[发明专利]基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极

说明书

技术领域

本发明涉及紫外探测材料技术领域，具体涉及一种基于衬底图形化、Ш－Ⅴ族化合物材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极。

 

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紫外器件得到了快速发展。GaN紫外光电阴极是一种高性能的电子发射材料，能通过外光电发射（电子发射）实现对紫外光的高灵敏探测。由于GaN紫外光电阴极具有负电子亲和势（NEA）表面，因此与传统正电子亲和势紫外光阴极以及固体紫外探测器件相比，GaN 紫外光电阴极具有量子效率高、暗发射小、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，在紫外探测及真空电子源领域具有极大的应用潜力。

目前，高质量的GaN材料一般通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在蓝宝石衬底上外延生长。由于蓝宝石衬底材料与GaN材料的晶格常数和热膨胀系数差异较大，直接外延生长难以获得高质量的GaN外延材料，因此一般会首先在蓝宝石衬底上外延生长一定厚度的缓冲层，然后再在缓冲层上生长GaN外延层。这种方法尽管可以明显提高GaN外延层的质量，但仍然存在蓝宝石衬底与缓冲层之间的晶格常数和热膨胀系数差异，由此导致缓冲层材料和GaN材料的外延质量不够理想，影响器件的性能。对于透射式GaN紫外光电阴极，缓冲层材料一般选取禁带宽度大于GaN材料、且与GaN材料晶格常数相近（晶格相互匹配）的AlN或者Al_xGa_1-x N，并且要求缓冲层的厚度不能太厚，以减小缓冲层对紫外光的吸收损失。由于蓝宝石和AlN材料在a轴方向的晶格常数分别是0.4758nm和0.3112nm，晶格差异较大，因此在外延过程中较大的晶格差异会在缓冲层中引入位错缺陷，它们充当非辐射复合中心，增加了缓冲层与GaN发射层之间的后界面复合速率，从而不利于GaN发射层内光生载流子的提高与输运。

同时，对于透射式GaN紫外光电阴极，在工作时紫外光首先从蓝宝石衬底入射，经过缓冲层后再到达GaN光电发射层，因此蓝宝石衬底入射表面对紫外光的反射损失，会直接降低到达GaN发射层的光子数量，影响GaN阴极最终的量子效率。蓝宝石对紫外光的反射率在20％～30％，如果能降低蓝宝石入射表面对入射紫外光的反射率，就能够提高到达GaN发射层的光子数量，从而提高GaN阴极的量子效率。

 

发明内容

针对现有蓝宝石衬底与AlN/Al_xGa_1-x N缓冲层的晶格常数、热膨胀系数不匹配、缓冲层与GaN发射层界面特性不够理想、蓝宝石衬底光入射表面存在较大的紫外光反射损失的现状，本发明提供了一种基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极。

本发明提供的基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由蓝宝石衬底、AlN/Al_xGa_1-x N缓冲层、p型GaN光电发射层以及Cs或Cs/O 激活层组成；所述蓝宝石衬底的上表面均布设有m个凹孔Ⅰ，10²≤m≤10⁴，蓝宝石衬底的下表面均布设有n个凹孔Ⅱ，10²≤n≤10⁴。

进一步，所述蓝宝石衬底上的凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ为倒锥V形、倒锥金字塔形和圆桶形中的任一种结构。

进一步，所述凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ的横向最大尺寸在0.5～5μm，凹孔Ⅰ和凹孔Ⅱ的深度在0.5～2μm，相邻凹孔Ⅰ之间的间距以及相邻凹孔Ⅱ之间的间距在0.5～5μm。

进一步，所述AlN/Al_xGa_1-x N缓冲层的厚度在0.5～2.5μm。

进一步，所述p型GaN光电发射层内的p型掺杂浓度的范围控制在10¹⁶～10¹⁹cm^-3，p型GaN光电发射层的厚度控制在100～200nm。

再进一步，所述Cs或Cs/O 激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型GaN光电发射层的表面上。

与现有技术相比，基于双面图形化衬底的透射式GaN紫外光电阴极具有如下优点：