[發明專利]基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法

無效

• 申請號: 201010179981.2
• 申請日: 2010-05-21
• 公開（公告）號: CN101866976A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 杜曉晴;常本康;錢蕓生;高頻;王曉暉;張益軍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 張先蕓

技術領域

本發明涉及紫外探測材料技術領域，具體涉及一種基于半導體材料摻雜技術、半導體材料外延技術和超高真空表面激活技術相結合的基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法。

背景技術

近年來，隨著GaN材料制備技術、p型摻雜技術的完善以及超高真空技術的發展，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電子親和勢(NEA)，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紫外光電陰極顯示了量子效率高、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，因此在紫外探測及真空電子源領域具有極大的應用潛力。

目前，獲得高量子效率是GaN光電陰極走向實用化需要解決的主要問題。高的量子效率有助于提高探測器的靈敏度和信噪比，從而顯著提高探測系統的探測距離與微弱紫外探測能力。在影響GaN光電陰極量子效率的眾多因素中，GaN陰極材料水平是決定陰極探測性能的關鍵因素。目前典型的GaN光電陰極采用的是均勻摻雜的p型GaN作為陰極發射材料，這種均勻摻雜材料需要考慮摻雜濃度對電子表面逸出幾率和光電子體內輸運效率的影響，選擇合適的摻雜濃度來達到二者的平衡。雖然通過摻雜濃度的適當選取能夠提高陰極的光電發射效率，但這種折中處理局限于材料本身，具有很大的限制性，無法顯著地改善陰極的光電發射性能。

發明內容

針對現有技術中的不足之處，本發明提供了一種基于半導體材料摻雜技術、半導體材料外延技術和超高真空表面激活技術相結合，且提高光電子體內輸運效率和表面逸出幾率，最終提高光電陰極的光電發射量子效率的基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法。

本發明提供的基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍寶石制成的陰極透射式襯底層、AlN緩沖層、變摻雜結構的p型GaN光電發射層以及Cs或Cs/O激活層組成，所述p型GaN光電發射層的摻雜濃度從內表面到外表面逐漸降低。

進一步，所述p型GaN光電發射層外延生長在AlN緩沖層上，p型GaN光電發射層由厚度為t₁的GaN層對應摻雜濃度為N_A1厚度為t₂的GaN層對應摻雜濃度為N_A2，厚度為t₃的GaN層對應摻雜濃度為N_A3，......，直到厚度為t_n的GaN層對應摻雜濃度為N_An組成，其中1≤n＜20；所述N_A1＞N_A2＞N_A3＞...＞N_An-1＞N_An；

進一步，所述p型GaN光電發射層內的每一種摻雜濃度的范圍控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3之間；

進一步，所述p型GaN光電發射層的總厚度t控制在100～200nm之間；

進一步，所述Cs或Cs/O激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在p型GaN光電發射層的表面上。

本發明還提供了一種基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極的制作方法，該制作方法如下：

1)在雙拋光的由藍寶石制成的陰極透射式襯底層的表面，通過半導體材料的外延生長工藝生長10～20nm厚度的AlN緩沖層；

2)再通過相同的外延生長工藝以及GaN材料的p型摻雜工藝，在GaN緩沖層上生長總厚度為100～200nm的變摻雜結構的p型GaN光電發射層；

3)將生長的外延的p型GaN光電發射層經過化學清洗去除油脂，再送入超高真空系統中進行的加熱凈化，使p型GaN光電發射層的表面達到原子級潔凈程度；

4)通過超高真空激活工藝使p型GaN光電發射層表面吸附Cs或Cs/O激活層。

與現有技術相比，基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法具有如下優點：

1、本發明采用一種由內表面到外表面摻雜濃度由高到低的變摻雜結構來設計和制備透射式GaN紫外光電陰極，利用這種變摻雜模式在GaN陰極體內產生幫助光電子向表面輸運的內建電場，從而提高光電子的體內輸運效率和表面逸出幾率，最終提高光電陰極的光電發射量子效率。

2、本發明與傳統均勻摻雜的GaN光電陰極相比，這種變摻雜結構的GaN光電陰極具有更高的量子效率以及更好的長波紫外響應能力，依賴于變摻雜引起的內場助效應有利于光電發射性能的提高。