DE2641917A1

DE2641917A1 - LIGHT OPERATED SINGLE CRYSTALLINE PHOTOCATODE AND AN ELECTRON TUBE INCLUDING SUCH

Info

Publication number: DE2641917A1
Application number: DE19762641917
Authority: DE
Inventors: Henri Rougeot
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1977-03-24
Also published as: FR2325175B1; FR2325175A1; JPS5236967A

Description

PatentanwältePatent attorneys

DipL-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.DipL-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser 9 c /, ι q ι 7E. Prince - Dr. G. Hauser - G. Leiser 9 c /, ι q ι 7

Ernsbergerstrasse 19Ernsbergerstrasse 19

8 München 608 Munich 60

THOMSON - CSF 14. September 1976THOMSON - CSF September 14, 1976

1735 Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich 1735 vol. Haussmann
75008 Paris / France

Unser Zeichen: T 2068Our reference: T 2068

Mit durchgelassenem Licht betriebene einkristalline Fotokatode und eine solche enthaltende ElektronenröhreSingle-crystal photocathode operated with transmitted light and an electron tube containing the same

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Fotokatoden für Elektronenröhren und insbesondere betrifft sie eine aus dünnen Schichten bestehende einkristalline, mit durchgelassenem Licht betriebene Fotokatode.The invention relates to the manufacture of photocathodes for electron tubes, and more particularly relates to one single-crystalline photocathode made of thin layers, operated with transmitted light.

Solche Fotokatoden bestehen aus einem einkristallinen Halbleiter, in welchem ein Strom von einfallenden und dort absorbierten Photonen Elektronen erregt; der Halbleiter ist auf seiner der einfallenden Strahlung entgegengesetzten Seite mit einer sehr dünnen, sogenanntenSuch photocathodes consist of a single crystal semiconductor in which a stream of incident and Photons absorbed there excite electrons; the semiconductor is on its opposite side to the incident radiation Side with a very thin, so-called

Dr.Ha/Ma 709812/0855Dr Ha / Ma 709812/0855

Aktivierungsschicht bedeckt, die die Emission der Elektronen infolge der von der Aktivierungsschicht erzeugten Erscheinung der negativen Elektronenaffinität ermöglicht.Activation layer that covers the emission of the Electrons due to the phenomenon of negative electron affinity generated by the activation layer enables.

Bekanntlich versteht man unter negativer Elektronenaffinität die Absenkung des Energieniveaus eines Elektrons im Vakuum unterhalb desjenigen eines freien Elektrons in dem Kristall; diese Absenkung ist bekanntlich auf die Abscheidung einer sehr dünnen, im wesentlichen einatomigen Schicht aus einem Material, z.B. Cäsium oder Cäsiumoxid, zurückzuführen, für welches das Energieniveau eines Elektrons im Vakuum demjenigen eines freien Elektrons in dem Kristall sehr nahe kommt. Diese künstliche Absenkung ermöglicht den freien Elektronen des Halbleiters ohne zusätzliche Energiezufuhr in das Vakuum auszutreten.As is well known, negative electron affinity is understood to mean the lowering of the energy level of a Electrons in vacuum below that of a free electron in the crystal; this lowering is well known the deposition of a very thin, essentially monatomic layer of a material, e.g. cesium or cesium oxide, for which the energy level of an electron in a vacuum comes very close to that of a free electron in the crystal. This artificial lowering enables the free electrons of the semiconductor exit into the vacuum without additional energy supply.

Wenn man solche mit durchgelassenem Licht betriebene Fotokatoden verwenden will, d.h. wenn man eine Elektronenemission auf der Seite erhalten will, welche der Seite, auf welche der einfallende Photonenstrom auftrifft, gegenüberliegt, stellt sich das Problem des Trägers. Tatsächlich ist die halbleitende Umwandlungsschicht dünn: ihre Dicke darf nicht die Diffusionslänge des Elektrons übersteigen, welche einigen Mikron entspricht; was die Aktivierungsschicht anbelangt, so ist diese im wesentlichen einatomig. Der Träger, den diese Stärken erfordern, befindet sich auf der Seite der einfallenden Strahlung und muß somit die folgende doppelte Bedingung erfüllen: für die von der Umwandlungsschicht zu absorbierende Strahlung durchlässig sein; ein dem Kristallgitter der UmwandlungsschichtIf you want to use such photocathodes operated with transmitted light, i.e. if you want an electron emission wants to get on the side, which side, on which the incident photon stream strikes, is opposite, the problem of the wearer arises. Indeed it is the semiconducting conversion layer thin: its thickness must not exceed the diffusion length of the electron, which is a few microns is equivalent to; as far as the activation layer is concerned, so it is essentially monatomic. The carrier these strengths require is on the side of the incident radiation and must therefore meet the following double condition: for that of the conversion layer radiation to be absorbed be transparent; on the crystal lattice of the conversion layer

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möglichst gleiches Kristallgitter besitzen, um eine Verringerung der Ausbeute infolge Rekombinationen von Ladungsträgern zu vermeiden.Have the same crystal lattice as possible in order to have a Avoid reducing the yield as a result of recombinations of charge carriers.

Verschiedene Möglichkeiten sind bekannt, unter welchen genannt seien:Various possibilities are known, among which are:

- die Abscheidung einer dünnen Umwandlungsschicht, z.B. aus Galliumarsenid (AsGa), mittels Epitaxie auf einem Substrat aus einem einkristallinen durchscheinenden Stoff, z.B. Galliumphosphid (GaP). Trotzdem sind die an der Zwischenfläche der Epitaxie erfolgenden Rekombinationen von Ladungsträgern sehr bedeutend, da die Kristallgitter zu unterschiedlich sind;the deposition of a thin conversion layer, e.g. made of gallium arsenide (AsGa), by means of epitaxy on a substrate made of a single crystal translucent Substance, e.g. gallium phosphide (GaP). Even so, the recombinations occurring at the interface of the epitaxy are of charge carriers very important because the crystal lattices are too different;

- Zusatz zu dem vorstehend beschriebenen Gebilde von Zwischenschichten zwecks Anpassung der Kristallgitter, z.B. Zwischenschaltung von GaAlAs zwischen dem GaP-Substrat und der Umwandlungsschicht aus AsGa. Der Nachteil hierbei ist, daß die Zwischenschicht einen Teil des einfallenden Strahlungsspektrums absorbiert.- Addition to the structure of intermediate layers described above for the purpose of adapting the crystal lattice, e.g. interposition of GaAlAs between the GaP substrate and the conversion layer of AsGa. Of the The disadvantage here is that the intermediate layer absorbs part of the incident radiation spectrum.

Zur Ausschaltung dieser Absorption wurde eine andere Lösung vorgeschlagen: die Fixierung der Umwandlungsschicht (AsGa) in einem Glasträger unter Druck, wenn dieser letztere sich in viskosem Zustand befindet, und Weglassen des Epitaxieträgers (GaP), der somit nicht mehr durchsichtig zu sein braucht. Dabei stellt sich allerdings dann das Problem der Angleichung der Wärmeeigenschaften des Glases an diejenigen der restlichen Vorrichtung: das gewählte Glas muß insbesondere ohne mechanische Verformung und ohne Zerstörung seiner optischen Eigenschaften die zur Aktivierung der FotokatodeAnother solution has been proposed to eliminate this absorption: the fixation of the conversion layer (AsGa) in a glass substrate under pressure, if this latter is in a viscous state, and omission of the epitaxial support (GaP), which is therefore not needs to be more transparent. In this case, however, the problem of harmonizing the thermal properties then arises of the glass to those of the rest of the device: the selected glass must in particular without mechanical deformation and, without destroying its optical properties, the activation of the photocathode

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erforderlichen Temperaturen aushalten und schließlich unterhalb der Zersetzungstemperatur der Umwandlungsschicht viskos sein, um die Fixierung dieser letzteren auf dem Glas zu ermöglichen. Diese unterschiedlichen Bedingungen "begrenzen natürlich die Auswahl an verwendbaren Materialien stark.withstand the required temperatures and finally below the decomposition temperature of the conversion layer be viscous in order to enable the latter to be fixed on the glass. These different Conditions "of course severely limit the choice of materials that can be used.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Beseitigung dieser verschiedenen Nachteile. Sie betrifft eine
Fotokatode mit einer Umwandlungsschicht, welche eine einfallende Photonenstrahlung, die dort freie Elektronen erzeugt, absorbiert, einer Aktivierungsschicht, welche der Fotokatode eine negative Elektronenaffinität verleiht, und einer Glasschicht, deren Wärmeanpassung an die Umwandlungsschicht dadurch weniger kritisch ist, daß die letztere an der Glasschicht über eine dünne
Emailschicht fixiert wird. Diese ist für das Absorptionsspektrum der Umwandlungsschicht lichtdurchlässig und ihre Schmelztemperatur liegt einmal unterhalb sowohl der Zersetzungstemperatur der Umwandlungsschicht als auch dem Erweichungspunkt des Glasträgers und zum anderen über der Temperatur, welcher die Fotokatode während der Abscheidung der Aktivierungsschicht ausgesetzt wird.The present invention enables these various disadvantages to be overcome. It affects you
Photocathode with a conversion layer, which absorbs an incident photon radiation that generates free electrons there, an activation layer, which gives the photocathode a negative electron affinity, and a glass layer, the thermal adaptation of which to the conversion layer is less critical because the latter is attached to the glass layer a thin one
Enamel layer is fixed. This is transparent to the absorption spectrum of the conversion layer and its melting temperature is below both the decomposition temperature of the conversion layer and the softening point of the glass substrate and above the temperature to which the photocathode is exposed during the deposition of the activation layer.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich.The invention will become apparent from the following description easier to understand in connection with the drawing.

In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Fotokatode,Fig. 1 shows an embodiment of the invention
Photo cathode,

Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Herstellungsstufen dieser Fotokatode.Fig. 2, 3 and 4 different stages of manufacture of these Photo cathode.

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Fig. 1 zeigt im Schnitt - der Klarheit halber unter Außerachtlassung des tatsächlichen Maßstabs - einen durchsichtigen Träger 5, eine durchsichtige Emailschicht 4, eine durchsichtige Passivierungsschicht 3, eine Umwandlungsschicht 2 und eine AktivierungsschichtFig. 1 shows in section - for the sake of clarity, disregarding the actual scale - one transparent carrier 5, a transparent enamel layer 4, a transparent passivation layer 3, a conversion layer 2 and an activation layer

Die durch die Pfeile 7 dargestellte einfallende Strahlung fällt auf die Fotokatode auf der Seite des Trägers 5, den sie, ebenso wie die Emailschicht 4 und die Passivierungsschicht 3» durchqueren muß, ohne dort absorbiert zu werden. Diese Strahlung wird dann in der Schicht 2 unter Erzeugung von freien Elektronen absorbiert, welche auf. die Außenseite der Vorrichtung zu diffundieren, wo sie, dank der Aktivierungsschicht 6 und des damit verbundenen Phänomens der negativen Elektronenaffinität, in das Vakuum austreten (Pfeile 8), wie dies vorstehend erläutert wurde.The incident radiation represented by the arrows 7 falls on the photocathode on the side of the carrier 5, which, like the enamel layer 4 and the passivation layer 3, it must traverse without being absorbed there to become. This radiation is then absorbed in the layer 2 with the generation of free electrons, which on. to diffuse the outside of the device where it is, thanks to the activation layer 6 and associated therewith Negative electron affinity phenomenon, exit into the vacuum (arrows 8), as above was explained.

Die einkristalline Schicht 2,oder die Umwandlungsschicht, besteht aus einem halbleitenden Material: vorzugsweise aus Galliumarsenid (AsGa). Ihre Dicke richtet sich nach der Diffusionslänge der Elektronen, die im Fall von AsGa in der Größenordnung von 6 oder 7iU liegt: die Rekombination der Ladungsträger muß nämlich vor Erreichen der Schicht 6 vermieden werden.The monocrystalline layer 2, or the conversion layer, consists of a semiconducting material: preferably made of gallium arsenide (AsGa). Their thickness depends on the diffusion length of the electrons, which in the case of AsGa is of the order of 6 or 7iU: the recombination of the charge carriers must namely to be avoided before reaching the layer 6.

Die Aktivierungsschicht 6 besteht aus Cäsium und Cäsiumoxid; sie ist im wesentlichen einatomig.The activation layer 6 consists of cesium and cesium oxide; it is essentially monatomic.

Das Vorhandensein der Passivierungsschicht 3 zwischen der Emailschicht 4 und der Schicht 2 ist deshalb günstig, weil die Diffusion von Atomen auf die Umwandlungsschicht zu vermieden wird, welche Atome die Eigenschaften dieser letzteren modifizieren könnten. Diese Passivierungs-The presence of the passivation layer 3 between the enamel layer 4 and the layer 2 is therefore favorable, because the diffusion of atoms on the conversion layer is avoided, which atoms have the properties of these could modify the latter. This passivation

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schicht 3 kann aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid beispielsweise bestehen; ihre Dicke ist nicht kritisch, soll jedoch nicht zu groß sein: sie kann in der Größenordnung von 7 bis 10 η liegen.layer 3 can consist of silicon oxide, silicon nitride or aluminum oxide, for example; their thickness is not critical, but should not be too large: it can be of the order of 7 to 10 η.

Der Träger 5 muß für die einfallende Strahlung 7 durchsichtig sein, einen möglichst ähnlichen Ausdehnungskoeffizient wie die Umwandlungsschicht 2 besitzen und eine Erweichungstemperatur aufweisen, die höher ist als die Temperatur, auf welche die Vorrichtung während der Abscheidung der Aktivierungsschicht gebracht wird. Dieser Träger kann zweckmäßig aus Glas bestehen, für dessen Wahl, wie man sieht, die erforderlichen Wärmeeigenschaften weniger kritisch sind als für die bekannten Fotokatoden.The carrier 5 must be transparent to the incident radiation 7, have a coefficient of expansion that is as similar as possible to the conversion layer 2 and have a softening temperature which is higher than the temperature to which the device during the Deposition of the activation layer is brought. This carrier can expediently consist of glass, for its Choice, as can be seen, the required thermal properties are less critical than for the known ones Photocathodes.

Schließlich muß die zur Fixierung der Gesamtheit der dünnen Schichten 3, 2 und 6 auf dem Träger 5 bestimmte Emailschicht 4 für die einfallende Strahlung 7 durchlässig sein, sie muß jedoch auch bei einer Temperatur schmelzen, die einmal unter der Zersetzungstemperatur der Umwandlungsschicht 2 sowie unterhalb der Erweichungstemperatur des Substrats 5 liegt, und zum anderen muß sie höher sein als die Temperatur, welcher die Fotokatode während der Anbringung der Aktivierungsschicht 6 unterworfen wird. Das in Betracht kommende Email muß auch eine feine Kornstruktur aufweisen, so daß es eine wirksame Einschmelzung ergibt, d.h. es muß in dünner Schicht und ohne Inhomogenität vorliegen.Finally, it must be intended to fix all the thin layers 3, 2 and 6 on the support 5 The enamel layer 4 must be transparent to the incident radiation 7, but it must also be at a temperature melt, which is on the one hand below the decomposition temperature of the conversion layer 2 and below the softening temperature of the substrate 5, and on the other hand must they must be higher than the temperature to which the photocathode is subjected during the application of the activation layer 6 will. The enamel in question must also have a fine grain structure so that it is effective Melting results, i.e. it must be present in a thin layer and without inhomogeneity.

Die Fig. 2 bis 4 erläutern die verschiedenen Herstellungsstufen der erfindungsgemäßen Fotokatode.FIGS. 2 to 4 explain the various stages of manufacture of the photocathode according to the invention.

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In einer ersten Stufe wird die einkristalline Umwandlungsschicht 2 durch epitaktisches Wachstum (Homoepitaxie oder Heteroepitaxie) auf einem Kristallgitter gleicher Art (Substrat 1 in Fig. 2) erhalten, das jedoch, im Gegensatz zu bestimmten bekannten Fotokatoden, nicht durchsichtig zu sein braucht, da es in einer späteren Verfahrensstufe entfernt, wird. Im Fall von Homoepitaxie soll das Substrat 1 vom entgegengesetzten Leitungstyp sein wie die Umwandlungsschicht 2, d.h. aus η leitendem AsGa, wenn die Schicht 2 aus ρ leitendem AsGa besteht. Im Fall von Heteroepitaxie kann das Substrat 1 aus AlAs oder GaAlAs bestehen.In a first stage, the monocrystalline conversion layer 2 is formed by epitaxial growth (homoepitaxy or heteroepitaxy) on a crystal lattice of the same type (substrate 1 in Fig. 2), which, however, In contrast to certain known photocathodes, it does not need to be transparent, as it will be used in a later Process stage removed, is. In the case of homoepitaxy the substrate 1 should be of the opposite conductivity type as the conversion layer 2, i.e. of η conductive AsGa if the layer 2 consists of ρ conductive AsGa. In the case of heteroepitaxy, the substrate 1 can be made of AlAs or GaAlAs.

Die Umwandlungsschicht 2 wird dann eben geschliffen und anschließend chemisch gebeizt. Dann scheidet man die Passivierungsschicht 3 (Fig. 2) ab, die beispielsweise aus pyrolytisch aus Silan abgeschiedenem Siliciumoxid besteht.The conversion layer 2 is then ground flat and then chemically pickled. Then you deposit the passivation layer 3 (Fig. 2), for example consists of silicon oxide deposited pyrolytically from silane.

Daneben wurde ein Glasplättchen hergestellt, das den Träger 5 der Fotokatode bilden soll und dessen Material entsprechend den vorstehend angegebenen Kriterien gewählt wurde. Dieses Plättchen wird auf mindestens einer seiner Seiten bis zu einer endgültigen Planheit in der Größenordnung von 1 li poliert.In addition, a small glass plate was produced, which is to form the carrier 5 of the photocathode and its material was chosen according to the criteria given above. This tile is placed on at least one of his Sides polished to a final flatness of the order of li.

Die beiden so hergestellten Teile werden mit ihren ebenen Flächen dann mit der Emailschicht 4 verschmolzen. Zu diesem Zweck eignen sich insbesondere die von der Firma Owens Illinois unter den Nummern 1545 und 01130 in den Handel gebrachten Emaillien. Diese Herstellungsstufe wird in Fig. 3 dargestellt.The two parts produced in this way are then fused to the enamel layer 4 with their flat surfaces. to for this purpose, those from Owens Illinois under numbers 1545 and 01130 in the Trade brought enamels. This production stage is shown in FIG. 3.

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Die Emailschicht 4 wird mittels Siebdruck auf dem Glasträger 5 abgeschieden, wobei die freie Seite der Schicht 2 mit dem Email in Kontakt gebracht wird und das Ganze in einem Ofen auf die Schmelztemperatur des Emails erhitzt wird. Die Emailschicht ist in typischer Weise 10yu dick.The enamel layer 4 is deposited on the glass substrate 5 by means of screen printing, the free side of the Layer 2 is brought into contact with the enamel and the whole thing in an oven to the melting temperature of the enamel is heated. The enamel layer is typically 10 yu thick.

Anschließend wird, wie dies Fig. 4 zeigt, der einkristalline epitaktische Träger 1 selektiv weggelöst. Wenn die aktive Schicht 2 durch Homoepitaxie aufgebracht wurde, löst man den gegenüber dem p-leitenden Teil und gegenüber der Katode des Elektrolysebades positiv polarisierten η-leitenden Teil (Substrat 1) unter Beobachtung auf elektrolytischem Wege auf, wobei der p-leitende Teil (Schicht 2) gegenüber der Katode dieses Elektrolysebades negativ polarisiert ist. Wenn die aktive Schicht 2 durch Heteroepitaxie abgeschieden wurde, erfolgt die chemische Auflösung ohne Schwierigkeit mit Chlorwasserstoffsäure bei den vorstehend als Beispiele genannten Materialien.Then, as shown in FIG. 4, the monocrystalline epitaxial carrier 1 is selectively dissolved away. When the active layer 2 has been applied by homoepitaxy, the one opposite to the p-conducting layer is removed Part and positively polarized η-conductive part (substrate 1) with respect to the cathode of the electrolysis bath under observation by electrolytic means, with the p-conductive part (layer 2) facing the cathode this electrolysis bath is negatively polarized. When the active layer 2 is deposited by heteroepitaxy chemical dissolution occurs without difficulty with hydrochloric acid in the above as Examples of materials mentioned.

Dann wird die Dicke der Umwandlungsschicht 2 chemisch bis auf den genau gewählten Wert herabgesetzt.The thickness of the conversion layer 2 is then reduced chemically to the precisely selected value.

Schließlich werden an der freiliegenden Oberfläche der Schicht 2 die Desorptionsbehandlungen und die Behandlung zur Aufbringung der cäsiumhaltigen Aktivierung sschicht 6 (Fig. 1) im Vakuum durchgeführt, was für AsGa bei etwa 600 bis 620⁰C erfolgt.Finally, the layer 2 on the exposed surface, the desorption treatments and the treatment for applying the cesium-containing activating slayer 6 (Fig. 1) performed in a vacuum, which takes place for AsGa at about 600-620 ⁰ C.

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Claims

Sponsorship claims

1) Monocrystalline working with transmitted light Photocathode, which emits and emits electrons under the influence of incident photon radiation a thin, monocrystalline so-called conversion layer, in which the incident photons become Generation of the free electrons are absorbed, and there is a thin so-called activation layer deposited on a surface of this conversion layer, which the photocathode is a negative Confers electron affinity, characterized in that this photocathode still contains: one for the incident radiation transparent support (5), the thermal properties of which are adapted to those of the conversion layer, and a thin layer (4) made of a material that allows the support to be fixed on the other side of the conversion layer, is transparent to the incident photon radiation and has a melting temperature that is higher is than the deposition temperature of the activation layer, but significantly below the softening temperature of the wearer.

2) photocathode according to claim 1, characterized in that the carrier (5) has approximately the same coefficient of expansion like the conversion layer (2).

3) photocathode according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier (5) has a softening temperature which is not achieved in the manufacture of the photocathode.

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4) photocathode according to claims 2 and 3, characterized in that the carrier (5) consists of glass.

5) Potocatode according to claim 1, characterized in that it is transparent to the incident radiation thin passivation layer (3) between the conversion layer (2) and the fixing layer (4).

6) photocathode according to claim 1, characterized in that that the fixing layer (4) consists of an enamel.

7) photocathode according to claim 1, characterized in that that the conversion layer consists of gallium arsenide and its thickness is at most equal to the diffusion length of an electron in this material.

8) photocathode according to claim 1, characterized in that that the activation layer consists of cesium and cesium oxide and that its thickness is of the order of magnitude Atom lies "

9) Method for producing a photocathode according to one of the preceding claims, characterized by the following procedural steps:

(a) the conversion layer is epitaxially grown on a substrate;

(b) the thin layer is deposited on the conversion layer Passivation layer from;

(c) the transparent support is fused to the passivation layer by means of the layers on this support

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deposited thin fixing layer, the whole being brought to the melting temperature of the fixing layer;

(d) after cooling, the substrate is dissolved;

(e) the thickness of the conversion layer is reduced, until they are at most equal to the diffusion length of an electron in the layer forming this conversion layer Material is;

(f) the activation layer is deposited on the free one Surface of the conversion layer.

10) An electronic picture tube containing a photocathode according to any preceding claim.

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