CN109449068A - 一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极及其制备方法 - Google Patents
一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层、Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层以及As保护层；在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；刻蚀得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，再制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs‑O激活层，形成负电子亲和势电注入阴极。该阴极利用了晶体管的电子注入和变带隙AlGaAs的内建电场，实现了一种不同于传统光电发射的电子发射形式—无需激发光源的电注入电子发射。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空电子发射技术领域，尤其涉及一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。
本发明还涉及一种一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极的制备方法。
背景技术
负电子亲和势(NEA)光阴极是一种重要的电子源发射材料，NEA GaAs光阴极由于具有量子效率高、自旋极化度高、发射电子能量与角度分布集中、发射电子束脉冲宽度可调，以及可实现均匀平面发射等众多优点，在真空微波器件、电子显微镜、X射线管、电子加速器、质谱仪和同步辐射光源等高端仪器及大型科学装置中得到了广泛应用。
近年来，国内外研究人员在GaAs光阴极电子源结构优化设计和光电发射理论模型方面开展了一系列研究，瑞士苏黎世ETH学院对GaAs自旋极化电子发射的研究开启了对GaAs电子源的研究，随后斯坦福大学研制了应变GaAsP/GaAs自旋极化电子源，并在斯坦福线性加速器(SLAC)中得到应用；美国托马斯-杰斐逊国家加速器实验室(JLab)通过提高系统真空度，研制了高极化度高量子效率GaAs电子源，同时探索延长GaAs电子源寿命的方法，并于2007年成功为连续电子加速器装置(CEBAF)提供极化电子束流。
上述光阴极电子源均利用光注入的方式来产生电子，当需要大束流时只能加大激光功率，而大功率激光照射会降低阴极寿命。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种利用电注入实现电子发射的负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，这种阴极无需激发光源，采用外加电压进行电子注入，电子在内建电场作用下往发射面定向输运并发射。该阴极对于满足电子源更高的性能需求，拓展电子源应用领域具有积极意义。
本发明采用的技术方案：
本发明的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层，以及Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层、As保护层；而后利用等离子体增强化学气相沉积技术在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；再利用感应耦合等离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，然后利用电子束蒸发制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs-O激活层，形成一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。
本发明的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极的制备方法，其制备步骤为：
1)选取n型GaAs做衬底，要求其位错密度低于103cm-3，且均匀性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度为300～400μm，n型掺杂浓度为(0.5～2)×1018cm-3；
2)在步骤1)中获得的n型GaAs衬底层上，采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层，厚度为0.5～1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由(0.5～2)×1018cm-3按指数递减至(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.4～0.6；
3)在步骤2)中获得的n型变带隙AlGaAs电子提供层上外延生长n型AlGaAs电子提供层，厚度为0.2～0.4μm，n型掺杂浓度为(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4～0.6；
4)在步骤3)中获得的n型AlGaAs电子提供层上生长p型AlGaAs电子注入层，厚度为0.1～0.3μm，p型掺杂浓度为(1～5)×1018cm-3，Al组分为0.3～0.4；
5)在步骤4)中获得的p型AlGaAs电子注入层上，生长p型变带隙AlGaAs电子发射层，厚度为0.2～1μm，从电子注入层往外生长时，p型掺杂浓度由(1～5)×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.3～0.4线性递减至0；
6)在步骤5)中获得的p型变带隙AlGaAs电子发射层上生长p型GaAs电子发射层，厚度为20～80nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；
7)在步骤6)中获得的p型GaAs电子发射层上生长As保护层，厚度为3～10nm；
8)在步骤7)中获得的As保护层上利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积厚度为0.5～1μm的SiO2绝缘层，并通过光刻技术在SiO2绝缘层表面形成光刻掩模图像；
9)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉步骤8)中已曝光部分的SiO2，并通过光刻技术形成含有发射阵列图案的光刻掩模图像；
10)利用步骤9)中获得的光刻胶掩模图像，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层、p型GaAs电子发射层和p型变带隙AlGaAs电子发射层，得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层；
11)使用化学方法去除步骤10)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层和SiO2绝缘层顶部的光刻胶，而后再次利用光刻技术在发射阵列上形成光刻胶保护层；
12)使用物理气相沉积技术在步骤11)中获得的含有光刻胶保护层的电子提供层及SiO2绝缘层顶部按顺序蒸镀厚度为10～70/20～80/100～300nm的Ti/Pt/Au金属，而后通过剥离技术形成电子注入层电极；
13)使用化学方法去除步骤12)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层和电子注入层电极表面油脂和污染物，随后快速送入超高真空系统中，进行高温加热净化处理，去除As保护层及表面污染物；
14)在超高真空系统中对变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层材料进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层上形成Cs-O激活层，获得负电子亲和势电注入阴极。
有关本发明的机理在于：当上述结构中的PN结正偏时，电子以扩散方式穿过电子注入层中性区，其中一部分注入到p型变带隙AlGaAs电子发射层中，并在内建电场作用下往发射面漂移并发射到真空，从而实现电注入阴极的电子发射；同时电子注入层采用一种阵列台面结构，不同发射层的电子注入层是相互隔离的，因而可单独控制每个发射区的电子发射。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明中p型变带隙AlGaAs材料在发射层中会形成强内建电场，当PN结正偏时，扩散到电子注入层边沿的电子注入到变带隙p型AlGaAs电子发射层，在内建电场作用下往发射面漂移，最后从顶部的p型GaAs电子发射层发射进入真空，从而实现无需激发光源的电子发射；
2、本发明中电子注入层采用一个突变PN异质结，异质结n-AlGaAs比p-AlGaAs的Al组分含量更高，这种变化有利于电子注射效率的提高，同时使空穴电流得到抑制；
3、本发明采用了类似双极结型晶体管的电流控制方式，电子注入层为一种台面结构，不同发射区电子注入层相互隔离，从而可实现每个发射区电子发射的单独控制。
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8为本发明的较佳实施例的制备过程示意图。
图9为本发明的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极俯视图。
图10为本发明的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极侧视图。
图中标注说明：1、n型GaAs衬底层，2、n型变带隙AlGaAs电子提供层，3、n型AlGaAs电子提供层，4、p型AlGaAs电子注入层，5、p型变带隙AlGaAs电子发射层，6、p型GaAs电子发射层，7、As保护层，8、SiO2绝缘层，9、电子注入层电极，10、光刻胶，11、电子提供层电极，12、Cs-O激活层。
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。
参见图1的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，阴极p型AlGaAs电子注入层4较薄，通过在Ti/Pt/Au电子注入层电极9和电子提供层电极11上施加一定电压，使PN结正偏，从而电子以扩散方式穿过电子注入层中性区，并有部分注入p型变带隙AlGaAs电子发射层5，在p型变带隙AlGaAs电子发射层5形成的内建电场作用下往发射面漂移，从而实现电注入阴极的电子发射。
以下是负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极制备方法的实施例。
实施例1
负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极制备方法，具体步骤如下：
如图2所示，首先，准备n型掺杂浓度为0.5×1018cm-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，采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs衬底层1上依次外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层2，厚度为0.5μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由0.5×1018cm-3按指数递减至1×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.4；n型AlGaAs电子提供层3，厚度为0.2μm，n型掺杂浓度为1×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4；p型AlGaAs电子注入层4，厚度为0.1μm，p型掺杂浓度为1×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.3；p型变带隙AlGaAs电子发射层5，厚度为0.2μm，从p型AlGaAs电子注入层4往外生长时，p型掺杂浓度由1×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.3线性递减至0；p型GaAs电子发射层6，厚度为20nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；厚度为3nm的As保护层7。
如图4所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在As保护层7上沉积形成一层厚度为500nm的SiO2绝缘层8，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6min；然后利用匀胶机在SiO2绝缘层8上旋涂一层厚度为1.4μm的AZ5214光刻胶10，并将涂有光刻胶10的样品材料放入烘烤机中，升温到90℃烘烤60s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光12s，并选用JZ3038正胶显影液进行显影40s，清洗显影液，吹干形成含有电子提供层图案的光刻掩模图像。
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绝缘层8，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6min，刻蚀完后取出。
如图6所示，用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗5min，以去除SiO2绝缘层8上的剩余光刻胶10，清洗后再次采用光刻曝光技术在电子提供层内形成含有方形发射阵列图案的光刻掩模图像，通过感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5，设定反应室气压5.9mTorr，通入Cl2、BCl3气体，流量分别为6SCCM、14SCCM，刻蚀52s，形成长方形变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层。
如图7所示，使用丙酮、异丙醇、去离子水进行超声清洗，以去除SiO2绝缘层8上剩余的光刻胶10，并再次采用光刻曝光技术在As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5上形成光刻胶保护层，而后通过电子束蒸发技术按顺序蒸镀厚度分别为50/50/200nm的Ti/Pt/Au金属薄膜，最后在90℃剥离液中浸泡5min，超声20s剥离形成电子注入层电极9。
如图8所示，用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对变带隙AlGaAs/GaAs发射阵列样品各超声3min以去除变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层表面油脂和污染物，将一层铟箔粘贴在GaAs衬底层1上形成电子提供层电极11，然后将样品快速送入超高真空系统中进行650℃高温净化处理，去除As保护层7；而后在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在p型GaAs电子发射层6上形成一层厚度为的Cs-O激活层12，最终获得负电子亲和势电注入阴极。
如图2所示，首先，准备n型掺杂浓度为1×1018cm-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，采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs衬底层1上依次外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层2，厚度为0.75μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由1×1018cm-3按指数递减至2×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.5；n型AlGaAs电子提供层3，厚度为0.3μm，n型掺杂浓度为2×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.5；p型AlGaAs电子注入层4，厚度为0.2μm，p型掺杂浓度为2×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.35；p型变带隙AlGaAs电子发射层5，厚度为0.5μm，从p型AlGaAs电子注入层4往外生长时，p型掺杂浓度由2×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.35线性递减至0；p型GaAs电子发射层6，厚度为50nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；厚度为6nm的As保护层7。
如图4所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在As保护层7上沉积形成一层厚度为750nm的SiO2绝缘层8，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9min；然后利用匀胶机在SiO2绝缘层8上旋涂一层厚度为1.4μm的AZ5214光刻胶10，并将涂有光刻胶10的样品材料放入烘烤机中，升温到90℃烘烤60s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光12s，并选用JZ3038正胶显影液进行显影40s，清洗显影液，吹干形成含有电子提供层图案的光刻掩模图像。
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绝缘层8，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9min，刻蚀完后取出。
如图6所示，用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗5min，以去除SiO2绝缘层8上的剩余光刻胶10，清洗后再次采用光刻曝光技术在电子提供层内形成含有方形发射阵列图案的光刻掩模图像，通过感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5，设定反应室气压5.9mTorr，通入Cl2、BCl3气体，流量分别为6SCCM、14SCCM，刻蚀26s，形成长方形变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层。
如图7所示，使用丙酮、异丙醇、去离子水进行超声清洗，以去除SiO2绝缘层8上剩余的光刻胶10，并再次采用光刻曝光技术在As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5上形成光刻胶保护层，而后通过电子束蒸发技术按顺序蒸镀厚度分别为40/40/200nm的Ti/Pt/Au金属薄膜，最后在90℃剥离液中浸泡5min，超声20s剥离形成电子注入层电极9。
如图8所示，用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对变带隙AlGaAs/GaAs发射阵列样品各超声3min以去除变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层表面油脂和污染物，将一层铟箔粘贴在GaAs衬底层1上形成电子提供层电极11，然后将样品快速送入超高真空系统中进行650℃高温净化处理，去除As保护层7；而后在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在p型GaAs电子发射层6上形成一层厚度为的Cs-O激活层12，最终获得负电子亲和势电注入阴极。
实施例3
如图2所示，首先，准备n型掺杂浓度为1×1018cm-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，采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs衬底层1上依次外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层2，厚度为1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由1×1018cm-3按指数递减至5×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.6；n型AlGaAs电子提供层3，厚度为0.3μm，n型掺杂浓度为5×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.6；p型AlGaAs电子注入层4，厚度为0.2μm，p型掺杂浓度为5×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.35；p型变带隙AlGaAs电子发射层5，厚度为1μm，从p型AlGaAs电子注入层4往外生长时，p型掺杂浓度由5×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.35线性递减至0；p型GaAs电子发射层6，厚度为50nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；厚度为3nm的As保护层7。
如图4所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在As保护层7上沉积形成一层厚度为500nm的SiO2绝缘层8，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6min；然后利用匀胶机在SiO2绝缘层8上旋涂一层厚度为1.4μm的AZ5214光刻胶10，并将涂有光刻胶10的样品材料放入烘烤机中，升温到90℃烘烤60s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光12s，并选用JZ3038正胶显影液进行显影40s，清洗显影液，吹干形成含有电子提供层图案的光刻掩模图像。
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绝缘层8，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6min，刻蚀完后取出。
如图6所示，用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗5min，以去除SiO2绝缘层8上的剩余光刻胶10，清洗后再次采用光刻曝光技术在电子提供层内形成含有方形发射阵列图案的光刻掩模图像，通过感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5，设定反应室气压5.9mTorr，通入Cl2、BCl3气体，流量分别为6SCCM、14SCCM，刻蚀52s，形成长方形变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层。
如图7所示，使用丙酮、异丙醇、去离子水进行超声清洗，以去除SiO2绝缘层8上剩余的光刻胶10，并再次采用光刻曝光技术在As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5上形成光刻胶保护层，而后通过电子束蒸发技术按顺序蒸镀厚度分别为50/50/300nm的Ti/Pt/Au金属薄膜，最后在90℃剥离液中浸泡5min，超声20s剥离形成电子注入层电极9。
如图8所示，用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对变带隙AlGaAs/GaAs发射阵列样品各超声3min以去除变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层表面油脂和污染物，将一层铟箔粘贴在GaAs衬底层1上形成电子提供层电极11，然后将样品快速送入超高真空系统中进行650℃高温净化处理，去除As保护层7；而后在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在p型GaAs电子发射层6上形成一层厚度为的Cs-O激活层12，最终获得负电子亲和势电注入阴极。
如图9、图10为本发明的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极的俯视图和侧视图，体现了制备得到的阴极发射阵列的结构和形貌。
实施例4
如图2所示，首先，准备n型掺杂浓度为1×1018cm-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，采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs衬底层1上依次外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层2，厚度为1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由2×1018cm-3按指数递减至1×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.6；n型AlGaAs电子提供层3，厚度为0.4μm，n型掺杂浓度为1×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.6；p型AlGaAs电子注入层4，厚度为0.3μm，p型掺杂浓度为5×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4；p型变带隙AlGaAs电子发射层5，厚度为1μm，从p型AlGaAs电子注入层4往外生长时，p型掺杂浓度由5×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.4线性递减至0；p型GaAs电子发射层6，厚度为80nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；厚度为10nm的As保护层7。
如图4所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在As保护层7上沉积形成一层厚度为1000nm的SiO2绝缘层8，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12min；然后利用匀胶机在SiO2绝缘层8上旋涂一层厚度为1.4μm的AZ5214光刻胶10，并将涂有光刻胶10的样品材料放入烘烤机中，升温到90℃烘烤60s，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光12s，并选用JZ 3038正胶显影液进行显影40s，清洗显影液，吹干形成含有电子提供层图案的光刻掩模图像。
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绝缘层8，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12min，刻蚀完后取出。
如图6所示，用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗5min，以去除SiO2绝缘层8上的剩余光刻胶10，清洗后再次采用光刻曝光技术在电子提供层内形成含有方形发射阵列图案的光刻掩模图像，通过感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5，设定反应室气压5.9mTorr，通入Cl2、BCl3气体，流量分别为6SCCM、14SCCM，刻蚀52s，形成正方形变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层。
如图7所示，使用丙酮、异丙醇、去离子水进行超声清洗，以去除SiO2绝缘层8上剩余的光刻胶10，并再次采用光刻曝光技术在As保护层7、p型GaAs电子发射层6和p型变带隙AlGaAs电子发射层5上形成光刻胶保护层，而后通过电子束蒸发技术按顺序蒸镀厚度分别为70/80/300nm的Ti/Pt/Au金属薄膜，最后在90℃剥离液中浸泡5min，超声20s剥离形成电子注入层电极9。
如图8所示，用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对变带隙AlGaAs/GaAs发射阵列样品各超声3min以去除变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层表面油脂和污染物，将一层铟箔粘贴在GaAs衬底层1上形成电子提供层电极11，然后将样品快速送入超高真空系统中进行650℃高温净化处理，去除As保护层7；而后在超高真空系统中进行Cs/O激活，以在p型GaAs电子发射层6上形成一层厚度为的Cs-O激活层12，最终获得负电子亲和势电注入阴极。
在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层、Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层以及As保护层。Al组分的摩尔占比是至关重要的：
n型变带隙AlGaAs电子提供层，其Al组分变化在价带形成的电场有利于抑制空穴的注入而提升电子的注入，p型变带隙AlGaAs电子发射层，其Al组分变化在导带形成的电场有利于注入电子往发射表面的输运，从而提高发射效率；但Al组分也不宜过高(不超过0.6)，否则会影响材料质量，不利于电子发射。
而后利用等离子体增强化学气相沉积技术在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层的主要作用是防止大部分PN结偏置电流通过周边非发射区泄露掉，从而严重影响电子注入。沉积时需要保证SiO2层的致密性和绝缘效果，注意沉积到一定的厚度(500-1000nm)。
再利用感应耦合等离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，然后利用电子束蒸发制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；在p型AlGaAs层上通过蒸发沉积Ti/Pt/Au金属材料可以形成良好的欧姆接触电极，蒸发时尽量一次实验实现Ti/Pt/Au的沉积，中途不要取出，注意各层的厚度满足要求，以保证电极质量。
最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs-O激活层，形成一种负电子亲和势电注入阴极。
本发明的阴极利用了晶体管的电子注入和变带隙AlGaAs的内建电场，实现了一种不同于传统光电发射的电子发射形式—无需激发光源的电注入电子发射；电子注射效率的提高，同时使空穴电流得到抑制；不同发射区电子注入层相互隔离，从而可实现每个发射区电子发射的单独控制。
Claims (10)
1.一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层，以及Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层、As保护层；而后利用等离子体增强化学气相沉积技术在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；再利用感应耦合等离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，然后利用电子束蒸发制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs-O激活层，形成一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。
2.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：n型GaAs做衬底，要求位错密度低于103cm-3，且均匀性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度为300～400μm，n型掺杂浓度为(0.5～2)×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：n型变带隙AlGaAs电子提供层，厚度为0.5～1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由(0.5～2)×1018cm-3按指数递减至(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.4～0.6。
4.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：n型AlGaAs电子提供层，厚度为0.2～0.4μm，n型掺杂浓度为(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4～0.6。
5.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：p型AlGaAs电子注入层，厚度为0.1～0.3μm，p型掺杂浓度为(1～5)×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.3～0.4。
6.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：p型变带隙AlGaAs电子发射层，厚度为0.2～1μm，从电子注入层往外生长时，p型掺杂浓度由(1～5)×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.3～0.4线性递减至0。
7.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：p型GaAs电子发射层，厚度为20～80nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：As保护层，厚度为3～10nm。
9.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层中阵列图形直径为500nm～50μm，间距为5～10μm，高为200～1000nm，其形状为圆形、正方形或长方形。
10.一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极的制备方法，其特征在于，其制备步骤为：
1)选取n型GaAs做衬底，要求其位错密度低于103cm-3，且均匀性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度为300～400μm，n型掺杂浓度为(0.5～2)×1018cm-3；
2)在步骤1)中获得的n型GaAs衬底层上，采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层，厚度为0.5～1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由(0.5～2)×1018cm-3按指数递减至(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.4～0.6；
3)在步骤2)中获得的n型变带隙AlGaAs电子提供层上外延生长n型AlGaAs电子提供层，厚度为0.2～0.4μm，n型掺杂浓度为(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4～0.6；
4)在步骤3)中获得的n型AlGaAs电子提供层上生长p型AlGaAs电子注入层，厚度为0.1～0.3μm，p型掺杂浓度为(1～5)×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.3～0.4；
5)在步骤4)中获得的p型AlGaAs电子注入层上，生长p型变带隙AlGaAs电子发射层，厚度为0.2～1μm，从电子注入层往外生长时，p型掺杂浓度由(1～5)×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.3～0.4线性递减至0；
6)在步骤5)中获得的p型变带隙AlGaAs电子发射层上生长p型GaAs电子发射层，厚度为20～80nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；
7)在步骤6)中获得的p型GaAs电子发射层上生长As保护层，厚度为3～10nm；
8)在步骤7)中获得的As保护层上利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积厚度为0.5～1μm的SiO2绝缘层，并通过光刻技术在SiO2绝缘层表面形成光刻掩模图像；
9)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉步骤8)中已曝光部分的SiO2，并通过光刻技术形成含有发射阵列图案的光刻掩模图像；
10)利用步骤9)中获得的光刻胶掩模图像，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层、p型GaAs电子发射层和p型变带隙AlGaAs电子发射层，得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层；
11)使用化学方法去除步骤10)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层和SiO2绝缘层顶部的光刻胶，而后再次利用光刻技术在发射阵列上形成光刻胶保护层；
12)使用物理气相沉积技术在步骤11)中获得的含有光刻胶保护层的电子提供层及SiO2绝缘层顶部按顺序蒸镀厚度为10～70/20～80/100～300nm的Ti/Pt/Au金属，而后通过剥离技术形成电子注入层电极；
13)使用化学方法去除步骤12)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层和电子注入层电极表面油脂和污染物，随后快速送入超高真空系统中，进行高温加热净化处理，去除As保护层及表面污染物；
14)在超高真空系统中对变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层材料进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层上形成Cs-O激活层，获得负电子亲和势电注入阴极。
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