基于衬底剥离的透射式AlGaN紫外光电阴极制备方法与流程

本发明是一种基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法，属于紫外探测材料技术领域。

背景技术：

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。由于大气层中臭氧等气体分子的强烈吸收作用和散射作用，太阳辐射（紫外光源）中波长220-280nm间的光波几乎被完全吸收，因此这个谱段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，被称为“日盲区”。紫外探测主要利用的就是日盲区的紫外波段，因为在低空和地面探测到的280nm以下的紫外信号都可以认为是来自人工发射源，例如燃烧的碳氢化合物、火箭及喷气式发动机尾焰、导弹羽焰中都含有大量紫外光信号。因此，紫外探测技术无论在军用还是民用领域都有着广泛的应用价值。

基于光电阴极的紫外真空探测器，真空器件具有响应速度快、噪音低、增益高等优点。作为紫外真空探测器的核心部件，光电阴极的量子效率是决定器件整体性能的最重要因素。基于负电子亲和势(nea)光电发射的gan基紫外光电阴极量子效率能高于70%，更为受到青睐。gan基ⅲ族氮化物材料是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，algan材料随着铝组分的变化，其禁带宽度可以从3.4到6.2ev连续变化，对应的波长从365nm变化200nm，覆盖了日盲区波段，是研制深紫外探测器的理想材料，可实现高度选择性日盲紫外探测。目前国内外报道的紫外光电阴极技术研究主要采用p型gan材料作为光电阴极材料，由于gan禁带宽度为3.4ev,基于gan光电阴极的紫外探测器对波长为200-365nm的紫外光都会产生吸收，不能实现真正意义上全日盲探测（200-280nm）。因此必须采用al组分大于0.4的p型algan光电阴极材料才能实现全日盲紫外探测。然而，由于大尺寸同质的aln单晶衬底不易制备，目前多才采用异质衬底（如蓝宝石、硅、碳化硅等）进行氮化物的外延生长，但在异质衬底上直接外延生长高al组分algan材料，通常具有非常高的缺陷密度，外延层表面起伏大，导致器件性能较差。因此，在生长高al组分algan层前，通常需要进行gan或者aln缓冲层的生长，以改善algan层的晶体质量。透射式algan日盲紫外光电阴极材料，紫外光从衬底背面入射，要求衬底和缓冲层对200-280nm紫外光具有较强的透过率，而si、sic、gan均会强烈的吸收该波段紫外光，因此基于algan日盲紫外光电阴极材料一般采用紫外透过率较高的蓝宝石衬底和aln缓冲层。但是蓝宝石衬底上外延生长aln薄膜非常困难。主要有两方面的原因：(1)al-n键能很强，al原子在生长表面的扩散受到限制，侧向生长速率很低，很难形成二维层状生长；(2)mocvd生长中的al源tmal和nh3之间有强烈的预反应，预反应不但会消耗大量反应剂，而且形成的固体结合物可能会沉积在样品表面而不能够充分分解，导致外延层中杂质的掺入，甚至会造成外延层的多晶生长。为了提高al原子的表面迁移能力，一般会提高mocvd中的生长温度（1200-1500℃），因此对设备电源加热要求较高。由于aln生长的困难，在蓝宝石衬底上生长的aln仍然具有较高的位错密度（>10⁹cm^-2）[j.cryst.growth414(2015)76；j.appl.phys.87(2000)996]。而蓝宝石衬底上生长gan缓冲层则较为容易，生长温度更低（950-1050℃）、生长速率快，外延层的位错密度也更低（比aln缓冲层低2-3个数量级）[j.alloyscompd.633(2015)494–498;appl.phys.lett.88(2006)241917]，但gan缓冲层对深紫外光吸收率高，是制约其在algan紫外光电阴极应用的关键。高缺陷密度的p型algan材料在光电阴极内部形成大量的电子俘获中心，导致载流子扩散长度减少、界面复合速度增加以及电子表面逸出几率降低，造成光电阴极量子效率降低，最终影响探测器的光电灵敏度。因此，在光电阴极的制备过程中采用何种缓冲层工艺，既要能降低algan发射层的缺陷密度，同时保证深紫外光的较高透过率，是制备高灵敏度algan紫外光电阴极的关键。

激光剥离技术（laserliftoff）是将激光投射到透明的衬底上（如蓝宝石，sic衬底）引起gan材料的分解，最终使得衬底与外延材料相互分离的一项技术[phys.stat.sol.(c)6(2003)1627]。在这一技术中，激光的波长要选择合适，激光光子的能量要大于gan的禁带宽度，即要求激光的波长小于364nm，才能被gan强烈吸收。

技术实现要素：

本发明提出的是一种基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法，其目的在于将激光剥离技术应用到透射式algan紫外光电阴极制备工艺中，提出一种基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法，以克服现有技术所存在的algan发射层的缺陷密度过高、深紫外光透过率较低等问题，避免了衬底以及gan材料对紫外光的吸收，获得较高的量子转换效率，制备高性能的algan光电阴极。

本发明的技术解决方案：一种基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法，包括如下步骤：

1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；

2）生长gan剥离层：将衬底转移入mocvd系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量gan剥离层生长；

3）生长p-algan发射层：在高质量gan缓冲层上，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层；

4）石英窗口正面键合：将步骤3的外延材料转移出mocvd系统，清洗表面，在algan表面键合石英窗口材料；

5）衬底剥离：将步骤4的材料转移入激光剥离设备中，利用激光分解技术将gan层彻底分解，剥离衬底；

6）cs或cs/o层激活：石英窗口为背面，algan为正表面，利用化学清洗和高能电子束轰击去除阴极材料表面的吸附物，将algan光电阴极材料转移入超高真空系统中，在algan表面进行cs或者cs/o层激活。

本发明的有益效果：

（1）采用gan代替aln作为紫外光电阴极缓冲层，降低了缓冲层生长难度，极大的提高了p型algan发射层的晶体质量，有利于制备更高灵敏度的光电阴极；

（2）采用缓冲层激光分解技术，充分分解gan层，实现衬底剥离，可以避免衬底和缓冲层对紫外入射光线的吸收，保证了光电发射层对紫外光线的高效探测；

（3）激光剥离的衬底可以重复使用，经济节约。

（4）发挥gan缓冲层外延工艺简单、晶体质量高的优势，将缓冲层激光分解技术应用到algan紫外光电阴极的制备中，具有重要的创新性。

附图说明

附图1是基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法流程图。

附图2是衬底剥离前algan紫外光电阴极材料结构图。

附图3是衬底剥离后algan紫外光电阴极材料结构图。

其中，s1-s6为步骤1-6,10为衬底，20为gan缓冲层、30为p-algan发射层，40为石英窗口，50为c、cs/o激活层。

具体实施方式

一种基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法，包括如下步骤：

1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；

2）生长gan剥离层：将衬底转移入mocvd系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量gan剥离层生长；

3）生长p-algan发射层：在高质量gan缓冲层上，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层；

4）石英窗口正面键合：将步骤3的外延材料转移出mocvd系统，清洗表面，在algan表面键合石英窗口材料；

5）衬底剥离：将步骤4的材料转移入激光剥离设备中，利用激光分解技术将gan层彻底分解，剥离衬底；

6）cs或cs/o层激活：石英窗口为背面，algan为正表面，利用化学清洗和高能电子束轰击去除阴极材料表面的吸附物，将algan光电阴极材料转移入超高真空系统中，在algan表面进行cs或者cs/o层激活。

步骤1）中所述的衬底是蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓单晶中的一种。

步骤2）中所述的gan剥离层的厚度为0.5μm-5μm。

步骤3）中所述p-algan光电发射层厚度为50-200nm，al组分≥0.4，mg掺杂浓度范围为10¹⁸cm^-3-10¹⁹cm^-3。

步骤4）中所述石英窗口材料厚度为2mm-5mm。

步骤5）中所述的激光剥离技术采用的激光波长范围为300nm-360nm。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如附图1所示，一种基于衬底剥离的透射式algan紫外光电阴极制备方法，包括如下步骤：

1）准备材料：取一生长氮化物的衬底；

2）生长gan剥离层：将衬底转移入mocvd系统，对衬底依次进行高温烘烤、成核层生长、高质量gan剥离层生长；

3）生长p-algan发射层：在高质量gan缓冲层上，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层；

4）石英窗口正面键合：将步骤3的外延材料转移出mocvd系统，清洗表面，在algan表面键合石英窗口材料；如附图2所示。

5）衬底剥离：将步骤4的材料转移入激光剥离设备中，利用激光分解技术将gan层彻底分解，剥离衬底；如附图3所示。

6）cs或cs/o层激活：石英窗口为背面，algan为正表面，利用化学清洗和高能电子束轰击去除阴极材料表面的吸附物，将algan光电阴极材料转移入超高真空系统中，在algan表面进行cs或者cs/o层激活。

实施例1

取一双面抛光蓝宝石衬底10，将衬底转移入mocvd系统，对衬底高温1100℃氢气氛围中烘烤5分钟，降温至600℃进行20nmgan成核层生长；进一步升温至1050℃进行高质量gan缓冲层20生长，生长厚度为2μm；

其次在高质量gan缓冲层上，提高生长温度至1080℃，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层30，厚度100nm，al组分0.4，mg掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3；

然后，降温至室温，将外延材料转移出mocvd系统，分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗表面脏污，在algan发射层上键合石英窗口材料40，石英窗口材料厚度为2mm；

然后，将材料转移入激光剥离设备中，利用波长325nm的激光器，聚焦分解gan层20，10分钟后gan彻底分解，剥离衬底10；

最后，对剥离衬底的光电阴极材料进行化学清洗，将algan光电阴极材料转移入真空度优于10^-8pa量级的超高真空系统中，利用高能电子束轰击algan表面，去除表面吸附的碳、氢、氧等杂质，获得原子级洁净的表面，在algan表面进行cs或者cs/o层50激活，厚度为一个单原子层，最终获得高量子效率的透射式algan紫外光电阴极。

实施例2

首先，取一硅衬底10，将衬底转移入mocvd系统，对衬底高温1100℃氢气氛围中烘烤5分钟，降温至600℃进行20nmaln成核层生长；进一步升温至1050℃进行高质量gan缓冲层20生长，生长厚度为5μm；

其次在高质量gan缓冲层上，提高生长温度至1080℃，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层30，厚度70nm，al组分0.5，mg掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3；

然后，降温至室温，将外延材料转移出mocvd系统，分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗表面脏污，在algan发射层上键合石英窗口材料40，石英窗口材料厚度为4mm；

然后，将材料转移入激光剥离设备中，利用波长325nm的激光器，聚焦分解gan层20，20分钟后gan彻底分解，剥离衬底10；

最后，对剥离衬底的光电阴极材料进行化学清洗，将algan光电阴极材料转移入真空度优于10^-8pa量级的超高真空系统中，利用高能电子束轰击algan表面，去除表面吸附的碳、氢、氧等杂质，获得原子级洁净的表面，在algan表面进行cs或者cs/o层50激活，厚度为一个单原子层，最终获得高量子效率的透射式algan紫外光电阴极。

实施例3

首先，取一碳化硅衬底10，将衬底转移入mocvd系统，对衬底高温1100℃氢气氛围中烘烤5分钟，降温至900℃进行60nmaln成核层生长；进一步升温至1050℃进行高质量gan缓冲层20生长，生长厚度为1.5μm；

其次在高质量gan缓冲层上，提高生长温度至1080℃，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层30，厚度150nm，al组分0.4，mg掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

然后，降温至室温，将外延材料转移出mocvd系统，分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗表面脏污，在algan发射层上键合石英窗口材料40，石英窗口材料厚度为5mm；

然后，将材料转移入激光剥离设备中，利用波长355nm的激光器，聚焦分解gan层20，10分钟后gan彻底分解，剥离衬底10；

最后，对剥离衬底的光电阴极材料进行化学清洗，将algan光电阴极材料转移入真空度优于10^-8pa量级的超高真空系统中，利用高能电子束轰击algan表面，去除表面吸附的碳、氢、氧等杂质，获得原子级洁净的表面，在algan表面进行cs或者cs/o层50激活，厚度为一个单原子层，最终获得高量子效率的透射式algan紫外光电阴极。

实施例4

首先，取一氮化镓单晶衬底10，将衬底转移入mocvd系统，对衬底高温1000℃氨气氛围中烘烤5分钟，降温至900℃进行20nmgan成核层生长；进一步升温至1050℃进行高质量gan缓冲层20生长，生长厚度为0.5μm；

其次在高质量gan缓冲层上，提高生长温度至1080℃，生长p型mg掺杂的高铝组分algan光电发射层30，厚度200nm，al组分0.4，mg掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

然后，降温至室温，将外延材料转移出mocvd系统，分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗表面脏污，在algan发射层上键合石英窗口材料40，石英窗口材料厚度为5mm；

然后，将材料转移入激光剥离设备中，利用波长355nm的激光器，聚焦分解gan层20，10分钟后gan彻底分解，剥离衬底10；

最后，对剥离衬底的光电阴极材料进行化学清洗，将algan光电阴极材料转移入真空度优于10^-8pa量级的超高真空系统中，利用高能电子束轰击algan表面，去除表面吸附的碳、氢、氧等杂质，获得原子级洁净的表面，在algan表面进行cs或者cs/o层50激活，厚度为一个单原子层，最终获得高量子效率的透射式algan紫外光电阴极。