[發明專利]并聯式PIN型β輻照電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410299924.6
• 申請日: 2014-06-29
• 公開（公告）號: CN104051042B
• 公開（公告）日: 2016-10-12
• 發明（設計）人: 郭輝;顧磊;王悅湖;張藝蒙;張玉明
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子領域，涉及半導體器件結構及制備方法，具體地說是一種碳化硅基的并聯式PIN型β輻照電池及其制備方法，可用于微納機電系統等微小電路和航空航天、深海、極地等需長期供電且無人值守的場合。

技術背景

隨著人們對于低功耗、長壽命、高可靠性和小體積供電設備的需求，以及對核廢料處理的關注，微型核電池變得備受關注。。微型核電池由于其突出的特點可用來解決微型管道機器人、植入式微系統、無線傳感器節點網絡、人工心臟起搏器和便攜式移動電子產品等的長期供電問題。并有望取代太陽能電池和熱電式放射性同位素電池，在航天和航空領域解決微/納衛星、深空無人探測器和離子推進器等的長期供電問題。

1953年由Rappaport研究發現，利用同位素衰變所產生的貝塔(β-Particle)射線能在半導體內產生電子-空穴對，此現象則被稱為β-Voltaic?Effect。1957年，Elgin-Kidde首先將β-Voltaic?Effect用在電源供應方面，成功制造出第一個同位素微電池β-Voltaic?Battery。自2006年，隨著寬禁帶半導體材料SiC制備和工藝技術的進步，出現了基于SiC的同位素微電池的相關報道。

中國專利CN101325093A中公開了由張林，郭輝等人提出的基于SiC的肖特基結式核電池。由于該肖特基結核電池中肖特基接觸層覆蓋整個電池區域，入射粒子到達器件表面后，都會受到肖特基接觸層的阻擋，只有部分粒子能進入器件內部，而進入耗盡區的粒子才會對電池的輸出功率有貢獻。因此，這種結構的核電池入射粒子能量損失大，能量轉換效率較低。

文獻“Demonstration?of?a?tadiation?resistant,hight?efficiency?SiC?betavoltaic”介紹了由美國新墨西哥州Qynergy?Corporation的C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n結式核電池，如圖1所示。該PIN核電池自上而下依次為，放射性源7、P型歐姆接觸電極6、P型高摻雜SiC層4、P型SiC層3、本征i層2、n型高摻雜SiC襯底1和N型歐姆接觸電極5。這種結構中，只有耗盡層內及其附近一個少子擴散長度內的輻照生載流子能夠被收集。并且，為避免歐姆接觸電極阻擋入射離子，將P型歐姆電極做在器件的一個角落，使得離P型歐姆電極較遠的輻照生載流子在輸運過程中被復合，降低了能量轉化率，減小了電池的輸出電流和輸出電壓。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種并聯式PIN型β輻照電池及其制備方法，以消除金屬電極對β放射源輻射出的高能β粒子的阻擋作用，同時增加β放射源與半導體的接觸面積，提高β放射源的利用率，從而提高電池的輸出電流和輸出電壓。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一.本發明的并聯式PIN型β輻照電池，包括：PIN單元和β放射源，其特征在于：

所述PIN單元采用由上、下兩個PIN結并聯構成；下的PIN結自下而上依次為，N型歐姆接觸電極5、N型高摻雜4H-SiC襯底1、N型低摻雜外延層2、P型高摻雜外延層3和P型歐姆接觸電極4，上的PIN結自下而上依次為，P型歐姆接觸電極4、P型高摻雜外延層3、N型低摻雜外延層2、N型高摻雜4H-SiC襯底1和N型歐姆接觸電極5；

所述兩個PIN結其P型歐姆接觸電極4的一面接觸在一起，上下PIN結中溝槽形成鏡面對稱，相互貫通的一體結構；

每個PIN結中都設有n個溝槽6，其中n≥2，每個溝槽6內均放置有β放射源7，以實現對高能α粒子的充分利用。

作為優選，所述的β放射源7采用相對原子質量為63的鎳或相對原子質量為147的钷，即Ni⁶³或Pm¹⁴⁷。

作為優選，所述的溝槽6的深度h滿足m+q<h<m+r+q，其中m為P型高摻雜外延層3的厚度，r為N型低摻雜外延層2的厚度，q為P型歐姆接觸電極4的厚度。

作為優選，所述的溝槽6的寬度L滿足L≦2g，其中，g為β放射源7釋放的高能β粒子在β放射源中的平均入射深度，對于β放射源為Ni⁶³的，其取值為：g＝6μm，對于β放射源為Pm¹⁴⁷的，其取值為：g＝16μm。