题目：基于分布式布拉格反射结构的GaAs光电阴极结构设计研究
- 近红外光电阴极国内外发展现状
当光照射某种材料时，材料内部的电子获得足够大的能量而从体内逸出，这种现象称为外光电效应，也叫光电发射。能够利用外光电效应发射光电子的材料称为光电阴极。[8]在光电阴极的发展史上，NEA光电阴极的出现是一个重要的里程碑，相比于多碱和银氧铯光电阴极，化合物半导体光电阴极可以根据探测波段选择合适禁带宽度的材料。GaAs NEA光电阴极由于具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量和角度分布集中等众多优点，发明之后便得到人们的广泛关注。40多年来，人们在GaAs光电阴极制备工艺、、表面模型、光电发射理论和阴极稳定性等方面开展了广泛的研究，取得了大量成果，但也存在有待进一步探索的领域.[3]随着GaAs负电子亲和势（NEA）半导体光电阴极的成熟和应用，半导体光电阴极的进一步研究向更长波的近红外方向发展。Ⅲ、Ⅴ族半导体光电阴极的发展方向，主要是以可见光范围为中心向两端延伸，即扩蓝（短波方向）和红延伸（长波方向），应用在紫外波段的AlGaN、GaN光电阴极，由于其较宽的禁带宽度和稳定的性能，以广泛应用于空间探测、闪电和高压电晕放点、火灾和紫外通信设备等领域，而近红外波段则需要采用禁带宽度较窄的InGaAs光电阴极。[5]
二十世纪七十年代才开始出现对近红外敏感的Ⅲ、Ⅴ族半导体材料研究。1994年，Litton公司申请了InGaAs光电阴极的发明专利，其光电阴极结构采用Glass/AlGaAs/InGaAs的方式，1995年又补充申请了制备方法的专利，并公布了近红外响应（1.0-1.3mu;m）的像增强器，透射式光电阴极光谱响应长波阈值可以延伸到1.06mu;m，最大的量子效率为0.04%，2000年，Estrera通过改进制作技术，在1.06mu;m处获得了量子效率为1.2%的实验结果。2003年的德克斯大学的Bouree等人通过光致发光、拉曼光谱等方法对电子电声的能量分析，利用原子力显微镜观察阴极表面粗糙等方法，得出了MBE同MOVCD一样能生长出高质量的InGaAs光电阴极的结论，1.01mu;m处量子效率大于5%。2005年，俄罗斯Sachno报道了透射式InGaAs光电阴极像增强器的研制成果，积分灵敏度达到750mu;A/lm，在波长1.06mu;m处辐射灵敏度为0.025mA*W，这里光电阴极外延生长采用MOC-氢化物技术，组分约为1.5%。[5]我国从上世纪八十年代开始GaAs光电阴极研究，由于InGaAs微光增强器制备难度高，国内现有技术和条件很难达到研究标准，目前中电五十五所和北方夜视集团等开展了这方面的研究，并将研究重点着眼于GaAs像增强管的产品化应用，对更长波近红外半导体光电阴极的研究还比较少。2010年，北方夜视科技集团生产的InGaAs光电阴极积分灵敏度为575mu;A/lm，1.06mu;m波长处辐射灵敏度为0.03mA。[4][6]
近红外响应的半导体光电阴极材料按响应波长主要有GaAs、InGaAsP、InGaAs系列。GaAs光电阴极发展最为成熟，主要应用于性能要求极高的微光夜视像增强管上，是军用电光系统的重要组成部分，从海军舰船到单兵作战均有应用。基于InP衬底的InGaAs和InGaAs受制于较窄的禁带宽度，需要在液氮或热电制冷下才能得到较好的性能，商业化产品主要集中于光电倍增管，应用于需要微弱信号甚至单光子响应的雷达测距、拉曼光谱等领域。按响应波长，近红外响应的半导体光电阴极材料总结如表1。[6]
表1 近红外响应的Ⅲ-Ⅴ族半导体光电阴极材料及产品
GaAs光电阴极的峰值响应主要在600nm到750nm，阈值波长不超过920nm。为了增强夜视效果，在保留可见光响应的同时扩展阈值波长，人们基于GaAs衬底外延InGaAs形成InGaAs近红外光电阴极。1.1mu;m到1.7mu;m波段的NEA光电阴极主要基于InPut衬底的InGaAs，InGaAsP材料，其产品以光电增强管为主，目前还未见到该波段商业化的像增强管。该波段性能比较好的的是采用热电制令（-60℃），800V偏压下的H10330A系列，拥有很好的光响应速度，阳极脉冲上升时间0.9ns，脉冲下降时间1.7ns，光阴极量子效率约为2%。
为了将光响应波长进一步延长，人们基于InP衬底外延晶格匹配的InGaAs、InGaAsP材料导带的Gamma;能谷低于铯化层电子势垒，限制了NEA光电阴极的长波限，使之小于1.1mu;m。人们发现对某些Ⅲ、Ⅴ族半导体材料，如InP，InGaAs和InGaAsP,当外加电场强度大于104/V时，可将吸收层的光电子非常有效的从Gamma;能谷提升到X，L能谷，克服了负电子亲和势的铯化层电子势垒，大大增强了表面光电子的逸出概率，使得1.1mu;m波长以上的半导体光电阴极器件成为可能。[6]
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