Фотокатод Российский патент 2023 года по МПК H01J40/06 

Данное изобретение относится к вакуумной эмиссионной оптоэлектронике. Оно может быть использовано в качестве сенсорно-преобразовательного среды фотокатодов при конструировании приборов и устройств ночного видения. В настоящее время при формировании сенсорно-преобразовательных слоев фотокатодов электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) используются, как правило, щелочные металлы (так называемые би-щелочные и мульти-щелочные фотокатоды) [1-2]. Преимуществами использования щелочных материалов в этом качестве являются широкополосность их спектральной фоточувствительности (0,4…1,1 мкм) и достаточно высокая пороговая чувствительность (связанная с малой энергией сродства к электрону у широкого ряда щелочных металлов). К недостаткам фотокатодов на основе таких сред относятся их неудовлетворительная стойкость («боязнь») к мощным импульсным либо стационарным световым воздействиям (фоточувствительная среда временно «слепнет», либо деградирует).

Среди твердотельных материалов сенсорно-преобразовательных сред фотоприемников чувствительных в спектральном диапазоне 0,5…1,6 мкм, наиболее ярким представителем является высокочистый германий [3]. Более того, благодаря особенностям его кристаллографии и зонной структуры р-n переходные германиевые фотоприемники в рабочих условиях практически не нуждаются в охлаждении вплоть до температур ~ 40°С. Кроме того, внутренняя квантовая эффективностью высокочистого германия в спектральном диапазоне 1,25-1,55 мкм достигает величины ~ 0,8. Однако, многочисленные попытки использовать германий в качестве сенсорно-преобразовательного слоя фотокатодов эмиссионных приемников изображений закончились неудачей. Причина в том, что величина энергии сродства германия к электрону достаточно велика (~ 4 эВ), а традиционный подход к ее снижению посредством использования нанометровой толщины бислойных покрытий щелочными металлами (например, сурьма-цезий) не привел к успеху. Известны фотоэмиссионные приборы ночного видения с фотокатодами на основе полупроводниковых сенсорно-преобразовательных слоев, на основе арсенида галлия [4-7]. Несмотря на высокие значения энергии сродства у GaAs к электрону его удалось адаптировать к использованию в качестве сенсорно-преобразовательных слоев фотокатодов чувствительных в спектральном диапазоне 0,5…0,9 мкм. Использование нанометровой толщины бислойного покрытия поверхности арсенида галлия оксидом щелочного металла, кислород - цезий [8], позволило понизить энергию сродства к электрону у арсенида галлия с 4,07 эВ до приемлемых для работы величин ~ 1,0-1,5 эВ. Полупроводниковые GaAs фотокатоды, при воздействии на них мощных оптических излучений, хотя временно и становятся неработоспособными (на временные интервалы в несколько десятков секунд), но по прекращению мощных световых воздействий в режиме реального времени они релаксируют к стационарному состоянию. Красная граница фоточувствительности GaAs фотокатода составляет величину ~ 0,9 мкм.

К недостаткам существующих щелочных и полупроводниковых (например, GaAs) фотокатодов, можно отнести ограничение «красной» границы спектрального диапазона их фоточувствительности величиною в 0,9…1,1 мкм.

Известно, однако, что интенсивность излучения ночного неба в спектральном диапазоне 1,3…1,6 мкм на два-три порядка превышает излучение ночного неба в диапазоне 0,9…1,1 мкм. А так как в приборах ночного видения изображения объектов и местности формируются в отраженных потоках именно излучений, испускаемых ночным небом, то освоение фотоэмиссионными приборами ночного видения спектрального диапазона 1,3…1,6 мкм приведет к значимому (как минимум на два порядка) повышению интенсивности изображений, а значит пороговой чувствительности приемника и контраста изображения вблизи порога фоточувствительности.

Задачей настоящего изобретения является расширение спектрального диапазона чувствительности сенсорно-преобразовательной среды фотокатодов вакуумных эмиссионных приемников излучений и изображений для инфракрасного (ИК) ЭОП и ИК ФЭУ, вплоть до «красной» границы в 1,55 мкм.

Поставленная цель достигается тем, что у фотокатода на основе полупроводникового материала с поверхностью активированной к процессам фотоэлектронной эмиссии [8], сенсорно-преобразовательная среда выполнена на основе гетероструктуры германий/поликристаллический алмаз.

Ожидание положительного успеха связано с наличием у ряда граней кристаллитов пленки алмаза [(100) и (111)] отрицательной энергии сродства к электрону, а также небольших величин разрыва по Е_с (энергетического уровня дна зоны проводимости) на гетерогранице германий/алмаз. Действительно: энергия сродства германия к электрону составляет величину ~ 4 эВ, энергия сродства ряда граней алмаза к электрону составляет величину ~3,8 эВ, а энергии сродства к электрону граней (100) и (111) алмазных кристаллитов отрицательны.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение архитектуры приемника изображений с фотокатодом на основе гетероструктуры германий/алмаз ИК ЭОП в составе вакуумно-плотного корпуса (1), входного окна (2), заявляемого гетероструктурного фотокатода Ge/C* (3), умножителя (4) потока электронов (МКП - микроканальная пластина), катодно-люминесцентного экрана (5), волоконно-оптической пластины, ВОП (6), контактов (ϕ_i).

На фиг. 2 представлена зонная диаграмма гетероперехода германий/поликристаллический алмаз, для граней (111) и (100) кристаллитов поликристаллической алмазной пленки. Ширина запрещенной зоны Ge 0,8 эВ (т.е. его «красная граница» ~ 1,55 мкм), ширины запрещенной зоны алмаза ~ 5,5 эВ (т.е. спектральной областью его прозрачности являются ИК, видимый и УФ диапазоны, вплоть до 0,25-0,30 мкм). Представленный на рисунке качественный характер зонной диаграммы тетероперехода Ge/C* позволяет утверждать, что при возбуждении неравновесных электронно-дырочных пар в Ge оптическим излучением вплоть до «красной» границы в 1,55 мкм возможна эффективная реализация процессов фотоэлектронной эмиссии из Ge/C* гетероструктуры в вакуум, как в режиме работы «на просвет», так и в режиме работы «на отражение».

На фиг. 3а, б представлены фотоизображения выращенных на кварцевых подложках пленок высокочистого германия (3а) толщиною в 250 нм, и выращенной на тыльной стороне кварцевого входного окна гетероструктуры Ge/C* (3б).

На фиг. 4 представлены профили элементного состава пленки германия с адгезионным слоем из монокристаллического кремния.

Для реализации заявляемого фотокатода для вакуумного эмиссионного приемника излучений либо приемника изображений (ИК ФЭУ, либо ИК ЭОП), необходимо сформировать сенсорно-преобразовательную среду на подложке, прозрачной для работы прибора в спектральной области 0,5…1,6 мкм, либо в области 1,25…1,60 мкм (область оптимальной работы по регистрации и распознаванию изображений объектов в отраженном свете ночного неба (приемники ночного видения). Следует заметить, что использование подложки должно быть совместимым с технологическими условиями формирования пленок (т.е. подложка должна выдерживать температуру роста составляющих слоев гетероструктуры Ge/C*, и химические воздействия используемых ростовых реагентов). Предлагается формировать сенсорно-преобразовательную среду на основе гетероструктуры Ge/C* посредством последовательного использования методов молекулярно-лучевой эпитаксии германия (МЛЭ) и плазмостимулированной газофазной эпитаксии (PECVD) алмазной пленки легированной азотом, C*:N. В качестве подложки - носителя сенсорно-преобразовательных слоев предлагается выбрать кварц, либо MgF₂.

Диапазоны возможных технологических режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии пленки германия таковы: температурный диапазон роста пленки - 450-700°С, давление остаточных газов - 10^-6…10^-9 мм рт. ст., скорость роста - 50…250 нм/час.

Диапазоны возможных технологических режимов процесса PECVD роста поликристаллической алмазной пленки таковы: температурный диапазон - 650-850°С, давление остаточных газов - 10^-2…10^-6 мм рт. ст., скорость роста - 100…400 нм/час, исходные ростовые реагенты - метан и водород, легирующий реагент - азот (донор), либо бор (акцептор).

Проверена работоспособность предложенного выше способа реализации сенсорно-преобразовательной структуры в диапазоне некоторых вариаций технологических режимов ее получения. Так, проверенные диапазоны вариаций технологических режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии пленки германия составили: температурный диапазон - 550-650°С, давление остаточных газов - 10^-7…10^-8 мм рт. ст., скорость роста - 100…150 нм/час.

Диапазоны вариаций технологических режимов процесса PECVD роста поликристаллической алмазной пленки составили: температурный диапазон - 750-850°С, давление остаточных газов - 10^-2… 10^-5 мм рт. ст., скорость роста - 200…300 нм/час, исходные ростовые реагенты - метан и водород, легирующий реагент - азот (газ) и бор (термическое распыление триметилбората).

Были выбраны оптимальные режимы последовательного роста пленок высокочистого германия и поликристаллического алмаза:

- формирование адгезионного слоя на тыльной стороне кварцевого входного окна ЭОП - из пленки кремния толщиною ~ 150 нм,

- формирование сенсорно-преобразовательного слоя на основе высокочистого германия - толщина 250 нм,

- температура роста пленки Ge - 750°С,

- давление остаточных газов в ростовой камере (при росте Ge) - 10^-8 мм рт. ст.,

- PECVD формирования поликристаллической алмазной пленки на поверхности пленки германия:

- давление остаточных атмосферных газов - не более 10^-5 мм рт. ст.,

- исходный ростовой реагент - высокочистый метан,

- восстановительно-синтезирующая среда - водород (в соотношении 10:1 с ростовым реагентом),

- легирующий реагент - азот (~ 1% от ростового реагента),

- температура роста - 800…850°С,

- мощность СВЧ - 1,5 кВт,

- частота СВЧ - 2,4 ГГц,

- длительность ростового процесса (С*) - 6-ть часов (включая нагрев, выдержку и охлаждение).

Результатом проведения последовательности перечисленных технологических процессов является формирование фотокатода Ge/C*, сформированного на пьедестале тыльной стороны кварцевого входного окна ЭОП.

Измерения коэффициента квантовой эффективности (по отношению к процессам фотопроводности) пленки высокочистого германия, выращенной в процессе МЛЭ в указанных выше режимах на кварцевом стекле входного окна ЭОП, показали величину ~ 60%, однако величина коэффициента фотоэлектронной эмиссии фотоэлектронов в вакуум с поверхности германиевой пленки не превысила ~ 3…5%.

Напротив, результаты измерений коэффициента квантовой эффективности сенсорно-преобразовательной гетероструктуры Ge/C*, сформированной на тыльной стороне кварцевого стекла входного окна ЭОП, показали величину ~ 45%, в то время как величина коэффициента фотоэлектронной эмиссии неравновесных электронов в вакуум составила ~ 20…30%, что в 4-6 раз превысило значения фотоэмиссии с поверхности германиевой пленки.

Ниже на фиг. 3а, б представлены фотоизображения выращенных на кварцевых подложках пленок высокочистого германия (рисунок 3а) толщиною в 250 нм, и выращенной на тыльной стороне кварцевого входного окна гетероструктуры Ge/C*, с толщиною пленки германия в 250 нм, и поликристаллической алмазной пленки толщиною в ~ 1,2…1,8 мкм (рисунок 3б).

На фиг. 4 представлены профили элементного состава сенсорной пленки из германия, с адгезионным слоем монокристаллического кремния наноразмерной (150 нм) толщины.

Высокие значения величины квантовой эффективности пленки германия в ИК спектральном диапазоне вплоть до 1,55 мкм, высокое качество морфологии поверхности пленки германия, и высокие значения величины коэффициента фотоэлектронной эмиссии гетероструктуры Ge/C*, позволяют рассчитывать на эффективность использования в спектральном диапазоне 1,25-1,55 мкм (область максимальной интенсивности излучения ночного неба) заявляемого сенсорно-преобразовательного слоя и на его основе фотокатода в вакуумных эмиссионных приемниках изображений архитектуры ЭОП.

Источники информации:

1. Ю.К. Гуревич. Оптико-электронные приборы ночного видения. Москва. Физматлит, 2014

2. Бегучев В.П., Бурлаков И.Д. //Приборы ночного видения. - М. МИРЭА, 2015

3. Masini G., Cencelli V., et. al.//Appl. Phys. Let. 2002. Vol. 80. P. 3268

4. Кошавцев Н.Ф., Кошавцев A.H., Федотова С.Ф. //Прикладная физика, 1999, №3, с. 66

5. Sheer J.J., van Laar J. GaAs-Cs: A new type of photoemitter. - Solid State Commun., 1965, v. 3, p. 189-193.

6. Tumbull A.A., Evans G.B. Photoemission from GaAs-Cs-O. - J. Phys. D: Appl. Phys., 1968, v. 1, №.2, p. 155-160.

7. Bakin V.V. Semiconductor surfaces with negative electron affinity / V.V. Bakin, A.A. Pakhnevich, A.G. Zhuravlev, A.N. Shornikov, I.O. Akhundov, O.E. Tereshchenko, V.L. Alperovich, H.E. Scheibler and A.S. Terekhov.//. e-J. Surf. Sci. Nanotech. - 2007. - Vol. 5. - p. 80-88.

8. Белл Р.Г. Эмиттеры с отрицательным электронным средством. Пер. с англ. М.: Энергия, 1978, с. 192.

Изобретение относится к вакуумной эмиссионной оптоэлектронике и может быть использовано в качестве сенсорно-преобразовательной среды фотокатодов для фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) либо электронно-оптических преобразователей (ЭОП), при конструировании приборов и устройств ночного видения. Технический результат - увеличение пороговой чувствительности приемника ночного видения в силу возможности регистрации изображений объектов в спектральном диапазоне 1,25-1,6 мкм, диапазоне повышенной интенсивности излучения ночного неба. В качестве сенсорно-преобразовательной среды используется гетероструктура германий/поликристаллический алмаз, что позволяет расширить «красную границу» спектрального диапазона чувствительности до 1,6 мкм. 4 ил.

Фотокатод, представляющий сенсорно-преобразовательную среду на основе полупроводникового материала с поверхностью, активированной к процессам фотоэлектронной эмиссии, сформированную на подложке прозрачной для излучений спектрального диапазона 0,5-1,6 мкм, отличающийся тем, что упомянутая сенсорно-преобразовательная среда выполнена на основе гетероструктуры германий/поликристаллический алмаз.