专利名称：一种反射式GaN紫外光电阴极材料结构及其制作方法
技术领域：
本发明属于紫外探测材料技术领域，具体涉及一种基于半导体材料外延技术、半导体 材料掺杂技术和超高真空表面激活技术相结合的紫外光电阴极材料结构。
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)，即阴极的表面真空能级低于体内导带底能级，因此体内光生电子只需运行到表面， 就可以轻而易举地发射到真空而无需过剩动能去克服材料表面的势垒，这样电子的逸出几 率大大增加，且为冷电子发射，因此具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量分布集中 等独特优点，其量子效率一般在30%，大大高于传统的具有正电子亲和势(PEA)的碲化 铯紫外光电阴极10%的量子效率，并且，GaN材料禁带宽度在 3.6eV，响应400隨以下 的紫外辐射，是典型的"日盲"材料，具有良好的抗辐射能力。
GaN紫外光电阴极可以在反射式或透射式下工作。当光从阴极前表面入射而电子也从 前表面发射时为反射式工作；当光从阴极的后表面入射而电子从前表面发射时为透射式工 作。反射式的GaN紫外光电阴极材料结构自下而上一般包括衬底材料(通常是蓝宝石)、 外延生长在衬底上的P型GaN光电发射材料、以及低逸出功激活层。其中衬底材料和p型 GaN材料之间由于材料晶格常数差异大(16%左右)，晶格不匹配，因此会导致这两种材 料交界面产生较大的界面复合速率，会在光电子发射过程中俘获被激发的自由电子，从而 降低电子发射数量，最终导致一个较低的阴极量子效率。
经文献检索发现，国外制备的反射式GaN紫外光电阴极一般在衬底材料和p型GaN材 料之间采用A1N缓冲层来克服晶格不匹配导致的上述问题。A1N材料与GaN材料的晶格常 数差异在3%左右，因此二者能较好匹配。这种结构与直接外延在衬底上的GaN材料结构 相比，光电发射性能得到改善，但是由于缓冲材料AlN与光电发射材料GaN之间仍存在一 定的晶格差异，因此这两种材料之间的界面仍存在一定的界面复合速率，影响电子的发射。
发明内容
针对现有技术存在上述不足，本发明的目的是提供一种GaN光电发射材料的界面复合 速率为零的反射式GaN紫外光电阴极材料新型结构。
本发明的目的是这样实现的 一种反射式GaN紫外光电阴极材料结构，其特征在于该 材料结构在厚度方向自下而上由衬底、非故意掺杂的GaN缓冲层、p型GaN光电发射层以 及Cs或Cs/0激活层构成；其中，非故意掺杂的GaN缓冲层生长在衬底上，厚度在10—200咖 之间；p型GaN光电发射层外延生长在所述GaN缓冲层上，厚度在100 — 200nm之间，掺杂 浓度在1017—1019cm-3之间；Cs或Cs/0激活层吸附在p型GaN光电发射层的前表面上，厚 度在nm数量级。
所述反射式GaN紫外光电阴极材料结构的制作方法，包括如下步骤
步骤l:在蓝宝石衬底已抛光的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长IO — 200nm厚度的非故意掺杂的GaN缓冲层；
步骤2:然后，通过外延生长工艺以及GaN材料的p型掺杂工艺，在步骤l获得的GaN 缓冲层上生长100 — 200nm厚度、掺杂浓度在1017—1019Cm_3的p型GaN光电发射层作为光 电发射材料，得到的生长的外延材料；
步骤3:将步骤2得到的生长的外延材料经过化学清洗去除油脂；再将其送入超高真 空系统中，在700—90(TC下对材料表面进行10 — 30分钟的加热净化，使材料表面达到原 子级洁净程度；
步骤4:通过激活工艺使步骤3得到的p型GaN材料表面吸附单层Cs或多层Cs/O形 成Cs或Cs/0激活层，最终制备出具有负电子亲和势的GaN紫外光电阴极。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果
(1) 本发明提出一种基于半导体材料外延技术、半导体材料掺杂技术和超高真空表 面激活技术相结合的反射式紫外光电阴极材料结构，该结构采用非故意掺杂的GaN材料作 为衬底材料和P型GaN光电发射材料之间的缓冲层，从而获得具有零界面复合速率的GaN 光电发射材料；提高了界面处电子发射到真空的几率，并最终提高了GaN紫外光电阴极的 总体量子效率。
(2) 由于长波长的紫外光将在GaN光电发射层与缓冲层之间的界面处吸收，因此这 种零界面复合速率的材料结构能获得较高的长波紫外灵敏度。
(3) 这种紫外光电阴极材料结构可以作为一种高效的紫外冷电子源，应用于微波管、回旋加速度计等装置；也可作为主动式紫外探测器的光敏元件，应用于紫外告警等领域。
图1为本发明GaN紫外光电阴极材料的层结构示意图； 图2为发明的GaN紫外光电阴极材料的工作原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
实施例l:如图1所示， 一种反射式GaN紫外光电阴极材料结构，该材料结构自下而 上由衬底1(如蓝宝石)、非故意掺杂的GaN缓冲层2、p型GaN光电发射层3以及Cs或Cs/0 激活层4构成；其中，非故意掺杂的GaN缓冲层2通过半导体外延生长技术生长在衬底1 上，厚度为50 ; p型GaN光电发射层3外延生长在所述GaN缓冲层2上，厚度为lOOnm， 掺杂浓度为5X 1017; Cs激活层4通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层3 的前表面上，厚度为一个单原子层。
实施例2:与实施l不同的是，GaN缓冲层2的厚度为lOOnm; p型GaN光电发射层3 外延生长在所述GaN缓冲层2上，厚度为lOOnm，掺杂浓度为5X 10i7; Cs激活层4通过超 高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层3的前表面上，厚度为一个单原子层。
实施例3:与实施l不同的是，GaN缓冲层2的厚度为lOOnm; p型GaN光电发射层3 外延生长在所述GaN缓冲层2上，厚度为150nm，掺杂浓度为5X 1017; Cs激活层4通过超 高真空激活工艺紧密吸附在P型GaN光电发射层3的前表面上，厚度为一个单原子层。
上述反射式GaN紫外光电阴极材料结构的制作方法为首先，在蓝宝石衬底l已抛光 的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺(如金属氧化物化学气相沉积MOCVD、分子束 外延MBE等)生长所述厚度的非故意掺杂的GaN缓冲层2;其次，在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2上生长所述厚度、掺杂浓度在IO"— 1018Cm-s的p型GaN光电发射层3作为光电发射材料；然后，将得到的生长的外延材料经过 化学清洗(如利用纯度50%的氢氟酸清洗材料表面)去除油脂；再将其送入超高真空系统 中进行加热，如在90(TC下对材料表面进行20分钟的加热净化，使材料表面达到原子级洁 净程度；最后，通过激活工艺使P型GaN材料表面吸附单层Cs或多层Cs/0，最终制备出 具有负电子亲和势的GaN紫外光电阴极。本发明反射式GaN紫外光电阴极材料结构的工作原理为该紫外光电阴极材料为反射 式工作，即紫外光从阴极的前表面入射进来，经过激活层4被p型GaN光电发射层吸收， 较短波长的光在GaN光电发射层3表面吸收，较长波长的光在GaN光电发射层3体内吸收， 更长波长的光将在GaN光电发射层3与缓冲层2之间的界面处吸收；GaN光电发射层3吸 收光子后获得能量，当入射光子能量大于GaN材料的禁带宽度(3.4eV)时，处于价带的 电子就可以跃迁到导带成为自由电子，这些自由电子通过扩散到达阴极表面并且发射到真 空。对于界面处产生的自由电子，由于本发明中采用非故意掺杂的GaN材料作为缓冲层2， 它与p型GaN光电发射层3是同一材料，因此不存在界面复合速率，从而避免了电子在界 面的复合。当电子发射到真空后被外加高压收集，并通过外加采集电路以光电流形式输出。 入射的紫外光越强，GaN吸收的光子能量就越多，输出的光电流越大。
本发明并不限于所述实施对缓冲层、光电发射层厚度和激活层的厚度的限制，只要在 本发明技术方案的结构上所作的简单变化，均落入本发明的保护范围。
权利要求
1、一种反射式GaN紫外光电阴极材料结构，其特征在于，该材料结构在厚度方向自下而上由衬底(1)、非故意掺杂的GaN缓冲层(2)、p型GaN光电发射层(3)以及Cs或Cs/O激活层(4)构成。
2、 根据权利要求l所述的反射式GaN紫外光电阴极材料结构，其特征在于，所述非 故意掺杂的GaN缓冲层(2)生长在衬底(1)上，厚度在10—200nm之间。
3、 根据权利要求l所述的反射式GaN紫外光电阴极材料结构，其特征在于，所述p 型GaN光电发射层(3)外延生长在所述GaN缓冲层(2)上，厚度在100 — 200nm之间， 掺杂浓度在1017_1019cm-3之间。
4、 根据权利要求l所述的反射式GaN紫外光电阴极材料结构，其特征在于，所述Cs 或Cs/0激活层(4)吸附在p型GaN光电发射层(3)的前表面上，厚度在nm数量级。
5、 制作权利要求l所述反射式GaN紫外光电阴极材料结构的方法，包括如下步骤步骤l:在蓝宝石衬底(l)己抛光的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长10 一200nm厚度的非故意掺杂的GaN缓冲层(2);步骤2:然后，通过外延生长工艺以及GaN材料的p型掺杂工艺，在步骤1获得的GaN 缓冲层(2)上生长100—200nm厚度、掺杂浓度在1017 — 1019cm-3的p型GaN光电发射层 (3)作为光电发射材料，得到的生长的外延材料；步骤3:将步骤2得到的生长的外延材料经过化学清洗去除油脂；再将其送入超高真空系统中进行，在700—900。C下对材料表面进行10 — 30分钟的加热净化，使材料表面达 到原子级洁净程度；步骤4:通过激活工艺使步骤3得到的p型GaN材料表面吸附单层Cs或多层Cs/O形 成Cs或Cs/0激活层(4)，最终制备出具有负电子亲和势的GaN紫外光电阴极。
全文摘要
本发明提供一种反射式GaN紫外光电阴极材料结构及其制作方法，其厚度方向自下而上由衬底、非故意掺杂的GaN缓冲层、p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O激活层构成；其中，非故意掺杂的GaN缓冲层生长在衬底上；p型GaN光电发射层外延生长在所述GaN缓冲层上；Cs或Cs/O激活层吸附在p型GaN光电发射层的前表面上，厚度在nm数量级。该结构采用非故意掺杂的GaN材料作为衬底材料和p型GaN光电发射材料之间的缓冲层，从而获得具有零界面复合速率的GaN光电发射材料；提高了界面处电子发射到真空的几率，并最终提高了GaN紫外光电阴极的总体量子效率；由于长波长的紫外光将在GaN光电发射层与缓冲层之间的界面处吸收，因此这种零界面复合速率的材料结构能获得较高的长波紫外灵敏度。
文档编号H01J1/02GK101447378SQ20081023332
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年12月11日
发明者常本康, 杜晓晴, 王晓兰, 红 赵, 钱芸生 申请人:重庆大学