Пути увеличения квантового выхода ИК-фотокатодов в гибридных приборах

Где A(hv) – параметр, определяемый основным механизмом рассеяния в материале; P_e(hv) – вероятность выхода фотоэлектрона, достигшего поверхности; α_p(hv)/α(hv) – отношение количества фотоэлектронов с энергией, большей энергии уровня вакуума, к общему количеству фотоэлектронов;  L(hv) – неупругая длина свободного пробега электронов; L_α(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 L_α(hv)/L(hv) минимально. Кроме того, вероятность выхода фотоэлектрона увеличивается с ростом величины α_pe(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 L_α(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.