电驱动变带隙AlGaAs/GaAs NEA阵列电子源发射机理及制备工艺研究

The active layer materials used in photocathode electron sources are thin film materials. The electrons emitted into vacuum in these electron sources are excited by photons. To satisfy the urgent demand for new electron sources in application fields, such as electron beam lithography and synchrotron radiation light source, we design a new graded band-gap AlGaAs/GaAs wire-array NEA electron source driven by electrical current, in which the electrons (non-equilibrium carriers) emitted into vacuum are injected by applied voltage instead of light. In this project, the working mechanism, band structure, and electronic transport properties of a NEA electron source driven by electrical current will be investigated. Based on these investigations, we will establish an electron emission theory model for this electron source and then use the model to design and simulate the structure of electron sources. The graded band-gap AlGaAs/GaAs wire array will be fabricated by epitaxy and etching processes. The AlGaAs/GaAs wire-array NEA electron source will be prepared in an ultra-high vacuum activation chamber. Based on comparative analysis of these experimental and theoretical results, we will optimize the material parameters and fabrication process of electron sources, and finally achieve a wire-array NEA electron source driven by electrical current. The idea of this project combines photoemission technology and microelectronic technology, which is a breakthrough in the design of photocathode electron sources and provides a new approach to emit electrons. This research work will have important significance for enriching the electron emission theory and extending the application fields of electron sources.

目前光阴极电子源发射层均为薄膜结构，通过光注入来形成电子发射，为了满足电子束曝光、同步辐射光源等应用领域对新型电子源的迫切需求，本项目提出了一种电驱动变带隙AlGaAs/GaAs NEA阵列电子源，该电子源可利用晶体管驱动实现无需光照的电注入电子发射。本项目拟通过电驱动NEA电子源工作机理、能带结构以及电子输运特性的研究，建立电子源发射理论模型；采用模型进行器件参数设计，再利用外延生长与干法刻蚀相结合的方法制备变带隙AlGaAs/GaAs阵列，并在超高真空系统中进行激活；通过实验与理论结果的对比分析，对电子源材料参数与制备工艺进行优化，最终得到具有电驱动发射功能的变带隙AlGaAs/GaAs NEA阵列电子源。本项目设计思想融合了电子发射技术和微电子技术，是对现有光阴极电子源设计思想的一次突破，开辟了一条发射电子的新途径，对于丰富电子源类型和电子发射理论，拓展其应用领域具有积极意义。

电子源是一种被广泛应用于真空微波器件、X射线管、电子显微镜、质谱仪、电子加速器等领域的电子发射器件。电注入阴极作为一种以电驱动方式实现电子发射的新型阴极，它无需复杂的光源系统，可由电信号灵活控制电子束脉冲结构和发射电流密度。鉴于电注入电子源的重要科学意义及应用价值，本项目深入开展了电注入AlGaAs/GaAs NEA阵列电子源的理论与实验研究工作。通过研究电注入阴极工作机理，建立了电注入阴极的理论模型，并利用有限体积法对电子发射性能进行了数值求解及仿真，得到了变带隙AlGaAs/GaAs外延层参数和发射阵列参数的最佳范围。仿真结果表明变带隙P-AlGaAs层中内建电场可提高电注入阴极的发射电流效率；P-AlGaAs层中Al组分小于N-AlGaAs层中Al组分的设计可抑制空穴电流，发射电流效率最高可达25.9%，当驱动电压为3V时，发射电流密度理论值高达50.4μA⁄[μm]^2 。通过阴极结构的优化，降低了基极电极工艺的难度，提高了电子输运效率。探索了具有耐高温性能的电子源电极材料，重点研究了Ag及Ti/Pt/Au薄膜作为电子源电极材料的特性，发现Ag薄膜电极样品在真空系统中经600℃以上高温热处理后样品的PN异质结特性被破坏，通过TOF-SIMS发现是Ag原子往体内的扩散造成了PN结的失效，而在同样热处理条件下，Ti/Pt/Au薄膜电极则具有很好的热稳定性，为电注入阴极基极电极的较佳材料。在真空探针台中，开展了电注入电子源电子发射性能的模拟实验测试，测试结果与仿真结果吻合。在超高真空系统中成功进行了电注入阴极电子源的激活实验。综合上述研究内容，电注入阴极电子源在理论研究、电极制备和模拟性能测试等方面取得了突破，在阴极激活实验方面取得了初步成功，但发射效率还需通过进一步研究来提升。电注入NEA电子源在新一代电子束曝光机、电子束平面显示、电子显微镜、电子加速器和同步辐射光源等高端仪器设备及大型科学装置中都具有很好的应用前景。