光和電注入變帶隙AlGaAs/GaAs 負(fù)電子親和勢(shì)陣列陰極理論建模和結(jié)構(gòu)特性分析*

鄧文娟 周甜 王壯飛 吳粵川 彭新村 鄒繼軍

1) (東華理工大學(xué),核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心,南昌 330013)

2) (東華理工大學(xué),江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)中心,南昌 330013)

為了使具備光和電注入AlGaAs/GaAs 負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)陣列陰極獲得較高的發(fā)射電流效率,基于變帶隙發(fā)射陣列中電子輸運(yùn)的二維連續(xù)性方程,利用有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解和仿真,得到發(fā)射電流和發(fā)射電流效率.通過仿真得到既適合光注入又合適電注入的各層最佳參數(shù)范圍.結(jié)果表明,選擇占空比為2/3 的陣列微納米柱,獲得光注入陰極的最佳入射光角度范圍為10°—30°;光注入(電注入)情況下P 型變帶隙AlGaAs 層陣列微納米柱高度范圍為0.3—0.6 μm (0.1—0.3 μm),N 型變帶隙AlGaAs 層、N 型AlGaAs 層以及P 型AlGaAs 層最佳厚度范圍分別為0.5—2.5 μm (2—3 μm),0.5—1.0 μm (0.8—1.2 μm)和0.2—0.5 μm (0.1—0.3 μm);P 型AlGaAs 層和N 型AlGaAs 層最佳摻雜濃度范圍分別為5×1018—1×1019 cm—3 (1×1018—5×1018 cm—3)和1×1018—5×1018 cm—3 (5×1017—1×1018 cm—3).光注入下發(fā)射電流效率最大為35.04%,單位長(zhǎng)度最大發(fā)射電流為10.3 nA/μm;電注入下發(fā)射電流效率最大為31.23%,單位長(zhǎng)度最大發(fā)射電流105.5 μA/μm.

1 引言

AlGaAs/GaAs 負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)光電陰極因其高發(fā)射電流效率、小體積以及良好的長(zhǎng)波響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),被用于新一代電子束曝光機(jī)、電子加速器和X 射線類儀器等一些高端設(shè)備儀器中產(chǎn)生低能散、高自旋極化度以及高亮度的高質(zhì)量電子束[1-4].國(guó)內(nèi)外學(xué)者在GaAs 自旋極化電子發(fā)射[5,6]、NEA光電陰極的雙偶極子表面模型和穩(wěn)定性機(jī)理[7-9]、表面電荷限制效應(yīng)[10]、GaAs 光電陰極制備工藝、穩(wěn)定性和微光像增強(qiáng)器研制等方面開展了大量研究工作[11,12].且對(duì)于GaAs 光電陰極及電子源材料的理論研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使GaAs 電子源的性能得以提高,擴(kuò)展了陰極電子源的應(yīng)用.本課題組前期研究表明,線性變組分結(jié)構(gòu)AlGaAs/GaAs 陰極因其帶隙變化形成的內(nèi)建電場(chǎng)[13]使得電子的角度分布更加集中并且響應(yīng)速度更快,從而提高了陰極發(fā)射電流效率及靈敏度[14,15];而陣列陰極微納米柱則因具有更好的光子捕獲效應(yīng)增大了入射光子的吸收[16],以及更短的光電子發(fā)射距離提高了光電子發(fā)射概率,從而有效地提高了光電陰極的發(fā)射電流效率[17,18].此外,傳統(tǒng)光電陰極電子源都采用驅(qū)動(dòng)激光器照射陰極表面形成電子發(fā)射,此類光陰極隨使用時(shí)間性能逐漸衰減[19].為了使陰極具有較高的平均功率電流,本課題組提出了電注入陰極結(jié)構(gòu),并對(duì)電注入陰極各層厚度、Al 組分、摻雜濃度、基極電極寬度和發(fā)射面寬度進(jìn)行了分析[20].

本文結(jié)合線性變組分AlGaAs/GaAs 陣列光電陰極以及電注入陰極的特點(diǎn),提出一種新型可控變帶隙AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極,既可以通過給AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極施加正偏驅(qū)動(dòng)電壓來形成電子發(fā)射,也可以使用激光驅(qū)動(dòng)器照射陣列陰極形成電子發(fā)射,通過調(diào)節(jié)入射光波長(zhǎng)強(qiáng)度和電壓的大小靈活的控制電子發(fā)射電流.將光注入和電注入兩種注入方式結(jié)合,可根據(jù)特定條件需要選擇不同注入方式擴(kuò)展陰極的使用范圍.建立光和電注入可控變帶隙AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極理論模型,并分析各層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)陰極發(fā)射電流效率的影響,獲得最佳光和電注入可控變帶隙AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極結(jié)構(gòu).由于在光注入和電注入兩種不同的注入方式下到達(dá)陰極陣列發(fā)射面的電子電流數(shù)量級(jí)相差較大,本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別選擇使用電注入或光注入方式形成電子發(fā)射.

2 理論模型

光和電注入陣列陰極結(jié)構(gòu)如圖1 所示,由N 型GaAs 襯底、AlGaAs/GaAs 外延層和電極組成.AlGaAs/GaAs 外延層依次包括N-GaAs 過渡層,N 型變帶隙AlGaAs 層,N 型AlGaAs 層,P 型AlGaAs 層,P 型變帶隙AlGaAs 層和P-GaAs 層.陣列陰極電極包括集電極、基極電極和發(fā)射極電極.

圖1 光和電注入陣列陰極結(jié)構(gòu)Fig.1.Optical and electrical injection array cathode structure.

光和電注入陣列陰極光電發(fā)射過程和能帶結(jié)構(gòu)如圖2 所示,其中Eg為禁帶寬度,EF為費(fèi)米能級(jí),hν為光子能量.光注入時(shí),入射光以一定角度照射到陣列陰極表面,在hν＞Eg條件下,P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層價(jià)帶中的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶,在P 型變帶隙AlGaAs 層中Al 組分由XAl(P 型AlGaAs 層上表面)線性減小到0 (P-GaAs 層下表面),導(dǎo)帶能帶向下彎曲,會(huì)形成有利于電子輸運(yùn)的內(nèi)建電場(chǎng)[21],在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,躍遷到導(dǎo)帶中的電子經(jīng)過定向漂移向陰極表面輸運(yùn).由于陰極表面電子親合勢(shì)為負(fù)到達(dá)表面的電子會(huì)隧穿表面勢(shì)壘躍遷到真空或被集電極收集.

圖2 光和電注入NEA 陣列陰極光電發(fā)射過程和能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Photoelectric emission process and band structure diagram of the light and electrical injection NEA array cathode.

電注入時(shí)在基極和發(fā)射極之間施加正偏驅(qū)動(dòng)電壓(VB)形成電子發(fā)射.在N 型變帶隙AlGaAs層中,Al 組分由0 (N-GaAs 過渡層上表面)線性增加到Y(jié)Al(N 型AlGaAs 層下表面),此時(shí)N 型變帶隙AlGaAs 層中的費(fèi)米能級(jí)EF靠近導(dǎo)帶底,由于在熱平衡后具有恒定的費(fèi)米能級(jí),導(dǎo)帶保持恒定,因此N 型變帶隙AlGaAs 層的價(jià)帶會(huì)逐漸向下彎曲,禁帶寬度隨之變大.N 型AlGaAs 層的Al 組分(YAl)均勻分布,價(jià)帶能級(jí)保持恒定.在P 型AlGaAs層中費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂,N 型AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層之間的能帶發(fā)生突變形成PN 突變異質(zhì)結(jié),因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中設(shè)置的P 型AlGaAs 層的Al組分(XAl)小于N 型AlGaAs 層的Al 組分(YAl),所以PN 突變異質(zhì)結(jié)中導(dǎo)帶的內(nèi)建電勢(shì)小于價(jià)帶的內(nèi)建電勢(shì)(ΨC＜ΨV).在P 型變帶隙AlGaAs 層中,導(dǎo)帶能帶向下彎曲,形成有利于電子輸運(yùn)內(nèi)建電場(chǎng).基極電極和發(fā)射極電極之間施加正偏驅(qū)動(dòng)電壓使PN 異質(zhì)結(jié)導(dǎo)通,N 型變帶隙AlGaAs 層和N 型AlGaAs 層中的多數(shù)載流子注入到P 型AlGaAs層和P 型變帶隙AlGaAs 層.

陣列陰極的頂面作為發(fā)射面,基極電極與P 型AlGaAs 層形成歐姆接觸,電注入發(fā)射的電子由發(fā)射極電極、N 型AlGaAs 層和N 型變帶隙AlGaAs層提供,AlGaAs/GaAs 陣列陰極泊松方程和連續(xù)性方程過于復(fù)雜沒有解析解,本文使用有限體積法數(shù)值求解,分為光注入和電注入兩種情況.

光注入時(shí)建立AlGaAs/GaAs 陣列陰極發(fā)射模型,求解二維陣列泊松方程和連續(xù)性方程:

其中ε表示介電常數(shù);ψ為靜態(tài)電勢(shì);p和n為空穴和電子濃度;q為電子電荷,Nd和Na為施主和受主濃度;kB為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度,μp和μn為空穴和電子遷移率;U表示載流子復(fù)合速率;G為載流子產(chǎn)生速率.

在模型中,經(jīng)過漂移和擴(kuò)散到達(dá)陣列陰極發(fā)射面的電子會(huì)隧穿表面勢(shì)壘發(fā)射到真空或者與空穴復(fù)合,單根陣列微納米柱的邊界條件表示為

陣列微納米柱半徑為y(最小半徑為0,最大半徑為b),高度為x(最小高度為0,最大高度為a).

基極電極與陣列陰極之間為歐姆接觸,不會(huì)影響材料中平衡載流子濃度,其邊界條件為

式中,n(x,y),p(x,y),En(x,y),Ep(x,y),Dn(x)和Dp(x)分別表示電子和空穴的濃度、導(dǎo)帶和價(jià)帶中電場(chǎng)、電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù).

發(fā)射電流效率是光電陰極材料的重要的參數(shù),其大小與光電陰極材料和入射光波長(zhǎng)有關(guān),

其中I,h,c,P和λ分別表示光陰極發(fā)射電流、普朗克常量、光速、入射光光功率和入射光波長(zhǎng).入射光的光功率P與入射光角度有關(guān),P=Po×cosθ,θ表示為入射光的入射角度,Po表示激光功率.

由于到達(dá)發(fā)射面的電子會(huì)以一定概率逸出陣列陰極發(fā)射面,所以發(fā)射到真空中的電子電流會(huì)受到表面逸出概率的影響,假定陣列陰極表面逸出概率為Pc,受到光子能量的影響,定義電子從發(fā)射極輸運(yùn)到陣列陰極發(fā)射面的電子電流為Ic,從發(fā)射面發(fā)射出去的電子電流為IE,有

定義IE與入射光產(chǎn)生的源光電流Is的比值表示為單根AlGaAs/GaAs 陣列微納米柱的光注入發(fā)射電流效率α:

電注入時(shí)半導(dǎo)體漂移和擴(kuò)散模型可以由二維連續(xù)性方程表示:

En(x,y),Ep(x,y),Dn(x),Dp(x),n(x,y),p(x,y),μn(x),μp(x)和U(x,y)分別表示導(dǎo)帶和價(jià)帶中電場(chǎng)、電子和空穴擴(kuò)散系數(shù)、電子和空穴濃度、電子和空穴遷移率、載流子復(fù)合速率.

求解二維連續(xù)性方程獲得載流子分布,沿空間電荷區(qū)的邊界載流子濃度邊界條件為

n(x,y),p(x,y),ni,Na,v(y)和vT分別表示為電子和空穴濃度、本征載流子濃度、P 型層受主摻雜濃度、施加在空間電荷區(qū)上的電壓和熱電勢(shì).注入方式的改變不會(huì)影響邊界條件,所以光注入和電注入時(shí)在基極電極與陣列陰極之間以及在陣列陰極發(fā)射面上都具有相同的邊界條件.

光注入和電注入時(shí)電子逸出概率均為Pc,與光注入不同的是,定義從發(fā)射面發(fā)射出去的電子電流IE與流過發(fā)射極電流Ie比值表示單根AlGaAs/GaAs 陣列納米柱的電注入發(fā)射電流效率η:

3 仿真分析

利用仿真結(jié)果理論分析器件結(jié)構(gòu)、注入方式、入射光波長(zhǎng)、入射光角度和驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)陰極發(fā)射性能的影響,為變帶隙NEA 陣列陰極結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).陣列陰極各層結(jié)構(gòu)參數(shù): P 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度(Na)和厚度(Tcp)、P 型AlGaAs 層摻雜濃度(Na)和厚度(Tp)、N 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度(Nd)和厚度(Tcn)以及N 型AlGaAs 層摻雜濃度(Nd)和厚度(Tn).如圖1 所示,設(shè)定相鄰兩根微納米柱組成一個(gè)運(yùn)算單元,一個(gè)單元的總寬度為6 μm,其中陣列微納米柱占空比為2/3,基極電極寬度為0.4 μm,發(fā)射極電極寬度為6 μm,XAl和YAl分別固定為0.25 和0.45,Pc設(shè)定為0.5.

3.1 入射光波長(zhǎng)和入射光角度

仿真中,平行光照射至陣列陰極表面,定義入射光從陣列陰極頂部垂直照射到微納米柱的角度為90°.入射光波長(zhǎng)及入射光角度對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響如圖3 所示.圖3(a)為發(fā)射電流效率隨入射光波長(zhǎng)變化曲線,隨著波長(zhǎng)增加,其在材料中吸收系數(shù)減小,因而發(fā)射電流效率降低;圖3(b)為發(fā)射電流效率隨入射光角度變化曲線,隨著入射角度的增加發(fā)射電流效率先增加后減小,當(dāng)角度為15°時(shí),發(fā)射電流效率達(dá)到最大.陣列陰極占空比一定,不同的入射角度對(duì)應(yīng)不同的光通量,入射光的入射角度越小,光通量越小,被陣列微納米柱吸收的光子能量越少.但是隨著角度的繼續(xù)增加,被P 型AlGaAs 層吸收的光子數(shù)增加,而P 型AlGaAs 層光電子運(yùn)輸?shù)疥嚵斜砻鏁r(shí)復(fù)合率增加,因而此時(shí)陣列陰極的發(fā)射電流效率減小.

圖3 (a) 發(fā)射電流效率α 隨入射光波長(zhǎng)變化曲線;(b) 發(fā)射電流效率α 隨入射光角度變化曲線,其中陣列陰極Na,Nd,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.3.(a) Emission current efficiency α versus incident wavelength;(b) emission current efficiency αversus incident light angle,where Na,Nd,Tcp,Tp,Tn and Tcn of the array cathode are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm and 1.0 μm,respectively.

3.2 電注入正偏驅(qū)動(dòng)電壓變化

正偏驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)陣列陰極發(fā)射電流及發(fā)射電流效率的影響如圖4 所示.當(dāng)VB＜1.6 V 時(shí),PN突變異質(zhì)結(jié)未導(dǎo)通,此時(shí)陣列陰極發(fā)射面的發(fā)射電流幾乎為零,電壓的壓降都分布在突變PN 異質(zhì)結(jié)上.1.6 V＜VB＜2.1 V,突變PN 異質(zhì)結(jié)導(dǎo)通,此時(shí)導(dǎo)帶的勢(shì)壘高度為0,導(dǎo)帶中的電子不需要克服勢(shì)壘就能注入到P 型AlGaAs 層中,發(fā)射電流迅速增大.此時(shí),P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs層中的電子通過擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)P 型變帶隙AlGaAs 層表面或被基極電極收集,因此發(fā)射電流效率隨電壓的增大迅速增大.電壓為2.1 V 時(shí)發(fā)射電流效率最大為31.23%.當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí),因?yàn)橛胁糠治⑿〉膲航捣植荚赑 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層中形成以基極電極為中心的發(fā)散型電場(chǎng)增強(qiáng),導(dǎo)致一些原本向發(fā)射面移動(dòng)的電子向基極電極處漂移,從而使發(fā)射電流效率減小.

圖4 電注入陣列陰極發(fā)射電流和發(fā)射電流效率隨電壓變化曲線.其中陣列陰極Na,Nd,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.1 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.4.The cathodic emission current and emission current efficiency of the electrically implanted array vary with voltage.The array cathode Na,Nd,Tcp,Tp,Tn and Tcn are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.1 μm,0.1 μm,0.3 μm,1.0 μm,respectively.

3.3 P 型層厚度

P 型變帶隙AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層厚度對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響如圖5 所示.光注入時(shí),如圖5(a)所示,陣列陰極發(fā)射電流效率隨著P 型變帶隙AlGaAs 層(陣列微納米柱)高度增加先增加后減小,當(dāng)占空比和入射光角度保持不變,隨著陣列微納米柱高度的增加,發(fā)射電流效率增加是因?yàn)镻 型變帶隙AlGaAs 層對(duì)光子的吸收增加,陣列捕獲更多的光子.然而,隨著微納米柱高度繼續(xù)增加,相鄰陣列之間出現(xiàn)阻擋現(xiàn)象,使得到達(dá)P 型AlGaAs 層的光子減少,材料對(duì)光子的吸收僅存在于陣列陰極頂端,并且微納米柱高度增加會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)減小不利于電子的輸運(yùn),光電子輸運(yùn)距離增加也增大了電子與空穴的復(fù)合概率,更少的光電子到達(dá)陰極發(fā)射面降低發(fā)射電流效率.根據(jù)圖5(a)獲得P 型變帶隙AlGaAs層較好厚度0.2 μm,圖5(b)在此基礎(chǔ)上,改變了P 型AlGaAs 層厚度,結(jié)果表明,隨P 型AlGaAs層厚度增加發(fā)射電流效率先增加后減小.這是因?yàn)椴糠治幢籔 型變帶隙AlGaAs 層吸收的光子會(huì)在這一層中被吸收,隨著厚度繼續(xù)增加材料對(duì)光子的吸收不再增加,與此相反增加了電子的輸運(yùn)距離,從而降低發(fā)射電流效率.因?yàn)锳lGaAs 材料高Al組分在短波區(qū)域中有更高的吸收系數(shù),P 型AlGaAs層和P 型變帶隙AlGaAs 層厚度的變化會(huì)對(duì)短波響應(yīng)的影響更大.

電注入時(shí),如圖5(c)和圖5(d)所示,陣列陰極發(fā)射電流效率會(huì)隨P 型變帶隙AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層厚度增加而減小.電子由發(fā)射極電極、N 型變帶隙AlGaAs 層以及N 型AlGaAs 層提供,在正偏驅(qū)動(dòng)電壓的作用下注入到P 型AlGaAs 層并擴(kuò)散至P 型變帶隙AlGaAs 層,在P 型變帶隙AlGaAs 層內(nèi)建電場(chǎng)作用下到達(dá)發(fā)射面.P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層厚度的增加導(dǎo)致輸運(yùn)距離增加,P 型變帶隙AlGaAs 層厚度的增加導(dǎo)致內(nèi)建電場(chǎng)減小,不利于電子的輸運(yùn).

圖5 (a) 光注入時(shí)P 型變帶隙AlGaAs 層厚度變化(a)和P 型AlGaAs 層厚度變化(b)對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率α 的影響;電注入時(shí)P 型變帶隙AlGaAs 層厚度變化(c)和P 型AlGaAs 層厚度變化(d)對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響.其中光注入入射光角度為20°.(a)和(c)中Tp=0.1 μm,(b)和(d)中Tcp=0.2 μm,(a),(b),(c),(d)中陣列陰極Na,Nd,Tn 和Tcn 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.3 μm 和1.0 μmFig.5.(a) The effect of the thickness change of P-band gap AlGaAs layer on the emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) the effect of thickness variation of P-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(c) the effect of p-gap AlGaAs layer thickness variation on emission current efficiency of array cathode during electric injection;(d) the effect of thickness variation of P-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection.The light injection angle is 20°.Tp is 0.1 μm in Figure (a) and Figure (c),Tcp is 0.2 μm in Figure (b) and Figure (d),and array cathode Na,Nd,Tn and Tcn are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.3 μm and 1.0 μm in Figure (a),(b),(c) and (d),respectively.

3.4 N 型層厚度

光注入和電注入時(shí)N 型AlGaAs 層和N 型變帶隙AlGaAs 層厚度對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響如圖6 所示.仿真結(jié)果可知N 型變帶隙AlGaAs層和N-AlGaAs 層厚度的變化對(duì)光注入(圖6(a),(b))無影響,電注入N-AlGaAs層和N 型變帶隙AlGaAs 層(圖6(c),(d))厚度增加陣列陰極發(fā)射電流效率先增加后趨于穩(wěn)定.在N 型AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層之間形成PN 突變異質(zhì)結(jié),因?yàn)镹 型AlGaAs 層中的Al 組分高于P 型AlGaAs層中的Al 組分,所以異質(zhì)結(jié)中導(dǎo)帶的內(nèi)建電勢(shì)ΨC小于價(jià)帶的內(nèi)建電勢(shì)ΨV.光注入時(shí)VB=0,此時(shí)導(dǎo)帶中的電子不能克服導(dǎo)帶中的勢(shì)壘高度(q(ΨC-VB)＞0)注入到P 型AlGaAs 層,所以N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層厚度的變化不會(huì)影響陣列陰極的發(fā)射電流效率;電注入時(shí),導(dǎo)帶中的電子克服勢(shì)壘高度注入到P 型AlGaAs層,N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層厚度的增加會(huì)使其內(nèi)部電子數(shù)量增加,注入到P 型AlGaAs層電子數(shù)量增加,發(fā)射電流效率隨之提高,但是當(dāng)厚度繼續(xù)增加,注入到P 型AlGaAs 層中的電子達(dá)到飽和狀態(tài),發(fā)射電流效率趨于穩(wěn)定.

圖6 光注入時(shí)N 型AlGaAs 層厚度的變化對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率(a)和陣列陰極發(fā)射電流效率(b)的影響;電注入時(shí)N 型AlGaAs 層厚度的變化對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率(c)和陣列陰極發(fā)射電流效率(d)的影響.其中光注入入射光角度為20°,(a)和(c)中Tcn =1 μm,(b)和(d)中Tcp =0.3 μm,(a),(b),(c)和(d)中陣列陰極Na,Nd,Tcp 和Tp 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm和0.1 μmFig.6.(a) The effect of thickness variation of N-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) effect of the thickness of N-type variable band gap AlGaAs layer on the emission current efficiency of array cathode during optical injection;(c) the effect of thickness variation of N-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection;(d) the effect of the thickness of N-type variable band gap AlGaAs layer on the emission current efficiency of array cathode during electric injection.The light injection angle is 20°,Tcn is 1 μm in Figure (a) and Figure (c),Tcp is 0.3 μm in Figure (b) and Figure (d),and array cathode Na,Nd,Tcp and Tp are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm and 0.1 μm in Figure (a),(b),(c) and (d),respectively.

3.5 P 型層摻雜濃度

P 型層摻雜濃度對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響如圖7 所示.光注入時(shí),如圖7(a)所示,摻雜濃度增大陣列陰極發(fā)射電流效率先增大后保持穩(wěn)定,當(dāng)照射在陣列陰極上的入射光強(qiáng)度和光通量等保持恒定的情況下,摻雜濃度直接影響材料的載流子濃度,隨著P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs層中摻雜濃度的增加,更多價(jià)帶中的電子吸收光子的能量進(jìn)入導(dǎo)帶.由于電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱與材料的擴(kuò)散系數(shù)成正比,摻雜濃度增加,P 型變帶隙AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層的擴(kuò)散系數(shù)減小,到達(dá)發(fā)射面的電子數(shù)量隨之減少,雖然高的摻雜濃度會(huì)使得更多的電子躍遷,但電子的擴(kuò)散系數(shù)也受到了高摻雜濃度的制約,因此隨著摻雜濃度繼續(xù)增加,陣列陰極發(fā)射電流效率受兩種因素共同影響而保持穩(wěn)定.電注入時(shí),如圖7(b)所示,隨著摻雜濃度增加,陣列陰極發(fā)射電流效率減小.電子在P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層中進(jìn)行漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),摻雜濃度增加導(dǎo)致這兩層的擴(kuò)散系數(shù)減小,到達(dá)發(fā)射面的電子數(shù)量會(huì)隨之減少進(jìn)而使得發(fā)射電流效率減小.增大正偏驅(qū)動(dòng)電壓,電子注入量隨之增大,但是在P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層中形成以基極電極為中心的發(fā)散型電場(chǎng)增強(qiáng),更多電子被基極電極收集,從而使得施加高的正偏驅(qū)動(dòng)電壓得到的發(fā)射電流效率隨摻雜濃度的增加而減小得更加緩慢.

圖7 (a) 光注 入時(shí)P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度Na 變化 對(duì)陣列陰極發(fā)射 電流 效率的影響;(b) 電注 入時(shí)P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度Na 的變化對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響.其中光注入入射光角度為20°,陣列陰極Nd,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為 1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.7.(a) The effect of doping concentration Na of P-type AlGaAs layer and P-type bandgap AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) the effect of doping concentration Na of P-type AlGaAs layer and P-type bandgap AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection.Incidence angle of optical injection is 20°,and the array cathode Nd,Tcp,Tp,Tn and Tcn are 1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm and 1.0 μm,respectively.

3.6 N 型層摻雜濃度

N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層摻雜濃度(Nd)對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響如圖8所示.光注入時(shí),如圖8(a)所示,這兩層摻雜濃度的變化對(duì)發(fā)射電流效率無影響,由3.4 節(jié)可得出,在未給基極電極和發(fā)射極電極之間施加正偏驅(qū)動(dòng)電壓的情況下,PN 突變異質(zhì)結(jié)未導(dǎo)通,所以這兩層中摻雜濃度的改變不會(huì)使電子進(jìn)入P 型AlGaAs層,N 型AlGaAs 層和N 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度不會(huì)影響光注入發(fā)射電流效率;電注入時(shí),如圖8(b)所示,這兩層摻雜濃度增加會(huì)使得陰極材料的發(fā)射電流效率增加,這是因?yàn)殡S著摻雜濃度的增加,這兩層中的電子濃度增加,進(jìn)而使得注入到P 型AlGaAs 層中的電子數(shù)量增加,從而提高發(fā)射電流效率.

圖8 (a) 光注入時(shí)N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層摻雜濃度Nd 變化對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響;(b) 電注入時(shí)N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層摻雜濃度Nd 的變化對(duì)陣列陰極發(fā)射電流效率的影響.光注入入射光角度為20°,陣列陰極Na,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為 5×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.8.(a) Effect of doping concentration Nd variation of N-type bandgap AlGaAs layer and N-AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) the effect of doping concentration Nd of N-type variable band gap AlGaAs layer and N-AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection.Incidence angle of optical injection is 20°,and the array cathode Na,Tcp,Tp,Tn and Tcn are 5×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm and 1.0 μm,respectively.

4 結(jié)論

光注入和電注入NEA 陣列陰極發(fā)射理論基于陰極工作機(jī)理、變帶隙發(fā)射陣列光子吸收、能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)特性研究的基礎(chǔ)上,建立電子在變帶隙發(fā)射陣列中輸運(yùn)的二維連續(xù)性方程,再利用有限體積法對(duì)電子發(fā)射性能進(jìn)行數(shù)值求解和仿真;利用仿真結(jié)果理論分析器件結(jié)構(gòu)、注入方式、入射光波長(zhǎng)、入射光角度、發(fā)射陣列尺寸和驅(qū)動(dòng)電壓等對(duì)陣列陰極發(fā)射性能的影響,為變帶隙NEA 陣列陰極結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).本文通過使用控制變量法研究各參數(shù)對(duì)陣列陰極量子效率的影響,但是參數(shù)變化可能會(huì)造成多個(gè)因素之間相互影響,所以在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮.保持陣列陰極占空比為2/3,基于仿真結(jié)果得出在光注入最佳入射角度的基礎(chǔ)上,獲得光注入和電注入兩種不同注入方式下各層厚度和摻雜濃度最佳范圍.電注入陰極不需要昂貴和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)激光系統(tǒng),可有效地避免由于高功率激光照射陰極損壞表面活化層,也不存在強(qiáng)激光照射表面光散射產(chǎn)生的離子反轟.光注入控制方式簡(jiǎn)單,結(jié)合光注入、電注入,實(shí)現(xiàn)可根據(jù)需要選擇光注入或者電注入,這種融合了多種先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的陣列陰極研究,對(duì)于豐富陣列陰極發(fā)射理論,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義.