專利名稱:碳化硅柵狀肖特基接觸式核電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種基于碳化硅的柵狀肖特基接觸式核電池，可用于將同位素放射的核能直接轉(zhuǎn)換為電能。
技術(shù)背景
1953年由Rappaport研究發(fā)現(xiàn)，利用同位素衰變所產(chǎn)生的貝他粒子(β -Particle)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-Voltaic Effect。之后不久，Elgin-Kidde在1957年首先將β -Voltaic Effect用在電源供應(yīng)方面，成功實驗制造出第一個同位素微電池(β-Voltaic Battery)。從1989年以來,GaN, GaP, AlGaAs,多晶娃等材料相繼被利用作為β-Voltaic電池的材料。隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC的制備和工藝技術(shù)的進步，2006年開始，國際上相繼出現(xiàn)了 SiC基同位素電池的相關(guān)報道。
文獻“APPLIEDPHYSICS LETTERS 88,064101(2006) 《Demonstration of atadiation resistant, hight efficiency SiC betavoltaic》”介紹了由美國新墨西哥州Qynergy Corporation 的 C.J.Eiting, V.Krishnamoorthy, and S.Rodgers, T.George 和美國哥倫比亞密蘇里大學的J.David Roberston and John Brockman等人共同提出了碳化娃p-1-n結(jié)式核電池，如圖7所示，該p-1-n結(jié)式核電池自上而下依次包括放射性同位素源3、P型歐姆接觸層12、p型高摻雜SiC層9、p型SiC層11、本征i層10、n高摻雜SiC襯底6、歐姆接觸電極7。
文獻“APPLIEDPHYSICS LETTERS 88,033506(2006)《Demonstration of a 4HSiC betavoltaic cell》”介紹了 由美國紐約 Cornell 大學的 Μ.V.S.Chandrashekhar,C.1.Tomas, Hui Li, M.G.Spencer and Amit Lal等人提出了碳化娃pn結(jié)式核電池，如圖8所示，該Pn結(jié)式核電池自上而下依次包括放射性同位素源3、歐姆接觸電極7、η型高摻雜SiC層14、P型低摻雜SiC層8、P型高摻雜SiC層9和P型歐姆接觸層12。
中國專利CN 101325093Α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，如圖9所示，該肖特基結(jié)式核電池自上而下依次包括鍵合層1、肖特基金屬層
13、SiO2鈍化層4、η型低摻雜SiC外延層5、η型高摻雜SiC襯底6、歐姆接觸電極7。
但是，SiC材料的工藝加工比較困難。在制備SiC PN結(jié)時，一般是采用同質(zhì)外延生長低摻雜的η型層，之后再用同質(zhì)外延或粒子注入技術(shù)在表面制備一層高摻雜的P型層，這種碳化硅PN結(jié)和PIN結(jié)核電池在工藝和結(jié)構(gòu)上都存在一定的缺陷。采用同質(zhì)外延制備P型層往往摻雜濃度不高，內(nèi)建電勢相應(yīng)較低，且會給P型歐姆接觸的制備帶來困難；采用離子注入方法形成P型層工藝比較復(fù)雜，而且對注入雜質(zhì)的高溫激活過程會造成表面損傷，增強表面復(fù)合效應(yīng)，加大器件的漏電流，影響電池特性。在結(jié)構(gòu)上只有耗盡區(qū)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。這種PN結(jié)結(jié)構(gòu)中，為了防止歐姆接觸電極阻擋入射粒子，必須將歐姆電極過載器件的一個角落，但這樣會使離歐姆電極遠的輻照生載流子在輸運過程中被復(fù)合，而且入射粒子必須穿過表面的SiO2鈍化層和部分P型層，造成能量損失，降低能量轉(zhuǎn)換效率。
中國專利CN 101325093Α公開的核電池采用肖特基結(jié)結(jié)構(gòu)，避免了上述PN結(jié)工藝實現(xiàn)難的問題，但是該肖特基結(jié)核電池肖特基接觸層覆蓋整個電池區(qū)域，如圖9所示，由于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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)的不足，提出基于碳化硅的柵狀肖特基接觸式核電池及其制作方法，以減小入射粒子能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的柵狀肖特基接觸式微型核電池，自上而下依次包括鍵合層、放射性同位素源層、肖特基接觸層、摻雜濃度為I X IO15 5X IO15CnT3的η型低摻雜SiC外延層、摻雜濃度為I X IO18 7 X IO18CnT3的η型高摻雜SiC襯底和歐姆接觸電極，放射性同位素源層的周圍是SiO2鈍化層，其中，肖特基接觸層為等間距柵狀結(jié)構(gòu)，該柵狀結(jié)構(gòu)是由一條水平柵條和m條垂直柵條組成，m3 3，水平柵條位于每條垂直柵條的中間位置，將每條垂直柵條分為上下兩部分，放射性同位素源層覆蓋在上下兩部分垂直柵條及它們之間的低摻雜SiC外延層上，鍵合層位于柵狀肖特基接觸層的水平柵條上。
所述的柵狀肖特基接觸層半透明，厚度小于等于20nm。
所述的垂直柵條間距:
權(quán)利要求
1.一種基于碳化硅的柵狀肖特基接觸式核電池，自上而下依次包括鍵合層(I)、放射性同位素源層(3)、肖特基接觸層(2)、摻雜濃度為I X IO15 5X IO15CnT3的η型低摻雜SiC外延層(5)、摻雜濃度為I X IO18 7Χ IO18CnT3的η型高摻雜SiC襯底(6)和歐姆接觸電極(7)，放射性同位素源層的周圍是SiO2鈍化層(4)，其特征在于，肖特基接觸層(2)為等間距柵狀結(jié)構(gòu)，該柵狀結(jié)構(gòu)是由一條水平柵條和m條垂直柵條組成，m > 3，水平柵條位于每條垂直柵條的中間位置，將每條垂直柵條分為上下兩部分，放射性同位素源層(3)覆蓋在上下兩部分垂直柵條及它們之間的低摻雜SiC外延層上，鍵合層(I)位于柵狀肖特基接觸層的水平柵條上。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核電池，其特征在于所述的垂直柵條間距:
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核電池，其特征在于所述的水平柵條的寬度H為垂直柵條寬度h的a倍，2 < a < 30 ;水平柵條的長度L是垂直柵條長度R的b倍，I < b < 10。
4.一種制作微型核電池的方法，包括如下步驟: (1)在摻雜濃度為IX IO18 7 X IO18CnT3的SiC高摻雜η型SiC襯底的外延面上生長摻雜濃度為IXlO15 5Χ IO15CnT3低摻雜η型外延層；外延溫度為1570°C，壓強lOOmbar，反應(yīng)氣體是娃燒和丙燒，載氣為純氫氣； (2)在1100±50°C溫度下，對外延后的襯底樣品進行兩小時的干氧氧化，形成SiO2鈍化層； (3)用反應(yīng)離子刻蝕法在襯底的背面刻蝕SiC層，電子束蒸發(fā)Ni/Cr/Au金屬層，在1100±50°C溫度下，氮氣氣氛中退火形成歐姆接觸； (4)在SiO2鈍化層上涂膠，光刻制作阻擋層，用濃度為5%的HF酸腐蝕10秒開窗； (5)在襯底正面涂膠，使用帶柵狀結(jié)構(gòu)圖形的光刻板，光刻出柵狀圖形，淀積半透明高勢壘肖特基金屬Ni或Pt或Au，通過超聲波剝離形成由一條水平柵條和至少3條垂直柵條組成的柵狀肖特基接觸層； (6)在襯底正面涂膠，在肖特基接觸層水平柵條正上方光刻開窗，電子束蒸發(fā)Cr/Au，并通過超聲波剝離形成鍵合層； (7)在肖特基接觸層的每條垂直柵條的上下兩部分及它們之間的外延層上，鍍上放射性同位素源N1-63層。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的制作微型核電池的方法，其中步驟(3)所述的用反應(yīng)離子刻蝕法在襯底的背面刻蝕SiC層，是將襯底背面的SiC刻蝕掉0.5 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的制作微型核電池的方法，其中步驟(3)所述的電子束蒸發(fā)Ni/Cr/Au，其厚度分別為 200nm/50nm/200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的制作微型核電池的方法，其中步驟(5)所述的半透明高勢壘肖特基金屬層的厚度小于等于20nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的制作微型核電池的方法，其中步驟(7)所述的在外延層上鍍上放射性同位素源N1-63層， 是通過電鍍或化學鍍或分子鍍。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種基于碳化硅的柵狀肖特基接觸式核電池及其制作方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中碳化硅pn結(jié)核電池制作工藝困難及肖特基結(jié)核電池效率低的問題。本發(fā)明自上而下依次包括鍵合層(1)、放射性同位素源層(3)、柵狀半透明肖特基接觸層(2)、摻雜濃度為1×1015～5×1015cm-3的n型SiC外延層(5)、摻雜濃度為1×1018～7×1018cm-3的n型SiC襯底(6)和歐姆接觸電極(7)，放射性同位素源層的周圍是SiO2鈍化層(4)。該肖特基接觸層(2)由一條水平柵條和多條垂直柵條組成，水平柵條位于每條垂直柵條的中間位置，放射性同位素源層位于垂直柵條以及垂直柵條之間的外延層(5)上。本發(fā)明具有能量損失小，能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，可作為MEMS的片上電源、心臟起搏器的電源和手機備用電源。
文檔編號G21H1/00GKCN101923906 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 201010220823
公開日2013年6月12日 申請日期2010年7月6日
發(fā)明者郭輝, 石彥強, 張玉明, 韓超, 賈仁需, 蘇江, 黃建華 申請人:西安電子科技大學導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan