一種高輸出功率的橫向埋層結(jié)構(gòu)微型核電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高輸出功率的橫向埋層結(jié)構(gòu)微型核電池。
【背景技術(shù)】
[0002]微型核電池是采用半導(dǎo)體二極管作為換能元件，采用放射性同位素衰變產(chǎn)生的帶電粒子在半導(dǎo)體材料中的電離效應(yīng)將核放射能轉(zhuǎn)換成電能。為了獲得足夠高且長期穩(wěn)定的輸出功率以加快推進(jìn)其實(shí)用，需要從換能元件和放射源兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0003]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)作為能量源，其電子通量密度較低；同時(shí)由于放射源的自吸收效應(yīng)，單純的靠提高放射源的強(qiáng)度來提升輸出功率的意義有限。如果采用高能β放射源(如147Pm等)，由于粒子射程較深，給輻照生載流子的有效吸收帶來了困難。從電離能收集的角度上說，α放射源作為能源是比較理想的。以24lAm為例，粒子能量高(5.5MeV)但射程適中(在Si材料中約28μπι)，且主要以電離的方式在材料中沉積能量，如果用作能量源可以有效提高電池的輸出功率;然而α粒子容易造成半導(dǎo)體器件的輻照損傷，降低換能元件的使用壽命。
[0004]以SiC、GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用其制成的同位素電池?fù)Q能元件的內(nèi)建電勢高、漏電流小，理論上可以得到比硅基電池更高的開路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，寬禁帶材料和器件優(yōu)越的抗輻射特性，也使得采用α放射源作為同位素電池能源成為可能。相比于SiC肖特基二極管，SiC PIN二極管具有內(nèi)建電勢高、漏電流小等優(yōu)點(diǎn)，用其制成的同位素電池具有開路電壓高、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]但是目前采用的微型核電池的研究存在很多的問題，特別是目前報(bào)道的微型核電池大都采用縱向結(jié)構(gòu)，即二極管的兩個(gè)電極分別位于襯底和外延面上，并采用低摻雜厚外延層以充分吸收輻照生載流子。這種結(jié)構(gòu)工藝較為簡單，但并不適用于α放射源，這是因?yàn)楦鶕?jù)輻射伏特理論，耗盡區(qū)內(nèi)及其附近一個(gè)少子擴(kuò)散長度內(nèi)的輻照生載流子能被收集。對(duì)于SiC 二極管，即使采用低摻雜的外延層，耗盡區(qū)寬度也不過1?2um，而SiC材料中少子擴(kuò)散長度僅為幾u(yù)m。由于α粒子射程較深且能量在射程附近集中釋放，因此材料深處的輻照生載流子難以充分吸收。同時(shí)，厚的外延層也會(huì)導(dǎo)致器件串聯(lián)電阻較大，從而影響轉(zhuǎn)換效率。因此，研制新型器件結(jié)構(gòu)，充分吸收材料深處的輻照生載流子，是提升電池轉(zhuǎn)換效率，是推進(jìn)α放射源同位素電池盡快實(shí)用的關(guān)鍵。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本實(shí)用新型提出一種有利于提高能量轉(zhuǎn)換效率和封裝密度，有利于集成，實(shí)用性強(qiáng)的高輸出功率的橫向埋層結(jié)構(gòu)微型核電池。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為:包括自下而上依次設(shè)置的SiC襯底、第一 Ν型SiC外延層、Ρ型SiC外延層和第二 Ν型SiC外延層，所述第二 Ν型SiC外延層上開設(shè)有若干個(gè)臺(tái)階，相鄰臺(tái)階之間設(shè)有溝槽，溝槽底部延伸至P型SiC外延層，所述若干個(gè)臺(tái)階的頂部中間位置注入有N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)，N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)上端與臺(tái)階頂部齊平，N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)上端設(shè)置有N型歐姆接觸電極，所述N型歐姆接觸電極的形狀與所述N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)形狀相同，所述N型歐姆接觸電極兩側(cè)的臺(tái)階頂部位置上設(shè)置有α放射源;所述相鄰臺(tái)階之間的溝槽底部設(shè)置有P型歐姆接觸電極，P型歐姆接觸電極與所述Ρ型SiC外延層接觸。
[0008]所述第二N型SiC外延層上的臺(tái)階高度為5μπι?15μπι，臺(tái)階寬度為ΙΟμπι?20μπι，臺(tái)階之間的間距為2μηι?5μηι。
[0009]所述第二 Ν型SiC外延層的厚度為5μπι?15μπι。
[0010]所述第二 Ν型SiC外延層的厚度為ΙΟμπι?30μπι。
[0011 ] 所述Ρ型SiC外延層的厚度為0.5μπι?5μπι。
[0012]所述Ν型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)和所述Ν型歐姆接觸電極的寬度均為0.5μπι?2μπι。
[0013]所述Ν型歐姆接觸電極包括從下而上依次設(shè)置的Ni層和Pt層構(gòu)成，所述Ni層的厚度為200nm?400nm，所述Pt層的厚度為50nm?200nm。
[0014]所述P型歐姆接觸電極的寬度均與臺(tái)階間距相同。
[0015]所述P型歐姆接觸電極包括從下而上依次設(shè)置的Ni層和Pt層構(gòu)成，所述Ni層的厚度為200nm?400nm，所述Pt層的厚度為50nm?200nm。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的采用α放射源的碳化硅PIN埋層結(jié)構(gòu)同位素電池包括自下而上依次設(shè)置的SiC襯底、第一 N型SiC外延層、P型SiC外延層和第二 N型SiC外延層，在第二 N型SiC外延層上開設(shè)若干個(gè)臺(tái)階，相鄰臺(tái)階之間設(shè)有溝槽，溝槽底部延伸至P型SiC外延層，溝槽底部設(shè)置P型歐姆接觸電極，P型歐姆接觸電極與P型SiC外延層接觸，利用埋層結(jié)構(gòu)將P區(qū)深入到I層深處，可以有效增強(qiáng)對(duì)α粒子射程附近輻照生載流子的吸收，提升輸出功率和能量轉(zhuǎn)化效率。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)因?yàn)橹饕亢谋M區(qū)收集輻照生載流子，歐姆接觸電極和歐姆接觸摻雜區(qū)會(huì)造成入射粒子能量的損失;本實(shí)用新型的電池主要靠Ρ型歐姆接觸摻雜區(qū)附近一個(gè)少子擴(kuò)散長度范圍內(nèi)的中性區(qū)收集輻照生載流子，不再依賴Ρ型歐姆接觸摻雜區(qū)的面積，從而有效的減少了入射粒子的能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0017]對(duì)于縱向結(jié)構(gòu)的器件，I區(qū)的摻雜濃度會(huì)影響開路電壓、靈敏區(qū)厚度、串聯(lián)電阻等多個(gè)參數(shù)，難以折中；而橫向結(jié)構(gòu)由于采用了中性區(qū)收集輻照生載流子，Ρ型歐姆接觸電極與Ν型歐姆接觸電極之間的間距由少子擴(kuò)散長度決定，因此可以通過適當(dāng)提高I區(qū)Ν型SiC外延層的摻雜濃度的方法來提高開路電壓，降低串聯(lián)電阻，并使器件的設(shè)計(jì)更加靈活，同時(shí)也可以有效的提升輻照容限，這對(duì)于采用α放射源的同位素電池意義更為重大。本實(shí)用新型的電池采用了橫向器件結(jié)構(gòu)，由于沒有了襯底的影響，容易獲得比縱向結(jié)構(gòu)低的串聯(lián)電阻，從而提高填充因子，采用了橫向結(jié)構(gòu)，可以減薄襯底來縮小電池的體積，提高了封裝密度，有利于該微型核電池集成到MEMS微系統(tǒng)中，對(duì)Ρ型歐姆接觸電極金屬層厚度和Ρ型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)的厚度不像縱向結(jié)構(gòu)那么敏感，易于工藝上的實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]其中，Ι-SiC襯底;2-第一N型SiC外延層;3-P型SiC外延層;4-第二N型SiC外延層；5-N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū);6-N型歐姆接觸電極;7-P型歐姆接觸電極;8_α放射源。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體的實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的解釋說明。
[0021]參見圖1，本實(shí)用新型包括自下而上依次設(shè)置的SiC襯底1、第一N型SiC外延層2、P型SiC外延層3和第二 N型SiC外延層4，第二 N型SiC外延層4的厚度為5μπι?15μπι，第一 N型SiC外延層2的為ΙΟμπι?30μηι;Ρ型SiC外延層3的厚度為0.5μηι?5μηι;
[0022]第二Ν型SiC外延層4上開設(shè)有若干個(gè)臺(tái)階，第二 Ν型SiC外延層4上的臺(tái)階高度為5μm?15μηι，臺(tái)階寬度為1 Ομπι?20μηι，臺(tái)階之間的間距為2μηι?5μηι，相鄰臺(tái)階之間設(shè)有溝槽，溝槽底部延伸至Ρ型SiC外延層3，若干個(gè)臺(tái)階的頂部中間位置注入形成有Ν型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)5，N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)5上端與臺(tái)階頂部齊平，N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)5上端設(shè)置有N型歐姆接觸電極6，N型歐姆接觸電極6的形狀與N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)5形狀相同，N型SiC歐姆接觸摻雜區(qū)5和N型歐姆接觸電極6的寬度均為0.5μπι?2μπι，Ν型歐姆接觸電極6包括從下而上依次設(shè)置的Ni層和Pt層構(gòu)成，Ni層的厚度為200nm?40