NEA GaN光電陰極材料光學特性研究

喬建良，高有堂，徐 源，牛 軍，常本康

NEA GaN光電陰極材料光學特性研究

喬建良1，高有堂1，徐 源2，牛 軍1，常本康2

（1．南陽理工學院 電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004；2．南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

針對NEA GaN光電陰極結構設計和制備工藝需進一步優化的問題，結合陰極量子效率表達式和影響量子效率的因素，采用理論和實驗相結合的方法，分別研究了GaN光電陰極材料的表面反射率、光學折射率、光譜吸收系數以及透射光譜等光學參數。結果表明在250nm到365nm的波長范圍內，表面反射率相對平穩，是影響量子效率的直接因素，而光學折射率則通過電子表面逸出幾率間接影響著量子效率。給出了均勻摻雜GaN光電陰極的光譜吸收系數的特點，根據變摻雜NEA GaN光電陰極的結構特點，給出了光譜平均吸收系數的概念和等價計算公式，并對均勻摻雜與變摻雜NEA GaN光電陰極光譜吸收系數進行了對比。

GaN；光電陰極；量子效率；變摻雜；光譜吸收系數

0 引言

伴隨著GaN晶體生長技術的不斷突破，NEA GaN光電陰極在紫外探測、臭氧監測、真空電子源等領域將獲得越來越廣泛的應用[1-3]。GaN光電陰極材料的生長質量和結構設計是決定探測器件靈敏度的主要因素，而生長質量和結構設計最終通過GaN晶體材料的性能參數來表征[4-5]。用于光電陰極的GaN晶體材料是P型摻雜的半導體材料，包括均勻摻雜和變摻雜等摻雜結構。表征GaN晶體性能的參數可分為光學參數和電學參數兩大類，其中光學參數主要包括材料對入射光的表面反射率、材料的光譜吸收系數、材料的光學折射率、材料的透射光譜等。這些參數對陰極的靈敏度都有直接或間接的影響，決定著光譜響應的峰值及其對應的波長范圍，最終通過陰極的量子效率大小反映出來[6-9]。

近年來不少研究者對GaN晶體材料的光學特性進行了的研究，如文獻[10]給出了GaN晶體材料的光學折射率，斯坦福大學給出了均勻摻雜GaN陰極材料的吸收系數[11]，李雪等研究者測量了纖鋅礦GaN外延薄膜的透射光譜，并采用導納矩陣對樣品的透射光譜進行了理論擬合，得到了了纖鋅礦GaN外延薄膜的光學特性[12]。但作為紫外光電陰極材料，由于有反射式和透射式兩種工作模式，GaN光電陰極的透射光譜、變摻雜陰極材料的光譜吸收系數等光學特性需要進一步明確，陰極的光學特性參數對激活后陰極量子效率的影響需進一步研究。本文通過對GaN晶體材料光譜吸收系數的研究，結合理論分析和實驗結果對均勻摻雜和變摻雜GaN外延材料進行分析和表征。結合影響GaN陰極量子效率的主要因素，在目前材料生長技術和制備水平的限制下，為陰極結構的優化設計提供了思路和參考。

1 GaN光電陰極材料光學特性分析

1.1 GaN光電陰極材料表面反射率

作為外光電效應的光電發射現象，材料響應范圍內入射光的照射是其發生的必要條件。陰極材料對入射光的表面反射率直接影響到材料對光的吸收效率，并最終影響到陰極的量子效率。

通過求解非平衡載流子的擴散方程，可推導出反射式均勻摻雜NEA GaN光電陰極的量子效率表達式如公式(1)所示：

同理可得透射式均勻摻雜NEA GaN光電陰極的量子效率表達式如公式(2)所示[13]：

式中：是電子的表面逸出幾率；是材料發射層對入射光的吸收系數；D是材料的電子擴散長度；是陰極材料對入射光的反射率；n是電子擴散系數；v是后界面復合速率；e是陰極材料發射層的厚度。

由公式(1)、(2)可見，NEA GaN光電陰極的量子效率最終受材料的光學和電學參數影響，尤其是材料對入射光的反射率，吸收系數，電子擴散長度D等參數，表面反射率是影響陰極材料量子效率的主要因素之一。

通過計算可得GaN陰極材料的表面反射率如圖1所示[14]，由圖1可知，在測試的起始波長250nm到GaN閾值附近365nm的短波端，表面反射率相對平穩固定，其值約為0.2。在閾值附近365nm到375nm的過渡區，表面反射率由0.2線性增大到0.27，而375nm以上的長波段，表面反射率由0.27緩慢下降到到0.25左右。結果顯示，GaN材料的表面反射率特性可有效地保障測試波長范圍內陰極量子效率的平穩性，在小于365nm的紫外波段內表面反射率小而且相對穩定，在閾值之外突然變大也保證了GaN陰極用于紫外探測的有效性。

圖1 GaN陰極材料的表面反射率

1.2 GaN光電陰極材料光學折射率

用于光電陰極材料的GaN晶體為纖鋅礦結構，300K時生長在藍寶石襯底上的纖鋅礦GaN的折射率與波長的關系曲線如圖2所示[10]，由圖可見，折射率在入射光波長約為365nm時最大，365nm以上，折射率隨著波長的增大而迅速減小，其紅外折射率約為2.3。根據上述量子效率的計算公式，GaN陰極材料的光學折射率并未直接影響到量子效率，但折射率會影響到進入體內的光子的方向，進而影響到產生光電子的材料體內位置和深度，使到達表面的光生電子數量發生變化，最終通過電子的表面逸出幾率P間接影響量子效率。

1.3 GaN光電陰極材料光譜吸收系數

1.3.1 均勻摻雜GaN光電陰極的光譜吸收系數

GaN陰極材料的吸收系數表示材料對光子吸收能力的強弱，光譜吸收系數與陰極光電發射現象有著極其密切的關系。圖3給出了GaN的吸收系數與入射光子能量的關系[11]。

圖2 纖鋅礦GaN陰極材料的折射率

圖3 均勻摻雜GaN陰極材料的吸收系數

由圖3可見，是入射光子能量的函數。對某一具體半導體材料，吸收系數隨著入射光子波長的變化而變化，也會受到材料的生長質量，P型摻雜濃度等其他特性的影響。根據圖3給出的均勻摻雜GaN陰極材料的吸收系數隨入射光子能量變化曲線，可以把GaN陰極材料對紫外入射光的吸收分為3個區域：入射光子能量在3.3eV以下的弱吸收區，該區域吸收系數在0.2×105cm－1以下，3.3eV到3.4eV的過渡吸收區，該區域吸收系數約在0.3×105cm－1左右，3.4eV以上的強吸收區，該區域吸收系數在0.5×105cm－1以上。

在光電發射“三步模型”的第一階段，即光的吸收階段，陰極材料在入射光的照射下，價帶中的電子要吸收入射光子的能量，這是光電發射產生的第一步，所以GaN陰極材料發射層對光子的吸收是影響陰極激活后量子效率的關鍵因素之一，量子效率的計算公式給出了入射光的吸收系數對量子效率的定量影響。

1.3.2 變摻雜GaN光電陰極的光譜吸收系數

一般地，對采用某一固定摻雜濃度的均勻摻雜GaN陰極材料，吸收系數可看作入射光子能量的ν函數，其值隨入射光子能量ν的增加而增加。變摻雜技術的采用使得材料的摻雜濃度從體內到表面依次降低，實際制備時采用梯度摻雜方式，即摻雜濃度呈梯度變化規律，因吸收系數(ν)會受到材料摻雜濃度的影響，所以變摻雜GaN陰極材料的吸收系數會變得不再是定值，由生長后材料的具體摻雜情況來決定。實際計算時可采用材料的平均吸收系數來表示[15]。

圖4給出了計算梯度摻雜GaN陰極材料平均吸收系數的示意圖。假設采用層摻雜結構，各層的厚度分別為1，2，…，l，假設各層對應的摻雜濃度表示為A1，A2，…，An，其中位于材料外層的A1最小，位于材料內層的An最大，設不同摻雜濃度GaN材料的吸收系數分別表示為1，2，…，a。

圖4 變摻雜GaN陰極材料的平均吸收系數示意圖

假設入射光強在反射模式下為0，進入陰極后光強按指數規律減小。則入射光到達陰極內＝l處時，光強I由公式(3)表示：

經過計算，可得變摻雜GaN陰極材料的平均吸收系數E的計算方法如公式(4)所示：

由上式可見，平均吸收系數E可由陰極總的厚度，對應不同摻雜濃度的各層厚度以及各層吸收系數決定。其值與變摻雜陰極的分層情況、各層厚度以及各層摻雜濃度都有關系，設計時必須綜合全面考慮。

實驗測試的均勻摻雜與變摻雜NEA GaN光電陰極光譜吸收系數的對比結果如圖5所示[16]，變摻雜GaN光電陰極吸收系數為各摻雜濃度的平均吸收系數。

圖5 GaN陰極材料的光學吸收系數

1.3.3 GaN光電陰極材料光譜吸收系數討論

一般地，GaN材料的吸收系數隨入射光子能量ν的增加而增加，可表示為(ν)，入射光子能量越大，吸收系數(ν)越大，光子在材料內的吸收長度越短。研究發現，陰極吸收系數(ν)還與材料的摻雜濃度有關。當入射光子的能量大于閾值3.4eV時，吸收系數(ν)會隨摻雜濃度的增大而略微減小，即摻雜濃度較低的GaN陰極材料相對具有較強的入射光吸收能力。對高摻雜濃度的重p型GaN材料，在閾值附近吸收系數曲線的斜率會變小，變得沒那么陡峭，即在入射光子的能量小于閾值3.4eV時，材料對光子的有效吸收能力會隨著摻雜濃度的提高而增強。另一方面，重摻雜技術會造成GaN材料能帶帶尾擴張，禁帶壓縮，使得電子由價帶激發到導帶所需能量減小，這對陰極量子效率的提高是有幫助的。通過采用重摻雜技術，盡量減小GaN材料表面附近的耗盡層寬度，可減小材料內部電離雜質移動的距離，減小光生電子的散射現象和在表面層的俘獲現象。這些都可以彌補因吸收系數略微減小造成的負面影響。

由圖5可見，均勻摻雜與變摻雜NEA GaN光電陰極光譜吸收系數在測試的260nm到340nm范圍內變化規律基本一致，但在數值的大小上還是有一定區別的。整體上來看，變摻雜的平均吸收系數比均勻摻雜的要略小，原因之一可能是由于測試的變摻雜陰極材料平均摻雜濃度大于均勻摻雜的摻雜濃度。小于275nm的短波端表現出的差異更大，說明短波端測試的變摻雜陰極材料對入射光子的吸收長度相對于均勻摻雜的要大。

1.4 GaN光電陰極材料透射光譜

通過測試GaN陰極材料的透射光譜，可評估材料的光學特性和結構參數對量子效率的影響。為使問題簡化，暫不考慮陰極材料內部的二次和多次反射引起的干涉現象，一種典型的GaN光電陰極樣品模型示意圖見圖6。

圖6 GaN光電陰極樣品模型示意圖

一般地，GaN陰極材料包括p型GaN發射層、緩沖層和藍寶石襯底3層，其中發射層為0.5mm厚的GaN，緩沖層采用2mm厚的GaN，襯底采用300mm到500mm厚的藍寶石，三層與空氣分別形成了4個界面，各個界面處均存在光的反射現象。

設0，1，2，3分別為空氣和p型GaN層，p型GaN層和緩沖層，緩沖層和藍寶石襯底，藍寶石襯底和空氣4個界面的反射率。1、2、3分別為GaN發射層、緩沖層和藍寶石襯底的厚度。1、2、3分別為GaN發射層、緩沖層和藍寶石襯底的光學吸收系數。則GaN陰極材料的透射光譜可表示為公式(5)[16]：

可見，GaN陰極材料的透射光譜與材料的分層結構緊密相關，對于某種結構的陰極樣品，若知道了不同界面的反射率和材料不同層的吸收系數及厚度，就可以通過公式(5)計算出透射光譜。反過來，根據測試的透射光譜也可以評估材料結構的具體參數。

2 結論

作為新型紫外光電陰極，NEA GaN光電陰極具有美好的發展前景，以其為核心的探測器件探測靈敏度的高低與陰極材料的生長質量和制備水平直接相關，材料質量可通過光學特性和電學特性參數來表征。本文以NEA GaN光電陰極的量子效率表達式為依據，從影響陰極量子效率的因素入手，較為詳細地給出了表面反射率、光學折射率、材料的光譜吸收系數以及透射光譜等光學參數的特性，分析了這些光學參數對陰極光電發射特性的影響。并重點從變摻雜NEA GaN光電陰極的結構特點入手，研究了光譜平均吸收系數的等價計算公式。光學特性的測試和分析對優化GaN光電陰極材料的制備工藝和材料結構設計，提高陰極量子效率，最終提高探測器件的探測靈敏度有著重要意義。

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Optical Characteristics of NEA GaN Photocathode Material

QIAO Jianliang1，GAO Youtang1，XU Yuan2，NIU Jun1，CHANG Benkang2

(1.,,473004,; 2.,,210094,)

To optimize the structure design and preparation technology of NEA GaN photocathode, considering the cathode quantum efficiency formula and the factors that influence the quantum efficiency, the surface reflectivity, optical refractive index, spectral absorption coefficient and transmission spectra of GaN photocathode material were studied theoretically and experimentally. As a direct influencing factor of the quantum efficiency, the surface reflectivity is relatively steady in the waveband from 250 nm to 365 nm. The optical refractive index influences the quantum efficiency indirectly by the electronic surface escape probability. The characteristics of uniform doping GaN photocathode spectral absorption coefficient were given. According to the structure characteristics of variable doping NEA GaN photocathode, the concept of spectrum average absorption coefficient and the equivalent formula were given. The spectral absorption coefficients of the uniform doping and the variable doping of NEA GaN photocathode were compared.

GaN photocathode，quantum efficiency，varied doping，spectral absorption coefficient

TN304

A

1001-8891(2017)07-0664-05

2017-03-21；

2017-06-17.

喬建良（1974-），男，教授，主要從事光電發射與測試、信號分析與處理等方面的研究。

國家自然科學基金（批準號：61371058）資助的課題。