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高温Cs激活GaAs光电阴极表面机理研究

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型 掺 杂杂 质 与 材 料 表 面正 电件 Ｃ 形 成 的 偶极 子对 表 面 势 垒 的作 用 后 ，通 过 求 解 均 匀 掺 杂 阴 极 中 电子 所 ｓ所 遵循 的一 维 连续 性 方 程 ， 到 了反射 式 均 匀 掺 杂 阴 极 的量 子 效 率 公 式 ， 过 求 解 薛 定 谔 方程 得 到 了到 达 阴 得 通 极 表 面 的 光 电 子 的逸 出概 率公 式 ， 用 公 式 对 Ｇ Ａｓ 电 阴极 的 ｃ 激 活 过 程 进 行 了 分 析 。 析 发 现 ， 活 利 ａ 光 ｓ 分 激
阴极表面存在的化学形态ｌ 。。 ｌ ｋ等ｌ ７ Ｃａ 。 ｒ
在 Ｃ 激 活后的 ｓ
阴极表面观测到 了莫特相变，并以此 为依据提 ｝ 阴极表 面势 【 Ｊ
垒变 化 是 由 Ｇａ 和吸 附在 阴 极 表 面 的 Ｃ 形 成 的 异 质 结 引 Ａｓ ｓ 起 的 。 ｕｇ 在利 用 Ｘ 射 线 光 电 子 能 谱 （ Ｐ ） 阴极 表 面 Ｓｌ Ｘ Ｓ对 Ｃ 和 ０ 的 化 学状 态 进 行 分 析 巾 ， 现 （ 与 Ａｓ 生 ｒ 合 ， ｓ 发 ） 发 结 并 由此 提 出 激 活 后 阴 极 表 面 ［ ａ Ｇ Ａｓ （ Ｃ ］ 构 的 偶 极 子 卜 ｓ结 是 阴极 表 面 真 空 能级 降 低 的 主 要 原 Ｌ 。 大 Ｊ
超高真空激活系统 中进 行 了 Ｇａ ｓ光电阴极高 温 ｃ 激 Ａ ｓ 活实验 ，实验采用反射式 Ｐ型均匀掺杂 Ｇ Ａｓ １０ 分子柬外 ａ （０ ） 延（ Ｅ 样品 ， ＭＢ ） 掺杂 原子 为 Ｂ ， 杂浓度 为 １ ０ ｒ ， ｅ 掺 ×１”ｅ ｌ ｌ
样 品结 构 如 图 ｌ 示 。 子 束 外 延 具 有 生 长 速 率 慢 ，生长 温 所 分
体 内电子逸出到真 空的概 率 。 管高 温 ｃ 尽 ｓ激活 制备 Ｇ Ａｓ ａ
光 电 阴极 的 工艺 已 日趋 成熟 ， 对 于表 面 势 垒 的变 化 过 程 并 但
没 有 形 成 统一 的 观 点 。 年 以 来 ， 活过 程 ｒ ａ 光 电明 多 激 ＩＧ Ａｓ ｌ
极的表面机理一直都是研究的热点 。人们 提出 ｒ很多模型来
过程 中 Ｇ Ａｓ ａ 光电阴极的量子效 率和光 电子的逸 出概率正比于偶极子层的电场强度 。 关键词 Ｇａ 光 电阴极； Ａｓ 偶极子 ；表面势垒 ； 量子效葺 墨
文 献 标 识码 ：Ａ Ｄ Ｉ ０ ３６ ／． ｓ． ０ ００ ９ （０ ０ ０ —０ ８０ Ｏ ：１． ９４ ｊｉ ｎ １０ —５３ ２ １ ）８２ ３—５ ｓ 以上 理 论 都 可 以在 一 定 程 度 解 释 Ｃ 激 活 过 程 中 阴极 表 ｓ
第３卷， ８ ０ 第 期 ２０ １０年 ８月
光
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌ ａ ｙ ｉ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ Ａｎ ｌ ｓｓ
Ｖｏ． ０ Ｎｏ ８ ｐ ２ ３ — ０ ２ １３ ， ． ， ｐ ０ ８ ２ ４ Ａｕ ｕ ｔ ０ ０ ｇ ｓ ，２ １
中图 分 类号 ： ２ ３ ＴＮ ２
引 言
２ Ｏ世纪 ５ 年代 ， ｃｅｒ Ｖ ｎ Ｌ ａ 在 Ｐ型 Ｇ Ａｓ１ ０ Ｏ Ｓｈ ｅ 和 ａ ． ａｒ ａ （１） 真空解理 面通过 Ｃ 激活的方式首次 得到 ｒ具有零 电子亲和 ｓ 势的光电阴极ｌ 。由于具有量子效率 高，暗发射 小，光谱 响 １ ］ 应宽 ，长波域可调等优点 ，Ｇ Ａｓ 电阴极在 微光像 增强器 ａ 光
和极 化 电 子源 等 领 域 得 到 了广 泛 的 应 用 ｌ 。 ２ Ｇ Ａｓ 电 阴 极 体 内 电 子 逸 到 真 空 的 过 程 ¨以 通 过 ａ 光 Ｊ 丁 Ｓ ｉｒ ｐｃ 的三 步 发 射模 型得 到 较 好 的解 释 ： 一 步 入 射 光 把 电 ｅ 第
面势牟 的变化机理 ， 但都忽略 了 Ｇ Ａｓ ａ 材料体 内负 电性 Ｐ型 掺杂杂质与材料 表面 正 电忭 Ｃ 的相互 作用 ，本文 提 出了 ｓ
高温 Ｃ 激活 Ｇａ 光 电阴极表 面机 理研 究 ｓ Ａｓ
杨 智 ，邹继 军 ，牛 军 ，张 益 军 ，常本 康
南 京 胛 工 大学 电 子工 程 与光 电 技术 学 院 ， 苏 南 京 江 ２ ０ ９ １ ０４
摘
要
研究 了高温 Ｃ 激活过程 中，Ｇ Ａｓ 电阴极表面势垒的变化机理 。在考虑 Ｇａ 材料体内负电性 Ｐ ｓ ａ 光 Ａｓ
解 释 表 面势 垒 的 变化 过 程 及 逸 出 功 的 降 低 机 理 在样品外延生 长过程中不仅 可以精确控 制其厚 度 ， 可以把扩散等热激活过程减少到最低 程度 。 还 在真空度 保持在 ４ Ｏ ”Ｐ 的 ＭＢ ×ｌ ａ Ｅ真空生长室中外延生长样 品， 先 在 ６ ０℃的温度下对衬底进行热清洗 ，去除衬底表面 的碳和 ２
［ ａ （ ｏ ｃ ］ 构的偶极 子模型 （ ｎ为 Ｇ Ａｓ Ｇ ＡｓＸ ） ｓ结 ｘ ａ 材料体 内
的 Ｐ型掺杂原子） ，合理地解释 了 ｃ 激活过程 中阴极表面势 ｓ 垒的变 化过 程。利 用 Ｇ Ａｓ 电 阴极 制 备测试 系统进 行 了 ａ 光 Ｇ Ａｓ 电阴极的高温 ｃ 激活实验 ， ａ 光 ｓ 得到了激活过程 中电子 逸出概率 的变化过程 ，在求解薛定 谔方程的基础上推导了光 电子 的逸 出概率公式 ， 通过公 式对激活过程 中 Ｇ Ａｓ 并 ａ 表面
真窄 能 级 及逸 出概 率 的 变 化 过程 进 行 了分 析 。
子从价带激发到导带；第 二步导带 巾电子运动 到阴极表 面； 第三步到达表面电子通过隧道效应 隧穿阴极的表 势牟并逸
出 到真 空 ， 三 步发 射 模 型 可 以 看 出 阴极 的表 面势 垒决 定 了 从
１ 反射式阴极高温 Ｃ 激活实验 ｓ

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透射式GaAs光电阴极研究

透射式GaAs光电阴极研究


Ｉｖ ｔｇａ ｉ ｎ Ｔｒ ｓ ｓ ｏｎ Ｍｏ ｎ ｅｓ ｉ ｔｏｎ ｏ ａｎ ｍｉｓｉ ｄｅ ＧａＡｓ Ｐｈ ｔ ａｔ Ｏ Ｏ Ｏｃ ｈ ｄｅ
Ｍ ａＪａ ｙ ，Ｓ ｎ Ｊａ ｉｎ ｉ ｕ ｉｎ
（ ｅＮｏ ５ ｓａ ｃ ｎ ｔｔｔ ｆ Ｃ ｉａ Ｅｌｃｒ ｎｃ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｐ Ｃ ｒ ｒ ｔ ｎ， Ｔｈ ． Ｒｅｅ ｒ ｈ Ｉ ｓｉ ｅｏ ｈ ｎ ｅ ｔｏ ｉｓＴｅｈ ｏｏ ｙ Ｇｒｕ ｏｐｏａ ｉ ５ ｕ ｏ
１ 实 验
１ １ 透 射式 Ｇ Ａ ． ａ ｓ光电 阴极部 件制 作
极 的使 用使 新 一 代 微 光 夜视 仪 的视 距 提 高 了 ２ ３ ～
倍， 大大 改善 了夜 间观 察效果 ， 现代化 战争 中起 着 在
透 射式 Ｇａ Ａｓ光 电阴极 部 件制 作 主要采 取 以下
步骤 ： （ ） ＭＯＣ １用 ＶＤ 设 备 生 长 Ｇ Ａｓ光 电阴 极外 延 ａ
作 技术 研究 ， 推 动我 国微光 夜 视 技术 的进 步具 有 对
．．
Ｌ
口
重要 意义 。
透 射式 Ｇａ Ａｓ光 电 阴极 是 第 三 、 四代 微 光 像 第 增 强器 的核心 部 件 ， 由于该 阴极 具有 负 电子亲 和 势
特性 ， 故具 有 量 子效 率 高 、 暗发 射小 、 射 电子 能 量 发 分 布及 角分 布集 中等 优点 ， 因此 它被 广泛应 用 。 阴 该
第３卷第２ ０ 期 ２１ ０ ０年 ６月
、
光 电 子 旋
Ｏ ＰＴＯ ＥＬＥＣＴ Ｒｏ Ｎ Ｉ ＴＥＣＨ Ｎ Ｏ ＩＯＧ Ｙ Ｃ
Ｖ ｏ１ ３ ｏ． ． ０Ｎ ２
Ｊ ｎ ２ １ ｕ． ００
研 究与试 制 ，孙 键
NEA GaN和GaAs光电阴极的比较

NEA GaN和GaAs光电阴极的比较

NEA GaN和GaAs光电阴极的比较常本康【摘要】In view of the increase in photocurrent in the alternation of Cs-O in the activation process of GaN-based photocathode, in this paper, the properties of GaN and GaAs materials, the surface structure, and the photocurrent of the photocathode during the activation process are compared. It is found that the melting point of GaN is higher than that of GaAs, and a higher thermal cleaning temperature is necessary in the preparation of GaN-based photocathode. Using the double dipole model to describe the photoelectric emission mechanism of the GaN(1000) and GaAs(100) surface, the GaN(1000) surface Cs atoms and O atoms form the second dipole moment of O-Cs that is almost flat on the surface and contribute little to the photoelectric emission; the GaAs(100) surface Cs atoms and O atoms form the second dipole moment of O-Cs that is almost vertical to the surface, reducing the surface work function of the photoelectric emission contribution. In the Cs-O activation, the photocurrent formed by the alternating process of Cs and O for the GaAs photocathode could be several times even more than 100 times higher than that of pure Cs activation, whereas the GaN photocathode only increases by~20%. By first principle calculations, compared to theGaN(1000) surface ratio, GaN base(1120) and (1010) are the photoelectric emission potential surface; and the sphalerite GaN base(100) surface is expected to achieve better results.%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(1120)和(1010)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.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2017(039)012【总页数】5页(P1073-1077)【关键词】GaN光电阴极;GaAs光电阴极;表面结构;光电流;偶极矩【作者】常本康【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TN14目前实用的负电子亲和势（NEA）光电阴极，在可见光波段利用的是闪锌矿GaAs 材料，研制的GaAs(100)面光电阴极已经应用在微光像增强器和EBAPS （electron bombarded active pixel sensor,电子轰击有源像素传感器）中[1-2]；在紫外波段是纤锌矿GaN材料，近20年来，为了满足天文观测、航空航天和导弹预警等领域的特殊应用，世界各国都在进行GaN基紫外探测器的研制，利用的是GaN(1000)或者GaAlN(1000)面[3]。

真空度对MBEGaAs光阴极激活结果的影响

真空度对MBEGaAs光阴极激活结果的影响

真空度对M BE GaAs光阴极激活结果的影响*陈怀林,牛军,常本康(南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094)摘要:采用分子束外延(MBE)技术生长的GaAs 光阴极材料,按照常规方法进行高-低温两步激活时,总是出现低温灵敏度比高温低的反常现象。

研究中,当激活时的系统真空度从1@10-7Pa提升到1@10-8 Pa时,发现结果能够重新出现低温灵敏度比高温灵敏度高30%的预期规律。

此外,在系统真空度为10-7Pa 条件下,由于变掺杂材料的表面掺杂浓度较低,其出现光电流时的首次进Cs时间也较均匀掺杂材料长,而在真空度为约10-9Pa条件下,这一情况也不再明显。

初步分析造成该现象的原因,是与MBE材料的掺杂元素及其低温处理特性对真空度比较敏感有关。

MBE 阴极激活结果受系统真空度条件影响较大,因此对MBE变掺杂光阴极的制备工艺应随系统真空度条件不同而调整。

关键词:GaAs;M BE;真空度;激活中图分类号:TN223文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2009)12-1951-041引言目前,利用M BE外延生长技术进行GaAs光电阴极材料的制备已成为新的发展方向。

同M OCVD外延生长技术相比,M BE能够生长原子级平滑的突变界面,生长的表面平整度和光滑性均好于MOCVD,特别适合于变掺杂GaAs光电阴极材料的外延生长[1]。

NEA GaAs光电阴极的性能同其激活工艺有着很直接的联系。

最初采用由Tumbull和Evans提出的标准激活法[2],又称/y o-y o0法,后来Fisher和Sto eker发现了/高-低温两步激活0法[3,4],即在标准的加热清洁、/yo-yo0激活之后,再来一次温度较低的加热和/yo-yo0激活,可将阴极的灵敏度提高30%左右。

目前该激活方法得到了普遍的应用,但Bo urr ee等在研究中发现[5],对M BE外延材料采用常规的/高-低温两步激活0法,低温激活灵敏度却远低于高温,与预期结果正好相反。

利用梯度掺杂获得高量子效率的GaAs光电阴极

利用梯度掺杂获得高量子效率的GaAs光电阴极

文章编号:025322239(2005)102141124利用梯度掺杂获得高量子效率的Ga As 光电阴极3杜晓晴　常本康　邹继军　李　敏(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094)摘要:　获得高量子效率且稳定性良好的阴极一直是近年来发展GaAs 光电阴极的重要方向。

对晶面为(100),掺杂Be ,厚度为1μm 分子束外延生长的反射式G aAs 发射层,设计了一种从体内到表面掺杂浓度由高到低分布的新型梯度掺杂结构。

掺杂浓度的范围从1×1019cm -3到1×1018cm -3,并利用(Cs ,O )激活技术制备了GaAs 光电阴极。

光谱响应测试曲线显示,与传统均匀掺杂的G aAs 光电阴极相比,梯度掺杂的GaAs 光电阴极的量子效率在整个波段都有提高,积分灵敏度可达1580μA/lm ,且具有更好的稳定性。

讨论了这种新型GaAs 光电阴极获得更高量子效率的内在机理。

该设计结构是现实可行的,且具有很大发展潜力,它为国内发展高性能GaAs 光电阴极提供了一条重要途径。

关键词:　光电子学;GaAs 光电阴极;量子效率;梯度掺杂;激活;光谱响应;积分灵敏度中图分类号:TN214 文献标识码:A　3十五国防科技预研重点项目(404050501D )资助课题。

作者简介:杜晓晴(1978～),重庆人,南京理工大学博士研究生,主要从事高性能G aAs 光电阴极方面的研究。

E 2mail :muyuandu @收稿日期:2004211229;收到修改稿日期:2005203212Hi g h Q u a nt u m Ef f icie ncy Ga As P h ot oca t hode by Gr a die nt Dop i n gDu Xiaoqing Chang Benkang Zou J ijun Li Min(I nstit ute of Elect ronic Engi neeri ng a n d Op toelect ronics Tech nology ,Na nji ng U niversit y of Sciencea n d Tech nology ,Na nji ng 210094)Abs t r act :　To achieve high quantum efficiency and good stability has been a main direction to develop GaAsphotocathode recently.For a molecular beam epitaxy grown ,(100)wafer ,Be doping and 1μm thickness reflection 2mode GaAs emission layer ,a new 2type gradient doping st ructure ,in which f rom GaAs bulk to surface doping concent rations are dist ributed gradiently f rom 1×1019cm -3to 1×1018cm -3,was designed.And t he new 2type GaAs emission layer was p repared into photocathode by (Cs ,O )activation technique.The spect ral response curves show that compared to common uniform doping GaAs photocathode ,the quantum efficiency of gradient doping GaAs photocathode is increased within whole response waveband ,with integral sensitivity of 1580μA/lm ,and the photocathode also behaves more stable ,which p roved that the new 2type gradient doping st ructure is executable and p ractical ,has great potential ,and the develop ment of it p rovides an important app roach to development of the national GaAs p hotocathode with high performance.The inherent reasons why the new 2type GaAs photocathode obtained higher quantum efficiency were also discussed.Key w or ds :　optoelect ronics ;GaAs photocathode ;quantum efficiency ;gradient doping ;activation ;spect ral response ;integral sensitivity1　引 言GaAs 光电阴极是一种负电子亲和势(N EA )光电阴极,具有高量子效率、低暗噪声、光谱响应范围宽、光电发射电子能量和角度分布集中等众多优点,在光电探测器件、半导体敏感器件以及高能物理电子源等众多领域得到了广泛应用。