【正文】 衰減較小，光電子主要在發(fā)射的近表面產(chǎn)生，大多數(shù)光電子受GaN/藍寶石后界面的影響不大。因Cs/O沉積而形成的界面勢壘很薄，這對光電子通過隧道效應穿過界面勢壘，進而逸出到真空是有利的。GaN晶體清潔表面的表面能級位于禁帶中接近價帶頂處。p型GaN材料的獲得一般通過摻雜Mg來實現(xiàn)，半導體中的雜質可分為間隙式雜質和代位式雜質，通常情況下代位式雜質的原子半徑大小和價電子殼層結構與被取代本體原子比較接近。對于纖鋅礦結構，和可分別表示為： () ()對于閃鋅礦結構，和可分別表示為： () ()[57]。GaN光電陰極的電子擴散長度LD與晶體材料的生長工藝緊密相關，目前國外對 MBE (Molecular Beam Epitaxy) 和 MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) 生長的GaN薄膜， [35]，這樣的擴散長度應該還有較大的提升空間。由表中數(shù)據(jù)可知，GaN晶體是堅硬的高熔點材料，兩種結構材料的熔點均高達2500℃，顯示了GaN晶體具有極強的穩(wěn)定性能。立方閃鋅礦結構是由兩類不同的原子占據(jù)著晶格的交替位置，Ⅲ族和Ⅴ族原子各自位于面心立方的子格上，這兩個子格彼此沿立方晶格體對角線位移四分之一的長度。反射式NEA GaN光電陰極的光譜響應特性研究光譜響應特性是評估NEA GaN光電陰極光電發(fā)射能力的重要參量，利用自行研制的紫外光譜響應測試儀器，測試了成功激活的反射式NEA GaN光電陰極的光譜響應，給出了230nm－400nm波段內(nèi)的NEA GaN光電陰極量子效率曲線。這些內(nèi)容的研究對高性能NEA GaN光電陰極的成功制備具有重要意義。探索NEA GaN光電陰極光電發(fā)射本質是本課題研究的核心內(nèi)容。國內(nèi)目前鮮見對NEA GaN光電陰極光電發(fā)射機理和制備技術的研究報道，針對NEA GaN光電陰極的基礎研究還極其薄弱，與國外的差距明顯，這在很大程度上限制了國內(nèi)紫外探測水平的提高。這樣一個大規(guī)模的平行線可同時印刷很多模式。解決該問題的方案是設計一種獲得電子束平行系統(tǒng)的方法，這樣可同時寫多種模式。真空電子源要求在超高真空中工作，多用于如自旋電子學和電子束平版印刷技術等特定領域，是目前研究者探索的熱點之一。作為對紫外光敏感的日盲陰極材料，GaN 光電陰極光譜響應的閾值波長為365 nm，是制備紫外探測器的理想材料。通過電子轉移與熒光屏或CCD組合可作為紫外微光電視、紫外告警設備的關鍵部件，用于紫外微弱圖像的可靠探測和導彈告警。在天文學紫外探測領域，特別急需提高對紫外敏感的可見光盲探測器的性能，由于被探測的物體發(fā)射的紫外光能量通常比可見光低48個數(shù)量級，相比于可見光，已是非常微弱，這就需要具有高靈敏度、高量子效率、低暗噪聲和具有“日盲” 特性的探測性能，能滿足微光或單光子計數(shù)的紫外探測器[44]。若探測器的響應波段置于日盲波段，就會大大降低太陽光的干擾。固體探測器件有著種種無法克服的缺陷，以GaN紫外光電陰極為核心的真空探測器件可以填補這些不足。中國電子科技集團公司第五十五研究所研究了GaN 外延材料的結構、生長和陰極的制備工藝[4142]。美國加利福尼亞大學空間科學實驗室的O. Siegmund等研究者利用MOCVD和MBE生長技術分別在藍寶石襯底上生長了晶體和多晶體GaN外延薄膜，激活后GaN光電陰極的量子效率高達70％，截止波長約為380nm，380nm外的帶外響應很低。 （a）Ulmer等人給出的量子效率曲線 （b）日本濱松公司制備的量子效率曲線 GaN光電陰極量子效率曲線近年來，生長技術的進步保證能得到高質量的p型摻雜薄膜，Siegmund、Ulmer以及Uchiyama等研究者已經(jīng)取得了有關GaN光電陰極令人鼓舞的結果[3338]。共同用Cs/[31]。 GaN pin正照射型紫外探測器件的響應光譜如上所述，目前針對GaN基固體紫外探測器件的研究雖然取得了不小成績，但是固體紫外探測器件還是存在不少問題。國內(nèi)針對GaN材料的研究大多把重點放在了材料的生長技術以及發(fā)光器件的研制上，如浙江大學半導體材料研究所GaN課題組從1997年開始進行GaN生長工藝的研究，針對GaN材料生長工藝以及GaN基藍光發(fā)光二極管的制備，他們自行設計研制了先進的高真空立式MOCVD設備，為生長優(yōu)質寬禁帶化合物半導體GaN外延層、研制半導體發(fā)光二極管（LEDs）、激光二極管（LDs）鋪平了道路；中國電子科技集團公司第四十八所研究了GaN材料的MOCVD生長設備及技術，2005年他們承擔的重大項目“用于GaN的生產(chǎn)型MOCVD（62″）設備”成功通過“863”專家組驗收；南京大學研究了GaN材料的制備技術；中國科學院半導體研究所材料中心GaN課題組完成了高性能GaN外延材料的研究；廈門大學研究了p型GaN歐姆接觸問題。目前國內(nèi)盡管在GaN晶體的生長技術及工藝方面取得了不少進展，但生長的p型GaN晶體的摻雜濃度與國外還有較大差距，國內(nèi)在晶體的生長質量等方面也還有很長的路要走。伴隨著GaN晶體生長技術的進步，近年來在GaN晶體的生長工藝方面也取得了較大發(fā)展，涌現(xiàn)出了如兩步生長工藝、橫向外延生長技術、懸空外延技術等先進的工藝技術[23]。 NEA GaN光電陰極的研究現(xiàn)狀 GaN晶體的生長技術現(xiàn)狀早期GaN晶體外延生長的方法主要有三種：汽相外延（VPE）、液相外延（LPE）及分子束外延（MBE）[1822]。而具有NEA特性的光電陰極從根本上克服了PEA光電陰極的缺點，陰極體內(nèi)產(chǎn)生的光電子輸運到達表面，只要其能量能夠克服較薄的表面勢壘，就可以通過隧穿效應逸出到真空。每當有新的采用GaN類半導體的元器件投入實際應用時，都會給電子設備帶來重大的變革。堿金屬銻化物構成的雙堿和多堿光電陰極如鈉鉀銻光電陰極、鉀鈉銻銫光電陰極和鉀銫銻光電陰極等在實用光電陰極中也占有很重要的地位。材料的表面逸出功因材料而異，對某特定材料而言，有一個被稱為“紅限”的頻率限，通常用材料發(fā)生光電發(fā)射的截至頻率或截至波長來表示。光電陰極就是指能夠利用外光電效應發(fā)射光電子的材料。結合GaN光電陰極銫氧激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]:OCs，通過對量子效率衰減過程中陰極的能帶與表面勢壘結構變化的分析，得出結論：有效偶極子數(shù)量的減小是造成量子效率降低的根本原因，表面I、II勢壘形狀的變化造成了不同波段對應的量子效率下降速度的不同。針對GaN光電陰極NEA特性的成因，結合激活過程中光電流變化規(guī)律和成功激活后陰極表面模型，研究了NEA GaN光電陰極激活機理，得到了陰極激活時光電流的變化規(guī)律和激活過程中電子親和勢的變化之間的關系。針對目前NEA GaN光電陰極的基礎理論、制備方法與評估手段研究的不足，圍繞反射式GaN光電陰極的光電發(fā)射機理、凈化方法、激活工藝、光譜響應測試以及陰極的穩(wěn)定性能等方面開展研究。經(jīng)過有效化學清洗后，超高真空中GaN樣品在700186。結合國外對GaN光電陰極量子效率的研究結果，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。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。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。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。 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。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。NEA特性可在p型摻雜的GaN材料上得到。MBE生長技術的生長速率較慢，可以精確地控制膜厚。目前Mg的摻雜濃度已經(jīng)可以做得很高，可達到1021cm3。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。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，采用正照射結構，并實現(xiàn)了與Si讀出電路的互連。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。在350℃下經(jīng)過24小時的烘烤之后， 180。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。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。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。 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。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。紫外光電陰極光敏面大、靈敏度高，結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。在位置精度要求高的探測系統(tǒng)中，作為紫外光電轉換器件，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。 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。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。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。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。 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。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)測等領域對微弱紫外探測日益迫切的需求，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。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。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。纖鋅礦GaN晶體結構具有六方對稱性，它在一個原胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。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。 300K時纖鋅礦結構本征GaN晶體的能帶結構圖（Eg=，EML=，EA=，Eso= eV，Ecr=） 300K時閃鋅礦結構本征GaN材料的能帶結構圖（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)，與晶格結構有關，對纖鋅礦和閃鋅礦是有所差異的。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。纖鋅礦結構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。， 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。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。六角型纖鋅礦結構GaN是直接帶隙半導體。由圖可見，α是入射光子能量的函數(shù)，吸收系數(shù)α隨入射光子能量hν的增加而增加，表明在上述范圍內(nèi)，入射光子能量越大，也就是說入射光的波長越小，光子在材料內(nèi)的吸收長度就越短。 光電子的熱化過程隨著激發(fā)到導帶的電子數(shù)量的增多，從材料體內(nèi)到表面形成電子的濃度梯度，陰極體內(nèi)的電子因擴散運動移向陰極表面，即光電子在壽命期內(nèi)向表面擴散，電子在擴散的過程中會發(fā)生各種彈性和非彈性碰撞，如聲子散射、電離雜質散射等，這會損失電子的能量，并使導帶內(nèi)的電子迅速在能谷底部熱化，熱化電子在濃度差的作用下繼續(xù)往陰極表面擴散。根據(jù)半導體理論知識，在?；騇L能谷熱化的電子的能量分布可認為符合玻爾茲曼分布[6