[发明专利]碳化硅网格状电极PIN型核电池

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及一种基于碳化硅网格状电极PIN型核电池，可用于将同位素放射的核能直接转换为电能。

技术背景

1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的贝他(β-Particle)粒子能在半导体内产生电子空穴对，此现象则被称为β-Voltaic Effect。之后不久，Elgin-Kidde在1957年首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功实验制造出第一个同位素微电池β-Voltaic Battery。从1989年以来，GaN，GaP，AlGaAs，多晶硅等材料相继被利用作为β-Voltaic电池的材料。随着宽禁带半导体材料SiC的制备和工艺技术的进步，2006年开始，国内外上相继出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。

中国专利CN 101325093A中公开了由张林，郭辉等人提出的基于SiC的肖特基结式核电池，如图3所示，该肖特基结式核电池自上而下依次包括键合层1、肖特基金属层13、SiO₂钝化层4、n型低掺杂SiC外延层5、n型高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。该肖特基结核电池肖特基接触层覆盖整个电池区域，入射粒子到达器件表面后，都会受到肖特基接触层的阻挡，只有部分粒子能进入器件内部，而进入耗尽区的粒子才会对电池的输出功率有贡献，因此，这种结构的核电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，033506(2006)《Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell》”介绍了由美国纽约Cornell大学的M.V.S.Chandrashekhar，C.I.Tomas，Hui Li，M.G.Spencer and Amit Lal等人提出了碳化硅pn结式核电池，如图2所示，该pn结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、欧姆接触电极14、n型高掺杂SiC层6、p型低掺杂SiC层8、p型高掺杂SiC层9和p型欧姆接触层12。在这种结构中，衬底为p型高掺杂衬底，在上面生长外延层的工艺不成熟，易引入表面缺陷，器件漏电流增大，能量转换率较低。

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，064101(2006)《Demonstration of a tadiation resistant，hight efficiency SiC betavoltaic》”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy  Corporation  的 C.J.Eiting，V.Krishnamoorthy，and S.Rodgers，T.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.David Roberston and John Brockman等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图1所示，该p-i-n结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、p型欧姆接触层12、p型高掺杂SiC层9、p型SiC层11、本征i层10、n高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。在结构上只有耗尽区内及其附近一个少子扩散长度内的辐照生载流子能够被收集。在这种p-i-n结结构中，为了防止欧姆接触电极阻挡入射粒子，必须将欧姆电极过载器件的一个角落，但这样会使离欧姆电极远的辐照生载流子在输运过程中被复合，造成能量损失，降低能量转换效率。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种碳化硅网格状PIN型核电池及其制作方法，以减少辐照产生的载流子在输运过程中被复合，提高能量转换效率。

为实现上述目的，本发明提供的碳化硅网格状电极PIN型核电池，自上而下依次包括放射性同位素源层，SiO₂钝化层，SiO₂致密绝缘层，p型欧姆接触电极，掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3的p型SiC外延层，掺杂浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的n型SiC外延层(6)，掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的n型SiC衬底样片(7)和n型欧姆接触电极(8)，其中p型欧姆接触电极采用g个大小相同的正方形网格结构，g≥4，放射性同位素源层(1)覆盖在该网格接触电极的表面。

所述的正方形网格由m个横向矩形条和n个纵向矩形条分割而成，其中m≥2，n≥2。