NEA GaN光电阴极的光谱响应(2)
1.1.2 NEA光电阴极的发现
利用外光电效应，可将光信号转化为电信号，由此原理制成的光电发射器件便有着广泛的应用，其中光电阴极又是光电发射器件中最重要的组成部分，在探测技术中有着重要应用。从二十世纪三十年代到吹冰十年代开始，人们陆续发现了6种重要的光电阴极，即：银一氧一铯光电阴极(Ag一O一Cs，S一1，1930)，铯一锑光电阴极(Cs3Sb，S一11，1936)，铋一银一氧一铯光电阴极(Bi一Ag一O一Cs，S一10，1938)，钠一钾一锑光电阴极(Na2KSb，1955)，钠一钾一锑一铯光电阴极(Na2Ksb[Cs]，S一20，1955)和钾一铯一锑光电阴极(K2CsSb，1963)。[2-5]
最早发明的银氧铯(Ag一O一Cs)光电阴极，量子效率较低，通常低于1%，但在当时因其具有对近红外的光谱响应而受到重视。锑铯单碱光电阴极最短的响应波长达到105nm，在可见光波段也有不错的量子效率，并且因为它结构简单，制造容易，之前人们已经对它做了很多的研究。其他的一些多碱光电阴极，如钠钾锑光电阴极、钾钠锑铯光电阴极和钾铯锑光电阴极等在实用光电阴极中也占有很重要的地位。
根据Spicer的光电发射“三步模型”，光电发射的电子来源为体内的热电子。光子将能量传递给电子后，使电子从价带激发到导带成为自由电子。电子继续向材料表面运动，到达材料表面的能带弯曲区域后由如还有足够能量就能穿过势垒逸出到真空。当时进一步预测：如果阴极体内的导带底能级能高于材料表面的真空能级，使阴极的表面势为负，那么从阴极体内传输到表面的光生载流子就很容易穿过界面的势垒，可以很轻易地进入真空。1965年J.J.Scheer和J.Vanlaar通过在重掺杂的p型GaAs基底上覆盖一层Cs，得到了零电子亲和势的GaAs光电阴极[6]，后来A.A.Tumbull和GB.Evans发现用Cs和O交替的方法进行激活处理，可以使GaAs阴极表面的有效电子亲和势小于0[7]，制备的光电阴极也达到了更高的量子效率。他们的实验有力的证明了Spice的理论，负电子亲和势光电阴极(Negative Electron Affinity Photocathode，即NEA光电阴极)开始成为了人们的研究热点。最开始使用的NEA光电阴极的材料为GaAs，近年来，人们又发现了GaN材料，它相比起GaAs有禁带宽、性质稳定等一系列优点，逐渐受到人们的关注。
1.1.3 NEAGaN光电阴极的提出
GaN材料是第三代半导体的代表，在微电子、光电子领域有着重要的作用。GaN材料是一种宽禁带直接带隙半导体，具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能。GaN在常温下的禁带宽度为3.4eV，并且可通过掺入Al等调节禁带宽度的大小。GaN材料具有很多优良的特性，如禁带较宽、介电常数低、高温下结构稳定、化学性质稳定等。GaN半导体器件在紫外光电探测、电子束平版印刷以及光显示、光存储、光照明等领域有着极为广阔的应用前景。
近年来紫外探测技术在光电探测技术领域越发变得重要，众多探测领域对紫外探测都有迫切的需求。由于被探测紫外线大都很微弱，而又容易受到太阳光发出的紫外线干扰，因此对紫外探测器的灵敏度和截止波长提出了很高的要求。紫外光电阴极在紫外探测器件中起着关键作用，决定着器件的整体性能。传统的CsI、CsTe等材料量子效率较低，截止波长也不能灵活地满足人们的需要，制成的器件性能已经收到材料本身的制约。要想进一步提高探测器件的量子效率，弥补响应波段的不足，必须从阴极的材料本身上寻找突破，于是人们开始研究GaN这一新兴半导体材料。由图1.1可见，GaN紫外光电阴极的量子效率曲线比起其他的有着明显的优点，它的量子效率较高，在截止波段响应衰减迅速，能有效避免其他波段信号的干扰，因此由GaN制成的光电阴极有着优良的性能。