一种基于碳化硅材料的微型核电池及其制备方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳化硅材料的微型核电池及其制备方法
本专利技术涉及半导体微器件的
，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。
技术介绍
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.GuoandH.J.Zhang,ChinesePhysicsLetters,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-SiCPIN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。
技术实现思路
针对相关技术中存在的不足，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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。优选地，所述高掺杂碳化硅单晶衬底为P型高掺杂4H-SiC单晶衬底；所述碳化硅一维纳米线阵列由所述P型高掺杂4H-SiC单晶衬底的正面生长而成；所述PN结区域由所述碳化硅一维纳米线阵列被进行N型掺杂而成；所述第一欧姆接触电极为呈叉指状的多层薄膜结构，且由下至上依次为Ti层、Ni层、Au层；所述放射源层的制作材料为同位素放射源；所述第二欧姆接触电极为多层薄膜结构，且由上至下依次为Ti层、Al层、Au层。优选地，所述高掺杂碳化硅单晶衬底为N型高掺杂4H-SiC单晶衬底；所述碳化硅一维纳米线阵列由所述N型高掺杂4H-SiC单晶衬底的正面生长而成；所述PN结区域由所述碳化硅一维纳米线阵列被进行P型掺杂而成；所述第一欧姆接触电极为呈叉指状的多层薄膜结构，且由下至上依次为Ti层、Al层、Au层；所述放射源层的制作材料为同位素放射源；所述第二欧姆接触电极为多层薄膜结构，且由上至下依次为Ti层、Ni层、Au层。相应地，一种基于碳化硅材料的微型核电池的制备方法，包括：S101、提供高掺杂碳化硅单晶衬底；S102、采用高温熔盐电化学腐蚀工艺，在所述高掺杂碳化硅单晶衬底的正面制备碳化硅一维纳米线阵列；S103、采用离子注入工艺，对所述碳化硅一维纳米线阵列进行半导体掺杂，得到基于碳化硅一维纳米线阵列的PN结区域；S104、采用磁控溅射工艺，在所述碳化硅一维纳米线阵列的PN结区域表面沉积金属薄膜，形成第一欧姆接触电极；在所述高掺杂碳化硅单晶衬底的背面沉积金属薄膜，形成第二欧姆接触电极；S105、采用电化学沉积工艺，在所述第一欧姆接触电极上沉积放射源，形成放射源层。优选地，S102步骤中，所述采用高温熔盐电化学腐蚀工艺，在所述高掺杂碳化硅单晶衬底的正面制备碳化硅一维纳米线阵列，具体包括：将所述高掺杂碳化硅单晶衬底分别放入丙酮、乙醇、去离子水溶液中进行超声清洗，5～10分钟后取出；然后放入具有铂片的400～600℃的高温电解液溶液中进行电化学腐蚀，电化学腐蚀过程中，所述高掺杂碳化硅单晶衬底作为阳极，所述铂片作为阴极；施加一定的电压，经过10～20分钟后，将所述高掺杂碳化硅单晶衬底取出，冷却、清洗、干燥，即可获得所述高掺杂碳化硅单晶衬底上的碳化硅一维纳米线阵列。优选地，S103步骤中，所述采用离子注入工艺，对所述碳化硅一维纳米线阵列进行半导体掺杂，得到基于碳化硅一维纳米线阵列的PN结区域，具体包括：在600～700℃的温度下，从正面分别对所述碳化硅一维纳米线阵列进行两次半导体离子注入，然后在Ar气的保护气氛下，在1300～1500℃的温度环境中退火10～20分钟，即可在所述碳化硅一维纳米线阵列上获得PN结区域。优选地，S104步骤中，所述采用磁控溅射工艺，在所述碳化硅一维纳米线阵列的PN结区域表面沉积金属薄膜，形成第一欧姆接触电极，在所述高掺杂碳化硅单晶衬底的背面沉积金属薄膜，形成第二欧姆接触电极，具体包括：采用磁控溅射工艺，在所述碳化硅一维纳米线阵列的PN结区域表面沉积呈叉指状的多层金属薄膜，形成第一欧姆接触电极；采用磁控溅射工艺，在所述高掺杂碳化硅单晶衬底的背面沉积多层金属薄膜，形成第二欧姆接触电极；在Ar气的保护气氛下，在900～1000℃的温度环境中退火3～7分钟；其中：若所述PN结区域由所述碳化硅一维纳米线阵列被进行N型掺杂而成，则所述第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳化硅材料的微型核电池，其特征在于：包括：高掺杂碳化硅单晶衬底(101)，所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的正面具有碳化硅一维纳米线阵列(102)，所述碳化硅一维纳米线阵列(102)具有PN结区域，所述碳化硅一维纳米线阵列(102)的PN结区域上面具有第一欧姆接触电极(103)，所述第一欧姆接触电极(103)上具有放射源层(104)，所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的背面具有第二欧姆接触电极(105)。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳化硅材料的微型核电池，其特征在于：包括：高掺杂碳化硅单晶衬底(101)，所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的正面具有碳化硅一维纳米线阵列(102)，所述碳化硅一维纳米线阵列(102)具有PN结区域，所述碳化硅一维纳米线阵列(102)的PN结区域上面具有第一欧姆接触电极(103)，所述第一欧姆接触电极(103)上具有放射源层(104)，所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的背面具有第二欧姆接触电极(105)。2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅材料的微型核电池，其特征在于：所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)为P型高掺杂4H-SiC单晶衬底；所述碳化硅一维纳米线阵列(102)由所述P型高掺杂4H-SiC单晶衬底的正面生长而成；所述PN结区域由所述碳化硅一维纳米线阵列(102)被进行N型掺杂而成；所述第一欧姆接触电极(103)为呈叉指状的多层薄膜结构，且由下至上依次为Ti层、Ni层、Au层；所述放射源层(104)的制作材料为同位素放射源；所述第二欧姆接触电极(105)为多层薄膜结构，且由上至下依次为Ti层、Al层、Au层。3.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅材料的微型核电池，其特征在于：所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)为N型高掺杂4H-SiC单晶衬底；所述碳化硅一维纳米线阵列(102)由所述N型高掺杂4H-SiC单晶衬底的正面生长而成；所述PN结区域由所述碳化硅一维纳米线阵列(102)被进行P型掺杂而成；所述第一欧姆接触电极(103)为呈叉指状的多层薄膜结构，且由下至上依次为Ti层、Al层、Au层；所述放射源层(104)的制作材料为同位素放射源；所述第二欧姆接触电极(105)为多层薄膜结构，且由上至下依次为Ti层、Ni层、Au层。4.一种基于碳化硅材料的微型核电池的制备方法，其特征在于：包括：S101、提供高掺杂碳化硅单晶衬底(101)；S102、采用高温熔盐电化学腐蚀工艺，在所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的正面制备碳化硅一维纳米线阵列(102)；S103、采用离子注入工艺，对所述碳化硅一维纳米线阵列(102)进行半导体掺杂，得到基于碳化硅一维纳米线阵列(102)的PN结区域；S104、采用磁控溅射工艺，在所述碳化硅一维纳米线阵列(102)的PN结区域表面沉积金属薄膜，形成第一欧姆接触电极(103)；在所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的背面沉积金属薄膜，形成第二欧姆接触电极(105)；S105、采用电化学沉积工艺，在所述第一欧姆接触电极(103)上沉积放射源，形成放射源层(104)。5.根据权利要求4所述的一种基于碳化硅材料的微型核电池的制备方法，其特征在于：S102步骤中，所述采用高温熔盐电化学腐蚀工艺，在所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)的正面制备碳化硅一维纳米线阵列(102)，具体包括：将所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)分别放入丙酮、乙醇、去离子水溶液中进行超声清洗，5～10分钟后取出；然后放入具有铂片的400～600℃的高温电解液溶液中进行电化学腐蚀，电化学腐蚀过程中，所述高掺杂碳化硅单晶衬底(101)作为阳极，所述铂片作为阴极；施加一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红梅，尉国栋，
申请(专利权)人：山西大同大学，
类型：发明
国别省市：山西,14