指數(shù)摻雜反射式GaSb光電陰極表面光電壓譜研究

蔡宸，于圣韜

摘 要：通過求解一維少數(shù)載流子擴散方程，對反射式GaSb光電陰極表面光電壓譜理論公式進行了研究。利用MOCVD外延生長摻雜結(jié)構(gòu)不同、吸收層厚度相同的兩種陰極材料，通過MIS法表面光電壓譜測試和理論擬合發(fā)現(xiàn)，指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)在后界面符合速率和吸收層厚度相同的情況下能夠有效提高GaSb陰極少子擴散長度，主要原因是指數(shù)摻雜形成的內(nèi)建電場有助于光生電子以電場漂移的方式向吸收層表面運動，從而提升GaSb光電陰極的光電發(fā)射效率和表面光電壓譜。

關(guān)鍵詞：GaSb；光電陰極；表面光電壓譜；少子擴散長度

中圖分類號：O462.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0164-02

Abstract： The theoretical formula of photovoltage spectrum on the surface of reflective GaSb photocathode is studied by solving the one-dimensional minority carrier diffusion equation. Two kinds of cathode materials with different doping structure and the same thickness of absorption layer were grown by MOCVD epitaxy. The results of surface photovoltage spectrum measurement and theoretical fitting by MIS method were found. The exponentially doped structure can effectively increase the minority carrier diffusion length of the GaSb cathode under the condition that the posterior interface accords with the rate and the thickness of the absorption layer is the same. The main reason is that the built-in electric field formed by exponentially doped helps photogenerated electrons move to the absorption layer surface in the way of electric field drift， thus improving the photoemission efficiency and surface photovoltage spectrum of GaSb photocathode.

Keywords： GaSb； photocathode； surface photovoltage spectrum； minority carrier diffusion length

1 概述

在光電子探測領(lǐng)域中，一個重要研究方向是提高器件的紅外響應(yīng)[1]。銻化物半導(dǎo)體材料具有電子遷移率高、載流子有效質(zhì)量小等優(yōu)勢，是一種性能優(yōu)良的紅外半導(dǎo)體材料[2]，隨著GaSb晶體生長技術(shù)不斷進步，可以獲得外延生長良好的GaSb薄膜[3]，因此有必要對以GaSb材料作為代表的銻化物光電陰極進行研究。由于窄禁帶光電陰極材料表面的Cs/O激活較為困難，光譜響應(yīng)曲線容易受Cs/O激活工藝、表面清洗工藝等條件的影響[4]，因此本文采用表面光電壓譜測量對陰極材料在激活前的光電性能進行表征，對表面光電壓譜進行理論研究并分析指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)對GaSb光電陰極材料性能的影響。

2 GaSb光電陰極表面光電壓譜理論研究

通常將摻雜變化形式為N（x）=N0exp（-Ax）的陰極稱為指數(shù)摻雜陰極式中中N（x）為x處摻雜濃度，N0為初始摻雜濃度，A為指數(shù)摻雜系數(shù)，指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)陰極能在材料體內(nèi)形成強度一致的內(nèi)建電場，其電場強度E為：E=■，指數(shù)摻雜陰極中摻雜濃度的變化導(dǎo)致費米能級的拉平效應(yīng)，形成陰極體內(nèi)到表面的線性能帶彎曲，因此陰極體內(nèi)激發(fā)的光電子不僅可以通過擴散方式到達表面，還可以在內(nèi)建電場加速下以漂移方式到達表面。

根據(jù)雙極管理論，MIS結(jié)構(gòu)被測表面光電壓可表示為：

（1）式中△V為MIS結(jié)構(gòu)中被測材料表面電勢改變引起材料兩側(cè)金屬平板上感生電荷的變化量，即MIS測得的表面光電壓，△V與被測材料實際表面光電壓△Vr有一對應(yīng)關(guān)系，以η來表示，J0為漂移電流密度，Jp為光生電流密度。當光電壓譜測試的入射光源為單色光時，光生載流子分布模型為小注入條件下的一維載流子擴散方程，對于反射式GaSb光電陰極，當陰極材料厚度Te>>α-1光子穿透深度且厚度Te>>L少子擴散和漂移長度時，可簡化地認為Te→∞，且由于光生電流密度Jp遠小于漂移電流J0，因此求解一維載流子方程并將結(jié)果代入表面光電壓公式（1）并取一級泰勒級數(shù)，可求得：

（2）式中只有吸收系數(shù)α和反射率R兩個參數(shù)隨入射波長改變而改變，可令m=■， 將（2）式化簡并單位化為：

因此MIS結(jié)構(gòu)測得一定波段內(nèi)的表面光電壓譜后，在已知入射光強、陰極材料表面反射率和吸收系數(shù)的情況下，可以擬合得到少子擴散和漂移長度L。

3 GaSb指數(shù)摻雜與均勻摻雜光電陰極的表面光電壓譜測試

我們采用MOCVD生長了兩個不同摻雜結(jié)構(gòu)的陰極材料，取指數(shù)摻雜系數(shù)A=0.5，考慮到可能存在的入射光吸收不同導(dǎo)致實際測量結(jié)果偏差，設(shè)計兩個陰極樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。生長條件選擇為生長溫度T=510℃、MO源氣相V/III=2、壓強P=100mbar， MO源分別選用三甲基鎵（TMGa）和三乙基銻（TESb），摻雜源選為二乙基鋅（DEZn）。

MIS法表面光電壓譜測試系統(tǒng)如圖2所示，斬波器對光源發(fā)出經(jīng)過光柵單色儀的單色光進行調(diào)制，光照產(chǎn)生的光生電勢會使ITO玻璃和金屬板產(chǎn)生感生電荷，由鎖相放大器進行信號放大，最后由計算機進行圖譜采集。

圖3為兩個陰極樣品表面光電壓譜測試曲線，為減小GaAs襯底光生電子對測量的影響，我們?nèi)∪肷洳ㄩL范圍大于950nm，可以看到在所測波長范圍兩個樣品的光電壓譜曲線形狀一致，可以認為兩個樣品對入射光吸收的情況較為一致，表面光電壓值的不同應(yīng)當是電子傳輸過程中的區(qū)別導(dǎo)致的。

我們將樣品1的光電壓譜測試結(jié)果代入（3）式，結(jié)合入射光強I、樣品表面反射率R和吸收系數(shù)α擬合得到樣品1的（Vnorm）-1～α-1散點擬合直線圖如圖4所示，得到樣品1的少子擴散和漂移長度為0.2426μm，同理可得樣品2的少子擴散和漂移長度為0.2614μm。由于兩個樣品襯底接觸的GaSb層摻雜濃度都為1×1019cm-3，理論后界面復(fù)合速率一致，可以認為在相同吸收層厚度和后界面復(fù)合速率情況下，指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)比均勻摻雜結(jié)構(gòu)的少子擴散和漂移長度約有0.0188μm提升，主要原因是材料的內(nèi)建電場能使光生電子通過擴散加漂移的方式向表面運動。

4 結(jié)束語

通過陰極材料內(nèi)載流子遵循的一維連續(xù)性擴散方程推導(dǎo)了反射式GaSb陰極表面光電壓譜理論方程，得到了反射式GaSb陰極少子擴散長度的擬合方程。通過對MOCVD外延生長的兩種不同結(jié)構(gòu)GaSb陰極材料進行表面光電壓譜測試，發(fā)現(xiàn)在相同吸收層厚度和后界面復(fù)合速率條件下，指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)使陰極材料的少子擴散長度得到有效提升。本研究為Cs/O激活前的GaSb陰極材料特性評價提供了更好的方式，同時為變摻雜GaSb光電陰極的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

參考文獻：

[1]向世明.光電子成像器件原理[M].國防工業(yè)出版社，2006.

[2]劉超，曾一平.銻化物半導(dǎo)體材料與器件應(yīng)用研究進展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34（6）：525-530.

[3]Müller-Kirsch L， Pohl U W， Heitz R， et al. Thin GaSb insertions and quantum dot formation in GaAs by MOCVD[J]. Journal of Crystal Growth， 2000，221（1-4）：611-615.

[4]陳亮，錢蕓生，常本康，等.指數(shù)摻雜透射式GaAs光電陰極表面光電壓譜研究[J].中國激光，2011，38（9）：138-142.