GaAs光电阴极的铯氧激活工艺优化研究(2)
上述这几种光电阴极的效率不是很理想，要作出高效率的光电阴极，必须有实际的科学理论来指导。上世纪五十年代以来，随着固体物理，超高真空技术，表面技术的发展，进入了对光电阴极材料本质研究的新型阶段。
1958年，W.E.Spicer提出了光电发射的“三步模型”理论。根据W.E.Spicer的光电发射“三步模型”理论[15]，如果材料的表面真空能级降至体内导带底以下就可以形成负电子亲和势，由光照激发产生的光电子只要能从阴极体内运行到表面，就可以发射到真空而无需过剩的动能去克服材料表面的势垒，这样光电子的逸出深度和几率都将大大增加，光电子逸出效率提高。1965年被J.J.Scheer所证实“三步模型”理论，得到了具有零电子亲和势的光电阴极。1969年，A.A.Turnbull和G.B.Evans发现激活时用Cs、O交替的激活方法比单用Cs可以获得更有效率的光电阴极和更高的光电发射[4]。
1.1.2 GaAs光电阴极的特点与应用
负电子亲和势GaAs光阴极灵敏度高、长波响应扩展潜力大、红外响应延伸潜力大，量子效率高、暗发射小等优点。正是因为GaAs有这些优点，所以它在发现之后有了迅速发展。由图1.2可以知道，GaAs光电阴极的灵敏度是最高的，并且在长波处也有良好的灵敏度。得益于这些良好条件，GaAs光电阴极飞速发展。GaAs负电子亲和势光电阴极的发展在微光领域引发了一场巨大的革命。
图 1.2 GaAs光电阴极比其他阴极的性能比较[2]
1.Ag-O-Cs; 2.Cs3Sb; 3.Bi-Ag-O-Cs; 4.Na2KSb[Cs]; 5.Na2KSb; 6.K2CsSb; 7.GaAs:Cs-O
第三代微光像增强器是以透射式GaAs光电阴极和带Al2O3防离子反馈膜的高性能微通道板和荧光屏构成的双近贴结构[20]，结构如图1.3所示。第三代微光像增强器与第二代微光像增强器相比，三代管灵敏度增加了4.8倍，寿命延长了3倍多，对夜间星光光谱的利用率显著提高，因此，它在很多领域有很大的作用，特别是军事领域，广泛用于单兵的夜视装备中，在现代战争, 特别是夜战的远距离侦查、夜航和卫星定位等方面发挥了重要作用[20]。同时，GaAs NEA光电阴极作为一种高性能自旋电子源, 在微电子技术、高能物理、电子束平面印刷以及电子显微镜等领域也得到了广泛应用[17]。
图 1.3第三代微光像增强器结构图[3]
1.玻璃面板；2.GaAs NEA光电阴极；3.MCP；4.荧光屏；5.光纤板
1.1.3 GaAs光电阴极的制备
GaAs光电阴极的制备是一个复杂的过程，想要获得高性能的GaAs光电阴极，那么制作过程中每个环节必须严格把关，稍有差错将会影响光电阴极的性能。GaAs光电阴极的制作不同于普通的光电阴极，它具有负电子亲和势力的特性，材料制作好后必须对它激活才能获得此特性。
材料的制备步骤分为外延层生长，表面材料净化处理和表面激活三个步骤[5]。
a.外延层的生长
为了获得性能好的GaAs光电阴极，那么必须使用尽可能完美的单晶，晶体表面要均匀，掺杂度要适中，错位密度小。为了得到这种完美材料，最开始人们是用直拉单晶法来获得GaAs光电阴极材料，但是性能达不到实用效果，之后人们用外延生长的方法克服了这些缺点，使GaAs光电阴极性能大大提高，通常使用的外延方法有四种，是气相外延,液相外延,或气相和液相混合外延法，分子束外延。由于这气相外延和液相外延技术存在着生长温度高、生长速度过快、生长厚度和均匀性很难控制以及生长样品尺寸小等缺点，很难生长出亚微米，甚至纳米尺寸的多层结构近年来，一种新型方法因运而生，是金属有机化合物气相沉积法(MOCVD或MOVPE)，有非常好的优点，它可以精确控制和生长多种不同的原子层材料。上世纪八十年代，MOCVD法最早用于GaAs光电阴极材料外延层的生长，1981年，法国科学家用MOCVD法制作出了透射式GaAs光电阴极，积分灵敏度可达到1500μA/lm。国外三代微光像增强器中的光电阴极材料是用的这种方法，到了1988年，美国ITT公司用MBE方法制作了透射式GaAs光电阴极,积分灵敏度高达2200μA/lm[16]。
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