CN104752117A - 一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源 - Google Patents

一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源 Download PDF

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Abstract

一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，以p型GaAs作为衬底层，在GaAs衬底层上顺序生长Al组分由高到底呈线性递减至0的变带隙AlGaAs发射层及GaAs发射层，而后利用反应离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层，再在超高真空系统中进行Cs/O激活以在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层上形成Cs-O激活层；且在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层沿垂直方向形成有内建电场，通过内建电场控制纳米线中光电子定向漂移并发射，有效抑制侧面光电发射，从而扩展变带隙AlGaAs/GaAs材料应用；纳米线阵列结构提高光电发射效率。

Description

一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源
技术领域
本发明涉及真空光电发射材料技术领域，尤其涉及一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源。
背景技术
负电子亲和势(NEA)电子源是一种利用外光电效应将入射光转变为电子发射的光阴极材料，负电子亲和势GaAs电子源由于具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量与角度分布集中、发射电子自旋极化率高、发射电流密度大且可实现均匀平面电子发射等众多优点，在电子加速器、自由电子激光、高端仪器设备等领域得到了广泛应用。
传统的NEA电子源通常采用薄膜材料制成，然而由于薄膜材料反射率较大，导致光电子的输运距离远；目前虽有技术利用纳米线阵列材料能较好的克服薄膜材料的不足，减少了反射率和光电子的输运距离，但发射电子角度分散，定向性较差，在电子源方面的应用受到限制。
近年来，为提高光电子器件的性能，国内外研究人员开展了一系列的研究，制备并采用具有内建电场的变带隙(变Al组分)AlGaAs/GaAs纳米线阵列作为光电材料。2010年，加拿大舍布鲁克大学的Maite Volatier等利用感应耦合等离子体刻蚀技术制备了Al组分从0至100％的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线导波结构；2012年，美国南加州大学Anuj R.Madaria等结合纳米球刻蚀和选择区域金属有机化学气相沉积制备了GaAs纳米线阵列；2014年，意大利微电子与微系统研究所Paola Prete等利用金属有机物化学气相沉积生长了AlGaAs/GaAs核-壳结构的纳米线阵列；同时国内外研究人员还对其在光学导波、发光二极管等方面的应用进行了探索，但还未见对于光电发射电子源领域的相关报道。因而通过激活具有内建电场作用下电子定向输运特性的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列材料，有望成为新一代基于纳米技术的阵列型垂直发射NEA电子源，对于满足更高的应用需求，拓展电子源应用领域具有重大的意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源及其制备方法，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，以p型GaAs作为衬底层，根据GaAs衬底外延层厚度的不同使用不同的生长技术，在GaAs衬底层上顺序生长Al组分由高到底呈线性递减至0的变带隙AlGaAs发射层及GaAs发射层，而后利用反应离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层，再在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层上形成Cs-O激活层，产生负电子亲和势；且在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层沿垂直方向形成有利于将纳米线中激发的光电子往顶端输运并发射至真空中的内建电场，通过内建电场控制光电子往纳米线顶端定向漂移并发射，从而实现垂直光电发射；此外，GaAs衬底层厚度为200～400μm，p型掺杂浓度(0.5～2)×1019cm-3。
在本发明中，变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层中p型掺杂浓度为(0.1～1)×1019cm-3。
在本发明中，变带隙AlGaAs发射层中最高Al组分摩尔分数为5％～45％。
在本发明中，GaAs发射层厚度为10nm～50nm。
在本发明中，变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层中纳米线直径为50nm～5μm，高为0.5μm～20μm，其形状为圆形、方形或正六边形。
一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，具体步骤如下：
1)选取p型GaAs衬底基材，要求其位错密度低于103cm-3，且均匀性好，晶向为(100)面偏3°切割，得p型GaAs衬底层；
2)在步骤1)中获得的p型GaAs衬底层上，根据GaAs衬底外延层厚度的不同采用不同的生长技术生长变带隙AlGaAs/GaAs发射层及GaAs发射层：
当GaAs衬底外延层厚度为0～10μm时采用金属有机物化学气相沉积技术生长；当GaAs衬底外延层厚度为10～30μm时采用液相外延技术生长；生长时变带隙AlGaAs/GaAs层中p型掺杂浓度为(0.1-1)×1019cm-3，Al组分为从GaAs衬底层处的高Al组分向GaAs发射层的低Al组分呈线性递减至0，且最外层的GaAs发射层厚度为10nm～50nm；
3)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在步骤2)中获得的GaAs发射层上沉积有厚度为0.5μm～2.5μm的SiO2阻挡层，并通过光刻技术在SiO2阻挡层表面形成含有纳米线阵列图案的光刻掩模图像；
4)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉步骤3)中已曝光部分的SiO2，以在GaAs发射层表面形成含有纳米线阵列图案的SiO2掩模；
5)采用感应耦合等离子体刻蚀技术，对步骤4)中获得的含有SiO2掩模的GaAs发射层和变带隙AlGaAs发射层进行刻蚀，得变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层；
6)将步骤5)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层，其纳米线顶部的光刻胶和SiO2阻挡层去除，而后通过快速热退火处理技术修复因刻蚀造成的纳米线阵列晶格损伤；
7)使用化学方法去除步骤6)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层纳米线表面油脂和污染物，随后快速送入超高真空系统中，进行高温加热净化处理；
8)在超高真空系统中对变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层材料进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层上形成Cs-O激活层。
在本发明中，步骤2)中金属有机物化学气相沉积技术采用金属有机物三甲基镓和三甲基铝作为III族源，砷烷为V族源，二乙基锌为掺杂源，高纯H2作为载气，生长过程中V/III束流比保持在10～15，生长温度为660℃～700℃；液相外延技术生长温度为750℃～850℃，升温速率在0℃～500℃为10℃/min，500℃～800℃为2-3℃/min降温速率在800℃～790℃为0.1℃～0.2℃/min，790℃～500℃为0.5℃/min，500℃至常温为1℃～2℃/min。
在本发明中，步骤3)中利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积SiO2阻挡层，其反应参数为：反应室气压2000mTorr，并通入SiH4、N2O和N2气体，流量分别为4SCCM、710SCCM和180SCCM，GaAs衬底温度350℃，沉积时间6min～30min。
在本发明中，步骤3)中通过光刻技术在SiO2阻挡层表面形成含有纳米线阵列图案的光刻掩模图像，其具体步骤为：利用匀胶机在SiO2阻挡层上涂一层厚度为1.1μm～1.4μm的光刻胶，并将涂有光刻胶的GaAs发射层材料放入烘烤机中，前烘升温至100℃烘100s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光2.5s，并使用正胶显影液进行显影30s～35s，最后清洗显影液，吹干；后烘升温至100℃烘2min。
在本发明中，步骤4)中采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉已曝光部分的SiO2，其反应参数为：反应室气压1850mTorr、射频功率200W，并通入SF6、CHF3和He气体，流量分别为5.5SCCM、32SCCM和150SCCM，刻蚀5min～25min。
在本发明中，步骤5)中采用感应耦合等离子体刻蚀技术，对步骤4)中获得的含有SiO2掩模的GaAs发射层和变带隙GaAs发射层进行刻蚀，其反应参数为：反应室气压5.9mTorr，并通入CL2、BCL3气体，流量分别为6SCCM、14SCCM，射频功率50w，刻蚀1min～40min。
有益效果：
1、本发明中纳米线采用变带隙AlGaAs/GaAs材料制备，从而在沿纳米线方向(即垂直方向)形成有内建电场，绝大部分光电子在内建电场作用下向顶端漂移，最后从顶部的GaAs发射层发射进入真空，有效抑制了侧面光电发射，具有顶部垂直发射效率高的特点，从而扩展变带隙AlGaAs/GaAs材料在电子源方面的应用；
2、本发明中纳米线采用阵列结构，而阵列结构具有光子捕获效应，从而使得电子源具有光子吸收充分、光反射小的特点，有利于提高光电发射效率。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例的原理示意图。
图2～图7为本发明的较佳实施例的制备过程示意图。
图8为本发明的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列侧视图。
图9为本发明的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列俯视图。
图10为本发明的较佳实施例中的不同Al组分光谱响应曲线图。
图中标注说明：GaAs衬底层1、变带隙AlGaAs发射层2、GaAs发射层3、SiO2阻挡层4、光刻胶5及Cs-O激活层6。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列成周期性整齐排列，当有光线入射时，光线在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列中不断吸收、反射、折射，直到绝大部分光线被吸收，由于变带隙AlGaAs/GaAs纳米线沿垂直方向形成有内建电场，绝大部分光电子在该内建电场作用下向纳米线顶端漂移，最后从顶部的GaAs发射层发射进入真空，从而实现垂直光电发射。
一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，具体步骤如下：
如图2所示，首先，准备p型掺杂浓度为1×1019cm-3的GaAs衬底基材作为GaAs衬底层1，要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝(100)面偏3°切割；如图3所示，采用液相外延技术在GaAs衬底层1上生长厚度为30μm、p型掺杂浓度为1×1018cm-3、Al组分摩尔分数从35％线性下降至0的变带隙AlGaAs发射层2，总生长时间为24h，生长温度为800℃，升温速率在0℃～500℃为10℃/min，500℃～800℃为2～3℃/min，降温速率在800℃～790℃为0.1℃～0.2℃/min，790℃～500℃为0.5℃/min，500℃至常温为1℃～2℃/min；而后在变带隙AlGaAs发射层2上生长一层GaAs发射层3，以利于Cs-O激活层6的吸附；
如图4所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在GaAs发射层3上沉积形成一层厚度为2.42μm的SiO2阻挡层4，设定反应室气压2000mTorr，并通入SiH4、N2O和N2气体，流量分别为4SCCM、710SCCM和180SCCM，衬底温度350℃，沉积时间31min；然后利用匀胶机在SiO2阻挡层4上涂一层厚度为1.2μm的AZ6112光刻胶5，并将涂有光刻胶5的样品材料放入烘烤机中，升温到100℃烘烤100s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光2.5s，并选用JZ 3038正胶显影液进行显影35s，清洗显影液，吹干形成含有纳米线阵列的光刻掩模图像；
如图5所示，通过反应离子刻蚀技术刻蚀掉已曝光部分的SiO2阻挡层4，设定反应室气压1850mTorr、射频功率200W，通入SF6、CHF3和He气体，流量分别为5.5CCM、32CCM和150SCCM，刻蚀22min，刻蚀完后取出；如图6所示，通过感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀GaAs发射层3和变带隙AlGaAs发射层2，设定反应室气压5.9mTorr，通入CL2、BCL3气体，流量分别为6SCCM、14SCCM，刻蚀35min，以形成变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层；
如图7所示，再将顶部含有光刻胶5和SiO2阻挡层4的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗3min，以去除GaAs发射层3上的剩余光刻胶5；再将变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层浸入BOE(NH4F:HF＝5:1)腐蚀液中，腐蚀10min，以去除GaAs发射层3表面的SiO2阻挡层4；并采用快速热退火处理技术修复变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层材料损伤，设定退火炉N2流量2.5SLM、退火温度800℃，退火时间30s，通过快速退火修复因刻蚀造成的纳米线阵列晶格损伤，得到变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列；
然后用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列各超声5min以去除变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层表面油脂和污染物；随后将变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层浸入混合溶液(硫酸：双氧水：去离子水＝4:1:100)中刻蚀2min，并用去离子水反复冲洗，吹干后，快速送入真空系统中进行650℃高温处理；最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在GaAs发射层3上形成一层Cs-O激活层6，其厚度为 。
参见图8～图9所示的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列，其纳米线直径为5μm，高度为13μm，p型掺杂浓度为1×1018cm-3。
参见图10所示的不同变Al组分AlGaAs/GaAs纳米线NEA电子源光谱响应特性，图中Al组分表示从该数值到0之间的线性变化范围，随着Al组分变化范围的增大，短波响应迅速提高，但当Al组分增大到一定程度后，长波响应受到一定影响，而整体光谱响应的提高还是非常显著，整体响应的提升说明光电子在内建电场的作用下更有效的向纳米线顶端的GaAs发射面输运，从而抑制侧面发射，进而提高垂直发射的发射效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，其特征在于，以p型GaAs作为衬底层，根据GaAs衬底外延层厚度的不同使用不同的生长技术，在GaAs衬底层上顺序生长Al组分由高到底呈线性递减至0的变带隙AlGaAs发射层及GaAs发射层，而后利用反应离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层，再在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层上形成Cs-O激活层，产生负电子亲和势；且在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层沿垂直方向形成有利于将纳米线中激发的光电子往顶端输运并发射至真空中的内建电场，通过内建电场控制光电子往纳米线顶端定向漂移并发射，从而实现垂直光电发射；此外，GaAs衬底层厚度为200～400μm，p型掺杂浓度(0.5～2)×1019cm-3。
2.根据权利要求1所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，其特征在于，变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层中p型掺杂浓度为(0.1～1)×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，其特征在于，变带隙AlGaAs发射层中最高Al组分摩尔分数为5％～45％。
4.根据权利要求1所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，其特征在于，GaAs发射层厚度为10nm～50nm。
5.根据权利要求1所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源，其特征在于，变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层中纳米线直径为50nm～5μm，高为0.5μm～20μm，其形状为圆形、方形或正六边形。
6.如权利要求1所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)选取p型GaAs衬底基材，要求其位错密度低于103cm-3，且均匀性好，晶向为(100)面偏3°切割，得p型GaAs衬底层；
2)在步骤1)中获得的p型GaAs衬底层上，根据GaAs衬底外延层厚度的不同采用不同生长技术生长变带隙AlGaAs/GaAs发射层及GaAs发射层：
当外延层厚度为0～10μm时采用金属有机物化学气相沉积技术生长；当外延层厚度为10～30μm时采用液相外延技术生长；生长时变带隙AlGaAs/GaAs层中p型掺杂浓度为(0.1-1)×1019cm-3，Al组分为从GaAs衬底层处的高Al组分向GaAs发射层的低Al组分呈线性递减至0，且最外层的GaAs发射层厚度为10nm～50nm；
3)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在步骤2)中获得的GaAs发射层上沉积有厚度为0.5μm～2.5μm的SiO2阻挡层，并通过光刻技术在SiO2阻挡层表面形成含有纳米线阵列图案的光刻掩模图像；
4)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉步骤3)中已曝光部分的SiO2，以在GaAs发射层表面形成含有纳米线阵列图案的SiO2掩模；
5)采用感应耦合等离子体刻蚀技术，对步骤4)中获得的含有SiO2掩模的GaAs发射层和变带隙AlGaAs发射层进行刻蚀，得变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层；
6)将步骤5)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层，其纳米线顶部的光刻胶和SiO2阻挡层去除，而后通过快速热退火处理技术修复因刻蚀造成的纳米线阵列晶格损伤；
7)使用化学方法去除步骤6)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层纳米线表面油脂和污染物，随后快速送入超高真空系统中，进行高温加热净化处理；
8)在超高真空系统中对变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层材料进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs纳米线阵列发射层上形成Cs-O激活层。
7.根据权利要求6所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，其特征在于，步骤2)中金属有机物化学气相沉积技术采用金属有机物三甲基镓和三甲基铝作为III族源，砷烷为V族源，二乙基锌为掺杂源，高纯H2作为载气，生长过程中V/III束流比保持在10～15，生长温度为660℃～700℃；液相外延技术生长温度为750℃～850℃，升温速率在0℃～500℃为10℃/min，500℃～800℃为2-3℃/min降温速率在800℃～790℃为0.1℃～0.2℃/min，790℃～500℃为0.5℃/min，500℃至常温为1℃～2℃/min。
8.根据权利要求6所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，其特征在于，步骤3)中利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积SiO2阻挡层，其反应参数为：反应室气压2000mTorr，并通入SiH4、N2O和N2气体，流量分别为4 SCCM、710 SCCM和180 SCCM，GaAs衬底温度350℃，沉积时间6min～30min。
9.根据权利要求6所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，其特征在于，步骤3)中通过光刻技术在SiO2阻挡层表面形成含有纳米线阵列图案的光刻掩模图像，其具体步骤为：利用匀胶机在SiO2阻挡层上涂一层厚度为1.1μm～1.4μm的光刻胶，并将涂有光刻胶的GaAs发射层材料放入烘烤机中，前烘升温至100℃烘100s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光2.5s，并使用正胶显影液进行显影30s～35s，最后清洗显影液，吹干；后烘升温至100℃烘2min。
10.根据权利要求6所述的一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源制备方法，其特征在于，步骤4)中采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉已曝光部分的SiO2，其反应参数为：反应室气压1850 mTorr、射频功率200W，并通入SF6、CHF3和He气体，流量分别为5.5 SCCM、32 SCCM和150 SCCM，刻蚀5min～25min。
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