[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

说明书

本发明提供了一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，包括透明输入窗、指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极和金属栅网；指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极前端面紧贴透明输入窗，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极后方一预定距离处设置金属栅网，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极包括衬底、非故意掺杂的AlN缓冲层、p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层、及Cs/O激活层，衬底与透明输入窗紧贴设置，非故意掺杂的AlN缓冲层紧贴于衬底后端面，p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层包括若干GaN纳米线且每一GaN纳米线设置于非故意掺杂的AlN缓冲层后端面，Cs/O激活层裹覆在GaN纳米线表面，金属栅网外接电路形成均匀电网。

技术领域

本发明涉及一种光电发射技术，特别是一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极。

背景技术

负电子亲和势(NEA)GaN光电阴极凭借其量子效率(QE)高、暗电流小、极化率高以及电子发射能量集中等独特优势，应用于高密度自旋极化电子源和紫外探测等领域。但是，光电阴极的发展却局限于薄膜材料，量子效率因光子吸收与电子扩散对材料厚度的矛盾等原因无法取得突破。而纳米材料可以突破薄膜材料的应用限制。纳米线阵列结构具有优异的光学吸收特性，大大地降低了材料表面对光子的反射作用，同时其四周表面结构还兼具短程的电子扩散特性。纳米线阵列的光子吸收与电子输运不依赖与纳米线宽度或直径(等同于薄膜材料的厚度参数)。此外，由于纳米材料的表面效应能更有利于激活原子的吸附，在高温下更难脱附。

相比于GaN薄膜型光电阴极，理论上GaN纳米线光电阴极在量子效率方面具有很大的优势，尤其是变掺杂的GaN纳米线阵列。在对GaN纳米线光电阴极各个面的量子效率研究过程中发现还存在一个问题：当光入射到纳米线阵列中经过反复折射后，被纳米线吸收后逸出的电子的最大收集。纳米线四周侧壁的光电子达不到很好的收集效果导致其量子效率明显低于顶部，主要是因为相邻纳米线的再次吸收。利用指数掺杂的方式可以在纳米线轴向形成一个内建电场，在内建电场的作用下光生载流子会加速向纳米线顶部移动，增加了原本应从纳米线侧壁逸出的光电子在纳米线顶部逸出的几率。虽然在变掺杂结构光电阴极形成的内建电场的作用下，大多数越过表面势垒的光电子会随着电场的牵引迁移至纳米线的顶部，但是还是不乏光电子从纳米线的侧壁以不同角度逸出，从而在纳米线阵列的森林中经历二次反射继而被侧壁重新吸收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，通过内外电场相结合的方式进一步促进少数载流子的定向牵引，提高GaN纳米线阵列光电阴极的量子效率。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极，包括透明输入窗、指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极和金属栅网；指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极前端面紧贴透明输入窗，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极后方一预定距离处设置金属栅网，指数掺杂GaN纳米线阵列光电阴极包括衬底、非故意掺杂的AlN缓冲层、p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层、及Cs/O激活层，衬底与透明输入窗紧贴设置，非故意掺杂的AlN缓冲层紧贴于衬底后端面，p型指数掺杂GaN纳米线阵列光电发射层包括若干GaN纳米线且每一GaN纳米线设置于非故意掺杂的AlN缓冲层后端面，Cs/O激活层裹覆在GaN纳米线表面，金属栅网外接电路形成均匀电网。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)当GaN纳米线阵列结构制备成光电阴极时，光子能量超过带隙的入射光线以一定角度穿过入射窗进入光电阴极表面，会发生“光子捕获效应”，即没有被吸收而透过的光子也会由于反射或折射作用在纳米线阵列森林中最终被吸收掉，提高了光束吸收率；(2)指数掺杂GaN纳米线阵列结构形成的内建电场在光生载流子输运过程中起到加速的作用，可以使得原本应该从侧表面逸出的光生载流子受到力的作用向纳米线顶部输运，提高了纳米线顶部的量子效率；(3)金属栅极和指数掺杂GaN纳米线阵列结构光电阴极之间施加的电压会形成一个均匀的电场，一方面和内建电场一起加速光生载流子的输运，另一方面也可以使得从侧表面逸出的光电子受到力的作用改变原本的运动轨迹，减少了光电子被相邻纳米线吸收的几率，实现了逸出的光电子的最大收集可能。