一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，该光电阴极整体结构是由金属接触电极-ITO导电玻璃1、云母片2，GaAs保护层3、GaAlAs窗口层4、GaAs发射层5、GaAlAs阻挡层6以及GaAs衬底7、ITO导电玻璃8组成；金属接触电极-ITO导电玻璃的增透膜选用纳米ZnO薄膜，绝缘层选择云母片，发射层采用梯度掺杂方式；该阴极的优点在于：一方面纳米ZnO薄膜应用与ITO导电玻璃上，使其充当增透膜，可以增加入射光的透过率，且与金属电极具有较好的欧姆接触特性；另一方面梯度掺杂引起场助发射使得电子出射效率明显提高。
【专利说明】一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极
【技术领域】
[0001]本发明属于物理电子学领域，具体涉及一种纳米ZnO薄膜制备ITO导电玻璃薄膜层的工艺和利用MIS结构对梯度掺杂透射式GaAs光电阴极进行分析测试的技术，主要用于更高电子出射效率要求的透射式GaAs光电阴极的设计和制备。
【背景技术】
[0002]负电子亲和势(NEA)GaAs光电阴极具有较高的积分灵敏度和较小的暗发射电流，同时发射出的光生电子的能量和出射角度相对集中，并具有长波阈值调整和高长波响应能力等优点，在微光夜视、真空电子源等领域得到了广泛的应用，因此自1965年其发明而来，就成为微光探测器件和自旋电子源的关键材料。再者高性能GaAs阴极材料，材料表面净化工艺和高性能的激活工艺是影响负电子亲和势GaAs光电阴极光电发射性能的主要因素，通过不同制备工艺制备出更高性能的NEA GaAs光电阴极成为很多专家学者的研究工作。
[0003]在实际应用中，一般使用透射式结构的光电阴极，结合光电倍增器件可以构成像增强器等真空探测器件。在这种应用模式下，更高性能的光电阴极的制备的需求则越来越大。为提高GaAs光电阴极材料的光电发射性能，其设计思想先后经历了由无掺杂结构到均匀掺杂结构再到变掺杂结构的历程，在此基础上，引入表面光电压谱测量并结合当前的梯度掺杂工艺对阴极材料在激活前进行测试，目的是使阴极材料性能的测试能够不受激活工艺的影响，进一步利用MIS结构的稳态光电压谱测试方法对GaAs光电阴极性能测试，可以更好的改善透射式光电阴极的电子出射效率，因此如何改造MIS结构使其优于当前结构将对阴极性能的提高产生重要影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是针对现有技术的不足，以透射式NEA GaAs光电阴极为例，提供一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的光电阴极，通过改善MIS结构中金属接触电极-氧化铟透明导电玻璃(ΙΤ0玻璃)的增透膜制作工艺，从而改变GaAs光电阴极材料表面能带结构，再采用梯度掺杂结构使GaAs光电阴极材料能带弯曲区产生内建电场，该内建电场有利于高浓度区域激发光电子向低浓度区域流动，最终提高GaAs光电阴极的电子出射效率，起到场助发射的作用。
[0005]本发明包括ITO玻璃表面纳米ZnO增透膜制作工艺、梯度掺杂光电阴极材料制备和电子出射效率曲线分析三部分，它是一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，整体结构的特征在于:金属-绝缘层-半导体(MIS)结构中金属接触电极-1TO导电玻璃采用纳米ZnO薄膜作为其增透膜、绝缘层材料选用云母片，梯度掺杂透射式GaAs光电阴极由GaAs保护层、GaAlAs窗口层、GaAs发射层、GaAlAs阻挡层以及GaAs衬底五个部分组成。
[0006]进一步的,所述金属接触电极采用ITO导电玻璃,其增透膜采用纳米ZnO薄膜。[0007]进一步的，所述绝缘层材料采用云母片。
[0008]进一步的，所述透射式GaAs光电阴极采用梯度的方式进行掺杂，发射层分为8个层，厚度为4微米，浓度从后界面的IO21CnT3变化到发射层表面的1016cm_3。
[0009]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0010](I)本发明采用一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，与当前传统工艺制备出的透射式GaAs光电阴极相比，利用梯度掺杂使得载流子在不同的掺杂浓度区域交界处，掺杂浓度高的一方多数载流子将会往掺杂浓度低的一方扩散，形成一个内建电场，使更多的光生电子输运到阴极表面势垒层底部，通过电场加速电子增强了电子溢出的能量，使其克服半导体表面势垒从而产生电子发射，场助发射提高了电子出射效率。
[0011](2)纳米ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂；与普通ITO导电玻璃的增透膜相比，纳米ZnO薄膜尤其是AZO膜，具有优异的透明导电性能，且无毒性，价格低廉易得，稳定性高，可以起到替代ITO薄膜的作用；纳米ZnO薄膜更能有效增加透射光强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极示意图；
[0013]图2为电子出射效率实验曲线图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0015]图1为本发明的基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极示意图，它整体结构是由金属接触电极-1TO导电玻璃1、云母片2，GaAs保护层3、GaAlAs窗口层4、GaAs发射层5、GaAlAs阻挡层6以及GaAs衬底7、ITO导电玻璃8组成。金属接触电极-1TO导电玻璃的增透膜选用纳米ZnO薄膜。纳米ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本且易于实现掺杂；与普通ITO导电玻璃的增透膜相比，纳米ZnO薄膜具有优异的透明导电性能，且无毒性，价格低廉易得，稳定性高，可以起到替代ITO薄膜的作用；纳米ZnO薄膜更能有效增加透射光强度。
[0016]绝缘层选择云母片，半导体材料为GaAs光电阴极材料,最后一层的ITO导电玻璃相当于导电接触电极，当金属-绝缘层-半导体(MIS)结构的三种材料接触时，电子将利用绝缘层中的可动离子从ITO玻璃流向半导体中，会在P型GaAs材料的表面形成带负电的空间电荷层，而在ITO表面产生正电荷，这些正电荷在绝缘层和GaAs表面层内将产生指向阴极材料内部的电场，使得GaAs阴极材料表面的能带向下弯曲，同时GaAs阴极材料内部的费米能级向上提高，有利于电子到达阴极材料，经过实验验证，该MIS结构能够获得较好的信号幅度和重复测量精度。
[0017]GaAs光电阴极发射层分为8个层，掺杂浓度从后界面的IO21cnT3变化到发射层表面的1016cnT3，厚度为4微米。当用能量大于GaAs材料禁带宽度的光子照射GaAs阴极材料时，会引起电子能带跃迁产生电子空穴对，光生电子空穴对在材料体内的扩散将引起表面能带弯曲区的变化，，从而引起ITO玻璃上的感生电荷变化，当用斩波光照射GaAs阴极材料时，顶部和底部的ITO玻璃上感生电压的变化表示材料是由于光照引起的GaAs阴极材料光生载流子扩散和重新分配的结果，同时也和表面功函数变化成一定的比例，表面能带的变化以及材料表面光生载流子的扩散和重新分配加剧电子更加容易的越过顶层ITO导电玻璃和绝缘层，最终到达阴极的光生电子增多，在同等时间内出射的电子也随之增多，这样便提高了电子的出射效率。
[0018]图2是电子出射效率实验曲线图。从曲线可知，电子出射效率可以达到75%，与原有技术相比大大提高，说明利用纳米ZnO薄膜作为金属接触电极-1TO导电玻璃的增透膜这一方法可以很大程度改善MIS结构的性能，另一方面由于采用了梯度掺杂的方式，在不同掺杂层间产生内建电场，通过内建电场加速电子增加了电子能量，使其能克服半导体表面势垒从而产生发射，起到了场助发射的作用，这样做则进一步提高了电子出射效率。
【权利要求】
1.一种基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，整体结构的特征在于:它是由金属接触电极-1TO导电玻璃(I)、云母片⑵，GaAs保护层(3)、GaAlAs窗口层(4)、GaAs发射层(5)、GaAlAs阻挡层(6)以及GaAs衬底(7)、ITO导电玻璃⑶组成。
2.根据权利要求1所述的基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，其特征在于:所述金属接触电极-1TO导电玻璃(I)采用纳米ZnO薄膜作为其增透膜。
3.根据权利要求1所述的基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，其特征在于:所述绝缘层材料为云母片。
4.根据权利要求1所述的基于梯度掺杂纳米ZnO薄膜场助发射的透射式GaAs光电阴极，其特征在于:所述光电阴极的发射层采用梯度掺杂的方式，发射层(5)分为8层，厚度为4微米，浓度从后界面的IO21CnT3变化到发射层表面的1016cm_3。
【文档编号】H01J1/308GK103887125SQ201410076312
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】陈亮, 沈洋, 周占春, 金尚忠, 沈为民, 徐苏楠, 董艳燕, 杨凯, 钱芸生, 常本康, 周木春, 孙彩霞 申请人:中国计量学院