本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，涉及半導體器件結(jié)構(gòu)及制備方法，具體地說是一種碳化硅基的夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池及制備方法，可用于微納機電系統(tǒng)等微小電路和航空航天、深海、極地等需長期供電且無人值守的場合。技術(shù)背景隨著人們對于低功耗、長壽命、高可靠性和小體積供電設(shè)備的需求，以及對核廢料處理的關(guān)注，微型核電池變得備受關(guān)注。微型核電池由于其突出的特點可用來解決微型管道機器人、植入式微系統(tǒng)、無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、人工心臟起搏器和便攜式移動電子產(chǎn)品等的長期供電問題。并有望取代太陽能電池和熱電式放射性同位素電池，在航天和航空領(lǐng)域解決微/納衛(wèi)星、深空無人探測器和離子推進器等的長期供電問題。1953年由Rappaport研究發(fā)現(xiàn)，利用同位素衰變所產(chǎn)生的貝塔(β-Particle)射線能在半導體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，此現(xiàn)象則被稱為β-VoltaicEffect。1957年，Elgin-Kidde首先將β-VoltaicEffect用在電源供應方面，成功制造出第一個同位素微電池β-VoltaicBattery。自2006年，隨著寬禁帶半導體材料SiC制備和工藝技術(shù)的進步，出現(xiàn)了基于SiC的同位素微電池的相關(guān)報道。核電池在應用中，由于激發(fā)的高能粒子利用率比較低，能量收集率低，限制了電池的輸出電壓。作為一種重要的第三代半導體，近年來人們對GaN的關(guān)注越來越多。由于其禁帶寬度大，熱導率高，制作的器件工作溫度和擊穿電壓高。另外，GaN材料一直被認為是一種理想的抗輻照半導體材料，隨著核技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展，GaN材料及其器件被用于輻射很強的極端惡劣的條件下工作。中國專利CN101325093A中公開了由張林，郭輝等人提出的基于SiC的肖特基結(jié)式核電池。由于該肖特基結(jié)核電池中肖特基接觸層覆蓋整個電池區(qū)域，入射粒子到達器件表面后，都會受到肖特基接觸層的阻擋，只有部分粒子能進入器件內(nèi)部，而進入耗盡區(qū)的粒子才會對電池的輸出功率有貢獻。因此，這種結(jié)構(gòu)的核電池入射粒子能量損失大，能量轉(zhuǎn)換效率較低。文獻“Demonstrationofa4HSiCbetavoltaiccell”介紹了由美國紐約Cornell大學的C.I.Tomas,M.V.S.Chandrashekhar,HuiLi等人提出了碳化硅PN結(jié)式核電池。這種結(jié)構(gòu)采用的襯底為P型高摻雜襯底，而在其襯底上生長外延層的現(xiàn)有工藝不成熟，因此，易引入表面缺陷，器件漏電流大，能量轉(zhuǎn)換率較低。文獻“Demonstrationofatadiationresistant,hightefficiencySiCbetavoltaic”介紹了由美國新墨西哥州QynergyCorporation的C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy和S.Rodgers,T.George等人共同提出了碳化硅p-i-n結(jié)式核電池，如圖1所示。該PIN核電池自上而下依次為，放射性源7、P型歐姆接觸電極6、P型高摻雜SiC層4、P型SiC層3、本征i層2、n型高摻雜SiC襯底1和N型歐姆接觸電極5。這種結(jié)構(gòu)中，只有耗盡層內(nèi)及其附近一個少子擴散長度內(nèi)的輻照生載流子能夠被收集。并且，為避免歐姆接觸電極阻擋入射離子，將P型歐姆電極做在器件的一個角落，使得離P型歐姆電極較遠的輻照生載流子在輸運過程中被復合，降低了能量轉(zhuǎn)化率，減小了電池的輸出電流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池及制備方法，以提高α放射源的利用率，從而提高電池的輸出電流和輸出電壓。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一.本發(fā)明的夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池，包括：PIN單元和α放射源層，其特征在于：所述PIN單元，采用由上下兩個PIN結(jié)并聯(lián)構(gòu)成；上PIN結(jié)自上而下依次為，N型歐姆接觸電極(5)、N型高摻雜4H-SiC襯底(1’)、摻雜濃度為1x1015～3x1015cm-3的N型低摻雜SiC外延層(8)、摻雜濃度為1x1019～5.5x1019cm-3的P型高摻雜GaN外延層(9)和P型歐姆接觸電極(6)；下PIN結(jié)自上而下依次為，P型歐姆接觸電極(6)、摻雜濃度為1x1019～5.5x1019cm-3的P型高摻雜GaN外延層(9)、摻雜濃度為1x1015～3x1015cm-3的N型低摻雜SiC外延層(8)、N型高摻雜4H-SiC襯底(1’)和N型歐姆接觸電極(5)；所述α放射源層(7’)，夾在上下兩個PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極(6)之間，以實現(xiàn)對高能α粒子的充分利用；作為優(yōu)選，所述的α放射源層(7’)采用原子質(zhì)量為241的镅元素，即Am241。作為優(yōu)選，所述的α放射源層(7’)采用原子質(zhì)量為238的钚元素，即Pu238。作為優(yōu)選，所述的α放射源層(7’)的厚度h滿足h≤m，其中m為α放射源所釋放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，對于α放射源為Am241的，其取值為：m＝7.5μm，對于α放射源為Pu238的，其取值為：m＝10μm。作為優(yōu)選，所述的N型低摻雜外延層(8)的厚度L滿足L≥g，其中，g為α放射源所釋放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，對于α放射源為Am241的，其取值為：i＝10μm，對于α放射源為Pu238的，其取值為：i＝18.2μm。作為優(yōu)選，所述的P型高摻雜GaN外延層(9)的厚度為0.1～0.2μm。作為優(yōu)選，所述的襯底(1’)采用摻雜濃度為lx1018cm-3的N型4H-SiC。二.本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：第一步，制作下PIN結(jié)：1.1)清洗：對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；1.2)生長N型低摻雜SiC外延層：利用化學氣相淀積CVD法在清洗后的SiC樣片表面外延生長一層摻雜濃度為1x1015～3x1015cm-3，厚度為15～30μm的N型低摻雜SiC外延層；1.3)生長P型高摻雜GaN外延層：利用化學氣相淀積CVD法在N型低摻雜SiC外延層表面外延生長一層鎂摻雜濃度為1x1019～5.5x1019cm-3，厚度為0.1～0.2μm的P型高摻雜GaN外延層；1.4)淀積金屬歐姆接觸電極：在P型高摻雜GaN外延層表面利用電子束蒸發(fā)法淀積一層厚度為50nm/250nm的金屬Ti/Au，作為P型歐姆接觸電極；利用電子束蒸發(fā)法在SiC襯底未外延的背面淀積厚度為300nm的Ni金屬層，作為N型歐姆接觸電極；1100℃下氮氣氣氛中快速退火3分鐘。第二步，重復步驟1.1)到步驟1.4)制作上PIN結(jié)。第三步，利用分子鍍在下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極或者上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上鍍一層厚度為3～6μm的α放射源。第四步，利用鍵合法將上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極一面與下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極一面壓合在一起，完成夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池的制作。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于采用襯底材料4H-SiC的禁帶寬度比傳統(tǒng)Si的禁帶寬度大，抗輻照特性更好，可以減小高能α粒子對器件的損傷，提高電池的工作電壓，同時延長電池的使用壽命；2、本發(fā)明由于外延的N型低摻雜外延層厚度不小于α放射源所釋放的高能α粒子在4H-SiC中的平均入射深度，可以減少高能α粒子在N型低摻雜外延層中的衰減，使得高能α粒子集中在P型高摻雜外延層和N型低摻雜外延層界面附近的空間電荷區(qū)，提高能量轉(zhuǎn)化率；3、本發(fā)明由于P型高摻雜外延層的厚度為0.1～0.2μm，α放射源層的厚度不大于α放射源所釋放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，可以減小高能α粒子在P型高摻雜外延層和α放射源層中的衰減，提高能量收集率；4、本發(fā)明由于將α放射源層夾在上下兩個PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極之間，較之于現(xiàn)有技術(shù)將放射源層置于電池的上表面，節(jié)省了α放射源材料，提高了α放射源的利用率，從而提高了電池的能量利用率；5、本發(fā)明由于P型高摻雜GaN外延層所采用GaN材料的禁帶寬度比SiC大，抗輻照特性更好，進一步提高了電池的工作電壓；6、本發(fā)明由于將兩個PIN結(jié)并聯(lián)放置，提高了電池的輸出電壓。附圖說明圖1是現(xiàn)有的PIN核電池的截面示意圖；圖2是本發(fā)明夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池的截面示意圖；圖3是本發(fā)明制作夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池的流程示意圖。具體實施方式參照圖2，本發(fā)明的輻照電池，包括：PIN單元和α放射源層，PIN單元由上下兩個PIN結(jié)并聯(lián)構(gòu)成；上PIN結(jié)自上而下依次為，N型歐姆接觸電極5、N型高摻雜4H-SiC襯底1’、摻雜濃度為1x1015～3x1015cm-3的N型低摻雜SiC外延層8、摻雜濃度為1x1019～5.5x1019cm-3的P型高摻雜GaN外延層9和P型歐姆接觸電極6；下PIN結(jié)自上而下依次為，P型歐姆接觸電極6、摻雜濃度為1x1019～5.5x1019cm-3的P型高摻雜GaN外延層9、摻雜濃度為1x1015～3x1015cm-3的N型低摻雜SiC外延層8、N型高摻雜4H-SiC襯底1’和N型歐姆接觸電極5；α放射源層7’夾在上下兩個PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極6之間，其厚度h滿足h≤m，其中m為α放射源所釋放的高能α粒子在α放射源材料中的平均入射深度，對于α放射源為Am241的，其取值為：m＝7.5μm，對于α放射源為Pu238的，其取值為：m＝10μm。電池在工作狀態(tài)下，從α放射源層7’放射出的高能α粒子穿過上下兩個PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極6射入到P型高摻雜GaN外延層9和N型低摻雜SiC外延層8界面附近的空間電荷區(qū)，進而激發(fā)載流子，形成輸出電流。參照圖3，本發(fā)明制作夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池的方法給出如下三個實施例：實施例1，制備α放射源為Am241，α放射源層厚度為6μm的夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池。步驟1:制作下PIN結(jié)。(1.1)清洗4H-SiC樣片，以去除表面污染物，如圖3(a)所示。(1.1.1)將摻雜濃度為lx1018cm-3的高摻雜n型4H-SiC襯底樣片在NH4OH+H2O2試劑浸泡樣品10min，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(1.1.2)將去除表面有機殘余物后的4H-SiC樣片再使用HCl+H2O2試劑浸泡樣品10min，取出后烘干，以去除離子污染物。(1.2)外延生長N型低摻雜SiC外延層，如圖3(b)所示。在清洗后的SiC樣片上利用化學氣相淀積CVD方法外延生長氮摻雜的N型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜志源為液態(tài)氮氣，得到氮摻雜濃度為1x1015cm-3，厚度為15μm的N型低摻雜SiC外延層。(1.3)外延生長P型高摻雜GaN外延層，如圖3(c)所示。(1.3.1)將生長N型低摻雜SiC外延層后的樣品放入化學氣相淀積CVD爐中，在H2氛圍下加熱到1100℃，保持10min；(1.3.2)將反應室的壓強設(shè)為2x104Pa，用N2和H2的混合氣體作為載氣，向反應室內(nèi)通入流量分別為52.3μmol·min-1和0.035mol·min-1的三甲基鋁和NH3，在低摻雜SiC外延層上生長60nm厚的AlN；(1.3.3)將反應室降溫至1050℃，向反應室內(nèi)通入流量分別為6.5μmol·min-1、8.93mmol·min-1和0.18μmol·min-1的三甲基鎵、NH3和CP2Mg，完成鎂摻雜濃度為1x1019cm-3，厚度為0.1μm的P型高摻雜GaN外延層。(1.4)淀積歐姆接觸電極，如圖3(d)所示。(1.4.1)對完成P型高摻雜GaN外延層生長后的SiC樣片進行RCA標準清洗；(1.4.2)將清洗后的樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的載玻片上，調(diào)整載玻片到靶材的距離為50cm，并將反應室壓強抽至5×10-4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，在SiC樣片的P型高摻雜GaN外延層的表面淀積一層厚度為50nm/250nm的Ti/Au金屬層，作為P型歐姆接觸電極；(1.4.3)利用電子束蒸發(fā)法，在襯底SiC未外延的背面淀積厚度為300nm的Ni金屬層，作為N型歐姆接觸電極；(1.4.4)1100℃下，氮氣氣氛中快速退火3分鐘。步驟2：制作上PIN結(jié)。重復步驟(1.1)到步驟(1.4)，得到上PIN結(jié)。步驟3：利用分子鍍在下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上鍍一層厚度為6μm的α放射源Am241，如圖3(e)所示。步驟4：利用鍵合法，將上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極與下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上的α放射源層壓合在一起，得到夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池，如圖3(f)所示。實施例2，制備α放射源為Am241，α放射源層厚度為4μm的夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池。步驟一:制作下PIN結(jié)。1a)清洗4H-SiC樣片，以去除表面污染物，如圖3(a)。本步驟與實施例1的步驟(1.1)相同。1b)外延生長N型低摻雜SiC外延層，如圖3(b)。在清洗后的SiC樣片上利用化學氣相淀積CVD方法外延生長氮摻雜的N型摻雜外延層。其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜志源為液態(tài)氮氣，完成氮摻雜濃度為2x1015cm-3，厚度為25μm的N型低摻雜SiC外延層的生長。1c)外延生長P型高摻雜GaN外延層，如圖3(c)。1c.1)將生長N型低摻雜SiC外延層后的樣品放入化學氣相淀積CVD爐中，在H2氛圍下加熱到1100℃，保持10min；1c.2)將反應室的壓強設(shè)為2x104Pa，用N2和H2的混合氣體作為載氣，向反應室內(nèi)通入流量分別為52.3μmol·min-1和0.035mol·min-1的三甲基鋁和NH3，在低摻雜SiC外延層上生長60nm厚的AlN；1c.3)將反應室降溫至1050℃，向反應室內(nèi)通入流量分別為6.5μmol·min-1、8.93mmol·min-1和0.18μmol·min-1的三甲基鎵、NH3和CP2Mg，完成鎂摻雜濃度為2x1019cm-3，厚度為0.15μm的P型高摻雜GaN外延層。1d)淀積歐姆接觸電極，如圖3(d)。本步驟與實施例一的步驟(1.4)相同。步驟二：制作上PIN結(jié)。重復步驟1a)到步驟1d)，得到上PIN結(jié)。步驟三：利用分子鍍在上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上鍍一層厚度為4μm的α放射源Am241，如圖3(e)。步驟四：利用鍵合法，將上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上的α放射源層與下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極壓合在一起，得到夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池，如圖3(f)。實施例3，制備α放射源為Pu238，α放射源層厚度為3μm的夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池。步驟A:制作上PIN結(jié)。(A1)清洗4H-SiC樣片，以去除表面污染物，如圖3(a)。本步驟與實施例1的步驟(1.1)相同。(A2)在清洗后的SiC樣片上利用化學氣相淀積CVD方法外延生長氮摻雜的N型低摻雜SiC外延層。其工藝條件為：外延溫度為1570℃，壓強為100mbar，反應氣體是硅烷和丙烷，載氣為純氫氣，雜志源為液態(tài)氮氣。得到氮摻雜濃度為3x1015cm-3，厚度為30μm的N型低摻雜SiC外延層如圖3(b)。(A3)將生長N型低摻雜SiC外延層后的樣品放入化學氣相淀積CVD爐中，在H2氛圍下加熱到1100℃，保持10min；再將反應室的壓強設(shè)為2x104Pa，用N2和H2的混合氣體作為載氣，向反應室內(nèi)通入流量分別為52.3μmol·min-1和0.035mol·min-1的三甲基鋁和NH3，在低摻雜SiC外延層上生長60nm厚的AlN；然后將反應室降溫至1050℃，向反應室內(nèi)通入流量分別為6.5μmol·min-1、8.93mmol·min-1和0.18μmol·min-1的三甲基鎵、NH3和CP2Mg，完成鎂摻雜濃度為5.5x1019cm-3，厚度為0.2μm的P型高摻雜GaN外延層如圖3(c)。(A4)淀積歐姆接觸電極，如圖3(d)。本步驟與實施例一的步驟(1.4)相同。步驟B：制作上PIN結(jié)。重復步驟(A1)到步驟(A4)，得到上PIN結(jié)。步驟C：利用分子鍍在上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極和下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上鍍一層厚度為3μm的α放射源Pu238，如圖3(e)。步驟D：將上PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上的α放射源層與下PIN結(jié)的P型歐姆接觸電極上的α放射源層壓合在一起，得到夾心并聯(lián)式外延GaN的PIN型α輻照電池，如圖3(f)。