【正文】 測和導彈告警。 紫外光電倍增管的基本結(jié)構(gòu) 紫外像增強器的基本結(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。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是遠紫外透射陰極的備選材料，但量子效率太低(20%)，響應截至點受限(300nm)，暗噪聲也比較大。可以填補堿鹵光電陰極(200nm)如CsI等和GaAs光電陰極 (400nm)之間的150400nm波段。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。得益于NEA特性的獲得，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。GaN陰極可在100nm到380 nm的波段獲得高量子效率，而且可見光響應低，具有代替CsTe或CsI陰極的潛力。NEA光電陰極已經(jīng)在美國Jefferson國家加速器、斯坦福線性電子加速器(SLAC)以及日本線性電子碰撞裝置中得到成功應用。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(shù)等特定領域，是目前研究者探索的熱點之一。NEA GaN光電陰極在電子束平版印刷術(shù)中展示了強勁的生命力。在這種情況下，可解決該問題的電子束平版印刷技術(shù)應運而生。通過將光改變成電子，不再需要光學透鏡和其他光學導引元件，克服了傳統(tǒng)影印石版術(shù)的物理限制，這樣最小的印刷尺寸的限制就是電子的尺寸。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。[53]，主要由激光二極管陣列和透射式NEA光電陰極構(gòu)成。在激活層內(nèi)，光電子按照Spicer “三步模型”到達表面。每個被吸收的激光點產(chǎn)生一個細電子束，細電子束可在真空外面被調(diào)制。這樣一個大規(guī)模的平行線可同時印刷很多模式。NEA GaN光電陰極量子效率高、發(fā)射電子能量分布與角度分布集中、發(fā)射電流密度大，作為優(yōu)良的面電子源，易于實現(xiàn)光照作用下電子束的平面發(fā)射。 本文研究的背景和意義 本文研究的背景NEA GaN光電陰極為冷電子發(fā)射，具有量子效率高、暗發(fā)射小、發(fā)射電子能量分布集中以及在苛刻環(huán)境中的高穩(wěn)定性等獨特優(yōu)點，是滿足微弱紫外探測和真空電子源應用等領域要求的非常理想的新型紫外光電陰極。作為優(yōu)良的面電子源，NEA GaN光電陰極在超高真空中的穩(wěn)定性也優(yōu)于其他光電陰極，必將在自旋電子學和電子束平版印刷曝光技術(shù)中發(fā)揮重要作用。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(shù)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。十五期間承擔了國防科技重點預先研究項目“X X X夜視技術(shù)研究”和演示驗證項目“X X X測試技術(shù)研究”；十一五期間承擔了國家自然科學基金“變摻雜GaAs光陰極材料與量子效率理論研究”和教育部博士點基金“變摻雜GaAs光電陰極材料機理與激活技術(shù)研究”；目前承擔國家自然科學基金“NEA GaN光電發(fā)射機理及其制備技術(shù)研究”和“新型紫外光電陰極——GaN NEA光電陰極的基礎研究”的研究任務。本論文就是在上述項目的支持下，針對NEA GaN 光電陰極研究中光電發(fā)射理論、表面凈化方法、陰極激活工藝、光譜響應測試以及衰減機理等方面存在的問題，以反射式GaN光電陰極為研究對象，從光電發(fā)射理論與半導體理論出發(fā)，對NEA GaN光電陰極的材料特性、光電發(fā)射機理、NEA表面形成機理、陰極材料的凈化方法、激活工藝、光譜響應特性以及在真空中的穩(wěn)定性等方面開展研究。本課題的研究可進一步提高對NEA光電陰極光電發(fā)射理論的認識，利用先進的智能測試技術(shù)提高陰極的制備工藝水平和評估手段，對研制高性能的真空電子源和半導體紫外真空探測器等都具有重要的理論意義。探索NEA GaN光電陰極光電發(fā)射本質(zhì)是本課題研究的核心內(nèi)容。本課題還試圖在激活過程中GaN表面NEA特性形成機理的揭示與成功激活后NEA GaN光電陰極表面模型的建立方面有所突破。一方面，本課題將促進需用穩(wěn)定電子源的電子束平版印刷等領域的技術(shù)發(fā)展?！胺瓷涫絅EA GaN光電陰極激活與評估研究”課題具有重大的科學意義和美好的應用前景。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。根據(jù)光電發(fā)射的“三步模型”，詳細分析了光電子的產(chǎn)生、從體內(nèi)到表面的輸運以及穿越表面勢壘逸出到真空的全過程，導出了光電子隧穿陰極表面勢壘的透射系數(shù)，推導了能合理描述反射式NEA GaN 光電陰極光電發(fā)射過程的量子效率公式，給出了GaN光電陰極銫氧激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]: OCs，利用該模型較好地解釋了激活后NEA特性的成因。通過化學清洗和加熱凈化獲得了原子級清潔表面，為NEA GaN光電陰極的成功制備奠定了基礎。針對GaN光電陰極NEA特性的成因，結(jié)合激活過程中光電流的變化規(guī)律和成功激活后的陰極表面模型，研究了反射式NEA GaN光電陰極的激活機理，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(guān)系。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。這對陰極材料性能如摻雜濃度、電導率、遷移率等的優(yōu)化，以及對光電陰極的凈化和激活工藝的優(yōu)化都具有重要意義。穩(wěn)定性研究就是要解決NEA GaN光電陰極量子效率在真空系統(tǒng)中的衰減問題。針對反射式NEA GaN光電陰極不同波段對應量子效率衰減速度不同的現(xiàn)象，參照NEA GaN光電陰極在反射模式下量子效率曲線隨時間的衰減變化情況，結(jié)合量子效率衰減過程中表面勢壘的變化，得到了量子效率曲線的衰減特點與表面勢壘形狀改變之間的關(guān)系，解釋了不同波段對應的量子效率下降速度不相同的原因。立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)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。得到結(jié)構(gòu)六角對稱性以外，它和閃鋅礦結(jié)構(gòu)是一樣的[5456]。但是通常情況下取一個含有八個原子的較大的立方體作為結(jié)晶學原胞去考慮，這樣更能反映出晶格的對稱性和周期性。[57,58]，由表可見，兩種結(jié)構(gòu)GaN材料的很多參數(shù)值是比較接近的，如每立方厘米中的原子數(shù)、擊穿場強、電子親和勢、電子擴散系數(shù)、空穴擴散系數(shù)、電子遷移率以及熔點等是相同的。由表中數(shù)據(jù)可知，GaN晶體是堅硬的高熔點材料，兩種結(jié)構(gòu)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。因GaN光電陰極響應的紫外光波長較可見光短，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，其激活層厚度可以做的小一點，而GaAs激活層厚度就要大一些。GaN具有較高的電離度，在ⅢⅤ族化合物中是最高的，和GaAs相比，GaN是極穩(wěn)定的化合物?，F(xiàn)在好的GaN樣品的n型本底載流子濃度可以降低到1016/cm3左右，室溫下的電子遷移率可以達到900cm2/Vs。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(guān)，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。價帶有三個劈裂的能帶，來自于自旋軌道的相互作用和晶體的對稱性， ， eV。[57]。 給出了纖鋅礦和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN的禁帶寬度隨溫度的變化情況，對纖鋅礦GaN晶體， [5759]。對于纖鋅礦結(jié)構(gòu)，和可分別表示為： () ()對于閃鋅礦結(jié)構(gòu)，和可分別表示為： () ()[57]。這種特性可在p型重摻雜的GaN材料上得到。 NEA半導體能級圖，電子親和勢，逸出功，是費米能級，于是。根據(jù)半導體光電發(fā)射理論，為了得到有效的電子發(fā)射，必須是p型半導體與n型表面態(tài)雜質(zhì)結(jié)合。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(zhì)可分為間隙式雜質(zhì)和代位式雜質(zhì)，通常情況下代位式雜質(zhì)的原子半徑大小和價電子殼層結(jié)構(gòu)與被取代本體原子比較接近。由于Mg的外圍電子層排布為3s2，Ga的外圍電子層排布為4s24p1，因此Mg取代Ga的位置時會從附近獲得一個電子，而在Mg的附近留下一個空穴，需要電子來填充。重摻雜能在發(fā)射層表面提供技術(shù)上盡可能窄的耗盡層寬度，使電離雜質(zhì)移動的距離最小，使光生載流子在發(fā)射到自由空間前的散射和表面俘獲程度較低。清潔的GaN晶體表面原子和體內(nèi)原子的電子特性有較大差別，表面原子具有不完全的價鍵填充，它的的價鍵被割開。GaN晶體清潔表面的表面能級位于禁帶中接近價帶頂處。當表面態(tài)與半導體體內(nèi)進行電子交換并達到平衡時，與趨于一致，使有效電子親和勢大大降低。n型表面可通過表面激活技術(shù)實現(xiàn)，利用Cs、O吸附在p型摻雜的GaN材料的表面，使表面能帶向下彎曲，直至低于體內(nèi)導帶底能級，即獲得NEA表面，輸運到表面的光電子可以比較容易地發(fā)射到真空，從而獲得有效的光電發(fā)射。 Cs/O激活后的能級結(jié)構(gòu)示意圖， eV，若以體內(nèi)價帶頂為能量參考點， eV，就已經(jīng)獲得了有效的NEA特性，Cs/O激活后， eV，使有效NEA特性更加明顯。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。“三步模型”：光的吸收、光生載流子的輸運、載流子的發(fā)射，NEA GaN光電陰極可將紫外光的輻射轉(zhuǎn)換成發(fā)射到自由空間的光電子，這一過程可以分為三個步驟[6,6467]：第一步是光的吸收：在紫外光的照射下，處于價帶中的電子通過吸收入射光子的能量而被激發(fā)到導帶；第二步是光生載流子的輸運：由于光的激發(fā)產(chǎn)生的光電子向陰極表面輸運，這個過程中會發(fā)生各種彈性和非彈性碰撞；第三步是載流子的發(fā)射：輸運到陰極表面的電子隧穿表面勢壘，由于NEA特性的存在，可以比較容易地逸出到真空中。光電陰極由四種材料組成：頂層作為發(fā)射表面，是一個由Cs或Cs/O構(gòu)成的激活層，第二層是p型GaN層，也就是可被激活層，是光電陰極的光電發(fā)射核心，第三層是緩沖層，一般用較薄的GaN或AIN構(gòu)成，最后是藍寶石構(gòu)成的較厚的襯底，作為整個陰極的支撐窗口，透射模式下也是光的入射窗口。 GaN光電陰極的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在p型GaN層的厚度和緩沖層的材料及厚度上，（a）圖是我們實驗樣品采用的結(jié)構(gòu)，（b）圖是斯坦福大學給出的一種結(jié)構(gòu)[31]。對于反射模式下的GaN光電陰極，光子是從發(fā)射表面一側(cè)入射的，入射光的衰減較小，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。兩種工作模式下光電子數(shù)量在包括輸運過程在內(nèi)的三個步驟中都會因眾多原因而衰減。這一激發(fā)過程與陰極材料的能帶結(jié)構(gòu)和材料的吸收系數(shù)α有關(guān)。GaN導帶極小值是中心的Γ谷，另外，在kx方向還有一個極小值ML谷，在kz方向還有一個極小值A谷。GaN的價帶有三個劈裂的能帶，它來自于自旋軌道的相互作用和晶體的對稱性。對纖鋅礦GaN晶體，禁帶寬度Eg ，晶格常數(shù)為a軸：，c軸：。GaN陰極材料的吸收系數(shù)α表示材料對光子吸收能力的強弱，[31]。GaN價帶中的電子通過吸收光子能量而被激發(fā)進入導帶的過程要求滿足電子動量守恒和能量守恒[68]。當光電子從價帶頂躍遷到Γ谷時，只需滿足能量守恒，而光電子從價帶頂躍遷到ML谷或A谷時，需同時滿足能量守恒和動量守恒，也就是說還需要吸收或發(fā)射聲子。 GaN陰極材料的吸收系數(shù)a隨光子能量的增加而增大Spicer“三步模型”的第二步是光生載流子的輸運，即激發(fā)到導帶的電子將發(fā)生擴散或漂移運動，從而由陰極體內(nèi)向表面運動。首先是電子在陰極體內(nèi)的輸運過程，在NEA表面態(tài)的形成過程中，價帶電子通過光子激發(fā)到達導帶，首先成為過熱電子，過熱電子通過釋放聲子與晶格相互作用，每次損失能量30~60meV，被激發(fā)的光電子很快落到離導帶底幾個kT的范圍內(nèi)，[7,8]。整個擴散過程中電子都有可能與空穴復合而消失，只有擴散長度足夠長，最終到達陰極面的電子才有可能逸出到真空中。s1，為光電子的壽命，可達109s。其次是電子在表面能帶彎曲區(qū)的輸運，表面能帶彎曲區(qū)的結(jié)構(gòu)較陰極體內(nèi)更加復雜，在該區(qū)域存在著表面勢壘反射、聲子散射以及能帶彎曲區(qū)強電場的作用，這些因素使得電子在能帶彎曲區(qū)的輸運過程更加復雜化。陰極在反射工作模式下，由于高能電子主要產(chǎn)生在陰極的近表面，所以它們到達能帶彎曲區(qū)的距離較短，結(jié)果造成存在相當數(shù)量的ML能谷電子或未馳豫的熱電子；而陰極在透射工作模式下，高能電子主要產(chǎn)生在陰極的后界面附近，它們只有經(jīng)過較長的距離才能到達陰極的能帶彎曲區(qū)，在此過程中，絕大部分電子已在導帶底熱化，所以其平均電子能量就比反射式陰極要小。設熱化電子的能量為Et，則對于Γ能谷，其中Ec為導帶底（Γ能谷）的能級，對于ML能谷，其中EML為ML能谷的能級， Et、Ec和EML均是相對于價帶頂Ev而言的，即取Ev為能量最低參考點。下面借助Γ能谷熱化電子詳細討論電子在陰極表面能帶彎曲區(qū)輸運情況[7174]。漂移運動過程中電子將遭受如電離雜質(zhì)散射、晶格振動散射和谷間散射等各種散射碰撞，所以電子的能量和運動方向就會隨時發(fā)生變化。根據(jù)Bartelink等人的計算[72,73]，若熱化電子的能量Et等于Ec，即，則電子經(jīng)過能帶彎曲區(qū)后的能量分布為： 當時： ()當時： ()上式中E是電子經(jīng)過能帶彎曲區(qū)到達陰極表面時余下的能量，E＝ds－Ep，ds是能帶彎曲區(qū)的彎曲量， Ep是電子經(jīng)過能帶彎曲區(qū)時損失的總能量，E、ds和Ep均是相對能帶彎曲區(qū)的最低點而言的。當時，Γ能谷熱化電子滿足表達式()所示的能量分布，則電子輸運到陰極表面時的能量分布可表示為： 　 ()式中E是電子經(jīng)過能帶彎曲區(qū)輸