负电子亲和势二次电子发射材料砷化的逸出深度

负电子亲和势二次电子发射材料砷化的逸出深度

0次电子发射材料在低负电子枪中的效能释放系数在具有一定能量的原电子攻击下，将电子发射光刻在物体表面发射的现象被称为二级电子发射。二次电子数与原电子数之比被定义为二次电子发射系数。影响二次电子发射材料二次电子发射系数的因素很多，其中二次电子发射材料的脱出深度是影响二次电子发射系数的最重要因素之一。当原电子能量达到kev时，大多数二次电子发射材料的二次电子发射系数小于1。我们需要开发二次电子发射微波电子枪。当原电子能量达到几百kev时，二次电子发射材料的二次电子发射系数应大于1。本文将从理论上探讨如何通过延长负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度来提高其二次电子发射系数,以致当原电子能量高达几百keV时,通过延长逸出深度的负电子亲和势使得二次电子发射材料砷化镓的二次电子发射系数仍然很大.1从负电子亲和势二次电子发射材料砷化的表面入射通常的负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的能级示意图如图1.该图考虑了在p型半导体砷化镓(晶向为(100))基底加上n型表面层氧化铯层.经过特殊设计的特殊的负电子亲和势砷化镓的能级示意图如图2所示.从H到G段为n型氧化铯层,从G到F段为p-n结的耗尽层,从F到E段为p型半导体砷化镓层(厚度大于负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度),E0为真空能级,EC为导带,EF为费米能级,EV为价带,χeff有效电子亲和势为负值.该图不仅考虑了在p型半导体砷化镓(晶向为(100))基底加上n型表面层氧化铯层,而且该图还考虑了p型半导体砷化镓与p型半导体砷化镓铝的p-p型异质结表面态的影响.从H到G段为氧化铯层,从G到F段为p-n结的耗尽层,从F到E段为p型半导体砷化镓层,从E到D段为p型半导体砷化镓向p型半导体砷化镓铝的过渡层(铝的组分逐渐增多,最大为40%,厚度约为30nm),从C到D段为掺杂浓度较低的p型半导体砷化镓铝层,从C到B段为掺杂浓度较低的p型半导体砷化镓铝(CD段)向掺杂浓度较高的p型半导体砷化镓铝(AB段)的过渡层(铝的组分为40%,厚度约为30nm),从B到A段为掺杂浓度较高的p型半导体砷化镓铝层,AB段、CD段和EF段厚度都约为负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度,E0为真空能级,EC为导带,EF为费米能级,EV为价带,χeff有效电子亲和势为负值.高能原电子从负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的表面入射,因为EH段长度约为负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度(FH段很短,其长度相对于EH段可忽略),所以高能原电子穿过EH段所激活的部分内二次电子可以从砷化镓的表面逸出成为二次电子;高能原电子分别穿过AB段和CD段所激活的内二次电子可以分别到达BC段和DE段(AB段和CD段的长度都约为负电子亲和势二次电子发射材料镓铝砷的逸出深度),但是,因为AB段和CD段离砷化镓的表面距离都大于负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度,所以在通常情况下,高能原电子穿过AB段和CD段所激活的绝大部分内二次电子不能从砷化镓的表面逸出成为二次电子.我们通过如图2所示的设计,使高能原电子穿过AB段和CD段所激活的部分内二次电子也可以从砷化镓的表面逸出成为二次电子.在室温条件下,砷化镓的禁带宽度为1.42eV,不同组分的砷化镓铝的禁带宽度可表示为式中,x是砷化镓铝中铝的组分.由式(1)可知,当砷化镓铝中铝的组分x=40%时,砷化镓铝的禁带宽度为1.973eV,砷化镓铝(铝的组分x=40%)的禁带比砷化镓的禁带宽0.553eV,可以通过适当的掺杂,使砷化镓铝(铝的组分x=40%)的导带比砷化镓的导带高0.2765eV(约为10.6kT,室温时1kT=0.026eV).即CD段砷化镓铝的导带比EF段砷化镓的导带高0.2765eV,所以高能原电子穿过CE段所激活的内二次电子穿过DE(DE段很短可忽略,内二次电子穿过DE段的能量损失可以忽略不计)过渡段时,它们距离导带底至少约0.13eV,对于负电子亲和势半导体来说,落到导带底部约0.13eV范围内的电子,在与价带中的空穴复合之前,可在导带底部有相当长的一段停留时间.在这段时间里,电子以非平衡少数载流子的形式向表面扩散运动.由于没有表面势垒的障碍,所以扩散长度就相当于逸出深度,因此那些在CE段被激活的内二次电子又可以穿过EH段而从砷化镓的表面逸出成为二次电子.通过适当的掺杂使AB段砷化镓铝的导带比CD段砷化镓铝的导带高0.2765eV,所以高能原电子穿过AB段所激活的内二次电子穿过BC(BC段很短可忽略,内二次电子穿过BC段的能量损失可以忽略不计)过渡段时,它们距离导带底至少约0.13eV,对于负电子亲和势半导体来说,落到导带底部0.13eV范围内的电子,在与价带中的空穴复合之前,可在导带底部有相当长的一段停留时间.在这相当长的一段停留时间里,高能原电子穿过AB段所激活的内二次电子可以穿过CD段到达DE段,当它们穿过DE过渡段时,它们又距离导带底至少约0.13eV,如上文所述,它们也可以穿过EH段而从砷化镓的表面逸出成为二次电子.所以高能原电子穿过AC段、CE段和EH段所激活的部分内二次电子都可以从砷化镓的表面逸出成为二次电子,因此,该砷化镓的逸出深度为AC段、CE段与EH段之和,由于负电子亲和势砷化镓铝的逸出深度约等于负电子亲和势砷化镓的逸出深度,所以经过图2设计的负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度约为通常的负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度的3倍.2原电子发射材料砷化的性质根据二次电子发射的理论,通常的负电子亲和势砷化镓的二次电子发射系数可以表示成如下形式所以经过图2设计的砷化镓的二次电子发射系数可以表示成如下形式式(2)、式(3)和式(4)中,B是内二次电子在发射体表面的逸出几率,由于两种材料的表面态是一样的,所以式(3)和式(4)中的逸出几率B都取0.18;Epe为原电子能量,λ是砷化镓和砷化镓铝二次电子的逸出深度,λ取3μm;R是原电子在发射体内的射程;ε是原电子激发一个内二次电子所需要的能量;激发一个内二次电子所需能量与半导体材料禁带宽度之间的关系为原电子在发射体内的射程R可以表示为根据式(6)可以算出:当原电子入射能量为25keV时,原电子的射程为逸出深度,即3μm;当原电子入射能量为40.5keV时,原电子的射程为2即6μm;当原电子入射能量为53.45keV时,原电子的射程为3即9μm.所以当原电子入射能量大于25keV时,原电子要穿过图2设计的负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的砷化镓部分和砷化镓铝部分,根据式(5)和式(1)可以算出,原电子在砷化镓和砷化镓铝(铝的组分为40%)内激发一个内二次电子平均需要的能量分别为4.4eV和5.83eV,因此对于式(4)的原电子激发一个内二次电子所需要的能量ε可以根据式(5)和式(6)近似表示成逸出几率B=0.18、逸出深度λ=3μm,根据式(3)～式(7),可以得到通常的和经过图2设计的两个负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的二次电子发射系数理论计算结果,如图3所示.从图3可知,当原电子入射能量较低(Epe<10keV)时,两种砷化镓的二次电子发射系数差值较小;当原电子入射能量较高(Epe>20keV)时,两种砷化镓的二次电子发射系数差值较大,而且随着原电子入射能量的升高,两种砷化镓的二次电子发射系数差值也在增大.所以当原电子入射能量高于20keV时,而且要求负电子亲和势砷化镓的二次电子发射系数较大的情况下,经过图2设计的特殊的负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓就比通常的负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓优越多了.3原电子道口压力当原电子的入射能量处于不同能量阶段时,原电子入射能量与原电子在砷化镓发射体内的射程R的关系表达式有差别,但由于二次电子发射理论还不完善和实验不充分,对于原电子的入射能量处于不同能量