高真空系統(tǒng)氣體成分對GaAs光電陰極穩(wěn)定性的影響

鄔昊宇，郭 欣，干林于，陳 鵬，徐志鋒，劉 暉，焦崗成，朱宇峰，任雨田

高真空系統(tǒng)氣體成分對GaAs光電陰極穩(wěn)定性的影響

鄔昊宇1,2，郭 欣1,2，干林于1,2，陳 鵬1,2，徐志鋒1,2，劉 暉1,2，焦崗成1,2，朱宇峰1,2，任雨田1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

GaAs光電陰極以其量子效率高、光譜可調(diào)等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于微光夜視領(lǐng)域，尤其以高積分靈敏度的特性區(qū)別于多堿光電陰極，而GaAs光電陰極負(fù)電子親合勢的特性是通過Cs，O激活實現(xiàn)的，但是激活結(jié)束后，負(fù)電子親合勢的維持受諸多因素影響，如激活源、激活方式、氣體氛圍等。為了探究超高真空系統(tǒng)中影響GaAs光電陰極穩(wěn)定性的因素，開展了GaAs光電陰極的激活實驗和穩(wěn)定性實驗，對激活光電流曲線與腔室氣體成分進(jìn)行了監(jiān)測，實驗結(jié)果表明，在真空度優(yōu)于1×10－6Pa的高真空系統(tǒng)中，影響其穩(wěn)定性的是腔室中的氣體成分，其中對穩(wěn)定性影響最大的是H2O，真空系統(tǒng)中H2O分壓的增加會導(dǎo)致GaAs光電陰極的Cs，O激活層迅速破壞，光電發(fā)射能力急劇下降。

GaAs光電陰極；穩(wěn)定性；氣體成分；Cs,O激活

0 引言

負(fù)電子親合勢（negative electron affinity, NEA）透射式GaAs光電陰極因其高量子效率、快響應(yīng)、光譜響應(yīng)可調(diào)等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于微光探測、太陽能電池領(lǐng)域，但是NEA GaAs光電陰極的使用壽命一直未能取得突破性進(jìn)展，這對其在真空器件中的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了很大的限制[1]。NEA GaAs光電陰極的使用壽命主要表現(xiàn)為其光電發(fā)射穩(wěn)定性，激活穩(wěn)定性的直接表現(xiàn)是激活結(jié)束后，光電流的持續(xù)衰減，而導(dǎo)致光電流持續(xù)衰減的因素主要有兩個，其一是表面Cs/O的脫附與吸附、第二個就是腔室內(nèi)的氣體成分[2]。究竟是表面Cs的脫附還是O的吸附，有研究人員通過對光電流大幅衰減后的NEA GaAs光電陰極進(jìn)行重新Cs化實驗發(fā)現(xiàn)，在光電流持續(xù)衰減后，進(jìn)行重新Cs化，光電流很快就可以恢復(fù)到一個較高的水平，也就是說此時的激活層表面處于缺Cs狀態(tài)[3]。而且腔室內(nèi)氧氣的含量極低，四極質(zhì)譜儀檢測發(fā)現(xiàn)在激活結(jié)束后腔室內(nèi)氧氣的含量明顯低于H2O、CO、CO2等其他氣體的含量，因此對光電流的衰減起主導(dǎo)作用的應(yīng)該是Cs的脫附，O吸附的可能性較小，文獻(xiàn)[4]中對真空環(huán)境的氣體成分分析結(jié)果也表明殘余氧氣含量極低。本文將主要從腔室內(nèi)氣體成分探究影響GaAs光電陰極激活穩(wěn)定性的因素。

1 實驗

NEA GaAs光電陰極的制備主要依靠圖1中的設(shè)備完成，首先將GaAs光電陰極進(jìn)行高溫?zé)崆逑?，使GaAs光電陰極激活層達(dá)到原子級潔凈表面，隨后在光照下，對GaAs光電陰極進(jìn)行Cs、O激活，構(gòu)建表面Cs-O激活層，監(jiān)測光電流變化情況，直到光電流不再增長，則認(rèn)為此時GaAs光電陰極達(dá)到了最佳的負(fù)電子親合勢狀態(tài)，同時本設(shè)備通過四極質(zhì)譜儀對腔室氣體成分進(jìn)行監(jiān)控，可以同時監(jiān)控激活腔室的氣體成分變化與GaAs光電陰極的光電流變化，直觀反映GaAs光電陰極的激活穩(wěn)定性。

本文主要進(jìn)行了GaAs光電陰極的激活實驗與穩(wěn)定性表征，對激活腔室的氣體分壓變化所帶來的GaAs光電陰極穩(wěn)定性差異著重開展了對比試驗，以探究腔室氣體成分對GaAs光電陰極穩(wěn)定性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cs、O激活分析

GaAs光電陰極Cs、O激活原理如圖2所示，經(jīng)過高溫?zé)崆逑春螅珿aAs光電陰極達(dá)到了原子級潔凈表面，Cs、O吸附后，功函數(shù)快速下降，電子更加容易逸出，GaAs光電陰極達(dá)到了負(fù)電子親合勢的狀態(tài)，其激活層表面處于良好的Cs、O平衡狀態(tài)，其功函數(shù)處于最低水平，GaAs光電陰極量子效率達(dá)到最高。

如圖3所示為高溫?zé)崆逑春驡aAs光電陰極進(jìn)行Cs、O激活的光電流曲線，本實驗采用Yo-Yo激活法，使用Cs持續(xù)O斷續(xù)的方式進(jìn)行Cs、O交替，激活的光電流隨著交替的進(jìn)行逐漸升高，直到光電流不再增長，激活停止[5]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在Cs，O源關(guān)閉后，光電流呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢，在15min內(nèi)光電流衰減幅度達(dá)到了10%，這主要是由表面激活層Cs脫附與腔室中有害氣體成分的吸附所導(dǎo)致的，接下來對腔室氣體成分進(jìn)行分析，探究影響GaAs光電陰極穩(wěn)定性的具體氣體成分。

圖1 透射式GaAs光電陰極激活與氣體成分監(jiān)測裝置

圖2 透射式GaAs光電陰極Cs,O激活機(jī)理圖

圖3 GaAs光電陰極Cs,O激活光電流曲線

2.2 腔室氣體成分分析

文獻(xiàn)[4]中作者認(rèn)為陰極所處環(huán)境的真空度對陰極穩(wěn)定性有很大的影響，低真空環(huán)境下陰極穩(wěn)定性極差，那么影響陰極穩(wěn)定性的究竟是腔室的真空度還是腔室內(nèi)的其他氣體成分，我們展開了以下探究。記錄了3次實驗引起的真空度變化，實驗1（向真空腔室充入微量H2真空度由7×10－8Pa下降到4×10－6Pa）；實驗2（向真空腔室充入微量H2、N2真空度由7×10－8Pa下降到9×10－8Pa）；實驗3（向真空腔室充入微量H2、N2、H2O真空度由7×10－8Pa下降到6×10－7Pa）。可以發(fā)現(xiàn)，激活腔室真空壓強均有所上升，上升的幅度為實驗1＞實驗3＞實驗2。除真空度外，我們對激活室的氣體成分進(jìn)行了監(jiān)測，其中主要選取了激活腔室中常見的幾種氣體成分（H2、H2O、N2、O2、CO2、Ga、As）進(jìn)行了監(jiān)測，如圖4為四極質(zhì)譜儀監(jiān)測真空腔室氣體分壓曲線與結(jié)束激活的光電陰極光電流變化曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)N2、H2O、O2、CO2、Ga、As分壓均無明顯變化時，H2的分壓上升未引起光電流曲線發(fā)生明顯變化；H2O、O2、CO2、Ga、As分壓均無明顯變化時，H2、N2的分壓上升未引起光電流曲線發(fā)生明顯變化；而O2、CO2、Ga、As分壓均無明顯變化時，H2、N2、H2O的分壓上升直接導(dǎo)致了光電流曲線快速衰減。下文將聯(lián)系真空度與氣體成分對GaAs光電陰極的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 激活穩(wěn)定性分析

我們將激活完畢的GaAs光電陰極置于激活腔室中，并持續(xù)監(jiān)測其光電流變化。對不同氣體分壓提升后GaAs光電陰極的光電流變化進(jìn)行了對比，如圖5所示。在2.2節(jié)我們得到了真空壓強上升的幅度為實驗1（H2分壓提升）＞實驗3（H2、N2分壓提升）＞實驗2（H2、N2、H2O分壓提升），參照表1三組實驗分別由上而下對應(yīng)圖5中3條曲線，可以發(fā)現(xiàn)GaAs光電陰極的穩(wěn)定性最佳的是實驗1，其次是實驗2，最差的是實驗3，這與真空壓強變化幅度無法對應(yīng)，按照傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為真空度越差，GaAs光電陰極穩(wěn)定性越差，但是實驗1真空壓強由10－8數(shù)量級下降到10－6數(shù)量級，而實驗3真空壓強僅下降到10－7數(shù)量級，但實驗1中GaAs光電陰極顯著優(yōu)于實驗3。由此可以得出結(jié)論，在真空度優(yōu)于1×10－6Pa量級的條件下，真空系統(tǒng)中氣體成分是影響光電陰極激活穩(wěn)定性的直接原因[6]。

圖5 光電流曲線穩(wěn)定性對比

通過2.2節(jié)得到的腔室氣體成分變化，我們發(fā)現(xiàn)在H2、N2分壓提升時對GaAs光電陰極的穩(wěn)定性未產(chǎn)生明顯影響，而H2、N2、H2O的分壓提升后，圖4(c)插圖中可以看到，H2O分壓達(dá)到4×10－12Pa，對GaAs光電陰極的穩(wěn)定性產(chǎn)生了極大的損傷，其光電流在幾分鐘內(nèi)衰減幅度達(dá)到了80%，對比二者氣體成分的變化我們發(fā)現(xiàn)H2O是影響GaAs光電陰極的穩(wěn)定性的主要原因。由于H2O的吸附導(dǎo)致激活層表面Cs、O平衡狀態(tài)被迅速打破，功函數(shù)上升，GaAs光電陰極的光電發(fā)射效率急劇下降。因此去除真空系統(tǒng)中H2O的含量可以有效提升GaAs光電陰極的穩(wěn)定性，主要途徑可以通過高溫烘烤與鈦升華泵，高溫烘烤主要使用200℃以上的高溫對真空腔室進(jìn)行烘烤以促進(jìn)真空系統(tǒng)中H2O的排出，而鈦升華泵依靠鈦膜對真空系統(tǒng)的H2O進(jìn)行掩埋，兩者均可達(dá)到降低高真空系統(tǒng)H2O分壓的效果，以提升GaAs光電陰極的穩(wěn)定性[7]。

3 結(jié)論

本文通過對Cs,O激活后的NEA GaAs光電陰極進(jìn)行持續(xù)的光電流監(jiān)測，同時對腔室真空度與氣體成分監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在真空壓強優(yōu)于1×10－6Pa時，氣體成分對GaAs光電陰極穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。其中H2、N2對GaAs光電陰極穩(wěn)定性無明顯負(fù)面效果，而H2O對GaAs光電陰極穩(wěn)定性起到了顯著的破壞作用，這是由于H2O的吸附導(dǎo)致激活層表面Cs、O平衡狀態(tài)被打破，功函數(shù)上升所導(dǎo)致的，因此去除真空系統(tǒng)中H2O的含量可以有效提升GaAs光電陰極的穩(wěn)定性，主要途徑可以通過高溫烘烤與鈦升華泵。

[1] Belghachi A, Helmaoui A, Cheknane A. High efficiency all‐GaAs solar cell[J]., 2010, 18(2): 79-82.

[2] Mitsuno K, Masuzawa T, Hatanaka Y, et al. Activation process of GaAs NEA photocathode and its spectral sensitivity[C]//3, 2016: 163-166.

[3] LIU L, DIAO Y, XIA S. Impact of gas adsorption on the stability and electronic properties of negative electron affinity GaAs nanowire photocathodes[J]., 2020, 572: 297-305.

[4] Wada T, Nitta T, Nomura T, et al. Influence of exposure to CO, CO2and H2O on the stability of GaAs photocathodes[J]., 1990, 29(10R): 2087.

[5] ZOU J, CHANG B, YANG Z, et al. Evolution of surface potential barrier for negative-electron-affinity GaAs photocathodes[J]., 2009, 105(1): 013714.

[6] DIAO Y, LIU L, XIA S. Theoretical analysis and modeling of photoemission ability and photoelectric conversion characteristics of GaAs nanowire cathodes based on photon-enhanced thermionic emission[J]., 2019, 194: 510-518.

[7] Chanlek N, Herbert J D, Jones R M, et al. The degradation of quantum efficiency in negative electron affinity GaAs photocathodes under gas exposure[J].:, 2014, 47(5): 055110.

Influence of Chamber Gas Composition on the Stability of GaAs Photocathode

WU Haoyu1,2，GUO Xin1,2，GAN Linyu1,2，CHEN Peng1,2，XU Zhifeng1,2，LIU Hui1,2，JIAO Gangcheng1,2，ZHU Yufeng1,2，REN Yutian1,2

(1.,710065,; 2.,650223,)

GaAs photocathodes are widely used in low-light night vision owing to their high quantum efficiency and adjustable spectra. In particular, they are distinguished from multi-alkali photocathodes based on their high integration sensitivity. The negative electron affinity of GaAs photocathodes is determined through Cs, and O activation is achieved. However, after activation, the maintenance of negative electron affinity is affected by many factors, such as the activation source, activation method, and gas atmosphere. To explore the factors that affect the stability of GaAs photocathodes in ultra-high vacuum systems, an activation and stability experiment was performed with a GaAs photocathode. The activation photocurrent curve and gas composition in a chamber were monitored. The experimental results show that in a high-vacuum system with vacuum degree less than 1×10-6Pa, the stability of the GaAs photocathode was not directly affected by the degree of vacuum but by the gas composition in the chamber. Among these, H2O had the greatest impact on stability. The increase in the H2O partial pressure in the vacuum system rapidly destroyed the Cs and O activation layers of the GaAs photocathode and dramatically reduced the photoemission.

GaAs photocathode, stability, gas composition, Cs,O activation

TN233

A

1001-8891(2022)08-0824-04

2021-11-03；

2021-12-02.

鄔昊宇（1996-），男，山西忻州人，碩士，主要從事三代微光像增強器總裝集成方面的研究工作。E-mail: 17636471316@163.com。