NEA GaN光电阴极的响应特性研究(2)
3.1 .1 NEA GaN激活设备介绍 14
3.2.2 NEA GaN激活设备介绍 15
3.2 NEA GaN光电阴极表面势垒对电子逸出几率的影响 . 18
3.2.1 电子输运到阴极表面时的能量分布 . 18
3.2.2 电子逸出几率的计算 . 19
3.2.3 计算结果 . 21
4. 透射式和反射式工作模式下 NEA GaN的量子效率分析 . 23
4.1 透射式工作模式的光谱响应测试 . 23
4.1.1 透射式工作模式测试结果 . 23
4.1.2 透射式 NEA GaN 光电阴极量子效率推导及分析 . 25
4.2 反射式工作模式的光谱响应测试 . 29
4.2.1 反射式工作模式测试结果 . 29
4.2.2 反射式 NEA GaN 光电阴极量子效率推导及分析 . 30
5．结论 . 33
致谢 34
1 绪论
1.1 NEA GaN光电阴极概述
1.1.1 NEA GaN 阴极光电发射基本原理
光电阴极利用的是外光电效应来达到发射电子的目的。早期的光电材料如银氧铯
光电阴极和多碱光电阴极，都是 Positive Electron Affinity（简称PEA）即正电子亲和
势光电阴极，其真空能级都在导带低之上。
Spicer在1958 年提出光电发射“三步模型”，如图 1.1所示，主要由三步构成：第
一步是光的吸收，在紫外光的照射下，处于价带中的电子通过吸收入射光子的能量而
被激发到导带；第二步是光生载流子的输运，由于光的激发产生的光电子向阴极表面
输运，这个过程中会发生各种弹性和非弹性碰撞；第三步是载流子的发射，输运到阴
极表面的电子隧穿表面势垒，由于 NEA特性的存在，可以比较容易地逸出到真空中。
根据 Spicer 的理论，如果电子亲和势为负值，那么电子将更容易运动到真空中，
称为NEA特性。之后十年内，人们发现，在重掺杂 P 型半导体基底上（如 GaAs）交
替覆盖一定厚度的 Cs、O 层后，可以得到一种拥有 NEA 特性的新型光电发射晶体。
这种材料的光电子逸出几率大大增加，发射效率大幅提高，而且冷电子发射不需要加
热。 1.1.2 NEA GaN 阴极结构与工作模式
波长小于 365nm 的入射光光子在 GaN 阴极中都将被转换成光电子。GaN 光电阴
极由四种材料组成：第一层作为发射表面，是一个由 Cs 或Cs/O 构成的激活层，第二
层是 p 型 GaN 层，也就是可被激活层，是光电阴极光电发射的核心部分，第三层是
缓冲层，一般用较薄的 GaN 或 AIN 构成，最后是蓝宝石构成的较厚的衬底，作为整
个阴极的支撑窗口，透射模式下也是光的入射窗口。
GaN光电阴极有两种工作模式：反射式和透射式。如图 1.2所示。反射式是指入
射光由GaN电子发射一侧入射，入射光的衰减少，但阴极材料对光能量的吸收也少，
光电子主要在近表面产生，受蓝宝石后界面的影响不大。在透射模式下工作的光阴极，
入射光从蓝宝石窗口中入射，同时被蓝宝石衬底和 AlN 缓冲层吸收，然后到达 GaN
激活层。光电子受到蓝宝石后界面影响较大。
在实际应用时， GaN 光电阴极经常工作在透射模式下，蓝宝石衬底作为入射窗
口。入射光通过蓝宝石及 AIN 缓冲层的传输进入 GaN 激活层，在阈值能量(3.4eV)处
被稀吸收一部分，然后在 GaN 层产生光生电子和空穴。光生电子扩散到激活层的前
表面，电子在负电子亲和势下运动至真空。 1.2 GaN光电阴极研究现状
随着 GaN 基半导体薄膜和单晶生长技术的重大技术突破，GaN 材料已经受到世
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