DE2325869A1 - Verfahren zum herstellen eines silizium-elektronenemitters mit negativer effektiver elektronenaffinitaet - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dn.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte . _4OOo Düsseldorf 30 . Cecilienallee ?s . Telefon _43S73a

21. Mai 1973 Unsere Akte: 28 491 B₀

RGA Corporation, 30, Rockefeiler Plaza, New York, N₀Y. 10020 (V₀St₀A.)

"Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Elektronenemitters mit negativer·effektiver Elektronenaffinität"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Elektronenemitters mit negativer effektiver Elektronenaffinität_β

Ein p-leitender Siliziumkristall, der durch Aufbringen eines die Austrittsarbeit'reduzierenden Materials (z.B_e Cäsium und Sauerstoff) auf seine Oberfläche sensibilisiert ist, kann als Elektronenemitter wirken_e Sensibilisierte Siliziumkathoden können beispielsweise als langwellensensibilisierte Photokathoden, Sekundäremitter und Elektronen erzeugende Kaltkathoden verwendet werden_e

Ein Problem bei Siliziumkathoden besteht in der Schwierigkeit des Entfernens von Verunreinigungen aus der Ober-' flächenzone des Kristalls und deren anderweitige Vorbereitung vor dem Aufbringen des Cäsiums und des Sauerstoffs. Solche Vorbereitung ist wesentlich, um eirenegative effektive Elektronenaffinitätscharakteristik in der Kathode zu erzielen. Wenn die negative effektive Elektronenaffinität nicht erreicht wird, ist die Kathode zur kommerziellen Verwendung ungeeignet.

6 fu 309851/10B1

Gegenwärtig gilt es auf dem. Gebiet der Herstellung von Siliziumkathoden generell als notwendig, daß die Behandlung des Siliziums vor dem Aufbringen von Cäsium und Sauerstoff die Entfernung einiger Einzelschichten von Silizium durch Kathodenzerstäubung, gefolgt von einem Temperprozeß bei hoher Temperatur umfaßt. Die Kathodenzerstäubung erfolgt durch Beschüß mit inaktiven Gasionen.

pie Kathodenzerstäubung ist ein ziemlich langwieriger Prozeß, der relativ komplizierte interne.Röhrenanordnungen, z.B. ein besonderes Strahlsystem erforderlich machte Auch^v das nach der Zerstäubung notwendige Tempern führt häufig zu einer Verschlechterung der Übergangscharakteristik von Übergangsbauelementen, z.B. pn-Übergangs-Kaltkathoden durch Dotierstoffdiffusion« Aus diesen Gründen hatte Silizium bisher keine große kommerzielle Bedeutung für Kathoden in Elektronenröhren«, Aufgrund praktischer Erwägungen ist es notwendig, daß Kathoden für Elektronenröhren nach der Montage im Röhrenkolben gereinigt werden. Ein Zerstäuben und Tempern würde geeignete Röhrenstrukturen voraussetzen, welche im Röhren^ kolben angeordnet sind und bisher für Elektronenröhren mit Siliziumkathoden im Handel nicht zur Verfügung stehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkathode umfaßt ein kurzzeitiges Erhitzen des Siliziums in Vakuum bis in die Nähe seines Schmelzpunktes, ein Sensibilisieren der emittierenden Oberfläche durch Aufbringen einer Schicht aus die Austrittsarbeit reduzierendem Material, ein erneutes kurzzeitiges Erhitzen auf.eine Temperatur unterhalb derjenigen des ersten Erwärmungsschrittes und ein erneutes Sensibilisieren.

Mit Hilfe der angegebenen Erwärmungs- und Sensibilisierungsschritte entfällt die Notwendigkeit der Zerstäubung

30985 1/105 1

und des Temperns_s Die Erwärmungsschritte werden in geeigneter Weise mit Hilfe der Einrichtung durchgeführt, die bereits für Elektronen emittierende Röhren benutzt wird. Auf diese Weise, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung einer Kathode mit negativer effektiver Elektronenaffinität bei vorhandenen Elektronenröhrenausführungen _o

In der Zeichnung«, anhand der die Erfindung näher erläutert wird, zeigt;

Fig_o 1 ein Verfahrensablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ι und

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Photoröhre mit einer Siliziumkathode, die nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens hergestellt ist«,

Fig. 1 zeigt einen bevorzugten Ablauf des neuen Verfahrens zum Behandeln bzw« Herstellen einer reflektierenden Sili— zium-Photokathode für eine Photoröhre 10, wie sie in Fig_o 2 gezeigt ist. Die in FIg₉ 2 dargestellte Photoröhre 10 hat einen durchsichtigen Röhrenkolben 12, in dessen Innenraum eine Silizium-Photokathode 14 und eine die Anode bildende Ringelektrode 16 mit Abstand zueinander angeordnet sindo Die Kathode 14 ist eine runde, p-leitende, monokristalline Siliziumscheibe von etwa 2 cm Durchmesser und etwa 200 Mm. Dicke, deren emittierende Oberfläche 18 in der ßööj Miller-Kristallebene orientiert ist. Die emittierende Oberfläche 18 ist mit einer die Austrittsarbeit reduzierenden Schicht 20 aus Cäsium und Sauerstoff versehen. Elektrische Zuleitungen 21 sind an einander gegenüberliegende Kanten der Kathode 12 zur ohm'sehen Aufheizung der Kathode 12 angebracht» Der Kolben wird mit Hilfe einer Pumpe 24 durch einen Absaugstutzen 22 fortlaufend evakuiert. Zwei in den Ab-

,3098 51/1OS1

saugstutzen 22 mündende Nebenkammern 26 und 28 enthalten Verbindungen, welche bei Erwärmung Cäsium bzw. Sauerstoff freigeben. Die Pumpe 24 wird während des Gesamtprozesses ständig betrieben, um, ausgenommen während des Sensibilisierens, ständig ein Vakuum in der Größenordnung von 10~ bis 10 Torr, gemessen durch einen Ionisationsmesser, im Kolben aufrecht zu erhalten.

Nach einer vorläufigen Entgasung der gesamten Photoröhre 10 wird .die Kathode 14 zunächst für etwa 3 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 1300⁰C durch ohm'sche Aufheizung mit über die Zuleitungen 21 zugeführtem elektrischem Strom erhitzt. Fahrend der Erhitzung wird die Temperatur durch Messung des Lichtaustritts aus dem Silizium mit einem Pyrometer überwacht. Sodann läßt man die Kathode 14 abkühlen. Nachdem das Silizium eine Temperatur von angenähert 100⁰C erreicht hat, wird Cäsium aus der Cäsium-Nebenkammer 26 durch Erhitzen dieser Kammer freigesetzt, bis die Lichtemission der Kathode 14 ein Maximum durchlaufen hat. Danach wird durch Erhitzen der Sauerstoff-Nebenkammer 28 Sauerstoff bei angenähert Zimmertemperatur freigesetzt, bis die Lichtemission ein Maximum erreichte Wenn die Lichtempfindlichkeit niedriger als 2 Mikroampere pro Lumen ist, wird der erste Erhitzungsvorgang mit nachfolgendem Sensibilisierungsvorgang einmal wiederholt. Dadurch wird die Lichtempfindlichkeit über diesen Wert erhöht. Das Cäsium und der Sauerstoff bilden zusammen einen Teil der Enddicke der die Austrittsarbeit reduzierenden Schicht 20„ ,

Danach wird die Kathode I4erneut für 3 Sekunden erwärmt, jetzt auf eine Temperatur von 1000⁰C, und sodann auf etwa 100⁰C abgekühlt. Die emittierende Oberfläche 18 wird erneut durch Freisetzen von Cäsium und Sauerstoff aus den Nebenkammern 26 und 28 sensibilisiert. Diese Erhitzung bei niedrigerer Temperatur mit nachfolgender

851/105 1-

ORlGiHAL INSPECTED

Sensibilisierung wird so lange wiederholt, bis die Spitzenliehtempfindlichkeit von der emittierenden Oberfläche erzielt wird_o

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln und Sensibilisieren des Siliziums führt zu einer negativen effektiven Elektronenaffinität, ohne zusätzliche Anordnunger!, im Inneren des Kolbens zum Zerstäuben zu benötigen und ohne einen langwierigen Temperschritt. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet., um eine Siliziumkathode in vorhandenen, kommerziell verfügbaren Elektronen-Emissionsröhren bei nur geringfügigen Abwandlungen der bisher üblichen Behandlung aufzubereiten. Eine derartige Siliziumkathode kann beispielsweise als Photokathode, Sekundäremissionsdynode oder als kalte Kathode in einer Elektronenkanone verwendet werden,,

Der erste Erwärmungsvorgang bei der höheren Temperatur sollte innerhalb eines Bereichs von etwa 100° vom Schmelzpunkt des Siliziums erfolgen, der bei etwa 1420⁰C liegt* Die Temperatur kann jedoch niedriger sein, sofern eine längere Erhitzungsdauer bei dieser Temperatur für die zugehörige Kathodenanordnung zulässig ist«, So kann die erste Erhitzungstemperatur im Bereich von etwa 1100°C bis nahe an die Schmelztemperatur liegen, wie dies ohne Beschädigung des Siliziumkristalls aufgrund ungleichmäßiger Erwärmung möglich ist„ Bei einer Silizium-Kathodenstruktur mit einem pn-übergang, z.B. einer Kaltkathode mit in Durchlaßrichtung vorgespanntem pn-übergang, ist es erwünscht, die Erhitzungszeit minimal zu halten, um unerwünschte Diffusion der p-leitenden Dotierstoffe an der dünnen Übergangszone der Kathode zu verhindern. In einem solchen Fall wird vorzugsweise eine hohe Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur gewählt, um die Erwärmungszeit auf etwa 5 Sekunden oder weniger zu be-

309851710Si

-ß- 2^25869

grenzen. Bei Silizium ohne Übergang kann es zweckmäßig sein und ist es zulässig, eine Temperatur in der Größenordnung von 110O⁰G für die Dauer von etwa 1/2 Minute zu wählen.

Die zweite Erwärmung sollte etwa 300 C unterhalb der ersten Erwärmung oder im Bereich zwischen etwa 800 und etwa 100O⁰C erfolgen. Auch dabei sollte "die Erwärmung kurzzeitig sein, und ihre Dauer sollte bei Vorhandensein eines Überganges minimalisiert werden,, Jedoch ist die Zeit für die zweite Erwärmung weniger kritisch im Hinblick auf das Diffusionsproblem bei Vorhandensein eines Übergangs, da die Temperatur niedriger ist« Die Sensibilisierung kann durch Aufbringen von Cäsium und Sauerstoff oder Rubidium und Sauerstoff zur Erzielung einer negativen effektiven Elektronenaffinität erfolgen. Andere die Austrittsarbeit reduzierende Materialien scheinen die Austrittsarbeit nicht so weit zu verringern, daß sich eine negative effektive Elektronenaffinität ergibt.

Wenn die Lichtempfindlichkeit der Kathode nach der ersten Wärmebehandlung unterhalb von etwa 2 Mikroampere pro Lumen liegt, ist es ratsam, die erste Wärmebehandlung zu wiederholen, da eine so niedrige Empfindlichkeit ein Zeichen dafür ist, daß die Erwärmung nicht vollständig ausgereicht hat, um den Kristall zu präparieren«, Wenn die endgültige Empfindlichkeit unterhalb von etwa 150 Mikroampere pro Lumen liegt, kann es ebenfalls vorteilhaft sein, den gesamten Erwärmungs- und Sensibilisierungsvorgang zu wiederholen, da zu erwarten ist, daß die endgültige Empfindlichkeit dadurch erhöht werden kann. Diese Wiederholungsschritte sind zwar generell zweckmäßig, werden jedoch nicht als wesentlich betrachtet.

Bei dem bevorzugten Beispiel wurde die Siliziumtemperatur mit einem Pyrometer gemessen* Andere Einrichtungen,

309851/1051 OftlGMAL INSPECTED

ζ.Bo ein Thermoelement, können ebenfalls verwendet werden,. Obwohl keine Sicherheit dafür gegeben ist, daß eine der verschiedenen Temperaturmeßvorrichtungen die absolute Temperatur des Siliziums angibt, wird angenommen, daß die hier gemessene Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von 10° C um die absolute Temperatur des Siliziums liegt. Die optimale Temperatur schwankt etwas mit der Zeit, in der das Silizium auf dieser Temperatur gehalten wird. Niedrigere Temperaturen machen in der Regel eine größere Behandlungszeit erforderlich.

309851/10S1

Claims (5)

-β- 2J25869 RCA Corporation, 30, Rockefeller Plaza, New York, N.Y0 10020 ,(V0St0A.) . Patentansprüche;

1. Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Elektroneneniitters mit negativer effektiver Elektronenaffinität, dadurch ge kennzeichnet , daß

a) eine Siliziumkathode im Vakuum kurzzeitig zwischen etwa 110O⁰C und etwa 142O⁰C erhitzt wird; danach

Td) eine elektronenemittierende Oberfläche der Siliziumkathode durch Aufbringen eines die Austrittsarbeit reduzierenden Materials sensibilisiert wird; sodann

c) die Siliziumkathode im Vakuum auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der ersten Wärmebehandlung erneut erhitzt wird; und

d) die Siliziumkathode durch Aufbringen einer Schicht aus die Austrittsarbeit reduzierendem Material Sensibilisiert wird,,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur während der ersten Wärmebehandlung etwa 130O⁰C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während der zweiten Wärmebehandlung etwa 1000⁰C beträgt.

4« Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß

das die Austrittsarbeit reduzierende Material aus der aus Cäsium plus Sauerstoff und Rubidium plus Sauerstoff bestehenden Gruppe ausgewählt wird_o

309851/1051 ORIGINAL INSPECTED

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet,, daß

die Schritte c) und d) in dieser Reihenfolge so lange wiederholt werden, bis die Elektronenemission aus dem Silizium einen Maximalwert erreicht.

6β Verfahren nach einem oder menreren der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet , daß

die Folge der Schritte a), b), c) und d) mindestens einmal wiederholt wird.

309851/1051

Jo

Leerseite