CN110223897A - 基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极 - Google Patents

基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，包括透明输入窗、指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极和金属栅网；指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极前端面紧贴透明输入窗，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极后方一预定距离处设置金属栅网，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极包括衬底、非故意掺杂的AlN缓冲层、p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层、及Cs/O激活层，衬底与透明输入窗紧贴设置，非故意掺杂的AlN缓冲层紧贴于衬底后端面，p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层包括若干GaN纳米线且每一GaN纳米线设置于非故意掺杂的AlN缓冲层后端面，Cs/O激活层裹覆在GaN纳米线表面，金属栅网外接电路形成均匀电网。

Description

基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极
技术领域
本发明涉及一种光电发射技术，特别是一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极。
背景技术
负电子亲和势(NEA)GaN光电阴极凭借其量子效率(QE)高、暗电流小、极化率高以及电子发射能量集中等独特优势，应用于高密度自旋极化电子源和紫外探测等领域。但是，光电阴极的发展却局限于薄膜材料，量子效率因光子吸收与电子扩散对材料厚度的矛盾等原因无法取得突破。而纳米材料可以突破薄膜材料的应用限制。纳米线阵列结构具有优异的光学吸收特性，大大地降低了材料表面对光子的反射作用，同时其四周表面结构还兼具短程的电子扩散特性。纳米线阵列的光子吸收与电子输运不依赖与纳米线宽度或直径(等同于薄膜材料的厚度参数)。此外，由于纳米材料的表面效应能更有利于激活原子的吸附，在高温下更难脱附。
相比于GaN薄膜型光电阴极，理论上GaN纳米线光电阴极在量子效率方面具有很大的优势，尤其是变掺杂的GaN纳米线阵列。在对GaN纳米线光电阴极各个面的量子效率研究过程中发现还存在一个问题：当光入射到纳米线阵列中经过反复折射后，被纳米线吸收后逸出的电子的最大收集。纳米线四周侧壁的光电子达不到很好的收集效果导致其量子效率明显低于顶部，主要是因为相邻纳米线的再次吸收。利用指数掺杂的方式可以在纳米线轴向形成一个内建电场，在内建电场的作用下光生载流子会加速向纳米线顶部移动，增加了原本应从纳米线侧壁逸出的光电子在纳米线顶部逸出的几率。虽然在变掺杂结构光电阴极形成的内建电场的作用下，大多数越过表面势垒的光电子会随着电场的牵引迁移至纳米线的顶部，但是还是不乏光电子从纳米线的侧壁以不同角度逸出，从而在纳米线阵列的森林中经历二次反射继而被侧壁重新吸收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，通过内外电场相结合的方式进一步促进少数载流子的定向牵引，提高GaN纳米线阵列光电阴极的量子效率。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，包括透明输入窗、指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极和金属栅网；指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极前端面紧贴透明输入窗，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极后方一预定距离处设置金属栅网，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极包括衬底、非故意掺杂的AlN缓冲层、p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层、及Cs/O激活层，衬底与透明输入窗紧贴设置，非故意掺杂的AlN缓冲层紧贴于衬底后端面，p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层包括若干GaN纳米线且每一GaN纳米线设置于非故意掺杂的AlN缓冲层后端面，Cs/O激活层裹覆在GaN纳米线表面，金属栅网外接电路形成均匀电网。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)当GaN纳米线阵列结构制备成光电阴极时，光子能量超过带隙的入射光线以一定角度穿过入射窗进入光电阴极表面，会发生“光子捕获效应”，即没有被吸收而透过的光子也会由于反射或折射作用在纳米线阵列森林中最终被吸收掉，提高了光束吸收率；(2)指数掺杂GaN纳米线阵列结构形成的内建电场在光生载流子输运过程中起到加速的作用，可以使得原本应该从侧表面逸出的光生载流子受到力的作用向纳米线顶部输运，提高了纳米线顶部的量子效率；(3)金属栅极和指数掺杂GaN纳米线阵列结构光电阴极之间施加的电压会形成一个均匀的电场，一方面和内建电场一起加速光生载流子的输运，另一方面也可以使得从侧表面逸出的光电子受到力的作用改变原本的运动轨迹，减少了光电子被相邻纳米线吸收的几率，实现了逸出的光电子的最大收集可能。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明添加的辅助外部电场两极示意图。
图2是本发明指数掺杂的GaN纳米线阵列光电阴极结构示意图。
图3是本发明使用紫外纳米压印和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术相结合的方法进行GaN纳米线阵列刻蚀的过程示意图。
具体实施方式
一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，在紧贴透明入射窗1的光电阴极2后方约0.5～10mm距离处设置有一金属栅网3，如图1所示。在所述的金属栅网上施加外部电压，并且相对于纳米线阵列光电阴极形成电位差，使得光电阴极在光电子出射端附近形成一个外加的均匀电场，该电场具有高的场强。
指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极自前而后依次是衬底21、非故意掺杂的AlN缓冲层22以及p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层23，p型纳米线表面均裹覆Cs/O激活层24。衬底21的材料为双面抛光的蓝宝石Al2O3，生长在衬底上的非故意掺杂的AlN缓冲层22外延厚度在10～200nm之间，p型指数掺杂GaN纳米线阵列发射层23生长在非故意掺杂的AlN缓冲层上，掺杂元素为Mg，掺杂浓度范围为1016～1019cm-3，掺杂浓度从后界面到纳米线顶部按指数规律依次减小，指数规律依据的公式为
N(x)＝N(0)exp(-Ax)
式中，x是指GaN纳米线阵列光电发射层内某点离后界面的距离，A是指指数掺杂系数，N0是指初始掺杂浓度后界面掺杂浓度，Nx是指x处的掺杂浓度。Cs/O激活层24裹覆在GaN纳米线表面，厚度在nm数量级。
本发明的一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极的制备方法，如图3所示，包括以下步骤、
步骤1，在双面抛光的蓝宝石Al2O3衬底21的表面，通过MOCVD生长工艺生长非故意掺杂的AlN缓冲层22，厚度大约为10～200nm；
步骤2，在步骤1获得的非故意掺杂AlN缓冲层表面，利用MOCVD生长工艺和半导体p型掺杂技术生长p型指数掺杂GaN薄膜作为光电发射层，厚度为100～200nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度范围为1016～1019cm-3，掺杂浓度从后界面到表面按指数规律依次减小，指数规律依据的公式为、
N(x)＝N(0)exp(-Ax)
式中x是指GaN光电发射层内某点离后界面的距离，A是指指数掺杂系数，N(0)是指初始掺杂浓度(后界面掺杂浓度)，N(x)是指x处的掺杂浓度；
步骤3，在步骤2获得的指数掺杂p-GaN薄膜上利用紫外纳米压印技术和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术相结合的方式获得p型指数掺杂GaN纳米线阵列结构，在某些实施例中，具体为、
步骤31，在步骤2获得的指数掺杂p-GaN薄膜上利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)技术沉积一层SiO2薄膜，对PECVD系统进行抽真空以及预加热处理(大约9分钟)，生长温度和气压分别控制在350℃和2000mTorr，生长厚度大约100～200nm；
步骤32，在步骤31获得的SiO2保护层上旋涂一层200nm厚的紫外固化(UV-solid)压印胶，配制的UV-solid压印胶溶液浓度10％，在SC-1B型匀胶台上进行涂胶，转速设置为500rpm，旋涂时间为40s。旋涂压印胶之后再热板上加热去除(挥发)残存的溶剂，加热温度为115℃，加热时间2分钟；
步骤33，在进行纳米压印之前，将纳米压印图形模板(直径为50nm，间距为100nm，截面形状为正方形)放入压印机中，曝光剂量为2.7J，压力为0.5kpa，曝光时间为60s，在步骤32获得的压印胶上实现图形转移；
步骤34、通过反应离子刻蚀(RIE)技术去除纳米压印过程中剩余的UV-solid压印胶，以及SiO2保护层，露出刻蚀窗口。使用的刻蚀气体为CHF3气体，流速为32sccm，刻蚀过程中气压和和RF功率分别保持为1850mTorr和200W，刻蚀速率和时间分别为100nm/min和5min；
步骤35，按照步骤34得到的刻蚀图形利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术继续刻蚀，刻蚀之前在放样盘上涂用于散热的硅胶油。使用的刻蚀气体为Cl2和BCl3气体，流速分别为6和14sccm，反应室压强和温度分别为6mTorr和20℃，反应源射频功率和加速射频功率分别为300W和200W，刻蚀速率和时间分别为200nm/min和1min；
步骤36，清洗步骤35得到的纳米线阵列，刻蚀厚的残留压印胶和SiO2保护层用BOE(HF和NH3F的混合溶液，比例5：1)进行浸泡清洗2分钟，最终制备出指数掺杂的GaN纳米线阵列，纳米线直径为50nm，高度为200nm，相邻纳米线间距为100nm，截面形状为正方形。
步骤4，将步骤3获得的指数掺杂的GaN纳米线阵列先后放入CCl4溶液、丙酮溶液、无水乙醇溶液中各浸泡5分钟，再在按照1：4：100的比例配置浓硫酸、双氧水、去离子水的混合溶液中浸泡8分钟，去除表面残存的油脂和无机附着物，用去离子水冲洗后放到酒精溶液中；
步骤5，将步骤4无机清洗后的阵列送入超高真空系统中进行高低温热清洗，使阵列表面达到原子级清洁程度，加热清洗的温度为700～900℃，真空度高达10-8Torr；
步骤6，将步骤5获得的具有原子级洁净表面的GaN纳米线阵列表面在超高真空环境内采用Cs源连续，O源断续的激活工艺吸附Cs/O层，超高真空系统中的真空度达到10- 10Torr，吸附厚度为单个原子层，最终制备出具有负电子亲和势(NEA)表面的指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极。
实施例1
结合图1所示，本发明一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极2紧贴透明入射窗1，在光电阴极后方1mm处放置金属栅网3，两电极之间施加电压形成均匀电场。结合图2所示，本发明指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极自下而上依次是衬底21、非故意掺杂的AlN缓冲层22以及p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层23，p型纳米线表面均裹覆Cs/O激活层(24)。在双面抛光的蓝宝石Al2O3表面生长非故意掺杂的AlN缓冲层，外延厚度在50nm；利用MOCVD生长工艺和半导体p型掺杂技术在AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaN薄膜，厚度为150nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度依次为1x1018cm-3、2.35x1017cm-3、1.19x1017cm-3和6x1017cm-3，由后界面到表面按指数规律渐次降低；利用紫外纳米压印技术和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术相结合的方式将指数掺杂GaN薄膜刻蚀成指数掺杂GaN纳米线阵列，纳米线直径为50nm，高度为200nm，相邻纳米线间距为100nm，截面形状为正方形；将指数掺杂GaN纳米线阵列先后经过有机化学清洗、无机化学清洗、超高真空热清洗，去除纳米线表面的油脂和污染物，得到原子级洁净表面；最后利用超高真空Cs/O激活工艺在指数掺杂GaN纳米线阵列表面吸附一层Cs/O激活层，厚度为单层原子层，最终获得具有负电子亲和势(NEA)表面的指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极。
本发明采用MOCVD生长技术和p型掺杂技术生长p型指数掺杂GaN薄膜，并通过紫外纳米压印技术和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术相结合的方式刻蚀得到的指数掺杂GaN纳米线阵列，优点在于纳米线截面形状和直径可控，沿轴向生长得到的阵列排列整齐。以一定角度入射的光线照射到其制备出的指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极时，没有被吸收而透过的光子会由于相邻纳米线反射或折射作用在纳米线阵列森林中最终被吸收掉，从而提高光束吸收率，解决了薄膜材料光子吸收和电子输运对发射层厚度的矛盾要求。指数掺杂GaN纳米线阵列结构形成的内建电场在光生载流子输运过程中起到加速的作用，可以使得原本应该从侧表面逸出的光生载流子受到力的作用向纳米线顶部输运，解决了纳米线阵列顶部量子效率不高的问题。金属栅极和指数掺杂GaN纳米线阵列结构光电阴极之间施加的电压会形成一个均匀的电场，一方面和内建电场一起加速光生载流子的输运，另一方面也可以使得从侧表面逸出的光电子受到力的作用改变原本的运动轨迹，减少了光电子被相邻纳米线吸收的几率，实现了逸出的光电子的最大收集可能，使指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极整体量子效率得到提升。

Claims (9)

1.一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，其特征在于，包括透明输入窗(1)、指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极(2)和金属栅网(3)；其中
指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极(2)前端面紧贴透明输入窗(1)，
指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极(2)后方一预定距离处设置金属栅网(3)，
指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极(2)包括衬底(21)、非故意掺杂的AlN缓冲层(22)、p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层(23)、及Cs/O激活层(24)，
衬底(21)与透明输入窗(1)紧贴设置，
非故意掺杂的AlN缓冲层(22)紧贴于衬底(21)后端面，
p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层(23)包括若干GaN纳米线且每一GaN纳米线设置于非故意掺杂的AlN缓冲层(22)后端面，
Cs/O激活层(24)裹覆在GaN纳米线表面，
金属栅网(3)外接电路形成均匀电网。
2.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述预定距离为0.5～10mm，光电阴极的总厚度为100～1000nm。
3.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述衬底(21)的材料为双面抛光的蓝宝石Al2O3。
4.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述非故意掺杂的AlN缓冲层(22)外延生长在衬底(21)上，厚度在10～200nm之间。
5.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述p型指数掺杂GaN纳米线阵列发射层(23)生长在非故意掺杂的AlN缓冲层(22)上，掺杂元素为Mg，掺杂浓度范围为1016～1019cm-3，掺杂浓度从AlN缓冲层和发射层之间的界面到纳米线顶面按指数规律依次减小，所述指数规律依据公式
N(x)＝N(0)exp(-Ax)
其中，x是GaN纳米线阵列光电发射层内某点离AlN缓冲层和发射层之间界面的距离，A是指数掺杂系数，N(0)是初始掺杂浓度，N(x)是x处的掺杂浓度。
6.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，指数掺杂GaN纳米线阵列高度在100～200nm之间，p型掺杂GaN纳米线直径为10～100nm，相邻纳米线间距为50～100nm，纳米线阵列截面形状为正方形。
7.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述p型指数掺杂GaN纳米线阵列的制备方法包括以下步骤：
步骤1，在双面抛光的蓝宝石Al2O3衬底(21)的表面，通过外延技术生长工艺生长非故意掺杂的AlN缓冲层(22)；
步骤2，利用半导体外延技术以及p型掺杂技术，在非故意掺杂的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaN光电发射层，随后利用紫外纳米压印技术和感应耦合等离子体刻蚀技术相结合的方式获得指数掺杂GaN纳米线阵列结构(23)作为光电阴极的发射材料；
步骤3，通过化学清洗和热清洗相结合的方式对步骤2获得的指数掺杂的GaN纳米线阵列结构进行清洗净化，去除表面的有机杂质和氧化物，以达到原子级清洁表面；
步骤4，将步骤3获得的具有原子级清洁表面的指数掺杂GaN纳米线阵列结构送入10- 10Torr压力下的超高真空系统中进行Cs源连续、O源断续的激活工艺进行激活，最终形成NEA表面。
8.根据权利要求7所述的光电阴极，其特征在于，在步骤3中，化学清洗分包括：第一步为化学有机清洗；第二步是无机清洗物。
9.根据权利要求7所述的光电阴极，其特征在于，在步骤3中进行热清洗时，材料表面加热净化的温度为700～900℃，加热时间为10～30分钟。
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