GaAs光电阴极多信息量测试系统设计

为了优化GaAs光电阴极制备工艺,设计了一个用于GaAs光电阴极制备过程监控的多信息量测试系统.系统采用了先进的现场总线技术,可在线测试阴极加热净化过程中真空度随温度的变化曲线,阴极激活过程中光电流、真空度、Cs源和O源电流的变化曲线,以及阴极激活后的光谱响应曲线.光电流测试精度可达1 nA,光谱响应曲线测量范围在400～1 000 nm.利用该系统对阴极制备过程进行了监测,并给出了测试结果.     

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.     

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.     

高真空系统气体成分对GaAs光电阴极稳定性的影响

GaAs 光电阴极以其量子效率高、光谱可调等优点广泛应用于微光夜视领域,尤其以高积分灵敏度的特性区别于多碱光电阴极,而 GaAs 光电阴极负电子亲合势的特性是通过 Cs,O 激活实现的,但是激活结束后,负电子亲合势的维持受诸多因素影响,如激活源、激活方式、气体氛围等。为了探究超高真空系统中影响 GaAs 光电阴极稳定性的因素,开展了 GaAs 光电阴极的激活实验和稳定性实验,对激活光电流曲线与腔室气体成分进行了监测,实验结果表明,在真空度优于 1×10^-6 Pa 的高真空系统中,影响其稳定性的是腔室中的气体成分,其中对稳定性影响最大的是 H₂O,真空系统中 H₂O分压的增加会导致 GaAs 光电阴极的 Cs,O 激活层迅速破坏,光电发射能力急剧下降。     

透射式GaAs光电阴极研究

介绍了透射式GaAs光电阴极部件的制作技术和Cs、O激活机理;对Cs、O激活的GaAs光电阴极测试结果进行了分析,并指出了存在的问题和原因;讨论了提高GaAs光电阴极灵敏度的重要途径;提出了GaAs光电阴极灵敏度提高的技术方法以及进一步研究的方向.     

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.     

Cs、O激活对GaAsP光阴极光谱响应特性的影响

为了探究Cs、O激活电流对透射式GaAsP光阴极光谱响应特性的影响,通过光谱响应测试仪测试不同Cs、O电流激活后的透射式GaAsP光阴极光谱响应曲线,结果表明,随着铯氧蒸发电流比的减小,GaAsP光阴极光谱曲线的形状会发生一定的改变,长波响应能力逐渐降低、短波响应能力逐渐提高。利用双偶极层模型理论,分析认为铯氧蒸发电流比的改变影响了GaAsP光阴极表面势垒的形状,使得不同激发能量的光电子通过隧道效应穿越表面势垒宽度发生变化,从而影响GaAsP光阴极光谱响应特性。根据此现象对进一步提高GaAsP光阴极在530 nm特征波长的量子效率具有积极的意义。     

NEA GaN光电阴极的制备与评估

对GaN的结构性质进行了介绍,研究了NEAGaN光电阴极的制备方法,利用MOCVD生长了P型掺杂浓度为1.6×1017cm-3发射层厚度150 am的GaN样品,在进行了GaN表面净化处理得到原子级清洁表面后,在超高真空系统中对GaN光电阴极进行了Cs/O激活,获得了NEAGaN光电阴极.利用实验室制备的多信息量测试系...     

高温退火对GaAs光阴极表面状态的影响

利用XPS分析了GaAs光阴极高温退火、激活前后表面组分的变化,结合光阴极退火过程中通过四级质谱仪获取的CO2、H2O、O、As、Cs等分压曲线,比较、讨论了两次退火机理的差异。提出第二次加热的目的不仅在于清洁光阴极表面,更重要的是促使第一次激活在光阴极表面形成的偶极层向更稳定的结构转化,Cs2O偶极子在高温下与GaAs本底反应生成了可在光阴极表面稳定存在的GaAs-O-Cs偶极子,形成主要由键合强的GaAs（Zn）--Cs+、GaAs-O-Cs偶极子及靠范德瓦尔斯力附着在光阴极表面的Cs2O偶极子构成的偶极层。根据这一结论,解释了光阴极两次激活过程中光电流变化规律的差异。对理解光阴极激活及表面光电发射模型具有重要意义。     

变掺杂GaAs光电阴极吸收系数的表征

确定阴极材料的光子吸收系数,是开展变掺杂GaAs光电阴极光电发射性能理论研究的重要条件之一。分析了变掺杂阴极的结构特点,提出了材料等效光子吸收系数的概念,并给出了等效光子吸收系数的计算方法。设计了变掺杂阴极样品并进行了阴极Cs、O激活实验,理论计算了材料的等效光子吸收系数并对激活后的阴极量子效率进行了拟合仿真,拟合曲线同实验曲线非常一致,证明了该计算方法的有效性。     

Theoretical study of cesium and oxygen activation processes on GaN (0001) surface

The structure properties and work function of reflection-mode GaN photocathodes are investigated by using first-principles calculation within density-function theory (DFT). Seven different GaN (0001) (1×1) surface models are used in this paper to simulate cesium and oxygen activation process. Before starting the surface models calculations, clean bulk GaN surface is first optimized, when compared with the models before optimization, the correctness of the calculations method is verified. Next, change of work function of different surface models caused by adsorption is calculated and analyzed, the results show that over-cesiuminizd atmosphere is not only benefit for work function declining but also conductive to the formation of negative electron affinity (NEA), the optimal ratio of Cs to O for activation is between 3:1 and 4:1, excess Cs or O modules increase the work function and undermine the photocathode. Then a series of experiments are performed to verify the calculation results. First of all, NEA GaN photocathode activation and evaluation system is established, “yo-yo” activation method is verified. Then, an activation experiment is performed on high quality p-type Mg-doped reflection-mode GaN substrate grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), the photocurrent is controlled and monitored by multi-information on-line monitoring system, the results are consistent with our calculation models. Finally, combined with the data provided by Stanford University, schematic energy band variation of the GaN photocathode after only-Cs and Cs/O activations is given. Our result opens the possibility to engineer the activation properties of GaN photocathode.     

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.     

梯度掺杂GaN光电阴极的光谱响应测试与分析

用光谱响应测试仪得到了反射式梯度掺杂GaN光电阴极在激活和衰减过程中的光谱响应曲线,发现此曲线不断发生变化。在激活过程中光谱响应不断提高,且长波响应提高较快;衰减过程中光谱响应不断下降,长波响应下降得更快。结果表明：光谱响应曲线的变化与光电阴极高能光电子的逸出有关。GaN光电阴极发射的电子能量分布随入射光子能量升高而向高能端偏移,阴极表面势垒形状的变化对低能光激发电子的影响更大,导致光谱响应曲线随入射光波长改变而产生了不同的变化。     

NEAGaN光电阴极第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似投影缀加平面波方法,在六方结构GaN结构优化的基础上,计算了GaN(0001)A面吸附Cs后功函数变化,指出吸附系统表面形成了一个有效的GaN－Cs电偶极子层,降低了原本的GaN表面势垒,形成更加有利于电子逸出的外光电发射效应特性。接着图示吸附Cs、O后的电子结构,指出吸附原子和衬底之间的键合。六方结构GaN材料的光学性质通过Kramers-Kronig 关系得出。根据GaN的介电函数谱,得出了254nm光波长下以GaN为激活层材料的反射式光电阴极在不同少子扩散长度下的内量子效率。计算结果表明六方结构GaN(0001)A面是可见光盲光电阴极的优良发射表面,且254 nm处的量子效率可达到60%,远大于碱金属卤化物紫外光电阴极。     

透射式GaAs（Cs,O）光电阴极发射电子横向能量的研究

制备了透射式ＧａＡｓ阴极组件,测量了ＧａＡｓ阴极激活过程中阴极光 敏度和发射电子平均横向能量随激活时间的变化,用扫描电镜观察ＧａＡｓ（Ｃｓ,Ｏ）阴极表面形貌,结果表明：ＧａＡｓ（Ｃｓ,Ｏ）阴极发射电子横向能量取决于ＧａＡｓ晶格温度、阴极表面形貌和电子在能带弯曲区的多次散射,与（Ｃｓ,Ｏ）激活层无关。     

Roles of cesium and oxides in the processing of gallium aluminum arsenide photocathodes

The roles of cesium (Cs) and oxides in the processing of gallium aluminum arsenide (GaAlAs) photocathodes have been investigated. The Cs/O activation, Cs/O reactivation and degradation experiments are performed on GaAlAs photocathode. The activated photocurrent, degraded photocurrent and quantum efficiency curves are measured using a self-developed multi-information measurement system. We use the quantum efficiency formula to fit the experimental quantum efficiency curves, and obtain the performance parameters of the photocathode. The results show that the oxide gases play an important role in the degradation of the photocathode, and the Cs atoms could react with the oxides on the degraded surface and the residual oxide gases. Besides, the quantum efficiency of the degraded GaAlAs photocathode could be restored to a good level after Cs/O reactivation.