【摘 要】
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InxGa1-xAs是一种重要的短波近红外光电阴极材料,为了突破响应波长阈值限制,人们对场助InxGa1-xAs光电阴极展开了一系列的研究,这对于制备较长阈值波长的光电探测器件具有比较重要的意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对场助InxGa1-xAs光电阴极的InP衬底、InxGa1-xAs有源层（光子吸收与光电子发射同在有源层内实现）体性质进行了研究,并对外电场作用下InxGa1
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InxGa1-xAs是一种重要的短波近红外光电阴极材料,为了突破响应波长阈值限制,人们对场助InxGa1-xAs光电阴极展开了一系列的研究,这对于制备较长阈值波长的光电探测器件具有比较重要的意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对场助InxGa1-xAs光电阴极的InP衬底、InxGa1-xAs有源层（光子吸收与光电子发射同在有源层内实现）体性质进行了研究,并对外电场作用下InxGa1-xAs有源层电子结构和光学性质进行了计算,在理论和模拟层面为场助InxGa1-xAs光电阴极的研制提供指导。对In P衬底掺杂情况进行了计算和分析,Zn掺杂后费米能级进入价带,带隙变小,材料离子性增强,In P变为p型导电材料。计算了不同In组分InxGa1-xAs有源层的电子结构和光学性质,结果表明随In组分的增加,平均反射率逐渐减小,吸收系数向长波方向移动。根据晶格失配导致的应力和位错能密度计算了不同In组分InxGa1-xAs外延生长在In P衬底上的临界厚度,得到了不同In组分InxGa1-xAs与In P衬底的晶格匹配关系,综合考虑InxGa1-xAs与In P衬底的晶格匹配关系及In组分的选择对InxGa1-xAs禁带宽度和光学性质的影响指出,当In组分为0.53时,In0.53Ga0.47As是合适的有源层材料。场助InxGa1-xAs光电阴极的性能与In0.53Ga0.47As有源层体材料性质密切相关,计算结果表明In0.53Ga0.47As是直接带隙半导体材料。Be或Zn是常见的p型掺杂原子,通过比较Zn掺杂InxGa1-xAs模型和Be掺杂InxGa1-xAs模型的形成能发现,Zn掺杂模型的结构更为稳定。比较了Zn替换In与Zn替换Ga这两种不同掺杂方式下In0.53Ga0.47As材料的原子结构与电子结构,结果表明这两种掺杂方式对In0.53Ga0.47As材料电子结构的影响基本一致,都能形成合适的p型导电材料,可以不区分考虑。计算了掺杂In0.53Ga0.47As材料的光学性质,结果表明Zn掺杂提高了In0.53Ga0.47As材料在近红外波段的吸收系数,使得材料吸收光子的能力得到增强。对In0.53Ga0.47As有源层施加电场,分析In0.53Ga0.47As有源层的电子结构及光学性质随电场的变化规律。首先计算了（100）、（010）、（001）、（011）等电场方向对In0.53Ga0.47As有源层系统总能与稳定性的影响,结果表明（100）方向电场下的系统总能最低,结构最为稳定。沿（100）方向施加不同强度的电场,对比不同电场作下In0.53Ga0.47As有源层的能带结构发现,随着外电场的增大,导带底与价带顶同时向低能端移动,但导带底的移动量要大于价带顶,因而带隙逐渐变窄。In0.53Ga0.47As有源层在近红外波段的吸收系数随外电场的增大而增大,其阈值波长向长波方向延伸;平均反射率随电场强度的增加大而降低,有利于光子穿过表面以激发光电子。
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