前言

第1章 半導體光電陰極基礎

  1.1 GaAs晶體結構

  1.2 半導體能帶

  1.3 功函數與電子親和勢

  1.4 半導體光吸收

  1.5 GaAs光電陰極中的載流子輸運過程

  1.6 電子一聲子散射

  1.7 半導體異質結

  1.8 超晶格與量子阱基礎

  參考文獻

第2章 GaAs半導體表面重構與表面態

  2.1 GaAs表面重構

  2.2 GaAs半導體表面態

  參考文獻

第3章 GaAs半導體光電陰極

  3.1 GaAs光電陰極基片的結構與制備

  3.2 GaAs光電陰極表面激活層

  3.3 GaAs光電陰極表面NEA模型

  3.4 GaAs半導體光電陰極原理

  3.5 GaAs半導體光電陰極性能

  參考文獻

第4章 Si-NEA光電陰極

  4.1 Si（100）（2×1）-NEA光電陰極

  4.2 無定形Si-NEA光電陰極

  參考文獻

第5章 1.06um近紅外光電陰極

  5.1 發展1.06um波長光電陰極的意義

  5.2 GaAs-NEA光電陰極光譜近紅外擴展的基本原理

  5.3 1.06um光電陰極的早期發展

  5.4 透射式InGaAsl.06_um近紅外光電陰極

  5.5 GaAs-NEA光電陰極光譜紅外擴展的限制

  參考文獻

第6章 轉移電子光電陰極

  6.1 TE光電陰極的發展

  6.2 TE光電陰極的早期工作

  6.3 TE光電陰極的技術改進

  6.4 TE光電陰極的典型性能

  6.5 其他TE光電陰極方案

  6.6 TE光電陰極的應用

  參考文獻

第7章 3族N化物紫外光電陰極

  7.1 未來的高效率紫外光電陰極

  7.2 3族N化物的一般物理特點

  7.3 3族N化物的NEA特性

  7.4 3族N化物紫外光電陰極的設計與實施方案

  7.5 微通道板-GaN光電陰極

  7.6 無Cs激活GaN紫外光電陰極

  參考文獻

第8章 金剛石紫外光電陰極

  8.1 金剛石的一般特點與參量

  8.2 金剛石單晶的NEA表面

  8.3 多晶金剛石薄膜的NEA模型

  8.4 化學氣相沉積多晶金剛石NEA光電陰極

  8.5 以微通道板為襯底的金剛石紫外光電陰極

  8.6 透射式金剛石NEA光電陰極

  8.7 金剛石透射式場助光電陰極

  參考文獻

第9章 Si錐場發射光電陰極

  9.1 Si錐場發射光電陰極原理

  9.2 Si錐場發射光電陰極典型制作工藝

  9.3 Si錐場發射光電陰極性能

  9.4 Si錐場發射光電陰極應用實例

  參考文獻

第10章 碳納米管光電陰極

  10.1 碳納米管結構及其電學光學特性

  10.2 組合式碳納米管光電陰極

  10.3 直接轉換式碳納米管光電陰極

  參考文獻

第11章 超晶格與量子阱光電陰極

  11.1 早期的量子阱和超晶格光電陰極研究

  11.2 高亮度超晶格光電陰極

  11.3 紅外量於阱光電陰極方案

  11.4 可用於條紋管的量子阱光電陰極展望

  11.5 超晶格作為光電陰極的光吸收層

  參考文獻

第12章 半導體電子自旋極化光電陰極

  12.1 發展電子自旋極化光電陰極的意義

  12.2 大塊GaAs電子自旋極化光電陰極

  12.3 應變層GaAs自旋極化光電陰極

  12.4 超晶格自旋極化光電陰極

  12.5 應變超晶格自旋極化光電陰極

  12.6 應變補償超晶格自旋極化光電陰極

  12.7 帶有分布式布拉格反射器的超晶格自旋極化光電陰極，

  12.8 自旋極化的弛豫

  12.9 表面電荷限制效應

  參考文獻

第13章 作為高亮度電子源的半導體光電陰極應用

  13.1 作為電子加速器的高亮度電子源

  13.2 電子束光刻用的電子源

  13.3 高亮度GaAs-NEA光電陰極的電子顯微鏡應用

參考文獻 

第1 章 半導體光電陰極基礎

1.1  GaAs 晶體結構

1.1.1  Si 和GaAs 的化學鍵

孤立的Si 原子具有14 個核外電子，它們的分布情況為

1s2 2s2 2 p6 3s2 3 p2

其中，外層的4 個價電子的占據情況為

Si ： 3 p （ ↑ ）（ ↑ ）（）

3s （ ↑ ↓ ）

當2 個Si 原子互相接近時，1 個3s 電子激發到空的3 p 軌道，形成4 個雜化軌道，其能級圖如圖1.1 所示。雜化前4
個價電子的能級如圖1.1 中的（a）所示。這4個電子消耗一定能量，形成4 個雜化軌道，其中每個雜化軌道具有能量Ehy ，如圖1.1
中的（b）部分所示。

然而，每個雜化軌道進一步與相鄰的，如圖1.1 中的（d）部分所示的Si
原子雜化軌道，發生強烈地相互作用，形成能量更低的強填充成鍵軌道和空反鍵軌道，如圖1.1 中的（c）部分所示。

在形成晶體時，每個Si 原子並非隻與1 個相鄰Si 原子形成4 個雜化軌道。由於空間對稱性的關繫，原子與另外4 個近鄰的Si
原子形成分子軌道，各個分子軌道互成120°角，構成4 面體鍵，使繫統能量，結構穩定。Si 的晶格可以視為由2
個面心立方晶格互相穿透構成。

GaAs 單晶半導體由GaAs 分子組成，而每個GaAs 分子是由Ga 原子與As原子化合而素周期表中。Ga 為3個電子。它們在核外各電子殼層中的分布分別為

Ga ： 1s2 2s2 2 p6 3s2 3 p6 3 d10 4s2 4 p1

As ： 1s2 2s2 2 p6 3s2 3 p6 3 d10 4s2 4 p3

其外層電子的填充情況分別為

Ga ： 4 p （ ↑ ）（ ）（ ）

4s （ ↑ ↓ ）

As ： 4 p （ ↑ ）（ ↑ ）（ ↑ ）

4s （ ↑ ↓ ）

當2 個原子接近時，每個原子的4s 軌道中的自旋相反的2 個電子中的1 個s 電子激發到p 軌道，剩下1 個s 電子，與3
個未充滿的p 軌道發生軌道雜化，並分別形成4 個sp3 軌道，盡管s 電子激發時消耗一定能量，但雜化後，獲得回報，4
個雜化軌道的能量低於原來的p 軌道能量。雜化後，Ga 原子的4 個sp3 軌道，與As 原子的4 個sp3
軌道，強烈相互作用，形成電子占據的成鍵軌道和空的反鍵軌道。整個分子繫統處於能量的穩定狀態，如圖1.2 所示。

根據共價排斥原理，4 個sp3 雜化軌道在3 維空間對稱地分布在Ga 原子和As 原子周圍，互成109°28′ 。Ga 原子的4
個sp3 軌道的每一個分別與As 原子的1個sp3 軌道重疊，形成σ 鍵。同時，在空間構成正4 面體GaAs 原胞。

雜化軌道也可以借助原子軌道波函數的線性組合來描述，給出如下波函數：

ψ1 ＝ 12（s + px + py + pz ）

ψ2 ＝ 12（s + px + py - pz ）

ψ3 ＝ 12（s + px - py + pz ）

ψ4 ＝ 12（s - px - py - pz ）（1.1）

其中，有s ＝ 1

px ＝ xr ＝ 3sinθcosφ

p y ＝ yr ＝ 3sinθsinφ

p z ＝ zr ＝ 3cosθ（1.2）

當然，也存在其他線性組合，但這是能量的線性組合。如果畫出與這些波函數相關的電荷密度，會發現它們的取向是從中心向著四面體的4
個頂點方向，如圖1.3 所示。

現在通常的理解是GaAs 晶體主要為共價結合，也有部分離子性。離子性所占比例可用如下經驗公式計算［2 ］ ：離子性% ＝ ［1
- e- （Δ x）24 ］ × 100 （1.3）其中，Δ x 為As 和Ga素的電負性之差。由於As 的電負性為1.0
，Ga 的電負性為1.6 ，所以Δ x ＝ 0.4 。計算得GaAs 化學鍵的離子性約占4% ，共價鍵成分占96% 。然而對GaAs
晶體來說，靠近Ga 原子的As 原子共有4 個，而Ga 原子的價電子隻有3 個，即Ga 原子隻能和3 個As
原子形成共價鍵。因此從整體考慮共價鍵成分為96% × （3/4） ＝ 72% ，離子鍵成分占28%
。上述特性，在化學上稱為極性共價鍵。就是說8 個價電子為2 個原子所共有，但由於2
個原子電負性不同，將電子拉到自己周圍的能力也不同，電子將在電負性大的原子周圍消耗更長時間。

這樣從整體看，2 個原子周圍單位時間的電荷數量出現了差異，這種差異同樣產生電場，也就是一種極性。GaAs
化學鍵離子性的另外的結果是離子性占31% ［3 ］ 。

1.1.2  GaAs 的結晶學原胞――― 晶胞

GaAs 晶體與其他大多數3?5，0 ，0） ，則GaAs 分子中的As 原子處於14，14，14處。晶胞中共有14 個Ga 原子，其中8 個處於立方頂角，6
個處於面心，晶胞內部隻有4 個As原子。每個頂角原子由8 個晶胞共享，每個面心原子兩個晶胞分享，所以實際上，每個晶胞共有4 個Ga
原子、4 個As 原子，即4 個GaAs 分子。如果將As 原子取為原點，則上述Ga 原子的位置均為As 原子取代，而As
原子的位置為Ga 原子取代。此時晶胞中有14 個As 原子，4 個Ga 原子。由於Ga 原子與As
原子在晶體中的位置完全對稱，所以交換位置，並不影響晶格結構。也可以將晶胞視為由一個Ga 面心立方晶格與一個As
面心立方晶胞套構而成，相互之間沿對角線錯開一定距離，如圖1.4 所示。

晶胞基矢一般以a ，b ，c 表示，其相應的單位矢量為i ，j ，k 。

1.1.3  GaAs 半導體的一些重要晶面

（1） （001）面與一個主軸垂直，每個晶面包含一種原子，相鄰平面分開14a
，所含原子種類交替變化。生長通常通過交替加入兩種不同原子進行，每對平面形成一個單層，每個原胞有2
個單層。該晶面的原子數面密度為相鄰平面原子間的化學鍵數為2 。

（2） （110）面為解理面。該面與［001］軸平行，與［100］軸和［010］軸成45°
。這些平面含有兩種原子。該面解理後結構發生弛豫。（110）面的原子數面密度為2a2 ＝ 4.43 × 1014
cm-2相鄰面原子間的化學鍵數為1 。原子面密度小和相鄰面原子間化學鍵數低，這也是該面為解理面的兩個因素。

（3） （111）面也是一個主要的晶面，它與3
個主軸均等傾斜，與（100）面一樣，每個面隻含一種原子，在化合物半導體中［111］方向是極性的。因為所有點的成鍵方向都在從Ga到As（或者從As
到Ga）方向。（111）面的原子數面密度為4/ 3 a2 ＝7.24 × 1014 cm- 2
。晶面內的原子與一側相鄰面原子間的化學鍵為1 ，與另一側相鄰面原子間的化學鍵為3 。

1.1.4  晶胞與原胞之間的關繫

晶胞不是晶體周期性的小，為了處理方便，固體物理中，定義了一種反映晶體周期性小的原胞，這就是固體物理學原胞。而在固體物理學中，通常就簡單的稱其為原胞。不同的晶體結構，有不同的原胞形狀。對前面所述的GaAs
所屬的面心立方晶體，原胞的定義如下：由一個立方體頂點到三個臨近的面心引基矢a1 ，a2 ，a3 ，由此導出相應的，以a1 ，a2
，a3 為稜的平行六面體。這就是面心立方晶體的原胞。假設面心立方的邊長為a ，則可算出原胞的體積為a3 /4
，即隻有面心體積的1/4 。在前面的討論中，已經得到每個面心立方由4 個GaAs 分子組成，由此看出，在GaAs
晶體中，每個原胞隻有一個GaAs分子，顯然這也就是小。根據上述原胞的體積，可得出每個原胞中原子的數密度為2/a3 。

原胞既然是在結基礎上產生，它們之間必然存在定量關繫，如下3 個公式表明晶胞與原胞基矢之間的關繫：a1 ＝ a2 （i +
j）a2 ＝ a2 （j + k） （1.4）a3 ＝ a2 （k + i）原胞在晶體中的位置通常以格矢Rn 表示，其表達式為Rn ＝
n1 a1 + n2 a2 + n3 a3 （1.5）其中，n1 ，n2 ，n3 為整數。

1.1.5  倒格矢量與k 空間

根據a1 ，a2 ，a3 可以引進三個新的矢量b1 ，b2 ，b3
，稱為倒格矢量。這三個矢量實際上也是倒格基矢，其與原胞基矢的關繫為b1 ＝ a2 × a3a1 ? a2 × a3， b2 ＝ a3
× a1a2 ? a3 × a1， b3 ＝ a1 × a2a3 ? a1 ×
a2（1.6）可以看到這三個公式的分母是相同的，其值等於原胞體積。除此之外，原胞基矢與倒格基矢之間還有如下關繫：ai ? bj ＝
δi j＝ 1 ， 當i ＝ j＝ 0 ， 當i ≠ j i ，j ＝ 1 ，2 ，3
（1.7）這一關繫可以由上面倒格基矢的定義簡單地驗證。在倒格空間中的任意倒格矢量Kn 可以表示為Kn ＝ n1 b1 + n2 b2
+ n3 b3 （1.8）其中，n1 ，n2 ，n3
為整數。倒格子的引進主要是為了使許多固體物理問題的處理簡化。後面將會知道，根據量子力學原理，描述晶體中電子的運動狀態的波函數，是布洛赫函數，它實際上是電子在自由空間運動的平面波的振幅受到晶體周期場調制的結果。布洛赫波的波矢與平面波相同之處在於，兩者都是矢量，其方向代表波的傳播方向，其值大小與波的相位相關。兩者之間不同之處在於，布洛赫波是在晶體中傳播，受晶體周期邊界條件的限制，其取值是量子化，不連續的或準連續的。波矢k
實際上是表征晶體中電子運動狀態的主要量子數。固體能帶問題，能帶間的電子躍遷問題，晶體中限制k
值取值範圍的布裡淵區問題，光子、電子和聲子相互作用等一繫列問題都與波矢k 密切相關。由於波矢k
具有長度倒數的量綱，因此它與前面引進的倒格矢具有相同的量綱，k 的取值可以很方便地用倒格空間的一個點來描述。因此，倒格空間往往就稱為k
空間。實際上許多固體物理問題都是在k 空間內解決的。