專利名稱：對532nm敏感的真空光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子探測材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于GanAlrAs (鎵鋁砷)三元化合物Al/Ga組分控制技術(shù)、半導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)、II1-V族化合物材料外延技術(shù)、超高真空表面激活技術(shù)及二極管封裝技術(shù)相結(jié)合的對532nm敏感的真空光電二極管。
背景技術(shù)：
我國是海洋大國，大力發(fā)展海洋事業(yè)對全面建設(shè)小康社會、有效維護海洋權(quán)益和安全意義重大。目前我國海洋安全與資源利用受到兩方面的制約:從橫向尺度看，到遠海大洋進行科學(xué)考察主要集中于第一島鏈內(nèi)，或稍微涉及到第二島鏈，而這也是科學(xué)考察和國防力量非常重要的屏障；在縱向尺度上，對潛深300m以上的潛艇，尚缺乏高靈敏的探潛、通信和成像器件。由于海水對藍綠波段的可見光吸收損耗極小，因此藍綠光通過海水時，不僅穿透能力強，而且方向性極好，是在深海中傳輸信息的優(yōu)先選擇，因此研究對532nm敏感的新型海洋光電子探測器件對我國海洋探潛、海洋通信、海底成像等各方面都有著重要意義。目前國內(nèi)外對負(fù)電子親和勢(negative electron affinity,簡稱ΝΕΑ)光電陰極的研究都是致力于寬光譜響應(yīng)GaAs光電陰極和紫外日盲響應(yīng)GaN光電陰極，而對窄帶響應(yīng)光電陰極缺少研究報道。項目組以近十幾年來對NEA光電陰極的研究成果為基礎(chǔ)，開展了對532nm敏感的GaAlAs光電陰極的研究，已經(jīng)申請了發(fā)明專利《對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極及其制備方法》(申請?zhí)?201110013841.2)和《532nm截止的反射式GaAlAs光電陰極及其制備方法》(申請?zhí)?201210094925.8 )。第一個專利中所述的透射式GaAlAs光電陰極自上而下由康寧(Corning) 7056#玻璃窗口、Si3N4增透層、Ga1^1AIxlAs均勻摻雜發(fā)射層、Gah2Alr2As摻雜濃度 漸變發(fā)射層以及Cs/0激活層組成，如圖1所示，這樣設(shè)計的透射式陰極光譜響應(yīng)峰值可以出現(xiàn)在532nm處。圖2是透射式GaAlAs光電陰極組件中Ga1I1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層和Gah2Alr2As摻雜濃度漸變發(fā)射層的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。第二個專利中反射式GaAlAs光電陰極具有與圖2所示同樣的發(fā)射層結(jié)構(gòu)，光譜響應(yīng)曲線在532nm后截止，說明了波長可調(diào)光電陰極的可能性設(shè)計。然而圖1和圖2所示的對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計仍限制在理論層面，還未通過實驗驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要通過材料生長、組件制備、清洗激活、性能測試等步驟，最后才能得知制備的透射式GaAlAs光電陰極光譜響應(yīng)曲線在532nm處能否達到峰值，實現(xiàn)窄帶響應(yīng)，滿足設(shè)計要求。因此，要通過實驗生長材料，制備對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極,測試實驗樣品性能,驗證實驗可行性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要針對海洋光電子探測器件提供一種對532nm敏感的真空光電二極管。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種對532nm敏感的真空光電二極管，包括透射式GaAlAs光電陰極組件、銦封材料、第一可伐合金、第二可伐合金與陶瓷，透射式GaAlAs光電陰極組件通過銦封材料與第一可伐合金相連，第一可伐合金通過陶瓷與第二可伐合金相連，第一可伐合金充當(dāng)透射式GaAlAs光電陰極組件的管腳，第二可伐合金充當(dāng)ニ極管中收集電子的陽極及其管腳；透射式GaAlAs光電陰極組件自上而下由Corning 7056#玻璃窗ロ、Si3N4增透層、Gah1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層、Gai_x2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層以及Cs/0激活層依次疊加而成。Corning 7056#玻璃窗ロ總厚度在2 6mm之間。Si3N4增透層總厚度在10(T200nm之間。Gal-xlAlxlAs均勻摻雜發(fā)射層的Al組分xl在0.75^0.90之間，總厚度在10(Tl000nm之間，采用均勻摻雜方式，摻雜濃度在1.0X1018^1.0X 1019cm-3之間。Gaトx2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層的Al組分x2在0.60、.68之間，總厚度在10(T3000nm之間，采用指數(shù)摻雜方式，由兩個以上P型Gal-xAlxAs外延材料構(gòu)成的單元層組成,姆個單元層厚度在4(Tl000nm之間，自上而下各單元層的摻雜濃度依次減小，第一個單元層摻雜濃度不高于
1.0X1019cm-3，最后ー個單元層濃度不低于1.0X1018cm-3。Cs/0激活層通過超高真空激活エ藝緊密吸附在Gal-X2AlX2As摻雜濃度漸變發(fā)射層的表面上，厚度在0.5^1.5nm之間。Gal-xlAlxlAs均勻摻雜發(fā)射層和Gal_X2AlX2As摻雜濃度漸變發(fā)射層生長吋，若采用M0CVD，則摻雜原子為Zn，若采用MBE，則摻雜原子為Be。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:本發(fā)明的對532nm敏感的真空光電ニ極管中采用了透射式GaAlAs光電陰極作為陰極部件，這里的GaAlAs光電陰極相比寬光譜響應(yīng)GaAs光電陰極而言，是窄帶響應(yīng)的，并且光譜響應(yīng)曲線的峰值響應(yīng)波長在532nm處，曲線半高全寬小于50nm。具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的透射式GaAlAs光電陰極可以配合532nm激光器，應(yīng)用于海洋光電子探測器件中，用來進行海洋探測領(lǐng)域的各項活動。


圖1是對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極組件結(jié)構(gòu)。
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圖2是對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極中兩個發(fā)射層結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明中對532nm敏感的真空光電ニ極管封裝結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明實施例1中對532nm敏感的真空光電ニ極管中透射式GaAlAs光電陰極的實驗光譜響應(yīng)曲線。圖5為本發(fā)明實施例1中對532nm敏感的真空光電ニ極管實物圖。
具體實施例方式針對海洋光電子探測器件需要的窄帶響應(yīng)光電陰極，本發(fā)明提供了一種基于GahAlxAs三元化合物Al/Ga組分控制技術(shù)、半導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)、II1-V族化合物材料外延技術(shù)、超高真空表面激活技術(shù)及ニ極管封裝技術(shù)相結(jié)合的對532nm敏感的真空光電ニ極管。本發(fā)明提供對532nm敏感的真空光電ニ極管，該光電ニ極管由透射式GaAlAs光電陰極組件、銦封材料、第一可伐合金、第二可伐合金與陶瓷組成，其中光電陰極組件自上而下由Corning 7056#玻璃窗ロ、Si3N4增透層、Ga1I1AlrlAs均勻摻雜發(fā)射層、Ga1^Alr2As摻雜濃度漸變發(fā)射層以及Cs/0激活層依次疊加而成。進ー步,所述對532nm敏感的真空光電ニ極管,透射式GaAlAs光電陰極組件通過銦封材料與第一可伐合金相連，該可伐合金通過圓柱形陶瓷管壁與第二可伐合金相連構(gòu)成平板電容器，內(nèi)部抽真空，第一可伐合金充當(dāng)陰極組件的管腳，第二可伐合金充當(dāng)該二極管中收集電子的陽極及其管腳，光電陰極組件與第二可伐合金構(gòu)成平板電容器，整個二極管呈圓柱體結(jié)構(gòu)。進一步,所述Corning 7056#玻璃窗口總厚度在2 6mm之間。進一步，所述Si3N4增透層總厚度在10(T200nm之間。進一步，所述Ga1I1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層的Al組分zl在0.75、.90之間，總厚度在10(Tl000nm之間，采用均勻摻雜方式，摻雜濃度在1.0 X IO18 1.0 X IO19CnT3之間。進一步，所述Ga1I2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層的Al組分^2在0.60、.68之間，總厚度在10(T3000nm之間，采用指數(shù)摻雜方式，由兩個以上P型GahAlxAs外延材料構(gòu)成的單元層組成，每個單元層厚度在4(Tl000nm之間，自上而下各單元層的摻雜濃度依次減小，第一個單元層摻雜濃度不高于1.0X 1019·cm_3，最后一個單元層濃度不低于1.0X 1018cm_3。進一步，所述Cs/0激活層通過超高真空激活工藝緊密吸附在Gah2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層的表面上，厚度在0.5^1.5nm之間。進一步，所述Gah1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層和Gah2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層生長時，若采用金屬有機化合物氣相外延法M0CVD，則摻雜原子為鋅Zn，若采用分子束外延法MBE，則摻雜原子為鈹Be。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細地說明。圖1是對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極組件結(jié)構(gòu)的平面直剖示意圖，整個組件呈上下兩個圓柱體疊加狀，玻璃窗口總厚度4mm，上方圓柱體直徑為32±0.1mm，高度約2mm,下方圓柱體直徑為17.5mm,高度約2mm。圖2是對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極中Ga1I1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層和Gah2Alr2As摻雜濃度漸變發(fā)射層的一種結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計示意圖。圖3為本發(fā)明中對532nm敏感的真空光電二極管封裝結(jié)構(gòu)示意圖。封裝好的真空光電二極管自上而下包括對532nm敏感的透射式GaAlAs光電陰極組件1、銦封材料2、第一可伐合金3-1、圓柱形陶瓷管壁4以及第二可伐合金3-2。其中陰極組件I自上而下由Corning 7056# 玻璃窗口 5、Si3N4 增透層 6、Ga1I1AlxlAs 均勻摻雜發(fā)射層 7、Ga1I2Alx2As 摻雜濃度漸變發(fā)射層8以及Cs/0激活層9組成。透射式GaAlAs光電陰極組件I通過銦封材料2與第一可伐合金3-1相連，再通過圓柱形陶瓷管壁4與第二可伐合金3-2相連構(gòu)成平板電容器，電容器內(nèi)部抽真空。實施例1 =Corning 7056#玻璃窗口 5總厚度為4mm ;Si3N4增透層6總厚度為IOOnm ;采用MOCVD生長陰極材料，Ga1^1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層7的Al組分值zl為0.79，總厚度為500nm，采用均勻摻雜方式，摻雜原子為Zn，摻雜濃度為1.0X 1019cm_3 iGa^^Al^As摻雜濃度漸變發(fā)射層8的Al組分值W為0.63，總厚度為1200nm，由四個p型GahAlxAs外延材料構(gòu)成的單元層組成，每個單元層厚度值近似按指數(shù)變化，自上而下分別為40nm、100nm、300nm、760nm，四個單元層都采用Zn摻雜，各層的摻雜濃度由內(nèi)表面到外表面分別為 1.0X1019cm_3、7.9X1018cm_3、4.5 X IO1W3U.0 X IO1W3 ;Cs/0 激活層 9 通過超高真空激活工藝緊密吸附在Ga1I2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層8的表面上，厚度為0.7nm。圖4是本實施例中對532nm敏感的真空光電二極管中透射式GaAlAs光電陰極的實驗光譜響應(yīng)曲線。采用40(T600nm范圍內(nèi)不同波長的光子入射到Corning 7056#玻璃窗ロ 5上，經(jīng)過陰極體內(nèi)吸收、激發(fā)、輸運、碰撞、隧穿等一系列過程后，在Cs/0激活層9的表面發(fā)射出光電子，產(chǎn)生不同的光電發(fā)射效應(yīng)。如圖4所示，在對數(shù)坐標(biāo)系中，水平坐標(biāo)是波長,垂直坐標(biāo)是光譜響應(yīng)。從圖4可知，本實施例中透射式GaAlAs光電陰極光譜響應(yīng)曲線10呈現(xiàn)明顯的窄帶“門”字形，短波起始波長為450nm，長波截止波長為580nm，光譜響應(yīng)曲線10在532nm處達到峰值，曲線半高全寬為45nm，半高響應(yīng)范圍是51(T555nm，可以實現(xiàn)在532nm的窄帶響應(yīng)，由此光電陰極制備的真空光電ニ極管或微光像增強器配合532nm激光器使用時，可以應(yīng)用于海洋光電子探測器件中，用來進行海洋探測領(lǐng)域的各項活動。圖5是實施例1中對532nm敏感的真空光電ニ極管的實物圖。實施例2:與實施例1不同的是，Corning 7056#玻璃窗ロ 5總厚度為6mm ;Si3N4增透層6總厚度為150nm ；Cs/0激活層9厚度為0.5nm。實施例3:與實施例1不同的是，Corning 7056#玻璃窗ロ 5總厚度為2mm ;Si3N4增透層6總厚度為200nm ；Cs/0激活層9厚度為1.5nm。實施例4:與實施例1不同的是，Ga1^1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層7的Al組分值^rl為0.90，摻雜濃度為5.0X IO18CnT3 !Ga1^2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層8的Al組分值為
0.60，總厚度為2000nm，分為六個單元層，自上而下厚度分別為10nm、25nm、65nm、180nm、480nm、1240nm，摻雜濃度分別為 1.0 X 1019cm_3、9.0 X 1018cm_3、7.0 X 1018cm_3、5.0 X 1018cm_3、
2.5X1018cm_3、l.0X1018cm_3。實施例5:與實施例 1不同的是，Ga1^1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層7的Al組分值^rl為0.75，總厚度為IOOOnm !Ga1^2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層8的總厚度為3000nm，分為八個單兀層，自上而下厚度分別為 10nm、20nm、40nm、80nm、100nm、250nm、700nm、1800nm,摻雜濃度分別為 1.0X1019cnT3、9.5X1018cm_3、9.0X1018cm_3、8.2X IO1W,7.5X1018cnT3、
5.8X1018cm_3、2.3X 1018cm_3、1.0X 1018cm_3。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗g和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種對532nm敏感的真空光電ニ極管,其特征在于:包括透射式GaAlAs光電陰極組件[I]、銦封材料[2]、第一可伐合金[3-1]、第二可伐合金[3-2]與陶瓷[4]，透射式GaAlAs光電陰極組件[I]通過銦封材料[2]與第一可伐合金[3-1]相連，第一可伐合金[3-1]通過陶瓷[4]與第二可伐合金[3-2]相連，第一可伐合金[3-1]充當(dāng)透射式GaAlAs光電陰極組件[I]的管腳，第二可伐合金[3-2]充當(dāng)ニ極管中收集電子的陽極及其管腳；透射式GaAlAs光電陰極組件[I]自上而下由Corning 7056#玻璃窗ロ [5]、Si3N4增透層[6]、Gah1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層[7].Gah2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層[8]以及Cs/0激活層[9]依次疊加而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對532nm敏感的真空光電ニ極管，其特征在于:Corning7056#玻璃窗ロ [5]總厚度在2 6mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對532nm敏感的真空光電ニ極管，其特征在于=Si3N4增透層[6]總厚度在10(T200nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對532nm敏感的真空光電ニ極管,其特征在于^ah1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層[7]的Al組分在0.75、.90之間，總厚度在10(Tl000nm之間，采用均勻摻雜方式，摻雜濃度在1.0X IO18 1.0X IO19CnT3之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對532nm敏感的真空光電ニ極管，其特征在于Aah2Alr2As摻雜濃度漸變發(fā)射層[8]的Al組分在0.60、.68之間，總厚度在10(T3000nm之間，采用指數(shù)摻雜方式，由兩個以上P型GahAlrAs外延材料構(gòu)成的単元層組成，每個單元層厚度在4(Tl000nm之間，自上而下各單元層的摻雜濃度依次減小，第一個單元層摻雜濃度不高于1.0 X IO19Cm 3,最后一個單兀層濃度不低于LOX IO18Cm 3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對532nm敏感的真空光電ニ極管，其特征在于:Cs/0激活層[9]通過超高真空激活エ藝 緊密吸附在Gah2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層[8]的表面上，厚度在0.5 1.5nm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的對532nm敏感的真空光電ニ極管，其特征在于:Gah1AlxlAs均勻摻雜發(fā)射層[7]和Gah2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層[8]生長時，若采用金屬有機化合物氣相外延法M0CVD，則摻雜原子為鋅Zn，若采用分子束外延法MBE，則摻雜原子為鈹Be。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對532nm敏感的真空光電二極管，由透射式GaAlAs光電陰極組件、銦封材料、第一可伐合金、第二可伐合金與陶瓷組成，其中光電陰極組件自上而下由Corning7056#玻璃窗口、Si3N4增透層、Ga1-x1Alx1As均勻摻雜發(fā)射層、Ga1-x2Alx2As摻雜濃度漸變發(fā)射層以及Cs/O激活層依次疊加而成；透射式GaAlAs光電陰極組件通過銦封材料與第一可伐合金相連，再通過圓柱形陶瓷管壁與第二可伐合金相連構(gòu)成平板電容器，內(nèi)部抽真空。具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的透射式GaAlAs光電陰極可以配合532nm激光器，應(yīng)用于海洋光電子探測器件中，用來進行海洋探測領(lǐng)域的各項活動。
文檔編號H01L31/0203GK103094397SQ201210215209
公開日2013年5月8日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者常本康, 趙靜, 張益軍, 陳鑫龍, 石峰, 程宏昌 申請人:南京理工大學(xué)