ФОТОКАТОД Российский патент 2012 года по МПК H01J40/06 H01J1/34 

Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники, а именно к фотокатодам, работающим в видимой и ультрафиолетовой области спектра, которые могут быть использованы в фотоэлектронных приборах для регистрации слабых сигналов, а также электронно-оптического преобразования сигналов, применяющихся в оптике, ядерной физике, автоматике, медицине, телевизионной технике и в других областях.

Известен фотокатод для электронной трубки (см. патент US 3387161, МПК H01J 039/00, опубликован 04.06.1968), эмиссионная поверхность которого выполнена из полупроводникового материала p-типа проводимости, имеющего концентрацию акцепторной примеси по меньшей мере 10¹⁸ см^-3 и выбранного из группы, состоящей из полупроводниковых материалов А³В⁵ или их соединений, имеющих ширину запрещенной зоны 1,1-1,6 эВ. Эмиссионная поверхность фотокатода активирована щелочным металлом. Материал А³ выбран из группы: В, Al, Ga, In. Материал В⁵ выбран из группы: N, Р, As, Sb.

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

Известен фотокатод на основе гетероструктуры (см. патент RU 2335031, МПК H01J 1/35, опубликован 27.09.2008), включающий гетероструктуру, содержащую слой из алмаза p-типа проводимости с наноразмерными топологическими неоднородностями на его поверхности. В качестве наноразмерных топологических неоднородностей использованы регулярно расположенные автоэмитирующие алмазные острия или нанокристаллиты алмаза, а поверхность слоя, за исключением указанных неоднородностей, покрыта проводящей аморфной углеродной либо нанокарбидной пленкой.

Недостатком известного фотокатода является увеличение работы выхода фотокатода из-за нанесения алмазоподобных пленок. Работа выхода фотокатода с нанесенным на него монослоем алмазоподобных пленок (алмазных пленок или любых других пленок аллотропных состояний углерода) равна 4,7±0,2 эВ. Это приводит к уменьшению диапазона спектральной чувствительности фотокатода, а также к уменьшению квантового выхода фотоэмиссии.

Известен фотокатод (см. патент RU 2216815, МПК H01J 1/34, опубликован 20.11.2003) на основе слаболегированной полупроводниковой структуры с p-n переходом, на которую нанесены наночастицы металла с линейными размерами не более 100 нм, с целью увеличения квантового выхода в видимой области спектра до 60%. Недостатком известного фотокатода является узкий (порядка 40 нм) максимум в спектральной зависимости квантового выхода в синей области спектра на длине волны 455 нм.

Известен фотокатод (см. патент US 6628072, МПК H01J 1/34, опубликован 14.11.2002), совпадающий с заявляемым техническим решением по большинству существенных признаков и принятый за прототип. Известный фотокатод-прототип включает слой, выполненный из эмитирующей фотоэлектроны полупроводниковой подложки, содержащей на поверхности выступы и впадины вплоть до наноразмеров с целью повышения отношения поверхность/объем, то есть увеличение общей площади эмитирующей поверхности при фиксированной величине площади подложки.

Недостатком данного фотокатода-прототипа является использование только геометрического фактора для увеличения квантового выхода эмитированных фотоэлектронов, то есть за счет увеличения общей площади поверхности фотокатода. При этом при использовании подложки и нанонеоднородностей из одного материала не может осуществиться возможность появления новых механизмов или каналов фотоэмиссии.

Задачей заявляемого изобретения является разработка фотокатода, имеющего несколько новых каналов фотоэмиссии различной физической природы, позволяющего обеспечить заданную спектральную чувствительность и заданный квантовый выход. Это позволяет достичь следующих технических результатов: во-первых, селективно анализировать и регистрировать падающее излучение в различных спектральных диапазонах от видимого до ультрафиолетового, и во-вторых, увеличить квантовый выход фотоэмиссии.

Поставленная задача решается тем, что, во-первых, фотокатод включает диэлектрическую или полупроводниковую подложку, на которую нанесен слой эмитирующего фотоэлектроны полупроводника n-типа проводимости (с запрещенной зоной Eg₁), на поверхности которого выращены квантовые точки из полупроводника n-типа проводимости с запрещенной зоной Eg₂, причем Eg₁>Eg₂), что обеспечивает наличие новых каналов фотоэмиссии с разной физической природой. Для увеличения квантового выхода фотоэмиссии и создания нового канала фотоэмиссии на систему полупроводниковая подложка-квантовые точки нанесено покрытие (декорирование) из атомов электроположительного металла общей толщиной до 3,0 монослоев. Увеличение степени покрытия атомами электроположительного металла до 3 монослоев приводит к росту квантового выхода фотоэмиссии.

При увеличении числа нанесенных монослоев более чем 3 монослоя квантовый выход фотоэмиссии будет уменьшаться и определяться фотоэмиссионными свойствами щелочного (щелочноземельного) металла и не решать поставленную задачу.

В качестве электроположительного металла, который наносят на систему слой полупроводника-квантовые точки, может быть использован щелочной металл из ряда Li, Na, К, Rb, Cs или щелочноземельный металл из ряда Mg, Са, Sr, Ва. На квантовые точки может быть также нанесено покрытие из двух разных электроположительных металлов (например, слой Ва и слой Cs).

Нанесение на квантовые точки покрытия из атомов электроположительного металла обеспечивает резкое увеличение электронной плотности в квантовой точке, которая изначально (без покрытия) была мала. Увеличение электронной плотности в квантовой точке приводит к появлению новых каналов фотоэмиссии с большим квантовым выходом. При этом традиционный канал фотоэмиссии из слоя полупроводника также резко увеличивается по квантовому выходу за счет неоднородного электрического поля, вызванного наличием квантовых точек.

Кроме того, нанесение покрытия из атомов электроположительного металла приводит к уменьшению работы выхода фотокатода, что является важным фактором увеличения квантового выхода фотокатода. Выбор наносимого покрытия из электроположительного металла определяется требуемым спектральным диапазоном чувствительности фотокатода и выбором доминирующего канала фотоэмиссии. Диапазон спектральной чувствительности фотокатода может быть проконтролирован и изменен за счет выбора электроположительного металла.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где

на фиг.1 схематически приведен в разрезе один вариант реализации заявляемого фотокатода;

на фиг.2 схематически изображен в разрезе другой вариант реализации заявляемого фотокатода;

на фиг.3 приведена зонная схема системы слой полупроводника-квантовые точки;

фиг.4 приведена зонная схема системы слой полупроводника-квантовые точки после декорирования атомами электроположительного металла;

на фиг.5 приведены спектральные зависимости фототока для случая возбуждения фотоэмиссии из первого и второго каналов фотоэмиссии.

В одном варианте реализации заявляемого фотокатода (см. фиг.1) он содержит выращенный на диэлектрической или полупроводниковой подложке 1 эмитирующий фотоэлектроны слой 2 из полупроводника А³В⁵ n-типа проводимости (например, n-GaAs), на котором выращены квантовые точки 3 из полупроводника А³В⁵ n-типа проводимости (например, InAs). Квантовые точки 3 покрыты одним слоем 4 электроположительного металла толщиной до 3,0 монослоев. В качестве электроположительного металла может быть нанесен щелочной металл (Li, Na, К, Rb, Cs) или щелочноземельный металл (Mg, Са, Sr, Ва).

В другом варианте реализации заявляемого фотокатода (см. фиг.2) он содержит выращенный на диэлектрической или полупроводниковой подложке 1 эмитирующий фотоэлектроны материал 1 из полупроводника А³В⁵ n-типа проводимости, например, GaAs, на котором выращены квантовые точки 3 из полупроводника А³В⁵ n-типа проводимости (например, InAs). Квантовые точки 3 покрыты слоем 4 электроположительного металла толщиной до 3,0 монослоев, например, из щелочного металла (Li, Na, K, Rb, Cs). Поверх слоя 4 нанесен слой 5 из другого электроположительного металла, например из щелочноземельного металла (Mg, Са, Sr, Ва). Обшая толщина электроположительных металлов составляет не более 3,0 монослоев.

Рассмотрим работу заявляемого фотокатода, включающего полупроводниковую или диэлектрическую подложку 1, слой 2 из полупроводникового материала n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны Eg₁, на котором выращены квантовые точки 3 из полупроводникового материала n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны Eg₂ и работой выхода электрона φ на рабочей поверхности фотокатода с квантовыми точками 3, декорированными атомами щелочного или щелочно-земельного металла 4. При этом удовлетворяется следующее соотношение:

Возбуждение фотоэлектронной эмиссии производят облучением светом со стороны эмитирующей поверхности слоя 2 под углом к нему. Угол между нормалью к поверхности и возбуждающим светом может составлять величину от 0° до угла Брюстера. Одним из основных отличительных признаков заявляемого фотокатода является выбор в качестве полупроводникового материала 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.

На фиг.3 приведена зонная схема системы слой полупроводника-квантовые точки, которая отражает большую работу выхода φ₁ и незначительную величину энергии E_B, которая соответствует положению дна потенциальной ямы квантовой точки относительно уровня Ферми E_F.

На фиг.4 приведена зонная схема системы слой полупроводника-квантовые точки после декорирования атомами металла, которая отражает уменьшение работы выхода до значения φ₂ и существенное увеличение энергии E_B. Увеличение глубины потенциальной ямы квантовых точек и энергии E_B приводит к росту числа занятых квантовых уровней в потенциальной яме и, соответственно, к существенному росту боле чем на порядок плотности занятых электронных состояний, участвующих в процессе фотоэмиссии (канал II). При декорировании атомами электроположительных металлов системы слой полупроводника-квантовые точки также резко увеличивается, более чем на порядок, фотомиссия из канала I, за счет уменьшения работы выхода и за счет увеличения тянущего электрического неоднородного поля квантовых точек.

Известно, что квантовый выход η фотоэлектронной эмиссии определяется:

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

В₂ - вероятность достижения электронов поверхности;

В₃ - вероятность преодоления электронами поверхностного барьера.

Вероятность В₁ пропорциональна плотности ρ(hν), см^-3 эВ^-1, занятых электронных состояний, участвующих в фотоэлектронной эмиссии, и матричному элементу M₁, см³, возбуждения занятых электронных состояний полупроводника, участвующих в фотоэлектронной эмиссии:

где: С₀ - постоянная, эВ.

Для фотоэмиссии при наличии двух каналов возбуждения фотоэмиссии вероятность B₁ определяется суммой двух вероятностей, соответствующих двум каналам фотоэмиссии (В₁₁ и В₁₂).

Для фотоэлектронной эмиссии, которая осуществляется при возбуждении электронов из валентной зоны (I канал), где край зоны E_v, эВ, и где плотность ρ₁(Е) занятых электронных состояний на краю зоны равна нулю при Е=E_v, а затем медленно увеличивается по закону:

где: С₂ - постоянная, см^-3 эВ^-3/2;

Е - энергия, эВ.

Для фотоэлектронной эмиссии из квантовых точек (II канал) увлечение числа занятых уровней размерного квантования при декорировании атомами электроположительных металлов приводит к росту плотности ρ₂ (Е) занятых электронных состояний, что непосредственно приводит к увеличению квантового выхода фотоэмиссии.

Матричные элементы возбуждения фотоэлектронной эмиссии из валентной зоны и уровней размерного квантования в квантовых точках обозначим как М₁₁ и М₁₂, см³, соответственно. Итак, в заявляемом устройстве происходит резкое увеличение, по сравнению с фотокатодом-прототипом, плотности занятых электронных состояний, участвующих в фотоэлектронной эмиссии.

Вероятность В₂ пропорциональна диффузионной длине носителей заряда. Хорошо известно, что диффузионная длина в полупроводниковом материале n-типа проводимости всегда выше, чем в материале p-типа проводимости. Таким образом, оба условия ведут к увеличению квантового выхода для заявляемого устройства. Вероятность В₃ не хуже, чем у фотокатода-прототипа, поскольку в заявляемом фотокатоде она зависит только от энергии возбуждения hν, работы φ выхода материала.

Пример 1. Рассмотрим фотоэмиссию из системы слой полупроводника (n-GaAs)-квантовые точки (InAs), декорированную атомами электроположительного металла (Cs) при покрытии 0.8 монослоя. Ширина запрещенной зоны подложки Eg₁=1.43 эВ, а ширина запрещенной зоны квантовых точек Eg₂=0.40 эВ. Нанесение покрытия Cs приводит к понижению работы выхода фотокатода до 1,6 эВ. Это приводит к появлению фотоэмиссии из уровней размерного квантования в квантовых точках InAs в диапазоне длин волн (500-800 нм) - II канал фотоэмиссии, и фотоэмиссии из валентной зоны GaAs в диапазоне длин волн (340-500 нм) - I канал фотоэмиссии.

Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники. Фотокатод включает диэлектрическую или полупроводниковую подложку, на которую нанесен слой эмитирующего фотоэлектроны полупроводника n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны Eg₁. На поверхности слоя полупроводника выращены квантовые точки из полупроводника n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны подложки Eg₂, декорированные атомами электроположительного металла общей толщиной до 3,0 монослоев. Eg₂<Eg₁. Технический результат - увеличение квантового выхода фотоэмиссии и возможность селективно анализировать и регистрировать падающее излучение в различных спектральных диапазонах. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фотокатод, включающий диэлектрическую или полупроводниковую подложку, на которую нанесен слой эмитирующего фотоэлектроны полупроводника n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны E_g1, на поверхности которого выращены эмитирующие фотоэлектроны квантовые точки из полупроводника n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны E_g2, декорированные атомами электроположительного металла общей толщиной до 3,0 монослоев, при этом E_g2<E_g1.

2. Фотокатод по п.1, отличающийся тем, что в качестве электроположительного металла использован щелочной металл.

3. Фотокатод по п.1, отличающийся тем, что в качестве электроположительного металла использован щелочноземельный металл.

4. Фотокатод по п.1, отличающийся тем, что квантовые точки покрыты двумя слоями разных электроположительных металлов.