透射式GaAs光电阴极研究

介绍了透射式GaAs光电阴极部件的制作技术和Cs、O激活机理;对Cs、O激活的GaAs光电阴极测试结果进行了分析,并指出了存在的问题和原因;讨论了提高GaAs光电阴极灵敏度的重要途径;提出了GaAs光电阴极灵敏度提高的技术方法以及进一步研究的方向.     

第三代象增强器

引言三代象增强器是一种采用GaAs光电阴极的双近贴象管。二代管和三代管的主要差别在于光电阴极。1965年负电子亲和势光电阴极的发现是新型光电发射作研究的起点。1975年Antypas和Edgecumbe实现了GaAs/GaAlAs双异质结结构,为制作高质量GaAs透射式光电阴极提供了可能性。从那时起,人们就着手研究三代象增强器。在GaAs光电阴     

近红外响应的III-V族半导体光电阴极材料及工艺

随着GaAs负电子亲和势(NEA)半导体光电阴极在我国的成熟和应用,半导体光电阴极的进一步研究将往更长波的近红外发展。针对透射式半导体光电阴极器件,系统总结了近红外波段响应良好的GaAs、InGaAs、InGaAsP Ⅲ-V族外延材料特性及相应商业化产品的应用领域和性能。通过文献调研本文进一步归纳了不同波段NEA光电阴极和转移电子光阴极适用的材料结构,并结合传统GaAs NEA光电阴极工艺讨论了InGaAs、InGaAsP材料及阴极工艺的难点。     

近红外响应的Ⅲ-V族半导体光电阴极材料及工艺北大核心

随着GaAs负电子亲和势(NEA)半导体光电阴极在我国的成熟和应用,半导体光电阴极的进一步研究将往更长波的近红外发展。针对透射式半导体光电阴极器件,系统总结了近红外波段响应良好的GaAs、InGaAs、InGaAsP Ⅲ-V族外延材料特性及相应商业化产品的应用领域和性能。通过文献调研本文进一步归纳了不同波段NEA光电阴极和转移电子光阴极适用的材料结构,并结合传统GaAs NEA光电阴极工艺讨论了InGaAs、InGaAsP材料及阴极工艺的难点。     

透射式GaAs光电阴极荧光谱特性研究

测量了透射式GaAs光电阴极四层、二层结构组件和三代像增强器光电阴极的荧光谱。激发光的波长分别为514.5 nm和785 nm。测量结果表明,GaAs外延层荧光谱的峰值波长较GaAs衬底荧光峰值波长长。当GaAs阴极四层结构组件变为二层结构组件时,GaAs发射层的荧光谱峰值波长向长波方向移动。将GaAs阴极二层结构组件减薄激活之后,GaAs阴极发射层的荧光谱峰值波长向短波方向移动。三代像增强器GaAs阴极组件在制作过程中荧光谱峰值波长变化的原因主要是GaAs发射层内部晶格存在应变,因此当四层GaAs阴极组件变为二层GaAs阴极组件之后,由于GaAs发射层内部晶格应变状态的变化,致使荧光谱的峰值波长向长波方向移动。当二层GaAs阴极组件经过减薄、热清洗和激活之后,由于GaAs发射层内部应力的释放,应变在一定程度上得到消除,因此GaAs发射层的荧光谱峰值波长又向短波方向移动。通常情况下,GaAs材料的荧光谱是一条高斯型的曲线,但对三代管GaAs阴极组件而言,当GaAs发射层中存在不均匀的晶格应变时,其荧光谱曲线在峰值附近会出现不规则的形状,而当不均匀的晶格应变消除后,荧光谱曲线会恢复到正常的形状。所以GaAs发射层中存在的应变会通过荧光谱反映出来,这样在GaAs光电阴极的制作过程中,除了通过测量积分光荧光来评价GaAs光电阴极的制作过程之外,还可以通过测量GaAs光电阴极荧光谱的峰值波长变化来监控GaAs光电阴极的制作过程。     

长波阈为1.65μm的透射式负电子亲和势光阴极组成结构的设计

透射式负电子亲和势GaAs光阴极已应用于成像器件。由于GaAs的禁带宽度为1.42eV,长波阈约为0.9μm。因此透射式负电子亲和势GaAs光阴极的工作波长范围为0.4—0.9μm。迄今尚未见报道长波阈大于1μm的透射式负电子亲和势Ⅲ-Ⅴ族化合物光     

不同结构的反射式GaAs光电阴极的光谱特性比较

利用分子束外延生长了三种结构的反射式GaAs光电阴极,其中一种为传统结构的反射式GaAs光电阴极,另外两种为具有GaAlAs缓冲层的均匀掺杂和梯度掺杂反射式GaAs光电阴极.激活后的光谱响应测试结果表明,与传统结构的反射式GaAs光电阴极相比,具有GaAlAs缓冲层的均匀掺杂反射式GaAs光电阴极的长波响应更好,而具有...     

透射式GaAs光电阴极时间分辨特性研究

时间分辨特性是GaAs光电阴极应用于泵浦探测等领域的一种极为重要的性能参量。采用矩阵差分求解光电子扩散模型的方式计算了光电子连续性方程和出射光电子流密度方程，发现影响GaAs光电阴极时间分辨特性的因素包括GaAs/GaAlAs后界面复合速率、GaAs电子扩散系数和GaAs激活层厚度，之后较为系统地研究了这三种物理因素对GaAs光电阴极时间分辨特性的影响。研究结果表明，GaAs电子扩散系数和GaAs/GaAlAs后界面复合速率与光电阴极的响应速率存在非线性正比关系，且随着两者的增大，GaAs光电阴极将出现饱和响应速率。激活层厚度对GaAs光电阴极响应时间的影响最大，通过激活层厚度的适当减薄可以将GaAs光电阴极的响应时间缩短至20 ps，可满足绝大多数光子、粒子探测的快响应需求。该研究为快响应GaAs光电阴极的实验和应用提供了必要的理论支撑。     

高温激活的变掺杂GaAs光电阴极研究

为了获得高量子效率的GaAs光电阴极,要求GaAs材料的电子扩散长度足够长,且电子表面逸出几率大,而这两个参数都要受到P型掺杂浓度的限制。经过对由体内到表面掺杂浓度由高到低的变掺杂GaAs光电阴极进行比较深入的激活实验和光谱响应理论研究,实验结果显示,适当的表面掺杂浓度GaAs光电阴极材料,在高温激活结束后获得了较高的灵敏度和较好的稳定性。根据实验结果和反射式变掺杂GaAs光电阴极量子效率理论预测曲线,对变掺杂GaAs光电阴极材料掺杂结构提出了进一步优化的思路。研究表明,变掺杂GaAs光电阴极将成为发展我国高性能GaAs光电阴极的一项重要途径。     

指数掺杂透射式GaAs光电阴极表面光电压谱研究

通过求解一维稳态少数载流子扩散方程,推导了指数掺杂和均匀掺杂的透射式GaAs光电阴极表面光电压谱理论方程。利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长了发射层厚度相同、掺杂结构不同的两款透射式阴极材料。通过表面光电压谱实验测试和理论拟合发现指数掺杂结构在发射层厚度和后界面复合速率相同的情况下能够有效提高阴极电子扩散长度,这主要由于内建电场能够促使光生电子通过扩散和电场漂移两种方式向表面运动,从而最终提升阴极的发射效率和表面光电压谱。利用能带计算公式和电子散射理论对这两种不同结构材料的表面光电压谱进行了详细分析。     

国外GaAs光电阴极光谱响应特性比较与分析

对国外标准三代、高性能三代、超三代和四代GaAs光电阴极进行了光谱响应曲线比较。结果显示，GaAs光电阴极的积分灵敏度、响应的截止波长、峰值响应和峰值位置存在明显差异。曲线拟合结果表明国外GaAs光电阴极的后界面复合速率较低，表面逸出几率和电子扩散长度从标准三代到四代不断提高，这些性能的改善导致了GaAs光电阴极灵敏度的提高。     

表面势垒形状对NEA光阴极电子能量分布的影响

通过计算电子到达阴极面时的能量分布和求解电子隧穿表面势垒的薛定谔方程得到了透射式NEA GaAs光阴极发射电子能量分布的计算公式.利用该公式仿真研究了阴极表面势垒形状对电子能量分布的影响,发现I势垒变化对阴极的量子效率影响显著,其中尤以I势垒宽度影响更大,而Ⅱ势垒则影响阴极的能量展宽,其中真空能级的升高可使阴极电子能量分布更集中,但却牺牲了一定的阴极量子效率.拟合分析了实验测试的透射式阴极电子能量分布曲线,实验与理论曲线吻合得很好,并得到了阴极的表面势垒参数.     

表面势垒形状对NEA光阴极电子能量分布的影响

通过计算电子到达阴极面时的能量分布和求解电子隧穿表面势垒的薛定谔方程得到了透射式NEA GaAs光阴极发射电子能量分布的计算公式.利用该公式仿真研究了阴极表面势垒形状对电子能量分布的影响,发现I势垒变化对阴极的量子效率影响显著,其中尤以I势垒宽度影响更大,而Ⅱ势垒则影响阴极的能量展宽,其中真空能级的升高可使阴极电子能量分布更集中,但却牺牲了一定的阴极量子效率.拟合分析了实验测试的透射式阴极电子能量分布曲线,实验与理论曲线吻合得很好,并得到了阴极的表面势垒参数.     

GaAs/GaAlAs透射式光电阴极的分辨力特性分析

Ｇａ Ａｓ／ Ｇａ Ａｌ Ａｓ 透射式光电阴极的分辨力是第３ 代微光像增强器的重要参数之一。从简化的二维扩散方程推导了 Ｇａ Ａｓ／ Ｇａ Ａｌ Ａｓ 透射式阴极的调制传递函数（ Ｆｍ ,ｔ） ,计算了２ μｍ 厚 Ｇａ Ａｓ 阴极层的 Ｇａ Ａｓ／ Ｇａ Ａｌ Ａｓ 透射阴极的理论分辨力特性曲线,并讨论了它与若干参数的关系。据此得出在设计 Ｇａ Ａｓ／ Ｇａ Ａｌ Ａｓ 透射式光电阴极时应主要考虑最大量子效率,分辨力的损失并不限制系统的性能。     

真空转移装置中透射式Ag-O-Cs光电阴极的研制

介绍了在真空转移装置中进行透射式Ag-O-Cs光电阴极制作的工艺过程,研究了阴极厚度、银膜氧化、激活温度、Cs量等对阴极性能的影响,制作了性能达到阴极灵敏度20 μA/lm以上、光谱响应范围为300～1 200 nm的光电阴极,将此阴极用于具有1 000倍以上增益的微通道板光电倍增管中,整管暗电流小于10 nA.     

大面积MCP-PMT K_2CsSb光电阴极理论与测控技术研究

针对SBA/UBA光电阴极和中国科学院高能物理研究所380⁵10 nm转换波长的闪烁体,分别从K2CsSb光电阴极第一性原理、结构优化、以及材料生长机理与测控技术等方面进行研究。第一性原理计算结果表明,双碱光电阴极K1.75CsSb1.25是直接禁带半导体,能带弯曲最大,功函数最小;中微子与闪烁体相互作用后发射光子的光谱范围在380510 nm转换波长的闪烁体,分别从K2CsSb光电阴极第一性原理、结构优化、以及材料生长机理与测控技术等方面进行研究。第一性原理计算结果表明,双碱光电阴极K1.75CsSb1.25是直接禁带半导体,能带弯曲最大,功函数最小;中微子与闪烁体相互作用后发射光子的光谱范围在380⁵10 nm,可以确定双碱阴极透射式工作范围在2.92510 nm,可以确定双碱阴极透射式工作范围在2.92³.26 eV,反射式工作范围在2.433.26 eV,反射式工作范围在2.43².92eV;针对球形光电倍增管结构,提出了透射式与反射式阴极量子效率最大化方案和K1.75CsSb1.25阴极6点监控制备方法,给出了测试方法。     

GaN与GaAs NEA光电阴极稳定性的比较

利用自行研制的光电阴极激活评估实验系统,对激活后的反射式GaN及GaAs光电阴极进行了稳定性测试,获得了Cs/O激活一段时间后阴极随时间变化的光谱响应,通过计算得到量子效率曲线.结果表明:激活结束后GaN灵敏度可以在较长时间内保持稳定,而后缓慢衰减.而GaAs光电阴极的光电流随时间近似呈指数衰减.结合阴极表面双偶极层结构以及表面化学成分,分析原因主要是:两种阴极表面进行Cs/O激活后形成的双偶极子的结构不同、衰减过程中双偶极层化学成分变化方式不同决定.GaN光电阴极激活后cs以复杂氧化物存在,更加稳定,灵敏度的衰减主要是由未分解的氧引起,而GaAs灵敏度下降的原因主要是表面双偶极层中的Cs极易脱附,影响其稳定性.     

透射式GaAs（Cs,O）光电阴极稳定性的研究

研究了光照强度和残余气体对阴极稳定性的影响,比较阴极在管壳内和激活室内的阴极稳定性,用俄歇谱仪分析激活的GaAs光电阴极表面和灵敏度衰减到O时的GaAs光电阴极表面。结果表明,真空中有害残余气体与阴极表面的相互作用是引起阴极衰减的主要原因。     

高真空系统气体成分对GaAs光电阴极稳定性的影响

GaAs 光电阴极以其量子效率高、光谱可调等优点广泛应用于微光夜视领域,尤其以高积分灵敏度的特性区别于多碱光电阴极,而 GaAs 光电阴极负电子亲合势的特性是通过 Cs,O 激活实现的,但是激活结束后,负电子亲合势的维持受诸多因素影响,如激活源、激活方式、气体氛围等。为了探究超高真空系统中影响 GaAs 光电阴极稳定性的因素,开展了 GaAs 光电阴极的激活实验和稳定性实验,对激活光电流曲线与腔室气体成分进行了监测,实验结果表明,在真空度优于 1×10^-6 Pa 的高真空系统中,影响其稳定性的是腔室中的气体成分,其中对稳定性影响最大的是 H₂O,真空系统中 H₂O分压的增加会导致 GaAs 光电阴极的 Cs,O 激活层迅速破坏,光电发射能力急剧下降。     

GaAs光电阴极多信息量测试系统设计

为了优化GaAs光电阴极制备工艺,设计了一个用于GaAs光电阴极制备过程监控的多信息量测试系统.系统采用了先进的现场总线技术,可在线测试阴极加热净化过程中真空度随温度的变化曲线,阴极激活过程中光电流、真空度、Cs源和O源电流的变化曲线,以及阴极激活后的光谱响应曲线.光电流测试精度可达1 nA,光谱响应曲线测量范围在400～1 000 nm.利用该系统对阴极制备过程进行了监测,并给出了测试结果.