梯度掺杂结构GaN光电阴极的稳定性

李 飙，任 艺，常本康

(1.商丘师范学院 电子电气工程学院，河南 商丘 476000；2.商丘职业技术学院 机电系，河南 商丘 476000；3.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

1 引 言

GaN基紫外光电阴极具有日盲、高量子效率和高抗辐射等内在属性，使其在宇宙探测、火情监测和火箭羽烟探测等领域得以广泛应用[1-6]。GaN光电阴极在使用过程中不但要求阴极具有高的灵敏度和良好的发射性能，还要求阴极具备较高的稳定性，也就是其量子效率衰减速率越小越好。影响阴极稳定性的外部条件主要有两个，系统真空度和真空残气，系统真空度越高阴极表现出的稳定性越强[7]，而不同类别的真空残气也会对阴极稳定性造成不同的影响[8,9]；影响阴极稳定性的内因也主要有两个，即阴极材料性能和阴极结构，阴极的稳定性是阴极材料内在属性的外在体现[10]，而同一材料，如采用不同的结构，阴极性能亦随之变化，如采用梯度掺杂结构可明显提升阴极的量子效率[11-12]。

目前，基于均匀掺杂结构的稳定性结论[10,13]能否同样适用于梯度掺杂结构GaN光电阴极，尚需用实验来验证。本文利用GaN光电阴极测试与评估系统[14]，对阴极样品进行了量子效率衰减测试，依据测试结果的差异，对均匀掺杂和梯度掺杂样品的稳定性进行了比较与分析。

2 实验与测试

实验样品为均匀掺杂样品A和梯度掺杂样品B，其结构如图1所示。两种样品均采用蓝宝石衬底，AlN缓冲层[15]，Mg掺杂[16]和185 nm 厚度的GaN光电发射层。区别为掺杂方式不同，样品A采用均匀掺杂，而样品B采用梯度掺杂。

图1 反射式均匀掺杂样品A和梯度掺杂样品B结构图 Fig.1 Structure of reflection-mode uniform-doping sample A and gradient-doping sample B

对样品A和B利用相同工艺进行了阴极制备实验。首先对样品进行化学清洗[17]，以去除样品表面的玷污[18]，然后进行热清洗，以去除残存于样品表面的碳和氧[19]，最后进行了Cs/O激活，使样品对入射光形成有效的响应[20]。在激活结束后，利用GaN光电阴极测试与评估系统对实验样品进行了多项对比测试：

(1)样品A和B在激活后的量子效率对比测试曲线如图2所示。

图2 样品A和B在激活结束后的量子效率测试曲线 Fig.2 Quantum efficiency curves of sample A and sample B after activation

(2) 样品A和B的量子效率衰减曲线如图3所示。

图3 样品A和B的量子效率测试曲线 Fig.3 Quantum efficiency curves of GaN photocathodes in variable conditions

(3)样品A和B的相对稳定性测试曲线如图4所示。

(4)样品A和B的衰减测试结果如表1、表2和表3所示。

表1 均匀掺杂样品A的衰减测试结果

注：衰减比例为(激活后QE-12 h后QE)/激活后QE。

图4 样品A和B的相对稳定性测试曲线 Fig.4 Curves of relative sensitivity for sample A and B

波长/nm240260280300320340激活后QE/%57443628242112 h后QE/%483224181310衰减比例/%15.827.333.335.745.852.4

注：衰减比例为(激活后QE-12 h后QE)/激活后QE。

表3 样品A和样品B的衰减速率测试结果

注：衰减速率为(测试值1-测试值2)×100/测试值1。

3 讨论与分析

3.1 GaN光电阴极的衰减特性

由图3可知，阴极衰减时，其量子效率测试曲线随衰减过程而整体下移，量子效率明显下降，且短波辐射区域下移幅度小，而长波辐射区域下移幅度则相对较大。也就是说，短波区域所对应的量子效率损失较少，而长波辐射区域的量子效率衰减较大，即样品在衰减过程中入射光长波段区域的量子效率损失比例偏大(参见表1和表2衰减比例测试结果)。

GaN光电阴极衰减曲线在不同波段内具有不同的变化趋势与高能光电子的隧穿逸出有关。GaN光电阴极受入射光辐照后，所发射光电子的能量分布随入射光子能量的升高而趋向高能端偏移，依据双偶极层模型，阴极衰减时，其表面势垒会产生如图5中虚线所示的变化，表面势垒的高度和宽度都有所加大。由于势垒变化对高能光电子的逸出影响不是太大，却使低能光激发电子逸出几率降低，就导致了阴极光谱响应测试曲线随入射光波长改变而产生相应的变化[21]。

图5 反射式GaN光电阴极的表面势垒示意图 Fig.5 Surface potential barrier of reflection-mode GaN photocathode

图6 均匀掺杂样品A和梯度掺杂样品B能带结构示意图(Ec为导带能级，Ev为价带能级，EF为费米能级，E0为真空能级，Eg为GaN的禁带宽度) Fig.6 Energy band structure of uniform-doping sample A and gradient-doping sample B(EC is the conduction band minimum, EV is the valence band maximum, EF is the Fermi level, E0 is the vacuum level, Eg is the band gap)

3.2 阴极结构对稳定性的影响

由于两种样品采用不同的掺杂结构，使得其能带结构也不相同，如图6所示[11]。与均匀掺杂样品A相比，在样品B中，掺杂浓度从体内到表面依次下降，呈阶梯状分布(参见图1(b))，浓度差的存在导致各区域界面处产生内建电场，且所有内建电场的方向都是由体表指向体内，使得体内的光生电子向表面传输时可获得附加能量，可促使更多且能量偏高的光电子能够输运至阴极表面，这不但提高了光生电子传输至阴极表面的几率，而且使到达阴极表面的光生电子高能化。输运至阴极表面的光电子越多也就意味着有更多的光电子可隧穿表面势垒逸入真空，高能光电子的对应解释是更容易越过表面势垒而逸出(参见图5)，两种因素的共同作用使得阴极一方面表现出较高的光谱响应能力，可获得更高的量子效率，另一方面又会使阴极的衰减变缓，表现出较高的稳定性(参见图4)。

对于梯度掺杂样品，由于其电子扩散漂移长度LDE及电子表面逸出几率P均大于均匀掺杂样品，使得其光电发射性能明显优于均匀掺杂样品，灵敏度、长波响应和稳定性都得以大幅提升，解释如下：(1)由于梯度掺杂样品的掺杂浓度存在渐次变化，由体内处1018cm-3量级渐次降低到表面处的1016cm-3量级(参见图1(b))，其平均掺杂浓度要比均匀掺杂样品的掺杂浓度(1018cm-3量级)低，所以其电子扩散长度LD相应较大，LD越大则输运至阴极表面的光电子数量越多；(2)由于梯度掺杂样品中存在内建电场，光生电子可在内建电场的作用下向表面定向漂移，使电子的输运长度LDE增加，可使输运至阴极表面的电子数目增多并且能量得以增强，数量多则逸出的几率也就大一些，能量高则更易逸出[22]；(3)梯度掺杂样品的能带向下弯曲倾斜(参见图6(b))，和均匀掺杂样品相比，E0能够下降得更低，表面势垒的阻挡作用下降，使得低能电子也有可能隧穿势垒而逸出，电子表面逸出几率P得以提高[23]。因此，由于内建电场的存在：(1)可以提高输运至样品表面的电子能量，使高能电子比例增大，光生电子更易隧穿势垒，逸入真空的光电子几率得以提高，相应也使阴极的光谱响应能力更加灵敏，可获得更高的量子效率；(2)在样品衰减时，Cs脱附等因素会使表面势垒发生变化，但由于内建电场使输运至阴极表面的电子能量得以提高，光生电子隧穿表面势垒时受到这种变化的影响并不大，衰减速率较慢(参见表3)，梯度掺杂样品相对于均匀掺杂样品可表现出更好的稳定性。

简言之，由于内建电场的作用，梯度掺杂样品的性能要优于均匀掺杂样品，梯度掺杂结构能够明显提升光电阴极的量子效率和稳定性。

4 结 论

梯度掺杂和均匀掺杂GaN光电阴极的稳定性存在诸多相似之处，如：(1)在高真空环境中皆表现出超强的稳定性(参见图3，放置12 h后仍具有高达30%的量子效率)；(2)阴极衰减过程中长波段量子效率损失比例较大等。但二者的稳定性也存在差异，梯度掺杂结构可明显提升阴极的稳定性。两种样品在稳定性方面所显现出的较多共性是由同种材料的内在属性所决定的，而结构的不同又会使两种阴极的稳定性表现出相应的不同点。梯度掺杂结构中，阴极发射层内产生了系列内建电场，内建电场的存在使光激发电子向阴极表面传输时获得附加能量，逸出几率更高，使阴极的量子效率衰减变慢，从而使阴极的稳定性得以提高。