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4H-SiC PiN结同位素电池的研究

2020-12-13阅读(161)

4H-SiC PiN结同位素电池的研究

论文摘要

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(Isc)为0.51nA （12.75nA/cm2）,最大输出功率(Pmax)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(Voc)为0.95V,短路电流(Isc)为0.21nA （5.25nA/cm2）,最大输出功率(Pmax)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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究意义
  • 1.2 同位素电池发展概述
  • 1.3 4H-SiC PiN结辐射伏特效应同位素电池的特点
  • 1.4 主要研究内容
  • 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
  • 2.2 β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PiN二极管
  • 2.2.2 β射线辐照下的PiN结
  • 2.3 β射线与半导体的相互作用
  • 2.4 基于β射线辐射伏特效应的相关器件研究
  • 2.4.1 4H-SiC肖特基结同位素电池
  • 2.4.2 基于碳化硅三极管的β射线探测器
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 4H-SiC PiN结同位素电池模型及参数设计
  • 3.1 4H-SiC PiN结同位素电池设计中的关键因素
  • 3.2 同位素电池电极的设计
  • 3.2.1 蒙特卡罗方法介绍
  • 3.2.2 金属电极对电子束的阻挡能力模拟
  • 3.2.3 器件版图设计
  • 3.3 同位素源的选取及外延层厚度的设计
  • 3.3.1 同位素源的选取
  • 3.3.2 Ni-63 β射线衰变能谱的计算
  • 3.3.3 Ni-63 β射线在SiC中的能量淀积
  • 3.3.4 电子-空穴对的平均产生能及产生率
  • 3.4 同位素电池理论模型的研究
  • 3.4.1 反向饱和漏电流的计算
  • 3.4.2 串并联电阻等相关参数的计算
  • 3.4.3 短路电流，开路电压等输出参数的计算
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 同位素电池的制备和测试
  • 4.1 SiC PiN二极管的关键制备工艺研究
  • 4.1.1 外延材料的制备
  • 4.1.2 器件之间的隔离
  • 4.1.3 欧姆接触
  • 4.2 SiC PiN二极管制备流程
  • 4.3 实验结果测试分析
  • 4.3.1 比接触电阻测试
  • 4.3.2 二极管直流特性测试
  • 4.4 碳化硅同位素电池性能测试
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 科研成果

    • 相关论文文献

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