Ga1-xAlxN光電陰極的光電性質(zhì)與銫氧激活機(jī)理研究.pdf

1、負(fù)電子親和勢(shì)Ga1-xAlxN光電陰極是紫外像增強(qiáng)器的重要組成部分，在天文觀測(cè)、航空航天和導(dǎo)彈預(yù)警等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。然而針對(duì)Ga1-xAlxN材料性質(zhì)的理論研究還不完善。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，計(jì)算了Ga1-xAlxN材料的光電性質(zhì)，并從原子與電子層面研究了Ga1-xAlxN光電陰極的銫氧激活機(jī)理，為負(fù)電子親和勢(shì)Ga1-xAlxN光電陰極的設(shè)計(jì)與制備奠定了理論基礎(chǔ)。
　　計(jì)算了不同Al組分Ga1-xAlxN材

2、料的光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，隨著Al組分的增大，材料的吸收邊向高能方向移動(dòng)。建立了透射式Ga1-xAlxN光電陰極的薄膜組件結(jié)構(gòu)模型，仿真了光電陰極組件的反射率、透射率、吸收率和量子效率。結(jié)果表明AlN緩沖層主要對(duì)200～240nm波段范圍的吸收率和量子效率具有重要影響，緩沖層不宜過厚。當(dāng)Al組分為0.375時(shí)，光電陰極的截止波長(zhǎng)為294.1nm，基本可以滿足日盲型探測(cè)器的需求。發(fā)射層厚度的選取應(yīng)考慮既使光子充分吸收，又使光電子能逸出表面，

3、因此Ga1-xAlxN發(fā)射層的厚度應(yīng)在0.05～0.1μm范圍。
　　對(duì)比研究了Mg和Be摻雜的Ga1-xAlxN材料的電子與原子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，Be原子的電離能低于Mg原子，然而間隙式Be原子作為施主雜質(zhì)會(huì)使材料表現(xiàn)n型導(dǎo)電特性，因此Mg原子是更為理想的摻雜原子。材料生長(zhǎng)過程中引入的H原子提供電子將Mg原子鈍化，Mg-H復(fù)合雜質(zhì)的形成能遠(yuǎn)低于單獨(dú)的Mg雜質(zhì)，因此先采用Mg-H共摻雜，后進(jìn)行高溫退火使H原子逸出可得到高摻雜濃度的p

4、型Ga0.75Al0.25N。研究了Ga0.75Al0.25N材料中易出現(xiàn)的幾種點(diǎn)缺陷，包括空位缺陷、間隙缺陷以及反代位缺陷。結(jié)果表明在p型Ga0.75Al0.25N材料中，N的空位缺陷最容易出現(xiàn)，呈現(xiàn)施主雜質(zhì)的特性，它具有兩個(gè)價(jià)電態(tài)，3+和+，且從3+到+的躍遷能量為0.70eV。
　　計(jì)算得到Ga0.75Al0.25N(0001)、(10(1)0)和(11(2)0)三個(gè)表面的禁帶寬度分別為0.086eV、1.357eV和1.6

5、30eV，該值遠(yuǎn)小于Ga0.75Al0.25N體材料的理論計(jì)算值2.261eV，即表面處對(duì)應(yīng)更長(zhǎng)的閾值波長(zhǎng)，因此解釋了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的量子效率的截止波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)的現(xiàn)象。計(jì)算得到GaO、AlO、Ga2O3和Al2O3在Ga(Mg)0.75Al0.25N(0001)表面上的吸附能分別為-1.754eV、-2.383eV、-1.926eV和-2.922eV，證明Ga2O3和Al2O3在Ga(Mg)0.75Al0.25N(0001)表面上更容易存

6、在，而且Al2O3比Ga2O3更難去除，因此Ga1-xAlxN光電陰極比GaN光電陰極需要更高的熱清洗溫度。
　　計(jì)算了Ga(Mg)0.75Al0.25N(0001)表面單獨(dú)進(jìn)Cs階段的功函數(shù)。結(jié)果表明，覆蓋度較低時(shí)，功函數(shù)隨覆蓋度的增加而明顯降低，當(dāng)覆蓋度達(dá)到0.75ML以上后，功函數(shù)出現(xiàn)反彈，與實(shí)驗(yàn)中的“Cs中毒”現(xiàn)象一致。隨著Mg原子與Cs原子距離的增加，偶極矩的作用減弱，功函數(shù)變大，因此表面的光電流并不是均勻分布的，而是根

7、據(jù)Mg原子的分布出現(xiàn)一個(gè)個(gè)峰值，即“碎鱗場(chǎng)效應(yīng)”。計(jì)算了無缺陷和有Ga空位缺陷的Ga(Mg)0.75Al0.25N(0001)表面Cs、O共吸附時(shí)的功函數(shù)，有Ga空位缺陷的表面功函數(shù)最低可達(dá)到1.431eV，遠(yuǎn)低于無缺陷表面的1.822eV。對(duì)(10(1)0)和(11(2)0)兩個(gè)非極性表面的Cs、O吸附研究表明，(10(1)0)和(11(2)0)兩個(gè)表面進(jìn)行Cs、O吸附后功函數(shù)最低可達(dá)1.332eV和1.515eV，證明它們有作為光電