[发明专利]I层钒掺杂的PIN型核电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及一种I层钒掺杂的PIN型核电池，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，利用同位素衰变所产生的贝他(β-Particle)粒子能在半导体内产生电子空穴对，此现象则被称为β-Voltaic Effect。之后不久，Elgin-Kidde在1957年首先将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。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。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，国内外上相继出现了基于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的肖特基结式核电池，如图2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。该肖特基结核电池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，这种结构的核电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，033506(2006)《Demonstration of a 4H SiC 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p-i-n结式核电池，如图1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。在这种结构中，衬底为p型高掺杂衬底，在上面生长外延层的工艺不成熟，易引入表面缺陷，器件漏电流增大，能量转换率较低，同时p型低掺杂SiC层是通过非故意掺杂外延生长形成的，掺杂浓度偏高，得到的耗尽区宽度偏小，产生的载流子不能被全部收集，器件开路电压变小，能量转换效率降低。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种I层钒掺杂的PIN型核电池及其制作方法，以减少I层的载流子浓度，增大耗尽区宽度，提高产生的电子空穴对的收集率，进而提高器件的开路电压和能量转换效率。

为实现上述目的，本发明提供的I层钒掺杂的PIN型核电池，依次包括放射性同位素源层1、SiO₂钝化层2、SiO₂致密绝缘层3、p型欧姆接触电极4、p型SiC外延层5、n型SiC外延层6、n型SiC衬底样片7和n型欧姆接触电极8，其特征在于：p型SiC外延层5的掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹cm^-3，n型SiC衬底样片7的掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3，n型SiC外延层6是通过注入能量为2000KeV～2500KeV，剂量为5×10¹³～1×10¹⁵cm^-2的钒离子形成掺杂浓度为1×10¹³～5×10¹⁴cm^-3。

为实现上述目的，本发明提供的I层钒掺杂的PIN型核电池的制作方法，包括如下步骤：

(1)在掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3的高掺杂n型SiC衬底样片上，外延生长厚度为3um～5um，掺氮浓度为1×10¹⁵～5×10¹⁵cm^-3的初始n型SiC外延层；