[发明专利]采用α放射源的碳化硅PIN型同位素电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件以及半导体工艺技术领域，尤其是涉及一种采用α放射源的碳化硅PIN型同位素电池及其制造方法。

背景技术

同位素电池是采用半导体二极管作为换能元件，采用放射性同位素衰变产生的带电粒子在半导体材料中的电离效应将核放射能转换成电能。为了获得足够高且长期稳定的输出功率以加快推进其实用，需要从换能元件和放射源两个方面同时进行优化设计。

在放射源方面，目前大都采用低能β放射源(如63Ni，粒子平均能量17.1KeV)作为能量源，其电子通量密度较低；同时由于放射源的自吸收效应，单纯的靠提高放射源的强度来提升输出功率的意义有限。如果采用高能β放射源(如147Pm等)，由于粒子射程较深，给辐照生载流子的有效吸收带来了困难。从电离能收集的角度上说，α放射源作为能源是比较理想的。以241Am为例，粒子能量高(5.5MeV)但射程适中(在Si材料中约28μm)，且主要以电离的方式在材料中沉积能量，如果用作能量源可以有效提高电池的输出功率；然而α粒子容易造成半导体器件的辐照损伤，降低换能元件的使用寿命。

以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大﹑抗辐射能力强等优点，用其制成的同位素电池换能元件的内建电势高﹑漏电流小，理论上可以得到比硅基电池更高的开路电压和能量转换效率。同时，宽禁带材料和器件优越的抗辐射特性，也使得采用α放射源作为同位素电池能源成为可能。相比于SiC肖特基二极管，SiCPIN二极管具有内建电势高、漏电流小等优点，用其制成的同位素电池具有开路电压高、转换效率高等优点。

但是目前采用α放射源的碳化硅PIN型同位素电池的研究也存在很多的问题，特别是目前报道的同位素电池大都采用纵向结构，即二极管的两个电极分别位于衬底和外延面上，并采用低掺杂厚外延层以充分吸收辐照生载流子。这种结构工艺较为简单，但并不适用于α放射源，这是因为根据辐射伏特理论，耗尽区内及其附近一个少子扩散长度内的辐照生载流子能被收集。对于SiC二极管，即使采用低掺杂的外延层，耗尽区宽度也不过1～2um，而SiC材料中少子扩散长度仅为几um。由于α粒子射程较深且能量在射程附近集中释放，因此材料深处的辐照生载流子难以充分吸收。同时，厚的外延层也会导致器件串联电阻较大，从而影响转换效率。因此，研制新型器件结构，充分吸收材料深处的辐照生载流子，是提升电池转换效率，是推进α放射源同位素电池尽快实用的关键。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种有利于提高能量转换效率和封装密度，有利于集成、，实用性强，设计新颖合理，实现方便的采用α放射源的碳化硅PIN型同位素电池及其制造方法。

为了解决现有技术中的问题，本发明所采用的技术方案为：

一种采用α放射源的碳化硅PIN型同位素电池，包括由SiC基片构成的衬底，衬底上部设置有N型SiC外延层，所述N型SiC外延层上设有若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，所述若干个台阶的顶部中间位置均注入形成有N型SiC欧姆接触掺杂区，N型SiC欧姆接触掺杂区上端与台阶顶部齐平，N型SiC欧姆接触掺杂区上端设置有N型欧姆接触电极，所述N型欧姆接触电极的形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区形状相同，所述N型欧姆接触电极两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源；所述相邻台阶之间的沟槽底部设置有P型SiC欧姆接触掺杂区，P型SiC欧姆接触掺杂区的上部设置有P型欧姆接触电极，所述P型欧姆接触电极形状与所述P型SiC欧姆接触掺杂区形状相同。

所述N型SiC外延层上的台阶高度为5μm～15μm，台阶宽度为10μm～20μm，台阶之间的间距为2μm～5μm。

所述N型SiC外延层的整体厚度为10μm～30μm。

所述P型SiC欧姆接触掺杂区和所述P型欧姆接触电极的宽度均与台阶间距相同。

所述P型欧姆接触电极包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述第二Pt层的厚度为50nm～200nm。

所述N型SiC欧姆接触掺杂区和所述N型欧姆接触电极的宽度均为0.5μm～2μm。

所述N型欧姆接触电极包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层，所述Ni层的厚度为200nm～400nm，所述Pt层的厚度为50nm～200nm。

一种采用α放射源的碳化硅PIN型同位素电池的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、提供由SiC基片构成的衬底；