CN112530768A - 一种高量子效率的纳米阵列光电阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高量子效率的纳米阵列光电阴极及其制备方法，光电阴极包括正极、负极、指数掺杂层、绝缘层。正极为纳米条带阵列；所述正极接入电源正极，所述负极接入电源负极。其中所述指数掺杂层包括阴极发射层、保护层和基底；所述阴极发射层为纳米圆柱；阴极发射层材料为指数掺杂的In0.53Ga0.47As，保护层材料为In0.63Ga0.37As，基底材料为n型GaAs(100)基底。本发明还公开了上述光电阴极的制备方法。在本发明中通过外加强电场的方式来降低阴极的表面功函数，可以有效减少光电阴极性能的衰减。在正极与阴极发射层之间加了绝缘层，避免出现短路或者打火的现象。采用纳米柱阵列的结构，可以大幅提升阴极的电子发射能力。采用指数掺杂的方式可以大幅提升阴极的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及真空光电发射领域，尤其涉及一种高量子效率的纳米阵列光电阴极及其制备方法。
背景技术
传统光电阴极仅工作于低温和微光环境中,发射电流密度较小,耐离子轰击能力较差,量子效率低，所以无法满足一些真空器件和设备对阴极量子效率和发射电流的要求。此外，Cs/O激活的GaAs光电阴极有较小的功函数、较高的量子效率和灵敏度。但是在光电阴极的工作过程中,Cs原子和O原子的比例失衡以及原子脱附会造成光电阴极性能大幅衰减，所以为了获得高量子效率的光电阴极必须抛弃传统的激活工艺。
场助发射光电阴极同样工作于常温环境,通过栅极提供的强电场来降低阴极材料的表面功函数,最终实现电子发射。但是场助光电阴极同样无法承受长时间、高能量光束照射,其每平方厘米面积的发射电流也无法达到安培量级。在场助发射光电阴极组件中,随工作电压增加,阴极与栅极之间容易出现打火或短路等现象,极大地增加了器件的封装难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米阵列光电阴极及其制备方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种高量子效率的纳米阵列光电阴极，包括正极、负极、指数掺杂层、绝缘层。
所述正极为纳米条带阵列；所述正极的材料和所述负极的材料均为Mo，绝缘层的材料为Al2O3；所述正极接入电源正极，所述负极接入电源负极。
其中所述指数掺杂层包括阴极发射层、保护层和基底；所述阴极发射层为纳米圆柱；阴极发射层材料为指数掺杂的In0.53Ga0.47As，保护层材料为In0.63Ga0.37As，基底材料为n型GaAs(100)基底。
进一步的：所述阴极发射层掺杂浓度范围由体内到表面的范围是1×1019cm-3—1×1018cm-3。
进一步的：所述阴极发射层厚度为1.6μm—2.2μm。
进一步的：圆柱直径为3μm—10μm，纳米柱阵列间距为1μm—7μm。
进一步的：所述保护层浓度为1×1019cm-3，厚度3μm—5μm。
进一步的：所述基底厚度为10μm—30μm。
进一步的：所述正极厚度为150nm。
进一步的：所述负极厚度为250nm。
进一步的：所述绝缘层的厚度为10μm—15μm。
进一步地，所述光电阴极优选为正方形，阴极发射层的纳米柱以n*n阵列排布在正方形内，纳米柱将正方形n等分。因此圆柱直径要小于正方形的边长，相比其他形状的光电阴极，正方形更利于运输、使用和封装。
包括上述任意一项所述高量子效率的纳米阵列光电阴极的制备方法，包括如下步骤：
第一步：通过制造柔性纳米孔阵列压模来复制通过电子束光刻和反应离子刻蚀制成的纳米柱图案。
第二步：在衬底上生长保护层以及阴极发射层。
第三步：对光电阴极样品进行化学清洗，再将其沉积在负极上。
第四步：将绝缘层材料沉积到阴极发射层上，然后使用事先制备好的模具对绝缘层和发射层进行压印。
第五步：制备纳米条带阵列的正极结构，再将正极材料沉积到绝缘层上。
第六步：在正极与负极之间通过外接电源相接，并进行封装。
本发明的技术效果是：
(1)在本发明中通过外加强电场的方式来降低阴极的表面功函数，可以有效减少光电阴极性能的衰减。
(2)在正极与阴极发射层之间加了绝缘层，避免出现短路或者打火的现象。
(3)采用纳米柱阵列的结构，可以大幅提升阴极的电子发射能力。
(4)采用指数掺杂的方式可以大幅提升阴极的量子效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是阴极发射层纳米柱的排列图(俯视结构示意图)
图3是本发明的正极结构设计(俯视结构示意图)；
图4是阴极发射层指数掺杂方式的示意图；
图5是本纳米阵列光电阴极的量子效率曲线；
图6是本纳米阵列光电阴极的电子逃逸几率；
其中，上述附图包括以下附图标记：
101负极，102底层，103保护层，104阴极发射层，105绝缘层，106正极，107指数掺杂层。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1、图2、图3、图4所示。一种高量子效率的纳米阵列光电阴极，包括正极106、负极101、指数掺杂层107、绝缘层105。
如图3所示，所述正极为纳米条带阵列。可以大幅提升阴极表面的透光率。
所述正极106的材料和所述负极101的材料均为Mo，所述正极106厚度为150nm。所述负极101厚度为250nm。绝缘层105的材料为Al2O3；所述绝缘层105的厚度为10μm—15μm。
所述正极106接入电源正极，所述负极101接入电源负极,为光电阴极组件提供强电场。
其中所述指数掺杂层107包括阴极发射层104、保护层103和基底102。
如图2所示，是本发明中阴极发射层104纳米柱(圆柱)的排列图，其中所述光电阴极设计为正方形，纳米柱按从上到下，从左到右的顺序，按一定间隔依次排开，使得最外边的纳米柱与正方形的边缘相切。其中x1为相邻两个纳米柱(圆柱)之间的间隔，要满足1μm≤x1≤7μm，x2为纳米柱(圆柱)的直径，要满足3μm≤x2≤10μm。
如图3所示，是本发明中正极的结构设计示意图。正极采用纳米条带阵列的结构设计。其中条带的宽度为纳米柱的直径x2，相邻条带的距离与相邻纳米柱之间的距离x1相同，条带的数量与纳米柱的列数量(或行数量)相同。
如图4所示是本发明中阴极发射层指数掺杂方式的示意图。阴极发射层104材料为指数掺杂的In0.53Ga0.47As，所述阴极发射层104掺杂浓度范围由体内到表面的范围是1×1019cm-3—1×1018cm-3。所述阴极发射层104厚度为1.6μm—2.2μm。
保护层材料为In0.63Ga0.37As，所述保护层浓度为1×1019cm-3，厚度3μm—5μm。
通过研究表明指数掺杂的最佳厚度范围就是1.6μm—2.2μm,并且当厚度为2.0μm时，光电阴极的灵敏度最高。这种掺杂的浓度范围所得到的光电阴极有更高的电子逃逸几率，光电响应速率更快。
基底材料为n型GaAs(100)基底。所述基底厚度为10μm—30μm。
包括上述任意一项所述高量子效率的纳米阵列光电阴极的制备方法，包括如下步骤：
第一步：通过制造柔性纳米孔阵列压模来复制通过电子束光刻和反应离子刻蚀制成的纳米柱图案。
第二步：在衬底上生长保护层以及阴极发射层。
第三步：对光电阴极样品进行化学清洗，再将其沉积在负极上。
第四步：将绝缘层材料沉积到阴极发射层上，然后使用事先制备好的模具对绝缘层和发射层进行压印。
第五步：制备纳米条带阵列的正极结构，再将正极材料沉积到绝缘层上。
第六步：在正极与负极之间通过外接电源相接，并进行封装。
本光电阴极可在强光照条件下正常工作，随入射光功率增加，阴极的发射电流密度逐渐增加,具有较为稳定的电子发射特性和环境适应性。
在本发明中通过外加强电场的方式可以有效降低阴极表面势垒,而且由纳米工艺制备的绝缘层可以保障阴极和阳极之间保持一定的距离，可以有效避免阴极和阳极之间的短路现象。
正极为纳米条带阵列，阴极发射层的结构设计为纳米圆柱；由于高折射率的纳米材料之间的相互作用可以形成几何共振从而大幅增强半导体光电阴极的电子发射特性，为使用负电子亲和势InxGa1-xAs或类似的基于半导体的光电阴极达到高量子效率目的提供更多的机会。负电子亲合势InxGa1-xAs光电阴极在近红外区域具有较好的光谱响应灵敏度，而且指数掺杂的光电阴极能够在吸收层形成较大的内建电场，大大缩短电子的渡越时间，从而提升阴极的光谱响应灵敏度。
实施例一
下面以一个更具体的纳米阵列光电阴极的制备方法详细解释本发明的光电阴极的制备过程：
第一步：通过制造柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)纳米孔阵列压模来复制通过电子束光刻(EBL)和反应离子刻蚀(RIE)制成的如图2所示的纳米柱排列图案，包括纳米柱之间的间距以及纳米柱的直径。
第二步：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延技术在GaAs(100)衬底上生长In0.63Ga0.37As护层以及保护层之上的In0.53Ga0.47As发射层，与基底一起构成指数掺杂的光电阴极样品。
第三步：首先使用丙酮和无水乙醇等对光电阴极样品进行清洗，去除阴极材料表面的污染物。再将光电阴极样品放入H2SO4(浓)：H2O2:H2O＝4:1:100的混合溶液中进行化学刻蚀2分钟以去掉最上层的GaAs杂质，再经过去离子水的反复冲洗并烘干后，将样品送入超高真空中进行加热净化20min，加热温度为650℃，得到原子级清洁的表面。
第四步：使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)将绝缘层材料Al2O3沉积到阴极发射层上，然后使用事先制备好的压模对绝缘层和发射层进行进行压印。以此来产生绝缘层和发射层的纳米柱。
第五步：首先在正极材料钼(Mo)片上旋涂甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再用设计好的图形如图3所示，对甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行电子束曝光，曝光完成后再对曝光样品显影2分钟，在显影后的钼(Mo)片上用丙酮剥离光刻胶，最后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水对样品进行清洗得到正极的条带阵列结构。
第六步：将正极的条带阵列结构通过PECVD沉积到阴极发射层上方。
第七步：对制备好的光电阴极进行装架，使用钼(Mo)片作为正极与负极之间的引线，将整个光电阴极封装于玻壳内，即制备完成本发明所提出的光电阴极。
通过上述方法制作的光电阴极如图1所示，包括正极106、负极101、指数掺杂层107、绝缘层105。其中所述指数掺杂层107包括阴极发射层104、保护层103和基底102。
本发明中通过外加强电场的方式来降低阴极的表面功函数，可以有效减少光电阴极性能的衰减。在正极与阴极发射层之间加了绝缘层，避免出现短路或者打火的现象。采用纳米柱阵列的结构，可以大幅提升阴极的电子发射能力。采用指数掺杂的方式可以大幅提升阴极的量子效率。
利用在线光谱响应测试系统对上述实施例样品进行量子效率曲线测试，结果如图5所示(横坐标是波长，纵坐标是量子效率)，并通过计算得到的表面电子逃逸几率如图6所示(横坐标是电子能力，纵坐标是表面电子逃逸几率)。
从图5、图6可以明确看出，本发明所述光电阴极在一定外加电压下有较高的电子逃逸几率，可以大幅提升阴极的电子发射能力，并在一定的近红外波长范围有较高的量子效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：包括正极、负极、指数掺杂层、绝缘层；
所述正极为纳米条带阵列；所述正极的材料和所述负极的材料均为Mo，绝缘层的材料为Al2O3；所述正极接入电源正极，所述负极接入电源负极；
其中所述指数掺杂层包括阴极发射层、保护层和基底；
所述阴极发射层为纳米圆柱；阴极发射层材料为指数掺杂的In0.53Ga0.47As，保护层材料为In0.63Ga0.37As，基底材料为n型GaAs(100)基底。
2.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述阴极发射层掺杂浓度范围由体内到表面的范围是1×1019cm-3—1×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述阴极发射层厚度为1.6μm—2.2μm。
4.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：圆柱直径为3μm—10μm，纳米柱阵列间距为1μm—7μm。
5.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述保护层浓度为1×1019cm-3，厚度为3μm—5μm。
6.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述基底厚度为10μm—30μm。
7.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述正极厚度为150nm。
8.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述负极厚度为250nm。
9.根据权利要求1所述的高量子效率的纳米阵列光电阴极，其特征在于：所述绝缘层的厚度为10μm—15μm。
10.包括权利要求1-9任意一项所述高量子效率的纳米阵列光电阴极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：通过制造柔性纳米孔阵列压模来复制通过电子束光刻和反应离子刻蚀制成的纳米柱图案；
第二步：在衬底上生长保护层以及阴极发射层；
第三步：对光电阴极样品进行化学清洗，再将其沉积在负极上；
第四步：将绝缘层材料沉积到阴极发射层上，然后使用事先制备好的模具对绝缘层和发射层进行压印；
第五步：制备纳米条带阵列的正极结构，再将正极材料沉积到绝缘层上；
第六步：在正极与负极之间通过外接电源相接，并进行封装。
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