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InGaAs光电阴极制备工艺中的原位光电子能谱.docx
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InGaAs光电阴极制备工艺中的原位光电子能谱.docx
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1 引言
InGaAs 材料由于在近红外波段具有光谱响应范围可调的独特优势,在条纹变像管、短波红
外焦平面探测器、单光子探测器、光伏电池、量子阱激光器等器件的研制中具有重要的应
用
[1-5]
。负电子亲和势光电阴极由于具有量子效率高、暗电流小、电子发射能量集中分布等
优点,被广泛用于微光夜视、高能物理和空间遥感等领域
[6-8]
。在 InGaAs 光电阴极的制备工
艺中,阴极表面需要经过适当的激活,通过降低表面势垒高度来达到负电子亲和势(NEA)状
态,而表面的洁净程度是影响阴极激活成功与否的关键
[9]
。现阶段,InGaAs 光电阴极表面净
化工艺值得继续深入研究。阴极表面净化可以分为化学清洗和高温净化两步
[10]
。化学清洗
不能完全去除阴极材料表面的自然氧化物和碳污染物,需要通过后续的高温净化工艺使表面
残留的碳污染物和氧化物在受热时从表面脱附,获得原子级清洁表面状态
[11-12]
。因此,高温净
化中温度点的选取显得尤为重要,要求该加热温度点既能使样品表面所有的杂质发生脱附,
又要确保此条件下 InGaAs 样品的表面结构和表面元素不被破坏
[13-14]
。
本文利用自研的光电阴极制备与表征超高真空互联系统
[15-16]
,在超高真空环境下对化学清洗
后的 InGaAs 样品进行不同加热温度点下的高温净化,以确定最佳高温净化温度后再进行表
面 Cs/O 激活
[17-18]
。通过扫描聚焦 X 射线光电子能谱技术(XPS)检测 InGaAs 样品表面的化
学元素成分和含量,分析对比不同加热温度点下表面的洁净程度和化学态,结合紫外光电子
能谱技术(UPS)研究高温净化对样品表面功函数的影响,综合确定最佳高温净化温度。此外,
利用 XPS 和 UPS 探索激活前后阴极表面的变化情况,以验证高温净化工艺和 Cs/O 激活工
艺提高 InGaAs 光电阴极近红外光电发射性能的效果。
2 实验
自研的光电阴极制备与表征超高真空互联系统主要包括表面分析系统、超高真空激活系
统、预处理系统和多信息量在线监测控制系统,能够实现高温净化或者对表面激活的阴极样
品在超高真空环境下的原位表面分析,避免样品暴露于大气受到二次污染,从而大大提高了
实验的可靠性。实验采用的 In
x
Ga
1-x
As 阴极材料是以 GaAs 为衬底,采用金属有机化学气相
沉积外延生长,从衬底到表面 x 呈现 0.05~0.2 的线性变化。本文使用的表面分析系统是由
ULVAC-PHI 公司生产的 PHI5000 VersaProbe Ⅱ型 XPS,同时还装配了紫外线光源。XPS
采用的是单色铝靶(Al-Kα)的扫描聚焦 X 射线源(激发源的能量 hν=1486.6 eV)。XPS 进行
元素谱分析时,通过能设置为 58.7 eV,能量步长设置为 0.125 eV,进行分析时要保证系统本
底真空度在 1×10
-7
Pa 以上,以样品表面污染碳的 C1s 峰(284.8 eV)为标准,校准其余元素峰
的位置。进行 UPS 分析时,采用能量为 21.2 eV 的 HeI 紫外激发源,通过能设置为 1.175
eV,能量步长设置为 0.04 eV。
实验采用 6 个尺寸为 11 mm×11 mm 的 InGaAs 样品,样品均为由直径为 2 inch(1
inch=2.54 cm)、厚度为 350 μm 的单晶圆片切割得到,将其分别记为样品 a、样品 b、样品
c、样品 d、样品 e 和样品 f。对样品 a~f 均先进行紫外臭氧清洗,然后进行脱脂清洗,最后使
用体积比为 1∶10 的盐酸和异丙醇混合溶液刻蚀 10 min
[19-21]
。将化学清洗后的样品送入表
面分析系统,进行 XPS 分析,然后通过磁力传输杆将样品送入激活系统腔体,进行高温净化实
验。加热程序设置为:从室温上升到 200 ℃用时 5 min,从 200 ℃上升到最高温度点用时 60
min,在最高温度点维持 20 min,从最高温度点降温到 200 ℃用时 40 min,最后待样品温度自
然下降至室温。实验中样品 a~f 的最高加热温度点分别设置为
500,525,550,575,600,625 ℃。待每个样品冷却至室温后,均进行 XPS 和 UPS 分析。通过
对比表面分析结果,确定 InGaAs 样品的最佳净化温度,然后对其表面进行 Cs、O 激活。激
活采用 Cs 源持续、O 源断续的方法
[17]
,使用的 Cs 源、O 源均为固态源,光源为电压为 12
V、功率为 100 W 的卤素灯。激活过程中通过激活监测控制系统实时采集光电流,在首次
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