负电子亲和势GaN光电阴极的研究进展

GaN材料由于其优良的性能,成为紫外探测和真空电子源领域极具发展潜力的材料之一;目前制备的反射式GaN光电阴极的量子效率已达到70%以上,透射式也达到了30%.本文对GaN光电阴极的结构设计、表面清洗和Cs/O激活三大方面进行了综述,分析了影响量子效率的关键因素,并对今后可能的发展方向进行了展望. 关键词： GaN光电阴极 负电子亲和势 量子效率 进展     

负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究

针对负电子亲和势（NEA） GaN光电阴极成功激活后的量子效率问题,利用自行研制的紫外光谱响应测试仪器,测试了成功激活的NEA GaN光电阴极的光谱响应,给出了230—400 nm波段内反射模式NEA GaN光电阴极的量子效率曲线.测试结果表明：反射模式下NEA GaN光电阴极在230nm具有高达37.4%的量子效率,在GaN光电阴极阈值365 nm处仍有3.75%的量子效率,230 nm和400 nm之间的抑制比率超过2个数量级.文中还结合国外的研究结果,综合分析了影响量子效率的因素. 关键词： 负电子亲和势 GaN光电阴极 光谱响应 反射模式     

反射式负电子亲和势GaN光电阴极量子效率衰减机理研究

针对反射式负电子亲和势(NEA) GaN光电阴极量子效率的衰减以及不同波段对应量子效率衰减速度的不同,参照国外给出的NEA GaN光电阴极在反射模式下量子效率曲线随时间的衰减变化情况,利用GaN光电阴极铯氧激活后的表面模型［GaN(Mg):Cs］:O-Cs,结合量子效率衰减过程中表面势垒的变化,研究了反射式NEA GaN光电阴极量子效率的衰减机理. 有效偶极子数量的减小是造成量子效率降低的根本原因,表面I,II势垒形状的变化造成了不同波段对应的量子效率下降速度的不同. 关键词： 负电子亲和势 GaN光电阴极 量子效率 表面势垒     

反射式负电子亲和势GaN光电阴极量子效率衰减机理研究

针对反射式负电子亲和势(NEA) GaN光电阴极量子效率的衰减以及不同波段对应量子效率衰减速度的不同,参照国外给出的NEA GaN光电阴极在反射模式下量子效率曲线随时间的衰减变化情况,利用GaN光电阴极铯氧激活后的表面模型［GaN(Mg):Cs］:O-Cs,结合量子效率衰减过程中表面势垒的变化,研究了反射式NEA GaN光电阴极量子效率的衰减机理. 有效偶极子数量的减小是造成量子效率降低的根本原因,表面I,II势垒形状的变化造成了不同波段对应的量子效率下降速度的不同.     

反射式负电子亲和势GaN光电阴极的光电发射及稳定性研究

利用在线多信息紫外光电阴极激活评估系统,测试了真空室内两个GaN 光电阴极Cs,O激活后及衰减6 h和18 h后补Cs的光谱响应特性曲线和量子效率曲线;并绘制了光纤光源波长为300 nm的光电阴极响应电流衰减变化曲线.实验结果证明,GaN 光电阴极较GaAs阴极具有更好的稳定性,量子效率可保持相对稳定达10 h,然后缓慢衰减,衰减速率较窄禁带半导体材料低得多.补Cs后光电流最大值较刚激活完有16.8%的增长,这充分证明阴极表面量子效率衰减的原因是Cs的脱附,而不是O的吸附.这些现象可由双偶极层模型来解释, 关键词： 光学 光电阴极 量子效率 稳定性     

负电子亲和势氮化镓光电阴极的制备工艺

利用自行研制的超高真空激活系统与表面分析系统,通过X射线光电子能谱(XPS)分析确定了采用的GaN(0001)化学清洗配方的有效性,并通过激活结果验证了达到原子级清洁表面所采用的加热清洁工艺的正确性.结合激活过程中的光电流变化曲线,确定了高温Cs单独激活与后续Cs/O交替激活相结合的工艺,成功制备了表面达到负电子亲和势...     

反射式NEA GaN光电阴极量子效率恢复研究

以反射式NEA GaN光电阴极充分激活、衰减以及补Cs后的量子效率曲线为依据,针对阴极量子效率的衰减规律和补Cs后的恢复状况,论述了NEA GaN光电阴极量子效率的衰减和恢复机理.经过重新Cs化处理,反射式NEA GaN光电阴极量子效率在240 nm到300 nm的短波区域恢复到激活后最好状态的94%以上,300 nm到375 nm的长波区域恢复到88%以上.结合反射式NEA GaN光电阴极衰减前后的表面势垒形状和反射式GaN光电阴极量子效率的计算公式,得到了量子效率曲线的衰减规律以及补Cs后的恢复状况与 关键词： 反射式 NEA GaN光电阴极 量子效率     

利用紫外透射光谱研究透射式GaN光电阴极的材料结构及光学特性

GaN紫外光电阴极是近年发展起来的一种高性能真空紫外探测器件,其中透射式结构作为光电阴极实际应用的工作模式,其多层结构参数及光学特性对阴极的最终光电发射性能有着重要的影响.测试了透射式GaN阴极材料的紫外透射光谱,通过建立透射式GaN阴极样品的透射模型,得到了GaN阴极样品的薄膜厚度、光学吸收系数与透射谱之间的函数关系.计算得到的GaN外延材料的厚度与实际值误差小,吸收系数与已发表数据一致,表明紫外透射光谱法能够准确地实现透射式GaN阴极材料结构及光学特性的评估.     

NEA GaN光电阴极量子产额研究

围绕NEA GaN光电阴极光电发射过程的光谱响应理论,研究了其量子产额问题。分别给出了反射模式和透射模式NEA GaN光电阴极的量子产额计算公式,分析了影响量子产额的因素。分析了国外制备的反射模式和透射模式NEA GaN光电阴极的量子产额曲线。结果表明,目前制备的NEA GaN光电阴极已具有高达30%的量子效率和良好的发射性能。相同条件下,反射模式比透射模式的量子效率要高,而且反射模式不像透射模式那样存在短波限制。     

负电子亲和势GaN光电阴极铯吸附机理研究

为了得到铯吸附与阴极电子亲和势变化之间的定量关系,利用NEA光电阴极激活评估实验系统对GaN光电阴极进行了铯激活.根据半导体光电发射理论和双偶极层模型,通过对电子亲和势随铯覆盖度变化的实验结果进行拟合运算,得到电子亲和势与铯覆盖度之间的函数关系式.分析了铯的吸附机理,得到激活过程中铯的吸附过程与GaN材料有效电子亲和势下降之间的关系.实验表明:负电子亲和势GaN光电阴极材料在铯激活时光电流随着铯覆盖度的增加而从本底值增为极大值,激活过程中GaN电子能量分布曲线低动能截止点的位置决定于铯的覆盖度.当铯的覆盖度从0、1/2、2/3到1个单层变化时,低动能截止点依次向左移动,当覆盖度从0增加到1个单层时,低动能截止点向左移动了约3eV的距离.研究表明,低动能截止点左移本质上是由于对电子逸出起促进作用的有效偶极子[GaN(Mg):Cs]数量的增多造成的,有效偶极子数量的增多带来了材料表面真空能级的下降.     

梯度掺杂与均匀掺杂GaN光电阴极的对比研究

为了提高负电子亲和势(NEA)GaN光电阴极的量子效率,利用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)外延生长了梯度掺杂反射式GaN光电阴极,其掺杂浓度由体内到表面依次为1×10¹⁸ cm^-3,4×10¹⁷ cm^-3,2×10¹⁷ cm^-3和6×10¹⁶ cm^-3,每个掺杂浓度区域的厚度约为45 nm,总的厚度为180 nm.在超高真 关键词： NEA GaN光电阴极 梯度掺杂 量子效率 能带结构     

Comparison of blue–green response between transmission-mode GaAsP-and GaAs-based photocathodes grown by molecular beam epitaxy

In order to develop the photodetector for effective blue–green response, the 18-mm-diameter vacuum image tube combined with the transmission-mode Al_(0.7)Ga_(0.3)As_(0.9)P_(0.1)/GaAs_(0.9)P_(0.1) photocathode grown by molecular beam epitaxy is tentatively fabricated. A comparison of photoelectric property, spectral characteristic and performance parameter between the transmission-mode GaAsP-based and blue-extended GaAs-based photocathodes shows that the GaAsP-based photocathode possesses better absorption and higher quantum efficiency in the blue–green waveband, combined with a larger surface electron escape probability. Especially, the quantum efficiency at 532 nm for the GaAsP-based photocathode achieves as high as 59%, nearly twice that for the blue-extended GaAs-based one, which would be more conducive to the underwater range-gated imaging based on laser illumination. Moreover, the simulation results show that the favorable blue–green response can be achieved by optimizing the emission-layer thickness in a range of 0.4 μm–0.6 μm.     

The optimal thickness of transmission-mode GaN photocathode

A 150-nm-thick GaN photocathode with an Mg doping concentration of 1.6× 10¹⁷cm^-3 is activated by Cs/O in ultrahigh vacuum chamber, and quantum efficiency (QE) curve of negative electron affinity transmission-mode (t-mode) GaN photocathode is obtained. The maximum QE reaches 13.0% at 290 nm. According to the t-mode QE equation solved from the diffusion equation, the QE curve is fitted. From the fitting results, the electron escape probability is 0.32, the back-interface recombination velocity is 5× 10⁴ cm·s^-1, and the electron diffusion length is 116 nm. Based on these parameters, the influence of GaN thickness on t-mode QE is simulated. The simulation shows that the optimal thickness of GaN is 90 nm, which is better than the 150-nm GaN.     

The optimal thickness of a transmission-mode GaN photocathode

A 150-nm-thick GaN photocathode with a Mg doping concentration of 1.6×1017cm-3 is activated by Cs/O in an ultrahigh vacuum chamber,and a quantum efficiency(QE) curve of the negative electron affinity transmission-mode(t-mode) of the GaN photocathode is obtained.The maximum QE reaches 13.0% at 290 nm.According to the t-mode QE equation solved from the diffusion equation,the QE curve is fitted.From the fitting results,the electron escape probability is 0.32,the back-interface recombination velocity is 5×104 cm·s-1,and the electron diffusion length is 116 nm.Based on these parameters,the influence of GaN thickness on t-mode QE is simulated.The simulation shows that the optimal thickness of GaN is 90 nm,which is better than the 150-nm GaN.     

指数掺杂结构对透射式GaAs光电阴极量子效率的影响研究

通过在一维连续性方程光电子产生函数项中加入短波约束因子,修正了指数掺杂和均匀掺杂透射式GaAs光电阴极量子效率公式.利用修正的透射式阴极量子效率公式分别拟合制备的指数掺杂和均匀掺杂透射式阴极量子效率实验曲线,符合得很好.另外拟合得到的阴极性能参数表明,由于内建电场的作用,指数掺杂阴极的性能要好于均匀掺杂阴极,指数掺杂结构能够明显提高透射式阴极的量子效率. 关键词： 透射式光电阴极 指数掺杂 量子效率 内建电场     

NEA GaN光电阴极表面模型研究

针对目前NEAGaN光电阴极研究中Cs激活或Cs/O激活后表面状态的形成过程还不清楚的问题,围绕NEAGaN光电阴极的光电发射机理,结合GaN光电阴极激活过程中出现的现象及成功激活的最终效果,给出了GaN光电阴极铯氧激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]:O-Cs。利用该模型可很好地解释单独用Cs激活时约-1.0eV的有效电子亲和势和Cs/O共同激活时-1.2eV的有效电子亲和势的成因,也较好地解释了表面吸附原子的组合形式,即Cs/O激活后激活层的化学结构由Cs2O2和CsO2构成。     

近紫外波段NEA GaN阴极响应特性的研究

为了深入理解近紫外波段NEA GaN阴极的光谱响应特性, 在超高真空系统中对MOCVD生长的不同发射层厚度和掺杂浓度的三个样品进行激活实验, 并在线测试样品光谱响应. 利用反射式GaN阴极量子效率公式和最小二乘法对入射光波长为0.25—0.35 μ之间的 阴极响应量子效率实验数据进行拟合, 分别得到后界面复合速率和拟合直线L的斜率, 并使用量子效率公式对入射光波长为0.35 μ时的反射式GaN阴极光谱响应量子效率进行仿真. 结果表明, 后界面复合速率和直线v的斜率都能很好地反映GaN阴极的响应性能, 当GaN阴极后界面复合速率小于10⁵ cm/s, 发射层的厚度取0.174—0.212 μ时, 阴极光谱响应性能最好. 关键词： 反射式GaN 势垒 最小二乘法 后界面缺陷     

Spectral transmittance and module structure fitting for transmission-mode GaAs photocathodes

A transmission-mode GaAs photocathode includes four layers of glass,Si 3 N 4 ,Ga 1x Al x As and GaAs. A gradient-doping photocathode sample was obtained by molecular beam epitaxy and its transmittance was measured by spec-trophotometer from 600 nm to 1100 nm. The theoretical transmittance is derived and simulated based on the matrix formula for thin film optics. The simulation results indicate the influence of the transition layers and the three thin-film layers except glass on the transmittance spectra. In addition,a fitting coefficient needed for error modification enters into the fitted formula. The fitting results show that the relative error in the full spectrum reduces from 19.51% to 4.35% after the formula is modified. The coefficient and the thicknesses are gained corresponding to the minimum relative error,meanwhile each layer and total thin-film thickness deviation in the module can be controlled within 7%. The presence of glass layer roughness,layer interface effects and surface oxides is interpreted on the modification.