[發明專利]外延GaN的串聯式PIN結構α輻照電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410301093.1
• 申請日: 2014-06-29
• 公開（公告）號: CN104051051B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（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其制備方法，具體地說是一種碳化硅基的外延GaN的串聯式PIN結構α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

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-VoltaicEffect。1957年，Elgin-Kidde首先將β-VoltaicEffect用在電源供應方面，成功制造出第一個同位素微電池β-VoltaicBattery。從1989年以來，GaN、GaP、AlGaAs、多晶硅等材料相繼被利用作為α-Voltaic電池的材料。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。

作為一種重要的第三代半導體，近年來人們對GaN的關注越來越多。由于其禁帶寬度大，熱導率高，制作的器件工作溫度和擊穿電壓高。另外，GaN材料一直被認為是一種理想的抗輻照半導體材料，隨著核技術和空間技術的發展，GaN材料及其器件被用于輻射很強的極端惡劣的條件下工作。

中國專利CN?101325093A中公開了由張林、郭輝等人提出的基于SiC的肖特基結式輻照電池。該肖特基結輻照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，這種結構的輻照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。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種外延GaN的串聯式PIN結構α輻照電池，以增強α放射源的有效利用率，提高電池的輸出電流和輸出電壓。

實現本發明目的的技術思路是：通過將α放射源完全包裹在電池內部，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，提高α放射源的利用率；通過兩個PIN結相串聯的結構，提高輸出電壓；使用GaN材料的外延層，進一步提高輸出電壓。

本發明的技術思路是這樣實現的：

一、本發明的外延GaN的串聯式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。

作為優選，所述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。

作為優選，所述電池的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。

作為優選，所述溝槽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。