一種AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管的製作方法

2024-01-29 13:44:15 1

專利名稱：一種AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子材料與元器件技術領域，涉及寬禁帶半導體光電薄膜及紫外光電陰極材料，具體是指通過控制Alxavx01+a^i(AlZnO)三元合金的各組分原子比在一定的範圍內，可得到具有優良的紫外光電發射性能的薄膜，是一種可應用於紫外光電陰極的新材料。
背景技術：
繼紅外光電探測之後，對紫外輻射的探測也普遍受到重視。太陽是強大的紫外輻射源，但經過大氣吸收衰減後，在地面和近地大氣中存在著太陽輻射的光譜盲區(波長範圍200-300nm)，在這一波段太陽光的背景光噪聲的輻射輝度水平非常低，這為利用紫外探測可靠分辨和有效跟蹤近地飛行目標提供了有利條件，使紫外探測避開了最強大的自然光源，可在良好的背景條件下工作，同紅外探測相比，紫外探測具有虛警率低，不需低溫冷卻的優點。現在，紫外光探測技術已經被廣泛地應用於空間科學、醫學、生物學、火焰傳感、水淨化處理，天際通信、環境汙染監測等領域，研製日盲區紫外探測器在軍事和民用領域都具有很高的應用價值。目前紫外光電探測器主要分為三類光電子發射(PE)探測器、光電導(PC)探測器、光伏(PV)探測器以及利用表面勢壘製成的各種結型探測器(包括金屬-半導體-金屬點接觸二極體、肖特基勢壘光電二極體等)。其中光電子發射(PE)探測器的原理為外光電效應，即金屬或半導體受光照後，若入射光子能量hv足夠大，和金屬或半導體材料中的電子相互作用，使得電子從金屬或半導體材料表面逸出的現象稱為光電發射效應。而光電導 (PC)探測器和光伏(PV)探測器的基本原理為內光電效應，是發生在物質內部的光電轉換現象，特別是在半導體內部產生的光生載流子效應。使用寬禁帶半導體材料製備光電導及結型探測器雖然比較廣泛，但是以上技術的關鍵在於半導體材料必須要對特定波長的光波產生有效的吸收，並且光生載流子在半導體內部的輸運必須通暢快速才能得到高效高速的探測器，這就要求材料必須具有很好的結晶質量，最好是單晶。要得到能夠探測太陽盲區紫外線的半導體材料，就要求其光學禁帶寬度要達到4. 4eV以上，對於絕大多數本徵寬禁帶半導體而言都還不能達到如此大的禁帶寬度，只有通過摻雜來展寬禁帶。隨之而來產生的問題就是高摻雜後，材料的禁帶寬度雖達到了相應的寬度，但是由於摻雜改變了材料的結構，使缺陷增多，且載流子濃度過高，對其自身的遷移也造成了嚴重的散射，使載流子數目雖多但卻不能在材料體內自由輸運形成光電流。如此一來，通過內光電效應的探測器就很難提高其光靈敏度。本發明中光電管是典型的光電子發射型探測器，採用光電子發射(外光電效應)的原理，這樣在材料表層產生的光生載流子只需克服很短的遷移距離就可以輸運到材料表面並逸出，再在外電場和高真空環境下做定向運動到達陽極產生光電流，從而達到提供檢測信號的作用。紫外真空探測器件的關鍵技術指標就是它們的探測效率，這取決於光電陰極把入射光子轉換為光電子的能力。所以紫外光電陰極是紫外真空探測器件的核心部件，對器件的整體性能起到決定性的影響。常用的紫外光電陰極材料有csl，半透明WcsTe以及不透明的金剛石等，但是這些材料的穩定性不夠或者量子效率較低，使得光電發射的應用受到很大的限制。目前，基於負電子親和勢(Negative Electron Affinity或ΝΕΑ)光電發射的 GaN基的紫外光電陰極是新一代紫外光電陰極研究的熱點，NEA光電陰極材料表面的真空能級低於體內的導帶底能級，即材料的有效電子親和勢小於零，則由光照激發產生的光電子只要能從陰極體內運行到表面，就可以輕而易舉地發射到真空而無需過剩的動能去克服材料表面的勢壘，這樣光電子的逸出深度和機率都將大大增加，發射效率也會大幅度提高。 對NEA紫外陰極材料的研究在國外也屬前瞻性技術，美國空間科學實驗室所製備的反射式 GaN光電陰極所產生的量子效率最高到70 %，光吸收截止邊到380nm。但是，典型的GaN光電陰極材料是生長在晶格匹配的c面藍寶石或SiC襯底上的，不然會導致薄膜質量顯著下降， 而且它對製作系統設備的真空度以及對表面的淨化都要求非常苛刻，如在熔石英襯底上沉積的多晶GaN薄膜量子效率明顯地低於生長在藍寶石上的GaN光電陰極，只達到4 %。相比之下，ZnO材料體系不僅具有更寬泛的可調禁帶寬度，而且其潛在的優勢還在於它能相對比較容易的沉積在各種不同的基板上面，美國的馬裡蘭大學已經開展了以MgZnO作為紫外光電陰極材料的相關研究，所製備的MgZnO陰極經激活後，其量子效率最高達到0. 4% (254nm 處)。

發明內容
本發明提供一種AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管，該AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管對紫外光敏感，通過嚴格控制材料組分可實現光學吸收邊藍移至300nm以內，從而滿足紫外光日盲區探測要求，且具有製備方法簡單、成本較低、無毒環保的特點。本發明技術方案如下一種AlZnO紫外光電陰極材料，包括襯底基片、沉積於襯底基片表面的金屬底電極和沉積於襯底金屬底電極表面的AlZnO合金薄膜；所述AlZnO合金薄膜的化學式為 AlxZn1^xOlto. 5x (0. 2 < χ 彡 0. 7)。一種紫外真空光電管，包括真空封裝的AiaiO紫外光電陰極和陽極；所述AiaiO紫外光電陰極包括襯底基片、沉積於襯底基片表面的金屬底電極和沉積於襯底金屬底電極表面的AlZnO合金薄膜；所述AlZnO合金薄膜的化學式為AlxZn1U. 2彡χ彡0. 7)。本發明提供的AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管，其中AlZnO合金薄膜可採用磁控濺射法、氣相輸運法、化學氣相沉積法、脈衝雷射沉積法、分子束外延法、溶膠-凝膠法、噴霧熱分解法和雷射輔助蒸發法等薄膜沉積工藝製作。ZnO與GaN材料相類似，是直接帶隙半導體材料，有相同的晶體結構，相近的晶格常數和禁帶寬度，並且ZnO作為一種優異的冷陰極和場發射材料，已經得到廣泛的應用。而本發明採用採用AlZnO三元合金材料(本發明所述AlSiO三元合金材料也可認為是SiO和 Al2O3按比例混合的固溶體材料)作為紫外光電陰極，與現有的紫外光電陰極材料相比，具有很高的化學和熱穩定性和更好的抗輻射損傷能力，並且適用於大多數基底材料，特別是具有生產成本低，無毒環保等優勢。本發明提供的AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管，其中AlZnO合金薄膜為AlxZrvxCU 2 ^ χ ^ 0. 7)，可實現波長小於370nm的紫外波段的探測；進一步地，如果對AlZnO合金薄膜中Al和Si的原子比組分進行嚴格控制，使AlZnO合金薄膜為AlxZn1U. 3彡χ彡0. 7)，這樣就可使得AlZnO紫外光電陰極材料的光學禁帶寬度和紫外光日盲區的光子能量相匹配，從而可用以實現紫外光日盲區 (200 300nm)的探測。 綜上所述，本發明提供的AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管，將化學組成為AlxZrvxCW2 ^ χ ^ 0. 7)的三元合金薄膜作為紫外光電陰極材料，其光學吸收邊可藍移至300nm以內，能夠滿足紫外光日盲區探測要求，且具有製備方法簡單、成本較低、無毒環保的特點。


圖1是本發明具體實現的石英基片上AlxZrvxCW2 ^ χ ^ 0. 7)的三元合金薄膜的透過率曲線。圖2是本發明提供的紫外真空光電管的光電發射特性測試平臺示意圖。圖3是本發明具體提供的一種反射式紫外真空光電管的光電發射特性測試曲線。
具體實施例方式紫外光電陰極材料實施例一種AlZnO紫外光電陰極材料，包括襯底基片、沉積於襯底基片表面的金屬底電極和沉積於襯底金屬底電極表面的AlZnO合金薄膜；所述AlZnO合金薄膜的化學式為 Α1χΖηι_χ01+。.5χ，其中0. 2彡χ彡0. 7。所述襯底基片為IOX IOmm2大小的石英玻璃基片，金屬底電極為400nm後的金膜，金膜的表面電阻約為41. 3mΩ · cm。進一步地，對於上述Α1χ&νχ01+0.5x (0. 3彡χ彡0. 7)紫外光電陰極材料，採用 UV-2550紫外-可見分光光度計測量在石英基片上AZO薄膜的典型透過率曲線如圖1。從透過率曲線可見，該薄膜在波長大於350nm的紫外和可見光區域，其光透過率大於90%，光學吸收邊較為陡峭，截止於300nm。紫外真空光電管實施例將上述實施例的AlZnO紫外光電陰極和陽極真空封裝在一起，得到一種反射式紫外真空光電管；其中陽極採用直徑3mm的鎳絲，其頂部正對AlZnO紫外光電陰極且距離約0. 2mm，封裝材料為紫透玻管O50nm透過率約為50%，280nm約為80% )，封裝真空度為 1. 0X10、a。對於上述反射式紫外真空光電管，利用圖2的測試平臺測試採用透紫玻璃真空封裝後得到的反射式紫外真空光電管的光電發射特性，測試儀器為天津東文高壓電壓源 (DW-M202-0. 5AC)，微電流計(KEITHLEYPIC0AMMETER6485)；光源為賽凡光電3W標準汞燈 (λ = 2Mnm)。光電管的測試過程中，日光時電流為0.02nA，加254nm紫外光照後電流出現明顯的增長，關閉光源電流立即下降為0. 02nA。測試結果如圖3所示，在254nm波長的紫外光照下，樣品的光電發射現象明顯，且其光暗電流相差兩個數量級以上。除了濺射工藝，焊接工藝，封裝工藝等都會對器件的測試結果造成一定的影響，所以封裝好的器件的光響應幅值在0. 2 5nA的範圍內，本實驗從薄膜製備到封管測試，重複了多次，且對同一樣品不同時期的測試都很穩定，從而證實了這一現象的可靠性。本發明中製備的AZO合金薄膜具有較好的光電發射特性，可以作為日盲紫外光電
5陰極材料應用於真空探測器件中。將其真空封裝為反射式真空光電管，經測試表明，其具有良好的紫外光電發射特性，且無需高真空和高電壓，發射閾值只在10伏左右。值得注意的是，該真空光電管的光電發射電流雖然在納安級，但其光暗電流至少相差兩個數量級，且該管只對紫外光有響應，能夠實現日盲紫外檢測，所需真空度低(I(T3Pa)，暗電流也非常低 (IO-11A)，可廣泛應用於紫外探測技術領域。
權利要求
1.一種AlZnO紫外光電陰極材料，包括襯底基片、沉積於襯底基片表面的金屬底電極和沉積於襯底金屬底電極表面的AlZnO合金薄膜；所述AlZnO合金薄膜的化學式為 AlxSvxCVa 5x，其中 0. 2 彡 χ 彡 0. 7。
2.根據權利要求1所述的AlSiO日盲紫外光電陰極材料，其特徵在於，所述AlSiO合金薄膜的化學式AlxZrvxO1^x中，0. 3彡χ彡0. 7。
3.一種紫外真空光電管，包括真空封裝的AlZnO紫外光電陰極和陽極；所述AlZnO紫外光電陰極包括襯底基片、沉積於襯底基片表面的金屬底電極和沉積於襯底金屬底電極表面的AlZnO合金薄膜；所述AlSiO合金薄膜的化學式為Α1χΖηι_χ01+α5χ，其中0. 2彡χ彡0. 7。
4.根據權利要求3所述的日盲紫外真空光電管，其特徵在於，所述AlSiO合金薄膜的化學式 AlxSvxCV0.5χ 中，0. 3 彡 χ 彡 0. 7。
全文摘要
一種AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管，屬於電子材料與元器件技術領域。所述AlZnO紫外光電陰極材料，包括襯底基片、沉積於襯底基片表面的金屬底電極和沉積於襯底金屬底電極表面的AlZnO合金薄膜；所述AlZnO合金薄膜的化學式為AlxZn1-xO1+0.5x，其中0.2≤x≤0.7。所述紫外真空光電管，包括真空封裝的所述AlZnO紫外光電陰極和陽極。本發明提供的AlZnO紫外光電陰極材料及其紫外真空光電管，將化學組成為AlxZn1-xO1+0.5x(0.2≤x≤0.7)的三元合金薄膜作為紫外光電陰極材料，其光學吸收邊可藍移至300nm以內，能夠滿足紫外光日盲區探測要求，且具有製備方法簡單、成本較低、無毒環保的特點。本發明可廣泛應用於紫外探測技術領域。
文檔編號H01B1/08GK102385939SQ20111040853
公開日2012年3月21日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者鄧宏, 鄧雪然, 韋敏 申請人:電子科技大學