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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
结题报告
批准号:
61661002
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
42.0 万元
负责人:
邹继军
依托单位:
学科分类:
F0122.物理电子学
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
彭新村、朱志甫、王炜路、冯林、卜毅、陈兆萍、王盛茂
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中文摘要
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。
英文摘要
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.
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。
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Mie-type GaAs nanopillar array resonators for negative electron affinity photocathodes
用于负电子亲和势光电阴极的 Mie 型 GaAs 纳米柱阵列谐振器
DOI:10.1364/oe.378194
发表时间:2020
期刊:Optics Express
影响因子:3.8
作者:Xincun Peng;Matt Poelker;Marcy Stutzman;Bin Tang;Shukui Zhang;Jijun Zou
通讯作者:Jijun Zou
Dynamics of graded-composition and graded-doping semiconductor nanowires under local carrier modulation
局部载流子调制下梯度成分和梯度掺杂半导体纳米线的动力学
DOI:--
发表时间:2016
期刊:Optics Express
影响因子:3.8
作者:JIANBING ZHANG;WEILU WANG;YIJUN ZHANG;DAOLI ZHANG
通讯作者:DAOLI ZHANG
Improved quantum efficiency and stability of GaAs photocathode using favorable illumination during activation
在激活过程中利用有利的照明提高了 GaAs 光电阴极的量子效率和稳定性
DOI:10.1016/j.ultramic.2019.04.010
发表时间:2019
期刊:Ultramicroscopy
影响因子:2.2
作者:Feng Cheng;Zhang Yijun;Qian Yunsheng;Liu Jian;Zhang Jingzhi;Shi Feng;Bai Xiaofeng;Zou Jijun
通讯作者:Zou Jijun
Inductively coupled plasma etching of the GaAs nanowire array based on self-assembled SiO2 nanospheres
基于自组装SiO2纳米球的GaAs纳米线阵列的感应耦合等离子体刻蚀
DOI:10.7567/1347-4065/aaf226
发表时间:2018-12
期刊:JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
影响因子:1.5
作者:Liu Yun;Peng Xincun;Wang Zhidong;Zhang Tao;Yu Yun;Zou Jijun;Deng Wenjuan;Zhu Zhifu
通讯作者:Zhu Zhifu
Spectral sensitivity of graded composition AlGaAs/GaAs nanowire photodetectors
梯度成分 AlGaAs/GaAs 纳米线光电探测器的光谱灵敏度
DOI:10.1007/s00339-016-0532-7
发表时间:2016-11
期刊:Applied Physics A
影响因子:--
作者:Xiaojun Ding;Zhifu Zhu;Wenjuan Deng;Weilu Wang
通讯作者:Weilu Wang
高性能二维位置灵敏半导体中子探测器研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    邹继军
  • 依托单位:
光学共振纳米结构GaAs基自旋极化电子源研究
  • 批准号:
    11875012
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    邹继军
  • 依托单位:
GaAs纳米线阵列光阴极制备及其理论研究
  • 批准号:
    61261009
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    45.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    邹继军
  • 依托单位:
变组分AlGaAs/GaAs NEA光电发射材料研究
  • 批准号:
    61067001
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    邹继军
  • 依托单位:
GaAs电子源光电发射理论与稳定性机理研究
  • 批准号:
    60801036
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    19.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    邹继军
  • 依托单位:
国内基金
海外基金