光和電注入變帶隙AlGaAs/GaAs 負電子親和勢陣列陰極理論建模和結構特性分析*

鄧文娟 周甜 王壯飛 吳粵川 彭新村 鄒繼軍

1) (東華理工大學,核技術應用教育部工程研究中心,南昌 330013)

2) (東華理工大學,江西省新能源工藝及裝備工程技術中心,南昌 330013)

為了使具備光和電注入AlGaAs/GaAs 負電子親和勢(NEA)陣列陰極獲得較高的發射電流效率,基于變帶隙發射陣列中電子輸運的二維連續性方程,利用有限體積法進行數值求解和仿真,得到發射電流和發射電流效率.通過仿真得到既適合光注入又合適電注入的各層最佳參數范圍.結果表明,選擇占空比為2/3 的陣列微納米柱,獲得光注入陰極的最佳入射光角度范圍為10°—30°;光注入(電注入)情況下P 型變帶隙AlGaAs 層陣列微納米柱高度范圍為0.3—0.6 μm (0.1—0.3 μm),N 型變帶隙AlGaAs 層、N 型AlGaAs 層以及P 型AlGaAs 層最佳厚度范圍分別為0.5—2.5 μm (2—3 μm),0.5—1.0 μm (0.8—1.2 μm)和0.2—0.5 μm (0.1—0.3 μm);P 型AlGaAs 層和N 型AlGaAs 層最佳摻雜濃度范圍分別為5×1018—1×1019 cm—3 (1×1018—5×1018 cm—3)和1×1018—5×1018 cm—3 (5×1017—1×1018 cm—3).光注入下發射電流效率最大為35.04%,單位長度最大發射電流為10.3 nA/μm;電注入下發射電流效率最大為31.23%,單位長度最大發射電流105.5 μA/μm.

1 引言

AlGaAs/GaAs 負電子親和勢(NEA)光電陰極因其高發射電流效率、小體積以及良好的長波響應等優點,被用于新一代電子束曝光機、電子加速器和X 射線類儀器等一些高端設備儀器中產生低能散、高自旋極化度以及高亮度的高質量電子束[1-4].國內外學者在GaAs 自旋極化電子發射[5,6]、NEA光電陰極的雙偶極子表面模型和穩定性機理[7-9]、表面電荷限制效應[10]、GaAs 光電陰極制備工藝、穩定性和微光像增強器研制等方面開展了大量研究工作[11,12].且對于GaAs 光電陰極及電子源材料的理論研究及結構優化設計,使GaAs 電子源的性能得以提高,擴展了陰極電子源的應用.本課題組前期研究表明,線性變組分結構AlGaAs/GaAs 陰極因其帶隙變化形成的內建電場[13]使得電子的角度分布更加集中并且響應速度更快,從而提高了陰極發射電流效率及靈敏度[14,15];而陣列陰極微納米柱則因具有更好的光子捕獲效應增大了入射光子的吸收[16],以及更短的光電子發射距離提高了光電子發射概率,從而有效地提高了光電陰極的發射電流效率[17,18].此外,傳統光電陰極電子源都采用驅動激光器照射陰極表面形成電子發射,此類光陰極隨使用時間性能逐漸衰減[19].為了使陰極具有較高的平均功率電流,本課題組提出了電注入陰極結構,并對電注入陰極各層厚度、Al 組分、摻雜濃度、基極電極寬度和發射面寬度進行了分析[20].

本文結合線性變組分AlGaAs/GaAs 陣列光電陰極以及電注入陰極的特點,提出一種新型可控變帶隙AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極,既可以通過給AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極施加正偏驅動電壓來形成電子發射,也可以使用激光驅動器照射陣列陰極形成電子發射,通過調節入射光波長強度和電壓的大小靈活的控制電子發射電流.將光注入和電注入兩種注入方式結合,可根據特定條件需要選擇不同注入方式擴展陰極的使用范圍.建立光和電注入可控變帶隙AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極理論模型,并分析各層結構參數對陰極發射電流效率的影響,獲得最佳光和電注入可控變帶隙AlGaAs/GaAs NEA 陣列陰極結構.由于在光注入和電注入兩種不同的注入方式下到達陰極陣列發射面的電子電流數量級相差較大,本文結構設計分別選擇使用電注入或光注入方式形成電子發射.

2 理論模型

光和電注入陣列陰極結構如圖1 所示,由N 型GaAs 襯底、AlGaAs/GaAs 外延層和電極組成.AlGaAs/GaAs 外延層依次包括N-GaAs 過渡層,N 型變帶隙AlGaAs 層,N 型AlGaAs 層,P 型AlGaAs 層,P 型變帶隙AlGaAs 層和P-GaAs 層.陣列陰極電極包括集電極、基極電極和發射極電極.

圖1 光和電注入陣列陰極結構Fig.1.Optical and electrical injection array cathode structure.

光和電注入陣列陰極光電發射過程和能帶結構如圖2 所示,其中Eg為禁帶寬度,EF為費米能級,hν為光子能量.光注入時,入射光以一定角度照射到陣列陰極表面,在hν＞Eg條件下,P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層價帶中的電子吸收光子的能量躍遷到導帶,在P 型變帶隙AlGaAs 層中Al 組分由XAl(P 型AlGaAs 層上表面)線性減小到0 (P-GaAs 層下表面),導帶能帶向下彎曲,會形成有利于電子輸運的內建電場[21],在內建電場的作用下,躍遷到導帶中的電子經過定向漂移向陰極表面輸運.由于陰極表面電子親合勢為負到達表面的電子會隧穿表面勢壘躍遷到真空或被集電極收集.

圖2 光和電注入NEA 陣列陰極光電發射過程和能帶結構圖Fig.2.Photoelectric emission process and band structure diagram of the light and electrical injection NEA array cathode.

電注入時在基極和發射極之間施加正偏驅動電壓(VB)形成電子發射.在N 型變帶隙AlGaAs層中,Al 組分由0 (N-GaAs 過渡層上表面)線性增加到YAl(N 型AlGaAs 層下表面),此時N 型變帶隙AlGaAs 層中的費米能級EF靠近導帶底,由于在熱平衡后具有恒定的費米能級,導帶保持恒定,因此N 型變帶隙AlGaAs 層的價帶會逐漸向下彎曲,禁帶寬度隨之變大.N 型AlGaAs 層的Al 組分(YAl)均勻分布,價帶能級保持恒定.在P 型AlGaAs層中費米能級靠近價帶頂,N 型AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層之間的能帶發生突變形成PN 突變異質結,因為結構中設置的P 型AlGaAs 層的Al組分(XAl)小于N 型AlGaAs 層的Al 組分(YAl),所以PN 突變異質結中導帶的內建電勢小于價帶的內建電勢(ΨC＜ΨV).在P 型變帶隙AlGaAs 層中,導帶能帶向下彎曲,形成有利于電子輸運內建電場.基極電極和發射極電極之間施加正偏驅動電壓使PN 異質結導通,N 型變帶隙AlGaAs 層和N 型AlGaAs 層中的多數載流子注入到P 型AlGaAs層和P 型變帶隙AlGaAs 層.

陣列陰極的頂面作為發射面,基極電極與P 型AlGaAs 層形成歐姆接觸,電注入發射的電子由發射極電極、N 型AlGaAs 層和N 型變帶隙AlGaAs層提供,AlGaAs/GaAs 陣列陰極泊松方程和連續性方程過于復雜沒有解析解,本文使用有限體積法數值求解,分為光注入和電注入兩種情況.

光注入時建立AlGaAs/GaAs 陣列陰極發射模型,求解二維陣列泊松方程和連續性方程:

其中ε表示介電常數;ψ為靜態電勢;p和n為空穴和電子濃度;q為電子電荷,Nd和Na為施主和受主濃度;kB為玻爾茲曼常數;T為絕對溫度,μp和μn為空穴和電子遷移率;U表示載流子復合速率;G為載流子產生速率.

在模型中,經過漂移和擴散到達陣列陰極發射面的電子會隧穿表面勢壘發射到真空或者與空穴復合,單根陣列微納米柱的邊界條件表示為

陣列微納米柱半徑為y(最小半徑為0,最大半徑為b),高度為x(最小高度為0,最大高度為a).

基極電極與陣列陰極之間為歐姆接觸,不會影響材料中平衡載流子濃度,其邊界條件為

式中,n(x,y),p(x,y),En(x,y),Ep(x,y),Dn(x)和Dp(x)分別表示電子和空穴的濃度、導帶和價帶中電場、電子和空穴的擴散系數.

發射電流效率是光電陰極材料的重要的參數,其大小與光電陰極材料和入射光波長有關,

其中I,h,c,P和λ分別表示光陰極發射電流、普朗克常量、光速、入射光光功率和入射光波長.入射光的光功率P與入射光角度有關,P=Po×cosθ,θ表示為入射光的入射角度,Po表示激光功率.

由于到達發射面的電子會以一定概率逸出陣列陰極發射面,所以發射到真空中的電子電流會受到表面逸出概率的影響,假定陣列陰極表面逸出概率為Pc,受到光子能量的影響,定義電子從發射極輸運到陣列陰極發射面的電子電流為Ic,從發射面發射出去的電子電流為IE,有

定義IE與入射光產生的源光電流Is的比值表示為單根AlGaAs/GaAs 陣列微納米柱的光注入發射電流效率α:

電注入時半導體漂移和擴散模型可以由二維連續性方程表示:

En(x,y),Ep(x,y),Dn(x),Dp(x),n(x,y),p(x,y),μn(x),μp(x)和U(x,y)分別表示導帶和價帶中電場、電子和空穴擴散系數、電子和空穴濃度、電子和空穴遷移率、載流子復合速率.

求解二維連續性方程獲得載流子分布,沿空間電荷區的邊界載流子濃度邊界條件為

n(x,y),p(x,y),ni,Na,v(y)和vT分別表示為電子和空穴濃度、本征載流子濃度、P 型層受主摻雜濃度、施加在空間電荷區上的電壓和熱電勢.注入方式的改變不會影響邊界條件,所以光注入和電注入時在基極電極與陣列陰極之間以及在陣列陰極發射面上都具有相同的邊界條件.

光注入和電注入時電子逸出概率均為Pc,與光注入不同的是,定義從發射面發射出去的電子電流IE與流過發射極電流Ie比值表示單根AlGaAs/GaAs 陣列納米柱的電注入發射電流效率η:

3 仿真分析

利用仿真結果理論分析器件結構、注入方式、入射光波長、入射光角度和驅動電壓對陰極發射性能的影響,為變帶隙NEA 陣列陰極結構和材料參數的優化設計提供理論依據.陣列陰極各層結構參數: P 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度(Na)和厚度(Tcp)、P 型AlGaAs 層摻雜濃度(Na)和厚度(Tp)、N 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度(Nd)和厚度(Tcn)以及N 型AlGaAs 層摻雜濃度(Nd)和厚度(Tn).如圖1 所示,設定相鄰兩根微納米柱組成一個運算單元,一個單元的總寬度為6 μm,其中陣列微納米柱占空比為2/3,基極電極寬度為0.4 μm,發射極電極寬度為6 μm,XAl和YAl分別固定為0.25 和0.45,Pc設定為0.5.

3.1 入射光波長和入射光角度

仿真中,平行光照射至陣列陰極表面,定義入射光從陣列陰極頂部垂直照射到微納米柱的角度為90°.入射光波長及入射光角度對陣列陰極發射電流效率的影響如圖3 所示.圖3(a)為發射電流效率隨入射光波長變化曲線,隨著波長增加,其在材料中吸收系數減小,因而發射電流效率降低;圖3(b)為發射電流效率隨入射光角度變化曲線,隨著入射角度的增加發射電流效率先增加后減小,當角度為15°時,發射電流效率達到最大.陣列陰極占空比一定,不同的入射角度對應不同的光通量,入射光的入射角度越小,光通量越小,被陣列微納米柱吸收的光子能量越少.但是隨著角度的繼續增加,被P 型AlGaAs 層吸收的光子數增加,而P 型AlGaAs 層光電子運輸到陣列表面時復合率增加,因而此時陣列陰極的發射電流效率減小.

圖3 (a) 發射電流效率α 隨入射光波長變化曲線;(b) 發射電流效率α 隨入射光角度變化曲線,其中陣列陰極Na,Nd,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.3.(a) Emission current efficiency α versus incident wavelength;(b) emission current efficiency αversus incident light angle,where Na,Nd,Tcp,Tp,Tn and Tcn of the array cathode are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm and 1.0 μm,respectively.

3.2 電注入正偏驅動電壓變化

正偏驅動電壓對陣列陰極發射電流及發射電流效率的影響如圖4 所示.當VB＜1.6 V 時,PN突變異質結未導通,此時陣列陰極發射面的發射電流幾乎為零,電壓的壓降都分布在突變PN 異質結上.1.6 V＜VB＜2.1 V,突變PN 異質結導通,此時導帶的勢壘高度為0,導帶中的電子不需要克服勢壘就能注入到P 型AlGaAs 層中,發射電流迅速增大.此時,P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs層中的電子通過擴散和漂移運動到達P 型變帶隙AlGaAs 層表面或被基極電極收集,因此發射電流效率隨電壓的增大迅速增大.電壓為2.1 V 時發射電流效率最大為31.23%.當電壓繼續增大時,因為有部分微小的壓降分布在P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層中形成以基極電極為中心的發散型電場增強,導致一些原本向發射面移動的電子向基極電極處漂移,從而使發射電流效率減小.

圖4 電注入陣列陰極發射電流和發射電流效率隨電壓變化曲線.其中陣列陰極Na,Nd,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.1 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.4.The cathodic emission current and emission current efficiency of the electrically implanted array vary with voltage.The array cathode Na,Nd,Tcp,Tp,Tn and Tcn are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.1 μm,0.1 μm,0.3 μm,1.0 μm,respectively.

3.3 P 型層厚度

P 型變帶隙AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層厚度對陣列陰極發射電流效率的影響如圖5 所示.光注入時,如圖5(a)所示,陣列陰極發射電流效率隨著P 型變帶隙AlGaAs 層(陣列微納米柱)高度增加先增加后減小,當占空比和入射光角度保持不變,隨著陣列微納米柱高度的增加,發射電流效率增加是因為P 型變帶隙AlGaAs 層對光子的吸收增加,陣列捕獲更多的光子.然而,隨著微納米柱高度繼續增加,相鄰陣列之間出現阻擋現象,使得到達P 型AlGaAs 層的光子減少,材料對光子的吸收僅存在于陣列陰極頂端,并且微納米柱高度增加會使材料內部產生的內建電場減小不利于電子的輸運,光電子輸運距離增加也增大了電子與空穴的復合概率,更少的光電子到達陰極發射面降低發射電流效率.根據圖5(a)獲得P 型變帶隙AlGaAs層較好厚度0.2 μm,圖5(b)在此基礎上,改變了P 型AlGaAs 層厚度,結果表明,隨P 型AlGaAs層厚度增加發射電流效率先增加后減小.這是因為部分未被P 型變帶隙AlGaAs 層吸收的光子會在這一層中被吸收,隨著厚度繼續增加材料對光子的吸收不再增加,與此相反增加了電子的輸運距離,從而降低發射電流效率.因為AlGaAs 材料高Al組分在短波區域中有更高的吸收系數,P 型AlGaAs層和P 型變帶隙AlGaAs 層厚度的變化會對短波響應的影響更大.

電注入時,如圖5(c)和圖5(d)所示,陣列陰極發射電流效率會隨P 型變帶隙AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層厚度增加而減小.電子由發射極電極、N 型變帶隙AlGaAs 層以及N 型AlGaAs 層提供,在正偏驅動電壓的作用下注入到P 型AlGaAs 層并擴散至P 型變帶隙AlGaAs 層,在P 型變帶隙AlGaAs 層內建電場作用下到達發射面.P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層厚度的增加導致輸運距離增加,P 型變帶隙AlGaAs 層厚度的增加導致內建電場減小,不利于電子的輸運.

圖5 (a) 光注入時P 型變帶隙AlGaAs 層厚度變化(a)和P 型AlGaAs 層厚度變化(b)對陣列陰極發射電流效率α 的影響;電注入時P 型變帶隙AlGaAs 層厚度變化(c)和P 型AlGaAs 層厚度變化(d)對陣列陰極發射電流效率的影響.其中光注入入射光角度為20°.(a)和(c)中Tp=0.1 μm,(b)和(d)中Tcp=0.2 μm,(a),(b),(c),(d)中陣列陰極Na,Nd,Tn 和Tcn 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.3 μm 和1.0 μmFig.5.(a) The effect of the thickness change of P-band gap AlGaAs layer on the emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) the effect of thickness variation of P-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(c) the effect of p-gap AlGaAs layer thickness variation on emission current efficiency of array cathode during electric injection;(d) the effect of thickness variation of P-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection.The light injection angle is 20°.Tp is 0.1 μm in Figure (a) and Figure (c),Tcp is 0.2 μm in Figure (b) and Figure (d),and array cathode Na,Nd,Tn and Tcn are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.3 μm and 1.0 μm in Figure (a),(b),(c) and (d),respectively.

3.4 N 型層厚度

光注入和電注入時N 型AlGaAs 層和N 型變帶隙AlGaAs 層厚度對陣列陰極發射電流效率的影響如圖6 所示.仿真結果可知N 型變帶隙AlGaAs層和N-AlGaAs 層厚度的變化對光注入(圖6(a),(b))無影響,電注入N-AlGaAs層和N 型變帶隙AlGaAs 層(圖6(c),(d))厚度增加陣列陰極發射電流效率先增加后趨于穩定.在N 型AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層之間形成PN 突變異質結,因為N 型AlGaAs 層中的Al 組分高于P 型AlGaAs層中的Al 組分,所以異質結中導帶的內建電勢ΨC小于價帶的內建電勢ΨV.光注入時VB=0,此時導帶中的電子不能克服導帶中的勢壘高度(q(ΨC-VB)＞0)注入到P 型AlGaAs 層,所以N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層厚度的變化不會影響陣列陰極的發射電流效率;電注入時,導帶中的電子克服勢壘高度注入到P 型AlGaAs層,N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層厚度的增加會使其內部電子數量增加,注入到P 型AlGaAs層電子數量增加,發射電流效率隨之提高,但是當厚度繼續增加,注入到P 型AlGaAs 層中的電子達到飽和狀態,發射電流效率趨于穩定.

圖6 光注入時N 型AlGaAs 層厚度的變化對陣列陰極發射電流效率(a)和陣列陰極發射電流效率(b)的影響;電注入時N 型AlGaAs 層厚度的變化對陣列陰極發射電流效率(c)和陣列陰極發射電流效率(d)的影響.其中光注入入射光角度為20°,(a)和(c)中Tcn =1 μm,(b)和(d)中Tcp =0.3 μm,(a),(b),(c)和(d)中陣列陰極Na,Nd,Tcp 和Tp 分別為5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm和0.1 μmFig.6.(a) The effect of thickness variation of N-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) effect of the thickness of N-type variable band gap AlGaAs layer on the emission current efficiency of array cathode during optical injection;(c) the effect of thickness variation of N-type AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection;(d) the effect of the thickness of N-type variable band gap AlGaAs layer on the emission current efficiency of array cathode during electric injection.The light injection angle is 20°,Tcn is 1 μm in Figure (a) and Figure (c),Tcp is 0.3 μm in Figure (b) and Figure (d),and array cathode Na,Nd,Tcp and Tp are 5×1018 cm—3,1×1018 cm—3,0.2 μm and 0.1 μm in Figure (a),(b),(c) and (d),respectively.

3.5 P 型層摻雜濃度

P 型層摻雜濃度對陣列陰極發射電流效率的影響如圖7 所示.光注入時,如圖7(a)所示,摻雜濃度增大陣列陰極發射電流效率先增大后保持穩定,當照射在陣列陰極上的入射光強度和光通量等保持恒定的情況下,摻雜濃度直接影響材料的載流子濃度,隨著P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs層中摻雜濃度的增加,更多價帶中的電子吸收光子的能量進入導帶.由于電子擴散運動的強弱與材料的擴散系數成正比,摻雜濃度增加,P 型變帶隙AlGaAs 層和P 型AlGaAs 層的擴散系數減小,到達發射面的電子數量隨之減少,雖然高的摻雜濃度會使得更多的電子躍遷,但電子的擴散系數也受到了高摻雜濃度的制約,因此隨著摻雜濃度繼續增加,陣列陰極發射電流效率受兩種因素共同影響而保持穩定.電注入時,如圖7(b)所示,隨著摻雜濃度增加,陣列陰極發射電流效率減小.電子在P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層中進行漂移和擴散運動,摻雜濃度增加導致這兩層的擴散系數減小,到達發射面的電子數量會隨之減少進而使得發射電流效率減小.增大正偏驅動電壓,電子注入量隨之增大,但是在P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層中形成以基極電極為中心的發散型電場增強,更多電子被基極電極收集,從而使得施加高的正偏驅動電壓得到的發射電流效率隨摻雜濃度的增加而減小得更加緩慢.

圖7 (a) 光注 入時P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度Na 變化 對陣列陰極發射 電流 效率的影響;(b) 電注 入時P 型AlGaAs 層和P 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度Na 的變化對陣列陰極發射電流效率的影響.其中光注入入射光角度為20°,陣列陰極Nd,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為 1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.7.(a) The effect of doping concentration Na of P-type AlGaAs layer and P-type bandgap AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) the effect of doping concentration Na of P-type AlGaAs layer and P-type bandgap AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection.Incidence angle of optical injection is 20°,and the array cathode Nd,Tcp,Tp,Tn and Tcn are 1×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm and 1.0 μm,respectively.

3.6 N 型層摻雜濃度

N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層摻雜濃度(Nd)對陣列陰極發射電流效率的影響如圖8所示.光注入時,如圖8(a)所示,這兩層摻雜濃度的變化對發射電流效率無影響,由3.4 節可得出,在未給基極電極和發射極電極之間施加正偏驅動電壓的情況下,PN 突變異質結未導通,所以這兩層中摻雜濃度的改變不會使電子進入P 型AlGaAs層,N 型AlGaAs 層和N 型變帶隙AlGaAs 層摻雜濃度不會影響光注入發射電流效率;電注入時,如圖8(b)所示,這兩層摻雜濃度增加會使得陰極材料的發射電流效率增加,這是因為隨著摻雜濃度的增加,這兩層中的電子濃度增加,進而使得注入到P 型AlGaAs 層中的電子數量增加,從而提高發射電流效率.

圖8 (a) 光注入時N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層摻雜濃度Nd 變化對陣列陰極發射電流效率的影響;(b) 電注入時N 型變帶隙AlGaAs 層和N-AlGaAs 層摻雜濃度Nd 的變化對陣列陰極發射電流效率的影響.光注入入射光角度為20°,陣列陰極Na,Tcp,Tp,Tn 和Tcn 分別為 5×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm 和1.0 μmFig.8.(a) Effect of doping concentration Nd variation of N-type bandgap AlGaAs layer and N-AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during optical injection;(b) the effect of doping concentration Nd of N-type variable band gap AlGaAs layer and N-AlGaAs layer on emission current efficiency of array cathode during electric injection.Incidence angle of optical injection is 20°,and the array cathode Na,Tcp,Tp,Tn and Tcn are 5×1018 cm—3,0.2 μm,0.1 μm,0.3 μm and 1.0 μm,respectively.

4 結論

光注入和電注入NEA 陣列陰極發射理論基于陰極工作機理、變帶隙發射陣列光子吸收、能帶結構和電子輸運特性研究的基礎上,建立電子在變帶隙發射陣列中輸運的二維連續性方程,再利用有限體積法對電子發射性能進行數值求解和仿真;利用仿真結果理論分析器件結構、注入方式、入射光波長、入射光角度、發射陣列尺寸和驅動電壓等對陣列陰極發射性能的影響,為變帶隙NEA 陣列陰極結構與材料參數的優化設計提供理論依據.本文通過使用控制變量法研究各參數對陣列陰極量子效率的影響,但是參數變化可能會造成多個因素之間相互影響,所以在實際應用中需要綜合考慮.保持陣列陰極占空比為2/3,基于仿真結果得出在光注入最佳入射角度的基礎上,獲得光注入和電注入兩種不同注入方式下各層厚度和摻雜濃度最佳范圍.電注入陰極不需要昂貴和復雜的驅動激光系統,可有效地避免由于高功率激光照射陰極損壞表面活化層,也不存在強激光照射表面光散射產生的離子反轟.光注入控制方式簡單,結合光注入、電注入,實現可根據需要選擇光注入或者電注入,這種融合了多種先進技術優勢的陣列陰極研究,對于豐富陣列陰極發射理論,拓展其應用領域具有重要意義.