[發明專利]一種AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管

無效

• 申請號: 201110408537.8
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102385939A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 鄧宏;韋敏;鄧雪然
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01B1/08
• 分類號: H01B1/08;H01J40/06;H01J40/16
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于電子材料與元器件技術領域，涉及寬禁帶半導體光電薄膜及紫外光電陰極材料，具體是指通過控制Al_xZn_1-xO_1+0.5x(AlZnO)三元合金的各組分原子比在一定的范圍內，可得到具有優良的紫外光電發射性能的薄膜，是一種可應用于紫外光電陰極的新材料。

技術背景

繼紅外光電探測之后，對紫外輻射的探測也普遍受到重視。太陽是強大的紫外輻射源，但經過大氣吸收衰減后，在地面和近地大氣中存在著太陽輻射的光譜盲區(波長范圍：200-300nm)，在這一波段太陽光的背景光噪聲的輻射輝度水平非常低，這為利用紫外探測可靠分辨和有效跟蹤近地飛行目標提供了有利條件，使紫外探測避開了最強大的自然光源，可在良好的背景條件下工作，同紅外探測相比，紫外探測具有虛警率低，不需低溫冷卻的優點。現在，紫外光探測技術已經被廣泛地應用于空間科學、醫學、生物學、火焰傳感、水凈化處理，天際通信、環境污染監測等領域，研制日盲區紫外探測器在軍事和民用領域都具有很高的應用價值。

目前紫外光電探測器主要分為三類：光電子發射(PE)探測器、光電導(PC)探測器、光伏(PV)探測器以及利用表面勢壘制成的各種結型探測器(包括金屬-半導體-金屬點接觸二極管、肖特基勢壘光電二極管等)。其中光電子發射(PE)探測器的原理為外光電效應，即金屬或半導體受光照后，若入射光子能量hv足夠大，和金屬或半導體材料中的電子相互作用，使得電子從金屬或半導體材料表面逸出的現象稱為光電發射效應。而光電導(PC)探測器和光伏(PV)探測器的基本原理為內光電效應，是發生在物質內部的光電轉換現象，特別是在半導體內部產生的光生載流子效應。使用寬禁帶半導體材料制備光電導及結型探測器雖然比較廣泛，但是以上技術的關鍵在于半導體材料必須要對特定波長的光波產生有效的吸收，并且光生載流子在半導體內部的輸運必須通暢快速才能得到高效高速的探測器，這就要求材料必須具有很好的結晶質量，最好是單晶。要得到能夠探測太陽盲區紫外線的半導體材料，就要求其光學禁帶寬度要達到4.4eV以上，對于絕大多數本征寬禁帶半導體而言都還不能達到如此大的禁帶寬度，只有通過摻雜來展寬禁帶。隨之而來產生的問題就是高摻雜后，材料的禁帶寬度雖達到了相應的寬度，但是由于摻雜改變了材料的結構，使缺陷增多，且載流子濃度過高，對其自身的遷移也造成了嚴重的散射，使載流子數目雖多但卻不能在材料體內自由輸運形成光電流。如此一來，通過內光電效應的探測器就很難提高其光靈敏度。本發明中光電管是典型的光電子發射型探測器，采用光電子發射(外光電效應)的原理，這樣在材料表層產生的光生載流子只需克服很短的遷移距離就可以輸運到材料表面并逸出，再在外電場和高真空環境下做定向運動到達陽極產生光電流，從而達到提供檢測信號的作用。

紫外真空探測器件的關鍵技術指標就是它們的探測效率，這取決于光電陰極把入射光子轉換為光電子的能力。所以紫外光電陰極是紫外真空探測器件的核心部件，對器件的整體性能起到決定性的影響。常用的紫外光電陰極材料有C_SI，半透明的C_STe以及不透明的金剛石等，但是這些材料的穩定性不夠或者量子效率較低，使得光電發射的應用受到很大的限制。目前，基于負電子親和勢(Negative?Electron?Affinity或NEA)光電發射的GaN基的紫外光電陰極是新一代紫外光電陰極研究的熱點，NEA光電陰極材料表面的真空能級低于體內的導帶底能級，即材料的有效電子親和勢小于零，則由光照激發產生的光電子只要能從陰極體內運行到表面，就可以輕而易舉地發射到真空而無需過剩的動能去克服材料表面的勢壘，這樣光電子的逸出深度和幾率都將大大增加，發射效率也會大幅度提高。對NEA紫外陰極材料的研究在國外也屬前瞻性技術，美國空間科學實驗室所制備的反射式GaN光電陰極所產生的量子效率最高到70％，光吸收截止邊到380nm。但是，典型的GaN光電陰極材料是生長在晶格匹配的c面藍寶石或SiC襯底上的，不然會導致薄膜質量顯著下降，而且它對制作系統設備的真空度以及對表面的凈化都要求非常苛刻，如在熔石英襯底上沉積的多晶GaN薄膜量子效率明顯地低于生長在藍寶石上的GaN光電陰極，只達到4％。相比之下，ZnO材料體系不僅具有更寬泛的可調禁帶寬度，而且其潛在的優勢還在于它能相對比較容易的沉積在各種不同的基板上面，美國的馬里蘭大學已經開展了以MgZnO作為紫外光電陰極材料的相關研究，所制備的MgZnO陰極經激活后，其量子效率最高達到0.4％(254nm處)。

發明內容