一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极及其制备方法

一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电子材料与器件领域，具体涉及一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法。


背景技术：

2.gan光电阴极作为电子源具有量子效率高、发射电子能量分布与角度分布集中、发生电流密度大等众多优点，在加速器等领域有着重要应用；同时，gan光电阴极也可作为紫外真空探测器件的核心单元，在导弹逼近告警、空间探测、紫外通信、火灾监控、电晕检测等军、民用领域具有广泛的应用价值并极具发展前景。
3.随着半导体行业和探测技术的快速发展，传统gan光电阴极的性能已经难以满足相关应用领域的需求，当前存在的主要问题包括载流子传输效率低、光谱响应范围宽度较窄、材料带隙调制困难，这些问题使得gan光电阴极性能难以进一步提升，同时也极大地限制了其发展。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的瓶颈，本发明的目的在于提供一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法。采用具有非平庸的拓扑态能带结构的gan光电阴极材料，促进光电子在发射层中的扩散和在表面的逸出，从而进一步解决光电阴极中光电转化率不高的问题，并且扩宽了光谱响应范围以及材料的带隙可调，进一步提高了gan光电阴极的性能。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极，其特征在于：结构从下至上依次为金属膜(1)、衬底(2)、缓冲层(3)、磁性掺杂的拓扑态gan(4)、激活层(5)。
7.根据本发明的一种具体实施方案，所述衬底(2)可采用的材料包括蓝宝石、sic等，厚度为400～800μm。
8.根据本发明的一种具体实施方案，所述金属膜(1)所采用的金属元素具有热导率高的特点，包括al，ti等，厚度为1～5μm，其作用在于：利用其较高的热导率保证衬底吸收足够的热量，以提高材料外延生长的速率。
9.根据本发明的一种具体实施方案，所述缓冲层的材料包括aln，zno等，厚度为5～50nm。
10.根据本发明的一种具体实施方案，所述磁性掺杂的拓扑态gan层(4)，其特征在于：通过磁性掺杂元素调制gan材料的费米能级沿电子型方向，诱导实现拓扑态能带结构，厚度为100～800nm。
11.根据本发明的一种具体实施方案，所述激活层(5)为cs/o激活层，厚度为1～3个原子层，通过超高真空激活工艺紧密吸附在磁性掺杂的拓扑态gan层。
12.根据本发明的一种具体实施方案，所述掺杂元素具有在掺杂过程中能够随机的替
代ga元素进而改变gan材料的铁磁序的特性，掺杂元素包括eu，cr等。
13.优选地，所述衬底(2)为蓝宝石，且厚度为700μm。
14.优选地，所述缓冲层(3)为aln，且厚度为20nm。
15.本发明还提供了上述一种磁性掺杂的拓扑态gan的光电阴极的制备方法，其步骤包括：
16.(1)清洗蓝宝石衬底，在衬底背面蒸镀一层厚度为1～5μm的金属膜。
17.(2)在衬底上外延生长缓冲层，其作用在于：提高磁性掺杂的拓扑态gan层(4)与衬底(2)的晶格适配。
18.(3)在衬底上外延生长磁性掺杂的gan材料，从而得到磁性掺杂的gan材料。
19.(4)通过rta以激活磁性掺杂元素，其目的是：使材料内部组织达到或接近平衡状态，获得良好性能。
20.(5)通过超高真空激活工艺将cs/o激活层紧密吸附在磁性掺杂的gan材料内外壁层上，得到磁性掺杂的拓扑态gan材料。
21.本技术方案的有益效果为：本发明提供的是一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法。将拓扑态材料应用到光电阴极电子发射层的外延层上，可以提高载流子传输效率、扩宽光谱响应范围、调节材料带隙，其性能显著优于传统的gan光电阴极。同时，该拓扑态的gan材料可以应用于紫外探测、真空电子源、像增强器等诸多领域中，以更好提升相关设备的性能从而推动科技的发展。
附图说明
22.图1是实施例中的一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极结构示意图。
具体实施方式
23.实施例1
24.下面结合图1对本发明作进一步的说明。
25.如图1所示为一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极结构示意图，包括由下至上依次设置的金属薄膜、衬底、生长缓冲层、磁性掺杂的拓扑态gan、激活层。
26.制备过程前衬底的清洗过程由两个部分构成：烧杯清洗、样品衬底清洗。对于烧杯的清洗顺序一般采用：将四氯化碳倒入烧杯中，水浴加热至四氯化碳沸点，超声清洗15min左右，待其冷却后，倒入专用的废液收集桶中；将丙酮倒入烧杯中，水浴加热至丙酮沸点，超声清洗15min左右，待其冷却后，倒入专用的废液收集桶中；将乙醇倒入烧杯，超声清洗15min左右后倒入专用的废液收集桶中:最后将去离子水倒入烧杯中，超声清洗15min左右后倒掉。对于样品衬底的清洗:首先将衬底放入倒有丙酮的洁净的烧杯中，水浴加热至丙酮沸点，计时15min:其次，将样品衬底取出并用高纯氮气快速吹干后放入倒有乙醇的洁净烧杯中静置15min:然后，将样品衬底取出并用高纯氧气快速吹于后用大量去离子水清洗:最后，用高纯氢气将样品衬底快速吹干后放入mbe样品架上，放入mbe进样室。
27.所述金属薄膜为al薄膜，且厚度为1.2μm，沉积速率设定在0.4nm/s。。
28.所述衬底为蓝宝石，且厚度700μm。
29.在所述衬底上外延生长aln缓冲层，厚度20nm。
30.在衬底上外延生长磁性掺杂的gan材料，其具体方法为：加热衬底，同时向n等离子发生器引入高纯氮气，设置射频功率令其起辉，升温至目标温度后，打开金属源炉和n等离子体挡板，衬体设置旋转速度5r/min，ga束流对等等效压强调制5.6x10^-7
torr，ga束流对等等效压强调制0.6x10^-7
torr，eu束流对等等效压强调制5.6x10^-7
torr，eu束流对等等效压强调制0.6x10^-7
torr，同时控制氮气流量0.7sccm，进行薄膜外延生长，待gan薄膜生长完成后，对样品立即快速降温，取出样品。
31.生长完成后，磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极材料厚度为200nm。
32.通过rta以激活磁性掺杂元素eu，退火时温度为1200℃，恒温时间30s，降温速度90℃/s。
33.通过超高真空激活工艺将cs/o激活层紧密吸附在磁性掺杂的拓扑态gan材料表面，完成光电阴极的制备。
34.必须指出的是：本发明不仅适用于磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极的制备方法，对于其他材料作为磁性掺杂的拓扑态的光电阴极也同样适用。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以根据实际需要做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法，其特征在于，本发明中gan光电阴极材料的能带结构具有非平庸的拓扑态，该状态下的gan光电阴极具有载流子传输效率高、光谱响应范围宽、材料带隙可调的优点。2.根据权利要求1所述一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法，其特征在于，本发明利用磁性掺杂元素对gan材料的费米能级沿电子型方向进行调制，诱导实现了具有拓扑态能带结构的gan材料，并将其制备成为光电阴极。3.根据权利要求1所述一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法，其特征在于，本发明的结构从下至上依次为金属膜、衬底、缓冲层、磁性掺杂的拓扑态gan、激活层。4.根据权利要求1所述一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法，其特征在于，在衬底背面蒸镀金属膜，利用其较高的热导率保证衬底吸收足够的热量，以提高材料外延生长的速率。5.根据权利要求2所述一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极及其制备方法，其特征在于，所采用的磁性掺杂元素具有在掺杂过程中能够随机的替代ga元素进而改变gan材料的铁磁序的特性。6.一种磁性掺杂的拓扑态gan光电阴极的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：步骤1、衬底清洗，在衬底背面蒸镀一层金属膜；步骤2、在衬底上外延生长缓冲层；步骤3、在衬底上外延生长磁性掺杂的gan材料；步骤4、通过rta退火以激活磁性掺杂元素；步骤5、在超高真空中利用cs/o降低gan的表面功函数，制备出具有拓扑态的gan光电阴极。

技术总结
本发明公开了一种磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极及其制备方法。该磁性掺杂的拓扑态GaN光电阴极的结构包括：由下至上依次设置的金属膜、衬底、缓冲层、磁性掺杂的拓扑态GaN、激活层。磁性掺杂的拓扑态GaN材料具有载流子传输效率高、光谱响应范围宽、材料带隙可调的优点，是一种理想的光电材料。本发明在传统GaN光电阴极结构的基础上，采用了拓扑态的GaN材料作为光电阴极的电子发射层，其性能优良、灵活性较高，为相关材料实现宽带高响应探测的光电阴极提供了一种新的方案。极提供了一种新的方案。极提供了一种新的方案。


技术研发人员：王晓晖 任超 陈睿 简贤
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/21