[发明专利]串联式PIN结构α辐照电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及半导体器件结构及其制备方法，具体地说是一种碳化硅基的串联式PIN型α辐照电池及其制备方法，可用于将同位素放射的核能直接转换为电能，在微纳机电系统等微小电路和航空航天、沙漠、极地等需长期供电且无人值守的场合。

技术背景

随着人们对于低功耗、长寿命、高可靠性和小体积供电设备的需求，以及对核废料处理的关注，微型核电池变得愈发关注。微型核电池由于其突出的特点可用来解决微型管道机器人、植入式微系统、无线传感器节点网络、人工心脏起搏器和便携式移动电子产品等的长期供电问题，并有望取代太阳能电池和热电式放射性同位素电池，在航天和航空领域解决微/纳卫星、深空无人探测器和离子推进器等的长期供电问题。

1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的贝塔(β-Particle)射线能在半导体内产生电子-空穴对，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。自2006年，随着宽禁带半导体材料SiC制备和工艺技术的进步，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的肖特基结式辐照电池。该肖特基结辐照电池中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，这种结构的辐照电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

文献“Demonstration of a tadiation resistant,hight efficiency SiC betavoltaic”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation的C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图1所示。该PIN核电池自上而下依次为，放射性源7、P型欧姆接触电极6、P型高掺杂SiC层4、P型SiC层3、本征i层2、n型高掺杂SiC衬底1和N型欧姆接触电极5。这种结构中，只有耗尽层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。并且，为避免欧姆接触电极阻挡入射离子，将P型欧姆电极做在器件的一个角落，使得离P型欧姆电极较远的辐照生载流子在输运过程中被复合，降低了能量转化率，减小了电池的输出电流。

另外β射线本身的能量较低，可用于激发辐照生载流子的能量也较少，这也限制了β辐照电池的输出大小。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种串联式PIN结构α辐照电池，以提高α放射源的利用率，进而提高电池的输出电流和输出电压。

实现本发明目的的技术思路是：通过将α放射源完全包裹在电池内部，消除金属电极对α放射源辐射出的高能α粒子的阻挡作用，提高α放射源的利用率；通过两个PIN结相串联的结构，提高输出电压。

本发明的技术思路是这样实现的：

一、本发明提出了一种串联式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。

作为优选，所述电池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。

作为优选，所述α放射源12采用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。