[实用新型]一种基于极化场效应的无铯型AlGaN光电阴极

说明书

技术领域

本发明属于物理电子学领域，具体涉及一种基于极化场效应的无铯型AlGaN光电阴极，主要用于满足对光电阴极材料更高量子效率的要求。

背景技术

紫外探测技术是一项应用广泛的重要探测技术，在公安侦察、火情探测、臭气监测、海上油监等诸多民事方面和导弹预警、飞行器制导、保密通信等诸多军事方面，都有着非常重要的应用。日盲型紫外探测器，可排除自然光照射的影响，大幅降低背景噪声，成为紫外探测研究的热点。近年来，随着新型III-V族半导体GaN基材料的发展，新型的AlGaN基紫外探测器成为研究热点；GaN和AlN都是宽禁带直接带隙材料，三元合金AlGaN可通过调节Al组分使禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续变化，成为制备日盲型紫外探测器的良好材料之一。而且，AlGaN基材料还具有电子饱和速率高、介电常数小以及耐腐蚀耐高温等优点，可在恶劣环境中工作。基于AlGaN基的固体日盲紫外探测器由于在欧姆接触等方面还有较大问题需要解决，而基于负电子亲和势(NEA)AlGaN阴极的真空探测器件可以较好回避欧姆接触等问题，因此，NEAAlGaN阴极材料研究对日盲型紫外探测领域具有重要意义。

光电阴极是成功激活是制备AlGaN光电阴极的关键步骤，直接决定了阴极性能的高低。传统的激活过程采用的是低逸出功元素(最常用的是铯元素和氧元素)覆盖阴极表面，降低材料表面的逸出功，获得有效的负电子亲和势，从而使制备出的光电阴极具有更高的量子效率。但是最新研究表明，铯元素化学性质比较活泼，当其覆盖在阴极表面时造成了整体结构的不稳定性，在解决这一问题时便要综合考虑其特殊的真空制备条件等要求，这样便增加了制备的困难度同时也提高了成本，不适合量产，在此基础上，借鉴前辈的研究成果，提出一种基于极化场效应的无铯型AlGaN光电阴极。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于极化场效应的无铯型AlGaN光电阴极，通过利用近表面的硅元素δ掺杂来实现负电子亲和势的特性，再在此结构基础上覆盖一层高掺杂n⁺AlGaN层来实现晶格匹配并解决自旋极化电荷在阴极表面的出现，使得经过处理后的阴极获得“永久性”的负电子亲和势的特性，并大大提高阴极本身的量子效率。

为实现以上技术目的，本实用新型采用的方案是：

一种基于极化场效应的无铯型AlGaN光电阴极，其整体结构组成部分由接触极1、C面蓝宝石衬底层2、P型AlN层3、P型AlGaN层4、硅元素δ掺杂层5、n⁺AlGaN层6和真空层7以及接触极8构成。所述的P型AlN层3的厚度为500nm；所述的P型AlGaN层4采用Mg元素掺杂，且掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3；所述的P型AlGaN层4的厚度为150nm；所述的硅元素δ掺杂层5的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3；所述的硅元素δ掺杂层5的厚度为2nm；所述的n⁺AlGaN层6的厚度为9nm；所述的真空层7的厚度为500nm。

本实用新型的有益效果是：通过提出一种新的结构改善目前的阴极制备工艺，即传统的阴极制备过程中需要进行铯激活，而由于铯元素在激活过程中的化学不稳定性以及阴极随时间衰减的衰减特性，使得阴极的量子效率停留在比较低的水平，在此基础上我们提出一种新的工艺手段来改善其工艺手段，从而提高了其量子效率，节约了成本，并为其它III-V族半导体材料的制备工艺提供一种参考。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的量子效率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型的一种基于极化场效应的无铯型AlGaN光电阴极结构示意图，其整体结构组成部分包括两个接触极1和8、C面蓝宝石衬底层2、P型AlN层3、P型AlGaN层4、硅元素δ掺杂层5、n⁺AlGaN层6和真空层7构成。在双面抛光的蓝宝石衬底上通过化合物气相外延法(MOCVD)外延生长工艺生长厚度为500nm的P型AlN层，再通过相同的外延生长工艺和半导体掺杂技术，在P型AlN材料上生长厚度为150nm的Mg掺杂AlGaN层，将这三部分放入丙酮、四氯化碳、乙醇中进行化学清洗以去除表面的油脂，然后通过超高真空系统进行高温净化去除表面的碳氧化合物等，从而获得原子级清洁表面。传统方法是在此基础上进行Cs/O激活，然而本实用新型提出的是在原结构上生长一层硅元素δ掺杂层，其掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，层厚度为2nm，然后层，覆盖一层9nm的高掺杂n⁺AlGaN层来实现晶格匹配，得到如图1所示的结构图。由于表面极化负电荷的出现，极化场效应在表面发生，阴极的光电发射阈值将随之改变，导致导带向费米能级方向的拉伸量也将改变，阴极响应量子效率也会进一步的改变。将本实用新型所得的AlGaN光电阴极响应量子效率同传统的阴极响应量子效率进行比较，如图2所示，方块状曲线(■)表示传统方法得到的AlGaN阴极响应量子效率，而圆形曲线(●)表示用本实用新型提出的结构得到的AlGaN阴极响应量子效率，可以明显看出其量子效率明显高于传统的阴极，证明本实用新型的设计是合理且可行的。