«Автофотоэлектронная эмиссия полупроводниковых многоэмиттерных катодов»

Основными требованиями, определяющими возможность практического использования многоэмиттерных автокатодов, являются достижение высокой степени однородности эмиссии по поверхности катода и ее стабильность.

К настоящему времени в результате многолетних исследований в нашей стране появились первые образцы приборов на базе таких катодов, отличающихся от своих твердотельных аналогов более высокими эксплуатационными параметрами. К сожалению, наблюдаемая во многих случаях эмиссионная неоднородность многоэмиттерных автокатодов все еще препятствует широкому использованию их на практике.

В целом, задача создания многоэмиттерного автокатода может быть решена выбором оптимальной конфигурации элементов матричной системы, позволяющей повысить плотность упаковки эмиттеров при достижении стабильной однородности эмиссии и сохранении относительно высокого коэффициента усиления поля. Поэтому поиск путей повышения стабильности и однородности эмиссии многоэмиттерных автокатодов, а также расширение набора материалов, применяемых для их изготовления является актуальной задачей как в научном, так и в прикладном значении.

Основным препятствием создания многоострийных автофотокатодов на пути к их широкому применению было неравномерное распределение эмиссионных центров по поверхности катода. При этом геометрическая однородность матрицы острий во многом предопределяла получение эмиссионной однородности. Однако и на структурах с высокой степенью геометрической однородности при исследовании их эмиссионных характеристик часто обнаружилось появление неконтролируемых эмиссионных центров, не связанных с полученной структурой. Поэтому выяснение природы таких центров эмиссии и путей их устранения необходимо для создания автофотокатодов со стабильной однородной эмиссией и высокой квантовой эффективностью.

Существует несколько технологических подходов для создания многоострийных автофотокатодов. Лучшие результаты получены с помощью фотолитографического метода травления и метода направленного выращивания нитевидных кристаллов из пара. Фотолитографический метод травления позволяет изготовить острийные структуры из монокристаллической пластинки, однако возможности этого метода ограничены из-за трудностей создания малых радиусов закругления и чувствительности его к неоднородностям структуры и состава исходной пластинки. В методе направленной кристаллизации из пара через слой жидкой фазы можно в широких пределах изменять размеры, радиус закругления и густоту острий, однако степенью чистоты материала здесь управлять гораздо труднее, чем в методе травления.

1.1.1. Полевая фотоэлектронная эмиссия из полупроводниковых многоэмиттерных катодов.

На протяжении всей истории создания многоэмиттерных автофотокатодов основным препятствием на пути к их широкому применению было неравномерное распределение эмиссионных центров по поверхности катода. При этом геометрическая однородность матрицы острий во многом предопределяла получение эмиссионной однородности. Однако и на структурах с высокой степенью геометрической однородности при исследовании их эмиссионных характеристик часто обнаруживалось появление неконтролируемых эмиссионных центров, не связанных с полученной структурой. Поэтому выяснение природы таких центров эмиссии и путей их устранения необходимо для создания автофотокатодов со стабильной однородной эмиссией и высокой квантовой эффективностью.

Одним из перспективных способов изготовления многоэмиттерных авто-фотокатодов является метод фотолитографии с последующим химическим травлением. Была предложена процедура оптимизации этого способа с применением современных достижений микроэлектронной технологии, что позволило создавать матрицы полупроводниковых острий заданной высоты (5—30 мкм) и конфигурации с плотностью расположения острий свыше 7,5-105 см-2. Для отработки и отбора отдельных технологических операций, включающих магнетронное напыление защитных пленок, ионную очистку высокочастотным разрядом и ионно-плазменное травление, исследовался характер изменения топологии поверхности полупроводника и определялась концентрация и химический состав посторонних примесных включений на его поверхности и в приповерхностной области. Использовались монокристаллические пластины из Gе, Si, GаАg с ориентацией <111>, площадью 2—3 см2, толщиной 0,3—0,8 мм и различным удельным сопротивлением.

С целью определения природы примесных включений необходимо было, во-первых, установить химический состав загрязнений и выявить, являются ли они привнесенными извне; во-вторых, выяснить влияние этих включений на качество изготавливаемых структур, после чего исследовать возможность удаления этих примесей. Микрогеометрия поверхности образцов исследовалась на оптическом (Nеорhоt) и растровых (РЭМ-100 и JSМ-35) микроскопах. Элементный состав анализировался на электронном оже-спектрометре 09ИОС-10-004. Послойный анализ химического состава приповерхностной области образцов проводился на оже-спектрометре LАЗ-2000 фирмы «Ribег», а также с помощью вторично-ионного масс-анализатора «Полюс-4». Исследовались исходные образцы и образцы после различных технологических операций.

В оже-спектре исходной пластины германия наблюдаются пики углерода (с энергией 272 эВ), азота (385 эВ) и серы (152 эВ). В результате предварительной химической очистки германиевых подложек в перекисно-аммиачном растворе интенсивность пиков углерода и серы существенно уменьшается (хотя полностью и не исчезает). Кроме того, было установлено, что наибольшие загрязнения поверхности при использовании фотолитографического метода с последующим жидкохимическим травлением вносит операция снятия фоторезиста в моноэтаноламине. В соответствующих оже-спектрах присутствуют пик кислорода (512 эВ), высокоинтенсивный пик углерода (272 эВ), а также примеси азота и фтора. Поэтому снятие защитной пленки проводилось с использованием ионной очистки высокочастотным разрядом в аргоне, что позволило исключить операцию удаления «отработанного» фоторезиста кипячением в моноэтаноламине. В оже-спектре подложки, прошедшей такую высокочастотную обработку, наблюдается значительное снижение содержания примесей на ее поверхности.Оже-спектры поверхности германиевой пластины, полученные после ионно-плазменного травления в аргоне в течение 1ч (при этом поверхностный слой толщиной в несколько мкм, что соответствует высоте формируемых фотолитографическим методом микроструктур при изготовлении катодов), отчетливо демонстрируют уменьшение интенсивности пика углерода (т. е. количества углерода на поверхности полупроводника).При проведении послойного анализа химического состава пластина полупроводника стравливалась на несколько десятков ангстрем в течение 2—5 мин. По зависимостям интенсивности оже-пиков (соответствующих электронным переходам в кислороде, углероде и германии) от времени распыления строились кривые распределения концентрации элементов по толщине пластины.

На рис. 1, а представлены данные по распределению элементов по глубине в германиевой пластине после ионно-плазменной обработки и оже-спектр ее поверхности (рис. 1, б). Сравниваются по интенсивности пики Gе (1110 эВ), С (272 эВ) и О (490 эВ). Из приведенных результатов видно, что как на поверхности, так и в объеме полупроводника наблюдаются скопления углерода и кислорода. Выходы примесных скоплений на поверхность полупроводника создают на ней потенциальный рельеф, обусловливающий пятнистый характер эмиссии германия. Как показали дальнейшие исследования, в состав этих примесей в большом количестве входят также атомы щелочных металлов, причем большинство примесей имеют собственное объемное происхождение. Типичный состав примесей на германиевом катоде, вносимых при обработке, это С, S, F, N. Количество вносимых примесей можно было уменьшить при соответствующем выборе технологических способов и режимов проведения операций. Далее проводился сравнительный анализ эмиссионных и эксплуатационных свойств многоэмиттерных катодов, полученных фотолитографическим методом с последующим либо химическим, либо ионно-плазменным травлением с целью выявления закономерностей между содержанием примесей на поверхности и появлением неконтролируемых эмиссионных центров. Эмиссионные свойства изучались в статическом режиме на металлических безмасляных установках с непрерывной откачкой и в стеклянных отпаянных приборах. Измерительная ячейка помимо катода содержала близко расположенный (100—400 мкм) анод-экран, позволяющий наблюдать распределение эмиссии по всей площади катода. Предварительная ионная обработка поверхности катодов приводила к более равномерному включению в работу острий, однако даже при этих условиях можно было наблюдать исчезновение или рождение отдельных неконтролируемых эмиссионных центров, которое проявлялось в возникновении ряда неустойчивых ярких точек на фоне менее ярко светящейся области. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) эмиссионного тока снимались в темноте при охлаждении жидким азотом, а также при комнатной температуре (рис. 2).

Выяснилось, что темновой ток германиевых автокатодов меняется в зависимости от их удельного сопротивления, а также от предварительной обработки поверхности подложек. При комнатной температуре все катоды показывали достаточно высокие темновые токи от 10-8 до 510-5 А. При охлаждении жидким азотом уровень темнового тока понижался и составлял, например, для катода из материала ГДГ-3,0 (1—2)•10-11 А при ионной обработке и 8•10-10 А без такой обработки. Резкое увеличение темнового тока наблюдалось и с увеличением концентрации примесных включений на поверхности полупроводника (до 10-4 А). Рост темнового тока

Рис. 1. а — Распределение концентрации элементов по глубине в приповерхностном слое германиевой пластины после ионно-плазмениого травления, б — оже-спектр ее поверхности, t — время распыления, / — интенсивность оже-линии

Рис. 2. а - ВАХ полного эмиссионного тока многоострийных катодов после ионно-плазменной обработки, снятые при Т =300 К: 1 - Ge (ГДГ-40), 2 - Si (КДБ-40), 3 - СаАg (АГДЦ-3); б, в — соответствующие кривые энергетического распределения автоэлектронов

происходил также при длительной эксплуатации катода при постоянном напряжении и комнатной температуре. ВАХ полного тока со всей эмитирующей площади катода для образцов р-типа имели характерную нелинейную форму (рис.2).

Аналогичные ВАХ были получены и для локальных (диаметром до 100 А) участков поверхности катода при проведении энергетического анализа электронов. С этой целью матрица острий помещалась в рабочую камеру универсальной сверхвысоковакуумной установки УСУ-4, внутри которой располагался энергоанализатор автоэлектронов. Измерение энергетического распределения автоэлектронов производилось для эмитирующей области, лежащей на электронно-оптической оси энергоанализатора при двух режимах работы катода: начала участка насыщения (рис. 2, б) и переходного к области размножения носителей тока участка ВАХ. (рис. 2, в). Как видно из приведенных результатов, кривые энергетического распределения имеют один максимум, а полная ширина энергетического распределения на полувысоте возрастает от 0,6 эВ (рис. 2, б) до 2,2 эВ (рис. 2, в) с увеличением полного эмиссионного тока от 10-7 до 3-10-5 А.

На Gе-катоде (ГДГ-0,2) при отборе больших (порядка сотен мкА) токов наблюдалось появление эмиссионных центров вне острийной структуры, просмотр которых с помощью сканирующего электронного микроскопа позволил обнаружить возникновение новообразований — «капель» (островков) диаметром от 50 до 300 мкм, имеющих вид кратеров. Был проведен оже-анализ трех характерных областей: «капли», регулярной (острийной) структуры и участка поверхности без структуры (т. е. вне катода), на котором не наблюдались подобные центры эмиссии. Оже-анализ «капель» показал повышенное содержание в них калия, а также присутствие пиков С, N, О и отсутствие калия на соседних участках, что свидетельствует о пятнистом характере распределения примеси. Вследствие низкой чувствительности оже-метода к Nа его присутствие было обнаружено с помощью вторично-ионной масс-спектроскопии. Наибольшие скопления примесей щелочных металлов, приводящие к локальным понижениям работы выхода, наблюдались на субмикронных дефектах Gе-пластины. В таком случае изменениенапряженности электрического поля должно приводить к изменению диффузии атомов щелочного металла к поверхности эмиттера из его объема. С этим обстоятельством может быть связана повторяемость картин появления неконтролируемых центров при разных анодных напряжениях.Для выбора оптимальных технологических режимов и анализа стабильности работы многоострийных катодов были исследованы спектры токовых флуктуаций в области низких частот.

Рис. 3. Спектры флуктуаций тока флуктуаций в области низких частот полевой эмиссии из полупроводниковых многоострийных катодов, снятые при Т = 300 К на участке Фаулера-Нордгейма вольт-амперной характеристики при эмиссионном токе I = 7,5•10-6 А: 1-Ge (ГДГ-40), 2-Si (КДБ-40), 3-GaAg (АГДЦ-3)

Жидкохимическое травление при формировании структур дает гораздо больший разброс в радиусах острий, чем ионно-плазменное, и ведет к большей геометрической неоднородности, что проявляется в существенном возрастании уровня шума. Предварительная ионная очистка поверхности пластин высокочастотным разрядом приводила к снижению уровня шума. Проведенные измерения показали, что основной компонентой флуктуаций тока полевой эмиссии на участке Фаулера-Нордгейма вольт-амперной характеристики является 1/f шум (рис. 3), а графики зависимости спектральной плотности мощности шума от частоты S(f) для катодов из Gе, Si, GаАg (кривые 1, 2, 3) хорошо аппроксимируются зависимостью вида 1/fά, что позволяет использовать для описания флуктуаций статистическую модель, связывающую мощность шума со средним числом эмитирующих центров. Появление неконтролируемых центров эмиссии приводит к осцилляциям эмиссионного тока и качественному изменению вида спектра флуктуаций.

На участке насыщения ВАХ, где ток эмиссии определяется в основном скоростью генерации неосновных носителей, уровень шума практически падает до дробового, а зависимость S(f) приобретает вид, близкий к спектру Лоренца. Последнее обстоятельство очень важно при практическом использовании полупроводниковых многоострпйных автофотокатодов в качестве пороговых фотоприемников.