CN113451088A - 一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法 - Google Patents

一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法。该制备方法包括：对衬底的选用、生长在衬底上的缓冲层的厚度设计与生长、超晶格纳米线结构GaN电子发射层的设计与生长、以及位于电子发射层上激活层的制备。对于超晶格结构，本发明采用AlGaN/GaN超晶格，AlGaN与GaN材料以几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成多层膜结构，即形成了AlGaN/GaN超晶格。完成超晶格GaN电子发射层的生长后，本发明采用反应离子刻蚀和等离子耦合刻蚀的方法来制备超晶格GaN纳米线结构。该具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极能够克服传统薄膜光电阴极在光子吸收和电子运输方面的不足，大大增加电子发射层对光子的吸收率，减少缓冲层对入射光能量的吸收，从而大大提高光电子的发射性能以及光电阴极的响应波段，最终提高GaN光电阴极的光电发射量子效率。

Description

一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，具体讲述一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法。
背景技术
光电阴极是一种利用外光电效应将光信号转变为电信号的光电发射材料。其在军用和民用方面都具有重要的应用价值和发展前景，例如：生物传感器、紫外探测器、火灾报警器以及核反应监控等。GaN及三元合金材料 AlGaN作为第三代半导体，具有禁带宽、电子漂移速度高、击穿电场强、热导率高、不易热分解、耐腐蚀、抗辐照等特点，是制作高温、大功率、高频电子器件的理想材料。由于GaN材料自身表现出的优异特性，即极好的电子迁移和跃迁特性，近年来已经成为光电阴极领域的研究热点。
近年来，随着GaN材料制备技术、p型掺杂技术的完善以及超高真空技术的发展，NEA GaN光电阴极出现了。NEA GaN光电阴极具有量子效率高、暗电流小、截止点灵活可调的独特优点，它的出现弥补了CsTe、Csl等传统光电阴极在紫外响应波段的不足，极大地提高了紫外真空探测器件的量子效率。目前制备的NEA GaN光电阴极就是在GaN中掺杂一定浓度的Mg或者Be 元素，再通过超高真空中的Cs/O激活获得NEA(负电子亲和势)，使材料表面的真空能级低于导带底。
随着信息技术和半导体技术的进一步发展，虽然NEA GaN光电阴极利用降低电子亲和势来提高其量子效率，但是通过改变掺杂浓度、材料的结构设计以及材料的厚度等已经很难再进一步提高其量子效率，这严重限制了光电阴极的发展，因此获得更高量子效率的光电阴极是急需解决的主要技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极的制备方法，可以大大增加电子发射层对光子的吸收率，减少缓冲层对入射光能量的吸收，显著提高了光电子的发射性能以及光电发射量子效率。由于超晶格结构的高吸收系数，同时增加了电子发射层的电场，进而实现电子和空穴在空间上的分离，从而使电子更易跃迁出去，改善了光电子在输运与表面逸出方面的问题。又由于GaN纳米线光电阴极半径很小并且被表面包围，因此光电子输运到纳米线表面的距离非常短，有利于光电发射。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有超晶格纳米线结构 GaN光电阴极的制备方法，自下而上设置的衬底层、生长在衬底层上的AlN缓冲层、p型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层以及电子发射层上的Cs/O激活层。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)电子发射层中AlGaN/GaN 形成超晶格结构，可以大大降低界面的晶格失配，减少界面处由于晶格失配导致的光电子的复合数目，增加发射层表面的电子逸出数目，从而提高量子效率。(2) 电子发射层采用AlGaN/GaN超晶格，由于超晶格结构的高吸收系数，高横向载流子迁移率以及强极化效应来有效地增加电子发射层的电场，进而实现电子和空穴在空间上的分离，从而使电子更易跃迁出去，因此大大提高了它的光电效应性能。(3)具有超晶格GaN纳米线结构的GaN光电阴极半径很小并且被表面包围，因此光电子输运到纳米线表面的距离非常短，有利于光电发射。(4)p型超晶格AlGaN/GaN纳米线可以大大增加电子发射层对光子的吸收率，减少缓冲层对入射光能量的吸收，从而很好地提高了光电子的发射性能及光电发射量子效率，改善了光电子在输运与表面逸出方面的问题。
本发明还提供了上述一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法，其步骤包括：
(1)将双抛光的硅、蓝宝石、碳化硅等作为衬底层；
(2)在衬底上生长一层AlN缓冲层；
(3)在缓冲层上利用MOCVD或者MBE方法生长p型超晶格 AlGaN/GaN电子发射层；
(4)在表面的薄膜层上沉积SiO2层作为掩膜，光刻曝光显影。利用反应离子刻蚀或耦合等离子刻蚀对上述AlGaN/GaN超晶格结构进行刻蚀,得到p型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层。
(5)通过超高真空激活工艺在p型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层表面吸附Cs/O激活层。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是实施例中的一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极的示意图。
图2是实施例中的一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备流程图。
具体实施方式
一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法，如图1所示，自下而上设置的Al2O3衬底层、生长在衬底层上的AlN缓冲层、p型超晶格 AlGaN/GaN纳米线电子发射层以及电子发射层上的Cs/O激活层。
进一步的实施例中，所述衬底为双面抛光的c面Al2O3材料。
进一步的实施例中，所述P型超晶格AlGaN/GaN纳米线为圆柱形，纳米线直径为3nm，相邻掺杂GaN纳米线线距为5nm。
进一步的实施例中，所述缓冲层的厚度为50nm。
进一步的实施例中，所述电子发射层厚度为160nm。
实施例
本发明一种具有超晶格结构的电子发射层GaN纳米线光电阴极的制备方法，其工艺步骤如下：
(1)选择Al2O3材料进行双面抛光，按照尺寸进行激光切割，制备所述光电阴极的衬底层。
(2)将所述Al2O3衬底放入MOCVD反应室，设定生长温度为600℃，向反应室中同时通入三甲基铝和氮气，在保持压力为45Torr的条件下，生长厚度为50nm的AlN缓冲层。
(3)将已经生长出来缓冲层的样品放入分子束外延MBE反应室中，保持压力为500Torr，温度为1000℃，向MBE反应室同时通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，外延生长厚度为8nm的AlGaN层；再向MBE反应室同时通入三甲基镓和氮气，外延生长厚度为8nm的GaN层。该AlGaN薄膜层与 GaN薄膜层构成了超晶格的一个周期；重复生长10个周期，形成p型超晶格AlGaN/GaN电子发射层。
(4)将得到的样品放入PECVD系统中，对系统进行抽真空与加热预处理，然后向真空反应室通入一定量的气体SiH4、N2O、N2进行离化反应，反应室气压为2200mTorr，生长温度为400℃，生长速率为75nm/min，沉积时间为26min，在薄膜上沉积上一层SiO2层作为掩膜，光刻曝光显影。
(5)利用反应离子刻蚀和耦合等离子刻蚀对上述AlGaN/GaN超晶格结构进行刻蚀，清洗去除SiO2掩膜层，制备出表面光滑、等间距分布的p型超晶格AlGaN/GaN纳米线阵列，并通过化学清洗去除纳米线表面的油脂和污染物。
(6)先通过超真空系统中的高温退火处理，使得P型超晶格 AlGaN/GaN纳米线电子发射层获得原子级清洁的表面，随后通过超真空激活工艺使P型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层表面吸附Cs/O激活层，获得具有超晶格纳米线结构的NEA GaN光电阴极。

Claims (6)

1.一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，其特征在于：自下而上依次设置的衬底层、生长在衬底上的AlN缓冲层，P型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层，以及位于电子发射层上的Cs/O激活层。
2.根据权利要求1所述的一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述生长在衬底上的AlN缓冲层的厚度为10-100nm。
3.根据权利要求1所述的一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，其特征在于：电子发射层采用AlGaN/GaN超晶格，该超晶格具有4～30个周期，且在表面采用纳米线结构。
4.根据权利要求1所述的一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述p型超晶格AlGaN/GaN纳米线为圆柱形，直径为3～6nm，相邻掺杂GaN纳米线距为3～6nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，其特征在于p型超晶格AlGaN/GaN纳米线掺杂元素为Mg，掺杂后AlGaN/GaN材料的空穴浓度为1016～1018cm-3。
6.一种关于权利要求1所述的一种具有超晶格纳米线结构GaN光电阴极的制备方法，其工艺步骤如下：
步骤1：将硅、蓝宝石、碳化硅等材料进行单面或双面抛光，按照尺寸进行激光切割，制备所述光电阴极的衬底层。
步骤2：在衬底的表面，通过MOCVD或MBE的方法外延生长AlN缓冲层；并控制其生长厚度在合适的范围内。
步骤3：利用MOCVD或MBE的方法在缓冲层的表面外延生长p型超晶格AlGaN/GaN电子发射层：首先在AlN缓冲层外延生长约5～10nm厚的AlGaN薄膜；然后继续外延生长厚度同为5～10nm的GaN薄膜。该GaN薄膜层与AlGaN薄膜层构成超晶格的一个周期；重复生长4～30个周期，形成p型超晶格AlGaN/GaN电子发射层。
步骤4：在表面的薄膜层上沉积SiO2层作为掩膜，光刻曝光显影。然后利用反应离子刻蚀和耦合等离子刻蚀对上述AlGaN/GaN超晶格结构进行刻蚀，清洗去除SiO2掩膜层，制备出表面光滑、等间距分布的p型超晶格AlGaN/GaN纳米线阵列，并通过化学清洗去除纳米线表面的油脂和污染物。
步骤5：先通过超真空系统中的高温退火处理，使得P型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层获得原子级清洁的表面，随后通过超真空激活工艺使P型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层表面吸附Cs/O激活层，获得具有超晶格纳米线结构的NEA GaN光电阴极。
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