摘要
GaN 及其氮化物合金材料作为第三代Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料，具有高量子效率，高电子迁移率、物理性能稳定和耐高温等优点，是微光成像、紫外探测和真空电子源等领域的理想候选材料。传统薄膜阴极存在光子吸收和电子运输方面与阴极发射层设计的矛盾问题。通过设计合理的几何结构，纳米线阵列具有光子捕获效应可实现高效的光子吸收，并且纳米线阵列的表面积大，光生载流子与阴极表面的运输距离缩短，从而更容易隧穿表面形成电子发射。另外，针对AlGaN光电阴极量子效率较低的问题，通过改变AlxGa1-xN纳米线中Al组分分布，在阴极内形成内建电场，可以促进光生载流子向阴极表面扩散。鉴于纳米结构 AlGaN 材料的重要应用前景，本文围绕变 Al 组份 AlxGa1-xN纳米线阵列（Nanowires Arrays，NWAs）光电阴极的结构设计和光电发射特性展开了研究。 首先，基于COMSOL有限元方法（FEM）的波动光学模块，建立变Al组分AlxGa1-xN NWAs光电阴极的光吸收模型，分析了横截面形状、轴倾斜度、填充率等因素对纳米线阵列的光吸收的影响。仿真结果表明，通过进一步优化的纳米线结构，变 Al 组分AlxGa1-xN 纳米线阵列在紫外波段的获得显著的光吸收增强。对比不同 Al 组分分布的AlGaN 纳米线的光吸收曲线，纳米结构变 Al 组分 AlxGa1-xN 的光吸收率可超过相同几何参数的GaN纳米线的光吸收率。 其次，确定了变Al组分AlxGa1-xN纳米线的能带结构模型，系统计算了不同Al组分分布方式的变Al组分AlxGa1-xN纳米线阴极的量子效率，研究了变Al组分分布和几何结构对阴极量子效率的影响。对比发现变 Al 组分 AlxGa1-xN 纳米线阴极的量子效率远高于GaN纳米线光电阴极，分析出是内建电场对提升阴极量子效率的促进作用。然后，建立了变Al组分AlxGa1-xN NWAs光电阴极的量子效率模型，分析了变Al组分分布方式对纳米线阵列阴极的光电发射特性的影响，确定了优化变 Al 组分和分层厚度的设计将有效提高变Al组分AlxGa1-xN NWAs阴极的性能。 最后，建立纳米线阵列的电子收集效率理论模型，分析了纳米阵列的线间间距对阴极的电子收集效率的影响，并提出改善纳米阵列阴极光电子收集效率的方案。随着外电场强度的增加，变 Al 组分纳米线阵列阴极的收集效率总体上是增加的，相比于无外电场时最大可提升约10%的光电子收集效率。 本文针对变Al组分AlxGa1-xN NWAs阴极的光电发射性能的研究成果，对提高纳米线阵列阴极的开发效率、深入了解纳米结构阴极的光吸收特性和光电发射机理等方面具有重要意义，将为纳米线阵列AlxGa1-xN紫外探测器件的制备提供有效指导。
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