EP3281217A1 - Photocathode multibande et détecteur associé - Google Patents

Photocathode multibande et détecteur associé

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EP3281217A1
EP3281217A1 EP16722055.7A EP16722055A EP3281217A1 EP 3281217 A1 EP3281217 A1 EP 3281217A1 EP 16722055 A EP16722055 A EP 16722055A EP 3281217 A1 EP3281217 A1 EP 3281217A1
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EP
European Patent Office
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layer
elementary
photocathode
patterns
photocathode according
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EP16722055.7A
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German (de)
English (en)
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EP3281217B1 (fr
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Moustapha CONDE
Justin FOLTZ
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Photonis France SAS
Original Assignee
Photonis France SAS
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Publication date
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    • 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
    • H01J40/00—Photoelectric discharge tubes not involving the ionisation of a gas
    • H01J40/02—Details
    • H01J40/04—Electrodes
    • H01J40/06—Photo-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J40/00—Photoelectric discharge tubes not involving the ionisation of a gas
    • H01J40/16—Photoelectric discharge tubes not involving the ionisation of a gas having photo- emissive cathode, e.g. alkaline photoelectric cell
    • 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 present invention relates to the field of photocathodes, in particular for electromagnetic radiation detectors such as image intensifiers or sensors of EBCMOS (Electron Bombarded CMOS) or EBCDD (Electron Bombarded CDD) type. It is applicable in the field of night vision or infrared cameras.
  • electromagnetic radiation detectors such as image intensifiers or sensors of EBCMOS (Electron Bombarded CMOS) or EBCDD (Electron Bombarded CDD) type. It is applicable in the field of night vision or infrared cameras.
  • Electromagnetic radiation detectors such as, for example, image intensifier tubes and photomultiplier tubes, detect electromagnetic radiation by converting it into a light or electrical output signal.
  • They usually comprise a photocathode for receiving the electromagnetic radiation and in response transmitting a photoelectron flux, an electron multiplier device for receiving said photoelectron flux and in response transmitting a so-called secondary electron flux, and then an output device for receiving said secondary electron stream and responsively transmitting the output signal.
  • the output device may be a phosphor screen, providing a direct conversion into an image as in an image intensifier or a CCD or CMOS matrix to provide an electrical signal representative of the distribution of the incident photon flux.
  • a photocathode usually comprises a layer, said window layer, transparent in the spectral band of interest, said window layer having a front face, said receiving face, for receiving the incident photons and a rear face which is opposite.
  • An antireflection layer is deposited on the front face.
  • An active layer is deposited on the rear face of the window layer. So the incident photons pass through the window layer from the receiving face, then enter the active layer where they generate electron-hole pairs.
  • the electrons generated move to the emission face of the active layer and are emitted in vacuum.
  • the photoelectrons are then directed and accelerated to an electron multiplier device such as a microchannel slab.
  • the photocathodes are generally made of semiconductor material III-V such as GaAs. However, if the GaAs photocathodes have a good quantum yield in the visible spectrum (of the order of 40%) they are unusable in the near infrared, for wavelengths greater than 870nm (corresponding to the forbidden bandgap GaAs).
  • Fig. 1 represents a photocathode, 100, having a multilayer structure, known from the state of the art.
  • This comprises a glass entrance window, 110, on which are deposited an anti-reflection layer, 121, and an electronic mirror, 122.
  • the active layer, 130 located above the mirror consists of a superimposition of N elementary layers, 130I, ..., 130N of Ga x x ln x As, the concentration x of indium being increasing in the direction of the incident flux.
  • the forbidden bands of the successive elementary layers have forbidden band widths, E gV ..., E gN which are smaller and smaller in the direction of the incident flux, ie E gl > E g2 >...> E gN .
  • the first elemental layer 130i absorbs the photons of energy greater than E gl
  • the second layer 130 2 absorbs the photons not already absorbed and of energy greater than E g2 and so on.
  • the electrons of the electron-hole pairs generated in an elemental layer diffuse up to the photoelectric emission face, 150, from where they are emitted in a vacuum and accelerated under the effect of the electric field.
  • the electrons diffusing in the opposite direction of the incident flux are reflected by the band curvature induced by the electronic mirror.
  • the electronic mirror consists of a semiconductor layer having a larger bandgap than that of the active layer.
  • the mirror layer is made of GaAlAs when the active layer is GalnAs.
  • Such a photocathode has a sensitivity both in the visible spectrum (from 0.4 to 0.8 ⁇ ) and the near infrared spectrum ( ⁇ > 0.9 ⁇ ) or SWI R (Short Wavelength IR).
  • a photocathode generally has insufficient sensitivity in the visible spectrum. Indeed, the electrons generated in the first elementary layers of the active layer have a significant probability to recombine with holes or to be trapped by defects before reaching the photoelectric emission face.
  • such a photocathode can not select the part of the spectrum that is to be imaged.
  • a first object of the present invention is therefore to provide a photocathode having a high sensitivity (that is to say a quantum efficiency of the order of 25% or more), in the entire spectral range from visible to near infrared.
  • a second aim of the present invention is to propose a detector capable of selecting a determined spectral band or even of dynamically switching from a first spectral band, such as that of the visible spectrum, to a second spectral band, such as that of the near infrared, and reciprocally.
  • the present invention is defined by a photocathode comprising an input window for receiving an incident photon flux and an active layer, the active layer comprising a plurality of elementary layers of semiconductor materials having decreasing bandwidths in the direction of the photon flux incident, the surface of the photocathode opposite the input face being structured so that each elemental layer of the active layer has its own photoelectric emission surface.
  • the photoelectric emission surface of each elementary layer is formed by an array of patterns, the patterns of two successive elementary layers being interlaced.
  • the active layer may consist of a first GaAs or GaAsP elemental layer and a second elementary layer in a semiconductor material selected from Ga 1 x x As, GaAsi x Sb x , GaAsi x Bi x with l>x> 0.
  • the different photoelectric emission surfaces of the elementary layers are covered by an activation layer.
  • the active layer consists of a first elementary layer and a second elementary layer, the second elementary layer being covered by a transmission layer intended to emit in vacuum the photoelectrons generated in the second elementary layer, the first elementary layer having a first photoelectric emission surface and the emission layer having a second photoelectric emission surface.
  • the first elementary layer is then connected to a first electrode and the emission layer is connected to a second electrode distinct from the first electrode so as to be able to carry the first and second electrodes at different potentials.
  • the first and second photoelectric emission surfaces are covered by an activation layer.
  • the photoelectric emission surface of the first elementary layer is typically formed by a first array of patterns, and the photoelectric emission surface of the emission layer is formed by a second array of patterns, the first and second patterns. networks being interlaced.
  • the first and second pattern networks are periodic or pseudo-periodic.
  • the first elementary layer may be InP, the second elemental GalnAs layer, GalnAsP, AlInAsP and the InP emission layer.
  • the first elementary layer is GaAs
  • the second GalnAs elementary layer and the GalnP emission layer.
  • the activation layer is for example Ag-Cs 2 0.
  • the active layer is deposited on an electronic mirror constituted by a layer of a semiconductor material whose bandgap is greater than the bandgap widths of the elementary layers.
  • Fig. 1 schematically represents the structure of a multilayer photocathode known from the state of the art
  • Fig. 2 schematically shows the structure of a photocathode m ulelouche according to a first embodiment of the invention
  • Figs. 3A to 3D show in top view various examples of structuring of the active layer of a multilayer photocathode according to the first embodiment of the invention
  • Fig. 4 schematically shows the structure of a photocathode m ulelouche according to a second embodiment of the invention.
  • the principle underlying the present invention is to use a photocathode of multilayer structure whose surface opposite to the entrance window is structured so that each elementary layer of the active layer has its own photoelectric emission surface .
  • the photoelectric emission surface of each elementary layer is advantageously in the form of an array of patterns, the patterns of the various elementary layers being interlaced. More precisely, each elementary layer other than the first (in the direction of the incident flux) has a network of windows revealing the photoelectric emission face of the lower elementary layer.
  • Fig. 2 schematically shows the structure of a multilayer photocathode according to a first embodiment of the invention.
  • This photocathode comprises a glass entrance window, 210, intended to receive the incident photon flux on which are advantageously deposited an antireflection layer, 221, and an electronic mirror, 222, the electronic mirror having the function of reflecting the photoelectrons generated.
  • the active layer 230 is composed of a plurality of N elementary semiconductor layers of forbidden band widths decreasing in the direction of the flow of incident photons, that is to say the rear face to the front face of the active layer.
  • the electronic mirror advantageously consists of a layer of semiconductor material having a band gap wider than those of the elementary layers of the active layer.
  • the active layer was composed of a first elementary layer, 230i, having a first band gap E g1 , and a second elementary layer 230 2 having a second forbidden bandwidth E g2 ⁇ E gl .
  • the elementary layers are made of III-V semiconductor materials, for example, ternary alloys of III-V materials such as Ga x x x As, GaAsize x Sb x , GaAsize x Bi x where the x concentration increases. in the direction of the flow of the incident photons.
  • An electrode 270 makes it possible to polarize the photocathode negatively with respect to the anode of the detector in which it is intended to be mounted, for example an EBCMOS or EBCDD detector.
  • the concentration x is chosen to cover the desired spectral band.
  • the electronic mirror can be made of GaAs.
  • These different semiconductor layers are produced by epitaxy, for example by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or MBE (Molecular Beam Epitaxy), in a manner known per se.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • the active layer is structured for example by means of differential etching. This structuring reveals a first emission surface photoelectric constituted by the zones 240i of the first elementary layer where the second elementary layer has been removed and a second photoelectric emission surface constituted by the zones 240 2 of the second elementary layer where it has been spared.
  • the first photoelectric emission surface may be in the form of a first array of patterns on the surface of the first elemental layer.
  • the second photoelectric emission surface may be in the form of a second array of patterns on the surface of the second elemental layer.
  • the patterns of the first and second photoelectric emission surfaces are interleaved. In other words, except for the edges of the photocathode, a pattern of the second elementary layer is then located between two patterns of the first elementary layer.
  • the photocathode has an active layer composed of N elementary semiconductor layers, each elementary layer having its own photoelectric emission surface.
  • Each of the photoelectric emission surfaces may be in the form of an array of patterns, the patterns of the photoelectric emission surfaces of any two elementary layers of the active layer being then interwoven in the preceding sense.
  • These patterns can be square, rectangular, hexagonal, annular, sectoral or even more complex.
  • the patterns of the different photoelectric emission surfaces advantageously make it possible to tessellate the plane of the active layer.
  • the sizes of the patterns and / or the pitches of the networks relating to the different elementary layers may be chosen different, on the basis of weighting criteria and spectral resolution as explained below.
  • Fig. 3A represents a first example of structuring of the active layer.
  • the photoelectric emission surface of the second elementary layer is in the form of an array of patterns of pitch b in the directions Ox and Oy of the plane, the patterns 240 2 being here of square shape and of axa size.
  • the photoelectric emission surface of the first elementary layer is formed by the residual zones 240i.
  • Fig. 3B represents a top view of a second example of structuring of the active layer.
  • There is a first network of patterns, not b 2a in the directions Ox and Oy of the plane.
  • the patterns 240 2 are also square in shape and axa in size.
  • the second network formed is the repetition of the patterns 240 2 and has the same characteristics as the first network, the first and second networks being interlaced.
  • Fig. 3C represents a top view of a second example of structuring of the active layer.
  • the respective patterns of the photoelectric emission surfaces associated with the different elementary layers have been noted 240i to 2400.
  • the patterns here have a hexagonal shape and are interlaced so as to form a tiling of the plane of the active layer.
  • the respective patterns of the different photoelectric emission surfaces have been designated 240i to 243. Note that the patterns here are rectangular and of different sizes.
  • the photoelectric emission surfaces of the various elementary layers are advantageously coated with a thin activation layer, for example a Cs 2 O layer or even a Ag-Cs 2 O layer.
  • activation layer allows to lower the vacuum level below the level of the conduction band of the elementary layers it covers and thus facilitate the emission of photoelectrons in vacuum (photocathode negative electron affinity).
  • the respective sizes and periodicities of the patterns of the various semiconductor semiconductor layers are chosen so as to weight the sensitivity of the photocathode in the different spectral bands.
  • the photoelectrons emitted by the zones 240i of the first GaAs elementary layer correspond to the visible part of the spectrum.
  • the photoelectrons emitted by the zones 240 2 may be either photoelectrons generated in the first elementary layer 230i having then diffused to the photoelectric emission surface of the second elementary layer, or photoelectrons generated in the second elementary layer having diffused towards this same surface.
  • the photoelectrons emitted by the zones 240 2 of the second elementary layer correspond to the visible spectrum (absorption by the GaAs) or near-infrared spectrum (absorption by the vering x ln x As).
  • the photoemission zones 240 1 and 240 2 of the first and second elementary layers are arranged in interlaced patterns. In other words, a pattern of one area is surrounded by patterns from another area. These patterns are arranged according to a periodic or pseudo-periodic network in the plane of the photocathode. For example, in FIG. 3B, the patterns of the photoemission zones 240i and 240 2 are arranged according to two periodic gratings of pitch b / 2 in the directions Ox and Oy.
  • Fig. 4 schematically illustrates the structure of a multilayer photocathode according to a second embodiment of the invention.
  • This photocathode comprises a glass entry window 410 for receiving the incident photon flux, on which an antireflection layer 421 and an electronic mirror 422 are advantageously deposited, as in the first embodiment.
  • the active layer 430 is composed of a first elementary layer 430i in a first semiconductor material having a first band gap E gl and a second elemental layer 430 2 in a second semiconductor material having a band gap E 2 lower at the first band gap. These two elementary layers are photoelectron generation layers as in the first embodiment.
  • An electrode 470i is used to negatively polarize the photocathode relative to the anode of the detector in which it is to be mounted, for example an EBCMOS or EBCDD detector.
  • a photoelectron emission layer 440 is deposited on the active layer.
  • This emission layer is made of a semiconductor material whose bandgap is greater than the bandgap of the second semiconductor material.
  • the second elemental layer is p + doped at a doping level of the order 17 cm 3 .
  • the emission layer is however p-doped at a substantially lower doping level, of the order of 10 15 cm 3 .
  • the emission layer is positively polarized with respect to the second elemental layer by means of the electrodes 470 2 so that the emission layer is depleted.
  • the photoelectrons generated in the second elementary layer are found under the action of the electric field in the emission layer with a high energy level relative to the bottom of the conduction band of this layer.
  • This photocathode structure is known as an electron transfer photocathode or TEP (Tansfer Electron Photocathode).
  • TEP Torfer Electron Photocathode
  • a detailed description of an electron transfer photocathode can be found in US-B-3958143, incorporated herein by reference.
  • the first elementary layer of the active layer may for example be an InP layer and the second elementary layer may be for example a GalnAs layer.
  • the emission layer may be an InP layer.
  • the first elementary layer of the active layer may be a GaAs layer
  • the second elementary layer may be a GalnAs layer
  • the emission layer may be a layer of GalnP.
  • the electronic mirror can be a layer of GaAIAs.
  • the thin activation layer is for example a layer of Cs 2 0 or Ag-Cs 2 0, deposited by evaporation in vacuo. As indicated above, this layer makes it possible to lower the level of the vacuum and thus facilitates the photoelectric emission.
  • the surface of the photocathode opposite the input window is structured so that the first elementary layer of the active layer has its own photoelectric emission surface.
  • the emission layer and the second elementary layer are etched to the first elementary layer.
  • a first photoelectric emission surface associated with the first elementary layer 430i and a second photoelectric emission surface associated with the emission layer 440 are obtained.
  • the first photoelectric emission surface consists of zones 440i of the first layer elementary 430i and the second photoelectric emission surface consists of zones 440 2 of the emission layer, 440.
  • the thin activation layer is deposited after the etching step so that it covers not only the zones 440 2 of the emission layer 440 but also the zones 440i of the first elementary layer 430i.
  • the first elementary layer is connected to a first electrode 470i and the zones 440 2 of the emission layer 440 are connected to elementary electrodes 470 2 , forming a metal gate.
  • the first elementary layer can be brought to a potential V l and the transmission layer can be brought to a potential V 2 .
  • the anode voltage V a of the detector is chosen such that V a > V lt V 2 .
  • the zones 440 2 of the emission layer essentially emit photoelectrons generated in the second elementary layer.
  • the zones 440i of the first elementary layer emit photoelectrons generated in the first elementary layer.
  • one image can be obtained at a time in the visible spectrum (contribution of the zones 440i) and in the spectrum SWI R (contribution of the zones 440 2 ), I V & SWIR -
  • the photocathode is mounted in a detector of the EBCMOS or EBCDD type, it is thus possible to discriminate the pixels corresponding to the zones 440i and those corresponding to the zones 440 2 and thus obtain two separate images respectively
  • zones 440 2 of the emission layer do not emit photoelectrons insofar as the latter do not have sufficient energy to pass over the interface barrier. Zones 440i continue to emit the photoelectrons generated in the first elementary layer. This gives an image in the visible spectrum only, I v .
  • VV potentials 2 can be obtained an image in the visible or an image in the SWIR spectrum, or a combination of these two images.
  • the patterns 440i and 440 2 can be arranged according to periodic networks or, in case of Moiré effect, according to pseudo-periodic networks.
  • Fig. 5 represents the structure of a multilayer photocathode according to a variant of the first embodiment of the invention.
  • the elements 510 to 540i-540 2 correspond to the elements 210 to 240i-240 2 of the
  • the first elementary layer 530i of the active layer is first etched after masking the first patterns.
  • the second elemental layer 530 2 is then grown by epitaxy in the wells obtained by etching to obtain the second units. After epitaxy of the second layer, mechanical polishing is carried out until the first elementary layer is flush with. A plane emission surface is thus obtained in which the first and second patterns alternate.
  • Fig. 6 represents the structure of a multilayer photocathode according to a variant of the second embodiment of the invention.
  • the elements 610 to 670i-670 2 correspond to elements 410 to 470i-470 2 of the
  • This variant differs from that of FIG. 4 in the sense that the first elementary layer 630i is etched after masking the first patterns.
  • the second elemental layer 630 2 is then grown by epitaxy in the wells obtained by etching to obtain the second units.
  • the emission layer of the photoelectrons 640 is grown before the mask is removed.
  • the activation layer is then deposited on the entire surface before the electrodes 670i-670 2 are deposited.

Landscapes

  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
  • Image-Pickup Tubes, Image-Amplification Tubes, And Storage Tubes (AREA)

Abstract

L'invention concerne une photocathode comprenant une fenêtre d'entrée (210) adaptée à recevoir un flux de photons incidents, et une couche active (230), la couche active étant composée d'une pluralité de couches élémentaires (2301, 2302) en matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite décroissantes dans le sens du flux de photons incidents. La surface de la photocathode opposée à la fenêtre d'entrée est structurée de manière à ce que chaque couche élémentaire de la couche active possède sa propre surface d'émission photoélectrique (2401, 2402). En choisissant les matériaux semiconducteurs des couches élémentaires, on peut obtenir une image ayant une sensibilité élevée tant dans le spectre visible que dans le proche infrarouge.

Description

PHOTOCATHODE MULTIBANDE ET DÉTECTEUR ASSOCIÉ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des photocathodes, en particulier pour des détecteurs de rayonnement électromagnétique tels que des intensificateurs d'image ou des capteurs de type EBCMOS (Electron Bombarded CMOS) ou EBCDD (Electron Bombarded CDD). Elle trouve à s'appliquer dans le domaine de la vision nocturne ou des caméras infrarouge.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les détecteurs de rayonnement électromagnétique, tels que, par exemple, les tubes intensificateurs d'image et les tubes photomultiplicateurs, permettent de détecter un rayonnement électromagnétique en le convertissant en un signal de sortie lumineux ou électrique.
I ls comportent habituellement une photocathode pour recevoir le rayonnement électromagnétique et émettre en réponse un flux de photoélectrons, un dispositif multiplicateur d'électrons pour recevoir ledit flux de photoélectrons et émettre en réponse un flux d'électrons dits secondaires, puis un dispositif de sortie pour recevoir ledit flux d'électrons secondaires et émettre en réponse le signal de sortie.
Le dispositif de sortie peut être un écran phosphore, assurant une conversion directe en image comme dans un intensificateur d'image ou bien une matrice CCD ou CMOS pour fournir un signal électrique représentatif de la distribution du flux de photons incidents.
Dans tous les cas, une photocathode comprend habituellement une couche, dite couche fenêtre, transparente dans la bande spectrale d'intérêt, ladite couche fenêtre comportant une face avant, dite face de réception, destinée à recevoir les photons incidents et une face arrière qui lui est opposée. U ne couche antireflet est déposée sur la face avant. Une couche active est déposée sur la face arrière de la couche fenêtre. Ainsi les photons incidents traversent la couche fenêtre à partir de la face de réception, puis pénètrent dans la couche active où ils génèrent des paires électrons-trous.
Les électrons générés se déplacent jusqu'à la face d'émission de la couche active et sont émis dans le vide.
Les photoélectrons sont ensuite dirigés et accélérés vers un dispositif multiplicateur d'électrons tel qu'une galette de microcanaux.
Les photocathodes sont généralement réalisées en matériau semi-conducteur lll-V tel que GaAs. Or, si les photocathodes en GaAs ont un bon rendement quantique dans le spectre visible (de l'ordre de 40%) elles sont inutilisables dans le proche infrarouge, pour des longueurs d'onde supérieures à 870nm (correspondant à la largeur de bande interdite du GaAs).
Pour obtenir des photocathodes présentant une sensibilité à la fois dans le spectre visible et le proche infrarouge, il a été proposé dans le brevet US-B-6005257 d'utiliser une couche active composée d'une pluralité de couches élémentaires en matériaux semi- conducteurs lll-V, de compositions différentes, les largeurs de bandes interdites de ces matériaux semi-conducteurs étant choisies décroissantes dans le sens du flux incident.
La Fig. 1 représente une photocathode, 100, ayant une structure multicouche, connue de l'état de la technique.
Celle-ci comprend une fenêtre d'entrée en verre, 110, sur laquelle sont déposés une couche anti-réflexion, 121, et un miroir électronique, 122. La couche active, 130, située au- dessus du miroir est constituée d'une superposition de N couches élémentaires, 130I,...,130N de Gai-xlnxAs, la concentration x en indium étant croissante dans le sens du flux incident. Autrement dit, dans le sens du flux incident, les bandes interdites des couches élémentaires successives ont des largeurs de bandes interdites, EgV..., EgN de plus en plus faibles dans le sens du flux incident, soit Egl > Eg2 > ... > EgN . La première couche élémentaire 130i absorbe les photons d'énergie supérieure à Egl , la seconde couche 1302 absorbe les photons non déjà absorbés et d'énergie supérieure à Eg2 et ainsi de suite. Les électrons des paires électrons-trous générés dans une couche élémentaire diffusent jusqu'à la face d'émission photoélectrique, 150, d'où ils sont émis dans le vide et accélérés sous l'effet du champ électrique. Les électrons diffusant dans le sens inverse du flux incident sont réfléchis par la courbure bande induite par le miroir électronique. En pratique, le miroir électronique est constitué d'une couche de semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite plus importante que celle de la couche active. Par exem ple, la couche miroir est réalisée en GaAIAs lorsque la couche active est en GalnAs.
Une telle photocathode présente une sensibilité à la fois dans le spectre visible (de 0.4 à 0.8 μιη) et le spectre proche infrarouge ( λ > 0.9 μιη) ou SWI R (Short Wavelength IR). Toutefois, une telle photocathode présente généralement une sensibilité insuffisante dans le spectre visible. En effet, les électrons générés dans les premières couches élémentaires de la couche active ont une probabilité non négligeable de se recombiner avec des trous ou d'être piégés par des défauts avant d'atteindre la face d'émission photoélectrique. En outre, une telle photocathode de permet pas de sélectionner la partie du spectre que l'on souhaite imager.
U n premier but de la présente invention est par conséquent de proposer une photocathode présentant une sensibilité élevée (c'est-à-dire un rendement quantique de l'ordre de 25% voire plus), dans toute la gamme spectrale allant du visible au proche infrarouge. Un second but de la présente invention est de proposer un détecteur capable de sélectionner une bande spectrale déterminée voire de passer dynamiquement d'une première bande spectrale, telle que celle du spectre visible, à une seconde bande spectrale, telle que celle du proche infrarouge, et réciproquement.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention est définie par une photocathode comprenant une fenêtre d'entrée destinée à recevoir un flux de photons incidents et une couche active, la couche active comprenant une pluralité de couches élémentaires en matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite décroissantes dans le sens du flux de photons incidents, la surface de la photocathode opposée à la face d'entrée étant structurée de manière à ce que chaque couche élémentaire de la couche active possède sa propre surface d'émission photoélectrique. Typiquement, la surface d'émission photoélectrique de chaque couche élémentaire est formée par un réseau de motifs, les motifs de deux couches élémentaires successives étant entrelacés.
La couche active peut être constituée d'une première couche élémentaire en GaAs ou GaAsP et une seconde couche élémentaire dans un matériau semiconducteur choisi parmi Gai-xlnxAs, GaAsi-xSbx, GaAsi-xBix avec l>x>0.
Avantageusement, les différentes surfaces d'émission photoélectriques des couches élémentaires sont recouvertes par une couche d'activation.
Selon un mode de réalisation avantageux, la couche active est constituée d'une première couche élémentaire et d'une seconde couche élémentaire, la seconde couche élémentaire étant recouverte par une couche d'émission destinée à émettre dans le vide les photoélectrons générés dans la seconde couche élémentaire, la première couche élémentaire possédant une première surface d'émission photoélectrique et la couche d'émission possédant une seconde surface d'émission photoélectrique.
La première couche élémentaire est alors reliée à une première électrode et la couche d'émission est reliée à une seconde électrode distincte de la première électrode de manière à pouvoir porter les première et seconde électrodes à des potentiels différents.
De préférence, les première et seconde surfaces d'émission photoélectrique sont recouvertes par une couche d'activation.
La surface d'émission photoélectrique de la première couche élémentaire est typiquement formée par un premier réseau de motifs, et que la surface d'émission photoélectrique de la couche d'émission est formée par un second réseau de motifs, les motifs des premier et second réseaux étant entrelacés.
Les premier et second réseaux de motifs sont périodiques ou pseudo-périodiques.
La première couche élémentaire peut être en InP, la seconde couche élémentaire en GalnAs, GalnAsP, AlInAsP et la couche d'émission en InP.
La première couche élémentaire est en GaAs, la seconde couche élémentaire en GalnAs et que la couche d'émission en GalnP.
La couche d'activation est par exemple en Ag-Cs20. Avantageusement, la couche active est déposée sur un miroir électronique constitué par une couche en un matériau semiconducteur dont la largeur de bande interdite est supérieure aux largeurs de bandes interdites des couches élémentaires. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes préférentiels de réalisation en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La Fig. 1 représente schématiquement la structure d'une photocathode multicouche connue de l'état de la technique ;
La Fig. 2 représente schématiquement la structure d'une photocathode m ulticouche selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
Les Figs. 3A à 3D représentent en vue de dessus différents exemples de structuration de la couche active d'une photocathode multicouche selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 4 représente schématiquement la structure d'une photocathode m ulticouche selon un second mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le principe à la base de la présente invention est d'utiliser une photocathode de structure multicouche dont la surface opposée à la fenêtre d'entrée est structurée de manière à ce que chaque couche élémentaire de la couche active possède sa propre surface d'émission photoélectrique. La surface d'émission photoélectrique de chaque couche élémentaire se présente avantageusement sous la forme d'un réseau de motifs, les motifs des différentes couches élémentaires étant entrelacés. Plus précisément, chaque couche élémentaire autre que la première (dans le sens du flux incident) présente un réseau de fenêtres laissant apparaître la face d'émission photoélectrique de la couche élémentaire inférieure.
La Fig. 2 représente de manière schématique la structure d'une photocathode multicouche selon un premier mode de réalisation de l'invention. Cette photocathode comprend une fenêtre d'entrée en verre, 210, destinée à recevoir le flux de photons incidents sur laquelle sont avantageusement déposés une couche antireflet, 221, et un miroir électronique, 222, le miroir électronique ayant pour fonction de réfléchir les photoélectrons générés dans la couche active 230, comme dans l'art antérieur précité. Cette couche active est composée d'une pluralité de N couches semiconductrices élémentaires de largeurs de bandes interdites décroissantes dans le sens du flux des photons incidents, c'est-à-dire la face arrière vers la face avant de la couche active. Le miroir électronique est avantageusement constitué d'une couche de matériau semiconducteur ayant une bande interdite plus large que celles des couches élémentaires de là couche active.
Dans le cas présent, on a supposé que la couche active était composée d'une première couche élémentaire, 230i, présentant une première largeur de bande interdite Egl , et une seconde couche élémentaire 2302 présentant une seconde largeur de bande interdite Eg2 < Egl . De préférence, les couches élémentaires sont réalisées en matériaux semiconducteurs lll-V, par exemple des alliages ternaires de matériaux lll-V tels que Gai-xlnxAs, GaAsi-xSbx, GaAsi-xBix où la concentration x croît dans le sens du flux des photons incidents.
Une électrode 270 permet de polariser la photocathode négativement par rapport à l'anode du détecteur dans lequel elle est destinée à être montée, par exemple un détecteur EBCMOS ou EBCDD.
Dans le cas illustré, la première couche élémentaire pourra être une couche de GaAs ( x = 0 ) voire un substrat de GaAs aminci et la seconde couche élémentaire l'un des composés ternaires précités avec x > 0 . La concentration x est choisie de manière à couvrir la bande spectrale souhaitée. Le miroir électronique pourra être réalisé en GaAIAs.
Ces différentes couches semiconductrices sont réalisées par épitaxie, par exemple par MOCVD (MetalOrganic Chemical Vapour Déposition) ou par MBE (Molecular Beam Epitaxy), de manière connue en soi.
La couche active est structurée par exemple au moyen d'une gravure différentielle. Cette structuration fait apparaître une première surface d'émission photoélectrique constituée par les zones 240i de la première couche élémentaire où la seconde couche élémentaire a été éliminée et une seconde surface d'émission photoélectrique constituée par les zones 2402 de la seconde couche élémentaire où elle a été épargnée.
La première surface d'émission photoélectrique peut se présenter sous la forme d'un premier réseau de motifs à la surface de la première couche élémentaire. De même, la seconde surface d'émission photoélectrique peut se présenter sous la forme d'un second réseau de motifs à la surface de la seconde couche élémentaire. Les motifs des première et seconde surfaces d'émission photoélectrique sont entrelacés. Autrement dit, hormis sur les bords de la photocathode, un motif de la seconde couche élémentaire est alors situé entre deux motifs de la première couche élémentaire.
De manière générale, la photocathode présente une couche active composée de N couches semiconductrices élémentaires, chaque couche élémentaire possédant sa propre surface d'émission photoélectrique. Chacune des surfaces d'émission photoélectrique peut se présenter sous la forme d'un réseau de motifs, les motifs des surfaces d'émission photoélectrique de deux couches élémentaires quelconques de la couche active étant alors entrelacés au sens précédent.
Ces motifs peuvent être de forme carrée, rectangulaire, hexagonale, annulaire, sectorielle voire plus complexe. Les motifs des différentes surfaces d'émission photoélectrique permettent avantageusement de réaliser un pavage du plan de la couche active.
Les tailles des motifs et /ou les pas des réseaux relatifs aux différentes couches élémentaires peuvent être choisis différents, sur la base de critères de pondération et de résolution spectrale comme expliqué plus loin.
La Fig. 3A représente un premier exemple de structuration de la couche active. La surface d'émission photoélectrique de la seconde couche élémentaire se présente sous la forme d'un réseau de motifs de pas b dans les directions Ox et Oy du plan, les motifs 2402 étant ici de forme carrée et de taille axa . La surface d'émission photoélectrique de la première couche élémentaire est formée par les zones résiduelles 240i. La Fig. 3B représente en vue de dessus un second exemple de structuration de la couche active. On distingue un premier réseau de motifs, de pas b = 2a dans les directions Ox et Oy du plan. Les motifs 2402 sont également de forme carrée et de taille axa . Le second réseau formé est la répétition des motifs 2402 et présente les même caractéristiques que le premier réseau, les premier et second réseaux étant entrelacés.
La Fig. 3C représente en vue de dessus un second exemple de structuration de la couche active. Celle-ci est composée ici de N = 7 couches élémentaires (par exemple des couches de Gai-xlnxAs avec différentes valeurs de concentration x ). Sur la figure, on a noté 240i à 24Û7 les motifs respectifs des surfaces d'émission photoélectriques associées aux différentes couches élémentaires. Les motifs ont ici une forme hexagonale et sont entrelacés de manière à former un pavage du plan de la couche active.
La Fig. 3D représente en vue de dessus un troisième exemple de structuration de la couche active. Celle-ci est composée de N = 3 couches élémentaires. On a désigné par 240i à 24Û3 les motifs respectifs des différentes surfaces d'émission photoélectrique. On notera que les motifs sont ici rectangulaires et de tailles différentes.
Quel que soit le type de structuration envisagé, les surfaces d'émission photoélectrique des différentes couches élémentaires sont avantageusement revêtues d'une mince couche d'activation, par exemple une couche en Cs20 voire une couche de Ag-Cs20. Cette couche d'activation permet d'abaisser le niveau du vide au-dessous du niveau de la bande de conduction des couches élémentaires qu'elle recouvre et de faciliter ainsi l'émission des photoélectrons dans le vide (photocathode à affinité électronique négative).
Les tailles et les périodicités respectives des motifs des différentes couches semi- conductrices élémentaires sont choisies de manière à pondérer la sensibilité de la photocathode dans les différentes bandes spectrales.
Revenant à la Fig.2, on comprend que les photoélectrons émis par les zones 240i de la première couche élémentaire en GaAs correspondent à la partie visible du spectre. En revanche les photoélectrons émis par les zones 2402 peuvent être soit des photoélectrons générés dans la première couche élémentaire 230i ayant ensuite diffusé jusqu'à la surface d'émission photoélectrique de la seconde couche élémentaire, soit des photoélectrons générés dans la seconde couche élémentaire ayant diffusé vers cette même surface. En d'autres termes, les photoélectrons émis par les zones 2402 de la seconde couche élémentaire correspondent au spectre visible (absorption par le GaAs) ou au spectre en proche infrarouge (absorption par le Gai-xlnxAs).
En choisissant les tailles respectives des zones 240i et 2402, il est alors possible de privilégier ou au contraire d'équilibrer la sensibilité de la photocathode dans le spectre visible et dans le spectre proche infrarouge. En particulier, il est ainsi possible d'obtenir une image de sensibilité élevée tant dans le spectre visible que dans le proche infrarouge.
Les zones de photoémission 240i et 2402 des première et seconde couches élémentaires sont arrangées selon des motifs entrelacés. Autrement dit, un motif d'une zone est entouré par des motifs d'une autre zone. Ces motifs sont arrangés selon un réseau périodique ou pseudo-périodique dans le plan de la photocathode. Par exemple, en Fig. 3B, les motifs des zones de photoémission 240i et 2402, sont arrangés selon deux réseaux périodiques de pas b / 2 dans les directions Ox et Oy.
Toutefois, si le pas des éléments du capteur EBCMOS ou EBCDD diffère légèrement de celui des réseaux périodiques, il peut apparaître un effet de Moiré. Dans ce cas, il pourra être préféré d'arranger les motifs des zones de photoémission selon un motif pseudoaléatoire c'est-à-dire avec un pas b + £(x, y) , où ε(χ, y) est une variable pseudo-aléatoire. La Fig. 4 illustre de manière schématique la structure d'une photocathode multicouche selon un second mode de réalisation de l'invention.
Cette photocathode comprend une fenêtre d'entrée en verre, 410, destinée à recevoir le flux de photons incidents, sur laquelle sont avantageusement déposées une couche antireflet, 421, et un miroir électronique, 422, comme dans le premier mode de réalisation.
La couche active 430 est composée d'une première couche élémentaire 430i dans un premier matériau semiconducteur ayant une première largeur de bande interdite Egl et d'une seconde couche élémentaire 4302 dans un second matériau semiconducteur ayant une largeur de bande interdite E 2 inférieure à la première largeur de bande interdite. Ces deux couches élémentaires sont des couches de génération de photoélectrons comme dans le premier mode de réalisation.
Une électrode, 470i, permet de polariser négativement la photocathode par rapport à l'anode du détecteur dans lequel elle est destinée à être montée, par exemple un détecteur EBCMOS ou EBCDD.
A la différence du premier mode de réalisation, une couche d'émission de photoélectrons, 440, est déposée sur la couche active. Cette couche d'émission est réalisée dans un matériau semiconducteur dont la largeur de bande interdite est supérieure à la largeur de bande interdite du second matériau semiconducteur. La seconde couche élémentaire est dopée p+, à un niveau de dopage de l'ordre 1017 cm 3. La couche d'émission est en revanche dopée p à un niveau de dopage sensiblement inférieur, de l'ordre de 1015 cm 3. La couche d'émission est polarisée positivement par rapport à la seconde couche élémentaire au moyen des électrodes 4702 de sorte que la couche d'émission est déplétée. Les photoélectrons générés dans la seconde couche élémentaire se retrouvent sous l'action du champ électrique dans la couche d'émission avec un niveau d'énergie élevée par rapport au bas de la bande de conduction de cette couche. Ils franchissent alors plus facilement la barrière d'interface avec la mince couche d'activation (non représentée) déposée sur la couche d'émission. Cette structure de photocathode est connue sous le nom de photocathode à transfert d'électrons ou TEP (Tansfer Electron Photocathode). On pourra trouver une description détaillée d'une photocathode à transfert d'électrons dans le brevet US-B-3958143 inclus ici par référence.
La première couche élémentaire de la couche active peut être par exemple une couche d'InP et la seconde couche élémentaire peut être par exemple une couche de GalnAs. La couche d'émission peut être dans ce cas une couche d'InP.
Alternativement la première couche élémentaire de la couche active peut être une couche de GaAs, et la seconde couche élémentaire peut être une couche de GalnAs. La couche d'émission peut être dans ce cas une couche de GalnP.
Dans les deux cas le miroir électronique peut être une couche de GaAIAs. La mince couche d'activation est par exemple une couche en Cs20 ou Ag-Cs20, déposée par évaporation sous vide. Comme indiqué plus haut cette couche permet d'abaisser le niveau du vide et facilite ainsi l'émission photoélectrique.
D'autres compositions de couche active et de couche d'émission pourront notamment être envisagées par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention.
Selon le second mode de réalisation de l'invention, la surface de la photocathode opposée à la fenêtre d'entrée est structurée de manière à ce que la première couche élémentaire de la couche active possède sa propre surface d'émission photoélectrique. Par exemple, après dépôt d'un masque, la couche d'émission et la seconde couche élémentaire sont gravées jusqu'à la première couche élémentaire. On obtient ainsi une première surface d'émission photoélectrique associée à la première couche élémentaire 430i et une seconde surface d'émission photoélectrique associée à la couche d'émission 440. La première surface d'émission photoélectrique est constituée de zones 440i de la première couche élémentaire 430i et la seconde surface d'émission photoélectrique est constituée de zones 4402 de la couche d'émission, 440.
Le cas échéant, la couche mince d'activation est déposée après l'étape de gravure de sorte qu'elle recouvre non seulement les zones 4402 de la couche d'émission 440 mais aussi les zones 440i de la première couche élémentaire 430i.
Quelle que soit la variante envisagée, la première couche élémentaire est reliée à une première électrode 470i et les zones 4402 de la couche d'émission 440 sont reliées à des électrodes élémentaires 4702, formant une grille métallique. Ainsi la première couche élémentaire peut être portée à un potentiel Vl et la couche d'émission peut être portée à un potentiel V2 . La tension d'anode Va du détecteur est choisie telle que Va > Vl t V2 .
Lorsque l'on impose V2 > Vl t avec V2 légèrement supérieur à Vl t les zones 4402 de la couche d'émission émettent essentiellement des photoélectrons générés dans la seconde couche élémentaire. Les zones 440i de la première couche élémentaire émettent quant à elles des photoélectrons générés dans la première couche élémentaire. Ainsi, on peut obtenir une image à la fois dans le spectre visible (contribution des zones 440i) et dans le spectre SWI R (contribution des zones 4402), IV&SWIR - Lorsque la photocathode est montée dans un détecteur de type EBCMOS ou EBCDD, on peut ainsi discriminer les pixels correspondant aux zones 440i et ceux correspondant aux zones 4402 et donc obtenir deux images distinctes respectivement
En revanche, lorsque l'on choisit V2 < Vl t les zones 4402 de la couche d'émission n'émettent pas de photoélectrons dans la mesure où ces derniers n'ont pas l'énergie suffisante pour passer au-dessus de la barrière d'interface. Les zones 440i continuent quant à elles à émettre les photoélectrons générés dans la première couche élémentaire. On obtient ainsi une image dans le spectre visible uniquement, Iv .
On comprend donc que selon les potentiels V V2 on peut obtenir une image dans le visible ou une image dans le spectre SWIR, voire une combinaison de ces deux images.
Pour aligner les images dans le visible et dans le spectre SWIR et améliorer leur résolution, on peut effectuer une interpolation entre les pixels correspondant aux motifs 440i et/ou entre les pixels correspondant aux motifs 4402.
Comme dans le premier mode de réalisation, les motifs 440i et 4402 peuvent être arrangés selon des réseaux périodiques ou, en cas d'effet de Moiré, selon des réseaux pseudo-périodiques.
La Fig. 5 représente la structure d'une photocathode multicouche selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention.
Les éléments 510 à 540i-5402, correspondent aux éléments 210 à 240i-2402 de la
Fig. 2.
Toutefois, selon cette variante, la première couche élémentaire 530i de la couche active est d'abord gravée après masquage des premiers motifs. On fait ensuite croître la seconde couche élémentaire 5302 par épitaxie dans les puits obtenus par gravure pour obtenir les seconds motifs. Après épitaxie de la seconde couche, on procède à un polissage mécanique jusqu'à affleurement de la première couche élémentaire. On obtient ainsi une surface d'émission plane, dans laquelle alternent les premiers et seconds motifs. La Fig. 6 représente la structure d'une photocathode multicouche selon une variante du second mode de réalisation de l'invention.
Les éléments 610 à 670i-6702, correspondent aux éléments 410 à 470i-4702 de la
Fig. 4.
Cette variante diffère de celle de la Fig. 4 au sens où la première couche élémentaire 630i est gravée après masquage des premiers motifs. On fait ensuite croître la seconde couche élémentaire 6302 par épitaxie dans les puits obtenus par gravure pour obtenir les seconds motifs. Après croissance de la seconde couche élémentaire, on fait croître la couche d'émission des photoélectrons, 640, avant d'éliminer le masque. On dépose ensuite la couche d'activation sur toute la surface avant de déposer les électrodes 670i-6702.

Claims

REVENDICATIONS
1. Photocathode comprenant une fenêtre d'entrée (210,410,510,610) destinée à recevoir un flux de photons incidents et une couche active, la couche active comprenant une pluralité de couches élémentaires (230I,..,230N ; 430I,..,430N ; 530I,..,530N ; 630I,..,630N) en matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite décroissantes dans le sens du flux de photons incidents, ladite photocathode étant caractérisée en ce que la surface de la photocathode opposée à la face d'entrée est structurée de manière à ce que chaque couche élémentaire de la couche active possède sa propre surface d'émission photoélectrique (240I,..,240N ; 440I,..,440N ; 540I,..,540N ; 640i,..,640N).
2. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface d'émission photoélectrique de chaque couche élémentaire est formée par un réseau de motifs, les motifs de deux couches élémentaires successives étant entrelacés.
3. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche active est constituée d'une première couche élémentaire en GaAs ou GaAsP et une seconde couche élémentaire dans un matériau semiconducteur choisi parmi Gai-xl nxAs, GaAsi-xSbx, GaAsi-xBix avec l>x>0.
4. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les différentes surfaces d'émission photoélectriques des couches élémentaires sont recouvertes par une couche d'activation.
5. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche active (430, 630) est constituée d'une première couche élémentaire (430i, 630i) et d'une seconde couche élémentaire (4302, 6302), la seconde couche élémentaire étant recouverte par une couche d'émission (440, 640) destinée à émettre dans le vide les photoélectrons générés dans la seconde couche élémentaire, la première couche élémentaire (430i, 630i) possédant une première surface d'émission photoélectrique (440i, 640i) et la couche d'émission possédant une seconde surface d'émission photoélectrique (4402, 6402).
6. Photocathode selon la revendication 5, caractérisée en ce que la première couche élémentaire (430i, 630i) est reliée à une première électrode (470i, 670i) et que la couche d'émission est reliée à une seconde électrode (4702, 6702) distincte de la première électrode de manière à pouvoir porter les première et seconde électrodes à des potentiels différents.
7. Photocathode selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les première et seconde surfaces d'émission photoélectrique sont recouvertes par une couche d'activation.
8. Photocathode selon l'une des revendications 6 à 7, caractérisée en ce que la surface d'émission photoélectrique de la première couche élémentaire est formée par un premier réseau de motifs, et que la surface d'émission photoélectrique de la couche d'émission est formée par un second réseau de motifs, les motifs des premier et second réseaux étant entrelacés.
9. Photocathode selon la revendication 8, caractérisée en ce que les premier et second réseaux de motifs sont périodiques.
10. Photocathode selon la revendication 8, caractérisé en ce que les premier et second réseaux sont pseudo-périodiques.
11. Photocathode selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que la première couche élémentaire est en InP, que la seconde couche élémentaire est en GalnAs, GalnAsP, AlInAsP et que la couche d'émission est en InP.
12. Photocathode selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que la première couche élémentaire est en GaAs, que la seconde couche élémentaire est en GalnAs et que la couche d'émission est en GalnP.
13. Photocathode selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisée en ce que la couche d'activation est en Ag-Cs20.
14. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche active est déposée sur un miroir électronique constitué par une couche en un matériau semiconducteur dont la largeur de bande interdite est supérieure aux largeurs de bandes interdites des couches élémentaires.
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