Фотокатод на основе соединения AB Российский патент 2023 года по МПК H01L31/304 

Изобретение относится к области технологий создания фотокатодов. Данное изобретение актуально для использования в вакуумных оптоэлектронных приборах, в том числе в гибридных электронно-чувствительных приборах.

Из уровня техники известны полупроводниковые соединения типа A^IIIB^V, например, GaAs, InP, GaN, InGaAs, которые используются в качестве фотокатодов. Необходимым условием для того, чтобы их использовать в качестве фотокатодов, является активация поверхности слоем Cs/O, то есть снижение работы выхода на поверхности для возникновения внешнего фотоэффекта.

Известны структуры фотокатодов, содержащие подложку, активный слой и эмиттерный слой, где в качестве эмиттерного слоя используют InP, например, фотокатод InP/InGaAs/InP (см. статью Егоренков А.А., Зубков В.И., "Investigation of the quantum efficiency degradation over time for InGaAs photocathodes in hybrid devices for near infrared spectral range "/"Исследование деградации квантовой эффективности с течением времени для InGaAs фотокатодов в гибридных приборах для ближнего инфракрасного диапазона", 27th International Conference on Vacuum Technique and Technology, Journal of Physics Conference Series 1799(1):012007, feb 2021 г. https://www.researchgate.net/profile/Artyom-Egorenkov). Эмиттером электронов здесь служит слой InP. Данная структура фотокатода выбрана в качестве прототипа.

Однако, у фотокатодов со слоем InP, используемым в качестве эмиттера электронов, есть недостатки. Недостаток данной структуры заключается в том, что слой InP - не стойкий к прогреву в вакууме при температуре более 300-350°С, как например GaAs, который прогревается при температуре порядка 600°С. В процессе нагревания фотокатода фосфор Р улетучивается с поверхности, образуется избыток индия In, который плавится, и образуются т.н. индиевые капли, которые препятствуют эмиссии электронов с поверхности фотокатода, и качество телевизионного изображения из-за этого снижается.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать структуру фотокатода на основе A^IIIB^V, пригодную для использования в вакуумных приборах, устойчивую к прогреву в вакууме при температуре более 300-350°С и обладающую достаточным квантовым выходом QE. Технический результат заключается в повышении квантового выхода QE фотокатода, повышение температуры прогрева при вакуумировании приборов, улучшении качества телевизионного изображения, получаемого с фотокатода.

Технический результат достигается за счет того, что в фотокатоде на основе соединения A^IIIB^V, содержащем подложку, активный слой и эмиттерный слой, в качестве эмиттерного слоя используют согласованную по параметрам кристаллической решетки структуру In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As, где на поверхности слоя InAlAs дополнительно наносится тонкий защитный слой InGaAs толщиной в диапазоне ≤50 нм.

Дополнительно, фотокатод по п. 1 отличается тем, что активный слой совпадает с эмиттерным слоем.

Сущность технического решения заключается в следующем. Среди структур типа A^IIIB^V известны гетероструктуры, содержащие слои InAlAs. Они широко используются в полупроводниковых технологиях. Особенность этого материала заключается в том, что, если его активировать слоем Cs/O, квантовый выход будет ниже, чем у других аналогичных материалов, например, того же InP. Это происходит, потому что на поверхности полупроводников, содержащих алюминий Al, образуется фракция стойкого химического окисла с Al. Этот окисел сложно удалить, при этом он препятствует эффективной фотоэмиссии с поверхности после активировки Cs/O. Поэтому слой InAlAs не используют в качестве фотокатода и эмиттера электронов в составе фотокатодов.

Однако, в наших исследованиях выяснилось, что если на слой InAlAs наносят тонкий защитный слой InGaAs, согласованный по параметрам кристаллической решетки, то квантовый выход такой структуры повышается в несколько раз (см. фиг. 1). Слой InGaAs не подвержен такому сильному окислению, как фракции алюминия, к тому же естественный окисел легко удаляется. При это данная структура устойчива к температурам выше 300-350°С по сравнению с InP, благодаря чему ее удобно использовать в вакуумных приборах и качество изображения с поверхности такой структуры выше.

На фиг. 2 изображена энергетическая диаграмма гетероструктуры InP/ In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As. Известно, что нанесенный на поверхность полупроводникового материала слой Cs/O снижает работу выхода до уровня порядка 1,2 эВ, что является достаточным для формирования состояния отрицательного электронного сродства ОЭС на поверхности слоев In0.52Al_0.48As (Eg>1,2 эВ). При этом у слоя InGaAs малая ширина запрещенной зоны E_g=0,74 эВ, то есть возле поверхности должна была бы формироваться потенциальная яма для низкоэнергетичных электронов, и от данной структуры был бы очень низкий квантовый выход. Однако, исследования показали, что это не влияет на внешнюю эмиссию электронов с поверхности, а квантовый выход такой структуры повышается по сравнению со структурой InAlAs и примерно равен QE структуры InP (см. фиг. 1). Предположительно, это происходит благодаря тому, что слой InGaAs достаточно тонкий, и электроны преодолевают его благодаря туннельному эффекту, а так же высокой энергии самих электронов.

Пример. Были исследованы структуры фотокатода InP/In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As. Данная структура имеет идеальное согласование по параметрам кристаллической решетки. В качестве активного слоя выступает In_0.52Al_0.48As.

В ходе экспериментов были измерены спектральные характеристики структур с слоем In_0.53Ga_0.47As и без него. Фотокатод работал в режиме «на отражение». При подготовке структур к загрузке в вакуум были использованы стандартные методы химической очистки поверхности In_0.52Al_0.48As и In_0.53Ga_0.47As. В вакуумной установке структуры проходили одинаковые этапы прогрева и активировки слоем Cs/O.

Результаты измерений спектральных характеристик показаны на фиг. 1 Видно, что наличие на поверхности активного слоя In_0.52Al_0.48As дополнительного слоя In_0.53Ga_0.47As позволяет повысить внешний квантовый выход фотокатода несколько раз.

Изобретение относится к области технологий создания фотокатодов. Согласно изобретению в фотокатоде на основе соединения A^IIIB^V в качестве эмиттерного слоя используют согласованную по параметрам кристаллической решетки структуру In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As, в которой на поверхности InAlAs используют тонкий защитный слой InGaAs толщиной в диапазоне до 50 нм. Технический результат заключается в повышении квантового выхода QE фотокатода, повышении температуры прогрева при вакуумировании приборов, улучшении качества изображения, получаемого с фотокатода. 2 ил.

Фотокатод на основе соединения A^IIIB^V, содержащий подложку, активный слой и эмиттерный слой, отличающийся тем, что в качестве эмиттерного слоя используют согласованную по параметрам кристаллической решетки структуру In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As, где на поверхности слоя InAlAs используют тонкий защитный слой InGaAs толщиной ≤50 нм.