[發(fā)明專利]外延GaN的串聯(lián)式PIN結構α輻照電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410301093.1
• 申請日: 2014-06-29
• 公開（公告）號: CN104051051B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發(fā)明（設計）人: 郭輝;翟華星;張藝蒙;宋慶文;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(yè)專利中心61205
• 代理人: 王品華,朱紅星

1.一種外延GaN的串聯(lián)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(lián)構成；上PIN結自下而上依次為N型GaN外延層歐姆接觸電極(5)、N型GaN外延層(4)、P型SiC外延層(3)、P型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SiC襯底(9)、N型SiC外延層(8)、P型GaN外延層(7)、P型GaN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GaN外延層歐姆接觸電極(5)與下PIN結的P型GaN外延層歐姆接觸電極(6)接觸在一起，使上下PIN結中溝槽(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(jù)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。

3.根據(jù)權利要求1所述的電池，其特征在于，P型SiC襯底(2)、P型SiC外延層(3)、N型SiC外延層(8)、N型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。

4.根據(jù)權利要求1所述的電池，其特征在于α放射源放置溝槽(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(jù)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GaN外延層(4)的厚度，q為N型GaN外延層歐姆接觸電極(5)的厚度，r為P型SiC外延層(3)的厚度；對于下PIN結，m為P型GaN外延層(7)的厚度，q為P型GaN外延層歐姆接觸電極(6)的厚度，r為N型SiC外延層(8)的厚度。

6.根據(jù)權利要求1所述的電池，其特征在于相鄰的兩個溝槽(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(jù)權利要求1所述的電池，其特征在于N型GaN外延層歐姆接觸電極(5)和P型GaN外延層歐姆接觸電極(6)均由金屬層Ti/Au構成，其厚度為Ti＝100nm，Au＝200nm；P型歐姆接觸電極(1)和N型歐姆接觸電極(10)均采用厚度為300nm的Ni金屬層。

8.一種外延GaN的串聯(lián)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：

1.1)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；

1.2)生長P型SiC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1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度為4～9μm的P型SiC外延層；

1.3)生長N型GaN外延層：利用化學氣相淀積CVD法在P型SiC外延層表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁹～3x10¹⁹cm^-3，厚度為0.5～1μm的N型GaN外延層；

1.4)淀積接觸電極：在N型GaN外延層表面利用電子束蒸發(fā)法淀積Ti/Au金屬層，作為刻蝕溝槽的掩膜和N型GaN外延層歐姆接觸金屬；利用電子束蒸發(fā)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；

1.5)光刻圖形：按照核電池溝槽的位置制作成光刻版，在淀積的金屬Au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Au、Ti金屬層進行腐蝕，露出N型GaN外延層，得到溝槽刻蝕窗口和N型GaN外延層歐姆接觸電極；

1.6)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GaN外延層上刻出深度為3～7μm，寬度為5～14μm，間距為12～24μm的n個溝槽，并去除所有溝槽外部金屬Au表面的光刻膠；

(2)制作下PIN結：

2.1)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；

2.2)生長N型SiC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1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度為4～9μm的N型SiC外延層；

2.3)生長P型GaN外延層：利用化學氣相淀積CVD法在N型SiC外延層表面外延生長一層摻雜濃度為1x10¹⁹～3x10¹⁹cm^-3，厚度為0.5～1μm的P型GaN外延層；

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

2.5)光刻圖形：按照核電池溝槽的位置制作成光刻版，在淀積的金屬層Au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Au、Ti金屬層進行腐蝕，露出P型GaN外延層，得到溝槽刻蝕窗口和P型GaN外延層歐姆接觸電極；

2.6)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GaN外延層上刻出深度為3～7μm，寬度為5～14μm，間距為12～24μm的n個溝槽，并去除所有溝槽外部金屬層Au表面的光刻膠；

(3)填充α放射源：采用淀積或涂抹的方法，在上PIN結和下PIN結的溝槽中填滿α放射源；

(4)利用鍵合法將下PIN結的P型GaN外延層歐姆接觸電極與上PIN結的N型GaN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，從而完成外延GaN的串聯(lián)式PIN結構α輻照電池的制作。