專利名稱：基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極的制作方法
技術領域：
本發明涉及紫外探測材料技術領域，具體涉及一種基于襯底圖形化、m — ν族化合物材料外延技術和超高真空表面激活技術相結合的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN 紫外光電陰極。
背景技術：
近年來，隨著GaN材料制備技術、ρ型摻雜技術的完善以及超高真空技術的發展， GaN紫外器件得到了快速發展。GaN紫外光電陰極是一種高性能的電子發射材料，能通過外光電發射(電子發射)實現對紫外光的高靈敏探測。由于GaN紫外光電陰極具有負電子親和勢(NEA)表面，因此與傳統正電子親和勢紫外光陰極以及固體紫外探測器件相比，GaN紫外光電陰極具有量子效率高、暗發射小、紫外可見光抑制比高、穩定性好、發射電子能量分布集中等眾多優點，在紫外探測及真空電子源領域具有極大的應用潛力。目前，高質量的GaN材料一般通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術，在藍寶石襯底上外延生長。由于藍寶石襯底材料與GaN材料的晶格常數和熱膨脹系數差異較大，直接外延生長難以獲得高質量的GaN外延材料，因此一般會首先在藍寶石襯底上外延生長一定厚度的緩沖層，然后再在緩沖層上生長GaN外延層。這種方法盡管可以明顯提高GaN外延層的質量，但仍然存在藍寶石襯底與緩沖層之間的晶格常數和熱膨脹系數差異，由此導致緩沖層材料和GaN材料的外延質量不夠理想，影響器件的性能。對于透射式GaN紫外光電陰極，緩沖層材料一般選取禁帶寬度大于GaN材料、且與GaN材料晶格常數相近(晶格相互匹配)的AlN或者AlxGai_x N，并且要求緩沖層的厚度不能太厚，以減小緩沖層對紫外光的吸收損失。由于藍寶石和AlN材料在a軸方向的晶格常數分別是0. 4758nm和0. 3112nm,晶格差異較大，因此在外延過程中較大的晶格差異會在緩沖層中引入位錯缺陷，它們充當非輻射復合中心，增加了緩沖層與GaN發射層之間的后界面復合速率，從而不利于GaN發射層內光生載流子的提高與輸運。同時，對于透射式GaN紫外光電陰極，在工作時紫外光首先從藍寶石襯底入射，經過緩沖層后再到達GaN光電發射層，因此藍寶石襯底入射表面對紫外光的反射損失，會直接降低到達GaN發射層的光子數量，影響GaN陰極最終的量子效率。藍寶石對紫外光的反射率在20% 30%，如果能降低藍寶石入射表面對入射紫外光的反射率，就能夠提高到達 GaN發射層的光子數量，從而提高GaN陰極的量子效率。
發明內容
針對現有藍寶石襯底與A1N/Alx(iai_x N緩沖層的晶格常數、熱膨脹系數不匹配、緩沖層與GaN發射層界面特性不夠理想、藍寶石襯底光入射表面存在較大的紫外光反射損失的現狀，本發明提供了一種基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極。
本發明提供的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍寶石襯底、AlN/AlxGai_x N緩沖層、ρ型GaN光電發射層以及Cs或Cs/0激活層組成；所述藍寶石襯底的上表面均布設有m個凹孔I，IO2 < m < 104，藍寶石襯底的下表面均布設有 η個凹孔II，IO2彡η彡IO40進一步，所述藍寶石襯底上的凹孔I和凹孔II為倒錐V形、倒錐金字塔形和圓桶形中的任一種結構。進一步，所述凹孔I和凹孔II的橫向最大尺寸在0.5 5μπι，凹孔I和凹孔II的深度在0. 5 2μπι，相鄰凹孔I之間的間距以及相鄰凹孔II之間的間距在0. 5 5μπι。進一步，所述A1N/Alx(iai_x N緩沖層的厚度在0.5 2.5 μ m。進一步，所述ρ型GaN光電發射層內的ρ型摻雜濃度的范圍控制在 1019cm_3， P型GaN光電發射層的厚度控制在100 200nm。再進一步，所述Cs或Cs/0激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發射層的表面上。與現有技術相比，基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極具有如下優占.
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1、本發明將藍寶石襯底的外延生長面進行微圖形化(即凹孔)設計，以增加緩沖層材料在外延生長過程中的應力作用范圍，有效緩沖外延過程中由于襯底與緩沖材料的晶格常數與熱膨脹系數差異而導致的側向應力變化，降低由此導致的晶格缺陷密度以及緩沖層一 GaN發射層之間的界面復合速率，提高GaN發射層內光生電子的數量。2、本發明將藍寶石襯底的光入射面進行微圖形化(即凹孔)設計，利用微形圖案對入射光的多次反射吸收以及多次反射干涉相消的效應，降低藍寶石入射表面對入射紫外光的反射率，提高到達GaN發射層的光子數量，從而提高GaN陰極的量子效率。
圖1為基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極的結構示意圖2為藍寶石襯底的雙面凹孔呈倒錐V形結構的示意圖3為藍寶石襯底的雙面凹孔呈倒錐金字塔形結構的示意圖4為藍寶石襯底的雙面凹孔呈圓柱形結構的示意圖5為凹孔設計的藍寶石襯底入射表面對入射光線的光學傳輸示意圖6為凹孔設計的藍寶石襯底外延表面對外延層生長的作用示意圖7為藍寶石襯底上表面為圓柱形凹孔、下表面為倒錐金字塔形凹孔的結構示意圖8為藍寶石襯底上表面為圓柱形凹孔、下表面為倒錐V形凹孔的結構示意圖9為藍寶石襯底上表面為倒錐V形凹孔、下表面為倒錐金字塔形凹孔的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地說明。圖1為基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極的結構示意圖，如圖所示 基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍寶石襯底1、A1N或 AlxGa1^x N緩沖層2、p型GaN光電發射層3以及Cs/0激活層4組成。藍寶石襯底1的外延生長表面(即藍寶石襯底1的上表面)均布設有m個凹孔I 5，其中m滿足102 < m < 104，光入射表面6(即藍寶石襯底1的下表面)均布設有η個凹孔II 6，其中η滿足IO2SnS 104。藍寶石襯底1上的凹孔I 5和凹孔II 6為倒錐V形(如圖2所示)、倒錐金字塔形 (如圖3所示)、圓柱形(如圖4所示)中的任一種結構。這三種凹孔都已通過實驗證明能有效提高材料表面光吸收率，降低材料表面由光學反射導致的光能量損失；并能降低異質外延導致的位錯缺陷，提高藍寶石襯底上GaN外延質量。凹孔II 5通過對入射光的多次反射吸收以及多次反射干涉相消的效應來提高光的吸收效率，降低入射光在入射表面的反射損耗，如圖5所示。其中倒錐V形和圓柱形可使材料表面的光學吸收率提高至接近100%，即幾乎沒有反射損失。凹孔I 6通過增加外延材料與藍寶石襯底之間的接觸面積來適應外延過程中的熱應力和晶格熱膨脹系數的變化，促進外延材料的橫向生長，減小異質外延過程中的位錯缺陷，提高外延質量，如圖6所示。凹孔I 5和凹孔II 6可以在形狀或尺寸上存在差異，但在同一表面的凹孔在形狀和尺寸都是相同，如圖7、圖8和圖9所示，以保證入射光在同一光學界面的任意位置都受到相同的反射效果，以及外延層質量的均勻分布。這三種凹孔都易于通過等離子刻蝕(ICP)或納米壓印等成熟的微納加工技術實現，能獲得較高的形狀和尺寸加工精度。凹孔I 5和凹孔II 6的橫向最大尺寸在0.5 5 μ m，凹孔I 5和凹孔II 6的深度在0.5 2μπι，相鄰凹孔I 5之間的間距以及相鄰凹孔 II 6之間的間距在0. 5 5μπι。凹孔II 6通過對入射光的多次反射吸收和多次反射干涉相消的效應來提高對光的吸收效率，降低光的反射損耗。當凹孔尺寸與入射光波長相比擬或幾倍于入射光波長時，凹孔對入射光吸收效率的提升作用較好，如果微元尺寸小于光波長或遠大于光波長，都不能起到良好的效果。由于P型GaN光電陰極的入射光波長通常在 0. 2 0. 4 μ m之間，因此將凹孔的橫向尺寸定在0. 5 5 μ m、并考慮到大尺寸的凹孔深度目前還難以通過刻蝕實現，因此將凹孔的深度設計在0. 5 2 μ m。緩沖層2的材料可以是A1N，也可以是組分可變的AlxGai_xN，還可以是AlN/ AlxGai_xN多層材料。AlN和AlxGai_xN的晶格常數和折射率與發射材料GaN較為接近，因此以它們作為緩沖材料能提高GaN材料的外延質量。由于緩沖層同時作為光的傳輸通道和材料緩沖層，因此要求總厚度值不能太小，否則無法起到緩沖效果；也不能太大，否則造成入射光隨著傳輸路徑增加而逐漸衰減的不良效果。將緩沖層的總厚度設計在0. 5 2. 5 μ m， 使得厚度與GaN陰極的入射光波長相比擬或幾倍于入射光波長，以此獲得較好的光學傳輸效果和外延緩沖性能。ρ型GaN光電發射層3外延生長在AlNAlxGivxN緩沖層2上，在ρ型GaN光電發射層3內的每一種摻雜濃度的范圍控制在IO16 IO19CnT3之間。摻雜濃度太低，會增加陰極表面的能帶彎曲區寬度，使得光電子在較寬的區域內受到表面電場的散射并損失能量，從而導致電子表面逸出幾率的明顯降低。摻雜濃度高，雖然有利于電子表面逸出幾率的提高， 但會造成陰極材料電子擴散長度降低，影響光電子的體內輸運效率。因此，在設計中將摻雜濃度范圍限制在IO16 IO19cnT3之間。ρ型GaN光電發射層3的厚度控制在100 200nm之間，例如厚度取為lOOnm、 130nm、150nm、170nm、180nm或200nm均可。將GaN光電發射層的厚度控制在100 200nm 之間，主要是為了與GaN光電發射層的電子擴散長度(一般也為100 200nm)相匹配，從而保證GaN光電陰極對短波紫外和長波紫外都能有較高的吸收效率和光電發射效率。Cs或Cs/0激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發射層的表面上，厚度在nm數量級。Cs或Cs/0激活層可以分別通過GaN的Cs (銫)或Cs/0激活工藝制備而成，這兩種工藝為現有負電子親和勢(NEA)光電陰極制備的標準工藝。Cs激活工藝是在超高真空系統中，使一定量的Cs原子均勻吸附在高度清潔的p-GaN表面，隨著Cs的吸附，GaN表面在紫外光照射下所發射的光電流逐漸增大，當Cs吸附到一定程度時，GaN表面發射的光電流不再增大并開始略微下降，這時Cs激活過程結束，表面為(p-GaN，Cs)的 GaN光電陰極形成。Cs/0激活工藝是首先通過Cs激活工藝，在高度清潔的p_GaN表面均勻吸附一定量且過量的Cs，然后，采用Cs/0交替循環激活的工藝使一定量的(Cs，0)吸附在(p-GaN，Cs)表面上，通過2 3個Cs/0交替循環激活，GaN表面發射的光電流可進一步增加，如果再繼續Cs/0交替循環，光電流就開始下降，這時Cs/0激活過程結束。表面為 (p-GaN, Cs, Cs/0)的GaN光電陰極形成。與Cs激活工藝相比，(Cs, 0)兩步激活工藝可使 GaN光電陰極的光電發射效率提高約10 20%。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于該陰極自下而上由藍寶石襯底(1)、AlN或AlxGEih N緩沖層(2 )、ρ型GaN光電發射層(3 )以及Cs或Cs/ 0激活層(4)組成；所述藍寶石襯底(1)的上表面均布設有m個凹孔I (5)，102<m< IO4, 藍寶石襯底(1)的下表面均布設有η個凹孔II (6)，IO2IO40
2.根據權利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述藍寶石襯底(1)上的凹孔I (5)和凹孔II (6)為倒錐V形、倒錐金字塔形和圓桶形中的任一種結構。
3.根據權利要求1或2所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述凹孔I (5)和凹孔II (6)的橫向最大尺寸在0. 5 5μπι，凹孔I (5)和凹孔II (6)的深度在0. 5 2μπι，相鄰凹孔I (4)之間的間距以及相鄰凹孔II (5)之間的間距在 0. 5 5 μ m。
4.根據權利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述AlN或AlxGai_x N緩沖層(2)的厚度在0. 5 2. 5 μ m。
5.根據權利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述P型GaN光電發射層(3)內的P型摻雜濃度的范圍控制在IO16 1019cm_3，p型GaN 光電發射層(3)的厚度在100 200nm。
6.根據權利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述Cs或Cs/0激活層(4)通過超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發射層(3) 的表面上。
全文摘要
本發明公開了一種基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍寶石襯底、AlN/AlxGa1-xN緩沖層、p型GaN光電發射層以及Cs或Cs/O激活層組成；藍寶石襯底的上表面均布設有m個凹孔Ⅰ，102≤m≤104，藍寶石襯底的下表面均布設有n個凹孔Ⅱ，102≤n≤104。本發明采用雙面凹孔圖形結構提高藍寶石襯底對紫外光的透射率，并增加藍寶石襯底的生長應力作用范圍，以提高緩沖層及GaN外延層質量，從而使GaN陰極獲得較高的量子轉換效率。
文檔編號H01J40/06GK102280343SQ20111019590
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月13日 優先權日2011年7月13日
發明者杜曉晴, 童廣 申請人:重慶大學