[发明专利]一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用碳掺杂及变掺杂技术增强透射式GaAs或InGaAs光电阴极短波响应且具备高热稳定性的材料变掺杂结构。属于可见、近红外波段光电发射材料技术领域。

背景技术

像增强微光夜视技术是通过带像增强管的夜视镜让人眼直接观察微光下模糊目标的光电成像技术。作为像增强管的核心，光电阴极的发展已经从多碱阴极材料发展到基于半导体材料的负电子亲和势（NEA）光电阴极。相比多碱阴极，负电子亲和势光电阴极具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量与角度分布集中等优点，大大增强了微光夜视仪的成像性能。

目前商业化的三代像增强管有响应波段在450nm-920nm的GaAs光电阴极、450nm到720nm的GaAsP光电阴极和450nm到1100nm的InGaAs光电阴极。在三代光电阴极的制作中需要将半导体材料通过焊料封接到高透光的玻璃基底上，一般热压焊接的温度在600度，压力在5-10 Kg/cm²。以GaAs光电阴极为例，由于AlGaAs窗口层与GaAs光吸收层的热胀系数不同，高温热压焊接容易使AlGaAs/GaAs界面变差，界面复合速度增加，光电阴极的短波响应也相应降低。另外，基于GaAs衬底的InGaAs光电阴极由于材料缺陷较多，高温热压会使得材料缺陷进一步增加，整体性能下降明显。

目前国内外一些专利和文献提出了变掺杂提升三代光电阴极短波响应的方法，具体是在材料内部形成一个内电场，加速光生电子向铯化面的漂移，降低界面处光生载流子复合几率。如文献（变掺杂GaAs光电阴极的研究进展 陈怀林， 牛军，常本康  材料导报：综述篇 2009年23卷第10期；）提出了利用P型梯度掺杂或指数?掺杂方法构建内建电场，掺杂方式为：从AlGaAs窗口层的GaAs重掺杂开始，梯度或指数?降低掺杂浓度，铯化面所在GaAs层掺杂浓度最低。这个方法存在的问题有：

1）为了不影响铯化时的铯-氧激活，P型GaAs一般采用的掺杂为Zn掺杂，而文献和实验均表明高温下Zn较容易扩散，因而基于Zn掺杂的梯度或指数?式分布在光电阴极工艺中的高温热压、高温烘烤除气、高温热清洗后存在掺杂分布改变的问题，使得内建电场强度大大降低甚至消失。

2）一般铯化时铯化面GaAs需要重掺杂才能形成较好的铯化效果，而目前文献报道的梯度掺杂?掺杂方法均设置铯化面GaAs为低掺杂区。由于铯化时GaAs表面亲和势大大降低，低掺杂GaAs将形成很厚的铯化耗尽区，影响光电子的有效逸出。

3） 按照文献上的梯度掺杂分布，若铯化面GaAs掺杂浓度较高，则铯化面GaAs掺杂浓度将接近梯度掺杂分布的最高掺杂浓度，掺杂的梯度分布不明显，使得内建电场微弱。

4）文献上设计的梯度掺杂?掺杂方法在AlGaAs窗口层处GaAs的重掺杂一般在10¹⁹ cm^-3以上，相比未掺杂或者低掺杂的AlGaAs/GaAs界面，重掺杂在高温高压时会大大增加界面的少子复合速率，降低器件短波响应。

发明内容

本发明提出一种增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其目的是基于现有梯度掺杂?方法的缺点，提供在高温下具有很强的热稳定性的变掺杂结构，其效果既保证内电场强度足够，又使得内电场不在光电阴极工艺过程改变，既不影响AlGaAs/GaAs的界面质量，又能保证铯化面GaAs的高掺杂浓度，因而可以得到高性能的透射式光电阴极。

本发明的技术解决方案：增强热稳定性的透射式光电阴极材料的变掺杂结构，其特征在GaAs衬底材料层往上依次为AlGaAs腐蚀阻挡层，GaAs锌重掺杂层，GaAs锌低掺杂层，GaAs 碳梯度掺杂层，GaAs间隔层，AlGaAs窗口层。GaAs锌重掺杂层厚度在10nm到100nm之间，锌掺杂浓度在1E10¹⁹ cm^-3到5E10¹⁹ cm^-3; GaAs锌低掺杂层厚度在10nm到100nm之间，锌掺杂浓度在0 到2E10¹⁸ cm^-3; GaAs 碳梯度掺杂层掺杂浓度从GaAs锌低掺杂层往GaAs间隔层递增，最高浓度在1E19 cm^-3到5E19 cm^-3，最低浓度与GaAs锌低掺杂层掺杂浓度一致；GaAs间隔层厚度在0nm到100nm之间，碳掺杂浓度在0 到1E10¹⁸ cm^-3。

本发明的思路如下：