Фотокатод для инфракрасной области спектра Советский патент 1993 года по МПК H01J1/34 

Изобретение относится к эмиссионной электронике и оптоэлектронике и может быть использовано в фотоэмиссионных приборах (ФЭУ и ЭОП), предназначенных для инфракрасного (ИК) из-, лучения с длиной волны более 2 мкм.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона фотокатода за край собственного поглов(ения полупроводника.

Фотокатод для ИК-области спектра с внешним электрическим смешением

выполнен в виде гомо-р-п-перехода, у которого на поверхность спабо легированного эмиттирующегп р-слоя нанесены пленка металла и покрытие, снижающее работу выхода, а n-слон оитъно легирован (обозначается п ). Гомо-р-п-пе- реход представляет собой кош акт между областями с раяной прово; нмостыо в одном и том же полупр. по/ничо.

Сильное легирование п -гпоч oiречает

i n 18 - концентрации электрснор го ю U гм

(п4 10 см ) . Рерхнни it л консо ю ю

цгнтрации электронов ограничивается лишь максимальным достижимым пределом легирования, который, в свою очередь/ зависит от максимальной растворимости доиорнмх примесей в используемом полупроводнике. Сильное легирование п -слоя необходимо для эффективного поглощения ИК-излученип свободными носителями заряда. Как показал экгпе- римент, при п4 10 см в гомо-р- -п -переходах возбуждается ИК-излу- чением внутренняя фотоэмиссия, на чем и основано предлагаемое устройство. При п+ 10 см коэффициент погло- щения на свободных электронах в средней и дальней ИК-области может дости г ать нескольких сотен и даже тысяч обратных сантиметров. При освещении фотокатода со стороны р-слоя толщина п -слоя „ , в принципе, может быть любом. При освещении фотокатода со стороны п -слоя толщина последнего не должна превышать глубину проникновения света. Указанная величина тем меньше, чем больше концентрация электронов. В сильно легированных полупроводниках глубина проникновения света может составляв единицы и доли микрона. Кроме того наиболее эсЬфек- тивная тмиссия при освещении фотоКа- тода со стороны п -слоя будет иметь место в том случае, когда не превышает длину свободного пробега горячих (йютовозбужденных) электронов, так как они должны с минимальными потерями энергии достигать потенциального барьера р-п -перехода. Длина свободного пробега горячих электронов (длина остывания) в таких полупровод- пиках,как кремний, арсенид галлия, до- стигает сотен ангстрем, а в твердых растворах полупроводников А В доходи до 1000 X. В сильно легированных полупроводниках она, как правило, не превосходит глубину проникновения света. Тонкий п -слой может быть нанесен на слабо легированную подложку, прозрачную для ИК-излучения. Эмиттирующий слой выполнен слабо легированным для того, чтобы при приложении внешнего электрического смещения разогреть неравновесные фотоэлектроны. Концентрация дырок в р-слое должна быть менее 10 - 10 см Толщина р-слоя не должна превышать диффузионную дли- ну электронов, которая обычно составляет величину в несколькох микрон На 1 р-слой нанесена пленка металла - ге

0 5

5

pefip.i топшиной сто-двести ангстрем. На пленку металла нанесено покрытие, снижающее работу выхода, например Cs-О. Структура снабжена двумя электрическими выводами - от пленки ме-V

талла и от п -слоя для подачи внешнего смещения.

В фотокатоде межлу п4-слоем и гля- болегированным эмиттирующим р-слоем может быть введен сильно легированный р -слой с концентрацией дырок - см П017 р Ј I0t8 ), снабженный электрическим выводом. Концентрация дырок в этом слое не должна превышать 10 см во избежание появления туннельных токов между п и р -слоями. Сильно легированный р - слой предназначен для контролируемого распределения напряжения мeждv р4 - п -переходом и диодом Шотки, обрязо- ванным р-слоем и пленкой металла. При этом используются два источника питания. Такая конструкция дает вотмож- ность порознь управлять спектральным порогом и эффективностью фотоэмиссии в ИК-области. При освещении фотокатода со стороны п -слоя суммарная толщина р - и р-слоев 1 + 1р но должна превышать диффузионную длину злект ронов. Кроме того, при освепдении фотокатода со стороны слаболегированного эмиттирующего р-слоя толщина сильно легированного слоя 1р+не должна превышать глубину проникновения ИК-излучения .

Работа фотокатода происходит спе- дутощим образом.

Регистрируемое ИК-излУчение с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны полупроводника поглощается свободными электронами в сильно ванном п -слое, сообщая им энергию, равную энергии фотона. Разогретые светом носители движутся к р-п -пере- ходу и те из них, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера, переходят в р-слой. 1аким образом, в рассматриваемом случае внутренней фотоэмиссии высота потенциального барьера гомоперехода, задаваемая прямым смещением, определяет диапазон длин волн регистрируемого излучения. Чем больше длина волны ИК- излучения, тем меньше должна быть пы- сота потенциального барьера и, (ooi- рртгтвенно, тем больше должн бытт прямое смешение. Перейдя в р с щи.

электроны ускоряются в нем полем на- столько, что свободно преодолевают тонкую пленку металла и покрытие, снижающее работу выхода, и выходят в вакуум.

Прикладываемое к гомопереходу прямое смещение в конструкции (фиг. 1, 2) распределяется между обллстью объемого разряда, снижая высоту барьера на р-гЛ-переходе, и диодом Шотки металл - слабо легированный р-слой, обуславливая наличие греющего носитея поля в р-слое.

В конструкции (фиг. 3) для контролируемого в процессе работы распредег ения указанного напряжения между п и р-слоями введен сильно легированный р -слой. При этом можно осуществить выбор оптимальнЬго соотношения между высотой барьера и величиной поля, ускоряющего электроны. Эти факторы оп- ределяют спектральный диапазон фотоэмиссии и ее эффективность. Сечение поглощения на свободных электронах i можно считать пропорциональным квадрату длины волны таким образом, с увеличением длины волны ИК-иэлучения

ширины запрещенной зоны арсенида гал лия. Модуляция непрерывного лазерног излучения в диапазоне частот 0,1 -1 10 кГц осуществлялась с помощью эле трооптического модулятора. Длительность импульса излучения импульсного лазера по полуширине составляла 100 не. Излучение направлялось на n-область гомоперехода. Регистрирова лись величина и форма напряжения, со здаваемого фотоинжекционным током на сопротивлении нагрузки в цепи гомопе рехода. У всех исследовавшихся гомо- -p-n-переходов фотоответ был зарегипри соответствующем увеличении прямо- 30 стрИрОВан на образцах с концентрациго смещения не должно происходить уменьшения квантового выхода фотоэмиссии. Фотокатод может работать в ближней, средней и дальней ИК-областях. ,

Существенными отличиями изобретения являются новая совокупность конструктивных элементов, находящихся в во взаимосвязи друг с другом, и взаимное расположение элементов устройства.

На фиг. I изображена структура фотокатода по п. 1 формулы; на фиг. 2 - его зонная схема (здесь п - сильно легированный n-слой толщиной lh+-; р - слабо легированный эмиттирухчций р-слой толщиной 1р, Me -пленка металла; П - покрытие, снижающее работу выхода; U источник питания); на фиг. 3 - конструкция Лотокатода по п. 2 формулы (здесь р - сильно легированный р-слой толщиной „1р+; U,, и1 г- источники пиганиа для подачи смещения на р -п -переход и диод металл р-слой-р+-слой.55

Действие фотокатода основано на возбуждении внутренней фото-эмиссии в ИК-области в гомо-р-п-переходе с сильно легированным n-слоем. Ткспери35

40

45

50

ей электронов в n-слое порядка 10 см ,и выше в условиях, когда высота потен циального барьера, регулируемая прямым смещением, становилась примерно равной или меньшей энергии кванта 0,И7 эВ. Так, при температуре жидкого азота фотоответ у прсенид-галлие- вых p-n -переходов возникал, когда величина прямого смещения превышала 1,38 эВ,- Полярность Автоответа соответствовала переходу электронов из п -слоя в р-слой. Форма фотоответа повторяла форму лазерного импульса, что свидетельствует о малой инерционности возникающего фотоинжекционного тока. Описанные измерения доказывают Наличие внутренней фотоэмиссии в го- мо-р-п4-переходах, спектральный порог которой определяется высотой потенциального барьера.

Использование предлагаемого изобретения позволит распространить спектральный диапазон сЬотоэмиссни за край собственного поглощения полупроводника не менее чем до 10-15 мкм. Фотока- тод сравнительно прост по конструкции и может быть изготовлен из таких широко применяемых материалов, как арo

см . Концентрация дырок в под- -типа варьировалась от см. В качестве источников

ментально доказано существование внутренней фотоэмиссии в ИК-области в раэл ичных гомо-р-п-переходах с силь но легированными n-слоями. Исследовались, в частности, арсенид-галлиевые гомо-р-п -первходы с концентрацией электронов в n-области в пределах 10 - 10го см ложках

по«,о л

излучения .были использованы непрерывный и импульсный СО.-лаэерьг с длиной волны 0,6 мкм и энергией кванта 5 л-0,Н7 эВ, что значительно меньше

ширины запрещенной зоны арсенида галлия. Модуляция непрерывного лазерного излучения в диапазоне частот 0,1 -1 10 кГц осуществлялась с помощью элек- трооптического модулятора. Длительность импульса излучения импульсного лазера по полуширине составляла 100 не. Излучение направлялось на n-область гомоперехода. Регистрировались величина и форма напряжения, создаваемого фотоинжекционным током на сопротивлении нагрузки в цепи гомоперехода. У всех исследовавшихся гомо- -p-n-переходов фотоответ был зареги0

5

0 стрИрОВан на образцах с концентраци0 стрИрОВан на образцах с концентраци

5

5

0

5

0

ей электронов в n-слое порядка 10 см ,и выше в условиях, когда высота потенциального барьера, регулируемая прямым смещением, становилась примерно равной или меньшей энергии кванта 0,И7 эВ. Так, при температуре жидкого азота фотоответ у прсенид-галлие- вых p-n -переходов возникал, когда величина прямого смещения превышала 1,38 эВ,- Полярность Автоответа соответствовала переходу электронов из п -слоя в р-слой. Форма фотоответа повторяла форму лазерного импульса, что свидетельствует о малой инерционности возникающего фотоинжекционного тока. Описанные измерения доказывают Наличие внутренней фотоэмиссии в го- мо-р-п4-переходах, спектральный порог которой определяется высотой потенциального барьера.

Использование предлагаемого изобретения позволит распространить спектральный диапазон сЬотоэмиссни за край собственного поглощения полупроводника не менее чем до 10-15 мкм. Фотока- тод сравнительно прост по конструкции и может быть изготовлен из таких широко применяемых материалов, как ар11579322 8

сеиид галлия и твердые растворы полу-ким смещением, содержавши многослойпроводникоа A BF. В предложенной кон-ную полупроводниковую структуру с р-пеФрукции концентрация йлектроИов впереходом со слабо легированным эмитфотоактивном п -слое может быть дрве-t тирующим р-слоем, на поверхность кодена до . см что необходимоторого нанесена пленка металла и снидпя высокой эффективности фотоэмис жаюшее работу выхода покрытие, о тсий. При этом регистрация излученияличагощийся тем, что, с це-

может производиться с высоким быстро-лью расширения спектрального диапазодействием и прострайствеиньи разретае-)0 на фотокатФда за край собственного

«йен. Предлагаемый фотокатод поз вол я-поглощения полупроводника, полупроводет осуществить вторячно-эмиссмоиное умножение первичного това с помоиь динодов или микрокаиальйми пластин. Подобное усиление с малым фактором шума пригодно как для токовой регистрации сигнала, так я для преобразования изображения. Формула изобретения

15

ннковая структура выполнена в виде гомо-р-п-пйрехода, п-слой которого ле- легироваи до п 10 см.

2. отокатод по п. 1, о т л и - чающийся тем, что между it- споем и эмиттируяччим р-слоем введен

сильно легированный р слойс крицент- ....-К ..«ми n jf Ш™ ««Ч

1. Фотокатов дп« инфракрасной ов- 20 рацией дырок 10 S р I0iw см , ласти спектра, с внешним электрмчес- снабженный электрическим выводом,

ннковая структура выполнена в виде гомо-р-п-пйрехода, п-слой которого ле- легироваи до п 10 см.

2. отокатод по п. 1, о т л и - чающийся тем, что между it- споем и эмиттируяччим р-слоем введен

сильно легированный р слойс крицент- ....-К ..«ми n jf Ш™ ««Ч

рацией дырок 10 S р I0iw см , снабженный электрическим выводом,

ц

te-0

Изобретение относится к электронной технике, в частности к эмиссионной электронике, и может быть использовано при производстве фотокатодов. Целью изобретения является расширение спектрального диапазона фотокатода за край собственного поглощения полупроводника. Фотокатод для инфракрасной области спектра, с внешним электрическим смещением, содержит многослойную полупроводниковую структуру с p-n-переходом со слабо легированным эмиттиругощим р-слоем, на поверхность которого нанесена пленка металла и снижающее работу выхода покрытие. Полупроводниковая структура выполнена в виде гомо-р-п-пергхода, п-слой которого легирован до п 2 10 см. Между п-слоем и миттиру- юшим р-слоем может быть введен сильно легированный р-слой с концентрацией дырок 10 р Ј 101 см , снабженный электрическим выводом. Катод позволяет осуществить вторично-эмиссионное умножение первичного тока с помощью динодов или микроканальных пластин. Подобное усиление с малым фактором шума пригодно как для токовой регистрации сигнала, так и для преобразования Изображения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с 9 сд i

/7777/7/777.

П + 77777777777//

Ui иг Фиг.З

.

/ТТЛ

r// /7J

/

Фиг. 2