Оптимизация конструкции управляющего электрода в ИК-фотокатодах

  • Докладчик: Курташ В. А.
  • Тема: Оптимизация конструкции управляющего электрода в ИК-фотокатодах.
  • Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»

Работа ИК-фотокатода в гибридных приборах, описанных в докладе [1], обеспечивается приложением напряжения смещения к управляющему электроду, что приводит к уменьшению потенциального барьера на изотипной гетерогранице между InGaAs и InP, а также к изгибу зон на границе раздела «эмиттер-вакуум».

Таким образом, повышение напряжения на управляющем электроде увеличивает квантовый выход фотокатодов, однако вместе с этим возникает и ряд проблем. Во-первых, управляющий электрод перекрывает часть рабочей поверхности фотокатода, с которой могли бы быть эмитированы электроны, к тому же часть электронов может притягиваться электродом. Во-вторых, для увеличения квантового выхода фотокатода требуется достижение максимальной при заданном напряжении смещения на управляющем электроде напряженности электрического поля на границе раздела InGaAs/InP, обеспечивающей понижение потенциального барьера для фотоэлектронов.

Целью данной работы является выбор конструкции управляющего электрода (геометрической конфигурации, а также расстояния между линиями электродов), обеспечивающей наибольшую напряженность электрического поля на границе раздела InGaAs/InP. Управляющий электрод, при этом, должен занимать минимальную площадь поверхности фотокатода.

Известно, что евклидову плоскость можно замостить с большой плотностью любыми треугольниками, четырехугольниками, а также шестиугольниками. Ниже предложены и описаны две различные конфигурации управляющего электрода, оптимальные с точки зрения топологии поверхности:

  • Управляющий электрод гексагонального типа;
  • Управляющий электрод прямоугольного типа.

В качестве управляющего электрода прямоугольного типа рассматривается электрод с межэлектродным расстоянием a и длиной ячейки b (рисунок 1, а). Толщина линии сетки составляет 2 мкм. Дальнейшее уменьшение толщины линии является затруднительным из-за особенностей процесса фотолитографии. В качестве управляющего электрода гексагонального типа рассматривается электрод с ячейкой в форме правильного гексагона со стороной с (рисунок 1, б).

Рисунок 1 – Фрагменты управляющих электродов; серым цветом показана рабочая область фотокатода, белым цветом линии сетки.
Рисунок 1 – Фрагменты управляющих электродов; серым цветом показана рабочая область фотокатода, белым цветом линии сетки.

а) прямоугольного типа; б) гексагонального типа

Моделирование было выполнено с помощью программного обеспечения Comsol, основанного на использовании метода конечных элементов. Система дифференциальных уравнений для описания электростатического поля имеет вид:

Система дифференциальных уравнений для описания электростатического поля

где D – вектор индукции, ρ – объемная плотность заряда, E – вектор напряженности электрического поля, φ – скалярный потенциал.

При расчете различных конфигураций управляющего электрода исследовалась зависимость напряженности электрического поля, создаваемая линиями электродов в центре ячейки, от свободной площади эмиттера. Стороны различных ячеек выбирались так, чтобы свободная площадь изменялась от 50% до 70%. Таким образом, для гексагональной ячейки сторона гексагона c изменялась в пределах от 2,5 мкм до 4,5 мкм. При расчете ячеек прямоугольного типа изменялась длина прямоугольника b при нескольких фиксированных межэлектродных расстояниях a: для а = 5 мкм длина b изменялась в пределах от 5 мкм до 200 мкм; для а = 4 мкм длина b изменялась в пределах от 7 мкм до 300 мкм.

Все расчеты проводились при одинаковом напряжении смещения, подаваемом на управляющий электрод, Uсм = 3 В. Полученные в ходе моделирования результаты представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимости отношения напряженностей электрического поля Е, создаваемыми в центре ячейки, к текущим напряженностям в центре ячеек Етекущее от свободной площади эмиттера S
Рисунок 2 – Зависимости отношения напряженностей электрического поля Е, создаваемыми в центре ячейки, к текущим напряженностям в центре ячеек Етекущее от свободной площади эмиттера S

1 – ячейка прямоугольного типа с a = 5 мкм, b = 5÷200 мкм; 2 – ячейка прямоугольного типа с a = 4 мкм, b = 7÷300 мкм; 3 – ячейка гексагонального типа со стороной с = 2,5÷4,5 мкм

Как видно по представленным зависимостям, ячейки гексагонального типа демонстрируют значительный выигрыш по напряженности электрического поля, создаваемой в центре ячейки, по сравнению с прямоугольными конфигурациями вплоть до достижения значения свободной площади 65% от общей площади эмиттера, которое достигается при стороне гексагона c = 4 мкм. Это объясняется тем, что расстояние между ближайшими электродами в такой конфигурации составит:

расстояние между ближайшими электродами
где r – расстояние между ближайшими электродами гексагональной ячейки. Очевидно, что напряженность поля в центре ячейки будет убывать пропорционально квадрату расстояния между электродами. При этом для прямоугольных конфигураций электродов расстояние а остается фиксированным, так что напряженность электрического поля уменьшается лишь за счет увеличения длины ячейки b. Это обуславливает более пологий характер зависимости, представленной на рисунке 2. Преимущество ячеек прямоугольного типа становится очевидным при достижении свободной площади эмиттера более 65%, благодаря описанному выше характеру изменения напряженности электрического поля с ростом свободной площади эмиттера. Недостатком такого подхода является снижение надежности управляющего электрода – обрывы одной из линий электрода могут привести к выключению части рабочей зоны фотокатода. Кроме того, уменьшение межэлектродного расстояния a не дает значительного выигрыша в напряженности электрического поля. Альтернативный подход заключается в достижении значительно большей напряженности электрического поля в ячейке путем использования ячеек гексагонального типа при незначительном уменьшении свободной площади эмиттера. Как можно видеть из рисунка 2, при свободной площади эмиттера 60% возможно достижение напряженности электрического поля в центре ячейки в 2,5 раза большей по сравнению с прямоугольной конфигурацией электрода. Для этого требуется размер стороны гексагональной ячейки с = 3,3 мкм. Данный вариант, возможно, будет представлять практический интерес с точки зрения возможности подачи относительно меньшего напряжения смещения Uсм на управляющий электрод. Планируется проведение экспериментов по сравнению различных конструкций управляющих электродов. Для этого на одном фотошаблоне будут сформированы несколько областей с представленными выше конфигурациями управляющих электродов. В дальнейшем планируется исследование возможностей изготовления управляющих электродов с прослойкой окисла между линией сетки и эмиттером. Список использованных источников
  1. Егоренков А. А., Курташ В. А. / Пути увеличения квантового выхода ИК-фотокатодов в гибридных приборах // XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». – 2020.
  2. М. Р. Айнбунд, И. С. Васильев, Е. Г. Вилькин [и др.] / Новые фотокатоды УФ- и ИК-диапазонов для перспективных фотоприемных устройств // Прикладная физика. – 2006. – №4. – С. 97 – 101.

Зубков Василий Иванович

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Вопрос:

Подобные работы по оптимизации сетки металлических контактов и увеличению свободной площади широко проводились при разработке эффективных светодиодов с точки зрения увеличения их итогового квантового выхода. Хотелось бы иметь такое сравнение, как и сопоставление значений получаемой там и там свободной площади. Возможно ли применение слоя ITO для решения поставленных в работе проблем? Не понятна подпись к рисунку 2.

Курташ В. А.

Ответ:

Спасибо за Ваше замечание, сравнение результатов текущей работы с подобными работами, проведенными при разработке эффективных светодиодов, будет произведено в дальнейшем.

Слой ITO (indium tin oxide) не рассматривается в качестве возможного решения по ряду причин. Во-первых, поверхность эмиттера фотокатода активизируется слоем оксида цезия, для уменьшения работы выхода электронов. Нанесение слоя ITO не позволит проводить данную операцию. Во-вторых, слой ITO не будет являться туннельно прозрачным для электронов, так как обычно толщина таких слоев составляет десятки или сотни нанометров. Кроме того, нет необходимости использовать оптически прозрачный материалы. Возможной альтернативой могут быть тонкие слои металлов (1-2 нм толщиной), активированные цезием и кислородом. Такие слои будут туннельно прозрачны для электронов, а также обеспечивать требуемое состояние с низкой работой выхода [Near IR Photocathode Development / Verle Aebi, Kenneth Costello, Gary Davis [et. al.] // Proc. 1997 Meeting of the IRIS Specialty Group on Active Systems. – 1997]

Рисунок 2, приведенный в докладе, представляет собой отношение напряженности электрического поля, создаваемой на границе раздела InGaAs/InP управляющими электродами конфигураций, предложенных в работе, к напряженности поля, создаваемой управляющим электродом, используемым на текущий момент. Таким образом, можно сразу видеть в относительных единицах, во сколько раз вырастет напряженность электрического поля при использовании другой конфигурации управляющего электрода.

Айнбунд Михаил Рувимович

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

  1. В докладе не увидел обсуждение и сравнение предлагаемых вариантов сетчатого упр. электрода с используемым в настоящее время. Прошу пояснить, остановившись на сравнении недостатков существующего и достоинствах предлагаемых вариантов, если они есть.
  2. Какие именно из предлагаемых вариантов предполагается исследовать экспериментально?

Курташ В. А.

Ответ:

      1. Конструкция управляющего электрода (ячейка прямоугольной формы), используемая на данный момент не является оптимальной с точки зрения использования поверхности, а также величины напряженности электрического поля на границе раздела InGaAs/InP. Увеличение площади свободной поверхности эмиттера может быть достигнуто путем увеличения длины ячейки прямоугольной формы. При этом напряженность электрического поля уменьшится незначительно. Это обусловлено тем, что ширина ячейки (межэлектродное расстояние) не изменится, а именно она вносит основной вклад в напряженность электрического поля. С другой стороны, большей напряженности электрического поля можно достичь путем использования гексагональной конфигурации управляющего электрода, за счет незначительного уменьшения свободной площади поверхности эмиттера.
      2. Таким образом, планируется экспериментально проверить в работе управляющий электрод прямоугольного типа со сторонами ячейки: длина – 200 мкм, ширина 5 мкм; а также управляющий электрод гексагонального типа со стороной ячейки гексагона 3,3 мкм.

Ключник Анна Семеновна

 АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

По данному докладу отсутствуют выводы, поэтому какая конструкция является оптимальной из данных исследований и почему?

Курташ В. А.

Ответ:

Спасибо за Ваше замечание. В данном исследовании предложено две конструкции: с ячейкой гексагонального типа, а также с ячейкой прямоугольного типа. Первая отличается значительно большей напряженностью электрического поля, создаваемого на границе раздела InGaAs по сравнению с текущей конфигурацией. Вторая – большей площадью свободной поверхности эмиттера. Таким образом, обе конструкции более выгодны по сравнению с текущей, однако оценить то, какая конструкция из предложенных будет являться оптимальной, возможно лишь проведя экспериментальные исследования, которые планируется в дальнейшем.

Пашук Андрей Владимирович

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

Изящный, интересный доклад. Было бы интересно посмотреть на графике ещё линию гексагона с а=3 мкм.

Курташ В. А.

Ответ:

Спасибо за Ваш отзыв. Полагаю, что имелась в виду линия на графике именно для прямоугольной конфигурации электрода с межэлектродным расстоянием 3 мкм. По вашей просьбе добавил данную линию на график (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимости отношения напряженностей электрического поля Е, создаваемыми в центре ячейки, к текущим напряженностям в центре ячеек Етекущее от свободной площади эмиттера S

Рисунок 1 – Зависимости отношения напряженностей электрического поля Е, создаваемыми в центре ячейки, к текущим напряженностям в центре ячеек Етекущее от свободной площади эмиттера S

1 – ячейка прямоугольного типа с a = 5 мкм, b = 5÷200 мкм; 2 – ячейка прямоугольного типа с a = 4 мкм, b = 7÷300 мкм; 3 – ячейка гексагонального типа со стороной с = 2,5÷4,5 мкм; 4 – ячейка прямоугольного типа с a = 3 мкм, b = 10÷1230 мкм

 

 

На нашем сайте мы используем Сookies, которые помогают нам оптимизировать ваш пользовательский опыт. Продолжая работу на сайте, вы соглашаетесь с обработкой нами полученных данных. Подробнее… 

/** */