蓝绿光探测GaAs基光电阴极结构设计的研究

孙啸林 秦超 胡宇杰 吴明旋 刘跃晨 杨帆 于玮

摘要：通过GaAs光电阴极结构设计软件，在不同的起始波长、截止波长、掺杂方式条件下，得出光电阴极的性能参数并筛选出性能优良的光电阴极。

关键词：GaAs基光电阴极;透射式;量子效率;积分灵敏度

一、透射式GaAs光电阴极的结构与制备方法

（一）阴极结构

目前透射式阴极大多采用反转结构，主要包括玻璃基底层、过渡层、窗口层、GaAs发射层、阻挡层、GaAs衬底、NiCr电极环几个层结构。引入Ga1xAlxAs窗口层的目的是为了提高光电发射效率，从而后界面复合对后界面性质的影响得到了大幅的降低。

（二）制备工艺

目前制备高性能GaAs光电阴极材料的主要生长方法是外延生长法。这里采用液相外延技术（Liquid Phase Epitaxy）。[1]采用电液相外延法先在n型GaAs衬底上生长出GaAlAs阻挡层，GaAs发射层，GaAlAs窗口层，然后用半导体钝化工艺在窗口层沉淀一层Si3N4增透膜来减少玻璃和窗口层之间的反射光带来的损失。最后的透射式GaAs光电阴极只保留玻璃基底，增透层，窗口层和发射层。用选择性腐蚀的方法除去GaAlAs阻挡层和GaAs衬底。

二、透射式GaAs光电阴极的性能参数

（一）光谱响应

光谱响应表示不同波长的光子产生电子空穴对的能力，也就是量子效率与入射波长的关系。

（二）量子效率

量子效率的定义是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。因此它是衡量光电转换能力的一个重要参数。

（三）积分灵敏度[2]

积分灵敏度是光谱响应曲线的积分，它在标准光源照射下（色温为2856K的光源），光电阴极规定面积上所产生的饱和光电流与照射到该面上的光通量之比。

（四）吸收率[3]

透射式GaAs光电阴极膜系组合的理论反射率Rthe，理论透射率Tthe和理论吸收率Athe为：

Rthe=ηoB-CηoB+CηoB-CηoB+C（1）

Tthe=4ηoη4（ηoB+C）（ηoB+C）（2）

Athe=1-Rthe-Tthe（3）

上述是无吸收介质薄膜的特性计算方法对于无吸收介质的薄膜，理论上透射率和反射率和为一，即R+T=1，吸收率为0;对于有吸收薄膜，理论上折射率，反射率，透射率的和为一。其吸收率A=1RT。

三、软件运行的分析

（一）均匀掺杂结果分析

这里给出两组窄光谱响应结构设计软件的运行结果，并对其进行分析。

第一组均匀掺杂。

第二组均匀掺杂。

接下来，对计算结果的参数进行说明。第一行的hv1表示起始波长的禁带宽度，hv2表示截止波长的禁带宽度;第二行的x1代表Ga1xAlxAs窗口层中Al的组分，x2代表Ga1xAlxAs发射层中Al的组分，第三行的数据d1为窗口層的厚度，d2为发射层的厚度;第四行的Af为宽光谱响应的积分吸收率;第五行为所设计的掺杂分层结构的各子层厚度dd2;第六行为各子层对应的掺杂浓度dcon2;第七行AverageCon为平均掺杂浓度;第八行的P为表面电子逸出几率、Ld为电子扩散长度、Lde为电子扩散漂移长度;第九行的Si为积分灵敏度。

（二）软件可靠性分析

根据表1、2、3、4，当掺杂方式为均匀掺杂的时候，掺杂分层数目为1层，掺杂浓度和表面掺杂浓度相等，而且平均掺杂浓度等于1×1018cm3。此时所设计出结构的积分灵敏度能分别达到400和600A/lm，符合要求。

参考文献：

[1]曾庆科.用电液相外延法制备透射式GaAs光阴极的研究.广西师范大学物理，1995.

[2]赵静.透射式GaAs光电阴极的光学与光电发射性能研究[D].南京理工大学，2013.

[3]唐晋发，顾培夫，刘旭，等.现代光学薄膜技术.浙江：浙江大学出版社，2006.

基金项目：2017年国家自然科学基金（批准号：61701220），2018年南京工程学院高等教育研究课题（2018YB20）;2019年江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201911276143H）

作者简介：孙啸林（1998—），男，汉族，江苏南通人，本科在读，专业：光电信息科学与工程。