AlGaAs基光電陰極光學性質計算模型分析

趙 靜,馮 琤,覃 翠,郭 婧

(1. 南京工程學院信息與通信工程學院, 江蘇 南京 211167;2. 南京工程學院自動化學院, 江蘇 南京 211167)

負電子親和勢AlGaAs/GaAs光電陰極量子效率高、暗電流小、長波響應好、電子出射的平均能量及角分布小、工作模式符合日常使用習慣,可廣泛應用在微光像增強器、半導體敏感器件、自旋電子學、新一代加速器電子源等眾多領域[1-5].自從GaAs光電陰極出現以來,主要研究集中于光電陰極帶寬的拓展、積分靈敏度的提高、激活方法的優化、壽命問題的探索等[6-12].不同應用場景下對光電陰極光譜響應的要求不同,夜空輻射的光譜范圍集中在500～1 700 nm,標準微光夜視用三代GaAs光電陰極通常注重于長波響應的拓展;在沙漠、水中、海域等特殊環境下,來自目標的圖像信息響應范圍為430～570 nm的藍綠光波段,故用于沙漠、海水探測的AlGaAs光電陰極需要短波響應較高[13-14].通過結構設計,AlGaAs/GaAs光電陰極可從理論上滿足不同場合不同光譜的需求,因此需要分析不同結構的光電陰極在不同光譜下的光學性質.這里的結構設計包含不同組分、摻雜的AlGaAs材料,可以統稱為AlGaAs基光電陰極.

由光電發射模型可知,參與發射的光電子是來自于陰極吸收部分的光子,因此光電陰極的光學性能直接影響光電發射性能,吸收率的大小決定了光譜響應的高低.根據AlGaAs基光電陰極光學結構的通用性分析,本文擬建立適用于各類多膜層系光電陰極的光學性質計算模型,并經試驗驗證其有效性.基于模型研究光電陰極中發射層、窗口層、增透層厚度對單波長光子吸收的影響,研究400～900 nm不同波長響應時光電陰極的優化結構設計.

1 理論建模

構建一個適用于各類光譜響應的AlGaAs基光電陰極結構模型,包含玻璃基底、增透層、窗口層、若干發射層的多層膜結構,如圖1所示.增透層通常采用Si3N4材料,厚度薄,在0.1 μm左右,主要用于增強光子入射率;窗口層是為了提升增透層和發射層間的晶格適配性而設置的一個緩沖結構,可采用與發射層材料類似的薄層;發射層是由不同組分或摻雜的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料組成,組分與摻雜情況會影響光譜響應的范圍;玻璃層比其他幾個薄膜層厚很多,在光路結構中可以將玻璃看作光子進入光電陰極的入射介質,隨后光電子依次通過其他三個薄膜層,從內部真空環境中射出,最后進入微通道板等部件進一步增強光電子.因此,從結構上來說,每個薄膜層結構參數對光電陰極的光學性質都有重要影響.根據薄膜光學矩陣理論,3個薄膜層可以分別用3個包含各層光學信息的特征矩陣來表示,通過矩陣計算可得到光譜吸收率.

圖1 AlGaAs基光電陰極結構

計算多層薄膜結構的AlGaAs基光電陰極的光學性能時,為了與試驗測試方式一致,反射率和透射率的光路順序相反,矩陣計算分別進行.計算反射率時,從玻璃入射,矩陣計算順序為增透層→窗口層→發射層1→發射層2→…→發射層K→空氣,即:

(1)

需要注意的是,由于MZ、MC的形式與Mj一致,在后續計算中將它們合寫在一起.

在計算透射率時,根據試驗方法,光路方向為從空氣入射到發射層,矩陣計算順序為發射層K→…→發射層2→發射層1→窗口層→增透層→玻璃,即:

(2)

式中:Mg為玻璃基底信息;ηg為膜系出射介質玻璃的折射率.

MZ和MC的處理與反射率計算同理.這樣,AlGaAs基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的計算公式為[15]:

(3)

(4)

Athe=1-Rthe-Tthe

(5)

2 試驗研究

為了驗證模型設計的合理性,利用模型公式分別計算寬光譜響應和窄帶響應兩類光電陰極,并與試驗曲線進行對比.試驗樣品A為一個梯度摻雜的GaAs光電陰極樣品,窗口層Al組分為0.63,厚度為1 μm,發射層厚度為2 μm;試驗樣品B為一個對532 nm敏感的AlGaAs光電陰極,窗口層Al組分為0.79,厚度為0.5 μm,發射層Al組分為0.63,厚度為1.6 μm.樣品A發射層按照等厚度梯度摻雜分布,樣品B發射層按照遞增厚度、遞減摻雜分布,具體樣品結構如圖2所示,圖2中僅給出窗口層和發射層結構,因增透層和玻璃基底相同,這里未畫出.

(a) GaAs光電陰極樣品A

圖3分別為兩種樣品光學性質的理論計算結果和試驗曲線.由圖3可見,吸收區樣品A、B的理論曲線和試驗曲線反射率和透射率都出現了類似于干涉條紋的、峰谷相間的多層膜干涉效應,理論曲線與試驗曲線形式上都非常接近.說明本文所建計算模型對于GaAs光電陰極和AlGaAs光電陰極有效,可應用于各類多層薄膜結構的光電陰極.理論與試驗的主要誤差來源于樣品在制備過程中的實際厚度與設計厚度值之間有偏差,影響了理論計算結果,但這是可接受的,后期可通過厚度擬合來進一步縮減誤差.圖3(b)中,AlGaAs光電陰極的曲線誤差稍大,原因是Al組分為0.79的AlGaAs材料的光學常數有缺失,采用了Al0.804Ga0.196As的光學常數值取代計算而造成的.

(a) 陰極樣品A

3 仿真分析

AlGaAs基光電陰極包括若干AlGaAs發射層、AlGaAs’窗口層、Si3N4增透層、玻璃基底.為了研究除玻璃外各層對光電陰極性能的影響,本文仿真測試各層結構變化時各單波長點的光學性能變化情況.根據仿真結果,能分析出不同波長響應要求下應具有的陰極結構.

3.1 發射層厚度

首先討論發射層的厚度對單點吸收率的影響關系,假設:只有一個GaAs材料發射層,發射層可以是均勻摻雜的、同一組分的單層結構,也可以是不同摻雜、同一組分的變摻雜結構,暫不考慮摻雜對光學性質的影響;AlGaAs’窗口層厚度為1 μm,Al組分為0.63,Si3N4增透層厚度為0.1 μm,GaAs發射層厚度在0～2 μm間隔0.1 μm變化.運用式(1)至式(5)分別計算波長在400～900 nm之間每間隔50 nm取值時的吸收率分布情況,如圖4所示.由圖4可見,吸收率隨發射層厚度的增加而增加;從單波長響應來看,波長在400～500 nm時,吸收率幾乎不受GaAs層厚度的影響,只隨波長增加,這是因為GaAs層主要吸收長波光子,而短波光子主要被AlGaAs層吸收.因此,GaAs層對短波段的吸收率影響很小,幾乎可以忽略.

圖4 吸收率隨發射層厚度變化的分布情況

隨著波長的增加,吸收率曲線先增大后減小,即存在一個最大吸收峰值.不同GaAs層厚度的峰值吸收波長不同,如表1所示.由表1中可見,發射層厚度越薄,峰值波長越小.這是由于長波光子吸收長度比較長,在更深的厚度處才被吸收.在半導體材料的吸收中,GaAs層厚度越薄,光子的波長越長,吸收能力越弱.因此,薄發射層的吸收率隨波長的增加而降低,相反,發射層越厚,吸收的長波光子越多,較厚發射層的吸收率隨波長的增加而增大.當厚度超過一定值時,光子被完全吸收,吸收率增加不明顯.在800 nm以上,無論發射層的厚度如何,吸收率都隨著波長的增加而降低.特別是900 nm后,吸收率幾乎下降到0,即達到了GaAs材料的吸收極限.厚度為1.5 μm的發射層對應550～800 nm波段的光子絕大部分都能吸收,吸收率均超過90%,超過1.5 μm后吸收率隨厚度的增加不明顯.

表1 不同峰值吸收響應對應的GaAs發射層厚度范圍

由表1可見,越長的波長響應對應的GaAs層厚度越厚,說明短波光子吸收長度比較短、在半導體表面吸收,長波光子吸收長度長、在半導體材料體內吸收.類似地,可以根據不同的吸收率要求,計算出不同波長響應對GaAs層結構的要求.當發射層厚度過低時,長波光子在發射層內吸收不充分,會影響長波量子效率;而發射層較薄有利于短波光子產生的光電子在被復合之前輸運到表面,能有效提升短波響應.

為了進一步分析各波長光子在發射層內具體的吸收位置,將2 μm的發射層分割為10個子層,每個子層厚度為0.2 μm,計算若干波長點光子在10個子層內的吸收率,具體分布情況如圖5所示.由圖5可見,400～600 nm波段的光子主要在第一個子層被吸收,也就是發射層的表面0.2 μm內;700～800 nm波段的光子主要在前三個子層被吸收,也就是發射層的表面0.6 μm內;850 nm波段以后的光子在各子層間的吸收比較均勻,都在10%左右;900 nm之后已無吸收.

圖5 GaAs各子層的吸收率分布情況

3.2 窗口層厚度

分析窗口層影響時,將發射層設計為單層情況,根據理論計算公式,假設GaAs發射層厚度為1.6 μm,Al組分為0.63,Si3N4增透層厚度為0.1 μm;AlGaAs’窗口層厚度在0～2 μm之間間隔0.1 μm變化,吸收率分布情況如圖6所示.由圖6可見:吸收率曲線受AlGaAs’層厚度的影響不大,只是部分波長處出現了峰谷現象,這是由于AlGaAs’材料的禁帶寬度比較大,主要吸收短波光子,而短波光子大都在材料表面較淺的深度內被吸收,所以窗口層厚度的變化對吸收率的影響不明顯;波長在400～700 nm時,不論窗口層厚度如何,吸收率都隨波長的增加而增加,在700 nm時達到吸收峰值;波長在750～900 nm,吸收率隨波長的增加而減小;波長在850 nm之后,吸收率急劇下降,減小到幾乎為0;波長在550～800 nm.對于任意厚度的窗口層,吸收率都能達到90%以上.

圖6 吸收率隨窗口層厚度變化的分布情況

3.3 增透層厚度

假設AlGaAs’窗口層厚度為1 μm,Al組分為0.63,GaAs發射層厚度為1.6 μm,Si3N4增透層厚度在0～0.2 μm之間間隔0.01 μm變化,分別計算波長在400～900 nm之間每間隔50 nm取值時的光電陰極吸收率分布情況,如圖7所示.由圖7可見,AlGaAs基光電陰極組件吸收率的變化隨增透層厚度不同出現了峰谷變化,變化周期約為0.1 μm.波長在400～700 nm,峰值大小隨波長增大而逐步增加,峰值位置從0.04 μm變化到0.08 μm,0.046 μm的增透層在400 nm波長處達到吸收率峰值94.66%,0.076 μm的增透層在650 nm波長處達到吸收率峰值99.71%,這也是所有波長點的吸收率峰值;波長在700～900 nm,吸收率隨波長增加逐步減小,波長在850 nm以后,吸收率減小得更為明顯.

圖7 吸收率隨增透層厚度變化的分布情況

為了更細致地分析單波長處吸收率與增透層厚度間的關系,仿真計算吸收率峰值隨厚度的分布情況,如表2所示.由表2可見,400～800 nm波段吸收率的峰值都超過了92%,其中400～550 nm波段光子峰值吸收率對應2個厚度值.

表2 單波長處吸收率峰值與增透層厚度的分布

4 結語

本文建立了多發射層AlGaAs基光電陰極的通用光學性質計算模型,并用該模型分別計算了寬光譜響應的GaAs光電陰極和532 nm敏感的窄帶響應AlGaAs光電陰極的光學性質,其與試驗曲線具有一致的變化趨勢,僅出現部分可接受誤差;試驗驗證了模型對于各種多發射層AlGaAs基光電陰極的有效性,而單發射層可以看作多發射層的簡單情況;基于模型仿真計算了AlGaAs/GaAs光電陰極組件結構與400～900 nm波段各單波長光子吸收間的關系,分別探討了0～2 μm的GaAs發射層、0～2 μm的AlGaAs發射層、0～0.2 μm的Si3N4增透層對單波長響應時光電陰極吸收率的影響.研究表明,同一波長響應下,GaAs發射層對光電陰極吸收率的影響最大,其次是Si3N4增透層,而AlGaAs發射層的厚度對吸收率的影響不明顯.要得到90%以上的吸收率,在600 nm波長響應下要求發射層厚度大于0.5 μm,700 nm時應大于0.8 μm,800 nm時應大于1.5 μm.本文的研究結果可為不同需求下各類響應AlGaAs基光電陰極提供光學性質計算模型和結構設計的參考依據.