[0001] 本发明属于微电子领域，尤其涉及一种基于碳化硅的指状肖特基接触式核电池，可用于将同位素放射的核能直接转换为电能。技术背景

[0002] Elgin-Kidde在1957年首先将β-Voltaic Effect用在电源供应方面，成功实验制造出第一个同位素微电池(β-Voltaic Battery)。从1989年以来，GaN，GaP，AlGaAs，多晶硅等材料相继被利用作为β-Voltaic电池的材料。随着宽禁带半导体材料SiC的制备和工艺技术的进步，2006年开始，国际上相继出现了SiC基同位素电池的相关报道。

[0003] 文 献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，064101(2006)《Demonstration of atadiation resistant，hight efficiency SiC betavoltaic》”介绍了由美国新墨西哥州Qynergy Corporation的C.J.Eiting，V.Krishnamoorthy，andS.Rodgers，T.George和美国哥伦比亚密苏里大学的J.David Roberston and JohnBrockman等人共同提出了碳化硅p-i-n结式核电池，如图7所示，该p-i-n结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、p型欧姆接触层12、p型高掺杂SiC层9、p型SiC层11、本征i层10、n高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。

[0004] 文 献“APPLIED PHYSICS LETTERS 88，033506(2006)《Demonstration of a4HSiC betavoltaic cell》”介绍了由美国纽约Cornell大学的M.V.S.Chandrashekhar，C.I.Tomas，Hui Li，M.G.Spencer and Amit Lal等人提出了碳化硅pn结式核电池，如图8所示，该pn结式核电池自上而下依次包括放射性同位素源3、欧姆接触电极7、n型高掺杂SiC层14、p型低掺杂SiC层8、p型高掺杂SiC层9和p型欧姆接触层12。

[0005] 中国专利CN 101325093A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，如图9所示，该肖特基结式核电池自上而下依次包括键合层1、肖特基金属层13、SiO2钝化层4、n型低掺杂SiC外延层5、n型高掺杂SiC衬底6、欧姆接触电极7。

[0006] 但是，SiC材料的工艺加工比较困难。在制备SiC PN结时，一般是采用同质外延生长低掺杂的n型层，之后再用同质外延或粒子注入技术在表面制备一层高掺杂的p型层，这种碳化硅PN结和PIN结核电池在工艺和结构上都存在一定的缺陷。采用同质外延制备P型层往往掺杂浓度不高，内建电势相应较低，且会给p型欧姆接触的制备带来困难；采用离子注入方法形成p型层工艺比较复杂，而且对注入杂质的高温激活过程会造成表面损伤，增强表面复合效应，加大器件的漏电流，影响电池特性。在结构上只有耗尽区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。这种PN结结构中，为了防止欧姆接触电极阻挡入射粒子，必须将欧姆电极过载器件的一个角落，但这样会使离欧姆电极远的辐照生载流子在输运过程中被复合，而且入射粒子必须穿过表面的SiO2钝化层和部分P型层，造成能量损失，降低能量转换效率。

[0007] 中国专利CN 101325093A公开的核电池采用肖特基结结构，避免了上述PN结工艺实现难的问题，但是该肖特基结核电池肖特基接触层覆盖整个电池区域，如图8所示，由于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，这种结构的核电池入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。

[0034] 参照图1，图2和图3，本发明的核电池采用掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3的15 15 -3
SiC高掺杂n型SiC衬底6；衬底上面是一层掺杂浓度为1×10 ～5×10 cm 的n型低掺杂外延层5；衬底6背面是由厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au组成的欧姆接触电极
7；n型低掺杂外延层5上为指状肖特基接触层2，如图5所示，该指状肖特基接触层厚度小于等于20nm，由一条水平指条和m条垂直指条组成，m≥3，m条垂直指条分布于水平指条的同一侧，水平指条的宽度H为垂直指条宽度h的a倍，2≤a≤15，水平指条的长度L是垂直指条长度R的b倍，1≤b≤20，垂直指条间距： 其中，W为
肖特基结耗尽区宽度，ε为碳化硅介电常数，e为电子电量，Vbi为内建电势差，Nd为低掺杂外延层掺杂浓度；指状接触层垂直指条以及垂直指条之间的低掺杂碳化硅外延层上为放射性同位素源层3；水平指条上面是由Cr/Au组成的键合层1，如图4所示；放射性同位素层3周围是SiO2钝化层4。

[0035] 参照图6，本发明的制作方法通过下面实施例说明。

[0036] 实施例1

[0037] 第1步，SiC高掺杂n型衬底上外延低掺杂n型外延层，如图6a。

[0038] 选用掺杂浓度为5×1018cm-3的SiC高掺杂n型SiC基片作衬底6，清洗后，用低压热壁化学汽相淀积法在外延面上生长厚度约为3μm掺杂浓度为5×1015cm-3的4H-SiC低掺杂外延层5，其外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气。

[0039] 第2步，在外延层上形成SiO2钝化层，如图6b。

[0040] 在1100±50℃温度下，对外延后的衬底样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO2钝化层。

[0041] 第3步，在衬底背面形成欧姆接触，如图6c。

[0042] (3.1)用反应离子刻蚀法在衬底6的背面刻蚀厚度为0.5μm的SiC层；

[0043] (3.2)在刻蚀后的衬底6背面用电子束蒸发厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au；

[0044] (3.3)在1100±50℃温度下，氮气气氛中对样品退火2分钟形成欧姆接触电极7。

[0045] 第4步，在SiO2钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗，如图6d。

[0046] (4.1)在SiO2钝化层上旋涂光刻胶；

[0047] (4.2)光刻制作阻挡层；

[0048] (4.3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO2钝化层4中刻蚀出电池的有效区域。

[0049] 第5步，在衬底正面涂胶，使用带指状结构形状的光刻板，光刻出指状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Ni，通过超声波剥离形成由一条水平指条和3条垂直指条组成的指状肖特基接触层，如图6e。

[0050] 第6步，在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平指条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层，如图6f。

[0051] 第7步，在肖特基接触层的每个垂直指条及垂直指条之间的外延层上，电镀放射性同位素源Ni-63层，如图6g。

[0052] 实施例2

[0053] 第一步，SiC高掺杂n型衬底上外延低掺杂n型外延层。

[0054] 选用掺杂浓度为1×1018cm-3的SiC高掺杂n型SiC基片作衬底6，清洗后，用低压15 -3
热壁化学汽相淀积法在外延面上生长厚度约为3μm掺杂浓度为3×10 cm 的4H-SiC低掺杂外延层5，其外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气。

[0055] 第二步，在外延层上形成SiO2钝化层。

[0056] 在1100±50℃温度下，对外延后的衬底样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO2钝化层。

[0057] 第三步，在衬底背面形成欧姆接触。

[0058] (3.1)用反应离子刻蚀法在衬底6的背面刻蚀厚度为0.5μm的SiC层；

[0059] (3.2)在刻蚀后的衬底6背面用电子束蒸发厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au；

[0060] (3.3)在1100±50℃温度下，氮气气氛中对样品退火2分钟形成欧姆接触电极7。

[0061] 第四步，在SiO2钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。

[0062] (4.1)在SiO2钝化层上旋涂光刻胶；

[0063] (4.2)光刻制作阻挡层；

[0064] (4.3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO2钝化层4中刻蚀出电池的有效区域。

[0065] 第五步，在衬底正面涂胶，使用带指状结构形状的光刻板，光刻出指状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Pt，通过超声波剥离形成由一条水平指条和20条垂直指条组成的指状肖特基接触层。

[0066] 第六步，在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平指条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层。

[0067] 第七步，肖特基接触层的每个垂直指条及垂直指条之间的外延层上，化学镀放射性同位素源Ni-63层。

[0068] 实施例3

[0069] 第A步，SiC高掺杂n型衬底上外延低掺杂n型外延层。

[0070] 选用掺杂浓度为5×1017cm-3的SiC高掺杂n型SiC基片作衬底6，清洗后，用低压15 -3
热壁化学汽相淀积法在外延面上生长厚度约为3μm掺杂浓度为1×10 cm 的4H-SiC低掺杂外延层5，其外延温度为1570℃，压强100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载气为纯氢气。

[0071] 第B步，在外延层上形成SiO2钝化层。

[0072] 在1100±50℃温度下，对外延后的样品进行两小时的干氧氧化，形成SiO2钝化层。

[0073] 第C步，在衬底背面形成欧姆接触。

[0074] (C1)用反应离子刻蚀法在衬底6的背面刻蚀厚度为0.5μm的SiC层；

[0075] (C2)在刻蚀后的衬底6背面用电子束蒸发厚度分别为200/50/200nm的Ni/Cr/Au；

[0076] (C3)在1100±50℃温度下，氮气气氛中对样品退火2分钟形成欧姆接触电极7。

[0077] 第D步，在SiO2钝化层上涂胶，光刻制作阻挡层，用HF酸腐蚀开窗。

[0078] (D1)在SiO2钝化层上旋涂光刻胶；

[0079] (D2)光刻制作阻挡层；

[0080] (D3)用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，在SiO2钝化层4中刻蚀出电池的有效区域。

[0081] 第E步，在衬底正面涂胶，使用带指状结构形状的光刻板，光刻出指状图形，淀积半透明高势垒肖特基金属Cu，通过超声波剥离形成由一条水平指条和60条垂直指条组成的指状肖特基接触层。

[0082] 第F步，在衬底正面涂胶，在肖特基接触层水平指条正上方光刻开窗，电子束蒸发Cr/Au，并通过超声波剥离形成键合层。

[0083] 第G步，肖特基接触层的每个垂直指条及垂直指条之间的外延层上，分子镀放射性同位素源Ni-63层。

[0084] 上述实施例不构成对本发明的任何限制，特别是指状肖特基层中的垂直指条个数，需根据实际应用所要求的输出功率来确定。