Солнечно-слепые фотокатоды на основе гетероструктур AlGaN:Mg/AlN/c-Al2O3, полученные плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксией

  • Докладчик: Нечаев Д.В.
  • Тема: Солнечно-слепые фотокатоды на основе гетероструктур AlGaN:Mg/AlN/c-Al2O3, полученные плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксией.
  • Организация: Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

В настоящее время активно развиваются различные фотоприемники, работающие в солнечно-слепой области ультрафиолетового (УФ) диапазона с рабочей длиной волны λ<290нм. Такие приборы необходимы для эффективного обнаружения различных источников УФ-излучения, развития УФ-спектроскопии, разработки систем скрытой непрямой оптической связи и др. Широкозонные бинарные и тройные соединения (Al,Ga)N являются практически безальтернативной системой материалов для разработки этих фотоприемников, вследствие высокой химической, тепловой и радиационной стойкости этих соединений и возможности создания приборов, работающих в диапазоне длин волн λ=210 — 360нм [1].

Рис. 1. Энергетическая диаграмма приповерхностной области ФК.
Рис. 1. Энергетическая диаграмма приповерхностной области ФК.

Среди различных типов УФ-фотодетекторов важную роль играют фотокатоды (ФК), работа которых основана на фотоэмиссии электронов в вакуум под действием внешнего УФ излучения. На Рис. 1 приводится энергетическая диаграмма активной (приповерхностной) области ФК AlGaN:Mg, выращенной на более широкозонном темплейте AlN/cAl2O3. Поглощение УФ-излучения приводит к возбуждению в этой области электронно-дырочной пары с последующим баллистическим ускорением электрона в направлении поверхности под действием ускоряющего поля, сформированного в результате приповерхностного загиба зон р-легированного полупроводника. Эмиссия электронов с поверхности ФК обеспечивается за счет ее отрицательного электронного сродства (т.е. при выполнении условия evac<eс), возникающего в случае наличия диполей на поверхности, образующихся в случае ее активировки Cs-O [2-4]. В работе [2] было установлено, что возникающий дипольный момент приводит к снижению уровня вакуума в приповерхностной области на 2.6-2.8 эВ.

За последние две декады в мире и в России были успешно развиты высокочувствительные видимо-слепые УФ-ФК с длинноволновой границей фото-чувствительности λ<400 нм, изготовленные на основе бинарных соединений GaN или AlxGa1-xN с небольшим содержанием Al x<0.3). В первом поколении ФК на основе гетероструктур AlGaN:Mg/GaN/c-Al2O3, работавших лишь в режиме отражения, ограничение по максимальному содержанию Al [5]) было обусловлено генерацией растягивающих напряжений в активном слое, приводивших к его растрескиванию уже при относительно небольших толщинах. В следующем поколении солнечно-слепых ФК, работающих в обоих режимах отражения и пропускания, использовались гетероструктуры на основе активных слоев AlxGa1-xN:Mg с высоким содержанием Al (> 0.4), выращенных на темплейтах AlN/c-Al2O3, что исключило паразитное поглощение УФ-сигнала и несколько смягчило проблему образования трещин [6-8].

Солнечно-слепые ФК характеризуются существенно меньшими величинами фоточувствительности по сравнению с ФК ближнего УФ диапазона (λ=300-400 нм), что связано с рядом проблем эпитаксиального роста слоев AlGaN и их легирования p-типом проводимости. Критически важным параметром для оптимизации дизайна ФК является выбор толщины активной области, которая зависит в первую очередь от длины свободного пробега электронов в вюрцитных слоях AlGaN:Mg. Квантовая эффективность электронной эмиссии  из ФК в режиме пропускания (γe) в простейшем случае постоянной молярной доли Al в слоях AlGaN:Mg вычисляется с помощью выражения [9]:

молярной доли Al в слоях AlGaN:Mg

где R и α – коэффициенты оптического отражения и поглощения, Pe – вероятность выхода электрона в вакуум, LD – диффузионная длина электронов. Из приведенной формулы следует, что квантовая эффективность фотокатодов критически зависит от вероятности эмиссии электронов в вакуум и диффузионной длины электронов. На Рис.2 приведена теоретическая зависимость γe(LD) согласно формуле с параметрами Pe=0.3, R=0.2, α=2-6.8·105 см-1 [3,10,11], наглядно демонстрирующая необходимость достижения высоких (>100 нм) диффузионных длин электронов. Однако при гетероэпитаксии слоев III-N на рассогласованных подложках c-Al2O3 происходит снижение диффузионных длин электронов из-за высокой плотностью прорастающих дислокаций (ПД) (>109см-2), играющих роль центров рекомбинации. Таким образом, необходимы дальнейшие разработки получения либо низкодефектных буферных слоев AlN/c-Al2O3, либо развитие коммерчески рентабельных объемных подложек AlN с большей площадью (>1”).

Квантовая эффективность ФК определяется легированием примесью [Mg] в приповерхностных слоях приборов. В работе [11] было показано, что за счет изменения уровня и профиля легирования [Mg] в ФК на основе GaN:Mg можно повысить их γe от 18 до 63.7% (в режиме отражения), как показано на Рис. 3. Наивысшее значение γe были достигнута в ФК с градиентным профилем концентрации [Mg], снижавшейся в направлении к поверхности. Положительный эффект может быть объяснен введением электрического поля с амплитудой |E|, тянущего электроны к поверхности, что приводит к увеличению длины свободного пробега электронов за счет дополнительной дрейфовой длины: LEe |E|τ, где µe – подвижность электронов, τ — время жизни электронов. Оценки показали, что за счет этого эффекта диффузионная длина электронов может быть повышена от 150 до 250 нм.

Рис. 2. Теоретическая зависимость внутренней квантовой эффективности от длины свободного пробега электронов солнечно-слепого ФК на основе AlGaN.
Рис. 2. Теоретическая зависимость внутренней квантовой эффективности от длины свободного пробега электронов солнечно-слепого ФК на основе AlGaN.
Рис. 3. Спектральная зависимость γe ФК GaN:Mg с различной концентрацией Mg: 1 – [Mg]=1.6∙ 1017см-3, 2 – [Mg]=3∙1018см-3, 3 – [Mg]=1018-1016см-3 [11].
Рис. 3. Спектральная зависимость γe ФК GaN:Mg с различной концентрацией Mg: 1 – [Mg]=1.6∙ 1017см-3, 2 – [Mg]=3∙1018см-3, 3 – [Mg]=1018-1016см-3 [11].

Получение высокого уровня pлегирования в AlxGa1-xN:Mg слоях с x>0.4 является сложной задачей из-за повышения энергии ионизации примеси [Mg] от 170 (GaN) до 510 мэВ (AlN). Для решения этой проблемы было развито т.н. поляризационное pлегирование гексагональных AlxGa1-xN слоев с постепенно снижающимся x в направлении роста [12]. Снижение энергии ионизации дырок в AlGaN слоях происходит за счет вводимого поляризационного электрического поля. Дополнительным положительным эффектом этого поля является дрейфовое ускорение электронов к поверхности ФК, что приводит к возрастанию эффективной диффузионной длины.

И, наконец, значение γe определяется качеством подготовки (очистки) поверхности ФК перед ее активировкой пучками Cs-O. В работе [13] было показано, что даже незначительное снижение концентраций C и O (на 0.5-3%) за счет оптимальной обработки поверхности приводит к повышению квантовой эффективности примерно в 1.5 раза, что было объяснено лучшей адсорбцией Cs на более чистой поверхности AlGaN, приводящей к увеличению отрицательного электронного сродства.

На Рис. 4 приведены зонные диаграммы для ФК GaN:Mg и Al0.37Ga0.63N:Mg [3], построенные по измерениям рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Из них следует снижение электронного сродства, а также потенциального загиба вблизи поверхности в AlGaN слоях. Кроме того, на Рис. 5 демонстрируется существенное снижение подвижности электронов в слоях тройного соединения AlGaN по сравнению с подвижностями в бинарных слоях GaN и AlN, что обусловлено сильным рассеиванием электронов в слоях тройного соединения [14]. В результате этого в этих слоях можно ожидать меньшие длины свободного пробега электронов. И, наконец, в слоях AlxGa1-xN с высоким содержанием Al (x>0.3) наблюдается снижение вероятности эмиссии электронов с 0.4 до 0.3 вследствие меньшего дипольного момента Cs-O [3]. В результате действия всех вышеперечисленных факторов наблюдается существенное уменьшение квантовой эффективности ФК солнечно слепого диапазона по сравнению с видимо-слепыми ФК на основе GaN:Mg [15]. Максимальные значения фоточувствительности для солнечно-слепых ФК, достигнутые в 2017г. в работе Hao et al. [16], составляют 17.5 мА/Вт на длине волны λ=255 нм, что соответствует квантовой эффективности γe ~8.6%.

Рис. 4. Зонные диаграммы GaN:Mg (a) и A0.37Ga0.63N:Mg (b) [3].
Рис. 4. Зонные диаграммы GaN:Mg (a) и A0.37Ga0.63N:Mg (b) [3].
Рис. 5. Расчетные зависимости подвижности электронов в слоях AlGaN от их состава [14].
Рис. 5. Расчетные зависимости подвижности электронов в слоях AlGaN от их состава [14].

В России работы по созданию УФ-ФК были начаты в 2012г., когда были продемонстрированы первые ФК с отрицательным электронным сродством на основе слоев AlxGa1‑хN:Mg (х=0.3), выращенные с использованием технологий аммиачной и плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии (ПА МПЭ). Этот ФК показали квантовую эффективность ~13 и 1% в режимах отражения и пропускания, соответственно [17]. В дальнейшем развитие методов подавления зарождения ПД и их фильтрации в буферных слоях AlN/c-Al2O3 во время их роста с помощью ПА МПЭ с толщиной до 2 мкм позволили снизить плотности ПД в верхних активных областях гетероструктур до 3×109см-2. На рисунке 6 представлены различные дизайны активных областей солнечно слепых ФК на основе
AlxGa1-xN:Mg(x>0.4)/AlN гетероструктур с оптимизированной толщиной 110 нм [18,19]. Наилучшие результаты были получены для ФК с поляризационным легированием, полученным за счет формирования варизонных активных областей AlxGa1‑xN:Mg c градиентом по Al от 0.66 до 0.37 или от 0.8 до 0.55 в структурах ФК-2 и ФК-3, соответственно. Кроме получения р-типа проводимости градиент состава обеспечивал введение дополнительного электрического поля, увеличивавшего длину свободного пробега электронов за счет их дрейфа.

На Рис. 7 демонстрируются полученные спектральные характеристики полученных ФК, а также изображение выходного распределения интенсивности видимого свечения на рабочей области электронно-оптического преобразователя диаметром 18 мм. Среди всех приборов наибольшую фоточувствительность 27 мА/Вт на длине волны 226 нм (соответствующую γe=15%) продемонстрировал ФК‑3 с максимальным содержанием Al.

Рис. 6. Дизайн УФ-ФК на основе AlGaN:Mg, а так-же изображения фотокатодных узлов с электронно-оптическим преобразователем.
Рис. 6. Дизайн УФ-ФК на основе AlGaN:Mg, а так-же изображения фотокатодных узлов с электронно-оптическим преобразователем.
Рис. 7. Спектры фоточувствительности различных ФК на основе AlGaN:Mg (параметры структур приведены на вставке Рис.6).
Рис. 7. Спектры фоточувствительности различных ФК на основе AlGaN:Mg (параметры структур приведены на вставке Рис.6).

Дальнейшие разработки солнечно-слепых ФК будут нацелены на увеличение квантовой эффективности и спектральной селективности ФК за счет дальнейшей оптимизации дизайна варизонных AlGaN слоев приборных гетероструктур, исследования эффективности использования легирования с градиентным профилем распределения [Mg], а также повышения структурного качества приборов за счет снижения концентрации прорастающих дислокаций.

Литература

  • [1] A. Motogaito et al., Phys. Status Solidi (a) 188 (2001) 337–340.
  • [2] C.I. Wu, A. Kahn, Journal of Applied Physics 86(6) (1999) 3209.
  • [3] M. Sumiya et al.,  Appl. Surf. Sci. 256(14) (2010) 4442.
  • [4] F. Machuca et al.,  J. Vac. Sci. Technol. B. 21 (2003) 1863–1869.
  • [5] Y.R. Jung et al.,  Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003) 2349–2351.
  • [6] E. Muñoz et al., J. Phys.: Condens. Matter. 13  (2001) 7115–7137.
  • [7] E. Munoz, Phys. Stat. Sol. (b) 244 (2007) 2859–2877.
  • [8] E. Monroy, F. Omnes, F. Calle, Semicond. Sci. Technol. 18 (2003) R33–R51.
  • [9] W.E. Spicer, J. Phys. Colloques. 34 (1973) C6–19–C6–33.
  • [10] G. Hao et al., Optik 125 (2014) 1377-1379.
  • [11] X. Guo et al., Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 063104.
  • [12] O.V. Khokhlev, K.A Bulashevitch, S.Yu. Karpov, Phys. Stat. Sol. A 210(7) (2013) 1369-1376.
  • [13] G. Hao et al., Appl. Surf. Sci. 324 (2015) 590‑593.
  • [14] M.E. Coltrin, R.G. Kaplar, J. Appl. Phys. 121 (2017) 055706.
  • [15] S. Uchiyama et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 103511
  • [16] G. Hao, J.Liu, S. Ke, Appl. Optics 56(35) (2017) 9757-9761.
  • [17] М.Р. Айнбунд и др., Письма в ЖТФ 9 (2012) 88-95.
  • [18] Ю.К. Грузевич и др., Прикладная физика 4 (2015) 75.
  • [19] В.Н. Жмерик и др., Тезисы 25-й межд. науч.-техн. конф. по фотоэлектронике и приборам ночного видения (2018).

Петров Александр Сергеевич

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

Большая обзорная работа. Хотелось бы понять каков личный вклад в неё непосредственно автора доклада.

Нечаев Д.В.

Ответ:

Мною были выращены представленные в докладе гетеростуктуры

AlGaN:Mg/AlN/c-Al2O3 для последующего изготовления фотокатодных узлов,

иллюстрируемых на Рис.6 и обладающих чувствительностью в солнечно-слепой

области спектра.

Пашук Андрей Владимирович

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

Не могу согласиться с фразой: «Широкозонные бинарные и тройные соединения (Al,Ga)N являются практически безальтернативной системой материалов для разработки этих фотоприемников, вследствие высокой химической, тепловой и радиационной стойкости этих соединений и возможности создания приборов, работающих в диапазоне длин волн λ=210 — 360нм [1]. Так как в нашем институте разработан фотокатод работающий на просвет на основе CsTe, имеющий чувствительность 45мА/Вт(210-260 нм). Q=20-23%.

Нечаев Д.В.

Ответ:

Возможно мне стоило бы написать, что тройные соединения (Al,Ga)N являются наиболее привлекательной системой материалов для ФК. Это обусловлено тем, что в ряде применений УФ-ФК особое внимание уделяется длинноволновой пороговой границе фоточувствительности. Изготовление ФК с различными длинноволновыми пороговыми границами не представляет

сложности в системе материалов AlxGa1-xN за счет возможности непрерывного варьирования их ширины запрещенной зоны от 3,4 до 6,1 эВ. Кроме того, в данной технологии возможно формирование коротковолновых пороговых границ без использования внешних фильтров, что может быть достигнуто при введении дополнительного промежуточного поглощающего слоя

AlyGa1-yN (y>x) между буферным слоем AlN и активным слоем AlxGa1-xN:Mg.

Айнбунд Михаил Рувимович

 АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

 Интересно понять, какова спектральная чувствительность этих ф/катодов в видимом диапазоне (400 — 900 нм), т.е. насколько силен перепад чувствительности к рабочей области (например, по отношению к 280 и 250 нм) — это как раз к вопросу их возможности применения без дополнительных фильтров.

Нечаев Д.В.

Ответ:

Диапазон измерений спектров фоточувствительности составлял 200-450 нм.

Падение фоточувствительности на 450 нм по сравнению с рабочей

солнечно-слепой областью в лучших образцах составляло ~3 порядка

Зубков Василий Иванович

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Вопрос:

Очень глубокая и перспективная научная разработка. Технология и диагностика материала фотокатода – на самом высоком уровне. В чем Вы видите преимущества новых широкозонных материалов по сравнению с традиционно используемыми в качестве УФ-фотокатодов щелочными соединениями?

Нечаев Д.В.

Ответ:

Спасибо за хорошее замечание. В настоящее время фотокатоды могут быть изготовлены на основе различных материалов – от традиционных щелочных соединений, разрабатываемых с 50-х годов прошлого века, до относительно недавно предложенных широкозонных нитридных соединений A3N. У каждого из этих фотокатодов есть свои достоинства и недостатки. Преимуществом фотокатодов на основе щелочных соединений на основе Cs-Te является относительно высокая квантовая эффективность до ~19%, как было показано в 2018г. в работе Tang et al. [1]. Однако время жизни таких фотокатодов может варьироваться в зависимости от технологии изготовления от нескольких часов до нескольких месяцев [2]. Как правило, с ростом квантовой эффективности наблюдается падение время жизни фотокатодов, и на практике необходимо искать баланс между этими характеристиками. Отметим, что формы спектров фотокатодов зависят от технологии их изготовления, в первую очередь от соотношения Cs/Te и температуры осаждения. Кроме того, для некоторых приложений существенным недостатком является недостаточно резкий характер пороговой границы чувствительности и невозможность ее регулирования [1,3]. Например, в ядерной физике используется сцинтилляционный кристалл-детектор BaF2, излучающий как длинноволновую компоненту (250-300 нм) с временем послесвечения несколько миллисекунд («медленная» компонента), так и коротковолновую «быструю» компоненту на длине волны ~220 нм с временем послесвечения несколько наносекунд. Для повышения точности измерений ядерных процессов необходимо обеспечить фоторегистрацию только быстрой компоненты. Решение этой задачи возможно при использовании фотокатодов на основе широкозонных соединений AlxGa1-xN, которые характеризуются резкой пороговой границей фоточувствительности и возможностью ее задания в диапазоне длин волн от 360 до 220 нм с помощью изменения содержания Al (0<x<1) в твердом растворе. Вопрос стабильности параметров изучается, но по первым нашим результатам падение чувствительности фотокатодов на основе Al0.4Ga0.6N:Mg не превышало 10% при наработке на отказ в течение 5000ч [4]. Таким образом, уникальные свойства фотокатодов на основе AlGaN могут успешно использоваться в некоторых приложениях.

[1] G. Tang et al. Appl. Optics 57 (27), 2018, P.8060.

[2] A. Fry et. al., Experience at Fermilab with high quantum efficiency photo-cathodes for RF electron guns.

[3] H. Kobayashi et al. Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. Sec. A 270(1), 1988, P.106-109.

[4] Ю. К. Грузевич и др., Прикладная физика, 2015, № 4, С.75-80.

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… 

/** */