NEA GaN和GaAs光电阴极的比较

常本康



NEA GaN和GaAs光电阴极的比较

常本康

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

GaN光电阴极；GaAs光电阴极；表面结构；光电流；偶极矩

0 引言

目前实用的负电子亲和势（NEA）光电阴极，在可见光波段利用的是闪锌矿GaAs材料，研制的GaAs(100)面光电阴极已经应用在微光像增强器和EBAPS（electron bombarded active pixel sensor,电子轰击有源像素传感器）中[1-2]；在紫外波段是纤锌矿GaN材料，近20年来，为了满足天文观测、航空航天和导弹预警等领域的特殊应用，世界各国都在进行GaN基紫外探测器的研制，利用的是GaN(1000)或者GaAlN(1000)面[3]。

GaAs光电阴极从发明到现在，研究了50多年，技术相对成熟；GaN光电阴极从20世纪末到现在，虽然在GaN(1000)或者GaAlN(1000)面取得了进展，但NEA GaAs和GaN光电阴极的比较研究较少。为了加快GaN基光电阴极的研究进度，本文主要比较了GaN和GaAs材料性质、表面结构以及激活过程中光电阴极的光电流，供从事GaN基光电阴极研究的同行参考。

1 GaN和GaAs材料的性质

纤锌矿GaN和闪锌矿GaAs材料的性质如表1所示[1,3]，GaN的熔点高于GaAs，如要获得原子清洁表面，GaN则需要更高的热清洗温度。

2 GaN和GaAs的表面结构

图1给出了GaN (0001)表面原子排列示意图，其中图1(a)是俯视图，图1(b)是侧视图，深色圆球表示Ga原子，浅色圆球表示N原子，从俯视图中可以看到，最表面层Ga原子之间距离为3.189Å，对应于纤锌矿结构GaN晶体的晶格常数，GaN(1000)表面第2层N与最表面Ga层的距离为0.616Å[4]。

图2给出了GaAs(100)重构表面原子排列示意图，深色表示As原子，浅色表示Ga原子，可看出GaAs (100)表面每个As原子均含有两个悬挂键，每个As原子用一个悬挂键与相邻As原子的一个悬挂键结合，使这两个原子间距减小，形成台脚位置，同时相邻的两对As原子间距增大，形成洞穴位置，如图2(a)；由于重构只是改变表面原子对称性，所以As原子层与Ga原子层间距不变，表面以下的原子保持原结构，如图2(b)所示[1]。

根据图1，如果用双偶极子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光电发射性能[5-6]，在Cs激活过程中，用Mg掺杂的GaN能够形成GaN(Mg)-Cs偶极子，用Zn掺杂的GaAs能够形成GaAs(Zn)-Cs偶极子；在Cs、O激活过程中，GaN(1000)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs，由于Cs、O原子的高度差很小，第二偶极矩几乎“平躺”在表面，对功函数的降低作用不大，最终对光电发射贡献不大。

表1 纤锌矿GaN和闪锌矿GaAs材料的性质

图1 GaN (1000)理想表面原子排列示意图

图2 GaAs (100)富砷重构表面原子排列示意图

根据图2，在Cs、O激活过程中，GaAs(100)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs，由于存在“台脚”和“洞穴”位置，使得Cs、O原子的高度差很大，第二偶极矩几乎“垂直”于表面，降低了表面功函数，对光电发射贡献很大。

3 GaN与GaAs激活过程中光电阴极光电流的对比

Cs、O激活过程中，GaAs和GaN光电阴极光电流的变化曲线如图3所示[7]，图3中(a)为GaAs光电阴极的光电流，(b)为GaN光电阴极的光电流。对于GaAs光电阴极，需要多次的Cs、O交替过程才能使光电流达到最高值，并且相对于单纯Cs激活时的光电流值，Cs、O交替后光电流有很大幅度的增长，能达到单纯Cs激活后光电流几倍甚至上百倍的大小，如此高的增长主要是O-Cs偶极子的偶极矩几乎“垂直”于表面，降低了表面功函数，对光电发射贡献很大。与GaAs光电阴极不同，在GaN光电阴极激活过程中，Cs、O交替对于提升光电流幅度没有那么大，相对于单纯Cs激活后的光电流值只提高了20%左右，并且Cs、O交替的次数也不需要太多，光电流就已经达到了最大值，其主要原因是O-Cs偶极矩几乎“平躺”在表面，对功函数的降低作用不大，最终对光电发射贡献不大。

多次实验总结发现，要想成功激活GaAs光电阴极，多次的Cs、O交替是非常重要的，而对于GaN光电阴极，最主要的是单纯进Cs阶段，Cs、O交替对提升GaN光电阴极的光电流幅度不会太大。结合[GaAs(Zn)-Cs]: [O-Cs]和[GaN(Mg)-Cs]: [O-Cs]的模型，认为对于GaAs光电阴极，在第一个偶极层GaAs(Zn)-Cs形成之后，GaAs表面只是达到零电子亲和势的状态，尚没有形成负电子亲和势，所以此时光电流值不会太大，并且GaAs光电阴极的第二个偶极层O-Cs具有明显的指向性，随着激活过程中Cs、O在表面慢慢达到最优的排列，GaAs光电阴极达到负电子亲和势，光电流也有较大的增长。对于GaN光电阴极，第一个偶极层GaN(Mg)-Cs形成之后，GaN表面就已经达到了负电子亲和势的状态，所以此时光电流值已经达到了一定的大小，GaN的第二个偶极层O-Cs整体没有明显的指向性，只是由于GaN表面的缺陷，存在部分有利光电子逸出的O-Cs偶极子，所以在Cs、O交替阶段，GaN光电阴极的光电流有增长，但幅度不大。

4 Ga(Mg)0.75Al0.25N(100)、(110)和(1000)表面Cs、O激活后的功函数预测

图3 Cs、O激活过程中GaN和GaAs光电阴极光电流的变化曲线

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

5 结论

经过上述对比，可以获得如下结论：

1）GaN的熔点高于GaAs，在制备GaN基光电阴极时则需要更高的热清洗温度。

2）如果用双偶极子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光电发射机理，GaN(1000)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs，几乎“平躺”在表面，对光电发射贡献不大；GaAs(100)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs几乎“垂直”于表面，降低了表面功函数，对光电发射贡献很大。

3）Cs、O激活过程中，对于GaAs光电阴极，Cs、O交替过程形成的光电流与单纯Cs激活时的光电流相比，有几倍甚至上百倍的增长；GaN只提高了20%左右。

[1] 常本康. GaAs基光电阴极[M]. 北京: 科学出版社, 2017.

CHANG Benkang.[M]. Beijing: Science Press, 2017.

[2] Aebi V W, Costello K A, Aruni P W, et al. EBAPS: next generation, low power, digital night vision[C]//2005, Paris: 2005.

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[6] LIU Wenli, WANG Hui, CHANG Benkang, et al. A study of the NEA photocathode activation technique on [GaAs(Zn):Cs]: O-Cs model [C]//, 2006, 6352: 63523A.

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[9] 杨明珠. Ga1－AlN光电阴极的光电性质与铯氧激活机理研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2016.

YANG Mingzhu. Study on the photoelectric properties of Ga1－AlN photocathodes and the mechanism of activation of cesium and oxygen[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2016.

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，博导，主要研究方向为微光夜视和多光谱图像融合技术。

国家自然科学基金重大研究计划（91433108）。