《光学与光子学丛书：GaAs光电阴极》是著者承担国家科研项目的总结，是论述GaAs光电阴极的专著，全书共分8章，介绍了三代微光像增强器、GaAs和GaAlAs材料及光电阴极的发展概况；研究了GaAs光电阴极的光电发射与光谱响应理论、多信息量测控与评估系统、激活工艺及其优化；提出了变掺杂GaAs光电阴极的物理概念，探索了反射式和透射式变掺杂GaAs光电阴极理论，在三代微光像增强器中进行了实践；最后针对新一代微光像增强器研究，对GaAs光电阴极进行了回顾与展望。

    第1章绪论
    GaAs光电阴极的最大需求是微光像增强器，本章首先介绍了三代微光像增强器的基本原理、应用领域及国内外发展现状；其次分析了GaAs光电阴极的国内外研究及性能现状。
    1.1三代微光像增强器简介
    1.1.1三代微光像增强器的基本原理
    三代微光像增强器是直视和电视微光夜视系统的核心，它的主要作用是：增加像面照度、放大视角及保证合适的视场.为了使微弱的或不可见的反射辐射图像通过光电成像系统变成可见图像，微光像增强器本身应能起到变换光谱、增强亮度和成像的作用.通常采用如图1.1所示的结构来达到这些目的[1]，图1.2给出了三代微光像增强器/四代微光像增强器及其结构示意图，三代微光像增强器是一种电真空成像器件，主要由光电阴极、MCP、荧光屏和电子光学系统组成。
    图1.1美国ITT公司的三代微光像增强器
    1.MCP；2.GaAs/AlGaAs光电阴极；3.Si3N4；4.阴极面板；5.铟封；6.光纤面板；7.荧光屏
    GaAs/AlGaAs光电阴极做在阴极面板的内侧，由Si3N4与阴极面板连接.当被一定频谱的光线照射时，它能发射出光电子，而且发射的光电子数量与入射光照强度成正比，从而将输入到它上面的低能辐射图像转变为电子图像。
    电子光学系统采用双铟封平板电容器系统，由GaAs/AlGaAs光电阴极与MCP构成第一个平板电容器，MCP与荧光屏构成第二个平板电容器。
    图1.2三代微光像增强器/四代微光像增强器及其结构示意图
    （a）结构图（单位：mm）；（b）外形图
    荧光屏做在人眼观察的光纤面板的内侧.
    从GaAs/AlGaAs光电阴极发射出的光电子经高压加速后打在MCP上，经MCP倍增后，MCP发射的电子打在荧光屏上，这样就将GaAs/AlGaAs光电阴极发射出的电子图像转换成人眼可以观察的光学图像。
    从性能和结构上，微光像增强器已经经历了一代、二代、超二代、三代和四代等发展历程。
    第一代微光像增强器的主要特点是：采用多碱阴极Na2KSb（Cs）作为光电阴极以及光纤面板同心球电子光学透镜，该系统能将自光电阴极逸出的光电子加速并聚焦到荧光屏上，形成40～50倍增强的可见光输出图像，由于单级一代微光像增强器
    1.1三代微光像增强器简介3
    增益较低，所以，通常需将三级一代微光像增强器通过光纤面板耦合起来使用。
    第二代微光像增强器的主要特点是：采用多碱阴极Na2KSb（Cs）（S-20）作为光电阴极，使用微通道板为电子倍增器件，与第一代微光像增强器相比，增益得到很大提高，对强输入光照有一定的自动抑制作用，单级使用即可满足要求，外形尺寸也大大缩短，重量明显减轻。
    超二代微光像增强器的结构和二代基本相同，通过提高光电阴极的灵敏度（由300～400μA/lm提高到600μA/lm以上），减小微通道板噪声因数、提高输出信噪比和改善整管的调制传递函数（MTF），使鉴别率和输出信噪比提高到接近标准三代微光像增强器的水平。
    三代微光像增强器与其他微光像增强器的主要区别是：1965年，Scheer和Van-laar发明了负电子亲和势（NEA）光电阴极[2].其灵敏度很高，大部分光谱区波段都比银-氧铯（S-1）和S-20光电阴极高好多倍，在近红外波段有很高的响应，量子效率比S-1光电阴极高几十倍，暗电流仅是S-1光电阴极的千分之一，三代微光像增强器采用光电阴极/MCP/荧光屏双近贴/双铟封结构.这类微光像增强器具有量子效率高、暗发射小、发射电子的能量分布及角分布集中、长波阈可调、长波响应扩展潜力大等优点，三代微光像增强器的灵敏度、分辨力和信噪比较二代微光像增强器有明显的提高，但为了延长器件寿命，需在MCP输入面蒸镀一层防止离子反馈膜，使三代微光像增强器在信噪比方面的优势有所减弱。
    三代微光像增强器优缺点有如下几方面。
    优点：
    （1）三代微光像增强器具有高灵敏度、高分辨力、宽光谱响应、高传递特性和长寿命等特点，且结构紧凑，能与二代微光像增强器互换；
    （2）能充分利用夜天自然光，这是由于三代GaAs光电阴极向近红外波长0.9μm延伸，在这一光谱区的光电子发射较二代多碱光电阴极约增长4倍；
    （3）三代夜视仪的作用距离较二代夜视仪提高了50％以上缺点：
    （1）制作三代微光像增强器涉及超高真空技术、表面物理技术、大面积高质量的单晶和复杂的外延生长技术，难度大、价格昂贵；
    （2）三代微光像增强器采用近贴聚焦，应用平面GaAs光电阴极，面积受到限制。
    四代微光像增强器是最近几年出现的最先进的微光器件，其特点是：结构和三代基本相同，仍采用GaAlAs/GaAs光电阴极，但灵敏度由平均1500μA/lm提高到2000μA/lm以上；分辨力较36lp/mm有大幅度提高；对MCP及其处理技术进行了改进，通过蒸镀离子阻挡膜，或改进MCP材料，减少了气体吸附和离子反馈噪声；加之在电源模块中加入自动门控功能，可使器件昼夜兼容（10.4～104lx）；器件的
    工作寿命由5000h延长到7500～10000h以上，各代微光像增强器的性能如表1.1所示。
    表1.1各代微光像增强器的性能比较[3～10]
    代名积分灵敏度/（μA/lm）分辨力/（lp/mm）信噪比/10.4lx寿命/h
    二代240～35032142000
    超二代500～70040～552110000
    高性能超二代700～80060～642215000
    三代800～10004014～2110000
    高性能三代1300～220045～6421～2515000
    四代>200060～903015000
    三代及四代微光像增强器的四大关重件包括：透射式GaAlAs/GaAs光电阴极、Al2O3/MCP（带离子壁垒膜的微通道板）、扭像器（或光纤面板）荧光屏和门控选通高压集成电源。
    1.1.2GaAlAs/GaAs光电阴极
    GaAs光电阴极有反射式和透射式两种工作方式，在微光像增强器中普遍采用的是透射式GaAlAs/GaAs光电阴极，因为它符合微光成像器件的光路结构，而作为一种最为重要的透射式GaAlAs/GaAs光电阴极，是在美国Varian公司提出“反转结构”之后才迅猛发展起来的，Varian公司首先利用“反转结构”制备了透射式NEAGaAlAs/GaAs光电阴极，将其粘贴在玻璃衬底上，此后，随着MOVPE（MOCVD）外延技术的发展，“反转结构”又得到了进一步完善和提高。
    实际的透射式GaAlAs/GaAs光电阴极结构比较复杂，其典型结构主要包括台面玻璃窗、SiO2/Si3N4过渡层、GaAlAs缓冲层、GaAs发射层、GaAlAs阻挡层、GaAs衬底、Ni-Cr电极环几个层结构，其中GaAlAs阻挡层、GaAs衬底会在制备过程中的“选择性腐蚀”工艺中采用不同的化学溶剂分别腐蚀掉，因此激活后的光电阴极应该由台面玻璃窗、SiO2/Si3N4过渡层、GaAlAs缓冲层、GaAs发射层和一层很薄的（Cs，O）激活层构成，可表示为：玻璃/Si3N4/GaAlAs/GaAs，再在其上经过（Cs，O）激活就得到了透射式GaAlAs/GaAs光电阴极。
    作为与GaAs晶格匹配最好的缓冲材料，Ga1.xAlxAs与GaAs的晶格失配最大为0.2％，因此能有效地降低光电子在后界面的复合.而为了使阴极的短波截止朝蓝光方向延伸，可采用蓝光透射率高的9741#玻璃取代传统的7056#玻璃，并减小Ga1.xAlxAs缓冲层的厚度以及提高Al/Ga比例来进一步提高蓝光透射率，这种蓝光延伸的透射式GaAlAs/GaAs光电阴极的探测波段为250～880nm，灵敏度一般可在2000μA/lm以上，图1.3给出了ITT公司蓝光延伸的GaAlAs/GaAs光电阴极与普通三代GaAlAs/GaAs光电阴极量子效率曲线的比较。
    1.1三代微光像增强器简介5
    图1.3蓝光延伸与普通三代GaAlAs/GaAs光电阴极量子效率曲线的比较
    1.1.3微通道板（MCP）
    微通道板（micro-channelplate，MCP）是一种具有良好的二维空间分辨能力的通道式连续打拿极电子倍增器件，由可多达数百万个规则紧密排列的细微玻璃通道组成，每个通道即构成了一个单独的连续打拿极倍增单元，如图1.4所示，两个端面镀有镍铬金属膜层，其外环是同样镀有镍铬金属膜层的由实体玻璃构成的实体边，平整的实体边可以提供良好的端面接触以便施加电压.MCP必须工作于真空环境中，其工作机理是利用一定能量的电子（光子、离子或带荷粒子）碰撞通道内表层而产生二次电子发射的特性，二次电子在电场的作用下沿通道加速前进，经过重复多次的碰撞和电子倍增过程，最后在高电势输出端面有大量的电子输出产生，这个过程被形象地比喻为“电子雪崩”。
    图1.4MCP的结构及工作原理
    MCP有两种工作模式，一种是模拟模式，工作于非饱和状态，即线性输出状态，输出信号相应于输入光电子事件的数目二维分布，这就是MCP在微光像增强器中的工作模式；另一种是脉冲计数模式或称为光子计数模式，工作于增益饱和状态，即非线性输出状态，通常采用两片MCPV形叠加或三片微通道板Z形叠加的方式，以在尽量低的噪声下，获得尽可能大的增益，MCP的脉冲计数模式通常应用于极端微弱信号的单个光子或电荷粒子的探测，如天文学探测或质谱仪中的应用。
    MCP的工作特性取决于它的增益、离子反馈、噪声因子、寿命、分辨力和清晰度，几个主要特性参数在相应工作条件下相互影响并相互制约，可以在这些参数之间通过巧妙地处理和在制造过程中采用相应的针对性强化处理方案，以得到所需要的低噪声和高分辨力的工作效果。
    ……

第1章 绪论
1.1 三代微光像增强器简介
1.1.1 三代微光像增强器的基本原理
1.1.2 GaAlAs/GaAs 光电阴极
1.1.3微通道板(MCP)
1.1.4 积分灵敏度
1.1.5分辨力、MTF
1.1.6 信噪比
1.2 三代微光像增强器的应用领域及国内外发展现状
1.2.1 三代微光像增强器的应用领域
1.2.2 三代微光像增强器的国内外发展现状
1.3 GaAs 光电阴极的发展概况
1.3.1 GaAs 光电阴极的发现及特点
1.3.2 GaAs 光电阴极的制备
1.4 GaAs 光电阴极的国内外研究现状
1.4.1 GaAs 光电阴极的材料特性
1.4.2 GaAs 光电阴极激活工艺的研究
1.4.3 GaAs 光电阴极的稳定性研究
1.4.4 GaAs 光电阴极表面模型的研究
1.5 国内外GaAs光电阴极的性能现状
1.5.1国外GaAs光电阴极的技术水平现状
1.5.2国内GaAs光电阴极的技术水平现状

第2章 GaAs和GaAlAs光电阴极材料
2.1 GaAs 材料的性质
2.1.1 GaAs 的物理和热学性质
2.1.2 GaAs 的电阻率和载流子浓度
2.1.3 GaAs 中载流子离化率
2.1.4 GaAs 中电子的迁移率、扩散和寿命
2.1.5 GaAs 中空穴的迁移率、扩散和寿命
2.1.6 GaAs 的能带间隙
2.1.7 GaAs 的光学函数
2.1.8 GaAs 的红外吸收
2.1.9 GaAs 的光致发光谱
2.1.10 GaAs 中缺陷和缺陷的红外映像图
2.1.11 GaAs 的表面结构和氧化
2.1.12 GaAs 的腐蚀速率
2.1.13 GaAs 的界面和接触
2.2 GaAlAs 材料的一般性能
2.2.1 GaAlAs 中的缺陷能级
2.2.2 GaAlAs中的DX缺陷中心
2.2.3 GaAlAs 的光致发光谱
2.2.4 GaAlAs 的电子迁移率
2.2.5 LPE GaAlAs 中的载流子浓度
2.2.6 MOCVD GaAlAs 的载流子浓度
2.2.7 MBE GaAlAs 的载流子浓度
2.2.8 反应离子和反应离子束对GaAlAs的腐蚀速度
2.2.9 LPE GaAlAs 的光学函数

第3章 GaAs光电阴极的光电发射与光谱响应理论
3.1 GaAs 光电阴极光电发射过程
3.1.1 光电子激发
3.1.2 光电子往阴极表面的输运
3.1.3 光电子隧穿表面势垒
3.2 GaAs 光电阴极电子能量分布
3.2.1 透射式光电阴极电子能量分布
3.2.2 反射式光电阴极电子能量分布
3.3 GaAs 光电阴极量子效率公式的推导
3.3.1 反射式GaAs光电阴极
3.3.2 背面光照下的透射式GaAs光电阴极
3.3.3 正面光照下的透射式GaAs光电阴极
3.3.4 考虑Γ、L能谷及热电子发射的量子效率公式
3.3.5 考虑前表面复合速率的量子效率公式推导
3.4 GaAs 光电阴极性能参量对量子效率的影响
3.4.1 电子表面逸出几率
3.4.2 电子扩散长度
3.4.3 光电阴极厚度
3.4.4 前表面复合速率
3.4.5 后界面复合速率
3.4.6 吸收系数
3.5 GaAs 光电阴极性能参量的评估
3.5.1P、LD、Sfv和Sv值的确定
3.5.2 积分灵敏度的计算

第4章 GaAs光电阴极多信息量测控与评估系统
4.1 GaAs 光电阴极多信息量测控与评估系统的设计
4.1.1 Cs 源电流的原位监测和记录
4.1.2 O 源电流的原位监测和记录
4.1.3 超高真空系统真空度的原位监测和记录
4.1.4 光电阴极光电流的原位监测和记录
4.1.5 光电阴极光谱响应的原位监测和记录
4.2 超高真空激活系统
4.2.1 超高真空激活系统的结构和性能
4.2.2 超高真空的获取
4.2.3 超高真空系统与国外的差距
4.3 多信息量在线监控系统的构建
4.4 光谱响应测试仪
4.4.1 光谱响应测试原理
4.4.2 光谱响应测试仪的硬件结构
4.4.3 光谱响应测试仪的软件编制
4.4.4 光谱响应测试方式
4.5 在线量子效率测试与自动激活系统
4.5.1 系统结构
4.5.2 系统硬件设计
4.5.3 自动激活策略
4.5.4 软件设计
4.5.5 实验与结果
4.6 GaAs 光电阴极表面分析系统
4.6.1 X 射线光电子能谱仪
4.6.2 紫外光电子能谱仪
4.6.3 变角XPS表面分析技术
4.7 超高真空的残气分析系统
4.7.1 四极质谱仪原理与结构
4.7.2 HAL201 残余气体分析仪软件
4.7.3 超高真空的残气分析
4.8 研制的GaAs光电阴极多信息量测试与评估系统

第5章 反射式GaAs光电阴极的激活工艺及其优化研究
5.1反射式GaAs光电阴极激活工艺概述
5.2 Cs 源、O 源的除气工艺
5.3 GaAs 表面的净化工艺研究
5.3.1 化学清洗工艺
5.3.2 加热净化工艺的优化设计
5.3.3 GaAs(100) 面净化后的表面模型
5.3.4 阴极表面净化与XPS分析试验
5.4 GaAs光电阴极Cs-O激活机理
5.4.1 [GaAs(Zn):Cs]:O-Cs 光电发射模型
5.4.2 在Cs-O激活中掺Zn的富砷(2×4)GaAs(100) 表面的演变
5.4.3 基于[GaAs(Zn):Cs]:O-Cs模型的计算
5.5 GaAs 光电阴极激活过程中多信息量监控
5.6 GaAs光电阴极的Cs、O激活工艺及其优化研究
5.6.1首次进Cs量对光电阴极的影响
5.6.2 Cs/O 流量比对光电阴极激活结果的影响
5.6.3 不同激活方式比较
5.6.4 高低温两步激活工艺研究
5.6.5 高低温激活过程中光电子的逸出
5.6.6 GaAs 光电阴极表面势垒的评估
5.6.7 Cs、O激活工艺的优化措施
5.7 GaAs 光电阴极的稳定性研究
5.7.1 光照强度与光电流对光电阴极稳定性的影响
5.7.2 Cs 气氛下光电阴极的稳定性
5.7.3 重新铯化后光电阴极的稳定性
5.7.4 光电阴极光电流衰减时量子效率曲线的变化
5.7.5 重新铯化后光电阴极量子效率曲线的变化

第6章 反射式变掺杂GaAs光电阴极材料与量子效率理论研究
6.1 反射式变掺杂GaAs光电阴极能带结构理论研究
6.1.1 梯度掺杂GaAs光电阴极的能带结构
6.1.2 指数掺杂GaAs光电阴极的能带结构
6.1.3 指数掺杂GaAs光电阴极的电子扩散漂移长度
6.2 反射式变掺杂GaAs光电阴极量子效率理论研究
6.2.1 指数掺杂光电阴极量子效率公式
6.2.2 指数掺杂光电阴极灵敏度与量子效率理论仿真
6.2.3 梯度掺杂GaAs光电阴极量子效率模型研究
6.3 变掺杂GaAs光电阴极材料的外延生长
6.3.1 GaAs 光电阴极材料的生长方法
6.3.2 变掺杂光电阴极材料MBE外延生长技术研究
6.3.3 MBE 外延变掺杂光电阴极材料测试评价研究
6.4 反射式变掺杂GaAs光电阴极掺杂结构的设计与制备工艺研究
6.4.1 变掺杂GaAs光电阴极材料的设计和制备
6.4.2 变掺杂GaAs光电阴极的激活实验
6.4.3 变掺杂GaAs光电阴极的激活结果
6.4.4 高性能反射式变掺杂GaAs光电阴极研究
6.5 反射式变掺杂GaAs光电阴极的评价方法
6.5.1 激活时Cs在GaAs光电阴极表面的吸附效率评估
6.5.2 变掺杂GaAs光电阴极的结构性能评估
6.5.3 不同变掺杂GaAs光电阴极的结构性能对比
6.6 反射式模拟透射式变掺杂GaAs光电阴极设计与实验
6.6.1 MBE生长的反射式模拟透射式变掺杂GaAs光电阴极设计与实验
6.6.2 MOCVD生长的反射式模拟透射式变掺杂GaAs光电阴极设计与实验

第7章 透射式变掺杂GaAs光电阴极理论与实践
7.1 透射式变掺杂GaAs光电阴极能带结构与材料设计
7.1.1 均匀掺杂和指数掺杂GaAs光电阴极能带结构比较
7.1.2 透射式变掺杂GaAs光电阴极结构设计与制备
7.2 透射式变掺杂GaAs光电阴极材料与组件的性能测试
7.2.1 透射式变掺杂GaAs光电阴极材料的SEM测试
7.2.2 透射式变掺杂GaAs光电阴极材料的ECV测试
7.2.3 透射式变掺杂GaAs光电阴极材料的HRXRD测试
7.2.4 透射式变掺杂GaAs光电阴极组件的HRXRD测试
7.3 透射式GaAs光电阴极组件的光学性质与结构模拟
7.3.1 透射式GaAs光电阴极组件光学性能测试
7.3.2 透射式GaAs光电阴极组件结构模拟理论模型
7.3.3 透射式GaAs光电阴极组件光学性能拟合
7.3.4 分光光度计测试误差对光学性能的影响
7.4 透射式变掺杂GaAs光电阴极激活
7.4.1 MBE生长的透射式变掺杂GaAs光电阴极激活
7.4.2 MOCVD生长的透射式变掺杂GaAs光电阴极激活
7.4.3 透射式变掺杂GaAs光电阴极光谱响应的研究
7.4.4 MBE与MOCVD生长的透射式变掺杂GaAs光电阴极材料与组件的比较
7.5 阴极组件光学性能对微光像增强器光谱响应的影响
7.5.1 透射式GaAs光电阴极光谱响应曲线拟合与结构设计
7.5.2 光电阴极组件光学性能对微光像增强器光谱响应的影响
7.5.3 国内外微光像增强器GaAs光电阴极光谱响应特性比较
7.6 阴极组件工艺对GaAs光电阴极材料性能的影响
7.6.1 反射式和透射式光电阴极的联系和区别
7.6.2 光电阴极组件工艺对GaAs光电阴极材料性能的影响
7.7 变掺杂GaAs光电阴极分辨力特性研究
7.7.1 均匀掺杂和变掺杂GaAs光电阴极理论模型
7.7.2 电子扩散长度、掺杂浓度与光电阴极发射层厚度对分辨力的影响
7.7.3 均匀掺杂、梯度掺杂与指数掺杂光电阴极调制传递函数的比较
7.7.4 微光像增强器的分辨力特性研究

第8章 回顾与展望
8.1 研究工作的简单回顾
8.2 研究工作中的纠结
8.3 新一代微光像增强器光电阴极的研究展望
参考文献