【文章內(nèi)容簡介】 πn型[27,28]。國內(nèi)針對GaN材料的研究大多把重點(diǎn)放在了材料的生長技術(shù)以及發(fā)光器件的研制上，如浙江大學(xué)半導(dǎo)體材料研究所GaN課題組從1997年開始進(jìn)行GaN生長工藝的研究，針對GaN材料生長工藝以及GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管的制備，他們自行設(shè)計(jì)研制了先進(jìn)的高真空立式MOCVD設(shè)備，為生長優(yōu)質(zhì)寬禁帶化合物半導(dǎo)體GaN外延層、研制半導(dǎo)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(tuán)公司第四十八所研究了GaN材料的MOCVD生長設(shè)備及技術(shù)，2005年他們承擔(dān)的重大項(xiàng)目“用于GaN的生產(chǎn)型MOCVD（62″）設(shè)備”成功通過“863”專家組驗(yàn)收；南京大學(xué)研究了GaN材料的制備技術(shù)；中國科學(xué)院半導(dǎo)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(xué)研究了p型GaN歐姆接觸問題。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(lǐng)域的GaN基材料研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了高鋁組分生長、增加緩沖層等多項(xiàng)工藝的攻關(guān)，取得了很大進(jìn)步，但在材料的均勻性方面還有待于進(jìn)一步提高[2730]。如浙江大學(xué)半導(dǎo)體材料研究所開發(fā)的MSM型GaN基紫外光電探測器，可替代紫外光功率計(jì)中傳統(tǒng)的Si紫外探測器；南京大學(xué)制作出GaN光導(dǎo)型探測器；南京電子器件研究所主要致力于紫外真空器件的研究，研制出基于RbTe紫外光電陰極的紫外多陽極微通道陣列光電倍增管；北京大學(xué)制作了AlGaN的MSM紫外探測器；中科院上海技術(shù)物理所研究了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)pin結(jié)構(gòu)可見盲紫外探測器的制備與性能，他們得到的pin探測器性能如下： mm， A/W，探測器截止波長365 nm，零偏壓電阻面積之積在1108 ~10108 Ωcm2。[30]。上海技術(shù)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(chǔ)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(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了與Si讀出電路的互連。2005年獲得了具有一定信號響應(yīng)的3232 可見盲紫外焦平面探測器。之后又研制出了1281日盲型線列紫外探測器[30]。 GaN pin正照射型紫外探測器件的響應(yīng)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。常見的GaN基紫外固體探測器件的結(jié)構(gòu)有光導(dǎo)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(diǎn)，但是由于受到自身結(jié)構(gòu)及固體探測器件探測機(jī)理的限制，其不足之處是顯而易見的。光導(dǎo)型GaN基探測器存在響應(yīng)速度慢、暗電流高、響應(yīng)時間是光照強(qiáng)度的函數(shù)、長波波段會出現(xiàn)假信號現(xiàn)象等不足；肖特基結(jié)型GaN基探測器受勢壘高度的限制，耗盡層窄，漏電流大；GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)pin管型探測器雖然改善了器件的短波響應(yīng)，但由于目前高質(zhì)量的高鋁組分的AlGaN材料制備困難，而且難以獲得良好的歐姆接觸，因此要獲得較高的量子效率非常困難。正是因?yàn)橐陨系牟蛔?，探索新型的紫外探測器件就顯得尤其迫切?；谧贤夤怆婈帢O的真空探測器件也就應(yīng)運(yùn)而生了。紫外光電陰極是決定探測器件整體性能的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)的CsI、CsTe紫外光電陰極量子效率低，響應(yīng)波段也不能很好滿足要求，而以GaN光電陰極為基礎(chǔ)的紫外真空探測器件就可克服以上缺陷。 GaN基真空探測器件的研究現(xiàn)狀2000年左右美國西北大學(xué)、斯坦福大學(xué)等許多著名高校在美國國家科學(xué)基金以及國防NASA等項(xiàng)目的支持下，紛紛開展了針對NEA GaN光電陰極的一系列研究，NEA GaN光電陰極的高量子效率、集中的電子能量分布以及高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)得到證實(shí)。美國斯坦福大學(xué)、西北大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)證實(shí)：p型GaN可以通過典型的Cs或Cs、O激活工藝獲得NEA狀態(tài)，，獲得NEA特性。共同用Cs/[31]。美國斯坦福大學(xué)近年來在NEA GaN光電陰極的制備及其表面機(jī)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(jī)理進(jìn)行了研究[31]。F. Machuca等研究者在2000年報道了用銫激活后的GaN光電陰極，在310nm處獲得高達(dá)50%的量子效率，論述了作為穩(wěn)定的電子源，激活的GaN 比GaAs更加優(yōu)秀[16]。（NASA Goddard Space Flight Center）使用的超高真空系統(tǒng)以及給出的GaN光電陰極的Cs、O激活過程[32]。該系統(tǒng)可用來銫化陰極材料，進(jìn)行銫化后相關(guān)的陰極校驗(yàn)。在350℃下經(jīng)過24小時的烘烤之后， 180。107 Pa的真空水平。據(jù)2003年戈達(dá)德航天中心Timothy Norton等研究者報道，通過對GaN進(jìn)行銫化處理，在185 nm處獲得了大于40%的量子效率[32]。 （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(shù)的進(jìn)步保證能得到高質(zhì)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(guān)GaN光電陰極令人鼓舞的結(jié)果[3338]。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]。美國西北大學(xué)和日本濱松公司采用1μm厚的Mg摻雜p型GaN外延層作為陰極材料，通過銫化處理制備了反射式NEA GaN光電陰極，(b)是其量子效率曲線[39]。曲線給出了200nm500nm波段的量子效率。由曲線可見，NEA GaN光電陰極量子效率在200nm時高達(dá)30%以上。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。美國西北大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)通過提高GaN材料的電導(dǎo)率可以進(jìn)一步提高陰極的量子效率，甚至具有高達(dá)90％的理論值。1019 cm－3時， eV（對應(yīng)波長230nm）%的最大量子效率，而且，在紫外（ eV）和可見光（ eV）之間的銳截止比率超過3個數(shù)量級[40]。美國加利福尼亞大學(xué)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的O. Siegmund等研究者利用MOCVD和MBE生長技術(shù)分別在藍(lán)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(dá)70％，截止波長約為380nm，380nm外的帶外響應(yīng)很低。并且穩(wěn)定性高，壽命長。通過在超高真空系統(tǒng)中對樣品的處理和測試，建立了陰極處理參數(shù)，為了長期評估，將幾個樣品與微通道板結(jié)合，構(gòu)成像增強(qiáng)器，[13]。密封管中的GaN陰極已經(jīng)穩(wěn)定3年以上，背景率僅為幾個事件cm2s1，可以在“光子計(jì)數(shù)”模式下工作，在不用冷卻情況下可獲得很低背景。 (a) 構(gòu)成像增強(qiáng)器的MCP組件 (b) GaN紫外像增強(qiáng)器在三年內(nèi)的的穩(wěn)定性測試國內(nèi)對光電陰極以及三代微光像增強(qiáng)器的研究起始于上個世紀(jì)七十年代，主要研究機(jī)構(gòu)有西安光機(jī)所、西安205所、福州大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所、重慶大學(xué)以及南京理工大學(xué)等。西安光機(jī)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(jī)化合物汽相淀積（LPMOCVD）設(shè)備，生長透射式GaAs陰極組件并制備成三代像增強(qiáng)器。作為我國主要微光夜視研究單位，西安205所經(jīng)過幾代科研工作者的努力，建立了一條比較完整的三代微光像增強(qiáng)器研制線。福州大學(xué)提出了銫的弱核力場表面模型用于解釋CsO激活獲得NEA特性的作用機(jī)理。中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所研究了GaN 外延材料的結(jié)構(gòu)、生長和陰極的制備工藝[4142]。重慶大學(xué)與南京理工大學(xué)合作，開展了NEA GaN光電陰極的基礎(chǔ)研究[43]。從1975年開始，南京理工大學(xué)在研制DGS攝像管的基礎(chǔ)上研究了多堿光電陰極，1995年至今開展了NEA GaAs光電陰極激活工藝和測試評估技術(shù)等方面的研究，采用國產(chǎn)GaAs陰極材料取得了超過2000181。A/lm的積分靈敏度。目前在前期研究的基礎(chǔ)上，課題組成員又積極投入到NEA GaN紫外光電陰極的研究中。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。首先NEA GaN光電陰極的光電發(fā)射理論需要完善，光電發(fā)射理論是研究的基礎(chǔ)，可用來指導(dǎo)陰極的制備、評估與應(yīng)用；其次NEA GaN光電陰極的表面凈化方法需要優(yōu)化，目前盡管給出了一些凈化方法，但還顯得不夠理想；第三是NEA GaN光電陰極的激活工藝還很不成熟，激活工藝是陰極制備的關(guān)鍵，目前的工藝顯得粗糙，缺乏更多的對比分析；第四是NEA GaN光電陰極的光譜響應(yīng)測試手段尚顯簡單，報道顯示的光譜響應(yīng)測試點(diǎn)較少，測試時人工干預(yù)的成分較多，需探索原位、在線的智能化測試手段；最后是NEA GaN光電陰極的衰減機(jī)理需要揭示，目前的研究雖然觀察到了陰極量子效率衰減的現(xiàn)象，但缺乏對衰減機(jī)理的分析。盡管國內(nèi)近年來將GaN紫外探測器件的研究提上了日程，但大多把研究重點(diǎn)放在了固體探測器件的研究上。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(bǔ)這些不足。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(jī)理和制備技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的研究亟待彌補(bǔ)。 NEA GaN光電陰極的應(yīng)用具有高量子效率的NEA GaN光電陰極具有靈敏度高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量分布及角度分布集中等優(yōu)點(diǎn)。作為新型紫外光電陰極，NEA GaN光電陰極是紫外真空探測器件的核心部件，決定了器件的整體性能。同時，作為一種高性能自旋電子源，NEA GaN光電陰極在高能物理、微電子技術(shù)、電子束平面印刷以及電子顯微鏡等領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。 在紫外探測領(lǐng)域的應(yīng)用紫外探測技術(shù)是繼紅外和激光探測技術(shù)之后又一重要的軍民兩用光電探測技術(shù)。通常所說的紫外波段波長范圍是200～400 nm，這又可分為三個部分：UVA（320～400 nm）、UVB（290～320 nm）和UVC（200～290 nm）。而日盲(Solar Blind)紫外是指200～280 nm波段的紫外光，由于臭氧等大氣氣體對來自太陽的紫外光的吸收和散射作用，該波段的紫外光幾乎不能到達(dá)地球表面。若探測器的響應(yīng)波段置于日盲波段，就會大大降低太陽光的干擾。環(huán)境監(jiān)測中紫外探測可實(shí)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(shí)現(xiàn)閃電、暴雨、火災(zāi)等自然災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)警，電暈放電的探測可預(yù)防高壓電網(wǎng)發(fā)生短路等事故。在波長低于280nm波段的日盲工作范圍內(nèi)對電暈輻射進(jìn)行紫外探測，具有背景好、干擾小、可在白天探測的優(yōu)點(diǎn)。在空間科學(xué)上紫外成像光譜分析可用來分析恒星大氣成分，對高靈敏度的紫外探測器有著迫切需求。 GaN基紫外探測器的應(yīng)用以GaN為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料有著優(yōu)良的性能，GaN不吸收可見光，制成的紫外探測器可以做到可見光盲，不需要濾光系統(tǒng)，而且不需要做成淺結(jié)，這樣可以大大提高量子效率，滿足實(shí)用紫外探測器的需求。GaN基紫外探測器在天文觀測、航空航天、導(dǎo)彈預(yù)警、高能物理、臭氧監(jiān)測、海上油污監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)測等領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用價值，可以在探索宇宙奧秘方面發(fā)揮作用。、臭氧監(jiān)測、海上油監(jiān)和天文觀察等領(lǐng)域中應(yīng)用實(shí)例。 (a)是一種紫外預(yù)警系統(tǒng)實(shí)物圖，(b)是一種紫外臭氧探測儀，(c) 是以紫外線－可見光電子掃描器拍攝的油污20分鐘內(nèi)的擴(kuò)散情況，(d) 是探測衛(wèi)星用紫外成像探測系統(tǒng)拍攝的一幅星系演化深場照片。在天文學(xué)紫外探測領(lǐng)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(jì)數(shù)的紫外探測器[44]。人們研究了多種紫外探測器件來實(shí)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(dǎo)效應(yīng)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。如前所述，目前固體紫外探測器件存在不少問題，其探測性能無法滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求。真空探測器件具有響應(yīng)速度快、噪聲低、增益高、可探測的光下限更低等優(yōu)點(diǎn)。相比于紫外固體探測器件，紫外真空探測器件在微弱紫外探測上顯示了明顯的優(yōu)勢和潛力。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(gòu)成真空光電管、紫外光電倍增管、紫外像增強(qiáng)器等，紫外光電倍增管工作背景好、虛警率低。，主要由光入射窗口、紫外光電陰極、微通道板和陽極組成。這類真空器件微弱探測能力強(qiáng)、體積小、重量輕、性能可靠、時間響應(yīng)快，可進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)，能對極微弱的紫外輻射進(jìn)行定點(diǎn)探測和實(shí)時跟蹤，探測距離可達(dá)幾十公里[4547]。通過電子轉(zhuǎn)移與熒光屏或CCD組合可作為紫外微光電視、紫外告警設(shè)備的關(guān)鍵部件，用于紫外微弱圖像的可靠探測和導(dǎo)彈告警。國外在紫外預(yù)警方面主要采用GaN基紫外光電倍增管作為探測器。 紫外光電倍增管的基本結(jié)構(gòu) 紫外像增強(qiáng)器的基本結(jié)構(gòu) ，主要由前面板、紫外光電陰極、微通道板、熒光屏和扭像器組成。作為紫外增強(qiáng)器以及紫外光電成像系統(tǒng)的核心部件，紫外光電陰極是決定器件整體性能的關(guān)鍵因素。目前常用的具有典型日盲特性的紫外光電陰極有碘化銫(CsI)、碲化銫(CsTe)陰極，CsTe是遠(yuǎn)紫外透射陰極的備選材料，但量子效率太低(20%)，響應(yīng)截至點(diǎn)受限(300nm)，暗噪聲也比較大。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(dǎo)體特別是GaN、 AlN 和它們的合金 AlxGa1xN很有吸引力?？梢蕴钛a(bǔ)堿鹵光電陰極(200nm)如CsI等和GaAs光電陰極 (400nm)之間的150400nm波段。 紫外真空光電成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基于NEA特性的GaN 紫外光電陰極具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量分布集中等優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的新型紫外光電陰極