長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院 蔡 宸

1 引言

在光電子探測(cè)領(lǐng)域中，基于光電陰極的光電探測(cè)器件具有超高速、單光子響應(yīng)、大面積等優(yōu)點(diǎn)，在光電探測(cè)器件特別是微光夜視像增強(qiáng)器等特種器件有廣泛應(yīng)用[1]。作為夜視器件圖像產(chǎn)生的輻射源，在近紅外波段的夜天光光譜分布遠(yuǎn)高于可見光波段[2]，因此夜視技術(shù)的重要研究方向之一是提高器件的紅外響應(yīng)，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(zhǎng)波響應(yīng)直接決定夜視器件的紅外探測(cè)性能，而銻化物半導(dǎo)體材料具有電子遷移率高、載流子有效質(zhì)量小等性能優(yōu)勢(shì)，是一種性能優(yōu)良的紅外半導(dǎo)體材料[3]，因此對(duì)以GaSb材料作為代表的銻化物光電陰極進(jìn)行研究。由于窄禁帶光電陰極材料GaSb作為光電陰極發(fā)射層材料進(jìn)行Cs/O難以形成NEA狀態(tài)[4]，因此為使陰極表面形成NEA狀態(tài)，提高陰極光譜響應(yīng)，GaSb光電陰極采用TE場(chǎng)助異質(zhì)結(jié)GaSb/GaAs光電陰極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下異質(zhì)結(jié)處的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)GaSb光電陰極光電發(fā)射性能有重要影響，因此有必要研究異質(zhì)結(jié)處的能帶結(jié)構(gòu)。

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(fā)射層異質(zhì)結(jié)界面處如圖1(a)所示存在約0.7eV的導(dǎo)帶勢(shì)壘，該勢(shì)壘的存在對(duì)光電子傳輸?shù)桨l(fā)射層是十分不利的，因此在肖特基勢(shì)壘上外加反偏電壓形成耗盡場(chǎng)，以耗盡發(fā)射層并消除異質(zhì)結(jié)勢(shì)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(jì)算過程中假設(shè)異質(zhì)結(jié)處能帶是漸變的，可由雙曲漸變函數(shù)描述：

式中△Eg為GaAs發(fā)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(fā)射層厚度，L為漸變區(qū)寬度，x為該處距離發(fā)射層表面距離。

同時(shí)要考慮外加偏壓引起的異質(zhì)結(jié)空間電勢(shì)的改變，可由下式描述：

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

式中k為玻爾茲曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度，VD為內(nèi)建電勢(shì)，Vb為所加偏壓。耗盡區(qū)寬度如超出發(fā)射層厚度，則超出部分計(jì)算時(shí)采用吸收層的材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

由描述異質(zhì)結(jié)能帶變化的漸變函數(shù)和外加偏壓空間電勢(shì)疊加，可以得到該處導(dǎo)帶變化與到發(fā)射層表面距離x關(guān)系的完整模型：

設(shè)發(fā)射層摻雜濃度為1×1016cm-3，吸收層摻雜濃度為1×1017cm-3，發(fā)射層厚度為0.5μm，漸變區(qū)寬度為0.2μm，可得到該條件下不同反偏電壓時(shí)異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶變化情況。從圖2異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶變化模擬結(jié)果中可以看到，外加偏壓達(dá)到10V才能較好地消除p-GaAs/p-GaSb異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘，此時(shí)較大的偏壓可能引起暗電流偏大等不良反應(yīng)，因此應(yīng)根據(jù)GaSb光電陰極對(duì)長(zhǎng)波響應(yīng)、光譜響應(yīng)的具體要求，設(shè)計(jì)合適的發(fā)射層摻雜濃度、吸收層摻雜濃度和厚度等陰極材料參數(shù)。

圖2 不同偏壓下p-GaAs/p-GaSb異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶圖

由于異質(zhì)結(jié)能帶計(jì)算模型中，忽略了異質(zhì)結(jié)能帶不連續(xù)的情況，因此考慮到吸收層發(fā)射層實(shí)際能帶結(jié)構(gòu)以及發(fā)射層表面激活情況，GaSb光電陰極能帶結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。圖3中EC為導(dǎo)帶底能級(jí)，EV為價(jià)帶頂能級(jí)，EF為費(fèi)米能級(jí)，EL為真空能級(jí)。由于GaAs發(fā)射層和GaSb吸收層存在一約0.7eV的勢(shì)壘，因此考慮通過外加偏壓作用消除該勢(shì)壘對(duì)光電子輸運(yùn)的不利影響，從而使吸收層激發(fā)的光電子輸運(yùn)到發(fā)射層，從而克服表面勢(shì)壘發(fā)射到真空中。

圖3 偏壓下GaSb光電陰極能帶結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

通過雙曲漸變函數(shù)描述異質(zhì)結(jié)能帶變化，以發(fā)射層摻雜濃度1×1016cm-3、吸收層摻雜濃度1×1017cm-3、發(fā)射層厚度0.5μm、漸變區(qū)寬度0.2μm為條件，模擬了不同偏壓下異質(zhì)結(jié)處能帶變化情況，在偏壓達(dá)到10V時(shí)才能較好地消除異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘對(duì)光電子發(fā)射的不利影響。雖然較大的外加偏壓能有效地消除異質(zhì)結(jié)勢(shì)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(jù)光電陰極的性能需求對(duì)陰極的外加偏壓、厚度、摻雜濃度等參數(shù)進(jìn)行綜合考量，本文研究對(duì)GaSb光電陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作條件優(yōu)化提供了有益的參考。

[1]向世明.光電子成像器件原理[M].國(guó)防工業(yè)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(dǎo)體材料與器件應(yīng)用研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體技術(shù),2009,34(6):525-530.

[4]李晉閩.場(chǎng)助半導(dǎo)體光電陰極理論與實(shí)驗(yàn)[M].科學(xué)出版社,1993.