一种场致电子束泵浦紫外光源的制作方法

本发明涉及半导体发光器件领域，特别是涉及一种场致电子束泵浦紫外光源。

背景技术：

随着科技的发展，紫外光源已广泛应用于杀菌消毒、水净化、微电子光刻和表面改性、生物技术与生化医疗、非视距保密光通讯等国民经济和国防建设领域。

现有的紫外光源多为汞灯或基于algan材料发展的电注入型紫外发光二极管，但它们有各自的问题，为了克服上述问题，人们提出了基于algan材料的电子束泵浦紫外光源，电子束泵浦方式实现algan半导体紫外发光具有以下几个优势：泵浦对象不受半导体材料种类、掺杂类型制约，可以是本征、掺杂的单层或多层材料，也可以是低维结构半导体材料。半导体材料作为靶受到高能电子束轰击，具有很高的载流子增益，而且载流子跃迁速度快、几率也大；高能电子束的作用深度超过传统的电注入式，可以通过增加半导体器件有源层的厚度，获得更高的光输出功率。因此，电子束泵浦方式为改善algan半导体紫外led器件外量子效率，实现大功率输出创造了良好的机遇和广阔的技术空间。

但目前，基于场发射电子源泵浦实现紫外光源的技术仍然处于初级阶段，最主要的问题是其发光功率偏低，难以提高，导致上述问题的根本原因是基于场发射电子源泵浦实现紫外光源的场发射电子源电流密度小，难以提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种场致电子束泵浦紫外光源，以解决现有技术中场发射电子源电流密度小，导致其发光功率偏低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种场致电子束泵浦紫外光源，所述场发射电子源包括第一电极、第二电极、n型gan半导体层、场致发射阴极阵列及第一电源；

所述场发射电子源的外延层由蓝宝石衬底向外依次为所述第二aln缓冲层、所述n型gan半导体层；

所述第一电极与所述第二电极设置于所述n型gan半导体层同一表面且所述第一电极与所述第二电极之间具有空隙，所述第一电极与所述第二电极无直接接触；

所述介质隔离层设置于所述第一电极与所述第二电极表面，且所述介质隔离层为具有开口的层，所述开口与所述空隙相对应；

所述金属栅设置于所述介质隔离层表面，且所述金属栅为具有开口的金属栅，所述开口与所述空隙相对应；

所述场致发射阴极阵列设置于所述空隙中，且所述场致发射阴极阵列与所述n型gan半导体层接触设置；

所述场致发射阴极为具有紫外光敏特性的场致发射阴极；

所述第一电极与所述第二电极分别连接于第一电源的正极与负极。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述第一电极与所述第二电极为梳状或指状的面内有周期性图案的电极；

所述第一电极与所述第二电极构成一组叉指电极。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述叉指电极的指间距的范围为5微米至10微米，包括端点值。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述叉指电极的指宽度的范围为5微米至10微米，包括端点值。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述叉指电极的指长度的范围为100微米至300微米，包括端点值。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述场致发射阴极阵列为一维纳米柱构成的阵列。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述一维纳米柱的直径的范围为30纳米至100纳米，包括端点值。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述一维纳米柱的高度的范围为100纳米至500纳米，包括端点值。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述场致电子束泵浦紫外光源的泵浦材料，还包括网状金属电极，所述网状金属电极设置于所述泵浦材料的泵浦对象层表面，所述网状金属电极与所述场致电子束泵浦紫外光源的隔离柱接触设置；

所述网状金属电极包括网状金属电极引出端。

可选地，在上述场致电子束泵浦紫外光源中，所述场致电子束泵浦紫外光源的金属栅的厚度范围为100纳米至500纳米，包括端点值。

本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源，所述场发射电子源包括第一电极、第二电极、n型gan半导体层、场致发射阴极阵列及第一电源；所述场发射电子源的外延层由蓝宝石衬底向外依次为所述第二aln缓冲层、所述n型gan半导体层；所述第一电极与所述第二电极设置于所述n型gan半导体层同一表面且所述第一电极与所述第二电极之间具有空隙，所述第一电极与所述第二电极无直接接触；所述介质隔离层设置于所述第一电极与所述第二电极表面，且所述介质隔离层为具有开口的层，所述开口与所述空隙相对应；所述金属栅设置于所述介质隔离层表面，且所述金属栅为具有开口的金属栅，所述开口与所述空隙相对应；所述场致发射阴极阵列设置于所述空隙中，且所述场致发射阴极阵列与所述n型gan半导体层接触设置；所述场致发射阴极为具有紫外光敏特性的场致发射阴极；所述第一电极与所述第二电极分别连接于第一电源的正极与负极。所述场致电子束泵浦紫外光源在工作时，产生的光并不是高度集中、向着出光面定向发射的，一些光会在所述场致电子束泵浦紫外光源的腔体内反复反射，最终消耗，而本发明通过将现有技术中的场致发射阴极改进为具有紫外光敏特性的场致发射阴极，使其能够吸收上述未能出射元件的光，并激发出自由载流子，并重新将现有技术中的场发射电子源的电极划分成互不接触的两个电极，工作时在两电极之间施加电压，使上述场致发射阴极阵列处于定向电场之中，迫使上述载流子定向移动，形成电流，增大了场发射电子源的电流密度，进而提高了场致电子束泵浦紫外光源的发光功率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中场致电子束泵浦紫外光源的局部结构示意图；

图2为本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源的一种具体实施方式的局部结构示意图；

图3为本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源的另一种具体实施方式的第一电极与第二电极的结构示意图；

图4为本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源的又一种具体实施方式的结构示意图；

图5为本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源的又一种具体实施方式的网状金属电极的结构示意图；

图6为本发明所提供的场致发射电子束泵浦紫外光源的一种具体实施方式(右)激发蓝光荧光粉的发光亮度与传统场发射电子束泵浦紫外光源(左)激发蓝光荧光粉的发光亮度对比；

图7为本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源的一种具体实施方式的第一电极与第二电极之间施加电压与不施加电压时的电子源电流密度示意图。

具体实施方式

传统的紫外光源以汞灯为代表，但其可移植性差、发光效率低下，重金属环境污染等不足因素，驱动人们寻求一种高效环保型紫外光源作为替代，于是就诞生了一种基于ⅲ族氮化物半导体材料，主要是基于algan材料发展的电注入型紫外发光二极管(led)。

电注入型紫外led较传统紫外光源具有体积小、寿命长、环境友好、预期效率高等诸多优点，备受关注。然而，制约电注入型algan半导体紫外led器件发展的关键因素是外量子效率(eqe)极低。尽管近年来，ⅲ族氮化物半导体紫外led器件的内量子效率不断提高，但是，受到algan材料中载流子注入效率(cie)以及光提取效率(lee)的制约，其外量子效率(eqe)无法得到有效改善。这一点可以从已有的研究结果中得到证实，比如说已有研究表明室温下280nm的algan紫外led的内量子效率已经能够达到70％，但是其外量子效率(eqe)仅能达到3％(j.appl.phys.105,073103,2009和appl.phys.express3,061004,2010)。目前，改善光提取效率是通过增加分布布拉格反射镜、引入图形化衬底微透镜、表面等离激元光场调控等方式，而且也获得了一定的成效。但是，事实上，决定ⅲ族氮化物半导体紫外led器件的外量子效率的关键因素是载流子注入效率(cie)，尤其是空穴注入能力。因为p型algan难于获得高空穴载流子浓度，高空穴迁移率是一直制约着ⅲ族氮化物半导体紫外led器件发展的根源之一。一方面，三元合金algan禁带宽度随着al组分增加而增加，禁带宽度越大，p型algan材料中mg受主激活能越大，在gan中mg受主激活能高达160mev，而在aln中mg受主激活能却高达630mev，这让mg杂质在algan中电离产生空穴难度越来越大；另一方面，mg杂质原子与生长环境中的h原子形成络合物而被钝化，有效激活率低，有研究报道掺mg杂质浓度为10¹⁹/cm³的aln，激活后空穴浓度仅为2×10¹⁰/cm³。其次，algan材料缺乏同质衬底，主流异质外延技术获得的algan材料存在高密度位错，这些位错在电注入型algan半导体紫外led器件工作过程中扮演着非辐射复合中心的角色，也会以产生热量的形式消耗掉大量的载流子。

针对电注入型紫外led的种种问题，人们提出了一种场致电子束泵浦的电激发技术，以期克服电注入型algan半导体紫外led器件外量子效率低的问题。现有技术中的场致电子束泵浦紫外led整体上分为场发射电子源、泵浦材料、隔离柱、真空壳体及外加偏压源，其中，上述泵浦材料从上到下依次为出光窗口及泵浦对象层；上述场发射电子源从上到下依次为金属栅、介质隔离层、场致发射阴极阵列、金属电极、n型gan半导体层、aln缓冲层及衬底；外加偏压源分为两个，一个连接于上述金属栅与上述金属电极，另一个连接于上述金属电极与上述泵浦对象层，现有技术的场致电子束泵浦紫外led的局部结构示意图如图1所示。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种场致电子束泵浦紫外光源，本发明的具体实施方式一的局部结构示意图如图1所示，所述场发射电子源11包括第一电极82、第二电极83、n型gan半导体层84、场致发射阴极阵列81及第一电源33；

所述场发射电子源11的外延层由蓝宝石衬底86向外依次为所述第二aln缓冲层85、所述n型gan半导体层84；

所述第一电极82与所述第二电极83设置于所述n型gan半导体层84同一表面且所述第一电极82与所述第二电极83之间具有空隙，所述第一电极82与所述第二电极83无直接接触；

所述介质隔离层7设置于所述第一电极82与所述第二电极83表面，且所述介质隔离层7为具有开口的层，所述开口与所述空隙相对应；

所述金属栅6设置于所述介质隔离层7表面，且所述金属栅6为具有开口的金属栅，所述开口与所述空隙相对应；

所述场致发射阴极阵列81设置于所述空隙中，且所述场致发射阴极阵列81与所述n型gan半导体层84接触设置；

所述场致发射阴极8为具有紫外光敏特性的场致发射阴极8；

所述第一电极82与所述第二电极83分别连接于第一电源33的正极与负极。

上述场致发射阴极8包括上述场致发射阴极阵列81、上述第一电极82、上述第二电极83、上述n型gan半导体层84、aln缓冲层85及衬底86。

上述场致电子束泵浦紫外光源的真空腔体1为金属或石英材料加工形成的腔体。

上述场致电子束泵浦紫外光源的出光口2为双面抛光的蓝宝石。

上述场致电子束泵浦紫外光源的隔离柱5为石英柱或石英球。

上述场致电子束泵浦紫外光源的介质隔离层7为二氧化硅或氮化硅薄膜。

上述泵浦对象层3，可为为n型alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱有源层；上述n型alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱有源层的si的掺杂浓度的范围为5×10¹⁸cm^-3至1×10¹⁹cm^-3，包括端点值，如5.0×10¹⁸cm^-3、7.8×10¹⁸cm^-3或1.0×10¹⁹cm^-3中任一个；上述n型alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱有源层的周期数的范围为20至50，包括端点值，如20.0、33.0或50.0中任一个。

上述n型alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱有源层的势阱层n-alxga1-xn的厚度范围为1纳米至3纳米，包括端点值，如1.0纳米、2.0纳米或3.0纳米中任一个；上述n型alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱有源层的势垒层n-alyga1-yn的厚度范围为10纳米至20纳米，包括端点值，如10.0纳米、15.6纳米或20.0纳米中任一个。

上述泵浦对象层3也可以为单层n型alxga1-xn层，其厚度范围为200纳米至1000纳米，包括端点值，如300.0纳米、500.3纳米或1000.0纳米中任一个。

上述场致发射阴极阵列81可为多个一维纳米柱构成的阵列，上述一维纳米柱的直径的范围为30纳米至100纳米，包括端点值，如30.0纳米、66.3纳米或100.0纳米中任一个；上述一维纳米柱的高度的范围为100纳米至500纳米，包括端点值，如100.0纳米、365.2纳米或500.0纳米中任一个。

上述场致电子束泵浦紫外光源的n型gan半导体层84具体为n型alxga1-xn层，上述n型alxga1-xn层的si的掺杂浓度的范围为5×10¹⁸cm^-3至1×10¹⁹cm^-3，包括端点值，如5.0×10¹⁸cm^-3、6.2×10¹⁸cm^-3或1.0×10¹⁹cm^-3中任一个；上述n型alxga1-xn层的厚度的范围为500纳米至1000纳米，包括端点值，如500.0纳米、723.3纳米或1000.0纳米中任一个；上述一维纳米柱采用水热法在上述n型alxga1-xn层上生长。

上述场致电子束泵浦紫外光源的金属栅6的厚度范围为100纳米至500纳米，包括端点值，如100.0纳米、421.6纳米或500.0纳米中任一个。

上述场致电子束泵浦紫外光源的介质隔离层7的厚度范围为200纳米至500纳米，包括端点值，如200.0纳米、333.3纳米或500.0纳米中任一个。

上述第一电源33施加于上述第一电极82与上述第二电极83之间的电压的范围为0伏至10伏，包括端点值，如0.0伏、5.6伏或10.0伏中任一个。

作为一种具体实施方式，本具体实施例中第一电源33的正极与第二电极83相连，上述第一电源33的负极与上述第一电极82相连；上述场致电子束泵浦紫外光源的第二电源34的正极与上述金属栅6相连，负极与上述第一电极82相连；上述场致电子束泵浦紫外光源的第三电源35的正极与上述泵浦对象层3相连，负极与上述第二电极83相连。

本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源，所述场发射电子源11包括第一电极82、第二电极83、n型gan半导体层84、场致发射阴极阵列81及第一电源33；所述场发射电子源11的外延层由蓝宝石衬底86向外依次为所述第二aln缓冲层85、所述n型gan半导体层84；所述第一电极83与所述第二电极83设置于所述n型gan半导体层84同一表面且所述第一电极82与所述第二电极83之间具有空隙，所述第一电极82与所述第二电极83无直接接触；所述介质隔离层7设置于所述第一电极82与所述第二电极83表面，且所述介质隔离层7为具有开口的层，所述开口与所述空隙相对应；所述金属栅6设置于所述介质隔离层7表面，且所述金属栅6为具有开口的金属栅，所述开口与所述空隙相对应；所述场致发射阴极阵列81设置于所述空隙中，且所述场致发射阴极阵列81与所述n型gan半导体层84接触设置；所述场致发射阴极8为具有紫外光敏特性的场致发射阴极8；所述第一电极82与所述第二电极83分别连接于第一电源33的正极与负极。所述场致电子束泵浦紫外光源在工作时，产生的光并不是高度集中、向着出光面定向发射的，一些光会在所述场致电子束泵浦紫外光源的腔体内反复反射，最终消耗，而本发明通过将现有技术中的场致发射阴极8改进为具有紫外光敏特性的场致发射阴极8，使其能够吸收上述未能出射元件的光，并激发出自由载流子，并重新将现有技术中的场发射电子源11的电极划分成互不接触的两个电极，工作时在两电极之间施加电压，使上述场致发射阴极阵列81处于定向电场之中，迫使上述载流子定向移动，形成电流，增大了场发射电子源11的电流密度，进而提高了场致电子束泵浦紫外光源的发光功率。

在具体实施方式一的基础上，限定上述具体实施方式中第一电极82与第二电极83的形态，得到具体实施方式二，其第一电极82与第二电极83的俯视结构示意图如图3所示，所述场发射电子源11包括第一电极82、第二电极83、n型gan半导体层84、场致发射阴极阵列81及第一电源33；

所述场发射电子源11的外延层由蓝宝石衬底86向外依次为所述第二aln缓冲层85、所述n型gan半导体层84；

所述第一电极82与所述第二电极83设置于所述n型gan半导体层84同一表面且所述第一电极82与所述第二电极83之间具有空隙，所述第一电极82与所述第二电极83无直接接触；

所述介质隔离层7设置于所述第一电极82与所述第二电极83表面，且所述介质隔离层7为具有开口的层，所述开口与所述空隙相对应；

所述金属栅6设置于所述介质隔离层7表面，且所述金属栅6为具有开口的金属栅，所述开口与所述空隙相对应；

所述场致发射阴极阵列81设置于所述空隙中，且所述场致发射阴极阵列81与所述n型gan半导体层84接触设置；

所述场致发射阴极8为具有紫外光敏特性的场致发射阴极8；

所述第一电极82与所述第二电极83分别连接于第一电源33的正极与负极；

所述第一电极82与所述第二电极83为梳状或指状的面内有周期性图案的电极；

所述第一电极82与所述第二电极83构成一组叉指电极。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同是处在于，限定上述第一电极82与第二电极83为一对叉指电极，其他均与上述具体实施方式相同，在此不做展开赘述。

上述叉指电极的指间距的范围为5微米至10微米，包括端点值，如5.0微米、6.0微米或10.0微米中任一个。

上述叉指电极的指宽度的范围为5微米至10微米，包括端点值，如5.0微米、7.5微米或10.0微米中任一个。

上述叉指电极的指长度的范围为100微米至300微米，包括端点值，如100.0微米、166.4微米或300.0微米中任一个。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式将上述第一电极82与第二电极83限定为可组成叉指电极的电极，叉指电极可大大提升上述第一电极82与上述第二电极83的周长，在保证上述空隙的宽度在合理范围内的前提下，大大提升上述空隙的面积，使上述空隙内可容纳更多上述一维纳米柱，提升元件内部自由载流子数目，进而提高了上述场致电子束泵浦紫外光源的发光效率。

在上述具体实施方式的基础上，进一步对上述场致电子束泵浦紫外光源的泵浦材料22做改进，得到具体实施方式三，其结构示意图如图4所示，所述场发射电子源11包括第一电极82、第二电极83、n型gan半导体层84、场致发射阴极阵列81及第一电源33；

所述场发射电子源11的外延层由蓝宝石衬底86向外依次为所述第二aln缓冲层85、所述n型gan半导体层84；

所述第一电极82与所述第二电极83设置于所述n型gan半导体层84同一表面且所述第一电极83与所述第二电极84之间具有空隙，所述第一电极82与所述第二电极83无直接接触；

所述介质隔离层7设置于所述第一电极82与所述第二电极83表面，且所述介质隔离层7为具有开口的层，所述开口与所述空隙相对应；

所述金属栅6设置于所述介质隔离层7表面，且所述金属栅6为具有开口的金属栅，所述开口与所述空隙相对应；

所述场致发射阴极阵列81设置于所述空隙中，且所述场致发射阴极阵列81与所述n型gan半导体层84接触设置；

所述场致发射阴极8为具有紫外光敏特性的场致发射阴极8；

所述第一电极82与所述第二电极83分别连接于第一电源33的负极与正极；

所述第一电极82与所述第二电极83为梳状或指状的面内有周期性图案的电极；

所述第一电极82与所述第二电极83构成一组叉指电极；

所述场致电子束泵浦紫外光源的泵浦材料22，还包括网状金属电极4，所述网状金属电极4设置于所述泵浦材料22的泵浦对象层3表面，所述网状金属电极4与所述场致电子束泵浦紫外光源的隔离柱5接触设置；

所述网状金属电极4包括网状金属电极4引出端。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，对所述场致电子束泵浦紫外光源的泵浦材料22做了改进，添加了网状金属电极4，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

上述网状金属电极4为通过常规光刻、电子束蒸发或lift-off工艺制备的网状金属电极4，可能为ti/al/ni/au网状电极，其对应的厚度分别为20纳米/100纳米/50纳米/300纳米。

本具体实施方式在对上述泵浦材料22做改进，添加了上述网状金属电极4，并通过上述网状金属电极4引出端使上述泵浦材料22与其他结构电连接。

上述场致电子束泵浦紫外光源在工作时，上述场发射电子源11的电子源源不断地通过电场加速轰击上述泵浦材料22，使上述泵浦材料22发光，但实际工作中，由于半导体材料导电能力有限，轰击在上述泵浦材料22上的电子的数量远大于最终进入泵浦材料22中激发出光子的电子的数量，导致大量电子堆积在上述泵浦材料22表面，使上述泵浦材料22表面积累大量负电荷，阻碍后续场致电子进入上述泵浦材料22，而本具体实施例在上述泵浦材料22表面加设了网状金属电极4，得益于金属电极优异的导电性能，使得没能进入上述泵浦材料22的电子不会堆积在上述泵浦材料22表面，而是被上述网状金属电极4快速导走，不会对后续场致电子产生阻碍，提高了元件内部的电子输送效率，进而提高了上述场致电子束泵浦紫外光源的发光效率。

可结合图6对本发明的效果有更直观的认识，图6为本发明所提供的场致发射电子束泵浦紫外光源的一种具体实施方式(右)激发蓝光荧光粉的发光亮度与传统场发射电子束泵浦紫外光源(左)激发蓝光荧光粉的发光亮度对比；不难看出，本发明所提供的场致发射电子束泵浦紫外光源的亮度更高。

图7为本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源的一种具体实施方式的第一电极82与第二电极83之间施加电压与不施加电压时的电子源电流密度示意图。不难看出，在上述第一电极82与上述第二电极83之间施加电压后，元件内的电子源电流密度大幅度上升，能显著提升上述场致发射电子束泵浦紫外光源的发光效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的场致电子束泵浦紫外光源进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。