CN108766857A - 一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，属于光电阴极技术领域，结构由下至上依次包括P型半导体衬底、纳米光学共振发射层有源区和表面激活层。利用纳米光学共振结构与入射光作用产生的光学共振效应，将光场和电荷局限于有源区，大幅度提升入射光的吸收率，降低光电子输运距离，还可以降低表面光反射导致的有害光电发射对电子束品质的影响，从而有效提升量子效率和电子束的品质。GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源可以采用纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等工艺进行制备，工艺技术成熟，稳定性好，可应用于大型电子加速器、微光夜视、扫描电镜等领域。

Description

一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光电阴极电子源，具体涉及一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源。
本发明还涉及一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法。
背景技术
电子源是电子加速器的核心部件，我国大力发展的正负电子对撞机、电子离子对撞机、自由电子激光等装置都需要电子源为其提供高品质电子束。砷化镓（GaAs）基半导体负电子亲和势（NEA）光电阴极电子源具备低能散、高亮度、超短脉冲响应等优良品质，在大型电子加速器、微光夜视、扫描电镜等领域具有广泛应用价值。GaAs体材料和应变薄膜光电阴极分别能实现自旋极化度达50%和100%的电子发射，在高能物理、核物理等领域具有非常重要的应用价值，是研究核结构、强作用动力学、弱原子核物理学等物理规律的重要手段。
随着高能电子加速器技术的发展，对光电阴极电子源的电子束品质提出了更高的要求，其中光电发射的量子效率（QE）和发射度是影响其束流强度和品质的关键因素。Spicer发射理论表明光电阴极的QE值主要由入射光在有源区吸收、光电子输运和表面发射过程决定。已报道的结果集中于光电子的输运和表面发射过程的研究，如南京理工大学和东华理工大学利用GaAs/AlGaAs变组分、变掺杂结构在有源区建立内建电场以提升电子的输运效率，日本名古屋大学对强光照射下阴极表面电荷堆积效应对光电输运过程的影响机理进行了研究。然而，在提升入射光吸收率方面的工作报道很少。根据半导体输运理论，距离表面一个扩散长度以内的光电子才能有效输运至表面，因此无法通过无限增加有源区厚度来提升入射光的吸收率。对于GaAs基应变薄膜光阴极，薄膜与衬底晶格失配所产生应力用于消除价带轻-重空穴带的简并，这是其激发产生自旋极化电子发射的关键，因此需要应变层有源区的厚度小于临界厚度以维持失配应力，目前所能实现的最大厚度仅100nm，导致其对入射光的吸收率非常低，成为限制QE的主要因素。此外，GaAs在其NEA光电发射典型波段所具有的高折射率导致的高表面反射率（>35%）也是限制入射光吸收的重要因素。
综上所述，有源区的光吸收已经成为限制进一步提升GaAs光电阴极QE值的最关键因素，因此有必要像其它光电子器件一样引入光学结构对器件内部的光场进行调控以突破这一限制。然而，GaAs表面需要进行激活以发射电子，因此不能像其它光电子器件一样在表面引入多层光学介质膜或金属表面等离子体共振激元等光学结构。近年来，纳米光学技术迅速发展，纳米颗粒与光相互作用产生的几何散射共振效应作为一种新型的光调控手段被广泛关注，这种共振效应最早由德国物理学家Gustav Mie通过求解麦克斯韦方程组对均匀介质中的纳米球与平面波的相互作用机理进行解释时提出，因此被称为Mie共振。Mie共振在高折射率的介质纳米颗粒中更为明显，且受周围光学环境的影响较小，在实际应用中可以直接利用半导体纳米阵列结构实现共振效应，可以避免金属表面等离子体共振中产生的寄生光吸收损失，材料结构与工艺过程较为简单。
半导体纳米结构的光学共振效应在GaAs光电阴极电子源中的应用尚未见报道，但在硅基半导体光电探测器、太阳能电池、激光器、生物传感等光电子器件中已被广泛应用，其所激发的光吸收增强效应、光场空间限制特性、多光子非线性光学效应等都获得了验证，这些物理特性与光阴极电子源在量子转换效率、发射度、自旋极化度和超快脉冲发射等方面的技术要求完全切合，为发展新一代高亮度、高极化度、低发射度、超快脉冲激发的电子源提供了有效的解决途径。将GaAs纳米光学共振结构作为光电阴极的光电发射有源区，通过激发光学共振可将光场和电荷局限于纳米结构中，能够有效提升有源区光吸收率，降低各种散射机制对光电发射度与自旋极化度的影响，从而提升电子束的品质。
发明内容
为解决上述技术问题，有效提升GaAs基光电阴极电子源的光电发射效率，本发明提供一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源。
本发明还提供该GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法。
本发明提供的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，光电阴极电子源的结构由下至上依次包括：P型半导体衬底、纳米光学共振发射层有源区和表面激活层。
前面所述光电阴极电子源的P型半导体衬底可以是GaAs材料，也可以是在P型受主掺杂的GaP、InP、Si、GaSb等半导体材料上面生长P型GaAs缓冲层后形成的复合衬底，衬底的P型受主掺杂浓度可以在1018-1019cm-3之间，厚度可以在200-800μm之间。
前面所述光电阴极电子源的纳米光学共振发射层有源区的材料与结构描述如下：材料选择为GaAs半导体，掺杂类型为P型受主掺杂，掺杂浓度可以在5×1018cm-3-1019 cm-3之间；纳米阵列为二维周期性点阵排列，排列方式可以为正方形或正六边形，相邻两点之间的距离可以在450-750nm之间；二维周期性纳米点阵的重复单元可以为圆柱体，其直径可以在150-400nm之间，高度可以在300-600nm之间；可以为圆台体，其上表面直径可以在0-150nm之间，下底面直径可以在300-400之间，高度可以在300-600nm之间；可以为圆柱孔，其直径可以在150-550nm之间，高度可以在300-600nm之间；可以为圆台孔，其上表面直径可以在300-550nm之间，下底面直径可以在0-150nm之间，高度可以在300-600nm之间。
前面所述光阴极电子源的表面激活层材料与结构描述如下：可以选择为交替沉积或共沉积法生长的Cs/O薄膜，厚度在2-3个原子层之间；可以选择为交替沉积或共沉积法生长的Cs/F薄膜，厚度在2-3个原子层之间。
本发明的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，如以下步骤：
1、准备p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º-4º切割；
2、纳米光学共振发射层有源区可以采用纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀方法进行制备，各种工艺制备方法描述如下：
纳米压印刻蚀工艺：
（a）利用等离子体增强化学气相沉积 （PECVD）技术沉积一层厚度为100-200nm的SiO2阻挡层；
（b）准备用于纳米压印工艺的硅半导体圆柱体/圆柱孔形状二维周期性排列的纳米阵列模板，排列方式可以是正方形、正六边形等，将硅模板与烷基三氯硅烷放于干燥的密封箱中静置20-24小时，完成对硅模板表面的抗粘连处理；
（c）将硅半导体圆柱体/圆柱孔形状纳米阵列硬模板的图案转移至双层聚二甲硅氧烷(PDMS)软模板上；
（d）在生长有SiO2阻挡层的GaAs衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光刻胶，采用自动或手动压印方法将双层PDMS软模板上的图案转移到衬底表面的PMMA光刻胶上，形成圆柱体/圆柱孔形状的纳米阵列表面PMMA模板；
（e）以表面PMMA纳米阵列为阻挡，采用反应离子刻蚀方法刻蚀SiO2阻挡层，刻蚀完后取出并用酒精和丙酮各浸泡清洗去掉表面残留的PMMA，留下圆柱体/圆柱孔形状的SiO2纳米阵列；
（f）以表面SiO2纳米阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，刻蚀完后将顶部有SiO2阻挡层的GaAs纳米阵列材料浸入BOE腐蚀液中，去除纳米阵列顶部SiO2阻挡层，得到圆柱体/圆柱孔形状的二维GaAs纳米阵列。
自组装纳米球刻蚀工艺：
（a）采用stober法制作的直径100-800nm之间的SiO2纳米球；
（b）采用感应耦合离子轰击法对GaAs衬底进行亲水性处理；将0.5-1g SiO2纳米球加入20-25g质量分数为2wt%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中超声1-2小时进行改性处理，高速离心后自然干燥成粉末；
（c）将亲水处理后的GaAs衬底置于盛有去离子水的容器中，取改性SiO2纳米球加入至一定量的甲醇中，使质量分数为2wt%，超声分散2小时，使用注射器取纳米球溶液0.5-1毫升，将纳米球转移至气液界面处，静置2-3小时后，用镊子将GaAs衬底以45°角缓缓向上提出液面，自然干燥，在GaAs衬底表面获得自组装的SiO2纳米球阵列，排列方式一般为正六边形；
（d）采用反应离子方法刻蚀GaAs衬底表面的自组装SiO2纳米球阵列，设定合适的刻蚀条件可获得直径满足应用需求的SiO2纳米球阵列；在自组装SiO2纳米球阵列表面旋涂一层PMMA光刻胶，之后将SiO2纳米球进行剥离，可以获得表面PMMA纳米孔阵列；
（e）以上述（d）中所获得的表面自组装SiO2纳米球阵列或表面PMMA纳米孔阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成圆柱体形状或圆柱孔形状的GaAs纳米阵列层；
（f）采用BOE化学腐蚀去除表面自组装SiO2纳米球，或采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得圆柱体/圆柱孔形状的二维GaAs纳米阵列。
电子束刻蚀工艺：
（a）在GaAs衬底表面旋涂PMMA光刻胶，烘干后放入电子束曝光机内部样品托；
（b）采用电子束直写方法对PMMA光刻胶进行曝光，之后进行显影处理，将圆柱体形状或圆柱孔形状的二维阵列图案转移至PMMA光刻胶上；
（c）以上述圆柱体形状或圆柱孔形状的二维阵列PMMA光刻胶作为掩膜版，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成圆柱体形状或圆柱孔形状的GaAs纳米阵列层；
（d）采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得圆柱体/圆柱孔形状的二维GaAs纳米阵列。
聚焦离子束刻蚀工艺：
聚焦离子束方法是采用高能离子束直接轰击材料进行刻蚀，因此可以采用聚焦离子束方法直接在GaAs衬底表面加工圆柱体/圆柱孔形状的GaAs二维纳米阵列；也可以现在GaAs衬底表面沉积制备SiO2阻挡层，采用聚焦离子束方法对SiO2进行加工获得所需要的圆柱体/圆柱孔形状的二维纳米阵列，然后采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底获得相应的GaAs纳米阵列，最后采用BOE化学腐蚀去除表面SiO2阻挡层。
3、用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对上述步骤2所获得GaAs纳米阵列进行浸泡清洗3-5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行600-680℃的高温加热处理；
4、在超高真空系统中进行Cs/O或Cs/F激活，在二维GaAs纳米阵列上形成一层Cs/O或Cs/F激活层，最终获得本发明的GaAs纳米光学共振结构的光电阴极电子源。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明引入GaAs纳米光学共振结构作为光电阴极电子源的光电发射有源区，通过选择合适的尺寸、光学常数、入射光波长等参数，利用GaAs纳米阵列结构产生偶极子、四极子、八极子等各种模式的Mie光学共振，本发明主要涉及对偶极子和四极子共振模式的应用。共振条件下，光场和电荷被局限于纳米结构中，可以大幅度提升有源区的光吸收率，降低光电子的输运距离，从而降低各种散射机制对电子发射度的影响，有效提升光电发射的量子效率和电子束的品质。纳米光学共振结构还可以大幅度降低GaAs光电阴极表面的光反射率，提升其陷光能力，降低表面光反射导致的有害光电发射对电子束品质的影响。
本发明充分利用GaAs半导体纳米光学共振结构优异的光学调控能力，有效改善GaAs光电阴极电子源的光电发射量子效率和电子束品质，主要特征如下：
1、本发明的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其Mie共振吸收峰所对应的波长可以通过改变纳米结构的尺寸与排列周期进行灵活调节，可以覆盖400nm至900nm的波长范围，可以满足GaAs光电阴极在光电探测器、电子源等领域的应用需求。GaAs纳米光学共振结构光电阴极在共振波长处工作时可以大幅度增强有源区的光吸收率，从而提升器件的量子效率，它比同样条件下的普通GaAs薄膜光电阴极电子源的量子效率高出10%-35%。
2、本发明的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，在400nm至900nm范围内的共振波长处工作时，光场和电荷被有效局限于纳米结构有源区，可以降低光电子的输运距离，从而降低各种散射机制对输运过程的影响，提升器件的量子效率并降低光电发射的发射度。
3、本发明的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，在400nm至900nm范围内的共振波长处工作时，其表面光反射率可以降低到10%-0%之间，相比于薄膜器件大于35%的表面光反射率，可以有效降低表面反射光所导致的有害的光电发射，提升其电子束的品质。
4、本发明的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其柱状或孔状纳米阵列光学共振结构可以采用自组装纳米球刻蚀法、纳米压印刻蚀法进行制备，这两种制备工艺成熟、重复性好、成本低、可以实现大面积大批量生产，所制备的纳米结构尺寸与排列可控，满足实际表面激活及光电发射应用需求，从而有利于材料的产业化和推广应用。
5、本发明的GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其柱状或孔状纳米阵列光学共振结构可以采用聚焦离子束刻蚀和电子束光刻法进行制备，这两种制备工艺成本较高、不利于大规模生产，但其可以对纳米结构的尺寸与排列方式进行灵活调节和精确控制，从而精确控制其光学共振特性，应用于光电阴极发射器件时则可以精确控制器件的光电响应性能，满足大型高能电子加速器、军用微光夜视系统对高性能GaAs光电阴极的应用需求。
附图说明
图1是本发明的GaAs圆柱体状纳米共振结构光电阴极电子源的结构示意图。
图2是本发明的GaAs圆台体状纳米共振结构光电阴极电子源的结构示意图。
图3是本发明的GaAs圆柱孔状纳米共振结构光电阴极电子源的结构示意图。
图4是本发明的GaAs圆台孔状纳米共振结构光电阴极电子源的结构示意图。
图5是本发明的GaAs圆柱状纳米共振结构光电阴极电子源表面光反射率随尺寸与分布变化的理论计算结果。
图6（a）是本发明GaAs圆柱状纳米结构在偶极子共振条件下的电场线与电场强度分布。
图6（b）是本发明GaAs圆柱状纳米结构在偶极子共振条件下的磁场线与磁场强度分布。
图7（a）是本发明纳米压印刻蚀法制备的GaAs圆柱体状纳米阵列的扫描电镜测试结果。
图7（b）是本发明聚焦离子束方法制备的GaAs圆柱孔状纳米阵列的扫描电镜测试结果。
图8是本发明纳米压印刻蚀法制备的GaAs圆柱状纳米阵列的表面反射率测试结果。
图9是纳米压印刻蚀方法制备的不同尺寸GaAs柱状纳米共振结构光电阴极的光电发射量子效率测试结果。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图及具体实施方式进行详细描述，本说明书中描述的实施例仅用于解释本发明，并非用来限定本发明。
如图1至图4所示，本发明一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，包括P型半导体衬底1、不同形状的GaAs纳米共振结构光电发射有源区（包括圆柱体形状3、圆台体形状4、圆柱孔形状5和圆台孔形状6）和表面激活层2。
P型半导体衬底1的材料选择为GaAs，或者是在P型受主掺杂的GaP、InP、Si、GaSb半导体材料上面生长P型GaAs缓冲层后形成的复合衬底；P型半导体衬底的P型受主掺杂浓度在1018-1019 cm-3之间；P型半导体衬底的厚度在200-800μm之间。
不同形状的GaAs纳米共振结构光电发射有源区，掺杂类型为P型受主掺杂，掺杂浓度可以在5×1018cm-3-1019 cm-3之间；纳米光学共振发射层有源区的纳米阵列为二维周期性点阵排列，排列方式为正方形或者正六边形，相邻两点之间的距离在450-750nm之间，纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状。
不同形状的GaAs纳米共振结构均可以与入射光作用激发Mie光学共振，它们作为光电发射有源区是主要的光吸收区和光电发射区，在共振模式下可以大幅度增强对入射光的吸收率，从而提高器件的量子效率并降低电子束的发射度。
表面激活层2为厚度在2-3个原子层的Cs/F或Cs/O薄膜，主要用于将GaAs纳米共振结构光电发射有源区的导带底能级下降到低于真空能级，达到负电子亲和势状态，实现电子的发射。
如图5（a）、图5（b）所示，分别为本发明GaAs圆柱状纳米共振结构光电阴极电子源的光反射谱和吸收谱随纳米柱直径变化的理论计算结果，纳米柱的高度为500nm，排列方式为正方形排列，相邻两根纳米柱之间的间距为600nm。
图5（a）中A、B分别为偶极子和四极子共振模式下纳米结构表面出现的反射率极小值，最低反射率<5%。
图5（b）中C、D分别为偶极子和四极子共振模式下纳米结构光电发射有源区的吸收率极大值，最高吸收率>85%。
由图5（a）、5（b）结合可以看出，通过合理的选择纳米材料的尺寸与结构，在常用的400nm至900nm可见光波长范围内都可以通过激发Mie光学共振来增强纳米结构光电发射有源区的光吸收，满足GaAs光电阴极电子源的应用需求。其他形状纳米共振结构的光学计算结果类似。理论结果表明，Mie光学共振可以大幅度降低材料表面的光反射，增强纳米结构光电发射有源区的光吸收，有利于提升光阴极电子源的光电发射量子效率和电子束品质。
如图6（a）所示，本发明GaAs圆柱状纳米结构在偶极子共振条件下的电场线与电场强度分布。可以看出，纳米柱区域E出现封闭的环状电场线，说明为磁偶极子共振，共振模式下，入射光的电场大部分被限制在圆柱状纳米共振结构有源区，有利于提升光电发射的量子效率和电子束的品质。
如图6（b）所示，本发明GaAs圆柱状纳米结构在偶极子共振条件下的磁场线与磁场强度分布。可以看出，纳米柱区域磁场线密度较高，磁偶极子共振模式下，入射光的磁场大部分被限制在圆柱状纳米共振结构有源区，有利于提升光电发射的量子效率和电子束的品质。
如图7（a）、图7（b）所示，分别为本发明采用纳米压印刻蚀和聚焦离子束法在GaAs衬底上制备的GaAs圆柱孔状纳米阵列的扫描电镜测试结果。可以看出，两种工艺方法都可以获得尺寸与排列方式可控的GaAs纳米阵列结构，满足GaAs光阴极电子源的应用需求。
如图8所示，本发明纳米压印刻蚀法制备的不同尺寸GaAs圆柱状纳米阵列的表面反射率的实验测试结果，其中d、h、s三个参数分别为纳米柱的直径、高度和间距。实验测得Mie共振峰F所对应的波长与理论计算的结果基本一致，最低反射率可达5%，表明GaAs纳米阵列可以通过激发Mie光学共振来大幅度降低材料表面的反射率，且共振峰对对应的波长可以通过改变纳米结构的尺寸、分布等工艺参数进行调节，满足不同工作波长光电阴极器件的应用需求。
如图9所示，本发明不同尺寸GaAs圆柱状纳米共振结构光电阴极的光电发射量子效率的实验测试结果，在共振发生的波长处量子效率达到峰值G，表明Mie光学共振可以有效提升光电阴极电子源的量子效率，且满足应用需求的最佳工作波长可以通过改变纳米结构的工艺参数进行调节。
实施例1
采用纳米压印刻蚀法制备GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源：
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103 cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割，厚度300-500μm；
2、基片清洗：丙酮和酒精超声清洗10分钟后去除经去离子水浸泡，有效去除基片表面有机物。
3、SiO2薄膜阻挡层：利用等离子体增强化学气相沉积 （PECVD）技术沉积SiO2薄膜作为阻挡层，具体参数为反应室气压2000 mTorr，反应气体为SiH4、N2O 和N2，流量分别为4、710 和180 SCCM，衬底温度350℃，沉积时间2分30秒，在GaAs衬底上沉积形成一层厚度为240nm的SiO2薄膜阻挡层；
4、硅模板：准备用于纳米压印工艺的直径3英寸的圆形硅半导体圆柱形纳米阵列模板，纳米柱直径300nm、高度100-200nm、间距600nm、排列方式为正六边形排列，将硅模板与烷基三氯硅烷放于干燥的密封箱中静置24小时，完成对硅模板表面的抗粘连处理；
5、模板复制：纳米压印模板将硅半导体圆柱形纳米阵列硬模板的图案转移至双层聚二甲硅氧烷(PDMS)软模板上，形成圆孔形状的纳米阵列PDMS软模板，第一层为可塑性较差的高杨氏模量PDMS，它与硅半导体模板直接接触，用于准确复制模板图案，第二层为可塑性较好的低杨氏模量PDMS，用于保持模板与衬底的完全接触；
6、模板图形转移：在生长有SiO2的GaAs衬底上旋涂一层厚度100-150nm的PMMA光刻胶，采用热压印方法将双层PDMS软模板上的图案转移到衬底表面的PMMA光刻胶上，形成圆柱形状的纳米阵列表面PMMA模板；
7、SiO2纳米球刻蚀：以表面圆柱形状的PMMA纳米阵列为阻挡，采用RIE方法刻蚀SiO2阻挡层，设定反应室气压1850 mTorr 、射频功率（RF）200W，通入SF6 、CHF3 和He气体，流量分别为5.5、32和150 SCCM，刻蚀1-3分钟，刻蚀完后取出，用酒精和丙酮各浸泡清洗3分钟，去掉表面残留的PMMA，留下圆柱形状的SiO2纳米阵列；
8、GaAs纳米阵列刻蚀：以表面SiO2纳米球阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子（ICP）法刻蚀GaAs衬底，设定反应室气压 4mTorr，通入CL2、BCL3气体，流量分别为6 、14 SCCM，刻蚀25-60秒，在GaAs衬底上形成顶部有SiO2纳米球阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米阵列层；
8、去除表面纳米球：采用HF化学腐蚀去除GaAs纳米阵列顶部的SiO2纳米球，腐蚀时间1-2分钟，腐蚀完后置于去离子水中浸泡1-2分钟至少两次，最后氮气吹干。
9、快速退火：用快速热退火处理技术（RTP）修复材料损伤，设定退火炉N2流量2.5SLM、退火温度700-870℃，退火时间15-180秒，通过快速退火修复因刻蚀造成的纳米阵列晶格损伤；
10、清洗：用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对圆柱形状二维GaAs纳米阵列材料浸泡清洗5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物；
11、高温加热：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
12、激活：在超高真空系统中进行Cs/F激活，在圆柱形状二维GaAs纳米阵列材料上形成一层Cs/F激活层。
实施例2
采用自组装纳米球刻蚀法制备GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源：
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3-4º切割，厚度300-500nm, 切成面积为1.5*1.5cm2正方形小基片；采用stober法制作的直径500nm SiO2纳米球1毫升。
2、清洗：基片经丙酮、酒精各超声10分钟，去离子水浸泡10分钟之后氮气吹干；SiO2纳米球经酒精清洗，转速为4000r/min离心1分30秒，如此反复三次，最后加入去离子水清洗，再离心，自然干燥成粉末。
3、亲水性处理：经有机清洗之后的GaAs基片放入感应耦合离子机（ICP）中做氧等离子体亲水处理，处理参数为ICP功率100W，RF功率80W，气压4Pa，处理时间为1200s；往20-25g质量分数为2wt%的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液中加入0.5-1g SiO2纳米球，超声1-2小时，高速离心后自然干燥成粉末。
4、气液法自组装：将经氧处理后的基片置于盛有去离子水的容器中，液面没过基片1-3cm，取改性SiO2纳米球加入至一定量的甲醇中，使质量分数为2wt%，超声分散1-2h，使用注射器取纳米球溶液0.5-1毫升，将纳米球转移至气液界面处，静置2-3h后，用镊子将基片以45°角缓缓向上提出液面，自然干燥。
5、SiO2纳米球刻蚀：采用RIE方法刻蚀SiO2纳米球，设定反应室气压3、mTorr 、ICP功率100W，射频功率（RF）100W，通入CF4和O2气体，流量分别为40和10 SCCM，刻蚀230-250s，刻蚀完后取出，得到直径为300-350nm SiO2纳米球。
6、GaAs纳米阵列刻蚀：以表面SiO2纳米球阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子（ICP）法刻蚀GaAs衬底，设定反应室气压 4mTorr，通入CL2、BCL3气体，流量分别为6 、14SCCM，刻蚀25-60秒，在GaAs衬底上形成顶部有SiO2纳米球阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米列层；
7、去除表面纳米球：采用HF化学腐蚀去除GaAs纳米阵列顶部的SiO2纳米球，腐蚀时间1-2分钟，腐蚀完后置于去离子水中浸泡1-2分钟至少两次，最后氮气吹干。
8、清洗：用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对GaAs纳米线阵列材料浸泡清洗5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物；
9、高温处理：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
10、激活：在超高真空系统中进行Cs/O激活，在圆柱形状二维GaAs纳米列材料上形成一层Cs/O激活层。
实施例3
采用电子束刻蚀工艺制备GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源：
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103 cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割，厚度300-500μm；
2、基片清洗：丙酮和酒精超声清洗10分钟后去除经去离子水浸泡，有效去除基片表面有机物；
3、涂胶：基片放置在匀胶机上，采用转速为2000-3000r/min，时间为20-30秒，得到厚度为80-200nm的PMMA光刻胶；
4、烘干：将步骤3中涂有PMMA光刻胶的基片放入烘胶台烘干，时间为20-30s；
5、曝光图形：使用CAD软件设计曝光图案，图案中阵列的间距为450-500nm，直径为300-350nm；
6、曝光：将烘干后的带有PMMA光刻胶的基片放入电子束曝光机内部样品托，采用事先设计好的CAD图形对光刻胶进行电子束直写曝光，曝光计量为100-200µC/cm2；
7、显影：按照甲基异丁基甲酮：异丙醇=1：3 配比配制显影液，显影时间为10-30秒，氮气吹干后得到需要的光刻胶图案；
8、 GaAs纳米阵列刻蚀：以光刻胶图案作为阻挡层，采用感应耦合离子（ICP）法刻蚀GaAs衬底，设定反应室气压 4mTorr，通入CL2、BCL3气体，流量分别为6 、14 SCCM，刻蚀25-60秒，在GaAs衬底上形成顶部有光刻胶阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米列层；
9、去胶：将顶部有光刻胶阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米列放入盛有丙酮的烧杯中，浸泡1-5分钟，再依次放入无水乙醇和去离子水中浸泡1-5分钟，氮气吹干后得到圆柱形状二维GaAs纳米列层；
10、清洗：用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对GaAs纳米线阵列材料浸泡清洗5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物；
11、高温处理：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
12、激活：在超高真空系统中进行Cs/O激活，在圆柱形状二维GaAs纳米列材料上形成一层Cs/O激活层。
实施例4
采用聚焦离子束刻蚀工艺制备GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源：
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103 cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割，厚度300-500μm；
2、基片清洗：丙酮和酒精超声清洗10分钟后去除经去离子水浸泡，有效去除基片表面有机物；
3、离子束刻蚀：设定结构尺寸直径300-350nm，间隔为400-500nm驻留时间为20-1ms，离子束能取25-30kV，束流选择在25-30pA；在GaAs表面获得直径为300-350nm的纳米孔结构；
4、清洗：用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对GaAs纳米线阵列材料浸泡清洗5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物；
5、高温处理：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
6、激活：在超高真空系统中进行Cs/O激活，在圆柱形状二维GaAs纳米列材料上形成一层Cs/O激活层。
本发明面向于大型电子加速器对高流强高亮度电子束的应用需求所提出的一种新型光学共振光电阴极电子源，材料结构可以采用纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀等多种工艺方法实现，形成圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状二维GaAs纳米阵列，尺寸在1微米一下纳米阵列结构。利用表面纳米阵列结构的光学共振效应，大幅度增强光电发射有源区的光吸收，从而提升量子效率；并利用共振效应的物理作用将光场与电荷限制在光电发射有源区，可以降低光生载流子的输运距离，从而不仅提升量子效率，还能消除载流子散射对发射电子空间角度分布的影响，降低电子束的发射度。

Claims (16)

1.一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：该光电阴极电子源结构由下至上依次包括P型半导体衬底、纳米光学共振发射层有源区和表面激活层。
2.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述P型半导体衬底的材料为GaAs，或者是在P型受主掺杂的GaP、InP、Si、GaSb半导体材料上面生长P型GaAs缓冲层后形成的复合衬底。
3.根据权利要求2所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述P型半导体衬底的P型受主掺杂浓度在1018-1019 cm-3之间；所述P型半导体衬底的厚度在200-800μm之间。
4.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述纳米光学共振发射层有源区的材料选择为GaAs半导体，掺杂类型为P型受主掺杂，掺杂浓度可以在5×1018cm-3-1019 cm-3之间；纳米光学共振发射层有源区的纳米阵列为二维周期性点阵排列，排列方式为正方形或者正六边形，相邻两点之间的距离在450-750nm之间。
5.根据权利要求4所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状。
6.根据权利要求5所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱体形状，其直径在150-400nm之间，高度在300-600nm之间；纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆台体形状，其上表面直径在0-150nm之间，下底面直径可以在300-400之间，高度在300-600nm之间；纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱孔形状，其直径在150-550nm之间，高度在300-600nm之间；纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆台孔形状，其上表面直径在300-550nm之间，下底面直径在0-150nm之间，高度在300-600nm之间。
7.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述表面激活层材料选择为交替沉积或共沉积法生长的Cs/O薄膜、Cs/F薄膜中的一种，薄膜厚度在2-3个原子层之间。
8.根据权利要求2或4所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述P型受主掺杂剂为Be或Zn。
9.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（一）准备p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝面偏一定角度切割；
（二）纳米光学共振发射层有源区采用纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀方法进行制备；
（三）用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对上述步骤（二）所获得GaAs纳米阵列进行浸泡清洗3-5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行600-680℃的高温加热处理；
（四）在超高真空系统中进行Cs/O或Cs/F激活，在二维GaAs纳米阵列上形成一层Cs/O或Cs/F激活层，最终获得本发明的GaAs纳米光学共振结构的光电阴极电子源。
10.根据权利要求9所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：步骤（一）中，在100晶向上要求偏角3~4度。
11.根据权利要求9所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：步骤（三）中，将GaAs纳米阵列放入体积比为1：1的丙酮与四氯化碳混合液中清洗，将清洗好的GaAs纳米阵列分别用无水乙醇冲洗多次，再用离子水冲洗。
12.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：纳米压印刻蚀工艺，包括以下步骤：
（a）利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积一层厚度为100-200nm的SiO2阻挡层；
（b）准备用于纳米压印工艺的硅半导体二维周期性排列的纳米阵列模板，排列方式可以是正方形、正六边形，将硅模板与烷基三氯硅烷放于干燥的密封箱中静置20-24小时，完成对硅模板表面的抗粘连处理；
（c）将硅半导体纳米阵列硬模板的图案转移至双层聚二甲硅氧烷软模板上；
（d）在生长有SiO2阻挡层的GaAs衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶，采用自动或手动压印方法将双层PDMS软模板上的图案转移到衬底表面的PMMA光刻胶上，形成纳米阵列表面PMMA模板；
（e）以表面PMMA纳米阵列为阻挡，采用反应离子刻蚀方法刻蚀SiO2阻挡层，刻蚀完后取出并用酒精和丙酮各浸泡清洗去掉表面残留的PMMA，留下SiO2纳米阵列；
（f）以表面SiO2纳米阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，刻蚀完后将顶部有SiO2阻挡层的GaAs纳米阵列材料浸入BOE腐蚀液中，去除纳米阵列顶部SiO2阻挡层，得到二维GaAs纳米阵列。
13.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：自组装纳米球刻蚀工艺，包括以下步骤：
（a）采用stober法制作的直径100-800nm之间的SiO2纳米球；
（b）采用感应耦合离子轰击法对GaAs衬底进行亲水性处理；将0.5-1g SiO2纳米球加入20-25g质量分数为2wt%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中超声1-2小时进行改性处理，高速离心后自然干燥成粉末；
（c）将亲水处理后的GaAs衬底置于盛有去离子水的容器中，取改性SiO2纳米球加入至一定量的甲醇中，使质量分数为2wt%，超声分散1-2小时，使用注射器取纳米球溶液0.5-1毫升，将纳米球转移至气液界面处，静置2-3小时后，用镊子将GaAs衬底以45°角缓缓向上提出液面，自然干燥，在GaAs衬底表面获得自组装的SiO2纳米球阵列，排列方式一般为正六边形；
（d）采用反应离子方法刻蚀GaAs衬底表面的自组装SiO2纳米球阵列，设定合适的刻蚀条件可获得直径满足应用需求的SiO2纳米球阵列；在自组装SiO2纳米球阵列表面旋涂一层PMMA光刻胶，之后将SiO2纳米球进行剥离，可以获得表面PMMA纳米孔阵列；
（e）以上述（d）中所获得的表面自组装SiO2纳米球阵列或表面PMMA纳米孔阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成GaAs纳米阵列层；
（f）采用BOE化学腐蚀去除表面自组装SiO2纳米球，或采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得二维GaAs纳米阵列。
14.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：电子束刻蚀工艺，包括以下步骤：
（a）在GaAs衬底表面旋涂PMMA光刻胶，烘干后放入电子束曝光机内部样品托；
（b）采用电子束直写方法对PMMA光刻胶进行曝光，之后进行显影处理，将二维阵列图案转移至PMMA光刻胶上；
（c）以上述二维阵列PMMA光刻胶作为掩膜版，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成GaAs纳米阵列层；
（d）采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得二维GaAs纳米阵列。
15.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：聚焦离子束刻蚀工艺，包括以下步骤：
聚焦离子束方法是采用高能离子束直接轰击材料进行刻蚀，因此可以采用聚焦离子束方法直接在GaAs衬底表面加工GaAs二维纳米阵列；也可以现在GaAs衬底表面沉积制备SiO2阻挡层，采用聚焦离子束方法对SiO2进行加工获得所需要的二维纳米阵列，然后采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底获得相应的GaAs纳米阵列，最后采用二氧化硅蚀刻液化学腐蚀去除表面SiO2阻挡层。
16.根据权利要求9所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀方法中，硅半导体二维周期性排列的纳米阵列模板的形状为圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔，由此获得圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状的二维GaAs纳米阵列。
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