外延层3，若干个台阶的顶部中间位置均注入有Ν型SiC欧姆接触掺杂区5，N型SiC欧姆接触掺杂区5上端与台阶顶部齐平，N型SiC欧姆接触掺杂区5上端设置有N型欧姆接触电极6，N型欧姆接触电极6的形状与N型SiC欧姆接触掺杂区5形状相同，N型SiC欧姆接触掺杂区5和N型欧姆接触电极6的宽度均为0.5μπι?2μπι，Ν型欧姆接触电极6包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，Ni层的厚度为200nm?400nm，Pt层的厚度为50nm?SOOnnuN型欧姆接触电极6两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源8;相邻台阶之间的沟槽底部设置有Ρ型欧姆接触电极7，Ρ型欧姆接触电极7与Ρ型SiC外延层3接触，Ρ型欧姆接触电极7的宽度均与台阶间距相同，P型欧姆接触电极7包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，Ni层的厚度为200nm?400nm，Pt层的厚度为50nm?200nmo
[0036]—种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池的制造方法，参见图2，包括以下步骤:
[0037]步骤一、提供由SiC基片构成的衬底1;
[0038]步骤二、采用化学气相沉积法在衬底1的上表面上依次外延生长掺杂浓度为IX1016cm—3?5 X 1017cm—3、厚度为ΙΟμπι?30μηι的第一Ν型SiC外延层2，厚度为0.5μηι?5μηι的P型SiC外延层3，厚度为5μπι?15μπι的第二 Ν型SiC外延层4，形成的电池结构如图3a所示；
[0039]步骤三、通过SF6气体，采用反应离子干法刻蚀法在第二 N型SiC外延层4上刻蚀出宽度ΙΟμπι?20μπι，间距2μπι?5μπι，高度与第二N型SiC外延层4厚度相同的若干个台阶，相邻台阶之间设沟槽，沟槽底部露出P型SiC外延层3，形成的电池结构如图3b所示；
[0040]步骤四、采用离子注入法在第二N型SiC外延层4的台阶顶部上形成掺杂浓度为IX1018cm—3?lX1019cm—3的N型SiC欧姆接触掺杂区5，并在惰性气体Ar气氛下进行温度为1650°C?1700°C的热退火10分钟，形成的电池结构如图3c所示；
[0041]步骤五、在N型SiC欧姆接触掺杂区5上方依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm?400nm，Pt层的厚度为50nm?200nm，形成的电池结构如图3(1所示；
[0042]步骤六、在沟槽底部的P型SiC外延层3上依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm?400nm，Pt层的厚度为50nm?200nm，形成的电池结构如图3e所示；
[0043]步骤七、在N2气氛下进行温度为950°C?1050°C的热退火两分钟，在N型SiC欧姆接触掺杂区5的上部形成由Ni层和Pt层构成的N型欧姆接触电极6;在沟槽底部的P型SiC外延层3上部形成由Ni层和Pt层构成的P型欧姆接触电极7;
[0044]步骤八、除去在台阶顶部两端的N型欧姆接触电极6，仅保留中间的N型欧姆接触电极6，并在台阶顶部除去N型欧姆接触电极6的区域设置α放射源8，即得到如图1所示的采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池。
[0045]本发明采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池采用埋层结构将P区深入到I层深处，可以有效增强对α粒子射程附近辐照生载流子的吸收，提升输出功率和能量转化效率。传统结构因为主要靠耗尽区收集辐照生载流子，欧姆接触电极和欧姆接触掺杂区会造成入射粒子能量的损失;本发明主要靠P型欧姆接触掺杂区附近一个少子扩散长度范围内的中性区收集辐照生载流子，不再依赖Ρ型欧姆接触掺杂区的面积，从而有效的减少了入射粒子的能量损失，提高能量转换效率。
[0046]对于纵向结构的器件，I区的掺杂浓度会影响开路电压、灵敏区厚度、串联电阻等多个参数，难以折中；而横向结构由于采用了中性区收集辐照生载流子，Ρ型欧姆接触电极与Ν型欧姆接触电极之间的间距由少子扩散长度决定，因此可以通过适当提高I区Ν型SiC外延层的掺杂浓度的方法来提高开路电压，降低串联电阻，并使器件的设计更加灵活，同时也可以有效的提升辐照容限，这对于采用α放射源的同位素电池意义更为重大。采用了横向器件结构，由于没有了衬底的影响，容易获得比纵向结构低的串联电阻，从而提高填充因子。本发明电池采用了横向结构，可以减薄衬底来缩小电池的体积，提高了封装密度，有利于该微型核电池集成到MEMS微系统中。本发明的电池器件结构，对Ρ型欧姆接触电极金属层厚度和Ρ型SiC欧姆接触掺杂区的厚度不像纵向结构那么敏感，易于工艺上的实现。本发明的制造方法，工艺简单，实现方便且成本低，制造出的电池的实用性强，推广应用价值高。
[0047]综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便，有利于提高采用α放射源的同位素电池的能量转换效率和封装密度，有利于集成，实用性强，推广应用价值高。
[0048]以上所述仅是对本发明的具体解释说明，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【主权项】
1.一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，包括自下而上依次设置的SiC衬底(1)、第一 N型SiC外延层(2)、P型SiC外延层(3)和第二 N型SiC外延层(4)，所述第二 N型SiC外延层(4)上开设有若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层(3)，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(5)，N型SiC欧姆接触掺杂区(5)上端与台阶顶部齐平，N型SiC欧姆接触掺杂区(5)上端设置有N型欧姆接触电极(6)，所述N型欧姆接触电极(6)的形状与所述N型SiC欧姆接触掺杂区(5)形状相同，所述N型欧姆接触电极(6)两侧的台阶顶部位置上设置有α放射源(8);所述相邻台阶之间的沟槽底部设置有Ρ型欧姆接触电极(7)，Ρ型欧姆接触电极(7)与所述Ρ型SiC外延层(3)接触。2.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述第二N型SiC外延层(4)上的台阶高度为5μηι?15μηι，台阶宽度为ΙΟμπι?20μηι，台阶之间的间距为2μηι?5μηι。3.根据权利要求2所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述第二 N型SiC外延层(4)的厚度为5μηι?15μηι。4.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述第一 N型SiC外延层(2)的厚度为ΙΟμπι?30μηι。5.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述P型SiC外延层(3)的厚度为0.5μηι?5μηι。6.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述N型SiC欧姆接触掺杂区(5)和所述N型欧姆接触电极(6)的宽度均为0.5μπι?2μπι。7.根据权利要求6所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述N型欧姆接触电极(6)包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，所述Ni层的厚度为200nm?400nm，所述Pt层的厚度为50nm?200nm。8.根据权利要求1所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述P型欧姆接触电极(7)的宽度均与台阶间距相同。9.根据权利要求8所述的一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池，其特征在于，所述P型欧姆接触电极(7)包括从下而上依次设置的Ni层和Pt层构成，所述Ni层的厚度为200nm?400nm，所述Pt层的厚度为50nm?200nm。10.—种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、提供由SiC基片构成的衬底(1)； 步骤二、采用化学气相沉积法在衬底(1)的上表面上依次外延生长掺杂浓度为IX1016cm—3?5 X 1017cm—3、厚度为ΙΟμπι?30μηι的第一Ν型SiC外延层(2)，厚度为0.5μηι?5μηι的P型SiC外延层(3)，厚度为5μπι?15μπι的第二N型SiC外延层(4); 步骤三、通过SF6气体，采用反应离子干法刻蚀法在第二 N型SiC外延层(4)上刻蚀出宽度ΙΟμπι?20μπι，间距2μπι?5μπι，高度与第二N型SiC外延层(4)厚度相同的若干个台阶，相邻台阶之间设沟槽，沟槽底部露出P型SiC外延层(3); 步骤四、采用离子注入法在第二N型SiC外延层(4)的台阶顶部上形成掺杂浓度为IX1018cm—3?1 X 1019cm—3的N型SiC欧姆接触掺杂区(5)，并在惰性气体气氛下进行温度为1650°C?1700°C的热退火； 步骤五、在N型SiC欧姆接触掺杂区(5)上方依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm?400nm，Pt层的厚度为50nm?200nm ； 步骤六、在沟槽底部的P型SiC外延层(3)上依次淀积Ni层和Pt层，Ni层的厚度为200nm?400nm，Pt层的厚度为50nm?200nm ； 步骤七、在N2气氛下进行温度为950°C?1050°C的热退火，在N型SiC欧姆接触掺杂区(5)的上部形成由Ni层和Pt层构成的N型欧姆接触电极(6);在沟槽底部的P型SiC外延层(3)上部形成由Ni层和Pt层构成的P型欧姆接触电极(7);步骤八、除去在台阶顶部两端的N型欧姆接触电极(6)，仅保留中间的N型欧姆接触电极(6)，并在台阶顶部除去N型欧姆接触电极(6)的区域设置α放射源(8)，即得到采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池。
【专利摘要】本发明公开了一种采用α放射源的碳化硅PIN埋层结构同位素电池及其制造方法，目的在于：提高能量转换效率和封装密度，提高集成度和实用性，本发明的电池所采用的技术方案为：包括自下而上依次设置的SiC衬底、第一N型SiC外延层、P型SiC外延层和第二N型SiC外延层，第二N型SiC外延层上开设有若干个台阶，相邻台阶之间设有沟槽，沟槽底部延伸至P型SiC外延层，若干个台阶的顶部中间位置均开设有凹槽，凹槽内设置N型SiC欧姆接触掺杂区，N型SiC欧姆接触掺杂区上端设置有N型欧姆接触电极，N型欧姆接触电极的形状与N型SiC欧姆接触掺杂区形状相同，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；相邻台阶之间的沟槽底部设置有P型欧姆接触电极，P型欧姆接触电极与P型SiC外延层接触。
【IPC分类】G21H1/06
【公开号】CN105448374
【申请号】CN201510784821
【发明人】张 林, 谷文萍, 胡笑钏, 张赞
【申请人】长安大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月16日