导电层，300. 阳极金属层，400. 阴极金属层，500. 放射性同位素层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本实用新型提供一种具有多个结的氮化镓基核电池，所述具有多个结的氮化镓基核电池包括衬底层100，所述衬底层100上形成N型导电层200，所述N型导电层200边缘设有阴极金属层400，所述阴极金属层400与N型导电层200欧姆接触；

N型导电层200的中部下至上依次形成第一N型氮化镓层210、第二N型氮化镓层220、氮化镓本征层230、第三N型氮化镓层240、第四N型氮化镓层250和P型导电层260，所述P型导电层260上欧姆接触有阳极金属层300，所述阳极金属层300和P型导电层260上设有放射性同位素层500。所述N型导电层200的掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3～5×10¹⁹cm^-3。P型导电层260的厚度为0.2μm～0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

N型导电层200与第一N型氮化镓层210之间形成NN+结，第二N型氮化镓层220和P型导电层260之间形成P+N结。

所述第一N型氮化镓层包括从下至上设置的：第一掺杂浓度N型氮化镓层和第二掺杂浓度N型氮化镓层；

所述第二N型氮化镓层包括从下至上设置的：第三掺杂浓度N型氮化镓层和第四掺杂浓度N型氮化镓层。第一掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度大于第二掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度，第四掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度大于第三掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度，且所述第一掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度与第四掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度数量级相等；第二掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度与第三掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度数量级相等。

优选地，第一掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹⁴ cm^-3～1×10¹⁵cm^-3。第二掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹² cm^-3～1×10¹³cm^-3。第三掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹² cm^-3～1×10¹³cm^-3。第四掺杂浓度N型氮化镓层的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3。

优选地，第一N型氮化镓层210、第二N型氮化镓层220、氮化镓本征层230、第三N型氮化镓层240、第四N型氮化镓层250的厚度之和为1μm～200μm。

需要解释的是，所述第一掺杂浓度N型氮化镓层和第二掺杂浓度N型氮化镓层之间形成第一NN-结，第二掺杂浓度N型氮化镓层和本征层230之间形成第一N-N--结，本征层230和第三掺杂浓度N型氮化镓层之间形成第二N-N--结，第三掺杂浓度N型氮化镓层和第四掺杂浓度N型氮化镓层之间形成第二NN-结。

另外该核电池工作在0偏压状态，即外部不施加电压，且所述衬底层优选为氮化镓、碳化硅、蓝宝石。

因此可以理解的是，本实用新型形成了多个结的结构，从而缩短了受辐射伏特效应产生电子和空穴在I区中的运动长度，并使大部分电子空穴对能扩散进入多结形成的内建加速场区。从而解决了PIN结构中I区过长导致少子无法扩散到内建电场区的问题，增大了电池的短路电流，提高了核电池的转化效率。

综上，本实用新型一种具有多个结的氮化镓基核电池提供了一种切实可行的技术方案，具备高的电子空穴对收集效率、高的短路电流以及高的能量转换效率等特点。该结构可以提高钷（Pm）-147、锶（Sr）-90等放射性同位素源的探测效率，同时也适用于其它种类的放性射线同位素源。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种具有多个结的氮化镓基核电池，其特征在于，所述具有多个结的氮化镓基核电池包括衬底层（100），所述衬底层（100）上形成N型导电层（200），所述N型导电层（200）边缘设有阴极金属层（400），所述阴极金属层（400）与N型导电层（200）欧姆接触；

N型导电层（200）的中部下至上依次形成第一N型氮化镓层（210）、氮化镓本征层（230）、第二N型氮化镓层（220）和P型导电层（260），所述P型导电层（260）上欧姆接触有阳极金属层（300），所述阳极金属层（300）和P型导电层（260）上设有放射性同位素层（500）。

2.如权利要求1所述的具有多个结的氮化镓基核电池，其特征在于，所述第一N型氮化镓层包括从下至上设置的：第一掺杂浓度N型氮化镓层和第二掺杂浓度N型氮化镓层；

3.如权利要求1所述的具有多个结的氮化镓基核电池，其特征在于，P型导电层（260）的厚度为0.2μm～0.5μm。