СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭМИТТЕРА С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ СРОДСТВОМ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
METHOD OF MAKING NEGATIVE ELECTRON AFFINITY PHOTOEMITTER FOR INFRARED REGION

Предполагаемое изобретение относится к области эмиссионной и наноэлектроники и может быть использовано в разработке и в технологии производства фотоэлектронных преобразователей второго поколения, эмиттеров с отрицательным электронным сродством для приборов ИК-диапазона.
Известен способ изготовления фотоэмиттера, заключающийся в формировании на поверхности многокомпонентного материала пленку атомов щелочного металла толщиной в один атомный слой. Такая пленка снижает работу выхода электрона ниже массивного материала пленки [Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука. 1966. - 564 с.].
Недостатком известного способа является низкий квантовый выход, а соответственно невысокая фоточувствительность фотоэмиттера. Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ изготовления фотоэмиттера с отрицательным электронным сродством для инфракрасного диапазона, заключающийся в нагреве поверхности подложки (основы) из легированного арсенида галлия с дырочной проводимостью (p-GaAs), в снижении температуры до комнатной, напыления на поверхность подложки поочередно атомов цезия и кислорода, в измерении тока фотоэмиссии с поверхности [Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Высшая школа, 1974. - 376 с. Заводская технологическая документация].
Недостатком известного способа является невысокая фоточувствительность и малое время технологической жизни после формитрования и до запайки в прибор.
Технический результат направлен на увеличение фоточувствительности и на повышение времени технологической жизни, интервала времени после формирования до запайки в прибор.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления фотоэмиттера с отрицательным электронным сродством для инфракрасного диапазона, заключающемся в нагреве поверхности подложки (основы) из легированного арсенида галлия с дырочной проводимостью (p-GaAs), в снижении температуры до комнатной, в напылении на поверхность подложки поочередно атомов цезия и кислорода, в измерении тока фотоэмиссии с поверхности, при этом подложку нагревают до повышения концентрации мышьяка на поверхности более чем в 1.5 раза, затем фиксируют состав поверхности резким снижением температуры подложки до комнатной температуры, затем напыляют поочередно атомы цезия и кислорода дозами долей монослоя до образования цезиевой пленки моноатомной толщины, затем эмиттер помещают на несколько минут в атмосферу инертного газа.
На Фиг.1 приведена зависимость относительной концентрации атомов мышьяка от температуры во внешнем моноатомном слое поверхности арсенида галлия.
На Фиг.2 приведены зависимости величин пиков галлия, мышьяка и цезия в спектрах рассеянных ионов при изменении поверхностной концентрации атомов цезия в субмоноатомной пленке от нуля до монослоя.
На Фиг.3 приведены спектры рассеянных ионов поверхности арсенида галлия с монатомной пленкой цезия без кислорода (а) и с моноатомным слоем кислорода под монатомным слоем цезия (б).
На Фиг.4 представлена зонная схема эмиттера с отрицательным электронным сродством при формировании субнанослойной пленки атомов цезия и кислорода на поверхности арсенида галлия р-типа.
-10
-11
-4
Устройством для реализации предлагаемого способа служит типовая технологическая установка. Она представляет собой сверхвысоковакуумную технологическую камеру с безмасляной откачкой с вакуумом не хуже 10 Торр; рабочий вакуум порядка 10 Торр, содержащая загрузочный шлюз, манипуляторы и устройства для сборки и вакуумирования фотоэлектронного преобразователя после формирования эмиттера и размещения его в приборе. Технологическая установка дополнительно оснащается спектрометром обратно рассеянных ионов низких энергий (СОРИНЭ) для контроля элементного состава поверхности формируемого эмиттера, а также средствами напуска инертного газа в камеру до давления не более 10 Торр и его откачки. В вакуумную технологическую камеру при этом встраиваются функциональные узлы спектрометра: ионная пушка ионов инертного газа на энергии 0.1-5 кэВ и энергетический анализатор дисперсионного типа.
Система напуска инертного газа содержит источник (баллон) инертного газа марки ОсЧ емкостью до долей литра, редуктор, кран, натекатель и магниторазрядный насос ионизационный НМДИ, способный откачивать инертные газы.
Способ осуществляется следующим образом. Полупроводниковая пленка фотоэмитера из арсенида галлия р-типа размещается в технологической камере и нагревается до температуры неконгруентного испарения атомов поверхности. Одновременно контролируется изменение состава одного внешнего моноатомного слоя поверхности в зависимости от температуры нагрева. Эта зависимость имеет вид, приведенный на Фиг.1. При обогащении поверхности атомами мышьяка более чем в 1.5 раза нагрев прекращается. За этим обогащением следует деструкция кристалла: испарение мышьяка и образование капель галлия. Резким снижением температуры, не доводя процесс до деструкции, это достигнутое состояние поверхности фиксируется для комнатной температуры. Затем на подготовленную поверхность арсенида галлия напыляются поочередно атомы цезия и кислорода субмонослойными дозами с контролем фототока. Критерием прекращения напыления очередной дозы цезия и кислорода является отсутствие роста фототока от напыляемых атомов, а также контроль напыленной дозы цезия по поверхностной концентрации атомов галлия, мышьяка и цезия. Зависимости поверхностной концентрации атомов As, Ga, Cs от дозы напыления имеет вид, приведенный на Фиг.2. Так как атомы кислорода уходят под атомы цезия и находятся во втором монослое, то они экранируются атомами цезия и не отражаются в спектре в виде пика. Наличие или отсутствие атомов кислорода во втором слое обнаруживается их влиянием на зарядовое состояние цезия, а соответственно на величину пика цезия (Фиг.3). После напыления кислорода нейтрализационная способность цезия уменьшается и пик цезия становится больше по величине, чем при отсутствии цезия. Это является следствием отбора электрона цезия атомом кислорода. Сформированная поверхность таким образом позволяет достигать чувствительности более 0.2 электрона на квант или более 1000 мкА/лм.
oб.cp
i1
тэ
Д
зап
об
ср.об
Такая фоточувствительность обусловлена значительным снижением потенциального барьера Δеφ на поверхности вследствие одновременного изгиба зон R и снижения потенциального барьера Δχ, то есть сродства к электрону (Фиг.4). Измерения изменений пиков цезия и подложки в зависимости от концентрации на поверхности, а также в зависимости от технологических факторов показали, что цезий на поверхности адсорбируется частично в виде ионов, а частично в виде диполей. Адионы цезия образуют медленные поверхностные состояния. В виду малого потенциала ионизации цезия (eV=3.89 эВ) при работе выхода поверхности арсенида галлия термоэлектронной eφ=4.5 эВ и фотоэлектронной еφ=5.6-6 эВ и с учетом эффекта Герни о возбуждении энергетических уровней адатомов становится очевидным, что поверхностные состояния цезия Е оказываются в зоне проводимости (Фиг.4). При использовании полупроводниковой подложки р-типа изгиб зон увеличивается еще на половину ширины запрещенной зоны ΔЕ/2. В такой ситуации происходит пиннинг (закрепление, фиксация) уровня Ферми на поверхности, а в данном случае в зоне проводимости. Поэтому при мелких акцепторных уровнях изгиб зон составляет более величины ширины запрещенной зоны, то есть более 1.6-2 эВ. Из эксперимента по адсорбции цезия на вольфраме известно, что дипольная составляющая по величине при адсорбции моноатомного слоя цезия достигает 2-2.5 эВ. При ширине зоны проводимости арсенида галлия в объеме Δχ/=4 эВ общее снижение потенциального барьера вполне может быть более энергии сродства Δχ. Тогда нулевой уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости в объеме. Энергетические уровни объема и поверхности в зонной схеме при изгибе зон и снижении потенциального барьера приведены на Фиг.4.
-11
-5
После формирования эмиттера сформированная пленка на поверхности деградирует с постепенным уменьшением фоточувствительности. Камерное время жизни составляет единицы или чуть более десятка минут даже при вакууме 10 Торр. Для повышения технологического (камерного) времени жизни сформированный эмиттер согласно предполагаемому изобретению помещается на несколько минут в атмосферу неона при давлении ниже 10 Торр. Эта операция резко снижает деградационные процессы и удлиняет камерное время по меньшей мере на сутки, то есть более чем в 100 раз.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое изобретение позволяет увеличить фоточувствительность эмиттера в 3-6 раз и увеличить камерное время жизни эмиттера более чем в 100 раз.