[发明专利]一种指数掺杂反射式GaAs光电阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微光夜视探测材料技术领域，具体涉及一种基于半导体材料外延技术、半导体材料掺杂技术和超高真空表面激活技术相结合的近红外响应增强的指数掺杂反射式GaAs光电阴极。

背景技术

GaAs光电阴极是一种基于外光电效应的光电发射材料，通过在p型GaAs材料表面覆盖铯、氧等低逸出功材料，降低材料表面真空能级，从而获得有效负电子亲和势（NEA），提高阴极的量子效率。GaAs光电阴极在可见光和近红外波段具有量子效率高、暗发射小、长波阈可调、长波响应扩展潜力大等优点，因此很快在高性能微光夜视技术领域中得到了最为广泛的应用，在现代战争中，特别是在夜战中发挥着重要的作用。除了作为微光像增强器中的重要组成部件，GaAs光电阴极也是一种性能优良的真空电子源，其具有发射电子自旋极化率高、发射电流密度大、发射电子能量与角度分布集中等优点，在电子束平面曝光、线性加速器、第四代光源等高能物理领域也有着重要的应用。

近年来，由于国产GaAs光电阴极在电子扩散长度、后界面复合速率、表面逸出几率等阴极性能参量方面都要落后于国外GaAs光电阴极水平，如美国ITT公司生产的GaAs光电阴极的电子扩散长度在3～7μm，后界面复合速率可忽略，表面逸出几率超过0.5，而国内阴极材料的电子扩散长度一般在2μm以下，后界面复合速率则比国外阴极大5～6个数量级，表面逸出几率要低于0.5，因此国产GaAs光电阴极在积分灵敏度、长波响应、峰值响应等方面都要落后于美国ITT公司生产的GaAs光电阴极。由于制备GaAs光电阴极涉及超高真空技术、表面物理技术、外延生长技术等众多关键技术，国外在微光夜视领域对我国施行技术封锁和产品禁运，因此，为了提高国产光电阴极材料的性能，项目组在国内现有外延技术水平较低的情况下，通过对GaAs发射层采用指数掺杂结构增大阴极的电子扩散长度和表面逸出几率，从而提高阴极灵敏度和量子效率。阴极发射层的掺杂浓度按照如下常规指数形式进行变化：

N(x)＝N₀exp(-Ax)   （1）

式中x是指发射层内某点离后界面处的距离，A是指数掺杂系数，N₀是初始掺杂浓度，即后界面处的掺杂浓度，N(x)是x处的掺杂浓度，后界面指的是GaAs/GaAs界面，或者GaAlAs/GaAs界面。

若阴极发射层中从体内到表面的掺杂浓度按照式（1）所示的常规指数形式分布，发射层内会形成一个由高掺到低掺，即体内到表面的不断向下线性倾斜的能带弯曲，这样的能带弯曲对应一个恒定的内建电场：

E(x)=-k0TAq---(2)]]>

式中k₀为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子的电荷量。在此恒定的内建电场作用下，阴极体内的光电子以扩散加定向漂移的方式向阴极表面输运，从而提高发射效率。前期的实验结果表明，相对均匀掺杂结构而言，采用常规的内建电场恒定型指数掺杂结构能够有效地提高GaAs光电阴极的长波响应和积分灵敏度。但是对于不同工作模式的光电阴极而言，由于入射光在阴极体内吸收位置的不同，各个波段光在阴极体内吸收产生的光电子位置也不同。对于反射式阴极而言，光照射在阴极的正面，长波段的光主要在体内吸收产生低能电子，而短波段的光在近表面吸收，产生的高能电子容易逸出到真空，具有恒定内建电场的指数掺杂结构是否是最佳的变掺杂结构还有待进一步验证。因此，针对入射光吸收长度和光电子能量的不同，有必要探索其它内建电场类型的指数掺杂结构，从而进一步提高阴极的近红外响应和积分灵敏度。

发明内容