CN103094397A - 对532nm敏感的真空光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对532nm敏感的真空光电二极管,由透射式GaAlAs光电阴极组件、铟封材料、第一可伐合金、第二可伐合金与陶瓷组成,其中光电阴极组件自上而下由Corning7056#玻璃窗口、Si3N4增透层、Ga1-x1Alx1As均匀掺杂发射层、Ga1-x2Alx2As掺杂浓度渐变发射层以及Cs/O激活层依次叠加而成;透射式GaAlAs光电阴极组件通过铟封材料与第一可伐合金相连,再通过圆柱形陶瓷管壁与第二可伐合金相连构成平板电容器,内部抽真空。具有本发明结构中的透射式GaAlAs光电阴极可以配合532nm激光器,应用于海洋光电子探测器件中,用来进行海洋探测领域的各项活动。

Description

对532nm敏感的真空光电二极管
技术领域
本发明涉及光电子探测材料技术领域,具体涉及一种基于Ga1-x Al x As(镓铝砷)三元化合物Al/Ga组分控制技术、半导体材料掺杂技术、III-V族化合物材料外延技术、超高真空表面激活技术及二极管封装技术相结合的对532nm敏感的真空光电二极管。
背景技术
我国是海洋大国,大力发展海洋事业对全面建设小康社会、有效维护海洋权益和安全意义重大。目前我国海洋安全与资源利用受到两方面的制约:从横向尺度看,到远海大洋进行科学考察主要集中于第一岛链内,或稍微涉及到第二岛链,而这也是科学考察和国防力量非常重要的屏障;在纵向尺度上,对潜深300m以上的潜艇,尚缺乏高灵敏的探潜、通信和成像器件。由于海水对蓝绿波段的可见光吸收损耗极小,因此蓝绿光通过海水时,不仅穿透能力强,而且方向性极好,是在深海中传输信息的优先选择,因此研究对532nm敏感的新型海洋光电子探测器件对我国海洋探潜、海洋通信、海底成像等各方面都有着重要意义。
目前国内外对负电子亲和势(negative electron affinity,简称NEA)光电阴极的研究都是致力于宽光谱响应GaAs光电阴极和紫外日盲响应GaN光电阴极,而对窄带响应光电阴极缺少研究报道。项目组以近十几年来对NEA光电阴极的研究成果为基础,开展了对532nm敏感的GaAlAs光电阴极的研究,已经申请了发明专利《对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极及其制备方法》(申请号:201110013841.2)和《532nm截止的反射式GaAlAs光电阴极及其制备方法》(申请号:201210094925.8)。第一个专利中所述的透射式GaAlAs光电阴极自上而下由康宁(Corning)7056#玻璃窗口、Si3N4增透层、Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层、Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层以及Cs/O激活层组成,如图1所示,这样设计的透射式阴极光谱响应峰值可以出现在532nm处。图2是透射式GaAlAs光电阴极组件中Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层和Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层的具体结构参数设计。第二个专利中反射式GaAlAs光电阴极具有与图2所示同样的发射层结构,光谱响应曲线在532nm后截止,说明了波长可调光电阴极的可能性设计。
然而图1和图2所示的对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极结构设计仍限制在理论层面,还未通过实验验证结果的准确性和可靠性,需要通过材料生长、组件制备、清洗激活、性能测试等步骤,最后才能得知制备的透射式GaAlAs光电阴极光谱响应曲线在532nm处能否达到峰值,实现窄带响应,满足设计要求。因此,要通过实验生长材料,制备对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极,测试实验样品性能,验证实验可行性。
发明内容
本发明目的是要针对海洋光电子探测器件提供一种对532nm敏感的真空光电二极管。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种对532nm敏感的真空光电二极管,包括透射式GaAlAs光电阴极组件、铟封材料、第一可伐合金、第二可伐合金与陶瓷,透射式GaAlAs光电阴极组件通过铟封材料与第一可伐合金相连,第一可伐合金通过陶瓷与第二可伐合金相连,第一可伐合金充当透射式GaAlAs光电阴极组件的管脚,第二可伐合金充当二极管中收集电子的阳极及其管脚;透射式GaAlAs光电阴极组件自上而下由Corning 7056#玻璃窗口、Si3N4增透层、Ga1-x1Alx1As均匀掺杂发射层、Ga1-x2Alx2As掺杂浓度渐变发射层以及Cs/O激活层依次叠加而成。
Corning 7056#玻璃窗口总厚度在2~6mm之间。Si3N4增透层总厚度在100~200nm之间。Ga1-x1Alx1As均匀掺杂发射层的Al组分x1在0.75~0.90之间,总厚度在100~1000nm之间,采用均匀掺杂方式,掺杂浓度在1.0×1018~1.0×1019cm-3之间。Ga1-x2Alx2As掺杂浓度渐变发射层的Al组分x2在0.60~0.68之间,总厚度在100~3000nm之间,采用指数掺杂方式,由两个以上p型Ga1-xAlxAs外延材料构成的单元层组成,每个单元层厚度在40~1000nm之间,自上而下各单元层的掺杂浓度依次减小,第一个单元层掺杂浓度不高于1.0×1019cm-3,最后一个单元层浓度不低于 1.0×1018cm-3。Cs/O激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在Ga1-x2Alx2As掺杂浓度渐变发射层的表面上,厚度在0.5~1.5nm之间。Ga1-x1Alx1As均匀掺杂发射层和Ga1-x2Alx2As掺杂浓度渐变发射层生长时,若采用MOCVD,则掺杂原子为Zn,若采用MBE,则掺杂原子为Be。
本发明与现有技术相比,其显著优点:本发明的对532nm敏感的真空光电二极管中采用了透射式GaAlAs光电阴极作为阴极部件,这里的GaAlAs光电阴极相比宽光谱响应GaAs光电阴极而言,是窄带响应的,并且光谱响应曲线的峰值响应波长在532nm处,曲线半高全宽小于50nm。具有本发明结构中的透射式GaAlAs光电阴极可以配合532nm激光器,应用于海洋光电子探测器件中,用来进行海洋探测领域的各项活动。
附图说明
图1是对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极组件结构。
图2是对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极中两个发射层结构。
图3是本发明中对532nm敏感的真空光电二极管封装结构。
图4为本发明实施例1中对532nm敏感的真空光电二极管中透射式GaAlAs光电阴极的实验光谱响应曲线。
图5为本发明实施例1中对532nm敏感的真空光电二极管实物图。
具体实施方式
针对海洋光电子探测器件需要的窄带响应光电阴极,本发明提供了一种基于Ga1-x Al x As三元化合物Al/Ga组分控制技术、半导体材料掺杂技术、III-V族化合物材料外延技术、超高真空表面激活技术及二极管封装技术相结合的对532nm敏感的真空光电二极管。
本发明提供对532nm敏感的真空光电二极管,该光电二极管由透射式GaAlAs光电阴极组件、铟封材料、第一可伐合金、第二可伐合金与陶瓷组成,其中光电阴极组件自上而下由Corning 7056#玻璃窗口、Si3N4增透层、Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层、Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层以及Cs/O激活层依次叠加而成。
进一步,所述对532nm敏感的真空光电二极管,透射式GaAlAs光电阴极组件通过铟封材料与第一可伐合金相连,该可伐合金通过圆柱形陶瓷管壁与第二可伐合金相连构成平板电容器,内部抽真空,第一可伐合金充当阴极组件的管脚,第二可伐合金充当该二极管中收集电子的阳极及其管脚,光电阴极组件与第二可伐合金构成平板电容器,整个二极管呈圆柱体结构。
进一步,所述Corning 7056#玻璃窗口总厚度在2~6mm之间。
进一步,所述Si3N4增透层总厚度在100~200nm之间。
进一步,所述Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层的Al组分x1在0.75~0.90之间,总厚度在100~1000nm之间,采用均匀掺杂方式,掺杂浓度在1.0×1018~1.0×1019cm-3之间。
进一步,所述Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层的Al组分x2在0.60~0.68之间,总厚度在100~3000nm之间,采用指数掺杂方式,由两个以上p型Ga1-x Al x As外延材料构成的单元层组成,每个单元层厚度在40~1000nm之间,自上而下各单元层的掺杂浓度依次减小,第一个单元层掺杂浓度不高于1.0×1019cm-3,最后一个单元层浓度不低于 1.0×1018cm-3
进一步,所述Cs/O激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层的表面上,厚度在0.5~1.5nm之间。
进一步,所述Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层和Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层生长时,若采用金属有机化合物气相外延法MOCVD,则掺杂原子为锌Zn,若采用分子束外延法MBE,则掺杂原子为铍Be。 
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明。
图1是对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极组件结构的平面直剖示意图,整个组件呈上下两个圆柱体叠加状,玻璃窗口总厚度4mm,上方圆柱体直径为32±0.1mm,高度约2mm,下方圆柱体直径为17.5mm,高度约2mm。
图2是对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极中Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层和Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层的一种结构参数设计示意图。
图3为本发明中对532nm敏感的真空光电二极管封装结构示意图。封装好的真空光电二极管自上而下包括对532nm敏感的透射式GaAlAs光电阴极组件1、铟封材料2、第一可伐合金3-1、圆柱形陶瓷管壁4以及第二可伐合金3-2。其中阴极组件1自上而下由Corning 7056#玻璃窗口5、Si3N4增透层6、Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层7、Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层8以及Cs/O激活层9组成。透射式GaAlAs光电阴极组件1通过铟封材料2与第一可伐合金3-1相连,再通过圆柱形陶瓷管壁4与第二可伐合金3-2相连构成平板电容器,电容器内部抽真空。
实施例1:Corning 7056#玻璃窗口5总厚度为4mm;Si3N4增透层6总厚度为100nm;采用MOCVD生长阴极材料,Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层7的Al组分值x1为0.79,总厚度为500nm,采用均匀掺杂方式,掺杂原子为Zn,掺杂浓度为1.0×1019cm-3;Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层8的Al组分值x2为0.63,总厚度为1200nm,由四个p型Ga1-x Al x As外延材料构成的单元层组成,每个单元层厚度值近似按指数变化,自上而下分别为40nm、100nm、300nm、760nm,四个单元层都采用Zn掺杂,各层的掺杂浓度由内表面到外表面分别为1.0×1019cm-3、7.9×1018cm-3、4.5×1018cm-3、1.0×1018cm-3;Cs/O激活层9通过超高真空激活工艺紧密吸附在Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层8的表面上,厚度为0.7nm。
图4是本实施例中对532nm敏感的真空光电二极管中透射式GaAlAs光电阴极的实验光谱响应曲线。采用400~600nm范围内不同波长的光子入射到Corning 7056#玻璃窗口5上,经过阴极体内吸收、激发、输运、碰撞、隧穿等一系列过程后,在Cs/O激活层9的表面发射出光电子,产生不同的光电发射效应。如图4所示,在对数坐标系中,水平坐标是波长,垂直坐标是光谱响应。
从图4可知,本实施例中透射式GaAlAs光电阴极光谱响应曲线10呈现明显的窄带“门”字形,短波起始波长为450nm,长波截止波长为580nm,光谱响应曲线10在532nm处达到峰值,曲线半高全宽为45nm,半高响应范围是510~555nm,可以实现在532nm的窄带响应,由此光电阴极制备的真空光电二极管或微光像增强器配合532nm激光器使用时,可以应用于海洋光电子探测器件中,用来进行海洋探测领域的各项活动。
图5是实施例1中对532nm敏感的真空光电二极管的实物图。
实施例2:与实施例1不同的是,Corning 7056#玻璃窗口5总厚度为6mm;Si3N4增透层6总厚度为150nm;Cs/O激活层9厚度为0.5nm。
实施例3:与实施例1不同的是,Corning 7056#玻璃窗口5总厚度为2mm;Si3N4增透层6总厚度为200nm;Cs/O激活层9厚度为1.5nm。
实施例4:与实施例1不同的是,Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层7的Al组分值x1为0.90,掺杂浓度为5.0×1018cm-3;Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层8的Al组分值x2为0.60,总厚度为2000nm,分为六个单元层,自上而下厚度分别为10nm、25nm、65nm、180nm、480nm、1240nm,掺杂浓度分别为1.0×1019cm-3、9.0×1018cm-3、7.0×1018cm-3、5.0×1018cm-3、2.5×1018cm-3、1.0×1018cm-3
实施例5:与实施例1不同的是,Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层7的Al组分值x1为0.75,总厚度为1000nm;Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层8的总厚度为3000nm,分为八个单元层,自上而下厚度分别为10nm、20nm、40nm、80nm、100nm、250nm、700nm、1800nm,掺杂浓度分别为1.0×1019cm-3、9.5×1018cm-3、9.0×1018cm-3、8.2×1018cm-3、7.5×1018cm-3、5.8×1018cm-3、2.3×1018cm-3、1.0×1018cm-3
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:包括透射式GaAlAs光电阴极组件[1]、铟封材料[2]、第一可伐合金[3-1]、第二可伐合金[3-2]与陶瓷[4],透射式GaAlAs光电阴极组件[1]通过铟封材料[2]与第一可伐合金[3-1]相连,第一可伐合金[3-1]通过陶瓷[4]与第二可伐合金[3-2]相连,第一可伐合金[3-1]充当透射式GaAlAs光电阴极组件[1]的管脚,第二可伐合金[3-2]充当二极管中收集电子的阳极及其管脚;透射式GaAlAs光电阴极组件[1]自上而下由Corning 7056#玻璃窗口[5]、Si3N4增透层[6]、Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层[7]、Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层[8]以及Cs/O激活层[9]依次叠加而成。
2.根据权利要求1所述的对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:Corning 7056#玻璃窗口[5]总厚度在2~6mm之间。
3.根据权利要求1所述的对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:Si3N4增透层[6]总厚度在100~200nm之间。
4.根据权利要求1所述的对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层[7]的Al组分x1在0.75~0.90之间,总厚度在100~1000nm之间,采用均匀掺杂方式,掺杂浓度在1.0×1018~1.0×1019cm-3之间。
5.根据权利要求1所述的对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层[8]的Al组分x2在0.60~0.68之间,总厚度在100~3000nm之间,采用指数掺杂方式,由两个以上p型Ga1-x Al x As外延材料构成的单元层组成,每个单元层厚度在40~1000nm之间,自上而下各单元层的掺杂浓度依次减小,第一个单元层掺杂浓度不高于1.0×1019cm-3,最后一个单元层浓度不低于 1.0×1018cm-3
6.根据权利要求1所述的对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:Cs/O激活层[9]通过超高真空激活工艺紧密吸附在Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层[8]的表面上,厚度在0.5~1.5nm之间。
7.根据权利要求1、4或5所述的对532nm敏感的真空光电二极管,其特征在于:Ga1-x1Al x1As均匀掺杂发射层[7]和Ga1-x2Al x2As掺杂浓度渐变发射层[8]生长时,若采用金属有机化合物气相外延法MOCVD,则掺杂原子为锌Zn,若采用分子束外延法MBE,则掺杂原子为铍Be。
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