美胸衣
第27卷第2期
2007年6月
OPTOEIECTRONICTECHNOLOGY
V o1.27No.2
Jun.2007
城市规划模型摘
绍和分析
与输入光
负电子亲和势氮化镓光电阴极
李慧蕊，申屠军，戴丽英，马建一
烫金膜
(中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京,210016)
要：负电子亲和势GaN光电阴极在紫外探测技术领域具有诱人的应用前景.本文在介
负电子亲和势GaN光电阴极的特点，工作原理及其能带结构的基础上，设计了GaN外
结构和阴极制作工艺.指出负电子亲和势GaN光电阴极制备的关键在于材料的生长,
窗的融焊，衬底的减薄及彻底的去气处理和超高真空状态下的铯，氧激活.
关键词：超高真空；激活；负电子亲和势;GaN光电阴极；紫外敏感；光电探测
中图分类号:0462.3文献标识码:A文章编号:1005—488X(2OO7)O2—0073—05 GaNBasedNegativeElectronAffinityPhotocathode
LIHui—rui,SHEN—Tujun,DAIIA—ying,MAJian—yi
(The55thResearchInstituteofChinaElectronicTechnologyGroup
Corporation,Nanjing,210016,CHN)
Abstract:GaNbasednegativeelectronaffinity(NEA)photocathodesshowextensiveprospe ctinul—
travioletsignaldetection.WedescribeheretheprincipleofGaNbasednegativeelectronaffini typhoto—
cathodeandanalyzeitsenergybandstructure.ConstructionofGaNmaterialandtechniquefor photo—
cathodeprocessingarethendesigned.ItisalsoshownthatthekeypointsforGaNbasedNEAp hoto—
cathodeprocessingarematerialgrowth,vacuumprocessingandCs(O)activation. Keywords:ultrahighvacuum;activation;negativeelectronaffinity;GaNphotocathode;ultr avio—
letsensitive;photodetection
引言
近年来随着电子对抗技术的发展，紫外探测器
在机载，舰载，地面装备以及预警机和空间紫外通
讯等领域都有广阔的应用前景.例如，完全由我国
白行研制的紫外日盲像增强管作为探测器的紫外
预警系统已开始投入装备，而且与红外探测技术相
比，紫外系统还具有抗干扰能力强，虚警率低等明
显优势.传统的光发射型紫外探测器在技术上已经
比较成熟，但和基于负电子亲和势GaN阴极的电
子发射型紫外探测器相比，存在探测灵敏度不够
高,151盲效果不理想，光电转换效率低等缺点.因
此，对与其用于同一系统的其余部件(如滤光片系
收稿151期:2007—03—30
作者简介：李慧蕊(1954一)，女，研究员级高级工程师.长期从事真空光电器件的研究开发和技术管理.
申屠军(1972一)，男，高级工程师.主要从事真空光电器件的研究开发.(E—mail:*************)
戴丽英(1963一)，女，高级工程师.长期从事真空光电器件的研究开发.
74光电子技术第27卷
统)就提出了较高的要求，甚至在某些恶劣条件下
限制了它的应用范围.同时，由于紫外光在大气中
传输时衰减很快，探测系统中通常采用的紫外光电
管，紫外微通道板光电倍增管，日盲像增强管这类
光发射型器件，虽然已具有噪声低，增益高，时间特
性好等特点，并在大气中能探测到很微弱，且速度
达皮秒量级的紫外光信号，但由于现代战争对紫外
预警系统性能提升的要求愈来愈迫切，因此紫外真
空探测领域面临的技术进步的压力也愈来愈大.作
为紫外探测的升级技术，国外20世纪90年代中期
就已开始研究负电子亲和势GaN光电阴极技术.
它与碲铯，碲铷等传统的光电阴极相比，具有更好
的日盲特性和更高的量子效率，而且灵敏度也更
高I】].伴随着负电子亲和势氮化镓(GaN)阴极研究
的深入和最终的成功以及与其相应的探测器的开
发问世，各类探测系统必能得到更广泛的应用，从
而为各类紫外火焰监测以及燃烧控制，导弹尾焰识
别，太阳紫外线辐射测量，紫外准分子激光能量测
试，紫外分析仪器，臭氧检测仪，环境监控等应用系
统提供更可靠的探测器件.
1负电子亲和势GaN阴极
1.1负电子亲和势GaN阴极的特点
负电子亲和势(NegativeElectronAffnia简称
NEA)GaN阴极技术，在国外也属前瞻性技术.它
对制作设备的真空度以及表面净化要求非常苛刻;
而且GaN材料又无法制备成单晶，需要在异质衬
裹尸袋底如蓝宝石上外延生长；此外还应该由一个重P
型掺镁的发射层和高铝含量的滤光层及几个周期的超晶格组成；另外对发射层的厚度及电子的扩散长度都有一定的要求.所有这些因素造成了负电子亲和势GaN阴极制作难度的增加，当然随着国内外研究工作的深入，这些技术取得最终突破不是没有可能.在理论上，负电子亲和势(NEA)阴极的灵
敏度可达到传统阴极的几倍以上.
迄今为止，具有负电子亲和势特征的典型材料
主要为Ⅲ一V族化合物半导体材料，如:GaAs(砷化镓),GaN(氮化镓)及其多元化合物A1GaAs(铝镓砷),InGaN(铟镓氮)等.作为对紫外光敏感的日盲
阴极材料,GaN及其相关的Ⅲ一V族氮化物材料, 包括：二元的InN,GaN,AlN，三元的InGaN,Al—GaN和四元的InGaA1N等都是近几年发展迅速, 极具潜力的Ⅲ一V化合物半导体材料.GaN的禁带宽度为3.4eV，根据光电阴极光谱响应范围阈值
波长的计算公式:
≈(1)
式中：为阈值波长,E为带隙能.
可知:GaN光电阴极光谱响应的阈值波长为
365nm，因此只对紫外光有响应；另外通过调整外
延材料的组份比或掺铝含量，带隙能可以从1.9～6.2eV之间连续可调，与此对应其阈值波长也有
一
个变化范围；如果是多元合金的外延材料，通过
Cs与0的交替处理，探测光谱可覆盖200～650 nm(即紫外到可见光一个相对较宽的光谱范围); 选择特定的外延结构和能带范围，可使阈值波长降
至290nm，达到完全日盲的效果，还可省去现在常
用的滤光片，且适用于太阳盲区的光谱探测；利用
超高真空技术，实现GaN外延层原子级表面的洁净，铯氧处理，能使紫外光电转换的效率更高.此外GaN紫外真空探测器在苛刻的物理，化学环境中
的高稳定性，如：抗腐蚀，耐温度冲击的能力强等,
使得它在近年来备受关注.从目前国内外对GaN
紫外探测器的研究现状来看，主要有两个发展方向，一个是基于负电子亲和势(NEA)阴极的探测
器件；另一个是源于光伏或光导效应的GaN固体
器件.真空器件具有响应速度快，噪声低，增益高,
可探测的光下限更低等优点I2]，而固体器件则具有体积小，功耗低，结构简单，易实现批量生产等特
点.正是由于这两种器件适合于不同的场合且各有优势，就如同真空成象器件与固体CCD，微波大功
率真空管与固体功率器件相互推动，共同发展那样，美欧等国都在同步开展这方面的研究，而不是纳豆菌种
简单的予以替代.国内除中国电子科技集团公司第五十五研究所已开展多年的光发射型紫外器件的
研制，还有多家单位相继开展固体GaN器件的研
制不能不说是受此趋势激励的缘故.
1.2负电子亲和势GaN光电阴极的工作原理
理想的半导体材料，如图1所示能带结构是平直的，但实际上由于半导体材料晶格排列的周期性在表面遭到了破坏，而且其表面极易氧化或被杂质污染, 所以会在禁带中引入附加的表面能级，引起半导体材料表面处的能带弯曲.如图2所示的P型半导体，其
高效除雾器第2期李慧蕊等：负电子亲和势氮化镓光电阴极75
