[发明专利]一种真空沟道型光电阴极及其制备方法

说明书

本发明公开一种真空沟道型光电阴极及其制备方法。所述真空沟道型观点阴极包括衬底和形成在衬底上的阴极发射层，阴极发射层包括周期性交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，以及形成在阴极发射层中的沟道，其中所述沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积。本发明提供的光电阴极可产生较大的发射电流密度，同时有效地缩短阴极的响应时间，使其具有发射太赫兹频率电子脉冲的能力，可应用于光调制真空微波器件、自由电子激光器和光源等。

技术领域

本发明涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种真空沟道型光电阴极、包括该光电阴极的电子源以及光电阴极的制备方法。

背景技术

电子学研究初期电信号的放大、开关和调制都是基于真空电子管的，对信息技术的发展，真空电子管逐步发展为磁控管、速调管、行波管、回旋管等，其工作频率也由低频到发展到太赫兹频率，是无线电通信的核心部件。真空器件的工作原理是通过改变电子的运动状态来实现信号的放大、开关和调制，作为电子发射部件的阴极就成为决定真空器件性能的关键。

传统的真空器件采用热阴极，光电阴极作为真空器件阴极，但灯丝加热会带来阴极支撑结构和栅极移位、阴极蒸发物质污染真空环境和缩短阴极寿命等问题，无法满足真空器件的小型化和集成化的要求；而光电阴极的电子发射特性除了受阴极表面电场强度的影响，还受照射到阴极表面光强和波长的影响，同时这也使得光电阴极比其他冷阴极具有更多调制方法。目前光电阴极面临发射电流密度小和寿命短的问题，仅用到工作于微弱电流的真空器件中，还无法满足大功率真空器件的要求。

二维电子气是不同类型晶体薄膜接触时能带结构发生弯曲，界面附近本材料内电子分布特性受相邻薄膜材料特性影响进行重新分布，产生电子集聚现象，电子的输运特性在平行于界面(横向)方向被加强，即晶体的电子迁移率大幅度提高。匹斯堡大学研究了真空沟道的石墨烯/SiO₂/Si器件，如图1所示，测试了该器件的二维电子气发射特性，并在光照条件下表现出更出色的电子发射特性。图1的器件包括衬底101、形成在衬底上的缓冲层102、形成在缓冲层上的Si层103、形成在Si层上的SiO₂层104、形成在SiO₂层上的石墨烯电极层106、以及形成在电极层、SiO₂和Si层中的沟槽105。电子的输运过程如图1所示，光激发电子自SiO₂内部向SiO₂/Si界面方向运动(即a1过程)，然后电子在SiO₂/Si界面附近向真空沟道105方向运动并发射到真空(即b1过程)，最后电子在真空沟道中在栅极电压作用下脱离阴极形成电子发射(即c1过程)。在a1过程中，产生于半导体材料内部的电子，在向SiO₂/Si界面方向运动时，电子的扩散速度受半导体材料迁移率的影响，扩散速度较慢，同时电子的能量受晶格碰撞和散射等因素影响而逐渐降低，直接影响阴极的响应速度和电子的发射性能，而且由于仅在SiO₂/Si界面附近产生电子发射，这种阴极只有一个电子发射位置，发射效率低。

因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种新型的光电阴极及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光电阴极发射电流密度低、寿命短和稳定性差等现状，提供一种高电流密度、稳定性高的真空沟道型光电阴极及光电阴极的制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种真空沟道型光电阴极，包括衬底和形成在衬底上的阴极发射层，所述的阴极发射层包括周期性交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，以及形成在阴极发射层中的至少一个沟道，每一沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积。