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.     

高性能透射式GaAs光电阴极量子效率拟合与结构研究

为了探索高性能透射式GaAs光电阴极的特征结构,对光电阴极量子效率公式进行了光谱反射率与短波截止限的修正,并利用修正后的公式对ITT透射式GaAs光电阴极量子效率(≈43%)曲线进行了拟合,得到拟合相对误差小于5%时的结构参数为:窗口层Ga_1-xAl_xAs的厚度介于0.3-0.5 μm,Al组分x值为0.7,发射层GaAs的厚度介于1.1-1.4 μm.另外,根据拟合结果讨论了均匀掺杂透射式GaAs光电阴极的优化结构参数,如果光电阴极具有0.4 μm厚的Ga_1-xAl_xAs(x=0.7)窗口层和1.1-1.5 μm厚的GaAs发射层,则积分灵敏度可以达到2350 μA/lm以上. 关键词： 透射式GaAs光电阴极 量子效率 积分灵敏度 光学性能     

利用梯度掺杂获得高量子效率的GaAs光电阴极

获得高量子效率且稳定性良好的阴极一直是近年来发展GaAs光电阴极的重要方向。对晶面为(100),掺杂Be,厚度为1μm分子束外延生长的反射式GaAs发射层,设计了一种从体内到表面掺杂浓度由高到低分布的新型梯度掺杂结构。掺杂浓度的范围从1×1019cm-3到1×1018cm-3,并利用(Cs,O)激活技术制备了GaAs光电阴极。光谱响应测试曲线显示,与传统均匀掺杂的GaAs光电阴极相比,梯度掺杂的GaAs光电阴极的量子效率在整个波段都有提高,积分灵敏度可达1580μA/lm,且具有更好的稳定性。讨论了这种新型GaAs光电阴极获得更高量子效率的内在机理。该设计结构是现实可行的,且具有很大发展潜力,它为国内发展高性能GaAs光电阴极提供了一条重要途径。     

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.     

量子阱共振腔增强型光电探测器的高功率特性

通过测量1.55 μm量子阱共振腔增强型光电探测器的光电流随反向电压和光功率的变化关系,以及模拟能带结构、电场分布等特性,研究了量子阱共振腔增强型光电探测器的高功率特性.分析了光电流的产生机制,测量了1.064 μm量子阱共振腔增强型光电探测器的光电响应,模拟了具有不同势垒高度的量子阱共振腔增强型光电探测器的光电响应.从实验和模拟两方面证明了量子阱的势垒高度是影响量子阱共振腔增强型光电探测器高功率特性的最主要因素.     

均匀掺杂GaAs材料光电子的输运性能研究

通过建立原子结构的理论模型和电离杂质散射理论公式,研究了光电子在透射式均匀掺杂GaAs光电阴极体内的输运过程,分析了光电阴极的掺杂浓度、发射层厚度、电子扩散长度等相关因素对阴极出射面的弥散圆斑以及到达阴极出射面的光电子数与激发光电子总数之比的影响.计算结果表明,当透射式均匀掺杂GaAs光电阴极发射层厚度为2 μm、电子扩散长度为3.6 μm、掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3时,其极限线分辨率为769 mm^-1.此GaAs材料光电子的输运性能 关键词： GaAs 光电阴极 光电子输运 弥散圆斑 分辨率     

微光像增强器光阴极灵敏度理论极限问题研究

光阴极灵敏度(量子效率)是微光像增强器最重要和最基本的性能参数之一,它决定着微光成像系统在低照度下的视距和图像清晰度。根据半导体光电发射物理模型及普朗克黑体辐射理论,简介了光电发射5个环节（光子不完全吸收、GaAlAs/GaAs后界面、GaAs光阴极激活层体特性缺陷、GaAs光阴极表面位垒和GaAs光阴极-MCP之间近贴电场电子隧道效应）对光阴极量子效率的影响,给出了相关数学表达式。在假定5个环节子量子效率均为100%的前提下,估算出蓝延伸GaAs光阴极在（0.41～0.93）μm波段内的极限积分灵敏度,其值为6569μA/lm。文末,对此结果的意义给予评价。     

反射式负电子亲和势GaN光电阴极的光电发射及稳定性研究

利用在线多信息紫外光电阴极激活评估系统,测试了真空室内两个GaN 光电阴极Cs,O激活后及衰减6 h和18 h后补Cs的光谱响应特性曲线和量子效率曲线;并绘制了光纤光源波长为300 nm的光电阴极响应电流衰减变化曲线.实验结果证明,GaN 光电阴极较GaAs阴极具有更好的稳定性,量子效率可保持相对稳定达10 h,然后缓慢衰减,衰减速率较窄禁带半导体材料低得多.补Cs后光电流最大值较刚激活完有16.8%的增长,这充分证明阴极表面量子效率衰减的原因是Cs的脱附,而不是O的吸附.这些现象可由双偶极层模型来解释, 关键词： 光学 光电阴极 量子效率 稳定性     

用分子束外延法制成透射式GaAs光电阴极

第一次用分子束外延法制成负电子亲和势(NEA)GaAs-GaP 光电阴极。GaAs 的发射表面达到了原子级光滑度。通过 GaAs-GaP 界面上的内扩散形成一个组分渐变的 GaAsP 界面层。此界面层对 GaAs 薄层的光电发射特性(光谱响应曲线和高量子效率)起着重要的作用。     

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     

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     

Influence of built-in electric filed on the energy and emergence angle spreads of transmission-mode GaAs photocathode

In order to research the transport characteristic of photoelectrons in different-structure transmission-mode GaAs photocathodes, the energy and emergence angle spreads of photoelectrons reaching the band-bending region are calculated and the photoemission properties are analyzed. Based on the established atomic configuration models and ionized impurity scattering formulas of the uniform-doping and exponential-doping photocathodes, the trajectories of photoelectrons in different GaAs photocathodes have been calculated. The results show that, the emergence angle spread of the exponential-doping photocathode is more centralized than that of the uniform-doping one. The influence of the built-in electric field on the photoemission is obvious in the short-wave region. The built-in electric field not only increases the quantum efficient, but also improves the resolution of photocathode. This research can be propitious to investigate the photoemission mechanism, and to analyze the effect of the excited photoelectrons on the image intensifier performance.     

变组分AlGaAs/GaAs透射式光电阴极分辨力特性分析

建立了变组分AlGaAs/GaAs光电阴极二维载流子输运连续性方程.在一定的边界条件下,利用数值计算方法对此方程进行求解,得到了变组分AlGaAs/GaAs光电阴极调制传递函数(MTF)理论计算模型.利用该模型计算了透射式变组分和均匀组分阴极的理论MTF,分析了分辨力与Al组分变化范围、入射光子波长、AlGaAs和GaAs层厚度的关系.计算结果表明,变组分阴极与均匀组分阴极相比,阴极分辨力显著提高.当空间频率f在100—500 lp·mm-1区间时,分辨力的提高最为明显,如当f=200 lp·mm-1时,一般可提高150%—260%.变组分阴极分辨力的提高是内建电场作用的结果,但内建电场太大时,也会由于Al组分含量过高而影响阴极的长波响应.     

均匀掺杂和梯度掺杂结构GaN光电阴极性能对比研究

高温退火与Cs/O激活是形成负电子亲和势GaN光电阴极的外来诱因,GaN材料本身性能是影响阴极形成的内在因素.针对均匀掺杂和梯度掺杂GaN光电阴极在结构上的不同,结合阴极在激活过程中光电流的变化规律和激活后的量子产额,分析了均匀掺杂和梯度掺杂负电子亲和势GaN光电阴极性能的异同.实验表明,与均匀掺杂结构阴极相比,梯度掺...     

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     

Comparison of the photoemission behaviour between negative electron affinity GaAs and GaN photocathodes

In view of the important application of GaAs and GaN photocathodes in electron sources, differences in photoemission behaviour, namely the activation process and quantum yield decay, between the two typical types of III-V compound photocathodes have been investigated using a multi-information measurement system. The activation experiment shows that a surface negative electron affinity state for the GaAs photocathode can be achieved by the necessary Cs-O two-step activation and by Cs activation alone for the GaN photocathode. In addition, a quantum yield decay experiment shows that the GaN photocathode exhibits better stability and a longer lifetime in a demountable vacuum system than the GaAs photocathode. The results mean that GaN photocathodes are more promising candidates for electron source emitter use in comparison with GaAs photocathodes.     

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.     

Quantum efficiency dependence on built-in electric fields in exponential-doped and graded-doped gallium arsenide photocathodes

We calculated the intensities and widths of the built-in electric fields of exponential-doped and graded-doped gallium arsenide (GaAs) photocathode for the first time. We analyzed the quantum efficiency (QE)for both samples with these two factors, along with the absorption coefficient and found out that although the exponential-doped sample was more complicated in structure than the graded-doped sample, the QE was not enhanced in the full experimental waveband as we expected, especially for those electrons with lower energy. It shows that the escape probability and diffusion length mainly depend on the intensity of the electric fields, which is believed the most decisive factor for the QE enhancement.