[发明专利]一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极及其制备方法。该磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极的结构包括：由下至上依次设置的金属膜、衬底、缓冲层、磁性掺杂的拓扑态GaN、激活层。磁性掺杂的拓扑态GaN材料具有载流子传输效率高、光谱响应范围宽、材料带隙可调的优点，是一种理想的光电材料。本发明在传统GaN光电阴极结构的基础上，采用了拓扑态的GaN材料作为光电阴极的电子发射层，其性能优良、灵活性较高，为相关材料实现宽带高响应探测的光电阴极提供了一种新的方案。

技术领域

本发明涉及光电子材料与器件领域，具体涉及一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极及其制备方法。

背景技术

GaN光电阴极作为电子源具有量子效率高、发射电子能量分布与角度分布集中、发生电流密度大等众多优点，在加速器等领域有着重要应用；同时，GaN光电阴极也可作为紫外真空探测器件的核心单元，在导弹逼近告警、空间探测、紫外通信、火灾监控、电晕检测等军、民用领域具有广泛的应用价值并极具发展前景。

随着半导体行业和探测技术的快速发展，传统GaN光电阴极的性能已经难以满足相关应用领域的需求，当前存在的主要问题包括载流子传输效率低、光谱响应范围宽度较窄、材料带隙调制困难，这些问题使得GaN光电阴极性能难以进一步提升，同时也极大地限制了其发展。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的瓶颈，本发明的目的在于提供一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极及其制备方法。采用具有非平庸的拓扑态能带结构的GaN光电阴极材料，促进光电子在发射层中的扩散和在表面的逸出，从而进一步解决光电阴极中光电转化率不高的问题，并且扩宽了光谱响应范围以及材料的带隙可调，进一步提高了GaN光电阴极的性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极，其特征在于：结构从下至上依次为金属膜(1)、衬底(2)、缓冲层(3)、磁性掺杂的拓扑态GaN(4)、激活层(5)。

根据本发明的一种具体实施方案，所述衬底(2)可采用的材料包括蓝宝石、SiC等，厚度为400～800μm。

根据本发明的一种具体实施方案，所述金属膜(1)所采用的金属元素具有热导率高的特点，包括Al，Ti等，厚度为1～5μm，其作用在于：利用其较高的热导率保证衬底吸收足够的热量，以提高材料外延生长的速率。

根据本发明的一种具体实施方案，所述缓冲层的材料包括AlN，ZnO等，厚度为5～50nm。

根据本发明的一种具体实施方案，所述磁性掺杂的拓扑态GaN层(4)，其特征在于：通过磁性掺杂元素调制GaN材料的费米能级沿电子型方向，诱导实现拓扑态能带结构，厚度为100～800nm。

根据本发明的一种具体实施方案，所述激活层(5)为Cs/O激活层，厚度为1～3个原子层，通过超高真空激活工艺紧密吸附在磁性掺杂的拓扑态GaN层。

根据本发明的一种具体实施方案，所述掺杂元素具有在掺杂过程中能够随机的替代Ga元素进而改变GaN材料的铁磁序的特性，掺杂元素包括Eu，Cr等。

优选地，所述衬底(2)为蓝宝石，且厚度为700μm。

优选地，所述缓冲层(3)为AlN，且厚度为20nm。

本发明还提供了上述一种磁性掺杂的拓扑态GaN的光电阴极的制备方法，其步骤包括：

(1)清洗蓝宝石衬底，在衬底背面蒸镀一层厚度为1～5μm的金属膜。

(2)在衬底上外延生长缓冲层，其作用在于：提高磁性掺杂的拓扑态GaN层(4)与衬底(2)的晶格适配。

(3)在衬底上外延生长磁性掺杂的GaN材料，从而得到磁性掺杂的GaN材料。