專利名稱：多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紫外探測(cè)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于半導(dǎo)體材料外延技術(shù)、半 導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)和超高真空表面激活技術(shù)相結(jié)合的反射式紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)及其 制作方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著GaN材料制備技術(shù)、ρ型摻雜技術(shù)的完善以及超高真空技術(shù)的發(fā)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(fù)電子親 和勢(shì)(Negative Electron Affinity，ΝΕΑ)，即陰極的表面真空能級(jí)低于體內(nèi)導(dǎo)帶底能級(jí)， 因此體內(nèi)光激發(fā)電子只需運(yùn)行到表面，就可以通過(guò)隧穿發(fā)射到真空，無(wú)需過(guò)剩動(dòng)能去克服 材料表面的勢(shì)壘，使光激發(fā)電子的逸出幾率大大增加，并且為冷電子發(fā)射，因此具有量子效 率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量分布集中等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。其量子效率一般> 24%，大大高于傳 統(tǒng)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(shì)，Positive Electron Affinity，PEA)，并且，GaN材料禁帶寬度為 3. 4eV,響應(yīng)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(dāng)光從陰極前表面入射而 電子也從前表面發(fā)射時(shí)為反射模式工作；當(dāng)光從陰極的后表面入射而電子從前表面發(fā)射時(shí) 為透射模式工作。反射式的GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)自下而上一般包括襯底材料(通常 采用藍(lán)寶石)、外延生長(zhǎng)在襯底上的AlN緩沖層、生長(zhǎng)在緩沖層上的ρ型GaN光電發(fā)射材料 以及低逸出功元素吸附的激活層。其中光電發(fā)射層采用P型均勻摻雜，由于發(fā)射層表面和 體內(nèi)存在濃度差，被入射光從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的電子以擴(kuò)散形式向體表運(yùn)動(dòng)。輸運(yùn)過(guò)程中 一些電子在多次與晶格碰撞損失能量后被復(fù)合，無(wú)法逸出，從而降低電子發(fā)射數(shù)量，導(dǎo)致陰 極量子效率較低。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，采用變摻雜結(jié)構(gòu)光電發(fā)射層可以提高光激發(fā)電子從體內(nèi)到體表 的輸運(yùn)能力，增大了電子逸出量，從而得到較高的量子效率。光電發(fā)射層采取適當(dāng)?shù)淖儞诫s 結(jié)構(gòu)，可以在發(fā)射層體內(nèi)產(chǎn)生有利于電子向表面運(yùn)動(dòng)的內(nèi)建電場(chǎng)，使激發(fā)到導(dǎo)帶的電子在 向表面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中既存在體內(nèi)和體表間的濃度差引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，又能在內(nèi)建電場(chǎng)的作 用下作漂移運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散加上漂移的運(yùn)動(dòng)方式可以增加電子到達(dá)陰極表面的幾率，進(jìn)而電子 逸出幾率增大，量子效率獲得提高。但是發(fā)射層體內(nèi)較深處光激發(fā)電子逸出比例仍較小，光 激發(fā)電子逸出深度仍有提升的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種進(jìn)一步提高光激發(fā)電子逸出深度的多組 分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)及其制作方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，該材料結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、非故意摻雜的AlN緩沖層、ρ型GaxAlhN多組分 混晶光電發(fā)射層以及Cs或Cs/O激活層?！N制造多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟 步驟1、在雙面拋光的藍(lán)寶石襯底的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng) 非故意摻雜的AlN緩沖層；步驟2、通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝以及III-V族化合物半導(dǎo)體材料的ρ型摻雜工藝，在步 驟1獲得的AlN緩沖層上生長(zhǎng)P型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層作為光電發(fā)射材料；步驟3、利用化學(xué)清洗去除步驟2得到的陰極材料表面油脂及加工過(guò)程中殘存的 無(wú)機(jī)附著物；然后將其送入超高真空系統(tǒng)中，對(duì)材料表面進(jìn)行加熱凈化，使材料表面達(dá)到原 子級(jí)潔凈程度；步驟4、在上述P型GaN材料表面通過(guò)激活工藝吸附單層Cs或多層Cs/Ο，以形成 Cs或Cs/Ο激活層，最終制備出具有負(fù)電子親和勢(shì)的多組分、梯度摻雜結(jié)構(gòu)GaN紫外光電陰 極。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明提出一種基于半導(dǎo)體材料外延技 術(shù)、半導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)和超高真空表面激活技術(shù)相結(jié)合的反射式紫外光電陰極材料結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用GaxAlhN多組分和梯度摻雜光電發(fā)射層，增大了發(fā)射層內(nèi)光激發(fā)電子的逃 逸深度，提高了發(fā)射層內(nèi)電子發(fā)射到真空的幾率，從而提高了 GaN紫外光電陰極的總體量 子效率，獲得較高的紫外靈敏度；2)由于GaxAlhN多組分混晶發(fā)射層材料的禁帶寬度隨χ 的改變而相應(yīng)變化，對(duì)應(yīng)于紫外響應(yīng)閾可調(diào)；3)這種紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)可以作為一種 高效的紫外冷電子源，應(yīng)用于微波管、回旋加速度計(jì)等裝置；也可作為主動(dòng)式紫外探測(cè)器的 光敏元件，應(yīng)用于紫外告警等領(lǐng)域。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明GaN紫外光電陰極材料的層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明GaN紫外光電陰極材料工作原理圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明的一種多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，該材 料結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底1、非故意摻雜的AlN緩沖層2、ρ型GaxAlhN多組分混晶光電 發(fā)射層3以及Cs或Cs/Ο激活層4。所述襯底1為雙面拋光的藍(lán)寶石。所述非故意摻雜 的AlN緩沖層2外延生長(zhǎng)在襯底1上，厚度在10-200nm之間。所述ρ型GaxAlxN多組分 混晶光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在AlN緩沖層2上，厚度在100-200nm之間，摻雜濃度范圍為 1016-1019cm_3，摻雜濃度從體內(nèi)到表面依次減小，GaxAlhN多組分混晶中比例控制參數(shù)χ以 AlN緩沖層為生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)?。所述Cs或Cs/Ο激活層4吸附在ρ型GaxAlhN多組 分混晶光電發(fā)射層3的前表面上，厚度在nm數(shù)量級(jí)。一種制造多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟步驟1、在雙面拋光的藍(lán)寶石襯底1的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝生 長(zhǎng)非故意摻雜的AlN緩沖層2 ；所述非故意摻雜的AlN緩沖層2的厚度為10-200nm。
步驟2、通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝以及III-V族化合物半導(dǎo)體材料的ρ型摻雜工藝，在步 驟1獲得的AlN緩沖層2上生長(zhǎng)P型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層3作為光電發(fā)射材 料；所述P型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層3的厚度為100-200nm，其摻雜濃度范圍在 IO16-IO19Cm-3且摻雜濃度從體內(nèi)到表面依次減小，所述GaxAlhN多組分混晶中比例控制參 數(shù)χ以AlN緩沖層為生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)?。步驟3、利用化學(xué)清洗去除步驟2得到的陰極材料表面油脂及加工過(guò)程中殘存的 無(wú)機(jī)附著物；然后將其送入超高真空系統(tǒng)中，對(duì)材料表面進(jìn)行加熱凈化，使材料表面達(dá)到原 子級(jí)潔凈程度；對(duì)材料表面進(jìn)行加熱凈化時(shí)的溫度為700-900°C，加熱時(shí)間為10-30分鐘。步驟4、在上述ρ型GaN材料表面通過(guò)激活工藝吸附單層Cs或多層Cs/Ο，以形成 Cs或Cs/Ο激活層4，最終制備出具有負(fù)電子親和勢(shì)的多組分、梯度摻雜結(jié)構(gòu)GaN紫外光電 陰極。結(jié)合圖2，本發(fā)明反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的工作原理為該紫外光電 陰極材料的工作模式為反射式，即紫外光從陰極的前表面入射進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)激活層4被ρ型 GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層3吸收，光電發(fā)射層3吸收光子后獲得能量，當(dāng)入射光子能 量大于GaN材料的禁帶寬度(Eg = 3. 4eV)時(shí)，處于價(jià)帶的電子就可以躍遷到導(dǎo)帶成為自由 電子，這些自由電子通過(guò)擴(kuò)散加上漂移的運(yùn)動(dòng)方式到達(dá)陰極表面并且發(fā)射到真空。GaxAlhN 多組分結(jié)構(gòu)一方面提高了發(fā)射層深處光激發(fā)電子的逸出幾率，另一方面增加了對(duì)紫外響應(yīng) 波長(zhǎng)的調(diào)整。當(dāng)電子發(fā)射到真空后被外加強(qiáng)電壓收集，并通過(guò)外加采集電路以光電流形式 輸出。入射的紫外光越強(qiáng)，P型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層3吸收的光子能量就越多， 輸出的光電流也就越大。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述實(shí)施例1 如圖1所示，一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，該材料結(jié)構(gòu)自下 而上由襯底1 (如藍(lán)寶石)、非故意摻雜AlN緩沖層2、p型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層 3以及Cs或Cs/Ο激活層4構(gòu)成；其中，非故意摻雜的AlN緩沖層2外延生長(zhǎng)在襯底層1上， 厚度為50nm ；ρ型GaxAU多組分混晶光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在前述AlN緩沖層2上，厚度 為120nm，摻雜濃度依次為1 X 1018、4X 1017、2X IO17和6X 1016，由體內(nèi)到體表漸次降低，混 晶中比例控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)? ；Cs激活層4通過(guò)超高真空激 活工藝吸附在P型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。實(shí)施例2 與實(shí)施1不同的是，AlN緩沖層的厚度為IOOnm ；ρ型GaxAl1J多組分混 晶光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在前述AlN緩沖層2上，厚度為120nm，摻雜濃度依次為1X1018、 4X1017、2X1017和6X1016，由體內(nèi)到體表漸次降低，混晶中比例控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為 生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)? ；Cs激活層4通過(guò)超高真空激活工藝吸附在ρ型GaxAlhN多組分 混晶光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。實(shí)施例3 與實(shí)施1不同的是，AlN緩沖層的厚度為IOOnm ；ρ型GaxAU多組分混 晶光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在前述AlN緩沖層2上，厚度為150nm，摻雜濃度依次為1X1018、 4X1017、2X1017和6X1016，由體內(nèi)到體表漸次降低，混晶中比例控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為 生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)? ；Cs激活層4通過(guò)超高真空激活工藝吸附在ρ型GaxAlhN多組分 混晶光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。實(shí)施例4 與實(shí)施1不同的是，AlN緩沖層的厚度為IOnm ；ρ型GaxAU多組分混晶光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在前述AlN緩沖層2上，厚度為lOOnm，摻雜濃度依次為1X1018、 4X1017、2X1017和6X1016，由體內(nèi)到體表漸次降低，混晶中比例控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為 生長(zhǎng)起點(diǎn)，從O漸變?yōu)? ；Cs激活層4通過(guò)超高真空激活工藝吸附在ρ型GaxAlhN多組分 混晶光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。實(shí)施例5 與實(shí)施1不同的是，AlN緩沖層的厚度為200nm ；ρ型GaxAlhN多組分混 晶光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在前述AlN緩沖層2上，厚度為200nm，摻雜濃度依次為1 X 1018、 4X1017、2X1017和6X1016，由體內(nèi)到體表漸次降低，混晶中比例控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為 生長(zhǎng)起點(diǎn)，從O漸變?yōu)? ；Cs激活層4通過(guò)超高真空激活工藝吸附在ρ型GaxAlhN多組分 混晶光電發(fā)射層3的前表面上，厚度為一個(gè)單原子層。上述反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的制作方法為首先，在雙面拋光的藍(lán)寶石襯底1的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝(如 金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積，Metalorganic Chemical Vapor D印osition，M0CVD和分子束外 延，Molecular Beam Epitaxy，MBE等)生長(zhǎng)所述厚度的非故意摻雜的AlN緩沖層2 ；其次， 再通過(guò)相同的外延生長(zhǎng)工藝以及III-V族化合物半導(dǎo)體材料的ρ型摻雜工藝，在AlN緩沖 層2上生長(zhǎng)所述厚度、摻雜濃度范圍在IO16-IO19cnT3的ρ型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層 3作為光電發(fā)射材料；再次，將外延生長(zhǎng)得到的陰極材料采用化學(xué)清洗(如采用2 2 1 的濃硫酸、H2O2和去離子水的混合液清洗材料表面)去除發(fā)射層表面的油脂及加工過(guò)程中 殘存的無(wú)機(jī)附著物；接著將其送入超高真空系統(tǒng)中進(jìn)行加熱，如在710°C下對(duì)材料表面進(jìn) 行30分鐘的加熱凈化，使材料表面達(dá)到原子級(jí)潔凈程度；最后，在得到的ρ型GaxAlhN多 組分混晶材料表面通過(guò)激活工藝吸附單層Cs或多層Cs/Ο，以形成Cs或Cs/0激活層，最終 制備出具有負(fù)電子親和勢(shì)的GaN紫外光電陰極。 本發(fā)明并不限于所述實(shí)施對(duì)緩沖層、光電發(fā)射層厚度和激活層的厚度的限制，只 要在本發(fā)明技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)上所作的簡(jiǎn)單變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，該材料結(jié)構(gòu)自下而 上依次為襯底(1)、非故意摻雜的AlN緩沖層O)、p型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層(3) 以及Cs或Cs/Ο激活層(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述襯底(1)為雙面拋光的藍(lán)寶石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述非故意摻雜的AlN緩沖層( 外延生長(zhǎng)在襯底(1)上，厚度在10-200nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述P型(^axAlhN多組分混晶光電發(fā)射層(3)外延生長(zhǎng)在AlN緩沖層⑵上，厚度在 100-200nm之間，摻雜濃度范圍為1016-1019cm_3，摻雜濃度從體內(nèi)到表面依次減小，GaxAl1^xN 多組分混晶中比例控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)?。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述Cs或Cs/Ο激活層(4)吸附在ρ型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層(3)的前表面上， 厚度在nm數(shù)量級(jí)。
6.一種制造權(quán)利要求1所述多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，其特 征在于，包括以下步驟步驟1、在雙面拋光的藍(lán)寶石襯底(1)的上表面，通過(guò)半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng) 非故意摻雜的AlN緩沖層O)；步驟2、通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝以及III-V族化合物半導(dǎo)體材料的ρ型摻雜工藝，在步驟1 獲得的AlN緩沖層( 上生長(zhǎng)ρ型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層( 作為光電發(fā)射材 料；步驟3、利用化學(xué)清洗去除步驟2得到的陰極材料表面油脂及加工過(guò)程中殘存的無(wú)機(jī) 附著物；然后將其送入超高真空系統(tǒng)中，對(duì)材料表面進(jìn)行加熱凈化，使材料表面達(dá)到原子級(jí) 潔凈程度；步驟4、在上述ρ型GaN材料表面通過(guò)激活工藝吸附單層Cs或多層Cs/Ο，以形成Cs或 Cs/Ο激活層G)，最終制備出具有負(fù)電子親和勢(shì)的多組分、梯度摻雜結(jié)構(gòu)GaN紫外光電陰 極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，其特 征在于，步驟1中非故意摻雜的AlN緩沖層O)的厚度為10-200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，其特 征在于，步驟2中ρ型GaxAlhN多組分混晶光電發(fā)射層(3)的厚度為100-200nm，其摻雜濃 度范圍在1016-1019m_3且摻雜濃度從體內(nèi)到表面依次減小，所述(^axAlhN多組分混晶中比例 控制參數(shù)χ以AlN緩沖層為生長(zhǎng)起點(diǎn)，從0漸變?yōu)?。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述制造多組分、梯度摻雜GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)的方法，其 特征在于，步驟3中對(duì)材料表面進(jìn)行加熱凈化時(shí)的溫度為700-900°C，加熱時(shí)間為10-30分 鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供一種反射式GaN紫外光電陰極材料結(jié)構(gòu)及其制作方法，其結(jié)構(gòu)自下而上由襯底、非故意摻雜的AlN緩沖層、p型GaxAl1-xN多組分混晶光電發(fā)射層以及Cs或Cs/O激活層構(gòu)成；其中，非故意摻雜的AlN緩沖層生長(zhǎng)在襯底上；p型GaxAl1-xN多組分混晶光電發(fā)射層外延生長(zhǎng)在前述AlN緩沖層上；Cs或Cs/O激活層吸附在p型GaxAl1-xN多組分混晶光電發(fā)射層的前表面上，厚度在nm數(shù)量級(jí)。該結(jié)構(gòu)采用多組分和梯度摻雜光電發(fā)射層，增大了發(fā)射層內(nèi)光激發(fā)電子的逃逸深度，提高了發(fā)射層內(nèi)電子發(fā)射到真空的幾率，從而提高了GaN紫外光電陰極的總體量子效率，獲得較高的紫外靈敏度。
文檔編號(hào)H01J1/34GK102064206SQ20101056513
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者常本康, 徐源, 李飆, 杜曉晴, 杜玉杰, 王曉暉 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)