DE2449401A1 - Aufnahmeroehre - Google Patents

Description

PHK.72üh. Va/JBVH.

Or-IT¹-'--" M. OAViD 8.10.1974.

Am ". . .... uL.-iL;.¥.rir!rAuRiEKEN

..: PHN- 7204 a. : .j .«m. 15. Okt. 1974

"Aufnahmeröliro"

Die Erfindung be-zieht sich auf eine Aufnahmeröhre rait' einer Elektronenqtielle und einer von einem von dieser Quelle herrührenden Elektronenstrahl abzutastenden Auftreffplatte, die durch eine Strahlung empfangende Siliciumschicht gebildet wird, die auf einer von dem Elektronenstrahl abzutastende Seite mit einer chalkogenhaltigen Schicht versehen ist, die einen IleteroUbergang mit der Siliciumschicht bildet. Unter "Strahlung" ist hier elektromagnetische Strahlung sowohl im sichtbaren als aiich im kux^zwelligen und langwelligen Teil des Spektrums sowie Korpuskularstrahlung zu verstehen, für

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die das Silicium empfindlich ist. Zu den Chalkogenen gehören in diesem Zusammenhang Schwefel, Selen und Tellur. Ein HeteroÜbergang ist ein Uebergang zwischen zwei Schichten aus Stoffen reit, abgesehen von etwa vorhandenen Dotierungsmaterialien, verschiedenen chemischen Zusammensetzungen,

Aufnahmeröhren der eingang genannten Art sind in der Literatur schon mehrmals beschrieben. Andere bekannte Röhren haben z.B. Auftreffplatten, die auf der vom Elektronenstrahl abzutastenden Seite mit einem Diodenmosaik versehen sind, wobei die Dioden durch mit einer Isolierschicht überzogenes Material voneinander getrennt sind, Auftreffplatten mit Diodenmosaiken v/eisen häufig den Nachteil des Einbrennens durch in der Aufnahmeröhre erzeugte Röntgenstrahlen und des sogenannten "MOS-Blooming" (=Ueberstrahlung) auf, wobei durch Kanalbildung unter der Oxidschicht, vor allem bei verhältnismässig grosser Strahlungsintensität, erzeugte Ladungsträger zu benachbarten Dioden strömen, wodurch das Bild verschwindet.

Bei Auftreffplatten mit grundsätzlich einem einzigen Hetero-Uebergang lassen sich nicht die genannten Probleme der Auftreffplatten mit Diodenmosaiken erwarten; dagegen ist zu erwarten, dass sie sich leichter als die zuletzt genannten Platten herstellen lassen. Es ist aber ebenfalls bekannt, dass die Qualität der Hetero-

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Uebcrgänge häufig schlecht ist und dass nur eine geringe Anzahl dor erwarteten Vorteile infolge einer schlechten gegenseitigen Anpassung der Eigenschaften der beiden den Heteroübergang bildenden Schichten erreicht wird. Dies kann zu einer zu hohen Querleitung und zu erhöhter Rekombination .von durch Strahlung erzeugten Ladungsträgern führen, wodurch das Auflösungsvermögen und die Empfindlichkeit in bezug auf Auftreffplatten mit einer Vielzahl lateral isolierter Dioden viel geringer werden.

Man kann z.B. versuchen, die Querleitung dadurch herabzusetzen (siehe z.B. den Artikel von Yamato c.s. in I.E.E.E. Trans. Klectr. Devices, 19, S. 385 - 386 -(Nr. 3, März 1972)), dass ein Siliciumkörpor mit einer isolierenden Oxidschicht versehen wird, wobei auf der Oxidschicht und in darin angebrachten Oeffnungen auf dem Silicium eine Cadmiumtelluridschicht abgelagert ist. Eine Aufnahmeröhre mit einer derartigen Auftreffplatte weist in bezug auf eine solche Platte mit einem kontinuierlichen Heteroübergang bei der Herstellung eine grössere Anzahl Herstellungsschritte auf, ist vcrhältnismässig träge und ist, wie andere bekannte Auftreffplatten mit Hetero-UebergHngen, nicht besonders empfindlich. Auch weist z.B. eine aus der .niederländischen Patentanmeldung 7 113 247 bekannte Auftreffplatte mit einer Siliciumschicht, die über einen kontinuierlichen Hetero-Uebcrgang mit einer Antimontri-

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sulfidschicht verbunden ist, eine geringe Empfindlichkeit auf (siehe z.B. auch Fig. 8 aus dem Artikel von J.A, Hall in "Photo-electronic ;. ..age Devices", S, 229-2^0; Advances in Electronics and Electron Physics, Bd. 33A, 1972), wodurch das Ausgangs signal der Röhre nicht über den Priniärelektronenstrahl, sondern durch Verstärkung des von der Antimontrisulfidschicht reflektierten Elektronenstrahls erhalten wird.

Ausserdem weist eine mit einer Strahlung empfangenden Siliciumplatte einen Ketero-Uebergang bildende schwefel- oder selenhaltige Schicht häufig einen sehr hohen Widerstand auf, wodurch eine mit einer solchen Auftreffplatte versehene Aufnahmeröhre häufig träge ist.

Die Erfindung bezweckt u.a. die vorerwähnten Probleme wenigstens grösstenteils zu vermeiden und eine Aufnahmeröhre mit optimal kombinierten Eigenschaften zu schaffen, die sich auf einfache Weise herstellen lässt.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass die Auftreffplatte einer derartigen Aufnahmeröhre insbesondere einen Hetero-Uebergang hoher Güte, oder gegebenenfalls eine gute gegenseitige Anpassung der Siliciumschicht und der chalkogenhaltigen Schicht in bezug auf Bänder, Fermi-Niveaus und Kristallgitter, aufweisen muss, wobei störende Defekte und Zwischenschichten am Hetero-Uebergang möglichst vermieden werden«

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Die eingangs genannte Aufnahmeröhre ist nach der Erfindung daher dadurch gekennzeichnet, dass die chalkogenhaltige Schicht mindestens ein zu der vierten Hauptgruppe des periodischen Systems von Elementen gehöriges Element in einem zwischen 1 : 1 und 1 : 2 liegenden atomaren Verhältnis zur Chalkogenkomponente enthält. Die chalkogenhciltige Schicht weist praktisch Eigenleitung auf.

Die Empfindlichkeit einer Aufnahmeröhre mit

einer derartigen Auftreffplatte ist mit der einer bekannten Silicium—Vidikonröhre mit einem Mosaik diffundierter Dioden vergleichbar. Rekombination von Ladungsträgern am Heterollbergang zwischen der Siliciumschicht und der das Element der vierten Hauptgruppe enthaltenden chalkogenhaItigen. Schicht ist gering. Das Auflösungsvermögen ist gross; Details von etwa 10 /um können vom Elektronenstrahl auf einem normalen Vidikonformat (12,8 χ 9,6 mm) und mit 25 Dildern pro Sekunde detektiert werden.

Als Element der vierten Hauptgruppe wird vorzugsweise Germanium gewählt.

Neben Germanium enthält die chalkogenhaltige Schicht vorzugsweise 50 At .$ Schwefel und/oder Selen. Bei einer glasartigen oder nahezu glasartigen Struktur der chalkogenhaltigen Schicht können für die Eigenschaften optimale Zusammensetzungen gewählt werden» Au-ch. Aufnahmeröhren mit Auftreffplatten, bei denen" die chalkogenhaltige

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Schicht aus zwei geeigneten Teilschichten besteht, von denen eine an die Siliciumschicht grenzt und Germanium enthält und die andere Gallium enthält, können, wie nachstehend noch näher beschrieben wird, Anwendung finden. Der Heteroübergang zwischen der Siliciumschicht und der ehalkogenhaltigen Schicht kann ein gleichrichtender Uebergang sein. In diesen Auftreffplatten ist das Silicium n-leitend.

Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf Auftreffplatten mit η-leitenden Siliciumschichten.

So kann die Siliciumschicht einen gleichrichtenden Uebergang enthalten, der von dem Hetero-Uebergang durch eine hochohmige p-leitende Schicht getrennt ist. Dabei können in der hochohmigen Schicht an den Hetero-Uebergang grenzende, voneinander getrefinte" niederohmige p-leitende Gebiete gebildet sein.

Die.Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Auftreffplatte, die sich zur Anwendung in einer Aufnahmeröhre eignet und durch eine Strahlung empfangende Siliciumschicht gebildet wird, die auf einer von einem Elektronenstrahl abzutastenden Seite mit einer ehalkogenhaltigen Schicht versehen ist, die einen Hetero-Uebergang rait der Sil'iciumschicht bildet, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die chalkegeeitaXtige Schickt mindestens ein zu der vierten Hauptgstippe des periodischen Systems von

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Elementen gehöriges Element in einem zwischen 1 : 1 und 1 : 2 liegenden atomaren Verhältnis zur Chalkogenkomponente enthält.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Auftreffplatte, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bildung des Hetero-Uebergangs die Siliciumschicht und die. cha lko genhalt ige Schicht einer Wärmebehandlung unterworfen werden.

Vorzugsweise beträgt die Temperatur während der Wärmebehandlung weniger als 45O⁰C.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Beispiele und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig, 1 'schematisch eine Aufnahmeröhre nach der Erfindung, und

Fig. 2 schematisch eine Ausführungsform einer Auftreffplatte für eine Aufnahmeröhre nach der Erfindung.

Die Aufnahmeröhre, z.B. eine Fernsehaufnähmeröhre, nach Fig. 1 enthält eine Elektronenquelle oder Kathode 2 und eine von einem von dieser Quelle herrührenden Elektronenstrahl 20· abzutastende Auftreffplatte 9 (siehe auch Fig. 2). Die Auftreffplatte 9 wird durch eine Strahlung 2k empfangende Siliciumschicht 21 gebildet, die auf einer von dem Elektronenstrahl 20 abzutastenden Seite mit einer chalkogenhaltigen Schicht 22 versehen ist, die einen Hetero-Uebergang 23 mit der Siliciumschicht 21 bildet.

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Nach der Erfindung enthalt die chalkogenhaltige Schicht 22 mindestens ein zu der vierten Hauptgruppe des periodischen Systems von Elementen gehöriges Element in

einem zwischen 1 : 1 und 1 : 2 liegenden atomaren Verhältnis zur Chalkogenkomponente,

Die Aufnahmeröhre enthält auf übliche Weise Elektroden 5 zur Beschleunigung von Elektronen und zur Fokussierung des Elektronenstrahls. Veiter sind übliche Mittel vorhanden, mit deren Hilfe der Elektronenstrahl derart abgelenkt werden kann, dass die Auftreffplatte abgetastet werden kann. Diese Mittel bestehen z.B. aus einem Spulensystem 7· Die Elektrode 6 dient zur Abschirmung der Röhrenwand gegen den Elektronenstrahl, Ein aufzunehmender-Bild wird mit Hilfe einer Linse 8 auf die Auftreffplatte projiziert, wobei die Wand 3 der Röhre für Strahlung durchlässig ist.

Weiter ist auf übliche Weise ein Kollektorgitter h vorhanden. Mit Hilfe dieses Gitters, das z.B. auch eine ringförmige Elektrode sein kann, können z.B. von der Auftreffplatte 9 herrührende, reflektierte und sekundäre Elektronen abgeführt v/erden.

Beim Betrieb wird die Siliciumschicht 21 positiv in bezug auf die Kathode 2 vorgespannt. In Fig. 2 muss die Kathode mit dem Punkt C verbunden werden. Wenn der Elektronenstrahl 20 die chalkogenhaltige Schicht 22 abtastet,

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wird diese Schicht auf praktisch das Kathodenpotential aufgeladen, wobei der Hetero-Uebergang 23, der in Fig. 2 zugleich ein gleichrichtender Uebergang ist, in der Sperrrichtung vorgespannt wird, ·

Die Schicht 22 wird dann völlig oder teilweise entladen, abhängig von der Intensität der Strahlung 2k, die auf die Auftreffplatte auftrifft. In einer folgenden Abtastperiode wird wieder Ladung zugeführt, bis die Schicht 22 wieder das Kathodenpotential angenommen hat. Dieser Aufladestrom ist ein Mass für die Intensität der Strahlung 24. Ausgangssignale werden den Klemmen A und B über den Fiderstand R.entnommen.
BEISPIEL I "

In einer η-leitenden Siliciumplatte mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 fl.cm, einem Durchmesser von etwa 20 mm und einer Dicke von etwa .150vum wird in der Mitte eine Höhlung mit einem Durchmesser von etwa 17 mm derart tief geätzt, dass- die Dicke der verbleibenden Siliciumschicht 21 etwa 12/um ist. Danach wird die vom Elektronenstrahl abzutastende Seite der Schicht möglichst gereinigt und von Oxid befreit. Anschliessend · wird auf die Schicht 21 in einem Hochvakuum von etwa

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10 Torr auf der genannten Seite eine germanium- und schwefelhaltige glasartige Schicht 22 mit einer Dicke zwischen 0,01 und 10/um, z.B. 0,5/unl, aufgedampft. In

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diesem Falle wird die Schicht 22 dadurch aufgedampft, dass ein Quarzgefäss, in dem sich GeS befindet, auf etva 53O°C gebracht und der auf diese Weise gebildete Dampf auf die Schicht 21 aufgefangen wird, die selber auf einer Temperatur von etwa 200⁰C gehalten wird. Die so gebildete Auftreffplatte wird dann in einer Fernsehkameraröhre derart montiert, dass die Germanium-Sulfid-Glasschicht der Elektronenquelle zugewandt ist. Bei einem Spannungsunterschied über der Auftreffplatte von einigen Volts stellte sich heraus, dass die Emp find Ii chice it mit der eines bekannten Si-Vidikons mit einem Mosaik p-leitender Si-Gebiete vergleichbar war; die Trägheit war sehr gering und das Auflösungsvermögen gross.

Die in diesem Beispiel genannte Auftreffplatte kann auch noch auf der Germanium-Sulfid-Glasschicht mit einer sehr dünnen Schicht aus Gallium-Selen-Glas versehen sein,
BEISPIEL II *

Eine Si-Schicht der ira Beispiel I beschriebenen

-7 Art wird in einem Hochvakuum von etwa 10 Torr mit einer

Germanium-Selenid-Glasschicht 12 mit einer Dicke von 1,5/ versehen« Die Schicht wird dadurch gebildet, dass ein . Quarzgefäss, in dem sich ein Geraisch von GeSe und GeSe₂ •befindet, das etwa 55 At.# Seien enthält, auf etwa 59O⁰C gebracht und der" auf diese Weise gebildete Dampf auf eine

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Siliciumschicht aufgefangen wird, die selber auf einer Temperatur von etwa 3OO°C gehalten wird. Die so gebildete Auftreffplatte wird in einer Fernsehkameraröhre derart montiert, dass die Germanium-Selenid-Glasschicht der Elektronenquelle zugewandt ist. Bei einem Spannungsunterschied über der Auftreffplatte von einigen Volts stellte sich heraus, dass die Empfindlichkeit in derselben Grossenordnung wie die eines bekannten Si-Vidikons mit einem Mosaik·p-leitender Si-Gebiete lag; die Trägheit war gering und das Auflösungsvermögen sehr gross.

Es dürfte einleuchten, dass sich die Erfindung nicht auf die gegebenen Beispiele beschränkt, sondern dass im Rahmen der Erfindung viele Abarten möglich sind. So ist es z.B. nicht erforderlich, dass die Siliciumscliicht einkristallin ist; sie kann auch polykristallin sein. Auch können die Dicke und der Widerstand dieser Schicht und die Dicke und die Zusammensetzung der chalkogenhaltigen Schicht von denen in den beschriebenen Beispielen verschieden sein.

Der Widerstand der chalkogenhaltigen Schicht

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soll zwischen 10 und 10 n/p liegen.

Auch ist es nicht unbedingt" notwendig, dass die chalkogenhaltige Schicht durch Verdampfung angebracht wird,

Unter deiv in den Beispielen beschriebenen Bedingungen weicht die Zusammensetzung der aufgedampften

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chalkogenhaltigen Schicht höchstens nur in geringem Masse von der Zusammensetzung der angewendeten Aufdampfquelle ab.

Zwischen der Siliciumschicht und der chalkogenhaltigen Schicht kann sich eine dünne Oxidschicht von weniger als 30 A befinden.

Die chalkogenhaltige Schicht kann z.B. mit einer Antimontrisulf id schicht überzogen sein, um die SekundSrelektronenemission herabzusetzen und/oder Injektion von Elektronen aus dem Elektronenstrahl in die chalkogenhaltige Schicht zu vermeiden. Neben Germanium können auch Silicium oder Zinn in der chalkogenhaltigen Schicht verwendet werden, während diese Schicht sowohl Schwefel als auch Selen enthalten und auch Tellur zugesetzt werden kann.

Für eine befriedigende Wirkung dor Aufnahmeröhre nach der Erfindung ist es nicht erforderlich, dass die chalkogenhaltige Schicht eine homogene Zusarimensotrrung aufweist; auch eine derartige Schicht mit einer veränderlichen Zusammensetzung kann zu befriedigenden Ergebnissen führen.

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Claims (8)

1. PATiONTANSPRUECIIE
2. ί 1 .J Aufnahmeröhre mit einer Elektronenquelle und einer von einem von dieser Quelle herrührenden Elektronenstrahl abzutastenden Auftreffplatte, die durch eine Strahlung empfangende Siliciumschicht gebildet wird, die auf einer von dem Elektronenstrahl abzutastenden Seite mit einer challcogenhaltigen Schicht versehen ist, die einen Hetero-Uebergang mit der Siliciumschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die chalkogenhaltige Schicht mindestens ein zu der vierten Hauptgruppe des periodischen Systems von Elementen gehöriges Element in einem zwischen· 1 : 1 und 1 : 2 liegenden atomaren Verhältnis zur Chalkogenkomponente enthält,
3. 2» Aufnahmeröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn- · zeichnet, dass als Element aus der vierten Hauptgruppe Germanium gewählt wird.
4. 3, Aufnahmeröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chalkogenhaltige Schicht etwa 50 At ,$ Schwefel und/oder Selen enthält.
5. 4, , Aufnahmeröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chalkogenhaltige Schicht eine glasartige Struktur aufweist, 5» Aufnahmeröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chalkogenhaltige Schicht aus zwei Teilschichten besteht,
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7. von. denen eine an die Silicium schicht grenzt und Germanium enthält und die andere Gallium enthält, 6» Auftreffplatte, die sich zur Anwendung in einer Aufnahmeröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche eignet und durch eine Strahlung empfangende Siliciumschicht gebildet wird, die auf einer von einem Elektronenstrahl abzutastenden Seite mit einer chalkogenhaltigen Schicht versehen ist, die einen Hetero-Uebergang mit der Siliciumschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die chalkpgenhaltige Schicht mindestens ein zu der vierten Hauptgruppe deß periodischen Systems von Elementen gehöriges Element in einem zwischen 1 : 1 und 1 : 2 liefen'-'en atomaren Verhältnis zur Chalkogenlcompononte enthält. 7» Verfahren zur Herstellung einer Auftreffplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bildung des Hete'ro-Uebergangs die Siliciumschicht und die chalkogenhaltige Schicht einer Wärmebehandlung unterworfen werden,
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während der Wärmebehandlung weniger als 45O⁰C beträgt.

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