本发明专利技术提供一种指数掺杂GaN紫外光电阴极材料结构及其制备方法，其结构自下而上由衬底、非故意掺杂的AlN缓冲层、p型指数掺杂GaN光电发射层以及Cs或Cs/O激活层构成；其中，非故意掺杂的AlN缓冲层生长在衬底上；p型指数掺杂GaN光电发射层外延生长在前述AlN缓冲层上；Cs或Cs/O激活层吸附在p型指数掺杂GaN光电发射层的前表面上。该结构采用指数掺杂GaN光电发射层，一方面增大了发射层内光激发电子的逃逸深度，提高了发射层内电子发射到真空的几率，从而提高了GaN紫外光电阴极的总体量子效率，获得较高的紫外灵敏度；另一方面由于指数函数在工程技术领域的广泛应用，采用指数掺杂结构GaN发射层更便于理论设计、理论仿真和数据优化。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于紫外探测材料
，具体涉及一种基于半导体材料外延技术、半 导体材料掺杂技术和超高真空表面激活技术相结合的紫外光电阴极材料结构及其制备方法。
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。基于负电子亲和势(Negative Electron Affinity, ΝΕΑ)的GaN光电阴极，由于阴极的表面真空能级低于体内导带底能 级，体内光激发电子只需运行到表面，就可以隧穿发射到真空，无需过剩动能去克服材料表 面的势垒，使光激发电子的逸出几率大大增加，并且为冷电子发射，因此具有量子效率高、 暗发射小、发射电子能量分布及角度分布集中等独特优点。其量子效率一般> 24%,大大 高于传统的紫外光电阴极10%左右的量子效率(如CsTe或CsI阴极，具有正电子亲和势， Positive Electron Aff inity, PEA)，并且，GaN 材料禁带宽度为 3. 4eV，响应 400nm 以下 的紫外辐射，是典型的“日盲”材料，具有良好的抗辐射能力。GaN紫外光电阴极可以在反射模式或透射模式下工作。当光从阴极前表面入射而 电子也从前表面发射时为反射模式工作；当光从阴极的后表面入射而电子从前表面发射时 为透射模式工作。GaN紫外光电阴极材料结构自下而上一般包括衬底层(通常采用蓝宝石)、 外延生长在衬底上的AlN缓冲层、生长在缓冲层上的ρ型GaN光电发射层以及吸附低逸出 功元素(最常用的元素是Cs和0)的激活层。其中光电发射层采用ρ型均勻掺杂，由于发射 层表面和体内存在浓度差，被入射光从价带激发到导带的电子以扩散形式向体表运动。输 运过程中一些电子在多次与晶格碰撞损失能量后被复合，无法逸出，从而降低电子发射数 量，导致阴极量子效率较低。经文献检索发现，采用梯度掺杂结构光电发射层可以提高光激发电子从体内到体 表的输运能力，增大了电子逸出量，从而得到较高的量子效率。光电发射层采取适当的梯度 掺杂结构，可以在发射层体内产生有利于电子向表面运动的内建电场，使激发到导带的电 子在向表面运动的过程中既存在体内和体表间的浓度差引起的扩散运动，又能在内建电场 的作用下作漂移运动，扩散加上漂移的运动方式可以增加电子到达阴极表面的几率，进而 电子逸出几率增大，量子效率获得提高。但是采用梯度掺杂结构存在着理论支撑相对薄弱， 没有太合适的方法用来计算每个分层的浓度及厚度，也不便于理论仿真和数据优化。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种便于理论设计、理论仿真和数据优化的指 数掺杂GaN紫外光电阴极材料结构及其制备方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种指数掺杂GaN紫外光电阴极材料结构， 该材料结构自下而上依次为衬底、非故意掺杂的AlN缓冲层、ρ型指数掺杂GaN光电发射层以及Cs或Cs/0激活层。—种制备指数掺杂GaN紫外光电阴极材料结构的方法，包括以下步骤步骤1、在双面抛光的蓝宝石衬底的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长非故 意掺杂的AlN缓冲层；步骤2、通过外延生长工艺以及III - V族化合物半导体材料的ρ型掺杂工艺，在步骤1 获得的AlN缓冲层上生长ρ型指数掺杂GaN光电发射层作为光电发射材料；步骤3、利用化学清洗去除步骤2得到的阴极材料表面油脂及加工过程中残存的无机 附着物；然后将其送入超高真空系统中，对材料表面进行加热净化，使材料表面达到原子级 洁净程度；步骤4、在上述ρ型GaN材料表面通过激活工艺吸附单层Cs或多层Cs/Ο，以形成Cs或 Cs/0激活层，最终制备出具有负电子亲和势的指数掺杂结构GaN紫外光电阴极。本专利技术与现有技术相比，其显著优点1)本专利技术提出一种基于半导体材料外延技 术、半导体材料掺杂技术和超高真空表面激活技术相结合的紫外光电阴极材料结构，该结 构采用指数掺杂光电发射层，发射层内建电场的存在增大了电子的扩散漂移长度，使发射 层内光激发电子的逃逸深度增大，提高了发射层内电子发射到真空的几率，从而提高了 GaN 紫外光电阴极的总体量子效率，获得较高的紫外灵敏度；2)由于指数函数在工程
的广泛应用，指数掺杂结构GaN发射层便于理论设计、理论仿真和数据优化；3)这种紫外光 电阴极材料结构可以作为一种高效的紫外冷电子源，应用于微波管、回旋加速度计等装置； 也可作为主动式紫外探测器的光敏元件，应用于紫外告警等领域。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术GaN紫外光电阴极材料的层结构示意图。图2为本专利技术GaN紫外光电阴极材料工作原理图。具体实施例方式结合图1、图2，本专利技术的一种指数掺杂GaN紫外光电阴极材料结构，该材料结构自 下而上依次为衬底1、非故意掺杂的AlN缓冲层2、ρ型指数掺杂GaN光电发射层3以及Cs 或Cs/Ο激活层4。所述衬底1为双面抛光的蓝宝石。所述非故意掺杂的AlN缓冲层2外延 生长在衬底1上，厚度在10 - 200nm之间。所述ρ型指数掺杂GaN光电发射层3外延生长 在AlN缓冲层2上，厚度在100 - 200nm之间，掺杂浓度范围为IO"5 — 1019cm_3，掺杂浓度从 体内到表面按指数规律依次减小，所述指数规律依据的公式为M(x) = Ar(O) exp(~Ax)式中χ是指GaN光电发射层内某点离后界面即AIN/GaN界面的距离，A是指数掺杂系 彻(O)是初始掺杂浓度，即后界面处的掺杂浓度，K》是χ处的掺杂浓度。所述Cs或Cs/ 0激活层4吸附在ρ型指数掺杂GaN光电发射层3的前表面上，厚度在nm数量级。一种制备指数掺杂GaN紫外光电阴极材料结构的方法，包括以下步骤步骤1、在双面抛光的蓝宝石衬底1的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长非 故意掺杂的AlN缓冲层2 ；所述非故意掺杂的AlN缓冲层2的厚度为10 — 200nm。步骤2、通过外延生长工艺以及III - V族化合物半导体材料的P型掺杂工艺，在步 骤1获得的AlN缓冲层2上生长P型指数掺杂GaN光电发射层3作为光电发射材料；所述 P型指数掺杂GaN光电发射层3的厚度为100-200nm，其掺杂浓度范围在IO"5 — 1019cm_3且 掺杂浓度从体内到表面按指数规律依次减小，所述指数规律依据的公式为Μ(χ) = Κψ)εχρ(-Λχ)式中χ是指GaN光电发射层内某点离后界面即AIN/GaN界面的距离，A是指数掺杂系 IN(O)是初始掺杂浓度，即后界面处的掺杂浓度，是χ处的掺杂浓度。步骤3、利用化学清洗去除步骤2得到的阴极材料表面油脂及加工过程中残存的 无机附着物；然后将其送入超高真空系统中，对材料表面进行加热净化，使材料表面达到原 子级洁净程度；上述超高真空系统中的真空度达到或优于10-8 量级，对材料表面进行加 热净化时的温度为700-900°C，加热时间为10-30分钟。步骤4、在上述ρ型GaN材料表面通过激活工艺吸附单层Cs或多层Cs/Ο，以形成 Cs或Cs/Ο激活层4，最终制备出具有负电子亲和势的指数掺杂结构GaN紫外光电阴极。结合图2，本专利技术GaN紫外光电阴极材料结构的工作原理为紫外光从阴极的前表 面或衬底面入射进来，经过激活层4被ρ型指数掺杂GaN光电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种指数掺杂ＧａＮ紫外光电阴极材料结构，其特征在于，该材料结构自下而上依次为衬底（１）、非故意掺杂的ＡｌＮ缓冲层（２）、ｐ型指数掺杂ＧａＮ光电发射层（３）以及Ｃｓ或Ｃｓ／Ｏ激活层（４）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：常本康，李飙，徐源，王晓晖，高频，张俊举，杜晓晴，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84
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