无铯激活负电子亲和势AlGaN日盲紫外光电子发射材料的MOCVD生长与光电特性研究

Negative electron affinity (NEA)AlGaN photoemissive materials are the most important fundamental materials for solar-blind ultraviolet detectors with high gain and intrinsic cutoff spectra response. These devices are widely used in military and civil field. Conventional GaN based photocathodes are cesiation to achive NEA and the photocathodes suffer from chemical instability and degradation with time. In this project, Ce-free NEA AlGaN photoemission materials will be grown by MOCVD and the optoelectronics properties will be investigated. It is proposed that by existence of spontaneous polarization in N-polar AlGaN, the conduction band will be pulled close to the Fermi level of p-AlGaN and the NEA will be formed. In detail of this project, the high quality N-polar AlGaN will be grown by MOCVD. The energy band structures of AlGaN surface will be investigated theoretically and experimentally. The method of high Mg doping p type AlGaN with high Al composition and carrier concentration distribution modification will be found. It also will be investigated that the dynamic processes of photocarrier excitation, photoemission and the optoelectronics properties of the Cs-free NEA AlGaN materials. The aims of this project are to reveal the rule of how to get NEA AlGaN without cesiation and lay the fundations for obtain the stable and long-life Cs-free NEA AlGaN photocathoed.

负电子亲和势AlGaN日盲紫外光电子发射材料是能够满足国防建设与国民经济建设应用需求，实现高增益、本征截止日盲紫外光电探测的核心基础材料。本项目针对高活性铯激活负电子亲和势光阴极易于受到污染并失效的问题，提出开展无铯激活负电子亲和势AlGaN光电子发射材料的MOCVD生长与性能研究。重点解决利用AlGaN材料自发极化诱导表面能带弯曲获得负电子亲和势中的科学问题与实现途径。并通过开展高质量氮极性AlGaN材料的MOCVD生长研究；表面能带结构与能带调控的理论与实验研究；高载流子浓度p-型掺杂与掺杂调控研究；光电子激发与光电子发射动力学过程研究；以及AlGaN材料光电性能研究等，揭示无铯激活AlGaN光电子发射材料负电子亲和势形成机制和光电子发射规律。为获得高稳定性、实用化无铯激活负电子亲和势AlGaN日盲紫外光阴极奠定理论和实验基础。

负电子亲和势AlGaN日盲紫外光电子发射材料是实现高增益、本征截止日盲紫外光电探测的核心基础材料，是能够满足国民经济建设和国防建设重要应用需求的关键材料。本项目围绕日盲紫外微弱信号探测与成像对高性能本征截止光电子发射材料与器件的迫切需求和铯激活实现负电子亲和势光阴极不稳定的问题，开展无铯激活负电子亲和势AlGaN光阴极材料的研究。深入研究了利用材料自发极化和掺杂调控诱导形成AlGaN负电子亲和势的机制及实现途径，高质量高Al组分AlGaN材料生长及高载流子浓度p型掺杂，探索AlGaN负电子亲和势光阴极光电子激发与光电子发射动力学过程，揭示无铯激活实现AlGaN光电子发射材料负电子亲和势形成机制和光电子发射规律，最终制备出高稳定性、实用化无铯激活负电子亲和势AlGaN日盲紫外光电子发射材料。在Nanoscale，J. Mater. Chem. C等SCI期刊发表论文9篇，影响因子大于3.0的SCI论文5篇，申请发明专利8项，授权发明专利1项，培养研究生6人。项目执行期间，项目负责人及主要成员分别访问乌克兰和俄罗斯，与该领域专家进行技术交流。项目组主要成员参加了第14、15届全国MOCVD学术会议并作口头报告及阶段性成果墙报展示。项目执行期间，项目负责人担任中国真空学会薄膜专业委员会委员。.取得的主要成果如下：.1、提出具有中温AlN薄插入层的两步生长工艺，制备出2英寸高质量，无龟裂，表面粗糙度仅为0.12nm的AlN模板，为AlGaN光电子材料的制备提供了良好的衬底。.2、通过氮化处理，预先在衬底表面构建N键，以此制备氮极性AlGaN材料，实现AlGaN材料中氮极性诱导自发极化场形成负电子亲和势。.3、采用Mg掺杂剂递减的Mg-δ掺杂技术，辅以高温热扩散退火处理来实现AlGaN材料中的p型掺杂剂梯度分布，实现梯度掺杂诱导材料表面能带向费米能级方向弯曲，进一步降低AlGaN 光电子发射材料的电子亲和势。.4、获得100V偏压下10%量子效率的无铯激活负电子亲和势AlGaN光电阴极材料。