【正文】 aN光電陰極激活機(jī)理，得到了陰極激活時(shí)光電流的變化規(guī)律和激活過程中電子親和勢(shì)的變化之間的關(guān)系。用雙偶極層模型[GaN(Mg):Cs]: OCs較好地解釋了激活成功后GaN光電陰極NEA特性的成因。%的量子效率，230nm和400nm之間的銳截止比率超過2個(gè)數(shù)量級(jí)。以反射式NEA GaN光電陰極激活的光電流曲線和充分激活后的量子效率曲線為依據(jù)，針對(duì)陰極量子效率的衰減以及不同波段對(duì)應(yīng)量子效率衰減速度的不同，論述了NEA GaN光電陰極量子效率的衰減機(jī)理。結(jié)合GaN光電陰極銫氧激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]:OCs，通過對(duì)量子效率衰減過程中陰極的能帶與表面勢(shì)壘結(jié)構(gòu)變化的分析，得出結(jié)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(shì)壘形狀的變化造成了不同波段對(duì)應(yīng)的量子效率下降速度的不同。光電效應(yīng)可分成內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩類。光子能量必須大于材料的禁帶寬度才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射某種材料時(shí)，材料內(nèi)部的電子獲得足夠大的能量而從體內(nèi)逸出的現(xiàn)象，外光電效應(yīng)也叫光電發(fā)射。光電陰極就是指能夠利用外光電效應(yīng)發(fā)射光電子的材料。愛因斯坦的相對(duì)論首次將光量子化為光子，認(rèn)為材料表面電子逸出的根本原因是吸收了入射光子的能量[5]。根據(jù)“三步模型”理論，從體內(nèi)激發(fā)出來的具有足夠能量的電子輸運(yùn)到材料表面時(shí)，通過克服表面的勢(shì)壘，才能從材料表面逸出。在發(fā)生光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)，電子接受光子的能量。材料的表面逸出功因材料而異，對(duì)某特定材料而言，有一個(gè)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。 NEA光電陰極的發(fā)現(xiàn)作為光能轉(zhuǎn)化為電能的一種形式，光電發(fā)射是一種重要的電子發(fā)射形式，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。光電陰極的發(fā)明源于上世紀(jì)三十年代到六十年代，那時(shí)先后出現(xiàn)了六種主要的光電陰極 [710]，即：銀－氧－銫光電陰極（AgOCs，S1，1930），銫－銻光電陰極（Cs3Sb，S11，1936），鉍－銀－氧－銫光電陰極（BiAgOCs，S－10，1938），鈉－鉀－銻光電陰極（Na2KSb，1955），鈉－鉀－銻－銫光電陰極（Na2KSb[Cs]，S20，1955）和鉀－銫－銻光電陰極（K2CsSb，1963）。1936年出現(xiàn)的銻銫單堿光電陰極短波部分的光譜響應(yīng)可達(dá)到105nm的真空紫外區(qū)，在可見光區(qū)有較高的量子效率。堿金屬銻化物構(gòu)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(shí)用光電陰極中也占有很重要的地位。當(dāng)時(shí)進(jìn)一步預(yù)測(cè)：若陰極材料表面的真空能級(jí)能夠低于其體內(nèi)的導(dǎo)帶底能級(jí)，也就是如果能夠使陰極的有效電子親和勢(shì)小于零，那么從材料體內(nèi)輸運(yùn)到材料表面的光電子就不需要過剩的動(dòng)能去克服表面勢(shì)壘，到達(dá)表面的光電子可以很容易地逸出到真空中。在NEA GaAs光電陰極的啟發(fā)下，通過在Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料表面覆蓋Cs和O，近年來又得到了如GaN、InP等新型的NEA光電陰極，使NEA光電陰極的內(nèi)涵和應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展。GaN材料具有許多硅基半導(dǎo)體材料所不具備的優(yōu)異性能，是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，并且?guī)犊烧{(diào)，可以發(fā)射波長比紅光更短的藍(lán)光。每當(dāng)有新的采用GaN類半導(dǎo)體的元器件投入實(shí)際應(yīng)用時(shí)，都會(huì)給電子設(shè)備帶來重大的變革。由于需要探測(cè)的紫外光一般很微弱，因此要求紫外探測(cè)器要具有“日盲” 特性和良好的探測(cè)性能。可是傳統(tǒng)的CsI、CsTe紫外光電陰極量子效率在20%以下，響應(yīng)波段主要在300nm以下，截止點(diǎn)也不能靈活調(diào)整，[13]，要想進(jìn)一步提高探測(cè)器件的量子效率，彌補(bǔ)響應(yīng)波段的不足，探索新材料的應(yīng)用勢(shì)在必行。 CsI、CsTe紫外光電陰極與GaN光電陰極量子效率比較正電子親和勢(shì)（Positive Electron Affinity，簡(jiǎn)稱PEA）光電陰極的有效電子親和勢(shì)為正值，電子被激發(fā)到表面并具有足夠大的能量才有可能逸出，這就大大限制了PEA光電陰極量子效率的提高。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(diǎn)，陰極體內(nèi)產(chǎn)生的光電子輸運(yùn)到達(dá)表面，只要其能量能夠克服較薄的表面勢(shì)壘，就可以通過隧穿效應(yīng)逸出到真空。在NEA GaAs光電陰極的啟發(fā)下，基于NEA光電發(fā)射的GaN 紫外光電陰極也就應(yīng)運(yùn)而生。因此運(yùn)行到表面的體內(nèi)光電子，只有能量足夠，就可以發(fā)射到真空而無需過剩的動(dòng)能去克服象PEA光電陰極那樣高的表面勢(shì)壘，這樣電子的逸出幾率大大增加，且為冷電子發(fā)射，因此具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量分布集中等優(yōu)點(diǎn)。美國西北大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)早在2000年左右就相繼給出了p型GaN可以通過典型的Cs或Cs、O激活工藝獲得NEA狀態(tài)的報(bào)道，從而拉開了NEA GaN光電陰極研究的序幕[1617]。 NEA GaN光電陰極的研究現(xiàn)狀 GaN晶體的生長技術(shù)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]。目前制備GaN及其相關(guān)合金薄膜的主流生長技術(shù)主要有：金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積（MOCVD）、分子束外延技術(shù)（MBE）和鹵化物汽相外延（HVPE）等[23]。MOCVD生長技術(shù)生長速率適中，可以用來進(jìn)行大面積、均勻、超薄的半導(dǎo)體生長，是當(dāng)前研制和生產(chǎn)NEA GaN光電陰極材料最成功的外延生長方法。但對(duì)于外延層較厚的器件材料生長時(shí)間較長，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。伴隨著GaN晶體生長技術(shù)的進(jìn)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(shù)、懸空外延技術(shù)等先進(jìn)的工藝技術(shù)[23]。直到目前，Mg仍是最合適的p型摻雜元素[2326]。另外由于Mg具有約160~190meV的較大電離能，在室溫下能電離成空穴的數(shù)量很有限，所以很難得到空穴濃度很高的p型GaN。但經(jīng)過加熱激活后，只有很少一部分的Mg原子能夠和H分離而變?yōu)槭苤?，能夠提供空穴的被激活的Mg原子的濃度被稱為受主濃度，受主濃度一般約為1019cm3。目前國內(nèi)盡管在GaN晶體的生長技術(shù)及工藝方面取得了不少進(jìn)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(zhì)量等方面也還有很長的路要走。 GaN基固體探測(cè)器件的研究現(xiàn)狀隨著GaN基半導(dǎo)體材料在薄膜和單晶生長技術(shù)等方面的重大技術(shù)突破，包括NEA GaN光電陰極在內(nèi)的GaN基半導(dǎo)體材料及器件已經(jīng)受到各國科學(xué)家的極大重視。近十幾年來，為了推進(jìn)GaN基紫外焦平面列陣探測(cè)器的研制，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)、國家航空和宇宙航行局(NASA)等投入了巨大的財(cái)力。2005 256 日盲型AlGaN紫外焦平面。國內(nèi)針對(duì)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(duì)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。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(cè)器，可替代紫外光功率計(jì)中傳統(tǒng)的Si紫外探測(cè)器；南京大學(xué)制作出GaN光導(dǎo)型探測(cè)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(cè)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(cè)器的制備與性能，他們得到的pin探測(cè)器性能如下： mm， A/W，探測(cè)器截止波長365 nm，零偏壓電阻面積之積在1108 ~10108 Ω[30]。2005年獲得了具有一定信號(hào)響應(yīng)的3232 可見盲紫外焦平面探測(cè)器。 GaN pin正照射型紫外探測(cè)器件的響應(yīng)光譜如上所述，目前針對(duì)GaN基固體紫外探測(cè)器件的研究雖然取得了不小成績(jī)，但是固體紫外探測(cè)器件還是存在不少問題。光導(dǎo)型GaN基探測(cè)器存在響應(yīng)速度慢、暗電流高、響應(yīng)時(shí)間是光照強(qiáng)度的函數(shù)、長波波段會(huì)出現(xiàn)假信號(hào)現(xiàn)象等不足；肖特基結(jié)型GaN基探測(cè)器受勢(shì)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(cè)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?；谧贤夤怆婈帢O的真空探測(cè)器件也就應(yīng)運(yùn)而生了。 GaN基真空探測(cè)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(duì)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)。共同用Cs/[31]。F. Machuca等研究者在2000年報(bào)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]。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)。107 Pa的真空水平。 （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]。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]。由曲線可見，NEA GaN光電陰極量子效率在200nm時(shí)高達(dá)30%以上。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。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。通過在超高真空系統(tǒng)中對(duì)樣品的處理和測(cè)試，建立了陰極處理參數(shù)，為了長期評(píng)估，將幾個(gè)樣品與微通道板結(jié)合，構(gòu)成像增強(qiáng)器，[13]。 (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(cè)試國內(nèi)對(duì)光電陰極以及三代微光像增強(qiáng)器的研究起始于上個(gè)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。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。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]。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(cè)試評(píng)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。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。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(píng)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(duì)比分析；第四是NEA GaN光電陰極的光譜響應(yīng)測(cè)試手段尚顯簡(jiǎn)單，報(bào)道顯示的光譜響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)較少，測(cè)試時(shí)人工干預(yù)的成分較多，需探索原位、在線的智能化測(cè)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(duì)衰減機(jī)理的分析。固體探測(cè)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(cè)器件可以填補(bǔ)這些不足。 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)。同時(shí)，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。通常所說的紫外波段波長范圍是200～400 nm，這又可分為三個(gè)部分：UVA（320～400 nm）、UVB（290～320 nm）和UVC（200～290 nm）。若探測(cè)器的響應(yīng)波段置于日盲波段，就會(huì)大大降低太陽光的干擾。在波長低于280nm波段的日盲工作范圍內(nèi)對(duì)電暈輻射進(jìn)行紫外探測(cè)，具有背景好、干擾小、可在白天探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。 GaN基紫外探測(cè)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(cè)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(cè)器的需求。、臭氧監(jiān)測(cè)、海上油監(jiān)和天文觀察等領(lǐng)域中應(yīng)用實(shí)例。在天文學(xué)紫外探測(cè)領(lǐng)域，特別急需提高對(duì)紫外敏感的可見光盲探測(cè)器的性能，由于被探測(cè)的物體發(fā)射的紫外光能量通常比可見光低48個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)性能，能滿足微光或單光子計(jì)數(shù)的紫外探測(cè)器[44]。如前所述，目前固體紫外探測(cè)器件存在不少問題，其探測(cè)性能無法滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求。相比于紫外固體探測(cè)器件，紫外真空探測(cè)器件在微弱紫外探測(cè)上顯示了明顯的優(yōu)勢(shì)和潛力。主要由光入射窗口、紫外光電陰極、微通道板和陽極組成。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