（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic+pin结同位素电池的研究.pdf

摘要 碳化硅材料具有禁带宽度大，抗辐照能力强等特点，利用其制备的p i n 同位 素电池具有输出电压高，抗干扰能力强，受外界温度、压力、电磁场等影响小， 可长期稳定工作等优点，有着广泛的应用前景。 本文针对基于碳化硅p i n 二极管结构的同位素电池进行了研究，主要研究成 果如下： 一、使用蒙特卡罗软件m c n p 模拟单能电子在金属中能量淀积情况，证明了 金属对b 射线具有很强的阻挡能力，在此基础上设计了5 种不同形状的电极；模 拟n i 6 3b 射线在s i c 中的能量淀积，结果显示n i 6 3p 射线在碳化硅中能量的淀 积随入射深度的增加而指数递减，因此p n 结空间电荷区应尽量靠近表面以达到高 的电荷收集效率。根据能量淀积情况设计p + 层厚度为0 3 p r o ，i 层厚度为3 5 l u n 。 二、建立了同位素电池的基本模型，根据模型估计了设计的同位素电池的性 能参数，并分析了理想因子、串并联电阻、反向饱和漏电流、放射性活度等对电 池性能的影响。模拟结果显示，理想因子越大，输出电压越大；串联电阻较小时 影响不明显，但大于5 1 0 7 q 时，填充因子会明显下降；并联电阻主要影响填充因 子，并联电阻越大，填充因子越大；反向饱和漏电流对开路电压有显著的影响， 其值越小，电池的开路电压越大；放射性活度增加，电池的开路电压短路电流都 会提高，但电流提高效果更为明显。 三、研究了制备同位素电池的主要关键工艺，确定使用c v d 法外延形成p i n 结构，使用台面结构进行器件隔离，p 型欧姆接触使用t i a i a u ，厚度分别为 5 0 1 0 0 1 0 0 n m ，n 型欧姆接触使用t i n i a u ，厚度分别为5 0 4 0 0 1 0 0 n m ；确定了实 验工艺流程，制作光刻版，制作了4 h s i cp i n 结同位素电池样品。 四、对制作的样品进行了测试，t l m 测试结果显示p 型欧姆接触性能良好， 比接触电阻达到了2 5 6 7 x 1 0 5 d c m 2 ，处于国内报道的领先水平，接近国际上文献 报到的碳化硅p 型欧姆接触的最低阻值。从测得的p i n 二极管i v 特性曲线中观 察开启电压约为3 v ，提取理想因子约为2 4 ，反向饱和漏电流密度为1 0 。1 3 a c m 2 。 在放射强度1 0 m c i 、面积2 5 c m 2 的薄片状n i 一6 3 源的辐照下，该电池的开路电压d 为0 9 8 v ，短路电流( i 。) 为0 5 1 h a ( 1 2 7 5 n a c m 2 ) ，最大输出功率( p m “) 为0 3 2 n w ( 8 o n w ，c m 2 ) ，填充因子( f f ) 为o 6 4 。在放射强度6 m c i 、面积2 5 c m 2 的薄片状 n i 6 3 源的辐照下，该电池的开路电压o 为0 9 5 v ，短路电流( i 。) 为0 2 1 n a ( 5 2 5 n a c m 2 ) ，最大输出功率( p m 缸) 为o 1 4 n w ( 3 5 n w c m 2 ) ，填充因子( f f ) 为0 7 4 。 五、对碳化硅材料其它基于p 射线伏特效应的器件进行了初步研究，提出了 摘要 肖特基同位素电池的改进方案及将碳化硅三极管用于p 射线探测器的构想。 关键词：碳化硅p i n 二极管同位素电池核电池p 射线辐射伏特效应 a b s t r a c t a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) i saw i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o r 、析n lg o o da n t i - r a d i a t i o n a b i l i t y d u et oi t s 谢d eb a n d g a p t h ee x p e c t e do p e nc i r c u i tv o l t a g eo fs i cp i nj u n c t i o n r a d i o i s o t o p eb a t t e r yi sh i g h 1 1 1 eb a t t e r ya l s oh a ss t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，h a r d l y a f f e c t e db yt h eo u t s i d et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h eb a t t e r yh a s a p r o s p e c t i v ef u t u r e s i cr a d i o i s o t o p eb a t t e r yw i t l lt h ep i ns t r u c t u r ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r m a i n r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w ： t h ee n e r g yd e p o s i t i o no fm o n o - e n e r g e t i ce l e c t r o n si nm e t a l sf i r es i m u l a t e dw i t h m c n p , p r o v i n gt h a tm e t a lh a sas t r o n gs t o p p i n gp o w e r , 5d i f f e r e n te l e c t r o d ep a t t e r n s a r ed e s i g n e db a s e do nt h ec o n c l u s i o n ；e n e r g yd e p o s i t i o no fs - r a ye m i t t e df r o mn i - 6 3i s s i m u l a t e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ee n e r g yd e p o s i t e di ns i cd e c r e a s e se x p o n e n t i a l l y w i t h p e n e t r a t i o nd e p t h i n o r d e rt oa c h i e v eh i 曲c h a r g ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c y , t h e d e p l e t i o nr e g i o ns h o u l db en e a rt h es u r f a c e b a s e do nt h es i m u l a t i o n ，t h et h i c k n e s so f p + l a y e ra n dil a y e ra r ed e s i g n e dt ob e0 3 j ma n d3 5 g mr e s p e c t i v e l y b a s i cm o d e lo ft h em i c r or a d i o i s o t o p eb a t t e r yi sb u i l t , a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e s i g n e db a t t e r yi se s t i m a t e db a s eo nt h em o d e l e 彘c to fi d e a l i t yf a c t o r , s e r i e s r e s i s t a n c e ，s h u n tr e s i s t a n c e ，r a d i o a c t i v i t yo nt h eb a t t e r yi sa n a l y s e d ，t h es i m u l a t e dr e s u l t i n d i c a t e st h a t ：t h eg r e a t e rt h ei d e a l i t yf a c t o ri s ，t h eh i g h e rt h eo u t p u tv o l t a g ei s ；s m a l l s e r i e sr e s i s t a n c eh a sl i t t l ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c e ，b u tt h ef i l lf a c t o r ( f f ) r e d u c e s s i g n i f i c a n t l yw h e nt h er e s i s t a n c ei sb i g g e rt h a n5 xl0 7q ；s h u n tr e s i s t a n c e m a i n l ya f f e c t f i l lf a c t o r , t h el a r g e rt h er e s i s t a n c e ，t h eb i g g e rt h ef i l lf a c t o r ；l e a k a g ec u r r e n tm a i n l y a f f e c to p e nc i r c u i tv o l t a g e ，t h es m a l l e rt h el e a k a g ec u r r e n t ，t h el a r g e rt h eo p e nc k c u i t v o l t a g e ；i n c r e a s i n gr a d i o a c t i v i t yw i l li m p r o v eb o t ho p e nc i r c u i tv o l t a g e a n ds h o r t c u r r e n t , w i mt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti m p r o v e dm o r es i g n i f i c a n t l y m a j o rk e yp r o c e s s e sd u r i n gt h ef a b r i c a t i o no fr a d i o i s o t o p eb a t t e r yi ss t u d i e d ，w e d e c i d et of o r mt h ep i ns t r u c t u r ev i ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c v d ) ，u s em e s a s t r u c t u r e t oi s o l a t ed i f f e r e n td e v i c e s ，u s e5 0 1o o 10 0 衄t i a 1 a ua spt y p eo h m i c c o n t a c tm e t a l sa n d5 0 4 0 0 1 0 0 n m 删i ，a ua snt y p eo h m i cc o n t a c tm e t a l s t h e f a b r i c a t i o np r o c e s si sd e s i g n e d ，p h o t o m a s ki sm a d ea n dt h e4 h s i cp i nj u n c t i o n r a d i o i s o t o p eb a t t e r yi sf a b r i c a t e d n e s a m p l ei st e s t e d ，t l mt e s tr e s u l ts h o w st h a tg o o dpt y p eo h m i cc o n t a c ti s a b s t r a c t f o r m e dw i t ht h el o w e s ts p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c eo fo n l y2 5 6 7x10 qq 硎2 ，t h i sv a l u e i si nt h ed o m e s t i cl e a d i n gl e v e l ，a n dc l o s et ot h el o w e s ts p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c eo fp t y p es i c i - vc u r v eo b t a i n e ds h o w st h et u r no nv o l t a g ei sa b o u t3 v , i d e a l i t yf a c t o r2 4 a n dl e a k a g ec u r r e n t10 。1 3 a c m 2 。u n d e rt h ei l l u m i n a t i o no f10 m c in i 6 3s o u r c et h a t t a k e su p2 5 c m z ，t h eo p e nc i r c u i tv o l t a g ev o c = 0 9 8 vs h o r tc i r c u i tc u r r e n ti 2 0 51n a ( k = 1 2 7 5 n a c m z ) ，m a x i m u mp o w e rp = 舣- - 0 3 2 n w ( p o w e rd e n s i t yi s8 0 n w c m z ) ，a n df i l l f a c t o rf f = 0 6 4 u n d e rt h ei l l u m i n a t i o no f6 m c in i 6 3s o u r c et h a tt a k e su p2 5 c m 2 ，t h e o p e nc i r c u i tv o l t a g ei sv o w = 0 9 5 vt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti s c = 0 21h a ( j = 5 2 5 n a c m z ) ， m a x i m u mp o w e rp 剁14 n w ( p o w e rd e n s i t yi s3 5 n w c m z ) ，a n df i l lf a c t o rf f = 0 7 4 o t h e rk i n d so fs i cd e v i c e sb a s e do ni b - v o l t a i ce f f e c ta l es t u d i e d i m p r o v e m e n t s o l u t i o no fc o n v e n t i o n a ls c h o t t k y1 3 - v o l t a i cb a t t e r yi sp r o v i d e d s i ct r a n s i s t o ru s e df o rp r a yd e t e c t o ri sa l s od e s i g n e d k e y w o r d s ：4 h - s i cp i nd i o d er a d i o i s o t o p eb a t t e r y n u c l e a rb a t t e r y b e t a v o i t a i ce f f e c t 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀1 ：匕 1 1 研究意义 微电子机械系统( m e m s ) 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、 通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统，具有尺寸小、重量轻、成 本低、可靠性高、抗振动冲击能力强以及易批量生产等优点，在航空、航天、汽 车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们能接触到的所有领域中都有着十分 广阔的应用前景。 随着m e m s 技术的发展，能源供给装置的微型化、集成化成为m e m s 发展中 迫切需要解决的问题。传统的电池或电源体积大，而且需要充放电。研究者已经 开发出种类繁多的微型电池。微型燃料电池【l 】效率高、无噪声、少污染，但是发电 时，需要从外部的储罐中连续不断的向电池内送入燃料和氧化剂，燃料堆难以集 成。化学电池( 微型锂电池【2 】，微型锂离子电池( 3 】) 能量密度低，需要频繁地充电。 微型太阳能电池可以用来做m e m s 的能源供给装置，但其输出功率强烈依赖于外 部光照。 放射性同位素电池具有寿命长、环境适应性强、工作可靠、无需维护、小型 化等特点【4 j ，是m e m s 的理想微能源。例如对于深空间探测，由于光注量率急剧 下降( 如木星光注量率为地球的1 2 5 ，天王星为地球的1 l o o ) ，排除了使用太阳 能电池的可能性，放射性同位素微电池成为唯一可以依赖的能源1 5 j ；桥梁和大型建 筑的地基中使用的嵌入式传感器，要持续提供结构完整性的信息，因此需要长寿 命且稳定可靠的微电源；又如人体内心脏起搏器的动力源，若采用放射性同位素 电池，使用寿命可达数十年。极地、深海、荒漠等极端条件下探测或对环境进行 监控时，由于长时间无人监管，且受到外部环境的种种干扰，因此势必需要使用 寿命长、抗干扰能力强、不受温度、压力及电磁场等影响的电源，放射性同位素 电池是一个最佳的选择。另外，对于物联网中所使用的很多传感器以及射频识别 芯片( r f i d ) 标签而言，放射性同位素电池也有非常广阔的应用前景。 放射性同位素电池是利用放射性同位素衰变时释放的能量来产生电能的装 置。把放射性同位素衰变能转变成电能有很多种方法，一般可分为静态与动态转 换两大体系。其转换原理有：直接充电、接触势、伏特效应、热动力、热光电、 热离子、压电转换等。伏特效应放射性同位素电池是利用半导体p n 结将衰变能转 换为电能的装置。由于半导体材料和工艺水平的迅速发展，半导体对热、光、射 线的能量转换效率日益提高，使得伏特效应放射性同位素电池成为放射性同位素 24 h s i cp i n 结同位素电池的研究 电池研究领域的一个热点6 1 。 1 2 同位素电池发展概述 放射性同位素电池又称为核电池，是利用放射性同位素衰变时释放的能量来 产生电能的装置。对于为m e m s 器件和微电子器件供电，同位素电池产生电能的 方式有很多。基于核电池将核能转换为电能的方式，核电池可以分为两类：直接 转换核电池和二次核电池。直接转换核电池利用同位素发射的带电粒子对电场做 功，进而将动能转换为电能；二次核电池利用粒子的动能产生一些二次效应进行 发电。有些情况下，核电池可能利用二次效应再产生另一种二次效应，最后再转 换为电能。这种核电池也可以认为是二次核电池 7 1 。例如，首先可以通过辐射发光 磷光体将同位素的辐射能量转换成光，再通过光伏二极管将光转换成电能。 核电池技术始于1 9 1 3 年，m o s l e y 首次展示了p 射线核电池【8 】，这是一种直接 转换核电池。1 9 3 7 年，b e c k e r 和k r u p p k e 首次报道了硒( s e ) 光电元件的e l e c t r o n v o l t a i ce f f e c t ；5 0 ，6 0 年代，伴随着空间技术的发展，需要长寿命的能源，核电池 受到了足够的重视，得到了深入的研究。1 9 5 1 年e h r e n b e r g ，l a n g 和w e s t ，1 9 5 4 年e h r e n b e r g 和l a n g 报道了硒( s e ) 和氧化铜的e l e c t r o nv o l t a i ce f f e c t ；1 9 5 6 年 r a p p a p o r t ，l o f e r s k i 和l i n d e r 报道了锗( g e ) 势垒区的e l e c t r o nv o l t a i ce 航c t 9 1 ：1 9 5 3 年由r a p p a p o r t 研究发现，利用同位素衰变所产生的贝他( p - - p a r t i c l e ) 粒子也同样 能在半导体内产生电子空穴对，而此现象则被称为p v o l t a i ce f f e c t 。第一块1 3 - v o l t a i c 电池的研究就是由r a p p a p o r ti l o j 在1 9 5 4 年进行的，同年稍晚些p f a n n 和v a n r o o s b r o e c k 1 l l 也进行了类似的研究。两项研究中，由9 0 s 9 0 y 组成的源用来激发由 热扩散掺杂制作的s i 和g ep n 结。禁带宽度大，对应的本征载流子浓度低和暗电 流小，这使得s i 器件能够产生比g e 器件高出一个量级的功率。 高纯放射性同位素源钷p m l 4 7 ( p r o m e t h i u m l 4 7 ) 的发展是1 3 - v o l t a i c 技术的一 项主要突破。p m l 4 7 是软1 3 射线发射源( b m 心5 0 k e v ) ，对半导体能量转换器相 对有利一些i l 刭。1 9 6 4 年，f l i c k e r 等人报道了他们对于p m l 4 7 ：s il ，- v o l t a i c 电池的 两年的研究结果，电池初始输出功率为9 1 p w c m 2 ，2 年时间( 比p m l 4 7 的半衰 期t u 2 = 2 6 年稍短一些) 功率减为原来的一半。 2 0 世纪9 0 年代早期，文献【l3 j 首先提出了将辐射发光光源与半导体二极管结 合。这种方法的新奇之处在于它应用了抗辐照能力更强的磷光体材料作为保护半 导体二极管不受辐照损伤的屏蔽层，并将同位素源的辐照能量转换成光。1 9 9 4 年， s i m s 等人报道了间接同位素器件，它利用被密封的z n s ：a g t r i t i u m ( 3 h ) 光源激 发g a p ( e & 2 6 e v ) 太阳能电池【1 4 1 。磷光体将电子到光的转换效率是2 0 1 ，g a p 器件的转换效率达到了6 ，这一效率是在低密度z n s ：a g 光发射( 1 i g h te m i s s i o n ) 第一章绪论 3 下得到的，此时峰值在4 5 0 n m 。器件具有良好的稳定性，但是由于低能p 射线， 自吸收把输出功率限制在了5 5 0 n w e m 2 。 1 9 9 0 年k o s t e s k i 和同事报道了在非晶硅中利用3 h 来替换用来钝化晶粒间界处 的悬挂s i 键的h 原子的研究1 1 5 】。d e u s 等人，展示了输出功率得到改善的非晶硅 器件，他和a n d d r e e v 等人使用3 h 同位素源和i i i v 族半导体转换器，电池的输出 功率，效率和寿命得到了很大的提高【l6 1 7 】。i v 族半导体器件由a 1 g a a s 组成， a l g a a s 是宽禁带半导体材料，禁带宽度取决于a l 的浓度，范围在1 4 e v - 2 2 e v 之 间。d e u s 的3 h ：a i g a a s 器件最大输出功率达到了2 5 9 n w e m 2 ，效率为2 3 。在 相似的3 h 的活度下a n d r e e 等人报道的器件的效率与d e u s 等人报道的器件相近， 尽管输出功率增加了两倍，但是3 h 的剂量也要明显的增加。由于3 h 发射的低能 1 3 射线的自屏蔽效应，剂量增加是必要的。a i g a a s 材料显著提高了效率是因为大 的禁带宽度增加了电池的并联电阻，开路电压可以达到0 9 v 和产生电流可以达到 3 0 0 n a c m 2 。 1 9 9 6 年，r y b i c k i 等人首次报道了新型半导体材料s i c 的a l p h a v o l t a i c 核电池， s i c 的禁带宽度2 3 3 3 e v 之间，由晶体结构决定。该器件禁带宽度为3 e v ，产生 功率密度1 4 n w c m 2 ，效率r i s e , i ( 电池输出功率与入射到半导体内部的的功率之比) 为3 1 ，r l n ( 量子效率，器件内部被激发的电荷载流子数目与入射粒子总能量之 比) 为18 【1 8 】。低输出功率是由于2 4 1 a m 源的活度低；当采用较高的剂量进行测 试时，输出功率增加同时伴随着器件退化加快。f l e u r i a l 等人研究了采用2 4 4 c m 和 g a a s 二极管的f l p h a v o l m i c 电池【1 9 1 。该器件输出功率达到了9 0 肛w c m 2 ，但是在工 作的1 0 分钟内很快下降到1 0 1 a w c m 2 。2 0 0 6 年c r e s s 等人展示了利用l m c i 烈o p o 源和i n g a p 2p n 结二极管产生了5 0 6 n w c m 2 的功率。该器件的t l m i 为3 2 ，r l a 为 3 6 ，半衰期约为3 0 年i z u l 。 使用软1 3 射线源，例如3 h 和峭i ，可以观察到效率得到提高，但是由于发射 的d 射线粒子的能量低，很多粒子无法逃出材料，自吸收现象比较严重。因此， 使用这些源所能达到的最大输出功率受到限制。为了削弱这些效应，研究者应用 新技术来增加半导体结的有效面积进而增大入射的通量。郭航等人在s i 原片表面 制作了倒金字塔结构，然后处理圆片在整个结构表面形成p n 结。刻蚀形成的器件 相对于类似的平面器件，输出功率提高了2 倍，在6 2 5 m c i e m 26 3 n i c i i - i c i 液态 源的作用下，产生电流1 1 4 n a c m 2 ，效率t i s e m i 为0 3 6 1 2 。 2 0 0 5 年，郭航，李辉等人提出了自主往复式悬臂梁结构，这种结构它利用放 射能机械能电能的循环，实际上是一种直接转换核电池。弹性形变的铜悬臂梁距 离n i 6 3 放射源一段间隔的位置，悬臂梁收集了n i 6 3 发射的电子后，n i 6 3 剩余 负电荷，静电力将悬臂梁吸引向放射源；悬臂梁与放射源接触后放电回到初始位 置，并一直重复这样的动作。 44 h s i cp i n 结同位素电池的研究 悬臂梁 图1 1 自主往复式悬臂梁结构 2 0 0 6 年，c h a n d r a s h e k h a r 等人，e i t i n g 等人分别研究了软0 射线源n i 一6 3 和p 3 3 与宽禁带半导体s i c 二极管的组合瞄j 。前者的s i c 使用了l m c in i 6 3 源和工作在 1 7 5 k v 下( 模拟n i 6 3b 射线的平均能量) 的扫描电子显微镜s e m 作为激发源。 该器件具有尤其高的效率，t 1 伽i 为6 3 。用s e m 模拟的p 射线粒子流会使效率 增加，因为所有电子具有相同的能量，都会在非常接近二极管表面的地方停止。 在实际d - v o l t a i c 中，p 射线能量越高( 例如，对于n i 6 3e m x = 6 5 k e v ) ，穿透器件 的深度越深，转换效率越低。e i t i n g 报道的器件包含被2 2 5 m c ip 3 3 激发的s i c 二 极管，效率较好，1 1 。咖i 为4 5 ，输出功率为2 9 w e m 2 ，但是p 3 3 的半衰期只有 2 5 天，所以该技术不切实耐乃1 。 2 0 0 8 年，张林，乔大勇等人报到了一种采用4 h s i c 肖特基结作为能量转换元 件的微型核电池，肖特基金属为n i ，直径1 3 m m 。在放射强度4 m c i c m 2 的薄片状 n i 6 3 源的辐照下，该电池的开路电压( v o 为0 4 9 v ，短路电流密度为2 9 4 4 n a ，c m 2 ， 转换效率为1 2 。该器件的性能主要受到肖特基二极管并联电阻，背散射，p 射 线在电极金属和空气中的能量损失限制l z 4 j 。 国内目前伏特效应放射性同位素电池只有西安电子科技大学、西北工业大学、 大连理工大学、厦门大学等少数几家单位在进行研究。其中西安电子科技大学已 经率先实现了s i c 基肖特基结的d v o l t a i c 电池，并已经申请专利。 1 34 h - s i cp i n 结辐射伏特效应同位素电池的特点 传统的化学电池、燃料电池和太阳能电池，在体积和寿命方面均都不尽如人 意，难以保证微机电系统及其在深空探测等航天领域的应用要求。核电池的突出 特点是寿命长、重量轻、不受外界环境影响、运行可靠，同时，由于其比功率高， 易于微型化，是微机电系统理想的能源。辐射伏特效应同位素电池是一种很有潜 力的核电池，具有很好的应用前景，其理论效率极限达4 0 以上。研究结果表明， 采用特殊结构的p n 结工艺( 现在采用的结构包括多孔结构和三维结构) 和电荷 收集技术，有望在近期内实现大于1 0 的输出效率，几年后有望接近或超过2 0 ， 领先于其它衰变能转换机制。又由于p 射线对材料造成的损伤相对口射线小的多， 第一章绪论 5 所以长寿命的核电池一般都选用b 射线同位素源。核电池良好的热稳定性和高的 热导率使它可以工作在深海，荒漠等极端环境中。 第三代半导体材料碳化硅具有禁带宽度大、热稳定性好，热导率高，载流子 饱和速率大，抗辐照性能优越等特性。 表1 1 列出了碳化硅与主要半导体材料室温下的材料参数。从表中可以看出碳 化硅相对于硅和砷化镓具有优良的特性。 表1 1室温下几种半导体材料特性的比较 s i cs ig a a s 4 h s i c6 h s i c3 c s j c 禁带宽度( e v ) 3 2 63 o2 21 1 21 4 3 本征载流子浓 8 2 x1 0 92 3 x1 0 66 91 1 0 7 1 5 x1 0 1 0 度n i ( c m - 3 ) 临界击穿电场 4 1 0 64 1 0 64 1 0 6 2 5x1 0 53 0 x 1 0 5 ( v c m ) 热导率 4 94 94 91 50 5 ( w c m k 1 饱和速度 2 1 0 72x1 0 72 1 0 71x1 0 71 1 0 7 ( c m s ) 介电常数 9 79 79 71 1 81 2 8 溶点( ) 2 1 0 0 ( 升 2 1 0 0 ( 升 2 1 0 0 ( 升 1 6 9 01 5 l o 华)华)华) 电子迁移率 ( e m 2 v s ) 1 0 2 06 0 0l 0 0 01 4 0 08 5 0 0 空穴迁移率 ( e m 2 n 曲 1 1 54 04 06 0 04 0 0 s i c 是最早发现的半导体材料之一，具有2 0 0 多种同素异构类型。其典型结构 可以分为两类：一类是闪锌矿结构的立方s i c 晶型，称为3 c 或i s - s i c ：另一类是 六角形或菱形结构，其中典型的有6 h 、4 h 、1 5 r 等，统称为a s i c 。目前，商用 晶片的结构主要是4 h 和6 h 结构，其轴向为( o 0 0 1 ) 方向，( 0 0 0 1 ) 面为基面1 2 5 j 。 研究表明，p n 结型核电池可以达到的最大开路电压和转换效率与半导体的禁 带宽度近似成正比皿j 。常用半导体硅( 禁带宽度1 1 2 e v ) p n 结核电池的开路电压 为几百毫伏，若使用碳化硅( 4 h s i c 禁带宽度3 2 6 e v ) 材料，可以实现1 v 量级 的开路电压，避免了采用多管串联以提高电压的麻烦。 材料的抗辐照性能是影响核电池寿命的关键因素。s i c 辐照效应一直是s i c 领 域的研究热点。高能粒子( 如质子1 2 6 1 、电子1 2 7 1 、中子【2 引、氦离子【2 9 1 等) 辐照s i c 6 4 h s i cp i n 结同位素电池的研究 晶格，将部分能量交付给晶格原子，导致晶格原子离开正常的晶格位置，最终在 s i c 中形成空位和间隙原子。这些缺陷及其复合体会在s i c 的禁带中会引入一系 列的辐照生深能级，其中有些辐照生缺陷与s i c 外延层中常见的一些本征晶格缺 陷( 如z l z 2 等) 的电学特性一样。部分辐照生的缺陷会在高温退火中消除，或者 转化为别的缺陷结构，但有些辐照生缺陷具有良好的热稳定性。根据动量能量转 换定律，a 粒子造成晶格位移所需的能量比电子所需能量少4 0 0 0 倍【3 0 1 。口粒子会 对晶格造成损伤，因此a v o l t a i c 电池难以达到长寿命。d 射线粒子也会对晶格造 成损伤，但是低能量的d 射线对晶格的损伤较小。 碳化硅抗辐照特性优于s i ，g e ，g a a s 等半导体材料，与g a n 相比，原子序 数低，背散射率低，与硅工艺兼容，工艺成熟，可以获得比g a n 更小的漏电流， 这使得s i c 成为制作同位素电池的优选材料。 1 4 主要研究内容 论文主要工作包括以下几个方面： 分析了同位素电池的工作原理。使用蒙特卡罗软件m c n p 对单能电子在金属 材料中的能量淀积情况进行了模拟，验证了金属层对电子有很强的阻挡能力，据 此设计并用l e d i t 绘制了电极的版图。 拟合得到n i 6 3 放射源的d 射线能谱，使用m c n p 对p 射线在s i c 材料中的 能量淀积情况进行了模拟，得到了归一化的电子空穴对产生率随入射深度的分布 曲线，为p i n 结同位素电池外延层厚度的确定提供了依据。 根据模拟得到了电子空穴对产生率与入射深度的关系，建立s i c 同位素电池 的电路模型，计算得到了同位素电池的性能参数。同时分析了串并联电阻，放射 性活度等因素对同位素电池性能的影响。 对同位素电池的制作工艺进行研究，确定了同位素电池的制作工艺，制作了 4 h s i cp i n 同位素电池样品，并对样品进行了测试分析。 对相关碳化硅肖特基结式同位素电池及基于碳化硅三极管的b 射线探测器进 行了初步研究。 第二章结型同位素电池的工作原理及相关器件的初步研究 7 第二章结型同位素电池的工作原理及相关器件的初步研究 2 1 结型同位素电池的结构 图2 1 是结型核电池的结构示意图。 子空穴对。在空间电荷区电场的作用下， 带电粒子穿过p n 结耗尽区，产生很多电 产生电流和电压。在s ip n 结中，产生一 个电子空穴对需要消耗3 e v 入射带电粒子的能量。例如，s t r o n t i u m 9 0 发射的一个 p 射线粒子可以产生2 0 0 ，0 0 0 个电子空穴对。相对于直接转换核电池，它可以得到 更大的电流，电流的增大以降低电压为代价，电压由半导体的禁带宽度决定。 p n 结 放射源 负载 图2 1 结型核电池示意图 s i 结型核电池的开路电压大概为零点几伏特，因此需要很多的单元( c e l l ) 串 ”。 联来提供合适的输出电压。对于结型核电池，一个需要重视的问题是，当带电粒 子的能量超过一定阈值后，材料的晶格结构会受到损伤，最终会导致电池失效。 如果多数同位素发射的带电粒子的平均能量大于这个阈值，可能使这种电池寿命 较短。可以通过加阻挡层或其他方法降低带电粒子的能量，但这样会降低输出功 率和效率。a 粒子比b 射线粒子大很多，一般能量大于i m e v ，使用口射线源的电 池会很快失效。因此，结型核电池一般都用p 射线，通常叫做s - v o l t a i c 电池。 d 射线辐射伏特效应同位素电池有很多种，按内建电场产生的方式，可以分为 两大类：p n 结p i n 结型同位素电池和肖特基结型同位素电池。 按电池的表面形貌b 射线辐射伏特效应同位素电池可以分为平面结构和立体 结构。平面结构又可分为普通平板式结构，背电场结构，选择发射极结构；立体 结构有沟槽，倒金字塔结构等。立体结构主要是为了增大放射源照射的面积，提 高输出功率。 国4 h s i cp i n 结同位素电池的研究 e 电极 下电极 ( a ) 普通平板式结构 上电极 下电极 ( c ) 选择性发射极结构 乜极 下电极 ( b ) 背电场结构 ( d )沟槽结构 ( e ) 倒金字塔结构 图2 2 不同结构核电池示意图 不论采用那种结构，p 射线辐射伏特效应同位素电池都是由同位素源及能量转 换结构组成。 2 2p 射线辐射伏特效应同位素电池的基本工作原理 2 2 1 平衡状态下的p i n 二极管 p i n 二极管由两端重掺杂的p + 和n + 型掺杂层以及它们之间的低掺杂层构成。 低掺杂层又称为本征层或i 层，室温下，该层的自由载流子浓度比两端的高掺杂区 第二章结型同位素电池的工作原理及相关器件的初步研究 9 低很多。本征层可以为n 型也可以为p 型。n 型称之为p i ( 丫) n 管：p 型称之为 p i ( 尢) 1 1 管。本文选用的是p i ( 丫) n 管，以下没有特别标注，p i n 二极管均指p i ( 丫) n 管。 阳 极 p + 雾蕊 a - j * 延层 篓萋 口- 害 x 吕 翟 器 l e , a 结 i i - b + 结 051 01 5 d i s t a n c et u r n 图2 3 热平衡状态下p i n 二极管结构图和能带图 阴 极 零偏压时，p n 结处于热平衡状态，整个半导体系统的费米能级处处相等，且 是一个恒定值。图2 3 给出了热平衡状态下p i n 二极管的能带图。因为p 区与n 区 之间的导带与价带的相对位置随着费米能级的变化而变化，所以空间电荷区所在 的位黄的导带与价带要发生弯曲【3 1 】。空间电荷区位于p + i 结，由于p + 区掺杂远高 于i 区，p + 区一侧空间电荷区厚度远低于i 区一侧，可以忽略。n + 区和i 区掺杂类 型相同但浓度不同，n + 区电子向i 区扩散，因此i 区一侧有电子积累但无空间电荷 区，而n + 一侧电荷层极薄，厚度同样可以忽略。 2 2 2p 射线辐照下的p i n 结 1 3 射线辐射伏特效应类似于光伏效应，不同的是低能光子产生一个电子空穴 对，而1 3 射线通过级联过程可以产生众多的电子空穴对。 d 射线照射到半导体材料上，电离产生电子空穴对，在内建电场的作用下，结 两边的辐生少数载流子受到该场的作用，各自向相反方向运动；p 区的电子穿过 p n 结进入n 区；1 1 区的空穴进入p 区，使p 端电势升高，n 端电势降低，于是p n 5050505050505053322，oo旬oo乏乏oo 1 0 4 h s i cp i n 结同位素电池的研究 结两端形成了辐生电动势，这就是p n 结的辐射伏特效应。由于辐照产生的载流子 各自向相反方向运动，从而在p n 结内部形成自1 1 区向p 区的辐生电流。由于辐照 在p n 结两端产生电动势，相当于p n 结两端加正向电压v ，使势垒降低为q v d q v ， 产生电流j f 。p n 结开路时，辐生电流和正向电流相等时，p n 结两端建立起稳定 的电动势v 0 区相对于n 区是正的) ，也就是同位素电池的开路电压。将p n 结外 接负载，只要有射线照射，就会有有电流流过负载。这就是同位素电池的基本原 理。金属半导体形成的肖特基结也能产生辐射伏特效应，原理与p n 结类似。 同位素电池工作时有三个电流分量：辐生电流i l ，辐生电压v 作用下p n 结正 向电流i f ，流经外电路的电流i 。i l 和i f 都流经p n 结内部，但方向相反。 根据p n 结整流方程，在正偏电压v 作用下通过结的正向电流为 h 等) _ 1 j 沼d 其中i s 为二极管反向漏电流，v 为加在二级管两端电压( p n 结二极管的n 边 作为参考电压) ，k o 为玻尔兹曼常数，t 为开尔文温度( k ) ，q 为电子电量，1 yd；一oqod x 西- j o m 他 佰 似 他 8 6 4 2 o 一oydo；一omd x西j亡 4 h s i cp i n 结同位素电池的研究 积的最大值不是位于靶材料表面，而是在体内；原子序数高密度大的金属对入射 电子的阻挡能力