[发明专利]基于对数掺杂变In组分反射式结构GaAs光电阴极

说明书

技术领域

本发明属于物理电子学领域，具体涉及一种GaAs光电阴极过渡层与缓冲层变In组分的控制以及利用电场减少型对数掺杂后GaAs光电阴极的量子效率与传统的GaAs光电阴极进行比较，主要用于更高量子效率要求的反射式GaAs光电阴极设计和制备。

背景技术

随着微光夜视技术的不断发展，夜视成像器材的作用更加突显，尤其是通过微光像增强器的增强以达到人眼能进行观察的目的的微光夜视系统在此基础上发展迅猛，作为微光像增强器进行光电转换的光电阴极来说，它的发展更是起着举足轻重的作用。负电子亲和势GaAs光电阴极具有量子效率高、暗发射小、发射电子的能量分布以及角分布集中、长波阈可调、长波响应扩展潜力大等优点，所以自1965年其发明而来，就成为微光探测器件和自旋电子源的关键材料。通过不同制备工艺制备出更高性能的NEA GaAs光电阴极成为很多专家学者的研究工作。

目前，利用MOCVD材料外延生长技术以及电场减少型对数掺杂结构生长出的传统的反射式GaAs光电阴极，在整个可见与近红外波段的量子效率可以达到60％左右，在此基础上，通过实验结果分析，发现变组分变掺杂的方法可以使其电子扩散长度变长，同时降低了后界面复合速率；另一方面由于对数掺杂的存在，使得在两个不同掺杂浓度区域间形成相应的内建电场，该电场有利于电子以扩散和定向漂移的形式向表面运动，从而能够增加阴极中电子的平均输运距离，这样得到的GaAs光电阴极的量子效率较传统方式大大提高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，以反射式NEA GaAs光电阴极为例，提供一种基于对数掺杂变In组分的方法来获得更高量子效率的负电子亲和势GaAs光电阴极。

本发明包括阴极材料外延生长、光电阴极制备和量子效率曲线分析三部分，它是一种基于对数掺杂变In组分反射式结构GaAs的光电阴极，该光电阴极的特征在于：它是由高质量P型GaAs(100)衬底、过渡层、p-GaAlAs缓冲层、p型GaAs发射层以及Cs／O激活层组成。

进一步的，所述连接衬底层和p-GaAlAs缓冲层之间的过渡层由m个变In的外延材料构成的单元层组成，m的取值范围为1≤m≤20，在每个单位层中In的组分是逐渐减少的。

进一步的，所述p型GaAs发射层采用电场减少型的对数掺杂结构，发射层的掺杂浓度按照N(x)＝N₀log_a^Ax，(0＜a＜1)规律变化。

进一步的，所述发射层厚度选择为8μm，梯度浓度从1×10²¹cm^-3到1×10¹⁶cm^-3渐变。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用一种对数掺杂变In组分的GaAs材料来制备反射式GaAs光电阴极的缓冲层，与普通均匀掺杂反射式GaAs相比，首先具有变In过渡层的结构使得反射式GaAs光电阴极具有了阴极修饰层，与无修饰层的阴极相比，当光入射后，随着绝缘层厚度增加，在有机层和绝缘层界面的积累电荷增加。与此同时，电子注入的有效势垒逐渐降低，隧穿几率随之增加。在某一适当厚度时，绝缘层上有足够的电压来有效地降低电子注入势垒而增加隧穿几率，这种作用导致隧穿几率减小，相对于无修饰层的阴极增加，有阴极修饰的阴极可以获得较高的量子效率；另一方面，p型GaAlAs缓冲层使得后界面处存在一个更高的势垒，使得输运到此处的电子除部分复合外大部分都能被反射向阴极表面逸出，降低了光电子的界面复合速率，这样便能显著提高阴极的长波量子效率。

(2)利用8μm32层电场减少型的对数掺杂结构，使得表面发射层内掺杂浓度由体内1×10²¹cm^-3到1×10¹⁶cm^-3渐变，这样导致总体平均掺杂浓度比普通均匀掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3以及以往提出的四层掺杂浓度要低，从而加大了电子的扩散长度；同时梯度掺杂阴极中能带也会由于费米拉平效应形成向下弯曲的梯度分布，每两个不同掺杂浓度区域间相应形成一个内建电场，该电场有利于电子以扩散和定向漂移的方式向表面运动，增加了阴极中电子的平均输运距离。

附图说明

图1为基于对数掺杂变In组分反射式结构GaAs光电阴极结构示意图；

图2为基于对数掺杂变In组分反射式结构GaAs光电阴极的量子效率实验曲线图。

具体实施方式