表面清洗对p-GaN:Cs光电阴极量子效率、寿命和表面形貌的影响 *
1. 概述
加速器科学家对具有高量子效率（QE）和长工作寿命的光电阴极有很高的要求。p-GaN作为一种新型光电阴极，由于其形成负电子亲和性（NEA）表面的能力，近年来受到越来越多的关注。p-GaN:Cs光电阴极被铯（Cs）薄层激活，与已知的光电阴极相比，具有更高的量子效率和更好的稳定性。在本研究团队的研究中，对生长在蓝宝石或硅上的p-GaN外延片进行湿式化学清洗，并将其转移到超高真空（UHV）室中，进行随后的热清洗。用Cs活化清洁的p-GaN晶片以获得p-GaN:Cs光电阴极，并监测其质量，特别是其量子效率和存储寿命方面的性能。通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线（EDX）光谱检查表面形貌和形态。研究人员已经证明，p-GaN可以用Cs多次有效地重新激活。本文系统地比较了湿法化学清洗和不同温度下的热清洗对p-GaN的量子效率、存储寿命和表面形态的影响。正如预期的那样，清洁对阴极的质量有很大影响。该研究证明，高量子效率和长存储寿命的p-GaN光电阴极可以在超高真空室中，在较低的清洁温度下实现。
2. 样品制备
使用来自中芯晶研的金属-有机化学气相沉积（MOCVD）生长的蓝宝石（Al2O3）或硅（Si）基p型GaN外延片（Mg的平均掺杂浓度为6×1016至1×1017 cm-3）进行相关实验。对于蓝宝石基p-GaN外延片，中间不需要缓冲层，而对于硅基p-GaN，使用氮化铝（AlN）缓冲层来减少晶格失配。将收2英寸晶片切成9×9平方毫米的正方形，以将该晶片放置在超高压室中的样品架上。
首先对氮化镓外延片进行清洁，清洁包含了几个步骤。从湿化学清洁开始，然后在不同温度下进行真空热清洁，随后用Cs进行活化，最后测量储存寿命。
在湿法化学清洗前后，应用原子力显微镜（AFM）对p-GaN晶片进行了研究。AFM图像以AC模式（轻敲模式）用AC-160悬臂（直径为10nm的硅尖端和银涂层）拍摄。
将经湿法化学清洗的p-GaN薄膜转移到具有干燥氮气气氛的手套箱中。随后，该晶片用钢垫圈安装在样品支架上，并在氮气气氛下运输到超高真空室中。有效清洁的重要要求是在用铯活化之前、期间和之后避免任何氧气污染。在超高真空室中，使用具有金属反射器的400W卤素灯进行热清洁。p-GaN表面上的温度用红外（IR）传感器测量。
蒸发器用于在清洁的p-GaN表面上沉积铯。分配器通过施加3.3~3.5A的电流，释放出恒定的铯通量，产生1×10−9mbar的压力。
在室温下仅用铯激活的过程中，p-GaN外延片用310 nm波长和110µW功率的紫外线（UV）照射。在UV-LED前面的孔径被用来减少入射光功率。从p-GaN:Cs光电阴极提取的光电子由具有150V正偏压的铜环阳极收集。原位记录铯沉积期间的光电流，并且当光电流达到最大值时停止沉积。
经过多次热清洗和活化后，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱法（EDX）对p-GaN:Cs光电阴极的表面形态进行了检测。
图1 ( a ) 30 × 30 µm² 湿法化学清洗蓝宝石基 p-GaN 的概览 2D AFM 图像； ( b ) 相应的 3D 图像
图2 ( a ) 湿法化学清洗后的硅基p-GaN 的 5 × 5 µm² AFM 图像；( b ) 同一样品的高倍数 1 × 1 nm² AFM 图像
图3 p-GaN:Cs 光电阴极的 QE 值随热清洗温度变化而变化：（a）蓝宝石基样品 A4在 600°C 以上清洗并激活四个循环；样品 A5在 500°C 清洗并激活四个循环，而样品 A6在 400-450°C 清洗并激活三个循环；（b）硅基样品 B1在 600°C 以上进行热清洗，仅激活一次。样品B2在500°C 下清洗并激活五个循环。样品 B3在 400°C 下清洗并激活三个循环。
图4（a）蓝宝石基和（b）硅基p-GaN:Cs 光电阴极的存储寿命
3. 结论
在该实验中，研究人员成功地清洁和激活了蓝宝石基和硅基p-GaN外延片。晶片处理过程中O2的存在，以及热清洁过程中施加的温度，显著影响了表面形态，量子效率和寿命。仅用铯进行活化的方法是可行的，并且在实践中是可靠的。已经证明了蓝宝石基p-GaN:Cs光电阴极超10%的高量子效率和超过5000小时的外推存储寿命。
通过AFM测量验证了湿法化学清洁工艺，表明清洁后的蓝宝石基p-GaN薄膜的RMS粗糙度为1.7nm，而清洁后的硅基p-GaN薄膜的RMS粗糙度为0.5nm；且都观察到了代表六边形晶体结构的蚀刻坑。
此外，AFM测量证实了当刚清洁的p-GaN暴露于空气中时氧气的吸附。因此，保护p-GaN晶片免受空气环境的影响以避免这种氧化是至关重要的。因此，清洁过程在手套箱中的干燥氮气下进行，p-GaN样片在氮气气氛下进一步输送到超高真空室中。
对于中间有AIN缓冲层的硅基p-GaN，湿法化学清洗可以成功去除灰尘颗粒，并显示出典型的阶地状结构。
在湿式化学清洗之后，p-GaN晶片在UHV室中进行热清洗。在不同温度下的处理导致不同的量子效率值和储存寿命。研究发现，400–500°C的中等温度对p-GaN表面质量更有利，这反映在两种衬底材料都获得了更高的量子效率值。SEM研究表明，p-GaN的表面形貌在较高的温度下被破坏。
热清洁后，用铯薄层在1×10−9mbar的平均压力下活化样品。蓝宝石基p-GaN:Cs可实现的最高量子效率为11%，而硅基p-GaN:Cs为4%。硅基p-GaN:Cs的存储寿命明显短于蓝宝石上p-GaN:Cs的存储寿命，这与衬底影响的p-GaN晶体质量有关。
此外，本研究表明，p-GaN:Cs光电阴极的再活化是可行的，并且至少可重复五次。
用SEM和EDX研究了p-GaN经热清洗和铯活化后的表面形貌。结果表明，当p-GaN外延片在600°C以上的高温下清洗时，表面看起来不均匀。假设通过卤素灯从正面进行热清洁可能不是获得原子级清洁表面的最佳选择。另一种方法是，热清洁从背面穿过衬底，这样可以保护p-GaN表面。
对于再活化，在下一次铯活化之前，测量了蓝宝石基p-GaN在再次热清洁后的一些光电流。这种现象仅在500°C和400°C下处理的p-GaN中观察到，而在更高温度下热处理的p-GaN则没有观察到。这一现象表明铯并没有完全从表面去除。这可以在表面分析工具的帮助下检测到，而不需要留下超高真空状态。
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