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GaAs光电阴极智能激活与结构设计研究

杨智  
【摘要】: 微光夜视器件作为一种主要的夜间观察设备在现代社会中发挥了重要的作用。GaAs光电阴极是微光夜视器件的核心组成部分,因此如何制备高性能GaAs光电阴极一直都是微光夜视的研究热点。本文以提高GaAs光电阴极的性能为前提,对GaAs阴极的光电发射过程、高温退火后GaAs阴极表面清洁程度判断方法、GaAs阴极的智能激活制备技术以及变掺杂GaAs阴极结构设计与实验等相关方面进行了研究。 分析了GaAs材料中价带电子受入射光激发向导带的跃迁过程和导带中电子向表面的运动过程,通过薛定谔方程求解了高温Cs激活过程中到达表面光激发电子的逸出几率公式,比较了高温Cs激活过程、高温Cs、O激活过程、低温Cs激活过程、低温Cs、O激活过程中到达表面光激发电子逸出几率的变化情况,发现了低温退火过程中GaAs表面得到调整是低温激活阴极光电转换能力好于高温激活阴极的原因。 研制了GaAs高温退火过程表面清洁度变化表征分析系统,该系统可结合高温退火过程中超高真空室真空度的变化对GaAs材料表面清洁程度进行分析。利用该系统对分子束外延(MBE)生长GaAs材料的两种高温退火过程进行了分析,两种退火过程的最高温度分别为600℃和640℃。分析发现GaAs材料表面的H2O在退火温度达到100℃时脱附,AsO在290℃时脱附,As2在380℃时脱附,Ga2O在610℃时脱附,分析结果表明600℃的高温退火温度无法使MBE外延GaAs材料的表面达到制备高性能阴极所需的原子级清洁。 研制了GaAs光电阴极智能激活制备系统,该系统可在计算机控制下严格按照预定工艺对GaAs光电阴极进行智能激活,也具备人工激活制备阴极的功能,还可对阴极的光谱响应曲线和量子效率曲线进行测试。利用该系统对直拉单晶法制备的GaAs材料分别进行了智能激活和人工激活实验,智能激活过程相比,由于人工激活过程出现了误操作,相邻光电流峰值间的差值下降很快,Cs、O交替的次数也较少。人工激活过程中Cs、O交替6次,光电流最大值为43μA,激活后GaAs光电阴极的积分灵敏度为796μA/lm。智能激活过程中Cs、o交替9次,光电流最大值为65μA,激活后GaAs光电阴极的积分灵敏度为1100μA/lm,结果表明智能激活过程可以有效地避免误操作,提高阴极的成品率。该系统的成功研制为高性能阴极的批量制备奠定了坚实的基础。 为了验证变掺杂结构的优越性,设计了反射式梯度掺杂结构、反射式模拟透射式梯度掺杂结构、透射式指数掺杂结构GaAs阴极材料并利用MBE设备进行了材料生长。比较了反射式均匀掺杂结构阴极材料和反射式梯度掺杂结构阴极材料能带结构的不同点,分析了反射式梯度掺杂结构和反射式模拟透射式梯度掺杂结构对入射光响应的差异,根据量子效率公式对透射式指数掺杂结构GaAs阴极的最佳厚度进行了仿真,并对仿真结果进行了实验验证。制备了积分灵敏度为2421μA/lm的反射式梯度掺杂结构GaAs阴极和1547μA/lm的透射式指数掺杂结构GaAs阴极。


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