DE2101941A1

DE2101941A1 - Mehrschichtige III V Photokathode mit einer besonders guten aktiven Schicht

Info

Publication number: DE2101941A1
Application number: DE19712101941
Authority: DE
Inventors: Georgios Antonou Mountain View James Lawrence William palo Alto Bell Ronald Lancelot Woodside Uebbing John Julian Palo Alto Calif Antypas (V St A )
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1970-01-19
Filing date: 1971-01-15
Publication date: 1971-07-29
Also published as: GB1344859A; JPS5529542B1; FR2075693A5; NL7019039A

Description

Umwandlungsprozeß eine Übertragungsoptik verwandt werden. Bei einer Ausführungsform wurde eine 2 um dicke aktive

Schicht aus GaAs_n QcSb_{n Λκ} mit einem Bandabstand von un-

υ»ΐ72 υ,υ;)

gefähr 1,32 eV (entsprechend einer Ansprechwellenlänge von 0,938 um)epitaxial auf einer GaAs Schicht wachsen gelassen, die einen Bandabstand von ungefähr 1,42 eV aufwies» Die Gitterkonstanten der Unterlage und der aktiven Schicht betrugen 5,653 bzw. 5,675 Ä, wodurch eine ausreichende Anpassung erhalten wurde, so daß eine aktive Schicht mit hoher Qualität wachsen konnte. In dem schmalen Energiebandbereich zwischen den beiden Bandabständen liegt die 1»34 eV (0,925 Jim) Strahlung des Indiumphosphid-Laser, der in dem Abbildungssystem der vorliegenden Ausführungsform verwandt werden kann.

In einer anderen Ausführungsform wurde die Gitterfehlanpassung zwischen dem aktiven Kristall und der Unterlage durch eine Übergangeschicht oder eine Polge von Übergangsschichten mit einer mittleren Zusammensetzung soweit wie möglich herabgesetzt. Aufgrund dieses die Verformungen herabsetzenden Aufbaus konnten dünne Einkristalle von hoher Qualität mit einer verhältnismäßig langen Elektronendiffusionslänge gezogen werden. Gemäß einem besonderen Beispiel wurde eine 20 jum Übergangsschicht aus GaAs₀ 9Q₁Sb₀ epitaxial auf einer GaAs Unterlage gezogen. Eine 3 pm aktive Schicht aus GaAs₀ gcSb₀ ^ wurde auf der Übergangsschicht wachsen gelassen. Diese Zusammensetzung der aktiven Schicht zeigte einen Energiebandabstand von 1,17 eV entsprechend einer Absorptionswellenläng· von 1,06 um.

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Ausgangspunkt der Erfindungs

Die vorliegende Erfindung betrifft III-V Halbleiterphotokathoden, und insbesondere Photokathodenkristalle, die mehr als eine Kristallschicht besitzen.

Bisher wurden dicke III-V Schichten epitaxial auf III-V Unterlagen gezogen, um einen besonderen Bandabstand in der zweiten Schicht in der Nähe der Oberfläche zu erhalten· Während des epitaxialen Wachstums der zweiten Schicht aus der flüssigen Phase wurde die Zusammensetzung und der Bandabstand durch die Verarmung der umgebenden Bestandteile allmählich geändert. Der Wachstumsprozeß wurde beendet, wenn die wachsende Oberfläche der zweiten Schicht den gewünschten Bandabstand erreichte, so daß sie durch Photonen einer gewünschten Wellenlänge aktiviert werden konnte. Bei diesen früheren undurchsichtigen Kathoden wurden reflektierende Kathodenbauteile verwandt, da die auftreffenden Photonen der gewünschten Wellenlänge nicht durch den Bereich der zweiten Schicht unmittelbar angrenzend an den aktiven Oberflächenbereich laufen konnten. Der Bandabstand dieser nächstliegenden Bereiche war nahezu der gleiche wie der des aktiven Oberflächenbereiches und die einfallenden Photonen wurden in dem inneren Bereich absorbiert, auf den sie zuerst trafen. Die durch diese innere Umwandlung erzeugten Elektronen konnten nicht zu der Emissionsoberfläehe des aktiven Bereiches diffundieren, da sie lediglich eine begrenzte Diffusionslänge von weniger als 1 bis ungefähr 2 pm besaßen. Die reflektierenden Kathoden des verwandten Typs erfordern bestimmte Baumaßnahmen und elektronische Einrichtungen, die bei den durchlässigen, halbdurchsichtigen optischen Systeme nicht erforderlich sind. Weiterhin kann bei undurchsichtigen reflektierenden Kathoden nicht eine Antireflexlons- oder

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optische Anpassungsschicht auf die Oberfläche des aktiven Bereiches, auf die die Photonen auftreffen und aus der Elektronen emittiert werden, aufgebracht werden, da an dieser Schicht ein Einfang von Elektronen stattfinden würde.

Frühere Zuchtversuche von dünnen III-V aktiven Schichten auf Saphir, zur Verwendung in optischen Übertragungssystemen, haben zu einem fleckenförmigen oder polykristallinen Zuchtergebnic geführt. Saphir ist als eine durchlässige Unterlage wegen seines großen Bandabstandes und seines weiten Durchlässigkeitsbereiches äußerst erwünscht. Die Gitterfehlanpassung zwischen dem Saphirkristall und der aktiven III-Y Kristallschicht führte jedoch zu Korngrenzen, durch die die Elektronendiffusionslänge verringert und der Emissionsprozeß unterbunden wurde, Weiterhin traten durch die Unterschiede in den optischen Konstanten zwischen dem Saphir und den III-V Kristallen an ihrer Grenzfläche beträchtliche Reflektlonen auf. Die Verwendung einer optischen Anpassungsschicht an dieser Grenzschicht ist zur Zeit nicht möglich.

Zusammenfassung der Erfindung;

Die vorliegende Erfindung bezwe&t deshalb eine dünne aktive Schicht von hoher Qualität in einer Photokathode anzugeben, die eine durchlässige Optik verwendet.

Weiterhin wird eine Photokathode mit höherer Quantenausbeute durch optische Anpassung der Stirnflächen und Grenzflächen angestrebt, durch die die einfallenden Photonen laufen müssen.

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Die vorliegende Erfindung strebt auch, eine Photokathode mit einer aktiven Schicht von hoher Qualität an, die eine Elektronendiffusionslänge aufweist, die mit der Dicke der Schicht vergleichbar ist.

Zusätzlich soll gemäß der Erfindung eine Photokathodenröhre angegeben werden, die eine vereinfachte Optik und einen vereinfachten Fokussierungsaufbau aufweist.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein III-Y ünterlagskri- a stall vorgesehen wird, der durch einen ersten Bestandteil, der aus wenigstens einem Element aus der Gruppe III des Periodensystems besteht, und einem zweiten Bestandteil gebildet wird, der aus wenigstens einem Element aus der Spalte Tfaes Periodensystems besteht· Auf diesem Unterlagskristall wird eine aktive Schicht mit einem etwas niedrigeren Bandabstand und einem Kristallgitter, das vorzugsweise innerhalb der Toleranzgrenzen des Kristallgitters der Unterlage angepaßt ist, epitaxial gezogen. Die akti ve Schicht wird durch den ersten und zweiten Beatandteil der Unterlage plus einem dritten Bestandteil gebildet, der auch au» den Spalten III und V des periodischen Systems ausgewählt ist. Das Kristallgitter der beiden Schichten liegt Φ ausreichend nahe beieinander, so daß ein aktiver Kristallvon hoher Qualität gezogen werden kann, der eine Elektronendiffusionslänge aufweist, die mit der Dicke des Kristalls vergleichbar ist, d.h. die einige um beträgt. Durch diese Anpassung des Kristallgitters innerhalb der zulässigen Grenzen wird ein vorzugsweise orientiertes Kristallwachst um in der aktiven Schicht erreicht. D. h. die aktive Sohicht hat eine Achse gemeinsam Bit der Unterlagsschicht, und diese Achse liegt in der Wachsturnsrichtung der aktiven Schicht. Durch eine noch bessere Anpassung des Kristall-

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gittere wird eine aktive Schicht von noch höherer Qualität erzeugt, bei der die Schicht durch einen Einkristall gebildet wird und bei der alle drei Kristallachsen mit dem Unterlagskristall gemeinsam sind. Sowohl durch diese enge Anpassung als auch durch die Anpassung innerhalb zulässiger Grenzen wird ein Kristall von ausreichender Qualität erzeugt, der die gewünschte Diffusionslänge und die gewünschten optischen Eigenschaften aufweist. Durch diese dünnen aktiven Schichten von hoher Qualität können optisch durchlässige Systeme verwandt werden, die einen geringeren Aufbau als die undurchsichtigen reflektierenden Kathoden erfordern, und die bei einigen Anwendungen eine angenäherte Fokussierung erlauben, die bei den reflektierenden Systemen nicht anwendbar ist. Weiterhin kann bei den optisch durchläassigen Systemen eine optische Anpassungsschicht über der Fläche, in die die Photonen einfallen, verwandt werden, um eine RefIe χ ion und einen Verlust von Photonen zu verhindern. Bei den reflektierenden Systemen fiel die Fläche, in die die Photonen einfallen, mit der Fläche zusammen, aus der die Elektronen emittiert werden, und bei derartigen Systemen konnten derartige antireflektierende Schichten nicht verwandt werden, dadurch sie eine Elektronenemission unterbunden wurde. Bei der vorliegenden Erfindung tritt auch eine Reflex:ion an der Grenzfläche zwischen den Krietallechichten nicht auf, was auf ihre engbenachbarten Kristallgrößenund ihren eng benachbarten Kristallaufbau beruht. Die Schichten haben im allgemeinen dieselbe optische Konstante und dieselben optischen Eigenschaften, wodurch ein reflex ionsfreier Übergang an der Grensflache erhalten wird. Den durchlässigen optischen Systemen ist nocl>4in anderes Merkaal eigen, durch das die Quantenausbeute der Photokathode vergrößert wird. Die ak-

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Schicht muß dünn seia_f um die Elektroherd!ffueicm und die Emission von freien Elektronen su optimieren* Wegen dieser geringen Dicke lavfos einige ^otoneu durch lie aktive Schicht, ohne daß sie absorbiert werden. Wenn diese Photonen an die Grenzschicht zwischen dem aktiven Kristall und dem Vakuum gelangen, werden einige von ihnen zurück in die aktive Schicht reflektiert, so daß sie ein zweites Kai dureh die aktive Schicht laufen. An dieser Grenzschicht besteht wegen der optischen Fehlanpassung sswischen dem aktiven Kristall und dem Vakuum ein optisch reflektierender Zustand.

Die Übergangeschicht wird dadurch verwirklicht, daß ein Photoemitter vorgesehen wird, der mehrere Schichten, einschließlieh einer Unterlage, einer aktiven Schicht und wenigstens einer Überbrtickungs- oder Übergangsschicht hierzwisehen aufweist, Die Schichten besitzen sich fortschreitend ändernde Bestandteilszusammensetzungen, um die Fehlanpassung des Zwischenschichtgitters so klein wie möglich zu machen. Wegen der geringen Änderung in der Zusammensetzung der Elemente weist jede Schicht fortschreitend von der ersten Schicht oder der Unterlage zu der letzten Schicht oder der aktiven Schicht einen geringfügig geänderten Bandabstand oder eine geringfügig geänderte Ansprechkurve auf. Die letzte oder n-te Schicht besitzt einen Energiebandabstand, der geeignet ist, um Photonen der gewünschten Frequenz zu absorbieren.

In den Schichten sind in sich fortschreitend ändernden Zusammensetzungen drei Bestandteile vorhanden. Der erste Bestandteil wird durch eine Grundkomponente gebildet und enthält im wesentlichen wenigstens ein Element, das aus der

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dritten Spalte des periodischen Systems ausgewählt ist. Der zweite Bestandteil ist gleichfalls eine Grundkomponente und enthält im wesentlichen wenigstens ein Element, das aus der fünften Spalte des periodischen Systems ausgewählt ist. Der dritte Bestandteil wird durch eine Zusatzkomponente gebildet und besteht im wesentlichen aus wenigstens einem Element, das aus der dritten und der fünften Spalte des periodischen Systems ausgewählt worden ist. Die vorzugsweise Wirkung des Zusatzes des dritten Bestandteiles besteht darin, den Energiebandabstand des sich ergebenden ' Kristalls zu verringern. D.h, der Energiebandabstand des III-V Halbleiters, der durch Kombination der drei Bestandteile gebildet wird, ist kleiner als der Energiebandabstand des HI-V Halbleiters, der durch die beiden Grundbestandteile gebildet wird. Aus diesem Grunde wird der Anteil des dritten Bestandteils fortschreitend von der ersten Schicht bis zu der η-ten Schicht erhöht, um die Gitterfehlanpassung zu mildern und um den Energiebandabstand der Schichten fortschreitend zu verringern. Dementsprechend wird der Anteil des ersten oder zweiten Bestandteils entsprechend verringert, ausgehend von der 50-50 Zusammensetzung zwischen den Elementen der dritten Spalte und den Elementen der fünften Spalte, die bei der Zucht von derartigen Kristallen auftritt.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsformen erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine Laser- oder monochromatisch echmalbandige Abbilderöhre, in die der neue HI-V Photoemitter eingebaut ist;

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Pig. 2 einen Teilschnitt durch, die Photokathode entlang der linie 2-2 in Pig. 1;

Pig. 3 eine graphische Darstellung, in der für die üblichen "binären und ternären III-V Kristalle die Kurven des Energiebandabstandes in Abhängigkeit von der Gitterkonstanten aufgezeichnet sind;

Pig. 4 eine schanatische Ansicht einer monochromatischen Abbilderöhre, in der der neue Photoemitter eingebaut ist;

Pig. 5 einen Teilschnitt durch einen dreischichtigen Photoemitter entlang der Mnie 5-5 in Pig. 4; und

Pig. 6 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des in Pig. 5 gezeigten Photoemitters, bei dem eine zusätzliche Übergangsschicht vorgesehen ist, um die Deformationen weiter abzubauen, die durch die Gitterfehlanpassung hervorgerufen werden.

Beschreibung vorzugsweiser Ausführungsformen:

In Pig. 1 ist ein Laser 10 dargestellt, der einen Gegenstand 12 beleuchtet, der durch eine Abbilderöhre H abgebildet werden soll. Die ron dem Gegenstand 12 reflektierten Strahlen dringen durch einen Vakuumglaskolben 16 der Abbilderöhre 14 und treten in die III-V Photokathode 18 ein, in der die Photonen-Elektronen Umwandlung stattfindet. Die erzeugten Elektronen laufen durch die Abbilderöhre 14 und werden durch zwei Pokussierungselektroden 20 fokussiert

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und treffen auf eine Phosphorschicht 22 auf einer Glashalt erung 24 auf. Das Bild kann sodann auf der Phosphorschicht 22 betrachtet werden.

Die Figo 2 sseigt einen Teil der Photokathode 14_f der aus der Pig. 1 herausgeschnitten und vergrößert ist. Auf einer Unterlage 32 ist epitaxial eine aktive Schicht 30 gewachsen. Die Gitterkonstanten der Schichten 30 und 32 sind innerhalb der erlaubten Grenzen aneinander angepaßt, um einen Kristall guter Qualität wachsen zu lassen. Die Schicht 30 besitzt vorzugsweise einen Energiebandabstand, der ausreichend kleiner als der der Unterlage 32 ist, um sicherzustellen, daß die anregenden Photaen durch die Unterlage 32 laufen, ohne daß sie merklich absorbiert werden. Die Schicht 32 ist geeignet mit einem p-Dotierungsmittel, wie etwa Zn, Cd, Ge, usw. dotiert und auf einen Träger 34 aufgebracht, der bei dieser Ausführungsform einen Teil des Vakuumglaskolbens 16 bildet. Auf die Oberfläche des Trägers 34t auf die die Photonen auftreffen, ist vorzugsweise eine optische Anpassungsschicht 36 aufgebracht. Eine andere optische Anpassungsschicht 38 kann zwischen dem Träger 34 und der Unterlage 32 vorgesehen werden.

Pig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Energiebandabstandes gegen die Kristallgitterkonstante für bevorzugte binäre und ternäre III-V Zusammensetzungen der Elemente Al, Ga und In der dritten Spalte des Periodensystems und der Elemente P, As und Sb der fünften Spalte des Periodensystems, die sich besonders für die Verwendung in der III-V Photokathode eignen. Bei einigen Anwendungen können andere III-V Halbleiterkristalle verwandt werden einschließlich III-V Kristalle mit mehr als drei Elementen, oder es kön-

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nen die verbleibenden XII-V Elemente P, Tl, E und Bi verwandt werden. Die neun. Psmkte auf der graphischen Darstellung, in denen sich die Kurven schneid^ stellen die neun möglichen binären IH-Y Kristalle aus den oben aufgeaShlten Elementen der dritten und fünften Spalte des periodischen Systems dar. Jeder Punkt ist bezeichnet und zeigt die beiden Bestandteile des zugehörigen binären Systems an. Die Kurven, die die binären Punkte verbinden, stellen die ternären III-Y Systeme dar. Von jedem binären Punkt gehen vier Kurven aus, die die vier ternären Systeme mit unterschiedlicher Zusammensetzung darstellen, die aue einem gegebenen binären System durch Zusatz eines der vier verbleibenden bevorzugten III-V Elemente gebildet werden können. Z.B. liegt das binäre GaAs an dem Punkt, der eine Gitterkonstante von 5,653 Ä und einen Energiebandabstand von 1,42 eV besitzt. Die vier Kurven, die den GaAs Punkt schneiden, stellen die ternären Systeme GaAsP, GaAsSb, AlGaAs und InGaAs dar. Der Teil jeder ternären Kurve, der in der Nähe des GaAs binären Punktes liegt, enthält hauptsächlich Ga. und As und lediglich eine kleine Menge des dritten Bestandteiles P, Sb, Al bzw« In. Die Teile der ternären Kurve, die fortschreitend weiter von dem GaAs binären Punkt entfernt liegen, enthalten fortschreitend mehr Anteile des dritten Bestandteiles. Schließlich endet jede dieser vier Kurven an dem binären Punkt eines III-V Kristalls, der durch einen der dritten Bestandteile und entweder Ga oder Ab gebildet wird·

Bei der bevorzugten Ausftihrungsfora besteht die Unterlagsschicht aus einem binären oder einem ternären III-V Kristall, wie er in der graphischen Darstellung gezeigt ist. Die aktive Schicht besteht sodann aus einem III-V Kristall, der in dem angrenzenden Teil auf derselben ternären Kurve

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wie das tJnterlagsmaterial liegte Die Zusammensetzung der aktiven Schicht muß nahe genug bei der Zusammensetzung der Unterlage liegen, um das Wachsen eines Kristalls mit guter Qualität zu ermöglichen. D. h« die beiden Gitterkonstanten müssen innerhalb der erlaubten Grenzen liegen. Allgemein führt eine enge Gitteranpaseung zu einer aktiven Schicht aus einem Einkristall mit hoher Qualität, bei der alle drei Kristallachsen mit der Unterlage gemeinsam sind. Eine etwas größere Gitterfehlanpassung, die aber noch innerhalb der erlaubten Grenzen liegt, die für das Wachstum eines Kristalls mit guter Qualität erforderlich sind, führt zu einem bevorzugt orientierten Kristall, bei dem die Achse des Kristallwachstums (senkrecht zu der Unterlage) mit der der Unterlage zusammenfällt. Bei Fehlanpassungen innerhalb dieser Grenzen werden bereichsförmige oder polykristalline aktive Schichten mit unerwünschten Korngrenzen vermieden, an denen die freien Elektronen eingefangen und durch die die Elektronendiffusionslänge begrenzt wird.

Z.B. wurde die ternäre aktive Schicht GaAs_n «_cSb_{A ΛΕ1} die auf der GaAsSb Kurve der Fig.3p.iegt, (Energiebandabstand ungefähr 1, 32, Gitterkonstante ungefähr 5,675 Ä) auf einer binären GaAs Unterlage (Energiebandabstand ungefähr 1,42 eV, Gitterkonstante ungefähr 5,65 X) gezogen. Diese Photokathode ist zur Verwendung in einem Abbildungssystem bestimmt, das als lichtquelle einen 1,34 eV Indiumphoephid-Laser benutzt. Durch die Nähe der Energiebandabstände der beiden Schichten wird ein verhältnismäßig rauschfreies schmales Band an festgestellten Wellenlängen gebildet, in das die 0,925/im Wellenlänge der Strahlenquelle fällt. Der etwas höhere Energiebandabstand der Unterlage 32 bestimmt die obere Abschneidefrequenz. Photonen mit einer höheren Energie als 1,42 eV werden im wesentlichen in der

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Unterlage 32 absorbiert und gelangen nicht in sichtbaren Mengen in die aktive Schicht 30. Der etwas niedrigere EnergietBÜEbstand der aktiven Schicht 30 bestimmt die untere Abschneidefrequenz» Photonen mit einer niedrigeren Energie als 1,32 eV laufen durch die aktive Schicht 30 ohne nennenswerte Absorption. Lediglich die Photonen mit den dazwischen liegenden Energien (von 1,32 eV bis 1,42 eV/laufen durch die Unterlage 32 und erregen in der aktiven Schicht 30 Elektronen· Durch die Wahl dieses schmalen Bandes wird -

ein Untergrundrauschen aus dem übrigen Spektrum ausge- ™

schaltet, und es wird ein hohes Verhältnis von Signal zu Hauschen erhalten·

Die oben beschriebene QaAs-GaAsSb Photokathode kann mit einem größeren Bandpaß ausgestattet werden, bei dem mehr Licht zu der aktiven Schicht gelangen könnte, um die Photokathode in einem Breitbandsystem, wie etwa einer Infrarot-Abbilderöhre zu verwenden· Die GaAsSb aktive Schicht dieser Breitbandphotokathode würde einen geringeren Energiebandabstand mit einer geeigneten Zunahme an dem Sb Bestandteil erfordern. In der graphischen Darstellung liegen diese Sb angereicherten GaAsSb Ternärsysteme nie- φ driger und links von dem GaAs und dem GaAs₀ 93Sb_{0 05} Punkt auf der GaAsSb Kurve, und sie besitzen eine größere Gitterkonstante. Durch die größere Gitterfehlanpassung, die durch den erhöhten Anteil an Sb eingeführt wird, wird die Menge an Sb begrenzt, die zugesetzt werden kann, während ein Wachstum mit guter Qualität auf der GaAs Unterlage aufrechterhalten wird. D.h. die maximale Breite des Bandpasses wird durch die Kristallgitterverzerrung bestimmt, die durch die Gitterfehlanpassung hervorgerufen wird. Bei der GaAs-GaAsSb Photokathode, bei der die aktive Schicht nach der

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1.00 Kristallebene der Unterlage ausgerichtet ist, ergibt sich bei einer Gitterfehlanpassung von weniger als ungefähr einem halben Prozent (ungefähr 0,03 &) ein Wachstum eines Einkristalles mit hoher Qualität, bei dem die drei Kristallachsen zwischen den beiden Schichten gemeinsam sind. Bei Fehlanpassungen, die größer als ungefähr 1/2 jfc, jedoch kleiner als ungefähr 1,5 i> (ungefähr 0,1 £) sind, ergibt sich ein Kristallwachstum mit guter Qualität, wobei die Achse des Kristallwachsturns zwischen den Schichten gemeinsam ist. Eine aktive Schicht mit einer Fehlanpassung von ungefähr 0,1 % stellt das GaAs₀ 77Sb₀ ~~ dar, das in der graphischen Darstellung bei einem Energiebandabstand von ungefähr 1,12 eV und einer Gitterkonstanten von ungefähr 5»75 % dargestellt ist. Diese Breitbandphotokathode besitzt einen Bandpaß von annähernd 0,30 eV (1,42 eT — 1,12 eV), und dieser Bandpaß ist beträchtlich größer als der 0,10 eV Bandpaß des GaAs_{n Q(;}Sb_n «,-.

Bei der Bestimmung der Zusammensetzung der temären III-Y Kristalle entlang jeder Kurve der graphischen Parstellimg ist es zweckmäßig anzunehmen, daß Änderungen in der III—Y Zusammensetzung proportionale Änderungen in der Gitterkonstanten entsprechend dem Vegard'e Gesetz bewirken. Z.B. kann in der GaAeSb aktiven Schicht der Laserauaführung*- form der Anteil an As und Sb dadurch bestimmt werden, daß man sich vergegenwärtigt, daß das binäre GaAs eine Gitterkonstante von ungefähr 5,65 £ und das binäre GaSb eine Gitterkonstante von ungefähr 6,09 besitzt. Alle ternären Systeme des GaAsSb liegen auf der Kurve, die diese beiden binären Systeme verbindet, und sie sinayEusammengesetzt aus 50 i> Ga und einem veränderlichen kleineren Anteil an As und Sb. Der Mittelpunkt zwischen 5,65 1 und 6,09 1

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liegt bei 5,87 £ und entspricht der Gitterkonstauten des

ternären Systeme GaAs₀ ^_nSb₀■cq.. In ähnlicher Weise besitzt das ternäre System GaAs« jf^n p^ ^e^^ne Sit-terlconstanr. te von ungefähr 5,75 Ä. (6,09 - 5,65 χ 0,25 ~ P, 1Of 5,65 + 0,01 = 5,75)^ .-:.■;

Die Schichten der Photokathode werden unter Verwendung
herkömmlicher epitaxialer Wachstumstechniken in der Dampfj-■■< oder Flüssigkeitsphase gezogen, wie sie in der folgenden, kurzen Beschreibung angedeutet sind, in der als besonderes. Beispiel die Herstellung der erfindungsgemäßen Photokathods unter Verwendung von GaAs - GaAsSb beschrieben ist· Die _:; Unterlage besteht bei diesem Beispiel aus dem binären .( GaAs, das aus einem Zuchtkristall gezogen worden ist oder :_c käuflich im Handel erworben wurde, und die aktive Schicht _r._Ä besteht aus einem ternären System, das auf der binären , Basis gewachsen ist. Wenn eine ternäre Basis erforderlich . ist, so kann diese gekauft oder über einer binären Basis
unter Verwendung.dieser Arbeitsteehnik gezogen werden. ^. r Später wird der binäre. Teil weggeschliffen» so daß Ie- _;&χ diglich-die ternäre Schicht verbleibt» auf der eine an- ·_; * dere ternäre oder binäre aktive Schicht, gezogen werden _;;Sj,_;y kann. Bei dem normalen epitaxialen Arbeitsverfahren wird;_ΰα eine Galliumschmelze in einem Ofen bei ungefähr 720⁰C _;
(der Anfangswachiumstemperatur) hergestellt. Die Schmelze wird sodann von einer GaAs Quelle gesättigt. Es wird ,,
GaSb zugesetzt, wodurch die Iiöslichkeit des As verringerf
wird und wodurch bewirkt wird, daß GaAs Dendriten im
Gleichgewicht mit der Schmelze ausfallen. Zu der Schmelze
wird ein Dotierungsmittel, vorzugsweise elementares Zn, _;.
zugesetzt. Der Öfen wird sodann um annähernd 10° aus der
Horizontalen gekippt, wodurch bewirkt wird, daß die
Schmelze über die Unterlage fließt. Die Ofentemperatur

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wird sodann entsprechend einem programmierten Abkühlungszyklus erniedrigt (ungefähr 3⁰C bei dem GaAs₀ 05Sb₀ _Qc Beispiel)· Während dieser Temperaturabnahme kristallisieren das GaAs und das GaSb epitaxial in den gewünschten Verhältnissen auf der GaAs Unterlage aus· Die binäre Unterlage wirkt bei dieser Arbeitstechnik als ein Zuchtkristall für das epitaxiale Wachstum des ternären Systems, wobei genügend Kristallisationspunkte vorhanden sind, um ein gutes Kristallwachstum sicherzustellen, dem die leichte Gitterfehlanpassung, die durch das GaSb eingeführt worden ist, nicht entgegensteht. Eine detailliertere Auskunft über diese Wachstumstechnik gibt der Artikel von H· Nelson:

"Epitaxial Growth " RCA Review, Dezember 1963, Seiten

603 - 615.

In Fig. 4 ist eine Bildröhre 110 dargestellt, die einen Vakuumglaskolben 112 und ein Lichtfenster 114 besitzt, auf dem der erfindungsgemäße Photoemitter 116 angebracht ist. Photonen, die festgestellt werden sollen, gehen von einem Monochromator 118 aus und laufen durch einen zu beobachtenden Gegenstand 120, der unmittelbar vor dem Lichtfenster 114 angeordnet ist. Die von der Photokathode 116 emittierten Elektronen werden durch eine Fokussierungselektrode 122 fokussiert und treffen auf eine Phosphorschicht 124 auf, die auf einer Glasunterlage 126 angebracht ist. Das Bild des Gegenstandes 120 wird auf einem Bildschirm 128 betrachtet. Das hier abgebildete einfache optische Übertragungssystem kann auf Grund der dünnen für Elektronen durchsichtigen aktiven Schicht des erfindungsgemäßen Photoemitters 116 verwandt werden.

£ig. 5 zeigt den detaillierten Aufbau der Photokathode 116. Eine Unterlagsschicht HO, die bei diesem Beispiel auf dem

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Glaskolben 113 angebracht ist, bildet die Kristallisationskernbildungspunkte für das Wachsen einer Überbrtickungs- oder Übergangsschicht 142, durch die hinwiederum die geeignete Gitterumgebung zur Züchtung einer aktiven Schicht 144 gebildet wird. Im allgemeinen besteht die Unterlage HO aus einer herkömmlichen aus zwei Elementen bestehenden III-V Halbleitersubstanz, wie etwa GaAs oder InP. Die Unterlage I40 könnte jedoch auch ein aus drei oder vier Elementen zusammengesetzter Halbleiter sein. Die Übergangsschicht 142 ist ein zusammengesetzter IH-V Halbleiter, . der dieselben Haupt- oder Grundelemente wie die Unterlage 140 in etwas geänderten Verhältnissen aufweist oder der einen kleinen Prozentsatz an einem zusätzlichen Element besitzt. Die leichte Gitterfehlanpassung zwischen der Unterlage HO und der Übergangsschicht 142, die durch die etwas verschiedene Zusammensetzung bewirkt wird, verhindert nicht insgesamt das Wachsen der Übergangsschicht 142. Kleinere Fehlstellen, die in der Übergangsschicht 142 aufgrund dieser geringen Fehlanpassung auftreten, werden abgemildert, wenn die Dicke der Übergangsschicht 142 vergrößert wird. Eine Überbrückungsdicke von 10 pn erscheint ausreichend, um die Wirkungen der Pehlanpassung zum Verschwinden zu bringen und um eine verhältnismäßig fehlstellenfreie Oberfläche zu schaffen, die angemessene Kristallisationskernbildungsstellen für das Wachstum einer aktiven Schicht 144 von hoher Qualität aufweist. Durch eine dickere Übergangsschicht von 20 oder sogar 50 pn Dicke werden noch mehr Versetzungen und Korngrenzen in der Wachstumsoberfläche der Übergangsschicht 142 ausgeschaltet, und es kann eine aktive Schicht 144 mit noch besserer Qualität gezogen werden. Eine leichte Gitterfehlanpassung tritt zwischen der Übergangsschicht 142 und der aktiven Schicht 144 auf, da die aktive Schicht 144 eine leicht geänderte Zusammensetzung oder eine Anreicherung des dritten Elementes aufweist, Die Wirkung dieser kleineren Gitterfehlanpassung reicht nicht

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aus, um das Wachstum einer aktiven Schicht aus einem Einkristall mit hoher Qualität zu verhindern. Hierdurch kann die aktive Schicht 144 etwa 1 pm dünn sein und wirksam als Photokathode dienen.

Jede der verschiedenen Schichten, die die Photokathode 116 "bilden, enthalten im wesentlichen drei Bestandteile. Der erste Bestandteil besteht aus einem Element, das in der Spalte 3 des periodischen Systems aufgeführt ist, und vorzugsweise wird dieses Element aus der Gruppe ausgewählt, die aus Al, Ga, In und Tl besteht. Der zweite Bestandteil besteht aus einem Element, das in der Spalte 5 des periodischen Systems aufgeführt ist, und vorzugsweise wird dieses Element aus der Gruppe ausgewählt, die aus P, As, Sb und Bi besteht. Der dritte Bestandteil besteht aus einem Element, das in der Spalte 3 oder der Spalte 5 des periodischen Systems aufgeführt ist, und vorzugsweise wird dieses Element aus der Gruppe ausgewählt, die aus Al, Ga, In, Tl, P, As, Sb und Bi besteht. Wenn die Unterlage aus einem binären III-V Kristall besteht, so wird sie durch lediglich den ersten und den zweiten Bestandteil gebildet. In der unten gezeigten Tabelle I sind die III-III-V Kombinationsmöglichkeiten und in der unten angegebenen Tabelle II sind die III-V-V Kombinationsmöglichkeiten der drei Bestandteile angegeben.

Tabelle I

Al Ga P Al Ga As Al Ga Sb Al Ga Bi

Al In P Al In As Al In Sb Al In Bi

Al Tl P Al Tl As Al Tl Sb Al Tl Bi

Ga In P Ga In As Ga In Sb Ga In Bi

Ga Tl P Ga Tl As Ga Tl Sb Ga Tl Bi

In Tl P In Tl As In Tl Sb In Tl Bi

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Tabelle II

Al P As Ga P As In P As Tl P As

Al P Sb Ga P Sb In P Sb 51 P Sb

Al P Bi Ga P Bi In P Bi Tl P Bi

Al As Sb Ga As Sb Ta As Sb Il Ae Sb

Al As Bi Ga As Bi In As Bi Il As Bi

Al Sb Bi Ga Sb Bi In Sb Bi !El Sb Bi

Die fortschreitende GaSb Anreicherung mildert die Zwischengitter spannungen zwischen den Schichten und erniedrigt fortschreitend den Energiebandabstand. Eine geeignet bemessene Reihe von Schichten sollte zu einer aktiven Schicht mit gerade dem richtigen Energiebandabstand führen, um die einfallenden Photonen zu absorbieren, mit jedoch einem geringeren Energiebandabstand als bei der vorhergehenden Übergangsschicht und der Unterlage. Indem man einen Halbleiter mit einem verhältnismäßig geringen Energiebandabstand verwendet, wie etwa GaSb, um den Energiebandabstand der aufeinanderfolgenden Schichten zu erniedrigen, vermeidet man eine mögliche Schwierigkeit, die dann auftritt, wenn die Übergangsschicht einen Energiebandabstand aufweist, der zu nahe an dem der aktiven Schicht liegt. Durch eine derartige Anordnung könnte der Wirkungsgrad für eine Photon-Elektron-Umwandlung verringert werden, da die Ansprechkurve der Übergangsschicht die Ansprechkurve der aktiven Schicht überlappen kann, wodurch bewirkt wird, daß Elektronen in der Übergangsschicht erzeugt werden. Derartige in der Übergangsschicht erzeugte Elektronen haben eine Diffusionslänge, die kleiner als der Abstand zu der Emissionsoberfläche ist, so daß sie nicht an der Elektronenemission teilnehmen können. Es würde einfallendes Licht verlorengehen, wenn die Übergangsschicht einen Energiebandabstand aufweist, der zu nahe an dem der aktiven Schicht liegt oder kleiner als der der aktiven Schicht ist.

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Die folgenden "besonderen Beispiele zeigen Zusammensetzungen von aus einer HI-V Zusammensetzung "bestehenden Photokathoden, die einen Energiebandabstand von 1,17 eV aufweisen, der geeignet ist, um eine Wellenlänge von 1,06 pm zu absorbieren. Diese Photokathoden zeigen eine Zunahme in ihrem Ansprechverhalten um das 5-fache gegenüber dem früheren S-1 Phosphor.

Beispie}/l:

GaAs - In₀₀₈Ga₀₉₂As - In_{Q f 1 4}Ga_Q ^ _8gAs

Beispiel II:

InP - InAs₀₁₀P₀₉₀ - InAs

Beispiel III

GaAs - OaAe₀,90^sb0_t 10- ^GaAs0,85^S1)0,15

Bei jedem der oben angegebenen Beispiele bestand die Unterlage aus einer gekauften binären IH-V Halbleiterschicht von annähernd 400 pm Dicke. Die Übergangeschichten und die aktiven Schichten bestanden aus zusammengesetzten IH-V Halbleitern von ungefähr 20 um bzw. 3 Aim Dicke. Die genauen Verhältnisse jedes Bestandteils können in Grenzen von dem angegebenen Verhältnis abweichen und noch eine wirksame Photokathodenwirkung bei 1,06 am wegen der Breite ihrer Ansprechkurven bei dieser Wellenlänge beibehalten. Zusätzlich trägt das ungenaue Wissen der chemischen Zusammensetzung zu einem bestimmten .Einbaufehler bei den angegebenen Verhältnissen bei. Hierdurch muß eine bestimmte Varia-ticnin den angegebenen Prozentsätzen erwartet werden·

Beispiel IV:

GaAs - GaAs_{0 >95}Sb_0>05 - ^₀,90^Bb0_t 10-"⁸^¹¹O ,β5**>,15

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zeigt ein vierschichtiges Beispiel, wie es in Pig· 6 dargestellt ist· Zwei Übergangsschichten 142a (20 um) und 1421) (20 pn) mit fortschreitend zunehmenden Anteilen an Sb werden epitaxial auf einer Unterlage 140 wachsen gelassen. Die aktive Schicht 144 wird weiter mit Sb angereichert, um die Absorptionsfrequenz festzulegen. Durch die zusätzliche Übergangsschicht wird die Gitterfehlanpassung weiter abgeschwächt, um das Kristallwachsturn zu erleichtern.

Selbstverständlich können viele Änderungen in dem oben angegebenen Aufbau vorgenommen werden, und es könnten in Λ einem weiten Bereich unterschiedliche Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ausgeführt werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Z.B. könnte eine beliebige Zahl von Übergangsschichten verwandt werden, um die mögliche G-itterfehlanpassung zu verteilen, die zwischen den kristallin nicht mischbaren Unterlagen und den aktiven Schichten auftritt· Ebenso können die Anteile der Bestandteile in einem weiten Bereich verändert werden, um das Ansprechmaximum in irgendeinen Teil des einfallenden Photonenspektrums zu verlagern· Z.B. besitzt GaAs₀ «, SbQ QY einen Energiebandabstand von 1,30 eV, entsprechend einem Ansprechmaximum bei 0,95 wn, das leicht gegen das J^ Maximum verschoben ist, das bei dem besonderen Beispiel III beschrieben wurde. Obgleich als besondere Anwendung, wie sie hier beschrieben wurde, eine monochromatisch arbeitende Bildwandlervorrichtung genannt wurde, kann der Photoemitter auch in einer Photomultiplierröhre oder in anderen Vorrichtungen mit einer Photonen-Elektronen-Umwandlung verwandt werden·

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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine dünne aktive Schicht von hoher Qualität und mit hoher Ausgangsleistung angegeben wird, die minimale Gitterspannungen und eine maximale Blektronendiffusionslänge aufweist. Durch die sich fortschreitend ändernde Zusammensetzung der Übergangsschichten und der Dicke der Übergangsschichten wird die Wirkung der Gitterfehlanpassung zwischen der Unterlage und der aktiven Schicht abgeschwächt. Ein polykristalliner Aufbau mit unerwünschten Korngrenzen und Verunreinigungen wird bei der aus einem Einkristall bestehenden Photokathode vermieden. Durch diese durch die Übergangsschicht bewirkte Harmonie wird erreicht, daß die aktive Schicht von hoher Qualität eine Dicke besitzt, die vergleichbar mit oder kleiner als die Diffusionslänge der freien Elektronen ist. Durch die geringe Höhe der thermionischen Emission oder durch den Dunkelstrom, der bei den III-V Halbleitern auftritt wird ein niedriger Rauschausgang im Gegensatz zu der thermionischen Aktivität des S-1 Phosphors erhalten.

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Claims

Patentansprüche

1. Mehrschichtiger kristalliner III-V Pestkörper, gekennzeichnet durch eine Unterlagsschicht mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Bestandteil, wobei der erste Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus der dritten Spalte des periodischen Systems ausgewählt ist, und wobei der zweite Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus der fünften Spalte des periodischen Systems ausgewählt ist; und durch eine aktive Schicht hoher Qualität, die wenigstens den ersten und den zweiten Bestandteil der Unterlageschicht enthält, wobei die aktive Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die an die G-itterkonstante der Unterlage innerhalb der erlaubten Grenzen für ein Kristallwachstum von hoher Qualität angepaßt ist, und auf der Unterlage epitaxial derart gewachsen ist, daß sie die Kristallwachstumeachse mit der Unterlage gemeinsam hat.

2. Festkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die aktive Schicht einen dritten Bestandteil zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Bestandteil aufweist, und daß der dritte Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus den Spalten III und V des periodischen Systems ausgewählt worden ist.

3. Pestkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Unterlagsschicht einen dritten Bestandteil zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Bestandteil aufweist, und daß der dritte Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus den Spalten

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III und V des periodischen Systems ausgewählt worden sind.

4. Pestkörper nach einem der Ansprüche 1 - 3 , dadurch gekennzeichnet , daß die aktive Schicht weniger als J) pm dick ist.

5· Festkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al, Ga, In, Tl besteht, und daß der zweite Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus P, As, Sb und Bi besteht.

6. Pestkörper nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet , daß der dritte Bestandteil aus wenigstens einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al, Ga, In, Tl, P, As, Sb und Bi besteht.

7« Pestkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die aktive Schicht aus einem Einkristall besteht, der alle drei Kristallachsen gemeinsam mit dem kristallinen Aufbau der Unterlagsschicht hat.

8. Pestkörper nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Schichten 1 η mit wenigstens einer dazwischen angeordneten Übergangeschient vorgesehen sind, daß jede der mehreren Schichten einen ersten Bestandteil besitzt, der im wesentlichen wenigstens ein Element enthält, das aus der dritten Spalte

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des periodischen Systems ausgewählt ist, daß jede der mehreren Schichten einen zweiten Bestandteil enthält, der im wesentlichen wenigstens ein Element enthält, das aus der fünften Spalte des periodischen Systems ausgewählt ist, und daß die verschiedenen Schichten einen dritten Bestandteil aufweisen, der im wesentlichen wenigstens ein Element enthält, das aus der dritten und der fünften Spalte des periodischen Systems ausgewählt ist, daß die gegenseitigen Anteile der Bestandteile sich von der ersten Schicht bis zu der η-ten Schicht ändern, wobei der Anteil des dritten Bestandteils sich fortschreitend mit jeder Schicht ändert, um aufeinanderfolgend die Gritterfehlanpassung zwischen den Schichten abzuschwächen und den Energiebandabstand fortschreitend zu ändern, daß die Summe der Elemente der dritten Spalte in jeder Schicht im wesentlichen gleich der Summe der Elemente der fünften Spalte in jeder Schicht ist, und daß der Anteil des dritten Bestandteils in der η-ten Schicht den vorbestimmten Energiebandabstand bestimmt.

9· Festkörper nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Energiebandabstand des III-V Halbleiters, der durch Kombination des ersten, zweiten und dritten Bestandteils gebildet wird, kleiner als der Energiebandabstand des IH-V Halbleiters ist, der durch Kombination des ersten und zweiten Bestandteils gebildet wird, und daß der Energiebandabstand durch Erhöhung des Anteils des dritten Bestandteils erniedrigt wird, so daß der Energiebandabstand jeder aufeinanderfolgenden Schicht fortschreitend erniedrigt wird.

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10. Pestkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e kennzeichnet , daß die Dicke der η-ten Schicht vergleichbar mit der Diffusionslänge der freien Elektronen in der η-ten Schicht ist.

11· Pestkörper nach einem der Ansprüche 2-10, gekennzeichnet durch eine Unterlage, eine aktive Schicht,und wenigstens eine Überbrückungsschicht hierzwischen, wobei die Schichten aus III-V Zusammensetzungen aus wenigstens drei III-V Elementen des periodischen Systems bestehen und wobei die Schichten sich fortschreitend ändernde Anteile der aus wenigstens drei Elementen bestehenden Zusammensetzung aufweisen, um fortschreitend den Energiebandabstand Jeder aufeinanderfolgenden Schicht zu verringern und um die mögliche Zwischenschichtgitter-Pehlanpassung, die zwischen der Unterlage und der aktiven Schicht besteht, über die Schichten zu verteilen.

12. Pestkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Pestkörper als Photoemitter verwandt wird.

13. Pestkörper nach Anspruch 12, in Verbindung mit einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil der drei Bestandteile in der η-ten Schicht, die den vorbestimmten Energiebandabstand bestimmt, so gewählt ist, daß dieser Energiebandabstand im wesentlichen gleich der Energie der zu absorbiemden einfallenden Photonen ist.

14· Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Pestkörper in einer Photonenfeetstellvorrichtung verwandt wird

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mit einem Vakuumglaskolbe^i mit einem Pliotoneneintrittsfenster und mit einer ElektronenfeststelleinriGhtung, die so angeordnet ist, daß sie die von dem als Photokathodenkristall wirkenden !festkörper abgegebenen Elektronen feststellt, wobei der Pestkörper innerhalb des Vakuumglaskolbens angeordnet ist, um beim Auftreffen von Photonen, die durch das Eintrittsfenster des Giaskolbens eintreten, Elektronen zu erzeugen_e

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