[发明专利]基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极

说明书

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Al_1-xGa_xN三元化合物Al/Ga组分控制技术和Ш－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、p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－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－界面缓冲层－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－AlN缓冲层－p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Al_1-xGa_xN三元化合物Al/Ga组分控制技术、Ш－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、Al_xGa_1-xN渐变缓冲层、p型GaN发射层以及Cs或Cs/O激活层组成；所述Al_xGa_1-xN组分渐变缓冲层由n个p型Al_xGa_1-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，Al_xGa_1-xN组分渐变缓冲层的总厚度在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。

进一步，所述p型GaN发射层的掺杂浓度控制在1×10¹⁹cm^-3以内。

进一步，所述c面蓝宝石衬底的总厚度控制在300～500μm之间。

进一步，所述p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Al_xGa_1-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。

附图说明

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；

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。