RU2249877C2 - Device for producing photoelectronic emission into vacuum - Google Patents
Device for producing photoelectronic emission into vacuum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2249877C2 RU2249877C2 RU2003112800/09A RU2003112800A RU2249877C2 RU 2249877 C2 RU2249877 C2 RU 2249877C2 RU 2003112800/09 A RU2003112800/09 A RU 2003112800/09A RU 2003112800 A RU2003112800 A RU 2003112800A RU 2249877 C2 RU2249877 C2 RU 2249877C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor material
- activated
- vacuum
- concentration
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J40/00—Photoelectric discharge tubes not involving the ionisation of a gas
- H01J40/02—Details
- H01J40/04—Electrodes
- H01J40/06—Photo-emissive cathodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/34—Photo-emissive cathodes
Landscapes
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники, а именно к фотоэмиссионным полупроводниковым устройствам, работающим в видимой и ближней ультрафиолетовой области. Такие устройства могут быть использованы для создания нового класса эффективных фотоэлектронных приборов (фотоэмиттеров, фотокатодов) на базе широкозонных полупроводников.The invention relates to the field of electronic vacuum electronic equipment, namely to photoemission semiconductor devices operating in the visible and near ultraviolet region. Such devices can be used to create a new class of efficient photoelectronic devices (photoemitters, photocathodes) based on wide-gap semiconductors.
Подобные фотоэлектронные приборы предназначены для регистрации слабых сигналов, а также электронно-оптического преобразования сигналов, применяющихся в оптике, ядерной физике, автоматике, медицине, телевизионной технике и в других областях. Для практического применения эти устройства должны обеспечивать высокий квантовый выход в сочетании с хорошо воспроизводимой спектральной характеристикой фотоэлектронной эмиссии.Such photoelectronic devices are designed to register weak signals, as well as electron-optical conversion of signals used in optics, nuclear physics, automation, medicine, television and other fields. For practical use, these devices should provide a high quantum yield in combination with a well reproducible spectral characteristic of photoelectron emission.
Известно устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра, состоящее из полупроводникового материала р-типа проводимости на основе пленок сурьмы с покрытием из щелочного металла (см. А.Соммер, "Фотоэмиссионные материалы", - Москва, Изд. "Энергия", – 1973 г., стр.64-103).A device for producing photoelectron emission in the visible and near ultraviolet spectral region, consisting of p-type semiconductor material based on antimony films with an alkali metal coating (see A. Sommer, "Photoemission materials", Moscow, Energia. ", - 1973, pp. 64-103).
Известное устройство обеспечивает высокий квантовый выход η (электрон на падающий фотон), равный 0,3-0,35 в максимуме, близкий к теоретически полученным оценкам. Основным недостатком этого устройства является невоспроизводимость спектральных характеристик, длинноволновый край которых может неконтролируемо смещаться по энергии на величину от 1 эВ до 2 эВ, что связано с трудностью управления режимами получения самих полупроводниковых материалов (см. А.Г.Берковский, В.А.Гаванин, И.Н.Зайдель. - "Вакуумные фотоэлектронные приборы", - Москва, Изд. "Энергия", - 1976 г., стр.32).The known device provides a high quantum yield η (electron per incident photon), equal to 0.3-0.35 at maximum, close to theoretically obtained estimates. The main disadvantage of this device is the irreproducibility of spectral characteristics, the long-wavelength edge of which can shift uncontrollably in energy by 1 eV to 2 eV, which is associated with the difficulty in controlling the production modes of the semiconductor materials themselves (see A.G. Berkovsky, V.A. Gavanin , I.N. Zaidel. - "Vacuum Photoelectronic Devices", - Moscow, Publishing House "Energy", - 1976, p. 32).
Известен фотокатод для электронной трубки, эмиссионная поверхность которого выполнена из полупроводникового материала р-типа проводимости, имеющего концентрацию акцепторной примеси по меньшей мере 1018 см-3 и выбранного из группы, состоящей из полупроводниковых материалов АIIIBV или их соединений, имеющих ширину запрещенной зоны 1,1-1,6 эВ. Эмиссионная поверхность фотокатода активирована щелочным металлом. Материал АIII выбран из группы: В, Al, Ga, In. Материал BV выбран из группы: N, Р, As, Sb (см. Патент США №3387161, МПК Н 01 J 039/00, опубликован 04.06.1968).A photocathode is known for an electron tube whose emission surface is made of p-type semiconductor material having an acceptor impurity concentration of at least 10 18 cm -3 and selected from the group consisting of semiconductor materials A III B V or their compounds having a forbidden width bands 1.1-1.6 eV. The emission surface of the photocathode is activated by an alkali metal. Material A III is selected from the group: B, Al, Ga, In. Material B V is selected from the group: N, P, As, Sb (see US Patent No. 3387161, IPC H 01 J 039/00, published June 4, 1968).
Известное устройство имеет хорошо воспроизводимые полупроводниковые свойства при одновременном обеспечении высокого квантового выхода в видимой области спектра. Недостатком данного устройства является резкое уменьшение квантового выхода в спектральном диапазоне длин волн 620-800 нм и в ближней ультрафиолетовой области 300-400 нм.The known device has well reproducible semiconductor properties while providing a high quantum yield in the visible region of the spectrum. The disadvantage of this device is a sharp decrease in the quantum yield in the spectral wavelength range of 620-800 nm and in the near ultraviolet region of 300-400 nm.
Известен фотокатод, выполненный из материала GaAs, активированного цезием (см. J.J.Scheer and J. Van Laar. - "GaAs-Cs: A new type of photoemitter". - Sol. State Commun. - V.3, 1965, р.189-193). У известного фотокатода GaAs-Cs квантовый выход η в спектральном диапазоне 400-600 нм составляет η =0,4, а при 800 нм составляет η =0,08.A known cathode made of cesium-activated GaAs material (see JJScheer and J. Van Laar. - "GaAs-Cs: A new type of photoemitter". - Sol. State Commun. - V.3, 1965, p. 189 -193). For the known GaAs-Cs photocathode, the quantum yield η in the spectral range 400-600 nm is η = 0.4, and at 800 nm it is η = 0.08.
Недостатком известного устройства является резкое уменьшение квантового выхода в диапазоне длин волн 620-800 нм. Кроме того, известно, что цезиевые покрытия на поверхности полупроводника GaAs нестабильны и достаточно быстро разрушаются из-за большой подвижности цезиевых атомов на поверхности данного материала.A disadvantage of the known device is a sharp decrease in the quantum yield in the wavelength range of 620-800 nm. In addition, it is known that cesium coatings on the surface of a GaAs semiconductor are unstable and quickly deteriorate due to the high mobility of cesium atoms on the surface of this material.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум (см. Европейская заявка №1024513, МПК Н 01 J 1/34, опубликована 02.08.2000), выбранное в качестве прототипа. Известное устройство состоит из слоя р-типа проводимости широкозонного полупроводника на основе III-нитридов, в частности GaN, активированного щелочным металлом или его окисью.The closest set of essential features to the claimed solution is a device for producing photoelectronic emission in a vacuum (see European application No. 1024513, IPC H 01
Известное устройство-прототип позволяет получить воспроизводимую спектральную характеристику и высокий квантовый выход, но в узком спектральном диапазоне 200-350 нм. Высокий квантовый выход достигнут благодаря использованию эффекта отрицательного электронного сродства и слоев р-типа проводимости с разным уровнем легирования от концентрации примеси 1016 см-3 вблизи поверхности слоя до концентрации примеси 5· 1018 см-3 в глубине слоя полупроводника. Введение слаболегированного слоя вблизи поверхности позволяет увеличить диффузионную длину носителей заряда и уменьшить число дефектов, связанное с высокой концентрацией легирующей примеси. Основным недостатком известного устройства является очень низкий квантовый выход η <<0,001 для длин волн больше, чем 350 нм.The known prototype device allows to obtain reproducible spectral characteristics and high quantum yield, but in a narrow spectral range of 200-350 nm. A high quantum yield was achieved due to the use of the negative electron affinity effect and p-type conductivity layers with different doping levels from
Задачей настоящего изобретения являлось создание устройства для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум с высоким квантовым выходом в более широком спектральном диапазоне и с воспроизводимой спектральной характеристикой.The present invention was to provide a device for producing photoelectron emission in vacuum with a high quantum yield in a wider spectral range and with reproducible spectral characteristics.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум включает слой из полупроводникового материала на основе нитридов элементов третьей группы n-типа проводимости с концентрацией носителей не менее 5· 1016 см-3, с шириной запрещенной зоны Еg, со сродством к электрону χ и работой выхода электрона φ на обращенной в вакуум рабочей поверхности упомянутого слоя полупроводникового материала, активированной щелочным металлом или его окислом, удовлетворяющими соотношениям:This object is achieved in that the device for producing photoelectron emission in vacuum includes a layer of semiconductor material based on nitrides of elements of the third group of n-type conductivity with a carrier concentration of at least 5 · 10 16 cm -3 , with a band gap E g , with affinity to the electron χ and the electron work function φ on the vacuum surface of the working surface of the said semiconductor material layer activated by an alkali metal or its oxide, satisfying the relations:
Еg>χ , эВ;E g > χ, eV;
χ >φ , эВ.χ> φ, eV.
Слой полупроводникового материала может быть выращен на подложке из диэлектрического или полупроводникового материала, показатель преломления n которого меньше показателя преломления np слоя полупроводникового материала.The semiconductor material layer can be grown on a substrate of dielectric or semiconductor material, the refractive index n of which is less than the refractive index n p of the semiconductor material layer.
Подложка может быть выполнена из сапфира, из арсенида галлия, из кремния.The substrate can be made of sapphire, gallium arsenide, silicon.
Рабочая поверхность слоя полупроводникового материала может быть активирована цезием или окислом цезия, в частности, в виде их монослоя или полумонослоя.The working surface of the semiconductor material layer can be activated by cesium or cesium oxide, in particular in the form of their monolayer or half-layer.
Рабочая поверхность слоя полупроводникового материала может быть активирована барием или окислом бария, а также калием или окислом калия, в частности, в виде их монослоя или полумонослоя.The working surface of the semiconductor material layer can be activated by barium or barium oxide, as well as potassium or potassium oxide, in particular in the form of their monolayer or half-layer.
Слой полупроводникового материала может быть выполнен из нитрида галлия n-типа проводимости, гексагональной модификации. Для таких слоев типичной структурной особенностью является мозаичная (колончатая) структура с характерными размерами доменов 200-800 нм (Fernando A. Ponce - "Structural defects and materials performance of the III-V nitrides in Group III-nitride semiconductor compounds physics and applications". - Ed. by Bernard Gil, Oxford - Clarendon Press, 1998). Наклон и разворот доменов, особенности релаксации этой сложной системы дефектов играют важную роль в формировании электрических и оптических свойств нитридов (N.M.Shmidt, M.N.Besyulkin, M.S.Dunaevsky, A.G.Kolmakov, A.V.Sakharov, A.S.Usicov, E.E.Zavarin. - "Mosaicity and electrical and optical properties of group III-Nitrides". - Journal of Physics: Condensed Matter, V 14, № 48, 13025-13030, 2002). Известно, что структурные особенности нитридов можно охарактеризовать, исследуя шероховатость поверхности с помощью атомносиловой микроскопии (АСМ). Шероховатость отражает разориентацию и степень релаксации доменов. Исследования последних лет показали, что более полно структурные особенности могут быть охарактеризованы путем обработки данных АСМ исследований методами мультифрактального анализа с использованием такого параметра, как степень упорядоченности мозаичной структуры. Для эпитаксиальных слоев с хорошо отрелаксировавшими доменами, имеющими малые углы наклона и разворота, этот параметр имеет значения не менее чем -0,33, что соответствует шероховатости поверхности не более чем 2 нм.The semiconductor material layer may be made of gallium nitride of n-type conductivity, hexagonal modification. For such layers, a typical structural feature is a mosaic (columnar) structure with characteristic domain sizes of 200-800 nm (Fernando A. Ponce - "Structural defects and materials performance of the III-V nitrides in Group III-nitride semiconductor compounds physics and applications". - Ed. By Bernard Gil, Oxford - Clarendon Press, 1998). The tilt and rotation of domains, the relaxation features of this complex system of defects play an important role in the formation of the electrical and optical properties of nitrides (NMShmidt, MNBesyulkin, MSDunaevsky, AGKolmakov, AVSakharov, ASUsicov, EEZavarin. - "Mosaicity and electrical and optical properties of group III-Nitrides ". - Journal of Physics: Condensed Matter, V 14, No. 48, 13025-13030, 2002). It is known that the structural features of nitrides can be characterized by studying the surface roughness using atomic force microscopy (AFM). The roughness reflects the disorientation and degree of relaxation of the domains. Recent studies have shown that structural features can be more fully characterized by processing AFM data by multifractal analysis using a parameter such as the degree of order of the mosaic structure. For epitaxial layers with well-relaxed domains with small tilt and turn angles, this parameter has values of no less than -0.33, which corresponds to a surface roughness of not more than 2 nm.
Слой полупроводникового материала может быть легирован кремнием или углеродом с концентрацией примеси 1017-1018 см-3.The semiconductor material layer can be doped with silicon or carbon with an impurity concentration of 10 17 -10 18 cm -3 .
Слой полупроводникового материала может быть выполнен из твердого раствора AIGaN n-типа проводимости и легирован кремнием или углеродом с концентрацией примеси 1017-1018 см-3.The semiconductor material layer can be made of n-type AIGaN solid solution and doped with silicon or carbon with an impurity concentration of 10 17 -10 18 cm -3 .
В качестве полупроводникового материала в заявляемом устройстве использован материал III-нитриды - полупроводник, обладающий n-типом проводимости (легированный донорными примесями с концентрацией выше, чем 1017 см-3) и характеризующийся условиями: Еg>χ и χ >φ .As a semiconductor material in the inventive device, material III-nitrides is used - a semiconductor having an n-type conductivity (doped with donor impurities with a concentration higher than 10 17 cm -3 ) and characterized by the conditions: Е g > χ and χ> φ.
Условие χ >φ достигается активированием поверхности полупроводника путем нанесения на нее монослойного или полумонослойного покрытия из щелочного металла. Условие χ >φ является необходимым для существования слоя вырожденного электронного газа вблизи поверхности в тонкой области размерами 10-20 нм в приповерхностной области полупроводника. Условие Еg>χ дает возможность для эффективного возбуждения фотоэлектронной эмиссии из зоны проводимости полупроводника. Возбуждение фотоэлектронной эмиссии производят облучением светом со стороны эмитирующей поверхности под углом к ней. Угол между нормалью к поверхности и возбуждающим светом может составлять величину от 0° до угла Брюстера.The condition χ> φ is achieved by activating the surface of the semiconductor by applying a monolayer or half-layer coating of alkali metal on it. The condition χ> φ is necessary for the existence of a layer of degenerate electron gas near the surface in a
Одним из основных отличительных признаков заявляемого устройства является выбор в качестве полупроводникового материала широкозонного полупроводника n-типа проводимости. Обычно считается, что использование в качестве материала фотокатода полупроводников n-типа проводимости является неэффективным из-за наличия отрицательного заряда на поверхности, который препятствует выходу электронов из полупроводника в вакуум. В результате подобные фотоэлектронные эмиттеры имеют низкий квантовый выход η <0.01. Активирование поверхности путем нанесения щелочного металла или его окисла на поверхность широкозонного полупроводникового материала n-типа проводимости приводит к новым условиям: Еg>χ и χ >φ , что позволяет устранить этот недостаток и обеспечить существование вырожденного электронного газа большой плотности в приповерхностной области полупроводникового материала, а на поверхности положительного пространственного заряда, который увеличивает выход электронов в вакуум.One of the main distinguishing features of the claimed device is the choice as a semiconductor material of a wide-gap semiconductor of n-type conductivity. It is generally believed that the use of n-type semiconductors as the photocathode material is inefficient due to the presence of a negative charge on the surface, which prevents the escape of electrons from the semiconductor to vacuum. As a result, such photoelectronic emitters have a low quantum yield η <0.01. Surface activation by applying an alkali metal or its oxide to the surface of a wide-gap n-type semiconductor material leads to new conditions: Е g > χ and χ> φ, which eliminates this drawback and ensures the existence of a high density degenerate electron gas in the surface region of the semiconductor material , and on the surface of a positive space charge, which increases the exit of electrons into the vacuum.
Кроме того, использование материала n-типа проводимости обеспечивает увеличение диффузионной длины носителей заряда более простым способом, чем в прототипе. Хорошо известно, что диффузионная длина в полупроводниковом материале n-типа проводимости всегда выше, чем в материале р-типа проводимости. Поэтому в предлагаемом устройстве нет необходимости получения нескольких слоев материала с разной концентрацией примесей и носителей заряда. Благодаря существенно большим диффузионным длинам растет квантовый выход в длинноволновой области спектра.In addition, the use of n-type conductivity material provides an increase in the diffusion length of charge carriers in a simpler way than in the prototype. It is well known that the diffusion length in an n-type semiconductor material is always higher than in a p-type material. Therefore, in the proposed device there is no need to obtain several layers of material with different concentrations of impurities and charge carriers. Due to the substantially large diffusion lengths, the quantum yield in the long-wavelength region of the spectrum increases.
Таким образом, поставленная задача получения высокого квантового выхода достигается более простым конструктивным решением, чем в прототипе, при одновременном расширении спектрального диапазона чувствительности. Кроме того, расширяется круг материалов, обеспечивающих высокий квантовый выход.Thus, the task of obtaining a high quantum yield is achieved by a simpler constructive solution than in the prototype, while expanding the spectral range of sensitivity. In addition, the range of materials providing a high quantum yield is expanding.
Поясним это положение. Известно, что квантовый выход фотоэлектронной эмиссии η определяется:Let us explain this position. It is known that the quantum yield of photoelectron emission η is determined by:
η =B1× В2× В3;η = B 1 × B 2 × B 3 ;
где: B1 - вероятность возбуждения заполненных электронных состояний полупроводника светом на энергетический уровень с энергией выше или равной работе выхода;where: B 1 - the probability of excitation of the filled electronic states of the semiconductor with light to an energy level with an energy higher than or equal to the work function;
B2 - вероятность достижения электронов поверхности;B 2 is the probability of reaching surface electrons;
В3 - вероятность преодоления электронами поверхностного барьера.In 3 - the probability of overcoming the surface barrier by electrons.
Вероятность B1 пропорциональна плотности ρ (hν ), см-3В-1, занятых электронных состояний, участвующих в фотоэлектронной эмиссии, и матричному элементу M1, см3, возбуждения занятых электронных состояний полупроводника, участвующих в фотоэлектронной эмиссии:The probability B 1 is proportional to the density ρ (hν), cm -3 V -1 , of occupied electronic states participating in photoelectron emission, and to the matrix element M 1 , cm 3 , of the excitation of occupied electronic states of a semiconductor participating in photoelectron emission:
B1=C1× ρ (hν )× M1,B 1 = C 1 × ρ (hν) × M 1 ,
где: C1 - постоянная, эВ.where: C 1 - constant, eV.
Для устройства-прототипа фотоэлектронная эмиссия осуществляется при возбуждении электронов из валентной зоны, где край зоны ЕV, эВ, и где плотность ρ (hν ) занятых электронных состояний на краю зоны равна нулю ρ (hν )=0 при Е=EV, а затем медленно увеличивается по закону:For the prototype device, photoelectron emission occurs when electrons are excited from the valence band, where the edge of the band is E V , eV, and where the density ρ (hν) of occupied electronic states at the edge of the band is zero ρ (hν) = 0 at E = E V , and then slowly increases according to the law:
ρ (hν )=С1× ν (Е-Еv),ρ (hν) = С 1 × ν (Е-Е v ),
где: С1 - постоянная, см-3 эВ3/2;where: C 1 - constant, cm -3 eV 3/2 ;
Е - энергия, эВ.E is energy, eV.
В заявляемом устройстве при фотоэлектронной эмиссии из приповерхностной области полупроводника, где существуют занятые электронные состояния вырожденного электронного газа в зоне проводимости, плотность ρ (hν ) занятых электронных состояний велика:In the inventive device when photoelectron emission from the surface region of the semiconductor, where there are occupied electronic states of a degenerate electron gas in the conduction band, the density ρ (hν) of occupied electronic states is high:
ρ (hν )=А;ρ (hν) = A;
где А - постоянная, см-3 эВ-1.where A is a constant, cm -3 eV -1 .
Следовательно, в заявляемом устройстве происходит резкое увеличение, по сравнению с устройством-прототипом, плотности занятых электронных состояний, участвующих в фотоэлектронной эмиссии. Матричный элемент M1 в заявляемом устройстве соответствует устройству-прототипу.Therefore, in the inventive device there is a sharp increase, compared with the prototype device, the density of occupied electronic states involved in photoelectron emission. The matrix element M 1 in the inventive device corresponds to the prototype device.
Вероятность В2 пропорциональна диффузионной длине носителей заряда. Хорошо известно, что диффузионная длина в полупроводниковом материале n-типа проводимости всегда выше, чем в материале р-типа проводимости.The probability B 2 is proportional to the diffusion length of the charge carriers. It is well known that the diffusion length in an n-type semiconductor material is always higher than in a p-type material.
Таким образом, оба условия ведут к увеличению квантового выхода для заявляемого устройства.Thus, both conditions lead to an increase in the quantum yield for the claimed device.
Вероятность В3 не хуже, чем у устройства-прототипа, поскольку в заявляемом устройстве она обеспечивается положительным зарядом на поверхности, что создает поле, вытягивающее электроны в вакуум.The probability of B 3 is not worse than that of the prototype device, since in the inventive device it is provided with a positive charge on the surface, which creates a field that draws the electrons into the vacuum.
Для заявляемого устройства обеспечивается проводимость n-типа с концентрацией носителей не ниже, чем 5· 1016 см-3, путем легирования слоя полупроводникового материала донорными примесями. Известно, что эпитаксиальные слои III нитридов с концентрацией примесей ниже, чем 5· 1016 см-3, имеют вблизи поверхности обедненные области объемного заряда, протяженность которых в глубину слоя составляет примерно 1 мкм, что вызвано собственными самокомпенсирующимися дефектами. Обедненные области препятствуют эмиссии электронов. Введение легирующей примеси, например кремния, обеспечивает получение концентрации носителей не ниже, чем 5· 1016 см-3, и позволяет подавить образование этих областей.For the inventive device provides n-type conductivity with a carrier concentration of not lower than 5 · 10 16 cm -3 , by doping a layer of semiconductor material with donor impurities. It is known that epitaxial III nitride layers with an impurity concentration lower than 5 · 10 16 cm -3 have depleted space charge regions near the surface, the length of which in the depth of the layer is about 1 μm, which is caused by intrinsic self-compensating defects. Depleted areas interfere with electron emission. The introduction of a dopant, for example silicon, provides a carrier concentration of no lower than 5 · 10 16 cm -3 and allows the suppression of the formation of these regions.
Заявляемое устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум поясняется чертежами, где:The inventive device for producing photoelectron emission in vacuum is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 схематически изображен вид сбоку в разрезе одного из вариантов реализации заявляемого устройства для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум;figure 1 schematically shows a side view in section of one embodiment of the inventive device for obtaining photoelectron emission in a vacuum;
на фиг.2 схематически изображен вид сверху на устройство, изображенное на фиг.1, в разрезе по А-А;figure 2 schematically shows a top view of the device depicted in figure 1, in a section along aa;
на фиг.3 схематически изображен другой вариант реализации заявляемого устройства для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум;figure 3 schematically shows another embodiment of the inventive device for producing photoelectron emission in a vacuum;
на фиг.4 схематически изображен вид сверху на устройство, изображенное на фиг.3, в разрезе по Б-Б;in Fig.4 schematically shows a top view of the device depicted in Fig.3, in section along BB;
на фиг.5 приведена схема измерения фотоэлектронной эмиссии в вакуум, получаемой с помощью заявляемого устройства,figure 5 shows a diagram of the measurement of photoelectron emission in vacuum, obtained using the inventive device,
на фиг.6 показана зонная диаграмма полупроводника n-типа проводимости, поверхность которого активирована щелочным металлом или его окислом;Fig.6 shows a band diagram of an n-type semiconductor, the surface of which is activated by an alkali metal or its oxide;
на фиг.7 приведены спектральные характеристики квантового выхода для устройства-прототипа (а) и заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, поверхность которого активирована цезием (б);Fig. 7 shows the spectral characteristics of the quantum yield for the prototype device (a) and the claimed device, including an n-type GaN layer, the surface of which is activated by cesium (b);
на фиг.8 показаны спектральные характеристики квантового выхода для устройства-прототипа (а), заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, поверхность которого активирована окислом цезия (б), и заявляемого устройства, включающего слой Al0,15Ga0,85N n-типа проводимости, поверхность которого активирована окислом цезия (в).on Fig shows the spectral characteristics of the quantum yield for the device of the prototype (a), the inventive device, including an n-type GaN layer, the surface of which is activated by cesium oxide (b), and the inventive device, including an Al layer of 0.15 Ga 0, 85 N n-type conductivity, the surface of which is activated by cesium oxide (c).
на фиг.9 приведена схема ориентации электрических векторов s-поляризованной и р-поляризованной световых волн, возбуждающих заявляемое устройство.figure 9 shows the orientation diagram of the electric vectors of s-polarized and p-polarized light waves exciting the inventive device.
Заявляемое устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум включает слой 1 из полупроводникового материала (см. фиг.1, фиг.2) на основе нитридов элементов третьей группы n-типа проводимости, легированного донорной примесью с концентрацией выше, чем 1017 см-3, с шириной запрещенной зоны Еg, со сродством к электрону χ и работой выхода φ на обращенной в вакуум рабочей поверхности 2, удовлетворяющими соотношениям:The inventive device for producing photoelectron emission in vacuum includes a
Еg>χ , эВ;E g > χ, eV;
χ >φ , эВ.χ> φ, eV.
В качестве такого полупроводникового материала может быть взят, например, нитрид галлия n-типа проводимости, твердый раствор AlGaN n-типа проводимости. Слой 1 может также иметь гексагональную модификацию с мозаичной структурой со степенью упорядоченности не менее чем -0,33. Слой 1 может быть легирован, например, кремнием или углеродом с концентрацией 1017-1018 см-3,As such a semiconductor material, for example, n-type gallium nitride and n-type AlGaN solid solution can be taken.
Рабочая поверхность 2 активирована щелочным металлом или его окислом, например цезием или окислом цезия, барием или окислом бария, калием или окислом калия, предпочтительно в виде монослоя или полумонослоя. Слой 1 может быть нанесен на подложку 3 (см. фиг.3, фиг.4) из диэлектрического или полупроводникового материала, показатель преломления n которого отличен от показателя преломления np слоя 1. Подложка 3 может быть выполнена, например, из сапфира, арсенида галлия, кремния.The working
Зонная диаграмма полупроводника n-типа проводимости, поверхность которого активирована щелочным металлом или его окислом, показана на фиг.6, где Еc - зона проводимости, ЕV - валентная зона, ef - уровень Ферми, Ecs - положение края зоны проводимости на поверхности, Evac - уровень вакуума.The zone diagram of the n-type semiconductor, the surface of which is activated by an alkali metal or its oxide, is shown in Fig.6, where E c is the conduction band, E V is the valence band, e f is the Fermi level, E cs is the position of the edge of the conduction band at surfaces, E vac - vacuum level.
При использовании заявляемого устройства в фотоэлектронном эмиттере (см. фиг.1 и фиг.3) устройство закрепляют на металлической пластине 4, снабженной выводом 5, и помещают в вакуумную камеру 6. Напротив пластины 4 размещают коллектор электронов 7, снабженный выводом 8. Выводы 5 и 8 пропускают через изоляторы 9.When using the inventive device in a photoelectronic emitter (see FIG. 1 and FIG. 3), the device is mounted on a
Измерение фотоэлектронной эмиссии в вакуум осуществляли на установке, схематически изображенной на фиг.5. В установку помимо перечисленных выше элементов 1-9 входит измерительная цепь в виде последовательно соединенных электрометра 10, источника постоянного тока 11, подключенных к выводам 5 и 8, и источника света 12.The measurement of photoelectron emission in vacuum was carried out on the installation, schematically depicted in figure 5. In addition to the
Пример. Было изготовлено заявляемое устройство на основе эпитаксиального слоя нитрида галлия GaN(0001) n-типа проводимости, легированного кремнием (2· 1017 cм-3), толщиной 4 мкм, выращенного на сапфировой подложке (0001) методом эпитаксии из металлорганических соединений MOCVD. Непосредственно в вакууме образец очищался термическим отжигом при температуре 800° С. Активирование цезием осуществлялось путем напыления атомарно-чистого цезия на поверхность GaN (0001) из стандартного источника (испаритель типа ИПО-34-33). Концентрация атомов цезия на поверхности составляла от 3· 1014 см-2 до 6· 1014 см-2. На образец GaN со стороны поверхности, активированной цезием, подавался свет из видимой и ближней ультрафиолетовой спектральной области с интенсивностью ~1· 10-3 Вт/см2. Длину волны света изменяли в пределах от 250 нм до 950 нм. Облучение образца осуществляли светом р-поляризации под углом γ =45° к нормали к поверхности, так как для GaN угол Брюстера составляет 75° . Облучение образца может осуществляться неполяризованным светом, а также светом s-поляризации или р-поляризации. Облучение образца светом р-поляризации обеспечивает увеличение квантового выхода фотоэлектронной эмиссии в 2-3 раза. Схема ориентации электрических векторов s- и р-поляризованных световых волн, которые могут возбуждать фотоэлектронную эмиссию в заявляемом устройстве, приведена на фиг.9 (γ - угол 45° , Es - электрический вектор s-поляризованной световой волны, Еp - электрический вектор р-поляризованной световой волны, Е
На фиг.7 приведена спектральная характеристика квантового выхода для заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, активированный цезием при поверхностной концентрации цезия 4· 1014 cм-2 (кривая б). Для сравнения приведена кривая спектральной характеристики квантового выхода для устройства-прототипа (кривая а).Figure 7 shows the spectral characteristic of the quantum yield for the inventive device, including the n-type GaN layer, activated by cesium at a surface concentration of
На фиг.8 приведена спектральная характеристика квантового выхода для устройства-прототипа (а) и для заявляемого устройства, включающего слой GaN n-типа проводимости, активированный окислом цезия (б), и заявляемого устройства, включающего слой Al0,15Ga0,85N n-типа проводимости, активированный окислом цезия (в).On Fig shows the spectral characteristics of the quantum yield for the device of the prototype (a) and for the inventive device, which includes an n-type GaN layer activated by cesium oxide (b), and the inventive device, including an Al layer of 0.15 Ga 0.85 N n-type conductivity activated by cesium oxide (c).
Из приведенных спектральных характеристик видно, что квантовый выход заявляемого устройства и квантовый выход прототипа в спектральном диапазоне 250-350 нм совпадают, причем у заявляемого устройства высокий квантовый выход сохраняется в широком спектральном диапазоне вплоть до 750 нм, а затем он спадает до величины 10-4 при 900 нм, при этом красная граница фоточувствительности лежит вблизи 950 нм.The above spectral characteristics show that the quantum yield of the claimed device and the quantum yield of the prototype in the spectral range of 250-350 nm coincide, and the claimed device has a high quantum yield in a wide spectral range up to 750 nm, and then it drops to 10 -4 at 900 nm, while the red border of photosensitivity lies near 950 nm.
Таким образом, заявляемое устройство имеет высокий квантовый выход в широком спектральном диапазоне 250-750 нм;Thus, the claimed device has a high quantum yield in a wide spectral range of 250-750 nm;
расширяет круг материалов для создания высокоэффективных фотоэлектронных эмиттеров в ближней ультрафиолетовой и видимой части спектра;expands the range of materials for the creation of highly efficient photoelectronic emitters in the near ultraviolet and visible part of the spectrum;
упрощает и удешевляет технологию получения фотоэлектронных эмиттеров, поскольку для заявляемого устройства не требуется создания многослойных конструкций;simplifies and reduces the cost of technology for producing photoelectronic emitters, since the inventive device does not require the creation of multilayer structures;
возрастает воспроизводимость спектральных характеристик по сравнению с теми аналогами, которые обеспечивают тот же спектральный диапазон, но обладают низкой воспроизводимостью характеристик.the reproducibility of spectral characteristics increases in comparison with those analogs that provide the same spectral range, but have low reproducibility of characteristics.
Claims (19)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003112800/09A RU2249877C2 (en) | 2003-04-29 | 2003-04-29 | Device for producing photoelectronic emission into vacuum |
PCT/RU2004/000174 WO2004097880A1 (en) | 2003-04-29 | 2004-04-27 | Device for producing photoelectronic emission in vacuum |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003112800/09A RU2249877C2 (en) | 2003-04-29 | 2003-04-29 | Device for producing photoelectronic emission into vacuum |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003112800A RU2003112800A (en) | 2004-11-27 |
RU2249877C2 true RU2249877C2 (en) | 2005-04-10 |
Family
ID=33414400
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003112800/09A RU2249877C2 (en) | 2003-04-29 | 2003-04-29 | Device for producing photoelectronic emission into vacuum |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2249877C2 (en) |
WO (1) | WO2004097880A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2454750C2 (en) * | 2010-08-02 | 2012-06-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Photocathode |
RU2503082C2 (en) * | 2009-06-10 | 2013-12-27 | Инститьют Оф Хай Энерджи Физикс, Чайниз Академи Оф Сайенсиз | Photomultiplier tube |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1664066A1 (en) * | 1989-05-03 | 2000-05-20 | Институт Физики Полупроводников Со Ан Ссср | PHOTOCATODE WITH NEGATIVE ELECTRON AFTERNESS |
JPH1196896A (en) * | 1997-09-24 | 1999-04-09 | Hamamatsu Photonics Kk | Semiconductor photoelectric surface |
EP1098347A4 (en) * | 1998-06-25 | 2002-04-17 | Hamamatsu Photonics Kk | Photocathode |
JP3878747B2 (en) * | 1998-07-10 | 2007-02-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | Semiconductor photocathode |
-
2003
- 2003-04-29 RU RU2003112800/09A patent/RU2249877C2/en not_active IP Right Cessation
-
2004
- 2004-04-27 WO PCT/RU2004/000174 patent/WO2004097880A1/en active Application Filing
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2503082C2 (en) * | 2009-06-10 | 2013-12-27 | Инститьют Оф Хай Энерджи Физикс, Чайниз Академи Оф Сайенсиз | Photomultiplier tube |
RU2454750C2 (en) * | 2010-08-02 | 2012-06-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Photocathode |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2004097880A1 (en) | 2004-11-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Onuma et al. | Modeling and interpretation of UV and blue luminescence intensity in β-Ga2O3 by silicon and nitrogen doping | |
JP5273635B2 (en) | High-efficiency indirect transition type semiconductor ultraviolet light-emitting device | |
US7884324B2 (en) | Nanopillar arrays for electron emission | |
Sato et al. | Light confinement and high current density in UVB laser diode structure using Al composition-graded p-AlGaN cladding layer | |
Yi-Jun et al. | Distribution of carriers in gradient-doping transmission-mode GaAs photocathodes grown by molecular beam epitaxy | |
Ashraf et al. | Photoconductivity of TlGaSe2 layered single crystals | |
Wang et al. | Negative electron affinity of the GaN photocathode: a review on the basic theory, structure design, fabrication, and performance characterization. | |
Yang et al. | Quantum efficiency of heterostructured AlN/Al x Ga 1− x N photocathodes with graded bandgap emission layer | |
Ulmer et al. | Advances in wide-bandgap semiconductor based photocathode devices for low light level applications | |
Assimos et al. | The photoelectric threshold, work function, and surface barrier potential of single‐crystal cuprous oxide | |
JP5082233B2 (en) | Infrared detector manufacturing method | |
Cultrera et al. | Photoemission characterization of N-polar III-nitride photocathodes as candidate bright electron beam sources for accelerator applications | |
RU2249877C2 (en) | Device for producing photoelectronic emission into vacuum | |
JP3835830B2 (en) | Short wavelength light emitting device | |
Fuke et al. | Development of UV-photocathodes using GaN film on Si substrate | |
Ishigami et al. | Development of a high-sensitivity UV photocathode using GaN film that works in transmission mode | |
Zalamai et al. | Enhanced emission properties of anodized polar ZnO crystals | |
RU2454750C2 (en) | Photocathode | |
Dupuis et al. | High-performance GaN and AlxGa1-xN ultraviolet avalanche photodiodes grown by MOCVD on bulk III-N substrates | |
Young et al. | Electronic near-surface defect states of bare and metal covered n-GaN films observed by cathodoluminescence spectroscopy | |
JP3364970B2 (en) | Polarized electron beam generator | |
JPH1196897A (en) | Photoelectric cathode and electron tube using the same | |
RU2658580C1 (en) | Diamond photocathode | |
Nolle et al. | Field-assisted semiconductor photocathodes for streak tubes | |
Dikhanbaev et al. | Electroluminescence in p-GaP/por-GaP/SnO2 Structures in the Red Region of the Spectrum |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060430 |