纤锌矿结构GaN（0001）面的光电发射性能研究

论文摘要

本文围绕纤锌矿结构GaN光电阴极的（0001）面光电发射模型、量子效率理论、材料结构设计与生长、制备工艺和阴极性能评估等方面开展了研究。针对现有的光电阴极表面发射模型的局限性,为了更好的解释NEAGaN光电阴极（0001）面光电发射机理,建立了基于双偶极子模型的[GaN（Mg）-Cs]:[0-Cs]光电发射模型,讨论了激活过程中Cs、O在GaN（0001）表面吸附的过程,认为第一个偶极层GaN（Mg）-Cs具有统一的有利于光电子逸出的指向性,所以进Cs后光电流上升幅度很大,第二个偶极层O-Cs没有统一的指向性,只是表面的缺陷使得一部分O-Cs偶极子具有有利于光电子逸出的方向,所以进O后光电流有增长但幅度不大。讨论了NEAGaN光电阴极（0001）面的光电发射过程,并通过求解载流子扩散方程的方法获得了NEAGaN光电阴极量子效率公式。根据公式,分析了GaN发射层吸收系数αhv、电子表面逸出几率P、电子扩散长度LD、GaN发射层厚度Te以及后界面复合速率Sv对量子效率的影响。分析了不同生长方法、不同衬底和不同缓冲层材料的优劣。设计了不同p型掺杂浓度的反射式GaN光电阴极、梯度掺杂的反射式GaN光电阴极、发射层厚度150nm的透射式GaN光电阴极、以及组分渐变Ga1-xAlxN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极。对现有的NEA光电阴极制备与评估系统进行了升级改造,增加了紫外光源和透射式的测试光路,使其可以很好的完成紫外光电阴极制备及评估的工作。利用XPS研究了三种不同的化学清洗方法对GaN（0001）表面的净化效果,认为2：2：1的H2SO4（98%）：H202（30%）：去离子水混合溶液是一种有效的方法。采用同样的710℃进行了两次加热并且进行了激活实验,发现第一次加热中真空度的变化曲线成“W”型,而第二次加热过程中成“V”型,并且质谱仪记录的残气成分分压的变化情况也与之相符合。进行了不同光照下激活的实验,分别在全光谱的氘灯、70μW的300nm单色光和35μW的300nm单色光光照下对GaN光电阴极进行了激活实验。对不同结构的NEAGaN光电阴极性能进行了评估,发现GaN光电阴极最佳p型掺杂浓度在1017cm-3数量级,梯度掺杂的GaN光电阴极最大量子效率达到了56%,明显优于均匀掺杂,采用Ga1-xAlxN缓冲层可以使CaN光电阴极获得更为理想的透射式的量子效率,发现透射式GaN光电阴极最佳的发射层厚度应该在90nm左右。对比了不同制备工艺获得的NEAGaN光电阴极性能,验证了化学清洗方法的优劣,发现二次加热后GaN光电阴极的性能与第一次没有明显的变化,300nm单色光光照下激活的GaN光电阴极性能要优于氘灯的。最后对比了GaN与GaAs光电阴极的性能,发现NEAGaN光电阴极在稳定性上要好于GaAs。本文研究工作围绕NEAGaN光电阴极的相关理论和技术,在紫外光电阴极及紫外探测技术等方面具有参考和促进意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1. 绪论
• 1.1 光电阴极发展概述
• 1.2 GaN光电阴极研究现状
• 1.2.1 国外GaN光电阴极研究现状
• 1.2.2 国内GaN光电阴极研究现状
• 1.3 GaN光电阴极在紫外像增强器方面的应用
• 1.4 本文研究的背景和意义
• 1.5 本文研究的主要工作
• 2. GaN（0001）面光电发射模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 GaN晶体及（0001）表面结构
• 2.2.1 GaN晶体体结构及主要参数
• 2.2.2 GaN（0001）面结构
• 2.3 GaAs（100）面光电发射模型
• 2.3.1 NEA光电阴极的表面模型
• 2.3.2 GaAs（100）面结构
• 2.3.3 [GaAs（Zn）-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型
• 2.4 GaN（0001）面光电发射模型
• 2.4.1 [GaN（Mg）-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型
• 2.4.2 GaN（0001）与GaAs（100）表面光电发射模型对比
• 2.5 GaN（0001）表面第一性原理计算
• 2.6 本章小结
• 3. GaN光电阴极能带结构与材料设计
• 3.1 引言
• 3.2 GaN光电阴极光电发射理论
• 3.2.1 NEA GaN光电阴极的光电发射过程
• 3.2.2 NEA GaN光电阴极的量子效率公式推导
• 3.3 影响NEA GaN光电阴极量子效率的因素
• hv'>3.3.1 GaN发射层吸收系数a_hv
• 3.3.2 电子表面逸出几率P
• D'>3.3.3 电子扩散长度L_D
• e'>3.3.4 GaN发射层的厚度T_e
• v'>3.3.5 后界面复合速率S_v
• 3.4 纤锌矿结构GaN（0001）光电发射材料生长
• 3.4.1 GaN材料的生长技术
• 3.4.2 衬底及缓冲层的选取
• 3.5 反射式GaN光电阴极结构设计
• 3.5.1 不同p型掺杂浓度的反射式GaN光电阴极
• 3.5.2 梯度掺杂的反射式GaN光电阴极
• 3.6 透射式GaN光电阴极结构设计
• 3.6.1 采用AlN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极
• 1-xAl_xN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极'>3.6.2 采用组分渐变Ga_1-xAl_xN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极
• 3.7 本章小结
• 4. NEA GaN光电阴极的制备
• 4.1 引言
• 4.2 NEA光电阴极制备与评估系统
• 4.2.1 表面分析系统
• 4.2.2 超高真空激活系统
• 4.2.3 多信息量测控系统
• 4.3 GaN（0001）表面化学清洗研究
• 4.3.1 表面净化意义
• 4.3.2 实验过程
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.4 GaN在超高真空中二次加热研究
• 4.4.1 二次加热GaN光电阴极实验的意义
• 4.4.2 实验过程
• 4.4.3 实验结果分析
• 4.5 不同光照下GaN光电阴极的激活
• 4.5.1 不同光照激活实验的意义
• 4.5.2 实验过程
• 4.6 本章小结
• 5. NEA GaN光电阴极性能评估
• 5.1 引言
• 5.2 反射式GaN光电阴极的性能评估
• 5.2.1 不同掺杂浓度反射式GaN光电阴极的性能
• 5.2.2 梯度掺杂反射式GaN光电阴极的性能
• 5.2.3 反射式NEA GaN光电阴极衰减及恢复性能
• 5.3 透射式GaN光电阴极的性能评估
• 5.3.1 不同缓冲层结构透射式GaN光电阴极的性能
• 5.3.2 不同发射层厚度透射式GaN光电阴极的性能
• 5.3.3 透射式与反射式GaN光电阴极性能的对比
• 5.4 制备工艺对GaN光电阴极性能的影响
• 5.4.1 不同化学清洗方法净化后GaN光电阴极的性能
• 5.4.2 二次加热对GaN光电阴极性能的影响
• 5.4.3 不同光照下激活后GaN光电阴极性能的对比
• 5.5 GaN与GaAs光电阴极性能的对比
• 5.5.1 GaN与GaAs光电阴极光电流的对比
• 5.5.2 GaN与GaAs光电阴极衰减特性的对比
• 5.6 本章小结
• 6. 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 有待进一步解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录