[发明专利]碳化硅环状肖特基接触式核电池

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的环状肖特基接触式核电池，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，同位素衰变所产生的贝他粒子(β-Particle)能在半导体内产生电子空穴对，而此现象则被称为β-Voltaic Effect。1957年Elgin-Kidde首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功实验制造出第一个同位素微电池(β-Voltaic Battery)。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，国际上相继出现了SiC基同位素电池的相关报道。

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，064101(2006)《Demonstration of atadiation resistant，hight efficiency SiC betavoltaic》”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation的C.J.Eiting，V.Krishnamoorthy，andS.Rodgers，T.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.David Roberston and JohnBrockman等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图4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。

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，033506(2006)《Demonstration of a 4HSiC 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5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7、n型高掺杂SiC层14、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。

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6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。

但是，SiC材料的工艺加工比较困难。在制备SiC PN结时，一般是采用同质外延生长低掺杂的n型层，之后再用同质外延或粒子注入技术在表面制备一层高掺杂的p型层，这种碳化硅PN结和PIN结核电池在工艺和结构上都存在一定的缺陷。采用同质外延制备P型层往往掺杂浓度不高，内建电势相应较低，且会给p型欧姆接触的制备带来困难；采用离子注入方法形成p型层工艺比较复杂，而且对注入杂质的高温激活过程会造成表面损伤，增强表面复合效应，加大器件的漏电流，影响电池特性。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。这种PN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，而且入射粒子必须穿过表面的SiO₂钝化层和部分P型层，造成能量损失，降低能量转换效率。

中国专利CN 101325093A公开的核电池采用肖特基结结构，避免了上述PN结工艺实现难的问题，但是该肖特基结核电池肖特基接触层覆盖整个电池区域，如图8所示，由于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。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出基于碳化硅的环状肖特基接触式核电池及其制作方法，以减小入射粒子能量损失，提高能量转换效率。