Пути увеличения квантового выхода ИК-фотокатодов в гибридных приборах

  • Докладчик: Курташ В. А., Егоренков А. А.
  • Тема: Пути увеличения квантового выхода ИК-фотокатодов в гибридных приборах.
  • Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»

Фотокатоды на основе согласованной гетеропары InP/InGaAs/InP для ближнего ИК-диапазона с длиной волны λ = 950-1650 нм находят важное применение в гибридных приборах, которые позволяют достигать гораздо больших значений чувствительности при регистрации ближнего ИК-излучения по сравнению с твердотельными аналогами.

Важным параметром, определяющим чувствительность таких приборов, является квантовый выход фотокатода, увеличение которого является первостепенной задачей разработки ИК-фотокатодов.

Целью данного исследования является поиск различных путей повышения квантовой эффективности ИК-фотокатодов для гибридных приборов.

В структуре фотокатода в качестве слоя поглотителя фотонов выступает слой In0,53Ga0,47As, выращенный на подложке InP. На слое поглотителя выращивается эмиттерный слой InP, на поверхности которого формируется управляющий электрод [1]. К управляющему электроду прикладывается положительное смещение, обеспечивающее изгиб зон в области эмиттера, позволяющий возбужденным фотоэлектронам из поглотительного слоя двигаться к поверхности структуры.  Состояние с низкой работой выхода, требуемое для эффективного выхода возбужденных фотоэлектронов в вакуум, достигается путем цезирования поверхности эмиттера [2]. Зонная диаграмма структуры фотокатода продемонстрирована на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зонная диаграмма InP-InGaAs-InP-фотокатода
  • Докладчик: Курташ В. А., Егоренков А. А.
  • Тема: Пути увеличения квантового выхода ИК-фотокатодов в гибридных приборах.
  • Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»
Вероятность выхода фотоэлектрона P определяется как:

Где A(hv) – параметр, определяемый основным механизмом рассеяния в материале; Pe(hv) – вероятность выхода фотоэлектрона, достигшего поверхности; αp(hv)/α(hv) – отношение количества фотоэлектронов с энергией, большей энергии уровня вакуума, к общему количеству фотоэлектронов;  L(hv) – неупругая длина свободного пробега электронов; Lα(hv) – расстояние от поверхности, на котором возбужден фотоэлектрон [3].

Как видно из выражения (1), вероятность выхода фотоэлектрона P достигает максимального значения с увеличением длины свободного пробега электрона, когда отношение Lα(hv)/L(hv) минимально. Кроме того, вероятность выхода фотоэлектрона увеличивается с ростом величины αpe(hv)/α(hv)≤ 1. На основании этого можно выделить несколько основных путей повышения квантового выхода ИК-фотокатодов:

            Уменьшение поглощения излучения подложкой. Реализация данного пути достигается с помощью уменьшения концентрации легирующей примеси в p-InP подложке или использованием n-InP подложек. Благодаря снижению поглощения излучения в подложке увеличится поток фотонов, достигающих поглотительного слоя, что приведет к росту квантового выхода фотокатодов на 10% относительно текущего;

            Увеличение толщины поглотительного слоя InGaAs. Проведенные измерения показывают необходимость увеличения толщины InGaAs, ориентировочно, с 1,5 мкм до 2,3 мкм, так как на большей толщине слоя InGaAs поглотится большее число фотонов, следовательно, и большее число фотоэлектронов будет возбуждено излучением. При этом верхний порог толщины данного слоя ограничен диффузионной длиной электронов. Ожидается рост квантового выхода, связанный с увеличением толщины поглотительного слоя, до 20%. Более подробно разработка антиотражающего покрытия, а также исследования оптических свойств подложек и эпитаксиальных слоев рассмотрены в докладе [3];

            Увеличение концентрации легирующей примеси в эмиттерном слое p-InP. При концентрации легирующей примеси 1,5·1016 см-3, использующейся в исследуемых структурах, не удается достичь состояния с низкой работой выхода. На основании литературных данных [2] можно сделать вывод о необходимости увеличения концентрации легирующей примеси в эмиттере до (4÷6)·1017 см-3 для достижения меньших значений сродства к электрону;

            Уменьшение толщины эмиттерного слоя. Минимизация соотношения Lα(hv)/L(hv) становится возможной благодаря уменьшению расстояния, которое требуется пройти электрону до поверхности эмиттера. Требуется уменьшение толщины p-InP эмиттера с нескольких сотен нанометров до нескольких десятков нанометров, что увеличит вероятность выхода фотоэлектронов в вакуум.

            Создание антиотражающего покрытия. Часть излучения, падающего на фотокатод, отражается обратно во внешнюю среду. Снижение отражения излучения позволит увеличить квантовый выход примерно на 30% (относительно текущего квантового выхода) за счет увеличения числа фотонов, достигающих поглотительного слоя;

            Оптимизация конфигурации управляющего электрода. Часть электронов пропадает в металлическом слое управляющего электрода, и не выходит в вакуум, что приводит к уменьшению квантового выхода фотокатода. Уменьшение влияния этого фактора возможно путем уменьшения площади, занимаемой управляющим электродом. Кроме того, эффективность работы фотокатода достигается изгибом зон в эмиттере, который определяется величиной напряженности электрического поля, создаваемой управляющим электродом. Таким образом, линии сетки управляющего электрода должны занимать минимальную площадь эмиттера, при этом создавая максимальную напряженность электрического поля в эмиттерном слое. На данный момент предложены новые конфигурации управляющего электрода, которые возможно, позволят улучшить чувствительность фотокатода. Подробные результаты исследований представлены в докладе [4].

            Работа в импульсном режиме подачи смещения на управляющий электрод. Квантовый выход фотокатода растет линейно с увеличением напряжения смещения Uсм, подаваемого на управляющий электрод, что обусловлено снижением потенциального барьера на гетеропереходе InGaAs-InP, а также изгибом зон на поверхности эмиттерного слоя. Таким образом, повышая Uсм удается достигать большего квантового выхода фотокатода. Однако при работе в статическом режиме подачи Uсм на управляющий электрод замечено, что, при относительно больших потоках светового излучения, фототок может достигать состояния насыщения при Uсм более 3 В. Дальнейшее повышение Uсм приводит к значительному росту темного тока. Возможным способом решения данной проблемы является импульсный режим подачи Uсм на управляющий электрод, позволяющий подавать большие напряжения смещения за счет ограничения заряда, протекающего через фотокатод, малой длительностью импульса (~1 мс). При импульсной подаче напряжении смещения на управляющем катоде Uсм = 3,5 В удалось достичь повышения квантового выхода фотокатода почти в 2 раза. Подробнее исследования работы в данном режиме рассмотрены в докладе [5].

На данный момент начаты работы по экспериментальной проверке предложенных путей повышения квантового выхода ИК-фотокатодов. Для этого были заказаны новые структуры в АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» (Москва) с меньшей степенью легирования подложек InP (p=2·1016 см-3), а также увеличенной толщиной поглотительного слоя InGaAs до 2,3 мкм для проверки влияния данных факторов на рост квантового выхода. Эмиттерный слой InP можно будет дополнительно утонить с помощью травления в специальном растворе, позволяющем с высокой точностью контролировать толщину оставшегося слоя эмиттера. 

 Активно ведутся работы по подбору режима нанесения антиотражающего покрытия на существующие подложки.

Кроме того, начаты работы по экспериментальной проверке результатов расчетов различных конфигураций управляющих электродов. Начата разработка экспериментального фотошаблона, который позволит на одной из новых структур сформировать области с различными конфигурациями управляющего электрода. Соответственно, параметры структуры фотокатода для каждой области будут одинаковыми, что позволит выбрать оптимальную конфигурацию управляющего электрода.

Продолжаются исследования ИК-гибридных приборов при использовании импульсной подачи ускоряющего высокого напряжения между фотокатодом и ППЗ-матрицей и постоянном напряжении смещения на управляющем электроде.

Благодаря нанесению антиотражающего покрытия ожидается рост квантового выхода фотокатода в 1,3 раза, благодаря уменьшению концентрации легирующей примеси в подложке – рост в 1,1 раз, благодаря большей толщине поглотительного слоя – рост в 1,2 раз, а также подача большего напряжения смещения в импульсном режиме работы позволит достичь вдвое большего квантового выхода фотокатода. Перемножая данные значения, можно ожидать итоговый рост квантового выхода фотокатодов не менее чем в 3,4 раз по сравнению с текущим. Довольно сложно оценить вклад, вносимый другими предложенными путями повышения квантового выхода. Положительные изменения будут заметны после проведения экспериментальной проверки результатов исследования.

Список использованных источников:

  • 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.
  • Pianetta, D. Lee, S. Sun [et. al] / InP Transferred Electron Cathodes: Basic to Manufacturing Methods // Stanford university. – 2007. – P. 139.
  • Егоренков А. А., Курташ В. А. / Исследование оптических свойств структур ИК-фотокатода // XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». – 2020.
  • Курташ В. А. / Оптимизация конфигурации управляющего электрода для ИК-гибридных приборов // XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». – 2020.
  • Курташ В. А. / Исследование квантового выхода ИК-фотокатодов в импульсном режиме работы // XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». – 2020.

Айнбунд Михаил Рувимович

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

Называемые в данном докладе ожидаемые цифры повышения кв. выхода ИК ф/катода фактически ничем не подкреплены. Прошу авторов пояснить и дать обоснование.

Курташ В.А.

Ответ:

Представленные в докладе значения ожидаемого роста квантового выхода фотокатода имеют следующие основания:

      1. Используемые подложки InP отражают 25% излучения с длиной волны 1,55 мкм. Нанесение антиотражающего покрытия позволит снизить отражение до нуля на данной длине волны. Примем интенсивность I падающего излучения за единицу, тогда интенсивность излучения вошедшего в подложку (в случае отсутствия антиотражающего покрытия) будет равна 0,75*I. При использовании антиотражающего покрытия интенсивность вошедшего излучения будет равна интенсивности падающего I. При нанесении антиотражающего покрытия интенсивность вошедшего излучения возрастет в I/(0,75*I) = 1,3 раз. Таким образом, с увеличением числа фотонов, дошедших до поглотительного слоя, прямо пропорционально увеличится и квантовый выход фотокатода.
      2. Использование подложек InP с меньшей концентрацией легирующей примеси уменьшает поглощение в подложке, как уже было показано в докладе [1]. При переходе на подложки с концентрацией легирующей примеси p=4*10^16 см^-1 интенсивность прошедшего через подложку излучения возрастет на 10%, что эквивалентно росту в 1,1 раз. Реализация данного пункта также приведет к увеличению числа фотонов, дошедших до поглотительного слоя, что обеспечит рост квантового выхода фотокатода.
      3. Влияние толщины поглотительного слоя также рассмотрено в докладе [1]. Так как только 70% дошедшего излучения поглощается в слое InGaAs при текущей толщине слоя, увеличение толщины слоя до 2,3 мкм приведет к тому, что в данном слое поглотится на 20% больше излучения. То есть, увеличение числа фотонов, способных сгенерировать электроны, по отношению к числу падающих фотонов прямо пропорционально отражается на росте квантового выхода фотокатода.

Перемножая полученные значения, можно ожидать, что квантовый выход увеличится в 1,7 раз. Кроме того, проведенные исследования, представленные в докладе [2], показывают, что квантовый выход вырастет дополнительно в 2 раза за счет возможности подачи на управляющий электрод большего напряжения смещения при работе в импульсном режиме. Предполагается, что в результате квантовый выход фотокатода вырастет в 3,4 раза. Данные оценки требуют дальнейшей экспериментальной проверки.

[1] — Егоренков А. А., Курташ В. А. / Исследование оптических свойств структур ИК-фотокатода // XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». – 2020.

[2] — Курташ В. А.  / Исследование квантового выхода ИК-фотокатодов в импульсном режиме работы // XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». – 2020.

Зубков Василий Иванович

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Вопрос:

Независимо от того, какая доля падающего излучения рассеется на небольшом количестве дефектов в InP или не сможет поглотиться в слишком тонком слое InGaAs, главная и самая критичная область такого фотокатода с тянущим полем – выходная приповерхностная часть InP-эмиттера. В ней совместным действием активирующего цезия и приложенного смещения достигаются уникальные условия для эмиссии электронов в вакуум. Например, при неудачно подобранном смещении энергетические зоны могут изогнуться существенно ниже уровня вакуума, и эмиссия станет невозможной. В связи с этим, оценивалась ли величина работы выхода электронов из композиции Me/CsO и если да, то каким способом?

Курташ В.А.

Ответ:

Действительно, в более ранних работах фирмы Intevac, разработавшей аналогичный гибридный прибор, говорилось о необходимости подбора правильных условий обработки и активировки поверхности эмиттерного слоя. Все эти аспекты разработки фотокатодов будут учтены и их исследование, а также отработка начнутся сразу после завершения текущих работ по повышению квантового выхода ИК-фотоактодов. В частности, одним из дальнейших направлений повышения квантового выхода фотокатода может быть снижение давления в вакуумной камере при проведении процесса активировки поверхности эмиттера.

На текущий момент не проведено оценки величины работы выхода электронов из композиции Me/CsO. Одним из способов может являться оценка работы выхода по экспериментально полученным ВАХ темновых токов. Используя соотношение Фаулера-Нордгейма можно определить с некоторой погрешностью работу выхода электрона. При этом погрешность будет зависеть от точности определения действующего значения электрического поля. Рассмотрение различных способов определения работы выхода и ее оценка будут выполнены в дальнейшем.

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… 

/** */