CN102280343B - 基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石衬底、AlN/Al_xGa_1-xN缓冲层、p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O激活层组成；蓝宝石衬底的上表面均布设有m个凹孔Ⅰ，10²≤m≤10⁴，蓝宝石衬底的下表面均布设有n个凹孔Ⅱ，10²≤n≤10⁴。本发明采用双面凹孔图形结构提高蓝宝石衬底对紫外光的透射率，并增加蓝宝石衬底的生长应力作用范围，以提高缓冲层及GaN外延层质量，从而使GaN阴极获得较高的量子转换效率。

Description

基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极

技术领域

本发明涉及紫外探测材料技术领域，具体涉及一种基于衬底图形化、Ш－Ⅴ族化合物材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极。

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紫外器件得到了快速发展。GaN紫外光电阴极是一种高性能的电子发射材料，能通过外光电发射（电子发射）实现对紫外光的高灵敏探测。由于GaN紫外光电阴极具有负电子亲和势（NEA）表面，因此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 紫外光电阴极具有量子效率高、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，在紫外探测及真空电子源领域具有极大的应用潜力。

目前，高质量的GaN材料一般通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在蓝宝石衬底上外延生长。由于蓝宝石衬底材料与GaN材料的晶格常数和热膨胀系数差异较大，直接外延生长难以获得高质量的GaN外延材料，因此一般会首先在蓝宝石衬底上外延生长一定厚度的缓冲层，然后再在缓冲层上生长GaN外延层。这种方法尽管可以明显提高GaN外延层的质量，但仍然存在蓝宝石衬底与缓冲层之间的晶格常数和热膨胀系数差异，由此导致缓冲层材料和GaN材料的外延质量不够理想，影响器件的性能。对于透射式GaN紫外光电阴极，缓冲层材料一般选取禁带宽度大于GaN材料、且与GaN材料晶格常数相近（晶格相互匹配）的AlN或者Al_xGa_1-x N，并且要求缓冲层的厚度不能太厚，以减小缓冲层对紫外光的吸收损失。由于蓝宝石和AlN材料在a轴方向的晶格常数分别是0.4758nm和0.3112nm，晶格差异较大，因此在外延过程中较大的晶格差异会在缓冲层中引入位错缺陷，它们充当非辐射复合中心，增加了缓冲层与GaN发射层之间的后界面复合速率，从而不利于GaN发射层内光生载流子的提高与输运。

同时，对于透射式GaN紫外光电阴极，在工作时紫外光首先从蓝宝石衬底入射，经过缓冲层后再到达GaN光电发射层，因此蓝宝石衬底入射表面对紫外光的反射损失，会直接降低到达GaN发射层的光子数量，影响GaN阴极最终的量子效率。蓝宝石对紫外光的反射率在20％～30％，如果能降低蓝宝石入射表面对入射紫外光的反射率，就能够提高到达GaN发射层的光子数量，从而提高GaN阴极的量子效率。

发明内容

针对现有蓝宝石衬底与AlN/Al_xGa_1-x N缓冲层的晶格常数、热膨胀系数不匹配、缓冲层与GaN发射层界面特性不够理想、蓝宝石衬底光入射表面存在较大的紫外光反射损失的现状，本发明提供了一种基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极。

本发明提供的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石衬底、AlN/Al_xGa_1-x N缓冲层、p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O 激活层组成；所述蓝宝石衬底的上表面均布设有m个凹孔Ⅰ，10²≤m≤10⁴，蓝宝石衬底的下表面均布设有n个凹孔Ⅱ，10²≤n≤10⁴。

进一步，所述蓝宝石衬底上的凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ为倒锥V形、倒锥金字塔形和圆桶形中的任一种结构。

进一步，所述凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ的横向最大尺寸在0.5～5μm，凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ的深度在0.5～2μm，相邻凹孔Ⅰ之间的间距以及相邻凹孔Ⅱ之间的间距在0.5～5μm。

进一步，所述AlN/Al_xGa_1-x N缓冲层的厚度在0.5～2.5μm。

进一步，所述p型GaN光电发射层内的p型掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3，p型GaN光电发射层的厚度控制在100～200nm。

再进一步，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。

与现有技术相比，基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极具有如下优点：

1、本发明将蓝宝石衬底的外延生长面进行微图形化（即凹孔）设计，以增加缓冲层材料在外延生长过程中的应力作用范围，有效缓冲外延过程中由于衬底与缓冲材料的晶格常数与热膨胀系数差异而导致的侧向应力变化，降低由此导致的晶格缺陷密度以及缓冲层－GaN发射层之间的界面复合速率，提高GaN发射层内光生电子的数量。

2、本发明将蓝宝石衬底的光入射面进行微图形化（即凹孔）设计，利用微形图案对入射光的多次反射吸收以及多次反射干涉相消的效应，降低蓝宝石入射表面对入射紫外光的反射率，提高到达GaN发射层的光子数量，从而提高GaN阴极的量子效率。

附图说明    

图1为基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图；

图2为蓝宝石衬底的双面凹孔呈倒锥V形结构的示意图；

图3为蓝宝石衬底的双面凹孔呈倒锥金字塔形结构的示意图；

图4为蓝宝石衬底的双面凹孔呈圆柱形结构的示意图；

图5为凹孔设计的蓝宝石衬底入射表面对入射光线的光学传输示意图；

图6为凹孔设计的蓝宝石衬底外延表面对外延层生长的作用示意图；

图7为蓝宝石衬底上表面为圆柱形凹孔、下表面为倒锥金字塔形凹孔的结构示意图；

图8为蓝宝石衬底上表面为圆柱形凹孔、下表面为倒锥V形凹孔的结构示意图；

图9为蓝宝石衬底上表面为倒锥V形凹孔、下表面为倒锥金字塔形凹孔的结构示意图。

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为基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图，如图所示：基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石衬底1、AlN或Al_xGa_1-x N缓冲层2、p型GaN光电发射层3以及Cs/O 激活层4组成。蓝宝石衬底1的外延生长表面（即蓝宝石衬底1的上表面）均布设有m个凹孔Ⅰ5，其中m 满足：10²≤m≤10⁴，光入射表面6（即蓝宝石衬底1的下表面）均布设有n个凹孔Ⅱ6，其中n满足：10²≤n≤10⁴。

蓝宝石衬底1上的凹孔Ⅰ5和凹孔Ⅱ6为倒锥V形（如图2所示）、倒锥金字塔形（如图3所示）、圆柱形（如图4所示）中的任一种结构。这三种凹孔都已通过实验证明能有效提高材料表面光吸收率，降低材料表面由光学反射导致的光能量损失；并能降低异质外延导致的位错缺陷，提高蓝宝石衬底上GaN外延质量。凹孔Ⅱ5通过对入射光的多次反射吸收以及多次反射干涉相消的效应来提高光的吸收效率，降低入射光在入射表面的反射损耗，如图5所示。其中倒锥V形和圆柱形可使材料表面的光学吸收率提高至接近100％，即几乎没有反射损失。凹孔Ⅰ6通过增加外延材料与蓝宝石衬底之间的接触面积来适应外延过程中的热应力和晶格热膨胀系数的变化，促进外延材料的横向生长，减小异质外延过程中的位错缺陷，提高外延质量，如图6所示。

凹孔Ⅰ5和凹孔Ⅱ6可以在形状或尺寸上存在差异，但在同一表面的凹孔在形状和尺寸都是相同，如图7、图8和图9所示，以保证入射光在同一光学界面的任意位置都受到相同的反射效果，以及外延层质量的均匀分布。 

这三种凹孔都易于通过等离子刻蚀（ICP）或纳米压印等成熟的微纳加工技术实现，能获得较高的形状和尺寸加工精度。凹孔Ⅰ5和凹孔Ⅱ6的横向最大尺寸在0.5～5μm，凹孔Ⅰ5和凹孔Ⅱ6的深度在0.5～2μm，相邻凹孔Ⅰ5之间的间距以及相邻凹孔Ⅱ6之间的间距在0.5～5μm。凹孔Ⅱ6通过对入射光的多次反射吸收和多次反射干涉相消的效应来提高对光的吸收效率，降低光的反射损耗。当凹孔尺寸与入射光波长相比拟或几倍于入射光波长时，凹孔对入射光吸收效率的提升作用较好，如果微元尺寸小于光波长或远大于光波长，都不能起到良好的效果。由于p型GaN光电阴极的入射光波长通常在0.2～0.4μm之间，因此将凹孔的横向尺寸定在0.5～5μm、并考虑到大尺寸的凹孔深度目前还难以通过刻蚀实现，因此将凹孔的深度设计在0.5～2μm。

缓冲层2的材料可以是AlN，也可以是组分可变的Al_xGa_1-xN，还可以是AlN/Al_xGa_1-xN多层材料。AlN和Al_xGa_1-xN的晶格常数和折射率与发射材料GaN较为接近，因此以它们作为缓冲材料能提高GaN材料的外延质量。由于缓冲层同时作为光的传输通道和材料缓冲层，因此要求总厚度值不能太小，否则无法起到缓冲效果；也不能太大，否则造成入射光随着传输路径增加而逐渐衰减的不良效果。将缓冲层的总厚度设计在0.5～2.5μm，使得厚度与GaN阴极的入射光波长相比拟或几倍于入射光波长，以此获得较好的光学传输效果和外延缓冲性能。

p型GaN光电发射层3外延生长在AlN/Al_xGa_1-xN缓冲层2上，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的厚度控制在100～200nm之间，例如厚度取为100nm、130nm、150nm、170nm、180nm或200nm均可。将GaN光电发射层的厚度控制在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％。

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 (5)

1.一种基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：该阴极自下而上由蓝宝石衬底（1）、AlN或Al_xGa_1-x N缓冲层（2）、p型GaN光电发射层（3）以及Cs或Cs/O 激活层（4）组成；所述蓝宝石衬底（1）的上表面均匀分布设有m个凹孔Ⅰ（5），10²≤m≤10⁴，蓝宝石衬底（1）的下表面均匀分布设有n个凹孔Ⅱ（6），10²≤n≤10⁴；所述凹孔Ⅰ（5）和凹孔Ⅱ（6）的横向最大尺寸在0.5～5μm，凹孔Ⅰ（5）和凹孔Ⅱ（6）的深度在0.5～2μm，相邻凹孔Ⅰ（ 5）之间的间距以及相邻凹孔Ⅱ（ 6）之间的间距在0.5～5μm。

2.根据权利要求1所述的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：所述蓝宝石衬底（1）上的凹孔Ⅰ（5）和凹孔Ⅱ（6）为倒锥V形和圆桶形中的任一种结构。

3.根据权利要求1所述的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：所述AlN或Al_xGa_1-x N缓冲层（2）的厚度在0.5～2.5μm。

4.根据权利要求1所述的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于：所述p型GaN光电发射层（3）内的p型掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3，p型GaN光电发射层（3）的厚度在100～200nm。

5.根据权利要求1所述的基于双面图形化衬底的透射式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。

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