蓝绿光敏感变Al组分GaAlAs光电阴极光电发射机理与制备技术研究

The band-gap of NEA GaAlAs photocathode has a close relation with Al component, the spectral response of GaAlAs photocathode could be controlled to respond to blue-green light by changing Al component. The main factors limiting GaAlAs photocathode used in field of blue-green detection are low electron drift and diffusion length and low quantum efficiency. Aiming at the problems mentioned above, we focus on preparing high-performance blue-green GaAlAs photocathode with variable Al component structure, the main research works are as follows. The band-gap structures and the electron transport rules of GaAlAs photocathodes with different varying Al component structures will be studied according to first principle calculation and Silvaco TCAD simulation. The quantum efficiency model of variable Al component GaAlAs photocathode is going to be built. The structure of variable Al component GaAlAs photocathode can be designed, and the GaAlAs epitaxial materials will be grown by MOCVD or MBE. The chemical cleaning, heat cleaning, and Cs-O activation will be studied by analyzing the multi information of preparing process, and the preparation technology of variable Al component GaAlAs photocathode will be fixed. Finally, high quantum efficiency and high stability blue-green GaAlAs photocathode would be prepared by the fixed preparation technology.

NEA GaAlAs光电阴极的禁带宽度与Al组分有密切联系，通过调整Al组分大小，可控制其光谱响应范围，实现高度选择性的蓝绿光响应。当前制约GaAlAs光电阴极在蓝绿光探测领域应用的主要因素是低的电子漂移扩散长度和量子效率，针对上述问题，本项目以研制高性能变Al组分结构的蓝绿光敏感GaAlAs光电阴极为目标，主要开展以下工作：结合第一性原理计算和Silvaco TCAD仿真分析不同变Al组分结构光电阴极的能带结构和电子输运规律，建立变Al组分GaAlAs光电阴极的量子效率模型；进行变Al组分GaAlAs光电阴极结构设计，并采用MOCVD或MBE技术外延生长光电阴极材料；融合制备过程中的多信息量研究化学清洗、加热净化和Cs-O激活等工艺，确定一套适合变Al组分GaAlAs光电阴极的制备工艺，最终获得量子效率高、稳定性好的蓝绿光敏感GaAlAs光电阴极。

以GaAlAs光电阴极为核心的真空光电探测器件对蓝绿光敏感，其在海洋探测领域有着潜在的应用价值。GaAlAs光电阴极的主要特点是通过调节Al组分，可实现不同光谱响应的探测，存在的主要问题是电子扩散长度和表面电子发射几率不高。在此背景下，本项目提出了变Al组分GaAlAs光电阴极结构，并围绕其表面光电发射模型、材料结构设计、制备工艺和性能评估等方面开展了研究。建立了GaAlAs（100）表面重构模型，研究了GaAlAs表面Cs、O原子吸附模型，计算了GaAlAs表面电子亲和势随Cs覆盖度的变化关系，比较了Cs、O激活结果；基于量子效率模型和多层光学薄膜模型，计算分析了Al组分、外延层厚度、表面电子逸出几率等对量子效率的影响，并设计了不同Al组分变化的GaAlAs光电阴极结构；研究了不同Al组分GaAlAs表面光电发射性能；研究了不同加热净化温度处理的GaAlAs光电阴极的光谱响应结果，并与GaAs光电阴极的加热处理工艺进行的了比较分析；研究了具有超薄GaAs发射层的GaAlAs光电阴极的光电发射性能，并结合量子效率结果分析了不同GaAs层厚度对光电阴极性能的影响；制备了组分恒定的GaAlAs光电阴极，并与变组分结构进行了比较分析，结果表明具有超薄GaAs发射层的变Al组分GaAlAs光电阴极的量子效率更高。研究结果表明，通过变Al组分结构设计，使光电阴极材料体内形成一个内建电场，提升了GaAlAs光电阴极的电子扩散长度；在对超薄GaAs发射层的GaAlAs光电阴极研究中首次发现当GaAs层厚度达到纳米级时，表面可形成量子阱结构，由于量子限制效应，表面GaAs层有效带隙展宽，从而提升了光电阴极表面电子逸出几率，最终制备的GaAlAs光电阴极量子效率达到30%以上，该研究成果可推广至同类阴极的研究中。