专利名称：基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极的制作方法
技术领域：
本发明涉及紫外探测材料技术领域，具体涉及一种基于AlhGaxN三元化合物Al/ Ga组分控制技术和ΠΙ — V族化合物材料外延技术相结合的基于组分渐变缓冲层的透射式 GaN紫外光电阴极。
背景技术：
近年来，随着GaN材料制备技术、ρ型掺杂技术的完善以及超高真空技术的发展， GaN紫外光电阴极正成为一种新型高性能的紫外光电阴极。GaN紫外光电阴极具有量子效 率高、暗发射小、紫外可见光抑制比高、稳定性好、发射电子能量分布集中等众多优点，在紫 外探测领域具有极大的应用潜力。在实际应用中，一般使用透射式结构的光电阴极，结合电子倍增器件构成紫外光 电倍增管、紫外像增强器等真空探测器件。在这种应用模式下，被探测的光从阴极的背面入 射，所产生的光电子从阴极的前表面发射出去。与反射式光电阴极的“衬底一光电发射层” 的简单结构相比，透射式光电阴极一般为“衬底材料一界面缓冲层一光电发射层”的三层 结构，并要求衬底材料和缓冲层对被探测光透明，且缓冲层的晶格常数和发射层相近，并具 有一定厚度，以尽量降低不同生长材料之间的晶格失配对阴极光电发射效率的影响。蓝宝 石一 AlN缓冲层一 ρ型GaN发射层是常用的透射式GaN阴极材料结构，但AlN与GaN材料 的晶格匹配并不高度一致，存在晶格失配，这会导致AlN与GaN的生长界面存在由晶格应力 导致的位错等缺陷。这些缺陷形成界面复合中心，捕获界面附近产生的光生电子，最终导致 GaN光电阴极光电发射效率的下降。因此，要获得高性能的透射式GaN光电阴极，就必须对 缓冲层与GaN发射层之间的界面质量提出更高的要求。
发明内容
针对现有透射式AlN缓冲层与GaN发射层晶格不匹配以及界面特性不够理想的 现状，本发明提供了一种基于AlhGaxN三元化合物Al/Ga组分控制技术、IH 一 V族化合物 材料外延技术和超高真空表面激活技术相结合，以提高透射式GaN光电阴极缓冲层界面特 性，并最终提高光电阴极的光电发射量子效率的基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光 电阴极。本发明提供的基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上 由双抛光的c面蓝宝石衬底、AlxGai_xN渐变缓冲层、ρ型GaN发射层以及Cs或Cs/Ο激活 层组成；所述AlxGai_xN组分渐变缓冲层由η个ρ型AlxGai_xN外延材料构成的单元层组成， 3彡η彡10，每个单元层厚度在20 lOOnm，AlxGa1^xN组分渐变缓冲层的总厚度在60 500nm ；所述η个单元层由下向上各层中Al组分逐渐降低，且Al组分满足1彡χ 1 >x2>…… xn > 0。进一步，所述ρ型GaN发射层的掺杂浓度控制在1 X IO19CnT3以内。进一步，所述c面蓝宝石衬底的总厚度控制在300 500 μ m之间。
进一步，所述ρ型GaN发射层的总厚度控制在100 200nm之间。与现有技术相比，基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极具有如下优点。
1、本发明采用一种Al组分含量自下而上逐渐降低的AlxGai_xN来设计和制备透射式 GaN紫外光电阴极的缓冲层，利用这种组分渐变模式降低缓冲材料与发射材料之间的生长 界面应力，从而提高透射式GaN紫外光电阴极的界面特性，降低光电子的界面复合速率，最 终提高GaN紫外光电阴极的光电发射量子效率。2、本发明的基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极可以作为一种高性 能真空紫外探测阴极，结合电子倍增器件(如电子倍增极、微通道板)构成紫外光电倍增管、 紫外像增强器等真空器件，应用于紫外生化分析、航空航天探测、紫外告警等领域。
图1为基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图2为基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极的量子效率实验曲线图。
具体实施例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地说明。图1为基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极的结构示意图，如图所示。 基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极自下而上由双抛光的c面蓝宝石衬底1、 AlxGa1^xN渐变缓冲层2、p型GaN发射层3以及Cs或Cs/Ο激活层4组成。AlxGai_xN组分渐 变缓冲层2由η个ρ型AlxGai_xN外延材料构成的单元层组成，3 ^ η ^ 10,每个单元层厚度 在20 lOOnm，AlxGa1^xN组分渐变缓冲层2的总厚度在60 500nm ；η个单元层由下向上 各层中Al组分逐渐降低，且Al组分满足1 ^ xl>x2>……xn ^ O。双抛光的c面蓝宝石衬底厚度300 500 μ m,经过双抛光后c面蓝宝石衬底能获 得高于85%的紫外光透过率，从而提高入射光的利用率。AlxGahN组分渐变缓冲层2可通过金属有机化合物气相外延法(MOCVD)或分子束 外延法(MBE)外延在c面蓝宝石衬底1上。AlxGa1J渐变缓冲层2由多层Al组分含量不同 的ρ型AlxGa1J外延材料构成的单元层组成，每单元层的Al组分含量自下(衬底)而上，逐 渐降低，最终自然过渡到P型GaN发射层3。这种材料的优点在于①AlxGai_xN材料是GaN 材料的三元化合物形式，晶格常数略大于GaN材料，AlxGai_xN作为缓冲层材料，与发射层材 料GaN具有较高的晶格匹配度；②由于AlxGai_xN的晶格常数随着Al组分的减小而逐渐减 小，因此AlxGai_xN中的Al组分自下而上逐渐减少的这种渐变方法使得AlxGa1J材料的晶 格常数也自下而上逐渐减小，最终自然过渡到GaN发射材料，从而在很大程度上降低缓冲 材料与发射材料之间的生长界面应力，提高透射式GaN光电阴极的界面特性，并最终提高 光电阴极的光电发射量子效率。ρ型GaN发射层可通过金属有机化合物气相外延法(MOCVD)或分子束外延法(MBE) 外延在AlxGa1J缓冲层上。ρ型GaN材料的掺杂浓度要适当，控制在1 X 1019cm_3以内，以保 证GaN材料具有较高的电导率以及迁移率，从而有利于光生电子在GaN材料体内的输运效 率。P型GaN发射层的厚度控制在100 200nm以内，以匹配ρ型GaN材料的电子扩散长度以及紫外吸收长度，从而保证短波紫外和长波紫外均能被P型GaN发射层充分吸收并产生 明显的光电发射效应。本发明采用P型AlxGahN组分渐变缓冲层结构来解决缓冲层与GaN发射层之间的 界面复合问题。在C面蓝宝石衬底上首先外延生长P型AlxGahN组分渐变缓冲层材料，在 生长过程中调节Al组分X，使之从1到0，从而形成晶格常数逐渐变小、禁带宽度逐渐变窄、 并最终自然过渡到GaN发射材料的缓冲层结构，这种渐变缓冲层结构能在很大程度上降低 缓冲材料与发射材料之间的生长界面应力，提高透射式 GaN光电阴极的界面特性，并最终 提高光电阴极的光电发射量子效率。采用不同波长的入射光入射到c面蓝宝石衬底，在Cs或Cs/0激活层4的表面逸 出，产生不同的光电发射效应。如图2所示，水平坐标是指波长；垂直坐标是指GaN光电阴 极的量子效率，1代表效率为100%，0. 1代表效率为10%，……0. 001代表效率为0. 1%。从图2可知，透射式GaN阴极具有明显的“门”字响应，短波起始响应波长为262nm， 长波截止波长为375nm，平均量子效率15%，已高于传统的透射式CsTe紫外光电阴极的水 平。所制备的透射式GaN阴极的短波紫外响应和长波紫外响应相当，证明阴极材料的 缓冲层与发射层之间的界面特性良好，没有对短波紫外响应造成影响。曲线拟合结果进一 步表明，缓冲层与GaN发射层之间的界面复合速率为5X104cm/s，达到可以忽略的数量级。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在于该阴极自下而上由双抛光的c面蓝宝石衬底(1)、AlxGa1-x N组分渐变缓冲层(2)、p型GaN发射层(3)以及Cs或Cs/O 激活层(4)组成；所述AlxGa1-xN组分渐变缓冲层(2)由n个p型AlxGa1-xN外延材料构成的单元层组成，3≤n≤10，每个单元层厚度在20～100nm，AlxGa1-xN组分渐变缓冲层(2)的总厚度在60～500nm；所述n个单元层由下向上各层中Al组分逐渐降低，且Al组分满足1≥x1>x2>……xn≥0。
2.根据权利要求1所述的基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极，其特征在 于所述P型GaN发射层(3)的掺杂浓度控制在1 X IO19CnT3以内。
3.根据权利要求1或2所述的基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极，其特 征在于所述c面蓝宝石衬底(1)总厚度控制在300 500 μ m之间。
4.根据权利要求1或2所述的基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极，其特 征在于所述ρ型GaN发射层(3)的总厚度控制在100 200nm之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极，该阴极自下而上由双抛光的c面蓝宝石衬底、AlxGa1-xN组分渐变缓冲层、p型GaN发射层以及Cs或Cs/O激活层组成；AlxGa1-xN组分渐变缓冲层由n个单元层组成，3≤n≤10；n个单元层由下向上各层中Al组分满足1≥x1>x2>……xn≥0。本发明采用一种Al组分含量从1到0逐渐降低的AlxGa1-xN来设计和制备透射式GaN紫外光电阴极的缓冲层，利用这种组分渐变模式降低缓冲材料与发射材料之间的生长界面应力，提高透射式GaN紫外光电阴极的界面特性，降低光电子的界面复合速率，最终提高GaN紫外光电阴极的光电发射量子效率。
文档编号H01L31/101GK101866977SQ20101020943
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者常本康, 杜晓晴, 赵文伯, 钱芸生 申请人:重庆大学