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目 录

1. 绪论 1

1.1 光电阴极及其发展 1

1.2 GaN光电阴极的研究现状 1

1.2.1 国外GaN光电阴极研究现状 2

1.2.2 国内GaN光电阴极研究现状 2

1.3 GaN光电阴极在各个领域中的用途 2

1.4本文的研究意义与主要工作 3

2. GaN光电阴极的发射理论 3

2.1 引言 4

2.2 GaN光电阴极量子效率公式的推导 4

2.2.1 Spicer光电发射三步模型 4

2.2.2 NEA GaN光电阴极量子效率的推导 5

2.3 反射式GaN光电阴极结构的设计 8

2.3.1 不同p型掺杂 8

2.3.2 梯度掺杂 8

2.4 透射式GaN光电阴极结构的设计 9

3. 利用Matlab软件编写量子效率公式 11

3.1 编写程序 11

3.2 讨论各参数对GaN光电阴极量子效率的影响 14

3.2.1 电子表面逸出几率P 14

3.2.2 电子扩散长度L_D 15

3.2.3 GaN发射层厚度T_e 16

3.2.4 AlN缓冲层厚度T_W 18

3.2.5 后界面复合速率S_v 19

4. 对透射式和反射式的GaN光电阴极量子效率的拟合 21

4.1 对不同p型均匀掺杂浓度的反射式量子效率的拟合 21

4.2 对梯度掺杂的反射式量子效率拟合图 22

4.3 对透射式GaN光电阴极的量子效率的拟合 22

5. 总结 23

参考文献 24

致谢 25

NEA GaN光电阴极量子效率的研究

丁鹏飞

, China

Abstract: In recent years, the development of GaN photocathodes is very rapid, and they are widely used in civilian, military, marine and other fields. The research on the performance of GaN is very important. In this paper, a series of GaN photocathodes are discussed and studied. According to the quantum efficiency formula of the reflection-mode and transmission-mode GaN photocathodes, the influence of performance parameters on the quantum efficiency of the cathodes is discussed, and the experimental curves are fitted.

Firstly, the theory of GaN photocathodes emission is introduced.

Secondly, the structural design of GaN photocathode is studied.

Thirdly, according to the predecessors' theory, the Matlab quantum efficiency formula are wrote

Fourthly, the influence of each parameter on the quantum efficiency of photocathodes are discussed.

Finally, the experimental curves are fitted.

Keywords: GaN photocathodes; quantum efficiency; reflection-mode; transmission-mode; fitting

1. 绪论

1.1光电阴极及其发展

阴极，是电子原件中能发射出电子的一级。阴极发射电子的方法有以下几种：1.热电子发射：通过物理加热的方法加热阴极后产生电子逸出；2.光电子发射：光照后电子吸收光子能量后逸出；3次级电子发射：能量电子轰击物体后电子获得能量逸出。

外光电效应是金属类元件或者导体类元件受到光辐射后，如果入射光子能量很充足的话，金属元件或者半导体元件内部电子吸收能量然后逸出的现象。通过光电子发射原理产生光电效应的阴极叫做光电阴极[^[1]]。德国物理学家Hertz在1887年发现了光电效应，后来Einstein对光电效应做出了解释并发表论文提出电子逸出与光强无关，与入射光能量有关。Koller和Campbell发现于1929年发现Ag – O – Cs（银–氧–铯）光电阴极，从而使对它的研究进入了新的阶段。Spicer于1958提出的“三步模型”[^[2]]。“三步模型”包含三个步骤：光的吸收、光电子在光电阴极中的传输、光电子逸出到真空。根据理论，要是器件表面的真空能级低于体内的导带底能级，会导致器件的有效电子亲和势将会降低到0以下，从而形成负电子亲和势（Negative Electron Affinity, NEA）光电阴极[^[3]]。由入射光照射到器件表面而引起的光电子只要能从穿过器件到达表面，就能够很轻松地发射到真空，不用依靠额外的能量去穿过器件表面的势垒，这样光电子的逸出长度和效率将会增长很多，发射效率将会随之增大。之后Scheer和Vanlaar于1965年得到新型光电阴极[^[4]]。1968年，Turnbull和Evans获得了量子效率更高的NEA GaAs光电阴极[^[5]]。

NEA GaAs光电阴极的发明把光电阴极的研究水平推向了一个新的层面，NEA GaAs光电阴极的光电发射性能较好，量子效率比之前的半导体器件高，发射电子能量也高，促使后来NEA 光电阴极迅速高效的发展。后来出现了InP、GaN等NEA半导体光电阴极。

21世纪初世界各地多所大学和公司开始从事开展NEA GaN光电阴的研究。GaN材料具有天然的物理和化学方面的优点，如禁带比较宽、耐腐蚀、抗辐射、介电常数低等。NEA GaN光电阴极的具有暗电流小、发射电子能量散布密集等天然优势，性能可以达到微弱紫外探测的要求，十分具备发展潜力。

1.2 GaN光电阴极的研究现状

由于GaN的物理化学性质比较稳定，禁带宽度可以达到3.4eV，而且还具有暗电流小、量子效率高等特点，是典型“日盲”型器件，是可以有效地探测紫外光的光电阴极[^[6]]。而紫外探测技术在军事、民用以及航海航天等领域非常适用而且有待提高。在军事上，导弹制作及预警，通讯，生物化学分析等；在航天上，宇宙探索，太阳紫外线探测等；民用方面，生物化学医药分析，臭氧环境探测，海洋探测以及公安安检等。紫外探测最重要的部分原件就是紫外光电阴极，所以NEA GaN光电阴极成为了紫外探测以及紫外光电阴极研究的热点进和重点。

1.2.1 国外GaN光电阴极研究现状

国外NEA GaN光电阴极研究速度发展迅速，由于在GaN生长技术以及其他方面取得重要成就，解决了获得高质量、高性能GaN原材料难的问题，大大促进了GaN光电阴极的发展。美国各大高等教育院校和公司以及日本的高高等教育院校和公司于20世纪初开始对GaN光电阴极的科研投资投入大量的人力物力。在美国斯坦福大学的试验中，Machuca等人通过Cs激活以及Cs/O激活获得NEA GaN光电阴极的量子效率公式[^[7]]。伯利克里大学以及美国西北大学也通过一系列研究得到了各个波长处的量子效率公式。2002年，美国财政投资达到5500万美元，飞利浦等国际公司也开启了研究计划，GaN光电市场正在急剧的增长。

1.2.2 国内GaN光电阴极研究现状

1970年，在紫外光电阴极需求的日益增大情况下，国内中电科技集团等机构和南京理工大学，重庆大学等高校开始研究GaN光电阴极[^[8]]。国内光电阴极发展速度较快，但与美国日本等国家的研究结果进行比对，在灵敏度和稳定性等方面，性能有待提高。中国电子科技集团采用化学气相沉积法获得GaN材料以及Cs激活和O激活的方式得到NEA 表面并获得量子效率曲线[^[9]]。重庆大学在除了在外延层的光学参数进行了测量，获得了重要的光学参数外还在通过测得的光学光谱数据计算出GaN材料的表面反射系数和表面吸收系数。南京理工大学的常本康等人对GaN光电阴极进行了制取和评估后，开展改造工作，而且还在GaN表面的发射性能方面进行了研究和讨论。

1.3 GaN光电阴极在各个领域中的用途

GaN光电阴极广泛应用于火焰监测、真空探测、紫外激光雷达、平面印刷、紫外通讯、臭氧检测等紫外探测领域。因为需要探测的紫外光非常弱，所以对紫外探测器的性能提出了更高要求[^[10]]。紫外探测器的种类可以分为有光导效应固体探测器件和以紫外光电阴极为核心的真空探测器。光导效应固体探测器件含有很多缺点，如暗电流范围高、响应速度慢等;相比于光导效应固体探测器件，以紫外光电阴极为核心的真空探测器具有噪声低、暗电流小、响应速率快等优点，所以在以紫外探测为核心的领域普遍适用，研究意义更大。

图1.1 紫外火光探测器 图1.2 紫外臭氧监测器

紫外光电阴极作为紫外探测器的核心，紫外光电阴极的性能的好坏决定了紫外探测器的整体性能的好坏。紫外光电阴极有以CsI、CsTe、GaN等材料为主要器件原料的光电阴极，但CsI、CsTe等较早被发明的紫外光电阴极具有噪声大、物理性质不稳定等缺点，相比于CsI、GaAs等传统的光电阴极，GaN光电阴极物理化学性质很稳定，禁带宽度可以达到3.4eV，而且还含有暗电流小、量子效率高等特点，所以GaN光电阴极在紫外探测等方面有着更好的发展前景。

由于GaN光电阴极具有化学性质稳定、适应极端温度强、禁带宽、抗辐射等优点，而且量子效率比较高、发射电子能量密集，以GaN光电阴极为核心的紫外探测器与电子倍增器结合构成的紫外光电倍增管等真空器件重量轻、紫外探测能力强、性能优良、响应速度快、体积小，并且可以探测几十公里外的紫外辐射，在导弹制作及预警、紫外通讯、臭氧检测、海洋探测、航天探测等领域有着广泛的应用。

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