基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，包括如下步骤：1）准备材料；2）依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量GaN剥离层生长；3）生长p型Mg掺杂的高铝组分AlGaN光电发射层；4）在AlGaN表面键合石英窗口材料；5）利用激光分解技术将GaN层彻底分解，剥离衬底；6）AlGaN表面进行Cs或者Cs/O层激活。优点：1）采用GaN代替AlN作为紫外光电阴极缓冲层，降低了缓冲层生长难度，提高了p型AlGaN发射层的晶体质量，有利于制备更高灵敏度的光电阴极；2）采用缓冲层激光分解技术，充分分解GaN层，实现衬底剥离，可以避免衬底和缓冲层对紫外入射光线的吸收，保证了光电发射层对紫外光线的高效探测；3）激光剥离的衬底可以重复使用，经济节约。

Preparation of Transmitted AlGaN Ultraviolet Photocathode Based on Substrate Peeling

The invention relates to a method for preparing transmission AlGaN ultraviolet photocathode based on substrate peeling, which includes the following steps: 1) preparing materials; 2) successively baking at high temperature, nucleating layer growth, and high quality GaN peeling layer growth; 3) growing p-type Mg doped high aluminium component AlGaN photoemission layer; 4) bonding quartz window materials on AlGaN surface; 5) using laser decomposition technology; Layer decomposition, stripping substrate; 6) Activation of Cs or Cs/O layer on AlGaN surface. Advantages: 1) Using GaN instead of AlN as buffer layer of ultraviolet photocathode reduces the difficulty of buffer layer growth, improves the crystal quality of p-type AlGaN emitter layer, and is conducive to the preparation of photocathode with higher sensitivity; 2) Using buffer layer laser decomposition technology, the GaN layer is fully decomposed to realize substrate peeling, which can avoid the absorption of ultraviolet incident light by substrate and buffer layer, and ensure that the ultraviolet incident light is absorbed by substrate and buffer layer. Photoelectric emitter can detect ultraviolet ray efficiently. 3) Substrate peeled by laser can be reused and economically saved.

【技术实现步骤摘要】
基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法
本专利技术是一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，属于紫外探测材料

技术介绍
紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。由于大气层中臭氧等气体分子的强烈吸收作用和散射作用，太阳辐射（紫外光源）中波长220-280nm间的光波几乎被完全吸收，因此这个谱段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，被称为“日盲区”。紫外探测主要利用的就是日盲区的紫外波段，因为在低空和地面探测到的280nm以下的紫外信号都可以认为是来自人工发射源，例如燃烧的碳氢化合物、火箭及喷气式发动机尾焰、导弹羽焰中都含有大量紫外光信号。因此，紫外探测技术无论在军用还是民用领域都有着广泛的应用价值。基于光电阴极的紫外真空探测器，真空器件具有响应速度快、噪音低、增益高等优点。作为紫外真空探测器的核心部件，光电阴极的量子效率是决定器件整体性能的最重要因素。基于负电子亲和势(NEA)光电发射的GaN基紫外光电阴极量子效率能高于70%，更为受到青睐。GaN基Ⅲ族氮化物材料是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，AlGaN材料随着铝组分的变化，其禁带宽度可以从3.4到6.2eV连续变化，对应的波长从365nm变化200nm，覆盖了日盲区波段，是研制深紫外探测器的理想材料，可实现高度选择性日盲紫外探测。目前国内外报道的紫外光电阴极技术研究主要采用p型GaN材料作为光电阴极材料，由于GaN禁带宽度为3.4eV,基于GaN光电阴极的紫外探测器对波长为200-365nm的紫外光都会产生吸收，不能实现真正意义上全日盲探测（200-280nm）。因此必须采用Al组分大于0.4的p型AlGaN光电阴极材料才能实现全日盲紫外探测。然而，由于大尺寸同质的AlN单晶衬底不易制备，目前多才采用异质衬底（如蓝宝石、硅、碳化硅等）进行氮化物的外延生长，但在异质衬底上直接外延生长高Al组分AlGaN材料，通常具有非常高的缺陷密度，外延层表面起伏大，导致器件性能较差。因此，在生长高Al组分AlGaN层前，通常需要进行GaN或者AlN缓冲层的生长，以改善AlGaN层的晶体质量。透射式AlGaN日盲紫外光电阴极材料，紫外光从衬底背面入射，要求衬底和缓冲层对200-280nm紫外光具有较强的透过率，而Si、SiC、GaN均会强烈的吸收该波段紫外光，因此基于AlGaN日盲紫外光电阴极材料一般采用紫外透过率较高的蓝宝石衬底和AlN缓冲层。但是蓝宝石衬底上外延生长AlN薄膜非常困难。主要有两方面的原因：(1)Al-N键能很强，Al原子在生长表面的扩散受到限制，侧向生长速率很低，很难形成二维层状生长；(2)MOCVD生长中的Al源TMAl和NH3之间有强烈的预反应，预反应不但会消耗大量反应剂，而且形成的固体结合物可能会沉积在样品表面而不能够充分分解，导致外延层中杂质的掺入，甚至会造成外延层的多晶生长。为了提高Al原子的表面迁移能力，一般会提高MOCVD中的生长温度（1200-1500℃），因此对设备电源加热要求较高。由于AlN生长的困难，在蓝宝石衬底上生长的AlN仍然具有较高的位错密度（>109cm-2）[J.Cryst.Growth414(2015)76；J.Appl.Phys.87(2000)996]。而蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层则较为容易，生长温度更低（950-1050℃）、生长速率快，外延层的位错密度也更低（比AlN缓冲层低2-3个数量级）[J.AlloysCompd.633(2015)494–498;Appl.Phys.Lett.88(2006)241917]，但GaN缓冲层对深紫外光吸收率高，是制约其在AlGaN紫外光电阴极应用的关键。高缺陷密度的p型AlGaN材料在光电阴极内部形成大量的电子俘获中心，导致载流子扩散长度减少、界面复合速度增加以及电子表面逸出几率降低，造成光电阴极量子效率降低，最终影响探测器的光电灵敏度。因此，在光电阴极的制备过程中采用何种缓冲层工艺，既要能降低AlGaN发射层的缺陷密度，同时保证深紫外光的较高透过率，是制备高灵敏度AlGaN紫外光电阴极的关键。激光剥离技术（Laserliftoff）是将激光投射到透明的衬底上（如蓝宝石，SiC衬底）引起GaN材料的分解，最终使得衬底与外延材料相互分离的一项技术[Phys.stat.sol.(c)6(2003)1627]。在这一技术中，激光的波长要选择合适，激光光子的能量要大于GaN的禁带宽度，即要求激光的波长小于364nm，才能被GaN强烈吸收。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，其目的在于将激光剥离技术应用到透射式AlGaN紫外光电阴极制备工艺中，提出一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，以克服现有技术所存在的AlGaN发射层的缺陷密度过高、深紫外光透过率较低等问题，避免了衬底以及GaN材料对紫外光的吸收，获得较高的量子转换效率，制备高性能的AlGaN光电阴极。本专利技术的技术解决方案：一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，包括如下步骤：1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；2）生长GaN剥离层：将衬底转移入MOCVD系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量GaN剥离层生长；3）生长p-AlGaN发射层：在高质量GaN缓冲层上，生长p型Mg掺杂的高铝组分AlGaN光电发射层；4）石英窗口正面键合：将步骤3的外延材料转移出MOCVD系统，清洗表面，在AlGaN表面键合石英窗口材料；5）衬底剥离：将步骤4的材料转移入激光剥离设备中，利用激光分解技术将GaN层彻底分解，剥离衬底；6）Cs或Cs/O层激活：石英窗口为背面，AlGaN为正表面，利用化学清洗和高能电子束轰击去除阴极材料表面的吸附物，将AlGaN光电阴极材料转移入超高真空系统中，在AlGaN表面进行Cs或者Cs/O层激活。本专利技术的有益效果：（1）采用GaN代替AlN作为紫外光电阴极缓冲层，降低了缓冲层生长难度，极大的提高了p型AlGaN发射层的晶体质量，有利于制备更高灵敏度的光电阴极；（2）采用缓冲层激光分解技术，充分分解GaN层，实现衬底剥离，可以避免衬底和缓冲层对紫外入射光线的吸收，保证了光电发射层对紫外光线的高效探测；（3）激光剥离的衬底可以重复使用，经济节约。（4）发挥GaN缓冲层外延工艺简单、晶体质量高的优势，将缓冲层激光分解技术应用到AlGaN紫外光电阴极的制备中，具有重要的创新性。附图说明附图1是基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法流程图。附图2是衬底剥离前AlGaN紫外光电阴极材料结构图。附图3是衬底剥离后AlGaN紫外光电阴极材料结构图。其中，S1-S6为步骤1-6,10为衬底，20为GaN缓冲层、30为p-AlGaN发射层，40为石英窗口，50为C、Cs/O激活层。具体实施方式一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，包括如下步骤：1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；2）生长GaN剥离层：将衬底转移入MOCVD系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量GaN剥离层生长；3）生长p-Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；2）生长GaN剥离层：将衬底转移入MOCVD系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量GaN剥离层生长；3）生长p‑AlGaN发射层：在高质量GaN缓冲层上，生长p型Mg掺杂的高铝组分AlGaN光电发射层；4）石英窗口正面键合：将步骤3的外延材料转移出MOCVD系统，清洗表面，在AlGaN表面键合石英窗口材料；5）衬底剥离：将步骤4的材料转移入激光剥离设备中，利用激光分解技术将GaN层彻底分解，剥离衬底；6）Cs或Cs/O层激活：石英窗口为背面，AlGaN为正表面，利用化学清洗和高能电子束轰击去除阴极材料表面的吸附物，将AlGaN光电阴极材料转移入超高真空系统中，在AlGaN表面进行Cs或者Cs/O层激活。

【技术特征摘要】
1.一种基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；2）生长GaN剥离层：将衬底转移入MOCVD系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量GaN剥离层生长；3）生长p-AlGaN发射层：在高质量GaN缓冲层上，生长p型Mg掺杂的高铝组分AlGaN光电发射层；4）石英窗口正面键合：将步骤3的外延材料转移出MOCVD系统，清洗表面，在AlGaN表面键合石英窗口材料；5）衬底剥离：将步骤4的材料转移入激光剥离设备中，利用激光分解技术将GaN层彻底分解，剥离衬底；6）Cs或Cs/O层激活：石英窗口为背面，AlGaN为正表面，利用化学清洗和高能电子束轰击去除阴极材料表面的吸附物，将AlGaN光电阴极材料转移入超高真空系统中，在AlGaN表面进行Cs或者Cs/O层激活。2.根据权利要求1所述的一种基于衬底剥离...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伟科，李忠辉，陈鑫龙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32