DE2522489A1

DE2522489A1 - Fotoemitter

Info

Publication number: DE2522489A1
Application number: DE19752522489
Authority: DE
Inventors: Alexandr Iwanowitsch Klimin
Original assignee: KLIMIN
Current assignee: KLIMIN
Priority date: 1974-05-21
Filing date: 1975-05-21
Publication date: 1975-12-18
Also published as: DE2522489B2; DE2522489C3; FR2272492B1; FR2272492A1; JPS51141588A; US4107564A; SU519042A1; JPS5233476B2

Description

Die Eifindung betrifft elektronische Geräte, insbesondere Fotoemitter.

Die Erfindung kann bei Fotoelektrischen Bauelementen, z.B. bei Vakuumfotozellen, Fotoelektron envervielfachern und bei Fernsohaufnahrneröhren verwendet werden.

In letzterer Zeit finden Fotokathoden aus p-leitenden Halbleitermaterialien weitgehend Anwendung, (.leren Überfläche durch eine daran adsorbierte Dünnschicht bis zum Zustand einer negativen Elektronenaffinität aktiviert ist. Im Zustand der negativen Elektrori-muflinität liegt das Niveau der unteren Kante des Leitungsbandes im Volumen des Halblei-

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ters oberhalb des Niveaus des Vakuums; dies wird durch eine effektive Absenkung der Elektronenaustrittsarbeit bei der Adsorption der ak tivierenden Dünnschicht und durch Ausbildung eines Raumladungsgebiets negativen Vorzeichens in der oberflächennahen Schicht des Halbleiters erreicht. Das negative Vorzeichen bewirkt eine Bandverbiecjung in der oberflächennahen Halbleiterschicht, wobei das Niveau der unteren Kante des Leitungsbandes auf der Oberfläche des Halbleiters unterhalb des Niveaus des Vakuums liegt. Bei den Fotoemittern mit der negativen Elektronenaffinität wird ein Austritt ins Vakuum von im Volumen des Gi undstoffes lichtangeregten Elektronen aus· dessen Valenzband auf die untere .Kante des Leitungsbandes ermöglicht.

Bekanntlich muß der Halbleiterstoff zur Herstellung eines wirksamen Fotoemitters mit negativer Elektronenaffinität eine Reihe von Anforderungen erfüllen, und zwar;

1. Der Stoff muß einen durch eine Beimischung bedingten p-Lei- ' tungstyp aufweisen.

2. Der Stoff muß eine große Diffusionsiänge für Minoritätsladungsträger aufweisen.

3. Die Tiefe des Elektronenaustritts darf zur vollständigeren Ausnutzung des durch den Halbleiter aufgenommenen Lichtes nicht unterhalb der Eindringtiefe des Lichtes in den Halbleiter sein.

Darüber hinaus hängt das Emissionsvermögen der Fotokathoden mit negativer Elektronenaffinität, besonders im schwellennahen Bereich der

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ORlQiM INSPECTED

Spektralempfindlichkeit, von der Art der Bandstruktur des Halbleiters ab. Das Emissionsvermögen liegt höher bei Halbleitern mit zusammenfallenden Extrema der Zonen des Valenz- und des Leitungsbandes. Die Gesamtheit dieser Anforderungen ist erfüllbar für manche Halbleiter des Typs von A B -Verbindungen, wo A ein chemisches Element der dritten Gruppe und B^ eines der fünften Gruppe der zweiten Untergruppen des Periodensystems von Elementen sind, beispielsweise für Einkristalle und Schichten von mit einer Zäsium- oder Zäsiumoxydschicht bedecktem Galliumarsenid. Eine beispielsweise für Galliumphosphid erhaltene negative Elektronenaffinität gewährleistet kein so hohes Emissionsvermögen im schwellennahoii Bereich der Spektralempfindlichkeit, weil beim Galliumphosphid die Extrema des Valenz- und des Leitungsbandes nicht zusammenfallen.

Es ist ein Fotoem itter für eine elektronische Entladungsröhre (DT-AS 1256 808) bekannt, der als Grundstoff ein Halbleitermaterial und als Überzug ein Alkalimetall und Sauerstoff enthält, die die Oberfläche des Grundstoffes aktivieren. Als Halbleitermaterial vom p-Leitungstyp dient

III V

beispielsweise das zu der Gruppe von Verbindungen des Typs A B gehörende GaAs oder eine feste GaAs-Lösung mit einem Zusatz von GaP oder GaSb. Zur Erzeugung von gegen den langwelligen Spektralbereich

III V empfindlichen Emittern darf keine der Verbindungen vom Typ A B außer dem GaSb verwendet werden. Dessen Einsatz für diese Zwecke ist aber wegen des niedrigen Schmelzpunktes von GaSb (Schmelztemperatur = 712 C) herstellungstechnisch erschwert.

Die Verwendung fester Lösungen als Grundstoff ist durch die Notwendigkeit bedingt, Emitter zu schaffen, die gegenüber dem langwelligen

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Spektralbereich empfindlich sind. Jedoch ist die Herstellung von nach Volumen und Oberfläche homogenen festen Lösungen schwierig. Eine der Ursachen der komplizierten Herstellung der festen Lösungen ist beispielsweise eine Nichtgleichgewichtskristallisation, die der Entwicklung von Herstellungsverfahren zur Homogenisierung bedarf.

Die Inhomogenität der festen Lösungen wirkt sich negativ sowohl auf die räumlichen Eigenschaften des Grundstoffes des Emitters durch Verringerung der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger als auch auf die Eigenschaften der reinen Oberfläche aus, die das Emissionsvermögen des aktivierenden Überzuges bestimmen. Zur Reinigung der Oberfläche der festen Lösungen vor dem Auftragen eines aktivierenden Überzuges darauf ist eine Erhitzung des Grundstoffes des Emitters auf hohe Temperaturen nahe der Zersetzungstemperatur der festen Lösung erforderlich. Hierbei ist in der Gasphase die Erscheinung deren flüchtigster Komponenten möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fotoemitter zu schaffen, der im optischen Bereich der Wellenlängen der Lichtstrahlung empfindlich ist und als Grundstoff ein nach dem Verhalten gleichartigeres und temperaturbeständigeres Material als nach dem Stand der Technik aufweist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Fotoemitter, der im optischen Bereich der Wellenlängen der Lichtstrahlung empfindlich ist und als Grundstoff ein Halbleitermaterial, in dem unter der Wirkung dieser Strahlung Elektronen angeregt werden,und einen auf eine der Oberflächen des Grundstoffes aufgebrachten Überzug

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aus einem Alkalimetall und Sauerstoff enthält, der die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzt und die Oberfläche des Grundstoffes bis zum Zustand einer wirksamen negativen Elektronenaffinität aktiviert, mit dem Kennzeichen, daß der Grundstoff aus p-leitenden Halbleitermaterialien

II IV V

der Gruppe A B C der chemischen Vorbindungen des Periodensystems von Elementen hergestellt ist, worin A aus Zn und Cd bestehende chemische Elemente der zweiten Gruppe der zweiten Untergruppe,

IV
B aus Ge, Si, Sn bestehende chemische Elemente der vierten Gruppe

V
der zweiten Untergruppe und C aus P und As bestehende chemische Elemente der fünften Gruppe der zweiten Untergruppe sind.

Vorzugsweise weist der Fotoemitter einen aus p-leitendem Halbleitermaterial ZnGeP oder ZnSiAs oder CdSnP erzeugten Grund-

^ £j Ct

stoff auf.

Diese Erfindung gestattet es, chemische Verbindungen vom Typ

II IV V
ABC als Grundstoff des Fotoemitters einzusetzen, die nach dem Verhalten gleichartiger sind und eine erhöhte Beständigkeit gegen die Einwirkung hoher Temperaturen besitzen. Dies bedingt eine Vereinfachung der Herstellungstechnologie eines Fotoemitters und steigert die Quote brauchbarer Elektrovakuumgeräte.

Die beiliegende Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Fotoemitter im Längsschnitt.

Der erfindungsgemäße Fotoemitter enthält einen Grundstoff 1 aus

II IV V p-leitendem Halbleitermaterial der Gruppe der chemischen AB C-Verbindungen, beispielsweise aus ZnGeAs , und einen aktivierenden Überzug 2 aus Zäsium und Sauerstoff.

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-6- 2 S 2 2 4 8 9

Der Grundstoff 1 des Emitters aus chemischen Verbindungen vom Typ A B C wird in einem der bekannten Verfahren ("A B C -Halbleiter". Leiter N. A. Gorunova, J. A. Valov, Moskau, Sovetskoje Radio, 1974) hergestellt.

Zur Herstellung eines wirksamen Fotoemitters mit negativer Elektronenaffinität wird der Grundstoff des Emitters im Ultrahochvakuum auf Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur der Verbindung erhitzt. Die Reinheit und die Qualität der Oberfläche des Grundstoffes 1 nach der Erhitzung werden in bekannten Verfahren einer Diffraktion langsamer Elektronen und der Auger-Elektronenspektroskopie geprüft. Die reine Oberfläche des Grundstoffes 1 wird mit einem Überzug 2 aus Alkalimetall, beispielsweise aus Zäsium, und Sauerstoff bis zur Schaffung einer negativen Elektronenaffinität aktiviert. Dies wird durch Messungen der Spektraleinpfindlichkeit des Emitters bei einer Wellenlänge nahe der Breite des verbotenen Bandes des Halbleitergrundstoffes 1 und der Elektronenäustrittsarbeit überwacht.

Die vorliegende Erfindung soll nachstehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Fotoemitters näher erläutert werden:

Beispiel 1

Ein ZnGeP„-Kristall vom ρ-Leitungstyp mit einer Akzeptorkonzen-

18 "}

tration. von ca. 5 · 10 l/cm , der als Grundstoff 1 des Fotoemitters dient, wird in einer Vakuum-Entladungsröhre bei einem Druck unterhalb

ORiQiNAL INSPECTED

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/ b 2 2 A 8 9

von 5 * 10 Torr angeordnet, auf eine Temperatur von ca. 600 C erhitzt und nach einer Abkühlung auf 20 C durch auf der Oberfläche des Grundstoffes 1 adsorbiertes Zäsium unter Überwachung der Spektralem pfinclichkeit des Fotoemitters bei einer Wellenlänge von 550 pm aktiviert. Der auf diese Weise erzeugte Fotoemitter stellt einen Emitter mit negativer Elektronenaffinität dar und ist durch eine Spektralempfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 580 um gekennzeichnet, die 1 % des im 400-um-Bereich liegenden Maximums beträgt. Der steile Anstieg der Spektralempfindlichkeit liegt hauptsächlich im Bereich von 590 bis 540 um.

Beispiel 2

Ein ZnSiAs -Kristall vom p-Leitungstyp mit einer Akzeptorkonzen-

^w 18 3

tration oberhalb von 10 l/cm , der als Grundstoff 1 des Fotoemitters dient, wird in einer Vakuum-Entladungsröhre bei einem Druck unterhalb von 5 * 10 Torr angeordnet, auf eine Temperatur von ca. 600 C erhitzt und nach einer Abkühlung auf 20 C durch auf der Oberfläche des Grundstoffes 1 adsorbiertes Zäsium unter Überwachung der Spektral- , empfindlichkeit des Fotoemitters bei einer Wellenlänge von 550 ^m aktiviert. Der auf diese Weise erzeugte Fotoemitter stellt einen Emitter mit negativer Elektronenaffinität dar und ist durch eine Spektralempfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 560 um gekennzeichnet, die 1 % des im 400-um-Bereich liegenden Maximums beträgt. Der steile Anstieg der Spektralempfindlichkeit liegt hauptsächlich im Bereich von 580 bis 530 ρ,

Beispiel 3

Ein CdSnP vom p-Leitungstyp mit einer Akzeptor konzentration

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-f.

19 3

von ca. 10 l/cm , der als Grundstoff 1 des Fotoemitters dient, wird in einer Vakuum-Entladungsröhre bei einem Druck unterhalb von 10 Torr angeordnet, auf eine Temperatur von ca. 600 C erhitzt und nach einer Abkühlung auf 20 C durch auf der Oberfläche des Grundstoffes 1 adsorbiertes Zäsium sowie durch Sauerstoff urler Überwachung der· Sepktralempfindlichkeit des Fotoemitters bei einer WeI-lenlänge von 750 pm aktiviert. Der auf diese Weise erzeugte Fotoemitter stellt einen Emitter mit negativer Elektronenaffinität dar und ist durch eine Spektralempfindlichkeit bei einer Wellenlänge gleich 830 um gekennzeichnet, die 1 % des im 550-um-Bereich liegenden Maximums beträgt. Der steile Anstieg der Spektralempfindlichkeit liegt hauptsächlich im Bereich von 830 bis 770 um.

Bei den angeführten Beispielen wird der steile Hauptanstieg der Spektralempfindlichkeit in einem verhältnismäßig schmalen Wellenbereich durch die Homogenität der Volumen- und Oberflächeneigenschaften des aus einer chemischen Verbin
stellten Grundstoffes gewährleistet.

II IV V ten des aus einer chemischen Verbindung vom Typ A B C herge-

Der vorliegende, im optischen Wellenbereich der Lichtstrahlung empfindliche Fotoemitter weist einen wärmebeständigen, nach den Eigenschaften homogenen Grundstoff 1 und eine erhöhte Fotoempfindlichkeit in deren schwellennahem Bereich auf, die durch eine negative Elektronenaffinität ermöglicht wird.

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Claims

-'- ?. υ 2 2 4 8 9

Patentansprüche

Fotoemitter, der im optischen Bereich der Wellenlängen der Lichtstrahlung empfindlich ist und als Grundstoff ein Halbleitermaterial, in dem unter der Wirkung dieser Strahlung Elektronen angeregt werden, und einen auf eine der Oberflächen des Grundstoffes aufgebrachten Überzug aus einem Alkalimetall und Sauerstoff enthält, der die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzt und die Oberfläche des Grundstoffes bis zum Zustand einer wirksamen negativen Elektronenaffinität aktiviert, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstoff (l) aus p-leiten-

II IV V den Halbleitermaterialien der Gruppe ABC der chemischen Verbindungen des Periodensystems von Elementen hergestellt ist, worin A aus Zn und Cd bestehende chemische Elemente der zweiten Gruppe

IV
der zweiten Untergruppe, B aus Ge, Si, Sn bestehende chemische

V Elemente der vierten Gruppe der zweiten Untergruppe und C aus P und As bestehende chemische Elemente der fünften Gruppe der zweiten Untergruppe sind.
2. Fotoemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstoff (l) aus p-leitendem Halbleitermaterial ZnGeP erzeugt ist.
3. Fotoemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

Grundstoff (l) aus p-Ieitendem Halbleitermaterial ZnSiAs erzeugt ist
4. Fotoemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstoff (1) aus p-leitendem Halbleitermaterial CdSnP erzeugt ist.

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