專利名稱：一種藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電發(fā)射材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種AlxGai_xAS/GaAS化合物半導(dǎo)體材料組分控制與外延生長技術(shù)相結(jié)合的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極及其制備方法。
背景技術(shù)：
光電陰極是一種利用外光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姲l(fā)射材料。具有負電子親和勢GaAs光電陰極由于量子效率高、暗發(fā)射小、能量和空間分辨率高、發(fā)射電流密度大且可實現(xiàn)均勻平面電子發(fā)射等眾多優(yōu)點，在光電探測與成像等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。用于光電成像中的AIGaAs/GaAs光電陰極由于AlGaAs緩沖層的吸收作用，對于藍紫光和更短波長的光響應(yīng)率不高。通常AWaAs/GaAs光電陰極的探測波段為550nm 900nm 。為了探測、識別和確認沙漠地帶或沙地景物，美國ITT公司研制成功了藍光延伸的三代微光像增強器。在這項技術(shù)中，他們采用藍光透射率更高的玻璃，并減小AKiaAs緩沖層厚度和增加Al組分來提高藍光透射率。測試結(jié)果表明，藍延伸陰極對波長小于550nm光子探測的量子效率明顯提高，但當波長小于400nm后，量子效率又呈快速下降趨勢，同時藍延伸陰極還犧牲了長波量子效率。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩個方面，首先AlGaAs緩沖層不能太薄，否則失去了緩沖的意義，因而藍光透射率的提高是有一定限度的，其次緩沖層中產(chǎn)生的大量光電子絕大部分都在緩沖層中復(fù)合了，沒有得到充分的利用。因而解決好AlGaAs緩沖層光子吸收對光電發(fā)射的影響問題對于實現(xiàn)GaAs光電陰極的藍延伸，提高短波光子量子效率具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有AKiaAs/GaAs光電陰極不能很好的探測藍、紫光，短波光子量子效率不高的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種基于變帶隙AlxGai_xAS緩沖層的MGaAs/GaAs光電陰極及其制備方法。本發(fā)明以改變AlxGivxAs材料中Al組分χ的含量，從而改變半導(dǎo)體材料的帶隙(禁帶寬度)，在AKiaAs/GaAs結(jié)構(gòu)的AKiaAs緩沖層中形成一個很強的內(nèi)建電場。入射光子通過MGaAs時激發(fā)的光電子就能以很快的漂移速度向GaAs發(fā)射層輸運，從而能夠在不影響長波光子探測的情況下大大提高藍、紫光等短波光子探測的量子效率，實現(xiàn)本發(fā)明藍延伸探測的設(shè)想。本發(fā)明的半導(dǎo)體光電陰極包括9741玻璃、SiO2鈍化層、Si3N4增透膜、變帶隙 AlxGa1^xAs緩沖層、ρ型GaAs發(fā)射層以及Cs/Ο激活層組成所述變帶隙AlxGai_xAs緩沖層， 厚度為Γ2 μ m,摻雜濃度為(5 10) X IO1W3, AlxGa1^xAs層Al組分從Si3N4增透膜往GaAs 發(fā)射層方向由最大0. Γ0. 7線性下降到零。此外，在上述的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極，玻璃采用紫外透過率高的9741玻璃(可通過市購得到)。此外，在上述的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極，Si3N4增透膜的厚度為 60 100nm。此外，在上述的藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極，GaAs發(fā)射層的ρ型摻雜濃度為 IX IO19CnT3。此外，在上述的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極，GaAs發(fā)射層的厚度為 1 2 μ m0該方法按以下步驟依次進行，
步驟(1)，準備GaAs襯底，GaAs襯底作“籽晶”要求其位錯密度低于103cm_3，并且均勻性好，晶向朝(100)面偏3°切割；利用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)在GaAs襯底上順序生長AlGaAs阻擋層，GaAs發(fā)射層和變帶隙AlxGi^xAs緩沖層；
步驟(2)，在變帶隙AlxGai_xAs緩沖層上用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積一層Si3N4增透膜，然后再沉積一層SW2鈍化層，通過熱壓合，將該SW2鈍化層與9741玻璃粘接；
步驟(3)，用選擇性化學(xué)腐蝕法將GaAs襯底和AWaAs阻擋層去除，裸露GaAs發(fā)射層； 步驟(4)，在超高真空系統(tǒng)中進行Cs/Ο激活，在GaAs發(fā)射層上形成一層Cs/Ο激活層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極具有如下優(yōu)點
1、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)AlxGai_xAs材料中Al組分χ的含量從而改變半導(dǎo)體材料的帶隙，在 AlGaAs緩沖層中形成一個很強的內(nèi)建電場。在內(nèi)建電場的作用下，入射光子通過緩沖層時激發(fā)的光電子就能很快定向漂移到GaAs發(fā)射層。由于更多藍、紫光等短波光子在緩沖層中吸收產(chǎn)生光電子，從而大大提高了這部分光子探測的量子效率。2、本發(fā)明藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極由于AWaAs緩沖層中存在一個由發(fā)射層指向緩沖層的內(nèi)建電場，在電場作用下，緩沖層中的光電子就從緩沖層向GaAs發(fā)射層定向漂移，該定向漂移有利于GaAs光電陰極分辨力的提高。3、本發(fā)明藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極由于AWaAs緩沖層采用組分漸變模式進行生長，降低了緩沖層與發(fā)射層之間的界面應(yīng)力，改善了界面特性，從而進一步降低了光電子的界面復(fù)合速率，最終也提高了 GaAs光電陰極的量子效率。


圖1為本發(fā)明實施方式的藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極制備過程的剖面圖。圖3為藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極制備過程的剖面圖。圖4為藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極制備過程的剖面圖。圖5為本發(fā)明實施方式的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極的光譜響應(yīng)曲線圖。9741 玻璃-1、SiO2 鈍化層-2、Si3N4 增透膜 _3、變帶隙 Alx^vxAs 緩沖層-4、GaAs 發(fā)射層_5、Cs/Ο激活層-6、GaAs襯底-7、AlGaAs阻擋層-8。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1為藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極自下而上由9741玻璃(1)、SiO2鈍化層(2)、Si3N4增透膜(3)、 變帶隙AlxGivxAs緩沖層(4)、GaAs發(fā)射層(5)以及Cs/Ο激活層(6)組成。9741玻璃(1)的紫外及藍紫光透過率遠高于傳統(tǒng)GaAs光電陰極中的7056玻璃， 從而跨越從紫外到近紅外很寬的波長范圍內(nèi)，使入射光透過。而且，玻璃也是保持光電陰極機械強度的部分。SiO2鈍化層(2)在玻璃基底上，用來保護Si3N4增透膜(3)在與9741玻璃(1)熱粘接時不受破壞，并且阻止有害元素進入AlxGivxAs緩沖層(4)。Si3N4增透膜(3)在SiO2鈍化層(2)上，膜層厚度為6(Tl00nm。增透膜可降低入射到AlxGai_xAS緩沖層(4)的光子的反射率，從而提高入射光子的探測效率。變帶隙AlxGivxAs緩沖層(4)在Si3N4增透膜(3)上，厚度為廣2μπι，ρ型摻雜濃度為(5 10) XlO18CnrUlxGiVxAs緩沖層(4)Α1組分從Si3N4增透膜(3)往GaAs發(fā)射層(5)方向由最大0. Γ0. 7線性下降到零。GaAs發(fā)射層(5)在AlxGai_xAs緩沖層(4)上，厚度為廣2μπι，ρ型摻雜濃度為 IXio1W3OCs/O激活層(6)在GaAs發(fā)射層(5)上，厚度為flOA。Cs/Ο激活層(6)可使GaAs 發(fā)射層(5)導(dǎo)帶底能級下降到低于真空能級，達到負電子親和勢狀態(tài)。藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極的制備方法
在此，對本實施方式的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極的制備方法進行說明。圖 2、圖3、圖4為光電陰極的制備過程。首先，準備GaAs襯底(7)。GaAs襯底(7)作“籽晶”要求其位錯密度低于103cnT3， 并且均勻性好，晶向朝(100)面偏3°切割。然后利用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD) 在GaAs襯底(7)上順序生長AlGaAs阻擋層(8)，GaAs發(fā)射層(5)和變帶隙AlxGai_xAs緩沖層(4)(圖 2)。然后，在變帶隙AlxGai_xAS緩沖層(4)上用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD) 沉積一層Si3N4增透膜(3)，然后再沉積一層SiO2鈍化層(2)。通過熱壓合，將該SiO2鈍化層(2)與9741玻璃(1)粘接(圖3)。然后，用選擇性化學(xué)腐蝕法將GaAs襯底(7)和AlGaAs阻擋層(8)去除，裸露GaAs 發(fā)射層(5)(圖4)。最后，在超高真空系統(tǒng)中進行Cs/Ο激活，在GaAs發(fā)射層(5)上形成一層Cs/Ο激活層(6)(圖1)。藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極的特性
圖5表示本實施方式一種藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極的特性數(shù)據(jù)。如圖5所示，根據(jù)本實施方式的光電陰極，可以得到跨越從300nm的紫外到900nm的近紅外的寬波長區(qū)域較平坦光譜響應(yīng)。特別是從350nm到550nm波長區(qū)域，具有高于傳統(tǒng)陰極的高靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種藍延伸變帶隙AWaAs/GaAs光電陰極，該陰極由9741玻璃、SW2鈍化層、Si3N4 增透膜、變帶隙AlxGai_xAs緩沖層、GaAs發(fā)射層以及Cs/Ο激活層組成，其特征在于所述變帶隙AlxGa1^xAs緩沖層，厚度為Γ2 μ m, ρ型摻雜濃度(5 10) X IO1W3, AlxGa1^xAs層Al組分由Si3N4增透膜往GaAs發(fā)射層方向由最大0. 4^0. 7線性下降到零。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極，其特征在于所述 Si3N4增透膜的厚度為6(Tl00nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍延伸變帶隙AKiaAs/GaAs光電陰極，其特征在于所述 GaAs發(fā)射層的ρ型摻雜濃度優(yōu)先為1 X IO1W30
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極，其特征在于所述GaAs發(fā)射層的厚度為廣2 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極的制備方法，其特征在于 該方法按以下步驟依次進行，步驟(1)，準備GaAs襯底，GaAs襯底作“籽晶”要求其位錯密度低于103cm_3，并且均勻性好，晶向朝(100)面偏3°切割；利用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)在GaAs襯底上順序生長AlGaAs阻擋層，GaAs發(fā)射層和變帶隙AlxGi^xAs緩沖層；步驟(2)，在變帶隙AlxGai_xAs緩沖層上用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積一層Si3N4增透膜，然后再沉積一層SW2鈍化層，通過熱壓合，將該SW2鈍化層與9741玻璃粘接；步驟(3)，用選擇性化學(xué)腐蝕法將GaAs襯底和AWaAs阻擋層去除，裸露GaAs發(fā)射層；步驟(4)，在超高真空系統(tǒng)中進行Cs/Ο激活，在GaAs發(fā)射層上形成一層Cs/Ο激活層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種藍延伸變帶隙AlGaAs/GaAs光電陰極及其制備方法，該陰極由9741玻璃、SiO2鈍化層、Si3N4增透膜、變帶隙AlxGa1-xAs緩沖層、GaAs發(fā)射層以及Cs/O激活層組成；在一定厚度的AlxGa1-xAs緩沖層內(nèi)，生長從AlxGa1-xAs到GaAs發(fā)射層Al組分逐漸降低的變帶隙緩沖層，構(gòu)建從AlxGa1-xAs到GaAs的內(nèi)建電場，在內(nèi)建電場的作用下，AlxGa1-xAs層中產(chǎn)生的光電子以擴散加漂移的方式輸運到發(fā)射層，從而提高短波光子的光電發(fā)射量子效率，達到藍延伸的目的。
文檔編號H01J29/04GK102306600SQ20111020234
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者常本康, 張益軍, 彭新村, 鄧文娟, 鄒繼軍, 金解云 申請人:東華理工大學(xué)