Устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум

Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники, а именно к фотоэмиссионным полупроводниковым устройствам, работающим в видимой и ближней ультрафиолетовой области. Такие устройства могут быть использованы для создании нового класса эффективных фотоэлектронных приборов на базе широкозонных полупроводников. Техническим результатом является расширение спектрального диапазона и повышение воспроизводимости спектральных характеристик. Устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум включает слой из полупроводникового материала на основе нитридов элементов третьей группы n-типа проводимости с концентрацией не менее 5·10¹⁶ см^-3, с шириной запрещенной зоны Eg, со сродством к электрону χ и работой выхода электрона ϕ на обращенной в вакуум рабочей поверхности упомянутого полупроводникового материала, активированной щелочным металлом или его окислом, удовлетворяющими соотношениям: Eg>χ, эВ; χ>ϕ, эВ. 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники, а именно к фотоэмиссионным полупроводниковым устройствам, работающим в видимой и ближней ультрафиолетовой области. Такие устройства могут быть использованы для создания нового класса эффективных фотоэлектронных приборов (фотоэмиттеров, фотокатодов) на базе широкозонных полупроводников.

Подобные фотоэлектронные приборы предназначены для регистрации слабых сигналов, а также электронно-оптического преобразования сигналов, применяющихся в оптике, ядерной физике, автоматике, медицине, телевизионной технике и в других областях. Для практического применения эти устройства должны обеспечивать высокий квантовый выход в сочетании с хорошо воспроизводимой спектральной характеристикой фотоэлектронной эмиссии.

Известно устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра, состоящее из полупроводникового материала р-типа проводимости на основе пленок сурьмы с покрытием из щелочного металла (см. А.Соммер, "Фотоэмиссионные материалы", - Москва, Изд. "Энергия", – 1973 г., стр.64-103).

Известное устройство обеспечивает высокий квантовый выход η (электрон на падающий фотон), равный 0,3-0,35 в максимуме, близкий к теоретически полученным оценкам. Основным недостатком этого устройства является невоспроизводимость спектральных характеристик, длинноволновый край которых может неконтролируемо смещаться по энергии на величину от 1 эВ до 2 эВ, что связано с трудностью управления режимами получения самих полупроводниковых материалов (см. А.Г.Берковский, В.А.Гаванин, И.Н.Зайдель. - "Вакуумные фотоэлектронные приборы", - Москва, Изд. "Энергия", - 1976 г., стр.32).

Известен фотокатод для электронной трубки, эмиссионная поверхность которого выполнена из полупроводникового материала р-типа проводимости, имеющего концентрацию акцепторной примеси по меньшей мере 10¹⁸ см^-3 и выбранного из группы, состоящей из полупроводниковых материалов А^IIIB^V или их соединений, имеющих ширину запрещенной зоны 1,1-1,6 эВ. Эмиссионная поверхность фотокатода активирована щелочным металлом. Материал А^III выбран из группы: В, Al, Ga, In. Материал B^V выбран из группы: N, Р, As, Sb (см. Патент США №3387161, МПК Н 01 J 039/00, опубликован 04.06.1968).

Известное устройство имеет хорошо воспроизводимые полупроводниковые свойства при одновременном обеспечении высокого квантового выхода в видимой области спектра. Недостатком данного устройства является резкое уменьшение квантового выхода в спектральном диапазоне длин волн 620-800 нм и в ближней ультрафиолетовой области 300-400 нм.

Известен фотокатод, выполненный из материала GaAs, активированного цезием (см. J.J.Scheer and J. Van Laar. - "GaAs-Cs: A new type of photoemitter". - Sol. State Commun. - V.3, 1965, р.189-193). У известного фотокатода GaAs-Cs квантовый выход η в спектральном диапазоне 400-600 нм составляет η =0,4, а при 800 нм составляет η =0,08.

Недостатком известного устройства является резкое уменьшение квантового выхода в диапазоне длин волн 620-800 нм. Кроме того, известно, что цезиевые покрытия на поверхности полупроводника GaAs нестабильны и достаточно быстро разрушаются из-за большой подвижности цезиевых атомов на поверхности данного материала.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум (см. Европейская заявка №1024513, МПК Н 01 J 1/34, опубликована 02.08.2000), выбранное в качестве прототипа. Известное устройство состоит из слоя р-типа проводимости широкозонного полупроводника на основе III-нитридов, в частности GaN, активированного щелочным металлом или его окисью.

Известное устройство-прототип позволяет получить воспроизводимую спектральную характеристику и высокий квантовый выход, но в узком спектральном диапазоне 200-350 нм. Высокий квантовый выход достигнут благодаря использованию эффекта отрицательного электронного сродства и слоев р-типа проводимости с разным уровнем легирования от концентрации примеси 10¹⁶ см^-3 вблизи поверхности слоя до концентрации примеси 5· 10¹⁸ см^-3 в глубине слоя полупроводника. Введение слаболегированного слоя вблизи поверхности позволяет увеличить диффузионную длину носителей заряда и уменьшить число дефектов, связанное с высокой концентрацией легирующей примеси. Основным недостатком известного устройства является очень низкий квантовый выход η <<0,001 для длин волн больше, чем 350 нм.

Задачей настоящего изобретения являлось создание устройства для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум с высоким квантовым выходом в более широком спектральном диапазоне и с воспроизводимой спектральной характеристикой.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум включает слой из полупроводникового материала на основе нитридов элементов третьей группы n-типа проводимости с концентрацией носителей не менее 5· 10¹⁶ см^-3, с шириной запрещенной зоны Е_g, со сродством к электрону χ и работой выхода электрона ϕ на обращенной в вакуум рабочей поверхности упомянутого слоя полупроводникового материала, активированной щелочным металлом или его окислом, удовлетворяющими соотношениям:

Е_g>χ , эВ;

χ >ϕ , эВ.

Слой полупроводникового материала может быть выращен на подложке из диэлектрического или полупроводникового материала, показатель преломления n которого меньше показателя преломления n_p слоя полупроводникового материала.

Подложка может быть выполнена из сапфира, из арсенида галлия, из кремния.

Рабочая поверхность слоя полупроводникового материала может быть активирована цезием или окислом цезия, в частности, в виде их монослоя или полумонослоя.

Рабочая поверхность слоя полупроводникового материала может быть активирована барием или окислом бария, а также калием или окислом калия, в частности, в виде их монослоя или полумонослоя.

Слой полупроводникового материала может быть выполнен из нитрида галлия n-типа проводимости, гексагональной модификации. Для таких слоев типичной структурной особенностью является мозаичная (колончатая) структура с характерными размерами доменов 200-800 нм (Fernando A. Ponce - "Structural defects and materials performance of the III-V nitrides in Group III-nitride semiconductor compounds physics and applications". - Ed. by Bernard Gil, Oxford - Clarendon Press, 1998). Наклон и разворот доменов, особенности релаксации этой сложной системы дефектов играют важную роль в формировании электрических и оптических свойств нитридов (N.M.Shmidt, M.N.Besyulkin, M.S.Dunaevsky, A.G.Kolmakov, A.V.Sakharov, A.S.Usicov, E.E.Zavarin. - "Mosaicity and electrical and optical properties of group III-Nitrides". - Journal of Physics: Condensed Matter, V 14, № 48, 13025-13030, 2002). Известно, что структурные особенности нитридов можно охарактеризовать, исследуя шероховатость поверхности с помощью атомносиловой микроскопии (АСМ). Шероховатость отражает разориентацию и степень релаксации доменов. Исследования последних лет показали, что более полно структурные особенности могут быть охарактеризованы путем обработки данных АСМ исследований методами мультифрактального анализа с использованием такого параметра, как степень упорядоченности мозаичной структуры. Для эпитаксиальных слоев с хорошо отрелаксировавшими доменами, имеющими малые углы наклона и разворота, этот параметр имеет значения не менее чем -0,33, что соответствует шероховатости поверхности не более чем 2 нм.

Слой полупроводникового материала может быть легирован кремнием или углеродом с концентрацией примеси 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

Слой полупроводникового материала может быть выполнен из твердого раствора AIGaN n-типа проводимости и легирован кремнием или углеродом с концентрацией примеси 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

В качестве полупроводникового материала в заявляемом устройстве использован материал III-нитриды - полупроводник, обладающий n-типом проводимости (легированный донорными примесями с концентрацией выше, чем 10¹⁷ см^-3) и характеризующийся условиями: Е_g>χ и χ >ϕ .

Условие χ >ϕ достигается активированием поверхности полупроводника путем нанесения на нее монослойного или полумонослойного покрытия из щелочного металла. Условие χ >ϕ является необходимым для существования слоя вырожденного электронного газа вблизи поверхности в тонкой области размерами 10-20 нм в приповерхностной области полупроводника. Условие Е_g>χ дает возможность для эффективного возбуждения фотоэлектронной эмиссии из зоны проводимости полупроводника. Возбуждение фотоэлектронной эмиссии производят облучением светом со стороны эмитирующей поверхности под углом к ней. Угол между нормалью к поверхности и возбуждающим светом может составлять величину от 0° до угла Брюстера.

Одним из основных отличительных признаков заявляемого устройства является выбор в качестве полупроводникового материала широкозонного полупроводника n-типа проводимости. Обычно считается, что использование в качестве материала фотокатода полупроводников n-типа проводимости является неэффективным из-за наличия отрицательного заряда на поверхности, который препятствует выходу электронов из полупроводника в вакуум. В результате подобные фотоэлектронные эмиттеры имеют низкий квантовый выход η <0.01. Активирование поверхности путем нанесения щелочного металла или его окисла на поверхность широкозонного полупроводникового материала n-типа проводимости приводит к новым условиям: Е_g>χ и χ >ϕ , что позволяет устранить этот недостаток и обеспечить существование вырожденного электронного газа большой плотности в приповерхностной области полупроводникового материала, а на поверхности положительного пространственного заряда, который увеличивает выход электронов в вакуум.

Кроме того, использование материала n-типа проводимости обеспечивает увеличение диффузионной длины носителей заряда более простым способом, чем в прототипе. Хорошо известно, что диффузионная длина в полупроводниковом материале n-типа проводимости всегда выше, чем в материале р-типа проводимости. Поэтому в предлагаемом устройстве нет необходимости получения нескольких слоев материала с разной концентрацией примесей и носителей заряда. Благодаря существенно большим диффузионным длинам растет квантовый выход в длинноволновой области спектра.

Таким образом, поставленная задача получения высокого квантового выхода достигается более простым конструктивным решением, чем в прототипе, при одновременном расширении спектрального диапазона чувствительности. Кроме того, расширяется круг материалов, обеспечивающих высокий квантовый выход.

Поясним это положение. Известно, что квантовый выход фотоэлектронной эмиссии η определяется:

η =B₁×В₂×В₃;

где: B₁ - вероятность возбуждения заполненных электронных состояний полупроводника светом на энергетический уровень с энергией выше или равной работе выхода;

B₂ - вероятность достижения электронов поверхности;

В₃ - вероятность преодоления электронами поверхностного барьера.

Вероятность B₁ пропорциональна плотности ρ (hν ), см^-3В^-1, занятых электронных состояний, участвующих в фотоэлектронной эмиссии, и матричному элементу M₁, см³, возбуждения занятых электронных состояний полупроводника, участвующих в фотоэлектронной эмиссии:

B₁=C₁× _ρ (hν )× M₁,

где: C₁ - постоянная, эВ.

Для устройства-прототипа фотоэлектронная эмиссия осуществляется при возбуждении электронов из валентной зоны, где край зоны Е_V, эВ, и где плотность ρ (hν ) занятых электронных состояний на краю зоны равна нулю ρ (hν )=0 при Е=E_V, а затем медленно увеличивается по закону:

ρ (hν )=С₁× _ν (Е-Е_v),

где: С₁ - постоянная, см^-3 эВ^3/2;

Е - энергия, эВ.

В заявляемом устройстве при фотоэлектронной эмиссии из приповерхностной области полупроводника, где существуют занятые электронные состояния вырожденного электронного газа в зоне проводимости, плотность ρ (hν ) занятых электронных состояний велика:

ρ (hν )=А;

где А - постоянная, см^-3 эВ^-1.

Следовательно, в заявляемом устройстве происходит резкое увеличение, по сравнению с устройством-прототипом, плотности занятых электронных состояний, участвующих в фотоэлектронной эмиссии. Матричный элемент M₁ в заявляемом устройстве соответствует устройству-прототипу.

Вероятность В₂ пропорциональна диффузионной длине носителей заряда. Хорошо известно, что диффузионная длина в полупроводниковом материале n-типа проводимости всегда выше, чем в материале р-типа проводимости.

Таким образом, оба условия ведут к увеличению квантового выхода для заявляемого устройства.

Вероятность В₃ не хуже, чем у устройства-прототипа, поскольку в заявляемом устройстве она обеспечивается положительным зарядом на поверхности, что создает поле, вытягивающее электроны в вакуум.

Для заявляемого устройства обеспечивается проводимость n-типа с концентрацией носителей не ниже, чем 5· 10¹⁶ см^-3, путем легирования слоя полупроводникового материала донорными примесями. Известно, что эпитаксиальные слои III нитридов с концентрацией примесей ниже, чем 5· 10¹⁶ см^-3, имеют вблизи поверхности обедненные области объемного заряда, протяженность которых в глубину слоя составляет примерно 1 мкм, что вызвано собственными самокомпенсирующимися дефектами. Обедненные области препятствуют эмиссии электронов. Введение легирующей примеси, например кремния, обеспечивает получение концентрации носителей не ниже, чем 5· 10¹⁶ см^-3, и позволяет подавить образование этих областей.

Заявляемое устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематически изображен вид сбоку в разрезе одного из вариантов реализации заявляемого устройства для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум;

на фиг.2 схематически изображен вид сверху на устройство, изображенное на фиг.1, в разрезе по А-А;

на фиг.3 схематически изображен другой вариант реализации заявляемого устройства для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум;

на фиг.4 схематически изображен вид сверху на устройство, изображенное на фиг.3, в разрезе по Б-Б;

на фиг.5 приведена схема измерения фотоэлектронной эмиссии в вакуум, получаемой с помощью заявляемого устройства,

на фиг.6 показана зонная диаграмма полупроводника n-типа проводимости, поверхность которого активирована щелочным металлом или его окислом;

на фиг.7 приведены спектральные характеристики квантового выхода для устройства-прототипа (а) и заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, поверхность которого активирована цезием (б);

на фиг.8 показаны спектральные характеристики квантового выхода для устройства-прототипа (а), заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, поверхность которого активирована окислом цезия (б), и заявляемого устройства, включающего слой Al_0,15Ga_0,85N n-типа проводимости, поверхность которого активирована окислом цезия (в).

на фиг.9 приведена схема ориентации электрических векторов s-поляризованной и р-поляризованной световых волн, возбуждающих заявляемое устройство.

Заявляемое устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум включает слой 1 из полупроводникового материала (см. фиг.1, фиг.2) на основе нитридов элементов третьей группы n-типа проводимости, легированного донорной примесью с концентрацией выше, чем 10¹⁷ см^-3, с шириной запрещенной зоны Е_g, со сродством к электрону χ и работой выхода ϕ на обращенной в вакуум рабочей поверхности 2, удовлетворяющими соотношениям:

Е_g>χ , эВ;

χ >ϕ , эВ.

В качестве такого полупроводникового материала может быть взят, например, нитрид галлия n-типа проводимости, твердый раствор AlGaN n-типа проводимости. Слой 1 может также иметь гексагональную модификацию с мозаичной структурой со степенью упорядоченности не менее чем -0,33. Слой 1 может быть легирован, например, кремнием или углеродом с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸ см^-3,

Рабочая поверхность 2 активирована щелочным металлом или его окислом, например цезием или окислом цезия, барием или окислом бария, калием или окислом калия, предпочтительно в виде монослоя или полумонослоя. Слой 1 может быть нанесен на подложку 3 (см. фиг.3, фиг.4) из диэлектрического или полупроводникового материала, показатель преломления n которого отличен от показателя преломления n_p слоя 1. Подложка 3 может быть выполнена, например, из сапфира, арсенида галлия, кремния.

Зонная диаграмма полупроводника n-типа проводимости, поверхность которого активирована щелочным металлом или его окислом, показана на фиг.6, где Е_c - зона проводимости, Е_V - валентная зона, e_f - уровень Ферми, E_cs - положение края зоны проводимости на поверхности, E_vac - уровень вакуума.

При использовании заявляемого устройства в фотоэлектронном эмиттере (см. фиг.1 и фиг.3) устройство закрепляют на металлической пластине 4, снабженной выводом 5, и помещают в вакуумную камеру 6. Напротив пластины 4 размещают коллектор электронов 7, снабженный выводом 8. Выводы 5 и 8 пропускают через изоляторы 9.

Измерение фотоэлектронной эмиссии в вакуум осуществляли на установке, схематически изображенной на фиг.5. В установку помимо перечисленных выше элементов 1-9 входит измерительная цепь в виде последовательно соединенных электрометра 10, источника постоянного тока 11, подключенных к выводам 5 и 8, и источника света 12.

Пример. Было изготовлено заявляемое устройство на основе эпитаксиального слоя нитрида галлия GaN(0001) n-типа проводимости, легированного кремнием (2· 10¹⁷ cм^-3), толщиной 4 мкм, выращенного на сапфировой подложке (0001) методом эпитаксии из металлорганических соединений MOCVD. Непосредственно в вакууме образец очищался термическим отжигом при температуре 800° С. Активирование цезием осуществлялось путем напыления атомарно-чистого цезия на поверхность GaN (0001) из стандартного источника (испаритель типа ИПО-34-33). Концентрация атомов цезия на поверхности составляла от 3· 10¹⁴ см^-2 до 6· 10¹⁴ см^-2. На образец GaN со стороны поверхности, активированной цезием, подавался свет из видимой и ближней ультрафиолетовой спектральной области с интенсивностью ~1· 10^-3 Вт/см². Длину волны света изменяли в пределах от 250 нм до 950 нм. Облучение образца осуществляли светом р-поляризации под углом γ =45° к нормали к поверхности, так как для GaN угол Брюстера составляет 75° . Облучение образца может осуществляться неполяризованным светом, а также светом s-поляризации или р-поляризации. Облучение образца светом р-поляризации обеспечивает увеличение квантового выхода фотоэлектронной эмиссии в 2-3 раза. Схема ориентации электрических векторов s- и р-поляризованных световых волн, которые могут возбуждать фотоэлектронную эмиссию в заявляемом устройстве, приведена на фиг.9 (γ - угол 45° , E_s - электрический вектор s-поляризованной световой волны, Е_p - электрический вектор р-поляризованной световой волны, Е

S

II

-тангенциальная составляющая электрического вектора s-поляризованной световой волны, Е⊥ ^p - нормальная составляющая электрического вектора р-поляризованной световой волны, Е

p

II

- тангенциальная составляющая электрического вектора р-поляризованной световой волны). Интегральный фотоэмиссионный ток регистрировали в цепи образец - коллектор электронов - электрометр. Образец был заземлен, на коллектор было подано напряжение +150 В от стабилизированного источника постоянного тока. Интенсивность облучающего света была измерена при помощи откалиброванного фотоэлектронного умножителя, что позволяло оценивать квантовый выход с относительной погрешностью 10%.

На фиг.7 приведена спектральная характеристика квантового выхода для заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, активированный цезием при поверхностной концентрации цезия 4· 10¹⁴ cм^-2 (кривая б). Для сравнения приведена кривая спектральной характеристики квантового выхода для устройства-прототипа (кривая а).

На фиг.8 приведена спектральная характеристика квантового выхода для устройства-прототипа (а) и для заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, активированный окислом цезия (б), и заявляемого устройства, включающего слой Al_0,15Ga_0,85N n-типа проводимости, активированный окислом цезия (в).

Из приведенных спектральных характеристик видно, что квантовый выход заявляемого устройства и квантовый выход прототипа в спектральном диапазоне 250-350 нм совпадают, причем у заявляемого устройства высокий квантовый выход сохраняется в широком спектральном диапазоне вплоть до 750 нм, а затем он спадает до величины 10^-4 при 900 нм, при этом красная граница фоточувствительности лежит вблизи 950 нм.

Таким образом, заявляемое устройство имеет высокий квантовый выход в широком спектральном диапазоне 250-750 нм;

расширяет круг материалов для создания высокоэффективных фотоэлектронных эмиттеров в ближней ультрафиолетовой и видимой части спектра;

упрощает и удешевляет технологию получения фотоэлектронных эмиттеров, поскольку для заявляемого устройства не требуется создания многослойных конструкций;

возрастает воспроизводимость спектральных характеристик по сравнению с теми аналогами, которые обеспечивают тот же спектральный диапазон, но обладают низкой воспроизводимостью характеристик.

1. Устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум, включающее слой из полупроводникового материала на основе нитридов элементов третьей группы n-типа проводимости с концентрацией носителей не менее 5·10¹⁶ см^-3, с шириной запрещенной зоны E_g, со сродством к электрону χ и работой выхода электрона ϕ на обращенной в вакуум рабочей поверхности слоя упомянутого полупроводникового материала, активированной щелочным металлом или его окислом, удовлетворяющими соотношениям:

Eg>χ, эВ;

χ>ϕ, эВ;

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый слой полупроводникового материала нанесен на подложку из диэлектрического или полупроводникового материала, показатель преломления n которого отличен от показателя преломления n_р упомянутого слоя полупроводникового материала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутый показатель преломления n меньше упомянутого показателя преломления n_р.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутая подложка выполнена из сапфира.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутая подложка выполнена из арсенида галлия.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутая подложка выполнена из кремния.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая рабочая поверхность упомянутого слоя полупроводникового материала активирована цезием или окислом цезия.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что упомянутая рабочая поверхность упомянутого слоя полупроводникового материала активирована монослоем или полумонослоем цезия или окисла цезия.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая рабочая поверхность упомянутого слоя полупроводникового материала активирована барием или окислом бария.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая рабочая поверхность упомянутого слоя полупроводникового материала активирована калием или окислом калия.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый слой выполнен из нитрида галлия n-типа проводимости.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что упомянутый слой выполнен толщиной 2-4 мкм.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что упомянутый слой имеет мозаичную структуру.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что мозаичная структура имеет степень упорядочности не менее - 0,33.

15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что упомянутый слой легирован кремнием с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

16. Устройство по п.11, отличающееся тем, что упомянутый слой легирован углеродом с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый слой выполнен из твердого раствора AlGaN n-типа проводимости.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что упомянутый слой легирован кремнием с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что упомянутый слой легирован углеродом с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.