紫外AlGaN光电阴极热清洗方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及AlGaN光电阴极原子级清洁表面获取过程中真空高温热清洗工艺，具 体涉及一种紫外AlGaN光电阴极热清洗方法。
【背景技术】
[0002] 随紫外技术在空间、国防、工业和生物等领域的广泛应用，对制备高性能的紫外探 测器提出了更高的要求。由于宽禁带半导体AlGaN具有响应波段可调、物理化学性质稳定 和响应抑制比高等特点，所W AlGaN可制作成探测器中光电转换的核必部件。其中基于 AlGaN光电阴极的真空光电二极管和紫外像增强器又具有暗电流小和灵敏度高等特点且制 作工艺简单，成为最有发展潜力的紫外探测器件。
[0003] AlGaN阴极表面的污染物会阻止Cs、0在光电阴极表面的吸附，无法形成有效Cs、 0激活层，严重阴极的光电发射性能。为了避免AlGaN表面污染物对光电阴极性能产生的影 响，在激活前必须首先进行表面净化处理。Masataka等（M. Higashiwaki, S. Chow化ury, B. L Swenson, and U. K. Mishra. Effects of oxidation on surface chemical states and barrier hei組t of AlGaN/GaN heterostruc化res. Appl.Phys. Lett. 2010. 97, 222104)发 现，在低真空条件下，无论是在氧气环境还是氮气环境，AlGaN退火温度下降速率过大，都会 在AlGaN表面产生大量的氧化铅，无法获得高清洁度的AlGaN。Machuca等化Machuca, Z. Liu, Y. Sun, P. Pianetta, W. E. Spicer, and 民.F. W. Pease, Simple method for cleaning gallium nitride (OO(U)，J. Vac. Sci. Technol. A.，2002, vol. 20:1784-1786)研究发现，超 高真空环境中加热到7〇(TC可W有效去除GaN上部分0和C，C的覆盖估计为I %个单原 子层。虽然此时GaN表面具有较高的清洁度，已满足制备场效应管等器件所需清洁度的 要求，但是对光电阴极来说此时的清洁度还不满足制备高性能光电阴极的原子级清洁表 面的要求。郝广辉等（G. Hao, M, Yang, B, Qiang, X. Qien, J. Zhang, and XJu. Attenuation performance of reflection-mode AlGaN photocathode underdifferent preparation methods. Appl. Opt. 2013. Vol. 52, No. 23 5671-5675)采用 710°C热清洗，同样制备出 AlGaN 光电阴极，但是其性能距高性能AlGaN光电阴极仍有一定的差距。因此探索有效的AlGaN 光电阴极热清洗方法是提高AlGaN光电阴极性能的重要途径。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种真空中AlGaN光电阴极基于高温加热的热清洗方法。 真空中高温热清洗能去除阴极表面吸附碳和氧原子，使阴极获得原子级清洁表面，进而制 备出高性能的AlGaN光电阴极。
[0005] 实现本发明目的的技术方案为：
[0006] 针对现有的紫外AlGaN光电阴极热加热温度不明确，无法使吸附在AlGaN光电阴 极表面的碳和氧脱附。本发明提供一种真空中高温热清洗AlGaN光电阴极的热清洗方法。
[0007] 本发明提供一种一种紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，所述方法是将AlGaN光电 阴极热清洗，温度自室温（约2(TC )加热到阴极热清洗所需的最高温度，升温过程采取温度 梯度升高的方式，然后持续加热并保持最高温度不变，最后加热温度线性降低。
[0008] 所述阴极热清洗所需的最高温度为町，且满足Tw > 80(TC。所述升温过程采取温度 梯度升高的方式为温度增长分为N个梯度，N > 2,且满足20°C《 Tl《Tz《町1《町， 其中T为两个加热梯度的转折温度，Tw为热清洗最高温度。且每个梯度的温度增长速率 需满足Vi > Vz Vw 1 > Vw, V为温度增长速率，各梯度加热温度增长速率均满足0°C < Vi《1(TC /min。所述保持最高温度不变，时间大于25分钟。所述加热温度线性降低为 加热温度自最高温度线性降低到30(TC，随后停止加热，待AlGaN光电阴极冷却至室温后， AlGaN光电阴极热清洗完成。所述加热温度线性降低，温度降低速率小于9°C /min,
[0009] 与现有的技术相比，AlGaN光电阴极热清洗方法具有如下优点：
[0010] 1.本发明热清洗步骤中加热温度采用梯度线性增长的方法，避免温度升高过快导 致AlGaN阴极外延层热膨胀不均匀发生碎裂。
[0011] 2.本发明中真空高温热清洗温度高于80(TC时，使在AlGaN光电阴极表面物理吸 附的C和0从阴极表面脱附，最终获得原子级清洁表面。与传统的热清洗方法制备的AlGaN 光电阴极的光电发射性能相比，本发明中热清洗方法制备的AlGaN光电阴极的光电发射性 能提高了 11. 61%。
【附图说明】
[0012] 图1为AlGaN光电阴极的结构示意图。
[001引图2为AlGaN光电阴极热清洗温度变化示意图。
[0014] 图3为激活后AlGaN光电阴极的光谱响应。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0016] 图1为本发明中实施实例所用的AlGaN紫外光电阴极的组件结构示意图。AlGaN 光电阴极自下而上由藍宝石衬底上（1)、P型AlN缓冲层（2)、p型AlGaN发射层阴极。
[0017] 实施例1
[001引本实施例中包含3种不同温度热清洗的实验样品。取3个图1所示结构的AlGaN光电阴极，该阴极发射层（3)的Al组分为0.4其对应的响应截止波长为290nm。3个样品 首先进行化学清洗，然后，对样品进行真空热清洗。将3个样品分别放入超高真空中，真空 度《7X 10中曰。3中样品的最高加热温度分别为71(TC、80(rC和85(TC。清洗温度按照图 2(a)所示温度变化曲线进行加热，加热升温过程分为3个梯度分别为；1、加热温度从常温 20°C加热上升到20(TC，加热时间为20min ;11、加热温度由20(TC上升到55(TC，加热时间为 60min ;111、加热温度由55(TC长生到加热最高温度，加热时间为70min。送H个梯度的温 度变化速率如表1所示。随后IV中加热温度保持不变，加热时间为25分钟；V中加热温度 由最高温度下降到30(TC，加热时间为65min，然后停止加热，待样品自然冷却至室温，此时 AlGaN光电阴极的热清洗工艺结束。
[0019] 表1、3个样品加热过程中H个温度梯度变化速率CC /min)
[0020]
[0021]使用Cs吸附的方式激活AlGaN光电阴极，对激活后的AlGaN光电阴极进行光谱响 应测试。图3表示AlGaN光电阴极的光谱响应曲线，在对数坐标系中，水平坐标是指波长； 垂直坐标是指对反射式AlGaN光电阴极的光谱响应。
[002引从图3中可W看出，本发明的反射式AlGaN光电阴极的截止波长在290皿，经过量 子效率转换计算，240皿处的四个样品的量子效率分别为31%、34. 6%和35. 1%。样品1、 2和3中，热清洗温度为80(TC W上的样品2和3的性能比用71(TC热清洗的样品1分别高 出11. 6%和13. 2%。因此80(TC W上的热清洗温度可W使阴极获得原子级清洁表面，制备 出了性能较高的AlGaN光电阴极。
[002引 实施例2
[0024]取图1所示结构的AlGaN光电阴极样品，首先进行化学清洗，然后，对样品进行真 空热清洗。将样品分别放入超高真空中，真空度《7X10 Spa。加热温度如图2(b)所示，升 温过程分为4个梯度，其转折温度分别为20(TC、50(TC、74(TC和80(TC，过程I、II、III和 IV的温度变化速率分别为l〇°C、6°C、3. 4°C和1. 5°C。随后V中加热温度保持不变，加热时 间为30分钟；VI中加热温度由最高温度下降到30(TC，时间为65min，然后停止加热，待样 品自然冷却至室温，此时AlGaN光电阴极的热清洗工艺结束。
[002引使用Cs吸附的方式激活AlGaN光电阴极，对激活后的AlGaN光电阴极进行光谱响 应测试。同样获得较高量子效率的AlGaN光电阴极。
【主权项】
1. 一种紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，其特征在于：所述方法是将AlGaN光电阴极 热清洗，温度自室温加热到阴极热清洗所需的最高温度，升温过程采取温度梯度升高的方 式，然后持续加热并保持最高温度不变，最后加热温度线性降低。2. 根据权利要求1所述的紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，其特征在于：所述阴极热 清洗所需的最高温度为TN，且满足TN彡800°C。3. 根据权利要求1所述的紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，其特征在于：所述升温过 程采取温度梯度升高的方式为温度增长分为N个梯度，N彡2,且满足201：<1'1<1'2；^·· <TN 1 <TN，其中T为两个加热梯度的转折温度，TN为热清洗最高温度，且每个梯度的温度 增长速率需满足Vi>V2 >…>VN 1 >VN，V为温度增长速率，各梯度加热温度增长速率均 满足 0°C<Vi彡 10°C/min。4. 根据权利要求1所述的紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，其特征在于：所述保持最 高温度不变，时间大于25分钟。5. 根据权利要求1所述的紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，其特征在于：所述加热温 度线性降低为加热温度自最高温度线性降低到300°C，随后停止加热，待AlGaN光电阴极冷 却至室温后，AlGaN光电阴极热清洗完成。6. 根据权利要求1所述的紫外AlGaN光电阴极热清洗方法，其特征在于：所述加热温 度线性降低，温度降低速率小于9°C/min。
【专利摘要】本发明公开了一种紫外AlGaN光电阴极热清洗方法。所述方法为AlGaN光电阴极热清洗温度自室温(约20℃)加热到阴极热清洗所需的最高温度，升温过程采取温度梯度升高的方式，然后持续加热并保持最高温度不变，最后加热温度线性降低。与传统的热清洗方法制备的AlGaN光电阴极的光电发射性能相比，本发明中热清洗方法制备的AlGaN光电阴极的光电发射性能提高了11.61％。
【IPC分类】H01J9/12
【公开号】CN105405727
【申请号】CN201410459222
【发明人】常本康, 郝广辉, 金睦淳, 陈鑫龙, 张益军, 杨明珠
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2014年9月10日