CN108649076A - 具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极 - Google Patents
具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，该阴极自下而上由Corning 7056#玻璃基底、SiO2保护层、Si3N4增透层、Ga1‑x1Alx1As窗口层、变Al组分Ga1‑x2Alx2As吸收层、超薄GaAs发射层以及Cs/O激活层组成，采用超高真空Cs/O激活技术获得负电子亲和势表面。制备得到的具有超薄GaAs发射层的变Al组分GaAlAs光电阴极的光谱响应对蓝绿光敏感，结合微通道板构成蓝绿光响应像增强器，可应用于海洋探测、水下通信、水下搜救等领域。
Description
技术领域
本发明涉及蓝绿光探测材料技术领域，具体涉及一种具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极。
背景技术
随着当前国际安全形势的发展变化，世界各国尤其是海洋大国都特别注意海洋探测装备的发展。针对海洋科研、水下工程、水下搜救以及海洋探潜的迫切需求，研究高分辨率的水下目标成像器件一直是国内外研究的重要方向。
目前，国外海洋探测等领域应用的蓝绿光敏感的探测器件主要是增强型电荷耦合器件(ICCD)，其核心光电阴极主要包括Na2KSb-Cs光电阴极和蓝延伸GaAs光电阴极。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％。与Na2KSb-Cs光电阴极相比，GaAs光电阴极具有更高的量子效率，当前ITT公司研制的水下应用的最高性能蓝延伸GaAs光电阴极在532nm处能达到200mA/W，量子效率大于40％。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。针对水下探测的特点，南京理工大学对窄带光谱响应的光电阴极进行了研究，研制了一种具有高Al组分透射式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，电子扩散长度低，并且表面电子逸出几率低。
针对高Al组分GaAlAs光电阴极吸收系数低、电子扩散长度低、表面电子逸出几率低的问题，如果设计低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，但不能解决电子扩散长度低的问题；通过Al组分梯度渐变的结构可提升阴极的电子扩散长度，但不能解决GaAlAs表面氧化引起的表面电子逸出几率低的问题；若表面设计一层较厚的GaAs层，会使光谱出现明显的展宽，噪声更大。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具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极。
实现本发明目的的技术方案为：一种具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，该阴极自下而上由硼硅玻璃基底、SiO2保护层、Si3N4增透层、Ga1-x1Alx1As窗口层、变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层、超薄GaAs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)变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层与超薄GaAs(Al组分为0)发射层的Al组分自体内到表面为由高到低的梯度渐变结构来设计，可在光电阴极体内产生促进光电子向表面输运的内建电场；这样GaAlAs光电阴极发体内形成的内建电场使光电子以漂移加扩散两种方式运动，从而增加输运到表面的光电子数目，最终提高光电阴极量子效率；(2)变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层上设计超薄GaAs发射层，解决了GaAlAs表面氧化引起的表面电子逸出几率低的问题，可有效提升光电阴极蓝绿光波段的量子效率；(3)与较厚的GaAs发射层相比，超薄的GaAs发射层对长波段的光吸收很少，光电阴极的长波响应不明显，对蓝绿光波段探测的干扰小；(4)本发明基于Ga1-xAlxAs三元化合物材料外延技术、透射式GaAlAs光电阴极组件制备技术和超高真空激活技术相结合，制备出蓝绿光敏感的透射式GaAlAs光电阴极，结合微通道板构成蓝绿光响应像增强器，应用于海洋探测、水下通信、水下搜救等方面。
附图说明
图1是本发明具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极结构图。
图2是本发明实施例中具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极外延材料结构图。
具体实施方式
针对现有光电阴极蓝绿光波段灵敏度低的问题，本发明提供一种基于Ga1-xAlxAs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相结合的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极。结合图1，该阴极自下而上由硼硅玻璃基底1、SiO2保护层2、Si3N4增透层3、Ga1-x1Alx1As窗口层4、变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层5、超薄GaAs发射层6以及Cs/O激活层7组成，该阴极对蓝绿光敏感。所述超薄GaAs发射层6的厚度在10～50nm之间，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。
进一步的，硼硅玻璃基底1为Corning 7056#玻璃基底，厚度为5mm。
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Ga1-x1Alx1As窗口层4的Al组分为x1，满足0.75≤x1≤0.90；所述Ga1-x1Alx1As窗口层4的总厚度在40～1000nm之间；采用均匀掺杂方式，采用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；采用分子束外延法(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，所述变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层5由n个p型Ga1-xAlxAs外延材料构成的单元层组成，n≥2，每个单元层厚度在40～1000nm之间，总厚度在100～3000nm之间；采用均匀掺杂方式，n个单元的各层掺杂原子为Zn或Be，掺杂浓度在5.0×1018cm-3～1.0×1019cm-3之间；所述n个单元的由下向上各层的Al组分自内表面到外表面满足0.75≥Al1>Al2>……>Aln≥0.20。
所述Cs/O激活层7通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型超薄GaAs发射层6的表面上。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
实施例
如图1所示，一种具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式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、Ga1-x1Alx1As窗口层4、变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层5、超薄GaAs发射层6以及Cs/O激活层7组成。
图2是本实施例中的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式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(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GaAs(100)衬底8上，通过MBE生长p型Ga0.3Al0.7As阻挡层9和p型超薄GaAs发射层6，然后依次生长变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层5和恒定Al组分的Ga1- x1Alx1As窗口层4，最后在Ga1-x1Alx1As窗口层4上面生长一层p型GaAs保护层10。其中，p型Ga0.3Al0.7As阻挡层9的厚度为500nm，掺杂原子为Be，掺杂浓度为5.0×1018cm-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，高质量GaAs(100)衬底8的位错密度≤100cm-2。
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Ga1-x1Alx1As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8、p型Ga0.3Al0.7As阻挡层9、和p型GaAs保护层10；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超薄GaAs发射层6上沉积一层Cs/O激活层7。
Corning 7056#玻璃基底1总厚度为5mm，SiO2保护层2总厚度为100nm，Si3N4增透层3总厚度为100nm。
Ga1-x1Alx1As窗口层4的Al组分值x1取为0.85，总厚度为400nm，掺杂原子为Be，掺杂浓度为8.0×1018cm-3。
变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层5由6个p型Ga1-xAlxAs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0.75、0.65、0.55、0.45、0.35、0.25；每个单元层厚度值相同，为200nm，Ga1-x2Alx2As吸收层的总厚度为1200nm；4个单元层都采用Be掺杂，掺杂浓度为8.0×1018cm-3。利用这种组分梯度渐变的结构模式，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，可使更多的电子输运到超薄GaAs发射层，有助于提升量子效率。
Ga1-x1Alx1As窗口层4和超薄GaAs发射层6决定了光电阴极的光谱响应长波和短波阈值，而光电阴极的整体光谱响应取决于变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层。本发明设计超薄GaAs发射层6主要目的是提升光电阴极的表面电子逸出几率，通过控制发射层厚度抑制长波段的响应，但是厚度太薄会影响阴极材料的性能。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具有超薄GaAs发射层的变Al组分GaAlAs光电阴极的Al组分及各外延层厚度设计，使其在蓝绿光波段有较高的响应。
在Al组分恒定的Ga1-x1Alx1As窗口层4和变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层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型超薄GaAs发射层的表面上，厚度在nm数量级。
对激活后的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极进行光谱响应测试。采用400～900nm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。本发明制备的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极在蓝绿光波段有较高的响应，光谱响应峰值在610nm附近，峰值量子效率可达30％以上。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，该阴极自下而上由硼硅玻璃基底(1)、SiO2保护层(2)、Si3N4增透层(3)、Ga1-x1Alx1As窗口层(4)、变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层(5)、超薄GaAs发射层(6)以及Cs/O激活层(7)组成。
2.根据权利要求1所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，所述硼硅玻璃基底(1)为Corning 7056#玻璃基底，厚度为4～6mm。
3.根据权利要求书1或2所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，所述超薄GaAs发射层(6)的厚度为10～50nm，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。
4.根据权利要求书3所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，所述SiO2保护层(2)总厚度为100～200nm。
5.根据权利要求书3所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，Si3N4增透层(3)总厚度为50～150nm。
6.根据权利要求书3所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，所述Ga1-x1Alx1As窗口层(4)的Al组分为x1，0.75≤x1≤0.90；所述Ga1-x1Alx1As窗口层(4)的总厚度为40～1000nm；采用均匀掺杂方式，掺杂原子为Zn或Be，掺杂浓度为5.0×1018cm-3～1.0×1019cm-3。
7.根据权利要求书3所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，所述变Al组分Ga1-x2Alx2As吸收层(5)由n个p型Ga1-xAlxAs外延材料构成的单元层组成，n≥2，每个单元层厚度为40～1000nm，总厚度为100～3000nm；采用均匀掺杂方式，掺杂原子为Zn或Be，掺杂浓度为5.0×1018cm-3～1.0×1019cm-3；所述n个单元的由下向上各层的Al组分自内表面到外表面满足0.75≥Al1>Al2>……>Aln≥0.20。
8.根据权利要求书3所述的具有超薄GaAs发射层的变Al组分透射式GaAlAs光电阴极，其特征在于，所述Cs/O激活层(7)通过超高真空激活工艺紧密吸附在p型超薄GaAs发射层(6)的表面上。
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