一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极及其制备方法

技术领域

本发明探测材料技术领域，具体涉及一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极及其制备方法。

背景技术

近年来，随着GaAs材料制备技术、p型掺杂技术的完善以及超高真空技术的发展，GaAs材料成为一种新型高性能的紫外光电阴极。GaAs可变光谱光电阴极可以在反射模式或透射模式下工作，GaAs可变光谱材料由于采用p型均匀掺杂，发射层表面和体内存在浓度差，被入射光从价带激发到导带的电子以扩散形式向体表运动。输运过程中一些电子在多次与晶格碰撞损失能量后被复合，无法逸出，从而降低电子发射数量，导致阴极量子效率较低。

经文献检索发现，采用梯度掺杂结构光电发射层可以提高光激发电子从体内到体表的输运能力，增大了电子逸出量，从而得到较高的量子效率。光电发射层采取适当的梯度掺杂结构，可以在发射层体内产生有利于电子向表面运动的内建电场，使激发到导带的电子在向表面运动的过程中既存在体内和体表间的浓度差引起的扩散运动，又能在内建电场的作用下作漂移运动，扩散加上漂移的运动方式可以增加电子到达阴极表面的几率，进而电子逸出几率增大，量子效率获得提高。但是采用梯度掺杂结构存在着理论支撑相对薄弱，没有太合适的方法用来计算每个分层的浓度及厚度，也不便于理论仿真和数据优化。

发明内容

本发明提供了一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极及其制备方法，该结构的材料一方面提提高了发射层内电子发射到真空的几率，另一方面便于理论设计、理论仿真和数据优化。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极，它包括衬底，衬底的上表面生长有非故意掺杂的AlN缓冲层，AlN缓冲层的上表面生长p型指数掺杂GaAs光电发射层，p型指数掺杂GaAs光电发射层的上表面吸附单层Cs或多层Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活层。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极，所述AlN缓冲层的厚度为50-100nm，p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为120-180nm。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在双面抛光的衬底的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长掺杂的AlN缓冲层； 步骤2、通过外延生长工艺以及III-V族化合物半导体材料的p型掺杂工艺，在步骤1获得的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaAs光电发射层作为光电发射材料； 步骤3、利用化学清洗去除步骤2得到的阴极材料表面油脂及加工过程中残存的无机附着物；然后将其送入超高真空系统中，对材料表面进行加热净化，使材料表面达到原子级洁净程度； 步骤4、在上述p型GaAs光电发射层材料表面通过激活工艺吸附单层Cs或多层Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活层，最终制备出具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极的制备方法，步骤2中p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为120-180nm，其掺杂浓度范围在1016-1019cm

与现有技术相比，本发明优点在于：

本发明结构的材料一方面提提高了发射层内电子发射到真空的几率，另一方面便于理论设计、理论仿真和数据优化。当电子发射到真空后被外加强电压收集，并通过外加采集电路以光电流形式输出，提高了可见光谱的灵敏性。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

本发明提供了一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极，它包括衬底，衬底蓝宝石材料，衬底的上表面生长有非故意掺杂的AlN缓冲层，AlN缓冲层的上表面生长p型指数掺杂GaAs光电发射层，p型指数掺杂GaAs光电发射层的上表面吸附单层Cs或多层Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活层；所述AlN缓冲层的厚度为50nm，p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为160nm。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在双面抛光的衬底的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长掺杂的AlN缓冲层；步骤2、通过外延生长工艺以及III-V族化合物半导体材料的p型掺杂工艺，在步骤1获得的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaAs光电发射层作为光电发射材料；p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为160nm，其掺杂浓度范围在1018-1019cm

实施例2

一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极，它包括衬底，衬底蓝宝石材料，衬底的上表面生长有非故意掺杂的AlN缓冲层，AlN缓冲层的上表面生长p型指数掺杂GaAs光电发射层，p型指数掺杂GaAs光电发射层的上表面吸附单层Cs或多层Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活层；所述AlN缓冲层的厚度为90nm，p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为140nm。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在双面抛光的衬底的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长掺杂的AlN缓冲层；步骤2、通过外延生长工艺以及III-V族化合物半导体材料的p型掺杂工艺，在步骤1获得的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaAs光电发射层作为光电发射材料；p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为140nm，其掺杂浓度范围在1016-1019cm

实施例3

一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极，它包括衬底，衬底蓝宝石材料，衬底的上表面生长有非故意掺杂的AlN缓冲层，AlN缓冲层的上表面生长p型指数掺杂GaAs光电发射层，p型指数掺杂GaAs光电发射层的上表面吸附单层Cs或多层Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活层；所述AlN缓冲层的厚度为50nm，p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为180nm。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在双面抛光的衬底的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长掺杂的AlN缓冲层；步骤2、通过外延生长工艺以及III-V族化合物半导体材料的p型掺杂工艺，在步骤1获得的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaAs光电发射层作为光电发射材料；p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为180nm，其掺杂浓度范围在1017-1019cm

实施例4

一种具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极，它包括衬底，衬底蓝宝石材料，衬底的上表面生长有非故意掺杂的AlN缓冲层，AlN缓冲层的上表面生长p型指数掺杂GaAs光电发射层，p型指数掺杂GaAs光电发射层的上表面吸附单层Cs或多层Cs/O，以形成Cs或Cs/O激活层；所述AlN缓冲层的厚度为100nm，p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为120nm。

如上述的具有内建电场光电子输运的GaAs基光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在双面抛光的衬底的上表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长掺杂的AlN缓冲层；步骤2、通过外延生长工艺以及III-V族化合物半导体材料的p型掺杂工艺，在步骤1获得的AlN缓冲层上生长p型指数掺杂GaAs光电发射层作为光电发射材料；p型指数掺杂GaAs光电发射层的厚度为120nm，其掺杂浓度范围在1018-1019cm

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。