專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紫外探測(cè)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于襯底圖形化、m — ν族化合物材料外延技術(shù)和超高真空表面激活技術(shù)相結(jié)合的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN 紫外光電陰極。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著GaN材料制備技術(shù)、ρ型摻雜技術(shù)的完善以及超高真空技術(shù)的發(fā)展， GaN紫外器件得到了快速發(fā)展。GaN紫外光電陰極是一種高性能的電子發(fā)射材料，能通過(guò)外光電發(fā)射(電子發(fā)射)實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光的高靈敏探測(cè)。由于GaN紫外光電陰極具有負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)表面，因此與傳統(tǒng)正電子親和勢(shì)紫外光陰極以及固體紫外探測(cè)器件相比，GaN紫外光電陰極具有量子效率高、暗發(fā)射小、紫外可見(jiàn)光抑制比高、穩(wěn)定性好、發(fā)射電子能量分布集中等眾多優(yōu)點(diǎn)，在紫外探測(cè)及真空電子源領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。目前，高質(zhì)量的GaN材料一般通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)。由于藍(lán)寶石襯底材料與GaN材料的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異較大，直接外延生長(zhǎng)難以獲得高質(zhì)量的GaN外延材料，因此一般會(huì)首先在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)一定厚度的緩沖層，然后再在緩沖層上生長(zhǎng)GaN外延層。這種方法盡管可以明顯提高GaN外延層的質(zhì)量，但仍然存在藍(lán)寶石襯底與緩沖層之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異，由此導(dǎo)致緩沖層材料和GaN材料的外延質(zhì)量不夠理想，影響器件的性能。對(duì)于透射式GaN紫外光電陰極，緩沖層材料一般選取禁帶寬度大于GaN材料、且與GaN材料晶格常數(shù)相近(晶格相互匹配)的AlN或者AlxGai_x N，并且要求緩沖層的厚度不能太厚，以減小緩沖層對(duì)紫外光的吸收損失。由于藍(lán)寶石和AlN材料在a軸方向的晶格常數(shù)分別是0. 4758nm和0. 3112nm,晶格差異較大，因此在外延過(guò)程中較大的晶格差異會(huì)在緩沖層中引入位錯(cuò)缺陷，它們充當(dāng)非輻射復(fù)合中心，增加了緩沖層與GaN發(fā)射層之間的后界面復(fù)合速率，從而不利于GaN發(fā)射層內(nèi)光生載流子的提高與輸運(yùn)。同時(shí)，對(duì)于透射式GaN紫外光電陰極，在工作時(shí)紫外光首先從藍(lán)寶石襯底入射，經(jīng)過(guò)緩沖層后再到達(dá)GaN光電發(fā)射層，因此藍(lán)寶石襯底入射表面對(duì)紫外光的反射損失，會(huì)直接降低到達(dá)GaN發(fā)射層的光子數(shù)量，影響GaN陰極最終的量子效率。藍(lán)寶石對(duì)紫外光的反射率在20% 30%，如果能降低藍(lán)寶石入射表面對(duì)入射紫外光的反射率，就能夠提高到達(dá) GaN發(fā)射層的光子數(shù)量，從而提高GaN陰極的量子效率。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有藍(lán)寶石襯底與A1N/Alx(iai_x N緩沖層的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)不匹配、緩沖層與GaN發(fā)射層界面特性不夠理想、藍(lán)寶石襯底光入射表面存在較大的紫外光反射損失的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極。
本發(fā)明提供的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍(lán)寶石襯底、AlN/AlxGai_x N緩沖層、ρ型GaN光電發(fā)射層以及Cs或Cs/0激活層組成；所述藍(lán)寶石襯底的上表面均布設(shè)有m個(gè)凹孔I，IO2 < m < 104，藍(lán)寶石襯底的下表面均布設(shè)有 η個(gè)凹孔II，IO2彡η彡IO40進(jìn)一步，所述藍(lán)寶石襯底上的凹孔I和凹孔II為倒錐V形、倒錐金字塔形和圓桶形中的任一種結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，所述凹孔I和凹孔II的橫向最大尺寸在0.5 5μπι，凹孔I和凹孔II的深度在0. 5 2μπι，相鄰凹孔I之間的間距以及相鄰凹孔II之間的間距在0. 5 5μπι。進(jìn)一步，所述A1N/Alx(iai_x N緩沖層的厚度在0.5 2.5 μ m。進(jìn)一步，所述ρ型GaN光電發(fā)射層內(nèi)的ρ型摻雜濃度的范圍控制在 1019cm_3， P型GaN光電發(fā)射層的厚度控制在100 200nm。再進(jìn)一步，所述Cs或Cs/0激活層通過(guò)超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發(fā)射層的表面上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極具有如下優(yōu)占.
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1、本發(fā)明將藍(lán)寶石襯底的外延生長(zhǎng)面進(jìn)行微圖形化(即凹孔)設(shè)計(jì)，以增加緩沖層材料在外延生長(zhǎng)過(guò)程中的應(yīng)力作用范圍，有效緩沖外延過(guò)程中由于襯底與緩沖材料的晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致的側(cè)向應(yīng)力變化，降低由此導(dǎo)致的晶格缺陷密度以及緩沖層一 GaN發(fā)射層之間的界面復(fù)合速率，提高GaN發(fā)射層內(nèi)光生電子的數(shù)量。2、本發(fā)明將藍(lán)寶石襯底的光入射面進(jìn)行微圖形化(即凹孔)設(shè)計(jì)，利用微形圖案對(duì)入射光的多次反射吸收以及多次反射干涉相消的效應(yīng)，降低藍(lán)寶石入射表面對(duì)入射紫外光的反射率，提高到達(dá)GaN發(fā)射層的光子數(shù)量，從而提高GaN陰極的量子效率。


圖1為基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極的結(jié)構(gòu)示意圖2為藍(lán)寶石襯底的雙面凹孔呈倒錐V形結(jié)構(gòu)的示意圖3為藍(lán)寶石襯底的雙面凹孔呈倒錐金字塔形結(jié)構(gòu)的示意圖4為藍(lán)寶石襯底的雙面凹孔呈圓柱形結(jié)構(gòu)的示意圖5為凹孔設(shè)計(jì)的藍(lán)寶石襯底入射表面對(duì)入射光線的光學(xué)傳輸示意圖6為凹孔設(shè)計(jì)的藍(lán)寶石襯底外延表面對(duì)外延層生長(zhǎng)的作用示意圖7為藍(lán)寶石襯底上表面為圓柱形凹孔、下表面為倒錐金字塔形凹孔的結(jié)構(gòu)示意圖8為藍(lán)寶石襯底上表面為圓柱形凹孔、下表面為倒錐V形凹孔的結(jié)構(gòu)示意圖9為藍(lán)寶石襯底上表面為倒錐V形凹孔、下表面為倒錐金字塔形凹孔的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。圖1為基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示 基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍(lán)寶石襯底1、A1N或 AlxGa1^x N緩沖層2、p型GaN光電發(fā)射層3以及Cs/0激活層4組成。藍(lán)寶石襯底1的外延生長(zhǎng)表面(即藍(lán)寶石襯底1的上表面)均布設(shè)有m個(gè)凹孔I 5，其中m滿足102 < m < 104，光入射表面6(即藍(lán)寶石襯底1的下表面)均布設(shè)有η個(gè)凹孔II 6，其中η滿足IO2SnS 104。藍(lán)寶石襯底1上的凹孔I 5和凹孔II 6為倒錐V形(如圖2所示)、倒錐金字塔形 (如圖3所示)、圓柱形(如圖4所示)中的任一種結(jié)構(gòu)。這三種凹孔都已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明能有效提高材料表面光吸收率，降低材料表面由光學(xué)反射導(dǎo)致的光能量損失；并能降低異質(zhì)外延導(dǎo)致的位錯(cuò)缺陷，提高藍(lán)寶石襯底上GaN外延質(zhì)量。凹孔II 5通過(guò)對(duì)入射光的多次反射吸收以及多次反射干涉相消的效應(yīng)來(lái)提高光的吸收效率，降低入射光在入射表面的反射損耗，如圖5所示。其中倒錐V形和圓柱形可使材料表面的光學(xué)吸收率提高至接近100%，即幾乎沒(méi)有反射損失。凹孔I 6通過(guò)增加外延材料與藍(lán)寶石襯底之間的接觸面積來(lái)適應(yīng)外延過(guò)程中的熱應(yīng)力和晶格熱膨脹系數(shù)的變化，促進(jìn)外延材料的橫向生長(zhǎng)，減小異質(zhì)外延過(guò)程中的位錯(cuò)缺陷，提高外延質(zhì)量，如圖6所示。凹孔I 5和凹孔II 6可以在形狀或尺寸上存在差異，但在同一表面的凹孔在形狀和尺寸都是相同，如圖7、圖8和圖9所示，以保證入射光在同一光學(xué)界面的任意位置都受到相同的反射效果，以及外延層質(zhì)量的均勻分布。這三種凹孔都易于通過(guò)等離子刻蝕(ICP)或納米壓印等成熟的微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能獲得較高的形狀和尺寸加工精度。凹孔I 5和凹孔II 6的橫向最大尺寸在0.5 5 μ m，凹孔I 5和凹孔II 6的深度在0.5 2μπι，相鄰凹孔I 5之間的間距以及相鄰凹孔 II 6之間的間距在0. 5 5μπι。凹孔II 6通過(guò)對(duì)入射光的多次反射吸收和多次反射干涉相消的效應(yīng)來(lái)提高對(duì)光的吸收效率，降低光的反射損耗。當(dāng)凹孔尺寸與入射光波長(zhǎng)相比擬或幾倍于入射光波長(zhǎng)時(shí)，凹孔對(duì)入射光吸收效率的提升作用較好，如果微元尺寸小于光波長(zhǎng)或遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)，都不能起到良好的效果。由于P型GaN光電陰極的入射光波長(zhǎng)通常在 0. 2 0. 4 μ m之間，因此將凹孔的橫向尺寸定在0. 5 5 μ m、并考慮到大尺寸的凹孔深度目前還難以通過(guò)刻蝕實(shí)現(xiàn)，因此將凹孔的深度設(shè)計(jì)在0. 5 2 μ m。緩沖層2的材料可以是A1N，也可以是組分可變的AlxGai_xN，還可以是AlN/ AlxGai_xN多層材料。AlN和AlxGai_xN的晶格常數(shù)和折射率與發(fā)射材料GaN較為接近，因此以它們作為緩沖材料能提高GaN材料的外延質(zhì)量。由于緩沖層同時(shí)作為光的傳輸通道和材料緩沖層，因此要求總厚度值不能太小，否則無(wú)法起到緩沖效果；也不能太大，否則造成入射光隨著傳輸路徑增加而逐漸衰減的不良效果。將緩沖層的總厚度設(shè)計(jì)在0. 5 2. 5 μ m， 使得厚度與GaN陰極的入射光波長(zhǎng)相比擬或幾倍于入射光波長(zhǎng)，以此獲得較好的光學(xué)傳輸效果和外延緩沖性能。ρ型GaN光電發(fā)射層3外延生長(zhǎng)在AlNAlxGivxN緩沖層2上，在ρ型GaN光電發(fā)射層3內(nèi)的每一種摻雜濃度的范圍控制在IO16 IO19CnT3之間。摻雜濃度太低，會(huì)增加陰極表面的能帶彎曲區(qū)寬度，使得光電子在較寬的區(qū)域內(nèi)受到表面電場(chǎng)的散射并損失能量，從而導(dǎo)致電子表面逸出幾率的明顯降低。摻雜濃度高，雖然有利于電子表面逸出幾率的提高， 但會(huì)造成陰極材料電子擴(kuò)散長(zhǎng)度降低，影響光電子的體內(nèi)輸運(yùn)效率。因此，在設(shè)計(jì)中將摻雜濃度范圍限制在IO16 IO19cnT3之間。ρ型GaN光電發(fā)射層3的厚度控制在100 200nm之間，例如厚度取為lOOnm、 130nm、150nm、170nm、180nm或200nm均可。將GaN光電發(fā)射層的厚度控制在100 200nm 之間，主要是為了與GaN光電發(fā)射層的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度(一般也為100 200nm)相匹配，從而保證GaN光電陰極對(duì)短波紫外和長(zhǎng)波紫外都能有較高的吸收效率和光電發(fā)射效率。Cs或Cs/0激活層通過(guò)超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發(fā)射層的表面上，厚度在nm數(shù)量級(jí)。Cs或Cs/0激活層可以分別通過(guò)GaN的Cs (銫)或Cs/0激活工藝制備而成，這兩種工藝為現(xiàn)有負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)光電陰極制備的標(biāo)準(zhǔn)工藝。Cs激活工藝是在超高真空系統(tǒng)中，使一定量的Cs原子均勻吸附在高度清潔的p-GaN表面，隨著Cs的吸附，GaN表面在紫外光照射下所發(fā)射的光電流逐漸增大，當(dāng)Cs吸附到一定程度時(shí)，GaN表面發(fā)射的光電流不再增大并開(kāi)始略微下降，這時(shí)Cs激活過(guò)程結(jié)束，表面為(p-GaN，Cs)的 GaN光電陰極形成。Cs/0激活工藝是首先通過(guò)Cs激活工藝，在高度清潔的p_GaN表面均勻吸附一定量且過(guò)量的Cs，然后，采用Cs/0交替循環(huán)激活的工藝使一定量的(Cs，0)吸附在(p-GaN，Cs)表面上，通過(guò)2 3個(gè)Cs/0交替循環(huán)激活，GaN表面發(fā)射的光電流可進(jìn)一步增加，如果再繼續(xù)Cs/0交替循環(huán)，光電流就開(kāi)始下降，這時(shí)Cs/0激活過(guò)程結(jié)束。表面為 (p-GaN, Cs, Cs/0)的GaN光電陰極形成。與Cs激活工藝相比，(Cs, 0)兩步激活工藝可使 GaN光電陰極的光電發(fā)射效率提高約10 20%。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于該陰極自下而上由藍(lán)寶石襯底(1)、AlN或AlxGEih N緩沖層(2 )、ρ型GaN光電發(fā)射層(3 )以及Cs或Cs/ 0激活層(4)組成；所述藍(lán)寶石襯底(1)的上表面均布設(shè)有m個(gè)凹孔I (5)，102<m< IO4, 藍(lán)寶石襯底(1)的下表面均布設(shè)有η個(gè)凹孔II (6)，IO2IO40
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述藍(lán)寶石襯底(1)上的凹孔I (5)和凹孔II (6)為倒錐V形、倒錐金字塔形和圓桶形中的任一種結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述凹孔I (5)和凹孔II (6)的橫向最大尺寸在0. 5 5μπι，凹孔I (5)和凹孔II (6)的深度在0. 5 2μπι，相鄰凹孔I (4)之間的間距以及相鄰凹孔II (5)之間的間距在 0. 5 5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述AlN或AlxGai_x N緩沖層(2)的厚度在0. 5 2. 5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述P型GaN光電發(fā)射層(3)內(nèi)的P型摻雜濃度的范圍控制在IO16 1019cm_3，p型GaN 光電發(fā)射層(3)的厚度在100 200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，其特征在于所述Cs或Cs/0激活層(4)通過(guò)超高真空激活工藝緊密吸附在ρ型GaN光電發(fā)射層(3) 的表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙面圖形化襯底的透射式GaN紫外光電陰極，該陰極自下而上由藍(lán)寶石襯底、AlN/AlxGa1-xN緩沖層、p型GaN光電發(fā)射層以及Cs或Cs/O激活層組成；藍(lán)寶石襯底的上表面均布設(shè)有m個(gè)凹孔Ⅰ，102≤m≤104，藍(lán)寶石襯底的下表面均布設(shè)有n個(gè)凹孔Ⅱ，102≤n≤104。本發(fā)明采用雙面凹孔圖形結(jié)構(gòu)提高藍(lán)寶石襯底對(duì)紫外光的透射率，并增加藍(lán)寶石襯底的生長(zhǎng)應(yīng)力作用范圍，以提高緩沖層及GaN外延層質(zhì)量，從而使GaN陰極獲得較高的量子轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01J40/06GK102280343SQ20111019590
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者杜曉晴, 童廣 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)