本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及制備方法，具體地說是一種碳化硅基的夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)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，微型核電池變得愈發(fā)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(luò)、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(α-Particle)射線能在半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體材料SiC制備和工藝技術(shù)的進步，出現(xiàn)了基于SiC的同位素微電池的相關(guān)報道。核電池在應(yīng)用中，由于激發(fā)的高能粒子利用率比較低，能量收集率低，限制了電池的輸出電壓。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(xué)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，器件漏電流大，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(fù)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，提出一種夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池及其制備方法，以提高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)明的夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池，包括：PIN單元和α放射源層7’，其特征在于：所述PIN單元，采用上下兩個PIN結(jié)串聯(lián)構(gòu)成；上PIN結(jié)自下而上依次為，N型外延層歐姆接觸電極11、N型高摻雜外延層10、P型低摻雜外延層9、p型SiC襯底8、P型歐姆接觸電極6；下PIN結(jié)自下而上依次為，N型歐姆接觸電極5、n型SiC襯底14、N型低摻雜外延層13、P型高摻雜外延層4’、P型外延層歐姆接觸電極12；α放射源層7’，夾在上PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極11與下PIN結(jié)P型外延層歐姆接觸電極12之間，以實現(xiàn)對高能α粒子的充分利用。作為優(yōu)選，所述的α放射源層7’采用相對原子質(zhì)量為241的镅元素或相對原子質(zhì)量為238的钚元素，即Am241或Pu238。作為優(yōu)選，所述的α放射源層7’的厚度h滿足h≤m，其中m為α放射源所釋放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，對于α放射源為Am241的，其取值為：m＝7.5μm，對于α放射源為Pu238的，其取值為：m＝10μm。作為優(yōu)選，所述的P型低摻雜外延層9和N型低摻雜外延層13的厚度L滿足L≥g，其中，g為α放射源所釋放的高能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，所述的p型SiC襯底8、n型SiC襯底14均采用摻雜濃度為8x1017cm-3的4H-SiC襯底，P型低摻雜外延層9、N型高摻雜外延層10、P型高摻雜外延層4’、N型低摻雜外延層13均為外延的4H-SiC材料，以提高電池的壽命和開路電壓。二.本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：第一步，制作上PIN結(jié)：1.1)對p型SiC襯底進行清洗，以去除表面污染物；1.2)利用化學(xué)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15～28μm的P型低摻雜外延層；1.3)利用化學(xué)氣相淀積CVD法在P型低摻雜外延層表面外延生長一層摻雜濃度為1x1019～3x1019cm-3，厚度為0.1～0.2μm的N型高摻雜外延層；1.4)利用電子束蒸發(fā)法在N型高摻雜外延層表面和p型SiC襯底未外延的背面分別淀積厚度為300nm的Ni金屬層，作為N型外延層歐姆接觸電極和P型歐姆接觸電極；第二步，制作下PIN結(jié)：2.1)對n型SiC襯底進行清洗，以去除表面污染物；2.2)利用化學(xué)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15～28μm的N型低摻雜外延層；2.3)利用化學(xué)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1x1019～3x1019cm-3，厚度為0.1～0.2μm的P型高摻雜外延層；2.4)利用電子束蒸發(fā)法在P型高摻雜外延層表面淀積厚度為300nm的Al金屬層，作為P型外延層歐姆接觸電極；在n型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；2.5)制備α放射源層：利用分子鍍在上述n型SiC襯底淀積的Al金屬層上鍍一層厚度為4～8μm的α放射源層；第三步，利用鍵合法將上PIN結(jié)與下PIN結(jié)鍵合在一起，使α放射源層夾在上PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極與下PIN結(jié)的P型外延層歐姆接觸電極中間，形成夾心串聯(lián)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)明由于將α放射源層夾在上下兩個PIN結(jié)的外延層歐姆接觸電極之間，較之于現(xiàn)有技術(shù)將放射源層置于電池的上表面，節(jié)省了α放射源材料，提高了α放射源的利用率，從而提高了電池的能量利用率；2.本發(fā)明由于P型和N型高摻雜外延層的厚度僅為0.1～0.2μm，以及α放射源層的厚度不大于α放射源所釋放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，可以減小高能α粒子在高摻雜外延層和α放射源層中的衰減，提高能量收集率；3.本發(fā)明由于外延的N型和P型低摻雜外延層厚度不小于α放射源所釋放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，可以減少高能α粒子在低摻雜外延層中的衰減，使得高能α粒子集中在高摻雜外延層和低摻雜外延層界面附近的空間電荷區(qū)，提高能量轉(zhuǎn)化率；4.本發(fā)明由于將兩個PIN結(jié)串聯(lián)放置，提高了電池的輸出電壓。5.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，提高電池的工作電壓，同時延長電池的使用壽命；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)明夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池的截面示意圖；圖3是本發(fā)明制作夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池的流程圖；圖4是本發(fā)明制作上PIN結(jié)的流程示意圖；圖5是本發(fā)明制作下PIN結(jié)的流程示意圖。具體實施方式參照圖2，本發(fā)明的夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池，包括：PIN單元和α放射源層7’，所述PIN單元由上、下兩個PIN結(jié)串聯(lián)構(gòu)成，其中：上PIN結(jié)包括N型外延層歐姆接觸電極11、N型高摻雜外延層10、P型低摻雜外延層9、p型SiC襯底8、P型歐姆接觸電極6。其中，N型外延層歐姆接觸電極11是厚度為300nm的Ni金屬層；N型高摻雜外延層10的厚度為0.1～0.2μm，其位于N型外延層歐姆接觸電極11上方；P型低摻雜外延層9的厚度為15～28μm，其位于N型高摻雜外延層10的上方；p型SiC襯底8是濃度為8x1017cm-3的p型4H-SiC襯底，其位于P型低摻雜外延層9的上方；P型歐姆接觸電極6是厚度為300nm的Ni金屬層，其位于p型SiC襯底8的上方。下PIN結(jié)，包括N型歐姆接觸電極5、n型SiC襯底14、N型低摻雜外延層13、P型高摻雜外延層4’、P型外延層歐姆接觸電極12。其中，N型歐姆接觸電極5是厚度為300nm的Ni金屬層；n型SiC襯底14是濃度為8x1017cm-3的n型4H-SiC襯底，其位于N型歐姆接觸電極5的上方；N型低摻雜外延層13的厚度為15～28μm，其位于n型SiC襯底14的上方；P型高摻雜外延層4’的厚度為0.1～0.2μm，其位于N型低摻雜外延層13的上方；P型外延層歐姆接觸電極12是厚度為300nm的Al金屬層，其位于P型高摻雜外延層4’上方；α放射源層7’的厚度為4～8um，其位于P型外延層歐姆接觸電極12的上方。上、下PIN結(jié)進行鍵合，使α放射源層7’夾在上PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極11與下PIN結(jié)P型外延層歐姆接觸電極12之間。電池在工作狀態(tài)下，從α放射源層7’放射出的高能α粒子分別穿過上、下兩個PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極11、P型外延層歐姆接觸電極12，射入到P型高摻雜外延層4’和N型低摻雜外延層13界面附近的空間電荷區(qū)，以及N型高摻雜外延層10和P型低摻雜外延層9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)明制作夾心串聯(lián)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，制備夾心放射源為Am241，α放射源層厚度為4μm的夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。步驟1:制作上PIN結(jié)。參照圖4，本步驟的實施如下：(1a)清洗p型SiC襯底，以去除表面污染物，如圖4(a)所示：(1a.1)將摻雜濃度為8x1017cm-3的高摻雜p型4H-SiC襯底在NH4OH+H2O2試劑中浸泡10min，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(1a.2)將去除表面有機殘余物后的p型SiC襯底再使用HCl+H2O2試劑浸泡10min，取出后烘干，以去除離子污染物。(1b)外延生長P型低摻雜外延層，如圖4(b)所示：在清洗后的p型SiC襯底上利用化學(xué)氣相淀積CVD方法外延生長鋁摻雜的P型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)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1x1015cm-3，厚度為15μm的P型低摻雜外延層。(1c)外延生長N型高摻雜外延層，如圖4(c)所示：在生長的P型低摻雜外延層上利用化學(xué)氣相淀積CVD法外延生長氮摻雜的N型高摻雜外延層，其工藝條件為：外延溫度為1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮氣，得到氮摻雜濃度為1x1019cm-3，厚度為0.1μm的N型高摻雜外延層。(1d)淀積歐姆接觸電極，如圖4(d)所示：(1d.1)對完成N型高摻雜外延層生長后的p型SiC襯底進行RCA標準清洗；(1d.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(yīng)室壓強抽至5×10-4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，在p型SiC襯底的N型高摻雜外延層的表面淀積一層厚度為300nm的Ni金屬層，作為N型外延層歐姆接觸電極；(1d.3)利用電子束蒸發(fā)法，在p型SiC襯底未外延的背面淀積厚度為300nm的Ni金屬層，作為P型歐姆接觸電極。步驟2:制作下PIN結(jié)。參照圖5，本步驟的實施如下：(2a)清洗n型SiC襯底，以去除表面污染物，如圖5(a)所示：(2a.1)將摻雜濃度為8x1017cm-3的高摻雜n型4H-SiC襯底在NH4OH+H2O2試劑中浸泡10min，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(2a.2)將去除表面有機殘余物后的n型SiC襯底再使用HCl+H2O2試劑浸泡10min，取出后烘干，以去除離子污染物。(2b)外延生長N型低摻雜外延層，如圖5(b)所示：在清洗后的n型SiC襯底上利用化學(xué)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1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮氣，得到氮摻雜濃度為1x1015cm-3，厚度為15μm的N型低摻雜外延層。(2c)外延生長P型高摻雜外延層，如圖5(c)所示：在生長的N型低摻雜外延層上利用化學(xué)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1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)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0.1μm的P型高摻雜外延層。(2d)淀積歐姆接觸電極，如圖5(d)所示：(2d.1)對完成P型高摻雜外延層生長后的n型SiC襯底進行RCA標準清洗；(2d.2)將清洗后的襯底放入電子束蒸發(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(yīng)室壓強抽至5×10-4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，在n型SiC襯底的P型高摻雜外延層的表面淀積一層厚度為300nm的Al金屬層，作為P型外延層歐姆接觸電極；(2d.3)利用電子束蒸發(fā)法，在n型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。(2e)制備α放射源層，如圖5(e)所示：在上述n型SiC襯底淀積的Al金屬層上，利用分子鍍方法，用Am241鍍一層厚度為4μm的α放射源層。步驟3：利用鍵合法將上PIN結(jié)與下PIN結(jié)鍵合在一起，使α放射源層夾在上PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極與下PIN結(jié)的P型外延層歐姆接觸電極中間，形成夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池，如圖2所示。實施例2，制備夾心放射源為Am241，α放射源層厚度為6μm的夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。步驟一：制作上PIN結(jié)。參照圖4，本步驟的實施如下：1a)清洗p型SiC襯底，以去除表面污染物，該p型SiC襯底的摻雜濃度為8x1017cm-3，如圖4(a)所示：本步驟與實施例一的步驟(1a)相同。1b)外延生長P型低摻雜外延層，如圖4(b)所示：在清洗后的p型SiC襯底上利用化學(xué)氣相淀積CVD方法外延生長鋁摻雜的P型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)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2x1015cm-3，厚度為22μm的P型低摻雜外延層。1c)外延生長N型高摻雜外延層，如圖4(c)所示：在生長的P型低摻雜外延層上利用化學(xué)氣相淀積CVD法外延生長氮摻雜的N型高摻雜外延層，其工藝條件為：外延溫度為1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮氣，得到氮摻雜濃度為2x1019cm-3，厚度為0.15μm的N型高摻雜外延層。1d)淀積歐姆接觸電極，如圖4(d)所示：本步驟與實施例一的步驟(1d)相同。步驟二:制作下PIN結(jié)。參照圖5，本步驟的實施如下：2a)清洗n型SiC襯底，以去除表面污染物，該n型SiC襯底的摻雜濃度為8x1017cm-3，如圖5(a)所示：本步驟與實施例1的步驟(2a)相同。2b)外延生長N型低摻雜外延層，如圖5(b)所示：在清洗后的n型SiC襯底上利用化學(xué)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1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮氣，完成氮摻雜濃度為2x1015cm-3，厚度為22μm的N型低摻雜外延層的生長。2c)外延生長P型高摻雜外延層，如圖5(c)所示：在生長的N型低摻雜外延層上利用化學(xué)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1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)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2x1019cm-3，厚度為0.15μm的P型高摻雜外延層的生長。2d)淀積歐姆接觸電極，如圖5(d)所示：本步驟與實施例一的步驟(2d)相同。2e)制備α放射源層，如圖5(e)所示：在上述n型SiC襯底淀積的Al金屬層上，利用分子鍍方法，用Am241鍍一層厚度為6μm的α放射源層。步驟三：利用鍵合法將上PIN結(jié)與下PIN結(jié)鍵合在一起，使α放射源層夾在上PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極與下PIN結(jié)的P型外延層歐姆接觸電極中間，形成夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池，如圖2所示。實施例3，制備夾心放射源α為Pu238，放射源層厚度為8μm的夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池。步驟A：制作上PIN結(jié)。參照圖4，本步驟的實施如下：A1)清洗p型SiC襯底，以去除表面污染物，該p型SiC襯底的摻雜濃度為8x1017cm-3，如圖4(a)。本步驟與實施例一的步驟(1a)相同。A2)外延生長P型低摻雜外延層，如圖4(b)。在清洗后的p型SiC襯底上利用化學(xué)氣相淀積CVD方法外延生長鋁摻雜的P型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)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3x1015cm-3，厚度為28μm的P型低摻雜外延層。A3)外延生長N型高摻雜外延層，如圖4(c)。在生長的P型低摻雜外延層上利用化學(xué)氣相淀積CVD法外延生長氮摻雜的N型高摻雜外延層，其工藝條件為：外延溫度為1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮氣，得到氮摻雜濃度為3x1019cm-3，厚度為0.2μm的N型高摻雜外延層。A4)淀積歐姆接觸電極，如圖4(d)。本步驟與實施例一的步驟(1d)相同。步驟B:制作下PIN結(jié)。參照圖5，本步驟的實施如下：B1)清洗n型SiC襯底，以去除表面污染物，該n型SiC襯底的摻雜濃度為8x1017cm-3，如圖5(a)。本步驟與實施例1的步驟(1a)相同。B2)外延生長N型低摻雜外延層，如圖5(b)。在清洗后的n型SiC襯底上利用化學(xué)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1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮氣，完成氮摻雜濃度為3x1015cm-3，厚度為28μm的N型低摻雜外延層的生長。B3)外延生長P型高摻雜外延層，如圖5(c)。在生長的N型低摻雜外延層上利用化學(xué)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1550℃，壓強為100mbar，反應(yīng)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0.2μm的P型高摻雜外延層的生長。B4)淀積歐姆接觸電極，如圖5(d)。本步驟與實施例一的步驟(2d)相同。B5)制備α放射源層，如5(e)。在上述n型SiC襯底淀積的Al金屬層上，利用分子鍍方法，用Pu238鍍一層厚度為8μm的α放射源層。步驟C：利用鍵合法將上PIN結(jié)與下PIN結(jié)鍵合在一起，使α放射源層夾在上PIN結(jié)的N型外延層歐姆接觸電極與下PIN結(jié)的P型外延層歐姆接觸電極中間，形成夾心串聯(lián)式PIN結(jié)構(gòu)α輻照電池，如圖2所示。