CN113964003A - 一种具有纳米管结构的GaN光电阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有纳米管结构的GaN光电阴极及其制备方法。该纳米管结构的GaN光电阴极结构包括：由下至上依次设置的衬底(11)、缓冲层(12)、p型GaN层(13)、GaN纳米管层(14)、激活层(15)。本发明在传统GaN光电阴极结构基础上，采用纳米管结构的GaN作为光电阴极电子发射层的外延层，可以增大光电发射的表面积，促进光电子在发射层中的扩散和在表面的逸出，从而有效解决光电阴极中光电转化率不高的问题，有助于提高GaN光电阴极的量子效率。并且由于纳米管结构硬度大、耐高温、导热性能好，因此具有纳米管结构的GaN光电阴极拥有散热快、稳定性好等优点，可以有效地提高其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及光电子材料与器件领域，具体涉及一种具有纳米管结构的GaN光电阴极及其制备方法。
背景技术
GaN光电阴极具有量子效率高、暗电流小、稳定性好、量子效率相对波长的起伏较小、直接带隙宽等优点，因此GaN光电阴极在紫外探测、真空电子源、像增强器等领域都有着重要的应用价值和发展前景。以GaN光电阴极为核心的器件在军事、民用等方面已经得到广泛应用，例如紫外探测器件以及一些电子源等。
近些年来，随着GaN光电阴极技术的迅速发展，其性能达到了较好的水平，已经可以投入使用。然而，通过优化衬底、发射层厚度和掺杂浓度等参数来提升GaN光电阴极性能的传统方法已相对接近极限，难以进一步提高GaN光电阴极的量子效率和使用寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的瓶颈，本发明的目的在于提供一种具有纳米管结构的 GaN光电阴极及其制备方法。采用纳米管结构的GaN作为光电阴极电子发射层的外延层，可以增大光电发射的表面积，促进光电子在发射层中的扩散和在表面的逸出，从而有效解决光电阴极中光电转化率不高的问题，有助于提高GaN光电阴极的量子效率。并且由于纳米管结构硬度大、耐高温、导热性能好，因此具有纳米管结构的GaN光电阴极拥有散热快、稳定性好等优点，可以有效地提高其使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：由下至上依次设置的衬底(11)、缓冲层(12)、p型GaN层(13)、GaN纳米管层(14)、Cs/O激活层(15)。
根据本发明的一种具体实施方案，所述衬底(11)可采用的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓、氮化铝、碳化硅等，厚度为400～600μm。
根据本发明的一种具体实施方案，所述缓冲层(12)可采用的材料包括Al1-xGaxN、GaN、 AlN等，缓冲层厚度为10～100nm。
根据本发明的一种具体实施方案，所述p型GaN层(13)厚度为100～1000nm。
根据本发明的一种具体实施方案，所述GaN纳米管层(14)中，GaN纳米管的内径为40～250nm，壁厚为10～60nm。
根据本发明的一种具体实施方案，所述激活层(15)包括单独Cs激活层或Cs/O激活层，厚度为1～5个原子层，通过超高真空激活工艺紧密吸附在GaN纳米管层(14)上。
优选地，所述衬底(11)为蓝宝石晶圆，且厚度为400～600μm。
优选地，所述缓冲层(12)为GaN，且厚度为10～100nm。
优选地，所述p型GaN层(13)厚度为100～300nm。
优选地，所述激活层(14)为Cs/O激活层，厚度为1～5个原子层。
本发明还提供了上述一种具有纳米管结构的GaN光电阴极的制备方法，其步骤包括：
(1)在衬底上生长一层缓冲层；
(2)在缓冲层上通过MOCVD或MBE等方法外延生长一层p型GaN层；
(3)在p型GaN层上生长一层ZnO纳米线阵列模板；
(4)在ZnO纳米线阵列模板上生长一层GaN纳米管层；
(5)通过热还原和蒸发去除ZnO纳米线阵列模板；
(6)通过超高真空激活工艺将单独Cs激活层或Cs/O激活层紧密吸附在GaN纳米管层(14)上。
本技术方案的有益效果为：本发明提供的是一种具有纳米管结构的GaN光电阴极及其制备方法。将纳米管结构应用到GaN光电阴极电子发射层的外延层上，可以有效增加其表面积，提升其光电性能和稳定性，最终提高GaN光电阴极的量子效率和使用寿命。
附图说明
图1是实施例中的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极结构示意图。
图2是实施例中去除ZnO纳米线阵列模板(16)前的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
下面结合图1对本发明作进一步的说明。
如图1所示为一种具有纳米管结构的GaN光电阴极结构示意图，包括由下至上依次设置的衬底(11)、缓冲层(12)、p型GaN层(13)、GaN纳米管层(14)、Cs/O激活层(15)。
所述衬底(11)为蓝宝石晶圆，且厚度为500μm。
对所述衬底(11)蓝宝石晶圆进行双面抛光处理。
所述缓冲层(12)通过MOCVD外延生长。
所述缓冲层(12)为GaN层，厚度为50nm。
所述p型GaN层(13)厚度为500nm。
所述p型GaN层(13)中掺杂元素为Mg，掺杂后材料的空穴的霍尔浓度为3×1017cm-3。
在p型GaN层(13)上，利用MOCVD方法生长一层六角单晶ZnO纳米线阵列模板(16)。
在ZnO纳米线阵列模板(16)上利用MOCVD方法在650℃条件下生长GaN纳米管层(14)，采用的镓源和氮源分别是三甲基镓和氨，运输气体为氮气。
通过在600℃下用含10％氢气的氩气去除ZnO纳米线阵列模板(16)。
所述GaN纳米管层(14)中，GaN纳米管的内径为120nm，壁厚为25nm。
所述激活层(14)为Cs/O激活层。
实施例2
下面结合图1对本发明作进一步的说明。
如图1所示为一种具有纳米管结构的GaN光电阴极结构示意图，包括由下至上依次设置的衬底(11)、缓冲层(12)、p型GaN层(13)、GaN纳米管层(14)、Cs/O激活层(15)。
所述衬底(11)为碳化硅，且厚度为400μm。
对所述衬底(11)碳化硅进行双面抛光处理。
所述缓冲层(12)通过MBE外延生长。
所述缓冲层(12)为GaN层，厚度为40nm。
所述p型GaN层(13)厚度为400nm。
所述p型GaN层(13)中掺杂元素为Mg，掺杂后材料的空穴的霍尔浓度为5×1017cm-3。
在p型GaN层(13)上，利用MBE方法生长一层六角单晶ZnO纳米线阵列模板(16)。
在ZnO纳米线阵列模板(16)上利用MOCVD方法在650℃条件下生长GaN纳米管层(14)，采用的镓源和氮源分别是三甲基镓和氨，运输气体为氮气。
通过在600℃下用含10％氢气的氩气去除ZnO纳米线阵列模板(16)。
所述GaN纳米管层(14)中，GaN纳米管的内径为100nm，壁厚为20nm。
所述激活层(14)为Cs激活层。
必须指出的是：本发明不仅适用于GaN作为电子发射层的光电阴极，对于其他材料作为电子发射层的光电阴极也同样适用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以根据实际需要做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：由下至上依次设置的衬底(11)、缓冲层(12)、p型GaN层(13)、GaN纳米管层(14)、激活层(15)。
2.根据权利要求1所述的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述GaN纳米管层(14)中，GaN纳米管的内径为40～250nm，壁厚为10～60nm。
3.根据权利要求1所述的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述衬底(11)可采用的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓、氮化铝、碳化硅等，厚度为400～600μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述缓冲层(12)可采用的材料包括Al1-xGaxN、GaN、AlN等，缓冲层厚度为10～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述p型GaN层(13)厚度为100～1000nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述激活层(15)包括单独Cs激活层或Cs/O激活层，厚度为1～5个原子层，通过超高真空激活工艺紧密吸附在GaN纳米管层(14)上。
7.一种关于权利要求1所述的一种具有纳米管结构的GaN光电阴极的制备方法，其工艺步骤如下：
(1)在衬底(11)上生长一层缓冲层(12)；
(2)在缓冲层(12)上生长一层p型GaN层(13)；
(3)在p型GaN层(13)上生长一层ZnO纳米线阵列模板(16)；
(4)在ZnO纳米线阵列模板(16)上生长一层GaN纳米管层(14)；
(5)通过热还原和蒸发去除ZnO纳米线阵列模板(16)；
(6)通过超高真空激活工艺将单独Cs激活层或Cs/O激活层紧密吸附在GaN纳米管层(14)上。
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