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夹心并联式PIN型Β辐照电池及其制备方法.pdf

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夹心 并联 PIN 辐照 电池 及其 制备 方法
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摘要
申请专利号:

CN201410300602.9

申请日:

2014.06.29

公开号:

CN104134480A

公开日:

2014.11.05

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法?#19978;?#24773;: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G21H 1/06申请公布日:20141105|||实质审查的生效IPC(主分类):G21H 1/06申请日:20140629|||公开
IPC分类号: G21H1/06 主分类号: G21H1/06
申请人: 西安电子科技大学
发明人: 郭辉; 黄海栗; 宋庆文; 张艺蒙; 张玉明
地址: 710071 陕西省西安市太白南路2号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 陕西电子工业专利中心 61205 代理人: 王品华;朱红星
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410300602.9

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2017.02.08|||2014.12.10|||2014.11.05

法律状态类型:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种夹心并联式PIN型β辐照电池及其制备方法,主要解决当前核电池能量转化率及输出功率低的问题。其包括:并联的上、下两个PIN结和?#36335;?#23556;源层;下PIN结自下而上依次为,N型?#32442;方?#35302;电极、N型高掺杂4H-SiC衬底、N型低掺杂外延层、P型高掺杂外延层和P型?#32442;方?#35302;电极,上PIN结自上而下的结构分布与下PIN结自下而上的结构分布相同;?#36335;?#23556;源层夹在上下两个PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极之间,以实现对高能β粒子的充分利用。本发明具有放射源与半导体接触面积大,核原料利用率及能量收集率高,电池输出电压大的优点,可为微小电路持久供电,或为极地、?#34924;?#31561;需要长期供电但无人看守的场合供电。

权利要求书

权利要求书
1.  一种夹心并联式PIN型β辐照电池,包括:PIN单元和?#36335;?#23556;源层,其特征在于:
所述PIN单元,采用由上下两个PIN结并联构成;下PIN结自下而上依次为,N型?#32442;方?#35302;电极(5)、N型高掺杂4H-SiC衬底(1)、N型低掺杂外延层(2)、P型高掺杂外延层(3)和P型?#32442;方?#35302;电极(4);上PIN结自下而上依次为,P型?#32442;方?#35302;电极(4)、P型高掺杂外延层(3)、N型低掺杂外延层(2)、N型高掺杂4H-SiC衬底(1)和N型?#32442;方?#35302;电极(5);
所述?#36335;?#23556;源层(6),夹在上下两个PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极(4)之间,以实现对高能β粒子的充分利用。

2.  根据权利要求1所述的电池,其特征在于?#36335;?#23556;源层(6)采用原子质量为63的镍,即Ni63。

3.  根据权利要求1所述的电池,其特征在于?#36335;?#23556;源层(6)原子质量为147的钷,即Pm147。

4.  根据权利要求1或2或3所述的电池,其特征在于?#36335;?#23556;源层(6)的厚度h满足h≤m,其中m为?#36335;?#23556;源所释放的高能β粒子在?#36335;?#23556;源材料中的平均入射深度,?#26434;訐路?#23556;源为Ni63的,其取值为:m=10μm,?#26434;訐路?#23556;源为Pm147的,其取值为:m=16μm。

5.  根据权利要求1所述的电池,其特征在于N型低掺杂外延层(2)的厚度L满足L≥g,其中,g为?#36335;?#23556;源所释放的高能β粒子在4H-SiC中的平均入射深度,?#26434;訐路?#23556;源为Ni63的,其取值为:g=10μm,?#26434;訐路?#23556;源为Pm147的,其取值为:g=15μm。

6.  根据权利要求1所述的电池,其特征在于衬底(1)采用掺杂浓度为lx1018cm-3的N型4H-SiC,P型高掺杂外延层(3)和N型低掺杂外延层(2)均为4H-SiC外延,其中P型高掺杂外延层(3)的掺杂浓度为1x1019~5x1019cm-3,厚度为0.1~0.2μm,N型低掺杂外延层(2)的掺杂浓度为1x1015~2x1015cm-3。

7.  一种夹心并联式PIN型β辐照电池的制备方法,包括以下步骤:
第一步,制作下PIN结:

1.  1)对SiC样片进?#26143;?#27927;,以去除表面污染物;

1.  2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的SiC样片表面外延生长一层掺杂浓度为1x1015~2x1015cm-3,厚度为15~30μm的N型低掺杂外延层;

1.  3)利用化学气相淀积CVD法在N型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x1019~5x1019cm-3,厚度为0.1~0.2μm的P型高掺杂外延层;

1.  4)利用电子束蒸发法在P型高掺杂外延层表面和SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层,分别作为P型?#32442;方?#35302;电极和N型?#32442;方?#35302;电极;1100℃下氮气气氛中快速退火3分钟。
第二步,重复步骤1.1)到步骤1.4)制作上PIN结。
第三步,利用分子镀在下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极或者上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上镀一层厚度为3.5~7μm的?#36335;?#23556;源。
第四步,利用键合法将上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极一面与下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极一面压合在?#40644;穡?#23436;成夹心并联式PIN型β辐照电池的制作。

说明书

说明书夹心并联式PIN型β辐照电池及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子领域,涉及半导体器件结构及制备方法,具体地说是一种碳化硅基的夹心并联式PIN型β辐照电池及其制备方法,可用于微纳机电?#20302;?#31561;微小电路和航空航天、深海、极地等需长期供电且无人值守的场合。
技术背景
随着人们?#26434;?#20302;功耗、长寿命、高可靠性和小体积供电设备的需求,以及对核废料处理的关注,微型核电池变得备受关注。微型核电池由于其突出的特点可用来解决微型管道机器人、植入式微?#20302;场?#26080;线传感器节点网络、人工心脏起搏器和便携式移动电子产品等的长期供电问题。并?#22411;?#21462;代太阳能电池和热电式放射性同位素电池,在航天和航空领域解决微/纳卫星、深空无人探测器和离子?#24179;?#22120;等的长期供电问题。
1953年由Rappaport研究发现,利用同位素衰变所产生的贝塔(β-Particle)射线能在半导体内产生电子-空穴对,此现象则被称为β-VoltaicEffect。1957年,Elgin-Kidde首先将β-VoltaicEffect用在电源供应方面,成功制造出第一个同位素微电池β-VoltaicBattery。自2006年,随着宽禁带半导体材料SiC制备和工艺技术的进步,出现了基于SiC的同位素微电池?#21335;?#20851;报道。核电池在应用中,由于激发的高能粒子利用率比较低,能量收集率低,限制了电池的输出电压。由于?#36335;?#23556;源对人体的损伤比?#36335;?#23556;源更小,在医学领域得到更广的应用,如,心脏起搏器。
中国专利CN101325093A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。由于该肖特基结核电池中肖特基接触层覆盖整个电池区域,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?#32440;?#26500;的核电池入射粒子能量损失大,能量转换效?#24335;?#20302;。
?#21335;住癉emonstration of a4HSiC betavoltaic cell”介绍了由美国纽约Cornell 大学的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,HuiLi等人提出了碳化硅PN结式核电池。这?#32440;?#26500;采用的衬底为P型高掺杂衬底,而在其衬底上生长外延层?#21335;?#26377;工艺不成熟,因此,易引入表面缺陷,器件漏电流大,能量转换?#24335;?#20302;。
?#21335;住癉emonstration of a tadiation resistant,hight efficiency SiC betavoltaic”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation的C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池,如图1所?#23613;?#35813;PIN核电池自上而下依次为,放射性源7、P型?#32442;方?#35302;电极6、P型高掺杂SiC层4、P型SiC层3、本征i层2、n型高掺杂SiC衬底1和N型?#32442;方?#35302;电极5。这?#32440;?#26500;中,只有耗尽层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。并且,为避免?#32442;方?#35302;电极阻挡入射离子,将P型?#32442;?#30005;极做在器件的一个角落,使得离P型?#32442;?#30005;极较远的辐照生载流子在输运过程中被复合,?#26723;?#20102;能量转化率,减小了电池的输出电流。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足,提出一种夹心并联式PIN型β辐照电池及其制备方法,提高?#36335;?#23556;源的利用率,从而提高电池的输出电流和输出电压。
本发明的技术方案是这样实现的:
一.本发明的夹心并联式PIN型β辐照电池,包括:PIN单元和?#36335;?#23556;源层,其特征在于:
所述PIN单元,采用由上下两个PIN结并联构成;下PIN结自下而上依次为,N型?#32442;方?#35302;电极5、N型高掺杂4H-SiC衬底1、N型低掺杂外延层2、P型高掺杂外延层3和P型?#32442;方?#35302;电极4;上PIN结自下而上依次为,P型?#32442;方?#35302;电极4、P型高掺杂外延层3、N型低掺杂外延层2、N型高掺杂4H-SiC衬底1和N型?#32442;方?#35302;电极5;
所述的?#36335;?#23556;源层6,夹在上下两个PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极4之间,以实现对高能β粒子的充分利用。
作为优选,所述的?#36335;?#23556;源层6采用原子质量为63的镍,即Ni63。
作为优选,所述的?#36335;?#23556;源层6采用原子质量为147的钷,即Pm147。
作为优选,所述的?#36335;?#23556;源层6的厚度h满足h≤m,其中m为?#36335;?#23556;源所释放的高能β粒子在?#36335;?#23556;源材料中的平均入射深度,?#26434;訐路?#23556;源为Ni63的,其取值为:m=10μm,?#26434;訐路?#23556;源为Pm147的,其取值为:m=16μm。
作为优选,所述的N型低掺杂外延层2的厚度L满足L≥g,其中,g为?#36335;?#23556;源所释放的高能β粒子在4H-SiC中的平均入射深度,?#26434;訐路?#23556;源为Ni63的,其取值为:g=10μm,?#26434;訐路?#23556;源为Pm147的,其取值为:g=15μm。
作为优选,所述的衬底1采用掺杂浓度为lx1018cm-3的N型4H-SiC,P型高掺杂外延层3和N型低掺杂外延层2均为4H-SiC外延,其中P型高掺杂外延层3的掺杂浓度为1x1019~5x1019cm-3,厚度为0.1~0.2μm,N型低掺杂外延层2的掺杂浓度为1x1015~2x1015cm-3。
二.本发明的制备方法包括以下步骤:
第一步:制作下PIN结:
1.1)对SiC样片进?#26143;?#27927;,以去除表面污染物;
1.2)利用化学气相淀积CVD法在清洗后的SiC样片表面外延生长一层掺杂浓度为1x1015~2x1015cm-3,厚度为15~30μm的N型低掺杂外延层;
1.3)利用化学气相淀积CVD法在N型低掺杂外延层表面外延生长一层掺杂浓度为1x1019~5x1019cm-3,厚度为0.1~0.2μm的P型高掺杂外延层;
1.4)利用电子束蒸发法在P型高掺杂外延层表面和SiC衬底未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层,分别作为P型?#32442;方?#35302;电极和N型?#32442;方?#35302;电极;1100℃下氮气气氛中快速退火3分钟。
第二步,重复步骤1.1)到步骤1.4)制作上PIN结。
第三步,利用分子镀在下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极或者上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上镀一层厚度为3.5~7μm的?#36335;?#23556;源。
第四步,利用键合法将上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极一面与下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极一面压合在?#40644;穡?#23436;成夹心并联式PIN型β辐照电池的制作。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、本发明由于采用衬底材料4H-SiC的禁带宽度比传统Si的禁带宽度大,抗辐照特性更好,可以减小高能β粒子对器件的损伤,提高电池的工作电压,同时延长电池的使用寿命;
2、本发明由于外延的N型低掺杂外延层厚度不小于?#36335;?#23556;源所释放的高能β粒子在4H-SiC中的平均入射深度,可以减少高能β粒子在N型低掺杂外延层中的衰减, 使得高能β粒子集中在P型高掺杂外延层和N型低掺杂外延层界面附近的空间电荷区,提高能量转化率;
3、本发明由于P型高掺杂外延层的厚度为0.1~0.2μm,?#36335;?#23556;源层的厚度不大于?#36335;?#23556;源所释放的高能β粒子在?#36335;?#23556;源材料中的平均入射深度,可以减小高能β粒子在P型高掺杂外延层和?#36335;?#23556;源层中的衰减,提高能量收集率;
4、本发明由于将?#36335;?#23556;源层夹在上下两个PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极之间,较之于现有技术将放射源层置于电池的上表面,节省了?#36335;?#23556;源材料,且提高了?#36335;?#23556;源的利用率,从而提高了电池的能量利用率;
5、本发明由于将两个PIN结并联放置,提高了电池的输出电压。
附图说明
图1是现有的PIN核电池的截面示意图;
图2是本发明夹心并联式PIN型β辐照电池的截面示意图;
图3是本发明制作夹心并联式PIN型β辐照电池的流程示意图。
具体实施方式
参照图2,本发明的辐照电池,包括:PIN单元和?#36335;?#23556;源层,PIN单元由上、下两个PIN结并联构成;下PIN结自下而上依次为,N型?#32442;方?#35302;电极5、N型高掺杂4H-SiC衬底1、N型低掺杂外延层2、P型高掺杂外延层3和P型?#32442;方?#35302;电极4;上PIN结自下而上依次为,P型?#32442;方?#35302;电极4、P型高掺杂外延层3、N型低掺杂外延层2、N型高掺杂4H-SiC衬底1和N型?#32442;方?#35302;电极5;?#36335;?#23556;源层6夹在上下两个PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极4之间,其厚度h满足h≤m,其中m为α放射源所释放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度,?#26434;訐?#25918;射源为Am241的,其取值为:m=7.5μm,?#26434;訐?#25918;射源为Pu238的,其取值为:m=10μm。
电池在工作状态下,?#24212;路?#23556;源层6放射出的高能β粒子穿过上下两个PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极4射入到P型高掺杂外延层3和N型低掺杂外延层2界面附近的空间电荷区,进而激发载流子,形成输出电流。
参照图3,本发明制作夹心并联式PIN型β辐照电池的方法给出如下三个实施例:
实施例1,制备?#36335;?#23556;源为Ni63,?#36335;?#23556;源层厚度为7μm的夹心并联式PIN型β辐照电池。
步骤1:制作下PIN结。
(1a)清洗4H-SiC样片,以去除表面污染物,如图3(a)所?#23613;?
(1a.1)将掺杂浓度为lx1018cm-3的高掺杂n型4H-SiC衬底样片在NH4OH+H2O2?#32422;两?#27873;样品10min,取出后烘干,以去除样品表面有机残余物;
(1a.2)将去除表面有机残余物后的4H-SiC样片再使用HCl+H2O2?#32422;两?#27873;样品10min,取出后烘干,以去除离子污染物。
(1b)外延生长N型低掺杂外延层,如图3(b)所?#23613;?
在清洗后的SiC样片上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为?#21644;?#24310;温度为1570℃,压强为100mbar,反应气体是硅烷和丙烷,载气为纯氢气,杂志源为液态氮气,得到氮掺杂浓度为1x1015cm-3,厚度为15μm的N型低掺杂外延层。
(1c)外延生长P型高掺杂外延层,如图3(c)所?#23613;?
在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝掺杂的P型高掺杂外延层,其工艺条件为?#21644;?#24310;温度为1570℃,压强为100mbar,反应气体是硅烷和丙烷,载气为纯氢气,杂质源为三甲基?#31890;?#24471;到铝掺杂浓度为1x1019cm-3,厚度为0.1μm的P型高掺杂外延层。
(1d)淀积?#32442;方?#35302;电极,如图3(d)所?#23613;?
(1d.1)对完成P型高掺杂外延层生长后的SiC样片进行RCA标准清洗;
(1d.2)将清洗后的样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上,调整载玻片到靶材的距离为50cm,并将反应室压强抽至5×10-4Pa,调节束流为40mA,在SiC样片的P型高掺杂外延层的表面淀积一层厚度为300nm的Ni金属层,作为P型?#32442;方?#35302;电极;
(1d.3)利用电子束蒸发法,在衬底SiC未外延的背面淀积厚度为300nm的Ni金属层,作为N型?#32442;方?#35302;电极。
步骤2:制作上PIN结。
重复步骤(1a)到步骤(1d),得到上PIN结。
步骤3:利用分子镀在下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上电镀一层厚度为7μm的?#36335;?#23556;源Ni63,如图3(e)所?#23613;?
步骤4:利用键合法,将上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上的?#36335;?#23556;源层与下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极压合在?#40644;穡?#24471;到夹心并联式PIN型β辐照电池,如图3(f)所?#23613;?
实施例2,制备?#36335;?#23556;源为Ni63,?#36335;?#23556;源层厚度为6μm的夹心并联式PIN型β辐照电池。
步骤一:制作下PIN结。
1a)清洗4H-SiC样片,以去除表面污染物,如图3(a)。
本步骤与实施例1的步骤(1a)相同。
1b)外延生长N型低掺杂外延层,如图3(b)。
在清洗后的SiC样片上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型掺杂外延层。其工艺条件为?#21644;?#24310;温度为1570℃,压强为100mbar,反应气体是硅烷和丙烷,载气为纯氢气,杂志源为液态氮气,完成氮掺杂浓度为1.5x1015cm-3,厚度为25μm的N型低掺杂外延层的生长。
1c)外延生长P型高掺杂外延层,如图3(c)。
在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝离子掺杂的P型高掺杂外延层,其工艺条件为?#21644;?#24310;温度为1570℃,压强为100mbar,反应气体是硅烷和丙烷,载气为纯氢气,杂质源为三甲基?#31890;?#23436;?#38485;?#25530;杂浓度为3x1019cm-3,厚度为0.15μm的P型高掺杂外延层的生长。
1d)淀积金属接触电极,如图3(d)。
本步骤与实施例一的步骤(1d)相同。
步骤二:制作上PIN结。
重复步骤1a)到步骤1d),得到上PIN结。
步骤三:利用分子镀在下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上电镀一层厚度为6μm的?#36335;?#23556;源Ni63,如图3(e)。
步骤四:利用键合法,将上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极与下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上的?#36335;?#23556;源层压合在?#40644;穡?#24471;到夹心并联式PIN型β辐照电池,如图3(f)所?#23613;?
实施例3,制备?#36335;?#23556;源为Pm147,?#36335;?#23556;源层厚度为3.5μm的夹心并联式PIN 型β辐照电池。
步骤A:制作上PIN结。
(A1)清洗4H-SiC样片,以去除表面污染物,如图3(a)。
本步骤与实施例1的步骤(1a)相同。
(A2)在清洗后的SiC样片上利用化学气相淀积CVD方法外延生长氮掺杂的N型低掺杂外延层。其工艺条件为?#21644;?#24310;温度为1570℃,压强为100mbar,反应气体是硅烷和丙烷,载气为纯氢气,杂志源为液态氮气。得到氮掺杂浓度为2x1015cm-3,厚度为30μm的N型低掺杂外延层如图3(b)。
(A3)在生长的N型低掺杂外延层上利用化学气相淀积CVD法外延生长铝离子掺杂的P型高掺杂外延层,其工艺条件为?#21644;?#24310;温度为1570℃,压强为100mbar,反应气体是硅烷和丙烷,载气为纯氢气,杂质源为三甲基?#31890;?#24471;到铝掺杂浓度为5x1019cm-3,厚度为0.2μm的P型高掺杂外延层如图3(c)。
(A4)淀积金属接触电极,如图3(d)。
本步骤与实施例一的步骤(1d)相同。
步骤B:制作上PIN结。
重复步骤(A1)到步骤(A4),得到上PIN结。
步骤C:利用分子镀分别在上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极和下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上电镀一层厚度为3.5μm的?#36335;?#23556;源Pm147,如图3(e)。
步骤D:将上PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上的?#36335;?#23556;源层与下PIN结的P型?#32442;方?#35302;电极上的?#36335;?#23556;源层压合在?#40644;穡?#24471;到夹心并联式PIN型β辐照电池,如图3(f)。

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本文标题:夹心并联式PIN型Β辐照电池及其制备方法.pdf
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