透射式GaAs 光電陰極性能提高以及結構優化

呂行 富容國? 常本康 郭欣 王芝

1) (南京理工大學電子工程與光電技術學院,南京 210094)

2) (昆明物理研究所,昆明 650221)

3) (西安應用光學研究所,西安 710065)

1 引言

透射式GaAs 光電陰極具有量子效率高、長波響應大的特點,因而三代像增強器采用GaAs 光電陰極[1–3].目前大家更多關注透射式GaAs 光電陰極光電發射性能的研究,對比國內外的研究成果,國內實驗室制備的透射式GaAs 光電陰極積分靈敏度為2130 μA/lm,而美國ITT 研制生產的透射式GaAs 光電陰極積分靈敏度高達2330 μA/lm.關于光學性能的研究,杜曉晴[4]介紹了GaAs 光電陰極中發射層吸收系數與量子效率的關系,張益軍[5]在討論變摻雜GaAs 光電陰極相關計算公式時,提到了對吸收系數的處理方法.鄒繼軍[6]在推導反射式GaAs 光電陰極量子效率公式時研究了電子吸收光子在不同能谷間激發的影響.關于光電發射性能的研究;張益軍[5]推導了包含GaAs 襯底層產生光電子項的反射式指數摻雜GaAs 光電陰極量子效率公式,以及包含GaAlAs 窗口層產生光電子項的透射式指數摻雜GaAs 光電陰極量子效率公式.在這些量子效率公式中都將光學性能的影響看作定值,沒有考慮反射率隨組件結構、光子波長的變化.關于光學性能和光電發射性能之間的研究,趙靜[7]對量子效率公式進行了光學性能的修正,同時分析了表征光學性能的吸收率與表征光電發射性能的量子效率之間的關系,研究了光學性能對光電發射性能的影響.但是研究光學性能時,將窗口層的GaAlAs 和發射層的GaAs 作為不摻雜的材料考慮,只是定性地研究了摻雜濃度的影響趨勢,本文對此進行完善,進一步研究摻雜濃度對光學性能和光電發射性能的影響,有利于完善透射式GaAs光電陰極光學與光電發射性能的研究.

本文開展了對GaAs 光電陰極光學性能和光電發射性能方面的研究,考慮光學性能中窗口層的厚度、Al 組分以及發射層的厚度、摻雜濃度對陰極量子效率的影響,對量子效率公式進行修正.利用光學性能、修正后的量子效率和積分靈敏度的理論模型,仿真了兩者的量子效率曲線,分析了兩者結構參數和性能參數上的差異.在此研究基礎上,優化陰極組件結構設計,提高陰極靈敏度.

2 理論計算

透射 式GaAs 光電陰極結構包括 Si3N4增透層、Ga1-xAlxAs 窗口層、GaAs 發射層,在研究光在各膜層的傳播過程中,考慮到光在每層膜上的吸收、反射、透射,采用圖1 所示的矩陣法求解三層膜[7],圖中分別表示光在玻璃中入射界面上的正向和反向傳播電場分量分別表示光在增透層中入射界面上的正向和反向傳播電場分量分別表示光在窗口層中入射界面上的正向和反向傳播電場分量分別表示光在發射層中入射界面上的正向和反向傳播電場分量,E4表示光在真空中傳播電場分量.

圖1 求解三層膜的矩陣法Fig.1.Matrix method for solving three film.

透射式GaAs 光電陰極結構中,Si3N4層、Ga1-xAlxAs層和GaAs 層分別用一個包含該膜層參數的矩陣表示,在膜層1 和2 上應用邊界條件可以得到

在膜層2 和3 上,膜層3 和4 上分別應用邊界條件得到

這里,H0為玻璃的厚度,E12為增透層材料的彈性模量,H12為增透層的厚度,E22和E23為窗口層材料的彈性模量,H22和H23為窗口層的厚度,E33為發射層材料的彈性模量,H33為發射層的厚度,H4為真空層的厚度.由于各膜層上具有連續的切向分量,即經過連續的線性變換,可得到透射式GaAs 光電陰極膜系組合的矩陣方程式:

由于膜層和基底組合的導納Y=H0/E0,且基底中只有正向波,沒有反向波,HK+1/EK+1=ηK+1,代入(4)式得

可得到上述膜系的特征矩陣為

這里δj為膜層的相位厚度;nj=nj-ikj為膜層光學常數,nj,kj分別是第j層膜的折射率和消光系數;dj是膜層的幾何厚度;θj是第j層膜的折射角.

透射式GaAs 光電陰極膜系組合的理論反射率Rthe計算為

由(6)式和(7)式可得,透射式GaAs 光電陰極膜系組合的反射率會隨著膜層的幾何厚度以及光學常數的變化而變化.

對均勻摻雜透射式GaAs 光電陰極,其量子效率為[8]

式中SV為 后界面復合速率;Te為陰極發射層厚度;LD為電子擴散長度;P為電子逸出概率;Dn為電子擴散系數;ahv為陰極對入射光的吸收系數;R為陰極對入射光的反射率,R一般為定值,取為0.2;h為普朗克常數;ν為光的頻率.然而由文獻[8,9]可知,反射率會隨著光電陰極窗口層、發射層以及波長變化,是個變值.因而在原先量子效率公式的基礎上,將定值R替換成Rthe(hυ) .此外考慮光子在窗口層的吸收,加入短波約束因子exp(-βhνTw).

修正后的均勻摻雜透射式GaAs 光電陰極量子效率公式可寫為

式中,βhν為窗口層的吸收系數,Tw為窗口層的厚度.從修正后的量子效率公式(9)可知,若考慮光學性能對量子效率的影響,則量子效率的影響因素又包括發射層和窗口層的厚度、窗口層的Al 組分以及發射層的摻雜濃度,其中Al 組分是通過影響折射率和消光系數來影響光電陰極的量子效率,摻雜濃度是通過影響吸收系數來影響光電陰極的量子效率.

圖2 為 Ga1-xAlxAs 層的折射率和消光系數隨Al 組分的變化.消光系數和折射率通過影響反射率,從而對光電陰極的量子效率有影響,圖3 為量子效率隨Al 組分的變化,可以看出,隨Ga1-xAlxAs層Al 組分的增加,400—700 nm 波段上的量子效率增加,870 nm 以后波段量子效率不變.

圖2 Ga1-xAlxAs 光學常數隨Al 組分的變化[10]Fig.2.Variation of the Ga1-xAlxAs optical constant with the Al component[10].

圖3 量子效率隨Al 組分的變化Fig.3.Variation of the quantum efficiency with the Al components.

圖4 為GaAs 層摻雜濃度對材料吸收系數的影響.根據吸收系數ahν與消光系數k的關系ahν=4πk/λ[11–13]可知,摻雜濃度通過影響消光系數從而對光電陰極的量子效率有影響,其中λ為波長.圖5 為量子效率隨摻雜濃度的變化,可以看出,870 nm 之前,量子效率隨著摻雜濃度的增加而減小;870 nm 之后,量子效率隨著摻雜濃度的增加而增大.

圖4 GaAs 層摻雜濃度對材料吸收系數的影響Fig.4.Effect of GaAs-layer doping concentration on the absorption coefficient of materials.

圖5 量子效率隨摻雜濃度的變化Fig.5.Variation of quantum efficiency with the doping concentration.

考慮影響光譜響應參數的因素,包括發射層和窗口層的厚度、窗口層的Al 組分、發射層的摻雜濃度、電子擴散長度、表面逸出概率以及后界面復合速率.設計透射式GaAs 光電陰極光學結構軟件,通過改變各個光學結構參數得到最大光譜響應值.

3 實驗曲線

圖6 為國產和ITT 典型GaAs 光電陰極的量子效率曲線.從整個波段可以產出,國產透射式陰極與ITT 之間差距不大,短波段和長波段略低于ITT,量子效率峰值略高于ITT,兩條量子效率曲線的具體光譜響應參數對比如表1 所列.

表1 國內外透射式GaAs 光電陰極光譜響應參數對比Table 1. Comparison of response parameters of transmitted GaAs photocathode spectrum at home and abroad.

圖6 國產與ITT 光電陰極量子效率對比[14,15]Fig.6.Comparison of domestic and ITT photoelectric cathode quantum efficiency [14,15].

為了進一步研究ITT 光電陰極的光學結構,對其量子效率曲線進行擬合仿真,仿真過程中考慮光學性能對量子效率的影響因素以及修正后的量子效率公式,擬合計算得到光電陰極的性能參數,列入表2 中.

表2 透射式光電陰極性能參數的對比Table 2. Comparison of the performance parameters of the transmitted photocathode.

從表2 可以看出,ITT 電子擴散長度要比國內的大,電子擴散長度越大,產生光電子的有效面積越大,到達陰極表面的光電子數目越多,量子效率越大[16].變摻雜發射層設計會使體內產生內建電場,可以使電子擴散長度更大[17–19].在發射層厚度方面,國內外光電陰極相差不大.對于不同結構的光電陰極,存在一個最佳發射層厚度使得量子效率最大.國內由于設備以及制作工藝不完善,無法對陰極膜層厚度進行精確控制,導致了光譜響應短波段的差異.在后界面復合速率方面,國內均勻摻雜光電陰極的后界面速率只能達到105cm/s,而國外光電陰極后界面復合速率已經達到小于104cm/s,國內通過變組分[20]窗口層設計可以使后界面速率降到與ITT 同樣的數量級水平,在一定變化范圍內后界面復合速率值對量子效率沒有太大影響.

4 討論

在上述我國與ITT 量子效率的對比中,可以看出兩者還存在一定差距,為了縮短差距,通過仿真分析發射層厚度和電子擴散長度對透射式GaAs光電陰極積分靈敏度的影響.

基于陰極修正后的量子效率公式以及光學性能對量子效率的影響因素,對陰極的理論靈敏度進行研究分析,從而優化和指導陰極的結構設計.假設初始的 Si3N4層厚度Ta=0.1 μm,折射率2.06,Ga1-xAlxAs 層厚度Tw=0.4 μm,組分x=0.7,P=0.52,SV=105cm/s 和Dn=120 cm2/s.計算時單獨改變發射層厚度或電子擴散長度,研究其對陰極積分靈敏度或量子效率的作用.

4.1 陰極積分靈敏度仿真分析

當電子擴散長度一定時,陰極積分靈敏度隨陰極發射層厚度的變化如圖7 所示.可以看出,當電子擴散長度Ld=3 μm 時,透射式陰極獲得最高靈敏度的發射層厚度為1.2 μm,而當Ld=4 μm時,最佳厚度為1.5 μm.隨著電子擴散長度的增加,陰極達到最高靈敏度的發射層厚度也在增加,即最佳發射層厚度增加.這主要是由于電子擴散長度越大,光電子的有效區域越大,發射層厚度也就越大.

圖7 透射式陰極理論靈敏度隨Te 的變化Fig.7.Variation of the sensitivity of the transmission cathode theory with Te.

當改變電子擴散長度而保持陰極發射層厚度不變時,可得到如圖8 所示的計算結果.可以看出,隨著電子擴散長度的增加,透射式陰極的靈敏度也在逐步增加.電子擴散長度較小時,陰極發射層厚度越大,靈敏度越小;且隨著電子擴散長度的增加,發射層厚度大的陰極增加幅度最大,靈敏度可達到2800 μA/lm.

圖8 透射式陰極理論靈敏度隨Ld 的變化Fig.8.Variation of the theoretical sensitivity of the transmission cathode with Ld.

4.2 陰極量子效率曲線仿真分析

當電子擴散長度一定時,陰極量子效率隨陰極發射層厚度的變化如圖9 所示.可以看出,隨著厚度的增加,短波響應不變,長波響應不斷提高.厚度增加,發射層吸收光子增多,從而激發的光電子也增多,量子效率提高.當發射層厚度大于一定值時,吸收的光子不能激發光電子,量子效率下降.

圖9 透射式陰極理論量子效率隨Te 的變化Fig.9.Variation of quantum efficiency of transmission cathode theory with Te.

當改變電子擴散長度而保持陰極發射層厚度不變時,可得到如圖10 所示的計算結果.可以看出,隨著電子擴散長度的增加,短波響應不變,長波響應部分提高.這是因為電子擴散長度越大,到達陰極表面的光電子數目將增加,量子效率也就越大,量子效率可達50%.

圖10 透射式陰極理論量子效率隨Ld 的變化Fig.10.Variation of quantum efficiency of transmission cathode theory with Ld.

5 結論

透射式GaAs 光電陰極結構中包含3 個膜層,在研究光在各膜層的傳播過程中,考慮到光在每層膜上的吸收、反射、透射,通過矩陣法求解三層膜,得到透射式GaAs 光電陰極膜系組合的理論反射率,基于均勻摻雜透射式GaAs 光電陰極量子效率公式,將定值R替換成變值Rthe,同時加入短波約束因子,對量子效率公式進行修正,得到修正后的均勻摻雜透射式GaAs 光電陰極量子效率公式.同時也仿真了量子效率隨Al 組分和摻雜濃度的變化而變化,可得到量子效率值最大時的Al 組分值和摻雜濃度.在此基礎上,為了縮短與國外之間的差距,研究了國產以及ITT 透射式光電陰極的光學性能以及光電發射特性.國內陰極靈敏度能達到2130 μA/lm,而國外能達到2330 μA/lm,通過對美國ITT 公司量子效率曲線的擬合,反推出ITT陰極組件的性能參數,與國內性能參數對比后得出主要是電子擴散長度以及發射層厚度的差距.設計透射式GaAs 光電陰極光學結構軟件,進一步具體分析電子擴散長度和發射層厚度對光電陰極量子效率的影響,從而優化陰極結構,結果表明電子擴散長度為7 μm,發射層厚度為1.5 μm 時,透射式GaAs 光電陰極靈敏度能達到2800 μA/lm 以上.然而大的電子擴散長度對陰極材料和制備水平具有很高的要求,導致我國與國內差距的原因一方面是陰極材料生長工藝不成熟,另一方面是陰極制備設備的落后.本文研究了GaAs 光電陰極光學性能和光電發射性能之間的關系,進一步對陰極組件結構設計進行優化,這對提高陰極量子效率以及像增強器的水平有一定的指導意義.