[发明专利]一种基于碳化硅材料的微型核电池及其制备方法

说明书

本发明提供的一种基于碳化硅材料的微型核电池，包括：高掺杂碳化硅单晶衬底，所述高掺杂碳化硅单晶衬底的正面具有碳化硅一维纳米线阵列，所述碳化硅一维纳米线阵列具有PN结区域，所述碳化硅一维纳米线阵列的PN结区域上面具有第一欧姆接触电极，所述第一欧姆接触电极上具有放射源层，所述高掺杂碳化硅单晶衬底的背面具有第二欧姆接触电极；本发明提供的微型核电池结构新颖合理、能量转换效率较高、制备成本较低，适用于半导体微器件领域。

技术领域

本发明涉及半导体微器件的技术领域，具体涉及一种基于碳化硅材料的微型核电池及其制备方法。

背景技术

辐致伏特效应(RV)微型核电池是通过半导体PN结将放射性同位素衰变所放射出的粒子能(如α粒子、β粒子和γ射线)转换为电能的装置。它具有能量密度大、体积小、寿命长、工作稳定性好和易于集成等优点，且其换能结构简单，加工工艺成熟，具有广阔的发展前景，被用作各种存储器和MEMS系统的动力源，以及航天等极端情况下的长寿命、长期工作无需维护的移动电源。一般来说，RV核电池是由放射源和半导体换能单元这两个主要部分组成，其中半导体换能单元是核心，其性能的高低决定了核电池的转换效率和能量密度等主要性能参数。

碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、抗辐射能力强等优点，基于SiC材料的核电池具有更高的开启电压、更低的漏电流、更高的能量转换效率和持续稳定的电能输出。值得指出的是，SiC是目前唯一可以用热氧化法生长高质量SiO2钝化层的化合物半导体，不但很容易地掺杂形成P型或N型导电材料，而且与硅半导体平面工艺相兼容，这使其成为国内外微型核电池研究的热点。目前国际上已经报道了碳化硅PN结和PiN结辐照电池的研究：2008年，西安电子科技大学的张林和西北工业大学的乔大勇等人联合报道了一种基于4H-SiC肖特基结的微型核电池“D.Y.Qiao,W.Z.Yuan,P.Gao,X.W.Yao,B.Zang,L.Zhang,H.Guo and H.J.Zhang,Chinese Physics Letters,2008,25,3798.”，在Ni-63源的辐照下，该微型同位素电池的开路电压为0.49V，短路电流密度为29.4nA/cm2，转换效率为1.2％；2012年，西安电子科技大学的张玉明课题组制备了4H-SiC PIN微电池“4H-SiCβ射线核电池和探测器的研究，2012年西安电子科技大学硕士毕业论文，张玉娟”，其在Ni-63源的辐照下，电池的有效转换效率达到了2.69％。

虽然国际和国内已经出现对碳化硅核电池的研究，但是目前所报道的碳化硅基核电池的转化效率仍然较低，这主要是由以下问题引起的：

1、换能单元结构的问题：根据现有文献和相关专利报道，基于碳化硅材料的微型核电池，其换能结构大多采用薄膜结构。这些薄膜结构一般来说是借助化学气相法同质外延制备而成，基于这种多晶薄膜的PN结和PiN结辐照电池在工艺和结构上均存在一定的缺陷，如采用同质外延的制备的P型层往往掺杂浓度不高，给P型欧姆接触的制备带来困难；同时多晶薄膜过多的表面缺陷和体缺陷使器件的漏电流和暗电流增大，从而影响电池最终性能。

2、换能单元与辐射源的接触面积的问题

由于传统的换能单元均为体材料或薄膜材料，虽然可以通过电化学腐蚀制备出倒三角表面结构来增大器件与辐射源的接触面积，但是这种有益结果非常有限，进而极大地限制了粒子的捕获和能量的转换效率。同时，为了实现一定的转换效率，不得不提高放射源的使用量，继而增加核电池的使用成本。另外，基于薄膜的PN结构中，为了防止欧姆接触电极阻挡入射粒子，必须将欧姆电极做在器件的某一角，这会造成离欧姆电极远的辐照生载流子在输运的过程中被表面的缺陷复合掉，造成能量损失，降低能量转换效率。

发明内容

针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种结构新颖合理、能量转换效率较高、制备成本较低的一种基于碳化硅材料的微型核电池及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：