高真空系統氣體成分對GaAs光電陰極穩定性的影響

鄔昊宇，郭 欣，干林于，陳 鵬，徐志鋒，劉 暉，焦崗成，朱宇峰，任雨田

高真空系統氣體成分對GaAs光電陰極穩定性的影響

鄔昊宇1,2，郭 欣1,2，干林于1,2，陳 鵬1,2，徐志鋒1,2，劉 暉1,2，焦崗成1,2，朱宇峰1,2，任雨田1,2

（1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

GaAs光電陰極以其量子效率高、光譜可調等優點廣泛應用于微光夜視領域，尤其以高積分靈敏度的特性區別于多堿光電陰極，而GaAs光電陰極負電子親合勢的特性是通過Cs，O激活實現的，但是激活結束后，負電子親合勢的維持受諸多因素影響，如激活源、激活方式、氣體氛圍等。為了探究超高真空系統中影響GaAs光電陰極穩定性的因素，開展了GaAs光電陰極的激活實驗和穩定性實驗，對激活光電流曲線與腔室氣體成分進行了監測，實驗結果表明，在真空度優于1×10－6Pa的高真空系統中，影響其穩定性的是腔室中的氣體成分，其中對穩定性影響最大的是H2O，真空系統中H2O分壓的增加會導致GaAs光電陰極的Cs，O激活層迅速破壞，光電發射能力急劇下降。

GaAs光電陰極；穩定性；氣體成分；Cs,O激活

0 引言

負電子親合勢（negative electron affinity, NEA）透射式GaAs光電陰極因其高量子效率、快響應、光譜響應可調等優勢，被廣泛應用于微光探測、太陽能電池領域，但是NEA GaAs光電陰極的使用壽命一直未能取得突破性進展，這對其在真空器件中的推廣應用產生了很大的限制[1]。NEA GaAs光電陰極的使用壽命主要表現為其光電發射穩定性，激活穩定性的直接表現是激活結束后，光電流的持續衰減，而導致光電流持續衰減的因素主要有兩個，其一是表面Cs/O的脫附與吸附、第二個就是腔室內的氣體成分[2]。究竟是表面Cs的脫附還是O的吸附，有研究人員通過對光電流大幅衰減后的NEA GaAs光電陰極進行重新Cs化實驗發現，在光電流持續衰減后，進行重新Cs化，光電流很快就可以恢復到一個較高的水平，也就是說此時的激活層表面處于缺Cs狀態[3]。而且腔室內氧氣的含量極低，四極質譜儀檢測發現在激活結束后腔室內氧氣的含量明顯低于H2O、CO、CO2等其他氣體的含量，因此對光電流的衰減起主導作用的應該是Cs的脫附，O吸附的可能性較小，文獻[4]中對真空環境的氣體成分分析結果也表明殘余氧氣含量極低。本文將主要從腔室內氣體成分探究影響GaAs光電陰極激活穩定性的因素。

1 實驗

NEA GaAs光電陰極的制備主要依靠圖1中的設備完成，首先將GaAs光電陰極進行高溫熱清洗，使GaAs光電陰極激活層達到原子級潔凈表面，隨后在光照下，對GaAs光電陰極進行Cs、O激活，構建表面Cs-O激活層，監測光電流變化情況，直到光電流不再增長，則認為此時GaAs光電陰極達到了最佳的負電子親合勢狀態，同時本設備通過四極質譜儀對腔室氣體成分進行監控，可以同時監控激活腔室的氣體成分變化與GaAs光電陰極的光電流變化，直觀反映GaAs光電陰極的激活穩定性。

本文主要進行了GaAs光電陰極的激活實驗與穩定性表征，對激活腔室的氣體分壓變化所帶來的GaAs光電陰極穩定性差異著重開展了對比試驗，以探究腔室氣體成分對GaAs光電陰極穩定性的影響。

2 結果與分析

2.1 Cs、O激活分析

GaAs光電陰極Cs、O激活原理如圖2所示，經過高溫熱清洗后，GaAs光電陰極達到了原子級潔凈表面，Cs、O吸附后，功函數快速下降，電子更加容易逸出，GaAs光電陰極達到了負電子親合勢的狀態，其激活層表面處于良好的Cs、O平衡狀態，其功函數處于最低水平，GaAs光電陰極量子效率達到最高。

如圖3所示為高溫熱清洗后GaAs光電陰極進行Cs、O激活的光電流曲線，本實驗采用Yo-Yo激活法，使用Cs持續O斷續的方式進行Cs、O交替，激活的光電流隨著交替的進行逐漸升高，直到光電流不再增長，激活停止[5]。從圖中可以發現在Cs，O源關閉后，光電流呈現出逐漸衰減的趨勢，在15min內光電流衰減幅度達到了10%，這主要是由表面激活層Cs脫附與腔室中有害氣體成分的吸附所導致的，接下來對腔室氣體成分進行分析，探究影響GaAs光電陰極穩定性的具體氣體成分。

圖1 透射式GaAs光電陰極激活與氣體成分監測裝置

圖2 透射式GaAs光電陰極Cs,O激活機理圖

圖3 GaAs光電陰極Cs,O激活光電流曲線

2.2 腔室氣體成分分析

文獻[4]中作者認為陰極所處環境的真空度對陰極穩定性有很大的影響，低真空環境下陰極穩定性極差，那么影響陰極穩定性的究竟是腔室的真空度還是腔室內的其他氣體成分，我們展開了以下探究。記錄了3次實驗引起的真空度變化，實驗1（向真空腔室充入微量H2真空度由7×10－8Pa下降到4×10－6Pa）；實驗2（向真空腔室充入微量H2、N2真空度由7×10－8Pa下降到9×10－8Pa）；實驗3（向真空腔室充入微量H2、N2、H2O真空度由7×10－8Pa下降到6×10－7Pa）。可以發現，激活腔室真空壓強均有所上升，上升的幅度為實驗1＞實驗3＞實驗2。除真空度外，我們對激活室的氣體成分進行了監測，其中主要選取了激活腔室中常見的幾種氣體成分（H2、H2O、N2、O2、CO2、Ga、As）進行了監測，如圖4為四極質譜儀監測真空腔室氣體分壓曲線與結束激活的光電陰極光電流變化曲線，我們可以發現N2、H2O、O2、CO2、Ga、As分壓均無明顯變化時，H2的分壓上升未引起光電流曲線發生明顯變化；H2O、O2、CO2、Ga、As分壓均無明顯變化時，H2、N2的分壓上升未引起光電流曲線發生明顯變化；而O2、CO2、Ga、As分壓均無明顯變化時，H2、N2、H2O的分壓上升直接導致了光電流曲線快速衰減。下文將聯系真空度與氣體成分對GaAs光電陰極的穩定性進行進一步分析。

2.3 激活穩定性分析

我們將激活完畢的GaAs光電陰極置于激活腔室中，并持續監測其光電流變化。對不同氣體分壓提升后GaAs光電陰極的光電流變化進行了對比，如圖5所示。在2.2節我們得到了真空壓強上升的幅度為實驗1（H2分壓提升）＞實驗3（H2、N2分壓提升）＞實驗2（H2、N2、H2O分壓提升），參照表1三組實驗分別由上而下對應圖5中3條曲線，可以發現GaAs光電陰極的穩定性最佳的是實驗1，其次是實驗2，最差的是實驗3，這與真空壓強變化幅度無法對應，按照傳統的觀點認為真空度越差，GaAs光電陰極穩定性越差，但是實驗1真空壓強由10－8數量級下降到10－6數量級，而實驗3真空壓強僅下降到10－7數量級，但實驗1中GaAs光電陰極顯著優于實驗3。由此可以得出結論，在真空度優于1×10－6Pa量級的條件下，真空系統中氣體成分是影響光電陰極激活穩定性的直接原因[6]。

圖5 光電流曲線穩定性對比

通過2.2節得到的腔室氣體成分變化，我們發現在H2、N2分壓提升時對GaAs光電陰極的穩定性未產生明顯影響，而H2、N2、H2O的分壓提升后，圖4(c)插圖中可以看到，H2O分壓達到4×10－12Pa，對GaAs光電陰極的穩定性產生了極大的損傷，其光電流在幾分鐘內衰減幅度達到了80%，對比二者氣體成分的變化我們發現H2O是影響GaAs光電陰極的穩定性的主要原因。由于H2O的吸附導致激活層表面Cs、O平衡狀態被迅速打破，功函數上升，GaAs光電陰極的光電發射效率急劇下降。因此去除真空系統中H2O的含量可以有效提升GaAs光電陰極的穩定性，主要途徑可以通過高溫烘烤與鈦升華泵，高溫烘烤主要使用200℃以上的高溫對真空腔室進行烘烤以促進真空系統中H2O的排出，而鈦升華泵依靠鈦膜對真空系統的H2O進行掩埋，兩者均可達到降低高真空系統H2O分壓的效果，以提升GaAs光電陰極的穩定性[7]。

3 結論

本文通過對Cs,O激活后的NEA GaAs光電陰極進行持續的光電流監測，同時對腔室真空度與氣體成分監測，發現在真空壓強優于1×10－6Pa時，氣體成分對GaAs光電陰極穩定性產生了影響。其中H2、N2對GaAs光電陰極穩定性無明顯負面效果，而H2O對GaAs光電陰極穩定性起到了顯著的破壞作用，這是由于H2O的吸附導致激活層表面Cs、O平衡狀態被打破，功函數上升所導致的，因此去除真空系統中H2O的含量可以有效提升GaAs光電陰極的穩定性，主要途徑可以通過高溫烘烤與鈦升華泵。

[1] Belghachi A, Helmaoui A, Cheknane A. High efficiency all‐GaAs solar cell[J]., 2010, 18(2): 79-82.

[2] Mitsuno K, Masuzawa T, Hatanaka Y, et al. Activation process of GaAs NEA photocathode and its spectral sensitivity[C]//3, 2016: 163-166.

[3] LIU L, DIAO Y, XIA S. Impact of gas adsorption on the stability and electronic properties of negative electron affinity GaAs nanowire photocathodes[J]., 2020, 572: 297-305.

[4] Wada T, Nitta T, Nomura T, et al. Influence of exposure to CO, CO2and H2O on the stability of GaAs photocathodes[J]., 1990, 29(10R): 2087.

[5] ZOU J, CHANG B, YANG Z, et al. Evolution of surface potential barrier for negative-electron-affinity GaAs photocathodes[J]., 2009, 105(1): 013714.

[6] DIAO Y, LIU L, XIA S. Theoretical analysis and modeling of photoemission ability and photoelectric conversion characteristics of GaAs nanowire cathodes based on photon-enhanced thermionic emission[J]., 2019, 194: 510-518.

[7] Chanlek N, Herbert J D, Jones R M, et al. The degradation of quantum efficiency in negative electron affinity GaAs photocathodes under gas exposure[J].:, 2014, 47(5): 055110.

Influence of Chamber Gas Composition on the Stability of GaAs Photocathode

WU Haoyu1,2，GUO Xin1,2，GAN Linyu1,2，CHEN Peng1,2，XU Zhifeng1,2，LIU Hui1,2，JIAO Gangcheng1,2，ZHU Yufeng1,2，REN Yutian1,2

(1.,710065,; 2.,650223,)

GaAs photocathodes are widely used in low-light night vision owing to their high quantum efficiency and adjustable spectra. In particular, they are distinguished from multi-alkali photocathodes based on their high integration sensitivity. The negative electron affinity of GaAs photocathodes is determined through Cs, and O activation is achieved. However, after activation, the maintenance of negative electron affinity is affected by many factors, such as the activation source, activation method, and gas atmosphere. To explore the factors that affect the stability of GaAs photocathodes in ultra-high vacuum systems, an activation and stability experiment was performed with a GaAs photocathode. The activation photocurrent curve and gas composition in a chamber were monitored. The experimental results show that in a high-vacuum system with vacuum degree less than 1×10-6Pa, the stability of the GaAs photocathode was not directly affected by the degree of vacuum but by the gas composition in the chamber. Among these, H2O had the greatest impact on stability. The increase in the H2O partial pressure in the vacuum system rapidly destroyed the Cs and O activation layers of the GaAs photocathode and dramatically reduced the photoemission.

GaAs photocathode, stability, gas composition, Cs,O activation

TN233

A

1001-8891(2022)08-0824-04

2021-11-03；

2021-12-02.

鄔昊宇（1996-），男，山西忻州人，碩士，主要從事三代微光像增強器總裝集成方面的研究工作。E-mail: 17636471316@163.com。