CN1103500C - 内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜 - Google Patents

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Abstract

一种可以对近红外波段弱超快光信号进行检测的内场助光电发射薄膜结构，属于半导体器件领域。此种光电发射薄膜结构的特点是在金属超微粒子/介质复合薄膜表面沉积一层一定厚度的银薄膜电极，从而通过加入内场的方法达到提高该种光电发射薄膜量子产额的目的。本发明的内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜可用于近红外光电检测、超快光电信号转换等方面。

Description

内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜
技术领域：
一种光电发射薄膜的结构及其制备与应用，涉及半导体器件领域。
背景技术：
随着光通信的发展，近红外波段超快光电信号检测技术日益受到人们的关注。光纤通信中的波长选择为1.55μm，目前检测方法是通过倍频技术实现的[Kamran Shaik，and Hamid Hemmati：“Wavelength selection criteria forlaser communications”，SPIE，Vol.2381，(1995)342.]，这就不可避免地引入了非线性误差和不必要的能量损失。实用光电发射薄膜虽然具有较高的量子产额，但在该波段却都存在波长阈值与响应速度的制约问题，不能实现近红外波段超快光信号的直接检测。条纹相机中所用的Ag-O-Cs和Na2KSb[Cs]等传统光电发射薄膜(属正电子亲和势光电发射薄膜)[U.Lemmer，and R.F.Mahrt：″Time resolved luminescence study of recombination processes inelectroluminescent polymers″，Appl.Phys.Lett，Vol.62，No.22，(1993)2827.]虽然具有较快的光电响应速度，但其波长阈值却在1.1μm以内；III-V族半导体光电阴极(属负电子亲和势光电发射薄膜)[H.Rougeot and C.Baud：″Negative electron affinity photoemitters″，Adv.Electron Phys.，Vol.48，(1979)36.]虽然有较高的量子产额，但其光电响应速度却都局限在纳秒量级以内，不能满足超快光电检测的要求。III-V族化合物半导体的内场助光电发射薄膜在提高量子产额和拓宽阈值波长方面取得了某些成功，文献报道响应阈值为1.6μm的p-InP/p-InGaAs内场助光电发射薄膜在波长为1.5μm时的反射式量子效率可达8％以上[J.S.Escher，and P.E.Gregory：″Photoelectric imagingin the 0.9-1.6 micro range″，IEEE Trans.Electron.Device Lett.，Vol.2，No.5，(1981)123.]，但是其超快时间响应问题依然没有得到解决。因此，寻找一种能对近红外波段超快光信号实现直接检测的光电发射薄膜是很有意义的。
发明内容：
本发明的目的在于保留金属超微粒子/介质复合薄膜在可见光和近红外波段具有较高量子产额，对超短激光脉冲能够快速响应等优点的基础上，拓宽该类型薄膜的光电响应波长阈值，提高响应波段的量子产额，降低对超短脉冲激光信号响应的能量密度阈值，从而实现对近红外波段超快光脉冲(皮秒)信号的检测。
本发明的目的是通过制备内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag和SnO2/(Ag-O-Cs)/Ag来达到的。金属超微粒子/介质复合薄膜是将直径在5nm到20nm之间的金属Ag粒子埋藏于半导体介质BaO或Cs2O中而形成的复合薄膜，该种结构的薄膜具有高的光吸收系数、较高的光电量子产额和极快的光电响应速度等独特性能，是可见光和近红外波段进行超快光电检测的理想光电发射薄膜。但是，这种复合薄膜光电响应阈值在1.1μm以内。本发明通过在这种薄膜的表面用真空沉积方法加入一电极结构，引入电压形成内场，光电薄膜在内场的作用下，埋藏有金属Ag超微粒子的半导体基质的能带结构会因内场作用而发生变化，即导带和价带的能级倾斜导致表面位垒相对于体内费米能级的下降。同时，Ag超微粒子与BaO或Cs2O半导体基质的界面位垒及光电发射薄膜的表面位垒会在内场作用下有所降低与减薄。这种体内能带结构的倾斜及表面位垒的变化，使得Ag超微粒子中的受激电子更易于穿过半导体基质发射到真空中去。因此，金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜Ag-BaO或Ag-O-Cs通过引入内场的方法，可以提高响应波段的量子产额，拓宽红外阈值波长，降低激光作用下的能量密度阈值，实现对波长为1.55μm的近红外波段超快光脉冲(皮秒)信号的直接检测。
本发明的技术难度在于加入的电极结构既要有良好的导电性能，又不能阻碍光电子穿透电极发射到真空；加入的内场电压既要使光电薄膜的能带结构发生变化(体内能带结构的倾斜和表面位垒的降低)，又不能造成薄膜的击穿。技术关键是要控制Ag电极的厚度在10～20nm和Ag微粒的直径为5～20nm，在此条件下会形成迷津结构(类似于网状结构)的银电极；加入的电压控制在5～30V。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步详述：
内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag的结构如附图所示。图中，1为透明玻璃基底，是光电发射薄膜的载体；2为透明导电薄膜(主要成分是SnO2)，厚度为100～150nm，是加载内场的底电极，经由导线引出接至电压源的负极；3为氧化物半导体基质，是在高真空条件下蒸发沉积碱金属Cs或碱土金属Ba并在180～280℃温度范围内经氧化激活得到，其厚度为50～100nm；4为直径尺寸5～20nm的金属Ag微粒，经热处理后散落分布在半导体基质中，其分布范围在80～120nm之间；5为厚度控制在5～10nm的氧化物Cs2O或BaO薄层；6为厚度10～20nm的Ag薄膜电极，其特点是由5～20nm的Ag微粒组成迷津结构，它是加载内场的正电极，经由导线引出接至电压源的阳极。薄膜整体厚度一般为250～400nm，白光透过率20～40％。
本发明的内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜工作在真空度优于5×10-4Pa的真空环境下，光自透明导电玻璃侧入射，受激电子由Ag电极侧逸出并被收集。内场电压经由附图所示2和6两电极加载在金属超微粒子/介质复合薄膜表面，相对于光电发射薄膜形成内场。内场电压由直流稳压电源提供，在5～30V之间准连续可调。
实施例1：由波长可调的棱镜分光单色仪、测量精度为10-11A的直流复射式检流计、高精度0～30V可调直流稳压电源等部件，组成内场作用下光电发射薄膜光谱响应测量系统。用色温为2856K的钨带灯作为标准光源，经棱镜色散系统后得到分布在可见光和近红外波段的单色光，测量光电发射薄膜对不同波长光的灵敏度分布，即可得到该光电薄膜的光谱响应特性曲线。若在测量过程中加以考虑内场对光电发射薄膜灵敏度的影响，就可以看到内场效应下薄膜光电量子产额和波长阈值的变化。
本发明的内场助金属超微粒子/介质复合薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag以波长为0.7μm的单色光入射，内场电压为0V时，其光电流大小为3.61×10-10A；当内场电压加至30V时，光电流上升至9.41×10-10A。测试结果表明，在波长0.4～1μm的范围内，薄膜表面加载30V的内场电压时，光电流均可在原有基础上提高100％。
实施例2：由脉冲激光源、衰减片、聚焦片、SnO2/(Ag-BaO)/Ag薄膜和数字存贮示波器等部件组成动态脉冲激光检测系统。脉冲激光源为被动锁模Nd：YAG，近红外光波长为1.06μm，每个短脉冲宽度为50ps，9-11个短脉冲组成一个单脉冲序列，能量为3-6mJ，束斑为Φ3.0mm。激光束经过衰减片、聚焦片后打到薄膜上，聚焦后的束斑为Φ0.5mm，外光路中加入KTP晶体，可以将1.06μm的近红外光变换为0.53μm的绿光。在该测试条件下，薄膜对1.06μm光脉冲的阈值灵敏度为6×107W·cm-2，对0.53um光脉冲的阈值灵敏度为1×108W·cm-2。当在薄膜上加载内场电压为20V时，无论是1.06μm的激光还是0.53μm的激光，薄膜对光脉冲的灵敏度都上升50％。测试结果表明本发明的内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜能够满足对弱超快激光信号进行直接检测的要求。
本发明的内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag和SnO2/(Ag-O-Cs)/Ag在可见光和近红外波段具有较高的光电量子产额和极快的光电响应速度，内场的加载对提高薄膜的光电量子产额、拓宽红外阈值波长和降低激光响应的能量密度阈值具有明显效果。该种结构的薄膜可用于近红外波段光电检测、近红外超快光电信号转换等方面。
附图说明：
内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag的结构示意图。图中：
1-透明玻璃基底
2-透明导电薄膜
3-氧化物半导体基质
4-直径尺寸5～20nm的金属Ag微粒
5-厚度控制在5～10nm的氧化物Cs2O或BaO薄层：
6-厚度10～20nm的Ag薄膜电极。

Claims (2)

1.一种内场助金属超微粒子/介质复合光电发射薄膜Ag-BaO或Ag-O-Cs，其特征在于金属超微粒子/介质复合薄膜的结构如下：(1)透明玻璃基底；(2)在玻璃基底上镀有以SnO2为主要成份的透明导电薄膜，厚度100～150nm，用导线引出接至电源负极；(3)氧化物半导体基质，厚度50～100nm；(4)含有直径为5～20nm的Ag微粒的半导体基质，厚度80～120nm；(5)厚度为5～10nm的氧化物BaO或Cs2O；(6)Ag薄膜电极，厚度10～20nm，用导线引出接至电源正极。
2.权利要求1所述的光电发射薄膜工作环境的真空度优于5×10-4Pa，在薄膜的正负电极上加入直流电压5～30V。
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