梯度摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極的穩(wěn)定性

李 飆，任 藝，常本康

(1.商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000；2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，河南 商丘 476000；3.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

1 引 言

GaN基紫外光電陰極具有日盲、高量子效率和高抗輻射等內(nèi)在屬性，使其在宇宙探測(cè)、火情監(jiān)測(cè)和火箭羽煙探測(cè)等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[1-6]。GaN光電陰極在使用過(guò)程中不但要求陰極具有高的靈敏度和良好的發(fā)射性能，還要求陰極具備較高的穩(wěn)定性，也就是其量子效率衰減速率越小越好。影響陰極穩(wěn)定性的外部條件主要有兩個(gè)，系統(tǒng)真空度和真空殘氣，系統(tǒng)真空度越高陰極表現(xiàn)出的穩(wěn)定性越強(qiáng)[7]，而不同類(lèi)別的真空殘氣也會(huì)對(duì)陰極穩(wěn)定性造成不同的影響[8,9]；影響陰極穩(wěn)定性的內(nèi)因也主要有兩個(gè)，即陰極材料性能和陰極結(jié)構(gòu)，陰極的穩(wěn)定性是陰極材料內(nèi)在屬性的外在體現(xiàn)[10]，而同一材料，如采用不同的結(jié)構(gòu)，陰極性能亦隨之變化，如采用梯度摻雜結(jié)構(gòu)可明顯提升陰極的量子效率[11-12]。

目前，基于均勻摻雜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性結(jié)論[10,13]能否同樣適用于梯度摻雜結(jié)構(gòu)GaN光電陰極，尚需用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。本文利用GaN光電陰極測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng)[14]，對(duì)陰極樣品進(jìn)行了量子效率衰減測(cè)試，依據(jù)測(cè)試結(jié)果的差異，對(duì)均勻摻雜和梯度摻雜樣品的穩(wěn)定性進(jìn)行了比較與分析。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

實(shí)驗(yàn)樣品為均勻摻雜樣品A和梯度摻雜樣品B，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩種樣品均采用藍(lán)寶石襯底，AlN緩沖層[15]，Mg摻雜[16]和185 nm 厚度的GaN光電發(fā)射層。區(qū)別為摻雜方式不同，樣品A采用均勻摻雜，而樣品B采用梯度摻雜。

圖1 反射式均勻摻雜樣品A和梯度摻雜樣品B結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure of reflection-mode uniform-doping sample A and gradient-doping sample B

對(duì)樣品A和B利用相同工藝進(jìn)行了陰極制備實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)清洗[17]，以去除樣品表面的玷污[18]，然后進(jìn)行熱清洗，以去除殘存于樣品表面的碳和氧[19]，最后進(jìn)行了Cs/O激活，使樣品對(duì)入射光形成有效的響應(yīng)[20]。在激活結(jié)束后，利用GaN光電陰極測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了多項(xiàng)對(duì)比測(cè)試：

(1)樣品A和B在激活后的量子效率對(duì)比測(cè)試曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 樣品A和B在激活結(jié)束后的量子效率測(cè)試曲線(xiàn) Fig.2 Quantum efficiency curves of sample A and sample B after activation

(2) 樣品A和B的量子效率衰減曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 樣品A和B的量子效率測(cè)試曲線(xiàn) Fig.3 Quantum efficiency curves of GaN photocathodes in variable conditions

(3)樣品A和B的相對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試曲線(xiàn)如圖4所示。

(4)樣品A和B的衰減測(cè)試結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表1 均勻摻雜樣品A的衰減測(cè)試結(jié)果

注：衰減比例為(激活后QE-12 h后QE)/激活后QE。

圖4 樣品A和B的相對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試曲線(xiàn) Fig.4 Curves of relative sensitivity for sample A and B

波長(zhǎng)/nm240260280300320340激活后QE/%57443628242112 h后QE/%483224181310衰減比例/%15.827.333.335.745.852.4

注：衰減比例為(激活后QE-12 h后QE)/激活后QE。

表3 樣品A和樣品B的衰減速率測(cè)試結(jié)果

注：衰減速率為(測(cè)試值1-測(cè)試值2)×100/測(cè)試值1。

3 討論與分析

3.1 GaN光電陰極的衰減特性

由圖3可知，陰極衰減時(shí)，其量子效率測(cè)試曲線(xiàn)隨衰減過(guò)程而整體下移，量子效率明顯下降，且短波輻射區(qū)域下移幅度小，而長(zhǎng)波輻射區(qū)域下移幅度則相對(duì)較大。也就是說(shuō)，短波區(qū)域所對(duì)應(yīng)的量子效率損失較少，而長(zhǎng)波輻射區(qū)域的量子效率衰減較大，即樣品在衰減過(guò)程中入射光長(zhǎng)波段區(qū)域的量子效率損失比例偏大(參見(jiàn)表1和表2衰減比例測(cè)試結(jié)果)。

GaN光電陰極衰減曲線(xiàn)在不同波段內(nèi)具有不同的變化趨勢(shì)與高能光電子的隧穿逸出有關(guān)。GaN光電陰極受入射光輻照后，所發(fā)射光電子的能量分布隨入射光子能量的升高而趨向高能端偏移，依據(jù)雙偶極層模型，陰極衰減時(shí)，其表面勢(shì)壘會(huì)產(chǎn)生如圖5中虛線(xiàn)所示的變化，表面勢(shì)壘的高度和寬度都有所加大。由于勢(shì)壘變化對(duì)高能光電子的逸出影響不是太大，卻使低能光激發(fā)電子逸出幾率降低，就導(dǎo)致了陰極光譜響應(yīng)測(cè)試曲線(xiàn)隨入射光波長(zhǎng)改變而產(chǎn)生相應(yīng)的變化[21]。

圖5 反射式GaN光電陰極的表面勢(shì)壘示意圖 Fig.5 Surface potential barrier of reflection-mode GaN photocathode

圖6 均勻摻雜樣品A和梯度摻雜樣品B能帶結(jié)構(gòu)示意圖(Ec為導(dǎo)帶能級(jí)，Ev為價(jià)帶能級(jí)，EF為費(fèi)米能級(jí)，E0為真空能級(jí)，Eg為GaN的禁帶寬度) Fig.6 Energy band structure of uniform-doping sample A and gradient-doping sample B(EC is the conduction band minimum, EV is the valence band maximum, EF is the Fermi level, E0 is the vacuum level, Eg is the band gap)

3.2 陰極結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定性的影響

由于兩種樣品采用不同的摻雜結(jié)構(gòu)，使得其能帶結(jié)構(gòu)也不相同，如圖6所示[11]。與均勻摻雜樣品A相比，在樣品B中，摻雜濃度從體內(nèi)到表面依次下降，呈階梯狀分布(參見(jiàn)圖1(b))，濃度差的存在導(dǎo)致各區(qū)域界面處產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，且所有內(nèi)建電場(chǎng)的方向都是由體表指向體內(nèi)，使得體內(nèi)的光生電子向表面?zhèn)鬏敃r(shí)可獲得附加能量，可促使更多且能量偏高的光電子能夠輸運(yùn)至陰極表面，這不但提高了光生電子傳輸至陰極表面的幾率，而且使到達(dá)陰極表面的光生電子高能化。輸運(yùn)至陰極表面的光電子越多也就意味著有更多的光電子可隧穿表面勢(shì)壘逸入真空，高能光電子的對(duì)應(yīng)解釋是更容易越過(guò)表面勢(shì)壘而逸出(參見(jiàn)圖5)，兩種因素的共同作用使得陰極一方面表現(xiàn)出較高的光譜響應(yīng)能力，可獲得更高的量子效率，另一方面又會(huì)使陰極的衰減變緩，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性(參見(jiàn)圖4)。

對(duì)于梯度摻雜樣品，由于其電子擴(kuò)散漂移長(zhǎng)度LDE及電子表面逸出幾率P均大于均勻摻雜樣品，使得其光電發(fā)射性能明顯優(yōu)于均勻摻雜樣品，靈敏度、長(zhǎng)波響應(yīng)和穩(wěn)定性都得以大幅提升，解釋如下：(1)由于梯度摻雜樣品的摻雜濃度存在漸次變化，由體內(nèi)處1018cm-3量級(jí)漸次降低到表面處的1016cm-3量級(jí)(參見(jiàn)圖1(b))，其平均摻雜濃度要比均勻摻雜樣品的摻雜濃度(1018cm-3量級(jí))低，所以其電子擴(kuò)散長(zhǎng)度LD相應(yīng)較大，LD越大則輸運(yùn)至陰極表面的光電子數(shù)量越多；(2)由于梯度摻雜樣品中存在內(nèi)建電場(chǎng)，光生電子可在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向表面定向漂移，使電子的輸運(yùn)長(zhǎng)度LDE增加，可使輸運(yùn)至陰極表面的電子數(shù)目增多并且能量得以增強(qiáng)，數(shù)量多則逸出的幾率也就大一些，能量高則更易逸出[22]；(3)梯度摻雜樣品的能帶向下彎曲傾斜(參見(jiàn)圖6(b))，和均勻摻雜樣品相比，E0能夠下降得更低，表面勢(shì)壘的阻擋作用下降，使得低能電子也有可能隧穿勢(shì)壘而逸出，電子表面逸出幾率P得以提高[23]。因此，由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在：(1)可以提高輸運(yùn)至樣品表面的電子能量，使高能電子比例增大，光生電子更易隧穿勢(shì)壘，逸入真空的光電子幾率得以提高，相應(yīng)也使陰極的光譜響應(yīng)能力更加靈敏，可獲得更高的量子效率；(2)在樣品衰減時(shí)，Cs脫附等因素會(huì)使表面勢(shì)壘發(fā)生變化，但由于內(nèi)建電場(chǎng)使輸運(yùn)至陰極表面的電子能量得以提高，光生電子隧穿表面勢(shì)壘時(shí)受到這種變化的影響并不大，衰減速率較慢(參見(jiàn)表3)，梯度摻雜樣品相對(duì)于均勻摻雜樣品可表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

簡(jiǎn)言之，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，梯度摻雜樣品的性能要優(yōu)于均勻摻雜樣品，梯度摻雜結(jié)構(gòu)能夠明顯提升光電陰極的量子效率和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

梯度摻雜和均勻摻雜GaN光電陰極的穩(wěn)定性存在諸多相似之處，如：(1)在高真空環(huán)境中皆表現(xiàn)出超強(qiáng)的穩(wěn)定性(參見(jiàn)圖3，放置12 h后仍具有高達(dá)30%的量子效率)；(2)陰極衰減過(guò)程中長(zhǎng)波段量子效率損失比例較大等。但二者的穩(wěn)定性也存在差異，梯度摻雜結(jié)構(gòu)可明顯提升陰極的穩(wěn)定性。兩種樣品在穩(wěn)定性方面所顯現(xiàn)出的較多共性是由同種材料的內(nèi)在屬性所決定的，而結(jié)構(gòu)的不同又會(huì)使兩種陰極的穩(wěn)定性表現(xiàn)出相應(yīng)的不同點(diǎn)。梯度摻雜結(jié)構(gòu)中，陰極發(fā)射層內(nèi)產(chǎn)生了系列內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)的存在使光激發(fā)電子向陰極表面?zhèn)鬏敃r(shí)獲得附加能量，逸出幾率更高，使陰極的量子效率衰減變慢，從而使陰極的穩(wěn)定性得以提高。