关于场辅助In1-xGaxAsyP1-y异质结纳米线阵列光阴极的理论研究

《Materials Science and Engineering: B》：Theoretical study on field-assisted In1-xGaxAsyP1-y heterojunction nanowire array photocathodes

　　庞洋洋|刘磊|王志东|曹志豪
南京理工大学电子光学工程学院光电技术系，南京210094，中国

**摘要**
本研究重点优化了在场辅助In1-xGaxAsyP1-y异质结纳米线阵列（NWAs）中光电阴极在近红外光谱范围内的光电转换效率。通过多物理场仿真系统，探讨了几何结构、材料组成、内建电场（E-field）和外加电场对光吸收和光电子收集性能的协同影响机制。首先利用FDTD方法优化了纳米线阵列的几何参数，确定了最佳结构，在860纳米波长处光吸收率达到97.0%。随后通过构建单层、双层和三层模型发现，三层结构在调节内建电场方面具有显著优势。进一步调整各子层的厚度后发现，增强上层的内建电场显著提高了量子效率（QE）。此外，外加电场仿真表明，适当的外加电场可以增强载流子漂移和侧向收集概率，从而将收集效率（CE）提高到8.6%。本研究为设计高效近红外In1-xGaxAsyP1-y光电阴极提供了系统的理论基础和优化路径。

**引言**
光电阴极作为能够高效将光信号转换为电信号的核心器件，在粒子加速器[1]、[2]、[3]、空间探测器[4]、低光级夜视系统[5]和电子显微镜[6]等关键领域有广泛应用。目前主流的阴极材料是GaAs，由于其高QE、稳定的负电子亲和势特性以及成熟的制备工艺，被广泛用于可见光到紫外光谱范围内的真空光电器件[7]、[8]。然而，GaAs的带隙约为1.42电子伏特，对应的截止波长约为0.87微米，这导致其在红外光谱范围内的性能显著下降，难以满足红外器件的应用需求。为了解决GaAs在红外波段的响应限制，窄带隙材料成为研究的重点。Li等人采用CsO2交替活化工艺在InGaAsP表面创建了负电子亲和势，实现在0.5–1.25微米波段的光响应，其中1.06微米处的QE为0.4%[9]。不过，该材料的光吸收能力和QE仍有改进空间，纳米结构被认为是提升其性能的有效方法。

近年来，纳米结构为调节光学性质提供了新的维度[10]、[11]。例如，Guo等人通过调整纳米阵列的周期、孔径和环宽等参数，有效控制了透射和反射峰的位置和宽度，实现了光谱红移和变窄，为光谱选择性调节提供了理论指导[12]。Kuang等人基于一维细长纳米结构设计了径向结太阳能电池，其独特的结构使得光传播路径和载流子收集方向正交排列，有效平衡了光吸收和载流子传输效率[13]。Bao等人设计并模拟了圆柱形InGaAsP纳米线阵列，利用纳米结构的光捕获效应在820–1000纳米波长范围内实现了共振增强吸收，最大QE达到9.98%[14]。此外，通过引入内建电场或外加电场来提升光电阴极性能的研究也取得了进展[15]。Liu等人建立了带有外加电场的反射GaN单层光电阴极模型，证明外加电场可以有效提高超薄发射层的电子传输效率[16]。Lv等人通过构建梯度组成AlGaN光电阴极，成功引入了从上到下的梯度内建电场，有效促进了载流子分离和传输，从而显著提高了器件的QE[17]。Niigaki等人设计了InP/InGaAsP PN结光电阴极，通过引入内部电场，在1.3微米处的QE达到5%[18]。然而，对于在场辅助In1-xGaxAsyP1-y异质结NWAs中的几何结构、材料组成、内建电场和外加电场的系统性和协同优化尚未得到充分研究，以最大化其近红外光电转换效率。特别是，光学共振效应、组成渐变的内建电场和在场辅助载流子收集中外加电场之间的相互作用尚未在统一的建模框架内得到全面探讨。为此，本研究旨在通过多物理场仿真系统系统研究这些NWAs的红外光电性能。首先利用FDTD仿真优化NWAs的几何参数，以实现最佳近红外光吸收。随后构建单层、双层和三层NWAs模型，研究组成变化、均匀内建电场和非均匀内建电场对QE的影响。在此基础上，通过精确控制子层厚度深入探讨了非均匀内建电场对QE的调节机制。最后，进一步模拟和分析外加电场对载流子传输、QE和CE的影响。本研究为开发高效稳定的近红外In1-xGaxAsyP1-y光电阴极提供了理论基础和设计指导。

**图1(a)**展示了在场辅助In1-xGaxAsyP1-y异质结NWAs的光电阴极示意图。通过MOCVD和纳米压印光刻技术可以制造这样的纳米结构[14]、[19]。入射光为波长范围在600至1300纳米的平面波，NWAs的高度为H，直径为D，周期为P，子层厚度分别为h1、h2和h3。每个纳米线层采用不同组成的In1-xGaxAsyP1-y材料，但晶格匹配。通过基于Kramers-Kronig变换的介电函数计算方法[20]，获得了不同组成In1-xGaxAsyP1-y材料的光学参数。图1(b)显示了相应组成材料的吸收系数图。

**图1(c)**展示了FDTD软件中NWAs仿真结构的示意图。仿真采用5纳米×5纳米×5纳米的均匀网格，并设置时域求解器运行直到场能量衰减到峰值的1×10^-5，以确保稳态条件。使用正入射的平面波源，电场沿x方向极化，磁场沿y方向极化。应用周期性边界条件将NWAs转换为等效的周期性单元格进行计算[21]、[22]。通过添加反射监视器和透射监视器，获得了NWAs的反射率（R(λ)）和透射率（T(λ)）。吸收率可以表示为：
Aλ = 1 - Tλ - Rλ

根据Spicer的三步模型理论[23]，光电阴极中的光发射过程可以描述为光生载流子的激发、载流子传输和光电子逸出。当光垂直入射到NWAs时，光强度通常随距离源的距离增加而指数衰减[24]。载流子生成函数G(x,z,λ)表示为：
Gxzλ = I0αλAλexp(-H-zαλ)
其中入射光强度表示为I0，材料的吸收系数表示为α(λ)。

载流子传输遵循二维连续性方程[25]。考虑到异质结内部存在内建电场，方程必须包括漂移分量。因此，异质结NWAs的二维连续性方程为：
Dn?2nxzλ - nxzλτ + Gxzλ - μEz?nxzλdz = 0
其中Dn为扩散系数，Dn = 87.5厘米^2/秒[14]；μ为电子迁移率，μ = 3378厘米^2/(伏特·秒)；E(z)表示内建电场和外加电场的矢量和；τ为载流子寿命，τ = 2×10^-11秒；n(x,z,λ)为载流子浓度。

**图1(d)**展示了In1-xGaxAsyP1-y纳米线的能带结构示意图。根据In1-xGaxAsyP1-y材料的带隙计算公式[26]：
EgIn1-xGaxAsyP1-y = 1.35 - 0.72y + 0.12y^2

内建电场强度由不同子层之间的带隙差和它们的厚度决定。不同子层之间的带隙差可以计算为：
ΔEg = 0.72·yi - yi-1 - 0.12·y^2i - y^2i-1电子伏特

相邻纳米层之间的内建电场可以表示为：
Einz = ΔEgqhi + hi-1
其中hi表示每个子层的厚度，q表示电子电荷。

光电子逸出是指载流子传输到NWAs表面后克服表面势垒逸入真空层的过程。由于NWAs表面的载流子要么逸出要么复合，因此净表面电荷为零。因此，NWAs的边界条件可以表示为：
Dn?nxzλx = 0
Dn?nxzλx = D = 0
Dn?nxzλ - μEznxzλ?nxzλ?zz = H = 0
Dn?nxzλ - μEznxzλ?nxzλ?zz = Sv
其中Sv为后界面复合率，Sv = 10^6厘米/秒。结合方程(2)、(3)、(7)，可以获得NWAs内的载流子浓度n(x,z,λ)。利用NWAs边界处的载流子浓度，可以推导出NWAs的QE：
QEsideλ = PeDnI0
S∫z=0
z = H
?nxzλ?xx = D + ?nxzλ?xx = 0
QEtopλ = PeDnI0
S∫x=0
x = D
?nxzλ?xx = H
QEtotalλ = QEsideλ + QEtopλ

**段摘录**
相关研究表明，NWAs的结构参数显著影响其Mie共振强度，进而影响其光学性质[19]、[29]。NWAs的高度影响Mie共振发生的位置，从而影响NWAs的吸收。因此，在研究结构参数如何影响NWAs的吸收时，我们首先分析了不同高度下NWAs的吸收特性，如图2(a)所示。

**结论**
本研究系统研究了在场辅助In1-xGaxAsyP1-y NWAs的光学和电学性质。首先，光学仿真确定了NWAs的最佳几何参数：H = 800纳米，D = 190纳米，P = 550纳米。这种结构在860纳米附近显示出97.0%的峰值光吸收率。随后的电学表征表明，不同组成的单层NWAs的QE曲线呈现相似趋势，表明组成对QE的影响较小。

**作者贡献声明**
庞洋洋：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、正式分析、数据管理。
刘磊：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、方法论、资金获取。
王志东：撰写——审阅与编辑、正式分析。
曹志豪：撰写——审阅与编辑、正式分析。

**声明与披露**
作者声明他们在本研究中没有个人或财务方面的利益冲突。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62275124）、江苏省自然科学基金（项目编号BK20211193）和LLL夜视技术重点实验室基金（项目编号J20210103）的资助。