[发明专利]一种AlZnO紫外光电阴极材料及其紫外真空光电管

说明书

技术领域

本发明属于电子材料与元器件技术领域，涉及宽禁带半导体光电薄膜及紫外光电阴极材料，具体是指通过控制Al_xZn_1-xO_1+0.5x(AlZnO)三元合金的各组分原子比在一定的范围内，可得到具有优良的紫外光电发射性能的薄膜，是一种可应用于紫外光电阴极的新材料。

技术背景

继红外光电探测之后，对紫外辐射的探测也普遍受到重视。太阳是强大的紫外辐射源，但经过大气吸收衰减后，在地面和近地大气中存在着太阳辐射的光谱盲区(波长范围：200-300nm)，在这一波段太阳光的背景光噪声的辐射辉度水平非常低，这为利用紫外探测可靠分辨和有效跟踪近地飞行目标提供了有利条件，使紫外探测避开了最强大的自然光源，可在良好的背景条件下工作，同红外探测相比，紫外探测具有虚警率低，不需低温冷却的优点。现在，紫外光探测技术已经被广泛地应用于空间科学、医学、生物学、火焰传感、水净化处理，天际通信、环境污染监测等领域，研制日盲区紫外探测器在军事和民用领域都具有很高的应用价值。

目前紫外光电探测器主要分为三类：光电子发射(PE)探测器、光电导(PC)探测器、光伏(PV)探测器以及利用表面势垒制成的各种结型探测器(包括金属-半导体-金属点接触二极管、肖特基势垒光电二极管等)。其中光电子发射(PE)探测器的原理为外光电效应，即金属或半导体受光照后，若入射光子能量hv足够大，和金属或半导体材料中的电子相互作用，使得电子从金属或半导体材料表面逸出的现象称为光电发射效应。而光电导(PC)探测器和光伏(PV)探测器的基本原理为内光电效应，是发生在物质内部的光电转换现象，特别是在半导体内部产生的光生载流子效应。使用宽禁带半导体材料制备光电导及结型探测器虽然比较广泛，但是以上技术的关键在于半导体材料必须要对特定波长的光波产生有效的吸收，并且光生载流子在半导体内部的输运必须通畅快速才能得到高效高速的探测器，这就要求材料必须具有很好的结晶质量，最好是单晶。要得到能够探测太阳盲区紫外线的半导体材料，就要求其光学禁带宽度要达到4.4eV以上，对于绝大多数本征宽禁带半导体而言都还不能达到如此大的禁带宽度，只有通过掺杂来展宽禁带。随之而来产生的问题就是高掺杂后，材料的禁带宽度虽达到了相应的宽度，但是由于掺杂改变了材料的结构，使缺陷增多，且载流子浓度过高，对其自身的迁移也造成了严重的散射，使载流子数目虽多但却不能在材料体内自由输运形成光电流。如此一来，通过内光电效应的探测器就很难提高其光灵敏度。本发明中光电管是典型的光电子发射型探测器，采用光电子发射(外光电效应)的原理，这样在材料表层产生的光生载流子只需克服很短的迁移距离就可以输运到材料表面并逸出，再在外电场和高真空环境下做定向运动到达阳极产生光电流，从而达到提供检测信号的作用。

紫外真空探测器件的关键技术指标就是它们的探测效率，这取决于光电阴极把入射光子转换为光电子的能力。所以紫外光电阴极是紫外真空探测器件的核心部件，对器件的整体性能起到决定性的影响。常用的紫外光电阴极材料有C_SI，半透明的C_STe以及不透明的金刚石等，但是这些材料的稳定性不够或者量子效率较低，使得光电发射的应用受到很大的限制。目前，基于负电子亲和势(Negative Electron Affinity或NEA)光电发射的GaN基的紫外光电阴极是新一代紫外光电阴极研究的热点，NEA光电阴极材料表面的真空能级低于体内的导带底能级，即材料的有效电子亲和势小于零，则由光照激发产生的光电子只要能从阴极体内运行到表面，就可以轻而易举地发射到真空而无需过剩的动能去克服材料表面的势垒，这样光电子的逸出深度和几率都将大大增加，发射效率也会大幅度提高。对NEA紫外阴极材料的研究在国外也属前瞻性技术，美国空间科学实验室所制备的反射式GaN光电阴极所产生的量子效率最高到70％，光吸收截止边到380nm。但是，典型的GaN光电阴极材料是生长在晶格匹配的c面蓝宝石或SiC衬底上的，不然会导致薄膜质量显著下降，而且它对制作系统设备的真空度以及对表面的净化都要求非常苛刻，如在熔石英衬底上沉积的多晶GaN薄膜量子效率明显地低于生长在蓝宝石上的GaN光电阴极，只达到4％。相比之下，ZnO材料体系不仅具有更宽泛的可调禁带宽度，而且其潜在的优势还在于它能相对比较容易的沉积在各种不同的基板上面，美国的马里兰大学已经开展了以MgZnO作为紫外光电阴极材料的相关研究，所制备的MgZnO阴极经激活后，其量子效率最高达到0.4％(254nm处)。

发明内容