CN110767516A - 一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变组分变掺杂反射式AlxGa1‑xAs/GaAs光电阴极及其制备方法,该阴极自下而上n型GaAs衬底、p型GaAs过渡层、p型变Al组分AlxGa1‑xAs缓冲层、p型指数掺杂GaAs发射层组成;其中,p型变Al组分AlxGa1‑xAs缓冲层的Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,采用均匀掺杂方式;p型指数掺杂GaAs发射层为4个以上单元的分层结构,掺杂浓度采用从后界面处单元分层10×1019cm‑3到发射表面单元分层1.0×1018cm‑3指数型减小的浓度分布。本发明可提高光电子在阴极体内的输运能力,达到提高GaAs光电阴极量子效率的目的。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电发射材料制备技术领域,具体涉及一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极及其制备方法。
背景技术
由于量子效率高,暗电流小,发射电子能量分布集中,长波响应好,以及自旋极化率高等优点,III-V族GaAs光电阴极成为制造各种光电器件如像增强器、极化电子源、太阳能电池等的最佳材料。随着材料生长技术的发展,以及为了提高器件性能,人们做了许多基于能带工程的研究以改善光谱特性。近几年来人们提出了一些不同的模型和结构。
微光像增强器是GaAs光电阴极传统的、最主要的应用领域。微光像增强技术按照阴极材料的种类为划分标准,近几十年来不断更新换代。GaAs光电阴极在微光像增强器中的应用,标志着微光像增强技术进入三代水平。采用GaAs的三代微光像增强器相比采用多碱的二代像增强器,在灵敏度、信噪比、工作寿命等技术指标上都有明显提高。基于GaAs光电阴极的微光像增强器是现代微光夜视装备的核心和基础,是国外许多发达国家的重点发展对象。国内外微光夜视技术的研究发展思路始终是不断改进提高核心器件的灵敏度、分辨力、信噪比、宽光谱响应和大动态工作范围等性能,从而实现微光整机的远作用距离、高清晰度、全天候、标准化、系列化以及低成本装备的应用。国内微光夜视技术的研究虽然取得了一定进展,但是在分辨力、稳定性方面与国外仍存在一定差距,加上国外对我国微光像增强器制备的技术封锁,导致国内微光像增强器及光电阴极的性能尚不及国外。我国必须要自主创新,在光电阴极的理论研究、材料设计、制备工艺等方面取得重大突破和创新,努力缩小与国外先进水平的差距。
量子效率是用来评估光电阴极性能的重要参数。AlxGa1-xAs材料中的能带渐变结构,通过改变AlxGa1-xAs层中的Al组分形成能带梯度,从而引入内建电场促进光电子向界面处输运,同时可以减小AlxGa1-xAs缓冲层和GaAs发射层之间的界面复合,进一步提高量子效率。另外,在GaAs发射层引入由体内到表面掺杂浓度由高到低的结构也可以提高光电发射性能。为了实现量子效率的最大化,本发明提供一种变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层和指数掺杂GaAs发射层组成的反射式GaAs光电阴极,进一步提高了反射式GaAs光电阴极的量子效率。
现有技术申请号为:201610880304.0,发明名称为:一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极及制备方法,通过在缓冲层中引入分布式布拉格反射镜结构,通过设置Alx1Ga1-x1As/Alx2Ga1-x2As交叠层的厚度、层数以及Al组分值x1和x2,可降低532nm波长处的反射率,提高吸收率,最终提高532nm波长处的光电发射量子效率。但是本方法存在以下的问题:只能提升AlGaAs光电阴极在532nm附近波段的量子效率;该专利的缓冲层采用的是AlAs/GaAs结构进行组合的布拉格反射镜结构,这种结构改变了光电阴极的吸收特性,进而改变了光电阴极的反射率、吸收率曲线波动性,使光电阴极对光子的吸收率在部分波段得到提升,但是有可能在其他波段吸收率有所下降,通过调整合适的布拉格反射镜结构,实现提高532nm波段的量子效率。因此需要一种能够实现反射式GaAs光电阴极全波段量子效率的提高的光电阴极以及其制备方法。
发明内容
1.所要解决的技术问题:
针对上述的技术问题,本发明提出一种高量子效率变组分变掺杂反射式AlxGa1- xAs/GaAs光电阴极及其制备方法。
2.技术方案:
一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:该阴极自下而上由GaAs衬底、GaAs过渡层、变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层、指数掺杂GaAs发射层组成。
进一步地,所述GaAs衬底,为n型掺杂(100)面GaAs衬底。
进一步地,所述GaAs过渡层厚度为50~100nm,采用p型Zn掺杂,掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3。
进一步地,所述变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层的厚度为400~1000nm,Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,p型Zn掺杂,掺杂浓度为1.0×1019cm-3。
进一步地,所述指数掺杂GaAs发射层为4个及以上单元的分层结构,总厚度为100~1000nm,掺杂p型掺杂,浓度从后界面处单元分层10×1019cm-3到发射表面单元分层1.0×1018cm-3指数型减小的浓度分布。
一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法,:包括以下步骤:
步骤一:在GaAs衬底上生长GaAs过渡层。
步骤二:然后在GaAs过渡层生长变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层。
步骤三:在变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层依次生长指数掺杂GaAs发射层的各个单元分层。
步骤四:对步骤三生成的变组分变掺杂GaAs光电阴极表面进行化学清洗,再送入超高真空系统中进行高温加热,使GaAs光电阴极表面达到原子级清洁。
步骤五:通过超高真空激活工艺,在变组分变掺杂GaAs光电阴极表面进行Cs和O2的交替吸附形成Cs/O激活层,制备得到高量子效率变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极。
进一步地,所述GaAs衬底为n型掺杂(100)面GaAs衬底;所述GaAs过渡层厚度为50~100nm,采用p型Zn掺杂,掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3;所述变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层的厚度为400~1000nm,Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,p型Zn掺杂,掺杂浓度为1.0×1019cm-3;所述指数掺杂GaAs发射层为4个及以上单元的分层结构,总厚度为100~1000nm,掺杂p型掺杂,浓度从后界面处单元分层10×1019cm-3到发射表面单元分层1.0×1018cm-3指数型减小的浓度分布。
进一步地,所述步骤五中的所述超高真空激活工艺是指在真空度不低于1×10-7Pa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。
3.有益效果:
(1)本发明采用变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层能够提高了光生电子在缓冲层中的输运能力,并且降低了缓冲层和发射层之间的界面复合速率。
(2)本发明的GaAs发射层采用指数掺杂结构,进一步促进了光电子在阴极体内的输运能力,从而最终提升了反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的量子效率。
附图说明
图1为本发明的变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极结构示意图;
图2为本发明实施例中的变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极结构示意图;
图3为本发明实施例中常规的反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极结构示意图;
图4为本发明实施例中变组分变掺杂和常规反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的量子效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
如附图1所示,一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:该阴极自下而上由GaAs衬底、GaAs过渡层、变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层、指数掺杂GaAs发射层组成。
进一步地,所述GaAs衬底,为n型掺杂(100)面GaAs衬底。
进一步地,所述GaAs过渡层厚度为50~100nm,采用p型Zn掺杂,掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3。
进一步地,所述变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层的厚度为400~1000nm,Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,p型Zn掺杂,掺杂浓度为1.0×1019cm-3。
进一步地,所述指数掺杂GaAs发射层为4个及以上单元的分层结构,总厚度为100~1000nm,掺杂p型掺杂,浓度从后界面处单元分层10×1019cm-3到发射表面单元分层1.0×1018cm-3指数型减小的浓度分布。
一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:在GaAs衬底上生长GaAs过渡层。
步骤二:然后在GaAs过渡层生长变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层。
步骤三:在变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层依次生长指数掺杂GaAs发射层的各个单元分层。
步骤四:对步骤三生成的变组分变掺杂GaAs光电阴极表面进行化学清洗,再送入超高真空系统中进行高温加热,使GaAs光电阴极表面达到原子级清洁。
步骤五:通过超高真空激活工艺,在变组分变掺杂GaAs光电阴极表面进行Cs和O2的交替吸附形成Cs/O激活层,制备得到高量子效率变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极。
进一步地,所述GaAs衬底为n型掺杂(100)面GaAs衬底;所述GaAs过渡层厚度为50~100nm,采用p型Zn掺杂,掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3;所述变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层的厚度为400~1000nm,Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,p型Zn掺杂,掺杂浓度为1.0×1019cm-3;所述指数掺杂GaAs发射层为4个及以上单元的分层结构,总厚度为100~1000nm,掺杂p型掺杂,浓度从后界面处单元分层10×1019cm-3到发射表面单元分层1.0×1018cm-3指数型减小的浓度分布。
进一步地,所述步骤五中的所述超高真空激活工艺是指在真空度不低于1×10-7Pa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。
具体实施例:
如图2所示,采用本发明的方法制作的变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极结构示意图。该阴极自下而上由厚度为50nm的p型GaAs过渡层,掺杂浓度为1.0×1019cm-3;厚度为1000nm的p型变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层,掺杂浓度为1.0×1019cm-3,Al组分由后界面到发射层界面由0.9~0逐渐变化;以及总厚度为200nm的p型指数掺杂GaAs发射层组成,该发射层为4个单元的分层结构,各单元厚度为50nm,掺杂浓度从后界面处到发射表面依次为1.0×1019cm-3、5.0×1018cm-3、2.5×1018cm-3、1.0×1018cm-3。
该变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法如下:
1)在n型GaAs(100)衬底上利用MOCVD生长厚度为50nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的p型GaAs过渡层。
2)然后在p型GaAs过渡层生长厚度为1000nm、掺杂浓度为1.0×1019cm-3、Al组分由后界面到发射层界面由0.9~0逐渐变化的p型变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层。
3)在p型AlxGa1-xAs缓冲层依次生长总厚度为200nm的p型指数掺杂GaAs发射层的各个单元分层,该发射层为4个单元的分层结构,各单元厚度为50nm,掺杂浓度从后界面处到发射表面依次为1.0×1019cm-3、5.0×1018cm-3、2.5×1018cm-3、1.0×1018cm-3。
4)使用混合比例为1:10的盐酸和异丙醇的混合溶液,对变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极进行化学清洗后,将其送入超高真空系统中,用6250℃温度解热20分钟。
5)在真空度不低于1×10-7Pa的超高真空环境中,采用Cs源连续、O源断续的激活工艺,在变组分变掺杂GaAs光电阴极表面吸附(Cs,O2)激活层,使变组分变掺杂反射式AlxGa1- xAs/GaAs光电阴极表面达到负电子亲和势状态。
为了验证变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极结构对量子效率的提高作用,我们生长了常规指数掺杂结构的反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,结构如图3所示。同样在n型GaAs(100)衬底上利用MOCVD生长厚度为50nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的p型GaAs过渡层;然后依次在p型GaAs过渡层生长厚度为1000nm、掺杂浓度为1.0×1019cm-3、Al组分为0.7的p型AlxGa1-xAs缓冲层和总厚度为200nm的p型指数掺杂GaAs发射层,发射层为4个单元的分层结构,各单元厚度为50nm,掺杂浓度从后界面处到发射表面依次为1.0×1019cm-3、5.0×1018cm-3、2.5×1018cm-3、1.0×1018cm-3。采用相同的化学清洗、高温加热净化和(Cs,O2)激活工艺后。
图4为变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极和常规变掺杂反射式AlxGa1- xAs/GaAs光电阴极的量子效率对比图。从图4可以看出,变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的量子效率明显高于常规变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但它们并不是用来限定本发明的,任何熟习此技艺者,在不脱离本发明之精神和范围内,自当可作各种变化或润饰,因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (8)
1.一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:该阴极自下而上由GaAs衬底、GaAs过渡层、变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层、指数掺杂GaAs发射层组成。
2.根据权利要求1所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:所述GaAs衬底,为n型掺杂(100)面GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:所述GaAs过渡层厚度为50~100nm,采用p型Zn掺杂,掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:所述变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层的厚度为400~1000nm,Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,p型Zn掺杂,掺杂浓度为1.0×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极,其特征在于:所述指数掺杂GaAs发射层为4个及以上单元的分层结构,总厚度为100~1000nm,掺杂p型掺杂,浓度从后界面处单元分层10×1019cm-3到发射表面单元分层1.0×1018cm-3指数型减小的浓度分布。
6.一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法,为如权利要求1至5任一权利要求所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法:包括以下步骤:
步骤一:在GaAs衬底上生长GaAs过渡层;
步骤二:然后在GaAs过渡层生长变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层;
步骤三:在变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层依次生长指数掺杂GaAs发射层的各个单元分层;
步骤四:对步骤三生成的变组分变掺杂GaAs光电阴极表面进行化学清洗,再送入超高真空系统中进行高温加热,使GaAs光电阴极表面达到原子级清洁;
步骤五:通过超高真空激活工艺,在变组分变掺杂GaAs光电阴极表面进行Cs和O2的交替吸附形成Cs/O激活层,制备得到高量子效率变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极。
7.根据权利要求6所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法,其特征在于:所述GaAs衬底为n型掺杂(100)面GaAs衬底;所述GaAs过渡层厚度为50~100nm,采用p型Zn掺杂,掺杂浓度为1×1018~1×1019cm-3;所述变Al组分AlxGa1-xAs缓冲层的厚度为400~1000nm,Al组分从后界面处自下而上从0.9到0变化,p型Zn掺杂,掺杂浓度为1.0×1019cm-3;所述指数掺杂GaAs发射层为4个及以上单元的分层结构,总厚度为100~1000nm,掺杂p型掺杂,浓度从后界面处单元分层10×1019cm-3到发射表面单元分层1.0×1018cm-3指数型减小的浓度分布。
8.根据权利要求6所述的一种变组分变掺杂反射式AlxGa1-xAs/GaAs光电阴极的制备方法,其特征在于:所述步骤五中的所述超高真空激活工艺是指在真空度不低于1×10-7Pa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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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200207 |
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