成为光电倍增管的光阴极，是一件讲究的事（下篇）

欢迎点击上方“滨松”微信名关注我们。

开篇之前，我们先来普及一个关于滨松光电倍增管的小知识。不知道有没有人注意到，滨松的光电倍增管产品的产品型号均以“R”开头，这是为什么呢？在上个世纪50年代，滨松已经开始了光电产品的研发和制造，在排气这个工序里，是根据阴极构造来进行品种区分的，冷阴极或热阴极。因此从那时起，光电管、光电倍增管的记录型号都以字母“R”（Rei，日文中“冷”的发音）为开头了。

滨松历史上第一个光电倍增管

好了，让我们回到正题。上篇中，我们讲到了“光阴极能带模型”，而该理论可以很好的将光阴极的工作原理描述出来。在接下来的分享中，我们将利用该知识，进一步了解到半导体光阴极、近红外光阴极的发展。除此之外，适用于低温、高温的光阴极和世界首个透射式紫外光阴极的研发，也将在本篇中呈现。

（PS. “光阴极能带模型”是一个重要概念，建议不了解的小伙伴可以先看看上篇，再继续阅览本篇，上篇在“滨松”公众号的历史消息中可见）

4、半导体光阴极的发展

除了在碱锑化物光阴极上的提升，研究人员亦非常热衷如GaAs等的半导体光阴极的研发。这项研究发现，经Cs-O活化处理的半导体晶体表面形成电双层铯氧化物，会引起表面能带曲线向下弯曲，因此电子亲和势有一个负值。这种光阴极被称为NEA（negative electron affinity，负电子亲和势）光阴极。图6显示了一种被Cs-O活化后的单晶体GaAS的能带模型。由于NEA允许在导带底部的电子逸出，它的灵敏度可扩展到电子带隙对应的900nm。

图6:GaAs光阴极的能带模型

光阴极材料为GaAs的滨松侧窗型PMT

由能带模型推断，能量带隙较高的半导体会有较大的NEA。所以随着GaAs光阴极的研究，对GaAsP光阴极也开始了研究。图7显示了GaAsP 的能带模型。目前，GaAsP光阴极的峰值量子效率在实际应用中可以超过50%。

图7:GaAsP光阴极的能带模型

光阴极材料为GaAsP的滨松MCP-PMT

5、近红外光阴极

为了在波长超过1.1um的波段获得足够的灵敏度，滨松研发了InP/InGaAs光阴极。这种光阴极通过在半导体表面蒸镀一层金属膜（比如银）（大概50埃厚度），来形成一个肖特基结。在肖特基电极和半导体晶体背面加偏置电压，这样在光阴极中形成一个电场，大大地降低了表面势垒，使光电子加速，并把光电子发射到真空中。

图8（a）和（b）显示了异质结场联合光阴极的光电子发射能带模型。当不加偏置电压时，由于InGaAs 光子吸收层和InP电子发射层间导带势垒ΔEc的存在，吸收层被激发的光电子不能够到达发射表面，如图8（a）所示。然而，当施加某个偏置电压时，在银肖特基电极和光阴极内部形成耗尽层，耗尽层最终到达InGaAs光吸收层和InP电子发射层之间的界面，因此在吸收层被激发的电子可以跨越势垒到达InP电子发射层。此外，光电子在InP电子发射层内被加速，使得其从导带底部Γ到更高能级带L，并且在维持高能级的情况下从发射表面被发射到真空中。

图8 (a):InP/InGaAs光阴极的能带模型

图8 (b): 施加偏置电压的InP/InGaAs光阴极能带模型

这种光阴极涵盖了很宽的光谱范围，从紫外的300nm到近红外的1600nm，与InGaAs的带隙相对应。整个光谱响应范围内几乎可以获得平滑的2%的量子效率。

光阴极材料为InGaAs的滨松侧窗型PMT

6、适用于低温下操作的光阴极

“暗物质”在天体物理学研究中是一个热门话题。有人曾建议利用光电倍增管来捕获微弱的紫外光子来探测暗物质。这些光子是由于偶然的暗物质和闪烁体原子碰撞而发射出来的。液态氙（-108℃）或者液态氩（－186℃）被用作闪烁体。在如此低温下，光阴极的表面电阻变得很大，导致光阴极电流受限。由于面电阻增大造成的输出线性特性变差，这对于很多测试是非常致命的。滨松研发的适用于低温下操作的光阴极，则可解决这一难题。

传统的在低温下运行的光阴极在阴极底部有一层铝。图9显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的典型光谱响应特性。新型光阴极在420nm的量子效率大概为28%，虽然比SBA光阴极略低，但是比传统光阴极高1.5倍。图10显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的线性度的比较。当在-100°C下工作时，传统光阴极的输出线性度在大概0.5nA时开始急速下降，而低温光阴极在1uA时依然保持线性度，这里，线性度定义为输出电流偏离初始值-5%时的电流。

图9:新型低温双碱光阴极的光谱响应特性

图10:-100°C下工作的线性度比较

7、适用于高温操作的光阴极

在油井勘探记录过程中，为了定位油或者天然气存储的位置，探测器需要进入钻孔深达地下2000米（70°C）到3000米（105°C）。这就需要开发能够抵御更高温度的探测器，研究新的碱源技术不仅仅是因为钻井过程中更换新探测器比较困难，也是因为随着钻井深度越来越大，对PMT耐高温的要求也越来越高了。PMT的光阴极在油井勘探的高温下会逐渐溶解，然而，利用Sb-K-Na混合制造的光阴极可以抵御这样的高温。滨松亦开发了可以在200°C下工作超过1000小时的光阴极。该光阴极在室温下也有很低的暗电流，是低光量探测和其他需要低噪声应用的理想选择。

图11比较了传统高温光阴极和新型高温光阴极的输出寿命特性。可以看出，新型光阴极在高温下的工作寿命是传统光阴极的大约8倍。

图11: 200°C高温环境下的输出寿命特性

光阴极材料为高温双碱的滨松端窗型PMT

8、紫外光阴极

运用GaN半导体，我公司成功生产了世界上首只透射式紫外光阴极。GaN通常是通过在蓝宝石基底上外延生长形成的。而后来开发的运用硅基底的GaN生长技术，使得高质量外延薄膜在硅基底上生长成为了可能。

利用该项技术，硅基底上经缓冲层外延生长形成氮化镓的技术获得突破。该技术使GaN晶体外延生长附着于玻璃窗，后经处理只留下氮化镓薄膜加以使用。我们还使用一种光学清理方法，利用光来清理晶体表面。该技术在波长为280nm处获得了令人满意的21.5%的量子效率。图12显示了GaN光阴极和传统Cs-Te光阴极的典型光谱响应特性。

GaN光阴极目前被用于紫外图像增强器，可以进行低光量探测和包括半导体晶片检测、雷曼光谱仪、高压输电线电量放电检测等技术在内的快速多通道（二维）测量。

图12:GaN光阴极（380 nm处量子效率为21.5% ）

与Cs-Te光阴极的光谱响应特性对比

现在，尽管PMT的部分工作被半导体探测器取代，但随着PMT光阴极创新技术的发展，PMT具有了更复杂的功能和更多的应用可能。未来PMT还会被广泛在高能物理实验的低光量探测、医学设备、生物技术相关设备、油井探测设备以及天文观察设备等之中。这些应用需要更高的量子效率、更宽的光谱响应范围（延伸到红外区域）以及紫外区域更高的灵敏度。滨松将会继续研发更宽光谱响应范围、更高灵敏度的PMT（QE=100%），以满足这些特殊应用需求。

点击“阅读原文“，了解更多滨松光电倍增管产品。