[发明专利]一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池及其制备方法

权利要求书

1.一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池，其特征在于：包括：碳化硅单晶衬底（101） 、碳化硅一维纳米线阵列（102）、肖特基接触电极（103）、欧姆接触电极（104）和放射源层（105）；

所述碳化硅一维纳米线阵列（102）位于所述碳化硅单晶衬底（101）的正面，且所述碳化硅一维纳米线阵列（102）具有N型掺杂区域（1031），且所述N型掺杂区域（1031）至少包括所述碳化硅一维纳米线阵列（102）的上部区域；

所述肖特基接触电极（103）包括势垒金属层（1032）和所述N型掺杂区域（1031），所述势垒金属层（1032）的表面形状为叉指状，且所述势垒金属层（1032）位于所述N型掺杂区域（1031）的上方；

所述欧姆接触电极（104）位于所述碳化硅单晶衬底（101）的背面；

所述放射源层（105）位于所述势垒金属层（1032）的上方；

所述碳化硅单晶衬底（101）的制备材料为本征型碳化硅单晶材料，或为N型高掺杂碳化硅单晶材料；所述碳化硅单晶衬底（101）的厚度为10~300μm，晶型为3C、4H或6H，晶体取向为偏离（0001）面8° ；

所述势垒金属层（1032）为多层薄膜结构，且由下至上依次为第一Ni金属薄膜、Al金属薄膜；所述第一Ni金属薄膜的厚度为20nm，所述Al金属薄膜的厚度为30nm；

所述欧姆接触电极（104）为多层薄膜结构，且由上至下依次为Ti金属薄膜、第二Ni金属薄膜、Au金属薄膜；所述Ti金属薄膜的厚度为50nm，第二Ni金属薄膜的厚度为100nm，Au金属薄膜的厚度为100nm；

所述呈叉指状的势垒金属层（1032）的电极宽度M1为50~200μm，电极长度M2为10~100μm，叉指宽度M3为5~10μm，相邻叉指之间的间隙距离M4为1~5μm；

所述放射源层（105）的制备材料为同位素放射源，所述同位素放射源为Ni-63放射源，或为Pm-147放射源。

2.一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池的制备方法，其特征在于：包括：

S101、提供碳化硅单晶衬底（101）；

S102、采用高温熔盐电化学腐蚀工艺，在所述碳化硅单晶衬底（101）的正面制备碳化硅一维纳米线阵列（102）；

S103、采用离子注入工艺，对所述碳化硅一维纳米线阵列（102）进行N型掺杂，使得所述碳化硅一维纳米线阵列（102）具有N型掺杂区域（1031），且所述N型掺杂区域（1031）至少包括所述碳化硅一维纳米线阵列（102）的上部区域；

S104、采用磁控溅射工艺，在所述N型掺杂区域（1031）上沉积呈叉指状的势垒金属层（1032），形成包含N型掺杂区域（1031）和势垒金属层（1032）的肖特基接触电极（103）；

在所述碳化硅单晶衬底（101）的背面沉积金属薄膜，形成欧姆接触电极（104）；

S105、采用电化学沉积工艺，在所述势垒金属层（1032）上沉积放射源，形成放射源层（105）；

S102步骤中，所述采用高温熔盐电化学腐蚀工艺，在所述碳化硅单晶衬底（101）的正面制备碳化硅一维纳米线阵列（102），具体包括：

将所述碳化硅单晶衬底（101）分别放入丙酮、乙醇、去离子水溶液中进行超声清洗，5分钟后取出；然后放入具有铂片的500℃的高温电解液溶液中进行电化学腐蚀，电化学腐蚀过程中，所述碳化硅单晶衬底（101）作为阳极，所述铂片作为阴极；施加一定的电压，经过10分钟后，将所述碳化硅单晶衬底（101）取出，冷却、清洗、干燥，即可获得所述碳化硅单晶衬底（101）上的碳化硅一维纳米线阵列（102）；本步骤中的高温电解液溶液为氢氧化钠和氢氧化钾的混合液，混合液的摩尔比为1:1，施加的电压为20 V，脉冲电源的频率为1250Hz，占空比为50%；

S103步骤中，所述采用离子注入工艺，对所述碳化硅一维纳米线阵列（102）进行N型掺杂，使得所述碳化硅一维纳米线阵列（102）具有N型掺杂区域（1031），具体包括：在650℃的温度下，从正面分别对所述碳化硅一维纳米线阵列（102）进行两次施主离子注入，然后在Ar气的保护气氛下，在1000~1700℃的温度环境中退火10分钟，即可得到具有N型掺杂区域（1031）的碳化硅一维纳米线阵列（102）；当所述碳化硅一维纳米线阵列进行两次施主离子注入时，先采用300 keV的注入能量、2×1013 cm-2的注入剂量进行一次氮离子注入，再采用150 keV的注入能量、8×1012 cm-2的注入剂量进行二次氮离子注入；

S104步骤中，所述采用磁控溅射工艺，在所述N型掺杂区域（1031）上沉积呈叉指状的势垒金属层（1032），形成包含N型掺杂区域（1031）和势垒金属层（1032）的肖特基接触电极（103），在所述碳化硅单晶衬底（101）的背面沉积金属薄膜，形成欧姆接触电极（104），具体包括：采用磁控溅射工艺，先在所述碳化硅单晶衬底（101）的背面依次沉积Ti金属薄膜、第二Ni金属薄膜和Au金属薄膜，再在所述N型掺杂区域（1031）的表面依次沉积均呈叉指状的第一Ni金属薄膜和Al金属薄膜，最后在Ar气的保护气氛下，在950℃的温度环境中退火5分钟，即可得到碳化硅单晶衬底（101）背面的欧姆接触电极（104）和碳化硅一维纳米线阵列（102）上方的肖特基接触电极（103）；

S105步骤中，所述采用电化学沉积工艺，在所述势垒金属层（1032）上沉积放射源，形成放射源层（105），具体包括：将样品放入含有同位素放射源的电解液中进行电化学沉积；将上述样品引线密封后放入稳定的高功率的反应堆中进行辐射，以生成同位素放射源；所述将样品放入含有同位素放射源的电解液中进行电化学沉积，具体包括：将有机硅橡胶涂覆到非电镀窗口和单晶片的非电镀区，待有机硅橡胶固化后，将样品作为阳极，将白金丝网作为阴极，阴阳极间距为1cm；在电镀槽中放入含有同位素放射源的电解液中，维持电解液的温度为40~80℃；采用直流电压1.0~1.2V，沉积3~20分钟；所述将上述样品引线密封后放入稳定的高功率的反应堆中进行辐射，以生成同位素放射源之后，还包括：将辐射后的样品经电极引线后，放入铝合金密封盒中，经激光焊接封口，即可得到核电池样品；所述含有Ni-63放射源的电解液包括以下组分：5~25mg的氯化镍，3~8mg的次磷酸钠，5~25mg的醋酸钠，0.1~0.8mL的水，1~15μL的液态63Ni源；使用时，用盐酸将上述电解液的PH值调至4~5之间，维持电解液的温度为40~80℃，采用直流电压1.0~1.2V，沉积3~20分钟；所述含有Pm-147放射源的电解液包括以下组分：2~30mg的氯化钜，1~8mg的次磷酸钠，5~35mg的醋酸钠，0.1~1.0mL的水，0.1~0.8mg的粉末147Pm源；使用时，用硝酸将上述电解液的PH值调至2~3之间，维持电解液的温度为30~80℃，采用直流电压0.8~1.2V，沉积5~30分钟。