CN107919256A - 一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极及制备方法 - Google Patents

一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极及制备方法 Download PDF

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冯琤
张翔
汤狸明
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钱芸生
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富容国
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Abstract

本发明公开了一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极及制备方法，该光电阴极由下而上由GaAs衬底层、分布式布拉格反射镜结构的缓冲层、AlGaAs发射层以及Cs/O激活层组成；所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层由10‑30对的Alx1Ga1‑x1As/Alx2Ga1‑x2As交叠层组成。本发明通过在缓冲层中引入分布式布拉格反射镜结构，通过设置Alx1Ga1‑x1As/Alx2Ga1‑x2As交叠层的厚度、层数以及Al组分值x1和x2，可降低532nm波长处的反射率，提高吸收率，最终提高532nm波长处的光电发射量子效率。

Description

一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极及 制备方法
技术领域
本发明属于蓝绿光探测材料技术领域，特别是一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极及制备方法。
背景技术
现代微光夜视器件正朝着高灵敏度、宽光谱响应的方向发展，为了提高微光夜视器件在沙漠地带或者海洋环境中对景物的探测、识别和确认能力，有必要进一步提高光电阴极在蓝绿光波段透光窗口的响应。
三代微光像增强器的光谱响应范围通常为500-900nm，要在水下、海域、沙漠和大气层等条件下进行高清晰度微光成像，必须克服光程中的水气、海水或沙尘等介质对景物图像信息的吸收和散射。实验表明，来自目标景物的辐射几乎被水、水蒸气或沙尘等介质吸收殆尽，而只有在450-570nm之间的蓝绿光波段尚有一透光窗口。因此，研究提高532nm波长处量子效率的光电阴极结构，对探测、识别与确认水雾中、沙漠中或水下等特殊环境下的景物具有现实意义。为了实现光电阴极在532nm波长处有较高的响应，研究人员从提高窗口层Al组分、减薄窗口层厚度以及在窗口层中设计渐变带隙的结构等方面进行了相关的研究。但光电阴极作为一种光学材料，其光学性质相关的研究却鲜有报道，所以从光电阴极光学性质的角度来实现其在532nm波长处量子效率的提高具有重要意义。但是，目前光电阴极的吸收率较低，因此量子效率也较低，难以适应于水雾、沙漠或水下等特殊环境中对目标的探测、识别与确认。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，以减少阴极对入射光的反射，从而使入射光更多地被阴极吸收。
实现本发明目的的技术解决方案：
一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，该阴极自下而上由GaAs衬底层、分布式布拉格反射镜结构的缓冲层、Alx3Ga1-x3As发射层以及Cs/O激活层组成，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层由10～30对的Alx1Ga1-x1As/Alx2Ga1-x2As交叠层组成。
进一步地，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层采用AlAs/GaAs结构组合。
进一步地，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层中，Alx1Ga1-x1As层的厚度为40～50nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为30～40nm。
进一步地，所述的Alx3Ga1-x3As发射层的厚度为300～600nm。
进一步地，所述的Alx3Ga1-x3As发射层的Al组分为x3，满足0.5≤x3≤0.7。
进一步地，所述的Cs/O激活层通过超高真空激活工艺吸附在AlGaAs发射层的表面上。
一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极的制备方法，步骤如下：
(1)在抛光的GaAs衬底层表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长分布式布拉格反射镜结构的缓冲层；
(2)在分布式布拉格反射镜结构的缓冲层的表面采用相同工艺继续生长Alx3Ga1- x3As发射层；
(3)经过化学腐蚀以及超声波去除AlGaAs发射层表面的氧化物、油脂，再送入到超高真空系统中进行加热净化，然后通过超高真空激活工艺在Alx3Ga1-x3As发射层表面形成一层Cs/O激活层。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用分布式布拉格反射镜结构来作为缓冲层，可减小阴极的反射率，提高阴极的吸收率，从而最终提高阴极的量子效率；(2)提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极结合电子倍增器件构成蓝绿光探测器，可应用于水雾、沙漠或水下等特殊环境中对目标的探测、识别与确认；(3)通过改变分布式布拉格反射镜结构的厚度和层数可实现对不同波长处量子效率的提高。
附图说明
图1为提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极的结构示意图。
图2为提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极的反射率对比图。
具体实施方式
本发明提供的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，该阴极自下而上由GaAs衬底层1、分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2、Alx3Ga1-x3As发射层3以及Cs/O激活层4组成，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2由10～30对的Alx1Ga1-x1As/Alx2Ga1-x2As交叠层组成。
进一步，分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2采用AlAs/GaAs结构组合，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2中，Alx1Ga1-x1As层的厚度为40～50nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为30～40nm。所述的Alx3Ga1-x3As发射层3的厚度为300～600nm。所述的Alx3Ga1-x3As发射层3的Al组分为x3，满足0.5≤x3≤0.7。
进一步，所述的Cs/O激活层4在超高真空系统中通过超高真空激活工艺紧密吸附在AlGaAs发射层3的表面上。
本发明还提供了一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极的制备方法，该制备方法如下：
(1)在抛光的GaAs衬底层1表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2；
(2)在分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2的表面采用相同工艺继续生长Alx3Ga1-x3As发射层3；
(3)经过化学腐蚀以及超声波去除AlGaAs发射层3表面的氧化物、油脂，再送入到超高真空系统中进行加热净化，然后通过超高真空激活工艺在Alx3Ga1-x3As发射层3表面形成一层Cs/O激活层4。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本发明中的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极的结构示意图如图1所示。反射式AlGaAs光电阴极组件自下而上由GaAs衬底层1、分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2、Alx3Ga1-x3As发射层3以及Cs/O激活层4组成。
所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)的对数为10～30对；分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)中，Alx1Ga1-x1As层的厚度为40～50nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为30～40nm；所述的Alx3Ga1-x3As发射层(3)的厚度为300～600nm；Alx3Ga1-x3As发射层(3)的Al组分x3满足0.5≤x3≤0.7，例如可制备如下参数的反射式AlGaAs光电阴极：
(1)在高质量的n型GaAs衬底层1上利用分子束外延技术生长分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2，分布式布拉格反射镜结构采用10对Alx1Ga1-x1As/Alx2Ga1-x2As的结构交叠生长而成，其中Alx1Ga1-x1As层厚度为44.5nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为34.8nm。在缓冲层结构上采用相同的生长技术生长Alx3Ga1-x3As发射层3，厚度为500nm，Al组分x3为0.675。
(2)在高质量的n型GaAs衬底层1上利用分子束外延技术生长分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2，分布式布拉格反射镜结构采用30对Alx1Ga1-x1As/Alx2Ga1-x2As的结构交叠生长而成，其中Alx1Ga1-x1As层厚度为40nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为30nm。在缓冲层结构上采用相同的生长技术生长Alx3Ga1-x3As发射层3，厚度为300nm，Al组分x3为0.5。
(3)在高质量的n型GaAs衬底层1上利用分子束外延技术生长分布式布拉格反射镜结构的缓冲层2，分布式布拉格反射镜结构采用20对Alx1Ga1-x1As/Alx2Ga1-x2As的结构交叠生长而成，其中Alx1Ga1-x1As层厚度为50nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为40nm。在缓冲层结构上采用相同的生长技术生长Alx3Ga1-x3As发射层3，厚度为600nm，Al组分x3为0.7。
将生成的反射式AlGaAs光电阴极依次放于四氯化碳、丙酮、酒精和去离子水中，进行超声波清洗，再放于H2SO4/H2O2/H2O混合溶液中腐蚀2分钟，去除阴极表面的污染物和杂质，使阴极表面获得清洁表面。
将化学清洗后的反射式AlGaAs光电阴极送入超高真空系统中，设置合适的温度，对AlGaAs光电阴极表面进行高温净化，去除表面的C、O化合物，从而获得原子级清洁表面。加热温度的选择在一个合适的范围内，过高的温度会破坏阴极表面，过低则不会获得原子清洁表面，本发明选定的高温净化温度为650℃。待高温加热后的AlGaAs光电阴极自然冷却到30℃左右后，开始进行Cs/O激活，通过超高真空激活工艺在AlGaAs发射层3表面形成一层Cs/O激活层。
结合图2，与传统光电阴极的缓冲层相比，本发明采用分布式布拉格反射镜结构来作为缓冲层，可减小阴极的反射率，提高阴极的吸收率，从而最终提高阴极的量子效率。

Claims (7)

1.一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，其特征在于：该阴极自下而上由GaAs衬底层(1)、分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)、Alx3Ga1-x3As发射层(3)以及Cs/O激活层(4)组成，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)由10～30对的Alx1Ga1- x1As/Alx2Ga1-x2As交叠层组成。
2.根据权利要求1所述的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，其特征在于，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)采用AlAs/GaAs结构组合。
3.根据权利要求1或2所述的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，其特征在于，所述的分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)中，Alx1Ga1-x1As层的厚度为40～50nm，Alx2Ga1-x2As层的厚度为30～40nm。
4.根据权利要求1所述的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，其特征在于，所述的Alx3Ga1-x3As发射层(3)的厚度为300～600nm。
5.根据权利要求1所述的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，其特征在于，所述的Alx3Ga1-x3As发射层(3)的Al组分为x3，满足0.5≤x3≤0.7。
6.根据权利要求1所述的提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极，其特征在于，所述的Cs/O激活层(4)通过超高真空激活工艺吸附在AlGaAs发射层(3)的表面上。
7.一种提高532nm波长处量子效率的反射式AlGaAs光电阴极的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)在抛光的GaAs衬底层(1)表面，通过半导体材料的外延生长工艺生长分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)；
(2)在分布式布拉格反射镜结构的缓冲层(2)的表面采用相同工艺继续生长Alx3Ga1- x3As发射层(3)；
(3)经过化学腐蚀以及超声波去除AlGaAs发射层(3)表面的氧化物、油脂，再送入到超高真空系统中进行加热净化，然后通过超高真空激活工艺在Alx3Ga1-x3As发射层(3)表面形成一层Cs/O激活层(4)。
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