梯度摻雜結構GaN光電陰極的穩定性

李 飆，任 藝，常本康

(1.商丘師范學院 電子電氣工程學院，河南 商丘 476000；2.商丘職業技術學院 機電系，河南 商丘 476000；3.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

1 引 言

GaN基紫外光電陰極具有日盲、高量子效率和高抗輻射等內在屬性，使其在宇宙探測、火情監測和火箭羽煙探測等領域得以廣泛應用[1-6]。GaN光電陰極在使用過程中不但要求陰極具有高的靈敏度和良好的發射性能，還要求陰極具備較高的穩定性，也就是其量子效率衰減速率越小越好。影響陰極穩定性的外部條件主要有兩個，系統真空度和真空殘氣，系統真空度越高陰極表現出的穩定性越強[7]，而不同類別的真空殘氣也會對陰極穩定性造成不同的影響[8,9]；影響陰極穩定性的內因也主要有兩個，即陰極材料性能和陰極結構，陰極的穩定性是陰極材料內在屬性的外在體現[10]，而同一材料，如采用不同的結構，陰極性能亦隨之變化，如采用梯度摻雜結構可明顯提升陰極的量子效率[11-12]。

目前，基于均勻摻雜結構的穩定性結論[10,13]能否同樣適用于梯度摻雜結構GaN光電陰極，尚需用實驗來驗證。本文利用GaN光電陰極測試與評估系統[14]，對陰極樣品進行了量子效率衰減測試，依據測試結果的差異，對均勻摻雜和梯度摻雜樣品的穩定性進行了比較與分析。

2 實驗與測試

實驗樣品為均勻摻雜樣品A和梯度摻雜樣品B，其結構如圖1所示。兩種樣品均采用藍寶石襯底，AlN緩沖層[15]，Mg摻雜[16]和185 nm 厚度的GaN光電發射層。區別為摻雜方式不同，樣品A采用均勻摻雜，而樣品B采用梯度摻雜。

圖1 反射式均勻摻雜樣品A和梯度摻雜樣品B結構圖 Fig.1 Structure of reflection-mode uniform-doping sample A and gradient-doping sample B

對樣品A和B利用相同工藝進行了陰極制備實驗。首先對樣品進行化學清洗[17]，以去除樣品表面的玷污[18]，然后進行熱清洗，以去除殘存于樣品表面的碳和氧[19]，最后進行了Cs/O激活，使樣品對入射光形成有效的響應[20]。在激活結束后，利用GaN光電陰極測試與評估系統對實驗樣品進行了多項對比測試：

(1)樣品A和B在激活后的量子效率對比測試曲線如圖2所示。

圖2 樣品A和B在激活結束后的量子效率測試曲線 Fig.2 Quantum efficiency curves of sample A and sample B after activation

(2) 樣品A和B的量子效率衰減曲線如圖3所示。

圖3 樣品A和B的量子效率測試曲線 Fig.3 Quantum efficiency curves of GaN photocathodes in variable conditions

(3)樣品A和B的相對穩定性測試曲線如圖4所示。

(4)樣品A和B的衰減測試結果如表1、表2和表3所示。

表1 均勻摻雜樣品A的衰減測試結果

注：衰減比例為(激活后QE-12 h后QE)/激活后QE。

圖4 樣品A和B的相對穩定性測試曲線 Fig.4 Curves of relative sensitivity for sample A and B

波長/nm240260280300320340激活后QE/%57443628242112 h后QE/%483224181310衰減比例/%15.827.333.335.745.852.4

注：衰減比例為(激活后QE-12 h后QE)/激活后QE。

表3 樣品A和樣品B的衰減速率測試結果

注：衰減速率為(測試值1-測試值2)×100/測試值1。

3 討論與分析

3.1 GaN光電陰極的衰減特性

由圖3可知，陰極衰減時，其量子效率測試曲線隨衰減過程而整體下移，量子效率明顯下降，且短波輻射區域下移幅度小，而長波輻射區域下移幅度則相對較大。也就是說，短波區域所對應的量子效率損失較少，而長波輻射區域的量子效率衰減較大，即樣品在衰減過程中入射光長波段區域的量子效率損失比例偏大(參見表1和表2衰減比例測試結果)。

GaN光電陰極衰減曲線在不同波段內具有不同的變化趨勢與高能光電子的隧穿逸出有關。GaN光電陰極受入射光輻照后，所發射光電子的能量分布隨入射光子能量的升高而趨向高能端偏移，依據雙偶極層模型，陰極衰減時，其表面勢壘會產生如圖5中虛線所示的變化，表面勢壘的高度和寬度都有所加大。由于勢壘變化對高能光電子的逸出影響不是太大，卻使低能光激發電子逸出幾率降低，就導致了陰極光譜響應測試曲線隨入射光波長改變而產生相應的變化[21]。

圖5 反射式GaN光電陰極的表面勢壘示意圖 Fig.5 Surface potential barrier of reflection-mode GaN photocathode

圖6 均勻摻雜樣品A和梯度摻雜樣品B能帶結構示意圖(Ec為導帶能級，Ev為價帶能級，EF為費米能級，E0為真空能級，Eg為GaN的禁帶寬度) 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 陰極結構對穩定性的影響

由于兩種樣品采用不同的摻雜結構，使得其能帶結構也不相同，如圖6所示[11]。與均勻摻雜樣品A相比，在樣品B中，摻雜濃度從體內到表面依次下降，呈階梯狀分布(參見圖1(b))，濃度差的存在導致各區域界面處產生內建電場，且所有內建電場的方向都是由體表指向體內，使得體內的光生電子向表面傳輸時可獲得附加能量，可促使更多且能量偏高的光電子能夠輸運至陰極表面，這不但提高了光生電子傳輸至陰極表面的幾率，而且使到達陰極表面的光生電子高能化。輸運至陰極表面的光電子越多也就意味著有更多的光電子可隧穿表面勢壘逸入真空，高能光電子的對應解釋是更容易越過表面勢壘而逸出(參見圖5)，兩種因素的共同作用使得陰極一方面表現出較高的光譜響應能力，可獲得更高的量子效率，另一方面又會使陰極的衰減變緩，表現出較高的穩定性(參見圖4)。

對于梯度摻雜樣品，由于其電子擴散漂移長度LDE及電子表面逸出幾率P均大于均勻摻雜樣品，使得其光電發射性能明顯優于均勻摻雜樣品，靈敏度、長波響應和穩定性都得以大幅提升，解釋如下：(1)由于梯度摻雜樣品的摻雜濃度存在漸次變化，由體內處1018cm-3量級漸次降低到表面處的1016cm-3量級(參見圖1(b))，其平均摻雜濃度要比均勻摻雜樣品的摻雜濃度(1018cm-3量級)低，所以其電子擴散長度LD相應較大，LD越大則輸運至陰極表面的光電子數量越多；(2)由于梯度摻雜樣品中存在內建電場，光生電子可在內建電場的作用下向表面定向漂移，使電子的輸運長度LDE增加，可使輸運至陰極表面的電子數目增多并且能量得以增強，數量多則逸出的幾率也就大一些，能量高則更易逸出[22]；(3)梯度摻雜樣品的能帶向下彎曲傾斜(參見圖6(b))，和均勻摻雜樣品相比，E0能夠下降得更低，表面勢壘的阻擋作用下降，使得低能電子也有可能隧穿勢壘而逸出，電子表面逸出幾率P得以提高[23]。因此，由于內建電場的存在：(1)可以提高輸運至樣品表面的電子能量，使高能電子比例增大，光生電子更易隧穿勢壘，逸入真空的光電子幾率得以提高，相應也使陰極的光譜響應能力更加靈敏，可獲得更高的量子效率；(2)在樣品衰減時，Cs脫附等因素會使表面勢壘發生變化，但由于內建電場使輸運至陰極表面的電子能量得以提高，光生電子隧穿表面勢壘時受到這種變化的影響并不大，衰減速率較慢(參見表3)，梯度摻雜樣品相對于均勻摻雜樣品可表現出更好的穩定性。

簡言之，由于內建電場的作用，梯度摻雜樣品的性能要優于均勻摻雜樣品，梯度摻雜結構能夠明顯提升光電陰極的量子效率和穩定性。

4 結 論

梯度摻雜和均勻摻雜GaN光電陰極的穩定性存在諸多相似之處，如：(1)在高真空環境中皆表現出超強的穩定性(參見圖3，放置12 h后仍具有高達30%的量子效率)；(2)陰極衰減過程中長波段量子效率損失比例較大等。但二者的穩定性也存在差異，梯度摻雜結構可明顯提升陰極的穩定性。兩種樣品在穩定性方面所顯現出的較多共性是由同種材料的內在屬性所決定的，而結構的不同又會使兩種陰極的穩定性表現出相應的不同點。梯度摻雜結構中，陰極發射層內產生了系列內建電場，內建電場的存在使光激發電子向陰極表面傳輸時獲得附加能量，逸出幾率更高，使陰極的量子效率衰減變慢，從而使陰極的穩定性得以提高。