毕业论文：《NEAGaN紫外光电阴极研究进展》.docVIP

PAGE NEA GaN 紫外光电阴极研究进展 引言 近年来,随着信息技术和探测技术的不断发展与深入,紫外探测技术逐渐成为继红外和激光探测技术之后的又一重要的军民两用光电探测技术。紫外光电阴极是紫外真空探测器件的核心部件,决定了器件的整体性能。以GaN 为代表的Ⅲ族氮化物宽带隙半导体材料具有优良的特性和诱人的应用前景[1-6]。 可见光波段的光电阴极通常使用GaAs材料制备，GaN开始作为紫外光电阴极材料的研究始于19世纪70年代。基于负电子亲和势(NEA) 的GaN 紫外光电阴极具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量分布集中、量子效率相对波长的起伏较小、直接带隙宽、日盲响应等优点,是非常理想的新型紫外光电阴极。 高性能紫外探测器在国防和工业上得到了广泛的应用，如火焰监测、紫外通信、紫外激光雷达、电子束印刷、臭氧监测、海上油污监控、紫外拉曼散射以及半导体质量监控等。在天文观测、太阳物理、天体物理、地质探测等领域中都会用到光子计数探测系统。其中的一项关键技术就是探测器的探测效率，而探测效率是由将入射的光辐射转化为光电子的光电阴极决定的。此外，在紫外光谱学和微光紫外成像的应用中，对量子效率高、暗发射小、截止波长响应锐利、性能稳定、寿命长的像增强器有很大的需求，而光电阴极对像增强器的性能有着关键性的影响。 伴随着GaN 紫外光电阴极外延生长技术及p 型掺杂技术的突破,GaN 紫外光电阴极得到了广泛重视和发展，成为当前高性能光电阴极的研究热点。GaN, AlGaN, InGaN材料的一系列重大突破使人们有理由相信，GaN 系列材料是继Si 和GaAs 系列材料之后又一种能对高技术领域产生重要影响的半导体材料。 1 NEA GaN光电阴极的制备 NEA GaN 光电阴极是由衬底（蓝宝石、Si等）、缓冲层（AlN等）、发射层（P-GaN）和激活层(Cs、O)构成，图1.1给出了一种典型的NEA GaN 光电阴极结构。 图1.1 日本Fuke S等人最近提出了一种GaN光电阴极的新结构[1]，如图1.2所示。使用Si作为衬底材料，在Si(111)衬底和未掺杂的GaN之间650 nm的厚度内插入了40对AlN/GaN超晶格结构。由于热膨胀系数的不匹配和Si 表面的高灵敏度，Si (111)衬底上薄膜生长的难度还是很大的，在Si衬底上生长AlGaN/GaN超晶格结构的方法攻克了这一难题。在未掺杂的GaN模板上使用MOVPE法生长出200nm 厚无裂纹P型掺Mg GaN层， Mg的掺杂浓度在至之间。采用Cs-O激活以降低电子亲和势，提高电子发射效率。该结构的GaN光电阴极性能可以与蓝宝石衬底GaN光电阴极相比拟或更优良，并且成本较低，该GaN阴极已经应用于像增强器中。 图1.2 原材料采用三甲基镓 (TMGa), 三甲基铝(TMA) 和氨气(NH3)。采用氢气作为输运气体，AlN/GaN超晶格和GaN模板的生长温度为1050°C。 生长AlN/GaN超晶格的压强是100 torr，从生长未掺杂GaN层到发射层，气压要从100 torr变成760 torr。最外层200 nm的 GaN层需要掺镁，掺镁的原材料是。 Fuke S等人采用次级离子质谱分析法测定镁的浓度，没有测定发射层的空穴浓度，但根据空穴浓度和掺镁浓度的关系，空穴浓度估计在至之间。掺镁工艺要求真空下的高温（称之为“表面高温清洁”环境），以产生P-型电导。 200-600 nm波段的光电发射谱测试表明，GaN:Mg的结晶度、掺Mg浓度、GaN:Mg层的制备压强等因素对量子效率影响很大。低浓度掺Mg、高压制备工艺可以提高量子效率。掺镁浓度为、掺杂工艺的压强为760 torr时，获得了45%的最大量子效率（200 nm/6.2 eV）， 350 nm （3.54 eV）时的量子效率是25%。紫外一可见光抑制比达到4个数量级，截止斜率达到10 nm/数量级，逸出几率P达到 0.5，扩散长度达到235nm。 美国加州Berkeley大学的空间科学实验室的O. H. W. Siegmund等人制备出直径为25mm的半透明GaN光子计数成像光电阴极[2]，此阴极紧贴微通道板的堆垛层和十字延迟线阵读出器， GaN光电阴极制备在陶瓷MCP衬底上。成像质量方面，在弱背景下达到了50μm的分辨力和较好的成像均匀性。另外，在石英衬底上低温沉积的GaN光电阴极也具有可观的量子效率。不透明GaN光电阴极量子产额已经达到70%（120 nm），截止波长为380 nm，输出带宽响应低、稳定性高。此前半透明GaN光电阴极的量子效率相对透射模式要低4%。初步研究显示，量子效率提高了5个百分点。 O. H. W. Siegmund等人采用南京理工大学常本康教授提出的梯度掺杂思想，制备了梯度掺杂GaN光电阴极，取得了