高温激活的变掺杂GaAs光电阴极研究

第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-06-16基金项目：国家自然科学基金资助项目(60678043)作者简介：陈怀林(1956-)，男，江苏泰州人，高级工程师，主要从事光电信号处理、光谱响应在线测量等方面的研究。

Email:chl@ 导师简介：常本康(5)，男，江苏无锡人，教授，博士生导师，主要从事光电子物理和技术等方面的研究。

@y 高温激活的变掺杂GaAs 光电阴极研究陈怀林，常本康，张俊举，杜晓晴（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094）摘要：为了获得高量子效率的GaAs 光电阴极，要求GaAs 材料的电子扩散长度足够长，且电子表面逸出几率大，而这两个参数都要受到P 型掺杂浓度的限制。

经过对由体内到表面掺杂浓度由高到低的变掺杂GaAs 光电阴极进行比较深入的激活实验和光谱响应理论研究，实验结果显示，适当的表面掺杂浓度GaAs 光电阴极材料，在高温激活结束后获得了较高的灵敏度和较好的稳定性。

根据实验结果和反射式变掺杂GaAs 光电阴极量子效率理论预测曲线，对变掺杂GaAs 光电阴极材料掺杂结构提出了进一步优化的思路。

研究表明，变掺杂GaAs 光电阴极将成为发展我国高性能GaAs 光电阴极的一项重要途径。

关键词：GaAs ；光电阴极；光谱响应；性能评估；在线测量中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0756-06Varying doping GaAs photocathode by high temper ature activationCHEN Huai-lin,CHANG Ben-kang,ZHANG Jun-ju,DU Xiao-qing(Nanjing Univers it y of Sci ence and Technology,Nanjing 210094,China)Abstr act:High quantum efficiency GaAs photocathode has been obtained which has enough long diffusing length and big probability of surface emitting.The two parameters are limited by impure density of p type.An activation experiment of varying doping GaAs photocathode form inner to surface and from low to high has been carried out and the corresponding spectral response has been studied,and results shows that appropriate impure density may obtain GaAs photoelectronic material of high responsively and stability.According to experiment results and predicted quantum efficiency curves of GaAs photocathode,an approach how to design varying doping GaAs photocathode has been improved,which is also an im portant route to develop high performance photoelectronic m aterial.Key wor ds:GaAs;Photocath ode;Spectral resp onse;Perfo rm ance evaluatio n;Online m easurement0引言负电子亲和势砷化镓（GaAs ）光电阴极具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量分布及角分布集中、长波阈可调、长波响应扩展潜力大等优点，以它为核心的第3代微光像增强器扩展了夜视仪器的长波阈和视距，在微光夜视领域得到了普遍应用。

因此，围绕如何获得高性能GaAs 光电阴极，世界各发达国家都对GaAs 光电阴极的理论、材料结构、激活工艺、性能测试与评估进行了深入和全面的研究。

190-Email:bkchangcn 增刊陈怀林等：高温激活的变掺杂GaAs光电阴极研究757大量实验数据说明，随着掺杂浓度的提高，导致晶格缺陷增加，电子复合中心浓度增加，降低电子寿命，减小电子扩散长度[1]；另一方面，掺杂浓度的提高会减小表面能带弯曲宽度，从而减小电子在能带弯曲区受到的散射作用，提高电子表面逸出几率[2]。

因此电子扩散长度和表面逸出几率的提高对P型掺杂浓度提出了两个矛盾的要求。

一种解决方案是利用P 型掺杂浓度与电子扩散长度、P型掺杂浓度与电子表面逸出几率的依赖关系曲线，选择一个折衷的P型掺杂浓度，使得该浓度下阴极的量子效率最大，这种方法称之为P型掺杂浓度的优化。

也有人曾提出表面高浓度掺杂[3]，体内低浓度掺杂的掺杂方案，但能带结构图指出，这将导致体内到表面的能带向上弯曲，形成电子势垒，阻碍电子的逸出。

提出了一种由体内到表面掺杂浓度由高到低的新型变掺杂结构来提高GaAs光电阴极的量子效率。

在这种掺杂模式下，阴极的电子扩散长度会随着掺杂浓度的降低而增大，同时在两个不同掺杂浓度区域交界面，形成一个由体内到表面的向下能带弯曲。

能带弯曲区对应一个正向的内建电场，从而大大提高体内电子到达表面的输运效率。

但表面掺杂浓度的降低也会同时带来电子表面逸出几率的减小，因此在实验中将表面掺杂浓度限制在不小于1017cm-3范围内。

为了验证这种新型GaAs光电阴极结构的可行性，利用分子束外延（MBE）生长技术，制备反射式变掺杂GaAs光电阴极材料。

采用优化激活工艺，对变掺杂GaAs光电阴极材料与均匀掺杂GaAs光电阴极材料进行了对比激活实验，对激活结束后的GaAs光电阴极进行了光谱响应测试和稳定性比较。

根据实验和理论分析结果，建立了变掺杂GaAs光电阴极结构进一步优化的条件。

1实验1.1激活实验1.1.1变掺杂GaAs光电阴极材料的设计和制备实验设计变掺杂结构的基本特点是从GaAs发射材料体内到表面掺杂浓度由高到低分布。

实验制备的变掺杂GaAs材料均为反射式结构，在半绝缘GaAs 衬底上生长，生长晶面（100），掺杂元素为Be。

利用先进的分子束外延生长（MBE）设备进行三种变掺杂结构的制备。

它们的主要差异在于最表面的低掺杂浓度不同。

图1是这三种掺杂结构的示意图，其中(a)对应变掺杂结构D1，(b)对应变掺杂结构E1，(c)对应变掺杂结构E3。

图1中每种变掺杂结构的GaAs发射层的总厚度为1m，体内最高掺杂浓度1×1019cm-3。

其中D2表面低掺杂为2×1017cm-3，掺杂厚度30nm，则体内1×1019cm-3高掺杂厚度为970nm。

E1和E3样品中每一个掺杂浓度所占材料的厚度相同，均为250nm，E1表面低掺杂为1×1018cm-3，E3表面低掺杂为7×1018cm-3。

为了进行对比实验，同时生长了（100）晶面，厚度1m，Be掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3的均匀掺杂GaAs光电阴极材料，简称C1样品。

图1GaAs发射层的梯度掺杂结构Fig.1Doping structure of three samples1.1.2变掺杂GaAs光电阴极的激活实验GaAs光电阴极的制备，也称之为GaAs光电阴极的激活，是指在一个原子级洁净的P型掺杂的GaAs表面上交替覆盖Cs和O来获得负电子亲和势状态。

在制备工艺中，GaAs表面的原子级洁净程度和（Cs,O）激活层的层结构是影响激活结束后GaAs 光电阴极灵敏度和稳定性的主要因素。

GaAs表面的原子级洁净程度依赖于超高真空度和GaAs表面的净化工艺，而（Cs,O）层的层结构是通过不同的（Cs,O）激活方式来实现。

在试验中，采用相同的工艺方法制备变掺杂和均匀掺杂的GaAs光电阴极。

即：在高低温激活工艺中，采用Cs源连续，O源断续的激活方式。

激活过程表明，D2、E3、E1以及C1四个样品的低温激活最大光电流都不能高于高温激活过程中获得的最大光电流，第二步的低温激活非但无效，而且还会降低阴极灵敏度。

其现象在很多对MBE GaAs 材料激活的实验中得到过验证[4-5]，即MBE GaAs的低温激活结果低于高温激活结果。

有人认为这是由MBE GaAs材料中的掺杂元素Be引起的[5]。

但截止目前还无法合理解释这个现象，这某种程度上限制了MBE GaAs光电阴极的应用。

表1和表2直观地对四种样品激活过程的特征参量进行了列表比较。

758红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷表14种样品高温激活过程比较Ta b.1Compa rison among four high-temper a tureactiva tion pr ocessActivat ion process D2E3E1C1Total time/min155********Duration of the1sti npouri ng Cs/min1056510840Corresponding photocurrent/A18894Amount of superfl uous Cs AppropriateToomuchToomuchToomuchP hoto current after1st Cs/O loop/A19443721 P hoto current afteract ivation/A39475324表24种样品低温激活过程比较Ta b.2Compa rison among four low-tempera tur e activation pr ocessAct ivation proces s D2E3E1C1Total time/min135******** Duration of the1stinpouring Cs/min100909320 Corresponding photocurrent/A455 3.2Amount of s uperfluous CsToomuchAppropriateToomuchToomuchPhoto current after1st Cs/O loop/A1535417 Photo current afteractivation/A33344922.5从表1和表2可以看出，变掺杂样品与均匀掺杂样品的激活过程存在差异，不同变掺杂结构样品的激活也有不同之处，主要表现为：（1）从激活时间看，变掺杂样品的首次进Cs 时间以及激活所用总时间均要大于均匀掺杂样品，表面掺杂浓度越低，首次进Cs所需的时间和总激活时间越长。