基于变掺杂结构的透射式ＧａＮ紫外光电阴极及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变掺杂结构的透射式ＧａＮ紫外光电阴极及制作方法，该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层、ＡｌＮ缓冲层、变掺杂结构的ｐ型ＧａＮ光电发射层以及Ｃｓ或Ｃｓ／Ｏ激活层组成，ｐ型ＧａＮ光电发射层的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。本发明专利技术采用由内表面到外表面掺杂浓度由高到低的变掺杂结构来设计和制备透射式ＧａＮ紫外光电阴极，利用变掺杂模式在ＧａＮ阴极体内产生帮助光电子向表面输运的内建电场，提高光电子的体内输运效率和表面逸出几率，最终提高光电阴极的光电发射量子效率；同时ＧａＮ光电阴极具有更好的长波紫外响应能力，这些光电发射性能的提高都依赖于变掺杂引起的内场助效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及紫外探测材料
，具体涉及一种基于半导体材料掺杂技术、半 导体材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外 光电阴极及制作方法。
技术介绍
近年来，随着GaN材料制备技术、ρ型掺杂技术的完善以及超高真空技术的发展， GaN紫外光电阴极正成为一种新型高性能的紫外光电阴极。这种阴极的表面具有负电子亲 和势(NEA)，与传统正电子亲和势紫外光阴极以及固体紫外探测器件相比，GaN紫外光电阴 极显示了量子效率高、暗发射小、紫外可见光抑制比高、稳定性好、发射电子能量分布集中 等众多优点，因此在紫外探测及真空电子源领域具有极大的应用潜力。目前，获得高量子效率是GaN光电阴极走向实用化需要解决的主要问题。高的量 子效率有助于提高探测器的灵敏度和信噪比，从而显著提高探测系统的探测距离与微弱紫 外探测能力。在影响GaN光电阴极量子效率的众多因素中，GaN阴极材料水平是决定阴极 探测性能的关键因素。目前典型的GaN光电阴极采用的是均勻掺杂的ρ型GaN作为阴极发 射材料，这种均勻掺杂材料需要考虑掺杂浓度对电子表面逸出几率和光电子体内输运效率 的影响，选择合适的掺杂浓度来达到二者的平衡。虽然通过掺杂浓度的适当选取能够提高 阴极的光电发射效率，但这种折中处理局限于材料本身，具有很大的限制性，无法显著地改 善阴极的光电发射性能。
技术实现思路
针对现有技术中的不足之处，本专利技术提供了一种基于半导体材料掺杂技术、半导 体材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合，且提高光电子体内输运效率和表面逸出 几率，最终提高光电阴极的光电发射量子效率的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴 极及制作方法。本专利技术提供的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝 宝石制成的阴极透射式衬底层、AlN缓冲层、变掺杂结构的ρ型GaN光电发射层以及Cs或 Cs/0激活层组成，所述ρ型GaN光电发射层的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。进一步，所述ρ型GaN光电发射层外延生长在AlN缓冲层上，ρ型GaN光电发射层 由厚度为、的GaN层对应掺杂浓度为Nai厚度为t2的GaN层对应掺杂浓度为Na2，厚度为t3的GaN层对应掺杂浓度为Na3，......，直到厚度为tn的GaN层对应掺杂浓度为Nto组成，其中 1 彡 η < 20 ；所述 Nai > Na2 > Na3 > · · . > Nto^ > ΝΑη ；进一步，所述ρ型GaN光电发射层内的每一种掺杂浓度的范围控制在IO16 IO19cm-3 之间；进一步，所述ρ型GaN光电发射层的总厚度t控制在100 200nm之间；进一步，所述Cs或Cs/0激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在ρ型GaN光电发射层的表面上。本专利技术还提供了一种基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的制作方法，该 制作方法如下1)在双抛光的由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层的表面，通过半导体材料的外延 生长工艺生长10 20nm厚度的AlN缓冲层；2)再通过相同的外延生长工艺以及GaN材料的ρ型掺杂工艺，在GaN缓冲层上生 长总厚度为100 200nm的变掺杂结构的ρ型GaN光电发射层；3)将生长的外延的ρ型GaN光电发射层经过化学清洗去除油脂，再送入超高真空 系统中进行的加热净化，使P型GaN光电发射层的表面达到原子级洁净程度； 4)通过超高真空激活工艺使ρ型GaN光电发射层表面吸附Cs或Cs/Ο激活层。与现有技术相比，具有如 下优点1、本专利技术采用一种由内表面到外表面掺杂浓度由高到低的变掺杂结构来设计和 制备透射式GaN紫外光电阴极，利用这种变掺杂模式在GaN阴极体内产生帮助光电子向表 面输运的内建电场，从而提高光电子的体内输运效率和表面逸出几率，最终提高光电阴极 的光电发射量子效率。2、本专利技术与传统均勻掺杂的GaN光电阴极相比，这种变掺杂结构的GaN光电阴极 具有更高的量子效率以及更好的长波紫外响应能力，依赖于变掺杂引起的内场助效应有利 于光电发射性能的提高。3、本专利技术的基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极可以作为一种高性能真 空紫外探测阴极，结合电子倍增器件(如电子倍增极、微通道板)构成紫外光电倍增管、紫 外像增强器等真空器件，应用于紫外生化分析、航空航天探测、紫外告警等领域。附图说明图1为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图；图2为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的激活实验曲线；图3为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极在透射式工作模式下的工作原 理图；图4为变掺杂GaN紫外光电阴极与均勻掺杂GaN紫外光电阴极的量子效率实验曲 线比较图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细地说明。图1为基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图，如图所示基于 变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底 层1、Al N缓冲层2、变掺杂结构的ρ型GaN光电发射层3以及Cs或Cs/Ο激活层4组成， 所述ρ型GaN光电发射层3的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。ρ型GaN光电发射层3外延生长在AlN缓冲层2上，ρ型GaN光电发射层3由厚度 为、的GaN层对应掺杂浓度为NA131，厚度为t2的GaN层对应掺杂浓度为NA232，厚度为t3的GaN层对应掺杂浓度为NA333，......，直到厚度为tn的GaN层对应掺杂浓度为NAn3n组成，其中1彡n < 20 ；所述NA1 > NA2 > NA3 > . . . > N^ > NAn。利用这种变掺杂模式在GaN阴 极体内产生帮助光电子向表面输运的内建电场，从而提高光电子的体内输运效率和表面逸 出几率。在p型GaN光电发射层3内的每一种掺杂浓度的范围控制在1016 1019cm_3之间。 掺杂浓度太低，会增加阴极表面的能带弯曲区宽度，使得光电子在较宽的区域内受到表面 电场的散射并损失能量，从而导致电子表面逸出几率的明显降低。掺杂浓度高，虽然有利于 电子表面逸出几率的提高，但会造成阴极材料电子扩散长度降低，影响光电子的体内输运 效率。因此，在设计中将掺杂浓度范围限制在1016 1019cm_3之间。p型GaN光电发射层3的总厚度t控制在100 200nm之间，例如总厚度t取为 100nm、130nm、150nm、170nm、180nm或200nm均可。将GaN光电发射层的总厚度t控制在 100 200nm之间，主要是为了与GaN光电发射层的电子扩散长度(一般也为100 200nm) 相匹配，从而保证GaN光电阴极对短波紫外和长波紫外都能有较高的吸收效率和光电发射 效率。Cs或Cs/0激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层的表面 上，厚度在nm数量级。Cs或Cs/0激活层可以分别通过GaN的Cs (铯)或Cs/0激活工艺 制备而成，这两种工艺为现有负电子亲和势(NEA)光电阴极制备的标准工艺。Cs激活工艺 是在超高真空系统中，使一定量的Cs原子均勻吸附在高度清洁的p-GaN表面，随着Cs的 吸附，GaN表面在紫外光照射下所发射的光电流逐渐增大，当Cs吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于变掺杂结构的透射式ＧａＮ紫外光电阴极，其特征在于：该阴极自下而上由蓝宝石制成的阴极透射式衬底层（１）、ＡｌＮ缓冲层（２）、变掺杂结构的ｐ型ＧａＮ光电发射层（３）以及Ｃｓ或Ｃｓ／Ｏ激活层（４）组成，所述ｐ型ＧａＮ光电发射层（３）的掺杂浓度从内表面到外表面逐渐降低。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓晴，常本康，钱芸生，高频，王晓晖，张益军，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]