蓝延伸AlGaAs光电阴极光学结构与发射机理研究

The ability of detection, recognition and identification of targets in the desert terrain or marine environment is to be strengthened, therefore, the photoemission performance of photocathodes responding in the blue-green waveband region should be improved. In this project, we will investigate the optical structure and photoemission performances of blue-extended AlGaAs photocathode. Firstly, optical constants of AlGaAs materials with different Al components and GaAs materials with different doping concentrations will be calculated by the first principle. Based on the results, a theoretical reasonable optical property model and quantum efficiency formula of blue-extended AlGaAs photocathode will be established. Then the designing software for the optical structure of the photocathode with varied components and concentrations will be developed with the basis of the theory model. And the optimized optical structure of the photocathode will be simulated in theory, including the thickness, component and doping concentration etc of the sub layers in the GaAs active layer and the AlGaAs window layer. Lastly, material grown and module preparation will be proceed for the designed AlGaAs photocathode, and then optical property and photoemission performance will be measured by the experiments. The blue-extended photocathode will be obtained with superior photoemission performance (quantum efficiency >20%) in the blue-green waveband region. At the same time, the experimental results are used to verify or correct theoretical model. Based on the above research results, we will provide theoretical guidance and experimental basis for improving the photoemission performance and preparation of the blue-extended photocathode.

为了提高沙漠或海洋环境中微光夜视器件对目标探测、识别和确认的能力，进一步提高光电阴极在蓝绿光响应波段的光电发射能力，本项目拟开展蓝延伸AlGaAs光电阴极光学结构与发射机理研究。首先通过第一性原理计算不同铝组分AlGaAs材料和不同掺杂浓度GaAs材料的光学常数分布，在此基础上建立蓝延伸AlGaAs光电阴极光学性能模型和量子效率公式；然后根据理论模型研制变组分变掺杂光电阴极的光学结构设计软件，通过软件仿真研究该光电阴极光学结构的理论优化参数范围，包括GaAs发射层和AlGaAs窗口层的各子层厚度、铝组分、掺杂浓度等；最后对仿真设计的AlGaAs光电阴极结构进行材料生长和组件制备，并开展光学性能与光电发射性能的实验研究，获得具有蓝延伸波段量子效率>20%的光电阴极，同时实验结果用于验证或修正理论模型。该项目将为提高蓝延伸光电阴极的光电发射性能及完善制备提供理论指导和实验依据。

为了提高光电阴极在蓝绿光响应波段的光电发射能力，本项目开展了蓝延伸AlGaAs光电阴极光学结构与发射机理研究。首先开展了AlGaAs光电阴极结构设计的理论基础研究，针对不同应用场合对光谱响应的要求不同设计一种波长可调的透射式AlGaAs光电阴极，由玻璃窗口、Si3N4增透层、AlxGa1-xAs均匀掺杂缓冲层、多个不同组分且掺杂浓度递变Alx’Ga1-x’As发射层以及Cs/O激活层组成，光谱响应范围可覆盖400~900nm，不用遮光帽时能够实现宽光谱响应效果，配合不同的遮光帽时，能实现波长可调的效果。其次进行了量子效率模型修正，提出了利用吸收率和光谱响应的一次微分曲线来分析光电阴极的多层模型，结果表明具有光滑反射率的变组分样品比定组分样品的光谱响应更高，其在532nm处光谱响应近似为100mA/W，量子效率达到23%。然后根据理论模型研制了GaAs基光电阴极结构设计软件，包括宽光谱响应和窄带响应光电阴极组件。通过设置波长、掺杂、积分灵敏度、量子效率等参数，由软件自行设计合适的结构，结果包括量子效率曲线、光学性能曲线、结构设计结果。接着利用MBE技术制备了透射式光电阴极样品，并采用分光光度计测试了其反射率和透射率实验曲线，提出了厚度的多次迭代、减小综合误差的拟合方法，600~1100 nm范围内反射率和透射率曲线的综合误差从15.2%降低到4.9%，并通过对光学性能的拟合推出光电阴极接近实际的厚度结构。另外研究了AlGaAs光电阴极实验清洗与激活工艺。提出了改进的化学清洗方法，即先使用HF溶液，再使用HCl和异丙醇混合溶液，可以有效的减少C污染物和氧化物，量子效率得到很大提升。对光照条件研究发现，光电阴极在633nm照射下，具有更好的光电发射性能，各个波段的量子效率均最高，尤其是在长波区域与其他样品相比有更明显的优势。最后分析了光谱响应与吸收率实验曲线关系，分析发现由于不同方法制备的光电阴极体内不同杂质对能级的影响不同，光谱响应曲线相比吸收率曲线都发生了红移，MBE样品偏移稍大于MOCVD样品，可以通过指导优化光学性能达到优化光电发射性能的目的。