反射式变掺杂GaAs光电阴极量子效率模型研究

借助指数掺杂与均匀掺杂光电阴极的量子效率公式,提出了采用加权平均法表示的反射式变掺杂光电阴极量子效率理论模型.使用该模型对某掺杂结构的反射式GaAs光电阴极量子效率曲率进行了拟合,获得了最佳的拟合效果,且模型的拟合结果能够定量地揭示材料的变掺杂结构,在不同入射光波段对阴极量子效率的贡献不相同这一现象.针对此现象进行了深入地分析和探讨. 关键词： GaAs 变掺杂 光电阴极 量子效率     

反射式非均匀掺杂负电子亲和光电阴极量子效率研究

内建电场对提高阴极量子效率有重要作用。为获得恒定的电场强度,需要用指数掺杂方式对光电阴极激活层进行掺杂。指数掺杂实际上是一种特殊的梯度掺杂,针对这种掺杂方式,建立了指数掺杂和均匀掺杂加权的量子效率公式。实验设计了4种掺杂浓度从1019~1018cm-3掺杂样品,测量样品的光谱响应曲线和量子效率曲线,并分别用均匀掺杂量子效率公式,指数掺杂量子效率公式和新建立的梯度掺杂量子效率公式这三种方式,对量子效率曲线进行了拟合,证明了该量子效率公式具有较高的拟合精度。     

不同变掺杂结构GaAs光电阴极的光谱特性分析

为定量研究变掺杂结构对阴极量子效率的作用效果,设计生长了两种不同掺杂方式的反射式梯度掺杂GaAs光电阴极,激活后测量了两者的光谱响应曲线。将光谱响应曲线转换为对应的量子效率曲线,对不同入射光波段的量子效率进行了拟合分析,得到了体现变掺杂结构贡献程度的变掺杂系数K值。研究发现,同一阴极材料对不同波段的入射光,其掺杂结构产生的作用效果各不相同。同时,不同掺杂结构光电阴极对于相同波段范围内的入射光,其作用效果也不相同。产生这些差别的根本原因,是由于不同掺杂结构下,材料中内建电场的位置和强度不同而造成的。该研究为评判不同掺杂方式下光电阴极的结构性能提供了有效的分析手段,对研究阴极变掺杂结构的优化设计具有非常重要的应用价值。     

GaAs光电阴极表面电子逸出概率与波长关系的研究

GaAs光电阴极量子效率公式中用到的表面电子逸出概率,在阴极工作波段范围内通常视为与入射光子波长无关的常数。应用该结论对反射式GaAs光电阴极激活实验结果进行了拟合分析。实验采用分子束外延GaAs材料,外延发射层厚度为1.6μm、掺杂浓度为1×1019cm-3,分析结果显示理论曲线与实验曲线存在偏差,而在激活台内阴极灵敏度下降后的光谱响应曲线拟合结果偏差更大。这种偏差是由于表面电子逸出概率对入射光子波长的依赖关系造成的,并非通常认为的与波长无关。经过光谱响应曲线的拟合分析得出,反射式阴极表面电子逸出概率与入射光子波长之间近似满足指数关系,两者通过表面势垒因子相联系。高、低温激活后阴极表面势垒因子分别为3.53和1.36。     

指数掺杂结构对透射式GaAs光电阴极量子效率的影响研究

通过在一维连续性方程光电子产生函数项中加入短波约束因子,修正了指数掺杂和均匀掺杂透射式GaAs光电阴极量子效率公式.利用修正的透射式阴极量子效率公式分别拟合制备的指数掺杂和均匀掺杂透射式阴极量子效率实验曲线,符合得很好.另外拟合得到的阴极性能参数表明,由于内建电场的作用,指数掺杂阴极的性能要好于均匀掺杂阴极,指数掺杂结构能够明显提高透射式阴极的量子效率. 关键词： 透射式光电阴极 指数掺杂 量子效率 内建电场     

指数掺杂GaAs光电阴极量子效率的理论计算

将GaAs光电阴极发射层掺杂浓度由体内到发射表面从高到低的进行指数掺杂，能在发射层形成一个恒定的内建电场，有利于光电子的逸出.在考虑内建电场的作用下，通过建立和求解少数载流子所遵循的一维连续性方程，得到了反射式和透射式指数掺杂阴极的量子效率公式，并利用这些公式对其量子效率进行了理论计算和仿真.计算结果显示发射层指数掺杂能较明显的提高阴极的量子效率，与均匀掺杂阴极相比，能使反射式阴极积分灵敏度提高约20%，透射式阴极提高30%以上.指数掺杂提高阴极量子效率的主要原因与内建电场有关，光电子在内建电场作用下以扩散加漂移的方式到达阴极表面，从而减小了后界面复合速率对阴极的影响，同时提高了阴极的等效电子扩散长度. 关键词： 指数掺杂 内建电场 能带结构 量子效率     

梯度掺杂与均匀掺杂GaN光电阴极的对比研究

为了提高负电子亲和势(NEA)GaN光电阴极的量子效率,利用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)外延生长了梯度掺杂反射式GaN光电阴极,其掺杂浓度由体内到表面依次为1×10¹⁸ cm^-3,4×10¹⁷ cm^-3,2×10¹⁷ cm^-3和6×10¹⁶ cm^-3,每个掺杂浓度区域的厚度约为45 nm,总的厚度为180 nm.在超高真 关键词： NEA GaN光电阴极 梯度掺杂 量子效率 能带结构     

透射式变掺杂GaAs光电阴极研究

为了将变掺杂GaAs材料应用于微光像增强器,开展了透射式变掺杂GaAs光电阴极实验研究,制备了2种反转结构透射式变掺杂GaAs光电阴极。测试了玻璃粘接前后GaAs光电阴极载流子浓度变化,发现高温粘接后载流子浓度增加现象。通过测试高温激活的透射式变掺杂GaAs光电阴极发现,在450 nm～550 nm波段内,变掺杂GaAs光电阴极仍然具有较高的光谱响应。     

发射层厚度对反射式GaAs光电阴极性能的影响

通过求解扩散方程,推导了含有后界面复合速率的反射式GaAs光电阴极量子效率公式,并利用MBE在GaAs (100)衬底上外延生长了发射层厚度分别为1.6 μm、2.0 μm和2.6 μm,掺杂浓度为1×1019cm－3的三个反射式GaAs阴极样品,进行了激活实验.实验结果显示:随着发射层厚度的增加,阴极的长波量子效率和灵敏度都有所提高,而这种提高与阴极电子扩散长度的增长有关.同时,理论仿真研究发现,当后界面复合速率小于或等于105cm/s时,阴极发射层有一个最佳厚度,此时阴极灵敏度最高.后界面复合速率对阴极灵敏度在发射层厚度较小时影响较大,而随着厚度的增大阴极灵敏度最终趋于稳定.     

大梯度指数掺杂透射式GaAs光电阴极响应特性的理论分析

讨论了一种具有超快时间响应特性的新光电阴极, 即大梯度指数掺杂透射式GaAs 负电子亲和势 (NEA) 光电阴极, 模拟了它的量子效率、时间分辨和空间分辨能力等特性. 理论分析结果表明, 由于大梯度指数掺杂设计方式, 在吸收层内形成较大的内建电场, 因此光生电子在GaAsNEA阴极内的渡越时间大大缩短, 当GaAs吸收层厚度～0.9 μm时, 其响应时间达到～ 10 ps, 说明这种新NEA阴极具有远优于传统均匀掺杂NEA阴极的超快响应特性. 同时在整个光谱响应范围内, 量子效率达到约10%-20%, 空间分辨力显著高于以往的计算结果. 分析结果表明,在保证较高的量子效率条件下, 这种新阴极能够突破常规GaAsNEA阴极的时间分辨率极限, 提高GaAsNEA阴极本身的分辨力, 有望用于超快摄影、电子加速器和自由电子激光器的电子源等领域, 进一步扩展NEA光电阴极的应用范围.     

具有e指数内建电场的透射式GaAs光电阴极响应特性的理论分析

设计了具有e指数内建电场的透射式GaAs负电子亲和势阴极,利用数值计算方法研究了它的时间响应特性和量子效率特性。结果表明,当吸收区厚度L~0.2~1.5 μm时,阴极的响应时间和量子效率均随L的增大而增大;尤其当L~1.1 μm时响应时间达到10 ps,量子效率达到12.5%~20%,迄今为止,与其他GaAs光电阴极相比,在相同光谱响应条件下,该响应速度是最高的。另外,在不同L下,获得了平均时间衰减常数τ'的函数分布和能够获得最短响应时间的最优系数因子β分布,为新型高速响应GaAs光电阴极的时间响应和量子效率优化提供了必要的理论基础和数据支持。     

近紫外波段NEA GaN阴极响应特性的研究

为了深入理解近紫外波段NEA GaN阴极的光谱响应特性, 在超高真空系统中对MOCVD生长的不同发射层厚度和掺杂浓度的三个样品进行激活实验, 并在线测试样品光谱响应. 利用反射式GaN阴极量子效率公式和最小二乘法对入射光波长为0.25—0.35 μ之间的 阴极响应量子效率实验数据进行拟合, 分别得到后界面复合速率和拟合直线L的斜率, 并使用量子效率公式对入射光波长为0.35 μ时的反射式GaN阴极光谱响应量子效率进行仿真. 结果表明, 后界面复合速率和直线v的斜率都能很好地反映GaN阴极的响应性能, 当GaN阴极后界面复合速率小于10⁵ cm/s, 发射层的厚度取0.174—0.212 μ时, 阴极光谱响应性能最好. 关键词： 反射式GaN 势垒 最小二乘法 后界面缺陷     

透射式GaAs光电阴极材料的MOCVD生长

用常压MOCVD装置,制备了透射式GaAs光电阴极材料。发射层P-型GaAs掺杂浓度到10¹⁸-10¹⁹cm^-3,少子扩散长度到4.02μm。AlGaAs层的Al组分含量到0.83,其吸收光谱长波限与设计值基本符合。利用此材料进行了阴极激活实验,制成了透射式GaAs光阴极。     

Influence of varied doping structure on photoemissive property of photocathode

The built-in electric fields within a varied doping GaAs photocathode may promote the transport of electrons from the bulk to the surface,thus the quantum efficiency of the cathode can be enhanced remarkably. But this enhancement,which might be due to the increase in either the number or the energy of electrons reaching the surface,is not clear at present. In this paper,the energy distributions of electrons in a varied doping photocathode and uniform doping photocathode before and after escaping from the cathode surface are analysed,and the number of electrons escaping from the surface in different cases is calculated for the two kinds of photocathodes. The results indicate that the varied doping structure can not only increase the number of electrons reaching the surface but also cause an offset of the electron energy distribution to high energy. That is the root reason for the enhancement of the quantum efficiency of a varied doping GaAs photocathode.     

砷化镓光电阴极光谱响应与吸收率关系分析

为了研究砷化镓(GaAs)光电阴极光谱响应与吸收率曲线间的关系,采用分子束外延法(MBE)和金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)制备了两类GaAs光电阴极,并测试得到了样品吸收率和光谱响应实验曲线.对每个样品的这两条曲线在同一坐标系中做最大值归一化处理,将归一的光谱响应曲线与归一的吸收率曲线做除法,得到了类似光电阴极表面势垒的形状.结果表明,两种方法制备的光电阴极光谱响应曲线相比吸收率曲线都发生了红移,MBE样品偏移量稍大于MOCVD样品.短波吸收率不截止,光谱响应截止于500 nm左右;可见光波段上,光谱响应曲线的峰值位置相比吸收率曲线红移了几百meV;近红外区域,光谱响应曲线的截止位置相比吸收率曲线红移了几个meV.MOCVD样品中杂质对带隙的影响更小,光谱响应相比吸收率发生的能量偏移更小.这些结论对提高GaAs光电阴极光电发射性能有指导意义.     

Comparative research for transmission-mode GaAs photocathodes of different doping structures on surface photovoltage

In order to well study the internal body performance for transmission-mode GaAs photocathode of different varied doping structures, two GaAs photocathodes of exponential doping structure and gradient doping structure were designed respectively. Because surface photovoltage spectrum has close relation with the internal properties of GaAs photocathodes, the connection between surface photovoltage and internal electronic field was well discussed through deduction and calculation. The difference of two structures and the value of internal electronic energy were exactly calculated and verified by experiments. The internal band bending energy could form an internal electronic field with the same direction, which could help the photo-excited electrons to move toward surface barrier layer. This research shows a better method to well study the varied doping structures for GaAs photocathode materials and will help to improve the growth structure for transmission-mode GaAs photocathode module in the future.