CN101866976A - 基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法，该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层、AlN缓冲层、变掺杂结构的p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O激活层组成，p型GaN光电发射层的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。本发明采用由内表面到外表面掺杂浓度由高到低的变掺杂结构来设计和制备透射式GaN紫外光电阴极，利用变掺杂模式在GaN阴极体内产生帮助光电子向表面输运的内建电场，提高光电子的体内输运效率和表面逸出几率，最终提高光电阴极的光电发射量子效率；同时GaN光电阴极具有更好的长波紫外响应能力，这些光电发射性能的提高都依赖于变掺杂引起的内场助效应。

Description

基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法

技术领域

本发明涉及紫外探测材料技术领域，具体涉及一种基于半导体材料掺杂技术、半导体材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法。

背景技术

近年来，随着GaN材料制备技术、p型掺杂技术的完善以及超高真空技术的发展，GaN紫外光电阴极正成为一种新型高性能的紫外光电阴极。这种阴极的表面具有负电子亲和势(NEA)，与传统正电子亲和势紫外光阴极以及固体紫外探测器件相比，GaN紫外光电阴极显示了量子效率高、暗发射小、紫外可见光抑制比高、稳定性好、发射电子能量分布集中等众多优点，因此在紫外探测及真空电子源领域具有极大的应用潜力。

目前，获得高量子效率是GaN光电阴极走向实用化需要解决的主要问题。高的量子效率有助于提高探测器的灵敏度和信噪比，从而显著提高探测系统的探测距离与微弱紫外探测能力。在影响GaN光电阴极量子效率的众多因素中，GaN阴极材料水平是决定阴极探测性能的关键因素。目前典型的GaN光电阴极采用的是均匀掺杂的p型GaN作为阴极发射材料，这种均匀掺杂材料需要考虑掺杂浓度对电子表面逸出几率和光电子体内输运效率的影响，选择合适的掺杂浓度来达到二者的平衡。虽然通过掺杂浓度的适当选取能够提高阴极的光电发射效率，但这种折中处理局限于材料本身，具有很大的限制性，无法显著地改善阴极的光电发射性能。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种基于半导体材料掺杂技术、半导体材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合，且提高光电子体内输运效率和表面逸出几率，最终提高光电阴极的光电发射量子效率的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法。

本发明提供的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层、AlN缓冲层、变掺杂结构的p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O激活层组成，所述p型GaN光电发射层的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。

进一步，所述p型GaN光电发射层外延生长在AlN缓冲层上，p型GaN光电发射层由厚度为t₁的GaN层对应掺杂浓度为N_A1厚度为t₂的GaN层对应掺杂浓度为N_A2，厚度为t₃的GaN层对应掺杂浓度为N_A3，......，直到厚度为t_n的GaN层对应掺杂浓度为N_An组成，其中1≤n＜20；所述N_A1＞N_A2＞N_A3＞...＞N_An-1＞N_An；

进一步，所述p型GaN光电发射层内的每一种掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3之间；

进一步，所述p型GaN光电发射层的总厚度t控制在100～200nm之间；

进一步，所述Cs或Cs/O激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层的表面上。

本发明还提供了一种基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的制作方法，该制作方法如下：

1)在双抛光的由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层的表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长10～20nm厚度的AlN缓冲层；

2)再通过相同的外延生长工艺以及GaN材料的p型掺杂工艺，在GaN缓冲层上生长总厚度为100～200nm的变掺杂结构的p型GaN光电发射层；

3)将生长的外延的p型GaN光电发射层经过化学清洗去除油脂，再送入超高真空系统中进行的加热净化，使p型GaN光电发射层的表面达到原子级洁净程度；

4)通过超高真空激活工艺使p型GaN光电发射层表面吸附Cs或Cs/O激活层。

与现有技术相比，基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法具有如下优点：

1、本发明采用一种由内表面到外表面掺杂浓度由高到低的变掺杂结构来设计和制备透射式GaN紫外光电阴极，利用这种变掺杂模式在GaN阴极体内产生帮助光电子向表面输运的内建电场，从而提高光电子的体内输运效率和表面逸出几率，最终提高光电阴极的光电发射量子效率。

2、本发明与传统均匀掺杂的GaN光电阴极相比，这种变掺杂结构的GaN光电阴极具有更高的量子效率以及更好的长波紫外响应能力，依赖于变掺杂引起的内场助效应有利于光电发射性能的提高。

3、本发明的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极可以作为一种高性能真空紫外探测阴极，结合电子倍增器件(如电子倍增极、微通道板)构成紫外光电倍增管、紫外像增强器等真空器件，应用于紫外生化分析、航空航天探测、紫外告警等领域。

附图说明

图1为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图；

图2为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的激活实验曲线；

图3为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极在透射式工作模式下的工作原理图；

图4为变掺杂GaN紫外光电阴极与均匀掺杂GaN紫外光电阴极的量子效率实验曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图，如图所示：基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层1、Al N缓冲层2、变掺杂结构的p型GaN光电发射层3以及Cs或Cs/O激活层4组成，所述p型GaN光电发射层3的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。

p型GaN光电发射层3外延生长在AlN缓冲层2上，p型GaN光电发射层3由厚度为t₁的GaN层对应掺杂浓度为N_A131，厚度为t₂的GaN层对应掺杂浓度为N_A232，厚度为t₃的GaN层对应掺杂浓度为N_A333，......，直到厚度为t_n的GaN层对应掺杂浓度为N_An3n组成，其中1≤n＜20；所述N_A1＞N_A2＞N_A3＞...＞N_An-1＞N_An。利用这种变掺杂模式在GaN阴极体内产生帮助光电子向表面输运的内建电场，从而提高光电子的体内输运效率和表面逸出几率。

在p型GaN光电发射层3内的每一种掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3之间。掺杂浓度太低，会增加阴极表面的能带弯曲区宽度，使得光电子在较宽的区域内受到表面电场的散射并损失能量，从而导致电子表面逸出几率的明显降低。掺杂浓度高，虽然有利于电子表面逸出几率的提高，但会造成阴极材料电子扩散长度降低，影响光电子的体内输运效率。因此，在设计中将掺杂浓度范围限制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3之间。

p型GaN光电发射层3的总厚度t控制在100～200nm之间，例如总厚度t取为100nm、130nm、150nm、170nm、180nm或200nm均可。将GaN光电发射层的总厚度t控制在100～200nm之间，主要是为了与GaN光电发射层的电子扩散长度(一般也为100～200nm)相匹配，从而保证GaN光电阴极对短波紫外和长波紫外都能有较高的吸收效率和光电发射效率。

Cs或Cs/O激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层的表面上，厚度在nm数量级。Cs或Cs/O激活层可以分别通过GaN的Cs(铯)或Cs/O激活工艺制备而成，这两种工艺为现有负电子亲和势(NEA)光电阴极制备的标准工艺。Cs激活工艺是：在超高真空系统中，使一定量的Cs原子均匀吸附在高度清洁的p-GaN表面，随着Cs的吸附，GaN表面在紫外光照射下所发射的光电流逐渐增大，当Cs吸附到一定程度时，GaN表面发射的光电流不再增大并开始略微下降，这时Cs激活过程结束，表面为(p-GaN，Cs)的GaN光电阴极形成。Cs/O激活工艺是：首先通过Cs激活工艺，在高度清洁的p-GaN表面均匀吸附一定量且过量的Cs，然后，采用Cs/O交替循环激活的工艺使一定量的(Cs，O)吸附在(p-GaN，Cs)表面上，通过2～3个Cs/O交替循环激活，GaN表面发射的光电流可进一步增加，如果再继续Cs/O交替循环，光电流就开始下降，这时Cs/O激活过程结束。表面为(p-GaN，Cs，Cs/O)的GaN光电阴极形成。与Cs激活工艺相比，(Cs，O)两步激活工艺可使GaN光电阴极的光电发射效率提高约10-20％，如图2所示(图中12表示Cs激活，13表示Cs/O循环激活)。

基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的制作方法如下：1)、在双抛光的由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层1的表面，通过半导体材料的外延生长工艺(如金属氧化物化学气相沉积MOCVD、分子束外延MBE等)生长10～20nm厚度的AlN缓冲层2；2)、再通过相同的外延生长工艺以及GaN材料的p型掺杂工艺，在GaN缓冲层2上生长总厚度为100～200nm的变掺杂结构的p型GaN光电发射层3；3)、将生长的外延p型GaN光电发射层3经过化学清洗去除油脂，再送入超高真空系统中进行的加热净化，使p型GaN光电发射层3的表面达到原子级洁净程度；4)通过超高真空激活工艺使p型GaN光电发射层3的表面吸附Cs或Cs/O激活层4，最终制备出具有负电子亲和势的透射式GaN紫外光电阴极。

图3为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极在透射式工作模式下的工作原理图，如图所示。基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极安装在超高真空封闭室或真空管腔5内，紫外光6从可透过紫外光的阴极透射式衬底层1入射进来，经过AlN缓冲层2后被p型GaN光电发射层3吸收。从图中看到，在变掺杂的p型GaN光电发射层3中，两个不同掺杂浓度区域交界面会由于费米能级拉平效应，形成一个由高掺杂到低掺杂，即内表面到外表面的向下的能带弯曲。这些向下的能带弯曲对应的内建电场有利于体内电子向电子发射表面的迁移。因此，当光入射到变掺杂结构的p型GaN光电发射层3时，所产生的光生电子一方面通过传统的扩散方式到达表面，另一方面还会在内建电场的作用下向外表面作定向加速运动，这种定向运动与电子扩散的共同作用将会加大光电子的体内输运效率及表面逸出几率，从而最终提高阴极的量子效率。从阴极表面发射进入真空的光电子7被外加高压收集板8收集，并通过外加采集电路9输出。与传统均匀掺杂的GaN光电阴极相比，这种变掺杂结构的GaN光电阴极具有更高的量子效率以及更好的长波紫外响应能力，其光电发射性能的提高主要依赖于变掺杂引起的内场助效应。如图4所示，水平坐标是指波长；垂直坐标是指GaN光电阴极的量子效率，1代表效率为100％，0.1代表效率为10％，......0.001代表效率为0.1％，图中10表示变掺杂GaN光电阴极的量子效率实验曲线图，11表示均匀掺杂GaN光电阴极的量子效率实验曲线图。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层(1)、AlN缓冲层(2)、变掺杂结构的p型GaN光电发射层(3)以及Cs或Cs/O激活层(4)组成，所述p型GaN光电发射层(3)的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：所述p型GaN光电发射层(3)外延生长在AlN缓冲层(2)上，p型GaN光电发射层(3)由厚度为t₁的GaN层对应掺杂浓度为N_A1，厚度为t₂的GaN层对应掺杂浓度为N_A2，厚度为t₃的GaN层对应掺杂浓度为N_A3，......，直到厚度为t_n的GaN层对应掺杂浓度为N_An组成，其中1≤n＜20；所述N_A1＞N_A2＞N_A3＞...＞N_An-1＞N_An。

3.根据权利要求2所述的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：p型GaN光电发射层(3)内的每一种掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3之间。

4.根据权利要求1或2所述的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：所述p型GaN光电发射层(3)的总厚度t控制在100～200nm之间。

5.根据权利要求1或2所述的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：所述Cs或Cs/O激活层(4)通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层(3)的表面上。

6.一种基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的制作方法，其特征在于，该制作方法如下：

1)在双抛光的由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层(1)的表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长10～20nm厚度的AlN缓冲层(2)；

2)再通过相同的外延生长工艺以及GaN材料的p型掺杂工艺，在GaN缓冲层(2)上生长总厚度为100～200nm的变掺杂结构的p型GaN光电发射层(3)；

3)将生长的外延p型GaN光电发射层(3)经过化学清洗去除油脂，再送入超高真空系统中进行的加热净化，使p型GaN光电发射层(3)的表面达到原子级洁净程度；

4)通过超高真空激活工艺使p型GaN光电发射层(3)表面吸附Cs或Cs/O激活层(4)。

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