本文關(guān)鍵詞：近紅外InGaAs光電陰極的制備與性能研究

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【摘要】：真空探測(cè)器件中光電陰極的主要研究熱點(diǎn)之一,是如何使其響應(yīng)波段向長(zhǎng)波(近紅外)方向延伸,在此背景下,本文提出了分別以GaAs和InP為襯底材料的兩種InGaAs光電陰極,用于覆蓋1.06μm、1.54 μm和1.57 μm等常用激光波段的探測(cè)。圍繞InGaAs光電陰極表面模型、光電發(fā)射過程、量子效率理論,以及陰極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝和性能評(píng)估等方面開展了研究,其結(jié)果對(duì)推動(dòng)我國(guó)近紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。主要內(nèi)容包括:基于第一性原理平面波贗勢(shì)方法,計(jì)算了 InGaAs光電陰極的態(tài)密度、介電函數(shù)和復(fù)折射率等光學(xué)性質(zhì);通過光學(xué)薄膜理論,建立起多層膜系的光電陰極光吸收、反射和透射計(jì)算方法。根據(jù)NEA光電陰極光電發(fā)射機(jī)理,構(gòu)建了 Cs、O吸附的表面模型。圍繞Spicer光電發(fā)射"三步模型",研究近紅外響應(yīng)InGaAs光電陰極體內(nèi),電子吸收能量激發(fā)并向表面輸運(yùn)最后隧穿表面勢(shì)壘逸出到真空的能量分布情況。通過求解一維少子連續(xù)方程和不同的邊界條件約束,推導(dǎo)薄發(fā)射層的反射式InGaAs光電陰極量子效率公式,通過修正后的量子效率公式對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合,獲得了表面電子逸出幾率、電子擴(kuò)散長(zhǎng)度、后界面復(fù)合速率和發(fā)射層厚度等影響量子效率的參數(shù)。根據(jù)晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力和位錯(cuò)能密度,分別計(jì)算InGaAs光電陰極外延生長(zhǎng)在GaAs或InP襯底時(shí)的臨界厚度;綜合考慮外延層厚度,摻雜方式,摻雜濃度、In組分變化等方面對(duì)InGaAs光電陰極的影響,從降低晶格失配和提高光電發(fā)射性能兩方面完成對(duì)InGaAs光電陰極采取變組分變摻雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并利用金屬有機(jī)化合物氣相沉淀進(jìn)行外延生長(zhǎng)。對(duì)NEA光電陰極制備與評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造,擴(kuò)展了光源的測(cè)試范圍,增加了1.06μm近紅外單色光光源和新型X射線電子能譜儀,實(shí)現(xiàn)了光電流、真空度、Cs、O源電流的實(shí)時(shí)采集。結(jié)合XPS分析結(jié)果和氬離子濺射對(duì)InGaAs光電陰極生長(zhǎng)質(zhì)量進(jìn)行分析;通過XPS研究不同化學(xué)清洗方法和不同熱凈化溫度對(duì)InGaAs光電陰極表面清洗效果,根據(jù)熱凈化過程中真空度曲線變化研究陰極表面各原子脫附過程,并探索適用于InGaAs光電陰極的熱凈化工藝。對(duì)不同工藝制備的InGaAs光電陰極的性能進(jìn)行評(píng)估。發(fā)現(xiàn)采用鹽酸(38%)和水1:1的混合溶液清洗2 min,隨后經(jīng)過"閃蒸" 625℃的熱凈化工藝處理可獲得較好的光電發(fā)射性能。通過研究單Cs激活光譜響應(yīng)截止波長(zhǎng)的變化,分析Cs吸附對(duì)陰極表面勢(shì)壘高度的影響。此外,對(duì)真空系統(tǒng)中不同光照強(qiáng)度下和衰減后多次補(bǔ)銫處理下InGaAs光電陰極穩(wěn)定性也進(jìn)行了研究。最終制備的反射式InGaAs光電陰極在1.0 μm處的輻射靈敏度為8.5 mA/W,在1.06 μm處的輻射靈敏度為0.51 mA/W,其性能優(yōu)于濱松反射式InGaAs光電陰極。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O462

【參考文獻(xiàn)】

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