近红外InGaAs光电阴极的制备与性能研究

发布时间：2017-12-17 00:02

本文关键词：近红外InGaAs光电阴极的制备与性能研究

【摘要】：真空探测器件中光电阴极的主要研究热点之一,是如何使其响应波段向长波(近红外)方向延伸,在此背景下,本文提出了分别以GaAs和InP为衬底材料的两种InGaAs光电阴极,用于覆盖1.06μm、1.54 μm和1.57 μm等常用激光波段的探测。围绕InGaAs光电阴极表面模型、光电发射过程、量子效率理论,以及阴极材料的结构设计、制备工艺和性能评估等方面开展了研究,其结果对推动我国近红外探测技术的发展具有重要意义。主要内容包括:基于第一性原理平面波赝势方法,计算了 InGaAs光电阴极的态密度、介电函数和复折射率等光学性质;通过光学薄膜理论,建立起多层膜系的光电阴极光吸收、反射和透射计算方法。根据NEA光电阴极光电发射机理,构建了 Cs、O吸附的表面模型。围绕Spicer光电发射"三步模型",研究近红外响应InGaAs光电阴极体内,电子吸收能量激发并向表面输运最后隧穿表面势垒逸出到真空的能量分布情况。通过求解一维少子连续方程和不同的边界条件约束,推导薄发射层的反射式InGaAs光电阴极量子效率公式,通过修正后的量子效率公式对实验曲线进行拟合,获得了表面电子逸出几率、电子扩散长度、后界面复合速率和发射层厚度等影响量子效率的参数。根据晶格失配导致的应力和位错能密度,分别计算InGaAs光电阴极外延生长在GaAs或InP衬底时的临界厚度;综合考虑外延层厚度,掺杂方式,掺杂浓度、In组分变化等方面对InGaAs光电阴极的影响,从降低晶格失配和提高光电发射性能两方面完成对InGaAs光电阴极采取变组分变掺杂的结构设计,并利用金属有机化合物气相沉淀进行外延生长。对NEA光电阴极制备与评估系统进行升级改造,扩展了光源的测试范围,增加了1.06μm近红外单色光光源和新型X射线电子能谱仪,实现了光电流、真空度、Cs、O源电流的实时采集。结合XPS分析结果和氩离子溅射对InGaAs光电阴极生长质量进行分析;通过XPS研究不同化学清洗方法和不同热净化温度对InGaAs光电阴极表面清洗效果,根据热净化过程中真空度曲线变化研究阴极表面各原子脱附过程,并探索适用于InGaAs光电阴极的热净化工艺。对不同工艺制备的InGaAs光电阴极的性能进行评估。发现采用盐酸(38%)和水1:1的混合溶液清洗2 min,随后经过"闪蒸" 625℃的热净化工艺处理可获得较好的光电发射性能。通过研究单Cs激活光谱响应截止波长的变化,分析Cs吸附对阴极表面势垒高度的影响。此外,对真空系统中不同光照强度下和衰减后多次补铯处理下InGaAs光电阴极稳定性也进行了研究。最终制备的反射式InGaAs光电阴极在1.0 μm处的辐射灵敏度为8.5 mA/W,在1.06 μm处的辐射灵敏度为0.51 mA/W,其性能优于滨松反射式InGaAs光电阴极。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O462

【参考文献】

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