CN103295855A - 一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极及其制备方法，该阴极自下而上由高质量的n型GaAs衬底、p型GaAs过渡层、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层、p型指数掺杂的GaAs发射层以及Cs/O激活层组成；其中，p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层中x取值范围为0.5～0.8，厚度在500～1000nm，采用均匀掺杂方式；p型指数掺杂GaAs发射层为3个以上单元分层结构，掺杂浓度按内建电场减小型指数掺杂分布，从后界面处单元分层的1.0×10¹⁹cm^-3下降到发射表面处单元分层的1.0×10¹⁸cm^-3，总厚度为1000～3000nm。本发明中充当后界面电子壁垒的p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层以及具有减小型内建电场的p型指数掺杂GaAs发射层，提高了在后界面处吸收近红外光产生电子的发射效率，使反射式GaAs光电阴极具有更高的近红外响应和积分灵敏度。

Description

一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极及其制备方法

技术领域

本发明涉及微光夜视探测材料技术领域，具体涉及一种基于半导体材料外延技术、半导体材料掺杂技术和超高真空表面激活技术相结合的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

背景技术

GaAs光电阴极是一种基于外光电效应的光电发射材料，通过在p型GaAs材料表面覆盖铯、氧等低逸出功材料，降低材料表面真空能级，从而获得有效负电子亲和势（NEA），提高阴极的量子效率。GaAs光电阴极在可见光和近红外波段具有量子效率高、暗发射小、长波阈可调、长波响应扩展潜力大等优点，因此很快在高性能微光夜视技术领域中得到了最为广泛的应用，在现代战争中，特别是在夜战中发挥着重要的作用。除了作为微光像增强器中的重要组成部件，GaAs光电阴极也是一种性能优良的真空电子源，其具有发射电子自旋极化率高、发射电流密度大、发射电子能量与角度分布集中等优点，在电子束平面曝光、线性加速器、第四代光源等高能物理领域也有着重要的应用。

近年来，由于国产GaAs光电阴极在电子扩散长度、后界面复合速率、表面逸出几率等阴极性能参量方面都要落后于国外GaAs光电阴极水平，如美国ITT公司生产的GaAs光电阴极的电子扩散长度在3～7μm，后界面复合速率可忽略，表面逸出几率超过0.5，而国内阴极材料的电子扩散长度一般在2μm以下，后界面复合速率则比国外阴极大5～6个数量级，表面逸出几率要低于0.5，因此国产GaAs光电阴极在积分灵敏度、长波响应、峰值响应等方面都要落后于美国ITT公司生产的GaAs光电阴极。由于制备GaAs光电阴极涉及超高真空技术、表面物理技术、外延生长技术等众多关键技术，国外在微光夜视领域对我国施行技术封锁和产品禁运，因此，为了提高国产光电阴极材料的性能，项目组在国内现有外延技术水平较低的情况下，通过对GaAs发射层采用指数掺杂结构增大阴极的电子扩散长度和表面逸出几率，从而提高阴极灵敏度和量子效率。阴极发射层的掺杂浓度按照如下常规指数形式进行变化：

N(x)＝N₀exp(-Ax)   （1）

式中x是指发射层内某点离后界面处的距离，A是指数掺杂系数，N₀是初始掺杂浓度，即后界面处的掺杂浓度，N(x)是x处的掺杂浓度，后界面指的是GaAs/GaAs界面，或者GaAlAs/GaAs界面。

若阴极发射层中从体内到表面的掺杂浓度按照式（1）所示的常规指数形式分布，发射层内会形成一个由高掺到低掺，即体内到表面的不断向下线性倾斜的能带弯曲，这样的能带弯曲对应一个恒定的内建电场：

$E\left(x\right)=-\frac{k_0\mathrm{TA}}{q}---\left(2\right)$

式中k₀为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子的电荷量。在此恒定的内建电场作用下，阴极体内的光电子以扩散加定向漂移的方式向阴极表面输运，从而提高发射效率。前期的实验结果表明，相对均匀掺杂结构而言，采用常规的内建电场恒定型指数掺杂结构能够有效地提高GaAs光电阴极的长波响应和积分灵敏度。但是对于不同工作模式的光电阴极而言，由于入射光在阴极体内吸收位置的不同，各个波段光在阴极体内吸收产生的光电子位置也不同。对于反射式阴极而言，光照射在阴极的正面，长波段的光主要在体内吸收产生低能电子，而短波段的光在近表面吸收，产生的高能电子容易逸出到真空，具有恒定内建电场的指数掺杂结构是否是最佳的变掺杂结构还有待进一步验证。因此，针对入射光吸收长度和光电子能量的不同，有必要探索其它内建电场类型的指数掺杂结构，从而进一步提高阴极的近红外响应和积分灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，该阴极自下而上由n型GaAs衬底、p型GaAs过渡层、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层、p型指数掺杂的GaAs发射层以及Cs/O激活层组成，通过对GaAs发射层采用具有减小型内建电场的指数掺杂结构，使反射式GaAs光电阴极的近红外响应得到增强，从而进一步提高阴极积分灵敏度。

实现本发明目的的技术解决方案为:

一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极，所述GaAs光电阴极自下而上由高质量的n型GaAs衬底、p型GaAs过渡层、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层、p型指数掺杂的GaAs发射层以及Cs/O激活层组成。

其中，所述p型GaAs过渡层的厚度为50～100nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

所述p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层的厚度为500～1000nm，x取值范围为0.5～0.8，采用均匀掺杂，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

所述p型指数掺杂的GaAs发射层（4）为n个单元分层结构，其中n≥3，总厚度为1000～3000nm，所述靠近p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的单元分层为后界面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，靠近Cs/O激活层（5）的单元分层为发射表面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，从后界面处单元分层到发射表面处单元分层各单元分层厚度依次增加，掺杂浓度按内建电场减小型指数掺杂公式分布。

本发明还提供了一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，该制备方法如下：

第一步，在n型GaAs衬底（1）表面上依次生长p型GaAs过渡层（2）、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）；

第二步，然后在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）表面上依次生长单元层分布的p型指数掺杂的GaAs发射层（4）；

第三步，将p型指数掺杂的GaAs发射层（4）经过化学清洗去除表面油脂，再送入超高真空系统中进行加热净化，使p型指数掺杂的GaAs发射层（4）表面达到原子级洁净程度；

第四步，通过超高真空激活工艺使在p型指数掺杂的GaAs发射层（4）表面吸附Cs/O激活层（5），最终制备出具有负电子亲和势的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

其中，所述p型GaAs过渡层（2）的厚度为50～100nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；所述p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的厚度为500～1000nm，x取值范围为0.5～0.8，采用均匀掺杂，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；

所述p型指数掺杂的GaAs发射层（4）为n个单元分层结构，其中n≥3，总厚度为1000～3000nm，所述靠近p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的单元分层为后界面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，靠近Cs/O激活层（5）的单元分层为发射表面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，从后界面处单元分层到发射表面处单元分层各单元分层厚度依次增加，掺杂浓度按内建电场减小型指数掺杂公式分布；

生长技术选用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)生长工艺或者MBE(分子束外延)生长工艺，掺杂技术选用Zn或Be作为p型掺杂元素；

第三步中，化学清洗是指用纯度为40%的HF酸清洗阴极材料表面；加热净化是指将阴极材料在600～650℃温度下加热10～30分钟；

第四步中，所述超高真空激活工艺是指在真空度不低于10^-8Pa的超高真空环境中，采用Cs源连续、O源断续的激活工艺。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明采用与GaAs材料晶格匹配的p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层，可以充当后界面电子壁垒，将向后界面扩散的电子反射回发射层，然后向表面运动，由于发射层吸收近红外光产生的电子主要分布在后界面附近，因此该缓冲层有利于降低反射式GaAs光电阴极后界面复合的影响，提高在后界面附近吸收近红外光产生的电子的发射效率；（2）本发明采用掺杂浓度从后界面处到发射层表面由高到低指数变化的GaAs发射层，其低掺分层在发射层中所占厚度比重大，提高了阴极的电子扩散长度，而后界面处内建电场更强，能够促进后界面处产生的电子以扩散和定向漂移的方式向表面输运，从而提高在后界面附近吸收近红外光产生的电子的发射效率；（3）本发明中内建电场减小型的指数掺杂反射式GaAs光电阴极可以应用于微光夜视探测和真空电子源领域中，与常规的内建电场恒定型的指数掺杂反射式GaAs光电阴极相比，具有更好的近红外响应能力。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为近红外响应增强的指数掺杂发射层中的电场变化图；

图2为近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极能带结构图；

图3为近红外响应增强的指数掺杂发射层中的理想掺杂浓度分布图；

图4为近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极结构示意图；

图5为近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极掺杂结构图；

图6为常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极掺杂结构图；

图7为近红外响应增强的和常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的光谱响应曲线比较图。

具体实施方式

结合附图1～7和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

由于不同波段光吸收长度的不同，各个波段光在阴极体内吸收产生的光电子位置不同。对于反射式阴极，长波段光在体内吸收，因此产生的低能电子需要比较强的电场作用促进其向表面输运，短波段光在近表面吸收，产生的高能电子不需要很强的电场作用就可以逸出到真空，鉴于入射光吸收长度和光电子能量的不同，针对反射式阴极设计了一种具有内建电场减小型指数掺杂结构：

N(x)＝N₀exp[-C(2T_ex-x²)]  （3）

式中T_e是发射层厚度，C是内建电场减小型指数掺杂系数，当掺杂浓度范围和发射层厚度确定后可以求出C。取后界面处电势为0，则内建电场减小型的指数掺杂GaAs发射层中某一点x处的电势V(x)和内建电场E(x)分别为

$V\left(x\right)=\frac{k_{0}T}{q}1n\frac{N_0}{N\left(x\right)}=\frac{k_0\mathrm{TC}({2T}_{e}x-x^2)}{q}---\left(4\right)$

$E\left(x\right)=-\frac{\mathrm{dV}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=-\frac{{2k}_0\mathrm{TC}(T_e-x)}{q}---\left(5\right)$

由式(5)可知，发射层中内建电场变化呈线性减小，从E(0)变化到E(T_e)，如图1所示。同时该指数掺杂结构中发射层的能带弯曲变化由于附加电势能-qV(x)的变化，因而发射层能带呈抛物线弯曲的形状，如图2所示。若取掺杂浓度范围为1×10¹⁹～1×10¹⁸cm^-3，则室温下总的能带弯曲qV_D约为0.06eV，与常规的恒定内建电场型的指数掺杂阴极中的总能带弯曲相同。对于内建电场而言，减小型内建电场中最大电场E(0)是恒定内建电场型指数掺杂阴极中电场大小的两倍。

在该指数掺杂结构中，阴极发射层内理想掺杂浓度如图3所示，掺杂浓度从后界面处N₀下降到表面处N(T_e)，可以看出，掺杂浓度在后界面处变化较陡，而在表面处变化较缓，由于外延生长水平的限制，实际生长的指数掺杂结构由若干个呈梯度分布的不同掺杂浓度分层组成，因此，可以将内建电场减小型的指数掺杂发射层中靠后界面处的高掺分层设计较薄，而靠表面处的低掺分层设计较厚。

图4为近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极结构示意图，该阴极自下而上由n型GaAs衬底1、p型GaAs过渡层2、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3、p型指数掺杂的GaAs发射层4以及Cs/O激活层5组成。

实施例1

如图5所示，在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MOCVD依次生长p型GaAs过渡层2，p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4，所有外延层掺杂原子为Zn，最后通过超高真空激活工艺在p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5。

p型GaAs过渡层2直接外延生长在n型GaAs衬底1上，厚度为50nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，该层可以提高p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4的生长质量。

p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3外延生长在p型GaAs过渡层上，组分中x为0.5，厚度为1000nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，该层与GaAs材料晶格匹配，可以充当后界面电子壁垒，将向后界面扩散的电子反射回发射层，然后向表面运动，有利于提高在后界面附近吸收近红外光产生电子的发射效率。

p型指数掺杂GaAs发射层4外延生长在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3上，由8个p型GaAs外延材料构成的单元分层组成，自下而上各个单元层厚度分别设计为100nm、120nm、140nm、180nm、240nm、280nm、340nm、600nm，GaAs发射层4的总厚度为2000nm；8个单元分层的掺杂浓度按照内建电场减小型指数掺杂公式（3）变化，为了同时获得大的电子扩散长度和表面逸出几率，掺杂浓度范围控制在1.0×10¹⁸～1.0×10¹⁹cm^-3之间，自下而上各个单元分层掺杂浓度分别取为1.0×10¹⁹cm^-3、7.5×10¹⁸cm^-3、5.6×10¹⁸cm^-3、4.3×10¹⁸cm^-3、3.3×10¹⁸cm^-3、2.4×10¹⁸cm^-3、1.7×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁸cm^-3。在该指数掺杂结构中，低掺分层在发射层中所占厚度比重大，提高了阴极的电子扩散长度，内建电场从体内到表面逐渐减小，后界面处内建电场最大，能够提高在后界面附近吸收近红外光产生电子的发射效率。

Cs/O激活层5是通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型指数掺杂GaAs发射层4的表面，厚度在nm数量级。

指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法如下：

1）在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1表面，通过MOCVD外延生长工艺生长厚度为50nm的p型GaAs过渡层2，掺杂原子为Zn；

2）再通过相同的外延生长工艺以及半导体材料掺杂技术，在p型GaAs过渡层2外延生长总厚度为1000nm、组分中x为0.5的p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3；

3）然后通过相同的外延生长工艺及半导体材料掺杂技术，在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3上生长厚度为2000nm的p型指数掺杂GaAs发射层4；

4）将外延生长的p型指数掺杂GaAs发射层4用纯度为40%的HF酸清洗材料表面5分钟去除表面油脂，再送入真空度不低于10^-8Pa的超高真空系统中进行加热净化，加热温度为650℃，时间为10分钟，去除材料表面的污染物，使p型指数掺杂GaAs发射层4表面达到原子级洁净程度；

5）待材料自然冷却后，在真空度不低于10^-8Pa的超高真空环境中通过采用Cs源连续、O源断续的激活工艺，使p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5，最终制备出具有负电子亲和势的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

对比例1

为了验证近红外响应增强的指数掺杂结构对反射式阴极近红外响应的提高作用，我们制备了常规的内建电场恒定型的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，具体实施中的常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极掺杂结构图如图6所示，同样在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MOCVD依次生长p型GaAs过渡层2，p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4，所有外延层掺杂原子为Zn，最后通过超高真空激活工艺在p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5。

如图6所示，p型指数掺杂GaAs发射层4由8个等厚度的p型GaAs外延材料单元分层组成，自下而上各个单元层厚度设计为250nm，GaAs发射层4的总厚度为2000nm；8个单元分层由下向上各个单元层的掺杂浓度按照指数掺杂公式（1）变化，掺杂浓度范围同样控制在1.0×10¹⁸～1.0×10¹⁹cm^-3之间，自下而上各个单元分层掺杂浓度分别取为1.0×10¹⁹cm^-3、7.5×10¹⁸cm^-3、5.6×10¹⁸cm^-3、4.3×10¹⁸cm^-3、3.3×10¹⁸cm^-3、2.4×10¹⁸cm^-3、1.7×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁸cm^-3。

常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法与本发明中近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法相同。

利用在线光谱响应测试仪分别对制备的近红外响应增强和常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极在400～1000nm范围内的光谱响应进行了测试，光谱响应曲线比较如图7所示，水平坐标是指波长，垂直坐标是指光谱响应，图中I表示本发明中近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的光谱响应曲线，II表示常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的光谱响应曲线。

从图7可以看出，在400～560nm短波区域，近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的光谱响应低于常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，这主要是由于该部分短波光在近表面吸收，近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极在近表面处的内建电场要小于常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。值得注意的是，近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极具有更高的积分灵敏度，达到了3516μA/lm，在560～880nm长波区域的光谱响应高于常规的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，特别是在760～880nm的近红外响应得到了显著的提高，峰值响应位置在785nm，响应值为380mA/W，相应的量子效率达到了60%。

实施例2

在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MOCVD依次生长p型GaAs过渡层2，p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4，所有外延层掺杂原子为Zn，最后通过超高真空激活工艺在p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5。

p型GaAs过渡层2直接外延生长在n型GaAs衬底1上，厚度为100nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，该层可以提高p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4的生长质量。

p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3外延生长在p型GaAs过渡层上，组分中x为0.8，厚度为500nm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，该层与GaAs材料晶格匹配，可以充当后界面电子壁垒，将向后界面扩散的电子反射回发射层，然后向表面运动，有利于提高在后界面附近吸收近红外光产生电子的发射效率。

p型指数掺杂GaAs发射层4外延生长在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3上，由9个p型GaAs外延材料构成的单元分层组成，自下而上各个单元层厚度分别设计为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、400nm、450nm、500nm、650nm，GaAs发射层4的总厚度为3000nm；9个单元分层的掺杂浓度按照内建电场减小型指数掺杂公式（3）变化，为了同时获得大的电子扩散长度和表面逸出几率，掺杂浓度范围控制在1.0×10¹⁸～1.0×10¹⁹cm^-3之间，自下而上各个单元分层掺杂浓度分别取为1.0×10¹⁹cm^-3、8.5×10¹⁸cm^-3、7.0×10¹⁸cm^-3、5.2×10¹⁸cm^-3、3.8×10¹⁸cm^-3、2.7×10¹⁸cm^-3、2.0×10¹⁸cm^-3、1.5×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁸cm^-3。在该指数掺杂结构中，低掺分层在发射层中所占厚度比重大，提高了阴极的电子扩散长度，内建电场从体内到表面逐渐减小，后界面处内建电场最大，能够提高在后界面附近吸收近红外光产生电子的发射效率。

Cs/O激活层5是通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型指数掺杂GaAs发射层4的表面，厚度在nm数量级。

指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法如下：

1）在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1表面，通过MOCVD外延生长工艺生长厚度为100nm的p型GaAs过渡层2，掺杂原子为Zn；

2）再通过相同的外延生长工艺以及半导体材料掺杂技术，在p型GaAs过渡层2外延生长总厚度为500nm、组分中x为0.8的p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3；

3）然后通过相同的外延生长工艺及半导体材料掺杂技术，在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3上生长厚度为3000nm的p型指数掺杂GaAs发射层4；

4）将外延生长的p型指数掺杂GaAs发射层4用纯度为40%的HF酸清洗材料表面5分钟去除表面油脂，再送入真空度不低于10^-8Pa的超高真空系统中进行加热净化，加热温度为600℃，时间为30分钟，去除材料表面的污染物，使p型指数掺杂GaAs发射层4表面达到原子级洁净程度；

5）待材料自然冷却后，在真空度不低于10^-8Pa的超高真空环境中通过采用Cs源连续、O源断续的激活工艺，使p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5，最终制备出具有负电子亲和势的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

实施例3

在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MBE依次生长p型GaAs过渡层2，p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4，所有外延层掺杂原子为Be，最后通过超高真空激活工艺在p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5。

p型GaAs过渡层2直接外延生长在n型GaAs衬底1上，厚度为80nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，该层可以提高p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3和p型指数掺杂GaAs发射层4的生长质量。

p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3外延生长在p型GaAs过渡层上，组分中x为0.6，厚度为500nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，该层与GaAs材料晶格匹配，可以充当后界面电子壁垒，将向后界面扩散的电子反射回发射层，然后向表面运动，有利于提高在后界面附近吸收近红外光产生电子的发射效率。

p型指数掺杂GaAs发射层4外延生长在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3上，由3个p型GaAs外延材料构成的单元分层组成，自下而上各个单元层厚度分别设计为100nm、350nm、550nm，GaAs发射层4的总厚度为1000nm；3个单元分层的掺杂浓度按照内建电场减小型指数掺杂公式（3）变化，为了同时获得大的电子扩散长度和表面逸出几率，掺杂浓度范围控制在1.0×10¹⁸～1.0×10¹⁹cm^-3之间，自下而上各个单元分层掺杂浓度分别取为1.0×10¹⁹cm^-3、6.0×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁸cm^-3。在该指数掺杂结构中，低掺分层在发射层中所占厚度比重大，提高了阴极的电子扩散长度，内建电场从体内到表面逐渐减小，后界面处内建电场最大，能够提高在后界面附近吸收近红外光产生电子的发射效率。

Cs/O激活层5是通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型指数掺杂GaAs发射层4的表面，厚度在nm数量级。

指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法如下：

1）在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1表面，通过MBE外延生长工艺生长厚度为80nm的p型GaAs过渡层2，掺杂原子为Be；

2）再通过相同的外延生长工艺以及半导体材料掺杂技术，在p型GaAs过渡层2外延生长总厚度为500nm、组分中x为0.6的p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3；

3）然后通过相同的外延生长工艺及半导体材料掺杂技术，在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层3上生长厚度为1000nm的p型指数掺杂GaAs发射层4；

4）将外延生长的p型指数掺杂GaAs发射层4用纯度为40%的HF酸清洗材料表面5分钟去除表面油脂，再送入真空度不低于10^-8Pa的超高真空系统中进行加热净化，加热温度为620℃，时间为20分钟，去除材料表面的污染物，使p型指数掺杂GaAs发射层4表面达到原子级洁净程度；

5）待材料自然冷却后，在真空度不低于10^-8Pa的超高真空环境中通过采用Cs源连续、O源断续的激活工艺，使p型指数掺杂GaAs发射层4表面吸附Cs/O激活层5，最终制备出具有负电子亲和势的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

Claims (10)

1.一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述GaAs光电阴极自下而上由高质量的n型GaAs衬底（1）、p型GaAs过渡层（2）、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）、p型指数掺杂的GaAs发射层（4）以及Cs/O激活层（5）组成。

2.根据权利要求1所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述p型GaAs过渡层（2）的厚度为50～100nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

3.根据权利要求1所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的厚度为500～1000nm，x取值范围为0.5～0.8，采用均匀掺杂，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

4.根据权利要求1所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述p型指数掺杂的GaAs发射层（4）为n个单元分层结构，其中n≥3，总厚度为1000～3000nm，所述靠近p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的单元分层为后界面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，靠近Cs/O激活层（5）的单元分层为发射表面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，从后界面处单元分层到发射表面处单元分层各单元分层厚度依次增加，掺杂浓度按内建电场减小型指数掺杂公式分布。

5.一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于，制备方法如下：

第一步，在n型GaAs衬底（1）表面上依次生长p型GaAs过渡层（2）、p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）；

第二步，然后在p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）表面上依次生长单元层分布的p型指数掺杂的GaAs发射层（4）；

第三步，将p型指数掺杂的GaAs发射层（4）经过化学清洗去除表面油脂，再送入超高真空系统中进行加热净化，使p型指数掺杂的GaAs发射层（4）表面达到原子级洁净程度；

第四步，通过超高真空激活工艺使在p型指数掺杂的GaAs发射层（4）表面吸附Cs/O激活层（5），最终制备出具有负电子亲和势的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

6.根据权利要求5所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于，所述p型GaAs过渡层（2）的厚度为50～100nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；所述p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的厚度为500～1000nm，x取值范围为0.5～0.8，采用均匀掺杂，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

7.根据权利要求5所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：所述p型指数掺杂的GaAs发射层（4）为n个单元分层结构，其中n≥3，总厚度为1000～3000nm，所述靠近p型Ga_1-xAl_xAs缓冲层（3）的单元分层为后界面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，靠近Cs/O激活层（5）的单元分层为发射表面处单元分层，掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，从后界面处单元分层到发射表面处单元分层各单元分层厚度依次增加，掺杂浓度按内建电场减小型指数掺杂公式分布。

8.根据权利要求5～7所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：生长技术选用MOCVD生长工艺或者MBE生长工艺，掺杂技术选用Zn或Be作为p型掺杂元素。

9.根据权利要求5所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：第三步中，化学清洗是指用纯度为40%的HF酸清洗阴极材料表面；加热净化是指将阴极材料在600～650℃温度下加热10～30分钟。

10.根据权利要求5所述的指数掺杂反射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：第四步中，所述超高真空激活工艺是指在真空度不低于10^-8Pa的超高真空环境中，采用Cs源连续、O源断续的激活工艺。

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