Ⅲ-Ⅴ族半导体负电子亲和势( NEA)光电阴极智能激活测试系统是为研究、制备 NEA光电阴极材料提供的一个多信息实验数据自动采集和处理平台。它的亮点在于：在该系统上不但能完成 GaAs NEA光电阴极激活, 而且能进行 GaN NEA光电阴极激活的研究。其使用波长范围已从初级研究的 400～1000 nm延展到了 200～1000 nm, 即从红外延伸到紫外区域, 所能制备的材料也从第二代半导体材料扩大到了第三代半导体及新型半导体材料。在线实时测试信息量更丰富、更智能、自动化程度更高, 是Ⅲ-Ⅴ族半导体 NEA光电阴极制备、测控、数据采集与处理、表征的新一代系统。

利用分子束外延生长了三种结构的反射式 GaAs光电阴极, 其中一种为传统结构的反射式 GaAs光电阴极, 另外两种为具有 GaAlAs缓冲层的均匀掺杂和梯度掺杂反射式 GaAs光电阴极。激活后的光谱响应测试结果表明, 与传统结构的反射式 GaAs光电阴极相比, 具有 GaAlAs缓冲层的均匀掺杂反射式 GaAs光电阴极的长波响应更好, 而具有 GaAlAs缓冲层的梯度掺杂反射式 GaAs光电阴极相比其它结构的反射式 GaAs光电阴极能够获得更好的光电发射性能, 光谱响应曲线更平坦, 拟合光谱响应曲线结果表明其电子扩散长度和电子表面逸出几率都得到了增加, 从而具有更高的积分灵敏度和长波响应。

对GaN的结构性质进行了介绍，研究了NEA GaN光电阴极的制备方法，利用MOCVD生长了p型掺杂浓度为1.6×1017cm－3发射层厚度150nm的GaN样品，在进行了GaN表面净化处理得到原子级清洁表面后，在超高真空系统中对GaN光电阴极进行了Cs/O激活，获得了NEA GaN光电阴极。利用实验室制备的多信息量测试系统对成功激活后的NEA GaN光电阴极进行了评估，结果显示：NEA GaN光电阴极的反射式量子效率达到了30%，透射式量子效率达到了12%。

对梯度掺杂结构GaN阴极表面进行了化学清洗，清洗后利用X射线光电子能谱仪（XPS）分析了阴极表面，分析表明化学清洗能有效去除阴极表面的油脂和加工中残存的无机附着物；然后在超高真空室内710 ℃下对阴极进行了高温退火清洁，去除化学清洗后残留在阴极表面的C、O等吸附物，使阴极表面达到制备高性能负电子亲和势(NEA)光电阴极所需的原子级清洁程度。最后通过阴极激活实验加以验证，结果证实化学处理后热退火方法能有效净化梯度掺杂结构GaN阴极表面。

We create a GaN photocathode based on graded AlxGa1?xN buffer layers to overcome the influence of buffer-emission layer interface on the photoemission of transmission-mode GaN photocathodes. A gate-shaped spectral response with a 260-nm starting wavelength and a 375-nm cut-off wavelength is obtained. Average quantum efficiency is 15% and short wavelength responses are almost equivalent to long wavelength ones. The fitted interface recombination velocity is 5×104 cm/s, with negligible magnitude, proving that the design of the graded buffer layers is efficient in obtaining good interface quality between the buffer and the emission layer.

利用超高真空制备技术，对以蓝宝石为衬底、AlN为缓冲层的MOCVD外延P-GaN样品进行了光电阴极制备，并利用紫外光谱响应测试仪，对所制备的基于负电子亲和势（NEA） GaN光电阴极在反射式和透射式两种工作模式下的量子效率特性进行了测试与对比分析。实验结果显示，在反射模式下，样品在240 nm处具有高达50%的量子效率，而在透射模式下量子效率最高只有15%，量子效率曲线拟合表明该样品的后界面复合速率为104 cm/s。通过分析发现，造成两种工作模式下量子效率相差较大的主要影响因素是后界面复合速率和GaN外延材料厚度。

设计了一种以蓝宝石为衬底、AlN为缓冲层的MOCVD外延P-GaN样品作为透射式阴极材料，并利用超高真空表面净化工艺与（Cs,O）激活工艺对其进行了光电阴极制备。紫外光谱响应测试结果表明，所制备的GaN紫外光电阴极在透射式工作模式下具有明显的“门”字响应，最高量子效率15％，与反射式光谱响应曲线相比，透射式阴极的总体响应幅度较低，长波响应阈值向短波推移。最后从阴极材料结构、外延水平及阴极制备工艺方面分析了所得的实验结果。

以金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延的p型GaN为阴极发射层材料,通过对激活过程中阴极光电流的在线监测,考察了Cs激活,Cs/O交替激活以及高低温两步激活对GaN阴极光电发射性能的影响。实验结果表明,单用Cs激活就可制备出量子效率约为20％的GaN光电阴极,Cs激活后再进行2-3个Cs/O循环激活可小幅度提高量子效率,高低温两步激活不能进一步提高量子效率。利用偶极层表面模型对实验现象进行了解释。

实验和理论分析结果表明，激活成功的砷化镓光电阴极的铯氧比存在一个最佳值．砷化镓光电阴极铯氧比的控制可通过调节激活过程中铯源和氧源的加热电流大小来实现．激活实验结果表明，铯氧电流比适中的样品，首次进氧时，光电流上升速度最快，激活后的阴极量子效率最高，稳定性好．当偏离这个比例，过大或过小时，光电流上升速度都会减慢，激活结果也比前者差．随着铯氧电流比的增大，铯氧交替的总次数随之减少．最佳铯氧电流比的调节应以首次进氧时光电流的上升速度最快为准，一旦确定后在整个铯氧交替过程中保持不变．