CN214012523U - 一种pin结构核电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体器件技术领域，具体公开了一种PIN结构核电池，包括半导体材料衬底，所述半导体材料衬底的上部由下而上依次形成P型半导体层、阳极金属层、放射性同位素层；所述半导体材料衬底的下部形成沟槽结构，所述沟槽结构的上面形成N型半导体层，所述沟槽结构的下面形成阴极金属层；其中，所述N型半导体层位于所述半导体材料衬底下方。本实用新型提供的PIN结构核电池，解决了I区过长导致的电子空穴对扩散问题，可以提高对放射性同位素源的探测效率。

Description

一种PIN结构核电池

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种PIN结构核电池。

背景技术

半导体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，对应在半导体材料中的射程分布在几微米～几百微米左右。

半导体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，相应图中的图案部分为零伏偏压下结之间的耗尽层，耗尽层里面有内建电场分布；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左右，空穴的少子扩散长度几个～几十微米左右，由于核电池工作在零偏压，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。

现有技术中的半导体基核电池制造多采用高阻材料作为PIN结构的I区，这就要求PIN器件结构中的I区厚度尽量配匹辐射源产生高能粒子的射程，典型的在20μm-300μm；而常规的I区所用材料一般厚度较厚，尤其是对于³H、³⁵S、⁶³Ni这些能量低的源，要求I区材料厚度在几十微米左右，现有器件结构无法实现其性能指标最大化。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种PIN结构核电池，通过引入斜面沟槽结构降低了有效I区的厚度，缩短了空穴在其中的扩散距离，可以使其尽快到达阴极金属处，增大了电池的短路电流，提高了核电池的转化效率。

作为本实用新型的第一个方面，提供一种PIN结构核电池，包括半导体材料衬底，所述半导体材料衬底的上部由下而上依次形成P型半导体层、阳极金属层、放射性同位素层；所述半导体材料衬底的下部形成沟槽结构，所述沟槽结构的上面形成N型半导体层，所述沟槽结构的下面形成阴极金属层；其中，所述N型半导体层位于所述半导体材料衬底下方。

进一步地，所述半导体材料衬底为高阻材料片，典型的电阻率为1000欧姆·厘米～20000欧姆·厘米。

进一步地，所述半导体材料衬底的材料为硅、锗、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

进一步地，所述P型半导体层为重掺杂，与所述阳极金属层形成欧姆接触；所述N型半导体层为重掺杂，与所述阴极金属层形成欧姆接触。

进一步地，所述沟槽结构为斜面结构，其角度位于0度～90度之间。

进一步地，所述沟槽结构为斜面结构，其角度位于90度～180度之间。

进一步地，所述沟槽结构的顶部与所述P型半导体层之间的距离为20微米～300微米。

进一步地，所述P型半导体层的厚度为0.1微米～1微米，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述N型半导体层的厚度为1微米，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

进一步地，所述阳极金属层和阴极金属层分别对应设置在所述P型半导体层和N型半导体层的表面上。

进一步地，所述半导体材料衬底为N型或者P型高阻材料片。

本实用新型提供的PIN结构核电池具有以下优点：通过在PIN结构I区引入沟槽结构，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PN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

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的PIN结构核电池的一种纵剖结构示意图。

图2为本实用新型提供的PIN结构核电池的另一种纵剖结构示意图。

附图标记说明：100-半导体材料衬底；110-P型半导体层；120-N型半导体层；200-阳极金属层；300-放射性同位素层；400-沟槽结构；500-阴极金属层。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的PIN结构核电池其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型第一实施例中提供了一种PIN结构核电池，如图1所示，所述PIN结构核电池包括半导体材料衬底100，所述半导体材料衬底100的上部由下而上依次形成P型半导体层110、阳极金属层200、放射性同位素层300；所述半导体材料衬底100的下部形成沟槽结构400，所述沟槽结构400的上面形成N型半导体层120，所述沟槽结构400的下面形成阴极金属层500；其中，所述N型半导体层120位于所述半导体材料衬底100下方，所述沟槽结构400的侧壁与沟槽顶端之间的典型角度为150度，所述沟槽结构400的深度为475微米，所述沟槽结构400离半导体材料衬底100边缘留有1mm距离。

具体地，所述PIN结构核电池的制作过程如下：

首先，准备半导体材料衬底100，所述半导体材料衬底100为具有高材料电阻率的硅片，典型掺杂浓度为1×10¹¹ cm^-3～1×10¹²cm^-3，典型的厚度为525微米；

其次，在半导体材料衬底100硅片背面形成沟槽结构400，沟槽侧壁与沟槽顶端典型角度为150度，沟槽深度为475微米，沟槽离半导体材料衬底100边缘留有1mm距离；

接着，在半导体材料衬底100硅片背面形成N型半导体层120，厚度为1微米，浓度1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3；

接着，在半导体材料衬底100硅片正面形成P型半导体层110，厚度为0.1微米～1微米，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3；

接着，在P型半导体层110上方形成阳极金属层200，阳极金属层200与P型半导体层110之间形成欧姆接触；N型半导体层120下方形成阴极金属层500，N型半导体层120与阴极金属层500之间形成欧姆接触；

最后，将放射性同位素层300覆盖在阳极金属层200上方，放射性同位素层300由¹⁴⁷Pm或者⁹⁰Sr核素层构成。

在本实用新型第二实施例中提供了另一种PIN结构核电池，如图2所示，所述PIN结构核电池包括半导体材料衬底100，所述半导体材料衬底100的上部由下而上依次形成P型半导体层110、阳极金属层200、放射性同位素层300；所述半导体材料衬底100的下部形成沟槽结构400，所述沟槽结构400的上面形成N型半导体层120，所述沟槽结构400的下面形成阴极金属层500；其中，所述N型半导体层120位于所述半导体材料衬底100下方，所述沟槽结构400的侧壁与沟槽顶端之间的典型角度为60度，所述沟槽结构400的深度为475微米，所述沟槽结构400离半导体材料衬底100边缘留有1mm距离。

具体地，PIN结构核电池的制作过程如下：

首先，准备半导体材料衬底100，所述半导体材料衬底100为具有高材料电阻率的硅片，典型掺杂浓度为1×10¹¹ cm^-3～1×10¹²cm^-3，典型的厚度为525微米；

其次，在半导体材料衬底100硅片上形成沟槽结构400，沟槽侧壁与沟槽顶端典型角度为60度，沟槽深度为475微米，沟槽离半导体材料衬底100边缘留有1mm距离；

接着，在半导体材料衬底100硅片背面形成N型半导体层120，厚度为1微米，浓度1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3；

接着，在半导体材料衬底100硅片正面形成P型半导体层110，厚度为0.1微米～1微米，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3；

接着，在P型半导体层110上方形成阳极金属层200，阳极金属层200与P型半导体层110之间形成欧姆接触；N型半导体层120下方形成阴极金属层500，N型半导体层120与阴极金属层500之间形成欧姆接触；

最后，将放射性同位素层300覆盖在阳极金属层200上方，放射性同位素层300由¹⁴⁷Pm或者⁹⁰Sr核素层构成。

优选地，所述半导体材料衬底100为高阻材料片，典型的电阻率为1000欧姆·厘米～20000欧姆·厘米。

优选地，所述半导体材料衬底100的材料为硅、锗、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

优选地，所述P型半导体层110为重掺杂，与所述阳极金属层200形成欧姆接触；所述N型半导体层120为重掺杂，与所述阴极金属层500形成欧姆接触。

优选地，所述沟槽结构400为斜面结构，其角度位于0度～90度之间。

优选地，所述沟槽结构400为斜面结构，其角度位于90度～180度之间。

优选地，所述沟槽结构400的顶部与所述P型半导体层110之间的距离可变，典型的为20微米～300微米。

优选地，所述P型半导体层110的厚度为0.1微米～1微米，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述N型半导体层120的厚度为1微米，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

优选地，所述阳极金属层200和阴极金属层500分别对应设置在所述P型半导体层110和N型半导体层120的表面上。

优选地，所述半导体材料衬底100为N型或者P型高阻材料片。

应当理解的是，通过在PIN结构I区引入沟槽结构，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PN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。

需要说明的是，该核电池工作在0偏压状态，即外部不施加电压。

本实用新型提供的PIN结构核电池，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，该结构可以提高放射性同位素源的探测效率。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种PIN结构核电池，其特征在于，包括半导体材料衬底（100），所述半导体材料衬底（100）的上部由下而上依次形成P型半导体层（110）、阳极金属层（200）、放射性同位素层（300）；所述半导体材料衬底（100）的下部形成沟槽结构（400），所述沟槽结构（400）的上面形成N型半导体层（120），所述沟槽结构（400）的下面形成阴极金属层（500）；其中，所述N型半导体层（120）位于所述半导体材料衬底（100）下方。

2.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述半导体材料衬底（100）为高阻材料片。

3.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述半导体材料衬底（100）的材料为硅、锗、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

4.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述P型半导体层（110）为重掺杂，与所述阳极金属层（200）形成欧姆接触；所述N型半导体层（120）为重掺杂，与所述阴极金属层（500）形成欧姆接触。

5.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述沟槽结构（400）为斜面结构，其角度位于0度～90度之间。

6.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述沟槽结构（400）为斜面结构，其角度位于90度～180度之间。

7.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述沟槽结构（400）的顶部与所述P型半导体层（110）之间的距离为20微米～300微米。

8.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述P型半导体层（110）的厚度为0.1微米～1微米，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述N型半导体层（120）的厚度为1微米，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

9.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述阳极金属层（200）和阴极金属层（500）分别对应设置在所述P型半导体层（110）和N型半导体层（120）的表面上。

10.根据权利要求1所述的一种PIN结构核电池，其特征在于，所述半导体材料衬底（100）为N型或者P型高阻材料片。

Images