透射式AlGaN紫外光電陰極及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種透射式AlGaN紫外光電陰極及其制備方法。該陰極組件自下而上由高質量的藍寶石襯底、p型均勻摻雜AlN緩沖層、p型變組分AlxGa1-xN發(fā)射層組成。其中，AlN緩沖層的厚度在50~500nm之間，采用p型均勻摻雜方式，摻雜原子為Mg；變組分的AlxGa1-xN發(fā)射層由N個AlxGa1-xN子層組成，其中N≥1，從上至下p型AlxGa1-xN子層的Al組分為x1、x2、···、xn-1、xn，且滿足0.24≤x1≤x2≤···≤xn-1≤xn≤1，變組分的AlxGa1-xN發(fā)射層總厚度在20~150nm之間，摻雜原子為Mg，Mg摻雜濃度滿足1×1014cm-3≤Nc≤1×1018cm-3。采用超高真空高溫凈化和Cs/O激活技術獲得負電子親和勢表面。得到的透射式AlGaN紫外光電陰極。
【專利說明】透射式AIGaN紫外光電陰極及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及紫外探測材料【技術領域】，具體涉及一種基于AlGaN (鋁鎵氮)三元化合物Al/Ga組分控制技術、半導體材料摻雜技術、II1-V族化合物材料外延技術和超高真空陰極激活技術相結合的透射式AlGaN紫外光電陰極及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前，紫外光源技術已取得快速的發(fā)展，并在眾多領域的廣泛應用。為了促進充分利用和開發(fā)紫外技術，高性能紫外探測器便是其中必不可少的工具之一。紫外探測在眾多應用領域已取得初步發(fā)展，如電暈放電監(jiān)測、火災檢測、生物制劑和激光成像探測與測距等。CsTe和CsI光電陰極已在遠紫外探測領域得到應用，但是其量子效率較低，而且光譜響應隨波長變化較大。因此高性能的紫外探測器必須具備較高的量子效率和隨波長變化陰極的光譜響應變化平穩(wěn)等條件。
[0003]太陽是一個高強度的紫外輻射源，由太陽輻射在大氣中的傳輸特性可知,近紫外光(310nm~400nm)可透過大氣層到達地球表面，使得GaN基紫外探測器增加了背景噪聲，影響了探測器的探測率，因此GaN光電陰極無法很好的滿足日盲探測的需要，而AlGaN紫外光電陰極在GaN光電陰極的基礎上通過改變Al組分X的值，調節(jié)紫外光電陰極的響應范圍，提高探測率，使紫外真空探測器滿足探測不同響應波段目標的需要，能很好解決上述難題。目前，美國伯克利大學空間科學實驗室制備的透射式GaN光電陰極量子效率為5.5%。而在國內，對透射式AlGaN光電陰極研究處于起步階段。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的透射式GaN光電陰極響應截止波長為365nm固定不變，無法滿足日盲紫外探測的需要，本發(fā)明提供一種基于AlGaN三元化合物Al/Ga組分控制技術、半導體材料摻雜技術、III-V族化合物材料外延技術和超高真空表面激活技術相結合制備出截止波長在200nm-330nm之間的透射式AlGaN光電陰極。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:
一種透射式AlGaN紫外光電陰極，所述陰極自下而上由藍寶石襯底(1)、P型均勻摻雜AlN緩沖層、P型變組分AlxGahN發(fā)射層以及Cs/O激活層組成。
[0006]其中，所述P型AlN緩沖層厚度在50~500 nm之間；采用均勻摻雜方式，摻雜原子為Mg。
[0007]其中，所述P型變組分AlxGahN發(fā)射層，總厚度在2(T150 nm之間；p型變組分AlxGa1-xN發(fā)射層的摻雜原子為Mg，Mg摻雜濃度滿足:1.0 X 1014Cn-3≤Nc≤1.0 X 1018 cm_3，p型變組分AlxGa1-xn發(fā)射層由N個P型AlxGa1-xn子層構成，其中N≥I，從上至下p型AlxGa1-xN子層的Al組分為X1、 x2、...、xn-1、 xn，且滿足0.24≤X1≤X2≤...≤Xn-1≤Xn≤1。
[0008]其中，所述Cs/O激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在P型AlxGa1-xN發(fā)射層的表面上。[0009]上述透射式AlGaN紫外光電陰極制備方法:
第一步，在雙面拋光的藍寶石襯底表面，采用MOCVD或MBE外延生長工藝在其表面生長P型均勻摻雜AlN緩沖層；
第二步，再通過相同的外延生長工藝以及半導體材料摻雜技術，在AlN緩沖層外延依次生長P型變組分AlxGahN發(fā)射層；
第三步，透射式AlGaN紫外光電陰極經(jīng)過化學清洗去除表面油脂，再送入超高真空系統(tǒng)中進行加熱凈化，使透射式AlGaN紫外光電陰極獲得原子級潔凈表面；
第四步，通過超高真空激活工藝使透射式AlGaN紫外光電陰極的P型變組分AlxGahN發(fā)射層表面吸附Cs/O激活層，最終制備得到透射式AlGaN紫外光電陰極。
[0010]與現(xiàn)有的技術相比，透射式AlGaN紫外光電陰極及其制備方法具有如下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明采用改變P型變組分AlxGahN發(fā)射層中Al組分的方法控制AlGaN光電陰極材料的禁帶寬度，從而控制陰極的截止響應波長。同時，發(fā)射層采用變Al組分設計方式來減少生長界面應力，降低光電子的后界面復合速率，最終提高陰極光電發(fā)射的量子效率。
[0011](2)本發(fā)明中透射式AlGaN紫外光電陰極的發(fā)射層采用變組分設計結構，發(fā)射層內Al組分均采用從內部向發(fā)射層外部由高到低的變化結構，這種設計模式在發(fā)射層內部產(chǎn)生由體內向 表面由高到低的能帶結構，使發(fā)射層內光電子以擴散加漂移兩種方式向表面運動，從而增大了表面光電子的數(shù)目，提高光電陰極量子效率。
[0012]原理說明:
P型變組分AlxGahN發(fā)射層摻雜濃度太低，會增加陰極表面的能帶彎曲區(qū)寬度，使得光電子在較寬的區(qū)域內受到表面電場的散射并損失能量，從而導致電子表面逸出幾率的明顯降低。摻雜濃度太高，導致?lián)诫s原子Mg離化率降低，造成陰極材料電子擴散長度降低，影響光電子的體內輸運效率。因此，在設計中將摻雜濃度控制在1.0X IO14CnT3 ^ Nc ^ 1.0X IO18cm_3范圍內。P型變組分AlxGa1J發(fā)射層厚度太小，紫外入射光在P型變組分AlxGa1J發(fā)射層內無法充分被吸收，而發(fā)射層厚度太大會增加AlN緩沖層與P型變組分AlxGahN發(fā)射層之間的后界面到陰極表面之間的距離，增加光電子在運動到陰極表面之前被復合的幾率，因此P型變組分AlxGa^N發(fā)射層的總厚度范圍為2(Tl50nm。
[0013]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為透射式AlGaN光電陰極的結構示意圖。
[0015]圖2為實施例1中P型變組分AlxGahN發(fā)射層的子層數(shù)N=I的透射式AlGaN光電陰極光學結構與Al組分結構示意圖。
[0016]圖3為實施例2中P型變組分AlxGahN發(fā)射層的子層數(shù)N=4的透射式AlGaN光電陰極光學結構與Al組分結構示意圖。
[0017]圖4為透射式AlGaN光電陰極的光譜響應曲線，其中I曲線為實施例1透射式AlGaN光電陰極的光譜響應，II曲線為實施例2透射式AlGaN光電陰極的光譜響應。
[0018]圖5為實施例1透射式AlGaN光電陰極與透射式GaN光電陰極的光譜響應對比曲線?！揪唧w實施方式】
[0019]下面的實施例可以使本專業(yè)技術人員更全面地理解本發(fā)明。
[0020]實施例1
透射式AlGaN紫外光電陰極結構如圖1所示，所述陰極自下而上由藍寶石襯底1、P型均勻摻雜AlN緩沖層2、P型變組分AlxGahN發(fā)射層3以及Cs/O激活層4組成。
[0021]圖2為具體的透射式AlGaN紫外光電陰極組件的光學結構與Al組分結構設計示意圖。其中，P型變組分AlxGahN發(fā)射層的子層數(shù)N=I。
[0022]P型AlN緩沖層2直接外延生長在厚度為0.45mm的藍寶石襯底(Al/),)襯底I上，通過MOCVD外延技術生長P型AlN緩沖層2，厚度為500 nm,采用均勻摻雜方式，摻雜原子為Mg。
[0023]P型變組分AlxGa1J發(fā)射層3生長在p型AlN緩沖層2上，p型AlxGapxN子層數(shù)N=I，Al組分X1=0.24，厚度為150nm，摻雜原子為Mg，Mg摻雜濃度為IXlO1W30
[0024]Cs/O激活層4是通過超高真空激活工藝緊密吸附在P型變組分AlxGa1J發(fā)射層表面。
[0025]透射式AlGaN紫外光電陰極的制備方法如下:
I)在雙面拋光的藍寶石襯底I表面，通過MOCVD外延生長工藝生長厚度為500nm的p型AlN緩沖層2。
[0026]2 )再通過相同的外延生長工藝和半導體材料摻雜技術，在P型AlN緩沖層2上生長厚度為150nm的p型變組分AlxGa^xN發(fā)射層3。
[0027]3)將透射式AlGaN紫外光電陰極放入丙酮、四氯化碳和乙醇分別超聲5min對透射式AlGaN紫外光電陰極進行化學清洗，以去除其表面的油脂。將化學清洗后的透射式AlGaN紫外光電陰極樣品送入超高真空系統(tǒng)中，設置合適的溫度，對AlGaN光電陰極表面進行高溫凈化，去除表面的C、O化合物，從而獲得原子清潔表面。
[0028]4)待高溫加熱凈化后的透射式AlGaN紫外光電陰極樣品自然冷卻到50°C左右后，開始進行Cs/O激活，Cs/O激活工藝是現(xiàn)有負電子親和勢光電陰極制備的標準工藝。激活后形成表面為Cs/O激活層4的透射式AlGaN光電陰極。
[0029]5)對激活后的透射式AlGaN光電陰極進行光譜響應測試。圖4的I曲線表示p型變組分AlxGahN發(fā)射層的子層數(shù)N=I的透射式AlGaN光電陰極的光譜響應曲線，水平坐標是指波長；垂直坐標是透射式AlGaN光電陰極的光譜響應。
[0030]實施例1I
圖3為具體的透射式AlGaN紫外光電陰極組件的光學結構與Al組分結構設計示意圖。其中，P型變組分AlxGahN發(fā)射層的子層數(shù)N=4。
[0031]P型AlN緩沖層2直接外延生長在厚度為0.45mm的藍寶石襯底(Al/),)襯底I上，通過MOCVD外延技術生長P型AlN緩沖層2，厚度為500 nm,采用均勻摻雜方式，摻雜原子為Mg。
[0032]P型變組分AlxGa1J發(fā)射層3生長在p型AlN緩沖層2上，p型AlxGapxN子層數(shù)N=4，P型變組分AlxGahN發(fā)射層的4個子層摻雜原子均為Mg，摻雜濃度為I X IO1W30自上而下，第一個AlxGahN子層N1的Al組分為0.37，厚度為30nm ;第二個AlxGa^N子層N2的Al組分為0.47，厚度為15nm ;第三個AlxGai_xN子層N3的Al組分為0.6，厚度為IOnm ;第四個AlxGahN子層N4的Al組分為0.8，厚度為5nm。
[0033]Cs/O激活層4是通過超高真空激活工藝緊密吸附在P型變組分AlxGahN發(fā)射層表面。
[0034]透射式AlGaN紫外光電陰極的制備方法如下:
I)在雙面拋光的藍寶石襯底I表面，通過MOCVD外延生長工藝生長厚度為500nm的p型AlN緩沖層2。
[0035]2)再通過相同的外延生長工藝和半導體材料摻雜技術，在P型AlN緩沖層2上生長厚度為60nm的P型變組分AlxGa1J發(fā)射層3。
[0036]3)將透射式AlGaN紫外光電陰極放入丙酮、四氯化碳和乙醇分別超聲5min對透射式AlGaN紫外光電陰極進行化學清洗，以去除其表面的油脂。將化學清洗后的透射式AlGaN紫外光電陰極樣品送入超高真空系統(tǒng)中，設置合適的溫度，對AlGaN光電陰極表面進行高溫凈化，去除表面的C、O化合物，從而獲得原子清潔表面。
[0037]4)待高溫加熱凈化后的透射式AlGaN紫外光電陰極樣品自然冷卻到50°C左右后，開始進行Cs/O激活，Cs/O激活工藝是現(xiàn)有負電子親和勢光電陰極制備的標準工藝。激活后形成表面為Cs/O激活層4的透射式AlGaN光電陰極。
[0038]5)對激活后的透射式AlGaN光電陰極進行光譜響應測試。圖4的II曲線表示p型變組分AlxGahN發(fā)射層的子層數(shù)N=4透射式AlGaN光電陰極的光譜響應曲線。
[0039]將上述兩種透射式AlGaN光電陰極響應量子效率同透射式GaN光電陰極響應量子效率進行比較，如圖5所示，透射式AlGaN光電陰極的響應截止波長明顯低于透射式GaN光電陰極的響應截止波長。
【權利要求】
1.一種透射式AlGaN紫外光電陰極，其特征在于:所述AlGaN紫外光電陰極自下而上由藍寶石襯底、P型均勻摻雜AlN緩沖層、P型變組分AlxGahN發(fā)射層以及Cs/O激活層組成。
2.根據(jù)權利要求書I所述的透射式AlGaN紫外光電陰極，其特征在于:所述P型AlN緩沖層厚度在5(T500 nm之間；采用均勻摻雜方式，摻雜原子為Mg。
3.根據(jù)權利要求書I所述的透射式AlGaN紫外光電陰極，其特征在于:所述P型變組分AlxGahN發(fā)射層，總厚度在2(Tl50 nm之間；p型變組分AlxGapxN發(fā)射層的摻雜原子為Mg，Mg 摻雜濃度滿足:1.0X IO14CnT3 ^ Nc ^ 1.0X IO18 cm—3 ；p 型變組分 AlxGa1J 發(fā)射層由N個P型AlxGa1J子層構成，其中N≥I，從上至下p型AlxGa1J子層的Al組分為Xl、χ2、...、xn_!> xn,且滿足 0.24 < X1 < x2 <...< xn_! < xn < I。
4.根據(jù)權利要求書I所述的透射式AlGaN紫外光電陰極，其特征在于:所述Cs/O激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在P型變組分AlxGahN發(fā)射層的表面上。
5.一種如權利要求1所述的透射式AlGaN紫外光電陰極制備方法，其特征在于: 第一步，在雙面拋光的藍寶石襯底表面，采用MOCVD或MBE外延生長工藝在其表面生長P型均勻摻雜AlN緩沖層； 第二步，再通過相同的外延生長工藝以及半導體材料摻雜技術，在AlN緩沖層外延依次生長P型變組分AlxGahN發(fā)射層； 第三步，將P型變組分AlxGahN發(fā)射層經(jīng)過化學清洗去除表面油脂，再送入超高真空系統(tǒng)中進行加熱凈化，使P型變組分AlxGahN發(fā)射層獲得原子級潔凈表面； 第四步，通過超高真空激活工藝使P型變組分AlxGahN發(fā)射層表面吸附Cs/O激活層，最終制備得到透射式AlGaN紫外光電陰極。
【文檔編號】H01L31/0304GK103779436SQ201410012850
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權日:2014年1月13日
【發(fā)明者】常本康, 郝廣輝, 金睦輝, 陳鑫龍, 張益軍, 楊明珠, 石峰, 程宏昌, 任彬 申請人:南京理工大學