基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极的外延生长方法

摘要

本发明公开了一种基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极的外延生长方法，该方法是采用P型掺杂的铝镓氮材料作为阴极发射材料。由本方法所获得的基于铝镓氮材料的紫外光电阴极能够实现日盲探测，从而简化了紫外探测器的制备工艺，节约了制造成本，提高了器件稳定性。

说明书

 

技术领域

本发明属于半导体单晶薄膜技术领域，尤其涉及基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极的外延生长方法。

背景技术

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一重要光电探测技术，已成功应用于紫外光通信、紫外告警、紫外侦察及紫外制导等领域。就军用而言，以光电对抗为例，如前所述因大气的吸收和散射，使得自然界存在的紫外辐射不仅极为微弱而且呈现比较均匀的背景，而导弹、火箭及喷气式飞机发动机的尾焰中碳氢化合物的燃烧都能产生较强的紫外辐射，所以紫外探测是无源工作模式。因此，近十年来欧美发达国家都在投巨资、快速发展和进行新型紫外告警系统以及相应的核心技术、平台技术建设。

与固态器件相比，基于铝镓氮材料光电阴极的紫外探测器具有面积大、响应速度快、信噪比高、电子增益高等优势，更适合用来探测极微弱的紫外光信号，因此目前国内已经得到应用的和国外见到公开报道的用于告警武器系统的紫外探测器都是真空型紫外像增强管。利用超高真空激活工艺，在P型掺杂的铝镓氮材料表面吸附一定的Cs或Cs/O，可以将铝镓氮材料表面的有效电子亲和势降低为负值，从而形成负电子亲和势（NEA）铝镓氮光电阴极。与传统正电子亲和势紫外光阴极以及固体紫外探测器件相比，基于铝镓氮材料的紫外光电阴极显示了量子效率高、暗发射小、紫外可见光抑制比高、稳定性好、发射电子能量分布集中等众多优点，因此在紫外探测及真空电子源领域具有极大的应用潜力。

经过文献检索，目前透射式紫外光电阴极的典型结构均是采用P型掺杂的氮化镓材料作为阴极发射材料。但是氮化镓材料的禁带宽度仅有3.43eV，其光谱响应范围无法达到日盲要求。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提出一种基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极的外延生长方法，通过该方法为日盲型紫外光电阴极提供外延材料基础，从而最终实现基于电真空器件的日盲紫外探测。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极的外延生长方法，包括以下步骤：（1）将衬底放入金属有机物化学气象沉积系统中，并在高温高压下加热烘烤3～5min，清洁衬底表面；（2）然后在1000～1050℃下，反应室压力为300～500torr，通入氨气，并进行氮化反应1～3min；（3）降低温度至550～600℃，压力为100～150torr，并继续通入氨气，同时通入三甲基铝，在衬底上外延生长低温氮化铝成核层；（4）保持压力为100～150torr，并升温至1150～1200℃，继续通入氨气，同时通入三甲基铝，在成核层上外延生长高温氮化铝缓冲层；（5）保持温度为1150～1200℃，压力为100～150torr，继续通入氨气和三甲基铝，同时通入三甲基镓和二茂镁，在缓冲层上外延生在高温镁掺杂铝镓氮光电发射层；其中，步骤（1）～（5）中均通入氢气作为载气；（6）镁掺杂铝镓氮光电发射层生长结束后，切换载气为氮气，并降低温度至850～900℃，对镁杂质进行退火激活35～45min，从而获得P型铝镓氮光电发射层。

作为优选，步骤（1）中的温度为1050～1100℃，压力为100～200torr。

作为优选，所述衬底材料为蓝宝石。

作为优选，步骤（3）获得的成核层厚度为20nm。

作为优选，步骤（4）获得的缓冲层厚度为50nm。

作为优选，步骤（5）获得的镁掺杂铝镓氮光电发射层的厚度为100nm，且铝组分的质量百分比≥40%，镁掺杂的浓度为2×10¹⁹cm^-3以内。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：由本方法所获得的基于铝镓氮材料的紫外光电阴极能够实现日盲探测，从而简化了紫外探测器的制备工艺，节约了制造成本，提高了器件稳定性。

附图说明

    图1为本发明所述基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极外延薄膜生长结构示意图。

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所示，一种基于铝镓氮材料的日盲型紫外光电阴极的外延生长方法，该方法具体的步骤如下：

步骤1：选择（0001）面的双抛蓝宝石作为衬底；

    步骤2：将衬底放入金属有机物化学气相沉积系统内，通入H₂，反应室压力为100torr，在1050℃下加热5min，以清洁衬底表面，去除表面沾污；

步骤3：反应室温度降至1000℃，通入高纯氨气进行氮化，H₂作为载气，反应室压力为300torr，氮化时间为1min；

步骤4：反应室温度降至550℃，反应室压力为100torr，H₂作为载气，通入高纯氨气和三甲基铝，在衬底上生长低温氮化铝成核层，厚度为20nm；

    步骤5：反应室温度升至1200℃，反应室压力为100torr，H₂作为载气，通入高纯氨气和三甲基铝，在低温氮化铝成核层上生长高温氮化铝缓冲层，厚度为50nm；

    步骤6：保持反应室温度在1200℃，反应室压力为100torr，H₂作为载气，通入高纯氨气、三甲基铝、三甲基镓和二茂镁，在高温氮化铝缓冲层上生长镁掺杂铝镓氮光电发射层，厚度为100nm；

    步骤7：反应室温度降至850℃，反应室压力为300torr，N₂作为载气，进行高温退火，激活光电发射层中的P型受主，获得P型铝镓氮光电发射层，退火时间为40min。

基于铝镓氮材料的光电阴极是近年来发展起来的一种新型真空紫外探测器件。铝镓氮材料具有宽的直接带隙，其禁带宽度可在3.43eV～6.20eV间调节，覆盖了从近紫外至深紫外的光谱波段，可以实现“日盲”响应，且对紫外光吸收强，光电发射效率高。为了得到高性能的日盲型紫外光电阴极，采用P型掺杂的铝镓氮材料作为阴极发射材料，并且铝组分大于等于0.4。