超晶格组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光阴极及制备方法

文档序号:9689514阅读:689来源:国知局
超晶格组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光阴极及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于紫外探测材料技术领域,特别是一种超晶格梯度组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光电阴极及制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来,随着AlGaN材料制备技术、p型掺杂技术的完善及其超高真空技术的发展,AlGaN紫外光电阴极正成为一种新型的紫外光电阴极。这种光电阴极的表面具有负电子亲和势(NEA),与传统的正电子亲和势紫外光电阴极以及固体紫外探测器件相比,AlGaN紫外光电阴极显示了量子效率高、暗发射电流小、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,因此在紫外探测以及真空电子源领域具有极大的应用潜力。
[0003 ]目前,获得高量子效率是AlGaN光电阴极实用化需要解决的主要技术问题。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“日盲”区的紫外探测能力。在影响AlGaN光电阴极量子效率的众多因素中,AlGaN阴极材料的水平是决定阴极探测性能的关键因素。目前典型的AlGaN光电阴极在针对AlGaN发射层做了相当多的改进,比如梯度掺杂的AlGaN发射层,指数掺杂AlGaN发射层,这些改进均一定程度提高了AlGaN光电阴极的量子效率[付小倩,常本康,李飙,等.负电子亲和势GaN光电阴极的研究进展[J].物理学报,2011;杜晓晴,常本康,钱云生等.基于变掺杂结构的透射式GaN紫外光电阴极及其制作方法,2011]。然而对缓冲层的改进研究却相对较少,而缓冲层的结构同样影响着阴极的性能,缓冲层可以极大程度地缓解蓝宝石衬底与发射层之间晶格失配和热膨胀系数不匹配而造成的入射光子损失和量子效率降低的问题。通常使用A1N材料来作为缓冲层,当阴极A1N缓冲层厚度为500nm时,缓冲层对入射光的吸收率达到33.2%,很大程度上降低了透射式AlGaN光电阴极中短波光子到达发射层内的效率,影响透射式阴极的短波响应特性。当A1N晶体为lOOnm时,波长为220nm入射光的吸收率仅为7.6%,但是减小缓冲层的厚度就无法保障缓冲层具有较为平整的晶体表面,因此单一的A1N晶体结构作为缓冲层不能有效提高透射式AlGaN紫外光电阴极的光电发射性能。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种超晶格梯度组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光电阴极及其制备方法,提高了晶体的生长质量,较大程度减少缓冲层内部的晶格缺陷,提高发射层光子的吸收率,最终提高光电阴极的光电发射量子效率。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:一种超晶格梯度组分渐变结构缓冲层的透射式AlGaN紫外光电阴极及其制备方法,自下而上由衬底层、超晶格梯度组分渐变p型AlxGa1-XN缓冲层、p型AlyGa1-yN发射层以及Cs或者Cs/Ο激活层组成,所述超晶格梯度组分渐变p型AlxGa^N缓冲层是由8-15个组分渐变层循环堆叠和一个过渡层组成,过渡层与发射层接触,最下面的组分渐变层与衬底层接触。
[0006]本发明与现有技术相比,其显著优点:(1)采用一种超晶格梯度组分渐变结构缓冲层的结构来设计透射AlGaN紫外光电阴极,这是一种新型的AlxGa^N缓冲层结构,可以提高晶体的生长质量,较大程度减少缓冲层内部的晶格缺陷,有效地降低缓冲层内部的晶格失配和高A1组分AlxGa1-xN缓冲层对波长大于220nm光子的吸收,减少缓冲层对入射光能量的吸收,增加发射层光子的吸收率,从而提高光电阴极的光电发射量子效率。(2)在缓冲层与发射层之间增加一个组分渐变的过渡层,降低界面处的晶格失配和热膨胀系数,降低发射层与缓冲层间的后界面复合速率,减少后界面处由于晶格失配导致的光电子的复合数目,增加发射层表面的电子逸出数目,从而提高量子效率。(3)超晶格梯度组分渐变的AlxGa^N缓冲层透射式紫外光电阴极可以作为一种高性能的紫外探测阴极,结合电子倍增器件构成紫外光电倍增管、紫外像增强器等真空器件,应用于紫外生化分析、航空航天探测、紫外告诫领域等领域。(4)可以提高晶体的生长质量,较大程度减少缓冲层内部的晶格缺陷,提高发射层光子的吸收率,最终提高光电阴极的光电发射量子效率,这种超晶格梯度组分渐变缓冲层光电阴极与传统光电阴极相比,在200nm处量子效率提高了30% (图2),有效地提高了AlGaN紫外光电阴极在“日盲”区的光电检测性能。
[0007]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0008]图1是本发明超晶格梯度组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光电阴极一种实施例的结构示意图。
[0009]图2是本发明的紫外光电阴极的量子效率对比图。
[0010]图中的附图标记与其所代表的组成部分为:1-衬底层,2-p型AlxGa1-xN缓冲层,3_p型八14&1—#发射层,4-〇8/0激活层,5^6-厶1。.沁&。.川,7-厶1。.86&。.办,8-厶1。.76&。.319-Al0.8Ga0.2N, 10-Al0.9Ga0.川,11-组分渐变层,12-过渡层,13-A1N,14-Al0.9Ga0.1N, 15-Al0.8Ga0.2N,16-Al().7Ga().3N,17-Al().6Ga().4N,18-Al().5Ga().5N,19-Al().4Ga().6N,20-超晶格梯度组分渐变缓冲层AlGaN紫外光电阴极量子效率,21-传统反射式紫外光电阴极量子效率。
【具体实施方式】
[0011]结合图1,本发明超晶格梯度组分渐变结构缓冲层的透射式AlGaN紫外光电阴极(光电阴极,即光阴极),由自下而上由衬底层1、超晶格梯度组分渐变P型AlxGahN缓冲层2、p型AlyGa1-yN发射层3以及Cs或者Cs/Ο激活层4组成,所述超晶格梯度组分渐变p型AlxGa1-xN缓冲层2是由8-15个组分渐变层11循环堆叠和一个过渡层12组成,过渡层12与发射层3接触,最下面的组分渐变层11与衬底层1接触。
[0012]其中每个组分渐变层11自下而上由5-8种不同组分的AlxGa^N薄层组成,其中0<χ<1,各薄层的组分A1的含量从两端向中间由大向小渐变。例如组分渐变层11可以由自下而上由6种不同组分的AlxGai—XN薄层组成,分别为AIN 5,Al0.gGa0.1N 6,Al0.sGa0.2,N 7,Al0.7Ga0.3N 8’Al0.8Ga0.2N 9和Al0.9Ga0.1N 10。
[0013]所述过渡层12自下而上由7-9种不同组分的AlyGai—yN薄层构成,其中0<y< 1,各薄层的组分A1的含量自下而上由大向小渐变,最上端薄层的含量和组分与p型AlyGa^N发射层3相同。例如p型AlyGa1-yN发射层3中的组分和含量为AlQ.4GaQ.6N,过渡层12自下而上由7种不同组分的薄层构成,各组分依次为A1N 13,Al0.9Ga0.1N 14,Al0.sGa0.2,N 15’Al0.7Ga0.3N16,Al0.6Ga0.4N 17、Al0.5Ga0.5N 18 和 Al0.4Ga0.6N 19ο
[0014]所述超晶格梯度组分渐变p型AlxGa1-xN缓冲层2和p型AlyGa1-yN发射层3的掺杂浓度控制在1016-1019cm—3之间,掺杂元素为Be。组分渐变层11和过渡层12的每一个薄层厚度为5-8nm,所有组分渐变层11和过渡层12构成的缓冲层总厚度为300-750nm<XS或Cs/Ο激活层4通过超高真空激活工艺紧密吸附在P型AlyGa1-yN发射层3的表面上。
[0015]本发明超晶格梯度组分渐变结构缓冲层的透射式AlGaN紫外光电阴极的制备方法,步骤如下:
[0016]步骤1,用双抛光的蓝宝石制备透射式阴极的衬底层1。
[0017]步骤2,利用分子束外延法在蓝宝石衬底上生长8-15个组分渐变层11,然后在最上面的组分渐变层11的表面生长过渡层12,由8-15个组分渐变层11循环堆叠和一个过渡层12组成超晶格梯度组分渐变P型AlxGa^N缓冲层2。每个组分渐变层11自下而上由5-8种不同组分的AlxGa1-xN薄层组成,其中0<χ<1,各薄层的组分A1的含量从两端向中间由大向小渐变。过渡层12自下而上由7-9种不同组分的AlyGa1-yN薄层构成,其中0<y<l,各薄层的组分A1的含量自下而上由大向小渐变,最上端薄层的含量和组分与p型AlyGm-yN发射层3相同。
[0018]步骤3,利用分子束外延法在超晶格梯度组分渐变p
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