【正文】 46 46 NEA GaN光電陰極表面的凈化 47 48 49 激活實驗 51 Cs激活 51 Cs/O激活 53 反射式NEA GaN光電陰極激活機理 55 55 56 58 本章小結(jié) 594 反射式NEA GaN光電陰極光譜響應研究 61 61 62 63 GaN光電陰極光譜響應 67 反射式NEA GaN光電陰極光譜響應曲線特點 67 光譜響應曲線的討論 69 影響反射式NEA GaN光電陰極量子產(chǎn)額的因素 69 735 反射式NEA GaN光電陰極穩(wěn)定性研究 74 引言 74 反射式NEA GaN光電陰極的穩(wěn)定性實驗 75 反射式NEA GaN光電陰極穩(wěn)定性實驗介紹 75 反射式NEA GaN光電陰極穩(wěn)定性實驗討論 76 反射式NEA GaN光電陰極量子效率曲線的衰減 78 量子效率衰減的實驗 78 量子效率曲線的衰減結(jié)果分析與討論 79 反射式NEA GaN光電陰極量子效率曲線的恢復 81 反射式NEA GaN光電陰極重新進Cs激活 81 反射式NEA GaN光電陰極重新進Cs激活結(jié)果討論 82 本章小結(jié) 846 結(jié)束語 85 本文工作總結(jié) 85 本文的創(chuàng)新點 87 有待進一步探索的問題 88致 謝 89參考文獻 90附 錄 1011 緒論 NEA GaN光電陰極概述光照射到特定材料上時光能會轉(zhuǎn)換成電能，使材料的電性質(zhì)發(fā)生變化，這種因材料吸收了光子能量而產(chǎn)生的電效應被稱為光電效應。常見的光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管以及光電池都是基于內(nèi)光電效應的。常見的光電管和光電倍增管等光電器件都是基于外光電效應原理工作的[14]。根據(jù)以上理論，決定表面電子逸出與否的是入射光子的頻率，而不是想象中的入射光強度。頻率低于“紅限”的入射光不能產(chǎn)生有效的逸出電子，只有入射光的頻率高于“紅限”時，光電發(fā)射才會發(fā)生。最早發(fā)明的銀氧銫(AgOCs)光電陰極是對可見光和近紅外靈敏的光電陰極，量子產(chǎn)額通常在1％以下，但因其具有獨特的近紅外靈敏度的光譜響應而受到重視。Spicer的光電發(fā)射“三步模型”理論指出光電發(fā)射是一種體內(nèi)效應，產(chǎn)生光電發(fā)射的電子來源于陰極材料的體內(nèi)，體內(nèi)電子通過吸收光子的能量可以由價帶激發(fā)到導帶，到達導帶的光電子輸運到材料表面，表面附近具有足夠動能的光電子能夠越過表面的勢壘，從而逸出到真空中。 NEA GaN光電陰極的提出GaN材料是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是Ge、Si、GaAs、InP半導體材料之后的第三代半導體材料。近年來眾多探測應用領域?qū)ψ贤馓綔y提出了強烈需求，紫外探測技術逐漸成為重要的光電探測技術。GaN紫外光電陰極的量子效率比其它同類材料好得多，GaN材料具有高量子效率發(fā)射和太陽盲響應的優(yōu)點，伴隨著GaN材料外延及p型摻雜技術的突破[14]，GaN材料得到了廣泛重視和發(fā)展，其制備技術已日趨成熟，這為NEA GaN光電陰極的出現(xiàn)奠定了必要的基礎。幾十年來，人們對基于NEA GaAs光電陰極做了大量的研究，充分體會到NEA特性對量子效率提高的重要意義[15]。NEA特性可在p型摻雜的GaN材料上得到。近年來，隨著晶體生長技術的發(fā)展，GaN基材料的生長技術與生長工藝取得了重大突破。MBE生長技術的生長速率較慢，可以精確地控制膜厚。p型GaN材料的生長技術在相當長一段時間內(nèi)是阻礙其廣泛應用的瓶頸，由于難以找到合適的受主雜質(zhì)，p型GaN材料直到1992年才實用化。目前Mg的摻雜濃度已經(jīng)可以做得很高，可達到1021cm3。p型GaN晶體的的生長質(zhì)量和摻雜濃度直接影響著GaN光電陰極量子效率的提高，GaN晶體生長技術的不斷提高是制備高性能GaN光電陰極的基礎。美國Nitronex公司與北卡羅來那大學、Honeywell技術中心以及美國軍隊夜視實驗室，早在1999年就研制成功基于AlGaN pin型背照射3232列陣焦平面探測器數(shù)字照相機。在紫外探測器件研究方面，國內(nèi)近年來比較重視，在早期用于發(fā)光領域的GaN基材料研究的基礎上，進行了高鋁組分生長、增加緩沖層等多項工藝的攻關，取得了很大進步，但在材料的均勻性方面還有待于進一步提高[2730]。上海技術物理研究所對GaN 基焦平面器件也開展了研究，在對器件工藝研究的基礎上，2003 年就得到了641 線列GaN 基可見盲紫外探測器，采用正照射結(jié)構，并實現(xiàn)了與Si讀出電路的互連。常見的GaN基紫外固體探測器件的結(jié)構有光導型、肖特基結(jié)型以及光電二極管型等，這些固體探測器雖然具有體積小和工作電壓低等優(yōu)點，但是由于受到自身結(jié)構及固體探測器件探測機理的限制，其不足之處是顯而易見的。紫外光電陰極是決定探測器件整體性能的關鍵因素，傳統(tǒng)的CsI、CsTe紫外光電陰極量子效率低，響應波段也不能很好滿足要求，而以GaN光電陰極為基礎的紫外真空探測器件就可克服以上缺陷。美國斯坦福大學近年來在NEA GaN光電陰極的制備及其表面機理等方面做了很多工作，研究了GaN表面凈化工藝，測量了GaN的電子能量分布（EDC），證明激活成功后的NEA GaN光電陰極的電子能量分布小于300meV，是一種非常良好的冷電子源，并利用多種表面分析手段對GaN激活機理進行了研究[31]。在350℃下經(jīng)過24小時的烘烤之后， 180。Ulmer等人已經(jīng)得到反射模式下56%，透射模式下30%的量子效率，(a)[35]。GaN閾值附近量子效率曲線具有尖銳的截止特性，在200 nm到500 nm處量子效率的抑制比率約為4個數(shù)量級。并且穩(wěn)定性高，壽命長。西安光機所早在1972年就開始了GaAs光電陰極的研究，2000年采用低壓金屬有機化合物汽相淀積（LPMOCVD）設備，生長透射式GaAs陰極組件并制備成三代像增強器。重慶大學與南京理工大學合作，開展了NEA GaN光電陰極的基礎研究[43]。如上所述，目前國外在NEA GaN光電陰極的研究中取得了不小成績，但是研究的時間還不長，針對NEA GaN光電陰極的研究還只能算初步階段，目前研究中還存在很多問題。但國內(nèi)目前尚鮮見對具有高量子效率的NEA GaN紫外光電陰極的光電發(fā)射機理和制備技術的研究報道，在GaN基真空探測器件的研究上，我國與國外的差距明顯，對以GaN光電陰極為核心的真空紫外探測器件研究的滯后在很大程度上限制了國內(nèi)紫外探測水平的提高，NEA GaN紫外光電陰極在國內(nèi)GaN材料應用領域內(nèi)的研究亟待彌補。 在紫外探測領域的應用紫外探測技術是繼紅外和激光探測技術之后又一重要的軍民兩用光電探測技術。環(huán)境監(jiān)測中紫外探測可實現(xiàn)對水質(zhì)與大氣成分的監(jiān)測，通過對紫外射線的高靈敏度探測可以實現(xiàn)閃電、暴雨、火災等自然災害的監(jiān)測與預警，電暈放電的探測可預防高壓電網(wǎng)發(fā)生短路等事故。GaN基紫外探測器在天文觀測、航空航天、導彈預警、高能物理、臭氧監(jiān)測、海上油污監(jiān)控、火災監(jiān)測等領域中有重要的應用價值，可以在探索宇宙奧秘方面發(fā)揮作用。人們研究了多種紫外探測器件來實現(xiàn)微弱紫外探測，紫外探測器的研究主要有兩個發(fā)展方向，一個是源于光伏或光導效應的GaN 基固體探測器件，另一個是基于紫外光電陰極的真空探測器件。紫外光電陰極光敏面大、靈敏度高，結(jié)合電子倍增器件可構成真空光電管、紫外光電倍增管、紫外像增強器等，紫外光電倍增管工作背景好、虛警率低。國外在紫外預警方面主要采用GaN基紫外光電倍增管作為探測器。在位置精度要求高的探測系統(tǒng)中，作為紫外光電轉(zhuǎn)換器件，III族氮化物半導體特別是GaN、 AlN 和它們的合金 AlxGa1xN很有吸引力。通過調(diào)整外延材料的組份比或摻鋁含量, ～ eV 之間連續(xù)調(diào)節(jié)，其閾值波長可以連續(xù)地從365 nm 變化到200 nm，可使探測的光譜范圍滿足不同環(huán)境下的探測要求[4849]。 在真空電子源中的應用由于NEA光電陰極發(fā)射電子具有自旋極化率高、能量與角度分布集中、發(fā)射電流密度大、發(fā)射電子束脈沖頻率和寬度可調(diào)等突出優(yōu)點，NEA光電陰極可作為性能優(yōu)良的真空電子源，具有良好穩(wěn)定性能的NEA光電陰極對新一代電子加速器和同步輻射光源的實現(xiàn)以及自旋電子學的發(fā)展具有重要的推動作用。對作為電子發(fā)射器的光電陰極來說，真空中的穩(wěn)定性是決定其能否滿足真空電子源工作要求的關鍵因素[5052]。電子束平版印刷術利用聚焦的電子代替光來曝光生產(chǎn)集成電路中使用的光敏感層?？捎靡环N有效、均勻的面電子源，在電子束源處建立電子的平行系統(tǒng)。在表面，激活層克服對真空的能量勢壘，可使電子從表面發(fā)射。另外，這種技術在覆層晶片上的暴露和非暴露區(qū)完全是無掩模的，暴露和非暴露區(qū)可通過相應地打開或關閉光線來定義。NEA GaN光電陰極在紫外探測領域的應用與服務對象包括臭氧監(jiān)測、海上油污監(jiān)控、太陽照度監(jiān)測、火災監(jiān)測、宇宙探測、高能物理、空間技術、導彈預警、紫外通訊、生化分析等。為了改變這種落后面貌，加快以GaN光電陰極為核心的高性能真空紫外探測器件的研究進程，促進真空電子源技術的較快發(fā)展，近年來項目組申請并承擔了多項NEA光電陰極相關的科研項目。 本文研究的意義“反射式NEA GaN光電陰極激活與評估研究”課題涉及紫外探測、半導體光電材料、表面科學、真空科學和半導體多信息量測試等研究領域，是一個多學科融合與交叉的課題，具有很強的學科促進作用。本課題就是圍繞這個核心，從NEA GaN光電陰極的光電發(fā)射基本理論出發(fā)，探討了優(yōu)化的陰極凈化方法和激活工藝，通過對充分激活的NEA GaN光電陰極光譜響應的測試與分析，研究了陰極量子效率的衰減特點與衰減機理。另一方面，本課題將提高我國真空紫外探測材料與器件的研究水平，從而進一步提高紫外探測技術，滿足星球探索以及火災監(jiān)測等領域?qū)ξ⑷踝贤馓綔y日益迫切的需求，在微弱信號探測領域，打開紫外窗口，為我國參與世界空間紫外天文臺科學計劃，使我國融入紫外天文觀測的國際大潮奠定基礎，進一步推動我國天文事業(yè)的發(fā)展。本學位論文的工作主要包括以下幾個方面：NEA GaN光電陰極光電發(fā)射機理研究根據(jù)半導體理論知識，分析了GaN晶體的特性及其能帶結(jié)構，論述了GaN材料NEA特性的形成機理以及GaN材料表面特性與陰極光電發(fā)射特性的內(nèi)在聯(lián)系。反射式NEA GaN光電陰極的激活工藝及其優(yōu)化研究利用NEA光電陰極激活評估實驗系統(tǒng)和多信息量測試評估系統(tǒng)，給出了反射式GaN光電陰極Cs激活及Cs/O激活的光電流曲線。結(jié)合國外對GaN光電陰極量子效率的研究結(jié)果，綜合分析了影響量子效率的因素，得到了量子效率與入射光波長、陰極材料特性以及陰極制備水平之間的關系。針對反射式NEA GaN光電陰極量子效率的衰減問題，利用GaN光電陰極銫氧激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]:OCs，分析并得到了反射式NEA GaN光電陰極量子效率的衰減現(xiàn)象與有效偶極子數(shù)量的減小之間的關系，解釋了量子效率衰減的具體原因。六方纖鋅礦結(jié)構除了迭變的（111）層圍繞[111]軸旋轉(zhuǎn)180176。纖鋅礦GaN晶體結(jié)構具有六方對稱性，它在一個原胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。 閃鋅礦結(jié)構的GaN 300K時纖鋅礦和閃鋅礦結(jié)構GaN材料的主要參數(shù)參數(shù)纖鋅礦結(jié)構閃鋅礦結(jié)構禁帶寬度/eV1cm3中的原子數(shù)10221022靜態(tài)介電常量晶格常數(shù)/nma=, c=擊穿電場/(V??cm1)~5106~5106電子親和勢/eV電子擴散系數(shù)/(cm2??s1)100100空穴擴散系數(shù)/(cm2??s1)99電子遷移率/(cm2??V1??s1)≤1000≤1000空穴遷移率/(cm2??V1??s1)≤200≤350熔點/℃25002500 GaN晶體的特性及能帶結(jié)構一般認為， eV，理論上光譜響應對應的截止波長約為365nm，通常實驗中GaN光電陰極光譜響應的測試范圍為200 nm～400 nm。非故意摻雜的GaN樣品一般都存在較高(1018/cm3)的n型本底載流子濃度。理論研究表明，GaN材料是直接帶隙半導體材料。 300K時纖鋅礦結(jié)構本征GaN晶體的能帶結(jié)構圖（Eg=，EML=，EA=，Eso= eV，Ecr=） 300K時閃鋅礦結(jié)構本征GaN材料的能帶結(jié)構圖（Eg=，EX=，EL=，Eso= eV）禁帶寬度是溫度T的函數(shù)，本征GaN材料能帶結(jié)構中禁帶寬度隨著溫度的增高而減小，二者的關系可用下式表示[57]： ()式中為溫度，單位為K，為一常數(shù)，與晶格結(jié)構有關，對纖鋅礦和閃鋅礦是有所差異的。 GaN材料的本征載流子濃度與溫度的關系 NEA GaN光電陰極的光電發(fā)射機理概述獲得有效光電發(fā)射的關鍵是減小GaN發(fā)射表面的真空能級，使之低于體內(nèi)導帶底能級，即獲得所謂的NEA表面[6063]。要實現(xiàn)NEA特性，就必須滿足條件，即NEA半導體材料需要盡可能低的逸出功表面，費米能級離導帶底越遠越有利于NEA狀態(tài)的獲得，所以常見的這種材料都是p型材料。對于Mg在GaN中的摻雜，Mg將取代Ga的位置成為代位式雜質(zhì)。纖鋅礦結(jié)構GaN晶體的(0001)面是由一層Ga原子和一層N原子間隔排列組成的。對于Mg重摻雜的p型GaN (0001)半導體，其費米能級接近于價帶頂，而n型表面態(tài)的特征能級遠高于。， eV，激活時隨著Cs、O在表面的沉積，形成了對電子逸出起促進作用的偶極子，進而形成雙偶極層，這使得表面的真空能級大大降低。 p型GaN在 Cs/O激活后的能級結(jié)構示意圖光激發(fā)電子到陰極表面的傳輸過程是復雜的，NEA GaN光電陰極光電發(fā)射的主要來源是熱化電子的逸出，而這些熱化電子主要是以擴散形式遷移到陰極表面的。因GaN光電陰極響應的紫外光波長較短，其吸收深度也較GaAs光電陰極小，故GaN對光的吸收集中在淺表面，其激活層厚度可以相對較小。對于透射模式下的GaN光電陰極而言，入射光是從背面藍寶石窗口中照射進來的，入射光