CN113994220A - 提高量子产率的光电阴极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁辐射检测器，包括用于接收入射光子流的入口窗口(310)和半导体层形式的光电阴极(320)。在入口窗口的下游面(312)上沉积导电层(316)，并且在导电层(316)和半导体层(320)之间设置薄介电层(317)。导电层的电势低于半导体层的电势，以将光电子驱逐出复合区域，从而提高光电阴极的量子产率。

Description

提高量子产率的光电阴极

技术领域

本发明涉及光电阴极的一般领域，例如用于图像增强器或光电倍增管的光电阴极。

背景技术

电磁辐射检测器，例如图像增强管或光电倍增管，允许通过将电磁辐射转换成光或电输出信号来检测一个给定光谱带中的电磁辐射。

通常，这些检测器包括用于接收电磁辐射并发射光电子通量作为响应的光电阴极，用于接收所述光电子通量并发射所谓二次电子通量作为响应的电子倍增器装置，以及最后用于接收所述电子通量并将其转换为输出信号的输出装置。

图1表示从现有技术中已知的电磁辐射检测器。

如图所示，这种检测器100包括通常为玻璃的透明材料制成的入口窗口110，其用作由半导体材料制成的光电发射层或光电阴极120的支撑。入口窗口具有用于接收入射光子通量的正面111和与正面相对的背面112。光电发射层包括与入口窗口的背面接触的上游面(upstream face)121和发射光电子的下游面(downstream face)122。

光电阴极相对于施加在电子倍增器装置130上的电位被设置为负电位，电子倍增器装置本身相对于施加在例如荧光屏或CCD阵列的输出装置140处的电位处于负电位。

撞击在正面111上的光子穿过透明窗口110并穿透到光电发射层120，如果光子具有高于半导体材料的带隙宽度的能量，则光子在光电发射层120处产生电子-空穴对。在被电子倍增器装置130倍增并被输出装置140转换成光或电信号之前，光电子向在真空中发射光电子的光电阴极下游面122迁移。

光电阴极的量子产率通常定义为光电阴极发射的光电子数与接收的光子数之比。光电阴极的量子产率是检测器的重要参数，它决定了检测器的灵敏度和信噪比。特别地，它取决于入射光子的波长和光电发射层的厚度。

由于光电阴极120和透明窗口110之间的界面处存在缺陷，量子产率可能显著降低。更具体地，这些缺陷产生表面态，用于捕获在光电阴极中产生的光电子。以这种方式捕获的光电子不能再向光电阴极的下游面迁移，因此不会对由光电阴极发射的光电子产生的光电流有贡献。

这种光电阴极量子产率的恶化在小波长下尤其明显。实际上，具有较高能量的光子在光电阴极内沿着它们的路径更早地与半导体相互作用。因此，这些光子产生的光电子更有可能被束缚在界面处。

为了克服这种量子产率的恶化，已经提出在入口窗口和光电阴极之间的界面处引入半导体材料的中间层，其具有比光电阴极的带隙更宽的带隙。因此，例如，如果光电阴极由诸如p-型GaAs的III-V族半导体材料制成，则可以在界面处引入p-型GaAlAs的中间层。如图2的能带图所示，GaAlsAs相对于GaAs的更宽的带隙宽度在光电阴极侧产生向上的能带弯曲。因此，当光子产生邻近界面的电子-空穴对时，局部电场将光电子从复合区域中提取出来。

然而，这种方案不能转用于所有类型的光电阴极，尤其是那些由多晶材料制成的光电阴极，例如双碱或多碱性化合物如SbK₂Cs、SbRb₂Cs、SbRb₂Cs、SbCs₃、SbNa₃、SbNaKRbCs、SbNaKCs、SBNa₂KCS。由于其多晶结构，这些光电阴极没有明确的能带图，并且难以提供第二半导体材料的中间层，以允许在与多晶材料的界面处获得所需的能带弯曲。

一般来说，即使对于由单晶半导体材料制成的光电阴极，也不总是容易找到合适的第二半导体材料，以允许获得与形成光电阴极的半导体材料的网格匹配和期望的能带弯曲。这对于由II-VI族半导体材料如CdTe制成的光电阴极来说尤其成问题。

因此，本发明旨在提供一种电磁辐射检测器，该电磁辐射检测器具有由第一半导体材料制成的光电阴极，在没有由合适的第二半导体材料制成的中间层的情况下在入口窗口和光电阴极之间具有高量子产率。

发明内容

本发明定义一种电磁辐射检测器，该电磁辐射检测器包括玻璃入口窗口，该玻璃入口窗口具有用于接收入射光子通量的上游面和与上游面相对的下游面；半导体层形式的光电阴极，该光电阴极用于从入射光子产生光电子并发射由此产生的所述光电子；电子倍增器装置，该电子倍增器装置配置为接收由光电阴极发射的光电子并针对每个接收的光电子生成多个二次电子；以及输出装置，该输出装置配置为从所述二次电子中产生输出信号，该辐射检测器的特征在于在入口窗口的下游面上沉积透明导电层，并且在导电层和半导体层之间设置薄绝缘层，导电层与第一电极电连接，半导体层与第二电极电连接，第一电极被设置为比施加在第二电极上的电势低的电势。

特别地，半导体层可以由多晶半导体材料制成。该材料可以选自SbK₂Cs、SbRb₂Cs、SbRb₂Cs、SbCs₃、SbNa₃、SbNaKRbCs、SbNaKCs、SBNa₂KCs。

可选地，半导体层可以由III-IV或II-VI族单晶半导体材料制成。

通常，透明导电层由ITO或ZnO制成。

有利地，薄绝缘层由击穿电压高于1V/10nm的介电材料制成。通常，这种薄绝缘层的厚度为100nm至200nm。有利地，介电材料选自Al₂O₃、SiO₂、HfO₃。

有利地，在第二电极和第一电极之间施加的电势差选择为高于或等于

其中ε_s和ε_d分别是半导体层和绝缘层的介电常数，δ是绝缘层的厚度，ΔU_bb是在不施加任何电势差时能带弯曲的幅度，N_a是半导体层中受主的浓度，以及e是电子的电荷。

附图说明

当阅读参照附图描述的本发明的优先实施例时，本发明的其它特征及优点将变得明确，在附图中：

已描述的图1示意性地表示从现有技术中已知的电磁辐射检测器的结构；

图2表示从现有技术中已知的具有高量子产率的光电阴极的能带图；

图3示意性地表示根据本发明的实施例的电磁辐射检测器的结构；

图4表示在图3中的电磁辐射检测器中使用的光电阴极的能带图。

具体实施方式

本发明的基本思想在于在电磁检测器的入口窗口和光电阴极之间引入电容结构，该电容结构由用作极化电极的薄导电层和薄介电层形成。极化电极用于在比施加在光电阴极的电势低的电势下极化，以便将界面附近产生的光电子驱逐出复合区域。

图3示意性地表示根据本发明的实施例的电磁辐射检测器的结构。

如前所述，检测器包括由在感兴趣的光谱带中的透明材料制成的入口窗口310，例如由石英或硼硅酸盐玻璃制成的窗口。

入口窗口具有用于接收入射光子通量的上游面311和与上游面相对的下游面312。

在感兴趣的光谱带中的透明的导电层316沉积在入口窗口的下游面上。它还与第一电极315电连接。有利地，透明导电层可以由ZnO或ITO制成。其厚度在50nm到几百纳米的范围内选择，并且有利地等于150nm。

由介电材料制成的绝缘层317设置在导电层316和光电阴极320的半导体层之间。选择介电材料以具有高击穿电压，例如高于1V/10nm。介电层的厚度通常为100nm至200nm。特别地，介电材料可以包括氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)或氧化铪(HFO₃)。根据一种变型，绝缘层可制成为包含上述介电材料的多层介电结构的形式。

光电阴极320由沉积在绝缘层317上的半导体层的形式制成。半导体可以是单晶，例如III-V族半导体如GaAs，或II-VI族半导体如CdTe。可选地，半导体可以具有多晶结构，特别是例如SbK₂Cs、SbRb₂Cs、SbRb₂Cs、SbCs₃、SbNa₃、SbNaKRbCs、SbNaKCs、SBNa₂KCS的双碱或多碱化合物的情况。

在任何情况下，光电阴极与第二电极325电连接。

由光电阴极发射的初级电子在真空中发射，并由电子倍增器装置330倍增，电子倍增器装置为例如以本申请人名义提交的已公布的申请FR-A-2961628中所述的微通道板(microchannel plate，MCP)或纳米金刚石层，或者在传统光电倍增器的情况下使用离散倍增器。

电子倍增器装置连接到第三电极(未示出)。

以这种方式倍增的光电子称为二次电子并由输出装置340接收。输出装置可以包括荧光屏，确保直接转换成如同图像增强器或CCD或CMOS阵列中的图像，以输出代表入射光子通量分布的电信号，如在EB-CCD(电子轰击CCD)或EBCMOS(电子轰击CMOS)系统中的电信号，或者在传统光电倍增管的情况下的简单金属阳极。

输出装置与用作阳极的第四电极连接。

有利地，入口窗口310、光电阴极320、电子倍增器装置330和输出装置安装在一个紧凑的管体内，由介电间隔件隔开的连接环确保电极与外部电源的电连接。根据一种有利的变型，管体可以是多层陶瓷基底的形式，如以本申请人名义提交的已公布申请FR-A-2925218中所述，电子倍增器装置固定在多层陶瓷基底上。

当然，与传统的光电阴极一样，通过在阳极和阴极之间施加高电压来确保光电子的提取及其加速。然而，以非常规的方式，在第一电极和第二电极之间施加负电压，以将导电层设置在比光电阴极的电势低的电势。更具体地，如果V_m，V_pk，V_a分别表示导电层、光电阴极和阳极的各自电位，则V_m＜V_pk＜＜V_a。换句话说，导电层和阳极之间的电势差本质上是由于光电阴极和阳极之间的电势差引起的。在实践中，电势差V_pk-V_m介于1到50V之间，而电势差V_a-V_pk则在数百伏的范围内。

在第一电极上施加该电压导致朝光电阴极的发射表面322驱逐在复合区域321中产生的光电子。光电阴极的复合区域位于与介电层的界面处。实际上，本领域的技术人员应当理解，与介电层的界面处的位错和缺陷充当光电子复合的中心。由于施加在导电层和光电阴极之间的电场，光电子在复合区域中的停留时间非常短，并且尽可能降低其复合的可能性。

此外，光电阴极内光电子的传输不再主要是由于扩散，而是由于内部电场。这使得光电阴极中电子平均行程时间减少，并且光电检测器的响应时间提高。

图4表示在图3中的电磁辐射检测器中使用的光电阴极的能带图。

导电层由410表示，绝缘层由420表示，光电阴极的半导体层由430表示。

图中的顶部称为(A)，对应于在导电层和(p型)半导体层之间不施加电势差的情况。

需要说明的是，半导体层的导带和价带在与绝缘层的界面处向下弯曲。换句话说，在这种情况下，在势杯424中在界面处形成光电子气体。此外，表面状态所在的复合区域由425表示。

在界面处或靠近界面处产生的光电子与表面态发生复合的可能性很高，因为存在于势杯中的光电子倾向于向复合区域迁移，光电子甚至会更多。

图中的底部称为(B)，对应于导电层被设置为比半导体层的电势低的电势的情况。更具体地，如后面所解释的，在此的电势差V_pk-V_m被选择为高于阈值ΔV_th。

需要说明的是，此时半导体层的导带和价带在与绝缘层的界面处向上弯曲。换句话说，在这种情况下，在界面处产生的光电子被能带弯曲区域中存在的电场从复合区域425中驱逐。

所施加的电势差V_pk-V_m可以估计如下：在不施加任何电压的情况下(情况(A))，对应于能带弯曲的(负)空间电荷与表面态的(正)电荷平衡。这个空间电荷可以近似表示为：

其中e是电子的电荷，N_a是(p型)光电阴极中受主的浓度，x_dt是耗尽区的宽度。

耗尽区的宽度可以估计如下：

其中ε_s是半导体的介电常数，ΔU_bb是在没有任何电势差的情况下的能带弯曲。这使得

因此，要在导电层和光电阴极之间施加的允许通过光电阴极中的电容效应简单地平衡该电荷的电势差的大小为：

其中指数FF对应于能带在界面处平坦的情况，δ是绝缘层的厚度，ε_d是其的介电常数。在需要至少反转能带弯曲的情况下，则存在电位差(V_m-V_pk)≤-ΔV_th应施加为：

尽管如此，本领域的技术人员应当理解，当V_m＜V_pk时将获得量子产率的改进。在一定程度上，能带弯曲的任何减小甚至在其反转之前，将减小界面处的电势杯的宽度，并因此降低光电子复合的可能性。

Claims (9)

1.一种电磁辐射检测器，包括：玻璃入口窗口(310)，所述玻璃入口窗口具有用于接收入射光子通量的上游面(311)和与所述上游面相对的下游面(312)；半导体层(320)形式的光电阴极，所述光电阴极用于从所述入射光子产生光电子并发射由此产生的所述光电子；电子倍增器装置(330)，所述电子倍增器装置配置为接收由所述光电阴极发射的所述光电子并针对每个接收的光电子生成多个二次电子；以及输出装置(340)，所述输出装置配置为从所述二次电子中产生输出信号，其特征在于，在所述入口窗口的下游面(312)上沉积透明导电层(316)，并且在所述导电层(316)和所述半导体层(320)之间设置薄绝缘层(317)，所述导电层与第一电极(315)电连接，所述半导体层与第二电极(325)电连接，所述第一电极被设置为比施加在所述第二电极上的电势低的电势。

2.根据权利要求1所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述半导体层由多晶半导体材料制成。

3.根据权利要求2所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述多晶半导体材料选自SbK₂Cs、SbRb₂Cs、SbRb₂Cs、SbCs₃、SbNa₃、SbNaKRbCs、SbNaKCs、SBNa₂KCS。

4.根据权利要求1所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述半导体层由III-IV或II-VI族单晶半导体材料制成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述透明导电层由ITO或ZnO制成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述薄绝缘层由击穿电压高于1V/10nm的介电材料制成。

7.根据权利要求6所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述薄绝缘层的厚度为100nm至200nm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电磁辐射检测器，其特征在于，所述介电材料选自Al₂O₃、SiO₂、HfO₃。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电磁辐射检测器，其特征在于，在所述第二电极和所述第一电极之间施加的电势差被选择为高于或等于

其中ε_s和ε_d分别是所述半导体层和所述绝缘层的介电常数，δ是所述绝缘层的厚度，ΔU_bb是在不施加任何电势差时能带弯曲的幅度，N_a是所述半导体层中受主的浓度，以及e是所述电子的电荷。

Images