[發明專利]一種指數摻雜GaN紫外光電陰極材料結構的制備方法

在審

• 申請號: 201611222326.4
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN108242378A
• 公開（公告）日: 2018-07-03
• 發明（設計）人: 王曉輝
• 申請（專利權）人: 成都瑩鑫海科技有限公司
• 主分類號: H01J1/34
• 分類號: H01J1/34;H01J9/12
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• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種指數摻雜GaN紫外光電陰極材料結構及其制備方法，通過四個步驟實現，步驟1中非故意摻雜的AlN緩沖層的厚度為10?200nm；步驟2中p型指數摻雜GaN光電發射層的厚度為100?200nm，其摻雜濃度范圍在1016?1019cm?3且摻雜濃度從體內到表面按指數規律依次減小；步驟3中超高真空系統中的真空度達到或優于10?8Pa量級，對材料表面進行加熱凈化時的溫度為700?9000C，加熱時間為10?30分鐘；最終制備出具有負電子親和勢的指數摻雜結構GaN紫外光電陰極。

技術領域

本發明屬于紫外探測材料技術制備領域，具體涉及一種紫外光電陰極材料結構的制備領域。

技術背景

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。GaN紫外光電陰極可以在反射模式或透射模式下工作，GaN紫外光電陰極材料結構自下而上一般包括襯底層(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光電發射層以及吸附低逸出功元素(最常用的元素是Cs和O)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，采用梯度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梯度摻雜結構，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。但是采用梯度摻雜結構存在著理論支撐相對薄弱，沒有太合適的方法用來計算每個分層的濃度及厚度，也不便于理論仿真和數據優化。

發明內容

本發明指數摻雜GaN紫外光電陰極材料結構的工作原理為：紫外光從陰極的前表面或襯底面入射進來，經過激活層4被p型指數摻雜GaN光電發射層3吸收，光電發射層3吸收光子后獲得能量，當入射光子能量大于GaN材料的禁帶寬度(Eg為～3.4eV)時，處于價帶的電子就可以躍遷到導帶成為自由電子，這些自由電子通過擴散加上漂移的運動方式到達陰極表面并且發射到真空。GaN指數摻雜結構一方面提高了發射層光激發電子的逸出幾率，另一方面便于理論設計、理論仿真和數據優化。當電子發射到真空后被外加強電壓收集，并通過外加采集電路以光電流形式輸出。入射的紫外光越強，p型指數摻雜GaN光電發射層3吸收的光子能量就越多，輸出的光電流也就越大。

技術方案：

本發明一種制備指數摻雜GaN紫外光電陰極材料結構的方法，包括以下四個步驟：

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型指數摻雜GaN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指數摻雜結構GaN紫外光電陰極。

具體實施方式

實施方式一：