[發明專利]多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結構及其制作方法

無效

• 申請號: 201010565133.5
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN102064206A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 常本康;李飆;徐源;杜玉杰;王曉暉;杜曉晴
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01J1/34;H01L31/18;H01J9/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于紫外探測材料技術領域，具體涉及一種基于半導體材料外延技術、半導體材料摻雜技術和超高真空表面激活技術相結合的反射式紫外光電陰極材料結構及其制作方法。

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(Negative?Electron?Affinity，NEA)，即陰極的表面真空能級低于體內導帶底能級，因此體內光激發電子只需運行到表面，就可以通過隧穿發射到真空，無需過剩動能去克服材料表面的勢壘，使光激發電子的逸出幾率大大增加，并且為冷電子發射，因此具有量子效率高、暗發射小、發射電子能量分布集中等獨特優點。其量子效率一般＞24％，大大高于傳統的紫外光電陰極10％的量子效率(如碲化銫，具有正電子親和勢，Positive?Electron?Affinity，PEA)，并且，GaN材料禁帶寬度為～3.4eV，響應400nm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模式或透射模式下工作。當光從陰極前表面入射而電子也從前表面發射時為反射模式工作；當光從陰極的后表面入射而電子從前表面發射時為透射模式工作。反射式的GaN紫外光電陰極材料結構自下而上一般包括襯底材料(通常采用藍寶石)、外延生長在襯底上的AlN緩沖層、生長在緩沖層上的p型GaN光電發射材料以及低逸出功元素吸附的激活層。其中光電發射層采用p型均勻摻雜，由于發射層表面和體內存在濃度差，被入射光從價帶激發到導帶的電子以擴散形式向體表運動。輸運過程中一些電子在多次與晶格碰撞損失能量后被復合，無法逸出，從而降低電子發射數量，導致陰極量子效率較低。

經文獻檢索發現，采用變摻雜結構光電發射層可以提高光激發電子從體內到體表的輸運能力，增大了電子逸出量，從而得到較高的量子效率。光電發射層采取適當的變摻雜結構，可以在發射層體內產生有利于電子向表面運動的內建電場，使激發到導帶的電子在向表面運動的過程中既存在體內和體表間的濃度差引起的擴散運動，又能在內建電場的作用下作漂移運動，擴散加上漂移的運動方式可以增加電子到達陰極表面的幾率，進而電子逸出幾率增大，量子效率獲得提高。但是發射層體內較深處光激發電子逸出比例仍較小，光激發電子逸出深度仍有提升的空間。

發明內容

本發明所解決的技術問題在于提供一種進一步提高光激發電子逸出深度的多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結構及其制作方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結構，該材料結構自下而上依次為襯底、非故意摻雜的AlN緩沖層、p型Ga_xAl_1-xN多組分混晶光電發射層以及Cs或Cs/O激活層。

一種制造多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結構的方法，包括以下步驟：

步驟1、在雙面拋光的藍寶石襯底的上表面，通過半導體材料的外延生長工藝生長非故意摻雜的AlN緩沖層；

步驟2、通過外延生長工藝以及III-V族化合物半導體材料的p型摻雜工藝，在步驟1獲得的AlN緩沖層上生長p型Ga_xAl_1-xN多組分混晶光電發射層作為光電發射材料；

步驟3、利用化學清洗去除步驟2得到的陰極材料表面油脂及加工過程中殘存的無機附著物；然后將其送入超高真空系統中，對材料表面進行加熱凈化，使材料表面達到原子級潔凈程度；

步驟4、在上述p型GaN材料表面通過激活工藝吸附單層Cs或多層Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活層，最終制備出具有負電子親和勢的多組分、梯度摻雜結構GaN紫外光電陰極。