CN102306600B - 一种蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极及其制备方法，该阴极由9741玻璃、SiO2钝化层、Si3N4增透膜、变带隙AlxGa1-xAs缓冲层、GaAs发射层以及Cs/O激活层组成；在一定厚度的AlxGa1-xAs缓冲层内，生长从AlxGa1-xAs到GaAs发射层Al组分逐渐降低的变带隙缓冲层，构建从AlxGa1-xAs到GaAs的内建电场，在内建电场的作用下，AlxGa1-xAs层中产生的光电子以扩散加漂移的方式输运到发射层，从而提高短波光子的光电发射量子效率，达到蓝延伸的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光电发射材料技术领域，具体涉及一种AlxGa1-xAs/GaAs化合物半导体材料组分控制与外延生长技术相结合的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极及其制备方法。
背景技术
光电阴极是一种利用外光电效应将光信号转变为电信号的光电发射材料。具有负电子亲和势GaAs光电阴极由于量子效率高、暗发射小、能量和空间分辨率高、发射电流密度大且可实现均匀平面电子发射等众多优点，在光电探测与成像等领域中得到了广泛应用。
用于光电成像中的AlGaAs/GaAs光电阴极由于AlGaAs缓冲层的吸收作用，对于蓝紫光和更短波长的光响应率不高。通常AlGaAs/GaAs光电阴极的探测波段为550nm～900nm 。为了探测、识别和确认沙漠地带或沙地景物，美国ITT公司研制成功了蓝光延伸的三代微光像增强器。在这项技术中，他们采用蓝光透射率更高的玻璃，并减小AlGaAs缓冲层厚度和增加Al组分来提高蓝光透射率。测试结果表明，蓝延伸阴极对波长小于550nm光子探测的量子效率明显提高，但当波长小于400nm后，量子效率又呈快速下降趋势，同时蓝延伸阴极还牺牲了长波量子效率。造成这种现象的原因主要有两个方面，首先AlGaAs缓冲层不能太薄，否则失去了缓冲的意义，因而蓝光透射率的提高是有一定限度的，其次缓冲层中产生的大量光电子绝大部分都在缓冲层中复合了，没有得到充分的利用。因而解决好AlGaAs缓冲层光子吸收对光电发射的影响问题对于实现GaAs光电阴极的蓝延伸，提高短波光子量子效率具有重要意义。
发明内容
针对现有AlGaAs/GaAs光电阴极不能很好的探测蓝、紫光，短波光子量子效率不高的现状，本发明提供了一种基于变带隙AlxGa1-xAs缓冲层的AlGaAs/GaAs光电阴极及其制备方法。
本发明以改变AlxGa1-xAs材料中Al组分x的含量，从而改变半导体材料的带隙（禁带宽度），在AlGaAs/GaAs结构的AlGaAs缓冲层中形成一个很强的内建电场。入射光子通过AlGaAs时激发的光电子就能以很快的漂移速度向GaAs发射层输运，从而能够在不影响长波光子探测的情况下大大提高蓝、紫光等短波光子探测的量子效率，实现本发明蓝延伸探测的设想。
本发明的半导体光电阴极包括：9741玻璃、SiO2钝化层、Si3N4增透膜、变带隙AlxGa1-xAs缓冲层、p型GaAs发射层以及Cs/O激活层组成：所述变带隙AlxGa1-xAs缓冲层，厚度为1~2μm，掺杂浓度为(5~10)×1018cm-3，AlxGa1-xAs层Al组分从Si3N4增透膜往GaAs发射层方向由最大0.4~0.7线性下降到零。
此外，在上述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，玻璃采用紫外透过率高的9741玻璃（可通过市购得到）。
此外，在上述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，Si3N4增透膜的厚度为60~100nm。
此外，在上述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，GaAs发射层的p型掺杂浓度为1×1019cm-3。
此外，在上述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，GaAs发射层的厚度为1~2μm。
该方法按以下步骤依次进行，
步骤（1），准备GaAs衬底，GaAs衬底作“籽晶”要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割；利用金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）在GaAs衬底上顺序生长AlGaAs阻挡层，GaAs发射层和变带隙AlxGa1-xAs缓冲层；
步骤（2），在变带隙AlxGa1-xAs缓冲层上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层Si3N4增透膜，然后再沉积一层SiO2钝化层，通过热压合，将该SiO2钝化层与9741玻璃粘接；
步骤（3），用选择性化学腐蚀法将GaAs衬底和AlGaAs阻挡层去除，裸露GaAs发射层；
步骤（4），在超高真空系统中进行Cs/O激活，在GaAs发射层上形成一层Cs/O激活层。
与现有技术相比，蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极具有如下优点：
1、本发明通过调节AlxGa1-xAs材料中Al组分x的含量从而改变半导体材料的带隙，在AlGaAs缓冲层中形成一个很强的内建电场。在内建电场的作用下，入射光子通过缓冲层时激发的光电子就能很快定向漂移到GaAs发射层。由于更多蓝、紫光等短波光子在缓冲层中吸收产生光电子，从而大大提高了这部分光子探测的量子效率。
2、本发明蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极由于AlGaAs缓冲层中存在一个由发射层指向缓冲层的内建电场，在电场作用下，缓冲层中的光电子就从缓冲层向GaAs发射层定向漂移，该定向漂移有利于GaAs光电阴极分辨力的提高。
3、本发明蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极由于AlGaAs缓冲层采用组分渐变模式进行生长，降低了缓冲层与发射层之间的界面应力，改善了界面特性，从而进一步降低了光电子的界面复合速率，最终也提高了 GaAs光电阴极的量子效率。
附图说明
图1为本发明实施方式的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极结构示意图。
图2为蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极制备过程的剖面图。
图3为蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极制备过程的剖面图。
图4为蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极制备过程的剖面图。
图5为本发明实施方式的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的光谱响应曲线图。
9741玻璃-1、SiO2钝化层-2、Si3N4增透膜-3、变带隙AlxGa1-xAs缓冲层-4、GaAs发射层-5、Cs/O激活层-6、GaAs衬底-7、AlGaAs阻挡层-8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的结构示意图。如图所示，蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极自下而上由9741玻璃（1）、SiO2钝化层（2）、Si3N4增透膜（3）、变带隙AlxGa1-xAs缓冲层（4）、GaAs发射层（5）以及Cs/O激活层（6）组成。
9741玻璃（1）的紫外及蓝紫光透过率远高于传统GaAs光电阴极中的7056玻璃，从而跨越从紫外到近红外很宽的波长范围内，使入射光透过。而且，玻璃也是保持光电阴极机械强度的部分。
SiO2钝化层（2）在玻璃基底上，用来保护Si3N4增透膜（3）在与9741玻璃（1）热粘接时不受破坏，并且阻止有害元素进入AlxGa1-xAs缓冲层（4）。
Si3N4增透膜（3）在SiO2钝化层（2）上，膜层厚度为60~100nm。增透膜可降低入射到AlxGa1-xAs缓冲层（4）的光子的反射率，从而提高入射光子的探测效率。
变带隙AlxGa1-xAs缓冲层（4）在Si3N4增透膜（3）上，厚度为1~2μm，p型掺杂浓度为(5~10)×1018cm-3，AlxGa1-xAs缓冲层（4）Al组分从Si3N4增透膜（3）往GaAs发射层（5）方向由最大0.4~0.7线性下降到零。
GaAs发射层（5）在AlxGa1-xAs缓冲层（4）上，厚度为1~2μm，p型掺杂浓度为1×1019cm-3。
Cs/O激活层（6）在GaAs发射层（5）上，厚度为6~10Å。Cs/O激活层（6）可使GaAs发射层（5）导带底能级下降到低于真空能级，达到负电子亲和势状态。
蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的制备方法
在此，对本实施方式的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的制备方法进行说明。图2、图3、图4为光电阴极的制备过程。
首先，准备GaAs衬底（7）。GaAs衬底（7）作“籽晶”要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割。然后利用金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）在GaAs衬底（7）上顺序生长AlGaAs阻挡层（8），GaAs发射层（5）和变带隙AlxGa1-xAs缓冲层（4）（图2）。
然后，在变带隙AlxGa1-xAs缓冲层（4）上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层Si3N4增透膜（3），然后再沉积一层SiO2钝化层（2）。通过热压合，将该SiO2钝化层（2）与9741玻璃（1）粘接（图3）。
然后，用选择性化学腐蚀法将GaAs衬底（7）和AlGaAs阻挡层（8）去除，裸露GaAs发射层（5）（图4）。
最后，在超高真空系统中进行Cs/O激活，在GaAs发射层（5）上形成一层Cs/O激活层（6）（图1）。
蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的特性
图5表示本实施方式一种蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的特性数据。如图5所示，根据本实施方式的光电阴极，可以得到跨越从300nm的紫外到900nm的近红外的宽波长区域较平坦光谱响应。特别是从350nm到550nm波长区域，具有高于传统阴极的高灵敏度。
Claims (5)
1.一种蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，该阴极由9741玻璃、SiO2钝化层、Si3N4增透膜、变带隙AlxGa1-xAs缓冲层、GaAs发射层以及Cs/O激活层组成，其特征在于：所述变带隙AlxGa1-xAs缓冲层，厚度为1~2μm，p型掺杂浓度(5~10)×1018cm-3，AlxGa1-xAs层Al组分由Si3N4增透膜往GaAs发射层方向由（0.4~0.7）线性下降到零。
2.根据权利要求1所述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，其特征在于：所述Si3N4增透膜的厚度为60~100nm。
3.根据权利要求1所述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，其特征在于：所述GaAs发射层的p型掺杂浓度为1×1019cm-3。
4.根据权利要求1或2所述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极，其特征在于：所述GaAs发射层的厚度为1~2μm。
5.如权利要求1所述的蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：该方法按以下步骤依次进行，
步骤（1），准备GaAs衬底，GaAs衬底作“籽晶”要求其位错密度低于103cm-3，并且均匀性好，晶向朝（100）面偏3º切割；利用金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）在GaAs衬底上顺序生长AlGaAs阻挡层，GaAs发射层和变带隙AlxGa1-xAs缓冲层；
步骤（2），在变带隙AlxGa1-xAs缓冲层上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层Si3N4增透膜，然后再沉积一层SiO2钝化层，通过热压合，将该SiO2钝化层与9741玻璃粘接；
步骤（3），用选择性化学腐蚀法将GaAs衬底和AlGaAs阻挡层去除，裸露GaAs发射层；
步骤（4），在超高真空系统中进行Cs/O激活，在GaAs发射层上形成一层Cs/O激活层。
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