一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层、Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层以及As保护层；在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；刻蚀得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，再制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs‑O激活层，形成负电子亲和势电注入阴极。该阴极利用了晶体管的电子注入和变带隙AlGaAs的内建电场，实现了一种不同于传统光电发射的电子发射形式—无需激发光源的电注入电子发射。

【技术实现步骤摘要】
一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极及其制备方法
本专利技术涉及一种真空电子发射
，尤其涉及一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。本专利技术还涉及一种一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极的制备方法。
技术介绍
负电子亲和势(NEA)光阴极是一种重要的电子源发射材料，NEAGaAs光阴极由于具有量子效率高、自旋极化度高、发射电子能量与角度分布集中、发射电子束脉冲宽度可调，以及可实现均匀平面发射等众多优点，在真空微波器件、电子显微镜、X射线管、电子加速器、质谱仪和同步辐射光源等高端仪器及大型科学装置中得到了广泛应用。近年来，国内外研究人员在GaAs光阴极电子源结构优化设计和光电发射理论模型方面开展了一系列研究，瑞士苏黎世ETH学院对GaAs自旋极化电子发射的研究开启了对GaAs电子源的研究，随后斯坦福大学研制了应变GaAsP/GaAs自旋极化电子源，并在斯坦福线性加速器(SLAC)中得到应用；美国托马斯-杰斐逊国家加速器实验室(JLab)通过提高系统真空度，研制了高极化度高量子效率GaAs电子源，同时探索延长GaAs电子源寿命的方法，并于2007年成功为连续电子加速器装置(CEBAF)提供极化电子束流。上述光阴极电子源均利用光注入的方式来产生电子，当需要大束流时只能加大激光功率，而大功率激光照射会降低阴极寿命。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种利用电注入实现电子发射的负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，这种阴极无需激发光源，采用外加电压进行电子注入，电子在内建电场作用下往发射面定向输运并发射。该阴极对于满足电子源更高的性能需求，拓展电子源应用领域具有积极意义。本专利技术采用的技术方案：本专利技术的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层，以及Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层、As保护层；而后利用等离子体增强化学气相沉积技术在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；再利用感应耦合等离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，然后利用电子束蒸发制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs-O激活层，形成一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。本专利技术的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极的制备方法，其制备步骤为：1)选取n型GaAs做衬底，要求其位错密度低于103cm-3，且均匀性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度为300～400μm，n型掺杂浓度为(0.5～2)×1018cm-3；2)在步骤1)中获得的n型GaAs衬底层上，采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长n型变带隙AlGaAs电子提供层，厚度为0.5～1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由(0.5～2)×1018cm-3按指数递减至(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.4～0.6；3)在步骤2)中获得的n型变带隙AlGaAs电子提供层上外延生长n型AlGaAs电子提供层，厚度为0.2～0.4μm，n型掺杂浓度为(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4～0.6；4)在步骤3)中获得的n型AlGaAs电子提供层上生长p型AlGaAs电子注入层，厚度为0.1～0.3μm，p型掺杂浓度为(1～5)×1018cm-3，Al组分为0.3～0.4；5)在步骤4)中获得的p型AlGaAs电子注入层上，生长p型变带隙AlGaAs电子发射层，厚度为0.2～1μm，从电子注入层往外生长时，p型掺杂浓度由(1～5)×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.3～0.4线性递减至0；6)在步骤5)中获得的p型变带隙AlGaAs电子发射层上生长p型GaAs电子发射层，厚度为20～80nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3；7)在步骤6)中获得的p型GaAs电子发射层上生长As保护层，厚度为3～10nm；8)在步骤7)中获得的As保护层上利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积厚度为0.5～1μm的SiO2绝缘层，并通过光刻技术在SiO2绝缘层表面形成光刻掩模图像；9)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀掉步骤8)中已曝光部分的SiO2，并通过光刻技术形成含有发射阵列图案的光刻掩模图像；10)利用步骤9)中获得的光刻胶掩模图像，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀As保护层、p型GaAs电子发射层和p型变带隙AlGaAs电子发射层，得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层；11)使用化学方法去除步骤10)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层和SiO2绝缘层顶部的光刻胶，而后再次利用光刻技术在发射阵列上形成光刻胶保护层；12)使用物理气相沉积技术在步骤11)中获得的含有光刻胶保护层的电子提供层及SiO2绝缘层顶部按顺序蒸镀厚度为10～70/20～80/100～300nm的Ti/Pt/Au金属，而后通过剥离技术形成电子注入层电极；13)使用化学方法去除步骤12)中获得的变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层和电子注入层电极表面油脂和污染物，随后快速送入超高真空系统中，进行高温加热净化处理，去除As保护层及表面污染物；14)在超高真空系统中对变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层材料进行Cs/O激活，以在变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层上形成Cs-O激活层，获得负电子亲和势电注入阴极。有关本专利技术的机理在于：当上述结构中的PN结正偏时，电子以扩散方式穿过电子注入层中性区，其中一部分注入到p型变带隙AlGaAs电子发射层中，并在内建电场作用下往发射面漂移并发射到真空，从而实现电注入阴极的电子发射；同时电子注入层采用一种阵列台面结构，不同发射层的电子注入层是相互隔离的，因而可单独控制每个发射区的电子发射。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术中p型变带隙AlGaAs材料在发射层中会形成强内建电场，当PN结正偏时，扩散到电子注入层边沿的电子注入到变带隙p型AlGaAs电子发射层，在内建电场作用下往发射面漂移，最后从顶部的p型GaAs电子发射层发射进入真空，从而实现无需激发光源的电子发射；2、本专利技术中电子注入层采用一个突变PN异质结，异质结n-AlGaAs比p-AlGaAs的Al组分含量更高，这种变化有利于电子注射效率的提高，同时使空穴电流得到抑制；3、本专利技术采用了类似双极结型晶体管的电流控制方式，电子注入层为一种台面结构，不同发射区电子注入层相互隔离，从而可实现每个发射区电子发射的单独控制。附图说明图1为本专利技术的较佳实施例的原理示意图。图2-图8为本专利技术的较佳实施例的制备过程示意图。图9为本专利技术的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极俯视图。图10为本专利技术的较佳实施例中得到的变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极侧视图。图中标注说明：1、n型Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层，以及Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层、As保护层；而后利用等离子体增强化学气相沉积技术在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；再利用感应耦合等离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，然后利用电子束蒸发制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs‑O激活层，形成一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。

【技术特征摘要】
1.一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：以n型GaAs作为衬底层，在该衬底层上顺序生长Al组分由低到高呈线性递增的n型变带隙AlGaAs电子提供层、n型AlGaAs电子提供层、p型AlGaAs电子注入层，以及Al组分由高到低呈线性递减至0的p型变带隙AlGaAs电子发射层、p型GaAs电子发射层、As保护层；而后利用等离子体增强化学气相沉积技术在变带隙AlGaAs/GaAs材料上沉积SiO2绝缘层；再利用感应耦合等离子刻蚀技术得到变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层，然后利用电子束蒸发制备Ti/Pt/Au电子注入层电极；最后在超高真空系统中进行Cs/O激活，在变带隙AlGaAs阵列发射层上沉积Cs-O激活层，形成一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极。2.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：n型GaAs做衬底，要求位错密度低于103cm-3，且均匀性好，在100晶向上要求偏角3°切割，厚度为300～400μm，n型掺杂浓度为(0.5～2)×1018cm-3。3.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：n型变带隙AlGaAs电子提供层，厚度为0.5～1μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由(0.5～2)×1018cm-3按指数递减至(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比由0线性递增至0.4～0.6。4.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：n型AlGaAs电子提供层，厚度为0.2～0.4μm，n型掺杂浓度为(1～5)×1017cm-3，Al组分的摩尔占比为0.4～0.6。5.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：p型AlGaAs电子注入层，厚度为0.1～0.3μm，p型掺杂浓度为(1～5)×1018cm-3，Al组分的摩尔占比为0.3～0.4。6.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：p型变带隙AlGaAs电子发射层，厚度为0.2～1μm，从电子注入层往外生长时，p型掺杂浓度由(1～5)×1018cm-3按指数递增至1×1019cm-3，Al组分的摩尔占比由0.3～0.4线性递减至0。7.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：p型GaAs电子发射层，厚度为20～80nm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3。8.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：As保护层，厚度为3～10nm。9.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势变带隙AlGaAs/GaAs电注入阴极，其特征在于：变带隙AlGaAs/GaAs阵列发射层中阵列图形直径为500nm～50μm，间距为5～10μm，高为200～1000nm，其形状为圆形、正方形或长方形。10.一种负电子亲和势变带隙AlGa...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹继军，张涛，彭新村，邓文娟，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36