[发明专利]基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及紫外探测材料技术领域，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。

背景技术

近年来，随着GaN材料制备技术、p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匀掺杂的p型GaN作为阴极发射材料，这种均匀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。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明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。

本发明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p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O激活层组成，所述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。

进一步，所述p型GaN光电发射层外延生长在AlN缓冲层上，p型GaN光电发射层由厚度为t₁的GaN层对应掺杂浓度为N_A1厚度为t₂的GaN层对应掺杂浓度为N_A2，厚度为t₃的GaN层对应掺杂浓度为N_A3，......，直到厚度为t_n的GaN层对应掺杂浓度为N_An组成，其中1≤n＜20；所述N_A1＞N_A2＞N_A3＞...＞N_An-1＞N_An；

进一步，所述p型GaN光电发射层内的每一种掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3之间；

进一步，所述p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/O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。

本发明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p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p型GaN光电发射层；

3)将生长的外延的p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p型GaN光电发射层表面吸附Cs或Cs/O激活层。

与现有技术相比，基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及制作方法具有如下优点：

1、本发明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、本发明与传统均匀掺杂的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。