基于TiO2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池及其制备方法

本发明属于半导体材料，具体涉及采用p型金刚石与n型氧化镓异质pn结的高势垒同位素电池及其制备方法。

背景技术：

1、同位素电池是将放射性同位素材料释放的辐射能转化为电能的装置，具有寿命长、耐极端环境、可芯片化集成等优势。在深空探测、先进医疗、传感器网络等领域具有重大应用价值。金刚石具有5.5ev的带隙，电子、空穴迁移率分别为4500cm2/vs和3800cm2/vs，位移能为43ev，与sic，gan等半导体材料相比，是制备辐射伏特效应同位素电池的最佳材料。金刚石p型掺杂技术逐渐趋于成熟，而金刚石n型浅掺杂困境制约了金刚石半导体电子器件的发展，因此，目前基于金刚石制备的同位素电池都采用金属与p型金刚石形成的肖特基结，但肖特基结的内建势垒远低于pn结势垒的理论值，限制了同位素电池器件开路电压的提升，无法充分发挥金刚石作为超宽禁带半导体的优势。为了进一步提升金刚石同位素电池输出性能，选择合适的n型半导体材料与p型金刚石组成异质结，通过界面层优化解决界面载流子损失的问题，可以获得高性能的金刚石同位素电池。

技术实现思路

1、本发明旨在解决金刚石肖特基结同位素电池无法进一步提升电池开路电压的问题，而采用n型氧化镓与p型金刚石制备异质pn结形成大内建电场从而提高同位素电池的性能，同时提出了一种超薄tio2介质层改善异质接触界面的方法。

2、本发明基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池包括放射性辐射源、n区欧姆接触电极、n型氧化镓层、超薄氧化钛层、金刚石外延本征层、掺硼金刚石(p型)衬底、p区欧姆接触电极以及惰性金属保护层，该同位素电池采用垂直型结构，在p区欧姆接触电极的下表面设置有惰性金属保护层，在p区欧姆接触电极的上表面由下至上依次设置有掺硼金刚石衬底、金刚石外延本征层、超薄氧化钛层、n型氧化镓层、n区欧姆接触电极和放射性辐射源形成层叠结构。

3、本发明基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池的制备方法按以下步骤实现：

4、一、采用激光烧蚀设备对掺硼金刚石(p型)衬底进行切割，机械抛光后得到抛光后的掺硼金刚石衬底；

5、二、将抛光后的掺硼金刚石衬底放置于浓硫酸和浓硝酸的混合液中加热浸泡，超声清洗后得到洁净的掺硼金刚石衬底；

6、三、将洁净的掺硼金刚石衬底放置在等离子体清洗机中，在真空条件下利用氧等离子体轰击掺硼金刚石衬底，然后采用微波等离子体化学气相沉积方法在掺硼金刚石衬底上外延生长金刚石外延本征层，获得金刚石pi结构；

7、四、将步骤四得到的金刚石pi结构放置于浓硫酸和浓硝酸的混合液中加热浸泡，超声清洗后得到清洗后的金刚石pi结构；

8、五、在清洗后的金刚石pi结构的掺硼金刚石衬底一侧利用掩膜溅射沉积p区欧姆接触电极，高温退火处理后得到带有欧姆接触电极的金刚石pi结构；

9、六、在真空条件下使用ar离子对带有欧姆接触电极的金刚石pi结构的金刚石外延本征层一侧进行轰击，然后依次沉积超薄氧化钛层和n型氧化镓层，该n型氧化镓层为sno2掺杂的n型ga2o3层，获得pin结构；

10、七、将步骤六得到的pin结构置于磁控溅射设备中，在pin结构的n型氧化镓层一侧利用掩膜溅射n区欧姆接触电极，制备得到异质pin结换能结构；

11、八、在异质pin结换能结构的n区欧姆接触电极一侧设置放射性辐射源，在n区欧姆接触电极和p区欧姆接触电极引出引脚，得到高内建电场同位素电池。

12、本发明利用sno2掺杂的n型ga2o3和b掺杂的p型金刚石制备了异质pin结构，针对异质接触界面首先利用离子轰击去除金刚石表面终端态，消除金刚石表面氧终端费米能级钉扎现象。由于金刚石表面存在点缺陷与线缺陷等形成漏电通路以及异质材料造成界面处晶格失配和能带结构缺陷形成载流子陷阱，为此引入超薄tio2介质层钝化界面缺陷、优化能带结构进而改善界面载流子运输状态。利用n型宽禁带半导体材料高费米能级位置的特点与p型金刚石形成高费米能级差，在费米能级差的驱动下界面处发生能带弯曲，形成高势垒，从而增大内建电场，由辐射源激发的电子空穴对在更强的电场力作用下被有效分离，提高了电池的开路电压。相较于金属/金刚石形成肖特基势垒，pn结的空间电荷区长度增加，在n区也有内建电场用于分离载流子，提高了载流子分离效率，进一步提升了同位素电池的性能。

技术特征：

1.基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池，其特征在于该高内建电场同位素电池包括放射性辐射源(1)、n区欧姆接触电极(2)、n型氧化镓层(3)、超薄氧化钛层(4)、金刚石外延本征层(5)、掺硼金刚石衬底(6)、p区欧姆接触电极(7)以及惰性金属保护层(8)，该同位素电池采用垂直型结构，在p区欧姆接触电极(7)的下表面设置有惰性金属保护层(8)，在p区欧姆接触电极(7)的上表面由下至上依次设置有掺硼金刚石衬底(6)、金刚石外延本征层(5)、超薄氧化钛层(4)、n型氧化镓层(3)、n区欧姆接触电极(2)和放射性辐射源(1)形成层叠结构。

2.根据权利要求1所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池，其特征在于所述的惰性金属保护层(8)的材质为ag、pt、ru、si或者ir。

3.根据权利要求1所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池，其特征在于所述的放射性辐射源(1)采用241am、14c或者3h。

4.根据权利要求1所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池，其特征在于掺硼金刚石衬底(6)是采用化学气相沉积法制备的(100)面掺硼金刚石片状衬底。

5.根据权利要求1所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池，其特征在于所述超薄氧化钛层(4)的厚度为3～5nm，n型氧化镓层(3)的厚度为10～100nm。

6.根据权利要求1所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池，其特征在于所述金刚石外延本征层(5)的厚度为100～800nm，掺硼金刚石衬底(6)的厚度为50～300μm。

7.如权利要求1所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤实现：

8.根据权利要求7所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池的制备方法，其特征在于步骤三中采用微波等离子体化学气相沉积方法在掺硼金刚石衬底上外延生长金刚石外延本征层(5)的方法如下：

9.根据权利要求7所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池的制备方法，其特征在于步骤六中沉积超薄氧化钛层(4)的过程如下：

10.根据权利要求7所述的基于tio2调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池的制备方法，其特征在于步骤六中沉积n型氧化镓层(3)的过程如下：

技术总结基于TiO<subgt;2</subgt;调制p型金刚石与n型氧化镓异质结界面的高内建电场同位素电池及其制备方法，本发明旨在解决金刚石肖特基结同位素电池无法进一步提升电池开路电压的问题。本发明高内建电场同位素电池采用垂直型结构，在p区欧姆接触电极的下表面设置有惰性金属保护层，在p区欧姆接触电极的上表面由下至上依次设置有掺硼金刚石衬底、金刚石外延本征层、超薄氧化钛层、n型氧化镓层、n区欧姆接触电极和放射性辐射源形成层叠结构。本发明利用n型宽禁带半导体材料高费米能级位置的特点与p型金刚石形成高费米能级差，从而增大内建电场，由辐射源激发的电子空穴对在更强的电场力作用下被有效分离，提高了同位素电池的开路电压。技术研发人员：刘本建,李传龙,曹占东,贾和,梁博,刘康,朱嘉琦,代兵,张森,赵继文受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30