CN102254779B - 无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，包括：衬底，生长在所述衬底上的GaN/AlN超晶格缓冲层或AlN缓冲层，生长在GaN/AlN超晶格缓冲层或AlN缓冲层上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层，生长在p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层上的n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层，制作在n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层的表面边缘及多层材料的侧面上的电极，其中0<x1<1,0<x2<1。本发明能够在不用Cs激活的情况下就能实现阴极的NEA特性，降低了制作高质量NEA阴极的难度，无需维持超高真空环境，延长了阴极的使用寿命。

Description

无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极

技术领域

 本发明属于半导体光电发射技术领域，特别是一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极。

背景技术

紫外探测技术在预警、通信、航空航天、医学、生物学和环境监测等领域均有广泛的应用。目前的紫外探测器主要有固体紫外探测器和真空型紫外光电阴极探测器。固体紫外探测器主要有pn结型、PIN型、肖特基势垒型和MSM型，其具有体积小、重量轻、探测波长可调、工作电路简单、无需高电压工作等优点。紫外增强型硅光电二极管是固体紫外探测器的代表，但是对可见光响应的特点限制了其在紫外探测领域的应用。随着对宽禁带半导体材料研究的深入，人们开始研究对可见光响应极小的本征型紫外光电探测器，其中ZnO基和GaN基紫外光电探测器是目前研究的热点。但是宽禁带半导体材料生长难度大和难以实现大面积、高增益探测等因素使得固体紫外探测器很难进入实用阶段。

相比之下，真空型紫外光电阴极探测器可以实现大面积探测且具有高增益特性。目前研究最多的紫外光电阴极有碲铯阴极、ZnO基阴极和GaN基阴极。碲铯阴极是一种正电子亲和势（PEA）型阴极，其电子亲和势仅为0.2eV，能够达到比较高的量子效率。但是碲铯化合物的禁带宽度只有3.3eV，其阴极探测阈值波长约为330nm，没有实现完全日盲探测（阈值波长要在280nm以下），工作时需要外加滤光片。而ZnO基阴极要实现全日盲探测需要生长ZnMgO合金，但是ZnMgO合金的p型掺杂非常困难，因此ZnO基阴极要实现高灵敏度紫外探测还需要做大量的研究，尤其是在p型ZnMgO材料的生长方面。

目前，最有可能实现高灵敏度全日盲探测的紫外光电阴极就是GaN基阴极。GaN基材料具有很宽的禁带宽度，改变AlGaN合金中Al的含量，可以实现从3.4eV到6.2eV，对应探测波长范围为200nm-365nm，因此提高合金中Al含量达到0.4以上便可以实现全日盲探测。同时，GaN基材料p型掺杂的突破为其实现高灵敏度紫外探测提供了可能。此外，这种材料还具有很强的耐腐蚀性，电子亲和势小，热稳定性好，Cs吸附键能比GaAs的高很多等优点。因此，GaN基材料是一种比较理想的有效负电子亲和势（NEA）紫外阴极材料。

传统的GaN基阴极要实现NEA特性需要在材料表面吸附Cs原子，使材料能带结构在靠近表面部分发生弯曲，从而使得表面的真空能级比体材料的导带底能级要低，体材料中光激发的电子在迁移到材料表面时能够很容易逸出成为真空电子。但是，传统的NEA阴极在制作时很难精确控制Cs的流量，增加了制作高质量NEA阴极的难度。此外，Cs的化学活性非常高，极易与其他物质发生反应，因此Cs激活后的阴极需要超高真空环境的维持，这也在一定程度上限制了它的应用。虽然GaN吸附Cs的键能比GaAs的要高，但是在工作时由于紫外辐射和反馈正离子对阴极的影响，Cs原子还是容易脱附，导致阴极灵敏度下降，从而缩短了器件的使用寿命。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，能够在不用Cs激活的情况下就能实现阴极的NEA特性。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，包括：衬底，生长在所述衬底上的GaN/AlN超晶格缓冲层或AlN缓冲层，生长在GaN/AlN超晶格缓冲层或AlN缓冲层上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层，生长在p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层上的n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层，制作在n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层的表面边缘及衬底、GaN/AlN超晶格缓冲层或AlN缓冲层、 p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层和n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层的侧面上的电极，其中0<x1<1,0<x2<1。

所述衬底可为双抛面蓝宝石衬底。

所述GaN/AlN超晶格缓冲层可为非掺杂，厚度为10~1000nm；AlN缓冲层可为非掺杂，厚度为10~100nm。

所述p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层可为p型掺杂，掺杂的元素为Mg，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3量级，其中0<x1<0.6。

所述生长在GaN/AlN超晶格缓冲层上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层的厚度可为50~1000nm，生长在AlN缓冲层上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层的厚度可为50~300nm。

所述n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层可为n型掺杂，掺杂的元素为Si，掺杂浓度为1~5×10¹⁹cm^-3，厚度为1~10nm，其中0<x2<0.6。

所述电极可为圆环形。

所述电极的组份可为Au/Ni。

有益效果：本发明能够在不用Cs激活的情况下就能实现阴极的NEA特性，降低了制作高质量NEA阴极的难度，无需维持超高真空环境，延长了阴极的使用寿命。

附图说明

图1为反射式异质结型GaN负电子亲和势光电阴极的结构示意图；

图2为透射式异质结型GaN负电子亲和势光电阴极的结构示意图；

图3为反射式异质结型GaN负电子亲和势光电阴极的工作原理图；

图4为透射式异质结型GaN负电子亲和势光电阴极的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极的结构，包括：

一衬底11，该衬底11为双抛面蓝宝石衬底；

一GaN/AlN超晶格缓冲层12或AlN缓冲层12′，该GaN/AlN超晶格缓冲层12或AlN缓冲层12′生长在双抛蓝宝石衬底11上，该GaN/AlN超晶格缓冲层12为非掺杂，其厚度为10~1000nm，AlN缓冲层12′为非掺杂，其厚度为10~100nm，该GaN/AlN超晶格缓冲层12或AlN缓冲层12′用于减小p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13与双抛蓝宝石衬底11之间的晶格失配；

一p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13生长在GaN/AlN超晶格缓冲层12或AlN缓冲层12′上，该p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13，为p型掺杂，Mg掺杂浓度为10¹⁹cm^-3量级，Al含量为0~0.6，其中生长在GaN/AlN超晶格缓冲层12上的光吸收层厚度为50~1000nm，生长在AlN缓冲层12′上的光吸收层厚度为50~300nm；该p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13吸收入射光子并生成电子空穴对，电子通过扩散到达材料表面；

一n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14，该n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14生长在p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13上，该n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14，为n型掺杂，Si掺杂浓度为（1~5）×10¹⁹cm^-3量级，Al含量为0~0.6，厚度为1~10nm，该n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14是重掺杂且厚度很薄，能够与p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13形成pn⁺异质结并能够有效地使p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13的能带在接近表面处产生向下弯曲，p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层13中光激发的电子扩散到pn⁺异质结并在内建电场的作用下进入n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14，此时光激发电子的能量得到加强，由于n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14很薄，电子能够很容易地隧穿出n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14成为真空电子，并在外电场作用下被收集极收集；

一圆环形电极15，该圆环形电极15制作在n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层14的表面边缘及多层材料的侧面上，该圆环形电极15的组份为Au/Ni，该圆环形电极15用于外加电压。

如图3和图4所示，一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极的工作模式，包括：

一无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10或10′，该无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10或10′固定在金属支撑架31或31′上，该无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10或10′的圆环形电极15与金属支撑架31或31′相连通；

一金属支撑架31或31′，该金属支撑架31为具有一定长度的金属片，用于连通和固定无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10，金属支撑架31′为具有一定长度的金属片，用于连通和固定无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10′，该金属支撑架31′用于固定无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10′的一端，此端面有一与无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10′大小对应的空心部分，用于透射紫外光；

一金属收集极32或32′，该金属收集极32为一具有一定长度的金属片，该金属收集极32位于无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10上方的一端，此端面有一与无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10大小对应的空心部分，用于透射紫外光，金属收集极32′为一具有一定长度的金属片，该金属收集极32或32′用于接收无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10或10′发射出来的电子；

一真空腔体40，该真空腔体40用于保证无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极10或10′在工作时有一定的真空度；

所述金属支撑架31与金属收集极32两端外加电压构成检测回路，金属支撑架31′与金属收集极32′两端外加电压构成检测回路。

Claims (7)

1.一种无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于，包括：衬底（11），生长在所述衬底（11）上的GaN/AlN超晶格缓冲层（12）或AlN缓冲层（12′），生长在GaN/AlN超晶格缓冲层（12）或AlN缓冲层（12′）上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层（13），生长在p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层（13）上的n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层（14），制作在n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层（14）的表面边缘及衬底（11）、GaN/AlN超晶格缓冲层（12）或AlN缓冲层（12′）、 p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层（13）和n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层（14）的侧面上的电极（15），其中0<x1<1,0<x2<1；所述n⁺-Al_x2Ga_1-x2N帽层（14）为n型掺杂，掺杂的元素为Si，掺杂浓度为1~5×10¹⁹cm^-3，厚度为1~10nm，其中0<x2<0.6。

2.根据权利要求1所述无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于：所述衬底（11）为双抛面蓝宝石衬底。

3.根据权利要求1所述无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于：所述GaN/AlN超晶格缓冲层（12）为非掺杂，厚度为10~1000nm；AlN缓冲层（12′）为非掺杂，厚度为10~100nm。

4.根据权利要求1所述无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于：所述p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层（13）为p型掺杂，掺杂的元素为Mg，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3量级，其中0<x1<0.6。

5.根据权利要求1所述无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于：所述生长在GaN/AlN超晶格缓冲层（12）上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层（13）的厚度为50~1000nm，生长在AlN缓冲层（12′）上的p-Al_x1Ga_1-x1N光吸收层（13）的厚度为50~300nm。

6.根据权利要求1所述无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于：所述电极（15）为圆环形。

7.根据权利要求1所述无需Cs激活的异质结型GaN负电子亲和势光电阴极，其特征在于：所述电极（15）的组份为Au/Ni。

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