EP0228323B1 - Photocathode à rendement élevé - Google Patents

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EP0228323B1
EP0228323B1 EP86402618A EP86402618A EP0228323B1 EP 0228323 B1 EP0228323 B1 EP 0228323B1 EP 86402618 A EP86402618 A EP 86402618A EP 86402618 A EP86402618 A EP 86402618A EP 0228323 B1 EP0228323 B1 EP 0228323B1
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EP
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layers
sub
layer
sublayers
electrons
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Bernard Munier
Paul De Groot
Claude Weisbuch
Yves Henry
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/34—Photo-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/34—Photoemissive electrodes
    • H01J2201/342—Cathodes
    • H01J2201/3421—Composition of the emitting surface
    • H01J2201/3423—Semiconductors, e.g. GaAs, NEA emitters

Definitions

  • the invention relates to a high efficiency photocathode for picture tubes, such as television camera tubes and image intensifier tubes.
  • the maximum detectable wavelength is limited by the width of the forbidden band of the material constituting the absorption layer.
  • a polarization of the absorption layer can be applied by means of a connection with this layer, or by a very thin metal electrode interposed between this layer and the emission layer. Such a photocathode is described in the article by: J.J. ESCHER et al, IEEE-EDL2, 123-125 (1981).
  • Such a photocathode has a yield which is limited in particular by the characteristics of the absorption layer. Indeed, the thickness of this layer is determined by achieving a compromise between, on the one hand, a high absorption of the photons of the light to be detected, which requires a thickness as large as possible, and, on the other hand, a high efficiency of the electron transmission as well as a low dark current, which require as small a thickness as possible of the absorption layer and to obtain a two-dimensional quantification of the energy levels of the electrons and the holes in the plan of the sub-layers.
  • the thickness of this layer is of the order of 1 micron, which allows good electron transmission efficiency but is insufficient to absorb all the photons of the light to be detected, in particular the photons corresponding to the wavelengths bigger.
  • the object of the invention is to produce a photocathode having a better efficiency than the photocathode of known type.
  • the object of the invention is a photocathode comprising an absorption layer consisting of a plurality of particular sub-layers providing both very good absorption of photons, good transmission efficiency of the electrons released by the photons, and a weak current of darkness.
  • a high efficiency photocathode is characterized in that it comprises a so-called absorption layer comprising a plurality of first sub-layers made of a semiconductor material having a sufficiently small band gap width and having a thickness large enough to convert photons of the light to be detected into electron-hole pairs, alternated with a plurality of second sublayers made of a semiconductor material having a band gap greater than that of the first sublayers, having a thickness sufficiently small for the electrons to be able to pass through them by tunnel effect, the first and second sublayers having a doping making it possible to obtain a two-dimensional quantification of the energy levels of the electrons and of the holes in the plane of the first sublayers and adjusting the Fermi level near the valence level of the first sublayers.
  • the figure represents, in its upper part, a section of a portion of an exemplary embodiment of the photocathode according to the invention and, in its lower part, a diagram of the energy levels E of the carriers in this exemplary embodiment .
  • the lower part of the figure represents the curves Ec and Ev of the energy levels of the conduction band and the valence band in the semiconductor layers, the Fermi E F level of these layers, and the potential of the empty Evi.
  • Layer 1 consists of a P + type semiconductor material consisting of Gao, 6 Alo, 4 As doped with 5.1017 zinc atoms per cm 3 , the prohibited bandwidth of which is 2e.V and which is therefore transparent for all wavelengths of light to be detected.
  • the first sublayers 2 to 13 and layer 14 consist of a P + type semiconductor having a band gap less than that of the material of layer 1, for example 1.4 eV, to absorb all the photons to be converted into electron-hole pairs.
  • the sublayers 2 to 13 consist of Ga As doped with 10 1 9 atoms of zinc per cm3 and each has a thickness of 0.025 microns.
  • Layer 14 consists of Ga As doped with 1019 zinc atoms per cm3 and has a thickness of 0.1 micron. Its thickness must be greater than that of the space charge zone due to the presence of the surface of the semiconductor, the width of this zone being less than 0.05 micron.
  • the second sub-layers 16 to 27 are made of the same material as the layer 1, in this embodiment, and therefore have the same forbidden bandwidth. They are little or not doped so that the curves of the energy levels make it possible to obtain in the sublayers 2 to 13 a two-dimensional quantification of the energy levels of the electrons and of the holes. This two-dimensional quantification provides an increase in the absorption coefficient of photons.
  • the sublayers 16 to 27 each have a thickness of 0.003 microns which allows the electrons to pass through them by tunnel effect and which provides a good efficiency of transmission of the electrons released by the photons in the sublayers 2 to 13.
  • the thickness sublayers 16 to 27 must be less than 0.0045 microns for there to be a good transmission efficiency.
  • the thickness of the sublayers 2 to 13 must be less than 0.03 micron to obtain the increase in the absorption coefficient due to the two-dimensional quantification of the energy levels of the electrons and the holes in the plane of the sublayers -layers 2 to 13, but must be large enough not to raise the photon absorption threshold too much by quantum confinement effect to allow absorption of long wavelength photons.
  • the energy level E c of the conduction band and the energy level Ev of the valence band comprise steps of potential, corresponding to the sublayers 16 to 27. It is possible to demonstrate by calculation that this alternation of sub-layers provides a higher photon absorption coefficient than an absorption layer made of a homogeneous semiconductor material. In this exemplary embodiment, the absorption coefficient is multiplied by a factor of 3 compared to a photocathode of known type.
  • the layer 15 consists of a very thin layer of Cs + O having the effect of lowering the potential of the vacuum E v i below the level of the conduction band of the sublayers 2 to 13 to facilitate the emission of electrons 28 in a vacuum. As the layer 15 is extremely thin, the electrons pass through it by the tunnel effect.
  • the scope of the invention is not limited to the embodiment described above. Many variants are within the reach of those skilled in the art, in particular as regards the number of sub-layers and the materials which constitute them.
  • the material constituting the sublayers 16 to 27 may be different from the material of the window layer 1, with little or no doping, of type P or N.
  • the doping of the sublayers 2 to 13 must be chosen accordingly in order to that the Fermi E F level of all of the sublayers 2 to 13 and 16 to 27 is close to the level of the valence band of the sublayers 2 to 13 and that there is a two-dimensional quantification of the levels of energy of the carriers in the plane of the sub-layers 2 to 13. It is within the reach of the skilled person to choose the materials fulfilling these two conditions.
  • the sublayers 2 to 13 can consist of Gay Asi- x In x Pi-y and the sublayers 16 to 27 can then consist of ln P.
  • the sublayers 2 to 13 may consist of Ga Sb and the sublayers 16 to 27 then consist of Ga AI As Sb.
  • the Fermi E F level of the different semiconductor layers is identical, there is no provision for polarization.
  • the invention can be applied to picture camera tubes and image intensifier tubes.

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  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)

Description

  • L'invention concerne une photocathode à rendement élevé pour tubes de prise de vues, tels que les tubes de caméra de télévision et les tubes intensifi- cateurs d'image.
  • Il est connu de réaliser une photocathode comportant principalement :
    • - une couche, dite couche fenêtre, constituée de semi-conducteur de type P+ dont la bande interdite est suffisamment large pour que cette couche soit transparente pour les longueurs d'onde de la lumière à détecter, et qui est collée sur une paroi de verre recevant la lumière à détecter ;
    • - une couche, dite couche d'absorption, constituée d'un semi-conducteur de type P+ dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires d'électron-trou les photons de la lumière à détecter ;
    • - une couche, dite couche d'émission, constituée d'un matériau donnant à l'extrémité de la couche d'absorption une affinité électronique négative pour émettre dans le vide les électrons libérés dans la couche d'absorption.
  • La longueur d'onde maximale détectable est limitée par la largeur de la bande interdite du matériau constituant la couche d'absorption. En appliquant une polarisation positive à l'extrémité de cette couche opposée à la couche fenêtre, il est posible d'utiliser des matériaux ayant une faible largeur de bande interdite tout en conservant un bon rendement d'émission, et donc il est possible de détecter de la lumière de longueur d'onde plus grande. Une polarisation de la couche d'absorption peut être appliquée au moyen d'une connexion avec cette couche, ou par une électrode métallique très mince intercalée entre cette couche et la couche d'émission. Une telle photocathode est décrite dans l'article de : J.J. ESCHER et al, IEEE-EDL2, 123-125 (1981).
  • Une telle photocathode a un rendement qui est limité notamment par les caractéristiques de la couche d'absorption. En effet, l'épaisseur de cette couche est déterminée en réalisant un compromis entre, d'une part, une absorption élevée des photons de la lumière à détecter, qui nécessite une épaisseur aussi grande que possible, et, d'autre part, un rendement élevé de la transmission des électrons ainsi qu'un faible courant d'obscurité, qui nécessitent une épaisseur aussi faible que possible de la couche d'absorption et pour obtenir une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des sous-couches.
  • Habituellement l'épaisseur de cette couche est de l'ordre de 1 micron, ce qui permet une bonne efficacité de transmission des électrons mais est insuffisant pour absorber tous les photons de la lumière à détecter, notamment les photons correspondant aux longueurs d'onde les plus grandes. Le but de l'invention est de réaliser une photocathode ayant un meilleur rendement que la photocathode de type connu. L'objet de l'invention est une photocathode comportant une couche d'absorption constituée d'une pluralité de sous-couches particulières procurant à la fois une très bonne absorption des photons, une bonne efficacité de transmission des électrons libérés par les photons, et un faible courant d'obscurité.
  • Selon l'invention une photocathode à rendement élevé, est caractérisée en ce qu'elle comporte une couche dite d'absorption comportant une pluralité de premières sous-couches constituées d'un matériau semiconducteur ayant une largeur de bande interdite suffisamment petite et ayant une épaisseur suffisamment grande pour convertir en paires électron-trou les photons de la lumière à détecter, alternées avec une pluralité de secondes sous-couches constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite supérieure à celle des premières sous-couches, ayant une épaisseur suffisamment faible pour que les électrons puissent les traverser par effet tunnel, les premières et les secondes sous-couches ayant un dopage permettant d'obtenir une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des premières sous-couches et ajustant le niveau de Fermi près du niveau de valence des premières sous-couches.
  • La figure représente, dans sa partie supérieure, une coupe d'une portion d'un exemple de réalisation de la photocathode selon l'invention et, dans sa partie inférieure, un diagramme des niveaux d'énergie E des porteurs dans cet exemple de réalisation.
  • Cet exemple de réalisation comporte :
    • - Une première couche 1, collée sur une paroi de verre non représentée et à travers laquelle elle reçoit des photons 29, cette couche 1 étant transparente pour toutes les longueurs d'onde de la lumière à détecter et ayant pour fonction de permettre le collage de la photocathode sur la paroi de verre ;
    • - Une couche d'absorption constituée de douze premières sous-couches 2 à 13 et de douze secondes sous-couches 16 à 27 alternées avec les premières;
    • - Une couche 14 dite couche de transport, ayant pour fonction de transmettre vers le vide des électrons libérés dans la couche d'absorption ;
    • - Une dernière couche 15 constituée d'un matériau qui diminue l'affinité électronique de la surface de la couche 14 pour lui permettre d'émettre dans le vide des électrons 28.
  • La partie inférieure de la figure représente les courbes Ec et Ev des niveaux d'énergie de la bande de conduction et de la bande de valence dans les couches de semi-conducteur, le niveau de Fermi EF de ces couches, et le potentiel du vide Evi.
  • La couche 1 est constituée d'un matériau semi- conducteur de type P+ constitué de Gao,6 Alo,4 As dopé avec 5.1017 atomes de zinc par cm3, dont la largeur de bande interdite est égale à 2e.V et qui est donc transparent pour toutes les longueurs d'onde de la lumière à détecter. Les premières sous-couches 2 à 13 et la couche 14 sont constituées d'un semi-conducteur de type P+ ayant une largeur de bande interdite inférieure à celle du matériau de la couche 1, par exemple 1,4 e.V, pour absorber tous les photons à convertir en paires électron-trou. Dans cet exemple, les sous-couches 2 à 13 sont constituées de Ga As dopé avec 1019 atomes de zinc par cm3 et ont chacune une épaisseur de 0,025 microns. La couche 14 est constituée de Ga As dopé avec 1019 atomes de zinc par cm3 et a une épaisseur de 0,1 micron. Son épaisseur doit être supérieure à celle de la zone de charge d'espace due à la présence de la surface du semi-conducteur, la largeur de cette zone étant inférieure à 0,05 micron.
  • Les secondes sous-couches 16 à 27 sont constituées du même matériau que la couche 1, dans cet exemple de réalisation, et ont donc la même largeur de bande interdite. Elles sont peu ou non dopées de manière à ce que les courbes des niveaux d'énergie permettent d'obtenir dans les sous-couches 2 à 13 une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous. Cette quantification bi-dimensionnelle procure une augmentation du coefficient d'absorption des photons. Les sous-couches 16 à 27 ont chacune une épaisseur de 0,003 micron qui permet aux électrons de les traverser par effet tunnel et qui procure un bon rendement de transmission des électrons libérés par les photons dans les sous-couches 2 à 13. L'épaisseur des sous-couches 16 à 27 doit être inférieure à 0,0045 micron pour qu'il y ait un bon rendement de transmission. L'épaisseur des sous-couches 2 à 13 doit être inférieure à 0,03 micron pour obtenir l'augmentation du coefficient d'absorption due à la quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des sous-couches 2 à 13, mais doit être suffisamment grande pour ne pas trop élever le seuil d'absorption des photons par effet de confinement quantique pour permettre l'absorption des photons de grande longueur d'onde.
  • Le niveau d'énergie Ec de la bande de conduction et le niveau d'énergie Ev de la bande de valence comportent des marches de potentiel, correspondant aux sous-couches 16 à 27. Il est possible de démontrer par le calcul que cette alternance de sous-couches procure un coefficient d'absorption des photons plus élevée qu'une couche d'absorption constituée d'un matériau semi-conducteur homogène. Dans cet exemple de réalisation le coefficient d'absorption est multiplié par un facteur 3 par rapport à une photocathode de type connu.
  • La couche 15 est constituée d'une couche très mince de Cs + O ayant pour effet d'abaisser le potentiel du vide Evi en dessous du niveau de la bande de conduction des sous-couches 2 à 13 pour faciliter l'émission des électrons 28 dans le vide. La couche 15 étant extrêmement mince, les électrons la traversent par effet tunnel.
  • La portée de l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus. De nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne le nombre des sous-couches et les matériaux qui les constituent. Le matériau constituant les sous-couches 16 à 27 peut-être différent du matériau de la couche fenêtre 1, avec peu ou pas de dopage, de type P ou N. Le dopage des sous-couches 2 à 13 doit être choisi en conséquence afin que le niveau de Fermi EF de l'ensemble des sous-couches 2 à 13 et 16 à 27 soit proche du niveau de la bande de valence des sous-couches 2 à 13 et qu'il y ait quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des porteurs dans le plan des sous-couches 2 à 13. Il est à la portée de l'homme de l'art de choisir les matériaux réalisant ces deux conditions. Par exemple, les sous-couches 2 à 13 peuvent être constituées de Gay Asi-x Inx Pi-y et les sous-couches 16 à 27 peuvent être constituées alors de ln P. Dans une autre variante, les sous-couches 2 à 13 peuvent être constituées de Ga Sb et les sous-couches 16 à 27 sont alors constituées de Ga AI As Sb. Cependant il peut être souhaitable que le matériau semi-conducteur utilisé pour réaliser les sous-couches 16 à 27 ait un paramètre de maille proche de celui du matériau des sous-couches 2 à 13 afin de ne pas augmenter le courant d'obscurité de la photocathode.
  • Dans l'exemple de réalisation décrit précédemment le niveau de Fermi EF des différentes couches de semi-conducteur est identique, il n'est pas prévu de polarisation. Pour permettre la détection de photons de longueur d'onde supérieure, il peut être prévu une polarisation réalisée d'une manière analogue à celle de l'art antérieur, au moyen d'une électrode métallique mince située entre la couche 14 et la couche 15 ou au moyen d'une connexion reliant la couche 14 à la borne positive d'un générateur dont la borne négative est connectée à la couche 1.
  • L'invention peut être appliquée aux tubes de prise de vues pour caméra de télévision et aux tubes in- tensificateurs d'image.

Claims (2)

1. Photocathode à rendement élevé, caractérisé en ce qu'elle comporte une couche dite d'absorption comportant une pluralité de premières sous-couches (2 à 13) constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite suffisamment petite et ayant une épaisseur suffisamment grande pour convertir en paires électron-trou les photons (29) de la lumière à détecter, alternées avec une pluralité de secondes sous-couches (16 à 27) constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite supérieure à celle des premières sous-couches (2 à 13), ayant une épaisseur suffisamment faible pour que les électrons puissent les traverser par effet tunnel, les premières et les secondes sous-couches (2 à 13 et 16 à 27) ayant un dopage permettant d'obtenir une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des premières sous-couches (2 à 13) et ajustant le niveau de Fermi près du niveau de valence des premières sous-couches (2 à 13).
2. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premières sous-couches (2 à 13) composant la couche d'absorption sont constituées de Ga As et ont une épaisseur inférieure à 0,03 micron chacune ; et en ce que les secondes sous-couches (16 à 27) sont constituées de Gao,6 Alo,4 As et ont une épaisseur inférieure à 0,0045 micron.
EP86402618A 1985-11-29 1986-11-25 Photocathode à rendement élevé Expired - Lifetime EP0228323B1 (fr)

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