CN109801820B - 多层级联式宽光谱响应光电阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多层级联式宽光谱响应光电阴极及其制备方法，该光电阴极包括自下而上设置的衬底、InGaAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层、p型发射层以及保护层，其中，所述p型发射层包括自下而上依次设置的p型In_xGa_1‑xAs层、p型GaAs层、p型Ga_1‑yAl_yAs层。在发射层中，In_xGa_1‑xAs部分中In组分x自下而上逐层由0.2降低至0.05，GaAs层掺杂方式为变掺杂分布，Ga_{1‑ y}Al_yAs部分中Al组分y自下而上逐层由0递增到0.9。本发明在发射层中采用变组分变掺杂技术，一方面提高了光生电子在发射层内的扩散长度，帮助光生电子向发射表面迁移，更有利于光生电子的发射。

Description

多层级联式宽光谱响应光电阴极及其制备方法

技术领域

本发明属于微光夜视探测材料技术领域，具体为一种多层级联式宽光谱响应光电阴极及其制备方法。

背景技术

从1929年Koller和Campbell发明了Ag-O-Cs(S1)光电阴极之后，在长时间的研究中，发现了越来越多的光电阴极材料，但是每种材料作为光电阴极工作时总是具有一定的区别和特点。在二十世纪末，InGaAs光电阴极才得到了较大的关注，在此之前对于近红外敏感Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的研究一直很少。在过去的研究中，人们提出了由GaAlAs作为窗口层，InGaAs作为发射层的光电阴极，以及由InAlAs作为窗口层，InGaAs作为发射层的光电阴极。但是在实验中发现 GaAlAs窗口层与InGaAs晶格系数匹配程度不佳，AlInAs作为窗口层使得阴极无法对短波段产生光电响应。InGaAs材料是一种很好的微光也是探测材料，由于该种材料具有远高于其他材料的长波限(非场助下可以达到1200nm以上)，因此在某些针对长波段探测的领域具有无法代替的地位。但是该材料本身仍具有一点缺点，比如电子扩散长度小，响应波段内量子效率不高等。GaAs光电阴极具有优于传统阴极，比如多碱阴极和Ag-O-Cs阴极的优点，诸如量子效率高、暗电流小、电子出射能量分布集中、长波阈值大等，因此在微光夜视、光电倍增器、电子源等诸多领域具有广泛应用。特别是在可见光波段，GaAs光电阴极的量子效率大大高于GaAlAs和InGaAs光电阴极，是一种常用的微光夜视探测材料。GaAs材料的不足之处在于该材料对紫外、红外波段几乎没有光电响应。 GaAlAs是一种常用于光电阴极材料的窗口层的材料，用以限制入射光波段，但是其本身也是一个良好的光电阴极材料。GaAlAs光电阴极由于其量子效率高、光电子寿命长、相应波段可调等特点，常用作电子加速器电子源。随着GaAlAs 中Al组分增大，该材料对于短波段入射光的响应可以得到提高，通过调节Al 组分大小，可以控制该材料在紫外波段的光谱响应曲线。然而该材料长波限过短，光谱响应范围主要集中在紫外波段。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种多层级联式宽光谱响应光电阴极，解决发射层的晶格匹配问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种多层级联式宽光谱响应光电阴极，包括自下而上设置的衬底、InGaAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层、p型发射层以及保护层，其中，所述p型发射层包括自下而上依次设置的p型In_xGa_1-xAs 层、p型GaAs层、p型Ga_1-y Al_yAs层。

优选地，所述p型InxGa1-xAs层和p型Ga1-yAlyAs层均采用变组分均匀掺杂设计，p型GaAs层采用变掺杂，掺杂浓度沿着电子迁移方向由高到低。

优选地，所述p型In_xGa_1-xAs层掺杂浓度为5～10×10¹⁸cm^-3，In组分自下而上从0.2到0.05递减，p型In_xGa_1-xAs层总厚度为0.6～0.8μm。

优选地，p型GaAs层掺杂浓度自下而上从10¹⁸cm^-3递增到10¹⁹cm^-3，p型 GaAs层的厚度为0.1～0.3μm。

优选地，p型Ga_1-yAl_yAs层掺杂浓度为8～10×10¹⁸cm^-3，Al组分y自下而上从0到0.9递增，p型Ga_1-yAl_yAs层总厚度0.2～0.4μm。

优选地，所述InGaAs缓冲层In组分由下至上从0到0.2递增，InGaAs缓冲层厚度为4～5μm。

优选地，所述p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层In组分为0.2，总厚度为1～1.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

优选地，所述衬底材料为GaAs，所述保护层材料为GaAs。

本发明还提供了一种多层级联式宽光谱响应光电阴极的制备方法，具体步骤为：

步骤1、在衬底上，依次生长InGaAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层、 p型发射层In_xGa_1-xAs部分、p型发射层GaAs部分、p型发射层Ga_1-yAl_yAs部分以及保护层；

步骤2、用化学腐蚀剂腐蚀保护层，在发射层的Ga_0.1Al_0.9As层上表面沉积一层Si₃N₄抗反射膜，然后在Si₃N₄抗反射膜上热粘结台面玻璃窗；

步骤3、通过选择性化学试剂依次腐蚀衬底、In_xGa_1-xAs缓冲层、p型 Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层，裸露发射层中In_xGa_1-xAs表面；

步骤4、通过超高真空激活工艺，在发射层表面，即In_xGa_1-xAs表面进行Cs/O 激活，制备得到一种晶格匹配的多层级联式宽光谱响应光电阴极。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明发射层缓冲层采用了变组分的设计，整体结构从衬底到发射层每相邻两层的晶格匹配程度都非常高，有利于降低整体的界面复合速率，更有利于电子的迁移和发射；2)本发明在发射层中采用变组分变掺杂技术，提高了光生电子在发射层内的扩散长度，帮助光生电子向发射表面迁移，更有利于光生电子的发射；3)本发明采用三种材料作为发射层材料，通过这三种材料的配合，实现整体材料从紫外波段到近红外波段的宽光谱响应。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是光电阴极生长结构图。

图2是光电阴极发射层中的能带结构图。

图3是光电阴极腐蚀、激活后结构图。

图4是光电阴极量子效率与入射光波长关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种多层级联式宽光谱响应光电阴极，包括自下而上设置的衬底12、InGaAs缓冲层14、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层16、p型发射层18以及保护层20，其中，所述p型发射层18包括自下而上依次设置的p型In_xGa_1-xAs 层、p型GaAs层、p型Ga_1-y Al_yAs层。

如图2所示，P型发射层中，由于引入变掺杂和变组分，可以看到整个发射层内部形成能带弯曲结构，有利于电子的向出射表面的迁移。由于发射表面Cs/O 的激活工艺，引起表面能带进一步弯曲，使得电子更容易逸出。图中hv1,hv2,hv3 分别表示不同波长的入射光，由于三种材料不同的能带结构，不同波长的入射光在发射层不同位置被吸收并激发光电子，长波段的光主要在In_xGa_1-xAs材料中被吸收，短波段的光主要在Ga_1-yAl_yAs材料中被吸收，其余光主要由GaAs材料吸收。整个发射层中分布有方向与电子迁移方向相反的内建电场，对发射层内光电子起到牵引作用。

进一步的实施例中，所述p型InxGa1-xAs层和p型Ga1-yAlyAs层均采用变组分均匀掺杂设计，p型GaAs层采用变掺杂，掺杂浓度沿着电子迁移方向由高到低。

进一步的实施例中，所述p型In_xGa_1-xAs层掺杂浓度为5～10×10¹⁸cm^-3，In 组分自下而上从0.2到0.05递减，p型In_xGa_1-xAs层总厚度为0.6～0.8μm。

进一步的实施例中，p型GaAs层掺杂浓度自下而上从10¹⁸cm^-3递增到 10¹⁹cm^-3，p型GaAs层的厚度为0.1～0.3μm。

进一步的实施例中，p型Ga_1-yAl_yAs层掺杂浓度为8～10×10¹⁸cm^-3，Al组分y自下而上从0到0.9递增，p型Ga_1-yAl_yAs层总厚度0.2～0.4μm。

进一步的实施例中，所述InGaAs缓冲层14In组分由下至上从0到0.2递增， InGaAs缓冲层14厚度为4～5μm。

进一步的实施例中，所述p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层In组分为0.2，总厚度为1～1.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

进一步的实施例中，所述衬底12材料为GaAs，所述保护层20材料为GaAs。

本发明还提供了一种多层级联式宽光谱响应光电阴极的制备方法，具体步骤为：

步骤1、在衬底上，依次生长InGaAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层、 p型发射层In_xGa_1-xAs部分、p型发射层GaAs部分、p型发射层Ga_1-yAl_yAs部分以及保护层；

步骤2、用化学腐蚀剂腐蚀保护层，在发射层的Ga_0.1Al_0.9As层上表面沉积一层Si₃N₄抗反射膜，然后在Si₃N₄抗反射膜上热粘结台面玻璃窗；

步骤3、通过选择性化学试剂依次腐蚀衬底、In_xGa_1-xAs缓冲层、p型 Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层，裸露发射层中In_xGa_1-xAs表面；

步骤4、通过超高真空激活工艺，在发射层表面，即In_xGa_1-xAs表面进行Cs/O 激活，制备得到一种晶格匹配的多层级联式宽光谱响应光电阴极。

进一步的实施例中，步骤4中所述超高真空激活工艺具体指在真空度不低于 10^{- 8}Pa的超高真空环境中，采用Cs/O激活工艺，Cs/O激活层厚度为0.5～1.5nm。

实施例

一种多层级联式宽光谱响应光电阴极，包括自下而上设置的衬底、InGaAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层、p型发射层以及保护层，其中，所述p型发射层包括自下而上依次设置的p型In_xGa_1-xAs层、p型GaAs层、p型Ga_1-y Al_yAs层。

In_xGa_1-xAs缓冲层自下而上In组分逐层递增从0增加到0.2，其中每层的厚度为1μm，缓冲层总厚度为4μm。

p型Al_0.8In_0.2As中In组分为0.2，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3。腐蚀阻挡层总厚度为1μm。

如图3所示，发射层共分为三小层，分别为In_xGa_1-xAs层，GaAs层，Ga_1-yAl_yAs 层。其中In_xGa_1-xAs层又分为不同In组分的四层，GaAs层不分层，Ga_1-yAl_yAs 层又分为不同Al组分的五层，下面分别对着三种材料具体实施方式进行说明。

发射层中三种材料的顺序自下而上为In_xGa_1-xAs，GaAs，Ga_1-yAl_yAs。

发射层中，p型In_xGa_1-xAs层采用均匀掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，共分为四小层，自下而上各层的In组分分别为0.2，0.15，0.1，0.05。每层的厚度自下而上分别为0.35μm，0.15μm，0.05μm，0.05μm。In_xGa_1-xAs层总厚度为0.6μm。

发射层中，p型GaAs层不分层，GaAs层采用变掺杂结构，掺杂浓度自下而上递增，从10¹⁸cm^-3递增至10¹⁹cm^-3，使GaAs形成内建电场牵引光电子向表面移动。GaAs层总厚度为0.15μm。

发射层中，p型Ga_1-yAl_yAs层采用均匀掺杂，掺杂浓度10×10¹⁸cm^-3，共分为五小层，自下而上每层的Al组分分别为0，0.225，0.450，0.675，0.9。每层厚度分别为0.05μm，0.05μm，0.05μm，0.05μm，0.05μm。总厚度为0.2μm。 Ga_1-yAl_yAs层的厚度一方面影响发射层整体在短波段的响应，另一方面其厚度会影响后面两层对入射光子的吸收以及电子的扩散，因此Ga_1-yAl_yAs层整体厚度不宜过大，增大厚度反而会引起最终短波段量子效率降低，这主要是由材料电子扩散长度决定的。

所述光电阴极保护层采用GaAs材料，主要用于在材料生长后保护发射层上表面不与空气发生氧化。保护层总厚度为100nm。

本发明在生长制备时，采用金属有机化学气相沉淀或分子束外延技术，在高质量衬底之上依次顺序生长缓冲层、p型腐蚀阻挡层、p型发射层In_xGa_1-xAs部分、p型发射层GaAs部分、p型发射层Ga_1-yAl_yAs部分、保护层。

在光电阴极生长完成后，保护层先被选择性腐蚀，腐蚀后镀上抗反射膜，膜的材料为Si₃N₄，厚度为120nm，可减少入射光反射率。之后加热至玻璃熔点，将台面玻璃窗连接至阴极发射层。然后使用相应的腐蚀溶剂依次腐蚀衬底、缓冲层、腐蚀阻挡层，使得发射层表面In_xGa_1-xAs部分暴露。最后对光电阴极进行 Cs/O激活。

如图4所示，根据本实施的光电阴极，可以实现在400nm到1160nm范围内的宽光谱响应，在1064nm位置可以得到1.04％的量子效率。

Claims (7)

1.一种多层级联式宽光谱响应光电阴极，其特征在于，包括自下而上设置的衬底(12)、InGaAs缓冲层(14)、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层(16)、p型发射层(18)以及保护层(20)，其中，所述p型发射层(18)包括自下而上依次设置的p型In_xGa_1-xAs层、p型GaAs层、p型Ga_{1- y}Al_yAs层；所述p型InxGa1-xAs层和p型Ga1-yAlyAs层均采用变组分均匀掺杂设计，p型GaAs层采用变掺杂，掺杂浓度沿着电子迁移方向由高到低；p型GaAs层掺杂浓度自下而上从10¹⁸cm^-3递增到10¹⁹cm^-3，p型GaAs层的厚度为0.1～0.3μm；p型Ga_1-yAl_yAs层掺杂浓度为8～10×10¹⁸cm^-3，Al组分y自下而上从0到0.9递增，p型Ga_1-yAl_yAs层总厚度0.2～0.4μm。

2.根据权利要求1所述的多层级联式宽光谱响应光电阴极，其特征在于，所述p型In_xGa_1-xAs层掺杂浓度为5～10×10¹⁸cm^-3，In组分自下而上从0.2到0.05递减，p型In_xGa_1-xAs层总厚度为0.6～0.8μm。

3.根据权利要求1所述的多层级联式宽光谱响应光电阴极，其特征在于，所述InGaAs缓冲层(14)In组分由下至上从0到0.2递增，InGaAs缓冲层(14)厚度为4～5μm。

4.根据权利要求1所述的多层级联式宽光谱响应光电阴极，其特征在于，所述p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层In组分为0.2，总厚度为1～1.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

5.根据权利要求1所述的多层级联式宽光谱响应光电阴极，其特征在于，所述衬底(12)材料为GaAs，所述保护层(20)材料为GaAs。

6.基于权利要求1～5任一所述的多层级联式宽光谱响应光电阴极的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、在衬底上，依次生长InGaAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层、p型发射层In_xGa_1-xAs部分、p型发射层GaAs部分、p型发射层Ga_1-yAl_yAs部分以及保护层；

步骤2、用化学腐蚀剂腐蚀保护层，在发射层的Ga_0.1Al_0.9As层上表面沉积一层Si₃N₄抗反射膜，然后在Si₃N₄抗反射膜上热粘结台面玻璃窗；

步骤3、通过选择性化学试剂依次腐蚀衬底、In_xGa_1-xAs缓冲层、p型Al_0.8In_0.2As腐蚀阻挡层，裸露发射层中In_xGa_1-xAs表面；

步骤4、通过超高真空激活工艺，在发射层表面，即In_xGa_1-xAs表面进行Cs/O激活，制备得到一种晶格匹配的多层级联式宽光谱响应光电阴极。

7.根据权利要求6所述的多层级联式宽光谱响应光电阴极的制备方法，其特征在于，步骤4中所述超高真空激活工艺具体指在真空度不低于10^-8Pa的超高真空环境中，采用Cs/O激活工艺，Cs/O激活层厚度为0.5～1.5nm。

Images