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4H-SiC PiN结同位素电池的研究

作　者: 石彦强
导　师: 张玉明
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 碳化硅PiN二极管同位素电池核电池 β射线辐射伏特效应
分类号: TM919
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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PiN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PiN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MCNP模拟单能电子在金属中能量淀积情况,证明了金属对β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Ni-63β射线在SiC中的能量淀积,结果显示Ni-63β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pn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0.3μm,i层厚度为3.5μm。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。5×107Ω三、研究了制备同位素电池的主要关键工艺,确定使用CVD法外延形成PiN结构,使用台面结构进行器件隔离,p型欧姆接触使用Ti/Al/Au,厚度分别为50/100/100nm,n型欧姆接触使用Ti/Ni/ Au,厚度分别为50/400/100nm;确定了实验工艺流程,制作光刻版,制作了4H-SiC PiN结同位素电池样品。四、对制作的样品进行了测试,TLM测试结果显示p型欧姆接触性能良好,比接触电阻达到了,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PiN二极管I-V特性曲线中观察开启电压约为3V,提取理想因子约为2.4,反向饱和漏电流密度为10^-13A/cm²。在放射强度10mCi、面积2.5cm²的薄片状Ni-63源的辐照下,该电池的开路电压（Voc）为0.98V,短路电流(I_sc)为0.51nA （12.75nA/cm²）,最大输出功率(P_max)为0.32nW （8.0nW/cm²）,填充因子（FF）为0.64。在放射强度6mCi、面积2.5cm²的薄片状Ni-63源的辐照下,该电池的开路电压(V_oc)为0.95V,短路电流(I_sc)为0.21nA （5.25nA/cm²）,最大输出功率(P_max)为0.14nW （3.5nW/cm²）,填充因子（FF）为0.74。2.567×10 ^-5Ωcm²五、对碳化硅材料其它基于β射线伏特效应的器件进行了初步研究,提出了肖特基同位素电池的改进方案及将碳化硅三极管用于β射线探测器的构想。

4H-SiC PiN结同位素电池的研究

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