真空溝道結(jié)構(gòu)GaAs 光電陰極電子發(fā)射特性*

郝廣輝 韓攀陽 李興輝 李澤鵬 高玉娟

(北京真空電子技術(shù)研究所, 微波電真空器件國家級重點實驗室, 北京 100015)(2019年12月15日收到; 2020年3月9日收到修改稿)

光電陰極的發(fā)射電流密度和壽命限制了其在功率器件和大科學(xué)裝置中的應(yīng)用. 本文結(jié)合光電陰極和場發(fā)射陰極電子發(fā)射理論, 設(shè)計了大電流密度的真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極組件, 并使用覆膜和刻蝕技術(shù)制備了以GaAs 襯底為陰極材料的光電陰極組件. 光電陰極組件電子發(fā)射特性測試結(jié)果顯示, 常溫狀態(tài)下隨入射光功率增加, 陰極發(fā)射電流增加幅度逐步增大. 光功率為5W時, 發(fā)射電流達到26.12 mA, 電流密度達到5.33 A/cm2. 隨光電陰極組件工作溫度增加, 陰極材料內(nèi)的載流子濃度也會相應(yīng)地增加, 提高了負極對陰極材料內(nèi)發(fā)射電子的補充效率, 增強了陰極組件的電子發(fā)射能力. 當(dāng)光電陰極組件為400 ℃時, 其發(fā)射電流可達到89.69 mA. 由于陰極表面不存在激活原子, 在光電陰極組件連續(xù)144 h 的壽命試驗中, 陰極的發(fā)射電流為4.5 ± 0.3 mA, 陰極發(fā)射性能并未出現(xiàn)明顯衰減. 真空溝道是光電陰極組件電子發(fā)射的主要區(qū)域, 通過改善真空溝道結(jié)構(gòu)參數(shù)可以直接調(diào)整陰極組件發(fā)射電子束的形狀, 增強大電流密度光電陰極在真空電子器件和設(shè)備中的適用性.

1 引 言

光電陰極具有工作溫度低、響應(yīng)速度快、發(fā)射電子能量分布集中和發(fā)射電流特性易受光源調(diào)制等優(yōu)點, 是一種理想的電子源, 基于大電流密度光電陰極的電子源可廣泛應(yīng)用于真空微波器件、大科學(xué)裝置和自由電子激光器等真空器件和設(shè)備[1?9].傳統(tǒng)光電陰極僅工作于低溫和微光環(huán)境中, 發(fā)射電流密度較小, 耐離子轟擊能力較差, 所以無法滿足上述真空器件和設(shè)備對陰極電子發(fā)射性能的要求[10?13]. GaAs 晶體材料具有響應(yīng)光譜范圍寬、制備工藝成熟和電子擴散長度大等優(yōu)點, Cs/O 激活的GaAs 光電陰極擁有較高的量子效率和靈敏度.但是光電陰極工作過程中, Cs 和O 原子比例失衡和原子脫附是陰極性能衰減的主要原因, 所以在大電流密度光電陰極研制過程中必須摒棄GaAs 光電陰極的Cs/O 激活工藝[14,15]. 場發(fā)射陰極同樣工作于常溫環(huán)境, 其利用柵極提供的強電場來降低陰極材料的表面功函數(shù), 最終實現(xiàn)電子發(fā)射[16?19]. 為此, 在結(jié)合GaAs 光電陰極材料特性和場發(fā)射陰極組件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 提出了一種真空溝道結(jié)構(gòu)的大電流密度光電陰極, 可以大幅度提高光電陰極的電子發(fā)射能力, 從而達到真空器件對高性能陰極的需求.

未經(jīng)Cs/O 激活的GaAs 光電陰極僅對高能光子的光束產(chǎn)生微弱的電子發(fā)射, 而在可見光波段則不會產(chǎn)生電子發(fā)射現(xiàn)象. 雖然場助光電陰極的電子發(fā)射能力高于普通陰極的電子發(fā)射能力, 但是場助光電陰極同樣無法承受長時間、高能量光束照射, 其每平方厘米面積的發(fā)射電流也無法達到的安培量級. 在場助光電陰極組件中, 隨工作電壓增加,陰極與柵極之間容易出現(xiàn)打火或短路等現(xiàn)象, 增加了器件的封裝難度. 場發(fā)射陰極組件中, 由覆膜工藝制備的絕緣層可保障柵極和陰極之間距離的一致性, 使陰極表面的電場強度達到107V/cm 量級,可以有效降低陰極表面勢壘, 使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射[20,21]. 因此可以通過在GaAs 晶體表面制作真空溝道結(jié)構(gòu)的方式來制備大電流密度的場助光電陰極. 由于GaAs 晶體僅在光束照射時才會產(chǎn)生自由擴散的電子, 所以GaAs 晶體作為負極材料制作場發(fā)射組件時, 只有光束照射到GaAs 陰極材料上時才會產(chǎn)生電子發(fā)射, 可以實現(xiàn)光束對陰極電子發(fā)射特性的調(diào)制作用. 另外光激發(fā)電子所擁有的能量高于其他場發(fā)射材料中電子的能量, 這部分電子運動到陰極材料表面后隧穿表面勢壘的幾率也較大, 所以真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極的工作電壓將低于同等條件下其他場發(fā)射陰極的工作電壓. 本文使用覆膜與刻蝕工藝制備了真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極組件, 測試了不同激光功率和工作溫度條件下陰極組件的電子發(fā)射特性, 分析了溫度對陰極電子發(fā)射穩(wěn)定性的影響, 并仿真了真空溝道結(jié)構(gòu)對陰極組件發(fā)射電子束形狀的影響.

2 實 驗

大電流密度的真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極組件主要由陰極材料、負極、絕緣層、柵極和真空溝道五部分組成, 其工作原理如圖1 所示. 其中真空溝道結(jié)構(gòu)貫穿柵極和絕緣層, 只有部分陰極表面暴露于真空溝道內(nèi). 陰極組件的柵極和負極分別接電源的正極和負極, 為光電陰極組件提供電場環(huán)境, 降低陰極材料表面勢壘, 提高運動到陰極材料表面的光電子發(fā)射到真空的幾率. 當(dāng)陰極材料襯底對入射光具有較高的透過率時, 光電陰極組件可工作于反射式和透射式兩種模式, 相反光電陰極組件則只能工作于反射式模式.

圖1 真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極組件工作原理(1 為負極,2 為陰極, 3 為絕緣層, 4 為柵極, 5 為真空溝道)Fig. 1. Working principle of photocathode with vacuum channel. Symbol 1, 2, 3, 4 and 5 are negative electrode,photocathode material, insulation, grid electrode and vacuum channel, respectively.

實驗所用的光電陰極材料為GaAs 襯底材料.負極和柵極材料均為Mo, 厚度分別為150 和250 nm. 絕緣層材料為Al2O3, 厚度為150 nm. 為了便于光電陰極組件的制備和性能評估, 組件中真空溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計為長方形, 寬度為3 μm, 長度為700 μm. 為了提高陰極的發(fā)射電流, 設(shè)計了陣列式真空溝道結(jié)構(gòu), 溝道數(shù)量為100. 真空溝道的中心間距為7 μm, 即絕緣層和柵極的寬度為4 μm, 因此陰極組件電子發(fā)射區(qū)域的尺寸為700 μm × 700 μm,即陰極的面積為0.0049 cm2.

首先使用丙酮和無水乙醇等對陰極材料進行清洗, 去除陰極材料表面的污染物, 提高陰極材料表面的覆膜效率和薄膜的均勻性. 真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極組件制備工藝為使用電子束雙向沉積設(shè)備依次在材料表面覆Al2O3(絕緣層)和Mo 金屬膜(柵極); 利用光刻技術(shù)在材料表面曝光出真空溝道結(jié)構(gòu); 再使用感應(yīng)耦合反應(yīng)離子體刻蝕設(shè)備對真空溝道中的Mo 金屬薄膜進行刻蝕; 最后使用氫氟酸和氟化銨混合溶液對Al2O3薄膜進行腐蝕, 直至陰極材料暴露出來, 此時陰極表面就獲得了真空溝道結(jié)構(gòu). 使用掃描電子顯微鏡觀察陰極組件的真空溝道結(jié)構(gòu), 如圖2 所示.

圖2 真空溝道結(jié)構(gòu)顯微形貌, 1 為陰極, 2 為柵極Fig. 2. Surface microtopography of vacuum channel structure. Symbol 1 and 2 are photocathode material grid electrode, respectively.

對制備好的光電陰極組件進行裝架, 其中GaAs 襯底材料作為陰極組件的負極. 使用鉬片作為柵極和負極的引線. 將陰極封裝于玻殼內(nèi), 并在排氣臺上對陰極組件及玻殼進行除氣. 玻殼除氣溫度為250 ℃, 陰極組件除氣溫度為550 ℃, 保持玻殼內(nèi)真空度在10–6Pa 量級. 待玻殼溫度降為常溫后將玻殼進行封離. 使用連續(xù)激光器對陰極的電子發(fā)射性能進行測試, 主要包括光束功率、工作溫度對陰極發(fā)射電流的影響, 同時也開展了陰極組件壽命試驗和貯存試驗.

3 分析與討論

刻蝕Al2O3薄膜的方法主要分為物理刻蝕和化學(xué)腐蝕, 其中化學(xué)腐蝕方法為使用化學(xué)試劑與Al2O3進行化學(xué)反應(yīng), 但是腐蝕時間需要嚴(yán)格控制,腐蝕時間過短會導(dǎo)致Al2O3殘留, 不能將陰極材料暴露于真空溝道中, 相反腐蝕時間過長則會腐蝕柵極薄膜下方的Al2O3, 會造成柵極薄膜脫落或柵極薄膜與陰極材料短路. 而Al2O3薄膜的物理刻蝕方法主要為離子刻蝕, 刻蝕過程中不會對柵極下方的Al2O3薄膜造成損傷, 但是同樣會刻蝕Mo 金屬膜, 影響柵極薄膜的質(zhì)量. 為此實驗中選擇了使用化學(xué)方法來去除真空溝道中的Al2O3薄膜, 并采用分步腐蝕. 光電陰極組件在氫氟酸和氟化銨混合溶液中每腐蝕30 s, 對真空溝道內(nèi)Al2O3的殘余量進行一次觀察. 從圖2 中可看出, 雖然真空溝道內(nèi)有少部分Al2O3殘留, 但是真空溝道邊緣較為完整平滑. 進一步進行化學(xué)腐蝕時, 將會腐蝕柵極薄膜下方的Al2O3, 對組件結(jié)構(gòu)造成損傷.

使用532 nm 連續(xù)激光器對光電陰極的電子發(fā)射特性進行測試, 陰極組件在不同功率的激光光束照射下的直流發(fā)射特性如圖3 所示. 柵極電壓為25 V時, 真空溝道內(nèi)的最大電場強度為1.6 ×106V/cm, 低于場發(fā)射陰極所需的電場強度, 降低了陰極組件中發(fā)生擊穿和打火的概率. 隨激光光束功率和陰極組件的工作電壓增加, 陰極組件的發(fā)射電流均逐漸增大. 但是當(dāng)激光功率較大時, 隨著組件工作電壓增大, 發(fā)射電流增長幅度逐漸變大. 激光功率為1和5W時, 陰極組件的發(fā)射電流分別為2.54 和26.12 mA, 陰極發(fā)射電流密度分別為0.52 和5.33 A/cm2, 對應(yīng)的光譜響應(yīng)分別為和5.22 mA/W, 量子效率分別為0.59%和1.22%.

圖3 不同功率的激光光束照射下光電陰極組件的直流發(fā)射特性Fig. 3. DC emission characteristics of photocathode module with different laser bean power.

在陰極電子發(fā)射特性測試過程中, 當(dāng)激光光束照射到陰極組件上時, 陰極的發(fā)射電流并非直接到達一個相對穩(wěn)定的數(shù)值, 而是隨測試時間增加, 電流逐漸增大, 最終到達一個穩(wěn)定值, 持續(xù)時間約為20 min. 這是由于陰極材料為半導(dǎo)體材料, 激光光束的能量密度較大, 對陰極組件具有一定的加熱作用. 隨著GaAs 晶體溫度增加, 晶體內(nèi)的載流子濃度增大, 其電導(dǎo)率也相應(yīng)地增大, 提高了負極對陰極材料內(nèi)電子的補充效率, 此時負極對真空溝道附近區(qū)域的補充電流逐漸增大. 另外, 隨著GaAs 晶體材料內(nèi)電流增加, 電子與晶格碰撞的次數(shù)也大幅度增大, 因碰撞而損失的能量將轉(zhuǎn)化為晶體的內(nèi)能, 進一步提高陰極的溫度. 所以才出現(xiàn)了光束功率和陰極組件工作電壓越高, 陰極的發(fā)射電流就越大這一現(xiàn)象.

為了驗證溫度對陰極性能的影響, 分別測試了不同溫度條件下陰極電子發(fā)射特性. 測試過程中,激光光束功率為3 W, 波長為532 nm, 陰極組件的溫度分別為室溫、200 ℃和400 ℃, 測試結(jié)果如圖4 所示. 測試過程中, 隨著陰極組件溫度升高,陰極發(fā)射電流到達穩(wěn)定值所需時間逐漸增大. 為了避免測試電流過大對陰極組件造成損傷, 三次測試的最大電流和電壓分別為27.49 mA@40 V,78.22 mA@35 V 和89.69 mA@26 V. 由此可知,工作溫度對光電陰極組件的電子發(fā)射特性存在較大程度的影響, 光電陰極組件發(fā)射連續(xù)電子束時需要對陰極組件的工作溫度進行適當(dāng)控制. 同時提高陰極工作溫度也成了提高光電陰極組件電子發(fā)射電流的有效途徑.

圖4 不同溫度條件下光電陰極組件的直流發(fā)射特性Fig. 4. DC emission characteristics of photocathode module with different temperature.

實驗中所用的光電陰極材料為GaAs 襯底材料, 入射光可被襯底材料完全吸收, 除發(fā)射到真空的電子所攜帶的小部分能量外, 大部分能量轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能. 即光電陰極工作過程中, 只有距陰極表面的距離小于電子擴散長度的光激發(fā)電子才能運動到陰極材料表面, 參與陰極電子發(fā)射. 而距陰極表面距離大于電子擴散長度的電子最終將躍遷至導(dǎo)帶, 而無法參與陰極電子發(fā)射, 其能量也會轉(zhuǎn)化為陰極的內(nèi)能.

在強光照條件下, 光電陰極材料的最優(yōu)厚度完全依賴于陰極材料的電子擴散長度. 當(dāng)光電陰極材料為薄膜材料且襯底為透光率較高的材料時, 光電轉(zhuǎn)換過程僅存在于陰極薄膜內(nèi), 襯底材料將不再是熱源, 陰極組件的熱量傳導(dǎo)方向為自陰極薄膜向襯底方向. 在此條件下, 陰極薄膜的溫度可迅速達到平衡狀態(tài), 也使陰極的發(fā)射電流在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài).

真空溝道結(jié)構(gòu)GaAs 光電陰極組件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)GaAs 光電陰極組件結(jié)構(gòu)存在較大的差異, 傳統(tǒng)光電陰極表面吸附著單層的Cs/O 激活原子, 強光工作環(huán)境和離子轟擊過程中, Cs 和O 原子會迅速從陰極表面脫附, 導(dǎo)致陰極性能衰減. 而在真空溝道結(jié)構(gòu)GaAs 光電陰極組件中, 除部分陰極材料暴露于真空溝道外, 其他部分被Al2O3和Mo 金屬層覆蓋. 由于真空溝道結(jié)構(gòu)占整個陰極組件面積的比例比較小, 所以離子轟擊到陰極材料表面的幾率也相應(yīng)地會降低. 因此在陰極工作過程中, 大部分離子會轟擊到Mo 金屬膜上, 對陰極材料起到一定的保護作用. 由于GaAs 晶體表面不存在激活原子,當(dāng)部分離子轟擊到GaAs 晶體表面時, 不會造成陰極性能大幅度衰減. 即使部分GaAs 晶體在離子轟擊作用下出現(xiàn)破損, 只要陰極組件中仍有足夠厚度的GaAs 晶體可吸收入射光, 陰極組件的性能就不會衰減.

為了研究光電陰極電子發(fā)射特性的穩(wěn)定性, 開展了陰極壽命測試實驗. 實驗中連續(xù)激光光束功率為3.5 W, 波長為532 nm, 柵極電壓為15 V. 測試時間為144h, 測試結(jié)果如圖5 所示, 雖然測試過程中陰極發(fā)射電流出現(xiàn)波動, 但是發(fā)射電流并未出現(xiàn)衰減, 陰極發(fā)射電流基本保持在4.5 ± 0.3 mA.造成陰極發(fā)射電流變化的主要原因是激光器長時間工作過程中光束功率穩(wěn)定性變差, 光束功率范圍為3.0 ± 0.1 W. 由此可推斷, 如果激光器可提供功率穩(wěn)定的光束, 真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的發(fā)射電流.

圖5 光電陰極組件壽命測試曲線Fig. 5. The lifetime test curve of photocathode module.

另外對光電陰極組件進行了貯存實驗, 高溫貯存溫度為85 ℃,時間為48h, 低溫貯存溫度為–55 ℃,時間為24 h. 在貯存期間陰極組件封裝在玻殼中且為非工作狀態(tài), 實驗前激光光束功率為2.8 W, 電源電壓為15 V時, 陰極的發(fā)射電流為5.50 mA. 經(jīng)高溫和低溫貯存后, 相同測試條件下陰極的發(fā)射電流分別為5.63 和5.68 mA. 雖然在貯存實驗前后陰極發(fā)射電流出現(xiàn)變化, 但是發(fā)射電流并未出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象.

上述實驗所用陰極組件的真空溝道為1 ×100 的陣列式結(jié)構(gòu), 單個真空溝道的尺寸為700 μm ×3 μm × 0.4 μm, 使用CST 對上述陰極組件的電子發(fā)射特性進行仿真模擬. 建立的仿真模型如圖6所示, 絕緣層和柵極的厚度為0.4 μm, 陽極距陰極之間的距離為30 μm. 柵極和陽極電壓分別為100 和1000 V. 陰極組件發(fā)射電子束中橫向截面電子分布如圖7 所示, 由于陰極組件發(fā)射的電子均源于真空溝道區(qū)域, 所以陰極發(fā)射的電子束形狀與真空溝道結(jié)構(gòu)形狀相似. 隨距柵極距離增加, 電子束中的電子將趨于均勻分布. 由此可知, 可通過改變真空溝道結(jié)構(gòu)的方式, 來獲得不同形狀的電子束,如圓形電子束、橢圓形電子束或帶狀電子束等.

圖6 長方形真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極仿真模型, 1 為陰極材料, 2 為絕緣層, 3 為柵極, 4 為陽極Fig. 6. Simulation model of photocathode module with rectangular vacuum channel. Symbol 1, 2, 3 and 4 are photocathode material, insulation, grid electrode and positive electrode, respectively.

圖7 長方形真空溝道結(jié)構(gòu)陰極組件電子束中橫向截面電子分布Fig. 7. Electronic distribution of lateral interface of photocathode module electron beam with rectangular vacuum channel.

圖8 圓形真空溝道結(jié)構(gòu)陰極組件電子發(fā)射特性仿真(a)結(jié)構(gòu)模型; (b)橫向截面中電子分布, 1 為陰極材料,2 為絕緣層, 3 為柵極Fig. 8. Simulation of electronic emission characteristics of photocathode module with circular vacuum channel:(a) Structure model; (b) electronic distribution of lateral interface. Symbol 1, 2 and 3 are photocathode material, insulation, and grid electrode, respectively.

柵極電壓為100 V時, 陰極材料表面電場強度的峰值達到2.5 × 106V/cm, 陰極組件的平均發(fā)射電流密度達到21.3 A/cm2. 將柵極電壓增加至150 V時, 陰極組件的平均發(fā)射電流密度可達到65.7 A/cm2. 通過計算仿真, 柵極與絕緣層的總厚度h與真空溝道寬度l的比值為0.5時, 陰極組件的發(fā)射電流密度達到最大值, 即柵極電壓為100V時, 發(fā)射電流密度達到115.9 A/cm2. 當(dāng)h/l值遠小于0.5時, 真空溝道中心位置的電場強度最低, 此時在陰極材料表面僅在靠近真空溝道邊緣的區(qū)域才存在電子發(fā)射, 如圖7所示. 隨h/l值逐漸增大, 真空溝道中心位置的電場強度逐漸增強, 陰極材料表面參與電子發(fā)射的區(qū)域面積逐漸增大, 陰極的電子發(fā)射能力也相應(yīng)地逐漸增強. 但是當(dāng)h/l值大于0.5時, 真空溝道結(jié)構(gòu)對柵極所提供的電場產(chǎn)生了屏蔽作用, 其影響最嚴(yán)重的區(qū)域為陰極材料表面靠近真空溝道邊緣的位置. 隨h/l值增加, 其影響區(qū)域逐漸向真空溝道的中心位置擴大.當(dāng)h/l值約為2時, 陰極組件幾乎喪失電子發(fā)射能力. 因此,h/l值和柵極電壓均影響著陰極組件的電子發(fā)射能力, 優(yōu)化陰極組件的真空溝道結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作條件可有效提高陰極組件的電子發(fā)射能力.

目前常用的真空器件中電子束的形狀為圓形,為此使用仿真軟件建立的圓形真空溝道結(jié)構(gòu)的光電陰極組件, 對其發(fā)射電子束的形狀進行仿真, 如圖8(a)所示. 其中絕緣層和柵極的厚度分別為150 和250 nm, 中心部分圓形溝道區(qū)域直徑為5 μm,柵極寬度為1 μm, 外部環(huán)形溝道內(nèi)徑為9 μm, 外徑為12 μm. 陽極距陰極之間的距離為30 μm. 計算過程中柵極電壓為100 V, 陽極電壓為1000 V,計算結(jié)果如圖8(b). 由于連接中心圓形溝道和外部溝道的柵極所覆蓋的位置未產(chǎn)生電子發(fā)射, 所以在電子束中電子的分布呈近似圓形分布. 為了完善陰極發(fā)射電子束的形狀, 光電陰極真空溝道結(jié)構(gòu)可采用場發(fā)射陰極的獨立式圓形溝道結(jié)構(gòu)進行設(shè)計. 然后根據(jù)所需的電子束形狀, 對獨立式圓形溝道的陣列結(jié)構(gòu)進行合理調(diào)整, 即可獲得電子分布較為均勻的電子束.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了真空溝道結(jié)構(gòu)的光電陰極組件, 并通過覆膜和刻蝕工藝制備了光電陰極組件, 并對陰極組件的電子發(fā)射特性進行了測試. 測試結(jié)果顯示真空溝道結(jié)構(gòu)光電陰極可在強光照條件下正常工作, 隨入射光功率增加, 陰極的發(fā)射電流密度逐漸增加, 其發(fā)射電流達到了毫安量級. 通過陰極組件溫度試驗可知, 陰極組件溫度較大程度上影響著陰極的電子發(fā)射特性, 隨陰極工作溫度增加, 陰極發(fā)射電流密度出現(xiàn)大幅度增長. 通過陰極組件電子發(fā)射壽命試驗和高低溫貯存試驗可知, 真空溝道結(jié)構(gòu)的光電陰極組件具有較為穩(wěn)定的電子發(fā)射特性和環(huán)境適應(yīng)性. 使用CST 仿真軟件對真空溝道結(jié)構(gòu)陰極組件的電子發(fā)射特性進行了仿真, 結(jié)果顯示可通過調(diào)節(jié)真空溝道結(jié)構(gòu)來改變陰極組件發(fā)射電子束形狀. 真空溝道結(jié)構(gòu)的光電陰極發(fā)射電流可滿足部分太赫茲真空器件對陰極發(fā)射束流的要求, 可為太赫茲真空器件及大科學(xué)裝置中電子源設(shè)計提供參考.