專利名稱：一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紫外探測(cè)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于半導(dǎo)體材料外延技術(shù)、半導(dǎo)體 材料摻雜技術(shù)和超高真空表面激活技術(shù)相結(jié)合的紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著GaN材料制備技術(shù)、p型摻雜技術(shù)的完善以及超高真空技術(shù)的發(fā)展，GaN 紫外光電陰極正成為一種新型高性能的紫外光電陰極。這種陰極的表面具有負(fù)電子親和勢(shì) (NEA)，即陰極的表面真空能級(jí)低于體內(nèi)導(dǎo)帶底能級(jí)，因此體內(nèi)光生電子只需運(yùn)行到表面， 就可以輕而易舉地發(fā)射到真空而無(wú)需過(guò)剩動(dòng)能去克服材料表面的勢(shì)壘，這樣電子的逸出幾 率大大增加，且為冷電子發(fā)射，因此具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量分布集中 等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其量子效率一般在30%，大大高于傳統(tǒng)的具有正電子親和勢(shì)(PEA)的碲化 銫紫外光電陰極10%的量子效率，并且，GaN材料禁帶寬度在 3.6eV，響應(yīng)400隨以下 的紫外輻射，是典型的"日盲"材料，具有良好的抗輻射能力。
GaN紫外光電陰極可以在反射式或透射式下工作。當(dāng)光從陰極前表面入射而電子也從 前表面發(fā)射時(shí)為反射式工作；當(dāng)光從陰極的后表面入射而電子從前表面發(fā)射時(shí)為透射式工 作。反射式的GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)自下而上一般包括襯底材料(通常是藍(lán)寶石)、 外延生長(zhǎng)在襯底上的P型GaN光電發(fā)射材料、以及低逸出功激活層。其中襯底材料和p型 GaN材料之間由于材料晶格常數(shù)差異大(16%左右)，晶格不匹配，因此會(huì)導(dǎo)致這兩種材 料交界面產(chǎn)生較大的界面復(fù)合速率，會(huì)在光電子發(fā)射過(guò)程中俘獲被激發(fā)的自由電子，從而 降低電子發(fā)射數(shù)量，最終導(dǎo)致一個(gè)較低的陰極量子效率。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國(guó)外制備的反射式GaN紫外光電陰極一般在襯底材料和p型GaN材 料之間采用A1N緩沖層來(lái)克服晶格不匹配導(dǎo)致的上述問(wèn)題。A1N材料與GaN材料的晶格常 數(shù)差異在3%左右，因此二者能較好匹配。這種結(jié)構(gòu)與直接外延在襯底上的GaN材料結(jié)構(gòu) 相比，光電發(fā)射性能得到改善，但是由于緩沖材料AlN與光電發(fā)射材料GaN之間仍存在一 定的晶格差異，因此這兩種材料之間的界面仍存在一定的界面復(fù)合速率，影響電子的發(fā)射。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種GaN光電發(fā)射材料的界面復(fù)合 速率為零的反射式GaN紫外光電陰極材料新型結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于該 材料結(jié)構(gòu)在厚度方向自下而上由襯底、非故意摻雜的GaN緩沖層、p型GaN光電發(fā)射層以 及Cs或Cs/0激活層構(gòu)成；其中，非故意摻雜的GaN緩沖層生長(zhǎng)在襯底上，厚度在10—200咖 之間；p型GaN光電發(fā)射層外延生長(zhǎng)在所述GaN緩沖層上，厚度在100 — 200nm之間，摻雜 濃度在1017—1019cm-3之間；Cs或Cs/0激活層吸附在p型GaN光電發(fā)射層的前表面上，厚 度在nm數(shù)量級(jí)。
所述反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟
步驟l:在藍(lán)寶石襯底已拋光的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)IO — 200nm厚度的非故意摻雜的GaN緩沖層；
步驟2:然后，通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝以及GaN材料的p型摻雜工藝，在步驟l獲得的GaN 緩沖層上生長(zhǎng)100 — 200nm厚度、摻雜濃度在1017—1019Cm_3的p型GaN光電發(fā)射層作為光 電發(fā)射材料，得到的生長(zhǎng)的外延材料；
步驟3:將步驟2得到的生長(zhǎng)的外延材料經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗去除油脂；再將其送入超高真 空系統(tǒng)中，在700—90(TC下對(duì)材料表面進(jìn)行10 — 30分鐘的加熱凈化，使材料表面達(dá)到原 子級(jí)潔凈程度；
步驟4:通過(guò)激活工藝使步驟3得到的p型GaN材料表面吸附單層Cs或多層Cs/O形 成Cs或Cs/0激活層，最終制備出具有負(fù)電子親和勢(shì)的GaN紫外光電陰極。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果
(1) 本發(fā)明提出一種基于半導(dǎo)體材料外延技術(shù)、半導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)和超高真空表 面激活技術(shù)相結(jié)合的反射式紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用非故意摻雜的GaN材料作 為襯底材料和P型GaN光電發(fā)射材料之間的緩沖層，從而獲得具有零界面復(fù)合速率的GaN 光電發(fā)射材料；提高了界面處電子發(fā)射到真空的幾率，并最終提高了GaN紫外光電陰極的 總體量子效率。
(2) 由于長(zhǎng)波長(zhǎng)的紫外光將在GaN光電發(fā)射層與緩沖層之間的界面處吸收，因此這 種零界面復(fù)合速率的材料結(jié)構(gòu)能獲得較高的長(zhǎng)波紫外靈敏度。
(3) 這種紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)可以作為一種高效的紫外冷電子源，應(yīng)用于微波管、回旋加速度計(jì)等裝置；也可作為主動(dòng)式紫外探測(cè)器的光敏元件，應(yīng)用于紫外告警等領(lǐng)域。
圖1為本發(fā)明GaN紫外光電陰極材料的層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為發(fā)明的GaN紫外光電陰極材料的工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例l:如圖1所示， 一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，該材料結(jié)構(gòu)自下而 上由襯底1(如藍(lán)寶石)、非故意摻雜的GaN緩沖層2、p型GaN光電發(fā)射層3以及Cs或Cs/0 激活層4構(gòu)成；其中，非故意摻雜的GaN緩沖層2通過(guò)半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)在襯底1 上，厚度為50 ; p型GaN光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在所述GaN緩沖層2上，厚度為lOOnm， 摻雜濃度為5X 1017; Cs激活層4通過(guò)超高真空激活工藝緊密吸附在p型GaN光電發(fā)射層3 的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。
實(shí)施例2:與實(shí)施l不同的是，GaN緩沖層2的厚度為lOOnm; p型GaN光電發(fā)射層3 外延生長(zhǎng)在所述GaN緩沖層2上，厚度為lOOnm，摻雜濃度為5X 10i7; Cs激活層4通過(guò)超 高真空激活工藝緊密吸附在p型GaN光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。
實(shí)施例3:與實(shí)施l不同的是，GaN緩沖層2的厚度為lOOnm; p型GaN光電發(fā)射層3 外延生長(zhǎng)在所述GaN緩沖層2上，厚度為150nm，摻雜濃度為5X 1017; Cs激活層4通過(guò)超 高真空激活工藝緊密吸附在P型GaN光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。
上述反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的制作方法為首先，在藍(lán)寶石襯底l已拋光 的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝(如金屬氧化物化學(xué)氣相沉積MOCVD、分子束 外延MBE等)生長(zhǎng)所述厚度的非故意摻雜的GaN緩沖層2;其次，在通過(guò)相同的外延生長(zhǎng) 工藝以及GaN材料的p型摻雜工藝，在GaN緩沖層2上生長(zhǎng)所述厚度、摻雜濃度在IO"— 1018Cm-s的p型GaN光電發(fā)射層3作為光電發(fā)射材料；然后，將得到的生長(zhǎng)的外延材料經(jīng)過(guò) 化學(xué)清洗(如利用純度50%的氫氟酸清洗材料表面)去除油脂；再將其送入超高真空系統(tǒng) 中進(jìn)行加熱，如在90(TC下對(duì)材料表面進(jìn)行20分鐘的加熱凈化，使材料表面達(dá)到原子級(jí)潔 凈程度；最后，通過(guò)激活工藝使P型GaN材料表面吸附單層Cs或多層Cs/0，最終制備出 具有負(fù)電子親和勢(shì)的GaN紫外光電陰極。本發(fā)明反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的工作原理為該紫外光電陰極材料為反射 式工作，即紫外光從陰極的前表面入射進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)激活層4被p型GaN光電發(fā)射層吸收， 較短波長(zhǎng)的光在GaN光電發(fā)射層3表面吸收，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光在GaN光電發(fā)射層3體內(nèi)吸收， 更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光將在GaN光電發(fā)射層3與緩沖層2之間的界面處吸收；GaN光電發(fā)射層3吸 收光子后獲得能量，當(dāng)入射光子能量大于GaN材料的禁帶寬度(3.4eV)時(shí)，處于價(jià)帶的 電子就可以躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，這些自由電子通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)陰極表面并且發(fā)射到真 空。對(duì)于界面處產(chǎn)生的自由電子，由于本發(fā)明中采用非故意摻雜的GaN材料作為緩沖層2， 它與p型GaN光電發(fā)射層3是同一材料，因此不存在界面復(fù)合速率，從而避免了電子在界 面的復(fù)合。當(dāng)電子發(fā)射到真空后被外加高壓收集，并通過(guò)外加采集電路以光電流形式輸出。 入射的紫外光越強(qiáng)，GaN吸收的光子能量就越多，輸出的光電流越大。
本發(fā)明并不限于所述實(shí)施對(duì)緩沖層、光電發(fā)射層厚度和激活層的厚度的限制，只要在 本發(fā)明技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)上所作的簡(jiǎn)單變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，該材料結(jié)構(gòu)在厚度方向自下而上由襯底(1)、非故意摻雜的GaN緩沖層(2)、p型GaN光電發(fā)射層(3)以及Cs或Cs/O激活層(4)構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述非 故意摻雜的GaN緩沖層(2)生長(zhǎng)在襯底(1)上，厚度在10—200nm之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述p 型GaN光電發(fā)射層(3)外延生長(zhǎng)在所述GaN緩沖層(2)上，厚度在100 — 200nm之間， 摻雜濃度在1017_1019cm-3之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述Cs 或Cs/0激活層(4)吸附在p型GaN光電發(fā)射層(3)的前表面上，厚度在nm數(shù)量級(jí)。
5、 制作權(quán)利要求l所述反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟步驟l:在藍(lán)寶石襯底(l)己拋光的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)10 一200nm厚度的非故意摻雜的GaN緩沖層(2);步驟2:然后，通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝以及GaN材料的p型摻雜工藝，在步驟1獲得的GaN 緩沖層(2)上生長(zhǎng)100—200nm厚度、摻雜濃度在1017 — 1019cm-3的p型GaN光電發(fā)射層 (3)作為光電發(fā)射材料，得到的生長(zhǎng)的外延材料；步驟3:將步驟2得到的生長(zhǎng)的外延材料經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗去除油脂；再將其送入超高真空系統(tǒng)中進(jìn)行，在700—900。C下對(duì)材料表面進(jìn)行10 — 30分鐘的加熱凈化，使材料表面達(dá) 到原子級(jí)潔凈程度；步驟4:通過(guò)激活工藝使步驟3得到的p型GaN材料表面吸附單層Cs或多層Cs/O形 成Cs或Cs/0激活層(4)，最終制備出具有負(fù)電子親和勢(shì)的GaN紫外光電陰極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)及其制作方法，其厚度方向自下而上由襯底、非故意摻雜的GaN緩沖層、p型GaN光電發(fā)射層以及Cs或Cs/O激活層構(gòu)成；其中，非故意摻雜的GaN緩沖層生長(zhǎng)在襯底上；p型GaN光電發(fā)射層外延生長(zhǎng)在所述GaN緩沖層上；Cs或Cs/O激活層吸附在p型GaN光電發(fā)射層的前表面上，厚度在nm數(shù)量級(jí)。該結(jié)構(gòu)采用非故意摻雜的GaN材料作為襯底材料和p型GaN光電發(fā)射材料之間的緩沖層，從而獲得具有零界面復(fù)合速率的GaN光電發(fā)射材料；提高了界面處電子發(fā)射到真空的幾率，并最終提高了GaN紫外光電陰極的總體量子效率；由于長(zhǎng)波長(zhǎng)的紫外光將在GaN光電發(fā)射層與緩沖層之間的界面處吸收，因此這種零界面復(fù)合速率的材料結(jié)構(gòu)能獲得較高的長(zhǎng)波紫外靈敏度。
文檔編號(hào)H01J1/02GK101447378SQ20081023332
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者常本康, 杜曉晴, 王曉蘭, 紅 趙, 錢蕓生 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)