[發明專利]一種指數摻雜反射式GaAs光電陰極及其制備方法

無效

• 申請號: 201310211048.2
• 申請日: 2013-05-29
• 公開（公告）號: CN103295855A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 張益軍;常本康;趙靜;陳鑫龍;錢蕓生;任玲;徐源;郝廣輝;金睦淳;魚曉華
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01J1/34
• 分類號: H01J1/34;H01J9/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明涉及微光夜視探測材料技術領域，具體涉及一種基于半導體材料外延技術、半導體材料摻雜技術和超高真空表面激活技術相結合的近紅外響應增強的指數摻雜反射式GaAs光電陰極。

背景技術

GaAs光電陰極是一種基于外光電效應的光電發射材料，通過在p型GaAs材料表面覆蓋銫、氧等低逸出功材料，降低材料表面真空能級，從而獲得有效負電子親和勢（NEA），提高陰極的量子效率。GaAs光電陰極在可見光和近紅外波段具有量子效率高、暗發射小、長波閾可調、長波響應擴展潛力大等優點，因此很快在高性能微光夜視技術領域中得到了最為廣泛的應用，在現代戰爭中，特別是在夜戰中發揮著重要的作用。除了作為微光像增強器中的重要組成部件，GaAs光電陰極也是一種性能優良的真空電子源，其具有發射電子自旋極化率高、發射電流密度大、發射電子能量與角度分布集中等優點，在電子束平面曝光、線性加速器、第四代光源等高能物理領域也有著重要的應用。

近年來，由于國產GaAs光電陰極在電子擴散長度、后界面復合速率、表面逸出幾率等陰極性能參量方面都要落后于國外GaAs光電陰極水平，如美國ITT公司生產的GaAs光電陰極的電子擴散長度在3～7μm，后界面復合速率可忽略，表面逸出幾率超過0.5，而國內陰極材料的電子擴散長度一般在2μm以下，后界面復合速率則比國外陰極大5～6個數量級，表面逸出幾率要低于0.5，因此國產GaAs光電陰極在積分靈敏度、長波響應、峰值響應等方面都要落后于美國ITT公司生產的GaAs光電陰極。由于制備GaAs光電陰極涉及超高真空技術、表面物理技術、外延生長技術等眾多關鍵技術，國外在微光夜視領域對我國施行技術封鎖和產品禁運，因此，為了提高國產光電陰極材料的性能，項目組在國內現有外延技術水平較低的情況下，通過對GaAs發射層采用指數摻雜結構增大陰極的電子擴散長度和表面逸出幾率，從而提高陰極靈敏度和量子效率。陰極發射層的摻雜濃度按照如下常規指數形式進行變化：

N(x)＝N₀exp(-Ax)???（1）

式中x是指發射層內某點離后界面處的距離，A是指數摻雜系數，N₀是初始摻雜濃度，即后界面處的摻雜濃度，N(x)是x處的摻雜濃度，后界面指的是GaAs/GaAs界面，或者GaAlAs/GaAs界面。

若陰極發射層中從體內到表面的摻雜濃度按照式（1）所示的常規指數形式分布，發射層內會形成一個由高摻到低摻，即體內到表面的不斷向下線性傾斜的能帶彎曲，這樣的能帶彎曲對應一個恒定的內建電場：

E(x)=-k0TAq---(2)]]>

式中k₀為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度，q為電子的電荷量。在此恒定的內建電場作用下，陰極體內的光電子以擴散加定向漂移的方式向陰極表面輸運，從而提高發射效率。前期的實驗結果表明，相對均勻摻雜結構而言，采用常規的內建電場恒定型指數摻雜結構能夠有效地提高GaAs光電陰極的長波響應和積分靈敏度。但是對于不同工作模式的光電陰極而言，由于入射光在陰極體內吸收位置的不同，各個波段光在陰極體內吸收產生的光電子位置也不同。對于反射式陰極而言，光照射在陰極的正面，長波段的光主要在體內吸收產生低能電子，而短波段的光在近表面吸收，產生的高能電子容易逸出到真空，具有恒定內建電場的指數摻雜結構是否是最佳的變摻雜結構還有待進一步驗證。因此，針對入射光吸收長度和光電子能量的不同，有必要探索其它內建電場類型的指數摻雜結構，從而進一步提高陰極的近紅外響應和積分靈敏度。

發明內容