CN107393787B - Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Al组分梯度渐变的透射式GaAlAs阴极，对蓝绿光敏感；该阴极自下而上由Corning 7056^#玻璃基底、SiO₂保护层、Si₃N₄增透层、Al组分恒定的Ga_1‑x1Al_x1As窗口层、Al组分梯度渐变的Ga_1‑x2Al_x2As发射层以及Cs/O激活层组成。本发明基于Ga_1‑xAl_xAs三元化合物Al/Ga组分控制技术、III‑V族化合物材料外延技术、光电阴极组件制备技术和超高真空激活技术，制备出蓝绿光敏感的负电子亲和势透射式GaAlAs光电阴极，结合电子倍增器件构成蓝绿光探测器，可应用于海洋探测、海底成像等领域。

Description

Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极

技术领域

本发明涉及蓝绿光探测材料技术，具体涉及一种Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极。

背景技术

海水是蓝绿光的良好窗口，研究蓝绿光敏感的新型真空光电探测器件对我国海洋应用领域的水下探测、水下成像、海底通信等方面有着重要意义。

目前，国外技术发达国家在海洋探测等领域应用的探测器件是以蓝延伸GaAs光电阴极为核心的微光像增强器。美国目前报道的最高性能蓝延伸GaAs光电阴极是ITT公司研制，在532nm处能达到200mA/W，量子效率大于40％。我国应用的探测器件所使用的是Na₂KSb-Cs光电阴极，其在532nm处接近70mA/W，量子效率为16％。我国目前实验室研制的蓝延伸阴极在532nm处光谱响应是110mA/W，量子效率为25％，该器件还未在海洋探测、海洋通信、海底成像领域得到应用，国内外差距明显。以上所述的均为宽光谱响应的传统光电阴极，具有阴极响应波段宽、窄带响应噪声大、不能全天候使用等问题。国内南京理工大学对窄带响应的透射式GaAlAs光电阴极进行了研究，研制了一种具有高Al组分GaAlAs发射层光电阴极，其光谱响应窄，峰值响应在532nm附近，但是其量子效率低，只有1.9％，主要原因在于Al组分较高(Al＝0.63)的GaAlAs材料为间接带隙，消光系数小，对可见光波段光子吸收能力弱，产生的光电子数目少，同时电子扩散长度低。

针对高Al组分GaAlAs光电阴极存在的问题，若设计低Al组分的GaAlAs作为发射层，理论上可增加光子的吸收数量从而产生更多的光电子。但是由于GaAlAs材料中电子扩散长度较低，不能保证光电阴极体内产生的电子能完全输运到表面。此外，与GaAs材料相比，GaAlAs材料中的Al组分容易氧化，Al组分越高，表面氧化就越严重，在超高真空装置中难以完全去除Al的氧化物。因此，上述存在的问题对阴极的结构设计、材料生长及超高真空制备技术都提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极。

实现本发明目的的技术方案为：一种Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，该阴极自下而上由Corning 7056^#玻璃基底、SiO₂保护层、Si₃N₄增透层、Ga_1-x1Al_x1As窗口层、Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层以及Cs/O激活层组成。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明采用Al组分含量分别为x1的Ga_1-x1Al_x1As发射层和x2的Ga_1-x2Al_x2As控制光电阴极的响应波段，使透射式GaAlAs光电阴极对蓝绿光波敏感；同时各相邻两个GaAlAs层的Al组分相差不大，减小了两个发射材料之间的生长界面应力，从而提高GaAlAs光电阴极的界面特性，降低光电子的界面复合速率，最终提高阴极光电发射的量子效率；

(2)Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层采用由内表面到外表面Al组分由高到低的梯度渐变结构来设计，利用这种Al组分梯度渐变方式在光电阴极体内发射层中产生促进光电子向表面输运的内建电场。这样所述GaAlAs光电阴极发射层形成由体内到表面由高到低渐变的能带结构，使发射层光电子以漂移加扩散两种方式运动，从而增大到达表面的光电子数目，提高光电阴极量子效率；

(3)基于Ga_1-xAl_xAs三元化合物Al/Ga组分控制技术、III-V族化合物材料外延技术、光电阴极组件制备技术和超高真空激活技术，制备出蓝绿光敏感的负电子亲和势透射式GaAlAs光电阴极，结合电子倍增器件构成蓝绿光探测器，可应用于海洋探测、海底成像等领域。

附图说明

图1是本发明Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs光电阴极的结构示意图。

图2是本发明实施例中Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs光电阴极外延材料结构示意图。

图3本发明实施例中Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs光电阴极相对光谱响应曲线图。

具体实施方式

结合图1，一种Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，该阴极自下而上由Corning 7056^#玻璃基底1、SiO₂保护层2、Si₃N₄增透层3、Ga_1-x1Al_x1As窗口层4、Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5以及Cs/O激活层6组成。

进一步的，所述Corning 7056^#玻璃基底1总厚度为4-6mm。

进一步的，所述SiO₂保护层2总厚度为100～200nm。

进一步的，Si₃N₄增透层3总厚度为50～150nm。

进一步的，所述Ga_1-x1Al_x1As窗口层4的Al组分为x1，0.75≤x1≤0.90；所述Ga_{1- x1}Al_x1As窗口层4的总厚度为40～1000nm。

进一步的，所述Ga_1-x1Al_x1As窗口层4采用均匀掺杂方式，掺杂原子为Zn或Be，于金属有机化合物气相外延法MOCVD生长光电阴极材料时，掺杂原子为Zn，对于分子束外延法MBE生长光电阴极材料时，掺杂原子为Be，掺杂浓度在5.0×10¹⁸cm^-3～1.0×10¹⁹cm^-3之间。

进一步的，所述Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5的Al组分为x2，0.25≤x2≤0.70；所述Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5由n个p型Ga_1-xAl_xAs外延材料构成的单元层组成，n≥2，每个单元层厚度为40～1000nm，Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5的总厚度为100～3000nm；所述n个单元的掺杂原子为Zn或Be，掺杂浓度在5.0×10¹⁸cm^-3～1.0×10¹⁹cm^-3之间，由下向上各层的Al组分由内表面到外表面满足0.70≥Al₁>Al₂>……>Al_n≥0.25。

进一步的，所述Cs/O激活层6通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5的表面上。超高真空是指真空度≤5×10^-8Pa的真空。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明。

实施例

图1为本发明中Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs光电阴极的结构示意图。GaAlAs光电阴极自下而上由Corning 7056^#玻璃基底1、SiO₂保护层2、Si₃N₄增透层3、Ga_1-x1Al_x1As窗口层4、Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5以及Cs/O激活层6组成。

图2是本实施例中的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs光电阴极外延材料结构示意图。基于透射式GaAs光电阴极的“反转结构”模式，参见“G.A.Antypas andJ.Edgecumbe.Glass-sealed GaAs-AlGaAs transmission photocathode,Appl.Phys.Lett.1975,26:371-372”，透射式GaAlAs光电阴极材料结构也采用该模式进行外延材料结构进行设计，在高质量(位错密度≤100cm^-2)GaAs(100)衬底7上，通过MBE生长p型Ga_0.3Al_0.7As阻挡层8和p型GaAs阻挡层9，然后依次生长Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5和恒定Al组分的Ga_1-x1Al_x1As窗口层4，最后在Ga_1-x1Al_x1As窗口层4上面生长一层p型GaAs保护层10。其中，p型Ga_0.3Al_0.7As阻挡层8的厚度为500nm，掺杂原子为Be，掺杂浓度为5.0×10¹⁸cm^-3；p型GaAs阻挡层9的厚度为300nm，掺杂原子为Be，掺杂浓度为8.0×10¹⁸cm^-3；p型GaAs保护层10的厚度为100nm，掺杂原子为Be，掺杂浓度为8.0×10¹⁸cm^-3。

制备如图1所示的透射式GaAlAs光电阴极组件时，先将p型GaAs保护层10腐蚀掉，然后在Ga_1-x1Al_x1As窗口层4上蒸镀Si₃N₄增透层3，随后在Si₃N₄增透层3上蒸镀SiO₂保护层2，最后在SiO₂保护层2上热粘接Corning 7056^#玻璃基底1。通过化学腐蚀方法依次腐蚀掉高质量GaAs(100)衬底7、p型Ga_0.3Al_0.7As阻挡层8、p型GaAs阻挡层9和p型GaAs保护层10，在经过化学清洗和加热清洗后，在超高真空转移装置中通过采用Cs(铯)源连续，O(氧)源断续的激活工艺在Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5上沉积一层Cs/O激活层6。

Corning 7056^#玻璃基底1总厚度取为5mm。SiO₂保护层2总厚度在100～200nm之间，本实施例取200nm。Si₃N₄增透层3总厚度在50～150nm之间，本实施例取100nm。

Al组分恒定Ga_1-x1Al_x1As窗口层4的Al组分值x1取0.85，总厚度取为400nm，掺杂原子为Be，掺杂浓度为8.0×10¹⁸cm^-3。

Al组分梯度渐变Ga_1-x2Al_x2As发射层5由4个p型Ga_1-xAl_xAs外延材料构成的单元层组成，各单元层的Al组分由内到外梯度渐变，分别取0.70、0.55、0.40、0.25；每个单元层厚度值相同，为250nm，Ga_1-x2Al_x2As发射层的总厚度为1000nm；4个单元层都采用Be掺杂，掺杂浓度为8.0×10¹⁸cm^-3。利用这种组分渐变的结构模式，可以在GaAlAs光电阴极体内形成一个由表面指向体内的内建电场，有助于提升电子向表面输运的能力，从而使更多的电子逸出表面。

在Al组分恒定Ga_1-x1Al_x1As窗口层4和Al组分梯度渐变Ga_1-x2Al_x2As发射层5的最外层的Al组分对光电阴极的光谱响应长波和短波阈值有着明显的影响，Ga_1-x2Al_x2As发射层5最外层Al组分较低，会使光谱响应截至波长向长波段延伸，而Al组分较高，会影响光电阴极的量子效率。而Ga_1-x1Al_x1As窗口层4的Al组分较高时易被氧化，会影响光电阴极的光电发射性能，Al组分较低时，会使短波阈值波长向长波方向偏移，从而影响光电阴极的短波响应。因此，要综合考虑光电阴极的光谱响应范围和光电发射性能开展蓝绿光敏感透射式GaAlAs光电阴极的窗口层和反射层的Al组分设计。

在Al组分恒定的Ga_1-x1Al_x1As窗口层4和Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层5内的掺杂浓度设计为8.0×10¹⁸。掺杂浓度较低，会使光电阴极表面的能带弯曲区展宽，光电子在较宽的能带弯曲区内受电场的散射并损失能量，从而使电子的逸出几率降低。掺杂浓度较高，尽管会使电子表面逸出几率的提高，但是阴极材料内的电子扩散长度降低，从而减少光电子输运到表面的数目。

Cs/O激活层6是通过超高真空激活工艺使Cs和O紧密吸附在p型Ga_1-x2Al_x2As掺杂浓度渐变发射层的表面上，厚度在nm数量级。

对激活后的Al组分梯度渐变的透射式GaAlAs光电阴极进行光谱响应测试。采用400～800nm范围内不同波长的光子入射到Cs/O激活层6表面，并从该表面发射光电子，产生不同的光电发射效应。图3中11表示归一化的GaAlAs光电阴极的光谱响应曲线，坐标系中，水平坐标是指波长，垂直坐标是指透射式GaAlAs光电阴极的相对光谱响应，本发明的透射式GaAlAs光电阴极的光谱响应峰值在570nm附近，对蓝绿光波段敏感。

Claims (7)

1.一种Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，该阴极自下而上由型号为Corning 7056^#的玻璃基底(1)、SiO₂保护层(2)、Si₃N₄增透层(3)、Ga_1-x1Al_x1As窗口层(4)、Al组分梯度渐变的Ga_1-x2Al_x2As发射层(5)以及Cs/O激活层(6)组成；所述Al组分梯度渐变Ga_1-x2Al_x2As发射层(5)由4个p型Ga_1-xAl_xAs外延材料构成的单元层组成，各单元层的Al组分由内到外梯度渐变，分别取0.70、0.55、0.40、0.25；每个单元层厚度值相同，为250nm；4个单元层都采用Be掺杂，掺杂浓度为8.0×10¹⁸cm^-3。

2.根据权利要求1所述的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，所述型号为Corning 7056^#的玻璃基底(1)总厚度为4-6mm。

3.根据权利要求1所述的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，所述SiO₂保护层(2)总厚度为100～200nm。

4.根据权利要求1所述的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，Si₃N₄增透层(3)总厚度为50～150nm。

5.根据权利要求1所述的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，所述Ga_1-x1Al_x1As窗口层(4)的Al组分为x1，0.75≤x1≤0.90；所述Ga_1-x1Al_x1As窗口层(4)的总厚度为40～1000nm。

6.根据权利要求5所述的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，所述Ga_1-x1Al_x1As窗口层(4)采用均匀掺杂方式，掺杂原子为Zn或Be，掺杂浓度在5.0×10¹⁸cm^-3～1.0×10¹⁹cm^-3之间。

7.根据权利要求1所述的Al组分梯度渐变的蓝绿光敏感透射式GaAlAs阴极，其特征在于，所述Cs/O激活层(6)通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型Al组分梯度渐变的Ga_{1- x2}Al_x2As发射层(5)的表面上。