4H-SiC PiN結(jié)同位素電池的研究.pdf

1、碳化硅材料具有禁帶寬度大,抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn),利用其制備的PiN同位素電池具有輸出電壓高,抗干擾能力強(qiáng),受外界溫度、壓力、電磁場(chǎng)等影響小,可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn),有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文針對(duì)基于碳化硅PiN二極管結(jié)構(gòu)的同位素電池進(jìn)行了研究,主要研究成果如下:
　　 一、使用蒙特卡羅軟件MCNP模擬單能電子在金屬中能量淀積情況,證明了金屬對(duì)β射線具有很強(qiáng)的阻擋能力,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了5種不同形狀的電極；模擬Ni-63β

2、射線在SiC中的能量淀積,結(jié)果顯示Ni-63β射線在碳化硅中能量的淀積隨入射深度的增加而指數(shù)遞減,因此pn結(jié)空間電荷區(qū)應(yīng)盡量靠近表面以達(dá)到高的電荷收集效率。根據(jù)能量淀積情況設(shè)計(jì)p+層厚度為0.3μm,i層厚度為3.5μm。
　　 二、建立了同位素電池的基本模型,根據(jù)模型估計(jì)了設(shè)計(jì)的同位素電池的性能參數(shù),并分析了理想因子、串并聯(lián)電阻、反向飽和漏電流、放射性活度等對(duì)電池性能的影響。模擬結(jié)果顯示,理想因子越大,輸出電壓越大；串聯(lián)電阻較

3、小時(shí)影響不明顯,但大于5×107Ω時(shí),填充因子會(huì)明顯下降；并聯(lián)電阻主要影響填充因子,并聯(lián)電阻越大,填充因子越大；反向飽和漏電流對(duì)開(kāi)路電壓有顯著的影響,其值越小,電池的開(kāi)路電壓越大；放射性活度增加,電池的開(kāi)路電壓短路電流都會(huì)提高,但電流提高效果更為明顯。
　　 三、研究了制備同位素電池的主要關(guān)鍵工藝,確定使用CVD法外延形成PiN結(jié)構(gòu),使用臺(tái)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行器件隔離,p型歐姆接觸使用Ti/Al/Au,厚度分別為50/100/100nm,

4、n型歐姆接觸使用Ti/Ni/Au,厚度分別為50/400/100nm；確定了實(shí)驗(yàn)工藝流程,制作光刻版,制作了4H-SiC PiN結(jié)同位素電池樣品。
　　 四、對(duì)制作的樣品進(jìn)行了測(cè)試,TLM測(cè)試結(jié)果顯示p型歐姆接觸性能良好,比接觸電阻達(dá)到了2.567×10-5Ωcm2,處于國(guó)內(nèi)報(bào)道的領(lǐng)先水平,接近國(guó)際上文獻(xiàn)報(bào)到的碳化硅p型歐姆接觸的最低阻值。從測(cè)得的PiN二極管Ⅰ-Ⅴ特性曲線中觀察開(kāi)啟電壓約為3V,提取理想因子約為2.4,反向飽和

5、漏電流密度為10-13 A/cm2。在放射強(qiáng)度10mCi、面積2.5cm2的薄片狀Ni-63源的輻照下,該電池的開(kāi)路電壓(Voc)為0.98V,短路電流(Isc)為0.51nA(12.75nA/cm2),最大輸出功率(Pmax)為0.32nW(8.0nW/cm2),填充因子(FF)為0.64。在放射強(qiáng)度6mCi、面積2.5cm2的薄片狀Ni-63源的輻照下,該電池的開(kāi)路電壓(Voc)為0.95V,短路電流(Isc)為0.21nA(5.2