近红外响应增强的叠层复合GaAs基光电阴极及其制备方法与流程

近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极及其制备方法
技术领域
1.本发明属于微光夜视探测材料技术领域，具体为一种近红外响应增强的叠层 复合gaas基光电阴极及其制备方法。


背景技术：

2.gaas基光电阴极是建立在固体物理理论基础上，根据spicer光电发射“三 步模型”理论指导发展而来。gaas基光电阴极具有量子效率高、暗电流小、长 波响应扩展潜力大等优点，因此在现代微光夜视技术领域中取得了广泛的应用， 是微光像增强器中的重要组成部件。除此之外，由于gaas基光电阴极同时具有 发射电流密度大、发射电子能量与角度分布集中、电子自旋极化率高、热发射小 等优点，其在电子束平面曝光、线性加速器、高能物理等领域也具有重要的应用。
3.在gaas基光电阴极的实际应用中，如何拓宽光谱响应范围，提高近红外波 段的量子效率，从而改善夜视器件与夜天光的光谱匹配，使得夜天光下的微光夜 视探测器探测效率和作用距离得到提高，已经成了国内外研究者关注的热点问 题。在gaas基光电阴极的近红外延伸方面，研究者对发射层通过采用ingaas材 料来提高光电阴极在1.0
‑
1.7μm波段的量子效率，实现对近红外激光的主动探测 和成像。ingaas光电阴极作为一种直接带隙光电发射材料，理论上通过改变in 组分截止波长可由0.87μm延伸至3.5μm。目前，美国通过阴极结构改进，使制 备的ingaas光电阴极在1.06μm处量子效率达到了1.2％，而国内制备的透射式 ingaas光电阴极在1.06μm处量子效率仅达到0.005％，还有透射式ingaas光 电阴极在1μm处量子效率达到0.76％，以上ingaas光电阴极的量子效率如此低 的主要原因在于阴极材料晶格匹配差和窄禁带阴极表面势垒高，这大大限制了近 红外光电子的发射效率。此外，ingaas光电阴极发射层对近红外波段入射光的 吸收率的不足，也同样导致了其在近红外波段量子效率处于较低水平。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出了一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极 及其制备方法。
5.实现本发明目的的技术方案为：一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光 电阴极，包括自下而上设置的衬底、gaas缓冲层、in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层、p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层、p型in
x
ga1‑
x
as发射层、dbr反射层和增透膜接 触层，所述p型in
x
ga1‑
x
as发射层采用变组分变掺杂设计，in组分自上而下线性 增大，掺杂浓度自上而下指数减少。
6.优选地，所述p型in
x
ga1‑
x
as发射层in组分自上而下从0.05线性递增到0.2， 掺杂浓度自上而下从1
×
10
19
cm
‑3指数递减至5.0
×
10
18
cm
‑
3，
发射层总厚度为 1μm～1.3μm。
7.优选地，dbr反射层由p型gaas子层和p型alas子层两种材料交替生长 而成。
8.优选地，所述p型alas子层和p型gaas子层的厚度满足：
[0009][0010][0011]
式中n
l
和n
h
分别是alas和gaas的材料折射率，d
l
和d
h
分别是alas子层和 gaas子层的厚度，λ是指定的全反射中心波长。
[0012]
优选地，p型alas子层的厚度为90nm，p型gaas子层的厚度为76nm，dbr 反射层的掺杂浓度均为1
×
10
19
cm
‑3，dbr反射层以一对alas/gaas子层为一周 期，交替层周期数不低于3对，且靠近发射层(14)的子层为p型gaas子层， 靠近增透膜接触层(10)的子层为p型alas子层。
[0013]
优选地，所述in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层in组分由下至上从0到0.22线性 递增，线性渐变缓冲层总厚度为2～3μm。
[0014]
优选地，所述p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层in组分为0.19，总厚度为 400～600nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3。
[0015]
优选地，所述增透膜接触层为p型gaas材料，掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3，厚 度为300～500nm。
[0016]
本发明还提供了一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极的制备方 法，具体步骤为：
[0017]
步骤1、在衬底上，依次生长gaas缓冲层、in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层、p 型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层、p型变组分变掺杂in
x
ga1‑
x
as发射层、dbr反射层 以及p型gaas增透膜接触层；
[0018]
步骤2、清洁p型gaas增透膜接触层，在增透膜接触层表面沉积一层增透 膜，并在增透膜上热粘结台面玻璃窗；
[0019]
步骤3、通过选择性化学试剂依次腐蚀衬底、gaas缓冲层、in
y
al1‑
y
as线性 渐变缓冲层、p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层，裸露发射层in
x
ga1‑
x
as表面；
[0020]
步骤4、通过超高真空激活工艺，在p型in
x
ga1‑
x
as发射层表面进行cs/o激 活，使发射层表面覆盖激活层，使光电阴极达到负电子亲和势。
[0021]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过引入dbr反射层， 使发射层对近红外波段的入射光的吸收率得到了提高，从而提高了光电阴极对近 红外波段的光谱响应和量子效率，提高了在实际应用中的性能表现；2)本发明 在光电阴极的结构设计中充分考虑材料各层晶格匹配问题，通过变组分以及合理 的材料选择保证了各子层之间良好的晶格匹配度，从而实现更高的量子效率；3) 本发明在原本反射式光电阴极的基础上，通过在光电阴极的背面耦合了玻璃入射 窗，使得本光电阴极在背照入射时同样具有光电子发射能力，与传统的反射式光 电阴极相比具有更多的工作模式。
[0022]
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
[0023]
图1是光电阴极生长结构示意图。
[0024]
图2是光电阴极发射层中的能带结构图。
[0025]
图3是光电阴极腐蚀、激活后结构示意图。
[0026]
图4是光电阴极的反射率曲线图。
[0027]
图5是带dbr结构的本发明光电阴极与传统无dbr结构的in
x
ga1‑
x
as光电 阴极的归一化光谱响应曲线图。
[0028]
图6是光电阴极在背照式入射工作模式下的归一化光谱响应和归一化的入 射光谱曲线图。
[0029]
具体实施方式
[0030]
下面结合附图1
‑
6和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031]
如图1所示，一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极，包括自下 而上设置的衬底22、gaas缓冲层20、in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18、p型 in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层16、p型in
x
ga1‑
x
as发射层14、dbr(分布式布拉格反 射镜)反射层12和增透膜接触层10。所述p型in
x
ga1‑
x
as发射层14采用变组分 变掺杂设计，in组分自上而下线性增大，掺杂浓度自上而下指数减少。
[0032]
如图2所示，进一步的实施例中，所述p型in
x
ga1‑
x
as发射层in组分自上 而下从0.05线性递增到0.2，掺杂浓度自上而下1
×
10
19
cm
‑3指数递减至5.0
×ꢀ
10
18
cm
‑
3，
发射层总厚度为1μm～1.3μm。p型发射层中，由于引入变掺杂和变组分 设计，发射层中的价带(e
v
)和导带(e
c
)因为费米能级的拉平效应产生了能带 弯曲现象，并由此产生方向由外向内的内建电场(e
in
)。由于内建电场与电子迁 移方向相反，因此受激发的电子在向发射表面运动时，受到内建电场的牵引作用， 从而导致更多的电子运动到发射表面并发射到真空。由于dbr反射层的存在，近 红外波段的入射光在穿过发射层后被dbr层反射回发射层进行二次吸收。因此 dbr层增加了发射层对于近红外波段入射光的吸收能力，进而提高了本光电阴极 的量子效率。
[0033]
进一步的实施例中，dbr反射层由p型gaas子层和p型alas子层两种材 料交替生长而成。
[0034]
进一步的实施例中，所述p型alas子层和p型gaas子层的厚度满足：
[0035][0036][0037]
式中n
l
和n
h
分别是alas和gaas的材料折射率，d
l
和d
h
分别是alas子层和 gaas子层的厚度，λ是指定的全反射中心波长。
[0038]
进一步的实施例中，p型alas子层的厚度为90nm，p型gaas子层的厚度 为76nm，dbr反射层的掺杂浓度均为1
×
10
19
cm
‑3，dbr反射层以一对alas/gaas 子层为一周期，交替层周期数不低于3对，且靠近发射层(14)的子层为p型 gaas子层，靠近增透膜接触层(10)的子层为p型alas子层。
[0039]
进一步的实施例中，所述in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层in组分由下至上从0到 0.22线性递增，线性渐变缓冲层总厚度为2～3μm。
[0040]
进一步的实施例中，所述p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层in组分为0.19，总厚 度为400～600nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3。
[0041]
进一步的实施例中，所述增透膜接触层为p型gaas材料，掺杂浓度为1
×ꢀ
10
19
cm
‑3，厚度为300～500nm。
[0042]
具体地，所述衬底为高衬底n型gaas(100)衬底。
[0043]
本发明的光电阴极的反射率曲线图如图4所示。从图中可以看到，由于在发 射层后端引入了dbr层12的原因，反射率在近红外光谱范围出现了大幅度的震 荡起伏，这是因为dbr层12本身的反射率谱在近红外具有震荡的特性。由于dbr 结构只能对某一特定波长下的实现全反射效应，本实施例只对1064nm的吸收率 进行了增强。根据dbr设计的公式，实现特定波长全反射时，两种子层的厚度需 要满足以下关系式：
[0044][0045][0046]
式中n
l
和n
h
分别是alas和gaas的材料折射率，d
l
和d
h
分别是alas子层和gaas 子层的厚度，λ是指定的全反射中心波长。从图4可以看到，本发明的反射率在 1064nm处达到了极小值，说明在1064nm处的吸收率与传统结构相比得到了明显 的提高。
[0047]
图5为无dbr反射层的传统in
x
ga1‑
x
as光电阴极与本发明提出的新型结构的 归一化光谱响应的对比图。图中可以看到，对于传统结构的光电阴极的光谱响应， 由于不存在dbr反射层，其光谱响应曲线在近红外波段随着波长增加而平滑降 低。本发明由于引入的dbr反射层，导致近红外波段的反射率出现了震荡，在 990nm和1064nm处量子效率出现了两个极大值峰。这是由于dbr层结构在这两 个波长下位于反射率曲线的极大值，导致在这两个波长下的光电阴极吸收率得到 了增强，从而提高了这两个波长时的量子效率。由于ingaas发射层原本对于可 见光就具有较好的吸收能力，因此在可见光波段由dbr反射层引起的二次吸收影 响较小，图中可以看出在可见光波段有无dbr反射层对光谱响应的影响不大。
[0048]
图6为本发明光电阴极在背照式入射情况下的归一化光谱响应和归一化入射 光谱曲线图，当入射光从玻璃表面入射至光电阴极时为背照式工作模式。此时， 由于增透膜接触层10以及dbr层12的存在，可见光波段的入射光被大量的吸收， 导致进入in
x
ga1‑
x
as发射层14的入射光谱以近红外波段为主，如图6中虚线所示。 此时低于650nm的入射光已经被增透膜接触层10和dbr反射层12完全吸收，而 近红外的入射光由于dbr反射层12的存在，出现了明显的震荡，因此入射光谱 呈现了不均匀的状态。此时仍然在1064nm处达到光谱响应的最大值。此工作模 式下本发明光电阴极对可见光的光谱响应较低，但是在近红外波段仍然具有较高 的光谱响应。
[0049]
此外，本发明通过在光电阴极背部粘接玻璃，使该光电阴极同时具有正入射 式和背照式两种工作方式，扩展了使用的场景。
[0050]
如图3所示，一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极的制备方法， 具体步骤为：
[0051]
步骤1、在衬底上，依次生长gaas缓冲层、in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层、p 型
in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层、p型变组分变掺杂in
x
ga1‑
x
as发射层、dbr反射层 以及p型gaas增透膜接触层；
[0052]
步骤2、清洁p型gaas增透膜接触层，在增透膜接触层表面沉积一层增透 膜，并在增透膜上热粘结台面玻璃窗；
[0053]
步骤3、通过选择性化学试剂依次腐蚀衬底、gaas缓冲层、in
y
al1‑
y
as线性 渐变缓冲层、p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层，裸露发射层in
x
ga1‑
x
as表面；
[0054]
步骤4、通过超高真空激活工艺，在p型in
x
ga1‑
x
as发射层表面进行cs/o 激活，使发射层表面覆盖激活层，使光电阴极达到负电子亲和势。
[0055]
从图中可以看到，在制备过程中首先需要将原有的衬底22、gaas缓冲层20、 in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18利用相应的腐蚀试剂依次进行选择性腐蚀，使发射 层14表面暴露。之后在增透膜接触层10一侧镀上增透膜26后通过热粘连技术 将玻璃28粘连到器件上起到保护光电阴极的作用。最后，在超高真空腔体中， 通过光电阴极的表面激活技术在发射层14表面生长cs/o激活层24提高光电阴 极的电子发射能力，使光电阴极达到负电子亲和势。
[0056]
本发明提高了gaas基光电阴极在近红外波段的量子效率和光谱响应。由于 近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极中的发射层采用变组分变掺杂设 计，在费米能级的作用下，光电阴极能带产生弯曲并产生内建电场。由于能带弯 曲产生的内建电场具有牵引电子向发射表面运动的特性，增加了到达光电阴极发 射面的电子数，因此该设计有助于提高光电阴极在全响应波段的光谱响应。除此 之外，本发明在发射层与增透膜接触层中间引入了dbr反射层作为中间层。由 于其特殊的光学性质，由两种晶格匹配的材料交替生长组成的dbr反射层可以 实现特定波长入射光的全反射。相比于传统的gaas基光电阴极，由于发射层对 近红外波段较低的吸收能力，大部分的入射光在使用中会穿过发射层和衬底并耗 散。但是增大厚度对吸收率提高的效果并不显著，并且材料生长时晶格失配度与 发射层厚度成正比。因此，dbr反射层的引入可以使得本发明在不增加发射层 厚度的前提下，将某一特定波长下原本应该由衬底透射的入射光反射回发射层进 行二次吸收，从而提高发射层对特定波长的吸收率，并最终提高gaas基光电阴 极对该波长的光谱响应。
[0057]
本发明对近红外入射光具有比传统结构更高的量子效率，并且同时具有正入 射式和背照式两种工作方式。
[0058]
实施例1
[0059]
一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极，在高质量n型gaas衬 底22之上，mocvd按顺序依次生长gaas缓冲层20、in
y
al1‑
y
as线性渐变缓 冲层18、p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层16、p型in
x
ga1‑
x
as发射层14、dbr反射 层12和增透膜接触层10，其中所有外延层的掺杂原子均为zn掺杂。
[0060]
gaas缓冲层20为本征gaas材料，直接外延生长在gaas衬底22上，厚度 为100nm，作为衬底与in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18的缓冲材料。
[0061]
in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18生长在gaas缓冲层20之上，总厚度为2500nm 并且不进行掺杂。该缓冲层采用线性渐变组分生长，in组分自下而上从0线性增 加到0.22。
[0062]
p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层16生长在in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18上，掺 杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3，厚度为500nm，in组分为定值0.19。
[0063]
p型in
x
ga1‑
x
as发射层14生长在p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层16之上，发射 层可以分为4个不同in组分不同掺杂浓度的子层，并且每个子层的厚度各不相 同。各子层的in组分自下而上分别为0.2，0.15，0.1，0.05，掺杂浓度自下而上 分别为5
×
10
18
cm
‑3，6.5
×
10
18
cm
‑3，8.5
×
10
18
cm
‑3，1
×
10
19
cm
‑3，各子层厚度自 下而上分别为均为0.3μm，发射层总厚度为1.2μm。由于ingaas材料对近红外 波段入射光的吸收能力与in组分正相关，因此在发射层中，in组分为0.2的子 层占据主要部分。通过变组分生长的方式，可以提高发射层与相邻层之间材料生 长时的晶格匹配度，得到更好质量的样品。
[0064]
dbr反射层12由p型gaas子层和p型alas子层交替生长而成，并逐层生 长在发射层10之上。其中每一gaas子层的厚度为76nm，掺杂浓度为1
×ꢀ
10
19
cm
‑3，每一alas子层的厚度为90nm，掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3。与发射层相 邻的子层为gaas子层，与发射层最远一侧子层为alas子层。dbr层的交替周 期数为10，共有10层gaas子层和10层alas子层，dbr层的总厚度为1660nm。
[0065]
增透膜接触层10生长在dbr层12的上，生长在alas子层表面。增透膜接 触层10由掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3的p型gaas组成，厚度为400nm。增透膜接 触层10主要用于在增透膜生长和热粘连时保护dbr层和光电阴极。
[0066]
一种近红外响应增强的叠层复合gaas基光电阴极的制备方法如下：
[0067]
在高质量的n型gaas衬底22的(100)晶面上，利用mocvd方式生长厚 度为100nm、不掺杂的gaas缓冲层20，然后在gaas缓冲层20上生长厚度为 2500nm、in组分从0线性提高至0.22的in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18以及厚度 为500nm、掺杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3的p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层16。然后按 照图6依次生长厚度为1.2μm、掺杂浓度自下而上从5
×
10
18
cm
‑3指数递增为1
ꢀ×
10
19
cm
‑3、in组分自下而上从0.2递减至0.05的p型in
x
ga1‑
x
as发射层14，由 p型alas子层和p型gaas子层交替生长组成的dbr反射层12，厚度为400nm、 掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3的p型gaas增透膜接触层10。其中dbr反射层12中 alas子层厚度为90nm，gaas子层厚度为76nm，且所有子层掺杂浓度均为1
×ꢀ
10
19
cm
‑3。此外dbr反射层12中与in
x
ga1‑
x
as发射层紧贴的为gaas子层，与增 透膜接触层10紧贴的为alas子层，且交替周期数为10次。上述中所有掺杂均 使用zn原子掺杂。
[0068]
利用超声波以及化学溶液清洗增透膜接触层10的表面，使其打到原子级清 洁表面。随后利用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)在增透膜接触层10 表面沉积厚度为100nm的增透膜26，之后通过热粘接技术在增透膜26之上粘接 台面玻璃窗28。
[0069]
利用相应的选择性化学腐蚀方法依次腐蚀高质量n型gaas(100)衬底22， gaas缓冲层20，in
y
al1‑
y
as线性渐变缓冲层18以及p型in
0.19
al
0.81
as腐蚀阻挡层 16使得in
x
ga1‑
x
as发射层14表面暴露。
[0070]
在真空度不低于10
‑8pa的超高真空测试系统中，采用cs源连续、o源间断 的光电阴极表面激活工艺，使in
x
ga1‑
x
as发射层14表面形成一层厚度为1.5nm 左右的cs/o激活层24，此时光电阴极的发射层表面实现负电子亲和势状态。