場助式GaSb光電陰極GaSb/ GaAs異質結設計仿真

長春理工大學理學院 蔡 宸

1 引言

在光電子探測領域中，基于光電陰極的光電探測器件具有超高速、單光子響應、大面積等優點，在光電探測器件特別是微光夜視像增強器等特種器件有廣泛應用[1]。作為夜視器件圖像產生的輻射源，在近紅外波段的夜天光光譜分布遠高于可見光波段[2]，因此夜視技術的重要研究方向之一是提高器件的紅外響應，以充分利用夜天光能量。作為夜視器件的核心部件，光電陰極的長波響應直接決定夜視器件的紅外探測性能，而銻化物半導體材料具有電子遷移率高、載流子有效質量小等性能優勢，是一種性能優良的紅外半導體材料[3]，因此對以GaSb材料作為代表的銻化物光電陰極進行研究。由于窄禁帶光電陰極材料GaSb作為光電陰極發射層材料進行Cs/O難以形成NEA狀態[4]，因此為使陰極表面形成NEA狀態，提高陰極光譜響應，GaSb光電陰極采用TE場助異質結GaSb/GaAs光電陰極結構，該結構下異質結處的能帶結構對GaSb光電陰極光電發射性能有重要影響，因此有必要研究異質結處的能帶結構。

2 GaSb/GaAs光電陰極能帶理論研究

在未加偏壓情況下，GaSb吸收層與GaAs發射層異質結界面處如圖1(a)所示存在約0.7eV的導帶勢壘，該勢壘的存在對光電子傳輸到發射層是十分不利的，因此在肖特基勢壘上外加反偏電壓形成耗盡場，以耗盡發射層并消除異質結勢壘，如圖1(b)所示。

圖1 (a)無外加偏壓和(b)外加偏壓下GaSb陰極能帶示意圖

計算過程中假設異質結處能帶是漸變的，可由雙曲漸變函數描述：

式中△Eg為GaAs發射層與GaSb吸收層禁帶寬度差值，Eg(GaSb)為吸收層的禁帶寬度，T(GaAs)為發射層厚度，L為漸變區寬度，x為該處距離發射層表面距離。

同時要考慮外加偏壓引起的異質結空間電勢的改變，可由下式描述：

式中q為電荷電量，W(Vb)為耗盡區寬度，εr為發射層相對介電常數，Ф為肖特基勢壘高度，Na為摻雜濃度，其中耗盡區寬度W(Vb)可由下式描述：

式中k為玻爾茲曼常數，T 為絕對溫度，VD為內建電勢，Vb為所加偏壓。耗盡區寬度如超出發射層厚度，則超出部分計算時采用吸收層的材料參數進行計算。

由描述異質結能帶變化的漸變函數和外加偏壓空間電勢疊加，可以得到該處導帶變化與到發射層表面距離x關系的完整模型：

設發射層摻雜濃度為1×1016cm-3，吸收層摻雜濃度為1×1017cm-3，發射層厚度為0.5μm，漸變區寬度為0.2μm，可得到該條件下不同反偏電壓時異質結導帶變化情況。從圖2異質結導帶變化模擬結果中可以看到，外加偏壓達到10V才能較好地消除p-GaAs/p-GaSb異質結勢壘，此時較大的偏壓可能引起暗電流偏大等不良反應，因此應根據GaSb光電陰極對長波響應、光譜響應的具體要求，設計合適的發射層摻雜濃度、吸收層摻雜濃度和厚度等陰極材料參數。

圖2 不同偏壓下p-GaAs/p-GaSb異質結導帶圖

由于異質結能帶計算模型中，忽略了異質結能帶不連續的情況，因此考慮到吸收層發射層實際能帶結構以及發射層表面激活情況，GaSb光電陰極能帶結構示意如圖3所示。圖3中EC為導帶底能級，EV為價帶頂能級，EF為費米能級，EL為真空能級。由于GaAs發射層和GaSb吸收層存在一約0.7eV的勢壘，因此考慮通過外加偏壓作用消除該勢壘對光電子輸運的不利影響，從而使吸收層激發的光電子輸運到發射層，從而克服表面勢壘發射到真空中。

圖3 偏壓下GaSb光電陰極能帶結構示意圖

3 結論

通過雙曲漸變函數描述異質結能帶變化，以發射層摻雜濃度1×1016cm-3、吸收層摻雜濃度1×1017cm-3、發射層厚度0.5μm、漸變區寬度0.2μm為條件，模擬了不同偏壓下異質結處能帶變化情況，在偏壓達到10V時才能較好地消除異質結勢壘對光電子發射的不利影響。雖然較大的外加偏壓能有效地消除異質結勢壘，但是外加偏壓的增大容易引起陰極暗電流的增大，因此需根據光電陰極的性能需求對陰極的外加偏壓、厚度、摻雜濃度等參數進行綜合考量，本文研究對GaSb光電陰極結構設計和工作條件優化提供了有益的參考。

[1]向世明.光電子成像器件原理[M].國防工業出版社,2006.

[2]Myers M M,Gonglewski J D,Fertig G,et al.SWIR air glow mapping of the night sky[J].Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,2010.

[3]劉超,曾一平.銻化物半導體材料與器件應用研究進展[J].半導體技術,2009,34(6):525-530.

[4]李晉閩.場助半導體光電陰極理論與實驗[M].科學出版社,1993.