[發(fā)明專利]并聯(lián)式PIN型α輻照電池及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410301092.7
• 申請日: 2014-06-29
• 公開（公告）號: CN104051050A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭輝;趙亞秋;王悅湖;張藝蒙;張玉明
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及制備方法，具體地說是一種碳化硅基的并聯(lián)式PIN型α輻照電池及其制備方法，可用于微納機電系統(tǒng)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(shù)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(shè)備的需求，以及對核廢料處理的關(guān)注，微型核電池變得備受關(guān)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(tǒng)、無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、人工心臟起搏器和便攜式移動電子產(chǎn)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(lǐng)域解決微/納衛(wèi)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(fā)現(xiàn)，利用同位素衰變所產(chǎn)生的貝塔(β-Particle)射線能在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，此現(xiàn)象則被稱為β-VoltaicEffect。1957年，Elgin-Kidde首先將β-VoltaicEffect用在電源供應(yīng)方面，成功制造出第一個同位素微電池β-VoltaicBattery。自2006年，隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC制備技術(shù)和工藝技術(shù)的進步，出現(xiàn)了基于SiC的同位素微電池的相關(guān)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(jié)式核電池。由于該肖特基結(jié)核電池中肖特基接觸層覆蓋整個電池區(qū)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(nèi)部，而進入耗盡區(qū)的粒子才會對電池的輸出功率有貢獻。因此，這種結(jié)構(gòu)的核電池入射粒子能量損失大，能量轉(zhuǎn)換效率較低。

文獻“Demonstrationofa4HSiCbetavoltaiccell”介紹了由美國紐約Cornell大學(xué)的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,HuiLi等人提出了碳化硅PN結(jié)式核電池。這種結(jié)構(gòu)采用的襯底為P型高摻雜襯底，而在其襯底上生長外延層的現(xiàn)有工藝不成熟，因此，易引入表面缺陷，器件漏電流大，能量轉(zhuǎn)換率較低。

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(jié)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(jié)構(gòu)中，只有耗盡層內(nèi)及其附近一個少子擴散長度內(nèi)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(fù)合，降低了能量轉(zhuǎn)化率，減小了電池的輸出電流和輸出電壓。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種并聯(lián)式PIN型α輻照電池及其制備方法，以消除金屬電極對α放射源輻射出的高能α粒子的阻擋作用，同時增加α放射源與半導(dǎo)體的接觸面積，提高α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(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一.本發(fā)明的并聯(lián)式PIN型α輻照電池，包括：PIN單元和α放射源，其特征在于：

所述PIN單元采用由上方、下方兩個PIN結(jié)并聯(lián)構(gòu)成；下方的PIN結(jié)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，上方的PIN結(jié)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(jié)其P型歐姆接觸電極4的一面接觸在一起，上下PIN結(jié)中溝槽形成鏡面對稱，相互貫通的一體結(jié)構(gòu)；

每個PIN結(jié)中都設(shè)有至少兩個溝槽6，每個溝槽6內(nèi)均放置有α放射源7，以實現(xiàn)對高能α粒子的充分利用。

作為優(yōu)選，所述的α放射源7采用相對原子質(zhì)量為241的镅元素或相對原子質(zhì)量為238的钚元素，即Am²⁴¹或Pu²³⁸。

作為優(yōu)選，所述的溝槽6的深度h滿足m+q<h<m+n+q，其中m為P型高摻雜外延層3的厚度，n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。