常本康

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NEA GaN和GaAs光電陰極的比較

常本康

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

GaN光電陰極；GaAs光電陰極；表面結(jié)構(gòu)；光電流；偶極矩

0 引言

目前實用的負(fù)電子親和勢（NEA）光電陰極，在可見光波段利用的是閃鋅礦GaAs材料，研制的GaAs(100)面光電陰極已經(jīng)應(yīng)用在微光像增強(qiáng)器和EBAPS（electron bombarded active pixel sensor,電子轟擊有源像素傳感器）中[1-2]；在紫外波段是纖鋅礦GaN材料，近20年來，為了滿足天文觀測、航空航天和導(dǎo)彈預(yù)警等領(lǐng)域的特殊應(yīng)用，世界各國都在進(jìn)行GaN基紫外探測器的研制，利用的是GaN(1000)或者GaAlN(1000)面[3]。

GaAs光電陰極從發(fā)明到現(xiàn)在，研究了50多年，技術(shù)相對成熟；GaN光電陰極從20世紀(jì)末到現(xiàn)在，雖然在GaN(1000)或者GaAlN(1000)面取得了進(jìn)展，但NEA GaAs和GaN光電陰極的比較研究較少。為了加快GaN基光電陰極的研究進(jìn)度，本文主要比較了GaN和GaAs材料性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)以及激活過程中光電陰極的光電流，供從事GaN基光電陰極研究的同行參考。

1 GaN和GaAs材料的性質(zhì)

纖鋅礦GaN和閃鋅礦GaAs材料的性質(zhì)如表1所示[1,3]，GaN的熔點高于GaAs，如要獲得原子清潔表面，GaN則需要更高的熱清洗溫度。

2 GaN和GaAs的表面結(jié)構(gòu)

圖1給出了GaN (0001)表面原子排列示意圖，其中圖1(a)是俯視圖，圖1(b)是側(cè)視圖，深色圓球表示Ga原子，淺色圓球表示N原子，從俯視圖中可以看到，最表面層Ga原子之間距離為3.189?，對應(yīng)于纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN晶體的晶格常數(shù)，GaN(1000)表面第2層N與最表面Ga層的距離為0.616?[4]。

圖2給出了GaAs(100)重構(gòu)表面原子排列示意圖，深色表示As原子，淺色表示Ga原子，可看出GaAs (100)表面每個As原子均含有兩個懸掛鍵，每個As原子用一個懸掛鍵與相鄰As原子的一個懸掛鍵結(jié)合，使這兩個原子間距減小，形成臺腳位置，同時相鄰的兩對As原子間距增大，形成洞穴位置，如圖2(a)；由于重構(gòu)只是改變表面原子對稱性，所以As原子層與Ga原子層間距不變，表面以下的原子保持原結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示[1]。

根據(jù)圖1，如果用雙偶極子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光電發(fā)射性能[5-6]，在Cs激活過程中，用Mg摻雜的GaN能夠形成GaN(Mg)-Cs偶極子，用Zn摻雜的GaAs能夠形成GaAs(Zn)-Cs偶極子；在Cs、O激活過程中，GaN(1000)表面Cs原子與O原子形成第二偶極矩O-Cs，由于Cs、O原子的高度差很小，第二偶極矩幾乎“平躺”在表面，對功函數(shù)的降低作用不大，最終對光電發(fā)射貢獻(xiàn)不大。

表1 纖鋅礦GaN和閃鋅礦GaAs材料的性質(zhì)

圖1 GaN (1000)理想表面原子排列示意圖

圖2 GaAs (100)富砷重構(gòu)表面原子排列示意圖

根據(jù)圖2，在Cs、O激活過程中，GaAs(100)表面Cs原子與O原子形成第二偶極矩O-Cs，由于存在“臺腳”和“洞穴”位置，使得Cs、O原子的高度差很大，第二偶極矩幾乎“垂直”于表面，降低了表面功函數(shù)，對光電發(fā)射貢獻(xiàn)很大。

3 GaN與GaAs激活過程中光電陰極光電流的對比

Cs、O激活過程中，GaAs和GaN光電陰極光電流的變化曲線如圖3所示[7]，圖3中(a)為GaAs光電陰極的光電流，(b)為GaN光電陰極的光電流。對于GaAs光電陰極，需要多次的Cs、O交替過程才能使光電流達(dá)到最高值，并且相對于單純Cs激活時的光電流值，Cs、O交替后光電流有很大幅度的增長，能達(dá)到單純Cs激活后光電流幾倍甚至上百倍的大小，如此高的增長主要是O-Cs偶極子的偶極矩幾乎“垂直”于表面，降低了表面功函數(shù)，對光電發(fā)射貢獻(xiàn)很大。與GaAs光電陰極不同，在GaN光電陰極激活過程中，Cs、O交替對于提升光電流幅度沒有那么大，相對于單純Cs激活后的光電流值只提高了20%左右，并且Cs、O交替的次數(shù)也不需要太多，光電流就已經(jīng)達(dá)到了最大值，其主要原因是O-Cs偶極矩幾乎“平躺”在表面，對功函數(shù)的降低作用不大，最終對光電發(fā)射貢獻(xiàn)不大。

多次實驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，要想成功激活GaAs光電陰極，多次的Cs、O交替是非常重要的，而對于GaN光電陰極，最主要的是單純進(jìn)Cs階段，Cs、O交替對提升GaN光電陰極的光電流幅度不會太大。結(jié)合[GaAs(Zn)-Cs]: [O-Cs]和[GaN(Mg)-Cs]: [O-Cs]的模型，認(rèn)為對于GaAs光電陰極，在第一個偶極層GaAs(Zn)-Cs形成之后，GaAs表面只是達(dá)到零電子親和勢的狀態(tài)，尚沒有形成負(fù)電子親和勢，所以此時光電流值不會太大，并且GaAs光電陰極的第二個偶極層O-Cs具有明顯的指向性，隨著激活過程中Cs、O在表面慢慢達(dá)到最優(yōu)的排列，GaAs光電陰極達(dá)到負(fù)電子親和勢，光電流也有較大的增長。對于GaN光電陰極，第一個偶極層GaN(Mg)-Cs形成之后，GaN表面就已經(jīng)達(dá)到了負(fù)電子親和勢的狀態(tài)，所以此時光電流值已經(jīng)達(dá)到了一定的大小，GaN的第二個偶極層O-Cs整體沒有明顯的指向性，只是由于GaN表面的缺陷，存在部分有利光電子逸出的O-Cs偶極子，所以在Cs、O交替階段，GaN光電陰極的光電流有增長，但幅度不大。

4 Ga(Mg)0.75Al0.25N(100)、(110)和(1000)表面Cs、O激活后的功函數(shù)預(yù)測

圖3 Cs、O激活過程中GaN和GaAs光電陰極光電流的變化曲線

表2 Ga(Mg)0.75Al0.25N(100)、(110)和（1000）表面Cs、O吸附模型功函數(shù)

5 結(jié)論

經(jīng)過上述對比，可以獲得如下結(jié)論：

1）GaN的熔點高于GaAs，在制備GaN基光電陰極時則需要更高的熱清洗溫度。

2）如果用雙偶極子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光電發(fā)射機(jī)理，GaN(1000)表面Cs原子與O原子形成第二偶極矩O-Cs，幾乎“平躺”在表面，對光電發(fā)射貢獻(xiàn)不大；GaAs(100)表面Cs原子與O原子形成第二偶極矩O-Cs幾乎“垂直”于表面，降低了表面功函數(shù)，對光電發(fā)射貢獻(xiàn)很大。

3）Cs、O激活過程中，對于GaAs光電陰極，Cs、O交替過程形成的光電流與單純Cs激活時的光電流相比，有幾倍甚至上百倍的增長；GaN只提高了20%左右。

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Comparison of NEA GaN and GaAs Photocathodes

CHANG Benkang

(,,210094,)

GaN photocathode，GaAs photocathode，surface structure，photocurrent，dipole moment

TN14

A

1001-8891(2017)12-1073-05

2017-11-17；

2017-12-05.

常本康（1950-），博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方向為微光夜視和多光譜圖像融合技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃（91433108）。