藍綠光探測GaAs基光電陰極結構設計的研究

孫嘯林 秦超 胡宇杰 吳明旋 劉躍晨 楊帆 于瑋

摘要：通過GaAs光電陰極結構設計軟件，在不同的起始波長、截止波長、摻雜方式條件下，得出光電陰極的性能參數并篩選出性能優良的光電陰極。

關鍵詞：GaAs基光電陰極;透射式;量子效率;積分靈敏度

一、透射式GaAs光電陰極的結構與制備方法

（一）陰極結構

目前透射式陰極大多采用反轉結構，主要包括玻璃基底層、過渡層、窗口層、GaAs發射層、阻擋層、GaAs襯底、NiCr電極環幾個層結構。引入Ga1xAlxAs窗口層的目的是為了提高光電發射效率，從而后界面復合對后界面性質的影響得到了大幅的降低。

（二）制備工藝

目前制備高性能GaAs光電陰極材料的主要生長方法是外延生長法。這里采用液相外延技術（Liquid Phase Epitaxy）。[1]采用電液相外延法先在n型GaAs襯底上生長出GaAlAs阻擋層，GaAs發射層，GaAlAs窗口層，然后用半導體鈍化工藝在窗口層沉淀一層Si3N4增透膜來減少玻璃和窗口層之間的反射光帶來的損失。最后的透射式GaAs光電陰極只保留玻璃基底，增透層，窗口層和發射層。用選擇性腐蝕的方法除去GaAlAs阻擋層和GaAs襯底。

二、透射式GaAs光電陰極的性能參數

（一）光譜響應

光譜響應表示不同波長的光子產生電子空穴對的能力，也就是量子效率與入射波長的關系。

（二）量子效率

量子效率的定義是在某一特定波長下單位時間內產生的平均光電子數與入射光子數之比。因此它是衡量光電轉換能力的一個重要參數。

（三）積分靈敏度[2]

積分靈敏度是光譜響應曲線的積分，它在標準光源照射下（色溫為2856K的光源），光電陰極規定面積上所產生的飽和光電流與照射到該面上的光通量之比。

（四）吸收率[3]

透射式GaAs光電陰極膜系組合的理論反射率Rthe，理論透射率Tthe和理論吸收率Athe為：

Rthe=ηoB-CηoB+CηoB-CηoB+C（1）

Tthe=4ηoη4（ηoB+C）（ηoB+C）（2）

Athe=1-Rthe-Tthe（3）

上述是無吸收介質薄膜的特性計算方法對于無吸收介質的薄膜，理論上透射率和反射率和為一，即R+T=1，吸收率為0;對于有吸收薄膜，理論上折射率，反射率，透射率的和為一。其吸收率A=1RT。

三、軟件運行的分析

（一）均勻摻雜結果分析

這里給出兩組窄光譜響應結構設計軟件的運行結果，并對其進行分析。

第一組均勻摻雜。

第二組均勻摻雜。

接下來，對計算結果的參數進行說明。第一行的hv1表示起始波長的禁帶寬度，hv2表示截止波長的禁帶寬度;第二行的x1代表Ga1xAlxAs窗口層中Al的組分，x2代表Ga1xAlxAs發射層中Al的組分，第三行的數據d1為窗口層的厚度，d2為發射層的厚度;第四行的Af為寬光譜響應的積分吸收率;第五行為所設計的摻雜分層結構的各子層厚度dd2;第六行為各子層對應的摻雜濃度dcon2;第七行AverageCon為平均摻雜濃度;第八行的P為表面電子逸出幾率、Ld為電子擴散長度、Lde為電子擴散漂移長度;第九行的Si為積分靈敏度。

（二）軟件可靠性分析

根據表1、2、3、4，當摻雜方式為均勻摻雜的時候，摻雜分層數目為1層，摻雜濃度和表面摻雜濃度相等，而且平均摻雜濃度等于1×1018cm3。此時所設計出結構的積分靈敏度能分別達到400和600A/lm，符合要求。

參考文獻：

[1]曾慶科.用電液相外延法制備透射式GaAs光陰極的研究.廣西師范大學物理，1995.

[2]趙靜.透射式GaAs光電陰極的光學與光電發射性能研究[D].南京理工大學，2013.

[3]唐晉發，顧培夫，劉旭，等.現代光學薄膜技術.浙江：浙江大學出版社，2006.

基金項目：2017年國家自然科學基金（批準號：61701220），2018年南京工程學院高等教育研究課題（2018YB20）;2019年江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（201911276143H）

作者簡介：孫嘯林（1998—），男，漢族，江蘇南通人，本科在讀，專業：光電信息科學與工程。