FR2573574A1 - Photocathode pour le domaine infrarouge - Google Patents
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Abstract
PHOTOCATHODE POUR LE DOMAINE INFRAROUGE COMPRENANT PLUSIEURS COUCHES EN MATERIAU SEMI-CONDUCTEUR ET CONDUCTEUR. LA PHOTOCATHODE EST TRANSPARENTE ET SENSIBLE DANS UNE ZONE SPECTRALE COMPRISE ENTRE ENVIRON 1 ET 20MM. CELA EST OBTENU PAR LA STRUCTURE SUIVANTE: P: UNE COUCHE P FORTEMENT DOPEE; N: UNE COUCHE N FORTEMENT DOPEE; I: UNE COUCHE A CONDUCTION PROPRE (INTRINSEQUE); P: UNE COUCHE P FORTEMENT DOPEE; M: UNE MINCE COUCHE DE METAL, DE PREFERENCE CONSTITUEE PAR UNE COUCHE D'UN ATOME DE CS. LA SENSIBILITE SPECTRALE PEUT ETRE REGLEE PAR APPLICATION D'UNE TENSION NEGATIVE A LA COUCHE P VIS-A-VIS DE LA COUCHE P.
Description
PHOTOCATHODE POUR LE DOMAINE INFRAROUGE.
L'invention se rapporte à une photocathode pour le domaine infrarouge comprenant plusieurs couches en
matériau semi-conducteur et conducteur.
Comme photodétecteurs présentant la sensibilité maximale actuellement atteinte, notamment avec une réso- lution de quelques photons (quanta de lumière), on utilise
habituellement des photomultiplicateurs et des amplifica-
teurs d'images à lumière résiduelle. Dans ces détecteurs, des électrons sont libérés des photocathodes par des photons incidents, et ce pour des longueurs d'ondes qui sont inférieures à la longueur d'onde limite IR. Cette dernière
est déterminée soit par le travail d'extraction des élec-
trons, soit indirectement par la distance bande de valence-
bande de conduction du matériau semi-conducteur de la
cathode.
Jusqu'à maintenant on ne connaîlt nue deux photo-
cathodes présentant une sensibilité IR notable, à savoir la photocathode Sl ayant une étendue spectrale d'environ 320 - 1 120 nm et un rendement quantique moyen type de 0,3 % et la photocathode GaAs-Cs ayant une étendue spectrale d'environ 160 - 920 nm et un rendement quantique moyen type
de 15 %.
La longueur d'onde limite IR, prédéterminée par le matériau de la cathode, de ces photocathodes, ne s'étend donc que jusqu'au proche IR. Ces photodétecteurs ne peuvent donc pas actuellement être utilisés pour la photographie
d'images thermiques.
L'objet de l'invention est par conséquent de mettre au point une photocathode qui puisse être utilisée dans les photomultiplicateurs et les amplificateurs d'images, qui présente une étendue spectrale d'environ 1 20 4m et
qui convienne donc pour les caméras d'imagerie thermique.
Il faut en outre que la longueur d'onde limite d'absorption IR, selon le cas d'utilisation, puisse être réglée nar une tension externe entre environ 1-20 pm, de façon que le détecteur puisse être accordé du point de vue spectral. On veut par ailleurs que la photocathode convienne aussi bien pour le fonctionnement en transmission dans lequel les électrons émis par la photocathode se déplacent dans le sens des photons incidents que pour le fonctionnement en réflexion dans lequel les électrons émis se déplacent dans le sens contraire
des photons incidents. Pour finir, le détecteur doit présen-
ter une sensibilité aux photons individuels de manière que chaque électron libéré de la photocathode par un photon
puisse être décelé.
Selon l'invention, ce résultat est atteint par le fait que la photocathode présente la structure suivante: Pl: une couche p fortement dopée n2: une couche n fortement dopée i3: une couche à conduction propre (intrinsèque) p4: une couche p fortement dopée m5: une mince couche de métal, de préférence
constituée par une couche d'atomesde Cs.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la photocathode peut aussi présenter la structure suivante: RE: une électrode métallique réfléchissante n2: une couche n fortement dopée i3: une couche à conduction propre (intrinsèque) p4: une couche p fortement dopée m5: une mince couche de métal, de préférence
constituée par une couche d'atomesde Cs.
Dans la photocathode selon l'invention, les couches Pl, n2 et p4 peuvent être avantageusement munies de contacts et mises sous tension, la tension en P4 définissant le potentiel de la photocathode, tandis qu'en P1 la tension
U1 et en P2, la tension U2, servent à commander la carac-
téristique spectrale de la photocathode.
Selon l'invention, sur-la couche P1 peut être avantageusement appliquée une couche réfléchissante S. Selon une autre particularité de l'invention, les
couches RE et p4 sont munies de contact et mises sous ten-
sion, la tension en p4 définissant le potentiel de la photocathode, tandis qu'en RE la tension U2 sert à commander
la caractéristique spectrale de la photocathode.
Il est par ailleurs avantageux que la jonction entre les couches P1 et n2 soit une transition abrupte d'un fort dopage p à un fort dopage n à caractéristiques de diode tunnel et que la couche P1 ait une épaisseur comprise
entre 1 et 100 pm.
Dans la photocathode selon l'invention, l'épais-
seur de la couche p. peut avantageusement se situer entre et 500 A. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la
description de plusieurs modes de réalisation pris comme
exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente la courbe de potentiel
type d'une photocathode GaAs-Cs usuelle (état de la techni-
que); -
les figures 2a-2c représentent la composition des couches et la structure des bandes de la photocathode selon l'invention sans et avec tensions d'accord appliquées; la figure 3 représente la composition des couches dans un mode de réalisation accordable pour fonctionnement en réflexion; la figure 4 est une coupe d'une photocathode accordable pourfonctionnement en transmission; la figure 5 est une coupe schématique d'un dispositif amplificateur d'images monté avec la photocathode selon l'invention; la figure 6 représente la composition des couches d'un mode de réalisation accordable pour fonctionnement en
réflexion avec rendement quantique doublé.
La figure 1 représente la courbe de potentiel
type d'une photocathode GaAs-Cs usuelle (état de la tech-
nique). Pour une meilleure compréhension des processus se déroulant lors de l'émission photoélectrique d'électrons, on va brièvement les expliquer à l'aide de l'exemple de cette
photocathode GaAS-Cs connue.
Dans les photocathodes GaAs-Cs on utilise du GaAs fortement dopé de type p qui est revêtu sur sa surface d'une mince couche de métal, normalement d'une couche d'atomes
de césium. Cela provoque sur la surface du GaAs une défor-
mation de la bande conformément à la figure 1.
L'essentiel en pareil cas est que le travail d'extraction 4 pour chasser un électron de cette cathode soit d'environ D = 1.4 eV et que cette valeur soit égale à l'écart énergétique ECV = 1.4 eV dans le GaAs. Cela revient à dire qu'un électron dans la bande de valence au niveau de Fermi du matériau de type p peut par absorption d'un quantum de lumière d'énergie e = 1.4 eV (correspondant à environ X (X) = 900 nm) être élevé jusqu'à la bande de conduction LB et posséder alors déjà l'énergie qui est nécessaire pour le transférer de la photocathode au vide ou pour le recombiner
avec un trou de la bande de valence VB.
En raison de la grande mobilité (environ 50 000 -
000 v/cm2) des électrons de la bande de conduction et de leur longue durée de vie d'environ 10-7 - 10-8 sec pour
les passages bande de conduction / bande de valence (recom-
binaison),la probabilité d'une diffusion d'un électron de la bande de conduction à la surface et par conséquent du transfert dans le vide est relativement forte, même si a l'électron a été produit dans une couche de GaAs de - 1 000 A. On peut se procurer de plus amples détails à ce sujet dans la bibliographie: Festkôrperprobleme X,
Pergamon/Vieweg 1970, pages 175-187.
Pour des photons d'une énergie E < 1.4 eV (A > environ 900 nm),le GaAs ne présente aucune absorption attendu qu'une excitation des électrons de la bande de valence n'est pas possible en raison des états défendus dans la bande interdite (Gap). On désigne les photocathodes de ce type sous le terme de "cathode à affinité électronique zéro". La figure 2 représente la composition des couches et les structures desbandesde la photocathode selon l'invention
sans et avec tensionsd'accord appliquées.
La photocathode est constituée par un matériau semi-conducteur (par exemple GaAs) comportant les couches successives: P1, n2,'i3, p4, ms'5. Ces couches sont P1: une couche p fortement dopée n2: une couche n fortement dopée i3: une couche à conduction propre (intrinsèque) p4: une couche p fortement dopée
m5: une mince couche de métal.
Le travail d'extraction est ici aussi désigné par
0 et le niveau de Fermi par EF.
La couche m5 est normalement constituée par une couche d'atomesCs pour produire au niveau de la surface de p4 la déformation de la bande qui est nécessaire pour à partir de p4 faire une "cathode à affinité électronique zéro". Le travail d'extraction q est sensiblement
égal à la distance des bandes EGAP.
Les couches P1, n2 et p4 sont munies de contacts électriques. La tension en p4 définit le potentiel de la photocathode. Les tensions U1 (en pl) et U2 (en n2) sont des signaux de commande pour la caractéristique spectrale de la photocathode. La jonction p1/n2 est une transition abrupte d'un fort dopage p à un fort dopage n à caractéristiquesde diode
tunnel. La couche pl a ici pour rôle, par une tension nréa-
lable négative vis-à-vis de la couche n2 (voir figure 2c) et en utilisant l'effet tunnel, d'injecter des porteurs de charge (électrons) rapidement et sur une grande surface dans la couche n2. A cet effet, il faut que la couche p1 soit fortement dopée et relativement épaisse (par exemple 11001m)
pour avoir une faible résistance interne.
L'absorption de quanta de lumière IR se produit par exci-
tation d'électrons libres de la couche n2, la lumière avant l'absorption traversant soit la couche pl, soit les couches m5, p4, i3. Les couches p1, i3, p4, m5 sont complètement
perméables au rayonnement IR avec Ephoton < EGAp, une absorp-
tion de photons n'y est pas possible.
Pour obtenir une absorption de photons aussi importante que possible dans la couche n2, il faut que le
dopage n de cette couche soit aussi fort que possible.
L'absorption de la couche n2 est,en outre,proportionnelle à l'épaisseur 12 de la couche, c'est-à-dire que celle-ci doit être grande. Si un électron libre de la couche n2 absorbe l'énergie d'lu quantum de lumièrephoton = EAL (travail d'extraction hors de la cathode), l'électron excité peut alors soit être évacué dans le vide par les couches i3, P4' m5, soit se combiner avec des trous de la bande de conduction de la
couche n2.
Pour atteindre un rendement quantique optimal, il faut que l'épaisseur 12 de la couche soit optimisée. Cela est par exemple obtenu lorsque la probabilité de sortie dans le vide d'un électron de la couche n2 est du même ordre de grandeur que la probabilité d'une recombinaison de l'électron excité dans la couche n2 elle-même. La valeur de 12 se situe o sensiblement dans la plage de 1 000 - 5 000 A. La jonction tunnel avec la couche P1 assure le ravitaillement en porteurs de charge de la couche n2 pour des électrons excités et
expulsés de la cathode.
La couche p4 a pour tache, en combinaison avec la couche m5, de générer la courbe bande de conduction et bande de valence type pour "cathode5à affinité électronique zéro". I'épaisseur 14 de la couche p4 doit être aussi faible que possible pour ne pas entraver l'éva- cuation dans le vide des électrons suffisamment excités de la couche n2, mais assez épaisse pour que
les potentiels des couches p1, n2, i3 et ces couches elles-
mêmes ne perturbent pas la déformation de la bande au niveau de l'interface des couches p4/m5. Des valeurs types pour l'épaisseur 14 de la couche se situent à environ 150-400 A. Alors qu'en ce qui concerne les couches n2 etp4 il s'agit respectivement de zones fortement dopées, entre les couches n2 et p4 est insérée une couche i3 suffisamment épaisse et à conduction propre (intrinsèque) pour, en cas de tension préalable de la couche n2 vis-à-vis de p4 empêcher des courants tunnels dans la couche mince p4. Des valeurs types pour l'épaisseur 13 de la couche se situent à environ o
-300 A.
La figure 2b représente le modèle de bande de cette composition de couches pour les tensions externes U1=U2=0 (relativement à la tension en p4) des couches p1, n2. Pour
transférer dans le vide un électron de la couche n2, l'élec-
tron doit absorber un quantum de lumière d'énergie Ephoton > EGAP. Dans le cas de ces tensions préalables U1 = U2 = 0, la cathode présente une caractéristique spectrale telle
qu'elle est connue par les photocathodes GaAs-Cs actuelles.
Si,par contre, la couche n2 par une tension U2 < O est soumise à une tension négative par rapport à la couche p4, le niveau de Fermi de la couche n2 se déplace de cette valeur de tension et le travail d'extraction pour les électrons de la couche n2 n'est alors plus que
EAL (U2) EGAP - IU21
c'est-à-dire qu'en cas de tension préalable negative croissante de la diode formée par les couches successives
n2, i3, p4, le travail d'extraction diminue pour des élec-
trons de la couche n2 etpar conséquentle niveau d'absorp-
tion IR se déplace vers de plus grandes longueurs d'ondes. Cela revient à dire qu'à l'aide de la tension U2,
on peut régler la caractéristique spectrale de la photo-
cathode à la zone spectrale désirée.
Les électrons de la couche n2 sont soumis à la statistique de Fermi. Pour obtenir un niveau de Fermi aussi aigu que possible (c'est-à-dire faible bruit propre) du détecteur, un refroidissement du détecteur dans la zone IR
de grande longueur d'onde est par conséquent nécessaire.
La structure des couches de ce détecteur peut être fabriquée à grande surface dans la qualité requise avec les moyens techniques disponibles, par exemple épitaxie par
rayonnement moléculaire (MBE).
La figure 3 représente la composition des couches d'un mode de réalisation accordable pour fonctionnement en réflexion. La disposition correspond à celle de la figure 2a; une couche réfléchissante S est seulement appliquée en plus
sur la couche P1.
La figure 4 représente une coupe d'une photo-
cathode accordable pour fonctionnement en transmission. Elle est constituée par les couches déjà décrites P1, n2, i3, p4 et m5. Les couches pl, n2 et P4 sont munies de contacts K1, K2 et K4 qui se situent à l'extérieur de la zone utilisable
B. Un recouvrement d'électrode A englobe les couches.
Pour des utilisations déterminées, un problème
de ce détecteur reste assurément le faible rendement quan-
tique qui, par rapport aux détecteurs classiques à semi-
conducteurs est réduit du rapport entre la densité d'électrons de la bande de conduction et la densité d'électrons de la bande de valence. Par conséquent, la couche n2 nécessite un dopage aussi fort que possible de façon que ce rapport soit d'environ 103 à 102 Le rendement quantique diminué
de ce rapport est en partie compensé dans le cas d'utili-
sation type de la photocathode selon l'invention dans un amplificateur d'images par le grand facteur d'amplification (100-400 fois) d'un étage d'amplificateur d'images. Un tel dispositif dont la structure est connue est représenté schématiquement à la figure 5. Dans un tube mis sous vide se trouve une fenêtre d'entrée de lumière comportant la photocathode FK selon l'invention. Sur ces couches sont appliquées, comme déjà décrit, les 'tensions U1 et U2. Les électrons sortants e sont accélérés par la haute
tension appliquée et, par un système de focalisation électro-
statique FS, sont déviés sur l'écran phosphorescent LS, servant d'anode et réalisé en un phosphore de type approprié, o ils forment une image. Pour compenser la courbure de l'écran phosphorescent LS, on utilise un panneau de fibres FP. Dans les cathodes qui fonctionnent en réflexion, donc avec incidence de lumière pénétrant par les couches m5, p4 et i3, le rendement quantique peut être doublé si la lumière non absorbée quittant la couche P1 est reflétée sur un miroir et traverse le détecteur une seconde fois. Ce dispositif est illustré sur la figure 6. En pareil cas, la
couche P1 est remplacée par une électrode métallique réflé-
chissante RE.
Claims (7)
1. Photocathode pour le domaine infrarouge compre-
nant plusieurs couches en matériau semi-conducteur et con-
ducteur, caractérisée par le fait qu'elle présente la structure suivante: p1: une couche p fortement dopée n2: une couche n fortement dopée i3: une couche à conduction propre (intrinsèque) P4: une couche p fortement dopée m5: une mince couche de métal, de préférence
constituée par une couche d'atome de Cs.
2. Photocathode pour le domaine infrarouge compre-
nant plusieurs couches en matériau semi-conducteur et con-
ducteur, caractérisée par le fait qu'elle présente la structure suivante: RE: une électrode métallique réfléchissante n2: une couche n fortement dopée i3: une couche à conduction propre (intrinsèque) p4: une couche p fortement dopée m5: une mince couche de métal, de préférence
constituée par une couche d'atome de Cs.
3. Photocathode selon la revendication 1, caracté-
risée par le fait que les couches pl, n2 et p4 sont munies
de contacts et mises sous tension, la tension en p4 définis-
sant le potentiel de la photocathode, tandis qu'en P1, la tension U1 et en P2, la tension U2 servent à commander la caractéristique spectrale de la photocathode.
4. Photocathode selon la revendication 3, caracté-
risée par le fait que sur la couche p1 est appliquée une couche réfléchissante S. 1 1
5. Photocathode selon la revendication 2, caracté-
risée par le fait que les couches RE et P4 sont munies de contacts et mises sous tension, la tension en p4 définissant le potentiel de la photocathode, tandis qu'en RE la tension U2 sert à comnander la caractéristique spec-
trale de la photocathode.
6. Photocathode selon l'une quelconque des revendi-
cations précédentes, caractérisée par le fait que la jonction entre les couches P1 et n2 est une transition abrupte d'un fort dopage p à un fort dopage n à caractéristique de diode tunnel et que la couche P1 a une épaisseur comprise entre 1
et 100 Pm.
7. Photocathode selon l'une quelconoue des revendi-
cations précédentes, caractérisée par le fait que l'épais-
seur de la couche P4 se situe entre 100 et A.o seur de la couche p4 se situe entre 100 et 500 A.:
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