ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛЯ ПОЛУПРОЗРАЧНОГО ФОТОКАТОДА Российский патент 2015 года по МПК H01J1/35 H01L31/00 

Область техники

Изобретение относится к области электровакуумной техники, в частности к полупроводниковым оптоэлектронным устройствам - фотокатодам, а именно к гетероструктуре для полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, фоточувствительного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Предшествующий уровень техники

Фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе гетероэпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs/AlGaAs находят широкое применение в качестве фоточувствительного элемента полупроводниковых оптоэлектронных устройств: электронно-оптических преобразователей, фотоумножителей, используемых в детекторах излучений.

Известна конструкция гетероструктуры для полупрозрачного фотокатода на основе арсенида галлия [И. Сахно, А.В. Долгих, В.Г. Чубарев, И.И. Мараховка, Ю.Г. Галицын, В.Г. Мансуров, А.С. Суранов. Арсенид-галлиевый фотокатод на основе гетероэпитаксиальной структуры AlGaAs/Р⁺-GaAs/AlaAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии, Письма в ЖТФ, 1996, том 22, выпуск 23] включающая подложку GaAs, стопорный слой р-Al_0,6Ga_0,4As толщиной 1,0 мкм с концентрацией акцепторной примеси 5·10¹⁷ см^-3, активный слой р-GaAs толщиной 1,5…2,0 мкм с концентрацией акцепторной примеси 0,7…9·10¹⁹ см^-3, буферный слой р-Al_0,5Ga_0,5As толщиной 1,0 мкм с концентрацией акцепторной примеси 5·10¹⁷ см^-3 с интегральной чувствительностью более 1200 мкА/Лм.

Известна конструкция фотокатода на основе GaAs-гетероэпитаксиальной структуры с буферным слоем AlGaAs толщиной 100…120 Ангстрем, активным слоем GaAs толщиной 0,35…0,45 мкм с интегральной чувствительностью свыше 1000 мкА/Лм [Полезная модель, патент RU 94057, H01J 31/50; H01J 43/00, 10.05.2010].

Известна гетероструктура для полупрозрачного фотокатода, предложенная в [Л.Г. Забелина, А.С. Петров. Гетероэпитаксиальные структуры на основе арсенида галлия для фотокатодов до 1,1 мкм, Прикладная физика, №3, 1999 г. ], включающая последовательно расположенные на подложке р-GaAs: стопорный слой Al_0,5Ga_0,5As, активный слой GaAs и буферный слой Al_0,5Ga_0,5As. Из них были изготовлены полупрозрачные ОЭС-фотокатоды на стекле с фотоэмиссионной чувствительностью в диапазоне 0,5-0,9 мкм 500-1500 мкА/Лм.

Наиболее близкая гетероструктура для полупрозрачного фотокатода предложена в [И.В. Пинчук. Разработка полупроводниковых материалов для приборов ночного наблюдения и промышленной технологии их производства, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва. 2001 г.]. На подложке GaAs последовательно находятся слой р-Al_xGa_1-xAs, слой р-Al_yGa_1-yAs, активный слой р-GaAs, легированный акцепторной примесью с концентрацией 0,8…1,0·10¹⁹ см^-3 и слой р-Al_zGa_1-zAs, где х=0,15, y=0,5, z=0,6 с «резкими» гетеропереходами. На основе данных гетероструктур диаметром 20 мм, были изготовлены полупрозрачные ОЭС-фотокатоды, являющиеся входным окном ЭОП и ФЭУ с максимальной интегральной чувствительностью «на просвет» 1850 мкА/Лм.

Недостаток всех выше перечисленных конструкций заключается в высокой вероятности образования дислокации несоответствия вследствие разницы параметров кристаллической решетки и коэффициентов температурного расширения материалов активного и последующего слоя р-Al_zGa_1-zAs (см. последнюю упомянутую ссылку) при последующих процессах термообработки гетероструктуры, что ведет к усилению рекомбинации неосновных носителей заряда на границе этих слоев. Скорость рекомбинации на резкой границе активного и буферного слоев достигает 1·10⁴ см/с. Наличие между подложкой и слоем р-Al_yGa_1-yAs промежуточного слоя р-Al_xGa_1-xAs (см. [И.В. Пинчук. Разработка полупроводниковых материалов для приборов ночного наблюдения и промышленной технологии их производства, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2001 г.]), введенного для уменьшения плотности дефектов кристаллической решетки в конструкции, не достаточно для снижения во всей конструкции с «резкими» гетеропереходами вероятности образования дислокации несоответствия. Соответственно, чувствительность и квантовая эффективность такого полупрозрачного фотокатода недостаточны.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является повышение интегральной чувствительности и квантовой эффективности полупроводникового полупрозрачного фотокатода, работающего в режиме «на просвет», на основе гетероструктуры с активным слоем из арсенида галлия за счет уменьшения вероятности образования дислокации несоответствия в переходном и буферном слоях предлагаемой гетероструктуры, устранения потенциального барьера для неосновных носителей заряда на границе активного и переходного слоев и; следовательно, снижения скорости рекомбинации неосновных носителей заряда на границе между активным и буферным слоями.

Для достижения технического результата предложена гетероструктура для полупрозрачного фотокатода, содержащая подложку GaAs, далее первый слой AlGaAs, активный слой GaAs р-типа проводимости, и второй слой из AlGaAs р-типа проводимости. Отличие состоит в том, что первый слой AlGaAs является стопорным состава Al_xGa_1-xAs р-типа проводимости с концентрацией P₁ акцепторной примеси. Активный слой GaAs имеет концентрацию Р₂ акцепторной примеси. Второй слой AlGaAs является буферным состава Al_yGa_1-yAs с концентрацией Р₃ акцепторной примеси. Между активным и буферным слоями нами дополнительно введен переходный слой р-типа проводимости переменного состава от GaAs до Al_yGa_1-yAs, причем изменение содержания алюминия, начиная от границы с активным слоем до границы с буферным слоем, является монотонно возрастающей и непрерывной функцией F₁ от толщины переходного слоя, а концентрация акцепторной примеси является монотонно убывающей непрерывной функцией F₂ от толщины переходного слоя, начиная от концентрации Р₂ у границы с активным слоем до концентрации Р₃ у границы с буферным слоем.

Существенное отличие предложенной гетероструктуры полупрозрачного фотокатода состоит во введении переходного слоя переменного состава между активным слоем и вторым слоем из твердого раствора арсенида галлия-алюминия - буферным при обеспечении монотонного и непрерывного изменения как состава, так и уровня легирования по его толщине. В такой гетероструктуре вероятность генерации дислокации несоответствия из активного слоя в буферный слой заметно снижается, к тому же возникающее в переходном слое электрическое поле стимулирует дрейф электронов, рожденных при поглощении света в области переходного слоя, в сторону активного слоя. Однако в случае, когда на границе активного и переходного слоев происходит резкое изменение концентрации чувствительности и квантовой эффективности полупроводникового полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, работающего в режиме «на просвет».

Технологическая реализация предложенной в изобретении гетероструктуры полупрозрачного фотокатода основана на известных базовых методах изготовления полупроводниковых фотокатодов, в том числе полупрозрачных, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется фиг. 1-3.

На Фиг. 1 изображен фрагмент зонной диаграммы активного, переходного и буферного слоев гетероструктуры полупрозрачного фотокатода с активным слоем GaAs при ступенчатом легировании переходного слоя, состав которого изменяется от состава активного слоя до состава буферного слоя по линейному закону.

На Фиг. 2 изображен фрагмент зонной диаграммы активного, переходного и буферного слоев гетероструктуры полупрозрачного фотокатода с активным слоем GaAs при изменении по линейному закону легирования по толщине переходного слоя, состав которого изменяется от состава активного слоя до состава буферного слоя по линейному закону.

На Фиг. 3 схематично изображена заявляемая конструкция гетероструктуры для полупроводникового полупрозрачного фотокатода из арсенида галлия с переходным слоем.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления предложенной гетероструктуры для полупрозрачного фотокатода на основе арсенида галлия. Нами далее приводятся ряд примеров из всей совокупности изготовленных приборов.

В первой модификации заявляемая конструкция гетероструктуры полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия и с переходным слоем (далее «Гетероструктура») поясняется Фиг. 3. Гетероструктура последовательно состоит из подложки 1 из GaAs толщиной 500 мкм, n-типа проводимости, стопорного слоя 2 из p-Al_xGa_1-xAs, где значение «х» равно 0,7, толщиной 0,9 мкм, с концентрацией P₁ акцепторной примеси 2·10¹⁸ см^-3; активного слоя 3 из р-GaAs толщиной 2,0 мкм, с концентрацией Р₂ акцепторной примеси 1·10¹⁹ см^-3; переходного слоя 4 переменного состава р-типа проводимости толщиной 0,55 мкм и буферного слоя 5 из Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,55, толщиной 0,55 мкм, с концентрацией Р₃ акцепторной примеси 2·10¹⁸ см^-1. При этом переходный слой 4 имеет состав, изменяющийся от GaAs на границе с активным слоем 3 до Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,55, на границе с буферным слоем 5 по линейному закону, рассчитанному по формуле F₁(d)=k·d, где d - толщина переходного слоя и k - постоянная для данной толщины переходного слоя. Определено, что для толщины переходного слоя, равной 0,55 мкм, постоянная k равна 1,0. Концентрация акцепторной примеси в переходном слое уменьшается от значения 1·10¹⁹ см^-3 до значения 2·10¹⁸ см^-3 также по линейному закону, следуя формуле F₂(d)=а·d+c, где а и с - постоянные для данной толщины переходного слоя. Для толщины а, равной 0,55 мкм, а и с равны -1,455·10¹⁹ и 1·10¹⁹ соответственно.

На буферном слое Гетероструктуры был выращен просветляющий слой и изготовлены полупрозрачные фотокатоды, на которых получены следующие выходные параметры:

- интегральная чувствительность, равная 3190 мкА/лм и

- квантовая эффективность на длине волны 700 нм, равная 53%, что превышает известные значения в 1,2 раза.

Во второй модификации заявляемая Гетероструктура (также поясняется Фиг. 3) последовательно состоит из подложки 1 из GaAs толщиной 300 мкм, n-типа проводимости, стопорного слоя 2 из Al_xGa_1-xAs, где значение «х» равно 0,5, толщиной 0,3 мкм, с концентрацией P₁) акцепторной примеси 1·10¹⁸ см^-3; активного слоя 3 из р-GaAs толщиной 1,0 мкм, с концентрацией Р₂ акцепторной примеси 5·10¹⁸ см^-3; переходного слоя 4 переменного состава р-типа проводимости толщиной 0,1 мкм и буферного слоя 5 из Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,4 толщиной 0,1 мкм, с концентрацией Р₃ акцепторной примеси 1·10¹⁸ см^-3. При этом переходный слой 4 имеет состав, изменяющийся от GaAs на границе с активным слоем 3 до Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,4, на границе с буферным споем 5 по линейному закону, рассчитанному по формуле F₁(d)=k·d, где d - толщина переходного слоя и k - постоянная для данной толщины переходного слоя. Определено, что для толщины переходного слоя, равной 0,1 мкм, постоянная k равна 4,0. Концентрация акцепторной примеси в переходном слое уменьшается от значения 5·10¹⁸ см^-3 до значения 1·10¹⁸ см^-3 также по линейному закону, следуя формуле F₂(d)=а·d+с, где а и с - постоянные для данной толщины переходного слоя. Для толщины а, равной 0,1 мкм, а и с равны - 4·10¹⁹ и 5·10¹⁸ соответственно.

На буферном слое Гетероструктуры был выращен просветляющий слой и изготовлены полупрозрачные фотокатоды, на которых получены следующие выходные параметры:

- интегральная чувствительность, равная 2760 мкА/лм и

- квантовая эффективность на длине волны 700 нм, равная 46%.

В третьей модификации заявляемая Гетероструктура (также поясняется Фиг. 3) последовательно состоит из подложки 1 из GaAs толщиной 700 мкм, n-типа проводимости, стопорного слоя 2 из р-Al_xGa_1-xAs, где значение «х» равно 0,9, толщиной 1,5 мкм, с концентрацией Р₁ акцепторной примеси 310¹⁸ см^-3; активного слоя 3 из р-GaAs толщиной 3,0 мкм, с концентрацией Р₂ акцепторной примеси 1,5 10¹⁹ см^-3; переходного слоя 4 переменного состава р-типа проводимости толщиной 1,0 мкм и буферного слоя 5 из Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,7, толщиной 1,0 мкм, с концентрацией Р₃ акцепторной примеси 3·10¹⁸ см^-3. При этом переходный слой 4 имеет состав, изменяющийся от GaAs на границе с активным слоем 3 до Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,7, на границе с буферным слоем 5 по линейному закону, рассчитанному по формуле F₁(d)=k·d, где d - толщина переходного слоя и k - постоянная для данной толщины переходного слоя. Определено, что для толщины переходного слоя, равной 1,0 мкм, постоянная k равна 0,7. Концентрация акцепторной примеси в переходном слое уменьшается от значения 1,5·10¹⁹ см^-3 до значения 3·10¹⁸ см^-3, также по линейному закону, следуя формуле F₂(d)=а·d+с, где а и с - постоянные для данной толщины переходного слоя. Для толщины d, равной 1,0 мкм, а и с равны -1,2·10¹⁹ и 1,5·10¹⁹ соответственно.

На буферном слое Гетероструктуры был выращен просветляющий слой и изготовлены полупрозрачные фотокатоды, на которых получены следующие выходные параметры:

- интегральная чувствительность, равная 3030 мкА/лм и

- квантовая эффективность на длине волны 700 нм, равная 50%.

В следующей модификации Гетероструктура имеет конструкцию в соответствии с первой модификацией с отличием в выборе подложки 1. При этом изменения в выходных параметрах отмечены на уровне погрешности измерений.

В следующей модификации Гетероструктура имеет конструкцию о соответствии с первой модификацией с отличием в выборе подложки 1 р-типа. При этом изменения в выходных параметрах отмечены на уровне погрешности измерений.

В следующих модификациях отличие от первой модификации состоит в другом математическом законе изменений функций F₁(d) и F₂(d), т.е. состава переходного слоя 4 и концентрации легирующей примеси. Для экспоненциального и логарифмического изменений функций F₁ и F₂ были проведены расчеты соответствующих Гетероструктур. Все остальные параметры не отличались от Гетероструктуры первой модификации.

Для экспоненциального случая состав переходного слоя изменяется по закону F₁(d)=q·ехр(d)+w, и концентрация акцепторной примеси переходного слоя изменяется по закону F₂(d)=t·ехр(р·а), где d - толщина переходного слоя 4, мкм, q, w, t и p - постоянные, определены равными 0,75, -0,75, 1·10¹⁹, -2,926 соответственно.

Для логарифмического случая состав переходного слоя изменяется по закону F₁(d)=g·ln(h+d), и концентрация акцепторной примеси переходного слоя 4 изменяется по закону F₂(d)=j·ln(e+m*d), где d - толщина переходного слоя 4 мкм, g, h, j и m - постоянные, определены равными 1,255, 1, 1·10¹⁹, -2,722 соответственно, а е - основание натурального логарифма (математическая константа, примерно равная 2,718). Изменения в выходных параметрах для данных двух случаев отмечены на уровне погрешности измерений.

В следующих модификациях Гетероструктуры имеют конструкцию в соответствии с первой модификацией с тем отличием, что введен между подложкой и стопорным слоем промежуточный слой из нелегированного GaAs с различными его толщинами, равными: 0,125 мкм, 0,05 мкм и 0,2 мкм. Изменения в выходных параметрах для последних трех модификаций отмечены на уровне погрешности измерений.

При использовании заявляемой конструкции были улучшены характеристики полупрозрачных фотокатодов из арсенида галлия: повышена интегральная чувствительность выше 2500 мкА/лм и квантовая эффективность на длине волны 700 нм выше 45%.

Промышленная применимость

Предложенная гетероструктура полупрозрачного фотокатода может быть использована при изготовлении фоточувствительного элемента оптоэлектронных устройств: электронно-оптических преобразователей, фотоумножителей, используемых в детекторах излучений.

Изобретение относится к области электровакуумной техники, в частности к полупроводниковым оптоэлектронным устройствам - фотокатодам, а именно к гетероструктуре для полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, фоточувствительного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, и может быть использовано при изготовлении фоточувствительного элемента оптоэлектронных устройств: электронно-оптических преобразователей фотоумножителей, используемых в детекторах излучений. Гетероструктура для полупрозрачного фотокатода содерит подложку GaAs, далее первый слой AlGaAs, активный слой GaAs р-типа проводимости, второй слой из AlGaAs р-типа проводимости, при этом первый слой AlGaAs является стопорным состава Al_xGa_1-xAs р-типа проводимости с концентрацией Р₁ акцепторной примеси, активный слой GaAs имеет концентрацию Р₂ акцепторной примеси, второй слой AlGaAs является буферным состава Al_yGa_1-yAs с концентрацией Р₃ акцепторной примеси, между активным и буферным слоями имеется переходный слой р-типа проводимости переменного состава от GaAs до Al_yGa_1-yAs, причем изменение содержания алюминия, начиная от границы с активным слоем до границы с буферным слоем, является монотонно возрастающей и непрерывной функцией F₁ от толщины переходного слоя, а концентрация акцепторной примеси является монотонно убывающей непрерывной функцией F₃ от толщины переходного слоя, начиная от концентрации Р₂ у границы с активным слоем до концентрации Р₃ у границы с буферным слоем. Изобретение позволяет увеличить квантовую эффективность и интегральную чувствительность фотокатода. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гетероструктура для полупрозрачного фотокатода, содержащая подложку GaAs, далее первый слой AlGaAs, активный слой GaAs р-типа проводимости, второй слой из AlGaAs р-типа проводимости, отличающаяся тем, что первый слой AlGaAs является стопорным состава Al_xGa_1-xAs р-типа проводимости с концентрацией Р₁ акцепторной примеси, активный слой GaAs имеет концентрацию Р₂ акцепторной примеси, второй слой AlGaAs является буферным состава Al_yGa_1-yAs с концентрацией Р₃ акцепторной примеси, между активным и буферным слоями имеется переходный слой р-типа проводимости переменного состава от GaAs до Al_yGa_1-yAs, причем изменение содержания алюминия, начиная от границы с активным слоем до границы с буферным слоем, является монотонно возрастающей и непрерывной функцией F₁ от толщины переходного слоя, а концентрация акцепторной примеси является монотонно убывающей непрерывной функцией F₃ от толщины переходного слоя, начиная от концентрации Р₂ у границы с активным слоем до концентрации Р₃ у границы с буферным слоем.

2. Гетероструктура по п. 1, отличающаяся тем, что между подложкой и стопорным слоем имеется промежуточный слой GaAs толщиной от 0,05 мкм до 0,2 мкм.