CN105514186B - 一种宽波段探测的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽波段探测的光电探测器及其制备方法，光电探测器结构为半圆柱形，主要包括GaAlAs/GaAs光电阴极1、收集电子的阳极2、玻璃窗3、外壳4、封装底座5、电极6和引脚7、8；GaAlAs/GaAs光电阴极1结构自下而上是由n型GaAs衬底、Si3N4增透膜、Gax1Al1‑x1As缓冲层1、Gax2Al1‑x2As缓冲层2、p型GaAs发射层、Cs/O激活层组成；缓冲层分为Gax1Al1‑x1As缓冲层1和Gax2Al1‑x2As缓冲层2，分别采用梯度掺杂和指数掺杂方式，两个缓冲层都是的变Al组分的GaAlAs；该光电探测器的优点在于：实现了宽波段、高精度、高灵敏度、快速响应的光电探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽波段探测的光电探测器，具体涉及一种基于蓝延伸的透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的光电探测器结构和制备方法，本发明属于光电子技术领域。
背景技术
非成像性的光电探测器，主要是根据外光电效应原理工作。基于光电阴极的光电探测器，则是利用光电阴极在光辐射作用下向真空中发射光电子的效应来探测信号。光电探测器在国民经济以及军事等各个领域有广泛的用途。对应于不同的波段，光电探测器有着不同的应用。在可见光以及近红外波段，光电探测器主要应用于射线测量和探测、工业自动控制、光度测量等方面；在红外波段，其主要的用途有导弹制导、红外成像、红外遥感等；在紫外波段，基于紫外光电阴极光电倍增管可以应用在对太阳灶紫外辐射的地面观测以及太阳物理的研究，对低层大气紫外线强度变化的地面观测及其研究，河流中浮游沙的计测，地震发光现象的观测以及临震预报研究等方面；如基于光电阴极的“光电测雹仪”和“光电测晕仪”能分别接收积雨云中闪电的紫外光和高压线圈表面的电晕放电中的紫外光，利用记录到的波谱来鉴别是否是冰雹云和高压线圈的起晕电压，对气象部门指挥人工防雹作业和电气工业部门检测发电机内部线圈的产品质量有重要意义。
基于不同波段探测的光电探测器，对不同领域的探测有着重要作用。然而，并没有一种适合所有波段探测的光电探测器。基于蓝延伸的GaAlAs/GaAs光电阴极的宽波长探测范围的光电探测器，能对紫外到红外波段的光进行探测，实现了全波段、高灵敏度的探测。GaAlAs/GaAs光电阴极是在GaAs光电阴极的基础上发展而来，实现了探测波段的蓝延伸，其更高的量子效率与成像分辨力、长寿命、光谱响应更宽等众多优点，尤其适合制备宽波段探测的光电探测器。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，设计了一种基于透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的宽波段探测的光电探测器，利用GaAlAs/GaAs光电阴极对蓝绿光敏感、优异的发射性能和长寿命特点，以此实现高效率的宽波段的光电探测技术。具体技术方案如下：
一种宽波段探测的光电探测器，包括GaAlAs/GaAs光电阴极、收集电子的阳极、玻璃窗、外壳、封装底座、电极和引脚，所述外壳顶部有开口，所述封装底座和外壳封装抽真空形成密封腔体，所述GaAlAs/GaAs光电阴极和收集电子的阳极结构采用半圆柱面阴极型，所述收集电子的阳极上方设有透明SiO2玻璃制成的玻璃窗，所述玻璃窗在所述外壳开口处与外壳封接，所述电极连接收集电子的阳极，所述引脚连接GaAlAs/GaAs光电阴极，所述电极和引脚伸出于封装底座之外。
进一步的，所述GaAlAs/GaAs光电阴极自下而上由n型GaAs衬底、Si3N4增透膜、第一Gax1Al1-x1As缓冲层、第二Gax2Al1-x2As缓冲层、p型GaAs发射层、Cs/O激活层组成。
进一步的，所述n型GaAs衬底采用高质量的GaAs(100)衬底，沿着晶向(100)方向对均匀性好的GaAs衬底进行切割。
进一步的，所述Si3N4增透膜降低入射到GaAlAs缓冲层的光子的反射率，提高入射光子的高探测效率。
进一步的，所述第一Gax1Al1-x1As缓冲层选取P型掺杂的Gax1Al1-x1As，掺杂元素为Zn，掺杂方式为梯度掺杂，x1的变化范围由0.39到0.49，掺杂层数m的变化范围是2~5，掺杂浓度从与Si3N4增透膜界面处的1.0×1015cm-3变化到与第二Gax1Al1-x1As缓冲层界面处的1.0×1017cm-3，形成一个较强的内建电场。
进一步的，所述第二Gax2Al1-x2As缓冲层选取P型掺杂的Gax2Al1-x2As，掺杂元素为Zn，掺杂方式为指数掺杂，x2的变化范围由0.49到1.0，掺杂层数n的变化范围是3~8，掺杂浓度从与第一Gax1Al1-x1As缓冲层界面处的1.0×1017cm-3变化到与p型GaAs发射层界面处的1.0×1019cm-3，形成一个很强的内建电场。
进一步的，所述p型GaAs发射层掺杂浓度为1.0×1019cm-3，厚度为0.5~1.5um。
进一步的，所述Cs/O激活层采用高低温两步激活法制备，标准的加热净化、“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，Cs/O激活层使阴极达到负电子亲和势状态(NEA)，能够提高阴极灵敏度。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的阴极采用透射式GaAlAs/GaAs光电阴极，其采用变掺杂方式对GaAlAs/GaAs结构进行掺杂，缓冲层分缓冲层1和缓冲层2，缓冲层1采用梯度掺杂方式，掺杂浓度从与Si3N4增透膜界面处的1.0×1015cm-3变化到与缓冲层2界面处的1.0×1017cm-3，形成一个较强的内建电场；缓冲层2采用指数掺杂方式，掺杂浓度从与缓冲层1界面处的1.0×1017cm-3变化到与GaAs发射层界面处的1.0×1019cm-3，形成一个很强的内建电场。入射光子激发的光电子在缓冲层形成的内建电场作用下，能够以很快的漂移速度向GaAs发射层输运，而并未影响到长波段探测情况，同时却提高了蓝、紫光波段的探测，实现了蓝延伸，因此基于其的本发明实现了宽探测波段，并保证了灵敏度。
2、本发明的光电阴极通过改变GaAlAs/GaAs结构中缓冲层的Ga组分x1、 x2的含量，同时对应的Al组分也相应改变，缓冲层1中Ga组分的含量由与Si3N4增透膜界面处的0.39变化到与缓冲层2界面处的0.49，缓冲层2中Ga组分的含量由与缓冲层1界面处的0.49变化到与GaAs发射层界面处的1.0，降低了GaAs衬底与GaAs发射层之间的位错，改善了界面特性，降低了缓冲层与发射层界面的光电子复合速率，提高了GaAlAs/GaAs光电阴极的量子效率，因此实现了本发明的高精度、高灵敏度、快速响应的探测。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中透射式GaAlAs/GaAs光电阴极结构示意图；
图3为本发明中透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的量子效率实验曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的整体结构示意图，包括GaAlAs/GaAs光电阴极1、收集电子的阳极2、玻璃窗3、外壳4、封装底座5、电极6和引脚7、8。所述外壳4顶部有开口，所述封装底座5和外壳4封装抽真空形成密封腔体，所述GaAlAs/GaAs光电阴极1和收集电子的阳极2结构采用半圆柱面阴极型，所述收集电子的阳极2上方设有透明SiO2玻璃制成的玻璃窗3，所述玻璃窗3在所述外壳4开口处与外壳4封接，所述电极6连接收集电子的阳极2，所述引脚7和8连接GaAlAs/GaAs光电阴极1，所述电极6和引脚7、8伸出于封装底座之外。
图2为本发明中透射式GaAlAs/GaAs光电阴极结构示意图。整体结构自下而上是由n型GaAs衬底、Si3N4增透膜、第一Gax1Al1-x1As缓冲层、第二Gax2Al1-x2As缓冲层、p型GaAs发射层、Cs/O激活层组成。
所述n型GaAs衬底采用高质量的GaAs(100)衬底，沿着晶向(100)方向对均匀性好的GaAs衬底进行切割，保证其低于103cm-3的位错密度。Si3N4增透膜降低了入射到GaAlAs缓冲层的光子的反射率，提高入射光子的高探测效率。
所述第一Gax1Al1-x1As缓冲层选取P型掺杂的Gax1Al1-x1As，掺杂元素为Zn，掺杂方式为梯度掺杂，x1的变化范围由0.39到0.49，掺杂层数m的变化范围是2~5，掺杂浓度从与Si3N4增透膜界面处的1.0×1015cm-3变化到与第二Gax1Al1-x1As缓冲层界面处的1.0×1017cm-3，形成一个较强的内建电场，第一缓冲层的厚度为1.1um。
所述第二Gax2Al1-x2As缓冲层同样选取P型掺杂的Gax2Al1-x2As，掺杂元素为Zn，掺杂方式为指数掺杂，x2的变化范围由0.49到1.0，掺杂层数n的变化范围是3~8，掺杂浓度从与第一Gax1Al1-x1As缓冲层界面处的1.0×1017cm-3变化到与GaAs发射层界面处的1.0×1019cm-3，形成一个很强的内建电场，第二缓冲层的厚度为0.8um。缓冲层内形成的两个内建电场以及两个缓冲层之间形成的内建电场有利于入射光子激发的光电子的运动，保证了光电子以很快的漂移速度输运到GaAs发射层，而并未影响到长波段探测情况，同时却提高了蓝、紫光波段的探测，扩展了探测波段。同时，变Al组份的第一Gax1Al1-x1As缓冲层、第二Gax2Al1-x2As缓冲层设计，有效的降低了GaAs衬底与GaAs发射层之间的位错，改善了界面特性，降低了缓冲层与发射层界面的光电子复合速率，提高了GaAlAs/GaAs光电阴极的量子效率，实现高精度、高灵敏度、快速响应的光电探测。
所述GaAs发射层采用p型掺杂的GaAs，掺杂浓度为1.0×1019cm-3，厚度为0.5~1.5um。
所述Cs/O激活层采用“高低温两步激活”法制备，标准的加热净化、“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，Cs/O激活层使阴极达到负电子亲和势状态(NEA)，能够提高阴极灵敏度。
图3为本发明采用的透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的量子效率实验曲线图。在图3中，横坐标波长的单位为nm，纵坐标量子效率的量纲为%。由图3可见，本发明的透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的探测波段覆盖范围为300~900nm，在此波段光谱响应较平坦，且在蓝绿光波段的平均量子效率达33%，高于传统阴极，适合宽波段、高灵敏度、快速响应的光电探测。
Claims (6)
1.一种宽波段探测的光电探测器，包括GaAlAs/GaAs光电阴极（1）、收集电子的阳极（2）、玻璃窗（3）、外壳（4）、封装底座（5）、电极（6）和引脚（7、8），其特征在于：所述外壳（4）顶部有开口，所述封装底座（5）和外壳（4）封装抽真空形成密封腔体，所述GaAlAs/GaAs光电阴极（1）和收集电子的阳极（2）结构采用半圆柱面阴极型，所述收集电子的阳极（2）上方设有透明SiO2玻璃制成的玻璃窗（3），所述玻璃窗（3）在所述外壳（4）开口处与外壳（4）封接，所述电极（6）连接收集电子的阳极（2），所述引脚（7、8）连接GaAlAs/GaAs光电阴极（1），所述电极（6）和引脚（7、8）伸出于封装底座之外；所述GaAlAs/GaAs光电阴极（1）自下而上由n型GaAs衬底、Si3N4增透膜、第一Gax1Al1-x1As缓冲层、第二Gax2Al1-x2As缓冲层、p型GaAs发射层、Cs/O激活层组成；所述第一Gax1Al1-x1As缓冲层选取P型掺杂的Gax1Al1-x1As，掺杂元素为Zn，掺杂方式为梯度掺杂，x1的变化范围由0.39到0.49，掺杂层数m的变化范围是2~5，掺杂浓度从与Si3N4增透膜界面处的1.0×1015cm-3变化到与第二Gax1Al1-x1As缓冲层界面处的1.0×1017cm-3，形成内建电场。
2.如权利要求1所述的宽波段探测的光电探测器，其特征在于：所述n型GaAs衬底采用高质量的GaAs(100)衬底，沿着晶向(100)方向对均匀性好的GaAs衬底进行切割。
3.如权利要求1所述的宽波段探测的光电探测器，其特征在于：所述Si3N4增透膜降低入射到GaAlAs缓冲层的光子的反射率，提高入射光子的高探测效率。
4.如权利要求1所述的宽波段探测的光电探测器，其特征在于：所述第二Gax2Al1-x2As缓冲层选取P型掺杂的Gax2Al1-x2As，掺杂元素为Zn，掺杂方式为指数掺杂，x2的变化范围由0.49到1.0，掺杂层数n的变化范围是3~8，掺杂浓度从与第一Gax1Al1-x1As缓冲层界面处的1.0×1017cm-3变化到与p型GaAs发射层界面处的1.0×1019cm-3，形成内建电场。
5.如权利要求1所述的宽波段探测的光电探测器，其特征在于：所述p型GaAs发射层掺杂浓度为1.0×1019cm-3，厚度为0.5~1.5um。
6.如权利要求1所述的宽波段探测的光电探测器，其特征在于：所述Cs/O激活层采用高低温两步激活法制备，标准的加热净化、“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，Cs/O激活层使阴极达到负电子亲和势状态(NEA)，能够提高阴极灵敏度。
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Application publication date: 20160420 Assignee: ZHEJIANG TIAN HENG WU WEI ELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: China Jiliang University Contract record no.: X2020980007824 Denomination of invention: A wide band photodetector Granted publication date: 20170926 License type: Common License Record date: 20201112 |
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Application publication date: 20160420 Assignee: North Night Vision Technology Co.,Ltd. Assignor: China Jiliang University Contract record no.: X2020980008115 Denomination of invention: A wide band photodetector Granted publication date: 20170926 License type: Common License Record date: 20201117 |
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