[发明专利]一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极

说明书

本发明公开了一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，该光电阴极自下而上由Al₂O₃衬底层(1)、生长在衬底上的AlN缓冲层(2)、p型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层(3)以及Cs/O激活层(4)组成。本发明采用AlGaN/GaN超晶格纳米线，设计了AlGaN与GaN材料以几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成多层膜结构，即形成了AlGaN/GaN超晶格，且在表面采用纳米线结构。该具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极能够影响电荷在此结构中的运动，并且能够克服传统薄膜光电阴极在光子吸收和电子输运方面的不足，从而改变量子效率、提高光电子的发射性能以及光电阴极的响应波段，最终提高GaN光电阴极的光电发射量子效率。

技术领域

本发明属于半导体和微电子器件技术领域，具体涉及一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极。

技术背景

光电阴极是一种利用外光电效应将光信号转变为电信号的光电发射材料。近年来，随着GaN材料制备技术、p型掺杂技术的发展和完善，GaN光电阴极正成为一种新型高性能的光电阴极。GaN是第三代半导体材料，具有宽禁带、量子效率高、稳定性好、耐辐射、耐腐蚀等优点，这些特性使其适合制作高频、高功率、高温、抗辐射、高密度集成电路。其在禁带宽度方面的特性使其适合制作发光器件或光探测器等器件，在紫外探测、电子源等方面具有非常广泛和重要的应用。

目前学界对GaN光电阴极已经有了不少的研究，包括GaN光电阴极的光电发射机理、光电发射模型、材料结构设计、阴极制备工艺和阴极性能表征等。然而随着研究的进展，通过改变衬底、材料结构、厚度、和掺杂浓度来提升GaN光电阴极性能已很难做到，目前传统结构的GaN光电阴极性能很难得到进一步的提升。

纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级(1～100nm)的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能。纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。随着纳米材料和纳米技术的逐步成熟和完善，出现了GaN纳米线材料，与传统的薄膜材料相比，纳米材料具有更好的光电子发射性能。形成阵列的GaN纳米线光电阴极半径很小并且被表面包围，因此光电子输运到纳米线表面的距离非常短，有利于光电发射，并且能够克服传统薄膜光电阴极在光子吸收和电子输运方面的不足。

超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。超晶格材料具有良好的半导体特性，通过加超晶格吸收层，然后利用多周期超晶格结构的高吸收系数、高横向载流子迁移率以及强极化效应来有效的增加吸收层的电场，进而实现空穴和电子在空间上的分离，从而使电子更易跃迁出去来提升它的光电效应性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极，该结构能够影响电荷在此结构中的运动，并且能够克服传统薄膜光电阴极在光子吸收和电子输运方面的不足，从而改变量子效率、提高光电子的发射性能以及光电阴极的响应波段，最终提高GaN光电阴极的光电发射量子效率。

为实现上述目的，本发明的设计思路为：一种具有超晶格纳米线结构的GaN光电阴极制备方法，该光电阴极自下而上由Al₂O₃衬底层(1)、生长在衬底上的AlN缓冲层(2)、p 型超晶格AlGaN/GaN纳米线电子发射层(3)以及Cs/O激活层(4)组成。

作为优选，生长在衬底上的AlN缓冲层厚度为50nm。

电子发射层(3)采用AlGaN/GaN超晶格，该超晶格的重复周期数为4～30个，单个周期的AlGaN层厚度为5～10nm，GaN层厚度为5～10nm。