[发明专利]串联式PIN结构β辐照电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及半导体器件结构及其制备方法，具体地说是一种碳化硅基的串联式PIN结构β辐照电池及其制备方法，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塔(β-Particle)射线能在半导体内产生电子-空穴对，此现象则被称为β-Voltaic Effect。1957年，Elgin-Kidde首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功制造出第一个同位素微电池β-Voltaic Battery。由于β放射源对人体的损伤比α放射源更小，在医学领域得到了更广的应用，如，心脏起搏器。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。自2006年，随着宽禁带半导体材料SiC制备和工艺技术的进步，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β辐照电池。该肖特基结β辐照电池中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β辐照电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

文献“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和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图1所示。该PIN核电池自上而下依次为，放射性源7、P型欧姆接触电极6、P型高掺杂SiC层4、P型SiC层3、本征i层2、n型高掺杂SiC衬底1和N型欧姆接触电极5。这种结构中，只有耗尽层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。并且，为避免欧姆接触电极阻挡入射离子，将P型欧姆电极做在器件的一个角落，使得离P型欧姆电极较远的辐照生载流子在输运过程中被复合，降低了能量转化率，减小了电池的输出电流。

与此同时，理论分析指出β辐照电池的输出电压不会大于β辐照电池所使用的半导体材料的禁带宽度。因而，在当前条件下如何有效提高β辐照电池的输出电压，也成为一个重要的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种串联式PIN结构β辐照电池，以增强β放射源的有效利用率，提高电池的输出电流和输出电压。

实现本发明目的的技术思路是：通过将β放射源完全包裹在电池内部，消除金属电极对β放射源辐射出的高能β粒子的阻挡作用，提高β放射源的利用率；通过两个PIN结相串联的结构，提高输出电压。

本发明的技术思路是这样实现的：

一、本发明的串联式PIN结构β辐照电池，包括：PIN单元和β放射源，其特征在于：所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；上PIN结自下而上依次为N型高掺杂外延层4、P型低掺杂外延层层3、P型高掺杂衬底2、P型欧姆接触电极1，下PIN结自下而上依次为N型欧姆接触电极9、N型高掺杂衬底8、N型低掺杂外延层7、P型高掺杂外延层6；

所述每个PIN结中均设有n个沟槽10，其中n≥2；

所述上PIN结中的N型高掺杂外延层4与下PIN结中的P型高掺杂外延层6之间通过过渡金属层5相连接，使上下PIN结中沟槽形成镜面对称，相互贯通的一体结构，每个沟槽内均填满β放射源11。

作为优选，β放射源11采用相对原子质量为63的镍或相对原子质量为147的钷，即Ni⁶³或Pm¹⁴⁷。

作为优选，所述电池P型高掺杂衬底2、P型低掺杂外延层3、N型高掺杂外延层4、P型高掺杂外延层6、N型低掺杂外延层7和N型高掺杂衬底8均为4H-SiC材料，以提高电池的使用寿命和开路电压。

作为优选，所述β放射源放置沟槽10的宽度L满足L≤2g，其中，g为β放射源11释放的高能β粒子在β放射源中的平均入射深度，对于β放射源为Ni⁶³的，其取值为：g＝6μm，对于β放射源为Pm¹⁴⁷的，其取值为：g＝16μm。