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透射式GaAs光电阴极的光学与光电发射性能研究

作　者: 赵静
导　师: 常本康
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: GaAs 光电阴极透射式结构设计光学性能光电发射性能量子效率积分灵敏度
分类号: O462
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文围绕透射式 GaAs 光电阴极光学与光电发射性能的理论研究、结构设计与性能测试的软件研制、MBE生长阴极的实验评估、MOCVD生长的具有不同性能阴极的结构设计及实验等方面展开研究。针对透射式GaAs光电阴极光学性能研究的缺乏,根据薄膜光学矩阵理论,推导了包括玻璃基底、Si3N4增透层、Ga1-xAlxAs窗口层和GaAs发射层的透射式GaAs光电阴极光学性能计算公式,分析了除玻璃外三层材料的折射率、消光系数、厚度对光学性能曲线的影响。另外,对透射式GaAs光电阴极量子效率公式进行了光学性能的修正,同时分析了表征光学性能的吸收率与表征光电发射性能的量子效率之间的关系,研究了光学性能对光电发射性能的影响。根据透射式GaAs光电阴极光学与光电发射性能的理论计算,研制了透射式光电阴极结构设计软件,通过输入特定的设计要求参数,由软件自动计算后给出宽光谱响应或窄带响应材料结构设计结果及理论计算曲线。根据光学与光电发射性能的关系分析,研制了用于测试透射式光电阴极光学与光电发射性能的软件,通过输入波长、结构、实验光谱等,由软件自动拟合后得到阴极相关性能参数结果,实现了透射式光电阴极性能的自动测试,并提供了一种组件厚度的非接触测量手段。利用性能测试软件拟合了多种结构的MBE生长透射式GaAs光电阴极的实验反射率和透射率曲线,获得了阴极组件各个薄膜层的可靠厚度结果,提出了在MBE生长阴极的窗口层和发射层间存在一个低Al组分的过渡层。采用由光学性能修正的量子效率公式拟合了MBE生长透射式GaAs光电阴极的实验量子效率曲线,评估了多种掺杂结构的阴极光电发射性能,说明了MBE生长透射式GaAs光电阴极短波响应差、光谱特性不佳,因此结构设计有待改善。通过有效拟合美国ITT公司高性能GaAs光电阴极的实验量子效率,获得了高性能GaAs光电阴极的结构参数范围,其结果可用于指导国产GaAs光电阴极的材料设计和阴极制备。鉴于MBE生长阴极短波响应低、光谱特性差的问题,设计了宽光谱普通透射式GaAs光电阴极、蓝延伸透射式GaAs光电阴极、窄带透射式GaAlAs光电阴极,给出了满足设计要求的组件结构、Al组分、厚度、掺杂结构等。采用MOCVD生长了理论设计的三类阴极,测试了光学性能和光谱响应曲线,拟合了实验曲线并获得了性能参数。结果表明,MOCVD生长的宽光谱透射式GaAs光电阴极获得了比MBE生长阴极更好的性能。蓝延伸GaAs光电阴极积分灵敏度最高达到了1980μA/lm,窄带GaAlAs光电阴极实现了在532nm处达到峰值响应的要求,普通GaAs光电阴极的积分灵敏度最高达到了2320μA/lm,这与美国ITT公司当前对外公布的最高水平一致。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
1. 绪论  12-25
  1.1 负电子亲和势光电阴极发展概述  12-14
  1.2 国内外GaAs光电阴极性能比较  14-18
    1.2.1 国外GaAs光电阴极性能现状  14-15
    1.2.2 国内GaAs光电阴极性能现状  15-16
    1.2.3 国内外GaAs光电阴极性能对比  16-18
  1.3 透射式GaAs光电阴极研究基础  18-22
    1.3.1 透射式GaAs光电阴极材料生长与激活制备研究  18-19
    1.3.2 透射式GaAs光电阴极光学性能研究  19-20
    1.3.3 透射式GaAs光电阴极光电发射性能研究  20-21
    1.3.4 透射式GaAs光电阴极发展面临的问题  21-22
  1.4 本文研究背景及意义  22-23
  1.5 本文主要工作  23-25
2. 透射式GaAs光电阴极的光学与光电发射性能理论研究  25-51
  2.1 引言  25
  2.2 透射式GaAs光电阴极的光学结构  25-26
  2.3 透射式GaAs光电阴极光学性能的理论研究  26-41
    2.3.1 薄膜光学多层膜的矩阵理论  26-28
    2.3.2 透射式GaAs光电阴极的光学性能计算模型  28-31
    2.3.3 光学常数对透射式GaAs光电阴极光学性能的影响  31-37
    2.3.4 膜层厚度对透射式GaAs光电阴极光学性能的影响  37-41
  2.4 透射式GaAs光电阴极光电发射性能的理论研究  41-50
    2.4.1 透射式GaAs光电阴极的光电发射性能参数  41-44
    2.4.2 透射式GaAs光电阴极的量子效率公式  44-46
    2.4.3 光学性能对透射式GaAs光电阴极量子效率公式的修正  46-47
    2.4.4 透射式GaAs光电阴极吸收率与量子效率的关系  47-50
  2.5 本章小结  50-51
3. 透射式GaAs光电阴极的结构设计与性能测试方法及软件研制  51-69
  3.1 引言  51
  3.2 透射式GaAs光电阴极的结构设计方法及软件研制  51-62
    3.2.1 宽光谱响应GaAlAs/GaAs光电阴极的结构设计方法  51-54
    3.2.2 窄带响应GaAlAs光电阴极的结构设计方法  54-55
    3.2.3 宽光谱响应光电阴极的结构设计软件研制  55-60
    3.2.4 窄带响应光电阴极的结构设计软件研制  60-62
  3.3 透射式GaAs光电阴极的性能测试方法及软件研制  62-68
    3.3.1 光学与光电发射性能测试软件的思想  62-63
    3.3.2 光学与光电发射性能测试软件的研制  63-68
  3.4 本章小结  68-69
4. MBE生长透射式GaAs光电阴极的光学与光电发射性能实验研究  69-86
  4.1 引言  69
  4.2 MBE生长透射式GaAs光电阴极的实验样品结构  69-71
  4.3 MBE生长透射式GaAs光电阴极的光学性能实验研究  71-77
    4.3.1 透射式GaAs光电阴极的光学性能实验曲线测试  71-73
    4.3.2 MBE生长样品的光学性能实验曲线拟合  73-76
    4.3.3 MBE生长样品的光学性能总结  76-77
  4.4 MBE生长透射式GaAs光电阴极的量子效率实验研究  77-82
    4.4.1 透射式GaAs光电阴极的量子效率实验曲线测试  77-79
    4.4.2 MBE生长样品的量子效率实验曲线拟合  79-81
    4.4.3 MBE生长样品的光电发射性能评价  81-82
  4.5 国外高性能GaAs光电阴极的量子效率曲线拟合  82-84
  4.6 本章小结  84-86
5. MOCVD生长透射式GaAs光电阴极的结构设计与实验研究  86-106
  5.1 引言  86
  5.2 透射式GaAs光电阴极的设计  86-92
    5.2.1 透射式GaAs光电阴极的结构  86-88
    5.2.2 透射式GaAs光电阴极的光学性能计算  88-90
    5.2.3 透射式GaAs光电阴极的光电发射性能计算  90-92
  5.3 MOCVD生长透射式GaAs光电阴极的实验测试  92-98
    5.3.1 透射式GaAs光电阴极的MOCVD生长与阴极制备  92-94
    5.3.2 MOCVD生长样品的光学性能实验曲线  94-96
    5.3.3 MOCVD生长样品的光谱响应实验曲线  96-98
  5.4 MOCVD生长透射式GaAs光电阴极的性能评价  98-103
    5.4.1 MOCVD生长样品的光学性能拟合与评价  98-100
    5.4.2 MOCVD生长样品的光电发射性能拟合与评价  100-103
  5.5 透射式GaAs光电阴极性能比较  103-104
  5.6 本章小结  104-106
6. 结束语  106-109
  6.1 本文工作总结  106-108
  6.2 本文创新点  108
  6.3 有待进一步解决的问题  108-109
致谢  109-110
参考文献  110-121
附录  121-124

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