專利名稱：微電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電池，還涉及這種微電池的制作方法。
背景技術(shù)：
參照圖4、圖5，文獻(xiàn)“Final Scientific/Technical Report(US.Department of Energy AwardNo.DE-FG07-99ID13781)《A Nuclear Microbattery for MEMS Devices》”介紹了美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的James Blanchard和Douglass Henderson提出倒三角直槽型與倒金字塔型的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；倒三角直槽型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在表面呈倒三角直槽的N型硅上摻雜一層厚度均勻的倒三角直槽型的P型硅。倒金字塔型能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在表面呈倒金字塔型的N型硅上摻雜一層厚度均勻的倒金字塔型的P型硅。液態(tài)放射源被引入到以P型硅為表面的倒三角直槽或倒金字塔中。當(dāng)放射源衰變時(shí)，放射出的部分β離子穿過P-N結(jié)，促使在P-N結(jié)附近的電子發(fā)生電離產(chǎn)生了空穴-電子對。載流子在內(nèi)電場的作用下定向移動(dòng)，這樣就可以將電極從P-N結(jié)的兩層結(jié)構(gòu)分別引出成為一個(gè)電源。
但是，這種倒三角直槽型或倒金字塔型的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其放射源與器件之間接觸的表面積小，從而使電池電流較小。以倒金字塔型能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為例，若倒金字塔的開口邊框?yàn)閱挝?，刻蝕深度為0.7，其表面積為1.41。
而且，這種結(jié)構(gòu)使得放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的接觸方式只能是液態(tài)放射源直接填充在P-N結(jié)的表面或是將液態(tài)放射源在P-N結(jié)表面蒸發(fā)后形成一層薄膜，結(jié)果造成了放射源的不穩(wěn)定性，在外界干擾下易于移動(dòng)或脫落。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)接觸面積小、放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間接觸方式簡單而導(dǎo)致的電池工作狀態(tài)不穩(wěn)定的不足，本發(fā)明提供一種微電池，同時(shí)提供這種微電池的制作方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種微電池，包括N型區(qū)1和P型區(qū)3，其特征在于在N型區(qū)1上有二維2×2～20×20的垂直側(cè)壁方孔2陣列；在垂直側(cè)壁方孔2表面是的P型區(qū)3，在P型區(qū)3上面是電鍍區(qū)5；在N型區(qū)1的一邊留出N型區(qū)電極4.1區(qū)，在P型區(qū)3以內(nèi)電鍍區(qū)5以外留出P型區(qū)電極4.2區(qū)。
所述垂直側(cè)壁方孔2的深寬比為1∶1～20∶1。
所述電鍍區(qū)5的金屬層厚度為1000埃。
所述N型區(qū)電極4.1和P型區(qū)電極4.2相距為1.5～2mm。
一種上述的微電池的制作方法，包括以下步驟1)采用摻雜濃度為1×1017～1×1018/cm3晶向?yàn)?amp;lt;100>的N型區(qū)1為襯底；2)在N型區(qū)1表面淀積2μm SiO2掩膜層，在SiO2表面淀積2μm Si3N4掩膜層；3)用掩模版光刻，按設(shè)計(jì)要求干法刻蝕掉2×2～20×20的垂直側(cè)壁方孔2陣列位置的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；4)用KOH濕法腐蝕出深寬比范圍為1∶1～20∶1的二維2×2～20×20垂直側(cè)壁方孔2陣列；5)除去Si3N4掩模層，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜層，形成摻雜P型區(qū)3的窗口，并為N型區(qū)電極4.1留出了5倍于N型區(qū)電極4.1面積的空間；6)摻雜，形成結(jié)深為1μm，P型區(qū)3濃度為1×1020～1×1021/cm3的P-N結(jié)；7)除去SiO2掩膜層，涂膠；8)用掩模版光刻出N型區(qū)電極4.1，P型區(qū)電極4.2，留出電鍍區(qū)5，濺射金屬，剝離掉外圍多余的金屬銅。
本發(fā)明的有益效果是由于采用垂直側(cè)壁方孔結(jié)構(gòu)，使放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)接觸面積由現(xiàn)有技術(shù)的1.41提高到3.82，放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)接觸面積增大了171％，這種垂直側(cè)壁方孔結(jié)構(gòu)有益于電池電流的增加；采用電鍍區(qū)結(jié)構(gòu)，液態(tài)放射源不僅可以直接填充在電鍍區(qū)的表面或是在電鍍區(qū)表面蒸發(fā)形成一層薄膜，還可以將放射源電鍍在電鍍區(qū)的表面，從而使得放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的接觸方式多樣化，也增強(qiáng)了放射源在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是圖1的B-B向剖視3是圖1的A-A向剖視4是本發(fā)明制作方法的流程5是倒三角直槽型能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)有技術(shù)示意6是倒金字塔型陣列能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)有技術(shù)示意中，1-N型區(qū) 2-垂直側(cè)壁方孔 3-P型區(qū) 4.1-N型區(qū)電極 4.2-P型區(qū)電極5-電鍍區(qū)具體實(shí)施方式
結(jié)構(gòu)實(shí)施例1參照圖1～3，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括N型區(qū)1，為了增加表面積，在N型區(qū)1上設(shè)計(jì)二維2×2垂直側(cè)壁方孔2陣列，垂直側(cè)壁方孔2的深寬比為1∶1；在垂直側(cè)壁方孔2表面是1μm的P型區(qū)3，在垂直側(cè)壁方孔陣列2上面且在P型區(qū)3范圍內(nèi)是電鍍區(qū)5；在N型區(qū)1的一邊留出N型區(qū)電極4.1區(qū)，在P型區(qū)3以內(nèi)電鍍區(qū)5以外留出P型區(qū)電極4.2區(qū)；N型區(qū)電極4.1約50μm見方，P型區(qū)電極4.2約50μm見方。在N型區(qū)1表面刻蝕形成二維2×2垂直側(cè)壁方孔2陣列。在垂直側(cè)壁方孔2陣列表面局部摻雜一層厚度均勻的P型區(qū)3，摻雜時(shí)避開了N型區(qū)電極4.1，為N型區(qū)電極4.1留出了5倍面積的空間，由N型區(qū)1與P型區(qū)3共同形成P-N結(jié)結(jié)構(gòu)。用于引出導(dǎo)線的N型區(qū)電極4.1與P型區(qū)電極4.2分別淀積在N型區(qū)1與P型區(qū)3的表面，兩電極相距為2mm。電鍍區(qū)5淀積在垂直側(cè)壁方孔2陣列的表面。
結(jié)構(gòu)實(shí)施例2參照圖1～3，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括N型區(qū)1，為了增加表面積，在N型區(qū)1上設(shè)計(jì)二維5×20垂直側(cè)壁方孔2陣列，垂直側(cè)壁方孔2的深寬比為10∶1；在垂直側(cè)壁方孔2表面是1μm的P型區(qū)3，在垂直側(cè)壁方孔陣列2上面且在P型區(qū)3范圍內(nèi)是電鍍區(qū)5；在N型區(qū)1的一邊留出N型區(qū)電極4.1區(qū)，在P型區(qū)3以內(nèi)電鍍區(qū)5以外留出P型區(qū)電極4.2區(qū)；N型區(qū)電極4.1約50μm見方，P型區(qū)電極4.2約50μm見方。在N型區(qū)1表面刻蝕形成二維2×2垂直側(cè)壁方孔2陣列。在垂直側(cè)壁方孔2陣列表面局部摻雜一層厚度均勻的P型區(qū)3，摻雜時(shí)避開了N型區(qū)電極4.1，為N型區(qū)電極4.1留出了5倍面積的空間，由N型區(qū)1與P型區(qū)3共同形成P-N結(jié)結(jié)構(gòu)。用于引出導(dǎo)線的N型區(qū)電極4.1與P型區(qū)電極4.2分別淀積在N型區(qū)1與P型區(qū)3的表面，兩電極相距為1.7mm。電鍍區(qū)5淀積在垂直側(cè)壁方孔2陣列的表面。
結(jié)構(gòu)實(shí)施例3參照圖1～3，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括N型區(qū)1，為了增加表面積，在N型區(qū)1上設(shè)計(jì)二維20×20垂直側(cè)壁方孔2陣列，垂直側(cè)壁方孔2的深寬比為20∶1；在垂直側(cè)壁方孔2表面是1μm的P型區(qū)3，在垂直側(cè)壁方孔陣列2上面且在P型區(qū)3范圍內(nèi)是電鍍區(qū)5；在N型區(qū)1的一邊留出N型區(qū)電極4.1區(qū)，在P型區(qū)3以內(nèi)電鍍區(qū)5以外留出P型區(qū)電極4.2區(qū)；N型區(qū)電極4.1約50μm見方，P型區(qū)電極4.2約50μm見方。在N型區(qū)1表面刻蝕形成二維2×2垂直側(cè)壁方孔2陣列。在垂直側(cè)壁方孔2陣列表面局部摻雜一層厚度均勻的P型區(qū)3，摻雜時(shí)避開了N型區(qū)電極4.1，為N型區(qū)電極4.1留出了5倍面積的空間，由N型區(qū)1與P型區(qū)3共同形成P-N結(jié)結(jié)構(gòu)。用于引出導(dǎo)線的N型區(qū)電極4.1與P型區(qū)電極4.2分別淀積在N型區(qū)1與P型區(qū)3的表面，兩電極相距為1.5mm。電鍍區(qū)5淀積在垂直側(cè)壁方孔2陣列的表面。
上述實(shí)施例的垂直側(cè)壁方孔2結(jié)構(gòu)，使放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)接觸面積增大。若垂直側(cè)壁方孔的邊開口框?yàn)閱挝?，刻蝕深度為0.7，則其表面積為3.82。
方法實(shí)施例1參照圖4，1)采用摻雜濃度為1×1017/cm3晶向?yàn)?amp;lt;100>的N型區(qū)1為襯底；
2)在N型區(qū)1表面淀積2μm SiO2掩膜層，在SiO2表面淀積2μm Si3N4掩膜層；3)用掩模版光刻，按設(shè)計(jì)要求干法刻蝕掉2×2的垂直側(cè)壁方孔2陣列位置的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；4)用KOH濕法腐蝕出深寬比為1∶1，側(cè)壁均為<100>晶向的二維2×2垂直側(cè)壁方孔2陣列；5)除去Si3N4掩模層，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜層，形成摻雜P型區(qū)3的窗口，此摻雜窗口避開了N型區(qū)電極4.1，為N型區(qū)電極4.1留出了5倍于N型區(qū)電極4.1面積的空間。
6)摻雜，形成結(jié)深為1μm，P型區(qū)3濃度為1×1020/em3的P-N結(jié)；7)除去SiO2掩膜層，涂膠；8)用掩模版光刻出N型區(qū)電極4.1，P型區(qū)電極4.2與電鍍區(qū)5，濺射金屬銅，剝離掉外圍多余的金屬銅。結(jié)果在未被摻雜的N型區(qū)1的表面留下N型區(qū)電極4.1，在P型區(qū)3表面留下P型區(qū)電極4.2。N型區(qū)電極4.1及P型區(qū)電極4.2分別與N型區(qū)1及P型區(qū)3形成了歐姆聯(lián)結(jié)，并且兩電極相距為2mm，避免了過大的漏電流。電鍍區(qū)5淀積在垂直側(cè)壁方孔2陣列表面，且完全控制在P型區(qū)3內(nèi)，防止因電鍍區(qū)5覆蓋了P型區(qū)3與部分N型區(qū)1而造成短接。電鍍區(qū)5的金屬層厚度為1000埃，防止了β離子穿過電鍍區(qū)5過多的能量損耗。形成放射性同位素微電池的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
方法實(shí)施例2參照圖4，1)采用摻雜濃度為5×1017/cm3晶向?yàn)?amp;lt;100>的N型區(qū)1為襯底；2)在N型區(qū)1表面淀積2μm SiO2掩膜層，在SiO2表面淀積2μm Si3N4掩膜層；3)用掩模版光刻，按設(shè)計(jì)要求干法刻蝕掉5×20的垂直側(cè)壁方孔2陣列位置的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；4)用KOH濕法腐蝕出深寬比為10∶1，側(cè)壁均為<100>晶向的二維5×20垂直側(cè)壁方孔2陣列；5)除去Si3N4掩模層，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜層，形成摻雜P型區(qū)3的窗口，此摻雜窗口避開了N型區(qū)電極4.1，為N型區(qū)電極4.1留出了5倍于N型區(qū)電極4.1面積的空間。
6)摻雜，形成結(jié)深為1.5μm，P型區(qū)3濃度為5×1020/cm3的P-N結(jié)；7)除去SiO2掩膜層，涂膠；8)用掩模版光刻出N型區(qū)電極4.1，P型區(qū)電極4.2與電鍍區(qū)5，濺射金屬銅，剝離掉外圍多余的金屬銅。結(jié)果在未被摻雜的N型區(qū)1的表面留下N型區(qū)電極4.1，在P型區(qū)3表面留下P型區(qū)電極4.2。N型區(qū)電極4.1及P型區(qū)電極4.2分別與N型區(qū)1及P型區(qū)3形成了歐姆聯(lián)結(jié)，并且兩電極相距為1.7mm，避免了過大的漏電流。電鍍區(qū)5淀積在垂直側(cè)壁方孔2陣列表面，且完全控制在P型區(qū)3內(nèi)，防止因電鍍區(qū)5覆蓋了P型區(qū)3與部分N型區(qū)1而造成短接。電鍍區(qū)5的金屬層厚度為1000埃，防止了β離子穿過電鍍區(qū)5過多的能量損耗。形成放射性同位素微電池的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
方法實(shí)施例3參照圖4，1)采用摻雜濃度為1×1018/cm3晶向?yàn)?amp;lt;100>的N型區(qū)1為襯底；2)在N型區(qū)1表面淀積2μm SiO2掩膜層，在SiO2表面淀積2μm Si3N4掩膜層；3)用掩模版光刻，按設(shè)計(jì)要求干法刻蝕掉20×20的垂直側(cè)壁方孔2陣列位置的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；4)用KOH濕法腐蝕出深寬比為20∶1，側(cè)壁均為<100>晶向的二維20×20垂直側(cè)壁方孔2陣列；5)除去Si3N4掩模層，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜層，形成摻雜P型區(qū)3的窗口，此摻雜窗口避開了N型區(qū)電極4.1，為N型區(qū)電極4.1留出了5倍于N型區(qū)電極4.1面積的空間。
6)摻雜，形成結(jié)深為1.5μm，P型區(qū)3濃度為1×1021/cm3的P-N結(jié)；7)除去SiO2掩膜層，涂膠；8)用掩模版光刻出N型區(qū)電極4.1，P型區(qū)電極4.2與電鍍區(qū)5，濺射金屬銅，剝離掉外圍多余的金屬銅。結(jié)果在未被摻雜的N型區(qū)1的表面留下N型區(qū)電極4.1，在P型區(qū)3表面留下P型區(qū)電極4.2。N型區(qū)電極4.1及P型區(qū)電極4.2分別與N型區(qū)1及P型區(qū)3形成了歐姆聯(lián)結(jié)，并且兩電極相距為1.5mm，避免了過大的漏電流。電鍍區(qū)5淀積在垂直側(cè)壁方孔2陣列表面，且完全控制在P型區(qū)3內(nèi)，防止因電鍍區(qū)5覆蓋了P型區(qū)3與部分N型區(qū)1而造成短接。電鍍區(qū)5的金屬層厚度為1000埃，防止了β離子穿過電鍍區(qū)5過多的能量損耗。形成放射性同位素微電池的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種微電池，包括N型區(qū)(1)和P型區(qū)(3)，其特征在于在N型區(qū)(1)上有二維2×2～20×20的垂直側(cè)壁方孔(2)陣列；在垂直側(cè)壁方孔(2)表面是的P型區(qū)(3)，在P型區(qū)(3)上面是電鍍區(qū)(5)；在N型區(qū)(1)的一邊留出N型區(qū)電極(4.1)區(qū)，在P型區(qū)(3)以內(nèi)電鍍區(qū)(5)以外留出P型區(qū)電極(4.2)區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電池，其特征在于所述垂直側(cè)壁方孔(2)的深寬比為1∶1～20∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電池，其特征在于所述電鍍區(qū)(5)的金屬層厚度為1000埃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電池，其特征在于所述N型區(qū)電極(4.1)和P型區(qū)電極(4.2)相距為1.5～2mm。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電池的制作方法，包括以下步驟1)采用摻雜濃度為1×1017～1×1018/cm3晶向?yàn)?amp;lt;100>的N型區(qū)(1)為襯底；2)在N型區(qū)(1)表面淀積2μm SiO2掩膜層，在SiO2表面淀積2μm Si3N4掩膜層；3)用掩模版光刻，按設(shè)計(jì)要求干法刻蝕掉2×2～20×20的垂直側(cè)壁方孔(2)陣列位置的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；4)用KOH濕法腐蝕出深寬比范圍為1∶1～20∶1的二維2×2～20×20垂直側(cè)壁方孔(2)陣列；5)除去Si3N4掩模層，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜層，形成摻雜P型區(qū)(3)的窗口，并為N型區(qū)電極(4.1)留出了5倍于N型區(qū)電極(4.1)面積的空間；6)摻雜，形成結(jié)深為1μm，P型區(qū)(3)濃度為1×1020～1×1021/cm3的P-N結(jié)；7)除去SiO2掩膜層，涂膠；8)用掩模版光刻出N型區(qū)電極(4.1)，P型區(qū)電極(4.2)，留出電鍍區(qū)(5)，濺射金屬，剝離掉外圍多余的金屬銅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微電池以及制作方法，用來解決現(xiàn)有技術(shù)中放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)接觸面積小、放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間接觸方式簡單而導(dǎo)致的電池工作狀態(tài)不穩(wěn)定的問題，其特征在于在N型區(qū)(1)上有二維2×2～20×20的垂直側(cè)壁方孔(2)陣列；在垂直側(cè)壁方孔(2) 的表面是P型區(qū)(3)，在P型區(qū)(3)上面是電鍍區(qū)(5)；在N型區(qū)(1)的一邊留出N型區(qū)電極(4.1)區(qū)和P型區(qū)電極(4.2)區(qū)。由于本發(fā)明采用了垂直側(cè)壁方孔陣列結(jié)構(gòu)，使放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)接觸面積相比現(xiàn)有技術(shù)增大了171％，有益于電池電流的增加；采用電鍍區(qū)結(jié)構(gòu)，使得放射源與能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的接觸方式多樣化，也增強(qiáng)了放射源在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L31/18GK1787232SQ200510096228
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者苑偉政, 喬大勇, 孫磊, 秦沖, 呂湘連 申請人:西北工業(yè)大學(xué)