ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 8, с. 106-110
УДК 538.971:538.975
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ А3В5 С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДИК
© 2004 г. Н. В. Егоров, Л. И. Антонова, |В. П. Денисов
Санкт-Петербургский государственный университет, факультет ПМ и ПУ,
Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 19.05.2003 г.
В работе были исследованы металлические покрытия на полупроводниках группы А3В5 методами баллистической электронной эмиссионной микроскопии, фотоэдс, поверхностной ионизации. Обнаружено, что эффективные эмиттеры на основе СаАв с чувствительностью около 3000 мкА/лм имеют субмонослойное покрытие цезия и кислорода. Изучены транспортные свойства электронов в металлических пленках, имеющих толщины в несколько атомных слоев. Показано, что около 20% электронов, проходящих через металлический слой толщиной около 20 А, не претерпевают упругих столкновений.
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена исследованию электрофизических свойств тонких пленок металла, нанесенных на полупроводник группы А3В5. Применение таких гетероструктур разнообразно. В частности, в эмиссионной электронике разработаны фотокатоды в видимой и ближней инфракрасной (ИК) области спектра СаАз-Св-в, 1п1Оа1 _ ¿Ав-Сз-С [1], в ИК-области ГпР-Гп^ - хАз-1пР-А§-Сз-0 [2], которые имеют в своей структуре тонкие пленки цезия, серебра.
Во всех фотокатодах на основе полупроводников А3В5 металлическая пленка цезия наносится на очищенную в сверхвысоком вакууме поверхность полупроводника с целью снижения его работы выхода. Кроме того, в фотокатодах с междолинным переносом электронов (фотокатоды для ИК-области спектра) на полупроводник наносится тонкий слой серебра для приложения напряжения при создании поля, вытягивающего электроны из полупроводника. Для высокой эффективности фотоэмиттеров такого класса важную роль играет толщина металлической пленки, поскольку возбужденные в полупроводнике электроны должны проходить пленку перед выходом в вакуум.
Целью данной работы являлось изучение транспорта электронов в тонких металлических пленках, оценка толщины пленок цезия и серебра, используемых в реальных фотокатодах.
МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для выполнения поставленных задач были разработаны некоторые методики, а именно: метод
баллистической электронной эмиссионной спектроскопии, методы оценки толщины пленки цезия с использованием поверхностной ионизации и оценки толщины пленки серебра с помощью фотоэдс на границе металл-полупроводник.
Метод поверхностной ионизации. Данный метод был применен для оценки количества наносимого на полупроводник цезия. Эксперименты проводились в условиях сверхвысокого вакуума при давлении порядка 10-8 Па. Цезий выделялся из лодочек с бихроматом цезия и циалем путем разложения бихромата цезия с выделением цезия при нагреве лодочек проходящим током в присутствии катализатора - циаля. Ионная составляющая получаемого потока незначительна. Попадая на раскаленную вольфрамовую пластину (Т ~ 1000°С), как известно из литературы [3], поток цезия ионизовался полностью. Зная площадь вольфрамовой пластины и величину ионного потока, можно оценить количество цезия, падающего на нее. Если вместо вольфрамовой пластины поместить эпитаксиальный слой арсенида галлия той же площади, то при сохранении условий эксперимента (расстояния между источником цезия и пластиной, потока цезия, сверхвысокого вакуума) можно по времени выделения цезия оценить его количество. Мы полагаем, что коэффициент прилипания цезия при адсорбции его на полупроводнике равен единице. Данный метод удобен тем, что контроль количество цезия идет в процессе активирования фотокатода, и на любом этапе его изготовления можно оценить количества осажденного металла.
Метод измерения тока фотоэдс на границе полупроводник-металл (п/п-Ме). При освещении границы п/п-Ме возникает фотоэдс из-за нали-
чия выпрямляющего контакта этих материалов. Если такой элемент замкнуть на сопротивление, то можно регистрировать некоторый ток, который равен разности фототока и тока утечки [4]. Таким образом, используя вентильное свойство границы п/п-Ме, можно контролировать данный ток и его изменение при изменении толщины пленки металла (серебра).
Ток фотоэдс измерялся в процессе напыления серебра на фосфид индия непосредственно при изготовлении фотокатода. Необходимо было получить оптимальную толщину пленки, так как, с одной стороны, тонкие слои серебра при толщине в несколько атомных слоев имеют островковый характер [5, 6] и фотоэлектрические свойства их нестабильны. С другой стороны, при увеличении толщины слоя серебра увеличивается поглощение света, проходящего через этот слой к границе с полупроводником, что приводит к уменьшению фотоэдс. Кроме того, возрастает рассеяние возбужденных электронов,проходящих через серебро. Результатом является кривая с максимумом, приведенная на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что до тех пор пока формируется барьер Шоттки и свойства его меняются с толщиной пленки серебра, наблюдается рост тока. Как только этот порог преодолен, параметры барьера стабилизируются. Это соответствует максимуму кривой. Далее с ростом толщины пленки серебра возрастает оптическое поглощение света, вследствие чего ток фотоэдс уменьшается. Напыление серебра прекращается по достижении максимума тока фотоэдс.
Данный метод оценки толщины слоя серебра является косвенным, поскольку толщина пленки оценивается по времени напыления, но в технологическом процессе изготовления фотокатода важен момент прекращения напыления серебра, что и дает этот метод.
Измеренная на нескольких образцах абсолютная толщина пленки серебра, соответствующая максимуму фотоэдс, составляла примерно 100 А [7].
Метод баллистической электронной спектроскопии (ВЕЕМ). Метод ВЕЕМ является одним из вариантов метода сканирующего туннельного микроскопа, в котором электроны туннелируют из отрицательно смещающего острия в металлическую пленку, выращенную на полупроводнике. На металлической пленке регистрируется туннельный ток (/рун). Если пленка достаточно тонкая, то некоторые электроны достигнут границы Ме-п/п баллистически, т.е. без рассеяния. При энергиях электронов больше высоты барьера имеет место инжекционный ток в полупроводник, называемый коллекторным током или током ВЕЕМ. Таким образом, метод ВЕЕМ позволяет определить высоту барьера Шоттки [8].
Рис. 1. Зависимость тока фотоэдс от времени адсорбции серебра.
Описание разработанного устройства и результаты по оценке высоты барьера Шоттки на ряде структур полупроводник-металл были изложены ранее [6, 9]. В данной работе проведено исследование транспорта электронов в тонких металлических пленках, а именно оценка длины свободного пробега электронов для упругих и неупругих столкновений. Это расширило возможности использования метода ВЕЕМ. Кроме того, были оценены условия прохождения электронов через тонкие пленки различной толщины, в частности оценена длина свободного пробега электронов.
Для количественной оценки длины свободного пробега электронов можно исходить из простой модели для вероятности прохождения электронов тонкой металлической пленки как случайно происходящего процесса [10]:
Р ~ ехр(-Н/Хъ) + [1 - ехр(-Н/Хе)]ехр(-4Н2/ХеХ;),
где Хъ - длина свободного пробега баллистического электрона, 1/Хъ = 1/Хе + 1/Х;; Хе и X, - длины свободного пробега электронов упругого и неупругого рассеяния, Н - толщина пленки.
Наклон кривой, описываемой выражением й(\пР)/йН, приближается к 1/Х; и 1/Хъ в пределах малых (<10 А) и больших (>50 А) пролетов соответственно. В работе [10] были проведены подгоночные расчеты для оценки Хе и X, при энергиях электронов 1-6 эВ. Например, при и = 3 В Хе = 30 А и X, = 100 А. Как видно из рассуждений, приведенных выше, для оценки Хе и X, необходимо знать изменение величины коллекторного тока при различных толщинах пленки металла. Эти зависимости можно получить при снятии вольт-амперных характеристик (ВАХ) баллистического тока для интересующего набора толщин металлической пленки.
П, эл/квант
1.0:
6 2 0.1
6 2
0.01
0.5
0.7
0.9
X, мкм
Рис. 2. Спектральная характеристика квантовой эффективности фотокатода СаАв-Св-О с интегральной чувствительностью 3000 мкА/лм.
1ф, отн. ед.
10 12 14 16 18
г, мин
Рис. 3. Запись изменения фототока со временем в процессе активирования фотокатода ОаАв-О-О при одновременных (1) и чередующихся (2) потоках Св и О2.
Ложе, отн. ед 10 А
0
10
20
30
(I, А
Рис. 4. Изменение состава элементов при стравливании поверхности СаАв-Св-О фотокатода.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Измерение количества цезия, падающего на поверхность эпитаксиального слоя арсенида гал-
лия, проведено для фотокатодов с чувствительностью выше 2500 мкА/лм. На рис. 2 приведена спектральная характеристика фотокатода на основе ваАв-Св-О с чувствительностью 3000 мкА/лм.
Пологость спектральной характеристики во всем диапазоне длин волн с квантовым выходом фотоэмиссии более 50 % вблизи границы фотоэффекта является очень важным преимуществом данного типа катодов для ИК-области спектра.
Воспроизведение таких параметров во многом зависит от условий формирования фотокатодов, в частности от условий формирования покрытия, снижающего работу выхода арсенида галлия. Типичный ход изменения фототока при активировании приведен на рис. 3. По оси абсцисс отложено время активирования. Согласно описанной методике поверхностной ионизации, по времени активирования определяется количество осажденного цезия. Результаты расчетов для некоторых эмиттеров сведены в таблицу.
Если принять, что диаметр атома цезия порядка 5.24 А [11], и считать, что атомы на поверхности плотно упакованы, то удельная плотность атомов соответствует ~1 х 1014 см-2. При расчете количества атомов цезия по используемой методике значение плотности имело такой же порядок. Убедительное подтверждение таким оценкам дает анализ поверхности фотокатодов. Анализ проводился в сверхвысоковакуумной камере при давлении порядка 10-8 Па с помощью стандартного анализатора оже-электронов типа цилиндрического зеркала с коаксиальной электро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.