一種新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于固體物理學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN光電陰極具有量子效率高、暗發(fā)射小等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常優(yōu)良的紫外光電陰極，結(jié)合電子倍增器件可構(gòu)成光電倍增管、像增強(qiáng)器等真空探測或成像器件；同時(shí)，GaN光電陰極具有發(fā)射電子能量集中、自旋極化率高、發(fā)射電流密度大等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的冷電子源，在紫外通信、電子加速器、同步輻射光源和電子束曝光等眾多領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用需求。
[0003]目前，隨著陰極材料水平和MOCVD外延生長技術(shù)不斷發(fā)展，GaN光電陰極的量子效率有了明顯的提高。GaN光電陰極的量子效率很大程度上取決于陰極結(jié)構(gòu)的本身。不斷優(yōu)化GaN陰極的結(jié)構(gòu)是提高其量子效率的主要方法。與透射式光電陰極相比，反射式結(jié)構(gòu)簡單，能獲得更高的量子效率。在常用的GaN光電陰極反射式“發(fā)射層-襯底”模式之下，增加GaN緩沖層可以緩解反射層和襯底由于材料不匹配對(duì)發(fā)射效率的影響，GaN緩沖層摻雜濃度的提高會(huì)導(dǎo)致晶格缺陷增加，電子的復(fù)合中心增加，從而減小電子的壽命，導(dǎo)致電子擴(kuò)散長度的減小，同時(shí)引起表面能帶彎曲量的提高以及表面勢皇厚度的降低，導(dǎo)致GaN光電陰極量子效率的降低。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)GaN緩沖層變組分變摻雜的方法可以降低由于晶格不匹配引起的缺陷，增加電子擴(kuò)散長度，增加光生電子的逸出概率，獲得高量子效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有的反射式GaN光電陰極結(jié)構(gòu)的不足，提供一種新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極來獲得穩(wěn)定性更好以及更高量子效率的負(fù)電子親和勢GaN光電陰極。
[0005]本發(fā)明提供的新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極，該陰極自上而下由兩塊ITO導(dǎo)電玻璃、無水乙醇、Cs/0激活層、發(fā)射層、AlxGa1 XN緩沖層、C面藍(lán)寶石襯底組成。
[0006]所述的兩塊ITO導(dǎo)電玻璃分別置于前端和后端，前端傳遞信號(hào)，后端接地，充當(dāng)導(dǎo)電接觸電極；
[0007]所述的無水乙醇充當(dāng)絕緣層；
[0008]所述的GaN發(fā)射層采用m層濃度由外表面到內(nèi)表面逐漸增加梯度摻雜方式，m的取值范圍I < η < 10，摻雜元素為Mg元素，摻雜濃度由IxlO21Cm 3到1x10 19cm 3依次漸變；
[0009]所述的AlxGa1 XN緩沖層由η個(gè)P型AlxGa1 ΧΝ外延材料構(gòu)成的單元層組成，η的取值范圍2 < η < 15，Al的含量范圍X介于I到0.24之間，各單元層摻雜含量依次IxlO19Cm 3到IxlO16Cm 3梯度漸變；
[0010]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011](I)本實(shí)用新型采用一種AlxGa1 XN變摻雜變組分反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極。與普通的均勻摻雜的緩沖層結(jié)構(gòu)的反射式GaN光電陰極相比，首先具有變Al組分AlxGa1 XN緩沖層的結(jié)構(gòu)使得反射式GaN’光電陰極緩沖層和GaN發(fā)射層有較高的晶格匹配度，由于變Al組分AlxGa1 XN緩沖層多層結(jié)構(gòu)的引入使在緩沖層生長過程中引入應(yīng)變應(yīng)力，消除了外延GaN層中的殘余應(yīng)力的影響，降低了 GaN外延層的位錯(cuò)密度減少了裂縫，從而大大提高了GaN緩沖層的質(zhì)量。另一方面，利用濃度漸變的梯度摻雜，與常用的均勻摻雜濃度相比降低了總體平均摻雜濃度，再者M(jìn)g具有表面活性劑的作用，通過降低外延層表面能而改變Al元素的表面活性，減小外延薄膜中的位錯(cuò)密度，進(jìn)一步提高緩沖層的質(zhì)量。
[0012](2)利用發(fā)射層梯度摻雜結(jié)構(gòu)，使得表面發(fā)射層內(nèi)摻雜濃度由上到下漸變，可以在摻雜濃度不同的界面產(chǎn)生的能帶彎曲區(qū)引入內(nèi)建電場，多個(gè)內(nèi)建電場的引入使得光生電子加速向襯底運(yùn)動(dòng)并獲得了更高的能量隧穿表面勢皇逸出。另一方面與常用的均勻摻雜濃度降低了總體平均摻雜濃度，從而加大了電子的擴(kuò)散長度；增加光生電子的逸出概率的方式來提高陰極的量子效率。
【附圖說明】
[0013]圖1為一種新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]圖1為一種新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極示意圖，它整體結(jié)構(gòu)是由第一 ITO導(dǎo)電玻璃⑴、無水乙醇⑵、Cs/0激活層(3)、發(fā)射層(4)、AlxGa1 XN緩沖層(5)、C面藍(lán)寶石襯底(6)、以及第二 ITO導(dǎo)電玻璃(7)組成。第一 ITO導(dǎo)電玻璃⑴和第二ITO導(dǎo)電玻璃(7)分別置于前端和后端，前端傳遞信號(hào)，后端接地，充當(dāng)導(dǎo)電接觸電極；GaN發(fā)射層(4)采用m層濃度由外表面到內(nèi)表面逐漸增加梯度摻雜方式，m的取值范圍I < η< 10，摻雜元素為Mg元素，摻雜濃度由IxlO21Cm 3到1x10 19cm 3依次漸變；A1 ,Ga1 XN緩沖層
(5)由η個(gè)P型AlxGa1 ΧΝ外延材料構(gòu)成的單元層組成，η的取值范圍2 < η < 15，各單元層自下而上Al的含量X從I到0.24逐漸增加，各單元層摻雜含量依次IxlO19Cm 3到IxlO16Cm3梯度漸變MlxGa1 ΧΝ緩沖層(5)通過有機(jī)化合物氣相外延法(MOCVD)生長在藍(lán)寶石襯底上，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于:①由于變Al組分的AlxGa1 ΧΝ材料的晶格常數(shù)隨著Al組分的減小而逐漸減少，因此，隨著Al組分的逐漸減少，變Al組分的AlxGa1 ΧΝ材料的晶格常數(shù)也隨著其自下而上的減少，能自然的過渡到GaN發(fā)射層材料，這樣做從很大程度上降低了緩沖層和發(fā)射層之間的生長界面的應(yīng)力，梯度摻雜能進(jìn)一步改變Al元素的表面活性，減小外延薄膜中的位錯(cuò)密度，進(jìn)一步提高緩沖層的質(zhì)量。②利用發(fā)射層梯度摻雜結(jié)構(gòu)，可以在摻雜濃度不同的界面產(chǎn)生的能帶彎曲區(qū)引入內(nèi)建電場，多個(gè)內(nèi)建電場的引入使得光生電子加速向襯底運(yùn)動(dòng)并獲得了更高的能量隧穿表面勢皇逸出。另一方面與常用的均勻摻雜濃度降低了總體平均摻雜濃度，加大了電子的擴(kuò)散長度，從而通過增加光生電子的逸出概率的方式來提高陰極的量子效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極，其特征在于:所述的GaN光電陰極由第一 ITO導(dǎo)電玻璃⑴、無水乙醇⑵、Cs/0激活層(3)、發(fā)射層(4)、AlxGa1 XN緩沖層(5)、C面藍(lán)寶石襯底￠)、以及第二 ITO導(dǎo)電玻璃(7)組成；所述的第一 ITO導(dǎo)電玻璃(I)置于陰極前端，用來感知表面壓電信號(hào)；所述的第二 ITO導(dǎo)電玻璃(7)置于陰極末端，充當(dāng)導(dǎo)電接觸電極；所述的無水乙醇充當(dāng)絕緣層材料。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種新型變組分變摻雜反射式MIS結(jié)構(gòu)GaN光電陰極，該光電陰極結(jié)構(gòu)自上而下由兩塊ITO導(dǎo)電玻璃、無水乙醇、Cs/O激活層、P型GaN發(fā)射層、AlxGa1-xN緩沖層、C面藍(lán)寶石襯底組成，其中緩沖層由n個(gè)變組分變摻雜AlxGa1-xN外延材料構(gòu)成的單元層組成，Al的含量范圍x介于1到0.24之間，摻雜含量依次1x1019cm-3到1x1016cm3梯度漸變；發(fā)射層由m個(gè)變摻雜GaN單元層組成。該陰極結(jié)構(gòu)通過緩沖層變摻雜變組分結(jié)構(gòu)提高了緩沖層的質(zhì)量，降低光電子界面復(fù)合速率，同時(shí)在緩沖層和發(fā)射層的變摻雜設(shè)計(jì)建立了有利于光電子輸運(yùn)的內(nèi)建電場，提高光電陰極的發(fā)射量子效率。
【IPC分類】H01J1/34
【公開號(hào)】CN204809181
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520132625
【發(fā)明人】董艷燕, 沈洋, 陳亮, 蘇玲愛
【申請(qǐng)人】中國計(jì)量學(xué)院
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日