[发明专利]垂直发射GaAs纳米线阵列光电阴极及制备方法

说明书

本发明提供了一种垂直发射GaAs纳米线阵列光电阴极，包括p型GaAs衬底层、p型变掺杂GaAs纳米线阵列发射层、Cs/O激活层；其中p型GaAs衬底层设置于最下方，p型变掺杂GaAs纳米线阵列发射层包括若干设置于p型GaAs衬底层上底面的等厚的带有陷光结构的p型变掺杂GaAs纳米线，Cs/O激活层若干且分别设置于相应的p型变掺杂GaAs纳米线上底面。

技术领域

本发明涉及一种真空光电发射材料技术，特别是一种垂直发射GaAs纳米线阵列光电阴极及制备方法。

背景技术

光电阴极是一种基于外光电效应的光电发射材料，通过在p型半导体材料表面吸附Cs/O₂或Cs/NF₃等低功函数材料实现负电子亲和势(NEA)，提高阴极的量子效率。作为光电阴极最典型的代表，NEAGaAs光电阴极凭借量子效率高、暗发射小、发射电子能量和角度分布集中等众多优良的性能，在像增强器、高速摄影、半导体器件、超晶格功能器件和高能物理等领域获得了广泛的应用。

目前常见的GaAs光电阴极都是基于GaAs外延薄膜，虽然具备单晶质量好、表面均匀的特性，但是薄膜材料的表面反射率较大，体内激发的光电子输运到发射表面距离较长。利用现有的纳米技术，研究人员已经成功地制备了GaAs纳米线阵列结构光电阴极，其具有的表面陷光结构和四周的发射表面可以有效地解决传统薄膜光电阴极材料的不足，降低了反射率和光电子输运距离。但量子效率实验结果表明，GaAs纳米线光电阴极的量子效率仍处于较低水平，主要原因是大部分从线侧面逸出的光电子被相邻的纳米线二次吸收，导致电子收集困难，暴露出电子输运定向性差和发射电子分散的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直发射GaAs纳米线阵列光电阴极，包括p型 GaAs衬底层、p型变掺杂GaAs纳米线阵列发射层、Cs/O激活层；其中p型GaAs 衬底层设置于最下方，p型变掺杂GaAs纳米线阵列发射层包括若干设置于p型 GaAs衬底层上底面的等厚的带有陷光结构的p型变掺杂GaAs纳米线，Cs/O激活层若干且分别设置于相应的的p型变掺杂GaAs纳米线上底面。

采用上述光电阴极，每一p型变掺杂GaAs纳米线为圆柱形，由n个等厚度的子单元层构成，其中n≥2，厚度为3μm～15μm，位于纳米线顶端的子单元层的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，位于纳米线底端与p型GaAs衬底层(1)相连接的子单元层的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，掺杂浓度按照从纳米线的底端到顶端等梯度减小的方式分布，掺杂元素为Zn。

采用上述光电阴极，p型变掺杂GaAs纳米线阵列的直径为100nm～450nm，相邻纳米线的间距为150nm～450nm。

本发明的目的还在于提供一种垂直发射GaAs纳米线阵列光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在GaAs衬底表面上，依次生长等厚度单元分层结构的p型变掺杂 GaAs发射层；

步骤2，将采用改进的Stober法合成的SiO₂纳米球均匀地覆盖在变掺杂GaAs 发射层表面形成单层SiO₂纳米球掩膜层；

步骤3，通过反应离子刻蚀对掩膜层SiO₂纳米球进行预处理，利用耦合等离子刻蚀技术对变掺杂GaAs发射层进行刻蚀，清洗去除SiO₂纳米球掩膜，在衬底层上获得整齐排列的p型变掺杂GaAs纳米线阵列发射层；

步骤4，将p型变掺杂GaAs纳米线阵列发射层经过化学清洗去除表面油脂，再送入超高真空系统进行高温净化处理，使变掺杂GaAs纳米线阵列发射层达到原子级清洁表面，进一步利用超高真空激活工艺在变掺杂GaAs纳米线阵列发射层表面吸附Cs/O激活层，最终制备获得变掺杂GaAs纳米线阵列光电阴极。