藍(lán)綠光探測(cè)GaAs基光電陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

孫嘯林 秦超 胡宇杰 吳明旋 劉躍晨 楊帆 于瑋

摘要：通過GaAs光電陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，在不同的起始波長、截止波長、摻雜方式條件下，得出光電陰極的性能參數(shù)并篩選出性能優(yōu)良的光電陰極。

關(guān)鍵詞：GaAs基光電陰極;透射式;量子效率;積分靈敏度

一、透射式GaAs光電陰極的結(jié)構(gòu)與制備方法

（一）陰極結(jié)構(gòu)

目前透射式陰極大多采用反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，主要包括玻璃基底層、過渡層、窗口層、GaAs發(fā)射層、阻擋層、GaAs襯底、NiCr電極環(huán)幾個(gè)層結(jié)構(gòu)。引入Ga1xAlxAs窗口層的目的是為了提高光電發(fā)射效率，從而后界面復(fù)合對(duì)后界面性質(zhì)的影響得到了大幅的降低。

（二）制備工藝

目前制備高性能GaAs光電陰極材料的主要生長方法是外延生長法。這里采用液相外延技術(shù)（Liquid Phase Epitaxy）。[1]采用電液相外延法先在n型GaAs襯底上生長出GaAlAs阻擋層，GaAs發(fā)射層，GaAlAs窗口層，然后用半導(dǎo)體鈍化工藝在窗口層沉淀一層Si3N4增透膜來減少玻璃和窗口層之間的反射光帶來的損失。最后的透射式GaAs光電陰極只保留玻璃基底，增透層，窗口層和發(fā)射層。用選擇性腐蝕的方法除去GaAlAs阻擋層和GaAs襯底。

二、透射式GaAs光電陰極的性能參數(shù)

（一）光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)表示不同波長的光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)的能力，也就是量子效率與入射波長的關(guān)系。

（二）量子效率

量子效率的定義是在某一特定波長下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。因此它是衡量光電轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)重要參數(shù)。

（三）積分靈敏度[2]

積分靈敏度是光譜響應(yīng)曲線的積分，它在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下（色溫為2856K的光源），光電陰極規(guī)定面積上所產(chǎn)生的飽和光電流與照射到該面上的光通量之比。

（四）吸收率[3]

透射式GaAs光電陰極膜系組合的理論反射率Rthe，理論透射率Tthe和理論吸收率Athe為：

Rthe=ηoB-CηoB+CηoB-CηoB+C（1）

Tthe=4ηoη4（ηoB+C）（ηoB+C）（2）

Athe=1-Rthe-Tthe（3）

上述是無吸收介質(zhì)薄膜的特性計(jì)算方法對(duì)于無吸收介質(zhì)的薄膜，理論上透射率和反射率和為一，即R+T=1，吸收率為0;對(duì)于有吸收薄膜，理論上折射率，反射率，透射率的和為一。其吸收率A=1RT。

三、軟件運(yùn)行的分析

（一）均勻摻雜結(jié)果分析

這里給出兩組窄光譜響應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)行結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行分析。

第一組均勻摻雜。

第二組均勻摻雜。

接下來，對(duì)計(jì)算結(jié)果的參數(shù)進(jìn)行說明。第一行的hv1表示起始波長的禁帶寬度，hv2表示截止波長的禁帶寬度;第二行的x1代表Ga1xAlxAs窗口層中Al的組分，x2代表Ga1xAlxAs發(fā)射層中Al的組分，第三行的數(shù)據(jù)d1為窗口層的厚度，d2為發(fā)射層的厚度;第四行的Af為寬光譜響應(yīng)的積分吸收率;第五行為所設(shè)計(jì)的摻雜分層結(jié)構(gòu)的各子層厚度dd2;第六行為各子層對(duì)應(yīng)的摻雜濃度dcon2;第七行AverageCon為平均摻雜濃度;第八行的P為表面電子逸出幾率、Ld為電子擴(kuò)散長度、Lde為電子擴(kuò)散漂移長度;第九行的Si為積分靈敏度。

（二）軟件可靠性分析

根據(jù)表1、2、3、4，當(dāng)摻雜方式為均勻摻雜的時(shí)候，摻雜分層數(shù)目為1層，摻雜濃度和表面摻雜濃度相等，而且平均摻雜濃度等于1×1018cm3。此時(shí)所設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)的積分靈敏度能分別達(dá)到400和600A/lm，符合要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾慶科.用電液相外延法制備透射式GaAs光陰極的研究.廣西師范大學(xué)物理，1995.

[2]趙靜.透射式GaAs光電陰極的光學(xué)與光電發(fā)射性能研究[D].南京理工大學(xué)，2013.

[3]唐晉發(fā)，顧培夫，劉旭，等.現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù).浙江：浙江大學(xué)出版社，2006.

基金項(xiàng)目：2017年國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：61701220），2018年南京工程學(xué)院高等教育研究課題（2018YB20）;2019年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201911276143H）

作者簡介：孫嘯林（1998—），男，漢族，江蘇南通人，本科在讀，專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程。