一种GaN紫外光子计数器及其制备方法

一种gan紫外光子计数器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种gan紫外光子计数器以及一种gan紫外光子计数器的制备方法。


背景技术：

2.近年来，紫外光源被开发并频繁应用于各个领域，为了人类生命的安全，研发和制备具有高性能的紫外光检测器迫在眉睫。在紫外光谱和低光紫外探测及成像应用中，对具有高量子效率、低暗电流、清晰的波长截止响应、以及稳定性好的紫外光子探测器有着强烈的需求。而传统的紫外探测材料和器件难以达到单光子探测的水平。
3.iii-氮化物半导体是满足这些需求的有前途的候选材料之一，其中gan光电阴极在激活后展现出了大于50％的量子效率以及远远优于传统光电阴极的稳定性，而且其响应在紫外波段范围，是制备高性能紫外光子探测器的良好材料。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种gan紫外光子计数器及其制备方法，可实现紫外波段单光子探测与计数，且具有良好的稳定性。
5.所述的一种gan紫外光子计数器是一种真空光电探测器件，自上而下由窗口(1)、gan光电阴极(3)、微通道板(5)和荧光屏(6)组成，整个组件的边缘需要通过热熔金属进行密封，以形成内部真空(2)的状态。
6.所述的一种gan紫外光子计数器，其gan光电阴极直径在10～100mm，厚度在50～300nm。
7.所述的一种gan紫外光子计数器，其gan光电阴极(3)将通过激活层(4)达到负电子亲和势的表面状态，从而获得单光子探测的性能，激活层是1～2原子层厚度的cs或cs/o层。
8.所述的一种gan紫外光子计数器，其微通道板(5)将配合gan光电阴极(3)一起组成光子探测的组件，微通道板(5)起到电子倍增、信号加强的作用。
9.所述的一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述的gan光电阴极(3)和微通道板(5)之间需要加偏压引导光电子的运动方向，施加偏压范围0～300v。
10.所述的一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述的gan光电阴极(3)衬底面与窗口(1)紧密贴合，尽量减少入射光的损耗，gan光电阴极(3)发射层面与微通道板(5)保持合适的间距，既能使光电子有运动加速的过程，又要尽量减少分辨率的降低。
11.所述的窗口(1)需采用透光范围宽、透光性能好、材料坚韧、抗压能力强等特性，尤其要求在紫外波段具有良好的透过性。
12.本发明的第二个目的在于：提供一种gan紫外光子计数器的制备方法，包括以下步骤：
13.步骤一、选取合适的衬底，包括蓝宝石、sic等，通过化学气相沉积、分子束外延等方法外延生长p型掺杂的gan光电材料，有效p型掺杂浓度不小于10
16
cm-3
；
14.步骤二、将gan光电材料、微通道板、荧光屏和cs源等部件和原材料置于真空腔内；
15.步骤三、对真空腔室进行烘烤以达到超高真空的水平，要求真空度优于10-7
pa；
16.步骤四、利用辐射电子束等方法处理微通道板和荧光屏进行除气，以维持封装后整个器件的真空度水平；
17.步骤五、对gan进行不低于650℃的高温退火以达到原子级清洁表面，完全去除材料表面的氧化物和其他污染物，随后进行cs或cs/o激活获得负电子亲和势的表面，使其获得光子探测的能力；
18.步骤六、将窗口、负电子亲和势gan光电阴极、微通道板和荧光屏进行组合与封装，获得具有光子探测能力的gan紫外探测器。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍。
20.图1为gan紫外光子计数器的结构示意图；
21.1：窗口、2：真空、3：gan光电阴极、4：激活层、5：微通道板、6：荧光屏。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.图1是本发明实施例提供的gan紫外光子计数器的结构示意图，如图1所示，本发明的结构自上而下包括窗口(1)、gan光电阴极(3)、微通道板(5)和荧光屏(6)组成，整个组件的边缘需要通过热熔金属进行密封，以形成内部真空(2)，并且gan光电阴极(3)需要激活层(4)以获得光子探测的能力。
24.选取直径20mm、厚度150nm的gan基片，通过mocvd方法外延生长在c面蓝宝石衬底，p型mg掺杂载流子浓度达到10
17
cm-3
以上。
25.选取mgf2作为窗口材料，它在200nm以上波段具有94％以上的透射率，120nm以上波段具有50％的透射率，很适合用于紫外光的相关应用，并且基底结实耐用，在高压环境下稳定性良好。
26.选取saes的cs、o源，用于超高真空系统中的gan光电阴极激活。
27.将gan光电材料、微通道板以及荧光屏置入真空腔内，并对整个系统进行高温烘烤除气，通过反复烘烤使系统真空度达到10-8
pa水平，实现超高真空系统的环境。
28.使用辐射电子束对微通道板和荧光屏进行除气，过程中超高真空环境会被破坏，可再次使用烘烤的方法提高系统的真空度。
29.对gan材料进行710℃的高温退火处理，时间20min，以去除其表面的污染物，达到原子级清洁表面的程度，通过角分辨xps技术来分析gan表面的元素及价态分布情况。
30.通过cs/o激活的方式对gan材料进行表面激活，过程中通过紫外光照下的光电流监测激活情况。cs单独激活一段时间至光电流达到极大值，然后cs源持续，o源断续进行cs/o交替激活，直到光电流不再增长，完成激活过程。
31.利用铟焊对器件进行封装，使gan衬底面与mgf2窗口紧密贴合，gan光电阴极发射层面与微通道板间距保持0.4mm，获得gan紫外光子计数器。
32.工作时，在gan光电阴极与微通道板间施加120v电压，gan光电阴极在紫外光照射下产生的光电子被微通道板加速倍增，最终在荧光屏上形成对应的图像。
33.在没有光照条件下，通过偏压的“开”与“关”来标定测量gan紫外光子计数器的本征背景噪声。
34.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。


技术特征：
1.一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述光子计数器自上而下由窗口(1)、gan光电阴极(3)、微通道板(5)和荧光屏(6)组成，整个组件的边缘密封以形成内部真空(2)的状态。2.根据权利要求1所述的一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述的gan光电阴极(3)需要激活层(4)以达到光子探测的性能。3.根据权利要求1所述的一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述的gan光电阴极(3)需配合微通道板(5)一起组成光子探测的组件。4.根据权利要求1所述的一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述的gan光电阴极(3)和微通道板(5)之间需要加偏压引导光电子的运动方向。5.根据权利要求1所述的一种gan紫外光子计数器，其特征在于所述的gan光电阴极(3)衬底面与窗口(1)紧密贴合，gan光电阴极(3)发射层面与微通道板(5)保持合适的间距。6.一种gan紫外光子计数器的制备方法，其特征在于，包括：步骤一、选取合适的衬底，外延生长p型gan光电材料；步骤二、将gan光电材料、微通道板、荧光屏和cs源置于真空腔内；步骤三、对真空腔室进行烘烤以达到超高真空的水平；步骤四、对微通道板和荧光屏进行除气处理；步骤五、对gan进行高温退火达到原子级清洁表面，随后进行cs/o激活；步骤六、整个光子探测器的组合与封装。

技术总结
本发明公开了一种基于GaN光电阴极的紫外光子计数器及其制备方法。该光子计数器自上而下由窗口、GaN光电阴极、微通道板和荧光屏组成，整个组件的边缘密封以形成内部真空的状态；该光子计数器制备方法包括：在合适的衬底上外延生长p型GaN光电材料、GaN材料的表面净化和超高真空系统内的激活、以及整个组件的封装。本发明能够实现紫外波段的单光子探测与计数。数。数。


技术研发人员：王晓晖 班启沛 张一帆 班潇凡 简贤
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2021.10.09
技术公布日：2022/1/21