超晶格組分漸變緩沖層透射式AlGaN紫外光陰極及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于紫外探測材料技術領域，特別是一種超晶格梯度組分漸變緩沖層透射式AlGaN紫外光電陰極及制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著AlGaN材料制備技術、p型摻雜技術的完善及其超高真空技術的發展，AlGaN紫外光電陰極正成為一種新型的紫外光電陰極。這種光電陰極的表面具有負電子親和勢(NEA)，與傳統的正電子親和勢紫外光電陰極以及固體紫外探測器件相比，AlGaN紫外光電陰極顯示了量子效率高、暗發射電流小、紫外可見光抑制比高、穩定性好、發射電子能量分布集中等眾多優點，因此在紫外探測以及真空電子源領域具有極大的應用潛力。
[0003 ]目前，獲得高量子效率是AlGaN光電陰極實用化需要解決的主要技術問題。高的量子效率有助于提高探測器的靈敏度和信噪比，從而顯著提高探測系統的探測距離與“日盲”區的紫外探測能力。在影響AlGaN光電陰極量子效率的眾多因素中，AlGaN陰極材料的水平是決定陰極探測性能的關鍵因素。目前典型的AlGaN光電陰極在針對AlGaN發射層做了相當多的改進，比如梯度摻雜的AlGaN發射層，指數摻雜AlGaN發射層，這些改進均一定程度提高了AlGaN光電陰極的量子效率[付小倩，常本康，李飆，等.負電子親和勢GaN光電陰極的研究進展[J].物理學報，2011;杜曉晴，常本康，錢云生等.基于變摻雜結構的透射式GaN紫外光電陰極及其制作方法，2011]。然而對緩沖層的改進研究卻相對較少，而緩沖層的結構同樣影響著陰極的性能，緩沖層可以極大程度地緩解藍寶石襯底與發射層之間晶格失配和熱膨脹系數不匹配而造成的入射光子損失和量子效率降低的問題。通常使用A1N材料來作為緩沖層，當陰極A1N緩沖層厚度為500nm時，緩沖層對入射光的吸收率達到33.2%,很大程度上降低了透射式AlGaN光電陰極中短波光子到達發射層內的效率，影響透射式陰極的短波響應特性。當A1N晶體為lOOnm時，波長為220nm入射光的吸收率僅為7.6%，但是減小緩沖層的厚度就無法保障緩沖層具有較為平整的晶體表面，因此單一的A1N晶體結構作為緩沖層不能有效提高透射式AlGaN紫外光電陰極的光電發射性能。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種超晶格梯度組分漸變緩沖層透射式AlGaN紫外光電陰極及其制備方法，提高了晶體的生長質量，較大程度減少緩沖層內部的晶格缺陷，提高發射層光子的吸收率，最終提高光電陰極的光電發射量子效率。
[0005]實現本發明目的的技術解決方案為:一種超晶格梯度組分漸變結構緩沖層的透射式AlGaN紫外光電陰極及其制備方法，自下而上由襯底層、超晶格梯度組分漸變p型AlxGa1-XN緩沖層、p型AlyGa1-yN發射層以及Cs或者Cs/Ο激活層組成，所述超晶格梯度組分漸變p型AlxGa^N緩沖層是由8-15個組分漸變層循環堆疊和一個過渡層組成，過渡層與發射層接觸，最下面的組分漸變層與襯底層接觸。
[0006]本發明與現有技術相比，其顯著優點:(1)采用一種超晶格梯度組分漸變結構緩沖層的結構來設計透射AlGaN紫外光電陰極，這是一種新型的AlxGa^N緩沖層結構，可以提高晶體的生長質量，較大程度減少緩沖層內部的晶格缺陷，有效地降低緩沖層內部的晶格失配和高A1組分AlxGa1-xN緩沖層對波長大于220nm光子的吸收，減少緩沖層對入射光能量的吸收，增加發射層光子的吸收率，從而提高光電陰極的光電發射量子效率。(2)在緩沖層與發射層之間增加一個組分漸變的過渡層，降低界面處的晶格失配和熱膨脹系數，降低發射層與緩沖層間的后界面復合速率，減少后界面處由于晶格失配導致的光電子的復合數目，增加發射層表面的電子逸出數目，從而提高量子效率。(3)超晶格梯度組分漸變的AlxGa^N緩沖層透射式紫外光電陰極可以作為一種高性能的紫外探測陰極，結合電子倍增器件構成紫外光電倍增管、紫外像增強器等真空器件，應用于紫外生化分析、航空航天探測、紫外告誡領域等領域。(4)可以提高晶體的生長質量，較大程度減少緩沖層內部的晶格缺陷，提高發射層光子的吸收率，最終提高光電陰極的光電發射量子效率，這種超晶格梯度組分漸變緩沖層光電陰極與傳統光電陰極相比，在200nm處量子效率提高了30% (圖2)，有效地提高了AlGaN紫外光電陰極在“日盲”區的光電檢測性能。
[0007]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明超晶格梯度組分漸變緩沖層透射式AlGaN紫外光電陰極一種實施例的結構示意圖。
[0009]圖2是本發明的紫外光電陰極的量子效率對比圖。
[0010]圖中的附圖標記與其所代表的組成部分為:1-襯底層，2-p型AlxGa1-xN緩沖層，3_p型八14&1—#發射層，4-〇8/0激活層，5^6-厶1。.沁&。.川，7-厶1。.86&。.辦，8-厶1。.76&。.319-Al0.8Ga0.2N, 10-Al0.9Ga0.川，11-組分漸變層，12-過渡層，13-A1N，14-Al0.9Ga0.1N, 15-Al0.8Ga0.2N，16-Al().7Ga().3N，17-Al().6Ga().4N，18-Al().5Ga().5N，19-Al().4Ga().6N，20-超晶格梯度組分漸變緩沖層AlGaN紫外光電陰極量子效率，21-傳統反射式紫外光電陰極量子效率。
【具體實施方式】
[0011]結合圖1，本發明超晶格梯度組分漸變結構緩沖層的透射式AlGaN紫外光電陰極(光電陰極，即光陰極)，由自下而上由襯底層1、超晶格梯度組分漸變P型AlxGahN緩沖層2、p型AlyGa1-yN發射層3以及Cs或者Cs/Ο激活層4組成，所述超晶格梯度組分漸變p型AlxGa1-xN緩沖層2是由8-15個組分漸變層11循環堆疊和一個過渡層12組成，過渡層12與發射層3接觸，最下面的組分漸變層11與襯底層1接觸。
[0012]其中每個組分漸變層11自下而上由5-8種不同組分的AlxGa^N薄層組成，其中0<χ<1，各薄層的組分A1的含量從兩端向中間由大向小漸變。例如組分漸變層11可以由自下而上由6種不同組分的AlxGai—XN薄層組成，分別為AIN 5，Al0.gGa0.1N 6，Al0.sGa0.2,N 7，Al0.7Ga0.3N 8’Al0.8Ga0.2N 9和Al0.9Ga0.1N 10。
[0013]所述過渡層12自下而上由7-9種不同組分的AlyGai—yN薄層構成，其中0<y< 1，各薄層的組分A1的含量自下而上由大向小漸變，最上端薄層的含量和組分與p型AlyGa^N發射層3相同。例如p型AlyGa1-yN發射層3中的組分和含量為AlQ.4GaQ.6N，過渡層12自下而上由7種不同組分的薄層構成，各組分依次為A1N 13，Al0.9Ga0.1N 14，Al0.sGa0.2,N 15’Al0.7Ga0.3N16，Al0.6Ga0.4N 17、Al0.5Ga0.5N 18 和 Al0.4Ga0.6N 19ο
[0014]所述超晶格梯度組分漸變p型AlxGa1-xN緩沖層2和p型AlyGa1-yN發射層3的摻雜濃度控制在1016-1019cm—3之間，摻雜元素為Be。組分漸變層11和過渡層12的每一個薄層厚度為5-8nm，所有組分漸變層11和過渡層12構成的緩沖層總厚度為300-750nm<XS或Cs/Ο激活層4通過超高真空激活工藝緊密吸附在P型AlyGa1-yN發射層3的表面上。
[0015]本發明超晶格梯度組分漸變結構緩沖層的透射式AlGaN紫外光電陰極的制備方法，步驟如下:
[0016]步驟1，用雙拋光的藍寶石制備透射式陰極的襯底層1。
[0017]步驟2，利用分子束外延法在藍寶石襯底上生長8-15個組分漸變層11，然后在最上面的組分漸變層11的表面生長過渡層12，由8-15個組分漸變層11循環堆疊和一個過渡層12組成超晶格梯度組分漸變P型AlxGa^N緩沖層2。每個組分漸變層11自下而上由5-8種不同組分的AlxGa1-xN薄層組成，其中0<χ<1，各薄層的組分A1的含量從兩端向中間由大向小漸變。過渡層12自下而上由7-9種不同組分的AlyGa1-yN薄層構成，其中0<y<l，各薄層的組分A1的含量自下而上由大向小漸變，最上端薄層的含量和組分與p型AlyGm-yN發射層3相同。
[0018]步驟3，利用分子束外延法在超晶格梯度組分漸變p