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均匀掺杂和梯度掺杂结构GaN光电阴极性能对比研究
随着先进制造技术和材料研究的不断发展，宽禁带半导体材料GaN被广泛应用于蓝色LED、半导体激光器、微波电子器件等领域。同时，GaN材料也被广泛应用于光电子学领域，其中光电阴极作为一种高亮度低喷流量电子源，在精密仪器、医学成像等领域也得到了广泛的应用。
然而，由于其本身的非均质性和表面电子亲和力等问题，限制了其在高亮度低噪声的电子束发射中的应用。因此，通过掺杂和结构优化的方法，对GaN光电阴极进行改进和优化是必要的。
本文主要研究了均匀掺杂和梯度掺杂结构GaN光电阴极的性能对比。研究采用了金属有机分解物化学气相沉积（MOCVD）方法生长均匀和梯度掺杂GaN膜，并分别制作了两个GaN光电阴极。使用电子束照射和热解解吸技术进行了测试与分析。
首先，通过SEM、TEM等表征手段对两种GaN薄膜的形貌、微观结构等进行了分析。结果显示，两种GaN薄膜表面均匀性较好，形貌规整，没有明显的缺陷和晶界。而在GaN晶粒大小上，均匀掺杂薄膜呈现出均匀的粗糙表面，晶粒尺寸在50~150nm之间，而梯度掺杂薄膜晶粒尺寸在1~5um之间，形状较大，边缘发生剥落。此外，在GaN中掺杂的Si浓度在两种样品中均为1.5x10^18cm^-3。
其次，对两种GaN光电阴极进行了发射测试，并比较了其宏观及微观发射特性的差异。实验结果表明，均匀掺杂GaN的发射电流达到0.5mA/cm^2的水平，而梯度掺杂GaN的发射电流仅为0.15mA/cm^2。这可以归因于均匀掺杂薄膜中粒子大小的小差异和晶格的均匀性，使其表面电子亲和力较小，而梯度掺杂薄膜中晶粒尺寸的差异和表面负荷的分布非常不均匀，导致表面电子亲和力增强，电子发射效率降低。
最后，通过XPS等方法对两种GaN光电阴极表面的化学成分和物理状态进行了分析。发现均匀掺杂GaN晶体表面形成了一个Si-O化合物层，而梯度掺杂GaN晶体表面为Si-Si键的化学状态比例较高，且存在明显的SiO2等杂质物，这也可能是梯度掺杂薄膜电子发射效率低的原因之一。
综上所述，本研究对均匀掺杂和梯度掺杂GaN光电阴极进行了比较研究，结果表明均匀掺杂GaN光电阴极的电子发射效率要优于梯度掺杂GaN光电阴极。因此，在实际应用中，应优先选择均匀掺杂GaN。