【正文】 陰極對(duì)新一代電子加速器和同步輻射光源的實(shí)現(xiàn)以及自旋電子學(xué)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。通過(guò)加入Al或者In可調(diào)節(jié)其禁帶寬度，可很好地滿(mǎn)足日盲探測(cè)器的需求，而且GaN光電陰極光譜響應(yīng)曲線(xiàn)在紫外和可見(jiàn)光之間的銳截止特性對(duì)在日盲區(qū)域正確探測(cè)紫外輻射也是非常重要的。通過(guò)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(zhǎng)可以連續(xù)地從365 nm 變化到200 nm，可使探測(cè)的光譜范圍滿(mǎn)足不同環(huán)境下的探測(cè)要求[4849]。 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。在位置精度要求高的探測(cè)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。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。國(guó)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(cè)器。這類(lèi)真空器件微弱探測(cè)能力強(qiáng)、體積小、重量輕、性能可靠、時(shí)間響應(yīng)快，可進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)，能對(duì)極微弱的紫外輻射進(jìn)行定點(diǎn)探測(cè)和實(shí)時(shí)跟蹤，探測(cè)距離可達(dá)幾十公里[4547]。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。真空探測(cè)器件具有響應(yīng)速度快、噪聲低、增益高、可探測(cè)的光下限更低等優(yōu)點(diǎn)。人們研究了多種紫外探測(cè)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)微弱紫外探測(cè)，紫外探測(cè)器的研究主要有兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是源于光伏或光導(dǎo)效應(yīng)的GaN 基固體探測(cè)器件，另一個(gè)是基于紫外光電陰極的真空探測(cè)器件。 (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(cè)儀，(c) 是以紫外線(xiàn)－可見(jiàn)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(cè)衛(wèi)星用紫外成像探測(cè)系統(tǒng)拍攝的一幅星系演化深場(chǎng)照片。GaN基紫外探測(cè)器在天文觀測(cè)、航空航天、導(dǎo)彈預(yù)警、高能物理、臭氧監(jiān)測(cè)、海上油污監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用價(jià)值，可以在探索宇宙奧秘方面發(fā)揮作用。在空間科學(xué)上紫外成像光譜分析可用來(lái)分析恒星大氣成分，對(duì)高靈敏度的紫外探測(cè)器有著迫切需求。環(huán)境監(jiān)測(cè)中紫外探測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)與大氣成分的監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)紫外射線(xiàn)的高靈敏度探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)閃電、暴雨、火災(zāi)等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，電暈放電的探測(cè)可預(yù)防高壓電網(wǎng)發(fā)生短路等事故。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(duì)來(lái)自太陽(yáng)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。 在紫外探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后又一重要的軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)。作為新型紫外光電陰極，NEA GaN光電陰極是紫外真空探測(cè)器件的核心部件，決定了器件的整體性能。但國(guó)內(nèi)目前尚鮮見(jiàn)對(duì)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(bào)道，在GaN基真空探測(cè)器件的研究上，我國(guó)與國(guó)外的差距明顯，對(duì)以GaN光電陰極為核心的真空紫外探測(cè)器件研究的滯后在很大程度上限制了國(guó)內(nèi)紫外探測(cè)水平的提高，NEA GaN紫外光電陰極在國(guó)內(nèi)GaN材料應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的研究亟待彌補(bǔ)。盡管?chē)?guó)內(nèi)近年來(lái)將GaN紫外探測(cè)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(cè)器件的研究上。如上所述，目前國(guó)外在NEA GaN光電陰極的研究中取得了不小成績(jī)，但是研究的時(shí)間還不長(zhǎng)，針對(duì)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(wèn)題。A/lm的積分靈敏度。重慶大學(xué)與南京理工大學(xué)合作，開(kāi)展了NEA GaN光電陰極的基礎(chǔ)研究[43]。福州大學(xué)提出了銫的弱核力場(chǎng)表面模型用于解釋CsO激活獲得NEA特性的作用機(jī)理。西安光機(jī)所早在1972年就開(kāi)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(zhǎng)透射式GaAs陰極組件并制備成三代像增強(qiáng)器。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(gè)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。并且穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng)。1019 cm－3時(shí)， eV（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)230nm）%的最大量子效率，而且，在紫外（ eV）和可見(jiàn)光（ eV）之間的銳截止比率超過(guò)3個(gè)數(shù)量級(jí)[40]。GaN閾值附近量子效率曲線(xiàn)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(gè)數(shù)量級(jí)。曲線(xiàn)給出了200nm500nm波段的量子效率。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]。據(jù)2003年戈達(dá)德航天中心Timothy Norton等研究者報(bào)道，通過(guò)對(duì)GaN進(jìn)行銫化處理，在185 nm處獲得了大于40%的量子效率[32]。在350℃下經(jīng)過(guò)24小時(shí)的烘烤之后， 180。（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(guò)程[32]。美國(guó)斯坦福大學(xué)近年來(lái)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(cè)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(duì)GaN激活機(jī)理進(jìn)行了研究[31]。美國(guó)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(guò)典型的Cs或Cs、O激活工藝獲得NEA狀態(tài)，獲得NEA特性。紫外光電陰極是決定探測(cè)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(mǎn)足要求，而以GaN光電陰極為基礎(chǔ)的紫外真空探測(cè)器件就可克服以上缺陷。正是因?yàn)橐陨系牟蛔?，探索新型的紫外探測(cè)器件就顯得尤其迫切。常見(jiàn)的GaN基紫外固體探測(cè)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(cè)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(cè)器件探測(cè)機(jī)理的限制，其不足之處是顯而易見(jiàn)的。之后又研制出了1281日盲型線(xiàn)列紫外探測(cè)器[30]。上海技術(shù)物理研究所對(duì)GaN 基焦平面器件也開(kāi)展了研究，在對(duì)器件工藝研究的基礎(chǔ)上，2003 年就得到了641 線(xiàn)列GaN 基可見(jiàn)盲紫外探測(cè)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。cm2。在紫外探測(cè)器件研究方面，國(guó)內(nèi)近年來(lái)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(zhǎng)、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]。許多國(guó)家已經(jīng)研制出多種結(jié)構(gòu)的GaN基紫外探測(cè)器，如光電導(dǎo)型、pn結(jié)型、pin型、pπn型[27,28]。美國(guó)Nitronex公司與北卡羅來(lái)那大學(xué)、Honeywell技術(shù)中心以及美國(guó)軍隊(duì)夜視實(shí)驗(yàn)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(cè)器數(shù)字照相機(jī)。各國(guó)政府有關(guān)機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)紛紛加大了對(duì)GaN基半導(dǎo)體材料及其器件的研發(fā)投入和支持。p型GaN晶體的的生長(zhǎng)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(zhǎng)技術(shù)的不斷提高是制備高性能GaN光電陰極的基礎(chǔ)。而真正的空穴濃度比受主濃度還要低一些。目前Mg的摻雜濃度已經(jīng)可以做得很高，可達(dá)到1021cm3。但由于在摻Mg過(guò)程中，需要使GaN材料處于H2的環(huán)境中，造成摻Mg同時(shí)混入了很多H元素，Mg和H會(huì)組成結(jié)合體，從而失去了電子的活力。p型GaN材料的生長(zhǎng)技術(shù)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是阻礙其廣泛應(yīng)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(shí)用化。HVPE生長(zhǎng)技術(shù)可以快速生長(zhǎng)出低位錯(cuò)密度的厚膜，可以用做采用其它方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)的襯底。MBE生長(zhǎng)技術(shù)的生長(zhǎng)速率較慢，可以精確地控制膜厚。MOCVD技術(shù)一般以Ⅲ族金屬有機(jī)物作為Ⅲ族源，以NH3作為N源，在大于1000℃的高溫下進(jìn)行Ⅲ族氮化物的生長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，GaN基材料的生長(zhǎng)技術(shù)與生長(zhǎng)工藝取得了重大突破。NEA GaN光電陰極的出現(xiàn)大大提高了紫外光電陰極的量子效率，NEA GaN光電陰極是滿(mǎn)足微弱紫外探測(cè)要求的非常理想且非常具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦妥贤夤怆婈帢O，在眾多領(lǐng)域都顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)和潛力。NEA特性可在p型摻雜的GaN材料上得到。對(duì)GaN光電陰極，獲得有效光電發(fā)射的關(guān)鍵是減小GaN發(fā)射表面的真空能級(jí)，使之低于體內(nèi)導(dǎo)帶底能級(jí)，使有效電子親和勢(shì)為負(fù)，即獲得所謂的NEA表面。幾十年來(lái)，人們對(duì)基于NEA GaAs光電陰極做了大量的研究，充分體會(huì)到NEA特性對(duì)量子效率提高的重要意義[15]。目前常用的碘化銫CsI、碲化銫CsTe紫外光電陰極都是基于PEA的光電陰極，到達(dá)陰極表面的光電子必須要克服表面較高的勢(shì)壘才能到達(dá)真空，量子效率不高，暗噪聲也比較大。GaN紫外光電陰極的量子效率比其它同類(lèi)材料好得多，GaN材料具有高量子效率發(fā)射和太陽(yáng)盲響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，伴隨著GaN材料外延及p型摻雜技術(shù)的突破[14]，GaN材料得到了廣泛重視和發(fā)展，其制備技術(shù)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(chǔ)。紫外光電陰極作為紫外真空探測(cè)器件的核心部件，是決定器件整體性能的關(guān)鍵因素。近年來(lái)眾多探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ贤馓綔y(cè)提出了強(qiáng)烈需求，紫外探測(cè)技術(shù)逐漸成為重要的光電探測(cè)技術(shù)。GaN材料具有寬禁帶、低介電常數(shù)、耐高溫、耐腐蝕、抗輻射和化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，GaN半導(dǎo)體器件在紫外光電探測(cè)、電子束平版印刷以及光顯示、光存儲(chǔ)、光照明等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。 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(dǎo)體材料，與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是Ge、Si、GaAs、InP半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。得到了零電子親和勢(shì)的GaAs光電陰極[11]，可以使GaAs陰極表面的有效電子親和勢(shì)變?yōu)樨?fù)值，制備的光電陰極的量子效率也更高[12]，這樣Spicer的理論預(yù)測(cè)就得到了驗(yàn)證，這就是具有里程碑意義的負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極（Negative Electron Affinity Photocathode，簡(jiǎn)稱(chēng)NEA光電陰極）。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(yīng)，產(chǎn)生光電發(fā)射的電子來(lái)源于陰極材料的體內(nèi)，體內(nèi)電子通過(guò)吸收光子的能量可以由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，到達(dá)導(dǎo)帶的光電子輸運(yùn)到材料表面，表面附近具有足夠動(dòng)能的光電子能夠越過(guò)表面的勢(shì)壘，從而逸出到真空中。銻銫光電陰極僅由Sb和Cs兩種元素組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是理論和工藝方面成熟的一種光電陰極。最早發(fā)明的銀氧銫(AgOCs)光電陰極是對(duì)可見(jiàn)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(dú)特的近紅外靈敏度的光譜響應(yīng)而受到重視。光電陰極是利用外光電效應(yīng)發(fā)射光電子的，是電子束光電器件中不可缺少的組成部分，在探測(cè)技術(shù)和電子源領(lǐng)域中獲得了重要應(yīng)用。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(shí)，光電發(fā)射才會(huì)發(fā)生。因此電子要想從材料表面逸出，必須使入射光子的能量大于該材料的表面逸出功。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(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，“三步模型”理論[6]，使得光電發(fā)射的過(guò)程進(jìn)一步明朗化。常見(jiàn)的光電管和光電倍增管等光電器件都是基于外光電效應(yīng)原理工作的[14]。其中，從材料內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的電子稱(chēng)為光電子，光電子所形成的電流稱(chēng)為光電流。常見(jiàn)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(yīng)的。內(nèi)光電效應(yīng)是指光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴增多，即激發(fā)出電子空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)。關(guān)鍵詞：反射式 NEA GaN 光電陰極 量子效率 表面模型 激活 光譜響應(yīng) 穩(wěn)定性AbstractAs a new type ultraviolet (UV) photocathode, negative electron affinity (NEA) gallium nitride (GaN) photocathode has many good performance characteristics, such as high quantum efficiency, low dark current and concentrated electron energy distribution and so on. Aiming at investigative scarcity of basic theory, preparation method and evaluation means for NEA GaN photocathode at present, the researches were made on such aspects as photoemission mechanism, depuration method, activation technique, test of spectral response and stability performance for reflectionmode NEA GaN photocathode.According to photoemission “3step model” theory, the whole process including photoelectron excitation, transportation from bulk to surface and escape to the vacuum by traversing surface barrier was analysed in detail. The transmission coefficient that photoelectrons traverse cathode surface barrier was educed. The quantum yield formula of reflectionmode NEA GaN photocathode was gotten by solving the diffuse equatio