DE2602705C3

DE2602705C3 - Photokathode vom Hl-V-Typ für das nahe Infrarot und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2602705C3
Application number: DE2602705A
Authority: DE
Inventors: Jan-Philippe Ablon-Seine Hallais; Michel Jean Claude Monnier; Jean-Claude Richard
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-02-04
Filing date: 1976-01-24
Publication date: 1980-02-21
Also published as: FR2300413A1; US4038576A; GB1523373A; DE2602705A1; CA1043415A; NL7600933A; JPS5622104B2; DE2602705B2; FR2300413B1; JPS51103761A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Photokathode vom III-V-Typ für das nahe Infrarot, die einen Teil eines Fensters einer Elektronenröhre bildet, bei der auf einem Träger aus einem einkristallinen Oxid mindestens eine Passivierungsschicht und darauf eine aktive Schicht mit konstanter Zusammensetzung aus einem P-leitenden Halbleitermaterial aufgebracht sind.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Photokathode.

Photokathoden der vorgenannten Art werden u. a.

in Nachtsichtgeräten und Strahlungsdetektoren verwendet.

In der USA-Patentschrift 3769536 ist ein Photoelektronenvervielfacher mit einer Photokathode beschrieben, die direkt, gegebenenfalls mit einer passivierenden Zwischenschicht aus Siliciumdioxid, durch eine Wärmebehandlung mit der Glaswand der Röhre verbunden ist. Einer der Nachteile von Glas als Substrat für eine III-V-Photokathode ist der, daß infolge der hohen Temperatur, die zur Herstellung der Verbindung erforderlich ist, Schwierigkeiten bei der Anpassung der Wärmeausdehnung im Zusammenhang mit dem Übergangspunkt des Glases auftreten.

Aus der US-PS 3699401 ist eine Elektronenröhre mit einer III-V-Photokathode der eingangs genannten Art für das nahe Infrarot bekannt, die einen Teil eines Fensters der Röhre bildet, wobei der Träger, auf dem die Photokathode befestigt ist, aus einem oxidischen, einkristallinen Körper besteht.

Aus der GB-PS 1239893 ist bereits eine P-leitende, III-V-Photokathode bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photokathode der eingangs genannten Art zr schaffen, die mechanisch stabil aufgebaut ist und bei der die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Teile gut aneinander angepaßt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Träger und der dem Träger zugewandten Oberfläche der Passivierungsschichtien) eine Verbindungsschicht vorhanden ist, die aus einem »kurzen« Glas besteht.

Unter einem »kurzen« Glas ist ein Glas zu verstehen, bei dem die Temperaturdifferenz Δ = T_nJ₁ — T_an, d. h. die Temperaturdifferenz zwischen der Erweichungstemperatur T_nJ₁ und der 15-Min.-Entspannungstemperatur T_an verhältnismäßig klein ist. T_0n ist dabei die Temperatur, bei der mit Spannungen behaftetes Glas innerhalb 15 Minuten mit Sicherheit entspannt wird.

Durch die Verwendung eines »kurzen« Glases für die Verbindungsschicht zwischen dem Träger und der Passivierungsschicht ergibt sich eine optimale Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Als »kurze« Gläser kommen Calciumboraluminatgläser mit einer Zusammensetzung von 15-35% CaO, 45-70% B₂O₃ und 10-20% Al₂O₃ oder Bariumboraluminatgläser mit einer Zusammensetzung von 10-35% BaO, 45-70% B₂O₃ und 10-20% AI₂O₃ in Betracht, wobei die Dicke des Glases 50 bis 500 μπι betragen kann.

Das Fenster ist mit einem flachen Metallrand oder einem zylindrischen Ring versehen, der mit bis zu dem |

Verbindungsglas reichenden Kontakten verbunden ί

ist. Der Metallrand kann aus Nickel, Gold, Titan, oder Legierungen derselben bestehen.

Die Passivierungsschicht kann zwei Funktionen erfüllen, und zwar an erster Stelle eine chemische Funktion, um zu verhindern, daß die Kathode durch das Glas angegriffen wird. In diesem Falle kann die Schicht aus Siliciumdioxid oder aus einem Oxid des Halbleiters der Kathode selbst bestehen. Die Passivierungsschicht kann auch vom elektronischen Gesichtspunkt erforderlich sein, und zwar um Rekombination von Elektronen an der Grenzschicht der Kathode und des Trägers zu verhindern. In diesem Falle wird als Passivierungsschicht ein P-Ieitendes

Halbleitermaterial mit großer Bandbreite (1,3 bis 2,0 eV) gewählt.

Durch die getroffene Wahl des Fenstennaterials ergibt sich eine große Wärmeleitfähigkeit, die beim Einbauen des Fensters in die Röhre und bei den thermi- > sehen Behandlungen der Röhre günstig ist. Im allgemeinen wird die Verbindung zwischen der Kathode und dem Fenster bei niedrigeren Temperaturen als bei der bekannten Konstruktion hergestellt werden können. i"

Ein günstiges Verfahren zur Herstellung der Photokathode geht wie folgt vor sich. Zunächst wird auf einem halbleitenden Träger eine Schicht aus einem binären oder scheinbar binären Halbleiter mit sich gleichmäßig ändernder Zusammensetzung angewach- ι > sen, wobei die Halbleiter beide N-leitend sind. Darauf wird eine Schicht des betreffenden Materials, jedoch mit einer konstanten Zusammensetzung, als aktive, P-leitende Photokathodenschicht angewachsen. Auf dieser aktiven Schicht werden eine oder mehrere Pas- -<· sivierungsschichten gebildet (chemische und/oder elektronische Passivierungsschichten). Auf einem einkristallinen Körper oxidischer Zusammensetzung wird eine Schicht aus einem »kurzen« Glas mit nach außen verlaufenden elektrischen Kontakten ange- ·?> bracht, die von einem flachen oder zylindrischen Metallring umgeben ist. Dann werden die Passivierungsschicht und das »kurze« Glas gegeneinander gelegt und unter dem gewissen Druck bei erhöhter Temperatur die beiden Teile miteinander verbunden. Da- w nach werden die N-leitenden Schichten durch selektives Ätzen entfernt.

Der angewandte Druck beträgt 1 bis 5 bar; die Temperaturen betragen 620 bis 650° C und die Behandlung erfolgt vorzugsweise in einer neutralen At- i > mosphäre.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1,2 und 3 eine Photokathode in verschiedenen Stufen ihrer Herstellung, und 4«

Fig. 4 und 5 besondere Ausführungsformen einer Photokathode.

Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind in den verschiedenen Figuren der Zeichnung die Schichten mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Dik- -n ken der genannten Schichten sind nicht maßstäblich dargestellt.

Für die Beschreibung wurde eine Photokathode gewählt, deren aktive Schicht durch ein ternäres Material (Ga, In)As, gebildet wird. ^r>»

In Fig. 1 ist einerseits der einkristalline Träger 1 aus Korund dargestellt, der von einem Metallring 2 umgeben ist, der die mechanische Befestigung und die Abdichtung des Fensters sichern muß; die vordere Fläche 3 des Trägers 1 ist mit einer Schicht aus »kur- >5 zem« Glas 4 überzogen, in der die elektrischen Platinkontakte 5 festgeschmolzen sind. Auf der Schicht 6 aus Galliumarsenid ist durch Epitaxie aus der Gasphase eine Schicht 7 mit sich gleichmäßig ändernder Zusammensetzung angebracht, die durch das ternäre «) Material (Ga₁In)As gebildet wird. Auf der genannten Schicht 7 ist durch eine anschließende Epitaxiebehandlung aus der Gasphase eine aktive Schicht 8 aus (Ga₁In)As mit konstanter Zusammensetzung angebracht.

OL· Schicht 8 ist mit einer ersten passivierenden Schicht 9 zur elektronischen Passivierung überzogen, die durch ein P-leitendes Halbleitermaterial mit großem Bandabstand (Ga₁In)P gebildet wird, dessen Indiumgehalt derart ist, daß der Ausdehnungskoeffizient dem für das (Ga₁In)As mit konstanter Zusammensetzung und mit einer Dicke zwischen 10 und 20 μπι entspricht.

Eine zweite passivierende Schicht 10 zur chemischen Passivierung wird durch Siliciumoxid gebildet und weist eine Dicke zwischen 50 und 200 mn auf.

Diese Schichten 9 und 10 werden durch die bekannten Techniken erhalten: für die Schicht 9 zur elektronischen Passivierung erfolgt dies über angepaßte Epitaxie, während die Schicht 10 zur chemischen Passivierung die Bildung durch Pyrolyse von Silanoxid stattfindet.

Dieselben Elemente sind in Fig. 2 dargestellt, wobei nun die Glasschicht 4 mit der Passivierungsschicht 10 in Kontakt steht.

In dieser Durchführungsstufe wird das GeDilde in einer neutralen Atmosphäre einem Druck zwischen 1 bar und 5 bar und einer Temperatur zwischen 620° C und 650° C ausgesetzt.

Nachdem das auf diese Weise behandelte Gebilde unter der Einwirkung von Temperatur und Druck fest zusammengebaut worden ist, wird zum selektiven Ätzen der Trägerschicht 6 und der Schicht 7 mit sich gleichmäßig ändernder Zusammensetzung durch die Anwendung geeigneter nacheinander benutzter chemischer und elektrochemischer Bäder übergegangen. Auf diese Weise wird die in Fig. 3 dargestellte Photokathode erhalten.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung einer Photokathode. Nach dieser Abwandlung ist der Metallring 2 zur Sicherung der mechanischen Befestigung und der Abdichtung durch reihenmäßige Metallisierungen von Nickel und Gold gebildet, die durch Kathodenzerstäubung erhalten sind.

Schließlich zeigt Fig. 5 noch eine Weiterbildung der Photokathode. Nach dieser Weiterbildung ist der Metallring 2 durch Hartlöten eines messerförmigen Ringes erhalten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Fenster durch einen einkristallinen Träger 1 gebildet, der von dem Metallring 2 umschlossen ist und auf seiner Vorderfläche 3 das Verbindungsglas 4 trägt. Dieses Glas 4 verschweißt besonders fest den Träger 1 mit der ersten passivierenden Schicht 10, die die zweite Passivierungsschicht 9 bedeckt, die ihrerseits die aktive Schicht 8 bedeckt. Die elektrischen Kontakte 5 sind mit dem Metallring 2 verbunden.

Die Photokathode kann durch Einlöten des Ringes 2 in eine Elektronenröhre gebracht werden. Die aktive Schicht kann den bekannten Aktivierungsbehandlungen unterworfen werden, wonach an ihrer Oberfläche Cäsium und Sauerstoff haften.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Photo kathode vom III-V-Typ für das nahe Infrarot, die einen Teil eines Fensters einer Elektronenröhre bildet, bei der auf einem Träger aus einem einkristallinen Oxid mindestens eine Passivierungsschicht and darauf eine aktive Schicht mit konstanter Zusammensetzung aus einem P-Ieitenden Halbleitermaterial aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (1) und der dem Träger zugewandten Oberfläche der Passivierungsschicht(en) (9, 10) eine Verbindungsschicht (4) vorhanden ist, die aus einem »kurzen« Glas besteht.

2. Photokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das »kurze« Glas Bariumboraluminat- oder Calciumboraluminatglas mit einer Zusammensetzung von 15-35% CaO oder BaO, 45-70% B₂O₃

und 10-20% Al₂O₃ ist.

3. Photokathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster mit einem flachen oder zylindrischen Metallring (2) versehen ist, von dem sich elektrische Kontakte (5) bis zu der Verbindungsschicht (4) erstrecken. &

4. Verfahren zur Herstellung einer Photokathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem auf einem Substrat eine P-leitende Halbleiterschicht konstanter Zusammensetzung als aktive Kathodenschicht angewachsen und auf dieser w mindestens eine Passivierungsschicht angebracht wird, wonach das erhaltene Gebilde auf einen Träger gebracht wird und die beiden Teile unter Druck und bei erhöhter Temperatur miteinander verbunden werden, und schließlich das Substrat i> wieder entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Substrats zunächst auf einer halbleitenden, N-Ieitenden Tiägerschichl (6) eine ebenfalls N-leitende Schicht (7) mit sich gleichmäßig ändernder Zusammensetzung angewachsen -w wird, daß die freie Oberfläche der Passivierungsschicht(en) (9, 10) in Kontakt mit der auf dem Träger (1) aus einem einkristallinen oxidischen Körper angebrachten Verbindungsschicht (4) gebracht wird, daß während des Verbindungsvor- is gangs der Druck zwischen 1 bar und 5 bar und die Temperatur zwischen 620° C und 650° C liegt und daß die Entfernung des Substrats durch Ätzen geschieht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- s» kennzeichnet, daß die Verbindung in einer neutralen Atmosphäre stattfindet.