СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПОЛЕВОГО КАТОДА Российский патент 2005 года по МПК H01J40/06 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фотополевым катодам из полупроводниковых материалов, и может быть использовано в целях изготовления приемников излучения для видимого и инфракрасного диапазона оптического излучения.

В связи с использованием фотокатодов, преобразующих оптическую энергию в электрическую, проблема повышения их фоточувствительности (квантовой эффективности выхода) является одной из основных. Она решается выбором материала фотокатода, причем наиболее распространенными являются полупроводниковые материалы - соединения вида А3В5 на основе арсенида галлия GaAs, а также фосфид галлия GaP, индий-арсенид-фосфид (InAsP) и др., которые используются в сочетании друг с другом или другими материалами, влияющими на потенциальный профиль зоны проводимости. В настоящее время получили распространение фотополевые катоды с покрытием в виде пленки или слоя материала, структурные особенности которого обеспечивают снижение потенциального барьера для электрона для увеличения квантовой эффективности выхода фотокатода /см. также А.Н.Выставкин и др. “Высокочувствительные приемники электромагнитных излучений. Проблемы современной радиотехники и электроники. Под ред. ак. В.А.Котельникова. М., Наука, 1980, с.380-390/.

Известен способ изготовления фотокатода, используемого в усилителе изображения в приборах ночного видения, выполненного из арсенида галлия GaAs, содержание примесей в котором составляет (1-5)×10 **17 (1/см³). На рабочей поверхности травлением выполнено локальное окно, содержащее слой соединения AlGaAs /патент США №6069445/, играющего роль запирающего контакта, поскольку создаваемый им энергетический барьер ограничивает темновой ток фотокатода лишь вкладом надбарьерной термоионной эмиссии, что повышает квантовую эффективность прибора.

Известен способ изготовления фотополевого катода из полупроводникового материала вида АЗВ5, содержащего антимонид цезия, включающий подготовку атомно-чистой рабочей поверхности и нанесение на нее тонкой пленки бромида цезия CsBr /патент США №6531816, H 01 J 40/06/. Тонкую пленку антимонида K-CsSb толщиной, соответствующей затуханию проходящего пучка белого света до 70% от начальной величины потока, наносят на подложку из полированного оптического кварца, на которой укреплены электрические контакты. Нанесенный слой предварительно активируют в парах щелочи при температуре 190-230°С, а затем в парах цезия при температуре 140-180°С. После охлаждения и стабилизации абсолютную квантовую эффективность прибора измеряют известным методом. Затем на фотокатод наносят защитную пленку бромида цезия испарением в вакууме при температуре 50-80°С, после испарения в течение нескольких минут подвергают нагреву до 140°С, а затем охлаждают. Полученные таким образом фотокатоды имеют 5%-ную абсолютную квантовую эффективность в диапазоне длин волн 300-350 нм и, кроме того, могут в течение примерно получаса противостоять воздействию кислорода при давлении около 200 мбар, что соответствует его парциальному давлению в воздухе с давлением 1 бар. Удаление защитной пленки бромида цезия снижает квантовую эффективность фотокатода почти в шесть раз.

Известный способ изготовления фотополевого катода из полупроводникового материала А3В5, включающий очистку эмиссионной рабочей поверхности до степени атомно-чистой поверхности и вакуумное нанесение на нее покрытия, выбран в качестве наиболее близкого аналога.

Задачей изобретения является расширение арсенала средств, обеспечивающих повышение фоточувствительности прибора в видимом и инфракрасном диапазоне оптического излучения.

Задача решена тем, что в известном способе изготовления фотополевого катода из полупроводникового материала типа А3В5, включающем очистку эмиссионной рабочей поверхности до степени атомно-чистой поверхности и вакуумное нанесение на нее покрытия в виде пленки, в соответствии с изобретением, после очистки рабочей эмиссионной поверхности ее нагревают до температуры 400-450 К и наносят на нее субмонослойное покрытие из алюминия Al толщиной 0,4-0,8 монослоя.

Технический результат изобретения состоит в увеличении фоточувствительности фотокатода, обусловленном непропорциональным изменением “темнового” и “светового” токов вследствие особенностей взаимодействия атомов материала покрытия с решеткой полупроводникового материала заготовки.

Способ поясняют фиг.1 и 2, которые иллюстрируют вольтамперные характеристики, полученные на различных этапах технологического цикла изготовления в соответствии с предложенным способом фотополевых катодов из арсенида галлия GaAs (фиг.1) и антимонида индия InSb (фиг.2).

Способ осуществляют следующим образом. Изготовление фотополевых катодов из соединений А³В⁵ предусматривает известные операции травления полупроводниковой заготовки, ее вакуумирование, очистку эмиссионной поверхности до степени атомно-чистой поверхности (не хуже, чем до 5-10% инородных атомов) и последующее нанесение металлического покрытия /адсорбата/. Выбор материала для фотокатода определяется требуемым положением области спектральной чувствительности максимума квантового выхода, например, арсенид галлия GaAs выбирают для работы в видимой и ближней ИК-области оптического спектра, антимонид индия InSb выбирают для средней ИК-области.

Заготовку из полупроводникового материала группы А³В⁵ химически травят для формирования эмиссионной поверхности и удаления окислов и примесей с нее, например, в СР-4А, помещают в вакуумную камеру, снижают давление до заданного уровня вакуума, после чего очищают эмиссионную поверхность, например, методом электрохимической десорбции в вакууме, для удаления инородных атомов и снижения вероятности их осаждения из атмосферы камеры. Очистку производят до получения атомно-чистой поверхности (условно), при которой степень поверхностного загрязнения составляет не более 10% от исходного количества примесей. Затем заготовку фотокатода нагревают до температуры Т 400К < Т < 450К и на рабочую эмиссионную поверхность наносят субмонослойное покрытие из алюминия Al, толщина которого θ лежит в пределах 0,4<θ<0,8 монослоя.

В ходе технологического цикла измеряют вольтамперную характеристику (ВАХ) заготовки прибора, по которой судят об изменении эмиссионных характеристик рабочей поверхности и фоточувствительности прибора.

Природа возрастания эмиссионной способности поверхности при нанесении субмонослойных покрытий до конца не выяснена (его связывают с изменением плотности поверхностного заряда, экранирующего проникновение поля в полупроводник, и с резонансным туннелированием электронов сквозь барьер, модифицированный присутствием адсорбата). Однако, большое число экспериментальных данных, полученных для различных соединений А³В⁵ с адсорбированным атомом III группы, к которой относится и алюминий Al (например, системы GaP+In, CaAs+In, GaAs+Al, GaAs+Au), позволяет сделать вывод об общности этого явления для всех полупроводниковых соединений А³В⁵.

Наряду с изменением эмиссионной способности поверхности, при адсорбции изменяется вид вольтамперной характеристики (ВАХ), при этом, что особенно важно с практической точки зрения, существенно изменяется фоточувствительность V_ф эмиссионного тока, определяемая как:

V_ф=I_св/I_т,

где I_св - значение тока при некоторых фиксированных значениях освещенности катода и анодного напряжения;

I_т - "темновой" ток катода при том же анодном напряжении.

Изменение температуры заготовки в данном способе изготовления фотополевого катода необходимо для обеспечения лучшего растекания осаждаемого материала (адсорбата) по рабочей эмиссионной поверхности и предотвращения образования кластерных структур. Величина температурного интервала нагрева заготовки установлена экспериментально. При этом следует учитывать, что температура необходимого нагрева зависит от вида материала заготовки: узкозонные полупроводники и, соответственно, легкоплавкие материалы из класса соединений А³B⁵ требуют более низкой температуры (Т=400 К), в то время как для широкозонных полупроводников необходима более высокая температура (Т=450 К). Применение нагрева, выходящего за рамки приведенного выше температурного интервала, нецелесообразно по следующим причинам. Температура ниже 400К не обеспечивает достаточно равномерного покрытия рабочей поверхности, что, в свою очередь, приводит к нестабильности эмиссионного тока. Нагрев до температур, превышающих 450 К, может привести к диффузии атомов материала нанесенного покрытия в объем фотополевого катода, что, в свою очередь, может привести к изменению степени и даже типа легирования приповерхностной области.

Величина покрытия, вызывающего возрастание фоточувствительности, лежит в интервале 0,4-0,8 монослоя. При меньших покрытиях эффект возрастания фоточувствительности фотокатода незначителен, при больших толщинах покрытие становится неустойчивым из-за коалесценции адатомов в островки. Экспериментально установлено, что максимальное увеличение фоточувствительности прибора достигается при толщине пленки алюминия Аl 0,5<θ<0,6 монослоя.

Эффекты, наблюдаемые при взаимодействии алюминия Аl (элементов III группы) и полупроводников А³В⁵, связаны в фотополевом катоде с нарушением структуры бинарного полупроводника при замещении узлового атома решетки атомом адсорбированного металла. Взаимодействие атома покрытия с поверхностью полупроводника, приводящее к увеличению плотности электронов в приповерхностной области, улучшает условия экранировки внешнего электрического поля, а значит, приводит к возрастанию величины "темнового" тока. Одновременно замещение атомов в кристаллической решетке полупроводника адатомами меняет генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности, так что возрастает величина "светового" тока, причем быстрее, чем величина “темнового” тока, что и приводит к результирующему возрастанию фоточувствительности прибора.

Сущность изобретения поясняется примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Для изготовления фотополевого катода, работающего в видимой и ближней ИК-области спектра, заготовку из монокристаллического арсенида галлия GaAs марки АГПИ (компенсирован железом) с удельным сопротивлением р=10⁶ Ом·см поместили для химического травления (с целью заострения заготовки и удаления примесей) в травильный раствор СР-4А, по окончании травления поместили заготовку в вакуумную камеру, давление Р в которой понизили до 10^-8 мм рт.ст. Рабочую эмиссионную поверхность очистили известным методом полевой десорбции в вакууме под контролем степени очистки поверхности, причем очистку вели до появления на экране характерного для данного монокристалла симметричного эмиссионного изображения, соответствующего получению атомно-чистой поверхности (количество инородных атомов при этом составляет приблизительно 7-10%). При комнатной температуре (Т=300 К) регистрировали исходные ВАХ фотокатода при наличии (фиксированная величина освещенности) и отсутствии освещения образца (фиг.1, кривая 1 - “световой” ток, фиг.5 - “темновой” ток соответственно). Затем фотополевой катод нагрели до температуры 450 K и из предварительно прокалиброванного источника термическим испарением навески алюминия Аl наносили субмонослойное покрытие из алюминия Аl, последовательно увеличивая толщину слоя, равную 0,4, 0,6, 0,8 монослоя. Для каждой толщины нанесенного слоя провели регистрацию ВАХ фотокатода при наличии и отсутствии освещения (“световой” и “темновой” эмиссионный ток). По ВАХ производили контроль фоточувствительности прибора, который показал, что нанесение Al-покрытия увеличивает фоточувствительность фотополевого катода почти в 10 раз (фиг.1, кривые 2/6, 3/7, 4/8 соответственно указанным толщинам слоев и величинам “светового/”темнового” Iф_св/Iф_т) тока при каждой указанной толщине слоя). Дальнейшее увеличение толщины покрытия ведет к резкому ухудшению стабильности эмиссионного тока.

Пример 2. Для изготовления фотополевого катода для средней ИК~ области спектра взяли заготовку из монокристаллического антимонида индия InSb, легированного германием Ge, с удельным сопротивлением р=2010 Ом·см при 80 К. Заготовку травили, а затем очистили полевым испарением в вакууме аналогично примеру 1, после чего заготовку нагрели до 400К и на нее нанесли, как в примере 1, субмонослойное покрытие из алюминия Аl толщиной 0,5 монослоя. Как в примере 1, произвели контрольные измерения фоточувствительности заготовки (ее рабочей поверхности) по ее ВАХ: при получении атомно-чистой поверхности заготовки (фиг.2, кривая 1 - “световой” ток, кривая 5 -“темновой ток), при последовательном нанесении алюминия в виде покрытия толщиной 0,4, 0,6, 0,8 монослоя (при комнатной температуре) (фиг.2, кривые 2/6, 3/7, 4/8 соответственно для “светового”/“темнового” фототока), которые показали, что фоточувствительность фотокатода при наличии покрытия из алюминия Al увеличилась примерно в 20 раз (вблизи края поглощения). Кроме того, рабочий участок ВАХ сместился в сторону низких напряжений более существенно (фиг.2), чем у фотокатода из арсенида галлия (пример 1), что свидетельствует об уменьшении рабочего напряжения InSb-автофотокатода приблизительно на 50%. Нанесение покрытий большей толщины, свыше 0,8 монослоя, как и в примере 1 ухудшает стабильность тока.

Предложенный способ позволяет разработать единый технологический цикл для изготовления высокочувствительных фотополевых катодов из широко применяемых в технике полупроводников типа А³ В⁵. Предложенный способ позволит расширить арсенал средств регистрации, усиления и преобразования весьма слабых потоков электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне, работающих при комнатных температурах, активно используемых в промышленности и научных исследованиях.

Изобретение относится к технике изготовления фотополевых катодов из полупроводниковых материалов и может быть использовано в процессе изготовления приемников излучения для видимого и инфракрасного диапазона оптического излучения. Технический результат - увеличение чувствительности фотокатода. Для достижения данного результата изготовления фотополевого катода из полупроводникового материала типа А3В5 производят травление заготовки и очистку эмиссионной рабочей поверхности до степени атомно-чистой поверхности. После этого эмиссионную рабочую поверхность нагревают до температуры 400-450 К и наносят на нее в вакууме субмонослойное покрытие в виде пленки алюминия Al толщиной 0,4-0,8 монослоя. 2 ил.

Способ изготовления фотополевого катода из полупроводникового материала А3В5, включающий очистку эмиссионной рабочей поверхности до степени атомно-чистой поверхности и вакуумное нанесение на нее покрытия в виде пленки, которую после очистки рабочей эмиссионной поверхности нагревают до температуры 400-450 К и наносят на нее покрытие из алюминия Аl толщиной 0,4-0,8 монослоя.