[发明专利]串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法

权利要求书

1.一种串联式PIN结构α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源，其特征在于：

所述PIN单元，采用上下两个PIN结串联构成；上PIN结自下而上依次为N型外延层欧姆接触电极(5)、N型高掺杂外延层(4)、P型低掺杂外延层(3)、P型高掺杂SiC衬底(2)、P型欧姆接触电极(1)；下PIN结自下而上依次为N型欧姆接触电极(10)、N型高掺杂SiC衬底(9)、N型低掺杂外延层(8)、P型高掺杂外延层(7)、P型外延层欧姆接触电极(6)；

所述每个PIN结中均设有n个沟槽(11)，其中n≥2；

所述上PIN结的N型外延层欧姆接触电极(5)与下PIN结的P型外延层欧姆接触电极(6)接触在一起，使上下PIN结中的沟槽(11)形成镜面对称，相互贯通的一体结构，每个沟槽内均填满α放射源(12)。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，P型高掺杂SiC衬底(2)、P型低掺杂外延层(3)、N型高掺杂外延层(4)、P型高掺杂外延层(7)、N型低掺杂外延层(8)和N型高掺杂SiC衬底(9)均为4H-SiC材料，以提高电池的使用寿命和开路电压。

3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于α放射源(12)采用相对原子质量为241的镅元素或相对原子质量为238的钚元素，即Am²⁴¹或Pu²³⁸。

4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于沟槽(11)的宽度L满足L≤2g，其中，g为α放射源(12)释放的高能α粒子在α放射源中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：g＝7.5μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：g＝10μm。

5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于沟槽(11)的深度h满足m+q<h<m+q+r，其中，对于上PIN结，m为N型高掺杂外延层(4)的厚度，q为N型外延层欧姆接触电极(5)的厚度，r为P型低掺杂外延层(3)的厚度；对于下PIN结，m为P型高掺杂外延层(7)的厚度，q为P型外延层欧姆接触电极(6)的厚度，r为N型低掺杂外延层(8)的厚度。

6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于相邻两个沟槽(11)的间距d满足d≥i，其中，i为α放射源(12)释放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，对于α放射源为Am²⁴¹的，其取值为：i＝10μm，对于α放射源为Pu²³⁸的，其取值为：i＝18.2μm。

7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于N型外延层欧姆接触电极(5)选用Ni/Ti合金，其厚度为Ni＝200nm，Ti＝50nm；P型外延层欧姆接触电极(6)选用金属Al，其厚度为Al＝250nm。

8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于P型欧姆接触电极(1)与N型欧姆接触电极(10)均采用金属层Ni，Ni金属层的厚度为300～350nm。

9.一种串联式PIN结构α辐照电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作上PIN结：

1a)选用浓度为1x10¹⁸cm^-3的P型高掺杂SiC衬底，对该P型高掺杂SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

1b)生长P型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的P型高掺杂SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的P型低掺杂外延层；

1c)生长N型高掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在P型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的N型高掺杂外延层；

1d)淀积接触电极：在N型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积Ni/Ti金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和N型外延层欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在P型SiC衬底未外延的背面淀积金属层Ni，作为P型欧姆接触电极；

1e)光刻图形：按照核电池沟槽的位置制作成光刻版，在淀积的Ti金属表面旋涂一层光刻胶，利用光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Ti、Ni金属层进行腐蚀，露出N型高掺杂外延层，得到N型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口；

1f)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在露出的N型高掺杂外延层上刻出深度为4～8μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部金属Ti表面的光刻胶；

1g)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源，得到带有沟槽的上PIN结；

(2)制作下PIN结：

2a)选用浓度为1x10¹⁸cm^-3的N型高掺杂SiC衬底，对该N型高掺杂SiC衬底进行清洗，以去除表面污染物；

2b)生长N型低掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD法在清洗后的N型高掺杂SiC衬底表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁵～3x10¹⁵cm^-3，厚度为5～10μm的N型低掺杂外延层；

2c)生长P型高掺杂外延层：利用化学气相淀积CVD方法在N型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x10¹⁹～5x10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～1μm的P型高掺杂外延层；

2d)淀积接触电极：在P型高掺杂外延层表面利用电子束蒸发法淀积Al金属层，作为刻蚀沟槽的掩膜和P型外延层欧姆接触金属；利用电子束蒸发法在N型SiC衬底未外延的背面淀积Ni金属层，作为N型欧姆接触电极；

2e)光刻图形：在淀积的Al金属层表面旋涂一层光刻胶，利用上PIN结沟槽光刻版对光刻胶进行电子束曝光，形成腐蚀窗口；对腐蚀窗口处的Al金属层进行腐蚀，露出P型高掺杂外延层，得到P型外延层欧姆接触电极和沟槽刻蚀窗口；

2f)刻蚀沟槽：利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术，在露出的P型高掺杂外延层上刻出深度为4～8μm，宽度为5～14μm，间距为12～25μm的n个沟槽，并去除所有沟槽外部Al金属层表面的光刻胶；

2g)放置α放射源：采用淀积或涂抹的方法，在每个沟槽中放置α放射源，得到带有沟槽的下PIN结；

(3)利用键合法将下PIN结中的P型外延层欧姆接触电极与上PIN结中的N型外延层欧姆接触电极压合在一起，使上下PIN结中的沟槽形成镜面对称、相互贯通的一体结构，从而完成串联式PIN结构α辐照电池的制作。