一種垂直發(fā)射AlGaAs/GaAs納米線的NEA電子源的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及真空光電發(fā)射材料技術領域，尤其涉及一種垂直發(fā)射AIGaAs/GaAs納 米線的NEA電子源。
【背景技術】
[0002] 負電子親和勢（NEA)電子源是一種利用外光電效應將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮影l(fā)射的 光陰極材料，負電子親和勢GaAs電子源由于具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量與 角度分布集中、發(fā)射電子自旋極化率高、發(fā)射電流密度大且可實現(xiàn)均勻平面電子發(fā)射等眾 多優(yōu)點，在電子加速器、自由電子激光、高端儀器設備等領域得到了廣泛應用。
[0003] 傳統(tǒng)的NEA電子源通常采用薄膜材料制成，然而由于薄膜材料反射率較大，導致 光電子的輸運距離遠；目前雖有技術利用納米線陣列材料能較好的克服薄膜材料的不足， 減少了反射率和光電子的輸運距離，但發(fā)射電子角度分散，定向性較差，在電子源方面的應 用受到限制。
[0004] 近年來，為提高光電子器件的性能，國內(nèi)外研宄人員開展了一系列的研宄，制備并 采用具有內(nèi)建電場的變帶隙（變Al組分）AIGaAs/GaAs納米線陣列作為光電材料。2010 年，加拿大舍布魯克大學的Maite Volatier等利用感應親合等離子體刻蝕技術制備了 Al 組分從0至100%的變帶隙AIGaAs/GaAs納米線導波結構；2012年，美國南加州大學Anuj R. Madaria等結合納米球刻蝕和選擇區(qū)域金屬有機化學氣相沉積制備了 GaAs納米線陣列； 2014年，意大利微電子與微系統(tǒng)研宄所Paola Prete等利用金屬有機物化學氣相沉積生長 了 AIGaAs/GaAs核-殼結構的納米線陣列；同時國內(nèi)外研宄人員還對其在光學導波、發(fā)光二 極管等方面的應用進行了探索，但還未見對于光電發(fā)射電子源領域的相關報道。因而通過 激活具有內(nèi)建電場作用下電子定向輸運特性的變帶隙AIGaAs/GaAs納米線陣列材料，有望 成為新一代基于納米技術的陣列型垂直發(fā)射NEA電子源，對于滿足更高的應用需求，拓展 電子源應用領域具有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種垂直發(fā)射AIGaAs/GaAs納米線的NEA電子 源及其制備方法，以解決上述【背景技術】中的缺點。
[0006] 本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn)：
[0007] -種垂直發(fā)射AIGaAs/GaAs納米線的NEA電子源，以p型GaAs作為襯底層，根據(jù) GaAs襯底外延層厚度的不同使用不同的生長技術，在GaAs襯底層上順序生長Al組分由 高到底呈線性遞減至0的變帶隙AlGaAs發(fā)射層及GaAs發(fā)射層，而后利用反應離子刻蝕技 術得到變帶隙AIGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層，再在超高真空系統(tǒng)中進行Cs/0激活，以在 變帶隙AIGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層上形成Cs-O激活層，產(chǎn)生負電子親和勢；且在變帶 隙AIGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層沿垂直方向形成有利于將納米線中激發(fā)的光電子往頂 端輸運并發(fā)射至真空中的內(nèi)建電場，通過內(nèi)建電場控制光電子往納米線頂端定向漂移并發(fā) 射，從而實現(xiàn)垂直光電發(fā)射；此外，GaAs襯底層厚度為200~400 μπι，ρ型摻雜濃度（0. 5~ 2) X IO19CnT30
[0008] 在本發(fā)明中，變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層中ρ型摻雜濃度為（0. 1~ I) X IO19Cm 3〇
[0009] 在本發(fā)明中，變帶隙AlGaAs發(fā)射層中最高Al組分摩爾分數(shù)為5%~45%。
[0010] 在本發(fā)明中，GaAs發(fā)射層厚度為IOnm~50nm。
[0011] 在本發(fā)明中，變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層中納米線直徑為50nm~ 5 μπι，高為0· 5 μπι~20 μπι，其形狀為圓形、方形或正六邊形。
[0012] 一種垂直發(fā)射AlGaAs/GaAs納米線的NEA電子源制備方法，具體步驟如下：
[0013] 1)選取ρ型GaAs襯底基材，要求其位錯密度低于103cnT3,且均勾性好，晶向為 (100)面偏3°切害M導P型GaAs襯底層；
[0014] 2)在步驟1)中獲得的ρ型GaAs襯底層上，根據(jù)GaAs襯底外延層厚度的不同采用 不同的生長技術生長變帶隙AlGaAs/GaAs發(fā)射層及GaAs發(fā)射層：
[0015] 當GaAs襯底外延層厚度為0~10 μ m時采用金屬有機物化學氣相沉積技術生長； 當GaAs襯底外延層厚度為10~30 μ m時采用液相外延技術生長；生長時變帶隙AlGaAs/ GaAs層中ρ型摻雜濃度為（0. 1-1) X 1019cnT3, Al組分為從GaAs襯底層處的高Al組分向 GaAs發(fā)射層的低Al組分呈線性遞減至0,且最外層的GaAs發(fā)射層厚度為IOnm~50nm ;
[0016] 3)利用等離子體增強化學氣相沉積技術，在步驟2)中獲得的GaAs發(fā)射層上沉積 有厚度為〇. 5 μ m~2. 5 μ m的SiO2阻擋層，并通過光刻技術在SiO 2阻擋層表面形成含有納 米線陣列圖案的光刻掩模圖像；
[0017] 4)采用反應離子刻蝕技術，刻蝕掉步驟3)中已曝光部分的SiO2，以在GaAs發(fā)射 層表面形成含有納米線陣列圖案的SiO 2掩模；
[0018] 5)采用感應耦合等離子體刻蝕技術，對步驟4)中獲得的含有Si02掩模的GaAs發(fā) 射層和變帶隙AlGaAs發(fā)射層進行刻蝕，得變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層；
[0019] 6)將步驟5)中獲得的變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層，其納米線頂部的光 刻膠和SiO 2阻擋層去除，而后通過快速熱退火處理技術修復因刻蝕造成的納米線陣列晶格 損傷；
[0020] 7)使用化學方法去除步驟6)中獲得的變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層納 米線表面油脂和污染物，隨后快速送入超高真空系統(tǒng)中，進行高溫加熱凈化處理；
[0021] 8)在超高真空系統(tǒng)中對變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層材料進行Cs/0激 活，以在變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列發(fā)射層上形成Cs-O激活層。
[0022] 在本發(fā)明中，步驟2)中金屬有機物化學氣相沉積技術采用金屬有機物三甲基鎵 和三甲基鋁作為III族源，砷烷為V族源，二乙基鋅為摻雜源，高純％作為載氣，生長過程 中V/III束流比保持在10~15,生長溫度為660°C~700°C ;液相外延技術生長溫度為 750°C~850°C，升溫速率在(TC~500°C為 10°C /min，500°C~800°C為 2-3°C /min 降溫速 率在 800°C ~790°C 為 0· 1°C ~0· 2°C /min，790°C ~500°C 為 0· 5°C /min，500°C 至常溫為 1°C ~2°C /min〇
[0023] 在本發(fā)明中，步驟3)中利用等離子體增強化學氣相沉積技術沉積SiOJI擋層， 其反應參數(shù)為：反應室氣壓2000mTorr，并通入SiH 4、N2O和N2氣體，流量分別為4SCCM、 710SCCM 和 180SCCM，GaAs 襯底溫度 350°C，沉積時間 6min ~30min。
[0024] 在本發(fā)明中，步驟3)中通過光刻技術在SiO2阻擋層表面形成含有納米線陣列圖 案的光刻掩模圖像，其具體步驟為：利用勻膠機在SiOJI擋層上涂一層厚度為I. 1 μπι~ 1. 4 μ m的光刻膠，并將涂有光刻膠的GaAs發(fā)射層材料放入烘烤機中，前烘升溫至KKTC烘 100s，冷卻后取出放入光刻機曝光位置，在低真空狀態(tài)下曝光2. 5s，并使用正膠顯影液進行 顯影30s~35s，最后清洗顯影液，吹干；后烘升溫至100°C烘2min。
[0025] 在本發(fā)明中，步驟4)中采用反應離子刻蝕技術，刻蝕掉已曝光部分的SiO2，其反應 參數(shù)為：反應室氣壓1850mTorr、射頻功率200W，并通入SF6、CHF3和He氣體，流量分別為 5. 5SCCM、32SCCM 和 150SCCM，刻蝕 5min ~25min。
[0026] 在本發(fā)明中，步驟5)中采用感應耦合等離子體刻蝕技術，對步驟4)中獲得的含 有Si02掩模的GaAs發(fā)射層和變帶隙GaAs發(fā)射層進行刻蝕，其反應參數(shù)為：反應室氣壓 5. 9mTorr，并通入CL2、BCL3氣體，流量分別為6SCCM、14SCCM，射頻功率50w，刻蝕Imin~ 40min〇
[0027] 有益效果：
[0028] 1、本發(fā)明中納米線采用變帶隙AlGaAs/GaAs材料制備，從而在沿納米線方向（即 垂直方向）形成有內(nèi)建電場，絕大部分光電子在內(nèi)建電場作用下向頂端漂移，最后從頂部 的GaAs發(fā)射層發(fā)射進入真空，有效抑制了側(cè)面光電發(fā)射，具有頂部垂直發(fā)射效率高的特 點，從而擴展變帶隙AlGaAs/GaAs材料在電子源方面的應用；
[0029] 2、本發(fā)明中納米線采用陣列結構，而陣列結構具有光子捕獲效應，從而使得電子 源具有光子吸收充分、光反射小的特點，有利于提高光電發(fā)射效率。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的較佳實施例的原理示意圖。
[0031] 圖2~圖7為本發(fā)明的較佳實施例的制備過程示意圖。
[0032] 圖8為本發(fā)明的較佳實施例中得到的變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列側(cè)視圖。
[0033] 圖9為本發(fā)明的較佳實施例中得到的變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列俯視圖。
[0034] 圖10為本發(fā)明的較佳實施例中的不同Al組分光譜響應曲線圖。
[0035] 圖中標注說明：GaAs襯底層1、變帶隙AlGaAs發(fā)射層2、GaAs發(fā)射層3、SiO2阻擋 層4、光刻膠5及Cs-O激活層6。
【具體實施方式】
[0036] 為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
[0037] 參見圖1的一種垂直發(fā)射AlGaAs/GaAs納米線的NEA電子源，變帶隙AlGaAs/GaAs 納米線陣列成周期性整齊排列，當有光線入射時，光線在變帶隙AlGaAs/GaAs納米線陣列 中不斷吸收、反射、折射，直到絕大部分光線被吸收，由于變帶隙AlGaAs/GaAs納米線沿垂 直方向形成有內(nèi)建電場，絕大部分光電子在該內(nèi)建電場作用下向納米線頂端漂移，最后從 頂部的GaAs發(fā)射層發(fā)射進入真空，從而實現(xiàn)垂直光電發(fā)射。
[0038] 一種垂直發(fā)射AlGaAs/GaAs納米線的NEA電子源制備方法，具體步驟如下：
[0039] 如圖2所示，首先，準備p型摻雜濃度為I X IO19CnT3的GaAs襯底基材作為GaAs襯 底層1，要求其位錯密度低于103cnT3,并且均勻性好，晶向朝（100)面偏3°切割；如圖3所 示，采用液相外延技術在GaAs襯底層1上生長厚度為30 μ m、p型摻雜濃度為I X 1018cnT3、 Al組分摩爾分數(shù)從35%線性下降至0的變帶隙AlGaAs發(fā)射層2,總生長時間為24h，生長 溫度為800°C，升溫速率在(TC~500°C為10°C /min，500°C~800°C為2~3°C /min，降溫 速率在 800°C ~790°C 為 0· 1°C ~0· 2°C /min，790°