近红外InGaAs光电阴极材料特性仿真与表面敏化研究

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1～3μm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、Asin和Gain6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In0.53Ga0.47As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Asβ2(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O的交替激活，从而在表面形成InGaAs(Zn)-Cs与Cs-O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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 负电子亲和势光电阴极发展概述

1．2 NEA InxGa1-xAs光电阴极研究现状

1．3 InxGa1-xAs材料基本性质

1．3．1 InxGa1-xAs材料生长

1．3．2 InxGa1-xAs材料结构与能带结构

1．3．3 InxGa1-xAs材料缺陷与掺杂

1．3．4 InxGa1-xAs材料的表面结构

1．4 本文研究背景和意义

1．5 本文主要研究内容

2 研究方法与理论基础

2．1 第一性原理的计算方法

2．1．1 第一性原理的计算方法概述

2．1．2 CASTEP软件及其主要模拟方法

2．2 固体能带理论和薛定谔方程的近似

2．3 密度泛函理论

2．3．1 基本思想

2．3．2 Hohenberg-Kohn定理

2．3．3 Kohn-Sham(沈吕九)方程

2．3．4 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)

2．4 赝势平面波方法

2．5 小结

3 NEA InxGa1-xAs光电阴极结构设计

3．1 GaAs衬底特性分析

3．1．1 掺杂对GaAs衬底的影响

3．1．2 点缺陷对GaAs衬底的影响

3．2 InxGa1-xAs光电阴极组分的选择与分析

3．2．1 能带结构

3．2．2 光学性质

3．3 小结

4 InxGa1-xAs发射层体材料特性分析

4．1 本征In0．53Ga0．47As体材料特性分析

4．1．1 能带结构和态密度

4．1．2 光学性质

4．2 掺杂的形成

4．2．1 掺杂元素的选择

4．2．2 替位式Zn掺杂的稳定性分析

4．2．3 替位式Zn掺杂的能带与电子结构

4．3 空位缺陷的存在对体掺杂的发射层的影响

4．3．1 形成能与成键结构分析

4．3．2 能级分析以及缺陷对材料极性的影响

4．3．3 空位缺陷对掺杂元素电荷分布的影响

4．3．4 空位缺陷对p型InGaAs光学性质的影响

4．4 小结

5 InGaAs发射层的表面与敏化

5．1 In0．53Ga0．47As表面重构的探讨

5．1．1 表面重构的类型

5．1．2 表面稳定性分析

5．1．3 重构表面能带结构和功函数

5．1．4 表面电子结构

5．1．5 不同表面的光子吸收情况

5．1．6 最终吸附表面的确定——富Asβ2(2×4)表面

5．2 表面Zn的掺杂位的选取

5．2．1 表面掺杂模型的建立

5．2．2 Zn掺杂表面的弛豫与形成能

5．2．3 能带结构和电子结构

5．2．4 Zn掺杂对表面功函数的影响

5．2．5 Zn掺杂对表面光学性质的影响

5．3 InGaAs表面负电子亲和势的生成

5．3．1 低覆盖度Cs吸附位置的选择

5．3．2 Cs覆盖度对InGaAs光电发射的影响

5．3．3 In0．53Ga0．47As(Zn)表面的Cs-O吸附

5．4 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

攻读博士期间发表的学术论文

参与项目情况