DE69118052T2

DE69118052T2 - Verbesserte elektronenübertragung in iii-v-halbleiterphotokathode

Info

Publication number: DE69118052T2
Application number: DE69118052T
Authority: DE
Inventors: Verle Aebi; Kenneth Costello; William Spicer
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1991-02-13
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: DE69118052D1; EP0472703A4; CA2038262A1; JPH05504652A; EP0472703B1; WO1991014283A1; JP2668285B2; CA2038262C; EP0472703A1; US5047821A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf III-V- Halbleiterbauelemente (die so genannt werden, weil ein Element aus der Spalte III, und das andere Element aus der Spalte V des periodischen Systems der Elemente stammt), und speziell auf eine Elektronentransfer-III- V-Halbleiter-Photokathoden-Konstruktion.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Halbleiter-Photokathoden werden bei verschiedenen Lichterfassungs- Anwendungen verwendet. Bei einer typischen Transmissions-Photokathode emittiert die Rückseite der Photokathode Elektronen in ein Vakuum, wenn Photonen (sichtbares und infrarotes Licht) auf die Vorderseite der Photokathode auffallen. Der Wirkungsgrad dieser Elektronenerzeugung wird als die Quantenausbeute bezeichnet. Bei einem einfachen Dioden-Bauelement werden die Elektronen, die von der Oberfläche der Photokathode in das Vakuum ausströmen oder entweichen, durch ein elektrisches Feld beschleunigt und zu einer Leuchtstoff-Zielscheibe hingezogen, auf die sie aufprallen. Als Reaktion auf die auffallenden Elektronen sendet der Leuchtstoff Licht aus, das eine andere Wellenlänge als das auf die Photokathode auffallende Licht haben kann.
Bei einer Photonenabsorption werden die Elektronen in dem Valenzband einer Photonen absorbierenden Schicht der Photokathode bis zu dem unteren Tal (Gamma-Tal) des Leitungsbandes angehoben. Die wirksamsten Photokathoden, die bei modernen Lichterfassungs- und Bilderzeugungsanwendungen verwendet werden, sind sogenannte Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA-Photokathoden), die beinahe ausschließlich auf dem Gammatal-Transport von Elektronen beruhen.
Obwohl NEA-Photokathoden eine ausgezeichnete Empfindlichkeit haben, ist ihr langwelliges Ansprechvermögen durch stark reduzierte Elektronenoberflächen-Entweichwahrscheinlichkeiten für Halbleiter mit kleineren Bandabständen als ungefähr 1,2 eV (größeren Wellenlängen als 1000 nm) auf ungefähr 1000 nm begrenzt. Ablösearbeits- und Oberflächenbarrieren-Effekte bei der Vakuum/Halbleiter-Grenzfläche begrenzen den erfolgreichen Transport von photoangeregten Elektronen in das Vakuum. Um bei langwelligen Photokathoden die Oberflächenbarriereneffekte zu überwinden, wurden im Laufe der Jahre verschiedene Photokathoden mit externer Vorspannung untersucht. Bei Photokathoden mit externer Vorspannung kann durch Absenkung des Vakuumenergieniveaus relativ zu dem Fermi-Niveau in der Photonen absorbierenden, aktiven Substratschicht die langwellige Grenze im Prinzip hinausgeschoben werden. Es wurden verschiedene, durch eine Vorspannung unterstützte pn-Übergangs-, MOS-, Feldemissions- und Heteroübergangs-Photokathoden vorgeschlagen und experimentell untersucht, aber keine Photokathode vor der Entwicklung der Elektronentransfer (ET)- Photokathode, die sich Bell in dem US-Patent Nr. 3958143 ('143) patentieren ließ, wies eine einigermaßen wirksame Photoemission, kombiniert mit der erforderlichen niedrigen Dunkelstromemission auf, um von praktischem Interesse zu sein. Eine vollständige Beschreibung der Funktionsprinzipien der ET-Photokathode, zusammen mit einer Diskussion der Begrenzungen von NEA-Photokathoden, ist in Bell '143 wiedergegeben. Die vorliegende Erfindung gehört zu der Klasse der ET-Photokathoden.
Im Jahre 1974 führten Bell et al. eine durch eine Vorspannung unterstützte p-InP-Photokathode vor, bei der zum ersten Mal der Mechanismus der ET-Photoemission benutzt wurde: "Transferred Electron Photoemission from InP", R.L. Bell, L.W. James, and R.L. Moon, 25 Appl. Phys. Lett. 645 (1974). Die ET-Photoemission basiert auf der Tatsache, daß bei manchen III- V-Halbleitern, wie beispielsweise InP, InGaAsP-Legierungen und GaAs, durch Anlegen mäßiger elektrischer Felder Elektronen bei vernünftigem Wirkungsgrad bis zu den oberen Leitungsband-Tälern angehoben werden können. Photoerzeugte Elektronen, die erfolgreich bis zu den oberen Tälern übergehen oder zu heißen Gamma-Elektronen werden, sind dann energiereich genug, um eine gute Wahrscheinlichkeit zu haben, über die Ablösearbeits-und Oberflächenenergie-Barrieren in das Vakuum emittiert zu werden. Im Anschluß an dieses anfängliche Ergebnis wurden experimentelle Hochleistungs-ET- Photokathoden für das Gebiet von 1000 nm bis 1650 nm eingehend untersucht: "Field-Assisted Semiconductor Photoemitters for the 1-2 µpm Range", J.S. Escher, R.L. Bell, P.E. Gregory, S.B. Hyder, T.J. Maloney und G.A. Antypas, IEEE Trans. Elec. Dev. ED-27, 1244 (1980).
Bei ET-Photokathoden werden die Elektronen von den untersten Energiezuständen des Gammatals des Leitungsbandes weiter angehoben bis zu den oberen Satelliten-Tälern (L oder X) des Leitungsbandes, oder bis zu höheren Energieniveaus in dem Gammatal. Um bei einer ET-Photokathode die Elektronen anzuheben, wird ein elektrisches Feld von 10&sup4; V/cm oder mehr erzeugt. (Die Feldstärke ist eine Funktion der Dotierung des Halbleiters und der angelegten elektrischen Vorspannung.) Da ET-Photokathoden beinahe ausschließlich auf dem Transport in dem oberen Satellitental beruhen, können sie eine höhere Schwelle für entweichende Elektronen leichter überwinden. (Diese Schwelle wird auch das "Vakuumenergieniveau" genannt.)
Verschiedene mögliche Halbleitermaterialien haben verschiedene Bandabstände, d.h., einen verschiedenen Energieunterschied zwischen ihrem Valenzband und ihrem Leitungsband. Einerseits kann es wünschenswert sein, ein Material mit einem größeren Bandabstand zu wählen, da die Wahrscheinlichkeit eines Elektrons, in das Vakuum zu entweichen, um so größer ist, je größer die Energie ist, bis auf die das Elektron springt. Aber andererseits erfordern Halbleitermaterialien mit einem großen Bandabstand Photonen, die genügend Energie haben, um den Sprung von dem Valenzband auf das nun höhere Leitungsband hervorzurufen. Die auftreffenden Photonen müssen im allgemeinen einer kürzere Wellenlänge als 1000 nm haben. Daher wird eine bessere Elektronenemission auf Kosten einer begrenzteren Photonenwellenlängen-Empfindlichkeit erhalten. Bei dem Kompromiß, der bei NEA-Photokathoden oft erreicht wird, wird die Empfindlichkeit gegenüber Photonen mit größerer Wellenlänge (z.B. im Infrarot-Bereich) dadurch erhalten, daß das einzige transportierende Leitungsband-Tal (z.B. das Gammatal) gerade noch über dem Vakuumenergieniveau liegt. Da bei NEA- Photokathoden die Elektronenenergieniveaus so nahe bei den Vakuumenergieniveaus liegen, werden die Entweichwahrscheinlichkeiten der Elektronen durch kleine Änderungen bei der "Ablösearbeit" oder der Oberflächenbarriere des Materials bei der Photokathoden/Vakuum-Grenzfläche in signifikanter Weise verändert.
Um von der Oberfläche einer Photokathode in ein Vakuum zu entweichen, muß ein Elektron energiereich genug sein, um das Vakuumenergieniveau zu überwinden. Bei einer NEA-Photokathode wird die effektive Elektronenaffinität für Elektronen in dem Gammatal des Leitungsbandes in dem Grundmaterial durch die Ablösearbeit an der Halbleiteroberfläche und den Bandabstand des Halbleiters bestimmt. Da das Bandabstandsgebiet gewöhnlich nicht breiter als 100 Å ist, können sich die Elektronen in dem Gammatal als heiße Elektronen mit wenig oder keinem Energieverlust über das Gebiet bewegen. Wenn der Bandabstand größer als die Ablösearbeit an der Halbleiteroberfläche ist, haben die Elektronen daher eine größere Wahrscheinlichkeit, die Oberfläche mit einer Energie zu erreichen, die ausreicht, um die Ablösearbeit zu überwinden und so in das Vakuum zu entweichen. Metalle mit niedriger Ablösearbeit und Aktivierungsschichten, die die Ablösearbeit vermindern, werden daher für Photokathoden bevorzugt. (Siehe z.B. Bell, US-Patent Nr. 3644770.)
Bei einer ET-Photokathode wird eine Vorspannung angelegt, um ein elektrisches Feld in dem Halbleiter zu erzeugen, der durch den Elektronentransfereffekt die Elektronen auf höhere Energieniveaus anhebt, wenn sie durch das durch die Vorspannung erzeugte Verarmungsgebiet hindurch befördert werden. Die durch das elektrische Feld auf die Elektronen übertragene Energie ermöglicht den Elektronen, eine Energie zu haben, die wie oben größer als die Ablösearbeit ist und folglich ausreichend ist, um zu bewirken, daß die Elektronen in das Vakuum entweichen. Wie in Bell '143 beschrieben wird, kann mittels Silber eine einfache Schottky-Barriere zwischen dem Halbleiter und der Aktivierungsschicht verwirklicht werden, um die Anlegung einer Vorspannung zu ermöglichen. Die Schottky-Barriere zwischen dem Halbleiter und dem Metall muß eine genügende Höhe haben, um zu verhindern, daß ein nennenswerter Löcherstrom von dem Metall in den Halbleiter fließt. Ein großer Löcherstrom würde infolge von IR-Abfällen in der dünnen Metallschicht, zusätzlich zu der Erzeugung von Rauschen über die mit dem Löcherstrom verbundene Elektron/Loch-Paarbildung, die Anlegung von genügend Vorspannung an den Halbleiter verhindern. Bei dem Stand der Technik wird das Metall auf die ganze Elektronen emittierende Oberfläche der Photokathode gleichmäßig aufgebracht, um die Anlegung einer gleichmäßigen Vorspannung an den Halbleiter zu ermöglichen, und einen Rückweg für die nicht in das Vakuum entweichenden Elektronen zu verwirklichen. Jede solche Metallschicht wird jedoch einige Elektronen daran hindern, in das Vakuum zu entweichen, da die Elektronen zuerst durch das Metall hindurch gelangen müssen, und die Elektronen, die blockiert werden, erhöhen den Rückstrom. Das Metall der Wahl ist Silber, weil bei Silber eine Oberfläche mit niedriger Ablösearbeit erhalten wird, wenn eine Aktivierungsschicht aus Cäsium und Sauerstoff auf die Silberoberfläche aufgebracht wird, und weil Silber eine hohe spezifische elektrische Leitfähigkeit hat. (Eine solche Aktivierung senkt die Ablösearbeit des Metalls auf ungefähr 1,0 eV, wenn Ag als Metall verwendet wird.) Eine ET- Photokathode, bei der Silber verwendet wird, wird in Bell '143 als die bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
Manche ET-Halbleiter-Photokathoden sind aus einer Photonen absorbierenden Halbleiterschicht und einer getrennten, Elektronen emittierenden Halbleiterschicht aufgebaut, wobei zwischen den zwei Schichten ein Heteroübergang gebildet ist. Bei anderen ET-Halbleiter- Photokathoden wird eine einzige Halbleiterschicht sowohl als Photonen absorbierende Schicht, als auch als Elektronen emittierende Schicht verwendet. In beiden Fällen ist, wie gut bekannt ist, der Dunkelstrom der Photokathode, d.h., der Strom, der ohne auftreffende Photonen fließt, auf ein Minimum reduziert, wenn die Photonen absorbierende Schicht aus p-leitendem Material besteht.
Wenn zugelassen würde, daß sich nicht-entweichende Elektronen auf der Oberfläche an einer Stelle ansammeln, würde sich eine Ladung bilden, die ausreicht, um die Oberfläche in der Umgebung der überschüssigen Elektronen von der Vorspannung zu befreien, und danach würden keine Elektronen mehr entweichen. Eine Metallisierungsschicht dient dazu, einen Rückweg für diese Oberflächenelektronen zu bilden, wobei sie außerdem eine Möglichkeit bietet, die Photokathode gleichmäßig mit einer Vorspannung zu versorgen, wodurch ein wirksamer Transfer von Elektronen von dem Gammatal bis zu den oberen Satellitentälern des Leitungsbandes ermöglicht wird. Bei der Metallisierungsschicht muß jedoch ein Kompromiß gemacht werden, wobei sie dick genug sein muß, um angesichts der Betriebsbedingungen des Bauelements eine genügende Leitfähigkeit zu haben, und doch dünn genug sein muß, um nicht ein zu großes Hindernis für die Elektronenemission zu bilden. Silber ist im Vergleich zu anderen Metallen im allgemeinen ein sehr "transparentes" Material für das Entweichen von Elektronen, aber wenn Silber auf eine Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, neigt es dazu, sich zusammenzuballen und Inseln zu bilden, die nur beseitigt werden können, wenn eine dickere Schicht aufgebracht wird. Der Vorteil von Silber als ein Medium mit großer Elektronentransparenz geht daher verloren. Das Endergebnis ist, daß eine so dicke Schicht Silber aufgebracht werden muß, daß 90% der für die Emission erzeugten Elektronen mit der Atomstruktur des Silbers zusammenstoßen und dadurch zuviel Energie verlieren, um entweichen zu können. Diese nicht-entweichenden Elektronen müssen wiederum gesammelt und von der Photokathoden-Oberfläche abgeleitet werden.
Ein weiteres Problem ergibt sich bei den dem Stand der Technik entsprechenden ET-Photokathoden, wenn ein großer Fluß von auf ein kleines Gebiet einer ET-Photokathode auftreffenden Photonen eine große Anzahl von angehobenen Elektronen erzeugt. Während es im allgemeinen wünschenswert ist, eine möglichst dünne Metallisierungsschicht zu haben, weist eine sehr dünne Metallisierungsschicht einen relativ großen Widerstand auf, der wiederum das gut bekannte Problem der "Überstrahlung" verursacht, d.h., obwohl der große Fluß von auftreffenden Photonen auf ein kleines Gebiet begrenzt ist, ist ein viel größeres Gebiet betroffen. Während unter "Überstrahlung" gewöhnlich die Vergrößerung eines weißen Flecks auf einem Leuchtstoff-Bildschirm verstanden wird, verursacht die Überstrahlung bei einer ET-Photokathode gerade den entgegengesetzten Effekt: Ein dunkler Fleck auf einem Leuchtstoff-Bildschirm wird vergrößert, wenn die Vorspannung der Photokathode durch die große Anzahl von Elektroden an der Photokathoden-Oberfläche vermindert wird. Da es vorkommen kann, daß mehr als die Hälfte der für die Emission erzeugten Elektronen über die Metallisierungsschicht zurückfließen müssen, kann sich zwischen dem Fleck und der Kontaktfläche eines Bauelements, d.h., der Stelle auf dem Umfang der Photokathode, wo die Vorspannung angelegt wird, ein großer IR (Strom x Widerstand)-Abfall bilden. Dem Stand der Technik entsprechende Bauelemente weisen eine Stauung von Elektronen auf dem Rückweg auf, wobei sich die Elektronen ansammeln und ein viel größeres Gebiet als zu Anfang einnehmen. In dem schlimmsten Fall kann sich diese Stauung auf die gesamte Photokathoden-Oberfläche ausdehnen, wobei die angesammelten Ladungen die Vorspannung des Bauelements vollständig zunichte machen. Dieses Phänomen ist in diesem Fachgebiet auch als "Verlust des Photo-Ansprechvermögens" bekannt.
Ein weiterer praktischer Nachteil des Standes der Technik ist die Schwierigkeit, bei einer Röhreneinheit einen zuverlässigen mechanischen Kontakt mit der Kontaktfläche und der extrem dünnen Schottky-Barriere herzustellen, was für eine wirksame Elektronenübertragung erforderlich ist. Bei der Kontaktfläche wird wahrscheinlich ein intermittierender Kontakt erhalten, wenn die dünne Metallschicht von der Kontaktsonde direkt durchdrungen wird. Die Durchdringung der Metallschicht führt wahrscheinlich auch zu Gebieten mit einem starken elektrischen Feld in der Kontaktzone, die unannehmbar hohe Leckströme zur Folge haben, die die Schottky-Barriere wirksam shunten.
Es wurde festgestellt, daß Aluminium sehr günstige Wärmereinigungs/Wärmestabilitäts-Eigenschaften hat, die es zu einer ausgezeichneten Wahl für eine direkt auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachte, relativ dicke Kontaktfläche machen, da die Leckströme nach der Wärmereinigung für die sich ergebende Schottky-Barriere niedrig bleiben. Die Erfinder haben Versuche durchgeführt und verschiedene andere Metalle ausprobiert, wobei sie jedoch keine Alternativen gefunden haben, die die Wärmereinigung überleben, während eine gute Schottky-Barriere erhalten bleibt. Da Aluminium die Wärmereinigung überlebt, kann außerdem durch Photolithographie unmittelbar auf der Halbleiteroberfläche eine Gitterstruktur erzeugt werden. Der Stand der Technik erforderte die Aufdampfung dicker Kontaktflächen nach der Ausführung des Wärmereinigungsschritts. Dies brachte die zusätzliche Komplikation mit sich, daß dicke UHV-Metallschichten auf der Photokathoden-Oberfläche genau positioniert werden mußten. Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Aluminium umfassen die Fähigkeit, eine Schottky-Barriere auf InP selbst nach dem mit einer Wärmereinigung verbundenen, thermischen Zyklus aufrechtzuerhalten, und die Fähigkeit, den chemischen Prozeß zu überleben, der mit der chemischen Endreinigung verbunden ist (die vor der Wärmereinigung der Photokathode erforderlich ist).
Da Aluminium ausgezeichnete Wärmestabilitätseigenschaften aufweist, kann vor der chemischen Endreinigung und der Wärmereinigung der Halbleiteroberfläche die vor der Aktivierung der Photokathode ausgeführt werden, in dem Aluminium mittels photolithographischer Techniken ein Muster in Form einer Gitterstruktur verwirklicht werden. Die Gitterstruktur kann dann gleichzeitig die Verluste des Ansprechvermögens in Grenzen halten und die Quantenausbeute verbessern.
Die Erfindung von US-A-3958143 wurde oben anerkannt, und ist in dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche dieser Patentanmeldung zusammengefaßt. Die vorliegende Erfindung verbessert diese Anordnung durch die Merkmale, die in dem kennzeichnenden Teil der unabhängigen Patentansprüche dieser Patentanmeldung wiedergegeben sind.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Gitter einen wirksameren Rückweg an der Oberfläche der Photokathode bietet, wodurch die Bildung von Zonen mit einem Verlust des Photo-Ansprechvermögens in Grenzen gehalten wird.
Ein weiterer Vorteil ist, daß das Gitter durch seine Gitterlinien nur einen kleinen Prozentsatz der Oberfläche der Photokathode blockiert, was sehr günstig ist, verglichen mit dem viel größeren prozentualen Verlust, der sich ergibt, wenn die Oberfläche mit einem gleichmäßigen Überzug aus Silber oder einem anderen Metall bedeckt wird. Es sind große Verbesserungen bei der Photokathoden-Quantenausbeute möglich, was höhere Ausgangsschwellen und empfindlichere Eingangsschwellen bedeutet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß es jetzt eine Alternative gibt zu der früheren Notwendigkeit, einen Kompromiß zwischen dem IR-Abfall an einer Metallisierungsschicht und der Dicke der Metallisierungsschicht zu finden, so daß eine viel dünnere Schottky- Barrieren-Schicht verwendet werden kann, um an der Oberfläche der Photokathode eine gleichmäßige Vorspannung zu erhalten.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Aluminium der Kontaktfläche nicht "ohmsch" wird und Probleme infolge eines intermittierenden Kontakts hervorruft. Die Schottky-Barrieren-Höhe bei der Kontaktfläche und dem Gitter, nach der Wärmereinigung, liegt bei ungefähr 0,82 eV, wodurch die Löcheremission über die Barriere auf einem annehmbar niedrigen Niveau gehalten wird. Das Aluminium überlebt auch chemische Reinigungen gut, und kann mit einer vorhandenen Ausrüstung leicht aufgebracht werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein Beispiel der Erfindung wird nun beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Folgendes darstellen:
die Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Röhre, die eine ET-III-V-Halbleiter-Photokathode enthält;
die Figur 2 ist ein Querschnitt einer ET-III-V-Halbleiter- Photokathode der vorliegenden Erfindung;
die Figuren 3A und 3B sind schematische Darstellungen der Energieband-Diagramme einer ET-III-V-Halbleiter-Photokathode, wobei die Figur 3A den Fall wiedergibt, in dem keine Vorspannung an die Photokathode angelegt ist, und die Figur 3B den Fall wiedergibt, in dem eine Vorspannung angelegt ist;
die Figuren 4A und 4B sind (1) eine isometrische Projektion einer ET-III-V-Halbleiter-Photokathode, die die vorliegende Erfindung einschließt, und (2) ein Diagramm, das den kreisförmigen Speichenentwurf des Gitters bei einer bevorzugten Ausführungsform wiedergibt;
die Figuren 5A und 5B sind Spannung/Abstand-Diagramme von (1) der Oberfläche einer dem Stand der Technik entsprechenden Photokathode (Figur 5A), und (2) einer Photokathode, die die vorliegende Erfindung verkörpert (Figur 5B).

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Figur 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein einfaches Dioden-Bauelement wiedergegeben, das aus einer evakuierten Röhre 10 besteht, die in einem Vakuum 18 eine Photokathode 12, eine Anode 14, und einen Leuchtstoff-Bildschirm 16 aufweist. Aus praktischen Gründen bilden der Leuchtstoff-Bildschirm 16 und die Anode 14 eine integrale Einheit, die eine auf einen kommerziell erhältlichen Leuchtstoff aufgebrachte Aluminiumschicht aufweist. Ein Photon 20 löst die Erzeugung eines Elektrons 22 innerhalb der Photokathode 12 aus. Das Elektron 22 strömt in das Vakuum 18 aus, wird von der Anode 14 angezogen, und trifft auf den Leuchtstoff- Bildschirm 16 auf, wo es die Emission von Licht hervorruft.
Die Figur 2 ist eine detaillierte Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der in der Figur 1 wiedergegebenen Photokathode 12. Die Photokathode 12 weist ein Substrat 32, eine Photonenabsorptionsschicht 34, einen Heteroübergang 36, eine Elektronenemissionsschicht 38, eine Schottky-Barriere 39, eine Kontaktfläche 40, eine Metallisierungsschicht 41, ein Gitter 42, eine Aktivierungsschicht 44, und eine Kontaktfläche 45 auf. Der Heteroübergang 36 ist zwischen der Elektronenemissionsschicht 38 und der Photonenabsorptionsschicht 34 gebildet. In der Schicht 34 wird ein Photon 46 absorbiert, wodurch aus einem Valenzband-Elektron 50 ein Leitungsband-Elektron 48 gemacht wird. Ein elektrisches Feld, das durch eine zwischen der Kontaktfläche 40 (+) und der Kontaktfläche 45 (-) an die Photokathode 12 angelegte Vorspannung erzeugt wird, macht das Elektron 48 zu einem energiereicheren, bis zu dem oberen Satellitental angehobenen Elektron 54, das in das Vakuum 18 entweicht. Die Vorspannung, die an die Kontaktflächen 40 und 45, die Metallisierungsschicht 41, und das Gitter 42 angelegt wird, bewirkt die Erzeugung einer Verarmungszone, die sich von der Schottky-Barriere 39 bis zu mindestens dem Heteroübergang 36 erstreckt.
Das Substrat 32 ist im wesentlichen transparent für die hier interessierenden Photonen, und ist nominal 0,406 mm (16 mils) dick. In dem Fall einer ET-Photokathode auf InP-Basis ist die Photonenabsorptionsschicht 34 p-leitendes Material mit einer Dotierung von 1 x 10¹&sup5; cm&supmin;³ bis 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³, und einer Dicke von 200 bis 2000 Nanometer. Je dünner die Photonenabsorptionsschicht 34 ist, desto kürzer ist die Ansprechzeit, aber wenn diese Schicht dicker gemacht wird, kann ein größerer Anteil der auftreffenden Photonen absorbiert werden, was eine bessere Quantenausbeute ergibt, wenn angenommen wird, daß die Zunahme der optischen Absorption nicht durch Diffusionsverluste kompensiert wird.
Höhere Dotierungsniveaus verbessern den Dunkelstrom in dem Fall, in dem die Absorptionsschicht nicht vollständig verarmt ist. Die Elektronen emittierende Schicht 38 kann n-leitend oder p-leitend sein, mit einer Dotierung von weniger als 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, und einer Dicke in dem Bereich von 200 bis 1.000 Nanometer.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine einzige Halbleiterschicht vorgesehen, die die Photonenabsorptionsschicht 34, den Heteroübergang 36 und die Elektronenemissionsschicht 38 (alle in der Figur 2) ersetzt und deren Funktion übernimmt. Der hauptsächliche Unterschied zwischen der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht darin, daß die zweite weniger teuer herzustellen ist, da die Herstellung des Bauelements vereinfacht ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine isolierende Schicht (nicht wiedergegeben) unter der Kontaktfläche 40 und dem Gitter 42 aufgebracht. Die isolierende Schicht verhindert, daß ein Löcherstrom von der Kontaktfläche 40 und dem Gitter 42 in den Halbleiter hinein fließt, was bei direkter Aufbringung dieser Kontaktfläche und dieses Gitters auf den Halbleiter ein hauptsächliches Ziel der Bildung einer Schottky-Barriere 39 war. Eine Schottky-Barriere 39 ist jedoch bei einem Kontakt zwischen der Aktivierungsschicht 44 oder der Metallisierungsschicht 41 mit der Elektronenemissionsschicht 38 noch vorhanden. Diese dritte Ausführungsform wird von den Erfindern als am wenigsten wünschenswert angesehen wegen der erhöhten Kosten und der Kompliziertheit der Herstellung infolge der Aufbringung der erforderlichen isolierenden Schichten, und wegen der Schwierigkeit, die reine Oberfläche zu erhalten, die nach der Aufbringung der isolierenden Schicht und der Verwirklichung eines Musters in dieser Schicht auf der Elektronen emittierenden Schicht erforderlich ist. Dennoch werden die anderen Vorteile der ersten zwei Ausführungsformen nach den gleichen Mechanismen, die hier beschrieben werden, erhalten.
Bei jeder der Ausführungsformen blockiert die Gitterstruktur 42 der vorliegenden Erfindung nur einige Prozent der Oberfläche der Photokathode 12, und dies ermöglicht die Verwendung einer sehr dünnen Metallisierungsschicht 41, um die Schottky-Barriere über den anderen Gebieten der Photokathode zu bilden. Die Metallisierungsschicht 41 vom Schottky-Barrieren-Typ kann sehr dünn sein, weil das Gitter 42 im wesentlichen als Rückweg für die nicht-emittierten Elektronen dient. Bei Anwendungen, bei denen der Fluß der auftreffenden Photonen 46 klein ist, hat die Cäsium/Cäsiumoxid-Schicht oder eine andere Aktivierungsschicht 44 mit niedriger Ablösearbeit ohne die Metallisierungsschicht eine genügende Leitfähigkeit, wobei sie eine für diesen Zweck geeignete Schottky-Barriere 39 bildet. Bei Anwendungen mit einem größeren Fluß der auftreffenden Photonen kann die Metallisierungsschicht 41 unter der Aktivierungsschicht hinzugefügt werden. Selbst dann kann jedoch die Schicht 41 viel dünner sein, als bei den dem Stand der Technik entsprechenden Bauelementen ohne Gitter 42 erforderlich war. Eines von verschiedenen Metallen, einschließlich Palladium, kann als Metallisierungsschicht 41 in sehr dünnen Schichten aufgebracht werden, und weist eine geeignete spezifische Leitfähigkeit auf, und bildet eine ausreichende Schottky-Barriere, um sicherzustellen, daß die Schicht 41 eine gleichmäßige Vorspannung der Photokathode ergibt.
Schematische Energieband-Diagramme der Photokathode 12 der Figur 1 sind in den Figuren 3A und 3B wiedergegeben. Die Photokathode 12 ist in der Figur 3A in dem Zustand ohne Vorspannung veranschaulicht. In der Figur 3A, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Substrat 32 aus p-InP-Material wiedergegeben, auf das eine Photonen absorbierende Schicht 34 aufgebracht ist, auf die wiederum eine Elektronen emittierende Schicht 38 aufgebracht ist, wonach eine Metallisierungsschicht 41, und schließlich eine Aktivierungsschicht 44 aufgebracht ist. Das Valenzband 110 bildet eine Biegung 112, um die Metallisierungsschicht 41, das Gitter 42, und die Aktivierungsschicht 44 bei einem Punkt 114 zu berühren. Die Biegung 112 wird durch (1) die Anwesenheit von Metall (z.B. 41, 42 & 44), (2) die Dotierung in der Elektronen emittierenden Schicht 38, und (3) ein elektrisches Feld hervorgerufen. Die Biegung 112 setzt sich quer zu der Aktivierungsschicht 44 fort. Ein Fermi-Niveau 116 wird von dem Halbleiter- Grundmaterial des Substrats 32 vorgegeben und ist in einem höheren Elektronenenergiezustand als das Valenzband 110. Über dem Fermi-Niveau 116 ist ein Gammatal 118, das das untere Tal in dem Leitungsband ist. Das Gammatal 118 hat in dem Gebiet der Photonen absorbierenden Schicht 34 eine Vertiefung 120, die einen kleineren Bandabstand als das Substrat hat, und in der Elektronen emittierenden Schicht 38 einen Buckel 122. Der Buckel 122 verhindert, daß Elektronen, die nur bis zu dem Gammatal 120 der Photonenabsorptionsschicht 34 angeregt sind, bis zu der Vakuumgrenzfläche 130 wandern. In der Figur 3B, die die Photokathode 12 der Figur 12 in dem Zustand mit Vorspannung wiedergibt, ist der Buckel 122 durch die Anlegung einer Vorspannung beseitigt, wobei in der Elektronen emittierenden Schicht 38 ein Beschleunigungsfeld gebildet wird. Das Beschleunigungsfeld bewirkt, daß das Elektron 48 zu dem Elektron 54 mit höherer Energie wird.
Ein erster Bandabstand 124 in dem Substrat 32, der gleich dem Energieunterschied, in Elektronenvolt (eV), zwischen dem Valenzband 110 und dem Gammatal 118 ist, verringert sich in der Photonen absorbierenden Schicht 34 bis auf einen kleineren, zweiten Bandabstand 126. Ein Tal 132 vom L-Typ und ein Tal 134 vom X-Typ repräsentieren die oberen Satellitentäler des Leitungsbandes.
Bei der Vakuum-Grenzfläche 130 ist eine Vakuumenergiebarriere 136 vorhanden, die die Emission von Elektronen, die weniger Energie als das Niveau der Vakuumenergiebarriere 136 haben, aus den Leitungsbändern verhindert.
In der Figur 2 dringt das Photon 46 durch das Substrat 32 hindurch bis in die Photonen absorbierende Schicht 34 vor, wo es von einem Atom (nicht wiedergegeben) absorbiert wird, wodurch das Valenzband-Elektron 50 zu einem Gammatal-Elektron 48 wird. Das Gammatal-Elektron 48 wird durch das elektrische Feld (nicht wiedergegeben) zu dem Elektron 54, das bis zu dem Tal vom L-Typ (132 in den Figuren 3A & 3B) oder dem Tal vom X-Typ (134 in den Figuren 3A & 3B) angehoben ist. Das Elektron 54 ist dann auf einem höheren Energieniveau als das Vakuumniveau (136 in der Figur 3) und kann über die Vakuumgrenzfläche (130 in der Figur 3) in das Vakuum 18 entweichen.
In der Figur 4A trifft ein intensiver Strahl aus Photonen 140 auf ein kleines Gebiet der Photokathode 12 auf. (Um eine klare Darstellung für die folgende Diskussion zu ermöglichen, gibt weder die Figur 4A, noch die Figur 4B die Metallisierungsschicht 41 oder die Aktivierungsschicht 44 auf der Oberfläche der Photokathode 12 wieder, weil diese Schichten die Sicht auf das Gitter 42 versperren würden.) An der Oberfläche der Elektronen emittierenden Schicht 38 werden in dem Gebiet zahlreiche Elektronen 142 emittiert, die einen Spannungsabfall hervorrufen. Die Diagramme in den Figuren 5A und 5B geben die Spannung an der Oberfläche in Abhängigkeit von dem Abstand von einer Gitterlinie wieder, und zwar für die dem Stand der Technik entsprechende Photokathode, die nur eine Silbermetallisierung (wie in Bell '143) aufweist, bzw. für die vorliegende Erfindung (wie in der Figur 4A dargestellt), die ein Aluminiumgitter umfaßt.
In der Figur 5A (Stand der Technik) wird ein Spannungsprofil 150 durch den Punkt 152, der dem Verlust des Photoansprechvermögens entspricht, nach unten gezogen. Ein durch die Neigung des Spannungsprofils 150 repräsentierter IR-Abfall verläuft so, daß alle Oberflächenpunkte jenseits des Schnittpunktes mit einer Vorspannung 154 eine verminderte Vorspannung haben und keine Elektronenemission in das Vakuum mehr ermöglichen. In dem Fall der vorliegenden Erfindung sinkt, wie in der Figur 5B gezeigt ist, bei einem Punkt 164, der dem Verlust des Photoansprechvermögens entspricht, ein viel kleinerer Bereich eines Spannungsprofils 160 bis unter eine Vorspannung 162 ab. Zahlreiche Aluminium-Gitterlinien 166 (die den Gitterlinien 42 ähnlich sind) sind näher gelegen als die Kontaktfläche 40, und leiten auf der Emissionsoberfläche viel besser als eine dem Stand der Technik entsprechende Metallisierungsschicht. Verluste des Photoansprechvermögens, die sich bis jenseits einer peripheren Gitterlinie erstrecken, sind eliminiert, und die Größe des Verlustes ist folglich auf einen Gitter- Zwischenraum 168 begrenzt.
Die Figur 4B gibt ein kreisförmiges Speichengitter 42' wieder, das sich durch seiBne Form von dem Gitter 42 in der Figur 4A unterscheidet. Das kreisförmige Speichengitter besteht aus einem äußeren Ring 146 und einer Vielzahl von Speichen 148. Die Funktion ist die gleiche, aber die Speichen in der Figur 4B schneiden sich nicht, und alle sind mit dem äußeren Ring 146 verbunden, der wiederum mit der Kontaktfläche 40 verbunden ist. Die Erfinder glauben, daß das in der Figur 4B wiedergegebene, kreisförmige Speichengitter durch Schleudern leichter von Reinigungschemikalien befreit werden kann als das in der Figur 4A wiedergegebene, quadratische Gitter.

Claims

1. Elektronentransfer-III-V-Halbleiter-Photokathode, mit einer Schicht (38) aus III-V-Halbleitermaterial, das als Reaktion auf einen Photonenfluß Elektronen aussendet, und einer Schottky-Barriere (39), die die Halbleiterschicht (38) überdeckt, gekennzeichnet durch eine relativ dicke Aluminium-Kontaktfläche (40), die auf einen peripheren Bereich der Schicht aus III-V-Halbleitermaterial (38) direkt aufgebracht ist, wobei die Aluminium-Kontaktfläche einen Bereich der Schottky-Barrieren-Schicht bildet; und einem Gitter (42), das in elektrischem Kontakt mit der Kontaktfläche (40) steht, und einem Mittel (45), um eine Vorspannung zwischen dem Gitter (42) und der Schicht (38) anzulegen, so daß die Energie der Elektronen in der Schicht aus III-V-Halbleitermaterial von dem Gamma- Tal des Leitungsbandes bis auf die oberen Satelliten-Täler des Leitungsbandes angehoben wird, wodurch die so angehobenen Elektronen energiereich genug sind, um in ein Vakuum auszuströmen

2. Elektronentransfer-III-V-Halbleiter-Photokathode, mit einer p- leitenden III-V-Halbleiterschicht (32-40) zum Aussenden von Elektronen als Reaktion auf einen Photonenfluß, einer auf der Oberfläche der Halbleiterschicht gebildeten Aktivierungsschicht (44), die die Ablösearbeit der Halbleiterschicht vermindert; und einer zwischen der Aktivierungsschicht (44) und der Halbleiterschicht (32-40) gebildeten Schottky-Barriere, gekennzeichnet durch ein über der freiliegenden Oberfläche der p-leitenden Halbleiterschicht gebildetes Gitter (42), wobei die Aktivierungsschicht nur auf der restlichen frei liegenden Oberfläche der Halbleiterschicht gebildet wird, und ein Mittel, um eine Vorspannung zwischen dem Gitter (42) und der p-leitenden Halbleiterschicht (32-40) anzulegen.

3. Elektronentransfer-III-V-Halbleiter-Photokathode, mit einer Photonen absorbierenden Schicht (34) aus p-leitendem III-V-Halbleitermaterial, um als Reaktion auf einen Photonenfluß Elektronen auszusenden, einer auf der Oberfläche der Halbleiterschicht gebildeten Aktivierungsschicht (44), die die Ablösearbeit der Halbleiterschicht vermindert; und einer zwischen der Aktivierungsschicht (44) und der Photonen absorbierenden Schicht (34) gebildeten Schottky-Barriere (39), gekennzeichnet durch eine Elektronen aussendende Schicht (38) aus III-V-Halbleitermaterial, die auf eine Oberfläche der Photonen absorbierenden Schicht aufgebracht ist, wodurch an der Grenzfläche ein Heteroübergang gebildet wird, eine Kontaktfläche (40), die eine genügende Dicke hat, um einen niederohmigen Rückflußweg für die nicht ausgesendeten Elektronen zu bieten, wobei die Kontaktfläche aus einem Metall besteht, das auf der Elektronen aussendenden Schicht in einem ersten Bereich an dem Rand einer freiliegenden Oberfläche der Elektronen aussendenden Schicht gebildet ist; ein leitendes Gitter (42), das über der freiliegenden Oberfläche der Elektronen aussendenden Schicht gebildet ist und in elektrischem Kontakt steht mit der Kontaktfläche und mit der Aktivierungsschicht, die auf der restlichen freiliegenden Oberfläche der Elektronen aussendenden Schicht gebildet ist, und ein Mittel (45), um eine Vorspannung zwischen dem Gitter (42) und der Photonen absorbierenden Schicht (34) anzulegen.

4. Photokathode gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, mit einer Metallisierungsschicht (41), die zwischen der Aktivierungsschicht (44) und der durch Kombination der III-V-Halbleiterschicht mit dem Gitter gebildeten Oberfläche (39) angeordnet ist.

5. Photokathode gemäß Anspruch 3, wobei die Photonen absorbierende Schicht InGaAsP aufweist, die Elektronen aussendende Schicht InP aufweist, und das Gitter und die Kontaktfläche Aluminium aufweisen.

6. Photokathode gemäß Anspruch 3, wobei das Gitter aus Aluminium besteht und sich von einer kreisförmigen Kontaktfläche (146) strahlenförmig erstreckt, und dieses Gitter Speichen (148) aufweist, die von der kreisförmigen Kontaktfläche ausgehen und zu der Mitte hin konvergieren, aber enden, bevor eine Speiche eine andere Speiche schneidet.

7. Photokathode gemäß Anspruch 6, wobei die Linienbreite des Aluminiumgitters nominal 3 Mikrometer beträgt, und der Zwischenraum zwischen den Linien in dem Bereich von 40 Mikrometer bis 350 Mikrometer liegt.

8. Photokathode gemäß Anspruch 3, wobei das Gitter aus Aluminium besteht und eine rechtwinklige Form mit sich überkreuzenden und sich schneidenden, horizontalen und vertikalen Gitterlinien hat.

9. Photokathode gemäß Anspruch 2, wobei das Gitter unmittelbar auf der freiliegenden Oberfläche der p-leitenden III-V-Halbleiterschicht gebildet ist.

10. Photokathode gemäß irgendeinem der Ansprüche 2-5 und 9, wobei das Gitter Aluminium aufweist.

11. Photokathode gemäß Anspruch 3, wobei die Kontaktfläche (40) unmittelbar auf der Elektronen aussendenden Schicht (38) gebildet ist, was die Bildung einer Schottky-Barriere zur Folge hat; und das Gitter (42) unmittelbar auf der freiliegenden Oberfläche der Elektronen aussendenden Schicht gebildet ist.

12. Photokathode gemäß Anspruch 5, wobei die Photonen absorbierende Schicht (34) eine Dicke in dem Bereich von 200 Nanometer bis 2.000 Nanometer, und eine Dotierung für p-leitendes Material in dem Bereich von 1 10¹&sup5; cm&supmin;³ bis 1 10¹&sup8; cm&supmin;³ hat, und die Elektronen aussendende Schicht (38) eine Dicke in dem Bereich von 200 Nanometer bis 1.000 Nanometer, und eine Dotierung für p-leitendes oder n-leitendes Material von weniger als 1 10¹&sup7; cm&supmin;³ hat.

13. Photokathode gemäß Anspruch 1, wobei die Schottky-Barrieren-Schicht (39) von einer Metallisierungsschicht gebildet wird, die das III-V- Halbleitermaterial (38) überdeckt.

14. Photokathode gemäß Anspruch 13, die weiterhin eine Aktivierungsschicht (44) aufweist, die die Metallisierungsschicht (41) überdeckt.

15. Photokathode gemäß Anspruch 1, wobei die Schottky-Barrieren-Schicht (39) eine Aktivierungsschicht (39) aufweist, die das III-V-Halbleitermaterial (38) überdeckt.