GaAs/GaAlAs光阴极的XPS深度剖析

2013-09-27 冯 刘 微光夜视技术重点实验室

  GaAs光阴极是一种高性能光阴极,它由GaAs/GaAlAs外延片和玻璃基底粘接而成。为了了解外延片的元素深度分布和各层的均匀性,利用X 射线光电子能谱和Ar 离子刻蚀来进行深度剖析。结果表明,由于送样过程中曾短暂暴露大气,因而GaAs 光阴极表面吸附有少量C、O污染,并且GaAs表层被氧化;GaAs层中的Ga、As元素含量非常均匀,约为3:2,富Ga;而GaAlAs 层中的Ga、Al 和As 含量比约为1:1:2,Ga 略少于Al,但稍大于Ga0.42Al0.58As 的比例。Ar 离子枪采用3 kV、1 uA 模式,刻蚀面积1 mm × 1 mm,结合C-V 测试得到的各层厚度数据,可以计算出该模式下各层的刻蚀速率,GaAs 层的刻蚀速率约为1.091nm/s,而GaAlAs 层约为0.790nm/s,并且推算出GaAs 的溅射产额为4.00,GaAlAs的溅射产额为2.90。

  砷化镓(GaAs)光阴极灵敏度高、光谱响应范围宽,在军事、警用、天文等弱光探测领域有广泛的应用。GaAs光阴极对像增强器等光电器件的性能有很大影响,尤其是GaAs 激活层和GaAlAs 缓冲层的均匀性。

  对于GaAs光阴极各层界面的深度剖析,大多是利用俄歇电子能谱(AES)进行的 ,但是AES对表面结构存在一定的破坏性。X射线光电子能谱(XPS)对表面的损伤非常微弱,半定量分析更为准确,在深度剖析的应用中更能准确地说明元素的二维深度分布。实验利用XPS来分析GaAs 光阴极表面的元素组成,并结合Ar离子枪进行深度刻蚀,测定GaAs/GaAlAs外延片各层中的元素纵深分布,获取各层的深度剖析谱图,了解各层的元素均匀性,最后根据电化学C-V测试的厚度数据来计算相应的刻蚀速率,推导出GaAs和GaAlAs的溅射产额。

1、原理介绍

  Ar离子刻蚀深度剖析是一种使用最广泛的深度剖析方法,随着表面材料的刻蚀和XPS或AES分析的交替进行,这样就可以获得元素沿样品深度方向的分布,即样品的深度剖析。

  Ar 离子的刻蚀速率

GaAs/GaAlAs光阴极的XPS深度剖析

  式中: S为刻蚀速率(cm/s); I为离子束束流(A); Y为溅射产额(原子/离子);X为靶材料原子量;A为刻蚀面积(cm2);e为电子电荷;Q为靶密度(g/cm3);N A 为阿伏伽德罗常数。

结论

  实验用GaAs/GaAlAs光阴极各层的含量均匀,具有清晰的层状结构。特别是GaAs层的Ga、As含量非常均匀,可以保证获得性能优异的GaAs 光阴极。在实际工作中,相同材料制作的光阴极经过热清洗激活后,灵敏度平均可达1600uA/lm 以上。

  Ar离子枪在3kV、1uA、1 mm × 1 mm 模式下,Ar离子对GaAs的刻蚀速率大约为1.091nm/s,对GaAlAs 大约为0.790nm/s,化合物状态下的溅射产额YGaAs= 4.00,YGaAlAs= 2.90。由于化合物状态下择优溅射的影响较为严重,因而得到的化合物配比与理想配比之间存在差异,但是3 kV下的刻蚀速率较快,可以借助深度剖析图来快速了解元素深度分布的趋势。