NEA GaN光電陰極材料光學(xué)特性研究

喬建良，高有堂，徐 源，牛 軍，常本康

NEA GaN光電陰極材料光學(xué)特性研究

喬建良1，高有堂1，徐 源2，牛 軍1，常本康2

（1．南陽(yáng)理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004；2．南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

針對(duì)NEA GaN光電陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝需進(jìn)一步優(yōu)化的問(wèn)題，結(jié)合陰極量子效率表達(dá)式和影響量子效率的因素，采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分別研究了GaN光電陰極材料的表面反射率、光學(xué)折射率、光譜吸收系數(shù)以及透射光譜等光學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明在250nm到365nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，表面反射率相對(duì)平穩(wěn)，是影響量子效率的直接因素，而光學(xué)折射率則通過(guò)電子表面逸出幾率間接影響著量子效率。給出了均勻摻雜GaN光電陰極的光譜吸收系數(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)變摻雜NEA GaN光電陰極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了光譜平均吸收系數(shù)的概念和等價(jià)計(jì)算公式，并對(duì)均勻摻雜與變摻雜NEA GaN光電陰極光譜吸收系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

GaN；光電陰極；量子效率；變摻雜；光譜吸收系數(shù)

0 引言

伴隨著GaN晶體生長(zhǎng)技術(shù)的不斷突破，NEA GaN光電陰極在紫外探測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)、真空電子源等領(lǐng)域?qū)@得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。GaN光電陰極材料的生長(zhǎng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定探測(cè)器件靈敏度的主要因素，而生長(zhǎng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終通過(guò)GaN晶體材料的性能參數(shù)來(lái)表征[4-5]。用于光電陰極的GaN晶體材料是P型摻雜的半導(dǎo)體材料，包括均勻摻雜和變摻雜等摻雜結(jié)構(gòu)。表征GaN晶體性能的參數(shù)可分為光學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)兩大類，其中光學(xué)參數(shù)主要包括材料對(duì)入射光的表面反射率、材料的光譜吸收系數(shù)、材料的光學(xué)折射率、材料的透射光譜等。這些參數(shù)對(duì)陰極的靈敏度都有直接或間接的影響，決定著光譜響應(yīng)的峰值及其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍，最終通過(guò)陰極的量子效率大小反映出來(lái)[6-9]。

近年來(lái)不少研究者對(duì)GaN晶體材料的光學(xué)特性進(jìn)行了的研究，如文獻(xiàn)[10]給出了GaN晶體材料的光學(xué)折射率，斯坦福大學(xué)給出了均勻摻雜GaN陰極材料的吸收系數(shù)[11]，李雪等研究者測(cè)量了纖鋅礦GaN外延薄膜的透射光譜，并采用導(dǎo)納矩陣對(duì)樣品的透射光譜進(jìn)行了理論擬合，得到了了纖鋅礦GaN外延薄膜的光學(xué)特性[12]。但作為紫外光電陰極材料，由于有反射式和透射式兩種工作模式，GaN光電陰極的透射光譜、變摻雜陰極材料的光譜吸收系數(shù)等光學(xué)特性需要進(jìn)一步明確，陰極的光學(xué)特性參數(shù)對(duì)激活后陰極量子效率的影響需進(jìn)一步研究。本文通過(guò)對(duì)GaN晶體材料光譜吸收系數(shù)的研究，結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)均勻摻雜和變摻雜GaN外延材料進(jìn)行分析和表征。結(jié)合影響GaN陰極量子效率的主要因素，在目前材料生長(zhǎng)技術(shù)和制備水平的限制下，為陰極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

1 GaN光電陰極材料光學(xué)特性分析

1.1 GaN光電陰極材料表面反射率

作為外光電效應(yīng)的光電發(fā)射現(xiàn)象，材料響應(yīng)范圍內(nèi)入射光的照射是其發(fā)生的必要條件。陰極材料對(duì)入射光的表面反射率直接影響到材料對(duì)光的吸收效率，并最終影響到陰極的量子效率。

通過(guò)求解非平衡載流子的擴(kuò)散方程，可推導(dǎo)出反射式均勻摻雜NEA GaN光電陰極的量子效率表達(dá)式如公式(1)所示：

同理可得透射式均勻摻雜NEA GaN光電陰極的量子效率表達(dá)式如公式(2)所示[13]：

式中：是電子的表面逸出幾率；是材料發(fā)射層對(duì)入射光的吸收系數(shù)；D是材料的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度；是陰極材料對(duì)入射光的反射率；n是電子擴(kuò)散系數(shù)；v是后界面復(fù)合速率；e是陰極材料發(fā)射層的厚度。

由公式(1)、(2)可見(jiàn)，NEA GaN光電陰極的量子效率最終受材料的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)影響，尤其是材料對(duì)入射光的反射率，吸收系數(shù)，電子擴(kuò)散長(zhǎng)度D等參數(shù)，表面反射率是影響陰極材料量子效率的主要因素之一。

通過(guò)計(jì)算可得GaN陰極材料的表面反射率如圖1所示[14]，由圖1可知，在測(cè)試的起始波長(zhǎng)250nm到GaN閾值附近365nm的短波端，表面反射率相對(duì)平穩(wěn)固定，其值約為0.2。在閾值附近365nm到375nm的過(guò)渡區(qū)，表面反射率由0.2線性增大到0.27，而375nm以上的長(zhǎng)波段，表面反射率由0.27緩慢下降到到0.25左右。結(jié)果顯示，GaN材料的表面反射率特性可有效地保障測(cè)試波長(zhǎng)范圍內(nèi)陰極量子效率的平穩(wěn)性，在小于365nm的紫外波段內(nèi)表面反射率小而且相對(duì)穩(wěn)定，在閾值之外突然變大也保證了GaN陰極用于紫外探測(cè)的有效性。

圖1 GaN陰極材料的表面反射率

1.2 GaN光電陰極材料光學(xué)折射率

用于光電陰極材料的GaN晶體為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，300K時(shí)生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的纖鋅礦GaN的折射率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線如圖2所示[10]，由圖可見(jiàn)，折射率在入射光波長(zhǎng)約為365nm時(shí)最大，365nm以上，折射率隨著波長(zhǎng)的增大而迅速減小，其紅外折射率約為2.3。根據(jù)上述量子效率的計(jì)算公式，GaN陰極材料的光學(xué)折射率并未直接影響到量子效率，但折射率會(huì)影響到進(jìn)入體內(nèi)的光子的方向，進(jìn)而影響到產(chǎn)生光電子的材料體內(nèi)位置和深度，使到達(dá)表面的光生電子數(shù)量發(fā)生變化，最終通過(guò)電子的表面逸出幾率P間接影響量子效率。

1.3 GaN光電陰極材料光譜吸收系數(shù)

1.3.1 均勻摻雜GaN光電陰極的光譜吸收系數(shù)

GaN陰極材料的吸收系數(shù)表示材料對(duì)光子吸收能力的強(qiáng)弱，光譜吸收系數(shù)與陰極光電發(fā)射現(xiàn)象有著極其密切的關(guān)系。圖3給出了GaN的吸收系數(shù)與入射光子能量的關(guān)系[11]。

圖2 纖鋅礦GaN陰極材料的折射率

圖3 均勻摻雜GaN陰極材料的吸收系數(shù)

由圖3可見(jiàn)，是入射光子能量的函數(shù)。對(duì)某一具體半導(dǎo)體材料，吸收系數(shù)隨著入射光子波長(zhǎng)的變化而變化，也會(huì)受到材料的生長(zhǎng)質(zhì)量，P型摻雜濃度等其他特性的影響。根據(jù)圖3給出的均勻摻雜GaN陰極材料的吸收系數(shù)隨入射光子能量變化曲線，可以把GaN陰極材料對(duì)紫外入射光的吸收分為3個(gè)區(qū)域：入射光子能量在3.3eV以下的弱吸收區(qū)，該區(qū)域吸收系數(shù)在0.2×105cm－1以下，3.3eV到3.4eV的過(guò)渡吸收區(qū)，該區(qū)域吸收系數(shù)約在0.3×105cm－1左右，3.4eV以上的強(qiáng)吸收區(qū)，該區(qū)域吸收系數(shù)在0.5×105cm－1以上。

在光電發(fā)射“三步模型”的第一階段，即光的吸收階段，陰極材料在入射光的照射下，價(jià)帶中的電子要吸收入射光子的能量，這是光電發(fā)射產(chǎn)生的第一步，所以GaN陰極材料發(fā)射層對(duì)光子的吸收是影響陰極激活后量子效率的關(guān)鍵因素之一，量子效率的計(jì)算公式給出了入射光的吸收系數(shù)對(duì)量子效率的定量影響。

1.3.2 變摻雜GaN光電陰極的光譜吸收系數(shù)

一般地，對(duì)采用某一固定摻雜濃度的均勻摻雜GaN陰極材料，吸收系數(shù)可看作入射光子能量的ν函數(shù)，其值隨入射光子能量ν的增加而增加。變摻雜技術(shù)的采用使得材料的摻雜濃度從體內(nèi)到表面依次降低，實(shí)際制備時(shí)采用梯度摻雜方式，即摻雜濃度呈梯度變化規(guī)律，因吸收系數(shù)(ν)會(huì)受到材料摻雜濃度的影響，所以變摻雜GaN陰極材料的吸收系數(shù)會(huì)變得不再是定值，由生長(zhǎng)后材料的具體摻雜情況來(lái)決定。實(shí)際計(jì)算時(shí)可采用材料的平均吸收系數(shù)來(lái)表示[15]。

圖4給出了計(jì)算梯度摻雜GaN陰極材料平均吸收系數(shù)的示意圖。假設(shè)采用層摻雜結(jié)構(gòu)，各層的厚度分別為1，2，…，l，假設(shè)各層對(duì)應(yīng)的摻雜濃度表示為A1，A2，…，An，其中位于材料外層的A1最小，位于材料內(nèi)層的An最大，設(shè)不同摻雜濃度GaN材料的吸收系數(shù)分別表示為1，2，…，a。

圖4 變摻雜GaN陰極材料的平均吸收系數(shù)示意圖

假設(shè)入射光強(qiáng)在反射模式下為0，進(jìn)入陰極后光強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律減小。則入射光到達(dá)陰極內(nèi)＝l處時(shí)，光強(qiáng)I由公式(3)表示：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可得變摻雜GaN陰極材料的平均吸收系數(shù)E的計(jì)算方法如公式(4)所示：

由上式可見(jiàn)，平均吸收系數(shù)E可由陰極總的厚度，對(duì)應(yīng)不同摻雜濃度的各層厚度以及各層吸收系數(shù)決定。其值與變摻雜陰極的分層情況、各層厚度以及各層摻雜濃度都有關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合全面考慮。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的均勻摻雜與變摻雜NEA GaN光電陰極光譜吸收系數(shù)的對(duì)比結(jié)果如圖5所示[16]，變摻雜GaN光電陰極吸收系數(shù)為各摻雜濃度的平均吸收系數(shù)。

圖5 GaN陰極材料的光學(xué)吸收系數(shù)

1.3.3 GaN光電陰極材料光譜吸收系數(shù)討論

一般地，GaN材料的吸收系數(shù)隨入射光子能量ν的增加而增加，可表示為(ν)，入射光子能量越大，吸收系數(shù)(ν)越大，光子在材料內(nèi)的吸收長(zhǎng)度越短。研究發(fā)現(xiàn)，陰極吸收系數(shù)(ν)還與材料的摻雜濃度有關(guān)。當(dāng)入射光子的能量大于閾值3.4eV時(shí)，吸收系數(shù)(ν)會(huì)隨摻雜濃度的增大而略微減小，即摻雜濃度較低的GaN陰極材料相對(duì)具有較強(qiáng)的入射光吸收能力。對(duì)高摻雜濃度的重p型GaN材料，在閾值附近吸收系數(shù)曲線的斜率會(huì)變小，變得沒(méi)那么陡峭，即在入射光子的能量小于閾值3.4eV時(shí)，材料對(duì)光子的有效吸收能力會(huì)隨著摻雜濃度的提高而增強(qiáng)。另一方面，重?fù)诫s技術(shù)會(huì)造成GaN材料能帶帶尾擴(kuò)張，禁帶壓縮，使得電子由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需能量減小，這對(duì)陰極量子效率的提高是有幫助的。通過(guò)采用重?fù)诫s技術(shù)，盡量減小GaN材料表面附近的耗盡層寬度，可減小材料內(nèi)部電離雜質(zhì)移動(dòng)的距離，減小光生電子的散射現(xiàn)象和在表面層的俘獲現(xiàn)象。這些都可以彌補(bǔ)因吸收系數(shù)略微減小造成的負(fù)面影響。

由圖5可見(jiàn)，均勻摻雜與變摻雜NEA GaN光電陰極光譜吸收系數(shù)在測(cè)試的260nm到340nm范圍內(nèi)變化規(guī)律基本一致，但在數(shù)值的大小上還是有一定區(qū)別的。整體上來(lái)看，變摻雜的平均吸收系數(shù)比均勻摻雜的要略小，原因之一可能是由于測(cè)試的變摻雜陰極材料平均摻雜濃度大于均勻摻雜的摻雜濃度。小于275nm的短波端表現(xiàn)出的差異更大，說(shuō)明短波端測(cè)試的變摻雜陰極材料對(duì)入射光子的吸收長(zhǎng)度相對(duì)于均勻摻雜的要大。

1.4 GaN光電陰極材料透射光譜

通過(guò)測(cè)試GaN陰極材料的透射光譜，可評(píng)估材料的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)量子效率的影響。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，暫不考慮陰極材料內(nèi)部的二次和多次反射引起的干涉現(xiàn)象，一種典型的GaN光電陰極樣品模型示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 GaN光電陰極樣品模型示意圖

一般地，GaN陰極材料包括p型GaN發(fā)射層、緩沖層和藍(lán)寶石襯底3層，其中發(fā)射層為0.5mm厚的GaN，緩沖層采用2mm厚的GaN，襯底采用300mm到500mm厚的藍(lán)寶石，三層與空氣分別形成了4個(gè)界面，各個(gè)界面處均存在光的反射現(xiàn)象。

設(shè)0，1，2，3分別為空氣和p型GaN層，p型GaN層和緩沖層，緩沖層和藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底和空氣4個(gè)界面的反射率。1、2、3分別為GaN發(fā)射層、緩沖層和藍(lán)寶石襯底的厚度。1、2、3分別為GaN發(fā)射層、緩沖層和藍(lán)寶石襯底的光學(xué)吸收系數(shù)。則GaN陰極材料的透射光譜可表示為公式(5)[16]：

可見(jiàn)，GaN陰極材料的透射光譜與材料的分層結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，對(duì)于某種結(jié)構(gòu)的陰極樣品，若知道了不同界面的反射率和材料不同層的吸收系數(shù)及厚度，就可以通過(guò)公式(5)計(jì)算出透射光譜。反過(guò)來(lái)，根據(jù)測(cè)試的透射光譜也可以評(píng)估材料結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。

2 結(jié)論

作為新型紫外光電陰極，NEA GaN光電陰極具有美好的發(fā)展前景，以其為核心的探測(cè)器件探測(cè)靈敏度的高低與陰極材料的生長(zhǎng)質(zhì)量和制備水平直接相關(guān)，材料質(zhì)量可通過(guò)光學(xué)特性和電學(xué)特性參數(shù)來(lái)表征。本文以NEA GaN光電陰極的量子效率表達(dá)式為依據(jù)，從影響陰極量子效率的因素入手，較為詳細(xì)地給出了表面反射率、光學(xué)折射率、材料的光譜吸收系數(shù)以及透射光譜等光學(xué)參數(shù)的特性，分析了這些光學(xué)參數(shù)對(duì)陰極光電發(fā)射特性的影響。并重點(diǎn)從變摻雜NEA GaN光電陰極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，研究了光譜平均吸收系數(shù)的等價(jià)計(jì)算公式。光學(xué)特性的測(cè)試和分析對(duì)優(yōu)化GaN光電陰極材料的制備工藝和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高陰極量子效率，最終提高探測(cè)器件的探測(cè)靈敏度有著重要意義。

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Optical Characteristics of NEA GaN Photocathode Material

QIAO Jianliang1，GAO Youtang1，XU Yuan2，NIU Jun1，CHANG Benkang2

(1.,,473004,; 2.,,210094,)

To optimize the structure design and preparation technology of NEA GaN photocathode, considering the cathode quantum efficiency formula and the factors that influence the quantum efficiency, the surface reflectivity, optical refractive index, spectral absorption coefficient and transmission spectra of GaN photocathode material were studied theoretically and experimentally. As a direct influencing factor of the quantum efficiency, the surface reflectivity is relatively steady in the waveband from 250 nm to 365 nm. The optical refractive index influences the quantum efficiency indirectly by the electronic surface escape probability. The characteristics of uniform doping GaN photocathode spectral absorption coefficient were given. According to the structure characteristics of variable doping NEA GaN photocathode, the concept of spectrum average absorption coefficient and the equivalent formula were given. The spectral absorption coefficients of the uniform doping and the variable doping of NEA GaN photocathode were compared.

GaN photocathode，quantum efficiency，varied doping，spectral absorption coefficient

TN304

A

1001-8891(2017)07-0664-05

2017-03-21；

2017-06-17.

喬建良（1974-），男，教授，主要從事光電發(fā)射與測(cè)試、信號(hào)分析與處理等方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：61371058）資助的課題。