GaN光电阴极测试与评估技术研究

GaN光电阴极的制备成功与否需用科学手段加以评估.在GaAs光电阴极多信息量测试系统的基础上,增设紫外光源,并对评估软件重新加以编写,设计出GaN光电阴极测试评估系统.利用该系统测试了GaN光电阴极在制备过程中的Cs源电流、O源电流、光电流和激活室真空度等多个信息量,并利用激活后的光谱响应对阴极进行了评估,实现了对GaN光电阴极性能的客观评价.     

NEA GaN光电阴极材料光学特性研究

针对NEA GaN光电阴极结构设计和制备工艺需进一步优化的问题,结合阴极量子效率表达式和影响量子效率的因素,采用理论和实验相结合的方法,分别研究了GaN光电阴极材料的表面反射率、光学折射率、光谱吸收系数以及透射光谱等光学参数。结果表明在250 nm到365 nm的波长范围内,表面反射率相对平稳,是影响量子效率的直接因素,而光学折射率则通过电子表面逸出几率间接影响着量子效率。给出了均匀掺杂GaN光电阴极的光谱吸收系数的特点,根据变掺杂NEA GaN光电阴极的结构特点,给出了光谱平均吸收系数的概念和等价计算公式,并对均匀掺杂与变掺杂NEA GaN光电阴极光谱吸收系数进行了对比。     

梯度掺杂结构GaN光电阴极表面的净化

对梯度掺杂结构GaN阴极表面进行了化学清洗,清洗后利用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了阴极表面,分析表明化学清洗能有效去除阴极表面的油脂和加工中残存的无机附着物;然后在超高真空室内710℃下对阴极进行了高温退火清洁,去除化学清洗后残留在阴极表面的C、O等吸附物,使阴极表面达到制备高性能负电子亲和势(NEA)光电阴极所需的原子级清洁程度。最后通过阴极激活实验加以验证,结果证实化学处理后热退火方法能有效净化梯度掺杂结构GaN阴极表面。     

NEA GaN和GaAs光电阴极的比较

针对GaN基光电阴极激活过程中Cs-O交替存在的光电流的增幅问题,本文主要比较了GaN和GaAs材料性质、表面结构以及激活过程中光电阴极的光电流。发现GaN的熔点高于GaAs,在制备GaN基光电阴极时则需要更高的热清洗温度;如果用双偶极子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光电发射机理,GaN(1000)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs,几乎"平躺"在表面,对光电发射贡献不大;GaAs(100)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs几乎"垂直"于表面,降低了表面功函数,对光电发射贡献很大;Cs-O激活过程中,对于GaAs光电阴极,Cs、O交替过程形成的光电流与单纯Cs激活时的光电流相比,有几倍甚至上百倍的增长;GaN只提高了20%左右。通过第一性原理计算,与现在的GaN基(1000)面相比,GaN基的(11 2 0)和(10 1 0)面是极具潜力的光电发射面;预计闪锌矿GaN基(100)面会取得更好的结果。     

GaN与GaAs NEA光电阴极稳定性的比较

利用自行研制的光电阴极激活评估实验系统,对激活后的反射式GaN及GaAs光电阴极进行了稳定性测试,获得了Cs/O激活一段时间后阴极随时间变化的光谱响应,通过计算得到量子效率曲线.结果表明:激活结束后GaN灵敏度可以在较长时间内保持稳定,而后缓慢衰减.而GaAs光电阴极的光电流随时间近似呈指数衰减.结合阴极表面双偶极层结构以及表面化学成分,分析原因主要是:两种阴极表面进行Cs/O激活后形成的双偶极子的结构不同、衰减过程中双偶极层化学成分变化方式不同决定.GaN光电阴极激活后cs以复杂氧化物存在,更加稳定,灵敏度的衰减主要是由未分解的氧引起,而GaAs灵敏度下降的原因主要是表面双偶极层中的Cs极易脱附,影响其稳定性.     

NEA GaN光电阴极光电发射机理研究

围绕GaN光电阴极NEA特性的成因,结合激活过程中光电流变化规律和成功激活后阴极表面模型,研究了NEA GaN光电阴极光电发射机理.实验表明:NEA GaN激活过程中光电流在约1 min之内就可达到峰值,Cs/O激活时引入O后光电流的增长幅度不大.根据Spicer光电发射理论,给出了反射模式NEA GaN光电阴极量子产额理论公式,激活成功后GaN光电阴极NEA特性的成因可以用双偶极层模型[GaN(Mg):Cs]:Cs-O解释.     

缓冲层材料对纤锌矿结构GaN(0001)光电发射性能的影响研究

利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上异质外延生长了GaN光电发射层,为降低GaN发射层和蓝宝石衬底间的晶格失配与热失配,在蓝宝石衬底和GaN发射层间分别采用了AlN和AlxGa1-xN两种不同的缓冲层材料。对具有不同缓冲层材料的两种样品进行了表面清洗与激活,在激活结束后利用多信息量测试系统分别测试了样品的光谱响应,其最大量子效率分别为13%和20%,依据激活后光电阴极的光谱响应作为评估标准,可以得出,采用组份渐变AlxGa1-xN作为缓冲层激活出的阴极具有更高的光电发射性能,从而实现了GaN光电阴极结构的优化设计。     

热退火对GaN阴极光电发射性能的影响

热退火不但可以减少GaN阴极样品中的各种缺陷和寄生电容，改善材料的结晶属性，而且可以改善样品的表面质 量，对提高样品的光谱响应是一种有力的手段，对GaN阴极样品进行了不同温度、不同时间的退火处理，使样品的性能得到了改善，最优条件下样品的暗电流为200ｐＡ，电阻率为1.6Ω·ｃｍ，最大光谱响应为0.19Ａ/Ｗ，依据光谱响应作为评估标准，可以得出，采用700℃热退火10min制备出的阴极具有更高的光电发射性能，从而实现了GaN光电阴极的优化制备工艺。     

负电子亲和势氮化镓光电阴极

负电子亲和势GaN光电阴极在紫外探测技术领域具有诱人的应用前景.本文在介绍和分析负电子亲和势GaN光电阴极的特点、工作原理及其能带结构的基础上,设计了GaN外延材料的结构和阴极制作工艺.指出负电子亲和势GaN光电阴极制备的关键在于材料的生长、与输入光窗的融焊、衬底的减薄及彻底的去气处理和超高真空状态下的铯、氧激活.     

NEA GaN光电阴极的制备及其应用

近年来,随着晶体生长技术的发展,GaN基材料的生长技术与生长工艺取得了重大突破.基于NEA的GaN紫外光电阴极是非常理想的新型紫外光电阴极.本文重点探讨了NEA GaN光电阴极材料的金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和卤化物汽相外延(HVPE)等主流生长技术的优缺点,介绍了两步生长、横向外延生长及悬空外延技术等新工艺.讨论了GaN光电阴极的性能特点、制备方法以及在紫外光电探测器和电子束平版印刷术领域的应用状况.