[发明专利]一种GaAs纳米线阵列光阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电发射材料技术领域，具体涉及一种GaAs化合物半导体材料通过干法刻蚀技术得到的纳米线阵列光阴极及其制备方法。

背景技术

光阴极是一种利用外光电效应将光信号转变为电信号的光电发射材料。具有负电子亲和势的GaAs光阴极由于量子效率高、暗发射小、能量和空间分辨率高、发射电流密度大且可实现均匀平面电子发射等众多优点，在光电探测与成像等领域中得到了广泛应用。

一般光阴极均利用薄膜材料制成，薄膜材料具有材料生长工艺成熟，成膜质量好等优点，但薄膜材料反射率较大，材料内层光电子输运到阴极表面的距离远，由于这些制约因素，近年来，其进一步的发展受到了一定限制。纳米线阵列材料刚好可克服薄膜材料的上述不足，减少反射率和光电子的输运距离。在GaAs纳米线阵列的制备和应用方面，国内外近年来开展了一定的研究。伊利诺伊大学香槟分校利用金属辅助化学刻蚀法制备了直径500-1000nm 的GaAs纳米线阵列，加州大学圣地亚哥分校在Si衬底上利用MOCVD异质外延生长了GaAs纳米线阵列，北京邮电大学利用MOCVD在国内首先生长了GaAs纳米线阵列。高质量GaAs纳米线阵列可以通过外延或刻蚀的方法得到，国内外研究者对其在太阳能利用、发光二极管等方面的应用也进行了探索，但对于纳米线阵列光电发射领域，还未见相关报道。GaAs纳米线阵列由于自身优异的光电特性，有望成为新一代基于纳米技术的GaAs 负电子亲和势光电发射材料，对于拓展GaAs光阴极应用领域具有积极意义。

发明内容

针对现有传统薄膜材料在光子吸收和电子输运方面的不足，本发明提供了一种GaAs纳米线阵列光阴极及其制备方法。

本发明的GaAs纳米线阵列光阴极，包括p型GaAs衬底层、GaAs纳米线阵列发射层以及Cs/O激活层，所述p型GaAs衬底层，厚度为200-400μm，p型掺杂浓度(0.5-2)×10¹⁹cm^-3。

上述的GaAs纳米线阵列光阴极，GaAs纳米线直径为1-5μm，高为5-20μm，p型掺杂浓度优先为1×10¹⁹cm^-3，纳米线形状可以是圆形或方形。

本发明的GaAs纳米线阵列光阴极，其制备方法如以下步骤：

1、准备p型GaAs衬底，要求其位错密度低于10³cm^-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3o切割；利用等离子体增强化学气相沉积 （PECVD）技术沉积SiO₂阻挡层，设定反应室气压2000 mTorr，通入SiH₄、N₂O 和N₂气体，流量分别为4 、710 和180 SCCM，衬底温度350℃，沉积时间10-13分钟，在GaAs衬底上沉积形成一层厚度为600-800nm的SiO₂阻挡层；

2、利用匀胶机在沉积有SiO₂阻挡层的GaAs衬底材料上涂上一层厚度为2μm的AZ5214光刻胶，放入烘烤机中，升温到100℃烘烤3分钟，冷却后取出放入光刻机曝光位置，在低真空状态下曝光6秒, 选用JZ 3038正胶显影液进行显影25-35秒，清洗显影液，吹干形成含有纳米线阵列的光刻图像；

    3、用反应离子刻蚀（RIE）技术刻蚀掉已曝光部分的SiO₂，设定反应室气压1850 mTorr 、射频功率（RF）200W，通入SF₆ 、CHF₃ 和He气体，流量分别为5.5、32和150 SCCM，刻蚀8-10分钟，刻蚀完后取出；

4、用感应耦合等离子体刻蚀（ICP）技术刻蚀GaAs衬底材料，设定反应室气压 6 mTorr，通入CL₂、BCL₃气体，流量分别为6 、14 SCCM，刻蚀20-40分钟，在GaAs衬底上形成顶部有光刻胶和SiO₂阻挡层的GaAs纳米线阵列层；

5、将顶部有光刻胶和SiO₂阻挡层的GaAs纳米线阵列材料用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗3分钟，去除GaAs纳米线材料最顶层的剩余光刻胶；

6、再将GaAs纳米线阵列材料浸入体积比为NH₄F:HF = 5:1的BOE腐蚀液中，腐蚀3-4分钟，去除纳米线阵列顶部SiO₂阻挡层，得到GaAs纳米线阵列；