文 献 综 述
- 引言
GaAs NEA光电阴极由于具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量和角度分布集中等众多优点,从一发明开始就成为人们研究的热点。多年来,人们在光电阴极制备工艺、表面模型、光电发射理论和阴极稳定性等方面开展了广泛的研究,取得了大量成果,但也存在有待进一步探索的一些领域，为了更好探究GaAs的性质以及在各种情况下的不同表现，将进行对不同温度对GaAs光电阴极激活性能的影响研究。
本文旨在对GaAs光电阴极的光电发射理论和制备工艺进行简述，以及对GaAs光电阴极进行Cs/O激活实验研究，进而为未来研究激活过程中、衰减过程中不同温度对GaAs光电阴极激活过程、光谱响应和稳定性的影响奠定理论基础，从而探究温度对高GaAs光电阴极激活性能的影响规律。
- GaAs光电阴极制备工艺及表面净化处理
（1）阴极发射层材料的外延生长
由于光电阴极是一种主要利用体内效应进行光电发射的阴极,阴极发射层材料的质量对于电子在阴极体内的输运及逸出起了至关重要的作用。为了获得尽量高的阴极量子效率,阴极发射层材料应当是一种尽可能完美无缺的单晶,晶体的位错密度要小,掺杂要适中,电子扩散长度要长,表面要平滑而均匀。
受制于当时的技术水平,最早采用的是单晶基片材料,但由于单晶基片本身质量的原因无法获得很好的阴极发射层材料。后来,随着技术的进步,人们成功的将多种外延生长方法应用于阴极发射层材料的生长中。早期生长光电阴极的发射层,多采用汽相外延(VPE),和液相外延（LPE）,或汽相和液相的混合外延法（hybrid）。近年来,常采用金属有机化合物汽相淀积法（MOCVD或MOVPE）,因为它可以用来进行大面积、均匀、超薄、多层的半导体生长,是当前研制和生产光电阴极最成功的外延生长方法。MOVCD法最早用于GaAs光电阴极外延层的生长是在1976年,法国的LEP实验室曾用这种方法制备积分灵敏度达1500透射式光电阴极,目前美国ITT公司利用这种方法制备的透射式GaAs光电阴极,积分灵敏度平均可达1800,最高3200[4]。分子束外延(MBE)方法是当前研究的一个热点，尽管目前MBE外延的GaAs光电阴极的制备工艺还没有完全成熟,其制备工艺和表面特性与MOCVD外延的GaAs有很大差别,有待进一步研究,但是由于MBE能够生长原子级平滑的突变界面和材料表面,外延厚度和掺杂浓度精确可控,可进行变掺杂和复杂结构阴极材料的生长,是一种极其具有发展潜力的外延方法。只是由于MBE外延成本较高,无法大批量生产,目前主要生长实验室研究所用的材料。通过不断优化外延工艺来提高阴极材料的电子扩散长度,改善阴极表面特性以及消除后界面的影响将是外延工艺今后发展的方向。
（2）材料表面的净化处理
阴极材料在装入超高真空激活室之前,一般均要暴露于大气中,它们将不可避免地受不同程度的C、O等杂质的沾污,因此其表面存在碳化物和自然氧化物,如果不去除,将会严重影响阴极的激活。早期NEA净化阴极材料是通过在超高真空中解理晶体的办法,但真空解理法设备复杂,且不利于制造实用光电阴极,后来逐渐被其它净化方法所替代。
通常采用的阴极材料净化处理一般分两步进行一刀,先进行化学清洗,后送入真空系统中再进行一次净化处理。化学清洗的主要作用是脱脂,去除表面氧化物和消除机械抛光给样品表面造成的缺陷,以及除去样品表面的O、S、CL等沾污物。但化学清洗并不能保证材料达到原子级清洁表面,而且在装样品到真空系统时还要暴露一次大气,因此在真空系统中的净化处理是必不可少的[4]。
在真空系统中的GaAs表面净化处理方法主要有氢离子轰击法、氢原子净化法和加热法。氢离子轰击法是早期采用的净化方法,它的缺点是会使过多的族元素离开阴极表面,引起表面层的结构变化,并使表面粗糙不平。虽然有人提出轰击后再进行退火处理刀,但效果仍不理想。氢原子净化技术是近年发展起来的一种新方法,是一种无需对阴极进行化学清洗的低温清洗法,能在400℃下完成GaAs表面彻底净化,可以有效去除阴极表面的C、O等沾污物,留下光滑平整的表面,但目前这种方法激活出的阴极灵敏度并不是很高。加热法是最常用的方法,也是研究得最多的方法,用它处理过的阴极可以得到很高的阴极灵敏度,但它同样会造成表面粗糙,电子发射角增大以及电子自旋极化率下降,同时过高的加热温度也会使As大量蒸发,致使不能形成As稳定表面,从而降低光电阴极的量子效率。另外,也曾有人进行过这样的实验,将MBE外延生长的阴极材料不暴露大气而直接传递到激活系统中,由于这时阴极表面是原子级洁净的,在没有进行加热处理的情况下直接激活,发现激活效果远不如加热处理后的阴极。说明真空中的加热退火处理,除了有净化的作用外,还有优化阴极材料性能的作用,这是为什么到目前为止获得高灵敏度的阴极都还是通过加热处理后得到的。但过高的加热温度会对阴极表面造成破坏,甚至导致Ga/As比失调,因而如何设计最佳的加热净化工艺仍有待深入探索。
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