專利名稱：基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及紫外探測材料技術(shù)領域，具體涉及一種基于半導體材料摻雜技術(shù)、半 導體材料外延技術(shù)和超高真空表面激活技術(shù)相結(jié)合的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外 光電陰極及制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著GaN材料制備技術(shù)、ρ型摻雜技術(shù)的完善以及超高真空技術(shù)的發(fā)展， GaN紫外光電陰極正成為一種新型高性能的紫外光電陰極。這種陰極的表面具有負電子親 和勢(NEA)，與傳統(tǒng)正電子親和勢紫外光陰極以及固體紫外探測器件相比，GaN紫外光電陰 極顯示了量子效率高、暗發(fā)射小、紫外可見光抑制比高、穩(wěn)定性好、發(fā)射電子能量分布集中 等眾多優(yōu)點，因此在紫外探測及真空電子源領域具有極大的應用潛力。目前，獲得高量子效率是GaN光電陰極走向?qū)嵱没枰鉀Q的主要問題。高的量 子效率有助于提高探測器的靈敏度和信噪比，從而顯著提高探測系統(tǒng)的探測距離與微弱紫 外探測能力。在影響GaN光電陰極量子效率的眾多因素中，GaN陰極材料水平是決定陰極 探測性能的關(guān)鍵因素。目前典型的GaN光電陰極采用的是均勻摻雜的ρ型GaN作為陰極發(fā) 射材料，這種均勻摻雜材料需要考慮摻雜濃度對電子表面逸出幾率和光電子體內(nèi)輸運效率 的影響，選擇合適的摻雜濃度來達到二者的平衡。雖然通過摻雜濃度的適當選取能夠提高 陰極的光電發(fā)射效率，但這種折中處理局限于材料本身，具有很大的限制性，無法顯著地改 善陰極的光電發(fā)射性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明提供了一種基于半導體材料摻雜技術(shù)、半導 體材料外延技術(shù)和超高真空表面激活技術(shù)相結(jié)合，且提高光電子體內(nèi)輸運效率和表面逸出 幾率，最終提高光電陰極的光電發(fā)射量子效率的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰 極及制作方法。本發(fā)明提供的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍 寶石制成的陰極透射式襯底層、AlN緩沖層、變摻雜結(jié)構(gòu)的ρ型GaN光電發(fā)射層以及Cs或 Cs/0激活層組成，所述ρ型GaN光電發(fā)射層的摻雜濃度從內(nèi)表面到外表面逐漸降低。進一步，所述ρ型GaN光電發(fā)射層外延生長在AlN緩沖層上，ρ型GaN光電發(fā)射層 由厚度為、的GaN層對應摻雜濃度為Nai厚度為t2的GaN層對應摻雜濃度為Na2，厚度為t3
的GaN層對應摻雜濃度為Na3，......，直到厚度為tn的GaN層對應摻雜濃度為Nto組成，其
中 1 彡 η < 20 ；所述 Nai > Na2 > Na3 > · · . > Nto^ > ΝΑη ；進一步，所述ρ型GaN光電發(fā)射層內(nèi)的每一種摻雜濃度的范圍控制在IO16 IO19cm-3 之間；進一步，所述ρ型GaN光電發(fā)射層的總厚度t控制在100 200nm之間；進一步，所述Cs或Cs/0激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發(fā)射層的表面上。本發(fā)明還提供了一種基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極的制作方法，該 制作方法如下1)在雙拋光的由藍寶石制成的陰極透射式襯底層的表面，通過半導體材料的外延 生長工藝生長10 20nm厚度的AlN緩沖層；2)再通過相同的外延生長工藝以及GaN材料的ρ型摻雜工藝，在GaN緩沖層上生 長總厚度為100 200nm的變摻雜結(jié)構(gòu)的ρ型GaN光電發(fā)射層；3)將生長的外延的ρ型GaN光電發(fā)射層經(jīng)過化學清洗去除油脂，再送入超高真空 系統(tǒng)中進行的加熱凈化，使P型GaN光電發(fā)射層的表面達到原子級潔凈程度；
4)通過超高真空激活工藝使ρ型GaN光電發(fā)射層表面吸附Cs或Cs/Ο激活層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法具有如 下優(yōu)點1、本發(fā)明采用一種由內(nèi)表面到外表面摻雜濃度由高到低的變摻雜結(jié)構(gòu)來設計和 制備透射式GaN紫外光電陰極，利用這種變摻雜模式在GaN陰極體內(nèi)產(chǎn)生幫助光電子向表 面輸運的內(nèi)建電場，從而提高光電子的體內(nèi)輸運效率和表面逸出幾率，最終提高光電陰極 的光電發(fā)射量子效率。2、本發(fā)明與傳統(tǒng)均勻摻雜的GaN光電陰極相比，這種變摻雜結(jié)構(gòu)的GaN光電陰極 具有更高的量子效率以及更好的長波紫外響應能力，依賴于變摻雜引起的內(nèi)場助效應有利 于光電發(fā)射性能的提高。3、本發(fā)明的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極可以作為一種高性能真 空紫外探測陰極，結(jié)合電子倍增器件(如電子倍增極、微通道板)構(gòu)成紫外光電倍增管、紫 外像增強器等真空器件，應用于紫外生化分析、航空航天探測、紫外告警等領域。


圖1為基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極的激活實驗曲線；圖3為基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極在透射式工作模式下的工作原 理圖；圖4為變摻雜GaN紫外光電陰極與均勻摻雜GaN紫外光電陰極的量子效率實驗曲 線比較圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地說明。圖1為基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示基于 變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍寶石制成的陰極透射式襯底 層1、Al N緩沖層2、變摻雜結(jié)構(gòu)的ρ型GaN光電發(fā)射層3以及Cs或Cs/Ο激活層4組成， 所述ρ型GaN光電發(fā)射層3的摻雜濃度從內(nèi)表面到外表面逐漸降低。ρ型GaN光電發(fā)射層3外延生長在AlN緩沖層2上，ρ型GaN光電發(fā)射層3由厚度 為、的GaN層對應摻雜濃度為NA131，厚度為t2的GaN層對應摻雜濃度為NA232，厚度為t3的GaN層對應摻雜濃度為NA333，......，直到厚度為tn的GaN層對應摻雜濃度為NAn3n組成，
其中1彡n < 20 ；所述NA1 > NA2 > NA3 > . . . > N^ > NAn。利用這種變摻雜模式在GaN陰 極體內(nèi)產(chǎn)生幫助光電子向表面輸運的內(nèi)建電場，從而提高光電子的體內(nèi)輸運效率和表面逸 出幾率。在p型GaN光電發(fā)射層3內(nèi)的每一種摻雜濃度的范圍控制在1016 1019cm_3之間。 摻雜濃度太低，會增加陰極表面的能帶彎曲區(qū)寬度，使得光電子在較寬的區(qū)域內(nèi)受到表面 電場的散射并損失能量，從而導致電子表面逸出幾率的明顯降低。摻雜濃度高，雖然有利于 電子表面逸出幾率的提高，但會造成陰極材料電子擴散長度降低，影響光電子的體內(nèi)輸運 效率。因此，在設計中將摻雜濃度范圍限制在1016 1019cm_3之間。p型GaN光電發(fā)射層3的總厚度t控制在100 200nm之間，例如總厚度t取為 100nm、130nm、150nm、170nm、180nm或200nm均可。將GaN光電發(fā)射層的總厚度t控制在 100 200nm之間，主要是為了與GaN光電發(fā)射層的電子擴散長度(一般也為100 200nm) 相匹配，從而保證GaN光電陰極對短波紫外和長波紫外都能有較高的吸收效率和光電發(fā)射 效率。Cs或Cs/0激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在p型GaN光電發(fā)射層的表面 上，厚度在nm數(shù)量級。Cs或Cs/0激活層可以分別通過GaN的Cs (銫)或Cs/0激活工藝 制備而成，這兩種工藝為現(xiàn)有負電子親和勢(NEA)光電陰極制備的標準工藝。Cs激活工藝 是在超高真空系統(tǒng)中，使一定量的Cs原子均勻吸附在高度清潔的p-GaN表面，隨著Cs的 吸附，GaN表面在紫外光照射下所發(fā)射的光電流逐漸增大，當Cs吸附到一定程度時，GaN表 面發(fā)射的光電流不再增大并開始略微下降，這時Cs激活過程結(jié)束，表面為(p-GaN，Cs)的 GaN光電陰極形成。Cs/0激活工藝是首先通過Cs激活工藝，在高度清潔的p_GaN表面均 勻吸附一定量且過量的Cs，然后，采用Cs/0交替循環(huán)激活的工藝使一定量的(Cs，0)吸附 在(p-GaN，Cs)表面上，通過2 3個Cs/0交替循環(huán)激活，GaN表面發(fā)射的光電流可進一 步增加，如果再繼續(xù)Cs/0交替循環(huán)，光電流就開始下降，這時Cs/0激活過程結(jié)束。表面為 (p-GaN, Cs, Cs/0)的GaN光電陰極形成。與Cs激活工藝相比，(Cs, 0)兩步激活工藝可使 GaN光電陰極的光電發(fā)射效率提高約10-20%，如圖2所示(圖中12表示Cs激活，13表示 Cs/0循環(huán)激活)?；谧儞诫s結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極的制作方法如下1)、在雙拋光的由 藍寶石制成的陰極透射式襯底層1的表面，通過半導體材料的外延生長工藝(如金屬氧化 物化學氣相沉積M0CVD、分子束外延MBE等)生長10 20nm厚度的A1N緩沖層2 ;2)、再 通過相同的外延生長工藝以及GaN材料的p型摻雜工藝，在GaN緩沖層2上生長總厚度為 100 200nm的變摻雜結(jié)構(gòu)的p型GaN光電發(fā)射層3 ；3)、將生長的外延p型GaN光電發(fā)射 層3經(jīng)過化學清洗去除油脂，再送入超高真空系統(tǒng)中進行的加熱凈化，使p型GaN光電發(fā)射 層3的表面達到原子級潔凈程度；4)通過超高真空激活工藝使p型GaN光電發(fā)射層3的表 面吸附Cs或Cs/0激活層4，最終制備出具有負電子親和勢的透射式GaN紫外光電陰極。圖3為基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極在透射式工作模式下的工作 原理圖，如圖所示?；谧儞诫s結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極安裝在超高真空封閉室或 真空管腔5內(nèi)，紫外光6從可透過紫外光的陰極透射式襯底層1入射進來，經(jīng)過A1N緩沖 層2后被p型GaN光電發(fā)射層3吸收。從圖中看到，在變摻雜的p型GaN光電發(fā)射層3中，兩個不同摻雜濃度區(qū)域交界面會由于費米能級拉平效應，形成一個由高摻雜到低摻雜，即 內(nèi)表面到外表面的向下的能帶彎曲。這些向下的能帶彎曲對應的內(nèi)建電場有利于體內(nèi)電 子向電子發(fā)射表面的遷移。因此，當光入射到變摻雜結(jié)構(gòu)的P型GaN光電發(fā)射層3時，所 產(chǎn)生的光生電子一方面通過傳統(tǒng)的擴散方式到達表面，另一方面還會在內(nèi)建電場的作用下 向外表面作定向加速運動，這種定向運動與電子擴散的共同作用將會加大光電子的體內(nèi)輸 運效率及表面逸出幾率，從而最終提高陰極的量子效率。從陰極表面發(fā)射進入真空的光電 子7被外加高壓收集板8收集，并通過外加采集電路9輸出。與傳統(tǒng)均勻摻雜的GaN光電 陰極相比，這種變摻雜結(jié)構(gòu)的GaN光電陰極具有更高的量子效率以及更好的長波紫外響應 能力，其光電發(fā)射性能的提高主要依賴于變摻雜引起的內(nèi)場助效應。如圖4所示，水平坐 標是指波長；垂直 坐標是指GaN光電陰極的量子效率，1代表效率為100%，0. 1代表效率為
10%,......0. 001代表效率為0. 1%，圖中10表示變摻雜GaN光電陰極的量子效率實驗曲
線圖，11表示均勻摻雜GaN光電陰極的量子效率實驗曲線圖。 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于該陰極自下而上由藍寶石制成的陰極透射式襯底層(1)、AlN緩沖層(2)、變摻雜結(jié)構(gòu)的p型GaN光電發(fā)射層(3)以及Cs或Cs/O激活層(4)組成，所述p型GaN光電發(fā)射層(3)的摻雜濃度從內(nèi)表面到外表面逐漸降低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于 所述P型GaN光電發(fā)射層(3)外延生長在A1N緩沖層⑵上，p型GaN光電發(fā)射層(3)由 厚度為、的GaN層對應摻雜濃度為NA1，厚度為t2的GaN層對應摻雜濃度為NA2，厚度為t3的GaN層對應摻雜濃度為NA3，......，直到厚度為tn的GaN層對應摻雜濃度為組成，其中 1 彡 n < 20 ；所述 NA1 > NA2 > NA3 > . > N^! > NAn。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于p 型GaN光電發(fā)射層(3)內(nèi)的每一種摻雜濃度的范圍控制在1016 1019cm_3之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在 于所述P型GaN光電發(fā)射層(3)的總厚度t控制在100 200nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在 于所述Cs或Cs/0激活層(4)通過超高真空激活工藝緊密吸附在p型GaN光電發(fā)射層(3) 的表面上。
6.一種基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極的制作方法，其特征在于，該制作 方法如下1)在雙拋光的由藍寶石制成的陰極透射式襯底層(1)的表面，通過半導體材料的外延 生長工藝生長10 20nm厚度的A1N緩沖層⑵；2)再通過相同的外延生長工藝以及GaN材料的p型摻雜工藝，在GaN緩沖層(2)上生 長總厚度為100 200nm的變摻雜結(jié)構(gòu)的p型GaN光電發(fā)射層(3)；3)將生長的外延p型GaN光電發(fā)射層(3)經(jīng)過化學清洗去除油脂，再送入超高真空系 統(tǒng)中進行的加熱凈化，使P型GaN光電發(fā)射層(3)的表面達到原子級潔凈程度；4)通過超高真空激活工藝使p型GaN光電發(fā)射層(3)表面吸附Cs或Cs/0激活層(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于變摻雜結(jié)構(gòu)的透射式GaN紫外光電陰極及制作方法，該陰極自下而上由藍寶石制成的陰極透射式襯底層、AlN緩沖層、變摻雜結(jié)構(gòu)的p型GaN光電發(fā)射層以及Cs或Cs/O激活層組成，p型GaN光電發(fā)射層的摻雜濃度從內(nèi)表面到外表面逐漸降低。本發(fā)明采用由內(nèi)表面到外表面摻雜濃度由高到低的變摻雜結(jié)構(gòu)來設計和制備透射式GaN紫外光電陰極，利用變摻雜模式在GaN陰極體內(nèi)產(chǎn)生幫助光電子向表面輸運的內(nèi)建電場，提高光電子的體內(nèi)輸運效率和表面逸出幾率，最終提高光電陰極的光電發(fā)射量子效率；同時GaN光電陰極具有更好的長波紫外響應能力，這些光電發(fā)射性能的提高都依賴于變摻雜引起的內(nèi)場助效應。
文檔編號H01L31/0304GK101866976SQ20101017998
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者常本康, 張益軍, 杜曉晴, 王曉暉, 錢蕓生, 高頻 申請人:重慶大學