一种基于ScxAl1-xN插入层的紫外光电阴极及其制备方法与流程

本发明属于紫外探测材料，特别涉及一种algan紫外光电阴极及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着信息技术的发展和半导体制造工艺的日渐成熟，紫外探测技术已经成为继红外和激光探测之后的又一军民两用的光电探测技术。利用200-280nm范围内的紫外光波段被大气中分子散射、臭氧吸收而不能射向地表的自然特性，开展日盲区光探测技术的研究，对于提高紫外探测效率、降低背景干扰，有着十分重要的意义。

2、algan光电阴极具有光谱可调节、性质稳定、抗福射、耐高温及电子能量分布集中等优点，已经成为日盲探测技术中具有较大发展潜力的光电转换器件之一。众所周知，原位生长的非故意掺杂的algan材料表现为n型，利用si原子进行掺杂，很容易尽可以实现高浓度的n型。相比之下，实现p型algan材料却困难的多。algan材料的p型是通过mg掺杂实现的，mg在氮化物中是深受主，并且mg的离化能为125-215mev，导致只有小部分掺杂的mg可以在室温下被激活，从而导致p型导电率低，通常空穴浓度总是比掺杂的mg浓度低至少一个数量级以上。此外，在algan进行mg的重掺杂会由于形成类施主缺陷而受到自补偿，也就是说，在室温下，mg的掺杂浓度约为1019cm-3，当空穴浓度达到最大值约为1018cm-3后，空穴浓度反而会随着mg掺杂浓度的增加而下降。另一方面，随着algan材料中al组分的提高，材料带隙增大，获得高载流子浓度的p型algan更加困难，这也是影响algan光电阴极性能的主要因素之一。因此，要提高algan材料的光电性能，提高mg的离化率，进一步增大空穴浓度是非常重要的。

3、2021年，电子科技大学提出了一种具有超晶格结构电子发射层的algan/gan光电阴极结构(参见发明专利申请“一种具有超晶格结构电子发射层的algan/gan光电阴极”，申请号为20210701308.9)，超晶格结构具有良好的半导体特性，如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展为能带，能带的宽度和位置与势垒的深度、宽度和势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。以algan/gan超晶格结构作为电子发射层，利用algan/gan异质结界面处的极化电场使得能带发生周期性震动，并在杂质能级低于费米能级的地方使mg离化，从而实现空穴浓度的提高，此外，由于mg离化依赖的是极化电场，因此在低温时也可以保持较高的空穴浓度。

4、上述专利中提到的具有algan/gan超晶格结构的光电阴极虽然可以很好的利用异质结之间的极化电场提高空穴浓度，但是根据上述专利中的结构介绍，专利中设计的algan/gan超晶格具有4-30个周期，每个周期中的algan和gan厚度均为5nm-10nm，这样的结构在利用mocvd进行生长过程中主要是通过严格控制生长速率来控制生长厚度的，因此，为了精确的把控超晶格各层的生长厚度，同时，获得更加平整的异质结界面，需要严格控制每一层的生长速率。这就导致该超晶格结构的生长精度控制难度较大，对材料生长要求较高。此外，生长多个周期的超晶格结构不仅生长时间较长，而且成本高，不利于大规模的生产应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于scxal1-xn插入层的紫外光电阴极及其制备方法，能够降低algan光电阴极p型掺杂难度，提高载流子浓度和光电转换效率，同时具有便于生长的优势。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于scxal1-xn插入层的紫外光电阴极，包括依次层叠的衬底层、缓冲层、发射层和激活层。

3、所述的发射层采用alyga1-yn/scxal1-xn/alyga1-yn结构，即两层alyga1-yn发射层之间间隔有scxal1-xn插入层。

4、所述alyga1-yn发射层的掺杂浓度为2×1018～7×1018cm-3，厚度为20～40nm，其中al含量y的调整范围为0.35-0.42。

5、所述scxal1-xn的厚度为10～15nm，其中sc含量x的调整范围为0.1-0.4。

6、所述的衬底层采用蓝宝石衬底。

7、所述的缓冲层采用aln缓冲层，厚度为200～500nm。

8、所述的激活层采用cs/o激活层，厚度为3～8个原子层。

9、本发明还提供上述基于scxal1-xn插入层的紫外光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤一，将蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2torr；再向反应室通入氢气，在mocvd反应室压力达到为20torr-400torr条件下，将衬底加热到温度为900℃-1200℃，并保持5min-10min，完成对衬底基片的热处理；

11、之后，将热处理后的衬底置于温度为1000℃-1300℃的反应室，通入流量为3000sccm-4000sccm的氨气，持续3min-5min进行氮化；

12、步骤二，在氮化后的衬底上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃-1100℃的条件下，同时通入流量为3000sccm-4000sccm的氨气和流量为120sccm-200sccm的铝源，生长厚度为200nm-500nm的aln缓冲层；

13、步骤三，在aln缓冲层上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃-1100℃的条件下，保持压力为20torr-60torr生长厚度为20nm-40nm的alyga1-yn发射层，生长过程中氮源的流量保持在2500sccm-3000sccm，镓源流量为40sccm-180sccm，铝源流量为120sccm-200sccm，同时通入流量为100sccm-300sccm的镁源作为p型掺杂源；

14、步骤四，在alyga1-yn发射层上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃-1100℃的条件下，保持压力为20torr-60torr生长厚度为10nm-15nm的sc0.1al0.9n插入层，生长过程中氮源的流量保持在2500sccm-3000sccm，钪源流量为50sccm-80sccm，铝源流量为150sccm-180sccm，同时通入流量为100sccm-300sccm的镁源作为p型掺杂源；

15、步骤五，在scxal1-xn插入层上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃-1100℃的条件下，保持压力为20torr-60torr生长厚度为20nm-40nm的alyga1-yn发射层，生长过程中氮源的流量保持在2500sccm-3000sccm，镓源流量为40sccm-180sccm，铝源流量为120sccm-200sccm，同时通入流量为100sccm-300sccm的镁源作为p型掺杂源；

16、步骤六，在alyga1-yn发射层上沉积cs/o激活层。

17、本发明的有益效果是：

18、1)由于scaln材料的极化效应要比algan材料强，从而使得scaln/algan异质结的价带边缘会出现周期性震荡，当杂质能级向下弯曲低于费米能级时，mg受主在这个地方特别容易发生离化，从而导致空穴浓度显著提高。相比于以纯algan材料作为发射层的紫外光电阴极来说，基于scxal1-xn插入层的紫外光电阴极中的空穴浓度至少可以提高约50％。

19、2)利用scxal1-xn材料较强的极化效应，有利于促进电子和空穴波函数的分离，减少电子和空穴复合，降低载流子在输运过程中的损失，提高载流子的逸出几率。同时，结合空穴浓度的提升，至少可以将光电阴极的量子效率提高20％。