专利名称:碳化硅栅状肖特基接触式核电池的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子领域，尤其涉及一种基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池，可用于将同位素放射的核能直接转换为电能。
技术背景
1953年由Rappaport研究发现，利用同位素衰变所产生的贝他粒子(β -Particle)能在半导体内产生电子空穴对,此现象则被称为β-Voltaic Effect。之后不久，Elgin-Kidde在1957年首先将β -Voltaic Effect用在电源供应方面，成功实验制造出第一个同位素微电池(β-Voltaic Battery)。从1989年以来,GaN, GaP, AlGaAs,多晶娃等材料相继被利用作为β-Voltaic电池的材料。随着宽禁带半导体材料SiC的制备和工艺技术的进步，2006年开始，国际上相继出现了 SiC基同位素电池的相关报道。
文献“APPLIEDPHYSICS LETTERS 88,064101(2006) 《Demonstration of atadiation resistant, hight efficiency SiC betavoltaic》”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation 的 C.J.Eiting, V.Krishnamoorthy, and S.Rodgers, T.George 和美国哥伦比亚密苏里大学的J.David Roberston and John Brockman等人共同提出了碳化娃p-1-n结式核电池，如图7所示，该p-1-n结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、P型欧姆接触层12、p型高掺杂SiC层9、p型SiC层11、本征i层10、n高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。
文献“APPLIEDPHYSICS LETTERS 88,033506(2006)《Demonstration of a 4HSiC betavoltaic cell》”介绍了 由美国纽约 Cornell 大学的 Μ.V.S.Chandrashekhar,C.1.Tomas, Hui Li, M.G.Spencer and Amit Lal等人提出了碳化娃pn结式核电池，如图8所示，该Pn结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、欧姆接触电极7、η型高掺杂SiC层14、P型低掺杂SiC层8、P型高掺杂SiC层9和P型欧姆接触层12。
中国专利CN 101325093Α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，如图9所示，该肖特基结式核电池自上而下依次包括键合层1、肖特基金属层
13、SiO2钝化层4、η型低掺杂SiC外延层5、η型高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。
但是，SiC材料的工艺加工比较困难。在制备SiC PN结时，一般是采用同质外延生长低掺杂的η型层，之后再用同质外延或粒子注入技术在表面制备一层高掺杂的P型层，这种碳化硅PN结和PIN结核电池在工艺和结构上都存在一定的缺陷。采用同质外延制备P型层往往掺杂浓度不高，内建电势相应较低，且会给P型欧姆接触的制备带来困难；采用离子注入方法形成P型层工艺比较复杂，而且对注入杂质的高温激活过程会造成表面损伤，增强表面复合效应，加大器件的漏电流，影响电池特性。在结构上只有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够被收集。这种PN结结构中，为了防止欧姆接触电极阻挡入射粒子，必须将欧姆电极过载器件的一个角落，但这样会使离欧姆电极远的辐照生载流子在输运过程中被复合，而且入射粒子必须穿过表面的SiO2钝化层和部分P型层，造成能量损失，降低能量转换效率。
中国专利CN 101325093Α公开的核电池采用肖特基结结构，避免了上述PN结工艺实现难的问题，但是该肖特基结核电池肖特基接触层覆盖整个电池区域，如图9所示，由于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。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池及其制作方法，以减小入射粒子能量损失，提高能量转换效率。
为实现上述目的，本发明提供的栅状肖特基接触式微型核电池，自上而下依次包括键合层、放射性同位素源层、肖特基接触层、掺杂浓度为I X IO15 5X IO15CnT3的η型低掺杂SiC外延层、掺杂浓度为I X IO18 7 X IO18CnT3的η型高掺杂SiC衬底和欧姆接触电极，放射性同位素源层的周围是SiO2钝化层，其中，肖特基接触层为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m3 3，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，将每条垂直栅条分为上下两部分，放射性同位素源层覆盖在上下两部分垂直栅条及它们之间的低掺杂SiC外延层上，键合层位于栅状肖特基接触层的水平栅条上。
所述的栅状肖特基接触层半透明，厚度小于等于20nm。
所述的垂直栅条间距:
权利要求
1.一种基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池，自上而下依次包括键合层(I)、放射性同位素源层(3)、肖特基接触层(2)、掺杂浓度为I X IO15 5X IO15CnT3的η型低掺杂SiC外延层(5)、掺杂浓度为I X IO18 7Χ IO18CnT3的η型高掺杂SiC衬底(6)和欧姆接触电极(7)，放射性同位素源层的周围是SiO2钝化层(4)，其特征在于，肖特基接触层(2)为等间距栅状结构，该栅状结构是由一条水平栅条和m条垂直栅条组成，m > 3，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，将每条垂直栅条分为上下两部分，放射性同位素源层(3)覆盖在上下两部分垂直栅条及它们之间的低掺杂SiC外延层上，键合层(I)位于栅状肖特基接触层的水平栅条上。
2.根据权利要求
1所述的核电池，其特征在于所述的垂直栅条间距:
3.根据权利要求
1所述的核电池，其特征在于所述的水平栅条的宽度H为垂直栅条宽度h的a倍，2 < a < 30 ;水平栅条的长度L是垂直栅条长度R的b倍，I < b < 10。
4.一种制作微型核电池的方法，包括如下步骤: (1)在掺杂浓度为IX IO18 7 X IO18CnT3的SiC高掺杂η型SiC衬底的外延面上生长掺杂浓度为IXlO15 5Χ IO15CnT3低掺杂η型外延层；外延温度为1570°C，压强lOOmbar，反应气体是娃烧和丙烧，载气为纯氢气； (2)在1100±50°C温度下，对外延后的衬底样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO2钝化层； (3)用反应离子刻蚀法在衬底的背面刻蚀SiC层，电子束蒸发Ni/Cr/Au金属层，在1100±50°C温度下，氮气气氛中退火形成欧姆接触； (4)在SiO2钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用浓度为5%的HF酸腐蚀10秒开窗； (5)在衬底正面涂胶，使用带栅状结构图形的光刻板，光刻出栅状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Ni或Pt或Au，通过超声波剥离形成由一条水平栅条和至少3条垂直栅条组成的栅状肖特基接触层； (6)在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平栅条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层； (7)在肖特基接触层的每条垂直栅条的上下两部分及它们之间的外延层上，镀上放射性同位素源N1-63层。
5.根据权利要求
4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(3)所述的用反应离子刻蚀法在衬底的背面刻蚀SiC层，是将衬底背面的SiC刻蚀掉0.5 μ m。
6.根据权利要求
4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(3)所述的电子束蒸发Ni/Cr/Au，其厚度分别为 200nm/50nm/200nm。
7.根据权利要求
4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(5)所述的半透明高势垒肖特基金属层的厚度小于等于20nm。
8.根据权利要求
4所述的制作微型核电池的方法，其中步骤(7)所述的在外延层上镀上放射性同位素源N1-63层， 是通过电镀或化学镀或分子镀。
专利摘要
本发明公开了一种基于碳化硅的栅状肖特基接触式核电池及其制作方法，主要解决现有技术中碳化硅pn结核电池制作工艺困难及肖特基结核电池效率低的问题。本发明自上而下依次包括键合层(1)、放射性同位素源层(3)、栅状半透明肖特基接触层(2)、掺杂浓度为1×1015～5×1015cm-3的n型SiC外延层(5)、掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3的n型SiC衬底(6)和欧姆接触电极(7)，放射性同位素源层的周围是SiO2钝化层(4)。该肖特基接触层(2)由一条水平栅条和多条垂直栅条组成，水平栅条位于每条垂直栅条的中间位置，放射性同位素源层位于垂直栅条以及垂直栅条之间的外延层(5)上。本发明具有能量损失小，能量转换效率高的优点，可作为MEMS的片上电源、心脏起搏器的电源和手机备用电源。
文档编号G21H1/00GKCN101923906 B发布类型授权 专利申请号CN 201010220823
公开日2013年6月12日 申请日期2010年7月6日
发明者郭辉, 石彦强, 张玉明, 韩超, 贾仁需, 苏江, 黄建华 申请人:西安电子科技大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan