CN103903939A - 一种蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极及其制备方法。该阴极自下而上由高质量n型GaAs衬底、p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层、p型指数掺杂的GaAs发射层、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层和p型GaAs保护层组成；其中，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增长型指数掺杂分布，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；p型Ga_1-xAl_xAs窗口层中Al组分是变化的，自下向上由0逐渐增加到0.9。本发明通过采用Al组分变化的窗口层和指数掺杂的发射层，构建了阴极体内两级内建电场，从而改善后界面特性，增强短波光吸收，降低后界面电子复合影响，提高短波光电子的发射效率，最终达到蓝延伸目的。

Description

一种蓝延伸指数掺杂透射式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蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极及其制备方法。

背景技术

负电子亲和势GaAs光电阴极作为一种基于外光电效应的光电发射材料，具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量与角度分布集中、发射电流密度大等优点，因而在光电探测、成像、高能物理等领域得到广泛应用，在现代战争中，特别是在夜战中发挥着重要作用。

为了提高微光夜视器件在沙漠地带或海洋环境中景物的探测、识别和确认的能力，有必要研制向400～550nm波段蓝延伸的微光像增强器，为此，国外研究机构纷纷对透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的结构展开了研究，通常采用提高GaAlAs窗口层中Al组分和减薄窗口层厚度的方法，但是这种方法的缺点是极薄的高Al组分的窗口层与GaAs发射层之间的生长界面会因晶格失配与应力导致位错等缺陷，而且在阴极的制备工艺过程中窗口层也极其容易氧化，对GaAs光电阴极材料的制备工艺提出了很高的要求。

国内蓝延伸微光像增强器中阴极材料在GaAlAs窗口层厚度、Al组分、电子扩散长度和后界面复合速率上与国外仍存在一定差距，导致国内阴极的蓝延伸效果尚不及国外。为了提高透射式阴极的短波响应，南京理工大学项目组提出了变组分变掺杂结构的设计理念，主要是对GaAlAs窗口层采用变Al组分结构，减小后界面处电子复合的影响，以及对GaAs发射层采用指数掺杂结构，其中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。

虽然这样的变组分变掺杂结构设计降低了后界面电子复合的影响，对400～550nm的短波响应的提高取得了一定效果，但是发射层中的指数掺杂结构还有待进一步优化，阴极的蓝延伸效果也有待进一步增强。针对透射式阴极的工作模式，入射光首先照射在阴极的背面，短波段的光主要在后界面处吸收，产生的电子在向表面输运的过程中不断损失能量，而长波段的光在靠近表面吸收，由于该部分电子能量较低，不容易逸出到真空，因而GaAs发射层中的变掺杂结构有必要针对入射光在透射式阴极体内吸收位置的不同来进行优化设计。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，通过优化变组分变掺杂结构进一步提高透射式阴极的短波响应。

发明内容

本发明的目的是提供一种蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种蓝延伸指数掺杂透射式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Ga_1-yAl_yAs阻挡层、p型指数掺杂的GaAs发射层、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层以及p型GaAs保护层组成。

进一步，所述p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层的厚度为500～1000nm，Al组分y为定值，取值为0.5～0.7，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

进一步，所述p型指数掺杂的GaAs发射层为n个单元分层结构，且n≥3，总厚度为1000～2000nm，所述靠近p型Ga_1-xAl_xAs窗口层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Al组分变化的p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层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减小，掺杂浓度按内建电场增长型指数掺杂公式分布。

进一步，所述Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层的厚度为500～1000nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸～1.0×10¹⁹cm^-3，Al组分x是变化的，自下向上由0逐渐增加到0.9。

进一步，所述p型GaAs保护层厚度为50～100nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

本发明还提供了一种蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制作方法，该制作方法如下：

第一步，在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底上，利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）依次顺序生长p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层、单元层分布的p型指数掺杂的GaAs发射层、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层以及p型GaAs保护层；

第二步，用化学试剂腐蚀掉p型GaAs保护层，在Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层Si₃N₄抗反射膜，然后在Si₃N₄抗反射膜上热粘接台面玻璃窗；

第三步，通过选择性化学腐蚀方法依次腐蚀掉n型GaAs衬底和p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层，裸露p型指数掺杂的GaAs发射层；

第四步，通过超高真空激活工艺，在p型指数掺杂的GaAs发射层表面吸附一层Cs/O激活层。

第一步中，所述MOCVD选用Zn为p型掺杂元素，MBE选用Be为p型掺杂元素；

第二步中，所述Si₃N₄抗反射膜厚度控制在100～200nm；

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，Cs/O激活层厚度为0.5～1.5nm。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明采用Al组分自下向上逐渐增加的Ga_1-xAl_xAs作为透射式GaAs光电阴极的窗口层，窗口层自然过渡到GaAs发射层，改善了后界面特性，增强了短波光的吸收，另外窗口层中存在一个很强的内建电场，有利于光电子越过后界面向发射层输运，从而降低了后界面电子复合的影响。

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，发射层内存在一个逐渐增大的内建电场，其中发射层表面处内建电场更强，能够更好地促进短波光电子向表面输运，从而提高在后界面处吸收短波光产生的电子的发射效率。

3、本发明中具有变Al组分的内建电场增长型指数掺杂透射式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，与具有变Al组分的内建电场恒定型指数掺杂透射式GaAs光电阴极相比，具有更好的蓝绿光响应能力。

附图说明

图1为蓝延伸增强的指数掺杂发射层中的电场变化图。

图2为蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极能带结构图。

图3为蓝延伸增强的指数掺杂发射层中的理想掺杂浓度分布图。

图4为蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极材料结构示意图。

图5为制作的蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极结构示意图。

图6为蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极材料掺杂结构图。

图7为常规的变组分指数掺杂透射式GaAs光电阴极材料掺杂结构图。

图8为蓝延伸增强的和常规的变组分指数掺杂透射式GaAs光电阴极的量子效率曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图1～8和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

透射式GaAs光电阴极的工作方式与反射式GaAs光电阴极不同，采取背照明模式，光从阴极的窗口层入射，而光电子则从发射层-真空界面一侧逸出。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。对于透射式光电阴极，GaAlAs层采用变Al组分结构可以有效地改善后界面特性，减小后界面电子复合的影响，增强短波光的吸收。对于GaAs发射层，短波光主要在后界面处吸收，产生的高能电子在向发射层表面输运过程中不断损失能量，因此在表面处较强的电场可以促进其向表面输运并逸出，同时表面处较强的电场也能帮助在表面处吸收长波光产生的低能电子的逸出。鉴于入射光吸收长度和光电子能量的不同，为了提高短波响应，针对透射式阴极设计了一种具有内建电场增长型的指数掺杂结构：

N(x)＝N₀exp(-Bx²)    （3）

式中式中T_e是发射层厚度，B表示内建电场增长型的指数掺杂系数，当掺杂浓度范围和发射层厚度确定后可以求出B。取后界面处电势为0，则内建电场长型的指数掺杂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：

$V\left(x\right)=\frac{k_{0}T}{q}\ln \frac{N_0}{N\left(x\right)}=\frac{k_0\mathrm{TB}{x}^2}{q}---\left(4\right)$

$E\left(x\right)=-\frac{\mathrm{dV}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=-\frac{2k_0\mathrm{TBx}}{q}---\left(5\right)$

由式（5）可知，发射层中内建电场变化呈线性增长，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，则室温下阴极发射层内总能带弯曲量qV_D约为0.06eV。对于内建电场而言，增长型的内建电场中最大电场E(T_e)是恒定内建电场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缓慢，而在表面处变化较陡峭，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，可以将内建电场增长型的指数掺杂发射层中靠后界面处的高掺分层设计较厚，而靠表面处的低掺分层设计较薄。

图4为蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极材料结构示意图，该阴极自上而下由高质量n型GaAs衬底1、p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2、p型指数掺杂的GaAs发射层3、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4以及p型GaAs保护层5组成。

图5为制作的蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极结构示意图，该阴极自下而上由Cs/O激活层8、p型指数掺杂的GaAs发射层3、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4、Si₃N₄抗反射膜6以及台面玻璃窗7组成。制作该透射式阴极组件的步骤为：先将如图4中所示的p型GaAs保护层5腐蚀掉，然后在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上镀一层Si₃N₄抗反射膜6，然后再在Si₃N₄抗反射膜6上热粘接台面玻璃窗7，通过选择性化学腐蚀方法依次腐蚀掉p型GaAs衬底1和p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，再通过超高真空激活工艺在p型GaAs发射层3上淀积一层Cs/O激活层。

实施例1

如图6所示，在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1上，利用MOCVD依次顺序生长p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，p型指数掺杂GaAs发射层3、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4和p型GaAs保护层5，所有外延层掺杂原子为Zn。

p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2直接外延在GaAs衬底1上，厚度为500nm，Al组分y为定值，取值为0.5，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

p型指数掺杂的GaAs发射层3外延生长在p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2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、160nm、190nm、230nm、300nm、400nm、500nm，GaAs发射层3的总厚度为2000nm；8个单元分层的掺杂浓度按照内建电场增长型指数掺杂公式（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1.0×10¹⁸cm^-3、1.5×10¹⁸cm^-3、2.0×10¹⁸cm^-3、2.7×10¹⁸cm^-3、3.6×10¹⁸cm^-3、5.2×10¹⁸cm^-3、7.0×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁹cm^-3。在该指数掺杂结构中，高掺分层在发射层中所占厚度比重大，低掺分层在发射层中所占厚度比重小，内建电场从体内到表面逐渐增长，近表面处内建电场最大，能够提高在后界面附近吸收短波光产生电子的发射效率。

Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4外延生长在p型指数掺杂的GaAs发射层3上，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度为500nm，自下而上Al组分从0到0.9由低到高逐渐增加，这种窗口层结构的优点在于改善了后界面特性，增强了短波光的吸收，大大减小了后界面复合对短波吸收产生的光电子的输运影响。

p型GaAs保护层5外延生长在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上，厚度为100nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，用于防止p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4的表面被氧化。

蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制作方法如下：

1）在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MOCVD生长厚度为500nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，Al组分y为0.5的p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，然后依次生长厚度为2000nm的p型指数掺杂GaAs发射层3和厚度为500nm、掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，Al组分x由0.9到0的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4，最后在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上面生长厚度为100nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型GaAs保护层5，所有外延层掺杂原子为Zn；

2）用化学试剂腐蚀掉p型GaAs保护层5，在Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层厚度为100nm的Si₃N₄抗反射膜6，然后在Si₃N₄抗反射膜6上热粘接台面玻璃窗7；

3）通过选择性化学腐蚀方法依次腐蚀掉n型GaAs衬底1和p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，裸露p型指数掺杂的GaAs发射层3；

4）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，在p型指数掺杂的GaAs发射层3表面吸附一层厚度为1.5nm的Cs/O激活层8，从而使发射层表面达到负电子亲和势状态。

对比例1

为了验证蓝延伸增强的指数掺杂结构对透射式阴极短波响应的提高作用，我们生长了常规的变组分内建电场恒定型的指数掺杂透射式GaAs光电阴极，具体实施中的常规的变组分指数掺杂透射式GaAs光电阴极材料掺杂结构图如图7所示，同样在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1上，利用MOCVD生长厚度为500nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3、Al组分y为0.5的p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，然后依次生长厚度为2000nm的p型指数掺杂GaAs发射层3和厚度为500nm、掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3，Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4，最后在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上面生长一层厚度为100nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型GaAs保护层5。

图7中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常规指数掺杂公式（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1.0×10¹⁸cm^-3、1.5×10¹⁸cm^-3、2.0×10¹⁸cm^-3、2.7×10¹⁸cm^-3、3.6×10¹⁸cm^-3、5.2×10¹⁸cm^-3、7.0×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁹cm^-3。

常规的变组分指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制作方法与蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制作方法相同。

利用在线光谱响应测试仪分别对制作的蓝延伸增强和常规的变组分指数掺杂反射式GaAs光电阴极在400～1000nm范围内的量子效率进行了测试，量子效率曲线比较如图8所示，水平坐标是指波长，垂直坐标是指归一化的量子效率，图中I表示蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极的量子效率曲线，II表示常规的变组分指数掺杂透射式GaAs光电阴极的量子效率曲线。从图8可以看出，在蓝绿光响应区域，蓝延伸增强的指数掺杂透射式GaAs光电阴极的量子效率明显高于常规的变组分指数掺杂透射式GaAs光电阴极。

实施例2

在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1上，利用MOCVD依次顺序生长p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，p型指数掺杂GaAs发射层3、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4和p型GaAs保护层5，所有外延层掺杂原子为Zn。

p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2直接外延在GaAs衬底1上，厚度为1000nm，Al组分y为定值，取值为0.7，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

p型指数掺杂的GaAs发射层3外延生长在p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2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3的总厚度为1000nm；3个单元分层的掺杂浓度按照内建电场增长型指数掺杂公式（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1.0×10¹⁸cm^-3、4.0×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁹cm^-3。在该指数掺杂结构中，高掺分层在发射层中所占厚度比重大，低掺分层在发射层中所占厚度比重小，内建电场从体内到表面逐渐增长，近表面处内建电场最大，能够提高在后界面附近吸收短波光产生电子的发射效率。

Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4外延生长在p型指数掺杂的GaAs发射层3上，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为1000nm，自下而上Al组分从0到0.9由低到高逐渐增加，这种窗口层结构的优点在于改善了后界面特性，增强了短波光的吸收，大大减小了后界面复合对短波吸收产生的光电子的输运影响。

p型GaAs保护层5外延生长在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上，厚度为50nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，用于防止p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4的表面被氧化。

蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制作方法如下：

1）在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MOCVD生长厚度为1000nm、掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，Al组分y为0.7的p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，然后依次生长厚度为1000nm的p型指数掺杂GaAs发射层3和厚度为1000nm、掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，Al组分x由0.9到0的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4，最后在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上面生长厚度为50nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型GaAs保护层5，所有外延层掺杂原子为Zn；

2）用化学试剂腐蚀掉p型GaAs保护层5，在Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层厚度为200nm的Si₃N₄抗反射膜6，然后在Si₃N₄抗反射膜6上热粘接台面玻璃窗7；

3）通过选择性化学腐蚀方法依次腐蚀掉n型GaAs衬底1和p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，裸露p型指数掺杂的GaAs发射层3；

4）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，在p型指数掺杂的GaAs发射层3表面吸附一层厚度为0.5nm的Cs/O激活层8，从而使发射层表面达到负电子亲和势状态。

实施例3

在高质量（位错密度≤100cm^-2）n型GaAs衬底1上，利用MBE依次顺序生长p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，p型指数掺杂GaAs发射层3、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4和p型GaAs保护层5，所有外延层掺杂原子为Be。

p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2直接外延在GaAs衬底1上，厚度为500nm，Al组分y为定值，取值为0.6，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

p型指数掺杂的GaAs发射层3外延生长在p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2上，由5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、200nm、300nm、400nm、500nm，GaAs发射层3的总厚度为1500nm；5个单元分层的掺杂浓度按照内建电场增长型指数掺杂公式（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1.0×10¹⁸cm^-3、1.5×10¹⁸cm^-3、3.0×10¹⁸cm^-3、6.5×10¹⁸cm^-3、1.0×10¹⁹cm^-3。在该指数掺杂结构中，高掺分层在发射层中所占厚度比重大，低掺分层在发射层中所占厚度比重小，内建电场从体内到表面逐渐增长，近表面处内建电场最大，能够提高在后界面附近吸收短波光产生电子的发射效率。

Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4外延生长在p型指数掺杂的GaAs发射层3上，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为500nm，自下而上Al组分从0到0.9由低到高逐渐增加，这种窗口层结构的优点在于改善了后界面特性，增强了短波光的吸收，大大减小了后界面复合对短波吸收产生的光电子的输运影响。

p型GaAs保护层5外延生长在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上，厚度为50nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，用于防止p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4的表面被氧化。

蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制作方法如下：

1）在高质量（位错密度≤100cm^-2）的n型GaAs衬底1上，利用MBE生长厚度为500nm、掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，Al组分y为0.6的p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，然后依次生长厚度为1500nm的p型指数掺杂GaAs发射层3和厚度为500nm、掺杂浓度为5.0×10¹⁸cm^-3，Al组分x由0.9到0的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4，最后在p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上面生长厚度为50nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型GaAs保护层5，所有外延层掺杂原子为Be；

2）用化学试剂腐蚀掉p型GaAs保护层5，在Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层4上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层厚度为150nm的Si₃N₄抗反射膜6，然后在Si₃N₄抗反射膜6上热粘接台面玻璃窗7；

3）通过选择性化学腐蚀方法依次腐蚀掉n型GaAs衬底1和p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层2，裸露p型指数掺杂的GaAs发射层3；

4）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，在p型指数掺杂的GaAs发射层3表面吸附一层厚度为1.0nm的Cs/O激活层8，从而使发射层表面达到负电子亲和势状态。

Claims (9)

1.一种蓝延伸指数掺杂透射式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、p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层、p型指数掺杂的GaAs发射层、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层以及p型GaAs保护层组成。

2.根据权利要求1所述的蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层的厚度为500～1000nm，Al组分y为定值，取值为0.5～0.7，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

3.根据权利要求1所述的蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述p型指数掺杂的GaAs发射层为n个单元分层结构，且n≥3，总厚度为1000～2000nm；所述靠近p型Ga_1-xAl_xAs窗口层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Al组分变化的p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层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减小，掺杂浓度按内建电场增长型指数掺杂公式分布。

4.根据权利要求1所述的蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层的厚度为500～1000nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸～1.0×10¹⁹cm^-3，Al组分x是变化的，自下向上由0逐渐增加到0.9。

5.根据权利要求1所述的蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极，其特征在于：所述p型GaAs保护层厚度为50～100nm，采用均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

6.一种蓝延伸指数掺杂透射式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衬底上，依次顺序生长p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层、单元层分布的p型指数掺杂的GaAs发射层、Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层以及p型GaAs保护层；

第二步，用化学试剂腐蚀掉p型GaAs保护层，在Al组分变化的p型Ga_1-xAl_xAs窗口层上沉积一层Si₃N₄抗反射膜，然后在Si₃N₄抗反射膜上热粘接台面玻璃窗；

第三步，通过选择性化学腐蚀方法依次腐蚀掉n型GaAs衬底和p型Ga_1-yAl_yAs阻挡层，裸露p型指数掺杂的GaAs发射层；

第四步，通过超高真空激活工艺，在p型指数掺杂的GaAs发射层表面吸附Cs/O激活层，制备得到蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极。

7.根据权利要求6所述的蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：生长技术选用MOCVD生长MBE生长工艺，所述MOCVD生长工艺掺杂技术选用Zn为p型掺杂元素，所述MBE生长工艺掺杂技术选用Be为p型掺杂元素。

8.根据权利要求6所述的蓝延伸指数掺杂透射式GaAs光电阴极的制备方法，其特征在于：第二步中，沉积采用离子体增强化学气相沉积法，所述Si₃N₄抗反射膜厚度控制在100～200nm。

9.根据权利要求6所述的蓝延伸指数掺杂透射式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，Cs/O激活层厚度为0.5～1.5nm。

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