ФОТОКАТОД Российский патент 1995 года по МПК H01J31/50 H01J1/34 

Изобретение относится к электронно-вакуумному приборостроению, преимущественно к изготовлению фотоэмиссионных преобразователей, фотоумножителей и электронно-оптических преобразователей с фотокатодами на основе соединений А³В⁵ и их твердых растворов.

Фотокатод представляет собой подложку с нанесенным на нее активным слоем на основе полупроводника р-типа проводимости, поверхность которого активируется путем нанесения на нее тонкого слоя на основе цезия и кислорода [1] Освещение катода приводит к эмиссии в вакуум электронов из активного слоя и возникновению фототока в приборе. Характеристики фотокатода: квантовая эффективность и ее стабильность во времени определяются как объемными свойствами активного слоя (время жизни носителей заряда, их подвижность и диффузионная длина), так и свойствами поверхности активного слоя во взаимосвязи с характеристиками активирующего покрытия (прочность химической связи атомов активирующего покрытия с элементами, составляющими основу активного слоя; адсорбция и десорбция во времени атомов активирующего слоя с поверхности активного слоя). Поэтому обеспечение высокой квантовой эффективности фотокатода и ее стабильности во времени неразрывно связано с улучшением как объемных свойств активного слоя, так и свойств поверхности активного слоя и связанных с ними характеристик активирующего покрытия.

Известен фотокатод, представляющий собой подложку с нанесенным на нее активным слоем на основе арсенида галлия, легированным акцепторной примесью германием, с нанесенным на него активирующим покрытием на основе цезия и кислорода [2] Установлено, что квантовая эффективность таких фотокатодов не более 15%
Недостатком фотокатода [2] является и катастрофическое уменьшение (в 1,5-2 раза) его квантовой эффективности при непрерывном времени работы 500 ч, которое задано ГОСТом для определения характеристик фотоэмиссионных приборов. Это связано, главным образом, с необратимым нарушением в процессе работы фотокатода химических связей элементов активирующего покрытия (Cs и О) с элементами, составляющими основу активного слоя (Ga и As), вследствие их непрочности [2]
Известен фотокатод, состоящий из подложки с расположенным на ней активным слоем на основе соединений А³В⁵ или их твердых растворов, например, на основе GaP, легированных изовалентной примесью, азотом и акцепторной примесью, цинком, с активирующим покрытием на основе цезия и кислорода [3]
Введение изовалентной примеси в материал активного слоя не приводит к существенному изменению спектральных характеристик фотокатода. В работе [3] введение в активный слой азота было предпринято для повышения квантовой эффективности за счет того, что азот в некоторых полупроводниках создает изоэлектронный уровень под дном зоны проводимости, подобный мелким донорным уровням, на который могут совершаться оптические переходы. Это обуславливает увеличение квантовой эффективности вследствие увеличения коэффициента оптического поглощения активного слоя. Введение в активный слой изовалентной примеси (ИВП) азота влияет только на один параметр объема активного слоя. Недостатком предложенного в работе [3] фотокатода является непрочность связей элементов активирующего покрытия (Cs и О) с элементами, составляющими основу активного слоя (Ga, P в GaP; In, P, As в активном слое на основе твердого раствора InGaP), что обуславливает как невысокую (7-8%) квантовую эффективность фотокатода, так и значительное в 2 раза ее уменьшение после 500 ч непрерывной работы.

Целью изобретения является повышение квантовой эффективности фотокатода и ее стабильности во времени.

Цель достигается тем, что в известном фотокатоде, состоящем из подложки, расположенного на ней активного слоя на основе соединений A³B⁵ или их твердых растворов, содержащего изовалентную и акцепторную примеси с нанесенным на него активирующим покрытием на основе цезия и кислорода, упомянутый активный слой содержит в качестве изовалентной примеси элемент третьей или пятой группы с ковалентным радиусом большим и электронегативностью меньшей соответственно ковалентного радиуса и электронегативности элементов третьей или пятой группы, составляющих основу активного слоя, а в качестве акцепторной примеси активный слой содержит элемент с ковалентным радиусом и электронегативностью меньшими ковалентного радиуса и электронегативности элемента третьей или пятой группы упомянутой изовалентной примеси.

Необходимость содержания в активном слое фотокатода в качестве изовалентной примеси элемента третьей или пятой группы с ковалентным радиусом больше соответственно ковалентного радиуса элемента третьей или пятой группы, составляющих основу активного слоя, обусловлено тем, что при этом улучшаются объемные свойства активного слоя возрастают время жизни носителей заряда в объеме активного слоя, их подвижность и диффузионная длина, что приводит к увеличению квантовой эффективности фотокатода. Улучшение объемных свойств активного слоя обеспечивается тем, что, когда ковалентный радиус ИВП больше ковалентного радиуса элемента соответствующей группы, составляющего основу активного слоя, снижается растворимость в подрешетке активного слоя неконтролируемых фоновых примесей и таким образом уменьшается концентрация собственных дефектов, фоновых примесей и их комплексов в активном слое, то есть эффективных центров захвата и рассеяния носителей заряда.

Необходимость содержания в активном слое фотокатода изовалентной примеси с электронегативностью, меньшей соответственно электронегативности элемента третьей или пятой группы, составляющего основу активного слоя, обусловлено тем, что при этом улучшаются свойства поверхности активного слоя и связанные с ними характеристики активирующего покрытия улучшается адгезия активирующего покрытия к поверхности активного слоя, упрочняются химические связи элементов активирующего покрытия с атомами, составляющими основу активного слоя.

Экспериментально установлено, что если электронегативность ИВП меньше электронегативности соответствующего элемента третьей или пятой группы, составляющего основу активного слоя, связи между элементами активного слоя и активирующего покрытия стабильнее, прочнее. Это объясняется тем, что ИВП, имея меньшую электрическую активность по сравнению с соответствующим элементом активного слоя, не препятствует формированию прочных химических связей между элементами активирующего покрытия и атомами активного слоя на его поверхности. Прочность и стабильность этих связей обуславливает стабильность квантовой эффективности фотокатода. В случае, когда электронегативность ИВП превышает электронегативность соответствующего элемента активного слоя, прочность химических связей атомов на поверхности активного слоя с атомами активирующего покрытия ухудшается вследствие большей электрической активности ИВП. Этот случай и имеет место, например, в фотокатоде [3] электронегативность ИВП азота превышает электронегативность любого элемента пятой группы, составляющего основу активного слоя.

В качестве акцепторной примеси активный слой должен содержать элемент с электронегативностью, меньшей электронегативности упомянутой ИВП. Это необходимо для реализации более полного воздействия ИВП на стабильность квантовой эффективности фотокатода. В противном случае, например, когда электронегативность акцепторной примеси больше электронегативности ИВП, ослабляется прочность химических связей на границе активный слой активирующее покрытие из-за высокой электрической активности акцепторной примеси и вследствие этого квантовая эффективность фотокатода становится нестабильной.

Необходимость содержания в активном слое акцепторной примеси с ковалентным радиусом меньше ковалентного радиуса ИВП обусловлено тем, что, как установлено авторами экспериментально, при этом условии обеспечивается однородное распределение акцепторной примеси по объему активного слоя. Этот эффект оказывает положительное воздействие на диффузионную длину и подвижность носителей заряда, а также степень однородности эмиссии электронов по площади фотокатода и, как следствие, приводит к повышению его квантовой эффективности.

Таким образом, каждый признак необходим, а все вместе они достаточны для решения поставленной задачи.

На момент подачи заявки и знания мирового уровня техники авторам неизвестна заявленная совокупность признаков.

Известно техническое решение, в совокупность признаков которого входит фотокатод, состоящий из активного слоя на основе соединений А³В⁵ и их твердых растворов, легированного ИВП и акцепторной примесью [3] В качестве ИВП в [3] использован азот, присутствие которого в активном слое приводит к значительному снижению стабильности квантовой эффективности фотокатода и не обеспечивает высоких значений квантовой эффективности вследствие более высокой электрической активности азота по сравнению с электрической активностью элементов, составляющих основу активного слоя (электронегативность азота превышает электронегативность любого элемента пятой группы).

В процессе работы авторам удалось доказать связь между объемными свойствами активного слоя фотокатода и активностью химических связей на его поверхности по отношению к атомам активирующего покрытия с соотношениями между ковалентным радиусом и электронегативностью ИВП и соответственно ковалентным радиусом и электронегативностью элемента третьей или пятой группы, составляющих основу активного слоя, а также с соотношением ковалентного радиуса и электронегативностью упомянутой ИВП с ковалентным радиусом и электронегативностью акцепторной смеси. Установленная авторами связь была неочевидна и явным образом не следовала из сведений, входящих в современный уровень техники.

Улучшение объемных свойств активного слоя и упрочение химических связей элементов активного слоя на его поверхности с элементами активирующего покрытия (цезием и кислородом) приводят к повышению квантовой эффективности фотокатода и ее стабильности во времени.

Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена схема конструкции фотокатода.

Фотокатод состоит из подложки 1, расположенного на ней активного слоя 2 и активирующего покрытия 3.

Устройство работает следующим образом. Поток света падает на фотокатод со стороны активирующего покрытия 3 и, проникая через прозрачное для данной длины волны света активирующее покрытие, поглощается в тонкой поверхностной области активного слоя 2 (1 мкм), создавая в ней носители заряда. Возникшие фотоэлектроны диффундируют в активирующее покрытие 3 и, благодаря явлению внешнего фотоэффекта, испускаются в вакуум с поверхности активирующего покрытия 3.

П р и м е р 1. Фотокатод по предлагаемому изобретению изготавливается следующим образом. На подложке арсенида галлия методом жидкофазной эпитаксии выращивается активный слой арсенида галлия (толщиной 5 мкм), легированный ИВП, сурьмой и акцепторной примесью, германием по типичному технологическому режиму [4] Сурьма элемент пятой группы, ее ковалентный радиус r_Sb 1,35 A, а электронегативность χ_Sb 1,9 эВ. Как ИВП сурьма замещает в активном слое мышьяк: r_As 1,17 A, χ _As 2,0 эВ. Германий характеризуется параметрами r_Ge 1,22 A, χ _Ge 1,7 эВ. Таким образом, r_Sb больше r_As, χ _Sb меньше χ_As и r_Ge меньше r_Sb, χ _Ge меньше χ _Sb. Из полученной эпитаксиальной структуры изготавливают прямоугольный образец размером 7 х 10 мм², представляющий собой подложку арсенида галлия с выращенным на ней активным слоем.

Эту структуру укрепляют на держателе, размещенном в баллоне, например, фотоэмиссионного преобразователя (ФЭП). Вывод этого держателя из баллона ФЭП является электродом фотокатода. Второй электрод ФЭП, введенный в баллон ФЭП, является анодом и выполняется обычно в виде кольца или петли с размещенным на нем небольшим количеством цезия и расположен в центре баллона ФЭП. Баллон соединен с вакуумной системой, обеспечивающей откачку объема баллона до 10^-8-10^-9 мм рт. ст. После обезгаживания внутренних стенок баллона и элементов, размещенных в нем, путем кратковременного прогрева, например мощной импульсной засветкой, при высоком вакууме в баллоне проводят процесс нанесения активирующего покрытия на поверхность активного слоя. Кратковременное пропускание тока через анод обеспечивает испарения цезия и нанесение его на поверхность активного слоя фотокатода. Далее осуществляют активацию цезирующего покрытия кислородом. После этого проводят герметизацию баллона ФЭП путем отпайки его от вакуумной системы. Квантовая эффективность фотокатода оценивалась по фототоку ФЭП при освещении фотокатода калиброванным световым потоком.

По описанной технологии изготовлен фотокатод для ФЭП с активным слоем на основе арсенида галлия, легированного сурьмой (концентрация сурьмы N_Sb 7˙ 10²⁰ cм^-3) и германием (N_Ge 7˙ 10¹⁸ см^-3), со следующими параметрами: квантовая эффективность 25% уменьшение квантовой эффективности после 500 ч работы не более чем на 3-4%
П р и м е р 2. По технологии, аналогичной примеру 1, был изготовлен фотокатод, с той разницей, что материалом активного слоя являлся твердый раствор GaAs_1-xSb_x c содержанием антимонида галлия х 0,11 и толщиной 5 мкм, легированные ИВП индием (N_In 6 ˙10¹⁹ см^-3) и акцепторной примесью цинком (N_Zn 8 ˙10¹⁸ см^-3). Индий элемент третьей группы, его ковалентный радиус r_In 1,48 A, а электронегативность χ _In 1,5 эВ. Как ИВП индий замещает в активном слое галлий: r_Ga 1,33 A, χ _Ga 1,6 эВ. Цинк характеризуется параметрами r_Zn 1,39 A, χ_Zn 1,40 эВ. Таким образом, r_In больше r_Ga, χ_In меньше χ _Ga и r_Zn меньше r_In, χ_Zn меньше χ_In. Фотокатод имел следующие характеристики: квантовая эффективность 0,5% уменьшение квантовой эффективности после 500 ч работы не более 1%
Фотокатоды согласно предлагаемому изобретению по сравнению с известными техническими решениями имеют в 2-3 раза большую квантовую эффективность. Уменьшение квантовой эффективности предлагаемого фотокатода за время работы 500 ч не более 5% тогда как в известных технических решениях 150-200% Таким образом, стабильность квантовой эффективности улучшена в 30-40 раз.

Использование: фотокатоды в фотоэмиссионных преобразователях. Сущность изобретения: фотокатод на основе соединений A³B⁵ включает изовалентные и акцепторные примеси и активирующее покрытие на основе цезия и кислорода. Активный слой содержит в качестве изовалентной примеси элемент третьей или пятой группы с ковалентным радиусом большим и электронегативностью меньшей соответственно соответствующих характеристик материала основы активного слоя, а в качестве акцепторной примеси активный слой содержит элемент с ковалентным радиусом и электронегативностью меньшими соответствующих характеристик элементов третьей или пятой группы упомянутой изовалентной примеси. 1 ил.

ФОТОКАТОД, содержащий подложку с расположенным на ней активным слоем на основе А³В⁵ или их твердых растворов, включающем изовалентные и акцепторные примеси, и активирующим покрытием на основе цезия и кислорода, отличающийся тем, что активный слой содержит в качестве изовалентной примеси элемент третьей или пятой группы с ковалентным радиусом, большим, и электронегативностью, меньшей соответственно ковалентного радиуса и электронегативности элементов третьей или пятой группы, составляющих основу активного слоя, а в качестве акцепторной примеси активный слой содержит элемент с ковалентным радиусом и электронегативностью, меньшим ковалентного радиуса и электронегативности элемента третьей или пятой группы изовалентной примеси.