本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，涉及半導體器件結(jié)構(gòu)及制備方法，具體地說是一種碳化硅基的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、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SiC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，電池漏電流大，能量轉(zhuǎn)換率較低。文獻“Demonstrationofatadiationresistant,hightefficiencySiCbetavoltaic”介紹了由美國新墨西哥州QynergyCorporation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合，降低了能量轉(zhuǎn)化率，減小了電池的輸出電流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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3D式PIN結(jié)構(gòu)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3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池，包括：PIN結(jié)和α放射源，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8、P型高摻雜外延層4’和P型歐姆接觸電極6，其特征在于：所述PIN結(jié)中設(shè)有至少兩個溝槽9，α放射源7’放置在該溝槽9內(nèi)，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’采用原子質(zhì)量為241的镅元素，即Am241。作為優(yōu)選，所述的α放射源7’采用原子質(zhì)量為238的钚元素，即Pu238。作為優(yōu)選，所述溝槽9的深度h滿足m+q<h<m+n+q，其中m為P型高摻雜外延層4’的厚度，n為N型低摻雜外延層8的厚度，q為P型歐姆接觸電極6的厚度。作為優(yōu)選，所述溝槽9的寬度L滿足L≦2g，其中，g為α放射源7’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。作為優(yōu)選，所述相鄰兩個溝槽9的間距d滿足d≥i，其中，i為α放射源7’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。作為優(yōu)選，所述襯底1’采用摻雜濃度為lx1018cm-3的N型4H-SiC，P型高摻雜外延層4’和N型低摻雜外延層8均為外延的4H-SiC，其中P型高摻雜外延層4’的摻雜濃度為1x1019～5x1019cm-3，N型低摻雜外延層8的摻雜濃度為1x1015～2x1015cm-3。二.本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：1)清洗：對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；2)生長N型低摻雜外延層：利用化學氣相淀積CVD法在清洗后的SiC樣片表面外延生長一層摻雜濃度為1x1015～2x1015cm-3，厚度為5～10μm的N型低摻雜外延層；3)生長P型高摻雜外延層：利用化學氣相淀積CVD法在N型低摻雜外延層表面外延生長一層摻雜濃度為1x1019～5x1019cm-3，厚度為1～2μm的P型高摻雜外延層；4)淀積P型金屬接觸電極：在P型高摻雜外延層表面利用電子束蒸發(fā)法淀積一層厚度為300nm的Ni金屬層，作為刻蝕溝槽的掩膜和P型歐姆接觸金屬；利用同樣的方法在SiC襯底未外延的背面淀積厚度為300nm的Ni金屬層，作為N型歐姆接觸電極；1100℃下氮氣氣氛中快速退火3分鐘；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Ni金屬層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Ni金屬層進行腐蝕，露出P型高摻雜外延層，得到P型歐姆接觸電極和溝槽腐蝕窗口；6)刻蝕溝槽：利用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術(shù)，在溝槽刻蝕窗口露出的P型高摻雜外延層上刻出用于放置α放射源，深度為6.5～12μm，寬度為5～14μm，間距為12～25μm的至少兩個溝槽；7)放置α放射源：采用淀積或涂抹的方法，在溝槽中放置α放射源，得到3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：1.本發(fā)明將α放射源置于溝槽中，使得α放射源產(chǎn)生的高能α粒子直接射入PIN結(jié)的空間電荷區(qū)，減小了高能α粒子的能量損耗，從而提高了能量收集率；2.本發(fā)明由于溝槽寬度不大于α放射源釋放的高能α粒子在α放射源材料中平均入射深度的兩倍，顯著減少了高能α粒子在α放射源內(nèi)部的能量衰減，提高了能量收集率；3.本發(fā)明由于采用襯底材料4H-SiC的禁帶寬度比傳統(tǒng)Si的禁帶寬度大，抗輻照特性更好，可以減小高能α粒子對器件的損傷，提高了電池的工作電壓，同時延長了電池的使用壽命。附圖說明圖1是現(xiàn)有的PIN核電池的截面示意圖；圖2是本發(fā)明3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池的截面示意圖；圖3是本發(fā)明制作3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池的流程示意圖。具體實施方式參照圖2，本發(fā)明的輻照電池，包括：PIN結(jié)、溝槽9和α放射源7’，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8、P型高摻雜外延層4’和P型歐姆接觸電極6。其中，N型低摻雜外延層8生長于N型高摻雜4H-SiC襯底1’的硅面上，P型高摻雜4H-SiC外延層4’生長于N型低摻雜4H-SiC外延層8上，P型歐姆接觸電極6淀積在P型高摻雜4H-SiC外延層4’上，采用金屬Ni，其厚度為300nm，背面N型歐姆接觸電極5淀積在N型高摻雜4H-SiC襯底1’的背側(cè)，采用金屬Ni，其厚度為300nm，構(gòu)成PIN結(jié)；在PIN結(jié)中設(shè)有至少兩個溝槽9，其深度h滿足m+q<h<m+n+q，m為P型高摻雜外延層4’的厚度，n為N型低摻雜外延層8的厚度，q為P型歐姆接觸電極6的厚度，其寬度L滿足L≦2g，g為α放射源7’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，而相鄰兩個溝槽9的間距d滿足d≥i，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；α放射源7’放置在溝槽9中。電池在工作狀態(tài)下，從α放射源放射出的大部分高能α粒子直接射入到P型高摻雜外延層4’和N型低摻雜外延層8界面附近的空間電荷區(qū)，進而激發(fā)載流子，形成輸出電流。參照圖3，本發(fā)明制作3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池的方法給出如下三個實施例：實施例1，制備α放射源為Am241，具有兩個溝槽的3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。步驟1:清洗4H-SiC樣片，以去除表面污染物，如圖3(a)所示。(1.1)將摻雜濃度為lx1018cm-3的高摻雜n型4H-SiC襯底樣片在NH4OH+H2O2試劑浸泡樣品10min，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(1.2)將去除表面有機殘余物后的4H-SiC樣片再使用HCl+H2O2試劑浸泡樣品10min，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2：外延生長N型低摻雜外延層，如圖3(b)所示。在清洗后的SiC樣片上利用化學氣相淀積CVD方法外延生長氮摻雜的N型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，雜志源為液態(tài)氮氣，載氣為純氫氣，得到氮摻雜濃度為1x1015cm-3，厚度為5μm的N型低摻雜外延層。步驟3：外延生長P型高摻雜外延層，如圖3(c)所示。在外延生長N型低摻雜外延層上利用化學氣相淀積CVD法外延生長鋁摻雜的P型高摻雜外延層，其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁，得到鋁摻雜濃度為1x1019cm-3，厚度為1μm的P型高摻雜外延層。步驟4：淀積歐姆接觸電極，如圖3(d)所示。(4.1)對完成P型高摻雜外延層生長后的SiC樣片進行RCA標準清洗；(4.2)將清洗后的樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的載玻片上，調(diào)整載玻片到靶材的距離為50cm，并將反應室壓強抽至5×10-4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，在SiC樣片的P型高摻雜外延層的表面淀積一層厚度為300nm的Ni金屬層；(4.3)利用電子束蒸發(fā)法，在襯底SiC未外延的背面淀積一層厚度為300nm的Ni金屬層；(4.4)1100℃下，氮氣氣氛中快速退火3分鐘。步驟5：在SiC外延一側(cè)淀積的Ni金屬層上刻出結(jié)構(gòu)圖形窗口，如圖3(e)所示。(5.1)在SiC外延一側(cè)淀積的Ni金屬層表面上旋涂一層光刻膠，按照電池兩個溝槽的位置制作成光刻版，用電子束對光刻膠曝光，形成腐蝕窗口；(5.2)利用反應離子工藝刻蝕Ni金屬層，反應氣體采用氧氣，露出P型高摻雜外延層，得到P型歐姆接觸電極和溝槽的刻蝕窗口。步驟6：刻蝕溝槽，如圖3(f)所示。利用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術(shù)，在溝槽刻蝕窗口露出的P型高摻雜外延層上刻出深度為6.5μm，寬度為5μm，間距為12μm的兩個溝槽。步驟7：放置α放射源，如圖3(g)所示。采用淀積或涂抹的方法，在每個溝槽中放置α放射源Am241，得到3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。實施例2，制備α放射源為Am241，具有五個溝槽的3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。步驟一:清洗4H-SiC樣片，以去除表面污染物，如圖3(a)。本步驟與實施例1的步驟1相同。步驟二：外延生長N型低摻雜外延層，如圖3(b)。在清洗后的SiC樣片上利用化學氣相淀積CVD方法外延生長氮摻雜的N型低摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜志源為液態(tài)氮氣，完成氮摻雜濃度為1.5x1015cm-3，厚度為8μm的N型低摻雜外延層的生長。步驟三：外延生長P型高摻雜外延層，如圖3(c)所示。在生長的N型低摻雜外延層上利用化學氣相淀積CVD法外延生長鋁離子摻雜的P型高摻雜外延層，其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁，完成鋁摻雜濃度為3x1019cm-3，厚度為1.5μm的P型高摻雜外延層的生長。步驟四：淀積歐姆接觸電極，如圖3(d)。本步驟與實施例一的步驟4相同。步驟五：SiC外延一側(cè)淀積的Ni金屬層上刻出結(jié)構(gòu)圖形窗口，如圖3(e)。(5.1)在SiC外延一側(cè)淀積的Ni金屬層表面上旋涂一層光刻膠，按照電池五個溝槽的位置制作成光刻版，用電子束對光刻膠曝光，形成腐蝕窗口；(5.2)利用反應離子工藝刻蝕Ni金屬層，反應氣體采用氧氣，露出P型高摻雜外延層，得到P型歐姆接觸電極和溝槽的刻蝕窗口。步驟六：刻蝕溝槽，如圖3(f)。利用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術(shù)，在溝槽刻蝕窗口露出的P型高摻雜外延層上刻出深度為10μm，寬度為10μm，間距為20μm的五個溝槽；步驟七：放置α放射源，如圖3(g)。本步驟與實施例一的步驟7相同。實施例3，制備α放射源為Pu238，具有10個溝槽的3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。步驟A:清洗4H-SiC樣片，以去除表面污染物，如圖3(a)。本步驟與實施例1的步驟1相同。步驟B：在清洗后的SiC樣片上利用化學氣相淀積CVD方法外延生長氮摻雜的N型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜志源為液態(tài)氮氣。得到氮摻雜濃度為2x1015cm-3，厚度為10μm的N型低摻雜外延層如圖3(b)。步驟C：在外延生長N型低摻雜外延層上利用化學氣相淀積CVD法外延生長鋁離子摻雜的P型高摻雜外延層，其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁，得到鋁摻雜濃度為5x1019cm-3，厚度為2μm的P型高摻雜外延層如圖3(c)。步驟D：淀積歐姆接觸電極，如圖3(d)。本步驟與實施例一的步驟4相同。步驟E：在SiC外延一側(cè)淀積的Ni金屬層表面上旋涂一層光刻膠，按照電池10個溝槽的位置制作成光刻版，用電子束對光刻膠曝光，形成腐蝕窗口；然后利用反應離子工藝刻蝕Ni金屬層，反應氣體采用氧氣，露出P型高摻雜外延層，得到P型歐姆接觸電極和溝槽的刻蝕窗口如圖3(e)。步驟F：利用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術(shù)，在溝槽刻蝕窗口露出的P型高摻雜外延層上刻出深度為12μm，寬度為14μm，間距為25μm的10個溝槽如圖3(f)。步驟G：采用淀積或涂抹的方法，在每個溝槽中放置α放射源Pu238，得到3D式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池如圖3(g)。