7ISW30型光栅单色仪测的GaN基光电阴极紫外光谱响应测试软件的研制(2)
这里主要介绍下GaN光电阴极的发展和应用。光电发射材料是基于外光电效应能将光信号转化为电信号的光电功能晶体，最典型的光电发射材料是光电阴极。早期的材料都是正电子亲和势（PEA）光电阴极，这类材料因为表面真空能级高于材料体内导带底能级，光电子必须克服电子亲和势才能逸出，因而导致量子效率不是很高。20世纪60年代，人们发现了负电子亲和势（NEA）光电阴极[7]：表面真空能级低于体内导带底能级，光电子不需要克服表面电子亲和势，因而新材料具有较高的量子效率。两种材料的能带图[7]对比如下图1.1所示。
（a）PEA光电阴极 （b）NEA光电阴极
图1.1 PEA和NEA光电阴极能带对比图
基于NEA光电阴极具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量集中、响应波长范围可调等优点，引起各国的重视，经过近半个世纪的发展，NEA光电阴极已经在红外、紫外、微光探测等领域得到了广泛的应用[14]，在紫外通信、激光探潜、微弱光与单光子探测、微光红外夜视、生物化学分析、空间探测、微电子学等学科领域的发展和国家安全等领域有着巨大的战略需要。基于NEA GaN材料最大的特点就是紫外光照射下产生电子发射，因而可以实现紫外波段微弱光谱信号的高性能探测，近些年有研究指出NEA GaN紫外光电阴极最高量子效率已经超过50%以上。
从上面NEA GaN的一系列优点自然能知道，其应用之广泛。例如：光电阴极结合电子倍增器件（如电子倍增极、微通道板）可构成像增强器或者真空光电倍增管，是紫外探测微弱光信号及快速脉冲弱光的一种重要的探测器件[15]，是目前能够得到的最灵敏的辐射能检测器。如图1.2所示。
1.2像增强器
真空光电倍增管在光谱测量检测、微光检测、光子计数、单光子探测、射线探测中应用广泛。近几年，光电倍增管因为具有在皮秒时间分辨率下探测单个光子的能力，在生命科学、食品安全卫士检测、环保检测中都有广泛的应用；在刑事案件侦查之中，用于非透射性的光滑表面观察罪犯留下的汗液指纹信息。还可以用来辨别货币、证件、票据等的真假。
随着新技术革命的崛起，发展军民两用技术已经成为世界各国考虑的重大问题。紫外探测器正是在这种趋势下应运而生，且正在逐渐成为武器装备中颇受关注的热点。其军事方面的应用主要有以下几个方面：紫外制导、紫外预警、紫外干扰、紫外通讯。
由于地球大气层对太阳光的散射作用，波长为200~280nm的中紫外波段光是无法到达地面的，也就是我们说的日盲区，利用该波段进行紫外探测具有低窃听率，高抗干扰性、全天候工作、优良的空中散射传播特性，可飞跃人造或自然障碍物而实现超视距通信等独特优势，在通信领域也有着广泛的应用。图1.3即是紫外探测器在臭氧监测、海上油监和天文观察等领域的应用实例。
1.3 紫外探测器在真空领域的应用
1.2 本文的研究背景及意义
由于NEA GaN材料的独特优点，近几年来国内外都非常重视NEA GaN光电阴极的研究，世界各国科学家已经研制出了多种结构的GaN基紫外探测器。世界各国政府有关机构、相关企业也纷纷加大了对GaN基半导体材料及其器件的研发投入和支持。
国外：美国斯坦福大学近年来在GaN NEA光电阴极的制备及其表面机理等方面做了很多工作，研究了GaN表面净化工艺，测量了GaN的电子能量分布，证明激活成功后的GaN NEA光电阴极的电子能量分布小于300meV，是一种非常良好的冷电子源，并利用多种表面分析技术手段对激活机理进行了深入研究。研究人员通过此研究发现提高GaN材料的电导率可以进一步提高光电阴极的量子效率，理论值甚至于可以达到90%。