[发明专利]一种NEA-GaAs纳米锥阵列光电阴极及制备方法

说明书

本发明公开了一种NEA‑GaAs纳米锥阵列光电阴极及制备方法，所述GaAs纳米锥阵列光电阴极包括衬底层以及位于衬底层表面的纳米锥阵列发射层，所述衬底为Si或者SiC等绝缘薄膜，纳米锥阵列发射层由若干p型GaAs纳米锥组成，并对生长的纳米锥阵列进行Cs/O激活。本发明提出的纳米锥阵列的有效折射率是渐变的，有效地减小了由于空气/GaAs电池界面折射率的不连续引起的光反射，在提高GaAs光电阴极量子效率的同时，降低了入射光角度对于吸收率的影响。

技术领域

本发明属于光电子学领域，具体涉及一种NEA-GaAs纳米锥阵列光电阴极及制备方法。

背景技术

光电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。GaAs作为直接带隙半导体材料，与太阳光谱匹配度好，是一种理想的光电阴极材料。负电子亲和势，即阴极表面真空能级低于导带底能级，使得光激发电子的逸出几率大大增加，因此具有量子效率高、暗电流小、发射电子能量分布集中等独特优点。

一般的GaAs光电阴极均采用薄膜材料制成，薄膜材料具有生长工艺成熟，成膜质量好等优点，但薄膜材料的发射率大，不能充分吸收入射光的能量。无论是光的反射、吸收还是太阳光谱响应，对于薄膜太阳电池来说，陷光结构的设计都是非常重要的，尤其是在阴极薄膜化的发展趋势下，陷光结构就显得更加重要，另外对于光电阴极来说，材料的电子的输运距离对材料的厚度要求与材料对光的吸收深度对材料的厚度要求之间相互矛盾。

纳米锥是一种与纳米线十分相似的陷光结构。这种锥形结构是受到蛾眼眼角膜里周期性的突起阵列启发而制备的一种仿生结构。纳米锥结构的有效折射率是渐变的，可以看作是一种从空气到阴极具有渐变折射率的均匀介质，有效减小了由于空气/GaAs阴极界面折射率的不连续引起的光反射。相同尺寸的纳米锥和纳米线相比，短路电流要高出10％，并且随着入射光的入射角度从0°变换至90°，纳米锥结构的整体光吸收率几乎没有变化，因此相比于纳米线，纳米锥的陷光特性要更为优秀。

目前生长纳米锥阵列主要有直接生长法、电化学腐蚀法、模板法等。其中，直接生长法使用微波等离子体技术直接生长纳米锥结构，这种纳米锥阵列存在一致性(取向、锥角和分布)较差、长径比较小和顶端曲率半径较大等缺点；电化学腐蚀法制备的椎体长径比太小，顶端曲率半径太大，制备工艺复杂，发射稳定性较差，灵敏度低，应用前景不大；模板法是通过在衬底上各向异性腐蚀出倒金字塔模板，然后填充发射层材料，最后腐蚀掉模板的方法。这种结构的椎体长径比和顶端曲率半径都不理想，制备工艺复杂。现有的制作纳米锥的工艺存在着制作复杂、难以大面积实现、应用范围窄以及一致性和可控性差等缺陷。因此我们需要寻找一种适合制备GaAs纳米锥阵列光电阴极的纳米锥生长方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种NEA-GaAs纳米锥阵列光电阴极及制备方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种NEA-GaAs纳米锥阵列光电阴极，包括衬底层以及位于衬底层表面的纳米锥阵列发射层；

所述纳米锥阵列发射层由若干p型GaAs纳米锥组成，p型GaAs纳米锥表面均吸附有Cs/O激活层。

一种制备上述NEA-GaAs纳米锥阵列光电阴极的方法，步骤如下：

步骤1，衬底清洗，将衬底材料顺序地使用丙酮、乙醇以及去离子水清洗；

步骤2，在清洗后的衬底表面上制备Ga液滴，制备温度为600℃-700℃，并自催化生长纳米柱，自催化温度为400℃-600℃；之后将温度降低至400℃，使Ga液滴固化并生长形成GaAs薄膜；

步骤3，通入氢等离子体对样品表面进行预刻蚀；刻蚀条件如下：通入氢气，气体压力为8Torr，样品加热温度为800℃-900℃，偏压为400V，偏流为100mA，时间为25min；

步骤4，将CVD设备中偏压关掉，灯丝电流关掉，重新抽真空10^-2Torr；