CN110416055B - 具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，结构自下而上分别为衬底层、p型AlGaN缓冲层、原子级厚GaN超薄发射层以及位于发射层上的Cs/O激活层。所述p型AlGaN缓冲层采用均匀掺杂结构，所述原子级厚GaN超薄发射层由若干厚度相等的GaN单原子层堆叠而成。本发明采用GaN单原子层作为发射层，可以使光电阴极工作在高温、高电压、强辐射以及深紫外条件下并保持耐久性，同时还能增加发射层激子浓度，减少电子输运时间和距离，最终提高光电阴极的量子效率。
Description
技术领域
本发明属于深紫外光电发射材料技术，具体为一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极。
背景技术
基于负电子亲和势的GaN光电阴极具有量子效率高、带隙宽、暗电流小、化学稳定性高等优点，它的出现弥补了CsTe、CsI等传统光电阴极在紫外响应波段的不足，长期用于制备高性能的紫外探测器。现有GaN光电阴极均采用薄膜材料制成，薄膜材料具有生长工艺成熟，成膜质量好等优点，但薄膜材料的发射率大，不能充分吸收入射光的能量。同时薄膜光电阴极中电子在发射层的输运距离和所用时间较长，量子效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，包括衬底层、生长在衬底层上的p型AlGaN缓冲层、生长在p型AlGaN缓冲层上的原子级厚GaN超薄发射层以及位于原子级厚GaN超薄发射层上的Cs/O激活层，所述原子级厚GaN超薄发射层包括n层厚度相同的GaN单原子层，其中，1≤n≤10。
优选地，所述衬底层为蓝宝石。
优选地，所述p型AlGaN缓冲层采用均匀掺杂结构，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3。
优选地，所述p型AlGaN缓冲层厚度为100nm到200nm。
优选地，GaN单原子层厚度为0.3nm，原子级厚GaN超薄发射层的总厚度为0.3nm到3nm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明使用GaN单原子层作为发射层，能够抗高温、抗高电压、抗强辐射，并将截止波长蓝移至深紫外，使光电阴极在更复杂的条件下工作并保持耐久性；(2)本发明中GaN单原子层吸收系数大，电子迁移率大，激子效应强，在发射层产生的激子浓度增加，同时由于发射层很薄，电子只需要运动很短的距离就能逸出真空，同时缓冲层采用均匀掺杂结构，可以帮助电子向阴极表面输运，最终提高了光电阴极的量子效率；(3)本发明中GaN单原子层超薄，具有柔性且易于调控，便于制备性能更高的深紫外光电阴极。
附图说明
图1是本发明提出的具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极结构示意图。
图2是本发明实施例1、2、3、4的量子效率曲线图。
图3是本发明实施例2、4以及对比例1的量子效率曲线图。
具体实施方式
一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，包括衬底层、生长在衬底层上的p型AlGaN缓冲层、生长在p型AlGaN缓冲层上的原子级厚GaN超薄发射层以及位于原子级厚GaN超薄发射层上的Cs/O激活层，所述原子级厚GaN超薄发射层包括n层厚度相同的GaN单原子层，其中，1≤n≤10。
进一步的实施例中，所述衬底层为蓝宝石。
进一步的实施例中，所述p型AlGaN缓冲层采用均匀掺杂结构，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3。
进一步的实施例中，所述p型AlGaN缓冲层厚度为100nm到200nm。
进一步的实施例中，GaN单原子层厚度为0.3nm，原子级厚GaN超薄发射层的总厚度为0.3nm到3nm。
本发明的具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极的制备方法为：
步骤1、通过半导体外延工艺和p型掺杂工艺，在蓝宝石衬底表面外延生长p型均匀掺杂的AlGaN缓冲层；
步骤2、通过MOCVD方法在缓冲层上生长GaN单原子层作为发射层；
步骤3、将生长的GaN超薄发射层进行加热净化，获得清洁表面，通过真空激活工艺在发射层表面吸附Cs/O激活层，获得具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极。
本发明解决了现有GaN反射式光电阴极光子吸收效率低，电子输运距离远，量子效率低的问题。同时本发明还能在高温、高电压、强辐射以及深紫外条件下工作。
实施例1
如图1所示，一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，该结构自下而上分别为衬底层、p型AlGaN缓冲层、原子级厚GaN超薄发射层以及位于发射层上的Cs/O激活层。其中衬底层为蓝宝石，厚度为1μm；p型AlGaN缓冲层外延生长在衬底上，采用均匀掺杂结构，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为200nm；GaN超薄发射层为1个GaN单原子层，外延生长在缓冲层上，厚度为0.3nm。Cs/O激活层通过超高真空激活工艺吸附在GaN超薄发射层的前表面上，厚度为一个单原子层。
实施例2
与实施例1不同的是，p型均匀掺杂的AlGaN缓冲层，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为200nm；GaN超薄发射层为2个GaN单原子层，厚度为0.6nm。Cs/O激活层通过超高真空激活工艺吸附在GaN超薄发射层的前表面上，厚度为一个单原子层。
实施例3
与实施例1不同的是，p型均匀掺杂的AlGaN缓冲层，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为200nm；GaN超薄发射层为4个GaN单原子层，厚度为1.2nm。Cs/O激活层通过超高真空激活工艺吸附在GaN超薄发射层的前表面上，厚度为一个单原子层。
实施例4
与实施例1不同的是，p型均匀掺杂的AlGaN缓冲层，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为200nm；GaN超薄发射层为6个GaN单原子层，厚度为1.8nm。Cs/O激活层通过超高真空激活工艺吸附在GaN超薄发射层的前表面上，厚度为一个单原子层。
图2为上述四种实施例的量子效率曲线图，横坐标为入射光子能量，纵坐标为光电阴极的量子效率。从图2看出，在入射光子能量较高时，即在深紫外波段，光电阴极具有高量子效率，并随着层数增加，激子浓度和向阴极表面输运的电子数增多，量子效率增加，之后由于在GaN单原子层界面之间电子复合一部分，量子效率趋于稳定不再随着层数增加而增大。因此，GaN单原子层是一种制备深紫外光电阴极发射层的理想材料。
对比例1
一种传统的GaN薄膜光电阴极，自下而上分别为衬底层、p型AlGaN缓冲层、p型GaN发射层以及位于发射层上的Cs/O激活层。其中衬底层为蓝宝石，厚度为1μm；p型AlGaN缓冲层外延生长在衬底上，厚度为100nm；p型GaN发射层外延生长在缓冲层上，厚度为500nm。缓冲层和发射层都采用均匀掺杂结构，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3，Cs/O激活层通过超高真空激活工艺吸附在GaN超薄发射层的前表面上，厚度为一个单原子层。
图3为实施例2，实施例4和对比例1的量子效率曲线。从图3中看出，与传统薄膜光电阴极相比，具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极发射层具有一定数量的原子层时，激子浓度和向阴极表面输运的电子数增多，其量子效率会超过薄膜光电阴极。同时，GaN单原子层作为发射层，大大减小了发射层厚度，能制备出更薄的光电阴极，并能根据需求生长不同数量的单原子层，利于调控。
本发明提出的一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，由若干厚度相等的GaN单原子层作为发射层，由于量子限域效应，GaN单层因其厚度变薄引起带隙增加，该光电阴极能在更复杂的条件下工作并保持耐久性。同时由于发射层超薄，利于调控，增加了激子浓度和向阴极表面输运的电子数量，减少了电子输运距离，最终也能提高光电阴极的量子效率。
Claims (5)
1.一种具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，其特征在于，包括衬底层、生长在衬底层上的p型AlGaN缓冲层、生长在p型AlGaN缓冲层上的原子级厚GaN超薄发射层以及位于原子级厚GaN超薄发射层上的Cs/O激活层，所述原子级厚GaN超薄发射层包括n层厚度相同的GaN单原子层，其中，1≤n≤10。
2.根据权利要求1所述的具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，其特征在于，所述衬底层为蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，其特征在于，所述p型AlGaN缓冲层采用均匀掺杂结构，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1019cm-3。
4.根据权利要求3所述的具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，其特征在于，所述p型AlGaN缓冲层厚度为100nm到200nm。
5.根据权利要求1所述的具有原子级厚超薄发射层的GaN反射式光电阴极，其特征在于，GaN单原子层厚度为0.3nm，原子级厚GaN超薄发射层的总厚度为0.3nm到3nm。
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