砷化鎵光電陰極光譜響應(yīng)與吸收率關(guān)系分析?

趙靜 余輝龍 劉偉偉 郭婧

1)(南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院,南京 211167)2)(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院,南京 211167)

砷化鎵光電陰極光譜響應(yīng)與吸收率關(guān)系分析?

趙靜1)?余輝龍1)劉偉偉1)郭婧2)

1)(南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院,南京 211167)2)(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院,南京 211167)

(2017年5月2日收到;2017年8月28日收到修改稿)

為了研究砷化鎵(GaAs)光電陰極光譜響應(yīng)與吸收率曲線間的關(guān)系,采用分子束外延法(MBE)和金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)制備了兩類GaAs光電陰極,并測(cè)試得到了樣品吸收率和光譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線.對(duì)每個(gè)樣品的這兩條曲線在同一坐標(biāo)系中做最大值歸一化處理,將歸一的光譜響應(yīng)曲線與歸一的吸收率曲線做除法,得到了類似光電陰極表面勢(shì)壘的形狀.結(jié)果表明,兩種方法制備的光電陰極光譜響應(yīng)曲線相比吸收率曲線都發(fā)生了紅移,MBE樣品偏移量稍大于MOCVD樣品.短波吸收率不截止,光譜響應(yīng)截止于500 nm左右;可見(jiàn)光波段上,光譜響應(yīng)曲線的峰值位置相比吸收率曲線紅移了幾百meV;近紅外區(qū)域,光譜響應(yīng)曲線的截止位置相比吸收率曲線紅移了幾個(gè)meV.MOCVD樣品中雜質(zhì)對(duì)帶隙的影響更小,光譜響應(yīng)相比吸收率發(fā)生的能量偏移更小.這些結(jié)論對(duì)提高GaAs光電陰極光電發(fā)射性能有指導(dǎo)意義.

光電子材料,砷化鎵光電陰極,表面勢(shì)壘,紅移

1 引 言

負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)砷化鎵(GaAs)光電陰極具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子的能量分布和角分布集中、長(zhǎng)波可調(diào)、波長(zhǎng)響應(yīng)擴(kuò)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn),因此在高性能微光像增強(qiáng)器、半導(dǎo)體敏感器件、自旋電子學(xué)、真空電子源等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1?10].GaAs光電陰極包括反射式和透射式兩種工作方式,其中反射式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、研究成熟,而透射式更符合像增強(qiáng)器工作的光路規(guī)則,便于應(yīng)用,通常是包括玻璃襯底、Si3N4增透層、鋁鎵砷(AlxGa1?xAs)窗口層和GaAs發(fā)射層的多層膜系結(jié)構(gòu).

近年來(lái),從陰極摻雜結(jié)構(gòu)、激活機(jī)理、制備工藝等方面都普遍展開(kāi)了對(duì)這類光電陰極各種性能的研究,而表征光電陰極最重要的性能就是光電發(fā)射性能,包括量子效率、光譜響應(yīng)和積分靈敏度[11?18].另外光學(xué)性能也與光電發(fā)射性能密切相關(guān),包括光子反射率、透射率和吸收率等,在不影響光電子發(fā)射的前提下,吸收的光越多,光電陰極性能越好.理想狀況下,GaAs層吸收的光子應(yīng)該能夠全部激發(fā)成光電子,但在實(shí)際中并非如此,吸收率與光譜響應(yīng)之間不是完全一一對(duì)應(yīng)的,光吸收以帶邊為主,但光響應(yīng)要以雜質(zhì)帶隙為主,而半導(dǎo)體材料能級(jí)分布會(huì)隨摻雜原子類型、摻雜濃度而改變,對(duì)制備陰極組件的吸收率和光譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行測(cè)試分析,研究?jī)烧咧g的差異,可以得知陰極體內(nèi)吸收光子的運(yùn)動(dòng)概況及勢(shì)壘形狀.

本文采用分子束外延法(MBE)和金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)分別生長(zhǎng)一組GaAs光電陰極樣品,測(cè)試其吸收率和光譜響應(yīng),并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)曲線的歸一化對(duì)比研究,由此分析GaAs光電陰極的光學(xué)性能與光電發(fā)射性能之間的聯(lián)系與區(qū)別,研究GaAs陰極表面勢(shì)壘形狀,結(jié)論用于指導(dǎo)陰極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料制備.

2 實(shí) 驗(yàn)

采用MBE生長(zhǎng)了不同發(fā)射層厚度的變摻雜GaAs光電陰極樣品A—E,采用MOCVD生長(zhǎng)了不同發(fā)射層厚度、不同窗口層組分的變摻雜或變組分變摻雜樣品F—J.圖1給出了有代表性的三種樣品結(jié)構(gòu),GaAs發(fā)射層厚度分別為2,1.4和1.6μm,摻雜濃度都分為8個(gè)區(qū)間,設(shè)定后界面摻雜濃度為1×1019cm?3,表面摻雜濃度為1×1018cm?3,其間濃度N(x)按照下式的規(guī)律變化[19]:

式中x是GaAs發(fā)射層內(nèi)某點(diǎn)到AlxGa1?xAs/GaAs后界面的距離,A是指數(shù)摻雜系數(shù),N0是表面摻雜濃度.此外,三種結(jié)構(gòu)的AlxGa1?xAs窗口層都采用1×1019cm?3濃度的均勻摻雜,而其組分與厚度各有區(qū)別.結(jié)構(gòu)I的窗口層Al組分是0.63,厚度1μm;結(jié)構(gòu)II的窗口層Al組分是0.7,厚度0.5μm;結(jié)構(gòu)III的窗口層采用了變組分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),Al組分在0.9到0之間梯度變化,往靠近GaAs發(fā)射層處逐漸減小,厚度也是0.5μm.結(jié)構(gòu)I采用了MBE生長(zhǎng)方式,結(jié)構(gòu)II和III采用了MOCVD生長(zhǎng)方式.

生長(zhǎng)前,先將GaAs材料放入真空生長(zhǎng)室中,真空度保持在4×10?10Pa,在620?C的操作溫度下把襯底加熱,去除襯底表面的C和O等雜質(zhì),然后在580?C富As環(huán)境下外延生長(zhǎng)樣品.首先在GaAs襯底上生長(zhǎng)p型Al0.5Ga0.5As腐蝕層,接著生長(zhǎng)GaAs發(fā)射層,然后依次生長(zhǎng)AlxGa1?xAs窗口層和p型GaAs帽層,樣品的生長(zhǎng)過(guò)程由反射高能電子衍射進(jìn)行監(jiān)測(cè).制備組件時(shí)首先腐蝕掉樣品的n-GaAs襯底層、p-Al0.5Ga0.5As腐蝕層和p-GaAs帽層,然后再在AlxGa1?xAs窗口層上鍍Si3N4增透膜,并在Si3N4膜上熱黏接玻璃,操作完成后得到玻璃/Si3N4/AlxGa1?xAs/GaAs四層結(jié)構(gòu)的透射式光電陰極組件[20].

圖1 GaAs光電陰極樣品結(jié)構(gòu) (a)結(jié)構(gòu)I;(b)結(jié)構(gòu)II;(c)結(jié)構(gòu)IIIFig.1.The structure of GaAs photocathode samples:(a)結(jié)構(gòu)I;(b)結(jié)構(gòu)II;(c)結(jié)構(gòu)III.

對(duì)制備好的組件要進(jìn)行性能測(cè)試.實(shí)驗(yàn)采用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)UV-3600的雙光路法測(cè)試400—1000 nm范圍內(nèi)GaAs光電陰極的反射率和透射率光譜.測(cè)量時(shí)是逆著樣品工作方向,即從GaAs發(fā)射層入射,再依次經(jīng)過(guò)AlxGa1?xAs窗口層、Si3N4增透層、玻璃基底,在此過(guò)程中,部分光子被反射,部分被吸收,最后透過(guò)的光子出射到空氣中.對(duì)樣品分別測(cè)試得到各自的反射率和透射率,然后計(jì)算出吸收率光譜,如圖2中紅色點(diǎn)劃線所示,其中圖2(a)和圖2(b)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)I的MBE樣品,圖2(c)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)II的MOCVD樣品,圖2(d)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)III的MOCVD樣品.

另外對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)清洗,將清洗后的樣品送入激活室進(jìn)行Cs-O激活.激活時(shí)采用Cs源連續(xù)、O源斷續(xù)的工藝來(lái)進(jìn)行[20].激活結(jié)束后利用光譜響應(yīng)測(cè)試儀對(duì)所有樣品的光譜響應(yīng)曲線進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)測(cè)樣品光譜響應(yīng)的標(biāo)定是采用光功率計(jì)標(biāo)定每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)單色入射光的光功率,結(jié)果如圖2中藍(lán)色虛線所示.需要注意的是,圖中的吸收率曲線和光譜響應(yīng)曲線都進(jìn)行了歸一化處理,以各自最大值設(shè)為1按比例縮放,這樣得到的曲線仍能保持實(shí)驗(yàn)吸收率和實(shí)驗(yàn)光譜響應(yīng)的形狀.本文關(guān)注的也只是曲線的形狀趨勢(shì),歸一化處理后的曲線不會(huì)受到樣品差異對(duì)吸收率或光譜響應(yīng)大小變化的影響.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)GaAs光電陰極的實(shí)驗(yàn)性能曲線1,歸一化吸收率;2,歸一化光譜響應(yīng);3,光譜響應(yīng)除以吸收率;4,“類I勢(shì)壘”形狀;5,“類II勢(shì)壘”形狀Fig.2.(color online)The experimental curves of GaAs photocathodes.1,the normalized absorption rate;2,the normalized spectral response;3,the dealer of spectral response and absorption rate;4,similar to I barrier;5,similar to II barrier.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)MBE和MOCVD生長(zhǎng)的十個(gè)樣品的吸收率和光譜響應(yīng)曲線以各自最大值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理,一方面可以對(duì)比截止波長(zhǎng),另一方面可以對(duì)比兩者峰值位置差距.理想狀況下,吸收率最大處對(duì)應(yīng)的光子能量與光譜響應(yīng)最大處對(duì)應(yīng)的光子能量應(yīng)該是一致的,然而從圖2中的實(shí)驗(yàn)曲線結(jié)果來(lái)看并非如此,光譜響應(yīng)峰值位置相比吸收率峰值位置往長(zhǎng)波紅外方向發(fā)生了偏移.計(jì)算吸收率曲線和光譜響應(yīng)曲線上峰值出現(xiàn)的波長(zhǎng)位置,并轉(zhuǎn)換計(jì)算得到了兩者峰值位置的能量差,列入表1和表2中.

表1和表2中分別是MBE和MOCVD生長(zhǎng)GaAs光電陰極樣品的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.除去最高值和最低值進(jìn)行計(jì)算,MBE樣品的吸收率和光譜響應(yīng)峰值能量差的平均值為0.3101 eV,而MOCVD樣品的平均峰值能量差是0.3025 eV,小于MBE樣品的結(jié)果,說(shuō)明在MOCVD樣品中光譜響應(yīng)相比吸收率發(fā)生的能量偏移更小.

目前NEA光電陰極簡(jiǎn)化的表面勢(shì)壘模型是由兩段不同斜率的線段連接而成,由兩個(gè)直角三角形構(gòu)成[21].根據(jù)表面電子逸出概率P(λ)與吸收率A(λ),光譜響應(yīng)S(λ)之間關(guān)系的研究,可以反推勢(shì)壘形狀,假設(shè)S(λ)∝A(λ)×P(λ),則將光譜響應(yīng)曲線與吸收率曲線做除法,所得商曲線形狀即能描述表面電子逸出概率的變化,可反映表面勢(shì)壘的大致趨勢(shì),如圖2中綠色實(shí)線所示.對(duì)于定組分變摻雜樣品,曲線類似于兩個(gè)直角梯形的疊加,對(duì)于變組分變摻雜樣品,曲線類似于一個(gè)直角三角形與一個(gè)直角梯形的疊加,兩種形狀疊加的位置在GaAs材料禁帶寬度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)點(diǎn)(870 nm)附近.假設(shè)每組樣品曲線上的這兩個(gè)圖形代表兩個(gè)類似的勢(shì)壘,長(zhǎng)波低能處的細(xì)長(zhǎng)梯形記做“類I勢(shì)壘”,如圖2中亮藍(lán)色實(shí)線4所示,短波高能處的粗短梯形或三角形記做“類II勢(shì)壘”,如圖2中紫紅色實(shí)線5所示.另外將兩勢(shì)壘高度相除,所得結(jié)果也列在表1和表2中,從表中的數(shù)據(jù)可知,“類I勢(shì)壘”高度是“類II勢(shì)壘”高度的1.3—2.5倍,即“類I勢(shì)壘”比“類II勢(shì)壘”高一倍左右.而且MBE樣品的“勢(shì)壘”高度差比MOCVD樣品的要大16%.就寬度而言,“類II勢(shì)壘”是“類I勢(shì)壘”的5—10倍,前者在0.6 eV左右,后者在0.06 eV左右.“類I勢(shì)壘”起始于870 nm,對(duì)應(yīng)于GaAs材料的禁帶寬度,“類II勢(shì)壘”起始于500 nm左右,取決于AlxGa1?xAs材料的組分與厚度.

另外在860—910 nm間,即“類II勢(shì)壘”寬度內(nèi),用最大值歸一的光譜響應(yīng)除以歸一的吸收率,無(wú)論MBE樣品,還是MOCVD樣品,結(jié)果都在1以上,即同一波長(zhǎng)點(diǎn)處光譜響應(yīng)歸一值大于吸收率歸一值,吸收率曲線相對(duì)光譜響應(yīng)曲線近似平行下移,說(shuō)明光譜響應(yīng)截止位置相比吸收率曲線截止位置發(fā)生了紅移,紅移能量在meV的數(shù)量級(jí).

表1 MBE生長(zhǎng)的GaAs光電陰極樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1.The experiment results of GaAs photocathode samples grown by MBE.

表2MOCVD生長(zhǎng)的GaAs光電陰極樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2.The experiment results of GaAs photocathode samples grown by MOCVD.

4 討 論

吸收光子在陰極體內(nèi)通過(guò)“光電發(fā)射三步模型”輸運(yùn)時(shí),理想狀況下沒(méi)有能量損失,則吸收率最大的能量點(diǎn)(波長(zhǎng)點(diǎn))應(yīng)該對(duì)應(yīng)于光譜響應(yīng)最高的點(diǎn).然而從表1和表2中的MBE或MOCVD樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,光譜響應(yīng)峰值位置相比吸收率峰值位置都向長(zhǎng)波發(fā)生了較大偏移,偏移能量在幾百meV,且MBE樣品的平均紅移大于MOCVD樣品.兩種生長(zhǎng)方式陰極的最大區(qū)別是摻雜原子充當(dāng)角色不同,MBE中是Be摻雜,Be原子比Ga和As小得多,在陰極體內(nèi)Be不僅充當(dāng)了代位式雜質(zhì),還以間隙原子的形式存在于被摻雜陰極中,這樣陰極內(nèi)原子密度更高;而MOCVD樣品中摻雜原子是Zn,其原子大小與Ga和As差不多,在陰極體內(nèi)Zn主要作為代位式雜質(zhì)存在,而以間隙原子形式存在的數(shù)目應(yīng)比Be少得多.各類原子大小的比較列入表3中.Be原子和Zn原子在GaAs中由于原子半徑差異較大,雖然都以施主態(tài)呈現(xiàn),但雜質(zhì)帶隙有較大差異,Be原子相對(duì)Zn原子比Ga原子小得多,Be雜質(zhì)能級(jí)對(duì)GaAs禁帶寬度的影響將比Zn原子雜質(zhì)能級(jí)的影響更大,使得摻雜后GaAs材料的禁帶寬度變化得更多,從而MBE樣品光譜響應(yīng)曲線向紅外區(qū)域移動(dòng)得更為明顯,兩者相差約50 meV.

表3 各原子大小比較Table 3.Comparison of di ff erent atomic.

對(duì)于MBE和MOCVD生長(zhǎng)的GaAs光電陰極,其吸收率曲線與光譜響應(yīng)曲線長(zhǎng)短波截止限都不一致.短波段,吸收率不截止,光譜響應(yīng)截止于500 nm左右,即從500 nm以后才出現(xiàn)光譜響應(yīng);中間響應(yīng)波段上,兩類曲線的峰值出現(xiàn)位置不一致;長(zhǎng)波段,吸收率曲線的截止波長(zhǎng)略小于光譜響應(yīng)曲線的截止波長(zhǎng),而且長(zhǎng)波截止區(qū)域,兩者是近乎平行的.

400—500 nm的短波段上,由于對(duì)生成閾的作用,400 nm波長(zhǎng)的光子能量很高(3.1 eV),大于兩倍的GaAs材料禁帶寬度(1.42 eV),這樣高能量的光子激發(fā)電子時(shí)可能激發(fā)的是2—3個(gè)低能量的光電子,而它們不能逸出到表面真空,不能形成光電發(fā)射,故即使短波有很高的吸收率,但光譜響應(yīng)仍接近于零.直到吸收光子能量是GaAs禁帶寬度的1.5倍左右時(shí),即響應(yīng)波長(zhǎng)在520 nm左右,光譜響應(yīng)才陡然上升.但是對(duì)于變組分變摻雜結(jié)構(gòu)III的樣品情況有點(diǎn)不同,由于AlxGa1?xAs窗口層采用了變組分設(shè)計(jì),與GaAs發(fā)射層接觸處的Al組分也是0,界面處晶格匹配較好,后界面復(fù)合速率較低,AlxGa1?xAs與GaAs層的能帶結(jié)構(gòu)逐漸梯度變化,形成一體,短波高能處的光子可以連續(xù)選擇性地在高Al組分AlxGa1?xAs材料的能帶處激發(fā)光電子,消除了對(duì)生成閾的影響,提高了短波響應(yīng)[22],如圖2(d)中,“類II勢(shì)壘”是從400 nm附近開(kāi)始,構(gòu)成直角三角形的形狀.

500—870 nm的響應(yīng)波段上,吸收率和光譜響應(yīng)曲線的峰值都出現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi),但實(shí)驗(yàn)中兩者位置不一致,吸收率峰值先出現(xiàn),光譜響應(yīng)峰值后出現(xiàn),即峰值光譜響應(yīng)的光電子能量比峰值吸收率的光電子能量低.870 nm以后的長(zhǎng)波段上,光譜響應(yīng)的截止波長(zhǎng)相比吸收率的截止波長(zhǎng)向長(zhǎng)波偏移,也出現(xiàn)了光響應(yīng)的光電子能量比光吸收對(duì)應(yīng)的光電子能量低的現(xiàn)象,這可解釋為帶隙變窄效應(yīng).半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí),雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為能帶,將會(huì)產(chǎn)生能帶尾和雜質(zhì)能帶;當(dāng)摻雜濃度很高時(shí),能帶尾和雜質(zhì)能帶擴(kuò)展,以致能帶尾和雜質(zhì)能帶重疊,結(jié)果使禁帶的實(shí)際寬度由Eg變窄了?Eg,即帶隙變窄效應(yīng).光吸收以帶邊為主,但光響應(yīng)要以雜質(zhì)帶隙為主,這樣,重?fù)诫s的半導(dǎo)體在吸收了光子之后,能夠產(chǎn)生更低能量、更大波長(zhǎng)的光電響應(yīng).峰值點(diǎn)能量相差幾百meV,截止點(diǎn)能量相差幾meV,即摻雜半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)相對(duì)吸收率都發(fā)生了紅移.

進(jìn)一步歸納了峰值能量差與發(fā)射層厚度、“勢(shì)壘”高度差與Al組分之間的關(guān)系,計(jì)算出各自的平均值列入表4和表5中.

表4 峰值能量差與發(fā)射層厚度的關(guān)系Table 4.Relationship between the energy di ff erence of maximum and the thickness of active layer.

表5 “勢(shì)壘”高度差與Al組分的關(guān)系Table 5.Relationship between the barrier height difference and Al component.

可以看到,發(fā)射層厚度越大,吸收率與光譜響應(yīng)的峰值能量差越小,樣品F和G的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可證實(shí)這一結(jié)論.同樣厚度時(shí),MOCVD樣品的峰值能量差小于MBE樣品,這從樣品A與I,J的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中驗(yàn)證.對(duì)于窗口層定組分的樣品,隨著Al組分值的增大,“勢(shì)壘”高度差在不斷減小,但變組分情況略有不同,其“勢(shì)壘”高度差對(duì)應(yīng)的等效定組分值在0.5—0.63之間.然而,0—0.9的變組分等價(jià)于定組分0.45,則其應(yīng)具有＞2.50的“勢(shì)壘”高度差,但實(shí)際是不到2.50的,說(shuō)明變組分結(jié)構(gòu)在一定程度上降低了兩個(gè)“勢(shì)壘”間的高度差.

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)采用MBE和MOCVD制備了兩類GaAs光電陰極,具有不同厚度發(fā)射層或不同組分窗口層,測(cè)試得到了所有樣品的吸收率和光譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線,并對(duì)兩者在同一坐標(biāo)系中做最大值歸一化處理.將歸一的光譜響應(yīng)曲線與歸一的吸收率曲線做除法,得到細(xì)長(zhǎng)狀的直角梯形“類I勢(shì)壘”和粗短狀的直角梯形或三角形“類II勢(shì)壘”,其中變組分變摻雜陰極短波響應(yīng)更高,其“類II勢(shì)壘”是直角三角形.結(jié)果表明,由于兩種方法制備的光電陰極體內(nèi)不同雜質(zhì)對(duì)能級(jí)的影響不同,光譜響應(yīng)曲線相比吸收率曲線都發(fā)生了紅移,MBE樣品偏移稍大于MOCVD樣品.短波吸收率不截止,光譜響應(yīng)截止于500 nm左右;光譜響應(yīng)峰值相比吸收率峰值紅移了幾百meV;光譜響應(yīng)的截止位置相比吸收率紅移了幾個(gè)meV.光譜響應(yīng)曲線與吸收率曲線的關(guān)系反映了GaAs光電陰極光電發(fā)射性能與光學(xué)性能之間的關(guān)系,可以通過(guò)指導(dǎo)優(yōu)化光學(xué)性能達(dá)到優(yōu)化光電發(fā)射性能的目的.

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*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61701220,61704075,61771245),Jiangsu Higher School Natural Science Research Project,China(Grant No.17KJB510023),and the Special Foundation for Basic Research Program,China(Grant No.JCYJ201614).

?Corresponding author.E-mail:zhaojing7319@njit.edu.cn

Analysis of the relation between spectral response and absorptivity of GaAs photocathode?

Zhao Jing1)?Yu Hui-Long1)Liu Wei-Wei1)Guo Jing2)

1)(School of Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)2)(School of Automation,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

2 May 2017;revised manuscript

28 August 2017)

In order to study the relation between spectral response and absorptivity of GaAs photocathode,two kinds of GaAs photocathodes are prepared by molecular beam epitaxy(MBE)and metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD),respectively.The samples grown by the MBE include varying doping GaAs photocathodes with di ff erent values of emission layer thickness from A to E.The thickness of GaAs emission layer is 1.6 μm or 2 μm.The Al component is 0.5 or 0.63.The samples grown by the MOCVD include varying doping or various component GaAs photocathodes with di ff erent values of emission layer thickness and di ff erent window layer components from F to J.The thickness values of GaAs emission layer are 1.4μm,1.6μm or 1.8μm,respectively.The Al component is 0.7 or varies from 0.9 to 0.The doping concentration of the GaAs emission layer is divided into 8 sections between 1×1018cm?3and 1×1019cm?3.The experimental spectral response curves for all samples are obtained by the optical spectrum analyzer.And the experimental re flectivity and transmittivity curves are measured by the ultraviolet visible near infrared spectrohootometer.Based on the law of energy conservation,the absorptivity curves are obtained according to the experimental re flectivity and transmittivity.In the same coordinate system,both the curves are obtained by unitary processing according to the max.A similar surface barrier can be given by dividing the normalized absorptivity by the normalized spectral response,and those are termed the similar I barrier and the similar II barrier,respectively.The results indicate that for both the GaAs photocathodes,the experimental spectral response curves both tend to move to the infrared band compared with the experimental absorptivity curves.The average energy di ff erences between absorptivity and spectral response are calculated to be 0.3101 eV for the MBE sample,and 0.3025 eV for the MOCVD sample,respectively.The red-shifts of the photocathodes grown by MBE are a bit bigger than those of the photocathodes grown by MOCVD.In the shortwave region,the absorptivity is very large,but the spectral response cuts o ffnearby 500 nm.In the visible wavelength region,the peak position of the spectral response curve shifts toward the infrared band for several hundred meV in comparison with the absorptivity curve.In the near infrared region,a red shift of several meV appears at the cut-o ffposition of the spectral response curve in comparison with the absorptivity curve.The results have the guiding signi ficance for improving the photoemission performance of wide-spectrum GaAs photocathode by optimizing the optical performance.

photoelectron material,GaAs photocathode,surface barrier,red shift

10.7498/aps.66.227801

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61701220,61704075,61771245)、江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):17KJB510023)和南京工程學(xué)院基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金(批準(zhǔn)號(hào):JCYJ201614)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zhaojing7319@njit.edu.cn