3.1 .1 NEA GaN激活设备介绍    14
3.2.2  NEA GaN激活设备介绍    15
3.2 NEA GaN光电阴极表面势垒对电子逸出几率的影响  .  18
3.2.1 电子输运到阴极表面时的能量分布  .  18
3.2.2 电子逸出几率的计算  .  19
3.2.3 计算结果  .  21
4. 透射式和反射式工作模式下 NEA GaN的量子效率分析  .  23
4.1 透射式工作模式的光谱响应测试  .  23
4.1.1 透射式工作模式测试结果  .  23
4.1.2 透射式 NEA GaN 光电阴极量子效率推导及分析  .  25
4.2 反射式工作模式的光谱响应测试  .  29
4.2.1 反射式工作模式测试结果  .  29
4.2.2 反射式 NEA GaN 光电阴极量子效率推导及分析  .  30
5．结论  .  33
致谢    34
1  绪论
1.1  NEA GaN光电阴极概述
1.1.1    NEA GaN  阴极光电发射基本原理
光电阴极利用的是外光电效应来达到发射电子的目的。早期的光电材料如银氧铯
光电阴极和多碱光电阴极，都是 Positive Electron Affinity（简称PEA）即正电子亲和
势光电阴极，其真空能级都在导带低之上。
Spicer在1958 年提出光电发射“三步模型”，如图 1.1所示，主要由三步构成：第
一步是光的吸收，在紫外光的照射下，处于价带中的电子通过吸收入射光子的能量而
被激发到导带；第二步是光生载流子的输运，由于光的激发产生的光电子向阴极表面
输运，这个过程中会发生各种弹性和非弹性碰撞；第三步是载流子的发射，输运到阴
极表面的电子隧穿表面势垒，由于 NEA特性的存在，可以比较容易地逸出到真空中。
根据 Spicer 的理论，如果电子亲和势为负值，那么电子将更容易运动到真空中，
称为NEA特性。之后十年内，人们发现，在重掺杂 P  型半导体基底上（如 GaAs）交
替覆盖一定厚度的 Cs、O 层后，可以得到一种拥有 NEA 特性的新型光电发射晶体。
这种材料的光电子逸出几率大大增加，发射效率大幅提高，而且冷电子发射不需要加
热。 1.1.2   NEA GaN 阴极结构与工作模式
波长小于 365nm 的入射光光子在 GaN 阴极中都将被转换成光电子。GaN 光电阴
极由四种材料组成：第一层作为发射表面，是一个由 Cs 或Cs/O 构成的激活层，第二
层是 p 型 GaN 层，也就是可被激活层，是光电阴极光电发射的核心部分，第三层是
缓冲层，一般用较薄的 GaN 或 AIN 构成，最后是蓝宝石构成的较厚的衬底，作为整
个阴极的支撑窗口，透射模式下也是光的入射窗口。  
GaN光电阴极有两种工作模式：反射式和透射式。如图 1.2所示。反射式是指入
射光由GaN电子发射一侧入射，入射光的衰减少，但阴极材料对光能量的吸收也少，
光电子主要在近表面产生，受蓝宝石后界面的影响不大。在透射模式下工作的光阴极，
入射光从蓝宝石窗口中入射，同时被蓝宝石衬底和 AlN 缓冲层吸收，然后到达 GaN
激活层。光电子受到蓝宝石后界面影响较大。
在实际应用时，  GaN 光电阴极经常工作在透射模式下，蓝宝石衬底作为入射窗
口。入射光通过蓝宝石及 AIN 缓冲层的传输进入 GaN 激活层，在阈值能量(3.4eV)处
被稀吸收一部分，然后在 GaN 层产生光生电子和空穴。光生电子扩散到激活层的前
表面，电子在负电子亲和势下运动至真空。 1.2  GaN光电阴极研究现状
随着 GaN 基半导体薄膜和单晶生长技术的重大技术突破，GaN 材料已经受到世 NEA GaN光电阴极的响应特性研究(2):http://www.751com.cn/wuli/lunwen_6442.html