[發明專利]串聯式PIN結構β輻照電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201410299990.3
• 申請日: 2014-06-29
• 公開（公告）號: CN104064241A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 郭輝;黃海栗;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，采用上下兩個PIN結串聯構成；上PIN結自下而上依次為N型高摻雜外延層(4)、P型低摻雜外延層(3)、P型高摻雜襯底(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(9)、N型高摻雜襯底(8)、N型低摻雜外延層(7)、P型高摻雜外延層(6)；

所述每個PIN結中均設有n個溝槽(10)，其中n≥2；

所述上PIN結中的N型高摻雜外延層(4)與下PIN結中的P型高摻雜外延層(6)之間通過過渡金屬層(5)相連接，使上下PIN結中溝槽形成鏡面對稱，相互貫通的一體結構，每個溝槽內均填滿β放射源(11)。

2.根據權利要求1所述的電池，其特征在于β放射源(11)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。

3.根據權利要求1所述的電池，其特征在于，P型高摻雜襯底(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(6)、N型低摻雜外延層(7)和N型高摻雜襯底(8)均為4H-SiC材料，以提高電池的使用壽命和開路電壓。

4.根據權利要求1所述的電池，其特征在于溝槽(10)的寬度L滿足L≤2g，其中，g為β放射源(11)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。

5.根據權利要求1所述的電池，其特征在于溝槽(10)的深度h滿足m<h<m+r，其中，對于上PIN結，m為N型高摻雜外延層(4)與其歐姆接觸電極的總厚度，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(6)與其歐姆接觸電極的總厚度，r為N型低摻雜外延層(7)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(10)的間距d滿足d≥i，其中，i為β放射源(11)釋放的高能β粒子在4H-SiC中的平均入射深度，對于β放射源為Ni⁶³的，其取值為：i＝10μm；對于β放射源為Pm¹⁴⁷的，其取值為：i＝15μm。

7.根據權利要求1所述的電池，其特征在于過渡金屬層(5)選用Al/Ti/Ni合金，其厚度為Al＝250nm，Ti＝50nm，Ni＝200nm，金屬Al與P型高摻雜外延層(6)接觸，金屬Ni與N型高摻雜外延層(4)接觸，金屬Ti層位于Al層與Ni層之間。

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(9)均采用金屬Ni，Ni金屬層的厚度為300～400nm。

9.一種串聯式PIN結構β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lx10¹⁸cm^-3的P型SiC襯底，對該P型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SiC襯底表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁵～2x10¹⁵cm^-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0.2～0.8μm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溝槽光刻版，在淀積的Ti金屬表面旋涂一層光刻膠，利用溝槽光刻版對光刻膠進行電子束曝光，形成刻蝕窗口；對刻蝕窗口處的Ti、Ni金屬層進行腐蝕，露出N型高摻雜SiC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SiC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β放射源：采用淀積或涂抹的方法，在每個溝槽中放置β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lx10¹⁸cm^-3的N型SiC襯底，對該N型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SiC襯底表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁵～2x10¹⁵cm^-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0.2～0.8μm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結工藝中的溝槽光刻版對光刻膠進行電子束曝光，形成刻蝕窗口；對刻蝕窗口處的Al金屬層進行刻蝕，露出P型高摻雜SiC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SiC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β放射源：采用淀積或涂抹的方法，在每個溝槽中放置β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β輻照電池的制作。