文 献 综 述
- 引言
由于是直接带隙材料并具有高电子迁移率的特点，GaAs材料已被提出作为众多光电子器件的基本组成部分，如太阳能电池，自旋极化电子源和探测器等器件。GaAs也是制备负电子亲和势（NEA）光阴极的常用半导体材料之一。随着纳米结构材料的兴起，人们已成功设计和制备了高质量的GaAs基纳米材料，包括纳米管，纳米线及其阵列。由于具有优异的光捕获效应，GaAs纳米线在光电发射性能方面的表现比薄膜材料更出色。近期，Hanno Kuuml;pers等人[1]成功运用选择性区域生长的方式，生长出直径仅仅为45nm的GaAs纳米线。因此，可以预测GaAs纳米线材料适合作为新型光电阴极的候选材料。
通常，NEA GaAs光电阴极是由p型块状GaAs材料和Cs/O吸附表面构成，形成的n型表面p型材料结构可以有效地促进被激发的光电子传输到表面并逃逸到真空。由此可见，p型掺杂是形成NEA光电阴极的重要步骤。在GaAs材料的生长过程中，传统的p型掺杂原子是二价Be和Zn原子。这是因为Be原子在MBE的生长温度下具有均匀粘附度和低蒸气压的优点。此外，Zn2 （1.25 Aring;）的半径接近于Ga3 （1.26 Aring;）的半径，这有利于形成替位掺杂。这两种类型的原子作为受主杂质对GaAs发射层的制备具有重大贡献。因此，Be和Zn也被认为是制备高质量p型GaAs纳米线的合适掺杂剂。尽管在制备p型掺杂GaAs纳米线方面取得了令人印象深刻的进展，但对于不同掺杂类型，掺杂元素，掺杂位置和掺杂浓度对GaAs纳米线原子结构和电子性质的影响还不清楚。幸运的是，第一性原理计算提供了一条有意义的途径可以从原子和电子的层面研究GaAs纳米线的p型掺杂过程，这对于完善NEA GaN纳米线光电阴极的p型掺杂工艺是非常重要的。
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GaAs材料的性质
- GaAs材料的结构性质
GaAs是III-V族半导体材料的一个重要成员。GaAs在自然条件下的结晶态通常具有两种晶体结构，即闪锌矿结构或正斜方晶结构。其中，正斜方晶结构的GaAs只能在高压下获得，而闪锌矿结构是室温下GaAs的最稳定构型。闪锌矿的晶体构型如图1所示。
图1. 闪锌矿结构GaAs晶体示意图
闪锌矿的GaAs晶体结构属于立方晶系F3m空间群，晶格常数a=0.56535nm，配位数Z=4。如图1所示的GaAs结构是立方面心格子，Ga2 位于立方面心的结点位置，As2-交错地分布于立方体内的1/8小立方体的中心，每个Ga2 周围有4个As2-与之成键，同样的，每个As2-周围有4个Ga2 ，阴阳离子的配位数都是4。如果将As2-看成是立方最紧密堆积，则Ga2 充填于1/2的四面体空隙。而正斜方晶结构在高压下才能获得，在温度为300K时，随着压强的增加，GaAs发生从闪锌矿结构GaAs-I（空间群为F3m）到正斜方晶GaAs-II（空间群为Pmm2）的相变[2,3]，其相变压强值为17GPa[2]。从GaAs-II到GaAs-III（空间群了Imm2）的相变发生在24GPa[4]。通过角散射技术发现GaAs-II结构应属于Cmcm空间群，在ZnTe和InSb相变中也观测到了这种结构[5]。Mujica和Needs[6]通过第一性原理计算发现GaAs的Cmcm空间群结构要比Pmm2空间群稳定。而在1997年，Mc-Mahon和Nelmes[7]观察到压强减小时，在Cmcm空间群结构和闪锌矿结构之间还存在新的六角相，即四重轴的辰沙结构。他们还报道Cmcm空间群结构当压强减小到15GPa时，就会出现辰沙结构，若继续减小到4GPa，则会变成闪锌矿结构。
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- GaAs材料的电学和光学特性
GaAs在温度为300K时，颜色为暗灰色，具有一定的金属光泽，在空气中易被氧化，温度高于600℃时会在一定程度上发生化学反应而离解。而且，GaAs的禁带宽度会随着温度变化，表达式为[8]：
（1.1）
在电学性质方面，GaAs是直接带隙半导体材料，电子在导带和价带之间的跃迁几率较大，能够对入射光形成有效地吸收，可以用于发光器件和隧道二极管。由(1.1)式可知，温度在300K时，其禁带宽度Eg为1.424eV，即工作在室温时，其直接跃迁产生的光子能量为~1.4eV，发光波长属于近红外区，在工作波段的入射光照射时，其吸收系数可达10-4/cm以上[9]。虽然Si材料的禁带宽度在常温下为1.1eV，也可以对类似波段的入射光进行吸收和响应，但是由于Si材料是间接带隙的半导体，电子吸收入射光子能量从价带跃迁到导带的过程需要声子的参与，跃迁几率较低，因此GaAs材料对工作波段入射光的吸收系数要远高于Si材料，且电子迁移率约为Si的七倍左右[10]，更有利于构成高速器件。并且，在吸收相同入射光的前提下，GaAs材料的厚度要远小于Si材料的厚度。由材料的以上特性可知，GaAs材料是一种非常适宜的光电发射材料。
