專利名稱:一種同位素電池制作方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種同位素電池制作方法及結(jié)構(gòu)，屬于微機械電子系統(tǒng)中的微 能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微能源是微系統(tǒng)發(fā)展中的一個瓶頸問題，研究高效、長壽命的微能源 是微系統(tǒng)發(fā)展中一直追求的目標(biāo)。雖然廣泛開展了微能源的研究工作，儲 能原理也在不斷改進(jìn)，但單位體積能量密度卻始終沒有得到有效的提高，
微能源的研發(fā)速度始終落后于ic技術(shù)和微傳感器與微執(zhí)行器技術(shù)。隨著無
線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有化學(xué)電池的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到無線傳感器 節(jié)點的使用要求。鑒于以上分析，尋找高能量密度、長壽命的微型化電源
成為MEMS領(lǐng)域的一個關(guān)鍵問題，并被列為未來十大科技之一。
同位素電池是利用放射性同位素衰變時發(fā)射粒子所帶動能發(fā)電的電源 裝置，同位素電池的實質(zhì)性研究始于上個世紀(jì)50年代，隨著核反應(yīng)堆的投 入運行和同位素分離技術(shù)的發(fā)展，以及航天技術(shù)對長壽命電源的需求，第 一代熱機制同位素電池于上世紀(jì)50年代后期在美蘇兩國研制成功，但熱機 制同位素電池在安全性和結(jié)構(gòu)上都難以應(yīng)用到微系統(tǒng)中。隨著對放射性同 位素研究的深入以及半導(dǎo)體技術(shù)、壓電功能材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，在技術(shù) 和材料上提供了制作長壽命微型同位素電池的條件。
3輻射伏特效應(yīng)的研究始于上世紀(jì)50年代，3輻射伏特效應(yīng)PN結(jié)同位 素微電池的工作原理和太陽能電池相近，它是利用同位素中釋放出來的電 子代替光子在半導(dǎo)體中激發(fā)出電子空穴對。在PN結(jié)同位素微電池的研究方 面，美國Wisconsin University的Jake Blanchard等人制作出了面積為4 X 4 mm2的平面式和倒金字塔式的PN結(jié)同位素電池。他們在平面式PN結(jié)同位素 微電池的表面分別電鍍了O. 25 mCi和lmCi的"Ni同位素源，測量出的短路電 流分別為O. 71nA和2. 41nA，開路電壓分別為64mV和115mV，最大輸出功率分 別為0.04nW和0.24nW，經(jīng)過l年時間后，電池性能無明顯下降?，F(xiàn)有技術(shù)研 制的PN結(jié)同位素電池，其輸出電壓一般為毫伏級，輸出電流為微安、納安 級，由于輸出電流、電壓很低，在應(yīng)用范圍上受到了很大限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述同位素電池的不足，制作一種具有選擇性發(fā) 射極結(jié)構(gòu)的同位素電池，采用該結(jié)構(gòu)的同位素電池其輸出電壓和輸出電流 要高于背電場式同位素電池，選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)提高電離載流子的收集率， 減小擴(kuò)散死層的影響，從而改善擴(kuò)散層的整體性能，應(yīng)用范圍更加廣泛。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種同位素電池制作方法采用P型硅為襯底， 首先采用摻雜濃度為1014/cm3 1015/cm3晶向為<100>的P型硅為襯底，即P 型區(qū)5;然后在P型區(qū)5的上表面摻雜磷，摻雜濃度為1019~2Q/cm3 ，形成N 型區(qū)3;這樣在P型區(qū)5和N型區(qū)3之間就產(chǎn)生了 PN結(jié)4;在P型區(qū)5的 下表面摻雜硼，摻雜濃度為1016/cm3，形成P+區(qū)6;在P型區(qū)5的上表面 制作電極的區(qū)域進(jìn)行二次摻雜磷，摻雜濃度為102Q~21/cm3，形成重?fù)诫sN 區(qū)8，即形成選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)；然后對硅片進(jìn)行退火，在N型區(qū)3的上 表面生成100 nm 二氧化硅保護(hù)層2;在P型區(qū)5的上下表面濺射金屬鋁， 形成電池的上電極1和下電極7，就完成了具有選擇性發(fā)射極的同位素電 池的制作方法。
一種同位素電池其結(jié)構(gòu)由上電極1、 二氧化硅保護(hù)層2、重?fù)诫sN區(qū)8、
N型區(qū)3、 PN結(jié)4、 P型區(qū)5、 P+區(qū)6、下電極7組成。
本發(fā)明的效果是采用選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)的同位素電池，其輸出性能要 優(yōu)于背電場式同位素電池。選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)提高電離載流子的收集率， 提高同位素電池的輸出電壓，降低電池的串聯(lián)電阻，減小電離少數(shù)載流子 的表面復(fù)合，減小擴(kuò)散死層的影響，從而改善擴(kuò)散層的整體性能。
圖1是背電場式同位素電池結(jié)構(gòu)示意圖
圖中l(wèi)一上電極；2—二氧化硅保護(hù)層；3—N型區(qū)；4一PN結(jié)；5—
P型區(qū)；6—P+型區(qū)；7—下電極。 圖2是選擇性發(fā)射極式同位素電池結(jié)構(gòu)示意圖
圖中l(wèi)一上電極；2—二氧化硅保護(hù)層；3—N型區(qū)；4一PN結(jié)；5_
P型區(qū)；6—P+型區(qū)；7—下電極；8—重?fù)诫sN型區(qū)。 圖3是背電場式同位素電池結(jié)構(gòu)的能帶圖
圖中p+—重?fù)诫sp型區(qū)；p—p型區(qū)；n—n型區(qū)；dectron—電子； hole—空穴；q—電子電量；Ec —導(dǎo)帶底能量；Ev—價帶頂能 量；Ef—費米能級；qVp+p—p+p結(jié)勢壘；qVpn — pn結(jié)勢壘。
圖4是選擇性發(fā)射極式同位素電池結(jié)構(gòu)的能帶圖
圖中p+ —重?fù)诫sp型區(qū)；p—p型區(qū)；n—n型區(qū)；n+ —重?fù)诫sn型 區(qū)；electron—電子；hole—空穴；q—電子電量；Ec —導(dǎo)帶底 能量；Ev—價帶頂能量；EF—費米能級；qVP+P—p+p結(jié)勢壘； qVpn — pn結(jié)勢壘；qVnn+ —nn+結(jié)勢壘。
具體實施方式
結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施。背電場同位素電池結(jié)構(gòu)， 一般
都采用高摻雜淺擴(kuò)散的工藝制作PN結(jié)，其各處的結(jié)深和表面摻雜^l度幾乎 是一致的，見附圖1。而選擇性發(fā)射極同位素電池的不同區(qū)域，其^^雜濃度、 表面濃度和擴(kuò)散結(jié)深是不同的，在附圖2中P型區(qū)5的制作工藝是采用摻 雜濃度為1014/cm3 1015/cm3晶向為<100>的P型硅為襯底，然后在P型區(qū)5 的上表面摻雜濃度為1019/cm3的磷，形成N型區(qū)3;這樣在P型區(qū)5和N 型區(qū)3之間就產(chǎn)生了 PN結(jié)4;在P型區(qū)5的下表面摻雜濃度為1016/cm3的 硼，形成P+區(qū)6;在P型區(qū)5的上表面制作電極的區(qū)域進(jìn)行二次摻雜磷， 摻雜濃度為10,cm3，形成重?fù)诫sN區(qū)8，即形成選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)；然后 對硅片進(jìn)行退火，在N型區(qū)(3)的上表面生成100nm 二氧化硅保護(hù)層(2); 在P型區(qū)5的上下表面濺射金屬鋁，形成電池的上電極1和下電極7;這 樣就完成了選擇性發(fā)射極同位素電池的制作。在電池上表面安放放射性同 位素。Ni的比活度為lmci，經(jīng)過模型測算，選擇性發(fā)射極同位素電池比背 電場結(jié)構(gòu)的同位素電池輸出電流高4.31%，輸出電壓高11.1%。
圖1圖2是二種同位素電池的結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過理論分析我們得出了選 擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)同位素電池的輸出性能要優(yōu)于背電場同位素電池。選擇性 發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點
(1)提高電離載流子的收集率
與背電場同位素電池結(jié)構(gòu)相比，選擇性發(fā)射極同位素電池的上電極柵 線處多一個橫向nVn高低結(jié)和一個橫向n +/ p結(jié)。在這些擴(kuò)散結(jié)中，有內(nèi)建 電場，這些內(nèi)建電場有利N+區(qū)和N區(qū)的空穴往P區(qū)匯集,而P+和P區(qū)的電
子往N區(qū)和N+區(qū)匯集。
(2) 提高同位素電池的輸出電壓
由圖3、圖4同位素電池結(jié)構(gòu)的能帶圖可知 背電場式電池的接觸勢壘
<formula>formula see original document page 7</formula>
選擇性發(fā)射極式電池的接觸勢壘
=mn，
其中，k，波耳茲曼常數(shù)；T，熱力學(xué)溫度；N+A、 NA、 ND、 N+d分別為 P+、 P、 N、 N+區(qū)的摻雜濃度。由N+d〉Nd可知^^〉^z饑。
因此它們的輸出電壓關(guān)系為
選擇性發(fā)射極式電池>背電場式電池
綜合以上分析可知，選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)可以提高了電池的輸出電壓。
(3) 降低電池的串聯(lián)電阻
電池的串聯(lián)電阻由電極金屬的體電阻、金屬與半導(dǎo)體的接觸電阻、擴(kuò) 散層的薄層電阻、基區(qū)的體電阻組成。其中，要求金屬與半導(dǎo)體之間形成 良好的歐姆接觸，而金屬與半導(dǎo)體的接觸電阻和半導(dǎo)體的摻雜濃度有密切 關(guān)系，摻雜濃度越高，接觸電阻越小。因此，在選擇性發(fā)射極上制作上電 極，可以降低電池的串聯(lián)電阻。
(4) 減小電離少數(shù)載流子的表面復(fù)合 '
半導(dǎo)體器件的特性和電離載流子的壽命在很大程度上受到半導(dǎo)體表面
復(fù)合的影響，而表面復(fù)合速度與表面的摻雜濃度有關(guān)，因此，要獲得較低 的表面復(fù)合速度，應(yīng)采用較低的表面摻雜濃度。選擇性發(fā)射極電池在活性 區(qū)(即非電極區(qū))采用了較低的表面摻雜濃度，與平板式電池相比(具有較 高的表面摻雜濃度)，可以顯著減小電離少數(shù)載流子的表面復(fù)合。另外， 低的表面摻雜濃度的表面鈍化效果優(yōu)于高的表面雜質(zhì)濃度，可以進(jìn)一步減 少表面態(tài)密度，從而進(jìn)一步減小電離少數(shù)載流子的表面復(fù)合。 (5)減小擴(kuò)散死層的影響從而改善擴(kuò)散層的整體性能 普通電池常常采用擴(kuò)散的方法形成PN結(jié)，在接近擴(kuò)散表面的地方，摻
雜濃度一般比較高。硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，當(dāng)摻雜濃度大于101701^3
時，其體復(fù)合以俄歇復(fù)合為主，而俄歇復(fù)合與摻雜濃度有密切的關(guān)系。
背電場式電池在接近半導(dǎo)體擴(kuò)散表面的地方，因其摻雜濃度比較高， 嚴(yán)重的俄歇復(fù)合會使得這一區(qū)域失去效用，這就是通常所說擴(kuò)散死層。由 于選擇性發(fā)射極電池在活性區(qū)(即非電極區(qū))采用了較低的表面摻雜濃度， 從而使得擴(kuò)散死層變薄，甚至可以避免擴(kuò)散死層的出現(xiàn)。因此，選擇性發(fā) 射極結(jié)構(gòu)可以減小擴(kuò)散死層的影響，進(jìn)而改善擴(kuò)散層的整體性能。
因此，制作選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)是提高微電池核電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑 之一。
權(quán)利要求
1、一種同位素電池制作方法采用P型硅為襯底，其特征是，首先采用摻雜濃度為1014/cm3～1015/cm3晶向為<100>的P型硅為襯底，即P型區(qū)(5)；然后在P型區(qū)(5)的上表面摻雜磷，摻雜濃度為1019～20/cm3，形成N型區(qū)(3)；這樣在P型區(qū)(5)和N型區(qū)(3)之間就產(chǎn)生了PN結(jié)(4)；在P型區(qū)(5)的下表面摻雜硼，摻雜濃度為1016/cm3，形成P+區(qū)(6)；在P型區(qū)(5)的上表面制作電極的區(qū)域進(jìn)行二次摻雜磷，摻雜濃度為1020～21/cm3，形成重?fù)诫sN區(qū)(8)，即形成選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)；然后對硅片進(jìn)行退火，在N型區(qū)(3)的上表面生成100nm二氧化硅保護(hù)層(2)；在P型區(qū)(5)的上下表面濺射金屬鋁，形成電池的上電極(1)和下電極(7)，完成了具有選擇性發(fā)射極的同位素電池的制作方法。
2、 如權(quán)利要求
l所述的一種同位素電池制作方法得到的同位素電池結(jié)構(gòu)，其 結(jié)構(gòu)特征是，由上電極(1)、 二氧化硅保護(hù)層(2)、重慘雜N區(qū)(8)、 N型區(qū)(3)、 PN結(jié)(4)、 P型區(qū)(5)、 P+區(qū)(6)、下電極(7)組成。
專利摘要
本發(fā)明一種同位素電池制作方法及結(jié)構(gòu)屬于微機械電子系統(tǒng)中的微能源領(lǐng)域。同位素電池制作方法是首先采用P型硅片為襯底，作為P型區(qū)；然后在P型區(qū)的上表面摻雜磷，形成N型區(qū)和PN結(jié)4；在P型區(qū)的下表面摻雜硼，形成P<sup>+</sup>區(qū)；在P型區(qū)的上表面制作電極的區(qū)域進(jìn)行二次摻雜磷，形成重?fù)诫sN區(qū)；在P型區(qū)的上下表面濺射金屬鋁，形成電池的上電極和下電極；然后在N型區(qū)的上表面生成二氧化硅保護(hù)層；同位素電池結(jié)構(gòu)由上電極、二氧化硅保護(hù)層、重?fù)诫sN區(qū)、N型區(qū)、PN結(jié)、P型區(qū)、P<sup>+</sup>區(qū)、下電極組成。本發(fā)明提高了電池的輸出電壓；能夠減小電離少數(shù)載流子的表面復(fù)合，改善擴(kuò)散層的整體性能，提高同位素微電池核電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號G21H1/00GKCN101101797SQ200710012230
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月20日
發(fā)明者樸相鎬, 杜小振, 王培超, 褚金奎 申請人:大連理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan