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快响应InP/InGaAs/InP红外光电阴极的研究

孙巧霞  
【摘要】:快响应InP/InGaAs/InP红外光电阴极除了具有一般Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电阴极电子能量分布集中、量子效率高等优点,还具有阈值波长长、响应速度快等优点。有望应用到在光化学、光生物学、分子动力学、等离子体物理、超快光谱学等时间分辨率要求在皮秒(ps)量级的红外超快诊断器件(条纹相机)中。 本文首先建立InP/InGaAs/InP红外光电阴极的物理结构模型,根据电子从阴极内部向表面的传输特性,分析了阴极结构参数对异质结能带结构的影响,确定了阴极吸收层掺杂浓度不得高于1017cm-3;并理论研究了InP/In0.53Ga0.47As/InP异质结透射式红外光电阴极的时间响应特性。模拟计算表明,光电阴极的响应速度随场助偏压的增大而加快;随光吸收层厚度的增大而减慢;随光吸收层掺杂浓度的增大,光电阴极的响应速度变慢。发射层厚度及掺杂浓度的增大都会使得阴极的响应时间加长。经过对阴极结构参数和掺杂浓度的优化,得到在吸收层厚度小于2μm,发射层厚度0.5μm,掺杂浓度分别为1.5×1015cm-3、1.0×1016cm-3时,在适当场助偏压下光电阴极的响应时间可优于100ps。 根据光电发射理论,计算了InP/In0.53Ga0.47As/InP透射式红外光电阴极的光谱响应特性,光谱响应范围0.95μm~1.7μm。计算表明,在吸收层厚度为0.2μm,掺杂浓度为1016cm-3,在λ=1.55μm处阴极的内量子效率最大且整个光谱响应特性也较好。将阴极表面等效为一维势垒,通过求解阴极表面电子的逸出几率,得到阴极的外量子效率。结果表明与零偏压相比,阴极外量子效率提高了两个数量级,阴极的响应时间可达40ps。 对阴极结构进一步优化,分析了阴极的光学特性。计算了λ=1.1μm和λ=1.3μm处增透膜折射率和厚度对阴极吸收特性的影响,结果表明与无增透膜相比较,单波长优化阴极的吸收特性有一定的增加,确定了增透膜的最佳折射率和厚度范围。选择Si3N4增透膜,对阴极的吸收特性进行了计算,得到最佳增透膜厚度与波长的对应关系,阴极的吸收率相对提升10%左右。根据优化结果对阴极的光谱响应特性计算,得到内量子效率与优化前相比较有较大的提升。


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