一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源及其制备方法
专利汇可以提供一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种GaAs纳米光学共振结构光电 阴极 电子 源，属于光电阴极技术领域，结构由下至上依次包括P型 半导体 衬底、纳米光学共振发射层有源区和表面激活层。利用纳米光学共振结构与入射光作用产生的光学共振效应，将光场和电荷局限于有源区，大幅度提升入射光的吸收率，降低 光电子 输运距离，还可以降低表面光反射导致的有害光电发射对电子束品质的影响，从而有效提升 量子效率 和电子束的品质。GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源可以采用纳米压印 刻蚀 、自组装纳米球刻蚀、电子束 光刻 、聚焦离子束刻蚀等工艺进行制备，工艺技术成熟， 稳定性 好，可应用于大型电子 加速 器、微光夜视、扫描电镜等领域。，下面是一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：该光电阴极电子源结构由下至上依次包括P型半导体衬底、纳米光学共振发射层有源区和表面激活层。
2.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述P型半导体衬底的材料为GaAs，或者是在P型受主掺杂的GaP、InP、Si、GaSb半导体材料上面生长P型GaAs缓冲层后形成的复合衬底。
3.根据权利要求2所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述P型半导体衬底的P型受主掺杂浓度在1018-1019 cm-3之间；所述P型半导体衬底的厚度在
200-800μm之间。
4.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述纳米光学共振发射层有源区的材料选择为GaAs半导体，掺杂类型为P型受主掺杂，掺杂浓度可以在5×1018cm-3-1019 cm-3之间；纳米光学共振发射层有源区的纳米阵列为二维周期性点阵排列，排列方式为正方形或者正六边形，相邻两点之间的距离在450-750nm之间。
5.根据权利要求4所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状。
6.根据权利要求5所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱体形状，其直径在
150-400nm之间，高度在300-600nm之间；纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆台体形状，其上表面直径在0-150nm之间，下底面直径可以在300-400之间，高度在300-600nm之间；纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱孔形状，其直径在150-550nm之间，高度在300-600nm之间；纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆台孔形状，其上表面直径在300-550nm之间，下底面直径在0-150nm之间，高度在300-600nm之间。
7.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述表面激活层材料选择为交替沉积或共沉积法生长的Cs/O薄膜、Cs/F薄膜中的一种，薄膜厚度在2-3个原子层之间。
8.根据权利要求2或4所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源，其特征在于：所述P型受主掺杂剂为Be或Zn。
9.根据权利要求1所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（一）准备p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝面偏一定角度切割；
（二）纳米光学共振发射层有源区采用纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀方法进行制备；
（三）用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对上述步骤（二）所获得GaAs纳米阵列进行浸泡清洗3-5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行600-680℃的高温加热处理；
（四）在超高真空系统中进行Cs/O或Cs/F激活，在二维GaAs纳米阵列上形成一层Cs/O或Cs/F激活层，最终获得本发明的GaAs纳米光学共振结构的光电阴极电子源。
10.根据权利要求9所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：步骤（一）中，在100晶向上要求偏角3 4度。
~
11.根据权利要求9所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：步骤（三）中，将GaAs纳米阵列放入体积比为1：1的丙酮与四氯化碳混合液中清洗，将清洗好的GaAs纳米阵列分别用无水乙醇冲洗多次，再用离子水冲洗。
12.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：纳米压印刻蚀工艺，包括以下步骤：
（a）利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积一层厚度为100-200nm的SiO2阻挡层；
（b）准备用于纳米压印工艺的硅半导体二维周期性排列的纳米阵列模板，排列方式可以是正方形、正六边形，将硅模板与烷基三氯硅烷放于干燥的密封箱中静置20-24小时，完成对硅模板表面的抗粘连处理；
（c）将硅半导体纳米阵列硬模板的图案转移至双层聚二甲硅氧烷软模板上；
（d）在生长有SiO2阻挡层的GaAs衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶，采用自动或手动压印方法将双层PDMS软模板上的图案转移到衬底表面的PMMA光刻胶上，形成纳米阵列表面PMMA模板；
（e）以表面PMMA纳米阵列为阻挡，采用反应离子刻蚀方法刻蚀SiO2阻挡层，刻蚀完后取出并用酒精和丙酮各浸泡清洗去掉表面残留的PMMA，留下SiO2纳米阵列；
（f）以表面SiO2纳米阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，刻蚀完后将顶部有SiO2阻挡层的GaAs纳米阵列材料浸入BOE腐蚀液中，去除纳米阵列顶部SiO2阻挡层，得到二维GaAs纳米阵列。
13.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：自组装纳米球刻蚀工艺，包括以下步骤：
（a）采用stober法制作的直径100-800nm之间的SiO2纳米球；
（b）采用感应耦合离子轰击法对GaAs衬底进行亲水性处理；将0.5-1g SiO2纳米球加入
20-25g质量分数为2wt%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中超声1-2小时进行改性处理，高速离心后自然干燥成粉末；
（c）将亲水处理后的GaAs衬底置于盛有去离子水的容器中，取改性SiO2纳米球加入至一定量的甲醇中，使质量分数为2wt%，超声分散1-2小时，使用注射器取纳米球溶液0.5-1毫升，将纳米球转移至气液界面处，静置2-3小时后，用镊子将GaAs衬底以45°角缓缓向上提出液面，自然干燥，在GaAs衬底表面获得自组装的SiO2纳米球阵列，排列方式一般为正六边形；
（d）采用反应离子方法刻蚀GaAs衬底表面的自组装SiO2纳米球阵列，设定合适的刻蚀条件可获得直径满足应用需求的SiO2纳米球阵列；在自组装SiO2纳米球阵列表面旋涂一层PMMA光刻胶，之后将SiO2纳米球进行剥离，可以获得表面PMMA纳米孔阵列；
（e）以上述（d）中所获得的表面自组装SiO2纳米球阵列或表面PMMA纳米孔阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成GaAs纳米阵列层；
（f）采用BOE化学腐蚀去除表面自组装SiO2纳米球，或采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得二维GaAs纳米阵列。
14.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：电子束刻蚀工艺，包括以下步骤：
（a）在GaAs衬底表面旋涂PMMA光刻胶，烘干后放入电子束曝光机内部样品托；
（b）采用电子束直写方法对PMMA光刻胶进行曝光，之后进行显影处理，将二维阵列图案转移至PMMA光刻胶上；
（c）以上述二维阵列PMMA光刻胶作为掩膜版，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成GaAs纳米阵列层；
（d）采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得二维GaAs纳米阵列。
15.根据权利要求10所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：聚焦离子束刻蚀工艺，包括以下步骤：
聚焦离子束方法是采用高能离子束直接轰击材料进行刻蚀，因此可以采用聚焦离子束方法直接在GaAs衬底表面加工GaAs二维纳米阵列；也可以现在GaAs衬底表面沉积制备SiO2阻挡层，采用聚焦离子束方法对SiO2进行加工获得所需要的二维纳米阵列，然后采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底获得相应的GaAs纳米阵列，最后采用二氧化硅蚀刻液化学腐蚀去除表面SiO2阻挡层。
16.根据权利要求9所述的一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源的制备方法，其特征在于：纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀方法中，硅半导体二维周期性排列的纳米阵列模板的形状为圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔，由此获得圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状的二维GaAs纳米阵列。
一种GaAs纳米光学共振结构光电阴极电子源及其制备方法
技术领域
背景技术
发明内容
150-400nm之间，高度可以在300-600nm之间；可以为圆台体，其上表面直径可以在0-150nm之间，下底面直径可以在300-400之间，高度可以在300-600nm之间；可以为圆柱孔，其直径可以在150-550nm之间，高度可以在300-600nm之间；可以为圆台孔，其上表面直径可以在
300-550nm之间，下底面直径可以在0-150nm之间，高度可以在300-600nm之间。
2、纳米光学共振发射层有源区可以采用纳米压印刻蚀、自组装纳米球刻蚀、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀方法进行制备，各种工艺制备方法描述如下：
纳米压印刻蚀工艺：
（a）利用等离子体增强化学气相沉积 （PECVD）技术沉积一层厚度为100-200nm的SiO2阻挡层；
（b）准备用于纳米压印工艺的硅半导体圆柱体/圆柱孔形状二维周期性排列的纳米阵列模板，排列方式可以是正方形、正六边形等，将硅模板与烷基三氯硅烷放于干燥的密封箱中静置20-24小时，完成对硅模板表面的抗粘连处理；
（c）将硅半导体圆柱体/圆柱孔形状纳米阵列硬模板的图案转移至双层聚二甲硅氧烷(PDMS)软模板上；
（d）在生长有SiO2阻挡层的GaAs衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光刻胶，采用自动或手动压印方法将双层PDMS软模板上的图案转移到衬底表面的PMMA光刻胶上，形成圆柱体/圆柱孔形状的纳米阵列表面PMMA模板；
（e）以表面PMMA纳米阵列为阻挡，采用反应离子刻蚀方法刻蚀SiO2阻挡层，刻蚀完后取出并用酒精和丙酮各浸泡清洗去掉表面残留的PMMA，留下圆柱体/圆柱孔形状的SiO2纳米阵列；
（f）以表面SiO2纳米阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，刻蚀完后将顶部有SiO2阻挡层的GaAs纳米阵列材料浸入BOE腐蚀液中，去除纳米阵列顶部SiO2阻挡层，得到圆柱体/圆柱孔形状的二维GaAs纳米阵列。
（b）采用感应耦合离子轰击法对GaAs衬底进行亲水性处理；将0.5-1g SiO2纳米球加入
20-25g质量分数为2wt%的十六烷基三甲基溴化铵溶液中超声1-2小时进行改性处理，高速离心后自然干燥成粉末；
（c）将亲水处理后的GaAs衬底置于盛有去离子水的容器中，取改性SiO2纳米球加入至一定量的甲醇中，使质量分数为2wt%，超声分散2小时，使用注射器取纳米球溶液0.5-1毫升，将纳米球转移至气液界面处，静置2-3小时后，用镊子将GaAs衬底以45°角缓缓向上提出液面，自然干燥，在GaAs衬底表面获得自组装的SiO2纳米球阵列，排列方式一般为正六边形；
（d）采用反应离子方法刻蚀GaAs衬底表面的自组装SiO2纳米球阵列，设定合适的刻蚀条件可获得直径满足应用需求的SiO2纳米球阵列；在自组装SiO2纳米球阵列表面旋涂一层PMMA光刻胶，之后将SiO2纳米球进行剥离，可以获得表面PMMA纳米孔阵列；
（e）以上述（d）中所获得的表面自组装SiO2纳米球阵列或表面PMMA纳米孔阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成圆柱体形状或圆柱孔形状的GaAs纳米阵列层；
（f）采用BOE化学腐蚀去除表面自组装SiO2纳米球，或采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得圆柱体/圆柱孔形状的二维GaAs纳米阵列。
（b）采用电子束直写方法对PMMA光刻胶进行曝光，之后进行显影处理，将圆柱体形状或圆柱孔形状的二维阵列图案转移至PMMA光刻胶上；
（c）以上述圆柱体形状或圆柱孔形状的二维阵列PMMA光刻胶作为掩膜版，采用感应耦合离子法刻蚀GaAs衬底，通过设定合理的工艺条件可以在GaAs衬底上形成圆柱体形状或圆柱孔形状的GaAs纳米阵列层；
（d）采用丙酮清洗去除表面PMMA，最终获得圆柱体/圆柱孔形状的二维GaAs纳米阵列。
具体实施方式
度可以在5×10 cm -10 cm 之间；纳米光学共振发射层有源区的纳米阵列为二维周期性点阵排列，排列方式为正方形或者正六边形，相邻两点之间的距离在450-750nm之间，纳米光学共振发射层有源区二维周期性纳米点阵的重复单元是圆柱体、圆台体、圆柱孔或圆台孔形状。
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103 cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割，厚度300-500μm；
2、基片清洗：丙酮和酒精超声清洗10分钟后去除经去离子水浸泡，有效去除基片表面有机物。
4、硅模板：准备用于纳米压印工艺的直径3英寸的圆形硅半导体圆柱形纳米阵列模板，纳米柱直径300nm、高度100-200nm、间距600nm、排列方式为正六边形排列，将硅模板与烷基三氯硅烷放于干燥的密封箱中静置24小时，完成对硅模板表面的抗粘连处理；
5、模板复制：纳米压印模板将硅半导体圆柱形纳米阵列硬模板的图案转移至双层聚二甲硅氧烷(PDMS)软模板上，形成圆孔形状的纳米阵列PDMS软模板，第一层为可塑性较差的高杨氏模量PDMS，它与硅半导体模板直接接触，用于准确复制模板图案，第二层为可塑性较好的低杨氏模量PDMS，用于保持模板与衬底的完全接触；
6、模板图形转移：在生长有SiO2的GaAs衬底上旋涂一层厚度100-150nm的PMMA光刻胶，采用热压印方法将双层PDMS软模板上的图案转移到衬底表面的PMMA光刻胶上，形成圆柱形状的纳米阵列表面PMMA模板；
7、SiO2纳米球刻蚀：以表面圆柱形状的PMMA纳米阵列为阻挡，采用RIE方法刻蚀SiO2阻挡层，设定反应室气压1850 mTorr 、射频功率（RF）200W，通入SF6 、CHF3 和He气体，流量分别为5.5、32和150 SCCM，刻蚀1-3分钟，刻蚀完后取出，用酒精和丙酮各浸泡清洗3分钟，去掉表面残留的PMMA，留下圆柱形状的SiO2纳米阵列；
8、GaAs纳米阵列刻蚀：以表面SiO2纳米球阵列作为阻挡层，采用感应耦合离子（ICP）法刻蚀GaAs衬底，设定反应室气压 4mTorr，通入CL2、BCL3气体，流量分别为6 、14 SCCM，刻蚀
25-60秒，在GaAs衬底上形成顶部有SiO2纳米球阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米阵列层；
8、去除表面纳米球：采用HF化学腐蚀去除GaAs纳米阵列顶部的SiO2纳米球，腐蚀时间
1-2分钟，腐蚀完后置于去离子水中浸泡1-2分钟至少两次，最后氮气吹干。
11、高温加热：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
12、激活：在超高真空系统中进行Cs/F激活，在圆柱形状二维GaAs纳米阵列材料上形成一层Cs/F激活层。
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3-4º切割，厚度300-500nm, 切成面积为1.5*1.5cm2正方形小基片；
采用stober法制作的直径500nm SiO2纳米球1毫升。
1-2小时，高速离心后自然干燥成粉末。
1-2分钟，腐蚀完后置于去离子水中浸泡1-2分钟至少两次，最后氮气吹干。
10、激活：在超高真空系统中进行Cs/O激活，在圆柱形状二维GaAs纳米列材料上形成一层Cs/O激活层。
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103 cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割，厚度300-500μm；
2、基片清洗：丙酮和酒精超声清洗10分钟后去除经去离子水浸泡，有效去除基片表面有机物；
3、涂胶：基片放置在匀胶机上，采用转速为2000-3000r/min，时间为20-30秒，得到厚度为80-200nm的PMMA光刻胶；
4、烘干：将步骤3中涂有PMMA光刻胶的基片放入烘胶台烘干，时间为20-30s；
5、曝光图形：使用CAD软件设计曝光图案，图案中阵列的间距为450-500nm，直径为300-
350nm；
6、曝光：将烘干后的带有PMMA光刻胶的基片放入电子束曝光机内部样品托，采用事先设计好的CAD图形对光刻胶进行电子束直写曝光，曝光计量为100-200µC/cm2；
7、显影：按照甲基异丁基甲酮：异丙醇=1：3 配比配制显影液，显影时间为10-30秒，氮气吹干后得到需要的光刻胶图案；
8、 GaAs纳米阵列刻蚀：以光刻胶图案作为阻挡层，采用感应耦合离子（ICP）法刻蚀GaAs衬底，设定反应室气压 4mTorr，通入CL2、BCL3气体，流量分别为6 、14 SCCM，刻蚀25-
60秒，在GaAs衬底上形成顶部有光刻胶阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米列层；
9、去胶：将顶部有光刻胶阻挡层的圆柱形状二维GaAs纳米列放入盛有丙酮的烧杯中，浸泡1-5分钟，再依次放入无水乙醇和去离子水中浸泡1-5分钟，氮气吹干后得到圆柱形状二维GaAs纳米列层；
10、清洗：用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对GaAs纳米线阵列材料浸泡清洗5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物；
11、高温处理：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
12、激活：在超高真空系统中进行Cs/O激活，在圆柱形状二维GaAs纳米列材料上形成一层Cs/O激活层。
1、材料准备：直径为3英寸的p型GaAs晶圆衬底，要求其位错密度低于103 cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割，厚度300-500μm；
2、基片清洗：丙酮和酒精超声清洗10分钟后去除经去离子水浸泡，有效去除基片表面有机物；
3、离子束刻蚀：设定结构尺寸直径300-350nm，间隔为400-500nm驻留时间为20-1ms，离子束能取25-30kV，束流选择在25-30pA；在GaAs表面获得直径为300-350nm的纳米孔结构；
4、清洗：用四氯化碳、丙酮、无水乙醇、去离子水对GaAs纳米线阵列材料浸泡清洗5分钟，去除GaAs纳米阵列表面油脂和污染物；
5、高温处理：将GaAs纳米阵列样品浸入体积比硫酸：双氧水：去离子水=4:1:100的混合溶液中刻蚀10-20秒，用去离子水冲洗，吹干后，快速送入超高真空系统中，进行650℃的高温加热处理；
6、激活：在超高真空系统中进行Cs/O激活，在圆柱形状二维GaAs纳米列材料上形成一层Cs/O激活层。
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