[發明專利]一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201811248124.6
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109449068B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 鄒繼軍;張濤;彭新村;鄧文娟
• 申請（專利權）人: 東華理工大學
• 主分類號: H01J9/02
• 分類號: H01J9/02;H01J9/12;H01J29/04
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

1.一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：以n型GaAs作為襯底層，首先在該襯底層上生長Al組分由0開始呈線性遞增和n型摻雜濃度由高到低呈指數遞減的n型變帶隙AlGaAs電子提供層，再依次生長n型AlGaAs電子提供層、p型AlGaAs電子注入層，隨后生長Al組分由高到低呈線性遞減至0和p型摻雜濃度由低到高呈指數遞增的p型變帶隙AlGaAs電子發射層，最后依次生長p型GaAs電子發射層、As保護層；而后利用等離子體增強化學氣相沉積技術在變帶隙AlGaAs/GaAs材料上沉積SiO₂絕緣層；再利用感應耦合等離子刻蝕技術得到變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層，然后利用電子束蒸發制備Ti/Pt/Au電子注入層電極，并在GaAs襯底層上粘貼一層銦箔形成電子提供層電極；最后在超高真空系統中進行高溫凈化處理，去除As保護層，然后進行Cs/O激活，在變帶隙AlGaAs陣列發射層上沉積Cs-O激活層，形成一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極。

2.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：n型GaAs做襯底，要求位錯密度低于10³cm^-3，且均勻性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度為300～400μm，n型摻雜濃度為(0.5～2)×10¹⁸cm^-3。

3.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：n型變帶隙AlGaAs電子提供層，厚度為0.5～1μm，從襯底往外生長時，n型摻雜濃度由(0.5～2)×10¹⁸cm^-3按指數遞減至(1～5)×10¹⁷cm^-3，Al組分的摩爾占比由0線性遞增至0.4～0.6。

4.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：n型AlGaAs電子提供層，厚度為0.2～0.4μm，n型摻雜濃度為(1～5)×10¹⁷cm^-3，Al組分的摩爾占比為0.4～0.6。

5.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：p型AlGaAs電子注入層，厚度為0.1～0.3μm，p型摻雜濃度為(1～5)×10¹⁸cm^-3，Al組分的摩爾占比為0.3～0.4。

6.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：p型變帶隙AlGaAs電子發射層，厚度為0.2～1μm，從電子注入層往外生長時，p型摻雜濃度由(1～5)×10¹⁸cm^-3按指數遞增至1×10¹⁹cm^-3，Al組分的摩爾占比由0.3～0.4線性遞減至0。

7.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：p型GaAs電子發射層，厚度為20～80nm，p型摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3。

8.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：As保護層，厚度為3～10nm。

9.根據權利要求1所述的一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極，其特征在于：變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層中陣列圖形形狀為圓形、正方形或長方形，其直徑、邊長或長寬范圍為500nm～50μm，間距為5～10μm，高為200～1000nm。

10.一種負電子親和勢變帶隙AlGaAs/GaAs電注入陰極的制備方法，其特征在于，其制備步驟為：

1)選取n型GaAs做襯底，要求其位錯密度低于10³cm^-3，且均勻性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度為300～400μm，n型摻雜濃度為(0.5～2)×10¹⁸cm^-3；

2)在步驟1)中獲得的n型GaAs襯底層上，采用金屬有機物化學氣相沉積技術外延生長n型變帶隙AlGaAs電子提供層，厚度為0.5～1μm，從襯底往外生長時，n型摻雜濃度由(0.5～2)×10¹⁸cm^-3按指數遞減至(1～5)×10¹⁷cm^-3，Al組分的摩爾占比由0線性遞增至0.4～0.6；

3)在步驟2)中獲得的n型變帶隙AlGaAs電子提供層上外延生長n型AlGaAs電子提供層，厚度為0.2～0.4μm，n型摻雜濃度為(1～5)×10¹⁷cm^-3，Al組分的摩爾占比為0.4～0.6；

4)在步驟3)中獲得的n型AlGaAs電子提供層上生長p型AlGaAs電子注入層，厚度為0.1～0.3μm，p型摻雜濃度為(1～5)×10¹⁸cm^-3，Al組分的摩爾占比為0.3～0.4；

5)在步驟4)中獲得的p型AlGaAs電子注入層上，生長p型變帶隙AlGaAs電子發射層，厚度為0.2～1μm，從電子注入層往外生長時，p型摻雜濃度由(1～5)×10¹⁸cm^-3按指數遞增至1×10¹⁹cm^-3，Al組分的摩爾占比由0.3～0.4線性遞減至0；

6)在步驟5)中獲得的p型變帶隙AlGaAs電子發射層上生長p型GaAs電子發射層，厚度為20～80nm，p型摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3；

7)在步驟6)中獲得的p型GaAs電子發射層上生長As保護層，厚度為3～10nm；

8)在步驟7)中獲得的As保護層上利用等離子體增強化學氣相沉積技術沉積厚度為0.5～1μm的SiO₂絕緣層，并通過光刻技術在SiO₂絕緣層表面形成光刻膠掩模圖像；

9)采用反應離子刻蝕技術，刻蝕掉步驟8)中已曝光部分的SiO₂，并通過光刻技術形成含有發射陣列圖案的光刻膠掩模圖像；

10)利用步驟9)中獲得的光刻膠掩模圖像，采用感應耦合等離子體刻蝕技術刻蝕As保護層、p型GaAs電子發射層和p型變帶隙AlGaAs電子發射層，得到變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層；

11)使用化學方法去除步驟10)中獲得的變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層和SiO₂絕緣層頂部的光刻膠，而后再次利用光刻技術在發射陣列上形成光刻膠保護層；

12)使用物理氣相沉積技術在步驟11)中獲得的含有光刻膠保護層的電子提供層及SiO₂絕緣層頂部按順序蒸鍍厚度為10～70/20～80/100～300nm的Ti/Pt/Au金屬，而后通過剝離技術形成電子注入層電極；

13)使用化學方法去除步驟12)中獲得的變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層和電子注入層電極表面油脂和污染物，將一層銦箔粘貼在GaAs襯底層上形成電子提供層電極，隨后快速送入超高真空系統中，進行高溫加熱凈化處理，去除As保護層及表面污染物；

14)在超高真空系統中對變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層材料進行Cs/O激活，以在變帶隙AlGaAs/GaAs陣列發射層上形成Cs-O激活層，獲得負電子親和勢電注入陰極。