[发明专利]并联式PIN型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制备方法，具体地说是一种碳化硅基的并联式PIN型α辐照电池及其制备方法，可用于微纳机电系统等微小电路和航空航天、深海、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，微型核电池变得备受关注。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-VoltaicEffect。1957年，Elgin-Kidde首先将β-VoltaicEffect用在电源供应方面，成功制造出第一个同位素微电池β-VoltaicBattery。自2006年，随着宽禁带半导体材料SiC制备技术和工艺技术的进步，出现了基于SiC的同位素微电池的相关报道。

中国专利CN101325093A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。由于该肖特基结核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，这种结构的核电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

文献“Demonstrationofa4HSiCbetavoltaiccell”介绍了由美国纽约Cornell大学的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,HuiLi等人提出了碳化硅PN结式核电池。这种结构采用的衬底为P型高掺杂衬底，而在其衬底上生长外延层的现有工艺不成熟，因此，易引入表面缺陷，器件漏电流大，能量转换率较低。

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和输出电压。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种并联式PIN型α辐照电池及其制备方法，以消除金属电极对α放射源辐射出的高能α粒子的阻挡作用，同时增加α放射源与半导体的接触面积，提高α放射源的利用率，从而提高电池的输出电流和输出电压。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.本发明的并联式PIN型α辐照电池，包括：PIN单元和α放射源，其特征在于：

所述PIN单元采用由上方、下方两个PIN结并联构成；下方的PIN结自下而上依次为，N型欧姆接触电极5、N型高掺杂4H-SiC衬底1、N型低掺杂外延层2、P型高掺杂外延层3和P型欧姆接触电极4，上方的PIN结自下而上依次为，P型欧姆接触电极4、P型高掺杂外延层3、N型低掺杂外延层2、N型高掺杂4H-SiC衬底1和N型欧姆接触电极5；

所述两个PIN结其P型欧姆接触电极4的一面接触在一起，上下PIN结中沟槽形成镜面对称，相互贯通的一体结构；

每个PIN结中都设有至少两个沟槽6，每个沟槽6内均放置有α放射源7，以实现对高能α粒子的充分利用。

作为优选，所述的α放射源7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。

作为优选，所述的沟槽6的深度h满足m+q<h<m+n+q，其中m为P型高掺杂外延层3的厚度，n为N型低掺杂外延层2的厚度，q为P型欧姆接触电极4的厚度。