[发明专利]一种光电阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电阴极电子源技术领域。更具体地，涉及一种光电阴极及其制备方法。

背景技术

光电阴极是微光探测器件中光电转换的核心部件，而且近几年来光电阴极性能的性能逐年提高，同时不同波段的光电阴极材料种类也逐渐增多。传统光电阴极具有量子效率高、响应速度快、暗电流小和发射电子能量集中等优点，反射式和透射式GaAs光电阴极光谱响应的峰值电子发射能力分别达到379.9和245.2mA/W。

传统光电阴极主要采用铯(Cs)原子吸附的方式来降低自身的功函数，GaAs光电阴极可形成负电子亲和势表面，从价带激发到导带中的电子有较大的几率穿过表面势垒逸出到真空中，因此具有较高的电子发射能力。但是Cs原子的吸附厚度仅为单个原子层，Cs原子在高温或发射电流密度较大时易从阴极表面脱附，导致阴极性能降低。同时光电阴极的电子发射水平对真空室的气体气氛要求较为严格，CO₂、CO和H₂O等均会抑制阴极的电子发射能力，且阴极的电子发射能力不可再次恢复，所以传统的光电阴极无法应用于需要大电流电子源的器件和仪器。

因此，光电阴极仅能应用于光照强度较低的环境中，而在光照强度较高的条件下，阴极的电子发射能力会急剧降低，甚至失去电子发射能力，导致了光电阴极无法作为电子源应用到其他大电流的器件和仪器中。所以目前光电阴极仅应用于微光像增强器件和部分自由电子激光器中，并没有应用在其他需要电子源的真空器件和仪器中。

为了解决传统光电阴极无法用于强光照条件的问题，2010年美国提出了一种免激活的GaN光电阴极，通过调整掺杂原子与掺杂浓度来提高阴极发射层中光电子的输运效率和表面功函数，阴极发射层包括p型GaN发射层、Siδ掺杂层GaN层和n型GaN表面层，表面层厚度越大阴极的电子发射性能越低，光子能量为5eV时，阴极的量子效率达到0.1％。中国电科第55研究所提出了一种p-i-n结构免激活GaN光电阴极，同样是利用掺杂浓度调整阴极发射层的能带结构和n型的GaN表面层，来实现阴极的电子发射。这种无需Cs激活的光电阴极与传统光电阴极相比可拥有更高的寿命和稳定性，但是GaN晶体为宽禁带半导体，材料的电导率较小，导电能力较差，大量电子从阴极表面发射后，阴极面呈正电性，阴极电极上的电子不能及时补充到阴极发射层内，成为限制阴极性能的重要因素。

因此，尽管免激活光电阴极可以适应于强光照，尤其是以大功率激光作为光源时，光电阴极的发射电流却远高于传统光电阴极，同时具有稳定的发射性能和较长的使用寿命，是一种封装工艺简单、调制和使用方便的理想电子源，但是免激活光电阴极的量子效率远低于传统的光电阴极。

因此，需要提供一种既能够应用于强光照条件，又能够提高光电阴极量子效率的强光响应的大电流密度光电阴极。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种光电阴极。

本发明的另一个目的在于提供一种光电阴极的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种光电阴极，所述光电阴极包括衬底、形成在衬底上的p型AlN缓冲层、形成在p型AlN缓冲层上的p型Al_xGa_1-xN发射层和形成在p型Al_xGa_1-xN发射层上的窄禁带半导体表面层；其中，所述窄禁带半导体表面层的材料为室温下禁带宽度≤2.3eV的半导体材料，所述p型Al_xGa_1-xN发射层中x的范围为0≤x＜1。与传统光电阴极Cs-O吸附激活工艺相比，本发明在p型Al_xGa_1-xN发射层上生长窄禁带半导体表面层，窄禁带半导体表面层原子与p型变组分变掺杂Al_xGa_1-xN发射层原子以共价键形式结合，有利于改善Al_xGa_1-xN材料表面能带结构，降低光电阴极表面功函数，提高电子隧穿光电阴极表面的几率，获得的光电阴极具有稳定性高、抗离子轰击能力强和发射电流密度大等优点。目前在光电阴极及其制备技术方面尚没有与本专利所述内容相同的文献报道。