CN105846310A - 一种出光增强型电子束泵浦紫外光源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种出光增强型电子束泵浦紫外光源及其制备方法。本发明的外延层的多量子阱作为有源区，势阱采用单原子层或亚原子层的数字合金，可以提高载流子局域化，抑制非辐射复合过程，进而提高内量子效率；利用周期性网格状划痕并蒸镀高反射金属薄膜，形成具有凹面的网格状反射层，可增强紫外光的反射，提高光提取效率；电子束泵浦源采用场发射电子束，场发射电子束的小型化和成本低廉使其易于商业化；同时，电子束泵浦源均配有金属栅极，更易于阴极加速的电流的控制、可有效解决发射电子均匀性。

Description

一种出光增强型电子束泵浦紫外光源及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子束泵浦紫外光源技术，具体涉及一种出光增强型电子束泵浦紫外光源及其制备方法。
背景技术
固态紫外光源在杀菌消毒、紫外固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有重大应用价值。特别是近年来，工业上对紫外光源的需求逐步转向中紫外和深紫外波段，同时，对紫外光源的出光功率和效率方面也提出了更高的要求。
第三代半导体材料，具有宽的直接带隙，其禁带宽度在较宽的范围内连续可调，Al(Ga)N材料覆盖UVA、UVB、UVC的全部波段，可实现最短波长210nm的紫外光源。同时，通过设计优化半导体量子结构可增强载流子辐射复合效率，从而大幅提升出光功率。因此宽禁带半导体材料是制备高效节能环保型紫外光源的最优选材料体系。
尽管国际上半导体紫外光源已经达到了较高的水平，其出光功率小、外量子效率低等问题却严重制约了其进一步的发展和产业化。而造成该问题的主要原因在于p型掺杂困难导致载流子注入效率低以及接触层对深紫外光的显著吸收。一个切实可行的方案是采用电子束泵浦的方法，避免传统电注入带来的p型掺杂困难和材料对紫外光的吸收问题。
目前，电子束泵浦紫外光源的制备仍处于初级阶段。绝大多数电子束泵浦紫外光源都面临出光功率偏低的问题。通过有源区多量子阱结构的改进，光提取效率的改善，电子束泵浦条件的优化及有效的热管理可实现一种出光增强型电子束泵浦紫外光源。
发明内容
针对以上现有技术存在问题，本发明提出一种出光增强型电子束泵浦紫外光源。在有源区采用单原子层或亚原子层数字合金技术进而提升有源区的内量子效率；通过表面划痕技术提高光提取效率；同时，通过优化泵浦条件提高注入效率。
本发明的一个目的在于提出一种出光增强型电子束泵浦紫外光源。
本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源包括：衬底、外延层、网格状反射层、电子束泵浦源和出光窗口；其中，外延层的背面形成在衬底上，外延层从背面至正面依次包括模板材料、缓冲层和多量子阱；多量子阱作为有源区采用III-V族或II-VI族元素，多量子阱中的势阱采用数字合金，数字合金包含II族或III族元素构成的单原子层或亚原子层；在外延层的正面刻出周期性网格状划痕，划痕深入至衬底；在未划痕的表面和划痕的表面蒸镀一层均匀的高反射金属薄膜，形成网格状反射层，在划痕处具有凹面；在衬底的背面设置出光窗口；电子束泵浦源发射电子束，从正面入射，激发多量子阱产生紫外光；产生的部分紫外光直接经衬底从背面的出光窗口输出；部分紫外光在外延层与衬底的界面发生全反射，网格状反射层的凹面阻挡了紫外光从外延层的侧面出射，从而提高了紫外光从背面的出光窗口的出光效率。
外延层采用多量子阱作为有源区，为多层势垒与势阱交替排列的结构；每一层势阱采用数字合金，能够获得界面陡峭、周期性好的高质量有源区结构。数字合金是两种不同材料按照一定配比交替生长原子层级别厚度所形成的周期性结构。相比传统的电子束泵浦紫外光源，单原子层或亚原子层的数字合金技术可以提高载流子局域化以抑制非辐射复合，进而提高内量子效率。多量子阱的周期数为10～50个，与电子束的注入方式和注入条件有关。
网格状反射层位于外延层的正面。在外延层的正面刻出周期性网格状划痕，为周期性的纵横交错的直线划痕，深入至衬底。划痕的深度为0.3～3μm，划痕的间距为200～2000μm。在未划痕的表面和划痕的表面蒸镀一层均匀的高反射金属薄膜，形成网格状反射层，在划痕处具有凹面；高反射金属薄膜采用Al膜，高反射金属薄膜的厚度为20～400nm，与电子束注入方式有关。由正面入射的电子束激发产生的紫外光，部分在外延层与衬底的界面发生全反射，现有技术中的电子束泵浦紫外光源，经多次反射后，一部分紫外光会从外延层的侧面出射，降低了光提取效率；本发明采用网格状反射层，网格状反射层的凹面阻挡了紫外光从外延层的侧面出射，大幅提升光提取效率。
电子束泵浦源包括：泵浦源衬底、阴极金属层、电子发射极、绝缘介质层、金属栅极、栅极电源、金属阳极和阳极电源；其中，阴极金属层覆盖在泵浦源衬底上，形成阴极；在阴极金属层上分别形成具有周期性小孔的绝缘介质层和金属栅极；在每个绝缘介质层的小孔内形成锥形的电子发射极，电子发射极从金属栅极的小孔出射电子束；阴极金属层和金属栅极分别通过金属引线连接至栅极电源；在衬底与出光窗口之间设置金属阳极，金属阳极为条纹状的金属薄膜；金属阳极通过金属引线连接至阳极电源；栅极电源在阴极金属层与金属栅极施加电子束发射电压，电子发射极上产生电子束，从金属栅极之间的间隙发射出；阳极电源施加加速电压，电子束加速从而产生高能电子束出射，激发外延层。激发产生的紫外光从条纹状的金属阳极的条纹空隙间输出。进一步，栅极电源连接至电流调节器，从而调控电子束发射电流的大小。
衬底、外延层、网格状反射层和电子束泵浦源封装在一个腔体内。
出光窗口覆盖衬底的背面，材料采用蓝宝石。
本发明的另一个目的在于提供一种出光增强型电子束泵浦紫外光源的制备方法。
本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源的制备方法，包括以下步骤：
1)根据实际需要，通过理论计算，对外延层的结构进行模拟和优化，从而得到优化参数；
2)对衬底进行预处理，以直接用于外延生长；
3)利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在衬底上进行外延生长，依次生长模板材料、缓冲层和作为有源区的多量子阱，从而得到外延层；其中，多量子阱中势阱采用数字合金，数字合金包含II族或III族元素构成的单原子层或亚原子层；
4)在外延层的正面刻出周期性网格状划痕，划痕深入至衬底；
5)在未划痕的表面和划痕的表面蒸镀一层均匀的高反射金属薄膜，形成网格状反射层，在划痕处具有凹面；
6)制备电子束泵浦源；
7)将衬底、外延层、网格状反射层和电子束泵浦源封装在一个腔体内，在衬底的背面覆盖出光窗口。
其中，在步骤1)中，优化参数包括：势垒和势阱的材料、势阱和势垒的厚度以及多量子阱的周期。
在步骤6)中，阴极金属层覆盖在泵浦源衬底上，形成阴极；在阴极金属层上沉积绝缘介质层和金属栅极层，利用光刻与电子束刻蚀技术在绝缘介质层和金属栅极层内刻蚀出周期性小孔，同时形成具有周期性孔状的金属栅极，最后在绝缘介质层的小孔内沉积锥形的电子发射极，电子发射极从金属栅极的小孔出射电子束；阴极金属层和金属栅极分别通过金属引线连接至栅极电源；在衬底与出光窗口之间设置金属阳极，金属阳极为条纹状的金属薄膜；金属阳极通过金属引线连接至阳极电源。
对封装后的电子束泵浦紫外光源进行测试，以获取该紫外光源的性能信息。测试结果证明通过优化生长条件和工艺条件，本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源具有更高的出光效率和内量子效率。本发明的优点：
(1)外延层的多量子阱作为有源区，势阱采用单原子层或亚原子层的数字合金，可以提高载流子局域化，抑制非辐射复合过程，进而提高内量子效率；
(2)利用周期性网格状划痕并蒸镀高反射金属薄膜，形成具有凹面的网格状反射层，可增强紫外光的反射，提高光提取效率；
(3)电子束泵浦源采用场发射电子束，场发射电子束的小型化和成本低廉使其易于商业化；同时，电子束泵浦源均配有金属栅极，更易于阴极加速的电流的控制、可有效解决发射电子均匀性。
附图说明
图1为本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源的一个实施例的示意图；
图2为本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源的一个实施例的外延层的示意图；
图3为本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源的一个实施例的网格状反射层的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的放大的剖视图；
图4为本发明的出光增强型电子束泵浦紫外光源的一个实施例的阴极射线谱图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的出光增强型电子束泵浦紫外光源包括：衬底1、外延层2、网格状反射层3、电子束泵浦源4和出光窗口5；其中，外延层的背面形成在衬底1上，外延层从背面至正面依次包括模板材料21、缓冲层22和多量子阱23，如图2所示；在外延层2的正面刻出周期性网格状划痕31，划痕深入至衬底1；在未划痕的表面和划痕的表面蒸镀一层均匀的高反射金属薄膜，形成网格状反射层3，在划痕处具有凹面32；在衬底的背面设置出光窗口。衬底、外延层、网格状反射层和电子束泵浦源封装在一个腔体内。
在本实施例中，衬底1采用蓝宝石。模板材料21为1μm厚的AlN膜；缓冲层22为100nm的AlN膜；多量子阱23为40周期的[3×(Al0.75Ga0.25N)2.4GaN0.6]/Al0.75Ga0.25N，其中势阱为3×(Al0.75Ga0.25N)2.4GaN0.6数字合金结构，GaN为0.6个原子层(亚原子层)，势垒是Al0.75Ga0.25N，厚度为30nm。周期性网格状划痕31间距为1.4mm，高反射金属薄膜采用厚度为200nm的Al膜，形成网格状反射层3。出光窗口5采用蓝宝石。
电子束泵浦源4包括：泵浦源衬底41、阴极金属层42、电子发射极43、绝缘介质层44、金属栅极45、栅极电源46、金属阳极47和阳极电源48；其中，阴极金属层42覆盖在泵浦源衬底41上，形成阴极；在阴极金属层42上形成多个电子发射极43；在多个电子发射极之间填充绝缘介质层44；在绝缘介质层上设置金属栅极45，并且多个电子发射极正对金属栅极的空隙间；阴极金属层42和金属栅极45分别通过金属引线连接至栅极电源；在衬底与出光窗口之间设置金属阳极47，金属阳极为条纹状的金属薄膜；金属阳极47通过金属引线连接至阳极电源48；栅极电源46在阴极金属层42与金属栅极45施加电子束发射电压，栅极电源连接至电流调节器49，从而调控电子束发射电流的大小；阳极电源48施加加速电压，电子束加速从而产生高能电子束出射，从正面入射激发外延层。
本实施例的出光增强型电子束泵浦紫外光源的制备方法，包括以下步骤：
1)根据实际需要，通过基于密度泛函理论的第一性原理理论计算模拟，对外延层的结构进行模拟和优化，得到优化参数，多量子阱为40个周期；
2)对衬底进行预处理：首先，以蓝宝石作为衬底1，通过化学腐蚀和清洗，除去表面的氧化层和有机物；然后在外延设备腔体中对模板材料进行高温烘烤，除去表面杂质原子；采用金属有机化合物气相沉积MOCVD方法在蓝宝石上生长1μm厚的AlN膜作为模板材料21，经优化，位错密度一般在108cm-2左右；
3)将生长好的外延层传入分子束外延MBE设备中，在台阶流生长模式精确控制生长条件，如图2所示，再生长100nm的AlN膜作为缓冲层22；随后进行多量子阱23(40周期的[3×(Al0.75Ga0.25N)2.4GaN0.6/Al0.75Ga0.25N)生长，得到外延层；
4)如图3所示，在外延层的正面制备周期性网格状划痕31，划痕深入至衬底1，图3(a)中w为网格的周期，图3(b)中h为划痕的深度；
5)蒸镀高反射金属薄膜，得到网格状反射层3，具有凹面32；周期性网格状划痕的间距为1.4mm，高反射金属薄膜为Al膜，厚度为200nm；
6)电子束泵浦源4：
a)在电源衬底1的背面蒸镀条纹状的阳极电极47，材料为Al；
b)通过导电银胶6连接蒸镀有条纹状的阳极电极47的外延层2及热处理装置铜块7上，阳极电极47焊接金属引线；
c)场发射阵列的制备：阴极金属层42覆盖在泵浦源衬底41上，形成阴极；在阴极金属层上沉积绝缘介质层44和金属栅极层，利用光刻与电子束刻蚀技术在绝缘介质层和金属栅极层内刻蚀出周期性小孔，同时形成具有周期性孔状的金属栅极45，最后在绝缘介质层的小孔内沉积锥形的电子发射极43，形成场发射阵列；将镀在阴极金属层和金属栅极上的金属引线分别连接到栅极电源46的两端，在栅极电路中配有电流调节器49可调控场电子发射电流的大小，将阳极电极47的金属引线连接到阳极电源48的正极，施加加速电压产生高能电子束激发外延层；
7)将外延层置于场发射阵列的靶方向位置，外延层的正面对着电子发射极43，并将衬底、外延层、网格状反射层和电子束泵浦源封装在一个腔体内，在阳极电极47的背面覆盖出光窗口5，各电极在腔体外预留金属引线，然后使用泵组对腔体进行真空抽取，当腔内达到一定真空度时，封口。
利用材料表征设备对外延层的晶体质量、表面形貌以及界面情况进行测试反馈，并测试外延层的出光效率。如图4所示，阴极射线谱反映了室温、电压为20kV的情况下，外延层的发光波长在285nm；对封装好的电子束泵浦紫外光源进行电子束泵浦发光测试，外置光电探测器测试出光效率，室温下实现内量子效率约为34％；脉冲激发模式下输出功率>10mW的高效电子束泵浦紫外光源。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种出光增强型电子束泵浦紫外光源，其特征在于，所述紫外光源包括：衬底、外延层、网格状反射层、电子束泵浦源和出光窗口；其中，所述外延层的背面形成在衬底上，外延层从背面至正面依次包括模板材料、缓冲层和多量子阱；多量子阱作为有源区采用III-V族或II-VI族元素，势阱采用数字合金，数字合金包含II族或III族元素构成的单原子层或亚原子层；在外延层的正面刻出周期性网格状划痕，划痕深入至衬底；在未划痕的表面和划痕的表面蒸镀一层均匀的高反射金属薄膜，形成网格状反射层，在划痕处具有凹面；在衬底的背面设置出光窗口；所述电子束泵浦源发射电子束，从正面入射，激发多量子阱产生紫外光；产生的部分紫外光直接经衬底从背面的出光窗口输出；部分紫外光在外延层与衬底的界面发生全反射，网格状反射层的凹面阻挡了紫外光从外延层的侧面出射，从而提高了紫外光从背面的出光窗口的出光效率。
2.如权利要求1所述的紫外光源，其特征在于，所述多量子阱的周期数为10～50个。
3.如权利要求1所述的紫外光源，其特征在于，所述周期性网格状划痕的深度为0.3～3μm，划痕的间距为200～2000μm。
4.如权利要求1所述的紫外光源，其特征在于，所述高反射金属薄膜采用Al膜；高反射金属薄膜的厚度为20～400nm。
5.如权利要求1所述的紫外光源，其特征在于，所述电子束泵浦源包括：泵浦源衬底、阴极金属层、电子发射极、绝缘介质层、金属栅极、栅极电源、金属阳极和阳极电源；其中，所述阴极金属层覆盖在泵浦源衬底上，形成阴极；在阴极金属层上分别形成具有周期性小孔的绝缘介质层和金属栅极；在每个绝缘介质层的小孔内形成锥形的电子发射极，电子发射极从金属栅极的小孔出射电子束；所述阴极金属层和金属栅极分别通过金属引线连接至栅极电源；在衬底与出光窗口之间设置金属阳极，金属阳极为条纹状的金属薄膜；金属阳极通过金属引线连接至阳极电源。
6.如权利要求1所述的紫外光源，其特征在于，所述衬底、外延层、网格状反射层和电子束泵浦源封装在一个腔体内。
7.一种出光增强型电子束泵浦紫外光源的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)根据实际需要，通过理论计算，对外延层的结构进行模拟和优化，从而得到优化参数；
2)对衬底进行预处理，以直接用于外延生长；
3)利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在衬底上进行外延生长，依次生长模板材料、缓冲层和作为有源区的多量子阱，从而得到外延层；其中，多量子阱中势阱采用数字合金，数字合金包含II族或III族元素构成的单原子层或亚原子层；
4)在外延层的正面刻出周期性网格状划痕，划痕深入至衬底；
5)在未划痕的表面和划痕的表面蒸镀一层均匀的高反射金属薄膜，形成网格状反射层，在划痕处具有凹面；
6)制备电子束泵浦源；
7)将衬底、外延层、网格状反射层和电子束泵浦源封装在一个腔体内，在衬底的背面覆盖出光窗口。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述优化参数包括：势垒和势阱的材料、势阱和势垒的厚度以及多量子阱的周期。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，所述阴极金属层覆盖在泵浦源衬底上，形成阴极；在阴极金属层上沉积绝缘介质层和金属栅极层，利用光刻与电子束刻蚀技术在绝缘介质层和金属栅极层内刻蚀出周期性小孔，同时形成具有周期性孔状的金属栅极，最后在绝缘介质层的小孔内沉积锥形的电子发射极，电子发射极从金属栅极的小孔出射电子束，电子发射极在空隙间出射电子束；阴极金属层和金属栅极分别通过金属引线连接至栅极电源；在衬底与出光窗口之间设置金属阳极，金属阳极为条纹状的金属薄膜；金属阳极通过金属引线连接至阳极电源。
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