[发明专利]沟槽隔离式外延GaN的PIN型α辐照电池及制备方法

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沟槽隔离式外延GaN的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。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。核电池在应用中，由于激发的高能粒子利用率比较低，能量收集率低，限制了电池的输出电压。

作为一种重要的第三代半导体，近年来人们对GaN的关注越来越多。由于其禁带宽度大，热导率高，制作的器件工作温度和击穿电压高。另外，GaN材料一直被认为是一种理想的抗辐照半导体材料，随着核技术和空间技术的发展，GaN材料及其器件被用于辐射很强的极端恶劣的条件下工作。

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“Demonstration of a4H SiC betavoltaic cell”介绍了由美国纽约Cornell大学的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,Hui Li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。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种沟槽隔离式外延GaN的PIN型α辐照电池及其制备方法，以提高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.本发明的沟槽隔离式外延GaN的PIN型α辐照电池，包括：PIN结、沟槽9、α放射源层8、金属键合部5，PIN结自上而下依次包括：P型外延层欧姆接触电极6、P型外延层2、N型外延层3、N型SiC衬底4和N型欧姆接触电极7，其特征在于：

所述P型外延层2，采用直接带隙的GaN材料，以提高电池的输出电压；

所述α放射源层8，位于P型外延层欧姆接触电极6的上方；

所述沟槽9，位于PIN结上部分的左右两侧，每个沟槽的侧壁和底部淀积有Si₃N₄钝化层1；

金属键合部5，位于α放射源层8的左右两侧，每个键合部的下面与P型外延层欧姆接触电极6完全接触。