CN103123885B - 一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，在GaAs100衬底材料层往上依次为AlGaAs腐蚀阻挡层，GaAs锌重掺杂层，GaAs锌低掺杂层，GaAs 碳梯度掺杂层，GaAs间隔层，AlGaAs窗口层。优点：该结构采用碳掺杂和变掺杂技术增强透射式GaAs或InGaAs光电阴极的短波响应，提升光电阴极工艺过程的热稳定性。变掺杂综合采用了锌和碳掺杂，在铯化面采用重锌掺杂，减小了铯化耗尽区，提高了光生载流子逸出概率；在窗口层界面处采用低碳掺杂，降低界面少子复合速率；在窗口层界面与重锌掺杂层之间采用碳变掺杂，形成具有良好热稳定性的内建电场，可以优化出高性能的光电阴极。

Description

一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构

技术领域

本发明涉及一种利用碳掺杂及变掺杂技术增强透射式GaAs或InGaAs光电阴极短波响应且具备高热稳定性的材料变掺杂结构。属于可见、近红外波段光电发射材料技术领域。

背景技术

像增强微光夜视技术是通过带像增强管的夜视镜让人眼直接观察微光下模糊目标的光电成像技术。作为像增强管的核心，光电阴极的发展已经从多碱阴极材料发展到基于半导体材料的负电子亲和势（NEA）光电阴极。相比多碱阴极，负电子亲和势光电阴极具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量与角度分布集中等优点，大大增强了微光夜视仪的成像性能。

目前商业化的三代像增强管有响应波段在450nm-920nm的GaAs光电阴极、450nm到720nm的GaAsP光电阴极和450nm到1100nm的InGaAs光电阴极。在三代光电阴极的制作中需要将半导体材料通过焊料封接到高透光的玻璃基底上，一般热压焊接的温度在600度，压力在5-10 Kg/cm²。以GaAs光电阴极为例，由于AlGaAs窗口层与GaAs光吸收层的热胀系数不同，高温热压焊接容易使AlGaAs/GaAs界面变差，界面复合速度增加，光电阴极的短波响应也相应降低。另外，基于GaAs衬底的InGaAs光电阴极由于材料缺陷较多，高温热压会使得材料缺陷进一步增加，整体性能下降明显。

目前国内外一些专利和文献提出了变掺杂提升三代光电阴极短波响应的方法，具体是在材料内部形成一个内电场，加速光生电子向铯化面的漂移，降低界面处光生载流子复合几率。如文献（变掺杂GaAs光电阴极的研究进展 陈怀林， 牛军，常本康  材料导报：综述篇 2009年23卷第10期；）提出了利用P型梯度掺杂或指数?掺杂方法构建内建电场，掺杂方式为：从AlGaAs窗口层的GaAs重掺杂开始，梯度或指数?降低掺杂浓度，铯化面所在GaAs层掺杂浓度最低。这个方法存在的问题有：

1）为了不影响铯化时的铯-氧激活，P型GaAs一般采用的掺杂为Zn掺杂，而文献和实验均表明高温下Zn较容易扩散，因而基于Zn掺杂的梯度或指数?式分布在光电阴极工艺中的高温热压、高温烘烤除气、高温热清洗后存在掺杂分布改变的问题，使得内建电场强度大大降低甚至消失。

2）一般铯化时铯化面GaAs需要重掺杂才能形成较好的铯化效果，而目前文献报道的梯度掺杂?掺杂方法均设置铯化面GaAs为低掺杂区。由于铯化时GaAs表面亲和势大大降低，低掺杂GaAs将形成很厚的铯化耗尽区，影响光电子的有效逸出。

3） 按照文献上的梯度掺杂分布，若铯化面GaAs掺杂浓度较高，则铯化面GaAs掺杂浓度将接近梯度掺杂分布的最高掺杂浓度，掺杂的梯度分布不明显，使得内建电场微弱。

4）文献上设计的梯度掺杂?掺杂方法在AlGaAs窗口层处GaAs的重掺杂一般在10¹⁹ cm^-3以上，相比未掺杂或者低掺杂的AlGaAs/GaAs界面，重掺杂在高温高压时会大大增加界面的少子复合速率，降低器件短波响应。

发明内容

本发明提出一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其目的是基于现有梯度掺杂?方法的缺点，提供在高温下具有很强的热稳定性的变掺杂结构，其效果既保证内电场强度足够，又使得内电场不在光电阴极工艺过程改变，既不影响AlGaAs/GaAs的界面质量，又能保证铯化面GaAs的高掺杂浓度，因而可以得到高性能的透射式光电阴极。

本发明的技术解决方案：增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其特征在GaAs衬底材料层往上依次为AlGaAs腐蚀阻挡层，GaAs锌重掺杂层，GaAs锌低掺杂层，GaAs 碳梯度掺杂层，GaAs间隔层，AlGaAs窗口层。GaAs锌重掺杂层厚度在10nm到100nm之间，锌掺杂浓度在1E10¹⁹ cm^-3到5E10¹⁹ cm^-3; GaAs锌低掺杂层厚度在10nm到100nm之间，锌掺杂浓度在0 到2E10¹⁸ cm^-3; GaAs 碳梯度掺杂层掺杂浓度从GaAs锌低掺杂层往GaAs间隔层递增，最高浓度在1E19 cm^-3到5E19 cm^-3，最低浓度与GaAs锌低掺杂层掺杂浓度一致；GaAs间隔层厚度在0nm到100nm之间，碳掺杂浓度在0 到1E10¹⁸ cm^-3。

本发明的思路如下：

1. 本发明利用碳掺杂形成GaAs 碳梯度掺杂层，构建具备强热稳定性的GaAs内建电场。碳作为Zn之外的另一种P型掺杂杂质，相比Zn，碳杂质具有更低的扩散系数、更高的杂质浓度、更低的受主束缚能，因而广泛应用在高性能的InP/InGaAs、GaAs/AlGaAs异质结器件中（P. V. Bulaev et al. Journal of crystal growth 248(2003) 114-118），大大提升了异质结器件的高温性能。

2. 本发明利用GaAs锌重掺杂层，GaAs锌低掺杂层解决碳掺杂不利于铯氧激活的问题。负电子亲和势器件需要铯氧激活工艺，考虑到碳杂质容易和铯氧激活的氧气氛反应形成碳化物降低铯化效果，一般光电阴极的P型掺杂只采用锌（Zn）掺杂。本发明的思路是在体材料采用碳梯度掺杂，而在铯化面采用Zn掺杂GaAs，利用碳掺杂提升变掺杂分布的高温稳定性，利用铯化面掺锌避免氧和碳结合。GaAs锌低掺杂层介于GaAs锌重掺杂层与GaAs 碳梯度掺杂层之间，避免了碳杂质对光电阴极铯氧激活的影响。

3. 本发明综合采用GaAs 碳梯度掺杂层、GaAs锌低掺杂层、GaAs锌重掺杂层形成强内建电场。GaAs 碳梯度掺杂层的最高浓度可以设置在1E19 cm^-3到5E19 cm^-3，最低浓度与GaAs锌低掺杂层浓度相同，较大的浓度差保证了很强的内建电场。GaAs锌重掺杂层在0到100nm，重掺可以形成很薄的铯化耗尽层，导带在铯化后形成三角势垒，到达表面的光生载流子可以有效隧穿逸出。

4. 本发明采用GaAs间隔层避免了梯度掺杂在热压时对界面质量的影响。GaAs间隔层为低掺杂薄层，考虑到AlGaAs窗口层的势垒很高，少数光生载流子在势垒处将被反射回来，GaAs间隔层的引入对光电流影响有限，却可以有效降低界面的少子复合速率。

本发明的优点总结为：1）可以使得光电阴极的热稳定性大大增加，该结构采用碳掺杂和变掺杂技术增强透射式GaAs或InGaAs光电阴极的短波响应，提升光电阴极工艺过程的热稳定性；2）与已有的变掺杂结构不同，本发明的变掺杂综合采用了锌和碳掺杂，在铯化面采用重锌掺杂，减小了铯化耗尽区，提高了光生载流子逸出概率；3）在窗口层界面处采用低碳掺杂，降低界面少子复合速率；4）在窗口层界面与重锌掺杂层之间采用碳变掺杂，形成具有良好热稳定性的内建电场；5）能带图的计算表明该结构具有良好的内建电场和薄耗尽层，可以优化出高性能的光电阴极；6）本变掺杂结构具有广泛的实用性，将GaAs改为InGaAs不影响该掺杂结构的有效性。

附图说明

附图1是增强热稳定性的透射式光电阴极的变掺杂结构及生长方法示意图，光电阴极工艺完成后AlGaAs腐蚀阻挡层12和GaAs（100）衬底11被去除。

附图2 是用GaAs 碳梯度掺杂层构建内电场的掺杂分布实例图。

附图3 是图2实例结构的能带图，显示了良好的内建电场和薄层的铯化耗尽区。

具体实施方式

对照附图1，高热稳定性的变掺杂GaAs光电阴极材料采用MOCVD方法生长：衬底材料为GaAs（100）衬底11，结构生长步骤为：

一、在衬底材料上生长AlGaAs腐蚀阻挡层12；

二、继续生长GaAs锌重掺杂层13，GaAs锌低掺杂层14；

三、在GaAs锌低掺杂层14上生长GaAs碳梯度掺杂层15 形成内建电场；

四、GaAs碳梯度掺杂层15上生长GaAs间隔层16、AlGaAs窗口层17；

具体步骤分：

1）GaAs碳梯度掺杂层15的掺杂浓度从GaAs锌低掺杂层14往GaAs间隔层16梯度增加；

2）GaAs锌低掺杂层14的引入确保碳分布在GaAs锌重掺杂层13完全消失；

3）AlGaAs窗口层17和光窗玻璃在600度，5-10Kg/cm²压力下热压焊接；

4） 工艺完成后AlGaAs腐蚀阻挡层12和GaAs（100）衬底11被去除，GaAs锌重掺杂层13的表面暴露于空气中作为铯化面。

若将此掺杂分布应用在InGaAs，则由GaAs衬底材料层往上依次为InGaAlAs腐蚀阻挡层，InGaAs锌重掺杂层，InGaAs锌低掺杂层，InGaAs 碳梯度掺杂层，InGaAs间隔层，InGaAlAs窗口层。

对照附图2，GaAs光电阴极材料的掺杂浓度分布实例：AlGaAs窗口层17位于能带图最左边，能带图从左往右依次为GaAs间隔层16，GaAs 碳梯度掺杂层15，GaAs锌低掺杂层14，GaAs锌重掺杂层13。AlGaAs窗口层17可以是锌掺杂或者碳掺杂，本实例为碳掺杂，浓度1E18 cm^-3，厚度1000nm；GaAs间隔层16取掺杂浓度1E17cm^-3，厚度50nm；GaAs碳梯度掺杂层15则如图所示由左往右梯度递减，从2E19 cm^-3递减到1E17 cm^-3。GaAs锌低掺杂层14取掺杂浓度1E17cm^-3，厚度100nm；最后生长GaAs锌重掺杂层13，掺杂浓度1E19cm^-3，厚度30nm。

对照附图3，由图3可以看出该分布产生了较好的内建电场，重掺杂GaAs相比低掺杂GaAs产生的导带能量差大于0.1eV，加速了光生载流子往铯化面的漂移。为了观察铯化时导致的GaAs耗尽以及表面亲和势的降低，在模拟时加入了2nm的N++GaAs模拟铯化效果。图3中小方框对应的插图表明，1E19cm^-3 Zn掺杂对应的GaAs耗尽区厚度约为15nm，表现为三角势垒，重掺杂使得耗尽区的厚度大大减少，方便了光生载流子的隧穿逸出。图3可以观察到GaAs/AlGaAs界面存在很高的导带势垒，界面附近的光生电子被AlGaAs势垒反射入GaAs内建电场区，然后漂移到铯化面逸出。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其特征在GaAs衬底材料层往上依次为AlGaAs腐蚀阻挡层（12），GaAs锌重掺杂层（13），GaAs锌低掺杂层（14），GaAs 碳梯度掺杂层（15），GaAs间隔层（16），AlGaAs窗口层（17）；所述的GaAs 碳梯度掺杂层（15）的碳杂质浓度从GaAs锌低掺杂层（14）往GaAs间隔层（16）方向梯度增加。

2.根据权利要求1所述的增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其特征在于GaAs锌重掺杂层（13）的厚度在10nm-100nm，锌掺杂浓度在1×10¹⁹ cm^-3到5×10¹⁹ cm^-3。

3.根据权利要求1所述的增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其特征在于GaAs间隔层（16）的厚度在10nm-100nm，碳掺杂浓度在0 -1×10¹⁸ cm^-3。

4.根据权利要求1所述的增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其特征在于GaAs锌低掺杂层（14）的厚度在10nm-100nm，锌掺杂浓度在0 到2×10¹⁸ cm^-3。

5. 如权利要求1的增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构的生长方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、在衬底材料上生长AlGaAs腐蚀阻挡层（12）；

二、继续生长GaAs锌重掺杂层（13），GaAs锌低掺杂层（14）；

三、生长GaAs碳梯度掺杂层（15） 形成内建电场；所述的GaAs碳梯度掺杂层（15）的掺杂浓度从GaAs锌低掺杂层（14）往GaAs间隔层（16）梯度增加；GaAs锌低掺杂层（14）的引入确保碳分布在GaAs锌重掺杂层（13）完全消失；

四、在GaAs碳梯度掺杂层（15）上生长GaAs间隔层（16）、AlGaAs窗口层（17）；所述的AlGaAs窗口层（17）和光窗玻璃在600度，在5-10Kg/cm²压力下热压焊接；

工艺完成后AlGaAs腐蚀阻挡层（12）和GaAs（100）衬底（11）被去除，GaAs锌重掺杂层（13）的表面暴露于空气中作为铯化面。