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书名：GaN基光电阴极
定价：169.0
ISBN：9787030581860
作者：常本康
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
本书是作者承担国家科研项目的总结，全书共10章，介绍了实用的紫外光电阴极、NEA GaN基光电阴极以及研究方法与实验基础、GaN基光电阴极材料；研究了GaN和AlGaN光电阴极的能带结构、光学性质、光电发射理论和表面模型；探索了GaN和AlGaN光电阴极的制备技术；*后对GaN基光电阴极研究进行了回顾与展望。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 紫外辐射的分类 1
1.2 实用的紫外光电阴极 2
1.2.1 400~200nm范围的光电阴极 2
1.2.2 200~105nm范围的光电阴极 3
1.2.3 低于105nm的光电阴极 3
1.3 NEA GaN基光电阴极的研究进展 3
1.3.1 GaN光电阴极的研究进展 4
1.3.2 AlGaN光电阴极的研究进展 13
参考文献 19
第2章 研究方法与实验基础 29
2.1 单电子近似理论 29
2.1.1 绝热近似 29
2.1.2 Hartree-Fork近似 30
2.2 密度泛函理论 31
2.2.1 Hohenberg-KohN定理 31
2.2.2 Kohn-Sham 定理 32
2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似 33
2.3 平面波赝势法 33
2.4 光学性质计算公式 35
2.5 **性原理计算软件 36
2.6 GaN基光电阴极实验系统简介 36
2.6.1 表面分析系统 37
2.6.2 超高真空激活系统 38
2.6.3 多信息量测试系统 40
参考文献 43
第3章 GaN基光电阴极材料 46
3.1 GaN晶体 46
3.1.1 GaN的晶格结构和主要参数 46
3.1.2 GaN晶体的电学特性及能带结构 47
3.1.3 GaN本征载流子浓度 49
3.1.4 GaN材料的光学特性 50
3.2 AlGaN晶体 51
3.2.1 AlGaN的晶格结构和主要参数 51
3.2.2 AlGaN结构特性 52
3.2.3 AlGaN材料的光学特性 53
3.2.4 AlGaN晶体的极化效应 55
3.2.5 AlGaN晶体极化效应对阴极迁移率的影响 59
3.2.6 电子扩散长度对AlGaN光电阴极量子效率的影响 61
3.2.7 后界面复合速率对AlGaN光电阴极量子效率的影响 62
3.2.8 AlGaN晶体异质结构对电子输运的影响 63
3.3 纤锌矿结构GaN基(0001)光电发射材料生长 66
3.3.1 衬底及缓冲层的选取 66
3.3.2 GaN材料的生长技术 67
3.3.3 AlxGa1-xN材料生长 67
3.3.4 p型AlxGa1-xN材料制备 69
参考文献 69
第4章 GaN光电阴极的能带结构和光学性质 74
4.1 能带理论的基本方法 74
4.2 GaN电子结构与光学性质理论研究 76
4.2.1 GaN电子结构和光学性质 76
4.2.2 计算结果与讨论 77
4.3 空位缺陷对GaN光学性质的影响 83
4.3.1 理论模型和计算方法 83
4.3.2 计算结果与讨论 84
4.4 Mg掺杂对GaN电子结构和光学性质的影响 89
4.4.1 理论模型和计算方法 89
4.4.2 结构与讨论 89
4.4.3 光学性质 92
4.5 Al组分对GaN电子结构和光学性质的影响 97
4.5.1 理论模型和计算方法 97
4.5.2 计算结果分析 97
4.6 GaN(0001)表面电子结构和光学性质 102
4.6.1 理论模型和计算方法 102
4.6.2 计算结果与讨论 103
4.7 GaN(00011)表面电子结构和光学性质 108
4.7.1 理论模型和计算方法 108
4.7.2 计算结果与讨论 108
4.8 Mg掺杂对GaN(0001)表面电子结构和光学性质的影响 113
4.8.1 理论模型和计算方法 113
4.8.2 计算结果与讨论 114
4.9 空位缺陷对GaN(0001)表面电子结构和光学性质的影响 117
4.9.1 理论模型和计算方法 117
4.9.2 计算结果与讨论 118
参考文献 120
第5章 AlGaN光电阴极的能带结构和光学性质 123
5.1 日盲型AlxGa1-xN光电阴极组件结构设计 123
5.1.1 不同Al组分AlxGa1-xN材料的性质研究 123
5.1.2 日盲型光电阴极组件结构设计 129
5.2 p型掺杂的AlxGa1-xN光电阴极的原子结构和电子结构研究 133
5.2.1 Mg掺杂与Mg-H共掺杂对AlxGa1-xN材料电子与原子结构的影响 133
5.2.2 Be掺杂及Be-O共掺杂AlxGa1-xN材料的电子与原子结构研究 144
5.2.3 点缺陷对AlxGa1-xN的原子结构和电子结构的影响 154
5.3 AlxGa1-xN光电阴极的表面特性及表面清洗研究 161
5.3.1 AlxGa1-xN(0001)极性表面的原子结构与电子结构研究 161
5.3.2 AlxGa1-xN(10110)和(11120)非线性表面的原子结构与电子结构研究 171
5.3.3 AlxGa1-xN光电阴极表面氧化及表面清洗研究 175
参考文献 182
第6章 NEA GaN基光电阴极光电发射理论 186
6.1 NEA AlGaN光电阴极的光电发射机理概述 186
6.2 NEA AlGaN光电阴极的结构以及工作模式 189
6.3 NEA AlGaN光电阴极光电发射过程 191
6.3.1 光电子激发 191
6.3.2 光电子往阴极表面的输运 192
6.3.3 光电子隧穿表面势垒 194
6.4 NEA GaN光电阴极的量子效率表达式 197
6.4.1 量子效率与光谱响应 197
6.4.2 反射式NEA GaN光电阴极量子效率公式 198
6.4.3 透射式NEA GaN光电阴极量子效率公式 199
6.5 影响NEA GaN光电阴极量子效率的因素 201
6.5.1 GaN发射层吸收系数αhv 201
6.5.2 电子表面逸出几率P 202
6.5.3 电子扩散长度LD 202
6.5.4 GaN发射层的厚度Te 203
6.5.5 后界面复合速率Sv 203
参考文献 205
第7章 GaN(0001)面光电发射模型 207
7.1 GaN晶体及(0001)表面结构 207
7.1.1 GaN晶体体结构及主要参数 207
7.1.2 GaN(0001)面结构 208
7.2 GaAs(100)面光电发射模型 210
7.2.1 NEA光电阴极的表面模型 210
7.2.2 GaAs(100)面结构 213
7.2.3 [GaAs(Zn)-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型 214
7.3 GaN(0001)面光电发射模型 217
7.3.1 [GaN(Mg)-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型 217
7.3.2 GaN(0001)与GaAs(100)表面光电发射模型对比 224
7.4 Cs/GaN(0001)表面吸附特性研究 225
7.4.1 理论模型和计算方法 225
7.4.2 计算结果与讨论 226
7.5 Cs/GaN(00011)表面吸附特性研究 232
7.6 Cs在Mg掺杂GaN(0001)表面吸附特性研究 235
7.6.1 理论模型和计算方法 235
7.6.2 计算结果与讨论 236
7.7 Cs在GaN(0001)空位缺陷表面吸附特性研究 240
7.7.1 理论模型和计算方法 240
7.7.2 计算结果与讨论 241
7.8 “yo-yo”激活过程模拟与激活实验 242
7.8.1 理论模型和计算方法 242
7.8.2 计算结果与讨论 243
7.9 GaN(0001)面光电发射模型的验证 246
参考文献 247
第8章 GaN(0001)光电阴极制备 249
8.1 反射式GaN光电阴极结构设计 249
8.1.1 不同p型掺杂浓度的反射式GaN光电阴极 249
8.1.2 梯度掺杂的反射式GaN光电阴极 250
8.2 透射式GaN光电阴极结构设计 253
8.2.1 采用AlN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极 253
8.2.2 采用组分渐变AlxGa1-xN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极 255
8.3 GaN(0001)表面化学清洗研究 256
8.3.1 表面净化意义 256
8.3.2 实验过程 258
8.3.3 实验结果分析 259
8.4 GaN在超高真空中二次加热研究 261
8.4.1 二次加热GaN光电阴极实验的意义 261
8.4.2 实验过程 262
8.4.3 实验结果分析 263
8.5 不同光照下GaN光电阴极的激活 264
8.5.1 不同光照激活实验的意义 264
8.5.2 实验过程 265
8.6 反射式GaN光电阴极的性能评估 266
8.6.1 不同掺杂浓度反射式GaN光电阴极的性能 266
8.6.2 梯度掺杂反射式GaN光电阴极的性能 268
8.6.3 反射式NEA GaN光电阴极衰减及恢复性能 270
8.7 透射式GaN光电阴极的性能评估 272
8.7.1 不同缓冲层结构透射式GaN光电阴极的性能 272
8.7.2 不同发射层厚度透射式GaN光电阴极的性能 274
8.7.3 透射式与反射式GaN光电阴极性能的对比 275
8.8 制备工艺对GaN光电阴极性能的影响 276
8.8.1 不同化学清洗方法净化后GaN光电阴极的性能 276
8.8.2 二次加热对GaN光电阴极性能的影响 278
8.8.3 不同光照下激活后GaN光电阴极性能的对比 279
参考文献 282
第9章 AlGaN(0001)光电阴极制备 285
9.1 AlGaN光电阴极材料结构设计 285
9.1.1 变掺杂AlGaN光电阴极材料 285
9.1.2 变Al组分AlGaN光电阴极发射层结构设计 287
9.1.3 变Al组分AlGaN光电阴极材料的能带结构分析 290
9.1.4 AlGaN光电阴极缓冲层结构设计 292
9.2 变Al组分AlGaN光电阴极材料生长与质量评价 293
9.2.1 变Al组分AlGaN光电阴极材料生长 293
9.2.2 AlGaN晶体Al组分分析方法 296
9.2.3 变Al组分AlGaN光电阴极发射层晶体中Al组分分析 298
9.2.4 变Al组分AlGaN光电阴极发射层晶体中薄膜厚度分析 301
9.3 AlGaN光电阴极材料的清洗工艺 304
9.3.1 GaN保护层的腐蚀工艺 305
9.3.2 AlGaN材料的化学清洗工艺 307
9.3.3 AlGaN材料的热清洗工艺 312
9.4 激活过程中AlGaN光电阴极光电流变化与光谱响应特性 316
9.5 反射式AlGaN光电阴极的性能评估 318
9.5.1 内建电场对AlGaN光电阴极性能的影响 318
9.5.2 不同激活条件下AlGaN光电阴极的性能参数 320
9.5.3 不同化学清洗条件下AlGaN光电阴极的性能参数 325
9.5.4 不同热清洗温度条件下AlGaN光电阴极的性能参数 326
9.6 透射式AlGaN光电阴极性能评估 327
9.6.1 不同发射层厚度的AlGaN光电阴极性能参数 327
9.6.2 变Al组分AlGaN光电阴极的性能参数 330
9.7 反射式和透射式AlGaN光电阴极的光谱响应对比 331
9.8 NEA AlxGa1-xN光电阴极的表面Cs、O激活机理研究 332
9.8.1 Al0：25Ga(Mg)0：75N(0001)表面的单Cs激活机理研究 333
9.8.2 Cs、O在Al0：25Ga(Mg)0：75N(0001)和空位缺陷表面吸附特性研究 341
9.8.3 Cs、O在Al0：25Ga(Mg)0：75N(10110)和(11120)非极性表面吸附特性研究 347
参考文献 349
第10章 回顾与展望 352
10.1 GaN基光电阴极的研究基础 352
10.1.1 GaAs光电阴极 352
10.1.2 窄带响应AlGaAs光电阴极 354
10.1.3 近红外响应InGaAs光电阴极 355
10.1.4 GaAs光电阴极及其微光像增强器的分辨力 355
10.2 GaN基光电阴极研究工作的简单回顾 356
10.2.1 GaN光电阴极 356
10.2.2 AlGaN光电阴极 362
10.3 GaN和GaAs光电阴极的比较 366
10.3.1 GaN和GaAs材料的性质 366
10.3.2 GaN和GaAs的表面结构 366
10.3.3 GaN与GaAs激活过程中光电阴极光电流的对比 368
10.4 新型GaN基光电阴极的研究展望 370
参考文献 371
后记 384
在线试读：
第1章 绪论
本章介绍紫外辐射的分类，实用的紫外光电阴极以及负电子亲和势(NEA)GaN基光电阴极的研究过程和研究进展。
1.1 紫外辐射的分类
太阳是强烈的紫外辐射源，紫外波段的辐射能量占据了太阳辐射总能量的7％。在电子波谱中，紫外波段的范围是10~400nm，虽然紫外波段的波长范围比较窄，但是不同波段的紫外光在地球大气中的传输特性却相差很大。如图1.1所示，波长小于200nm的紫外光会被大气中的氧气吸收，所以该波段的光只存在于真空中，被称为真空紫外或超紫外(VUV)；大气层的臭氧层对波长200~280nm的紫外光有强烈的吸收作用，无法到达地球表面，该波段的紫外光称为日盲紫外或远紫外(UVC)；虽然臭氧层能够吸收波长为280~315nm的紫外光，但是该波段内仍有约10％的紫外光可以到达地球表面，该波段的紫外光被称为中紫外(UVB)；波长315~400nm的紫外光可以透过云层，照射到地球表面，这部分波段的紫外光被称为近紫外(UVA)。
图1.1 紫外辐射的分类
臭氧层对日盲波段辐射具有强烈的吸收作用，使波长小于280nm的太阳辐射光无法到达地球表面，为响应波段小于280nm的紫外探测器提供了良好的探测背景条件。因此，日盲型紫外探测器可忽略太阳辐射对目标信号的影响，具有全方位探测能力，从探测目标选择与识别等方面优于可见光和红外探测。同时，在大气层内部也存在较多的日盲波段的紫外辐射源，如超音速飞行物体、闪电、高压电晕放电、火灾和紫外通信设备等，这些辐射源与人们日常生活有着密切的联系。研制紫外辐射探测器件，在天文观测、航空航天和导弹预警等领域具有重要的应用。
1.2 实用的紫外光电阴极
适用于近紫外光范围的光电阴极，通常讨论的光波区域为100~400nm。在紫外范围几乎所有实用光电阴极都有较高的量子产额。这类光电阴极在普通光电器件中，其紫外性能受光窗透过率的限制。由于宇宙探测光电子能谱技术的发展，对紫外光电子发射以及测量技术的研究越来越多。在宇宙探测中常要求“日盲”，即对紫外光灵敏，而对太阳的其他辐射不敏感。“日盲”在紫外光电阴极研究中非常重要，紫外光电阴极向短波延伸是研究的重要课题。
在外层空间工作的光电阴极，其阈波长小于200nm；在大气层工作的光电阴极，阈波长小于350nm。与可见光范围实用光电阴极相比，多数紫外光电阴极的量子效率较低，一般为0.05电子/光子。
1.2.1 400~200nm范围的光电阴极
400~200nm范围的透过光窗材料主要是石英和硼化玻璃，质量*好的玻璃甚
至可以透过150nm的紫外光。
1. 碲化铯(Cs2Te)
在400~200nm范围，碲化铯(Cs2Te)和碲化铷(Rb2Te)量子效率较高，Cs2Te光电阴极的量子效率如图1.2所示，光子能量在5.5eV左右时，Cs2Te的峰值量子效率约为0：1，光电阈定义为禁带宽度Eg与电子亲和势Ea之和，Eg+Ea=3.5eV。Rb2Te的制备工艺和性能与Cs2Te的相近。图中Ⅰ是Cs不过量，阈值较高，很快截止，有较好的日盲特性。Ⅱ有较高的量子产额，但阈值过低，这是因为较多的Cs降低了表面势垒，无法满足宇宙探测中的“日盲”要求。
图1.2 Cs2Te光电阴极的量子效率
Cs2Te的制备工艺类似于Cs3Sb光电阴极：
(1) 在石英基底上先蒸积一层金属薄膜；
(2) 将Te蒸镀到石英基底，白光透过率降低95％；
(3) 用Cs蒸气激活Te层，直到光电流达到*大值。
2. 金(Au)，钯(Pd)和钽(Ta)薄膜
蒸积在石英窗上的纯金、钯、钽等金属薄膜，在紫外光范围有较好的光电发射特性，适用于经常暴露在大气中的动态系统。
当Au用Cs处理时，会生成CsAu化合物，量子产额可达0.1，但阈值较低。在石英窗上使用，量子产额不如Cs2Te。
1.2.2 200~105nm范围的光电阴极
200~105nm范围的光子能量适用的透过光窗材料是氟化锂(LiF)和氟化钙(CaF2)，用得较多的是LiF。
响应低于200nm(光子能量高于6eV)的光电发射材料，其(Eg+Ea)值应该超过6eV。高的量子产额，则还须满足Eg>Ea，即只有选用禁带宽度Eg>3eV的绝缘体材料才能获得高的量子效率。
碘化铯(CsI)可能是*好的远紫外光电发射材料，Eg为6eV，Ea为0.3eV，其量子效率为0.1，它是较好的日盲阴极。CsI是一种稳定的紫外光电发射材料，对可见光是透明的，可以在大气中喷涂不被氧化，化学性质很稳定，当它们暴露于氧气或干燥空气时，不会被破坏，这对于制造和使用都是很大的优点。但CsI易溶于水，应注意防潮。
1.2.3 低于105nm的光电阴极
如此高的光子能量，没有材料可以用来作为光窗，而且这个范围的光子也不能透过大气，故称其为真空紫外范围。适用的光电阴极不能在具有光窗的真空管中制备。当光子能量大于12eV时，几乎所有的碱卤化物都具有较高的量子效率。LiF*常用作光电阴极，阈波长(Eg+Ea)=12eV。也可用CaF2、BaF2和MgO等材料作为光电阴极。
1.3 NEAGaN基光电阴极的研究进展
真空紫外探测器以紫外光电阴极为主要敏感探测元件，*早采用的材料包括Cs2Te、Rb2Te等，由于材料本身的限制，所制备的光电阴极量子效率*高只能达到15％左右，离实用化还差得比较远[9]。随着GaN材料p型掺杂的实现，GaN及其与Al、In构成的三元、四元合金半导体作为第三代半导体的典型代表，由于具有禁带宽度大、热导率高、击穿电压高、量子效率高以及化学性能稳定等优点，成为研制紫外探测器的**材料。尤其是AlxGa1-xN材料，其禁带宽度在3.4~6.2eV连续可调，对应的波长范围在200~365nm，因此通过调整Al组分含量，完全可以实现200~280nm的“日盲”探测目标。
1.3.1 GaN光电阴极的研究进展
国外在GaN光电阴极研究方面起步比较早，早在1974年，普林斯顿大学的Pankove等[12]就对GaN材料的光电发射性能进行了研究，但当时由于GaN材料的p型掺杂还未获得突破，他们主要针对n型以及半绝缘GaN材料的光电发射性能进行了研究，并得到了半绝缘GaN材料经过铯化可以实现负电子亲和势这一重要结论。GaN材料高浓度p型掺杂实现后，GaN光电阴极的研究也日趋活跃，国外在此方面研究成果突出的主要是美国和日本的科研机构，其中包括美国的西北大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学和日本的滨松光子学株式会社等。
图1.3给出了美国航空航天局戈达德航天中心(NASA Goddard Space Flight Center)使用的超高真空系统和GaN光电阴极的Cs、O激活过程。该系统可用来铯化阴极材料，进行铯化后相关的光电阴极校验。在350 ℃下经过24h的烘烤之后，系统可获得小于1.33×10.7Pa的真空水平。据2003年戈达德航天中心Timothy Norton等研究者报道，通过对GaN进行铯化处理，在185nm处获得了大于40％的量子效率。
图1.3 戈达德航天中心使用的超高真空系统(a)和GaN光电阴极的Cs、O激活(b)
材料生长技术的进步保证能得到高质量的p型掺杂薄膜，Siegmund、Ulmer以及Uchiyama等研究者已经取得了有关GaN光电阴极令人鼓舞的结果。图1.4中给出了美国西北大学采用1um厚的Mg掺杂p型GaN外延层作为阴极材料，利用铯化处理制备的GaN光电阴极反射模式下的量子效率，在波长200nm处获得了56％的*高量子效率，制备的GaN光电阴极透射模式下的量子效率也已达到30％[25]。美国西北大学的研究人员发现通过提高GaN材料的电导率可以进一步提高阴极的量子效率，甚至具有高达90％的理论值。
图1.4 美国西北大学制备的反射模式GaN光电阴极量子效率
美国西北大学的Ulmer以及加州大学伯克利分校的Osweld等在NASA项目的支持下，通过分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)和金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)技术生长了多种不同结构的GaN材料样品并进行了GaN光电阴极的制备。这些结构中也包含了参考我们课题组提出的梯度掺杂结构设计出的新型结构，通过激活获得了较好的量子效率结果。其*新实验结果是反射式GaN光电阴极在120nm处获得了80％的量子效率，半透射式结构在240~360nm范围内获得了20％左右的量子效率，如图1.5所示。通过对激活后的GaN光电阴极进行多次高温表面净化和再激活实验证明GaN光电阴极的量子效率在多次处理后仍能维持较高的水平。
图1.5 Osweld等制备的不同结构GaN光电阴极的量子效率
(a)反射式；(b)透射式
斯坦福大学W.E.Spicer研究小组的Machuca等对所设计的蓝宝石/AlN/p-GaN结构的光电阴极的制备及性能进行了比较系统的研究，其GaN样品的p型掺杂浓度为1×1018cm.3，通过Cs及Cs、O激活，反射式光电阴极分别获得了15％~20％和20％~40％的量子效率，透射式光电阴极获得了17％的量子效率，图1.6是他们的测试结果。
图1.6 斯坦福大学Machuca等采用Cs、O激活获得的GaN光电阴极量子效率曲线
(a)反射式；(b)透射式
从量子效率曲线来看，采用Cs、O激活可以获得40％以上的量子效率，并且高能光子的量子效率要高于低能光子。另外，透射式在257~325nm曲线较为平坦，平均量子效率都在10％以上，*高值可达17％，显示出了较好的性能。
他们采用同步辐射光电子激发能谱仪(SR-PES)分析了GaN材料在化学清洗和高温净化前后表面C、O含量的变化情况，指出原子级清洁表面的获得是成功制备负电子亲和势GaN光电阴极的基础。如图1.7所示，测得的清洁GaN表面电子
图1.7 清洁GaN表面覆盖Cs和O之后表面能带弯曲情况以及表面真空能级的下降情况
定价：169.0
ISBN：9787030581860
作者：常本康
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
本书是作者承担国家科研项目的总结，全书共10章，介绍了实用的紫外光电阴极、NEA GaN基光电阴极以及研究方法与实验基础、GaN基光电阴极材料；研究了GaN和AlGaN光电阴极的能带结构、光学性质、光电发射理论和表面模型；探索了GaN和AlGaN光电阴极的制备技术；*后对GaN基光电阴极研究进行了回顾与展望。
目录：
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前言
第1章 绪论 1
1.1 紫外辐射的分类 1
1.2 实用的紫外光电阴极 2
1.2.1 400~200nm范围的光电阴极 2
1.2.2 200~105nm范围的光电阴极 3
1.2.3 低于105nm的光电阴极 3
1.3 NEA GaN基光电阴极的研究进展 3
1.3.1 GaN光电阴极的研究进展 4
1.3.2 AlGaN光电阴极的研究进展 13
参考文献 19
第2章 研究方法与实验基础 29
2.1 单电子近似理论 29
2.1.1 绝热近似 29
2.1.2 Hartree-Fork近似 30
2.2 密度泛函理论 31
2.2.1 Hohenberg-KohN定理 31
2.2.2 Kohn-Sham 定理 32
2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似 33
2.3 平面波赝势法 33
2.4 光学性质计算公式 35
2.5 **性原理计算软件 36
2.6 GaN基光电阴极实验系统简介 36
2.6.1 表面分析系统 37
2.6.2 超高真空激活系统 38
2.6.3 多信息量测试系统 40
参考文献 43
第3章 GaN基光电阴极材料 46
3.1 GaN晶体 46
3.1.1 GaN的晶格结构和主要参数 46
3.1.2 GaN晶体的电学特性及能带结构 47
3.1.3 GaN本征载流子浓度 49
3.1.4 GaN材料的光学特性 50
3.2 AlGaN晶体 51
3.2.1 AlGaN的晶格结构和主要参数 51
3.2.2 AlGaN结构特性 52
3.2.3 AlGaN材料的光学特性 53
3.2.4 AlGaN晶体的极化效应 55
3.2.5 AlGaN晶体极化效应对阴极迁移率的影响 59
3.2.6 电子扩散长度对AlGaN光电阴极量子效率的影响 61
3.2.7 后界面复合速率对AlGaN光电阴极量子效率的影响 62
3.2.8 AlGaN晶体异质结构对电子输运的影响 63
3.3 纤锌矿结构GaN基(0001)光电发射材料生长 66
3.3.1 衬底及缓冲层的选取 66
3.3.2 GaN材料的生长技术 67
3.3.3 AlxGa1-xN材料生长 67
3.3.4 p型AlxGa1-xN材料制备 69
参考文献 69
第4章 GaN光电阴极的能带结构和光学性质 74
4.1 能带理论的基本方法 74
4.2 GaN电子结构与光学性质理论研究 76
4.2.1 GaN电子结构和光学性质 76
4.2.2 计算结果与讨论 77
4.3 空位缺陷对GaN光学性质的影响 83
4.3.1 理论模型和计算方法 83
4.3.2 计算结果与讨论 84
4.4 Mg掺杂对GaN电子结构和光学性质的影响 89
4.4.1 理论模型和计算方法 89
4.4.2 结构与讨论 89
4.4.3 光学性质 92
4.5 Al组分对GaN电子结构和光学性质的影响 97
4.5.1 理论模型和计算方法 97
4.5.2 计算结果分析 97
4.6 GaN(0001)表面电子结构和光学性质 102
4.6.1 理论模型和计算方法 102
4.6.2 计算结果与讨论 103
4.7 GaN(00011)表面电子结构和光学性质 108
4.7.1 理论模型和计算方法 108
4.7.2 计算结果与讨论 108
4.8 Mg掺杂对GaN(0001)表面电子结构和光学性质的影响 113
4.8.1 理论模型和计算方法 113
4.8.2 计算结果与讨论 114
4.9 空位缺陷对GaN(0001)表面电子结构和光学性质的影响 117
4.9.1 理论模型和计算方法 117
4.9.2 计算结果与讨论 118
参考文献 120
第5章 AlGaN光电阴极的能带结构和光学性质 123
5.1 日盲型AlxGa1-xN光电阴极组件结构设计 123
5.1.1 不同Al组分AlxGa1-xN材料的性质研究 123
5.1.2 日盲型光电阴极组件结构设计 129
5.2 p型掺杂的AlxGa1-xN光电阴极的原子结构和电子结构研究 133
5.2.1 Mg掺杂与Mg-H共掺杂对AlxGa1-xN材料电子与原子结构的影响 133
5.2.2 Be掺杂及Be-O共掺杂AlxGa1-xN材料的电子与原子结构研究 144
5.2.3 点缺陷对AlxGa1-xN的原子结构和电子结构的影响 154
5.3 AlxGa1-xN光电阴极的表面特性及表面清洗研究 161
5.3.1 AlxGa1-xN(0001)极性表面的原子结构与电子结构研究 161
5.3.2 AlxGa1-xN(10110)和(11120)非线性表面的原子结构与电子结构研究 171
5.3.3 AlxGa1-xN光电阴极表面氧化及表面清洗研究 175
参考文献 182
第6章 NEA GaN基光电阴极光电发射理论 186
6.1 NEA AlGaN光电阴极的光电发射机理概述 186
6.2 NEA AlGaN光电阴极的结构以及工作模式 189
6.3 NEA AlGaN光电阴极光电发射过程 191
6.3.1 光电子激发 191
6.3.2 光电子往阴极表面的输运 192
6.3.3 光电子隧穿表面势垒 194
6.4 NEA GaN光电阴极的量子效率表达式 197
6.4.1 量子效率与光谱响应 197
6.4.2 反射式NEA GaN光电阴极量子效率公式 198
6.4.3 透射式NEA GaN光电阴极量子效率公式 199
6.5 影响NEA GaN光电阴极量子效率的因素 201
6.5.1 GaN发射层吸收系数αhv 201
6.5.2 电子表面逸出几率P 202
6.5.3 电子扩散长度LD 202
6.5.4 GaN发射层的厚度Te 203
6.5.5 后界面复合速率Sv 203
参考文献 205
第7章 GaN(0001)面光电发射模型 207
7.1 GaN晶体及(0001)表面结构 207
7.1.1 GaN晶体体结构及主要参数 207
7.1.2 GaN(0001)面结构 208
7.2 GaAs(100)面光电发射模型 210
7.2.1 NEA光电阴极的表面模型 210
7.2.2 GaAs(100)面结构 213
7.2.3 [GaAs(Zn)-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型 214
7.3 GaN(0001)面光电发射模型 217
7.3.1 [GaN(Mg)-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型 217
7.3.2 GaN(0001)与GaAs(100)表面光电发射模型对比 224
7.4 Cs/GaN(0001)表面吸附特性研究 225
7.4.1 理论模型和计算方法 225
7.4.2 计算结果与讨论 226
7.5 Cs/GaN(00011)表面吸附特性研究 232
7.6 Cs在Mg掺杂GaN(0001)表面吸附特性研究 235
7.6.1 理论模型和计算方法 235
7.6.2 计算结果与讨论 236
7.7 Cs在GaN(0001)空位缺陷表面吸附特性研究 240
7.7.1 理论模型和计算方法 240
7.7.2 计算结果与讨论 241
7.8 “yo-yo”激活过程模拟与激活实验 242
7.8.1 理论模型和计算方法 242
7.8.2 计算结果与讨论 243
7.9 GaN(0001)面光电发射模型的验证 246
参考文献 247
第8章 GaN(0001)光电阴极制备 249
8.1 反射式GaN光电阴极结构设计 249
8.1.1 不同p型掺杂浓度的反射式GaN光电阴极 249
8.1.2 梯度掺杂的反射式GaN光电阴极 250
8.2 透射式GaN光电阴极结构设计 253
8.2.1 采用AlN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极 253
8.2.2 采用组分渐变AlxGa1-xN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极 255
8.3 GaN(0001)表面化学清洗研究 256
8.3.1 表面净化意义 256
8.3.2 实验过程 258
8.3.3 实验结果分析 259
8.4 GaN在超高真空中二次加热研究 261
8.4.1 二次加热GaN光电阴极实验的意义 261
8.4.2 实验过程 262
8.4.3 实验结果分析 263
8.5 不同光照下GaN光电阴极的激活 264
8.5.1 不同光照激活实验的意义 264
8.5.2 实验过程 265
8.6 反射式GaN光电阴极的性能评估 266
8.6.1 不同掺杂浓度反射式GaN光电阴极的性能 266
8.6.2 梯度掺杂反射式GaN光电阴极的性能 268
8.6.3 反射式NEA GaN光电阴极衰减及恢复性能 270
8.7 透射式GaN光电阴极的性能评估 272
8.7.1 不同缓冲层结构透射式GaN光电阴极的性能 272
8.7.2 不同发射层厚度透射式GaN光电阴极的性能 274
8.7.3 透射式与反射式GaN光电阴极性能的对比 275
8.8 制备工艺对GaN光电阴极性能的影响 276
8.8.1 不同化学清洗方法净化后GaN光电阴极的性能 276
8.8.2 二次加热对GaN光电阴极性能的影响 278
8.8.3 不同光照下激活后GaN光电阴极性能的对比 279
参考文献 282
第9章 AlGaN(0001)光电阴极制备 285
9.1 AlGaN光电阴极材料结构设计 285
9.1.1 变掺杂AlGaN光电阴极材料 285
9.1.2 变Al组分AlGaN光电阴极发射层结构设计 287
9.1.3 变Al组分AlGaN光电阴极材料的能带结构分析 290
9.1.4 AlGaN光电阴极缓冲层结构设计 292
9.2 变Al组分AlGaN光电阴极材料生长与质量评价 293
9.2.1 变Al组分AlGaN光电阴极材料生长 293
9.2.2 AlGaN晶体Al组分分析方法 296
9.2.3 变Al组分AlGaN光电阴极发射层晶体中Al组分分析 298
9.2.4 变Al组分AlGaN光电阴极发射层晶体中薄膜厚度分析 301
9.3 AlGaN光电阴极材料的清洗工艺 304
9.3.1 GaN保护层的腐蚀工艺 305
9.3.2 AlGaN材料的化学清洗工艺 307
9.3.3 AlGaN材料的热清洗工艺 312
9.4 激活过程中AlGaN光电阴极光电流变化与光谱响应特性 316
9.5 反射式AlGaN光电阴极的性能评估 318
9.5.1 内建电场对AlGaN光电阴极性能的影响 318
9.5.2 不同激活条件下AlGaN光电阴极的性能参数 320
9.5.3 不同化学清洗条件下AlGaN光电阴极的性能参数 325
9.5.4 不同热清洗温度条件下AlGaN光电阴极的性能参数 326
9.6 透射式AlGaN光电阴极性能评估 327
9.6.1 不同发射层厚度的AlGaN光电阴极性能参数 327
9.6.2 变Al组分AlGaN光电阴极的性能参数 330
9.7 反射式和透射式AlGaN光电阴极的光谱响应对比 331
9.8 NEA AlxGa1-xN光电阴极的表面Cs、O激活机理研究 332
9.8.1 Al0：25Ga(Mg)0：75N(0001)表面的单Cs激活机理研究 333
9.8.2 Cs、O在Al0：25Ga(Mg)0：75N(0001)和空位缺陷表面吸附特性研究 341
9.8.3 Cs、O在Al0：25Ga(Mg)0：75N(10110)和(11120)非极性表面吸附特性研究 347
参考文献 349
第10章 回顾与展望 352
10.1 GaN基光电阴极的研究基础 352
10.1.1 GaAs光电阴极 352
10.1.2 窄带响应AlGaAs光电阴极 354
10.1.3 近红外响应InGaAs光电阴极 355
10.1.4 GaAs光电阴极及其微光像增强器的分辨力 355
10.2 GaN基光电阴极研究工作的简单回顾 356
10.2.1 GaN光电阴极 356
10.2.2 AlGaN光电阴极 362
10.3 GaN和GaAs光电阴极的比较 366
10.3.1 GaN和GaAs材料的性质 366
10.3.2 GaN和GaAs的表面结构 366
10.3.3 GaN与GaAs激活过程中光电阴极光电流的对比 368
10.4 新型GaN基光电阴极的研究展望 370
参考文献 371
后记 384
在线试读：
第1章 绪论
本章介绍紫外辐射的分类，实用的紫外光电阴极以及负电子亲和势(NEA)GaN基光电阴极的研究过程和研究进展。
1.1 紫外辐射的分类
太阳是强烈的紫外辐射源，紫外波段的辐射能量占据了太阳辐射总能量的7％。在电子波谱中，紫外波段的范围是10~400nm，虽然紫外波段的波长范围比较窄，但是不同波段的紫外光在地球大气中的传输特性却相差很大。如图1.1所示，波长小于200nm的紫外光会被大气中的氧气吸收，所以该波段的光只存在于真空中，被称为真空紫外或超紫外(VUV)；大气层的臭氧层对波长200~280nm的紫外光有强烈的吸收作用，无法到达地球表面，该波段的紫外光称为日盲紫外或远紫外(UVC)；虽然臭氧层能够吸收波长为280~315nm的紫外光，但是该波段内仍有约10％的紫外光可以到达地球表面，该波段的紫外光被称为中紫外(UVB)；波长315~400nm的紫外光可以透过云层，照射到地球表面，这部分波段的紫外光被称为近紫外(UVA)。
图1.1 紫外辐射的分类
臭氧层对日盲波段辐射具有强烈的吸收作用，使波长小于280nm的太阳辐射光无法到达地球表面，为响应波段小于280nm的紫外探测器提供了良好的探测背景条件。因此，日盲型紫外探测器可忽略太阳辐射对目标信号的影响，具有全方位探测能力，从探测目标选择与识别等方面优于可见光和红外探测。同时，在大气层内部也存在较多的日盲波段的紫外辐射源，如超音速飞行物体、闪电、高压电晕放电、火灾和紫外通信设备等，这些辐射源与人们日常生活有着密切的联系。研制紫外辐射探测器件，在天文观测、航空航天和导弹预警等领域具有重要的应用。
1.2 实用的紫外光电阴极
适用于近紫外光范围的光电阴极，通常讨论的光波区域为100~400nm。在紫外范围几乎所有实用光电阴极都有较高的量子产额。这类光电阴极在普通光电器件中，其紫外性能受光窗透过率的限制。由于宇宙探测光电子能谱技术的发展，对紫外光电子发射以及测量技术的研究越来越多。在宇宙探测中常要求“日盲”，即对紫外光灵敏，而对太阳的其他辐射不敏感。“日盲”在紫外光电阴极研究中非常重要，紫外光电阴极向短波延伸是研究的重要课题。
在外层空间工作的光电阴极，其阈波长小于200nm；在大气层工作的光电阴极，阈波长小于350nm。与可见光范围实用光电阴极相比，多数紫外光电阴极的量子效率较低，一般为0.05电子/光子。
1.2.1 400~200nm范围的光电阴极
400~200nm范围的透过光窗材料主要是石英和硼化玻璃，质量*好的玻璃甚
至可以透过150nm的紫外光。
1. 碲化铯(Cs2Te)
在400~200nm范围，碲化铯(Cs2Te)和碲化铷(Rb2Te)量子效率较高，Cs2Te光电阴极的量子效率如图1.2所示，光子能量在5.5eV左右时，Cs2Te的峰值量子效率约为0：1，光电阈定义为禁带宽度Eg与电子亲和势Ea之和，Eg+Ea=3.5eV。Rb2Te的制备工艺和性能与Cs2Te的相近。图中Ⅰ是Cs不过量，阈值较高，很快截止，有较好的日盲特性。Ⅱ有较高的量子产额，但阈值过低，这是因为较多的Cs降低了表面势垒，无法满足宇宙探测中的“日盲”要求。
图1.2 Cs2Te光电阴极的量子效率
Cs2Te的制备工艺类似于Cs3Sb光电阴极：
(1) 在石英基底上先蒸积一层金属薄膜；
(2) 将Te蒸镀到石英基底，白光透过率降低95％；
(3) 用Cs蒸气激活Te层，直到光电流达到*大值。
2. 金(Au)，钯(Pd)和钽(Ta)薄膜
蒸积在石英窗上的纯金、钯、钽等金属薄膜，在紫外光范围有较好的光电发射特性，适用于经常暴露在大气中的动态系统。
当Au用Cs处理时，会生成CsAu化合物，量子产额可达0.1，但阈值较低。在石英窗上使用，量子产额不如Cs2Te。
1.2.2 200~105nm范围的光电阴极
200~105nm范围的光子能量适用的透过光窗材料是氟化锂(LiF)和氟化钙(CaF2)，用得较多的是LiF。
响应低于200nm(光子能量高于6eV)的光电发射材料，其(Eg+Ea)值应该超过6eV。高的量子产额，则还须满足Eg>Ea，即只有选用禁带宽度Eg>3eV的绝缘体材料才能获得高的量子效率。
碘化铯(CsI)可能是*好的远紫外光电发射材料，Eg为6eV，Ea为0.3eV，其量子效率为0.1，它是较好的日盲阴极。CsI是一种稳定的紫外光电发射材料，对可见光是透明的，可以在大气中喷涂不被氧化，化学性质很稳定，当它们暴露于氧气或干燥空气时，不会被破坏，这对于制造和使用都是很大的优点。但CsI易溶于水，应注意防潮。
1.2.3 低于105nm的光电阴极
如此高的光子能量，没有材料可以用来作为光窗，而且这个范围的光子也不能透过大气，故称其为真空紫外范围。适用的光电阴极不能在具有光窗的真空管中制备。当光子能量大于12eV时，几乎所有的碱卤化物都具有较高的量子效率。LiF*常用作光电阴极，阈波长(Eg+Ea)=12eV。也可用CaF2、BaF2和MgO等材料作为光电阴极。
1.3 NEAGaN基光电阴极的研究进展
真空紫外探测器以紫外光电阴极为主要敏感探测元件，*早采用的材料包括Cs2Te、Rb2Te等，由于材料本身的限制，所制备的光电阴极量子效率*高只能达到15％左右，离实用化还差得比较远[9]。随着GaN材料p型掺杂的实现，GaN及其与Al、In构成的三元、四元合金半导体作为第三代半导体的典型代表，由于具有禁带宽度大、热导率高、击穿电压高、量子效率高以及化学性能稳定等优点，成为研制紫外探测器的**材料。尤其是AlxGa1-xN材料，其禁带宽度在3.4~6.2eV连续可调，对应的波长范围在200~365nm，因此通过调整Al组分含量，完全可以实现200~280nm的“日盲”探测目标。
1.3.1 GaN光电阴极的研究进展
国外在GaN光电阴极研究方面起步比较早，早在1974年，普林斯顿大学的Pankove等[12]就对GaN材料的光电发射性能进行了研究，但当时由于GaN材料的p型掺杂还未获得突破，他们主要针对n型以及半绝缘GaN材料的光电发射性能进行了研究，并得到了半绝缘GaN材料经过铯化可以实现负电子亲和势这一重要结论。GaN材料高浓度p型掺杂实现后，GaN光电阴极的研究也日趋活跃，国外在此方面研究成果突出的主要是美国和日本的科研机构，其中包括美国的西北大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学和日本的滨松光子学株式会社等。
图1.3给出了美国航空航天局戈达德航天中心(NASA Goddard Space Flight Center)使用的超高真空系统和GaN光电阴极的Cs、O激活过程。该系统可用来铯化阴极材料，进行铯化后相关的光电阴极校验。在350 ℃下经过24h的烘烤之后，系统可获得小于1.33×10.7Pa的真空水平。据2003年戈达德航天中心Timothy Norton等研究者报道，通过对GaN进行铯化处理，在185nm处获得了大于40％的量子效率。
图1.3 戈达德航天中心使用的超高真空系统(a)和GaN光电阴极的Cs、O激活(b)
材料生长技术的进步保证能得到高质量的p型掺杂薄膜，Siegmund、Ulmer以及Uchiyama等研究者已经取得了有关GaN光电阴极令人鼓舞的结果。图1.4中给出了美国西北大学采用1um厚的Mg掺杂p型GaN外延层作为阴极材料，利用铯化处理制备的GaN光电阴极反射模式下的量子效率，在波长200nm处获得了56％的*高量子效率，制备的GaN光电阴极透射模式下的量子效率也已达到30％[25]。美国西北大学的研究人员发现通过提高GaN材料的电导率可以进一步提高阴极的量子效率，甚至具有高达90％的理论值。
图1.4 美国西北大学制备的反射模式GaN光电阴极量子效率
美国西北大学的Ulmer以及加州大学伯克利分校的Osweld等在NASA项目的支持下，通过分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)和金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)技术生长了多种不同结构的GaN材料样品并进行了GaN光电阴极的制备。这些结构中也包含了参考我们课题组提出的梯度掺杂结构设计出的新型结构，通过激活获得了较好的量子效率结果。其*新实验结果是反射式GaN光电阴极在120nm处获得了80％的量子效率，半透射式结构在240~360nm范围内获得了20％左右的量子效率，如图1.5所示。通过对激活后的GaN光电阴极进行多次高温表面净化和再激活实验证明GaN光电阴极的量子效率在多次处理后仍能维持较高的水平。
图1.5 Osweld等制备的不同结构GaN光电阴极的量子效率
(a)反射式；(b)透射式
斯坦福大学W.E.Spicer研究小组的Machuca等对所设计的蓝宝石/AlN/p-GaN结构的光电阴极的制备及性能进行了比较系统的研究，其GaN样品的p型掺杂浓度为1×1018cm.3，通过Cs及Cs、O激活，反射式光电阴极分别获得了15％~20％和20％~40％的量子效率，透射式光电阴极获得了17％的量子效率，图1.6是他们的测试结果。
图1.6 斯坦福大学Machuca等采用Cs、O激活获得的GaN光电阴极量子效率曲线
(a)反射式；(b)透射式
从量子效率曲线来看，采用Cs、O激活可以获得40％以上的量子效率，并且高能光子的量子效率要高于低能光子。另外，透射式在257~325nm曲线较为平坦，平均量子效率都在10％以上，*高值可达17％，显示出了较好的性能。
他们采用同步辐射光电子激发能谱仪(SR-PES)分析了GaN材料在化学清洗和高温净化前后表面C、O含量的变化情况，指出原子级清洁表面的获得是成功制备负电子亲和势GaN光电阴极的基础。如图1.7所示，测得的清洁GaN表面电子
图1.7 清洁GaN表面覆盖Cs和O之后表面能带弯曲情况以及表面真空能级的下降情况