矽基高性能β輻伏電池及其製作方法與流程

2023-06-16 11:25:41 2

本發明涉及一種輻伏電池，尤其涉及一種矽基高性能β輻伏電池及其製作方法。

背景技術：

由於輻伏同位素電池技術還處於發展階段，現有的輻伏同位素電池性能還較差，尤其是存在輸出功率較低的問題。

技術實現要素：

針對背景技術中的問題，本發明提出了一種矽基高性能β輻伏電池，其創新在於：所述矽基高性能β輻伏電池由N型矽外延層、P型保護環、P型有源區、N型矽襯底、二氧化矽層、氮化矽層、電極、電極層和硼矽玻璃層組成；

所述N型矽外延層形成在N型矽襯底的上端面上，所述P型保護環和P型有源區均形成在N型矽外延層上端的表層中，P型保護環環繞在P型有源區的周向外圍，P型保護環內壁與P型有源區的外壁接觸；所述硼矽玻璃層設置在N型矽外延層的上端面上，硼矽玻璃層和P型有源區的周向輪廓相同；二氧化矽層設置在N型矽外延層的上端面上，二氧化矽層將N型矽外延層上端面上硼矽玻璃層以外的區域覆蓋；氮化矽層覆蓋在二氧化矽層和硼矽玻璃層的表面；P型保護環正上方的結構體中設置有電極孔，電極設置在電極孔中，電極層設置在N型矽襯底的下端面上。

本發明與現有技術最大的不同在於：現有技術中，僅用二氧化矽膜或氮化矽膜來將P型有源區的上方覆蓋，這種結構的β輻伏電池其輸出功率較低，為了改善產品性能，發明人進行了大量實驗，實驗過程中，發明人發現，將單一的二氧化矽膜或氮化矽膜改為硼矽玻璃和氮化矽複合層後，β輻伏電池的輸出功率和抗輻射能力得到了明顯提高，改進前和改進後的電池性能對比見下表：

由上表可見，採用本發明方案後，單個電池的輸出開路電壓和短路電流都比改進前提高了20％；由四個電池串聯後再兩組並聯的電池陣列輸出功率提高了接近40％；加輻射源輻照後，電池輸出短路電流衰減由改進前的42％減小到了8％，極大的提高了電池的抗輻射能力。

基於前述方案，本發明還提出了一種矽基高性能β輻伏電池的製作方法，所述矽基高性能β輻伏電池的結構如前所述；所述製作方法的具體步驟如下：

1)製作N型矽襯底；

2)採用外延生長工藝，在N型矽襯底的上端面上生長N型矽外延層；

3)採用高溫氧化工藝，在器件表面生長二氧化矽層；

4)在二氧化矽層上的相應位置光刻出保護環摻雜區，然後將保護環摻雜區範圍內的二氧化矽層去掉；

5)採用高溫硼擴散工藝，對保護環摻雜區進行深結硼摻雜，獲得P型保護環；

6)在二氧化矽層上的相應位置光刻出有源摻雜區，然後將有源摻雜區範圍內的二氧化矽層去掉；

7)採用高溫硼擴散工藝，對有源摻雜區進行淺結硼摻雜，獲得P型有源區和硼矽玻璃層；

8)採用高溫LPCVD工藝，在器件表面澱積氮化矽層；

9)在器件上的相應位置製作電極；

10)將N型矽襯底的下端面減薄，在N型矽襯底的下端面上製作電極層。

優選地，所述N型矽外延層的電阻率為0.1～10Ω·cm、厚度為20～50μm；所述電極採用Cr/Au雙層金屬膜；所述電極層採用Cr/Au雙層金屬膜；所述P型保護環的摻雜濃度為5×1019/cm3～1×1020/cm3、結深為1.0～1.5μm；所述P型有源區的摻雜濃度為1～5×1019/cm3、結深為0.5～1.0μm；所述硼矽玻璃層的厚度為10～30nm；所述氮化矽層的厚度為20～30nm。

本發明的有益技術效果是：提供了一種矽基高性能β輻伏電池及其製作方法，相比於現有技術，該輻伏電池具有較高的輸出功率和抗輻射能力。

附圖說明

圖1、本發明的斷面結構示意圖；

圖中各個標記所對應的名稱分別為：N型矽外延層1、P型保護環2、P型有源區3、N型矽襯底4、二氧化矽層5、氮化矽層6、電極7、電極層8、硼矽玻璃層9。

具體實施方式

一種矽基高性能β輻伏電池，其創新在於：所述矽基高性能β輻伏電池由N型矽外延層1、P型保護環2、P型有源區3、N型矽襯底4、二氧化矽層5、氮化矽層6、電極7、電極層8和硼矽玻璃層9組成；

所述N型矽外延層1形成在N型矽襯底4的上端面上，所述P型保護環2和P型有源區3均形成在N型矽外延層1上端的表層中，P型保護環2環繞在P型有源區3的周向外圍，P型保護環2內壁與P型有源區3的外壁接觸；所述硼矽玻璃層9設置在N型矽外延層1的上端面上，硼矽玻璃層9和P型有源區3的周向輪廓相同；二氧化矽層5設置在N型矽外延層1的上端面上，二氧化矽層5將N型矽外延層1上端面上硼矽玻璃層9以外的區域覆蓋；氮化矽層6覆蓋在二氧化矽層5和硼矽玻璃層9的表面；P型保護環2正上方的結構體中設置有電極孔，電極7設置在電極孔中，電極層8設置在N型矽襯底4的下端面上。進一步地，所述N型矽外延層1的電阻率為0.1～10Ω·cm、厚度為20～50μm；所述電極7採用Cr/Au雙層金屬膜；所述電極層8採用Cr/Au雙層金屬膜；所述P型保護環2的摻雜濃度為5×1019/cm3～1×1020/cm3、結深為1.0～1.5μm；所述P型有源區3的摻雜濃度為1～5×1019/cm3、結深為0.5～1.0μm；所述硼矽玻璃層9的厚度為10～30nm；所述氮化矽層6的厚度為20～30nm。

一種矽基高性能β輻伏電池的製作方法，所述矽基高性能β輻伏電池由N型矽外延層1、P型保護環2、P型有源區3、N型矽襯底4、二氧化矽層5、氮化矽層6、電極7、電極層8和硼矽玻璃層9組成；

所述N型矽外延層1形成在N型矽襯底4的上端面上，所述P型保護環2和P型有源區3均形成在N型矽外延層1上端的表層中，P型保護環2環繞在P型有源區3的周向外圍，P型保護環2內壁與P型有源區3的外壁接觸；所述硼矽玻璃層9設置在N型矽外延層1的上端面上，硼矽玻璃層9和P型有源區3的周向輪廓相同；二氧化矽層5設置在N型矽外延層1的上端面上，二氧化矽層5將N型矽外延層1上端面上硼矽玻璃層9以外的區域覆蓋；氮化矽層6覆蓋在二氧化矽層5和硼矽玻璃層9的表面；P型保護環2正上方的結構體中設置有電極孔，電極7設置在電極孔中，電極層8設置在N型矽襯底4的下端面上；

所述製作方法的步驟如下：

1)製作N型矽襯底4；

2)採用外延生長工藝，在N型矽襯底4的上端面上生長N型矽外延層1；

3)採用高溫氧化工藝，在器件表面生長二氧化矽層5；

4)在二氧化矽層5上的相應位置光刻出保護環摻雜區，然後將保護環摻雜區範圍內的二氧化矽層5去掉；

5)採用高溫硼擴散工藝，對保護環摻雜區進行深結硼摻雜，獲得P型保護環2；

6)在二氧化矽層5上的相應位置光刻出有源摻雜區，然後將有源摻雜區範圍內的二氧化矽層5去掉；

7)採用高溫硼擴散工藝，對有源摻雜區進行淺結硼摻雜，獲得P型有源區3和硼矽玻璃層9；

8)採用高溫LPCVD工藝，在器件表面澱積氮化矽層6；

9)在器件上的相應位置製作電極7；

10)將N型矽襯底4的下端面減薄，在N型矽襯底4的下端面上製作電極層8。

進一步地，所述N型矽外延層1的電阻率為0.1～10Ω·cm、厚度為20～50μm；所述電極7採用Cr/Au雙層金屬膜；所述電極層8採用Cr/Au雙層金屬膜；所述P型保護環2的摻雜濃度為5×1019/cm3～1×1020/cm3、結深為1.0～1.5μm；所述P型有源區3的摻雜濃度為1～5×1019/cm3、結深為0.5～1.0μm；所述硼矽玻璃層9的厚度為10～30nm；所述氮化矽層6的厚度為20～30nm。