ГЕТЕРОПЕРЕХОДНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2013 года по МПК H01J1/34 B82B1/00 

Данное изобретение найдет применение в качестве приборной структуры для твердотельных автоэмиссионных диодов и эмитирующих электроны активных элементов функциональных узлов как в твердотельной электронике, так и в вакуумной эмиссионной электронике, в том числе в силовой СВЧ электронике.

Известны автоэмиссионные катоды на основе структур металл/оксид металла, а также автоэмиссионные катоды на основе массивов из углеродных нанотрубок /1/, или на основе вольфрамового либо кремниевого наноразмерных «острий» и «лезвий» Работа упомянутых автоэмиссионных катодов, отличающихся конструкцией и способами изготовления, базируется на эффекте холодной эмиссии электронов, реализуемом в перечисленных эмиссионных средах, и при работе в режиме сильных полей, описывается функциональной зависимостью Фаулера-Нордгейма. Упомянутые автоэмиссионные среды и структуры используются в качестве активных элементов катодно-сеточных узлов (автокатодов) усилительно-преобразовательных приборов и устройств вакуумной электроники, например автоэмиссионных вакуумных диодов. Для всех вышеобозначенных сред автокатодов, также как и для гетероструктуры туннельного диода, характерны подбарьерный механизм транспорта электронов, характеризующийся существенным увеличением КПД по сравнению с гомопереходными и гетеропереходными диодами с надбарьерным механизмом транспорта заряда. Однако получить туннельный либо автоэмиссионный диоды и автокатодные вакуумные узлы, реализующие большие плотности тока и иметь при этом приемлемый ресурс часов их устойчивой работы до сих пор никому не удалось. В силу этого сильноточные p-n переходные диоды продолжают изготавливать на кремниевых либо карбидкремниевых структурах, а сильноточные катодно-сеточные узлы для мощных силовых устройств, в частности для вакуумных сильноточных диодов, продолжают изготавливать, как правило, на основе термоэмиссионных катодов, принцип действия которых основан на надбарьерном (термоэлектронная эмиссия) транспорте электронов.

Реализация сильноточных автоэмиссионных диодов и автокатодов позволила бы по сравнению с термоэмиссионными катодами значительно уменьшить габариты устройств и систем, существенно повысить частотный диапазон их эффективной работы и увеличить КПД приборов этого класса.

Известны фотокатоды на основе пленок сурьмы и цезия, а также фотокатоды на основе полупроводников (например, на основе арсенида галлия) /2, 3/. Кроме того, существуют заявочные предложения о возможности реализации фотокатодов, представляющих собою алмазные пленки с наноструктурированной поверхностью, например /4/. Все упомянутые активные среды для фотокатодов обеспечивают регистрацию ИК изображения при красной границе (максимальных длинах волн) ~0,8…0,9 мкм [3, 4] и 2,0…2,5 мкм /4/, соответственно. Однако коэффициент преобразования фотоизображения в электронное изображение в них меньше единицы, что значительно ограничивает фоточувствительность и регистрирующую способность системы (например, ЭОП), в которую интегрирован данный фотокатод.

В качестве ближайшего аналога, принятого за прототип, для заявляемых в настоящей заявке приборных структур предлагается взять твердотельную инжекционную n-p гетеропереходную структуру, эмиттерный (n-типа) слой которой является узкозонным /5/. Недостатком такой гетероструктуры для силовых устройств является недостаточно высокая плотность тока, и все попытки ее увеличения приводят к росту рассеяния энергии в виде тепла и уменьшению КПД устройств.

Задачей предлагаемого изобретения является создание структуры, позволяющей значительно увеличить токи эмиссионного узла для вакуумного диода, либо токи твердотельного диода, повысить деградационную стойкость устройств, увеличив тем самым их рабочий ресурс.

Это достигается тем, что в гетеропереходной структуре, состоящей из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, располагают на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы массив из наноструктурированных объектов, а p-слой выполняют в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, при этом концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 10²⁰-10²⁴ м^-3. Для расширения возможностей и функций изобретения по п.1 Формулы предлагаются частные решения.

Первое частное решение (п.2 Формулы) отличается от гатероструктуры по п.1 тем, что на n-p гетерогранице между поверхностью с массивами из наноструктурированных объектов и алмазной пленкой расположен высокоомный ультрананодиспесный алмазоподобный углеродный слой или нелегированный нанокристаллический алмазный слой, толщина которого находится в диапазоне 10-100 нм.

Второе частное решение (n.3 Формулы) отличается от изобретения по п.1 тем, что омический контакт выполнен также и к внешней поверхности алмазного слоя p-типа проводимости, а концентрация легирования акцепторами алмазной пленки возрастает в направлении от гетерограницы.

Третье частное решение (п.4 Формулы) отличается от изобретения по п.2 тем, что алмазная пленка состоит из двух алмазных слоев, внешний из которых, наиболее удаленный от подложки, выполнен в виде многосвязной алмазной сетки, толщина которой превышает диаметр ячеек сетки.

Четвертое частное решение (п.5 Формулы) отличается от гетеропереходной структуры по п.4 Формулы тем, что на поверхности многосвязной алмазной сетки последовательно расположены сплошной слой из высокоомного нанокристаллического алмаза или ультрананокристаллической углеродной алмазоподобной пленки толщиной не более 50 нм и проводящий слой, выполненный в виде сетки, топологически совмещенной с алмазной сеткой, и толщиной более 100 нм.

Пятое частное решение (п.6 Формулы) отличается от изобретения по п.5 Формулы тем, что проводящий слой, расположенный на высокоомном нанокристаллическом слое, является сплошным, и толщина его не превышает 50 нм.

Представленная в Формуле конструкция позволяет реализовать новые качества по сравнению с прототипом, а предлагаемые частные решения существенно расширяют функции изобретения. Так, например:

формирование массива из наноструктурированных объектов приводит к резкому обострению электрического поля вблизи острий нанообъектов этого массива, что приводит к реализации автоэмиссии (подбарьерного транспорта) электронов из острий массива, ток которой значительно превышает надбарьерную (инжекционную) компоненту. Однако в силу значительной дисперсии линейных размеров нанообъектов массива в направлении, нормальном плоскости гетероперехода, создать условия для автоэмиссиии из каждого из них при одинаковом напряжении на структуре является невыполнимой задачей. Предлагаемое в п.1 расположение коллекторного слоя из р-типа алмазной пленки поверх нанообъектов массива из НС приводит в заявляемых конструкциях к несравнимо более однородному распределению электрического поля вблизи каждого из наноразмерных объектов массива, что ставит их в одинаковые условия для автоэмиссии, что, как установлено в экспериментах, увеличивает суммарный ток с катода более чем на три порядка (в 1000 раз).

Расположение на границе между поверхностью кремния с массивами из нанообъектов и алмазной пленкой ультрананодисперсной алмазоподобной углеродной пленки или нелегированного нанокристаллического алмазного слоя толщиной в диапазоне 10…100 нм способствует реализации условий для автоэмиссии электронов из наноразмерных острий при более низких напряжениях.

Формирование к внешней поверхности алмазного слоя p-типа проводимости омического контакта и упомянутого градиента концентрации акцепторов в пленке позволяет получить твердотельный автоэмиссионный диод, не требующий для своей устойчивой работы выполнения процедуры его вакуумирования.

Если в структуре алмазный слой выполнить в виде двух алмазных различных слоев, внешний из которых (наиболее удаленный от подложки) выполнить в виде алмазной сетки, толщина которой превышает диаметр ее ячеек, то при таком частном решении структуры, за счет уменьшения рекомбинационной составляющей, реализуются условия для более эффективного вывода вторичных электронов в поры алмазной сетки, а затем и в вакуум.

Дополнение заявляемой структуры последовательно расположенными слоями из высокоомного нанокристаллического алмаза толщиной менее 50 нм (или ультрананокристаллической углеродной алмазоподобной пленки) и проводящим слоем, выполненным в виде сетки, топологически совмещенной с алмазной сеткой и толщиной, превышающей 100 нм (п.5 Формулы), повышает эффективность вывода в вакуум потока электронов.

Замена в структуре проводящего слоя в виде сетки на сплошной проводящий слой позволяет реализовать гетероструктуру для твердотельного автоэмиссионного диода, которая реализует функцию внутреннего усиления тока электронов.

Таким образом, достижение положительного эффекта в предлагаемых конструкциях обусловлено реализацией подбарьерного (автоэмиссионного) механизма транспорта одновременно из всего массива наноразмерных острий, несмотря на значительную дисперсию длин острий нанообъектов эмитирующего массива, которая является следствием статистического характера параметров технологических процессов формирования наноразмерных острий, а не только их технического несовершенства. При этом подбарьерный механизм транспорта (автоэмиссия) реализуется благодаря наличию на гетерогранице массива из наноразмерных острий с высоким аспектным отношением. Подбарьерный механизм транспорта обеспечит расширение температурного диапазона устойчивой работы прибора и монохроматичность автоэмитирующих электронов по энергии, а равномерное распределение токов между остриями массива обеспечит большой рабочий ресурс и значительную величину суммарного тока.

Частные решения, представленные в пп.2…6 Формулы заявки, расширяют возможности и функции изобретения. Так, в приборных конструкциях на основе упомянутых n-p гетеропереходных структур, выполненных в соответствии с пп.2, 4 и 5 настоящего изобретения, будет обеспечено повышение коэффициента преобразования фотонов (либо рентгеновских квантов) в поток электронов, что при использовании заявляемых структур в фотокатодах обеспечит повышение эффективности оптоэлектронных приборов (например, ЭОП). Это осуществляется благодаря возможности умножить поток автоэмитируемых первичных электронов за счет рождения вторичных электронов в алмазном слое и, затем, в силу значительного увеличения поверхности возможного вывода вторичных электронов (через ячейки сетки-колодцы в толще алмазной пленки) вывести их в вакуум с минимальными потерями на рекомбинацию. При этом, так как каждый первичный электрон породит N=E/ε вторичных электронов (где Е - энергия первичного электрона, ε - энергия образования пары в алмазе, N - число вторичных электронов), то такая архитектура приборной структуры позволит добиться значительного увеличения плотности тока.

При реализации структуры по п.3 и 6 настоящей заявки появляется возможность изготовить сильноточный малогабаритный твердотельный автоэмиссионный диод для СВЧ диапазона, который не нуждается в процедуре вакуумного корпусирования, т.е. не требует поддержания в процессе работы высокого (лучше 10^-8 мм рт.ст.) вакуума. Это позволяет существенно минимизировать размеры приборов и устройств и расширить области применений.

Если в заявляемых конструкциях эмиттерный слой с массивом из наноструктур на гетерогранице является полупроводниковым, степень легирования этого слоя донорами незначительна (не более 10^-16 см^-3), толщина слоя не превышает характерную длину поглощения квантов (фотонов, либо рентгеновских квантов), а в упомянутых контактных слоях (контактах) выполнено приемное окно (со стороны узкозонного слоя) и выводящее окно (со стороны алмазного, широкозонного слоя), то такая структура может выполнять функцию фотокатода для ЭОП, либо фотоприемного устройства, например матричного фотоприемника (с Х- и Y-адресацией, либо с произвольным выборочным считыванием). В последнем случае конструкция должна быть дополнена соответствующей стандартной системой управляющих электродов и шин.

Структуры по п.4 Формулы, позволяет регулировать и повышать коэффициент умножения потока электронов, эмитируемых в вакуум. Это осуществляется благодаря возможности управляемого изменения напряженности электрического поля в алмазной сетке такой триодной структуры за счет последовательного расположения слоев из высокоомного нанокристаллического алмаза и проводящего (например, карбидного) слоя в виде управляющей сетки, топологически совмещенной с алмазной сеткой коллектора. Такая конструкция открывает возможность реализации триодных приборов и регулирования внутреннего усиления тока катодного узла, либо интенсивности фотоизображения в фотокатодах. Это осуществляется за счет умножения в алмазном слое (сетке) потока фотоэлектронов, ускоренных в поле пространственного промежутка между управляющей сеткой и эмиттерным слоем (т.е. в коллекторе из алмазной пленки). Формирование второго алмазного слоя коллектора в форме сетки позволяет существенно снизить паразитное влияние рекомбинационного канала, связанного с наличием глубоких энергетических центров в алмазном слое. При оптимизации конструкции период сетки выбирается меньшим, чем диффузионная длина электронов в алмазном слое. Толщина ближайшего к гетеропереходу алмазного слоя выбирается значительно меньшей диффузионной длины электрона в нем.

Существо конструкций изобретения поясняется фиг.1…6.

На фиг.1 представлена гетеропереходная структура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника),

4 - омический контакт

Толщина алмазной пленки (2) не превышает диффузионную длину электронов в ней.

На фиг.2 представлена гетероструктура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника),

4 - омический контакт,

5 - высокоомный нанокристаллический углеродный алмазоподобный слой.

На фиг.3 представлена гетероструктура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника),

4 - омический контакт,

5 - коллекторный многосвязный алмазный слой.

На фиг.4 представлена гетероструктура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника),

4 - омический контакт,

5 - коллекторный многосвязный алмазный слой,

6 - высокоомный слой из нанокристаллического алмаза (либо углеродной алмазоподобной пленки),

7 - многосвязный проводящий слой из нанокристаллической пленки карбида металла.

В случае использования заявляемых конструкций в качестве фотокатодных узлов для ЭОП (приборов и систем ночного видения) для эмиттерного слоя используются слабо легированные (с концентрациями менее 10¹⁶ см^-3) полупроводники (например, германий, арсенид галлия, кремний), а пленка омического контакта к эмиттеру имеет окно для ввода оптического излучения.

На фиг.5 представлена гетероструктура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника),

4 - омический контакт,

5 - омический контакт.

Для повышения плотности тока за счет уменьшения сопротивления широкозонной базы твердотельного автоэмиссионного диода концентрация акцепторов в алмазном слое 2 возрастает в направлении от гетерограницы. В частности, например, вблизи гетеропереходной границы алмазный слой слабо легирован акцепторами до концентраций менее 10²⁰ м^-3, а по мере удаления от нее концентрация акцепторов возрастает до ~10²³ м^-3. Конструкция представляет собой твердотельный автоэмиссионный диод, не требующий для работы процедуры вакуумного корпусирования.

На фиг.6 представлена гетероструктура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника,

4 - омический контакт,

5 - коллекторный многосвязный слой из поликристаллического алмаза,

6 - высокоомный слой из нанокристаллического алмаза (либо углеродной алмазоподобной пленки),

7 - сплошной проводящий слой из нанокристаллической пленки карбида металла.

Конструкция также представляет собой твердотельный автоэмиссионный диод, не требующий для работы процедуры вакуумного корпусирования. Однако в отличие от предыдущей конструкции (п.5) она позволяет осуществлять регулирование (умножение) автоэмиссионного тока за счет умножения потока автоэлектронов в сильном поле коллекторного слоя в виде алмазной сетки, т.е. может быть использована в триодных усилителях тока.

Представленная гетероструктура для автоэмиссионных приборов и полупроводниковых устройств, а также приборные ячейки на их основе изготавливаются следующим образом. На полупроводниковой подложке (а в случае применений для фотоприемников либо фотокатодов - на прозрачной к регистрируемому излучению подложке) располагается (выращивается) слой эмиттера электронов (например, слои германия, индий стильбиума, либо теллурида кадмия). На поверхности слоя эмиттера, посредством DC плазмы, формируются массивы нанообъектов. Затем на поверхность эмиттерного слоя с сформированными наноразмерными объектами осаждается слой коллектора из поликристаллического алмаза, в некоторой части объема (до заданных глубин) на поверхности сплошной поликристаллической алмазной пленки, посредством ПХТ, формируют алмазную сетку таким образом, что линейные размеры остающихся перемычек (сплошной алмазной пленки) не превышают диффузионную длину электронов в ней. Можно также сформировать упомянутую алмазную сетку на поверхности первого слоя сплошной алмазной пленки посредством роста алмазной сетчатой пленки по «маскированной» поверхности первого сплошного алмазного слоя /6/. В ряде модификаций конструкции поверх алмазной сетки осаждают (например, напыляют) высокоомную нанокристаллическую алмазную пленку и проводящую пленку (проводящую сетку либо сплошную проводящую пленку) /7, 8/.

Пример

В частности, при изготовлении твердотельного автоэмиссионного диода выполняют следующие технологические процедуры. На подложку кремния осаждают пленку никеля наноразмерной толщины, из которой, посредством высокотемпературного отжига, формируют затем капли наноразмерной величины; затем формируют наноструктурированные объекты, подвергая полученную структуру воздействию потоков ионов с энергиями в несколько сотен электрон-вольт /9/; наносят на поверхность с массивами нанообъектов (наноструктурированная поверхность) нанокристаллиты алмаза и осуществляют рост поликристаллической алмазной пленки: затем маскируют поверхность и посредством фотолитографии по заданному рисунку, используя ПХТ, формируют массивы из мезаструктур требуемых размеров; затем планаризируют поверхность, покрывая ее диэлектриком, вскрывают в нем окна и формируют омические контакты к лицевым поверхностям мез; затем формируют гальванические связи между мезами.

Предложенная конструкция (как основная, так и ее различные частные решения) позволяет реализовать сильноточные быстродействующие автоэмиттеры для различных применений. Ряд из модификаций основной конструкции позволяет использовать их в качестве чувствительных ячеек матричных фотоприемников либо фотокатодов электронно-оптических преобразователей. Областями применений предлагаемых конструкций могут стать быстродействующие и сильноточные катодно-сеточные узлы для усилительных и генераторных СВЧ устройств (в ЛБВ и клистронах). Устройство, выполненное конструктивно в соответствии с пп.1…4, может быть использовано в качестве фотокатода для усилителей-преобразователей (например, в качестве фотокатода электронно-оптических преобразователей), в приборах и устройствах ночного видения, либо ультрафиолетовой части оптического диапазона.

Источники информации

1. Huczko A. // Appl. Phys. 2002. A74. P.617-638.

2. Саликов В.А. Приборы ночного видениям / Специальная техника, 2000, №2, с.40-48.

3. Estera L, Sainer T., at oth. // SPIE, 1994, v.2551, p.135-143.

4. Патент РФ №2335031.

5. М.Шур. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1992 - прототип

6. Dvorkin V.V., Dzbanovsky, Suetin V.N., Poltoratcky E.A., Rychkov G.S., Ilichev E.A., Gavrilov S.A. Secondary electron emission from CYD diamond flimsy / Diamond and Related Materials, 12 (2003), p.2208-2218.

7. C.H.Беляев, А.Власенко, А.В.Горячев, А.Г.Ефимов, Э.А.Ильичев, М.Д.Маленкович, В.Э.Немировский, Э.А.Полторацкий, А.Ф.Попков, Г.В.Фролова, М.Л.Шупегин «Микроэлектромеханические переключатели на основе аморфных алмазоподобных углеродных пленок» // «Письма в ЖТФ», т.35. в 15, с.105-109, 12 августа 2009.

8. Патент РФ на изобретение №2186152.

9. Каталитический рост наноструктур из углеродосодержащих подложек: свойства и модельные представления [] / Э.А.Ильичев, Инкин В.Н., Мигунов Д.М., Петрухин Г.Н., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Шкодин Д.В. // Письма в "Журнал технической физики". 2010. - Т.36, вып: 4. - С.48-52.

Изобретение может найти применение в качестве приборной структуры для твердотельных автоэмиссионных диодов и эмитирующих электроны активных элементов функциональных узлов как в твердотельной электронике, так и в вакуумной эмиссионной электронике, в том числе в силовой СВЧ электронике. Гетеропереходная структура согласно изобретению состоит из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, при этом на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы расположен массив из наноструктурированных объектов, p-слой выполнен в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, а концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 10²⁰-10²⁴ м^-3. Изобретение обеспечивает возможность значительного увеличения рабочих токов автокатода, либо автоэмиссионных диодов, повышения стойкости устройств к деградации и увеличения их рабочего ресурса. 5 з.п. ф-лы, 1 пр., 6 ил.

1. Гетеропереходная структура, состоящая из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, отличающаяся тем, что на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы расположен массив из наноструктурированных объектов, p-слой выполнен в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, а концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне
10²⁰-10²⁴ м^-3.

2. Гетеропереходная структура по п.1, отличающаяся тем, что на n-p гетерогранице между поверхностью с массивами из наноструктурированных объектов и алмазной пленкой расположен высокоомный ультрананодисперсный алмазоподобный углеродный слой или нелегированный нанокристаллический алмазный слой, толщина которого находится в диапазоне 10-100 нм.

3. Гетеропереходная структура по п.1, отличающаяся тем, что омический контакт выполнен также и к внешней поверхности алмазного слоя p-типа проводимости, а концентрация легирования акцепторами алмазной пленки возрастает в направлении от гетерограницы.

4. Гетеропереходная структура по п.2, отличающаяся тем, что алмазная пленка состоит из двух алмазных слоев, внешний из которых, наиболее удаленный от подложки, выполнен в виде многосвязной алмазной сетки, толщина которой превышает диаметр ячеек сетки.

5. Гетеропереходная структура по п.4, отличающаяся тем, что на поверхности многосвязной алмазной сетки последовательно расположены сплошной слой из высокоомного нанокристаллического алмаза или ультрананокристаллической углеродной алмазоподобной пленки толщиной не более 50 нм и проводящий слой, выполненный в виде сетки, топологически совмещенной с алмазной сеткой, и толщиной более 100 нм.

6. Гетеропереходная структура по п.5, отличающаяся тем, что проводящий слой, расположенный на высокоомном нанокристаллическом слое, является сплошным и толщина его не превышает 50 нм.