劉 峰，石 峰，焦崗成，師宏立，苗 壯，任 彬

短波紅外閾場助式光電陰極p-InGaAs/p-InP異質(zhì)結(jié)設(shè)計與仿真

劉 峰1,2，石 峰1,2，焦崗成1,2，師宏立1,2，苗 壯1,2，任 彬1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點實驗室，山西 西安 710065；2. 北方夜視科技集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650223）

針對一種短波紅外閾透射式光陰極，簡要介紹其光子吸收層和電子發(fā)射層分離式異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)后，結(jié)合異質(zhì)結(jié)兩側(cè)對紅外光子顯著吸收效應(yīng)參數(shù)和對電子高效輸運(yùn)特性參數(shù)進(jìn)行建模，詳細(xì)研究了場助電壓對p-p型異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)和對短波紅外閾透射式光電陰極的影響。研究結(jié)果顯示：Schottky勢壘偏壓至少要達(dá)到8V才能較好消除p-InGaAs/p-InP異質(zhì)結(jié)的勢壘影響。此時，為達(dá)到較小的漏電流，In0.53Ga0.47As光吸收層厚度2mm，InP發(fā)射層厚度1mm，摻雜濃度均為1×1016cm－3。

場助式光陰極；短波紅外閾；InGaAs；異質(zhì)結(jié)

0 引言

當(dāng)今國防現(xiàn)代化建設(shè)的一個重要內(nèi)容是軍隊是否有能力全天候作戰(zhàn)，而這又著重體現(xiàn)在武器系統(tǒng)的作用和軍人的行動能否突破黑夜的限制。夜視器件被譽(yù)為黑夜中的“眼睛”。然而，當(dāng)前微光夜視裝備的現(xiàn)狀是以GaAs光陰極和多堿陰極為主的標(biāo)準(zhǔn)三代和超二代像增強(qiáng)器，其光譜響應(yīng)均未能突破0.93mm的長波閾值[1]。長期以來，人們不遺余力地拓展微光夜視器件核心部件——“光陰極”在短波紅外波段有高靈敏度響應(yīng)的原因至少有以下3個方面[2-5]：

1）夜天尤其是無月星空條件下的光譜分布；

2）自然界中背景和人工目標(biāo)的光譜特性在大于0.9mm波段的重大差別；

3）戰(zhàn)場上尤其是訓(xùn)練場上Nd:YAG激光輻射源的大量存在。

鑒于此，場助式光電陰極被提出，研究進(jìn)展顯示光譜響應(yīng)長波閾值可以從1.06～1.6mm，甚至可以截至到2.1mm[6-9]。本文針對一種典型的短波紅外閾透射式In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)結(jié)光電陰極結(jié)構(gòu)，簡要介紹其工作原理之后，對影響光陰極性能的In0.53Ga0.47As/ InP異質(zhì)結(jié)參數(shù)進(jìn)行以下3方面的建模和仿真。第一，優(yōu)化光吸收層厚度；第二，對In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)結(jié)在Schottky勢壘偏置電壓下的能帶變化進(jìn)行仿真和計算,同時對InP層和In0.53Ga0.47As層的摻雜濃度和厚度的影響給出了折衷考慮；第三，仿真兩種不同InP層厚度的漏電流-曲線，分析漏電流的形成原因，最終得出場助式光電陰極最佳工作參數(shù)。

1 場助式光電陰極結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理

場助式光電陰極主要是三元化合物InGa1－xAs或者四元化合物InGa1－xAsP1－y（0.75eV～1.35eV），結(jié)構(gòu)主要由6部分構(gòu)成：抗反層，窗口層InP，光子吸收層InGa1－xAs或InGa1－xAsP1－y和電子發(fā)射層InP，Cs, O層及電極，如圖1所示。它與當(dāng)前三代GaAs光陰極和普通近紅外光陰極的顯著不同之處在于采用了分離的光子吸收層和電子發(fā)射層[7]。

圖1 TE光陰極結(jié)構(gòu)

為減少光子吸收層InGa1－xAs和電子發(fā)射層InP之間的晶格失配帶來的電子陷阱對少子壽命的影響，對InGa1－xAs合金，利用Vegard定律在＝0.53時，InGa1－xAs合金晶格常數(shù)和InP達(dá)到完全匹配。當(dāng)＝0.53時，In0.53Ga0.47As合金晶格禁帶寬度g＝0.75eV，截止波長可達(dá)1.65mm。在In0.53Ga0.47As吸收層和InP發(fā)射層之間，設(shè)計了一個漸變層，此層的厚度對異質(zhì)結(jié)傳輸效率有至關(guān)重要的影響。緊接著是InP發(fā)射層，InP發(fā)射層的設(shè)計顛覆了當(dāng)前NEA GaAs光電陰極中光子吸收層和電子發(fā)射層同在一個激活層內(nèi)的設(shè)計模式，其膜層厚度和摻雜水平?jīng)Q定了外加偏置電場大小能否有效抑制異質(zhì)結(jié)界面處導(dǎo)帶勢壘。接下來的Ag層和P型InP形成Schottky勢壘接觸，提供偏置電壓的電接觸。而且，金屬和半導(dǎo)體接觸形成的“空穴勢壘”足夠高，可以有效抑制空穴電流，減小漏電流的產(chǎn)生。最后是Cs ,O層，降低InP功函數(shù)，形成NEA層。同時，Cs, O層必須有較高的電導(dǎo)率可以有效地對化合物半導(dǎo)體進(jìn)行偏置。

從圖2可以看出，在不加偏壓時，導(dǎo)帶在吸收層和發(fā)射層之間有存在異質(zhì)結(jié)勢壘，此勢壘嚴(yán)重阻礙了吸收層的光生載流子向表面的擴(kuò)散和發(fā)射。當(dāng)Schottky勢壘加反偏電壓時能帶見圖3所示。

圖2 TE光陰極未加電壓時能帶圖

圖3 TE光陰極加電壓時能帶圖

加反偏電壓后，在發(fā)射層InP表面產(chǎn)生耗盡層，在異質(zhì)結(jié)上加上足夠的場強(qiáng)以消除異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶上的勢壘。對于能量小于1.35eV，而大于0.75eV的光子將透明穿過InP緩沖層，在吸收層In0.53Ga0.47As中產(chǎn)生電子-空穴對。一部分電子在擴(kuò)散和外場漂移作用下將越過異質(zhì)結(jié)，穿通Schottky勢壘，克服有效功函數(shù)，然后向真空發(fā)射。

2 模擬中使用的模型

2.1 禁帶寬度

In1－xGaAs的禁帶寬度由下式進(jìn)行計算[10]：

g()＝1.35＋0.491＋0.5802

2.2 光吸收和激發(fā)

光吸收和激發(fā)由下式描述：

式中：是光線強(qiáng)度因子，它代表反射、透射和吸收的疊加效應(yīng)；0是內(nèi)量子效率，代表每一個光子產(chǎn)生的載流子對；代表傳輸距離；代表Planck常量；代表光速；是吸收系數(shù)，由下式?jīng)Q定：

=4p/

式中：是表征光能衰減的參量，稱為消光系數(shù)。

2.3 載流子產(chǎn)生/復(fù)合模型

考慮In0.53Ga0.47As為直接帶隙半導(dǎo)體，因此價帶和導(dǎo)帶之間的復(fù)合為直接復(fù)合，不考慮禁帶中雜質(zhì)能級的間接復(fù)合[11-12]。對于輻射復(fù)合，電子損失能量從導(dǎo)帶躍遷到價帶，對受激激發(fā)，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶。如下式：

R＝opt(－n2)

式中：opt代表俘獲系數(shù)。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 異質(zhì)結(jié)的光吸收特性模擬

In0.53Ga0.47As材料1.55mm光吸收系數(shù)為7× 103/cm，光波在材料中傳輸時，媒質(zhì)中光的吸收與傳輸距離成正比。圖4給出1.55mm光波在In0.53Ga0.47As材料傳輸中光強(qiáng)的變化曲線，橫坐標(biāo)為穿透深度，縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)，代表光強(qiáng)?？梢钥闯?，當(dāng)傳輸距離為2mm時，光強(qiáng)衰減為初始值的10－0.85≈0.14，在不考慮吸收的情況下可以認(rèn)為光強(qiáng)吸收了86%。以下的模擬將基于In0.53Ga0.47As材料的厚度為2mm。

圖4 1.55mm光波在In0.53Ga0.47As體材料中隨穿透深度的衰減曲線

3.2 Schottky勢壘偏壓對異質(zhì)結(jié)的能帶影響

從對場助式光陰極的工作原理可以看出p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)決定了場助式光電陰極的偏置電壓和量子效率。圖5是InP/In0.53Ga0.47As異質(zhì)結(jié)的未加偏壓下的能帶圖。光吸收層In0.53Ga0.47As 和電子發(fā)射層InP摻雜濃度為1e16cm-3，In0.53Ga0.47As光吸收層厚度2mm，InP發(fā)射層厚度1mm?？梢?，導(dǎo)帶在異質(zhì)結(jié)處形成了電子勢壘，勢壘高度約0.6eV。

圖6為Schottky勢壘加反偏電壓時p-InP/ p-InGaAs異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶輪廓圖。橫坐標(biāo)為p-InP/ p-InGaAs異質(zhì)結(jié)的厚度方向In0.53Ga0.47As和InP摻雜濃度和厚度同圖5。Vanode_00、Vanode_01、Vanode_02、Vanode_07、Vanode_1、Vanode_2、Vanode_4、Vanode_8、Vanode_10分別代表Schottky勢壘偏壓為0V、0.1V、0.2V、0.7V、1V、2V、4V、8V和10V。從圖6可以看出，當(dāng)In0.53Ga0.47As和InP摻雜濃度和厚度為特定值的條件下，反偏電壓達(dá)到2V時，完全不足以消除異質(zhì)結(jié)勢壘；當(dāng)反偏電壓達(dá)到4V時，異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶邊仍有較為明顯的突起；而直至到達(dá)10V時，異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶邊的仍然存在不連續(xù)現(xiàn)象；從8～10V，導(dǎo)帶邊在異質(zhì)結(jié)兩邊同步下降，而對于導(dǎo)帶的不連續(xù)消除的并不顯著。從導(dǎo)帶邊的變化過程可以看出，在光吸收層In0.53Ga0.47As和電子發(fā)射層InP摻雜濃度為1×1016cm－3，In0.53Ga0.47As光吸收層厚度2mm，InP發(fā)射層厚度1mm的條件下，Schottky勢壘偏壓至少要達(dá)到8V才能較好消除了p-InGaAs/p-InP異質(zhì)結(jié)的勢壘。圖7給出了Schottky勢壘偏壓為8V時的異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的電場圖，此時發(fā)射層InP體內(nèi)的電場強(qiáng)度達(dá)到72000V/cm。

圖5 p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)未加偏壓時的能帶圖

圖6 Schottky勢壘加不同反偏電壓時p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶輪廓圖

圖7 Schottky勢壘偏壓為8V時的異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的電場圖

圖8同樣是未加偏壓時的能帶圖，與圖5不同的是光吸收層In0.53Ga0.47As摻雜濃度保持1×1016cm－3不變，電子發(fā)射層InP摻雜濃度增大為1×1017cm－3，In0.53Ga0.47As厚度和InP發(fā)射層不變分別為2mm和1mm。此時，導(dǎo)帶在異質(zhì)結(jié)處形成的電子勢壘高度約0.7eV，比圖5顯示的要大，這是由于InP摻雜比In0.53Ga0.47As高，價帶頂也高于In0.53Ga0.47As價帶頂，因此導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶上的勢壘增大。

圖8 p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)未加偏壓時的能帶圖

圖9為Schottky勢壘反偏時p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶輪廓圖，與圖6不同的是InP摻雜濃度增大為1×1017cm－3。對比圖9和圖6，異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶輪廓圖相似，Schottky勢壘反偏電壓同樣應(yīng)該達(dá)到8V左右。圖9與圖6的一個明顯不同是異質(zhì)結(jié)InGaAs導(dǎo)帶邊的彎曲量的減小。這是由于InP摻雜濃度提高，導(dǎo)致電子發(fā)射層InP的電阻率小于光吸收層In0.53Ga0.47As電阻率，因此電勢降落在InP層的比例減小，場強(qiáng)也必然下降，但在保持反偏電壓不變的情況下同時提高了Schottky勢壘反偏電壓對p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)勢壘的抑制作用。這一點從圖10所示的電場曲線也可以看出，對比圖7，InP體內(nèi)電場強(qiáng)度降低為60000V/cm。當(dāng)然，并非InP摻雜越高越好，因為聯(lián)系圖8可以得到此時異質(zhì)結(jié)勢壘高度也增加了，另一方面在較高場強(qiáng)下InP體內(nèi)可以加速少子到比能谷更高的能谷，形成場助式轉(zhuǎn)移電子光陰極，形成轉(zhuǎn)移電子后可以增加場助式光陰極的逸出幾率從而提高光電陰極量子效率。因此InP層和In0.53Ga0.47As層的摻雜濃度需要折衷進(jìn)行優(yōu)化考慮。

圖9 Schottky勢壘加不同反偏電壓時p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶輪廓圖

3.3 InP厚度對異質(zhì)結(jié)漏電流的影響

為考察電子發(fā)射層厚度對異質(zhì)結(jié)漏電流的影響，對比了InP厚度為0.6mm和1mm兩種結(jié)構(gòu)下的漏電流。圖11所示黑色線代表InP厚度為1mm，紅色線代表InP厚度為0.6mm。InP摻雜濃度均為1×1016cm－3，In0.53Ga0.47As摻雜濃度為1e16cm-3，厚度都為2mm。從圖11可以看出，InP厚度小的異質(zhì)結(jié)漏電流大，這是由于InP厚度降低，同樣條件下InP層電勢降也減小，從而導(dǎo)致同樣條件下異質(zhì)結(jié)上的電勢降增大，漏電流也就增大。從圖11還可以看出，當(dāng)Schottky勢壘反偏從0V開始急劇增加，當(dāng)反偏電壓達(dá)到2V時漏電流增加緩慢，且隨著反偏電壓的增大，InP厚度對異質(zhì)結(jié)漏電流的影響也逐漸減小。

圖10 Schottky勢壘偏壓為8V時的異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的電場圖

圖11 InP厚度分別為1mm和0.6mm條件下p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)漏電流

4 結(jié)論

本文針對一種典型的短波紅外閾透射式In0.53Ga0.47As／InP異質(zhì)結(jié)光電陰極結(jié)構(gòu)，簡要介紹其工作原理之后，對影響光陰極性能的In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)結(jié)參數(shù)進(jìn)行建模和仿真。通過對吸收層的厚度建模，得出In0.53Ga0.47As厚度為2mm。從對Schottky勢壘反偏時p-InP/p-InGaAs異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶輪廓圖可以看出Schottky勢壘偏壓至少要達(dá)到8V才能較好消除p-InGaAs/p-InP異質(zhì)結(jié)勢壘。InP層和In0.53Ga0.47As層的摻雜濃度進(jìn)行折衷考慮后的結(jié)果是1E16cm－3，InP發(fā)射層厚度為1mm。在對漏電流的分析中，漏電流隨Schottky勢壘反偏電壓增加而增加，當(dāng)Schottky勢壘反偏電壓超過2V時漏電流增加緩慢，且隨著反偏電壓的增大，InP厚度對異質(zhì)結(jié)漏電流的影響也逐漸減小。

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Design and Simulation of p-InGaAs/p-InP Heterojunction within Short-wave Infrared Threshold Field-assisted Photocathode

LIU Feng1,2，SHI Feng1,2，JIAO Gang-cheng1,2，SHI Hong-li1,2，MIAO Zhuang1,2，REN Bin1,2

(1.,710065,；2.,,650223,)

One type of shortwave infrared threshold transmission field-assisted photocathode was reviewed, because of its heterojunction structure, the photon absorption layer and electron-emitting layer were separated from each other. On the basis of significant infrared photon absorption effect and high efficient carrier transmission effect, the influence of field-assisted voltage impact upon the energy band structure and the short-wave infrared threshold photocathode were modeled and simulated. This study demonstrates that the schottky barrier bias voltage at least reaches to 8V to eliminate the effect of p-InGaAs/p-InP heterojunction barrier. And under this condition, in order to get smaller leakage current, the thickness of In0.53Ga0.47As absorption layer is 2mm, the thickness of InP electron-emitting layer is 1mm, and both dopant level are 1×1016cm－3.

field-assisted photocathode，short-wave infrared threshold，InGaAs，heterojunction

TN215

A

1001-8891(2015)09-0778-05

2015-02-13；

2015-04-17.

劉峰（1982-），男，陜西延安人，碩士，主要從事材料表面處理研究工作。

微光夜視技術(shù)重點實驗室基金。