蓝绿敏感变组分变掺杂多层结构AlGaAs/GaAs阴极光电发射机理研究

The sensitive to blue and green AlGaAs/GaAs photocathode will be prepared with varied Al composition and varied doping concentration by varied doping from body to surface in order to form a varied energy band for cathode material, thus the photo-excited electrons can transport to surface not only through concentration diffusion but also through electric field drift. This project will firstly carry out research on energy band of varied composition and doping concentration by first principles study, thus the models of steady-state photovoltage spectroscopy and quantum efficiency can be well established. The parameters of cathode materials will be composite evaluated by steady-state photovoltage spectroscopy and instantaneous concentration grating, furthermore the surface escaping probability for excited electrons to tunnel through surface barriers can be well fitted through the comparative research between composited evaluations before activation and quantum efficiency after activation. Finally this comparative research method can form a closed-loop research system for AlGaAs/GaAs photocathode and we can carry out research on optimal design of cathode materials、surface barriers tunneling mechanism、 spectral response band modulation and other aspects. High-performance extended blue AlGaAs/GaAs photocathode will have wide applications in desert and earth detection、ocean submarine detection、ocean communication、 seabed imaging and other aspects.

蓝绿敏感AlGaAs/GaAs光电阴极采用Al组分和掺杂浓度由体内向表面逐渐降低的变组分变掺杂的方法，形成从内到外的可变能带结构，从而使光生电子以电场漂移和浓度扩散双重方式向表面输运。本项目利用第一性原理研究变组分变掺杂结构材料的能带结构，建立变组分变掺杂结构材料的稳态光电压谱模型和量子效率模型，借助瞬态浓度光栅和稳态光电压谱实现对阴极材料性能的复合评价分析，并和阴极材料激活后的量子效率曲线进行对比研究实现对光生电子隧穿表面势垒层的表面电子逸出几率曲线的准确拟合，从而构建阴极材料激活前后的闭环评价体系。利用该闭环评价体系，开展变组分变掺杂结构优化设计、表面势垒隧穿机理分析和响应光谱调制等方面的研究。高性能蓝绿敏感AlGaAs/GaAs光电阴极在我国泥土和沙漠探测、海洋探潜、海底通信、海底成像等领域具有广泛的应用前景。

本项目利用第一性原理研究不同Al组分含量和掺杂浓度变化条件下，阴极能带结构的形状和大小，研究不同掺杂浓度区域交界面处耗尽层的宽度，内建电场的大小及对电子运动规律影响。计算了不同Al组分Ga1-xAlxAs体材料的性质，结果表明Al-As键的极性强于Ga-As键，随着Al组分的增加，吸收峰向高能端移动。掺杂Ga0.5Al0.5As模型的计算表明间隙掺杂表现出n型特性，替位掺杂表现出p型性质。Be原子形成间隙掺杂和替位掺杂的概率接近，而Zn原子更倾向于形成替位掺杂。构造了Al2O3和Ga2O3在Ga0.5Al0.5As（001）β2（2×4）重构相上的吸附模型，通过计算得出Al2O3形成能和吸附能均高于Ga2O3，为阴极高温清洗需要更高的温度提供了理论支撑。对比研究了Cs吸附于Ga0.5Al0.5As（001）β2（2×4）表面不同吸附位的性质。不同覆盖度Cs吸附研究表明，随着Cs覆盖度的增加，吸附能逐渐升高，吸附稳定性降低，功函数先是逐渐降低，在0.75ML时达到最低，随后开始回升。依据变组分变掺杂材料能带结构和内建电场，建立阴极材料的稳态光电压谱理论模型，并结合光生载流子扩散方程，推导出阴极材料稳压光电压谱的理论拟合方程。最终依据实验测试曲线，通过最小二乘法拟合出阴极材料的核心关键参数。同时和阴极激活后的量子效率测试构成阴极的闭环评价体系，实现对表面势垒和电子溢出几率的拟合测试。围绕蓝绿光波段的量子效率提升进行阴极材料的结构优化设计，并对不同设计结构下阴极响应光谱的调制进行研究，并结合不同结构阴极材料对比评价研究开展阴极Cs-O激活工艺和阴极稳定性的综合评价研究。相关研究成果对我国沙漠探测、海洋探潜、海底通信、海底成像等领域相关蓝绿敏感光电探测器件研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。