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近红外InGaAs光电阴极材料特性仿真与表面敏化研究

郭婧  
【摘要】:InGaAs是一种重要的三元Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,对InGaAs表面进行合适的敏化可以生成负电子亲和势。负电子亲和势InGaAs光电阴极在1~3 μm的近红外区域具有较好的光谱响应,对于制备新型的近红外微光夜视器件和系统,研究高性能的近红外微光像增强器有比较重要的意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对InGaAs光电阴极的衬底材料、发射层体性质和表面敏化进行了研究,在理论和模拟层面为InGaAs光电阴极的研制提供了指导。InGaAs光电阴极的GaAs衬底与InGaAs发射层之间存在晶格失配问题,虽然加入了 GaAlAs缓冲层来解决晶格失配,但是GaAs衬底质量仍会影响发射层的晶格生长,从而影响发射层的光电发射性能。本文研究了 GaAs衬底掺杂和点缺陷的情况。Zn掺杂后GaAs衬底的禁带宽度变窄,掺杂原子周围离子性增强,形成了有效的p型衬底。提出在衬底中存在VAs、VGa、ASGa、GaAs、ASinGain6种点缺陷,分析了点缺陷存在时GaAs的形成能及光学性质,指出VGa、ASGa、Asin等3种点缺陷在GaAs衬底中比较容易形成,点缺陷的存在使得衬底的光谱响应往长波段移动。InxGa1-xAs发射层中,当In组分x不同时,晶格常数、能带结构和光学性质都会发生改变。本文研究了不同组分的InxGa1-xAs发射层的性质,选择组分为0.53的Ino.53Ga0.47As材料为InxGa1-xAs光电阴极发射层。InGaAs材料的体性能对负电子亲和势光电阴极是至关重要的,但掺杂和空位对体材料性能的影响尚不清晰。本文研究了本征In0.53Ga0.47As发射层材料的体特性,并选择了 Zn作为替位式掺杂原子,指出在替位掺杂时,替换In还是Ga原子对材料的影响一致,可以不考虑区分,都能形成合适的p型掺杂InGaAs材料。同时,本文着重研究了空位缺陷与Zn掺杂对In0.53Ga0.47As材料特性的共同影响。指出As空位缺陷与Zn掺杂原子共同作用后,会产生受主能级,有利于光电子的输运;而Ga、In空位会产生间接带隙,应该尽量避免。InGaAs材料的表面敏化是产生负电子亲和势的关键,本文着重研究了其表面敏化机理。InGaAs材料表面存在弛豫与重构,经过研究认为富As β2(2×4)表面是有利于敏化的重构形式。随后对该表面进行了掺杂,分析了掺杂后表面性质,指出Zn4掺杂位是最合适的掺杂位,为表面敏化提供了较好的基础。研究了表面敏化中"Cs中毒"的问题,提出了 Cs覆盖度的临界值为0.5 ML。超过这个值时,需要对表面进行Cs与0的交替激活,从而在表面形成InGaAs(Zn)-Cs与Cs-0双重偶极子,达到降低表面功函数,实现InGaAs光电阴极表面敏化的目的。


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