反射式變摻雜負(fù)電子親和勢(shì)GaN光電陰極量子效率研究?

喬建良徐源 高有堂 牛軍 常本康

1)(南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院,南陽(yáng) 473004)

2)(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,南京 210094)

(2016年10月8日收到;2016年11月23日收到修改稿)

反射式變摻雜負(fù)電子親和勢(shì)GaN光電陰極量子效率研究?

喬建良1)?徐源2)高有堂1)牛軍1)常本康2)

1)(南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院,南陽(yáng) 473004)

2)(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,南京 210094)

(2016年10月8日收到;2016年11月23日收到修改稿)

從變摻雜負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)GaN光電陰極材料的光電發(fā)射機(jī)理入手,給出了反射式變摻雜NEA GaN光電陰極內(nèi)建電場(chǎng)和量子效率的計(jì)算公式.利用初步設(shè)計(jì)的變摻雜NEA GaN光電陰極,介紹了變摻雜NEA GaN陰極的激活過(guò)程和激活光電流的變化特點(diǎn).結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型的變摻雜NEA GaN陰極的量子效率曲線,分析了GaN光電陰極量子效率曲線的特點(diǎn).結(jié)果顯示:由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在,反射式變摻雜NEA GaN光電陰極量子效率在240 nm處即可達(dá)到56%,在較寬的入射光波長(zhǎng)范圍內(nèi),陰極具有相對(duì)平穩(wěn)的量子效率,量子效率值隨入射光子能量的增加而增加,并且量子效率曲線在閾值附近表現(xiàn)出了明顯的銳截止特性.

GaN,光電陰極,變摻雜,量子效率

1 引 言

近年來(lái),隨著GaN晶體生長(zhǎng)技術(shù)的不斷突破,作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,GaN在白光照明、紫外探測(cè)、真空電子源等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.相比較傳統(tǒng)的紫外光電陰極如CsI和CsTe光電陰極,GaN光電陰極具有更加寬泛平穩(wěn)的紫外光譜響應(yīng)特性,加上靈敏度高、暗電流小、響應(yīng)波段可通過(guò)加入A l或In調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),新型紫外GaN光電陰極引起了越來(lái)越多的關(guān)注[1?4].

負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)光電陰極的量子效率受到材料本身性能和制備技術(shù)等多方面的影響,在材料生長(zhǎng)水平的限制下,為進(jìn)一步提高陰極量子效率,變摻雜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并成功應(yīng)用于GaAs光電陰極.相對(duì)于均勻摻雜,采用變摻雜技術(shù)使得陰極在量子效率上取得了明顯突破[5,6].在變摻雜GaAs光電陰極研究的基礎(chǔ)上,近年來(lái)我們探索將變摻雜技術(shù)應(yīng)用到GaN光電陰極上,也取得了不錯(cuò)的效果[7].

針對(duì)NEA光電陰極的變摻雜技術(shù),由于研究時(shí)間較短,變摻雜材料的光電發(fā)射機(jī)理、激活工藝、表面模型、穩(wěn)定性等理論仍然亟待完善.針對(duì)不同陰極材料,陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摻雜方式、摻雜濃度等關(guān)鍵因素仍需繼續(xù)研究?jī)?yōu)化.在這樣的背景下,本文針對(duì)反射式變摻雜GaN光電陰極,研究了變摻雜GaN光電陰極的內(nèi)建電場(chǎng)、光電發(fā)射機(jī)理以及量子效率特性,為下一步深入研究采用變摻雜技術(shù)的NEA GaN光電陰極奠定了基礎(chǔ).

2 變摻雜NEA GaN光電陰極的內(nèi)建電場(chǎng)

對(duì)NEA光電陰極材料,變摻雜技術(shù)可以在材料體內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng),內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)光生電子的輸運(yùn),進(jìn)而提高電子逸出概率,最終陰極的量子效率相應(yīng)地得到提高.因此,變摻雜技術(shù)對(duì)陰極性能的貢獻(xiàn)本質(zhì)上在于內(nèi)建電場(chǎng).

對(duì)NEA GaN變摻雜陰極材料,采取體內(nèi)p型摻雜濃度高、表面摻雜濃度依次降低的方式,使材料的摻雜濃度從體內(nèi)到表面形成依次降低的梯度變化.圖1給出了一種變摻雜NEA GaN陰極材料的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,圖中Eg為陰極材料的禁帶寬度,EV為價(jià)帶頂,EC為導(dǎo)帶底,EF為費(fèi)米能級(jí), Evac為真空能級(jí).能帶結(jié)構(gòu)示意圖給出的是四層梯度變摻雜結(jié)構(gòu),從體內(nèi)到表面的摻雜濃度依次為NA1,NA2,NA3和NA4.層間過(guò)渡區(qū)域的厚度依次為d1,d2和d3.

圖1 變摻雜NEA GaN陰極材料能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The energy band structu re for varied dop ing NEA GaN photocathode.

由圖1可見(jiàn),變摻雜NEA GaN陰極材料的能帶不僅有與均勻摻雜類似的表面附近向下彎曲的現(xiàn)象,而且相對(duì)于均勻摻雜結(jié)構(gòu)具有能帶由體內(nèi)向表面整體發(fā)生向下彎曲的現(xiàn)象.即在不同摻雜濃度區(qū)域的界面處,能帶也產(chǎn)生了向下的彎曲現(xiàn)象[8,9].這是由于在各個(gè)界面處費(fèi)米能級(jí)的拉平效應(yīng)所致.

變摻雜技術(shù)優(yōu)化了陰極材料的能帶結(jié)構(gòu),其對(duì)陰極性能的貢獻(xiàn)本質(zhì)上在于體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng).向下彎曲的能帶結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)部形成一個(gè)電場(chǎng),在光電子由材料體內(nèi)向表面的輸運(yùn)過(guò)程中,內(nèi)建電場(chǎng)起促進(jìn)作用.所以對(duì)變摻雜光電陰極,光電子將以擴(kuò)散加漂移的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行輸運(yùn),這樣可使更多的光電子輸運(yùn)至光電陰極表面附近,從而使光電子的逸出概率增到極限值,最終帶來(lái)變摻雜光電陰極量子效率的提高.

如圖1所示,因激活時(shí)銫、氧的覆蓋形成了兩個(gè)表面勢(shì)壘即勢(shì)壘I、勢(shì)壘II,材料價(jià)帶中的電子在紫外光的激發(fā)下,獲得足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶,在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)向陰極表面輸運(yùn),到達(dá)表面附近的電子通過(guò)隧道效應(yīng)隧穿表面勢(shì)壘,由于負(fù)電子親和勢(shì)特性,隧穿表面勢(shì)壘的電子可以比較容易地逸出到真空,完成了光電發(fā)射過(guò)程.

一般地,設(shè)EF為p型陰極材料的費(fèi)米能級(jí), EV為p型陰極材料的價(jià)帶能級(jí),NA為p型陰極材料的摻雜濃度,NV為陰極材料的價(jià)帶有效狀態(tài)密度,則室溫下p型光電陰極材料的費(fèi)米能級(jí)與其p型摻雜濃度的關(guān)系如(1)式所示:

式中k0為玻爾茲曼常數(shù),T是絕對(duì)溫度.

在變摻雜NEA GaN光電陰極中,在體內(nèi)由于存在p型摻雜濃度的變化,從材料體內(nèi)向表面能帶形成了一個(gè)向下彎曲的彎曲量.如圖1所示,設(shè)摻雜濃度NA1和NA2之間的濃度過(guò)渡區(qū)域的厚度為d1,因?yàn)閾诫s濃度NA1＞NA2,可以得到該處因摻雜濃度差引起的能帶彎曲量的大小ΔE,如(2)式所示:

進(jìn)一步得到采用梯度變摻雜技術(shù)在該濃度變化區(qū)域的兩端產(chǎn)生的電勢(shì)差VD,如(3)式所示:

因該區(qū)域的厚度為d1,則其平均電場(chǎng)強(qiáng)度E如(4)式所示:

由(4)式可知,在梯度變摻雜NEA GaN光電陰極體內(nèi)的各個(gè)濃度變化界面處,都會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度的大小由該區(qū)域的寬度和兩個(gè)相鄰區(qū)域的摻雜濃度決定.

需要說(shuō)明的是,p型GaN晶體的生長(zhǎng)技術(shù)曾是困擾業(yè)界的難題,一般地,GaN晶體樣品有效的空穴載流子濃度比理論設(shè)計(jì)的p型摻雜濃度要低,即(4)式中摻雜濃度NA1和NA2的實(shí)際值要比最初設(shè)計(jì)的小些,這會(huì)影響到平均電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小,具體量化計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮.

根據(jù)現(xiàn)有的材料生長(zhǎng)技術(shù)水平,合理設(shè)置層數(shù)和各層p型摻雜濃度,就能夠得到比較理想的內(nèi)建電場(chǎng).理論上若采用指數(shù)變摻雜技術(shù),可得到一個(gè)勻強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)[10].總的來(lái)說(shuō)陰極材料從體內(nèi)到表面由于摻雜濃度的變化,會(huì)形成一個(gè)對(duì)光電子輸運(yùn)起促進(jìn)作用的內(nèi)建電場(chǎng),內(nèi)建電場(chǎng)的方向由材料表面指向材料體內(nèi),體內(nèi)產(chǎn)生的光電子運(yùn)動(dòng)到該區(qū)域時(shí),其向表面的運(yùn)動(dòng)就會(huì)被電場(chǎng)加速,光電子在原有的擴(kuò)散作用與內(nèi)建電場(chǎng)的加速作用下向材料表面輸運(yùn).

3 反射式變摻雜NEA GaN光電陰極量子效率公式

在多數(shù)紫外探測(cè)領(lǐng)域,紫外光的幅度一般處于微弱級(jí)別,所以用于該領(lǐng)域的GaN光電陰極就要具備較高的光譜靈敏度.GaN陰極光譜靈敏度S(λ)一般指單色紫外光照射下每單位輻射功率(1W)陰極所產(chǎn)生的光電流,陰極的光譜響應(yīng)曲線就是由紫外響應(yīng)波段內(nèi)特定波長(zhǎng)單色紫外光對(duì)應(yīng)的光譜靈敏度構(gòu)成.一般地,實(shí)際測(cè)量時(shí)GaN陰極的光譜響應(yīng)常用量子效率Y(λ)來(lái)表示,量子效率表示單位入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù),量子效率Y(λ)與光譜靈敏度S(λ)的關(guān)系表示為[11,12]

其中普朗克常數(shù)h=6.626068×10?34J·s,光速c= 3×108m/s,電子電荷量e=1.6021892×10?19C,光譜靈敏度S(λ)單位采用m A/W,入射光子的波長(zhǎng)λ以nm為單位.實(shí)際測(cè)量時(shí),可以通過(guò)測(cè)量紫外光的輻射功率、光電流得到陰極光譜靈敏度,再由(5)式計(jì)算出陰極的量子效率.

設(shè)n1(x)是陰極材料發(fā)射層中產(chǎn)生的電子濃度,x是材料發(fā)射層內(nèi)某點(diǎn)到陰極表面的距離,Dn是電子擴(kuò)散系數(shù),μ是材料內(nèi)的電子遷移率,LD是電子擴(kuò)散長(zhǎng)度,τ1是少數(shù)載流子壽命,Te是陰極發(fā)射層厚度,I0是入射光強(qiáng)度,α1是陰極材料對(duì)入射光的吸收系數(shù),R是陰極對(duì)入射光的反射率.對(duì)變摻雜NEA GaN光電陰極,考慮到材料內(nèi)部的內(nèi)建電場(chǎng)E,擴(kuò)散漂移方程可表示為[10,13]

其中邊界條件為

邊界條件中SV是后界面復(fù)合速率,通過(guò)求解,可得反射式變摻雜NEA GaN光電陰極的量子效率公式如下:

式中

對(duì)均勻摻雜陰極材料,內(nèi)建電場(chǎng)E為0,量子效率可表示為

如果SV=0且Te=∞,可簡(jiǎn)化得到(10)式.

這與反射式均勻摻雜NEA GaN光電陰極的量子效率公式一致.

4 反射式變摻雜GaN光電陰極量子效率實(shí)驗(yàn)

對(duì)于NEA光電陰極的激活,傳統(tǒng)“yo-yo”激活法采用的Cs源、O源交替斷續(xù)的激活工藝存在不便控制等缺點(diǎn).實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),激活過(guò)程中若保持Cs源一直處于開(kāi)啟狀態(tài),可使Cs在整個(gè)激活過(guò)程中處于過(guò)量狀態(tài),可阻止O的過(guò)量對(duì)偶極層形成的影響,進(jìn)而能提高陰極的穩(wěn)定性.目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行NEA光電陰極的激活常采用Cs源持續(xù)、O源斷續(xù)的方式進(jìn)行.

實(shí)驗(yàn)使用的p型變摻雜GaN光電陰極的摻雜元素為Mg,通過(guò)金屬氧化物化學(xué)氣相沉積外延生長(zhǎng)得到,襯底采用藍(lán)寶石,A lN作為緩沖層,GaN發(fā)射層均分為4層,每層厚度為45 nm,總厚度為180 nm.從體內(nèi)到表面p型摻雜濃度依次減小,分別為1×1018,4×1017,2×1017,6×1016cm?3.

利用NEA光電陰極激活與評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)變摻雜GaN光電陰極樣品進(jìn)行了激活實(shí)驗(yàn),激活采用氘燈作為光源,樣品表面光功率約為50μW,激活室真空度為1.6×10?7Pa.激活時(shí)使用的低逸出功材料為固態(tài)的Cs源和O源,引入時(shí)均有一個(gè)預(yù)熱過(guò)程,Cs源電流由小到大調(diào)整到約1.8 A時(shí),產(chǎn)生明顯的光電流.激活光電流隨時(shí)間的變化情況如圖2所示,光電流曲線的整體變化情況與早期均勻摻雜GaN光電陰極激活情況基本一致.激活一開(kāi)始,光電流隨著Cs的導(dǎo)入逐漸增長(zhǎng),到達(dá)極值,然后又有下降趨勢(shì),Cs激活過(guò)程包括陰極表面偶極層的形成、偶極層的飽和等階段以及Cs過(guò)量時(shí)出現(xiàn)的“Cs中毒”現(xiàn)象.

在GaN光電陰極激活的Cs,O交替階段,將固態(tài)O源的電流從小逐漸增大到約1.55 A,光電流值又開(kāi)始上升,光電流達(dá)到極大值時(shí)斷O,光電流繼續(xù)增大,導(dǎo)入O后經(jīng)過(guò)幾個(gè)Cs源持續(xù),O源斷續(xù)的循環(huán)后光電流幾乎不再增長(zhǎng),表明激活完成.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第一次的Cs/O循環(huán),光電流增長(zhǎng)明顯,隨后的Cs/O交替激活對(duì)光電流的貢獻(xiàn)較小.

激活后原位測(cè)試了變摻雜GaN光電陰極的光譜響應(yīng),得到的量子效率曲線如圖3所示.入射光波長(zhǎng)在240—354 nm(對(duì)應(yīng)光子能量5.17—3.5 eV)的范圍內(nèi),具有相對(duì)平坦的量子效率值,而且量子效率值隨光子能量的增加而增加,在5.17 eV(對(duì)應(yīng)240 nm)處達(dá)到了測(cè)試的最大值56%,比同等條件下測(cè)得的均勻摻雜GaN陰極量子效率最大值37% (對(duì)應(yīng)230 nm)提高了不少[14].

圖2 變摻雜NEA GaN光電陰極光電流曲線Fig.2.The photocurrent curve for varied dop ing NEA GaN photocathode.

圖3 變摻雜NEA GaN光電陰極量子效率曲線Fig.3.The curve of quantum effi ciency for varied dop ing NEA GaN photocathode.

激活后測(cè)得的量子效率與入射光能量及波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1,由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,國(guó)內(nèi)變摻雜陰極測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)下限值僅為240 nm.量子效率的提高歸因于變摻雜材料內(nèi)部的內(nèi)建電場(chǎng),內(nèi)建電場(chǎng)提高了輸運(yùn)到陰極表面附近的電子的數(shù)量和能量,促使更多的電子逸出到真空.變摻雜GaN陰極的量子效率曲線在閾值3.4 eV處表現(xiàn)出明顯的銳截止特性.

加利福尼亞大學(xué)伯克利分?？臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用梯度摻雜方法制備了變摻雜GaN光電陰極,實(shí)驗(yàn)樣品采用30 nm厚的A lN緩沖層,p型材料采用梯度摻雜,體內(nèi)最高摻雜濃度大于1019cm?3.反射模式下得到的量子效率曲線如圖4所示,在120—350 nm的入射光波長(zhǎng)范圍內(nèi),量子效率相對(duì)平穩(wěn),數(shù)值隨著入射光波長(zhǎng)的減小而增大.量子效率在120 nm處高達(dá)80%,在130 nm處為70%,在350 nm處,尚有接近10%的量子效率,在閾值點(diǎn)365 nm附近,也表現(xiàn)出明顯的銳截止特性,閾值帶外響應(yīng)很低,截至點(diǎn)約在380 nm處[15].通過(guò)對(duì)比表明,量子效率曲線的整體變化規(guī)律與國(guó)內(nèi)測(cè)試結(jié)果符合得較好.

表1 變摻雜NEA GaN光電陰極量子效率與入射光能量及波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab le 1.The correspond ing relationship of quantum effi ciency to the incident light energy and wavelength for varied dop ing NEA GaN photocathode.

圖4 加利福尼亞大學(xué)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備的變摻雜GaN光電陰極量子效率曲線Fig.4.The quantum effi ciency curve for varied doping GaN photocathode from University of California, Space Sciences Laboratory.

5 變摻雜GaN光電陰極量子效率特性討論

變摻雜GaN光電陰極量子效率的這種平穩(wěn)特性是傳統(tǒng)紫外陰極如CsI,CsTe所不具備的,傳統(tǒng)的CsI,CsTe紫外陰極是基于正電子親和勢(shì)特性的,輸運(yùn)到陰極表面的電子必須具有足夠大的能量,穿過(guò)較高的表面勢(shì)壘才能逸出到真空,這就從本質(zhì)上限制了此類光電陰極的量子效率,量子效率不會(huì)太高,而且暗噪聲也比較大.CsI陰極量子效率極不平穩(wěn),CsTe陰極最高量子效率僅略大于10%.另一方面,材料本身的局限性如禁帶寬度等特性的限制,使得CsI陰極的響應(yīng)波段在100—200 nm之間, CsTe陰極在120—300 nm之間,響應(yīng)波段還不能像GaN光電陰極那樣方便調(diào)節(jié).CsI,CsTe紫外光電陰極與GaN光電陰極量子效率的對(duì)比如圖5所示[16].

圖5 CsI,CsTe紫外光電陰極與GaN光電陰極量子效率比較Fig.5.The quantum effi ciency com parison between CsI,CsTe UV photocathode and GaN photocathode.

由圖3和圖4給出的變摻雜GaN光電陰極量子效率曲線可知,在GaN陰極響應(yīng)的紫外波段約100—400 nm的范圍內(nèi),量子效率隨入射光波長(zhǎng)的增大而減小.造成這種現(xiàn)象的主要原因有以下兩點(diǎn).一是入射光中長(zhǎng)波段對(duì)應(yīng)光子的能量相對(duì)較小,與這部分入射光子對(duì)應(yīng)的激發(fā)到導(dǎo)帶中的光電子數(shù)量較少,導(dǎo)帶中的光電子能量也較小,而光電子能否順利隧穿表面勢(shì)壘其能量起決定作用.這就造成了對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波段入射光激發(fā)的光電子被輸運(yùn)到表面并成功逸出的數(shù)量沒(méi)有短波段多,進(jìn)而其對(duì)應(yīng)的量子效率也較低.二是對(duì)于在反射模式下工作的陰極,入射光是從陰極前表面進(jìn)入的,而陰極材料內(nèi)部對(duì)光子的吸收深度隨入射光波長(zhǎng)的增大而增大,即入射光波長(zhǎng)越長(zhǎng),被吸收的光子越靠近遠(yuǎn)離表面的后界面處,這里產(chǎn)生的一部分光電子要么被復(fù)合掉,要么在壽命期內(nèi)無(wú)法到達(dá)表面附近,最終影響到長(zhǎng)波段對(duì)應(yīng)的電子表面逸出概率,造成量子效率的降低.

變摻雜GaN陰極的量子效率曲線顯示:在閾值3.4 eV處曲線表現(xiàn)出明顯的銳截止特性,即在350—380 nm區(qū)間內(nèi),量子效率曲線快速下降.這種特性印證了成功激活后變摻雜GaN陰極材料的負(fù)電子親和勢(shì)特性,原因如下:光子能量大于GaN禁帶寬度約3.4 eV的入射光子才有可能將價(jià)帶中電子激發(fā)到導(dǎo)帶,通過(guò)激活獲得的負(fù)電子親和勢(shì)特性可使導(dǎo)帶中產(chǎn)生的光電子比較容易地逸出表面,所以能量大于3.4 eV的入射光對(duì)應(yīng)的量子效率明顯提高,而對(duì)能量低于3.4 eV的入射光,理論上外光電效應(yīng)現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生,對(duì)應(yīng)的光電發(fā)射現(xiàn)象來(lái)源于其他因素.所以負(fù)電子親和勢(shì)特性可通過(guò)量子效率曲線的銳截止特性反映出來(lái).

對(duì)變摻雜GaN光電陰極,上述量子效率曲線在3.4 eV的閾值處表現(xiàn)出的明顯的銳截止特性對(duì)提高紫外探測(cè)器的靈敏性、有效抑制虛警探測(cè)是至關(guān)重要的,這和均勻摻雜陰極是一致的,變摻雜技術(shù)的應(yīng)用在提高陰極量子效率的同時(shí),并沒(méi)有消弱陰極的銳截止特性.

從圖5可以看出:在波長(zhǎng)400 nm處,本文測(cè)試的變摻雜GaN陰極量子效率約為0.16%,加利福尼亞大學(xué)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備的變摻雜GaN光電陰極在波長(zhǎng)380 nm處還有1%的量子效率,在400 nm處量子效率約為0.1%,這是材料p型重?fù)诫s的結(jié)果.原因如下:對(duì)進(jìn)行了p型重?fù)降淖儞诫sGaN材料,隨著摻雜濃度的提高,p型摻雜的雜質(zhì)能級(jí)與GaN自身的價(jià)帶發(fā)生了重疊效應(yīng),這種重疊效應(yīng)使得GaN材料的禁帶寬度變小,造成材料能帶的帶尾拖長(zhǎng),同時(shí)禁帶壓縮變小,造成原閾值由3.4 eV向長(zhǎng)波方向偏移,直到3.1 eV處還有光譜響應(yīng).

6 結(jié) 論

NEA GaN光電陰極的優(yōu)良性能使得這類陰極具有美好的發(fā)展前景,在微光探測(cè)、紫外探測(cè)、真空電子源等領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用.本文結(jié)合變摻雜陰極的光電發(fā)射機(jī)理,給出了變摻雜GaN光電陰極的內(nèi)建電場(chǎng)公式和量子效率公式,結(jié)果表明在特定條件下變摻雜與均勻摻雜陰極的量子效率公式是一致的.在反射模式下對(duì)一種變摻雜GaN陰極進(jìn)行了激活,討論了激活過(guò)程中光電流曲線的特點(diǎn),原位測(cè)試了激活后的量子效率,結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果討論了變摻雜GaN陰極量子效率的特性,并和傳統(tǒng)的紫外光電陰極進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)變摻雜GaN陰極在較寬的波段內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng)和高探測(cè)靈敏度要求的銳截止特性.由于附加了內(nèi)建電場(chǎng),變摻雜陰極的光電發(fā)射性能大大提高,在陰極材料性能處于極限的情況下采用變摻雜技術(shù),為進(jìn)一步提高陰極量子效率找到了較好的解決方案.

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PACS:79.60.–i,72.80.Ey,73.61.Ey,73.20.AtDOI:10.7498/aps.66.067903

Quantum effi ciency for refl ection-m ode varied dop ing negative-electron-affi n ity GaN photocathode?

Qiao Jian-Liang1)?Xu Yuan2)Gao You-Tang1)Niu Jun1)Chang Ben-Kang2)

1)(School of E lectronic and E lectrical Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China)
2)(School of E lectronic Engineering and Optoelectronic Techniques,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)
(Received 8 O ctober 2016;revised m anuscrip t received 23 Novem ber 2016)

As a new kind of ultraviolet photocathodem aterial,the negative-electron-affi nity(NEA)GaN photocathode needs to further im p rove its photoem ission performance and the stable performance in practical app lications.Under the lim it of GaN photocathodem aterial grow th level,how to further im p rove the quantum effi ciency of cathode is an im portant problem.The varied doping technology can help to solve the prob lem under such circum stances.According to the photoem ission m echanism of varying doping NEA GaN photocathode m aterial,the built-in electric field formulas and the quantum effi ciency formu las for refl ection-m ode varied doping NEA GaN photocathode are given.The prelim inary structure of varied doping NEA GaN photocathode is designed.The varied dopingmaterial sam p le is divided into four layers according to the doping concentration.Using the self-developed experim ental equipm ent,the varied doping GaN photocathode sam p le is activated w ith Cs/O.The activation process and the change characteristics of photocurrent for varied doping NEA GaN photocathode are discussed.At the beginning,the photocurrent is increased steady w ith the introduction of Cs,then the“Cs kill”phenom enon appears in the p resence of excessive Cs.A fter the introduction of O,the photocurrent value starts to rise again.The spectral response of varied doping GaN photocathode is tested in situ after activation,and the quantum effi ciency values ranging from 240 nm to 354 nm are obtained.On the basis of the obtained experim ental resu lts of quantum effi ciency,combining to the typical quantum effi ciency curve from University of California,the characteristics of quantum effi ciency curves are analyzed.The resu lts show that the quantum effi ciency value for refl ection-m ode varied doping NEA GaN photocathode can reach 56%at 240 nm because of the built-in electric field,yet the quantum effi ciency m aximum value for uniform doping GaN photocathode is only 37%at 230 nm.The tested quantum effi ciency maximum value of varied doping NEA GaN photocathode is im proved much m ore than that of the uniform doping GaN photocathode.In a w ider range of the incident light wavelength,the quantum effi ciency of varied doping NEA GaN photocathode is relatively stable,and the excellent properties of varied doping GaN photocathode are confi rmed.The reason why the value of quantum effi ciency decreases w ith the increase of incident light wavelength is given.First,the photon energy decreases w ith the increase of incident light wavelength. Second,the incident light is absorbed from the front surface of cathode for reflection m ode.In addition,the quantum effi ciency curves of varied doping GaN photocathode show obvious sharp cut-off characteristics near the threshold,and the sharp cut-off characteristic is necessary for high detection sensitivity.The p roperty of negative electron affi nity for varied doping GaN cathodematerial after successfu l activation is also proved by the sharp cut-off feature.

GaN,photocathode,varied doping,quantum effi ciency

10.7498/aps.66.067903

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61371058)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:q jlqsy@sohu.com

*Pro ject supported by the National Natural Science Foundation of China(G rant No.61371058).

?Corresponding author.E-m ail:qjlqsy@sohu.com