[发明专利]基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极

权利要求书

1.一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，其特征在于，包括透明输入窗（1）、指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极（2）和金属栅网（3）；其中

指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极（2）前端面紧贴透明输入窗（1），

指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极（2）后方一预定距离处设置金属栅网（3），

指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极（2）包括衬底（21）、非故意掺杂的AlN缓冲层（22）、p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层（23）、及Cs/O激活层（24），

衬底（21）与透明输入窗（1）紧贴设置，

非故意掺杂的AlN缓冲层（22）紧贴于衬底（21）后端面，

p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层（23）包括若干GaN纳米线且每一GaN纳米线设置于非故意掺杂的AlN缓冲层（22）后端面，

Cs/O激活层（24）裹覆在GaN纳米线表面，

金属栅网（3）外接电路形成均匀电网。

2.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述预定距离为0.5~10mm，光电阴极的总厚度为100~1000nm。

3.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述衬底（21）的材料为双面抛光的蓝宝石Al₂O₃。

4.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述非故意掺杂的AlN缓冲层（22）外延生长在衬底（21）上，厚度在10~200nm之间。

5.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层（23）生长在非故意掺杂的AlN缓冲层（22）上，掺杂元素为Mg，掺杂浓度范围为10¹⁶~10¹⁹cm^-3，掺杂浓度从AlN缓冲层和发射层之间的界面到纳米线顶面按指数规律依次减小，所述指数规律依据公式

N(x)=N(0)exp(-Ax)

其中，x是GaN纳米线阵列光电发射层内某点离AlN缓冲层和发射层之间界面的距离，A是指数掺杂系数，N(0)是初始掺杂浓度，N(x)是x处的掺杂浓度。

6.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，指数掺杂GaN纳米线阵列高度在100~200nm之间，p型掺杂GaN纳米线直径为10~100nm，相邻纳米线间距为50~100nm，纳米线阵列截面形状为正方形。

7.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述p型指数掺杂GaN纳米线阵列的制备方法包括以下步骤：

步骤1，在双面抛光的蓝宝石Al₂O₃衬底（21）的表面，通过外延技术生长工艺生长非故意掺杂的AlN缓冲层（22）；

步骤2，利用半导体外延技术以及p型掺杂技术，在非故意掺杂的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaN光电发射层，随后利用紫外纳米压印技术和感应耦合等离子体刻蚀技术相结合的方式获得指数掺杂GaN纳米线阵列结构作为光电阴极的光电发射层；

步骤3，通过化学清洗和热清洗相结合的方式对步骤2获得的指数掺杂的GaN纳米线阵列结构进行清洗净化，去除表面的有机杂质和氧化物，以达到原子级清洁表面；

步骤4，将步骤3获得的具有原子级清洁表面的指数掺杂GaN纳米线阵列结构送入10^-10Torr压力下的超高真空系统中进行Cs源连续、O源断续的激活工艺进行激活，最终形成负电子亲和势表面。

8.根据权利要求7所述的光电阴极，其特征在于，在步骤3中，化学清洗分包括：第一步为化学有机清洗；第二步是无机物清洗。

9.根据权利要求7所述的光电阴极，其特征在于，在步骤3中进行热清洗时，材料表面加热净化的温度为700~900℃，加热时间为10~30分钟。