一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极及其制备方法。该纳米金字塔结构的GaN光电阴极结构包括：由下至上依次设置的衬底(11)、p型GaN层(12)、改性p型GaN纳米金字塔层(13)、激活层(14)。本发明专利技术在传统GaN光电阴极结构基础上，采用纳米金字塔结构的GaN作为光电阴极电子发射层的外延层，可以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，并拥有输出能量和光束质量高、系统寿命和可靠性高等优点。并且针对纳米金字塔结构不利于激活层附着的缺点，我们将p型GaN纳米金字塔层(13)进行了改性，最终增强了激活层(14)在p型GaN纳米金字塔层(13)上的吸附能力，进一步提高了光电阴极的量子效率。子效率。子效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电子材料与器件领域，具体涉及一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极及其制备方法。

技术介绍

[0002]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已经在军事、民用等方面得到了广泛应用，例如紫外探测器件以及一些电子源等。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的瓶颈，本专利技术的目的在于提供一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极及其制备方法。采用纳米金字塔结构的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。并且由于纳米金字塔结构等效为一层折射率渐变的薄膜，在界面的菲涅尔反射将极大地被削弱，因此具有纳米金字塔结构的GaN光电阴极拥有输出能量和光束质量高、系统寿命和可靠性高等优点。但是，利用了新型纳米金字塔结构的电子发射层不利于激活层的附着，为了解决这个问题，我们将p型GaN纳米金字塔层(13)进行了改性，最终增强了激活层(14)在p型GaN纳米金字塔层(13)上的吸附能力，进一步提高了光电阴极的量子效率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极，其特征在于：由下至上依次设置的衬底(11)、p型GaN层(12)、改性p型GaN纳米金字塔层(13)、Cs/O激活层(14)。
[0007]根据本专利技术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，方向为0001，厚度为400～600μm。
[0008]根据本专利技术的一种具体实施方案，所述p型GaN层(12)厚度为50～200nm，且生长方向为0001。
[0009]根据本专利技术的一种具体实施方案，所述改性p型GaN纳米金字塔层(13)为正常生长的p型GaN纳米金字塔层表面进行p离子重掺杂，掺杂厚度为1nm，掺杂浓度为1*10
19
～5*10
19
/cm3，掺杂元素为硼、铝或镁等元素。GaN纳米金字塔是方向为0001的p型GaN，即p型GaN(0001)，GaN纳米金字塔的倾斜边缘与金字塔底部之间的角度为58
°
～62
°
，顶部的直径小于22nm。
[0010]根据本专利技术的一种具体实施方案，所述激活层(14)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改性p型GaN纳米金字塔层(13)上。
[0011]优选地，所述衬底(11)为蓝宝石晶圆(0001)，且厚度为400～600μm。
[0012]优选地，所述p型GaN层(12)厚度为50～200nm，生长方向为0001。
[0013]优选地，所述激活层(14)为Cs/O激活层，厚度为1～5个原子层。
[0014]本专利技术还提供了上述一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极的制备方法，其步骤包括：
[0015](1)在衬底上通过MOCVD或MBE等方法外延生长一层N极性的p型掺杂GaN层。
[0016](2)配置KOH溶液，通过在去离子水中加入KOH，以获得浓度为1～10mol/L的KOH溶液。
[0017](3)在p型GaN层表面利用KOH溶液在加热条件下进行蚀刻，表面出现一层p型GaN纳米金字塔层(13)。
[0018](4)通过去离子水清洗去除表面杂质，并对其干燥处理以去除水分。
[0019](5)通过离子注入技术在p型GaN纳米金字塔层(13)表面进行p型离子重掺杂，掺杂厚度为1nm，掺杂浓度为1*10
19
～5*10
19
/cm3，掺杂元素为硼、铝或镁等元素。
[0020](6)利用脉冲激光快速退火或脉冲电子束快速退火方法在500～1500℃范围内进行快速热退火5～10秒，温度随时间变化呈现快速的正弦或锯齿状。
[0021](7)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P型GaN纳米金字塔层(13)上，获得具有纳米金字塔结构的GaN光电阴极。
[0022]本技术方案的有益效果为：本专利技术提供的是一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极及其制备方法。将纳米金字塔结构应用到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；而改性的纳米金字塔结构可以解决单纯的纳米金字塔结构激活层的附着率不高的问题，最终提高GaN光电阴极的量子效率、可靠性和使用寿命。
附图说明
[0023]图1是实施例中的一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极结构示意图。
[0024]图2是实施例中的改性纳米金字塔结构的示意图。
具体实施方式
[0025]实施例1
[0026]下面结合图1对本专利技术作进一步的说明。
[0027]如图1所示为一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极结构示意图，包括由下至上依次设置的衬底(11)、p型GaN层(12)、改性p型GaN纳米金字塔层(13)、Cs/O激活层(14)。
[0028]所述衬底(11)为(0001)面蓝宝石晶圆，且厚度为500μm。
[0029]对蓝宝石晶圆进行双面抛光处理。
[0030]所述p型GaN层(12)通过MOCVD在充满氮气的环境中外延生长。
[0031]所述p型GaN层(12)厚度为100nm，方向为0001面。
[0032]所述p型GaN层(13)显示出4
×
4的重构模式，且为N极性。
[0033]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
×
10
17
cm
‑3。
[0034]配置KOH溶液，通过在去离子水中加入KOH，以获得浓度为3mol/L的KOH溶液。
[0035]在p型GaN层表面利用KOH溶液在343K条件下进行蚀刻，搅拌速度为230rpm，蚀刻时间为14分钟，蚀刻完成后表面出现一层p型GaN纳米金字塔层(13)。
[0036]通过去离子水清洗去除表面杂质，并对其干燥处理以去除水分。
[0037]通过离子注入技术在p型GaN纳米金字塔层(13)表面进行p型离子重掺杂，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极，其特征在于：由下至上依次设置的衬底(11)、p型GaN层(12)、改性p型GaN纳米金字塔层(13)、激活层(14)。2.根据权利要求1所述的一种具有改性纳米金字塔结构的GaN光电阴极，其特征在于：所述改性p型GaN纳米金字塔层(13)为正常生长的p型GaN纳米金字塔层表面进行p型离子重掺杂，掺杂厚度为1nm，掺杂浓度为1*10
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～5*10
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/cm3，掺杂元素为硼、铝或镁等元素。3.一种关于权利要求1所述的一种具有改性纳米金字塔结构的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N极性的p型掺杂GaN层(12)；(2)在p型GaN层表面利用KOH溶液在加热条件下进行蚀刻，形成纳米金字塔层(13)；(3)通过离子注入技术在p型GaN纳米金字塔层(13)表面进行p型离子重掺杂；(4)利用脉冲激光或脉冲电子束方法对p型GaN纳米金字塔层(13)进行快速退火处理；(5)通过超高真空激活工艺将...

【专利技术属性】
技术研发人员：班启沛，王晓晖，李世权，菅玮琦，班潇凡，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：