[發明專利]串聯式PIN結構α輻照電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410299971.0
• 申請日: 2014-06-29
• 公開（公告）號: CN104051045B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 郭輝;趙亞秋;宋慶文;王悅湖;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

1.一種串聯式PIN結構α輻照電池，包括：PIN單元和α放射源，其特征在于：

所述PIN單元，采用上下兩個PIN結串聯構成；上PIN結自下而上依次為N型外延層歐姆接觸電極(5)、N型高摻雜外延層(4)、P型低摻雜外延層(3)、P型高摻雜SiC襯底(2)、P型歐姆接觸電極(1)；下PIN結自下而上依次為N型歐姆接觸電極(10)、N型高摻雜SiC襯底(9)、N型低摻雜外延層(8)、P型高摻雜外延層(7)、P型外延層歐姆接觸電極(6)；

所述每個PIN結中均設有n個溝槽(11)，其中n≥2；

所述上PIN結的N型外延層歐姆接觸電極(5)與下PIN結的P型外延層歐姆接觸電極(6)接觸在一起，使上下PIN結中的溝槽(11)形成鏡面對稱，相互貫通的一體結構，每個溝槽內均填滿α放射源(12)。

2.根據權利要求1所述的電池，其特征在于，P型高摻雜SiC襯底(2)、P型低摻雜外延層(3)、N型高摻雜外延層(4)、P型高摻雜外延層(7)、N型低摻雜外延層(8)和N型高摻雜SiC襯底(9)均為4H-SiC材料，以提高電池的使用壽命和開路電壓。

3.根據權利要求1所述的電池，其特征在于α放射源(12)采用相對原子質量為241的镅元素或相對原子質量為238的钚元素，即Am²⁴¹或Pu²³⁸。

4.根據權利要求1所述的電池，其特征在于溝槽(11)的寬度L滿足L≤2g，其中，g為α放射源(12)釋放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，對于α放射源為Am²⁴¹的，其取值為：g＝7.5μm，對于α放射源為Pu²³⁸的，其取值為：g＝10μm。

5.根據權利要求1所述的電池，其特征在于溝槽(11)的深度h滿足m+q<h<m+q+r，其中，對于上PIN結，m為N型高摻雜外延層(4)的厚度，q為N型外延層歐姆接觸電極(5)的厚度，r為P型低摻雜外延層(3)的厚度；對于下PIN結，m為P型高摻雜外延層(7)的厚度，q為P型外延層歐姆接觸電極(6)的厚度，r為N型低摻雜外延層(8)的厚度。

6.根據權利要求1所述的電池，其特征在于相鄰兩個溝槽(11)的間距d滿足d≥i，其中，i為α放射源(12)釋放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，對于α放射源為Am²⁴¹的，其取值為：i＝10μm，對于α放射源為Pu²³⁸的，其取值為：i＝18.2μm。

7.根據權利要求1所述的電池，其特征在于N型外延層歐姆接觸電極(5)選用Ni/Ti合金，其厚度為Ni＝200nm，Ti＝50nm；P型外延層歐姆接觸電極(6)選用金屬Al，其厚度為Al＝250nm。

8.根據權利要求1所述的電池，其特征在于P型歐姆接觸電極(1)與N型歐姆接觸電極(10)均采用金屬層Ni，Ni金屬層的厚度為300～350nm。

9.一種串聯式PIN結構α輻照電池的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作上PIN結：

1a)選用濃度為1x10¹⁸cm^-3的P型高摻雜SiC襯底，對該P型高摻雜SiC襯底進行清洗，以去除表面污染物；

1b)生長P型低摻雜外延層：利用化學氣相淀積CVD法在清洗后的P型高摻雜SiC襯底表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度為5～10μm的P型低摻雜外延層；

1c)生長N型高摻雜外延層：利用化學氣相淀積CVD法在P型低摻雜外延層表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度為0.5～1μm的N型高摻雜外延層；

1d)淀積接觸電極：在N型高摻雜外延層表面利用電子束蒸發法淀積Ni/Ti金屬層，作為刻蝕溝槽的掩膜和N型外延層歐姆接觸金屬；利用電子束蒸發法在P型SiC襯底未外延的背面淀積金屬層Ni，作為P型歐姆接觸電極；

1e)光刻圖形：按照核電池溝槽的位置制作成光刻版，在淀積的Ti金屬表面旋涂一層光刻膠，利用光刻版對光刻膠進行電子束曝光，形成腐蝕窗口；對腐蝕窗口處的Ti、Ni金屬層進行腐蝕，露出N型高摻雜外延層，得到N型外延層歐姆接觸電極和溝槽刻蝕窗口；

1f)刻蝕溝槽：利用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術，在露出的N型高摻雜外延層上刻出深度為4～8μm，寬度為5～14μm，間距為12～25μm的n個溝槽，并去除所有溝槽外部金屬Ti表面的光刻膠；

1g)放置α放射源：采用淀積或涂抹的方法，在每個溝槽中放置α放射源，得到帶有溝槽的上PIN結；

(2)制作下PIN結：

2a)選用濃度為1x10¹⁸cm^-3的N型高摻雜SiC襯底，對該N型高摻雜SiC襯底進行清洗，以去除表面污染物；

2b)生長N型低摻雜外延層：利用化學氣相淀積CVD法在清洗后的N型高摻雜SiC襯底表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度為5～10μm的N型低摻雜外延層；

2c)生長P型高摻雜外延層：利用化學氣相淀積CVD方法在N型低摻雜外延層表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度為0.5～1μm的P型高摻雜外延層；

2d)淀積接觸電極：在P型高摻雜外延層表面利用電子束蒸發法淀積Al金屬層，作為刻蝕溝槽的掩膜和P型外延層歐姆接觸金屬；利用電子束蒸發法在N型SiC襯底未外延的背面淀積Ni金屬層，作為N型歐姆接觸電極；

2e)光刻圖形：在淀積的Al金屬層表面旋涂一層光刻膠，利用上PIN結溝槽光刻版對光刻膠進行電子束曝光，形成腐蝕窗口；對腐蝕窗口處的Al金屬層進行腐蝕，露出P型高摻雜外延層，得到P型外延層歐姆接觸電極和溝槽刻蝕窗口；

2f)刻蝕溝槽：利用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術，在露出的P型高摻雜外延層上刻出深度為4～8μm，寬度為5～14μm，間距為12～25μm的n個溝槽，并去除所有溝槽外部Al金屬層表面的光刻膠；

2g)放置α放射源：采用淀積或涂抹的方法，在每個溝槽中放置α放射源，得到帶有溝槽的下PIN結；

(3)利用鍵合法將下PIN結中的P型外延層歐姆接觸電極與上PIN結中的N型外延層歐姆接觸電極壓合在一起，使上下PIN結中的溝槽形成鏡面對稱、相互貫通的一體結構，從而完成串聯式PIN結構α輻照電池的制作。