[实用新型]一种新型变组分变掺杂反射式MIS结构GaN光电阴极

说明书

技术领域

本发明属于固体物理学领域，具体涉及一种变组分变掺杂反射式MIS结构GaN光电阴极设计。

背景技术

GaN光电阴极具有量子效率高、暗发射小等优点，是一种非常优良的紫外光电阴极，结合电子倍增器件可构成光电倍增管、像增强器等真空探测或成像器件；同时，GaN光电阴极具有发射电子能量集中、自旋极化率高、发射电流密度大等优点，是一种性能优良的冷电子源，在紫外通信、电子加速器、同步辐射光源和电子束曝光等众多领域有着极大的应用需求。

目前，随着阴极材料水平和MOCVD外延生长技术不断发展，GaN光电阴极的量子效率有了明显的提高。GaN光电阴极的量子效率很大程度上取决于阴极结构的本身。不断优化GaN阴极的结构是提高其量子效率的主要方法。与透射式光电阴极相比，反射式结构简单，能获得更高的量子效率。在常用的GaN光电阴极反射式“发射层-衬底”模式之下，增加GaN缓冲层可以缓解反射层和衬底由于材料不匹配对发射效率的影响，GaN缓冲层掺杂浓度的提高会导致晶格缺陷增加，电子的复合中心增加，从而减小电子的寿命，导致电子扩散长度的减小，同时引起表面能带弯曲量的提高以及表面势垒厚度的降低，导致GaN光电阴极量子效率的降低。通过实验结果分析，发现GaN缓冲层变组分变掺杂的方法可以降低由于晶格不匹配引起的缺陷，增加电子扩散长度，增加光生电子的逸出概率，获得高量子效率。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的反射式GaN光电阴极结构的不足，提供一种新型变组分变掺杂反射式MIS结构GaN光电阴极来获得稳定性更好以及更高量子效率的负电子亲和势GaN光电阴极。

本发明提供的新型变组分变掺杂反射式MIS结构GaN光电阴极，该阴极自上而下由两块ITO导电玻璃、无水乙醇、Cs/O激活层、发射层、Al_xGa_1-xN缓冲层、C面蓝宝石衬底组成。

所述的两块ITO导电玻璃分别置于前端和后端，前端传递信号，后端接地，充当导电接触电极；

所述的无水乙醇充当绝缘层；

所述的GaN发射层采用m层浓度由外表面到内表面逐渐增加梯度掺杂方式，m的取值范围1＜n＜10，掺杂元素为Mg元素，掺杂浓度由1x10²¹cm^-3到1x10¹⁹cm^-3依次渐变；

所述的Al_xGa_1-xN缓冲层由n个P型Al_xGa_1-xN外延材料构成的单元层组成，n的取值范围2＜n＜15，Al的含量范围x介于1到0.24之间，各单元层掺杂含量依次1x10¹⁹cm^-3到1x10¹⁶cm^-3梯度渐变；

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型采用一种Al_xGa_1-xN变掺杂变组分反射式MIS结构GaN光电阴极。与普通的均匀掺杂的缓冲层结构的反射式GaN光电阴极相比，首先具有变Al组分Al_xGa_1-xN缓冲层的结构使得反射式GaN'光电阴极缓冲层和GaN发射层有较高的晶格匹配度，由于变Al组分Al_xGa_1-xN缓冲层多层结构的引入使在缓冲层生长过程中引入应变应力，消除了外延GaN层中的残余应力的影响，降低了GaN外延层的位错密度减少了裂缝，从而大大提高了GaN缓冲层的质量。另一方面，利用浓度渐变的梯度掺杂，与常用的均匀掺杂浓度相比降低了总体平均掺杂浓度，再者Mg具有表面活性剂的作用，通过降低外延层表面能而改变Al元素的表面活性，减小外延薄膜中的位错密度，进一步提高缓冲层的质量。

(2)利用发射层梯度掺杂结构，使得表面发射层内掺杂浓度由上到下渐变，可以在掺杂浓度不同的界面产生的能带弯曲区引入内建电场，多个内建电场的引入使得光生电子加速向衬底运动并获得了更高的能量隧穿表面势垒逸出。另一方面与常用的均匀掺杂浓度降低了总体平均掺杂浓度，从而加大了电子的扩散长度；增加光生电子的逸出概率的方式来提高阴极的量子效率。

附图说明

图1为一种新型变组分变掺杂反射式MIS结构GaN光电阴极示意图；

具体实施方式

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。

图1为一种新型变组分变掺杂反射式MIS结构GaN光电阴极示意图，它整体结构是由第一ITO导电玻璃(1)、无水乙醇(2)、Cs/O激活层(3)、发射层(4)、Al_xGa_1-xN缓冲层(5)、C面蓝宝石衬底(6)、以及第二ITO导电玻璃(7)组成。第一ITO导电玻璃(1)和第二ITO导电玻璃(7)分别置于前端和后端，前端传递信号，后端接地，充当导电接触电极；GaN发射层(4)采用m层浓度由外表面到内表面逐渐增加梯度掺杂方式，m的取值范围1＜n＜10，掺杂元素为Mg元素，掺杂浓度由1x10²¹cm^-3到1x10¹⁹cm^-3依次渐变；Al_xGa_1-xN缓冲层(5)由n个P型Al_xGa_1-xN外延材料构成的单元层组成，n的取值范围2＜n＜15，各单元层自下而上Al的含量x从1到0.24逐渐增加，各单元层掺杂含量依次1x10¹⁹cm^-3到1x10¹⁶cm^-3梯度渐变；Al_xGa_1-xN缓冲层(5)通过有机化合物气相外延法(MOCVD)生长在蓝宝石衬底上，这种结构的优点在于：①由于变Al组分的Al_xGa_1-xN材料的晶格常数随着Al组分的减小而逐渐减少，因此，随着Al组分的逐渐减少，变Al组分的Al_xGa_1-xN材料的晶格常数也随着其自下而上的减少，能自然的过渡到GaN发射层材料，这样做从很大程度上降低了缓冲层和发射层之间的生长界面的应力，梯度掺杂能进一步改变Al元素的表面活性，减小外延薄膜中的位错密度，进一步提高缓冲层的质量。②利用发射层梯度掺杂结构，可以在掺杂浓度不同的界面产生的能带弯曲区引入内建电场，多个内建电场的引入使得光生电子加速向衬底运动并获得了更高的能量隧穿表面势垒逸出。另一方面与常用的均匀掺杂浓度降低了总体平均掺杂浓度，加大了电子的扩散长度，从而通过增加光生电子的逸出概率的方式来提高阴极的量子效率。