DE3441922C2

DE3441922C2 - Fotokathode für den Infrarotbereich

Info

Publication number: DE3441922C2
Application number: DE3441922A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. Dr. 8035 Stockdorf Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1986-10-02
Also published as: FR2573574A1; US4686556A; DE3441922A1; GB8527637D0; FR2573574B1; GB2167227B; GB2167227A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fotokathode für den Infrarot-Bereich mit mehreren Schichten aus halbleitendem und leitendem Material. Die Fotokathode ist transparent und in einem Spektralbereich zwischen ca. 1 und 20 μm empfindlich. Erreicht wird dies durch folgenden Schichtaufbau: p1: eine hoch dotierte p-Schicht n2: eine hoch dotierte n-Schicht i3: eine eigenleitende (intrinsic) Schicht p4: eine hoch dotierte p-Schicht m5: eine dünne Metallschicht vorzugsweise aus einer Atomlage Cs. Die spektrale Empfindlichkeit kann durch Anlegen einer negativen Vorspannung der Schicht p2 gegen die Schicht p4 eingestellt werden. Dabei verschiebt sich das Ferminiveau der Schicht p2 und die Austrittsarbeit der Elektronen wird vermindert.

Description

— die erste p-Schicht (p\) und die η-Schicht (n₂) hochdotiert und die Spannungen (Ui, Ui) an diesen Schichten so angelegt sind, daß zwischen diesen Schichten ein Tunnelübergang zur Ladungsträgerinjektion ausgebildet ist,

— zwischen der η-Schicht (n₂) und der hochdotierten zweiten p-Schicht (pfj eine eigenleitende Schicht (i₃) angeordnet ist und

— die Absorption der Infrarot-Lichtquanten durch Anregung freier Elektronen in der n-Schicht (n₂) stattfindet.

2. Fotokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Vorspannung (U₂) der n-Schicht (n₂) gegen die hochdotierte zweite p-Schicht (Pa) die Spektralcharakteristik der Fotokathode steuerbar ist.

3. Fotokathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten p-Schicht (p\) eine Spiegelschicht Raufgebracht ist.

4. Fotokathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die n-Schicht (n₂) eine Dicke (I₂) etwa im Bereich von 100—500 nm aufweist.

5. Fotokathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der hochdotierten zweiten p-Schicht (pn) zwischen 10 und 50 nm beträgt.

6. Fotokathode für den Infrarot-Bereich, die in einem Schichtaufbau eine erste Schicht zur Ladungsträgerinjektion, eine auf der ersten Schicht angeordnete halbleitende η-Schicht und eine über der n-Schicht angeordnete halbleitende hochdotierte p-Schicht sowie eine dünne Metallschicht aufweist, wobei die hochdotierte p-Schicht zusammen mit der dünnen Metallschicht eine Kathode mit verschwindender Elektronenaffinität bildet, die erste Schicht zur Ladungsträgerinjektion, die η-Schicht und die hochdotierte p-Schicht kontaktiert und an Spannung gelegt sind, und die Spannung an der hochdotierten p-Schicht das Potential der Fotokathode definiert, dadurch gekennzeichnet, daß

— die η-Schicht (n₂) hochdotiert ist,

— die erste Schicht zur Ladungsträgerinjektion eine reflektierende Metalielektrode (RE) ist, die die η-Schicht (n₂) kontaktiert,

— zwischen der n-Schicht (n₂) und der hochdotier-

ten p-Schicht (pÄ) eine eigenleitende Halbleiterschicht (H) angeordnet ist und
— die Absorption der Infrarot-Lichtquanten durch Anregung freier Elektronen in der n-Schicht ("^stattfindet.

7. Fotokathode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Vorspannung (U₂) der reflektierenden Metallelektrode (RE) gegen die hochdotierte p-Schicht (pa) die Spektralcharakteristik der Fotokathode steuerbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Fotokathode für den Infrarot-Bereich gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Als Fotodetektoren mit der höchsten bisher erreichten Empfindlichkeit, nämlich mit Auflösung von einzelnen Photonen (Lichtquanten) sind Fotomultiplier und Restlicht-Bildverstärker üblich. In diesen Detektoren werden durch einfallende Photonen Elektronen aus Fotokathoden ausgelöst, und zwar für Wellenlängen, die kleiner als die IR-Grenzwellenlänge sind. Letztere wird entweder durch die Elektronenaustrittsarbeit oder indirekt durch den Valenzleitungsbandabstand des halbleitenden Kathodenmaterials bestimmt.

Bis heute sind nur zwei Fotokathoden mit nennenswerter IR-Empfindlichkeit begannt, nämlich die 5 1-Fotokathode mit einem Spektralbereich von ca, 320—1120 nm und einem typischen mittleren Quantenwirkungsgrad von 0,3% und die GaAs-Cs-Fotokathode mit einem Spektralbereich von ca. 160—920 nm und einem typischen mittleren Quantenwirkungsgrad von 150/0.

Die vom Kathodenmaterial vorgegebene IR-Grenzwellenlänge dieser Fotokathoden reicht also nur bis ins nahe IR. Daher können diese Fotodetektoren bisher nicht zur Aufnahme von Wärmebildern eingesetzt werden.

Aus Applied Physics Letters, Vol. 19, No. 10, 15. Nov. 1971, S. 383-385 ist es bei einer Fotokathode der eingangs genannten Art bekannt, die Fotoelektroden durch einen Bandübergang im p-Material (p-Ge) zu erzeugen.

Dadurch ist zwar die IR-Empfindlichkeit der Fotokathode geringfügig in den IR-Bereich verschoben aber genauso durch die Bandstruktur des verwendeten Materials Ge limitiert, wie bei den üblichen GaAs-Cs/CsO-Kathoden; ferner ist die IR-Absorptionskante nicht durchstimmbar, da ein Bandübergang benutzt wird.

Auch beim Gegenstand der GB-PS 10 23 257 ist die IR-Empfindlichkeit nicht abstimmbar, sondern durch die Spektralcharakteristik und den Bandabstand des Detektormaterials vorgegeben. Die Injektion der Ladungsträger in die Sensorschicht erfolgt durch einen Metallkontakt. Der Übergang der Ladungsträger ins Vakuum wird durch Feldemission aus einem Isolator durchgeführt.
Auch beim Gegenstand der DE-AS 12 15 270 ist die IR-Empfindlichkeit nicht durchstimmbar, sondern materialspezifisch. Die Ladungsträgerinjektion in die Sensorschicht findet nicht durch Tunnel- sondern durch Schottky-Kontakt und die Elektronenemission findet durch Tunnel-Feldemission statt.

Beim Gegenstand der DE-OS 14 64 905 ist die IR-Empfindlichkeit abhängig vom verwendeten Metall und Dielektrikum und nicht durchstimmbar. Die Sensorschicht ist ein Metall.

Auch beim Gegenstand der US-PS 39 58 143 ist die IR-Empfindlichkeit nicht abstimmbar, und es wird Mehrphotonenabsorption ausgenutzt

Bei der Photokathode nach der DE-PS 9 10 570 schließlich wird ein Interferenzspiegel nri definierten Schichtdicken beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fotokathode mit wesentlich größerer Infrarot-Absorptionsgrenzwellenlänge als bisher zu schaffen, die zudem die Möglichkeit einer einfachen Steuerung der Spektral- ic charakteristik bietet.

Gemäß der Erfindung wird dies durch den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 bzw. 6 beschriebenen Aufbau der Fotokathode erreicht.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin anhand der p\: Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele erörtert wer- m: den. Es zeigen /3

F i g. 1 den typischen Potentialverlauf in einer ge- ρ«: wohnlichen GaAs-Cs Fotokathode (Stand dir Technik),

F i g. 2a—2c den Schichtaufbau und die Bandstruktur der Fotokathode, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, ohne und mit angelegten Abstimm-Spannungen,

F i g. 3 den Schichtaufbau durch eine abstimmbare Ausführungsform für Reflexionsbetrieb,

F i g. 4 einen Schnitt durch eine abstimmbare Fotokathode für Transmissionsbetrieb,

F i g. 5 einen schematischen Schnitt durch eine mit der erfindungsgemäßen Fotokathode aufgebaute Bildver-Stärkeranordnung,

F i g. 6 den Schichtaufbau durch eine abstimmbare Ausführungsform für Reflexionsbetrieb mit verdoppeltem Quantenwirkungsgrad.

F i g. 1 zeigt den typischen Potentialverlauf in einer gewöhnlichen GaAs-Cs Fotokathode (Stand der Technik). Zum besseren Verhältnis der Vorgänge bei der Fotoemission von Elektronen sei diese am Beispiel dieser bekannten GaAs-Cs-Fotokathode kurz erläutert.

Bei GaAs-CsTotokathoden wird hoch dotiertes p-leitendes GaAs verwendet, das an der Oberfläche mit einer dünnen Metallschicht, typisch mit eine Atomlage Cäsium, überzogen wird. Dies führt an der Oberfläche des GaAs zu einer Bandverbiegung entsprechend Fig. 1.

Wesentlich dabei ist, daß die Austrittsarbeit Φ für ein Elektron aus dieser Kathode ca. Φ = 1,4 eV beträgt und dieser Wert gleich der Bandlücke Ecv = 1,4 eV im GaAs ist. Das heißt, ein Elektron im Valenzband an der Fermikante des p-leitenden Materials kann durch Absorption eines Lichtquants der Energie Φ = 1,4 eV (entspricht ca Α(Φ) = 900 nm) ins Leitungsband LBgehoben werden und besitzt dann bereits die Energie, die erforderlich ist, um aus der Fotokathode ins Vakuum überzutreten oder mit einem Loch im Valenzband VB zu rekombinieren.

Aufgrund der hohen Beweglichkeit der Leitungsbandelektronen und deren langer Lebensdauer von ca. 10 -⁷ — 10 - ⁸ see für LeitungsbandWalenzbandübergänge (Rekombination) ist die Wahrscheinlichkeit einer Diffusion eines Leitungsbandelektrons an die Oberfläche und damit des Übertritts ins Vakuum relativ hoch, selbst wenn das Elektron in einer GaAs-Schicht von Θ> 100 nm erzeugt wurde. Näheres dazu ist der Literaturstelle zu entnehmen.

Für Lichtquanten mit einer Energie £"<l,4eV (A > ca. 900 nm) zeigt GaAs keine Absorption, da eine Anregung von Valenzbandelektronen wegen der verbotenen Zustände in der Bandlücke (Gap) nicht möglich ist. Fotokathoden dieser Art bezeichnet man als »Kathoden verschwindender Elektronenaffinität«.

F i g. 2 zeigt den Schichtaufbau und die Bandstrukturen der Fotokathode, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, ohne und mit angelegten Abstimmspannungen.

Die Fotokathode besteht aus halbleitendem Material (z. B. GaAs) mit einer Schichtfolge: p_u n₂,iz,P4, m₅. Diese Schichten sind

eine hoch dotierte p-Schicht,
eine hoch dotierte n-Schicht,
eine eigenleitende (intrinsic) Schicht,
eine hoch dotierte p-Schicht,
ms: eine dünne Metallschicht

Festkörperprobleme X,
Pergamon/Vieweg 1970, S. 175—187

Mit Φ ist auch hier die Austrittsarbeit und mit £> das Ferminiveau bezeichnet.

Die Schicht ms besteht typisch aus einer Atomlage Cs, um die Bandverbiegung an der Oberfläche von pt, zu erzeugen, die erforderlich ist, um aus p* eine »Kathode mit verschwindender Elektronenaffinität« zu machen. Die Austrittsarbeit Φ ist etwa gleich dem Bandabstand EcAP-

Die Schichten p;, ni und p* sind elektrisch kontaktiert. Die Spannung an ps, definiert das Potential der Fotokathode. Die Spannungen U\ (an p{) und £/2 (an Λ2) sind Steuersignale für die Spektralcharakteristik der Fotokathode.

Der Übergang P1//J2 ist ein abrupter Übergang von hoher p-Dotierung zu hoher η-Dotierung mit Tunneldioden-Eigenschaften. Die Schicht p\ hat dabei die Aufgabe, durch negative Vorspannung gegenüber der Schicht Π2 (vgl. F i g. 2c) unter Ausnutzung des Tunneleffektes Ladungsträger (Elektronen) schnell und großflächig in Schicht Π2 zu injizieren. Zu diesem Zweck muß die Schicht p\ hochdotiert und relativ dick sein (z. B. 1 — 100 μίτι), um einen kleinen Innenwiderstand zu besitzen.

Die Absorption der IR-Lichtquanten findet durch Anregung freier Elektronen der /72-Schicht statt, wobei das Licht vor der Absorption entweder die Schicht p\ oder die Schichten ms,pt,, /3 durchläuft. Die Schichten p\, /3,pt,, m% sind für IR-Strahlung mit Ep/_lolon < Ecap vollständig durchsichtig, eine Photonenabsorption ist dort nicht möglich.

Um eine möglichst hohe Photonenabsorption in der Schicht /72 zu erreichen, muß die η-Dotierung dieser Schicht möglichst groß sein. Die Absorption der ^-Schicht ist ferner proprotional zur Schichtdicke /2, d. h. diese sollte groß sein. Absorbiert ein freies Elektron in der /^-Schicht die Energie eines Lichtquanten £>/,„- ,on^0E_AL (Austrittsarbeit aus der Kathode), dann kann das angeregte Elektron entweder durch die Schichten /3, P4, /775 ins Vakuum austreten oder mit Löchern im Leitungsband der ^-Schicht rekombinieren.

Um einen optimalen Quantenwirkungsgrad zu bekommen, muß die Schichtdicke h optimiert werden. Dies ist etwa erreicht, wenn die Wahrscheinlichkeit für einei; Elektronenaustritt eines Elektrons der /72-Schicht im Vakuum in der Größenordnung der Wahrscheinlichkeit für eine Rekombination des angeregten Elektrons in der ^-Schicht selbst liegt. Der Wert für h liegt etwa

-\U₂\.

10

15

im Bereich 100-50OnITi. Für den Ladungsträgernachschub der Schicht /72 für angeregte und aus der Kathode emittierte Elektronen sorgt der Tunnelübergang zur Schicht pi.

Die Schicht pt, hat die Aufgabe, zusammen mit der Schicht ms den für »Kathoden mit verschwindender Elektronenaffinität« typischen Leitungs- und Valenzbandverlauf zu erzeugen. Die Schichtdicke /4 von pt muß so gering wie möglich sein, um den Austritt hinreichend angeregter Elektronen der /72-Schicht ins Vaku- |jf um möglichst wenig zu behindern, muß aber so dick

sein, daß die Potentiale der Schichten p\, «2, /3 und diese Schichten selbst die Bandverbiegung an der Grenzfläche der Schichten Ρ4//Π5 nicht stören. Typische Werte für die Schichtdicke /4 liegen bei ca. 15—40 nm.

Nachdem es sich bei den Schichten /32 und p4 um jeweils hochdotierte Bereiche handelt, ist zwischen die Schichten /72 und pi eine hinreichend dicke, eigenleitende (intrinsic-)Schicht /3 eingebaut, um bei Vorspannung der Schicht /22 gegen p4 Tunnelströme in die dünne Schicht p4 zu vermeiden. Typische Werte für die Schichtdicke /3 sind etwa 15—30 nm.

F i g. 2b zeigt das Bändermodell dieser Schichtstruktur für die externen Spannungen U\ = U7 = 0 (relativ zur Spannung an P4) der Schichten p\, /72. Um ein Elektron aus der Schicht 117 ins Vakuum zu befördern, muß das Elektron ein Lichtquant der Energie Ephoion^- OEcapabsorbieren. Bei diesen Vorspannungen t/i = t/j = 0 besitzt die Kathode eine spektrale Charakteristik, wie sie von den bisherigen GaAs-Cs-Fotokathoden her bekannt ist. Wird dagegen die Schicht /72 durch Ui <0 gegen die Schicht p₄ negativ vorgespannt, dann verschiebt sich das Ferminiveau der Schicht Π2 um diesen Spannungsbetrag, und die Austrittsarbeit für Elektronen der Schicht /72 beträgt nur noch

30 kungsgrad, der im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterdetektoren um das Verhältnis der Leitungsbandeiektronendichte/Valenzbandelektronendichte reduziert ist. Daher ist für die /72-Schicht eine möglichst hohe Dotierung erforderlich, so daß dieses Verhältnis ca. ΙΟ-³ bis 10~² beträgt. Der um dieses Verhältnis geringere Quantenwirkungsgrad wird in der typischen Bildverstärkeranwendung der erfindungsgemäßen Fotokathode allerdings durch den hohen Verstärkungsfaktor (100—400-fach) einer Bildverstärkerstufe zum Teil kompensiert.

Eine derartige Anordnung, deren Aufbau bekannt ist, ist in Fig.5 schematisch dargestellt. In einem evakuierten Tubus befindet sich ein Lichteintrittsfenster mit der Fotokathode FK. An deren Schichten liegen, wie beschrieben, die Spannungen U\ und Ur. Die austretenden Elektronen e werden durch die angelegte Hochspannung beschleunigt und von einem elektrostatischen Fokussiersystem FS auf den als Anode dienenden Leuchtschirm LS, der aus einem Phosphor geeigneter Art besteht, gelenkt und erzeugen dort ein Bild. Zum Ausgleich der Krümmung des Leuchtschirmes LSdient eine Faserplatte FP.

Bei Kathoden, die in Reflexion betrieben werden, also unter Lichteinfall durch die Schichten ms, p* und /3, kann der Quantenwirkungsgrad verdoppelt werden, wenn das die Schicht p\ verlassende, nicht absorbierte Licht an einem Spiegel reflektiert wird und den Detektor ein zweitesmal durchläuft. Diese Anordnung ist in F i g. 6 dargestellt. Dabei ist die pi-Schicht durch eine reflektierende Metall-Elektrode RE ersetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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d. h. bei zunehmender negativer Vorspannung der Diode gebildet aus der Schichtfolge ni, /3, p4 reduziert sich die Austrittsarbeit für Elektronen der Schicht 112, und damit verschiebt sich die IR-Absorptionskante zu größeren Wellenlängen.

Das bedeutet, daß sich mit Hilfe der Spannung I/2 die spektrale Charakteristik der Fotokathode auf den gewünschten Spektralbereich einstellen läßt.

Die Elektronen der Schicht 02 unterliegen der Fermistatistik. Um eine möglichst scharfe Fermikante (d.h. geringes Eigenrauschen) des Detektors zu erreichen, ist demnach eine Kühlung des Detektors im langwelligen IR-Bereich erforderlich.

Die Schichtstruktur dieses Detektors läßt sich mit den verfügbaren technischen Mitteln (z. B. Molekularstrahlepitaxie [MBE]) in erforderlicher Qualität großflächig herstellen.

F i g. 3 zeigt den Schichtaufbau durch eine abstimmbare Ausführungsform für Reflexionsbetrieb. Die Anordnung entspricht der nach F i g. 2a; lediglich ist an der Schicht pi noch eine Spiegelschicht 5 angeordnet

Fig.4 stellt einen Schnitt durch eine abstimmbare Fotokathode für Transmissionsbetrieb dar. Sie ist aus den beschriebenen Schichten p\, nz, h, Pa und ms aufgebaut Die Schichten p\, 112 und p4 sind mit Kontakten K\, K2 und Kj, versehen, die außerhalb des nutzbaren Bereiches B liegen. Eine Elektrodenabdeckung A faßt die Schichten ein.

Ein Problem dieses Detektors ist allerdings für bestimmte Anwendungen noch der geringe Quantenwir-

Claims

Patentansprüche:

1. Fotokathode für den Infrarot-Bereich, die in einem Schichtaufbau aus Halbleitermaterial eine erste p-Schicht, eine auf der ersten p-Schicht angeordnete η-Schicht und eine über der η-Schicht angeordnete hochdotierte zweite p-Schicht sowie eine dünne Metallschicht aufweist, wobei die hochdotierte zweite p-Schicht zusammen mit der dünnen Metallschicht eine Kathode mit verschwindender Elektronenaffinität bildet, die erste p-Schicht, die η-Schicht und die hochdotierte zweite p-Schicht kontaktiert und an Spannung gelegt sind, und die Spannung an der hochdotierten zeiten p-Schicht das Potential der Fotokathode definiert, während die Spannung an der ersten p-Schicht und die Spannung an der n-Schicht den zugehörigen pn-übergang ir. Sperrichtung vorspannen, dadurch gekennzeichnet, daß