JP2012516023A - コーナーキューブにより改善された光電陰極 - Google Patents
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Abstract
光電陰極デバイスの量子効率を高める技術を開示する。当該技術は、光電陰極デバイスの光学的厚さを増すことができる一方で、同時に、デバイスの真空の中へ電子が逃げる確率を上げることができる。当該技術は、特に、検出器と画像化とに役立つ。１つの実施形態では、光電陰極の表面に作成されたコーナーキューブのアレイを有する光電陰極デバイスを提供する。コーナーキューブアレイは、光電陰極層と同じ材料で作られている。デバイスは、例えば、ＵＶと、可視と、ＩＲの光スペクトルにおいて動作する検出器又は画像増倍管であり得る。デバイスは、利得媒体と、陽極と、読み出しデバイスとを更に含み得る。デバイスを形成する技術も提供されている。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
関連出願
本出願は、２００９年１月２２日に出願された米国仮出願第６１／１４６，５０１号に対して、優先権を主張している。米国仮出願第６１／１４６，５０１号は、参照により全体的にこの中に組み込まれている。
本出願は、２００９年１月２２日に出願された米国仮出願第６１／１４６，５０１号に対して、優先権を主張している。米国仮出願第６１／１４６，５０１号は、参照により全体的にこの中に組み込まれている。
本発明は、光電子放出デバイスに関し、より具体的には、このようなデバイスの量子効率を高める技術に関する。
知られているように、光電陰極は、光電管又は光電子増倍管のような光検出デバイスにおける、負に帯電した電極である。電極は光電性材料でコーティングされており、光電性材料に光が当たると、光電効果により、吸収されたエネルギが電子放出を引き起こす。現在の光電陰極の設計は、通常は平面であり、初期の光電管以来、構造上変わっていない。
一般に、幾つかの無視できない問題が原因で、光電子放出デバイスは、量子効率が制限されていた。
本発明の１つの実施形態は、光電陰極デバイスを提供する。前記光電陰極デバイスは、(目的とするスペクトル範囲に対して透明な)窓と、光電陰極層と、を含んでいる。前記光電陰極層は、前記窓に光学的に結合されている入射表面と、前記光電陰極層の中に形成されているコーナーキューブアレイを有する真空側表面と、を有する。前記コーナーキューブアレイは、前記光電陰極層と同じ材料で作られている。前記デバイスは、真空とバイアスとを介して、前記真空側表面に動作可能に結合されている利得媒体と、前記真空によって、前記利得媒体に動作可能に結合されている陽極と、を更に含み得る。１つのこのようなケースにおいて、前記デバイスは、前記陽極に動作可能に結合されている読み出しデバイス、を更に含み得る。別のこのようなケースにおいて、前記利得媒体は、マイクロチャネルプレートを含む。別のこのようなケースにおいて、前記利得媒体は、光電子増倍管を含む。１つの具体的なケースにおいて、光電陰極層は、窒化ガリウム又はセシウムテルライドを含む。別の具体的なケースにおいて、前記コーナーキューブアレイは、(コーナーキューブの上部からコーナーキューブの底部までにおいて)１５０ｎｍ以下の範囲の高さを有するコーナーキューブを含む。別の具体的なケースにおいて、前記コーナーキューブアレイは、正方形のフォーマットのコーナーキューブを含む。
本発明の別の実施形態は、光電陰極デバイスを作る方法を提供する。前記方法は、窓を提供するステップと、光電陰極層を前記光電陰極層の入射表面によって前記窓に光学的に結合するステップと、を含む。前記方法は、前記光電陰極層と同じ材料で作られているコーナーキューブアレイを、前記光電陰極層の真空側表面上に形成するステップ、を更に含む。前記方法は、真空とバイアスとを介して、利得媒体を前記真空側表面に動作可能に結合するステップと、前記真空によって、陽極を前記利得媒体に動作可能に結合するステップと、を更に含み得る。１つのこのようなケースにおいて、前記方法は、読み出しデバイスを前記陽極に動作可能に結合するステップ、を更に含む。別のこのようなケースにおいて、前記利得媒体は、マイクロチャネルプレート又は光電子増倍管を含む。１つの具体例のケースにおいて、光電陰極層は、窒化ガリウム又はセシウムテルライドを含む。別の具体的なケースにおいて、前記コーナーキューブアレイは、１５０ｎｍ以下の範囲の高さを有するコーナーキューブを含む。別の具体的なケースにおいて、前記コーナーキューブアレイは、正方形のフォーマットを有するコーナーキューブを含む。別の具体的なケースにおいて、前記光電陰極層の真空側表面上に前記コーナーキューブアレイを形成する前に、前記窓の上に前記光電陰極層を形成する。別の具体的なケースにおいて、前記コーナーキューブアレイの希望の寸法に対応する寸法を有するコーナーキューブのパターンを備えて構成されているマンドレル上に前記光電陰極層を形成することによって、前記光電陰極層の真空側表面上にコーナーキューブアレイを形成する。１つのこのようなケースにおいて、前記コーナーキューブアレイを形成した後に、前記光電陰極層を前記窓に光学的に結合する。
この開示を考慮して、幾つかのバリエーションが明らかになるであろう。例えば、本発明の別の実施形態は、光電陰極デバイスを提供する。この例示的な実施形態において、前記光電陰極デバイスは、窓と、光電陰極層と、を含んでおり、前記光電陰極層は、前記窓に光学的に結合されている入射表面と、前記光電陰極層の中に形成されているコーナーキューブアレイを有する真空側表面と、を有する。前記コーナーキューブアレイは、前記光電陰極層と同じ材料で作られていて、正方形のフォーマットと、１５０ｎｍ以下の範囲の高さと、を有するコーナーキューブを含んでいる。前記デバイスは、真空とバイアスとを介して、前記真空側表面に動作可能に結合されている利得媒体と、前記真空によって、前記利得媒体に動作可能に結合されている陽極と、前記陽極に動作可能に結合されている読み出しデバイスと、を更に含む。１つのこのようなケースにおいて、前記利得媒体は、マイクロチャネルプレート又は光電子増倍管を含み、光電陰極層は、窒化ガリウム又はセシウムテルライドを含む。
ここに記載されている特徴と長所は、全てを含んでいるわけではない。特に、図面と、明細書と、請求項とを考慮して、多くの更なる特徴と長所が、当業者に明らかになるであろう。更に、明細書で使用されている文言は、基本的に読み易さと教示のために選択されたものであって、発明の内容の範囲を制限するために選択されたものではないことに留意すべきである。
光電陰極デバイスの量子効率を高める技術を開示する。当該技術は、光電陰極デバイスの光学的厚さを増すことができる一方で、同時に、デバイスの真空の中へ電子が逃げる確率を上げることができる。当該技術は、紫外線(ultra-violet, UV)と、可視と、赤外線(infrared, IR)の光スペクトルにおいて動作する検出器と画像化システム、例えば、光レベルの低いシステムとして実施されるシステムにおいて、特に有益である。
概要
既に説明したように、従来の光電子放出デバイスは、量子効率が制限されていた。この制限された量子効率の１つの理由は、相反する設計条件が原因である。特に、高い確率で光電子を生成するためには、光電陰極を光学的に厚くするべきである。他方で、高い確率で光電子が検出器の真空の中へ逃げるためには、光電陰極を物理的に薄くするべきである。
既に説明したように、従来の光電子放出デバイスは、量子効率が制限されていた。この制限された量子効率の１つの理由は、相反する設計条件が原因である。特に、高い確率で光電子を生成するためには、光電陰極を光学的に厚くするべきである。他方で、高い確率で光電子が検出器の真空の中へ逃げるためには、光電陰極を物理的に薄くするべきである。
標準的な動作において、入射光又は光子は、入射窓を通り抜けて、光電陰極に衝突する。光電陰極は、電子を価電子帯から伝導帯に引き上げることによって、入射光子を光電子に変換する。光電陰極をベースにした検出器／画像装置によって生成された画像において最大の信号対雑音比(signal to noise ratio, SNR)を得るために、光電陰極のスペクトル感度を、所定の用途の光スペクトルに合わせることができる。一般に、より高いＳＮＲの場合は、より多数の光子を電子に変換すること、即ち、より高い量子効率が必要である。
光電陰極デバイスのスペクトル応答と、量子効率(感度)と、暗電流は、事実上、光電陰極の構成によって決まる。一般に、ＵＶ光に反応することができる従来の光電陰極は、約２０％以下の量子効率を有する。これは、光電陰極に衝突した光子の８０％以上が、光電子を生成せず、従って、検出されないことを意味する。吸収された光子から望ましい応答を得るように、光電陰極の厚さを設定することができる。光電陰極が厚過ぎる場合は、衝突した光子がより多く吸収されるが、光電陰極の出力から放出される電子がより少なくなる。他方で、光電陰極が薄過ぎる場合は、衝突した光子のうち、吸収されて電子に変換されることなく通り抜ける光子が、多くなり過ぎる。
従って、本発明の実施形態によると、光学的厚さと、光電陰極デバイスの真空(出力)の中へ逃げる確率とを同時に増すことによって、(従来の光電陰極デバイスに対して)比較的高い量子効率を有する光電陰極デバイスを提供する。１つのこのような実施形態では、光電陰極の表面上に、コーナーキューブのアレイを作成する。コーナーキューブは、任意の入射光線を同じ入力経路に沿って返す特有の特性を有する。コーナーキューブのサイズは比較的に小さい（例えば、ナノスケールである）ので、光線のずれは、ごく僅かである。この構成は、物理的厚さを増すことなく、光電陰極の光学的厚さを事実上２倍(又は、２倍以上)にする。更に、コーナーキューブの構造により、(従来の平面の光電陰極表面に対して)光電陰極の出口の表面積が増して、その結果、検出のためにデバイスの真空の中に逃げる確率が上がる(より多くの電子を出力する)。
検出器システム
図１は、本発明の実施形態に従って構成された検出器システム100を示している。システム100は、窓101と、コーナーキューブにより改善された光電陰極103と、利得媒体105と、陽極107と、読み出しデバイス109とを含んでいることが分かるであろう。光電陰極103と、利得媒体105と、陽極107は、各々、真空111に含まれている。更に、この例示的な実施形態では、窓101の一部と読み出しデバイス109の一部も、真空111に含まれている。一般的に行われているように、光電陰極103の導体と、利得媒体105の入力との間において、バイアス(バイアス１)を印加する。このようなシステムは、例えば、幾つかの検出及び／又は光増幅器の応用に使用できる。幾つかの検出及び／又は光増幅器の応用は、例えば、暗視、監視、或いは、光の反射又は放出に基づく他のこのような応用である。
図１は、本発明の実施形態に従って構成された検出器システム100を示している。システム100は、窓101と、コーナーキューブにより改善された光電陰極103と、利得媒体105と、陽極107と、読み出しデバイス109とを含んでいることが分かるであろう。光電陰極103と、利得媒体105と、陽極107は、各々、真空111に含まれている。更に、この例示的な実施形態では、窓101の一部と読み出しデバイス109の一部も、真空111に含まれている。一般的に行われているように、光電陰極103の導体と、利得媒体105の入力との間において、バイアス(バイアス１)を印加する。このようなシステムは、例えば、幾つかの検出及び／又は光増幅器の応用に使用できる。幾つかの検出及び／又は光増幅器の応用は、例えば、暗視、監視、或いは、光の反射又は放出に基づく他のこのような応用である。
窓101は、従来の技術を用いて実施され得る。窓101は、光画像システムから光電陰極103に、システムの視野(field of view, FOV)の全体にわたる情景データ（scene data）を提供するように動作する。窓101は、例えば、基板であり得る。例えば、標準的なエピタキシャル成長とリソグラフィ(例えば、パターンマスクとエッチング)とを使用して、光電陰極103を基板上で成長させる又はさもなければ基板上に形成する。その代わりに、窓101を別個に形成又はさもなければ提供して、次に、別個に形成された、コーナーキューブにより改善された光電陰極103に接合してもよい。例として、物理的結合(例えば、目的とするスペクトル範囲において透明な接着剤又はエポキシ樹脂)、化学結合(イオン又は共有結合)、或いは融着(架橋結合)によって、接合を達成することができる。一般に、接合のタイプは、使用する材料によって決まることが分かるであろう。ガラス、石英、フッ化マグネシウム、又はそのスペクトル範囲において透明な他の材料のような、目的とするスペクトル範囲を通すのに適した任意の材料を用いて、窓101を実施することができる。希望であれば、入射光を集める及び／又は集束させために、窓と共に、更なる光学機器を使用してもよい。希望の性能と、許容角度と、コストと、目的とする波長とを含む幾つかの要因に応じて、窓と任意の光学機器のタイプと複雑さが変わり得る。
任意のこのような場合において、システムのＦＯＶにおける目的とする光子が、光電効果によって電子に変換されるように、光電陰極103に提供される。更に、光電陰極103が、真空側表面に提供されるコーナーキューブアレイを含むことにより、光電陰極103が改善されることが分かるであろう。一般に、目的とする用途とスペクトル応答範囲とに適した材料を用いて、光電陰極103を実施することができる。例えば、アンチモンセシウム(antimony cesium, SbCs)は、ＵＶから可視の波長範囲においてスペクトル応答を有し、半透明又は反射モードの光電陰極において使用され得る。アンチモンルビジウムセシウム(Antimony rubidium cesium, SbRbCs)又はアンチモンカリウムセシウム(antimony potassium cesium, SbKCs)は各々、ＳｂＣｓの光電陰極と同様のスペクトル応答範囲を有するが、感度はより高く、暗電流は比較的により小さく、シンチレーション計数管において一般に使用されている。更に、ナトリウムカリウムアンチモン(sodium potassium antimony, NaKSb)で作られた光電陰極は、非常に小さい暗電流で動作する特徴があり、光子計数の用途に使用するのに適している。ナトリウムカリウムアンチモン−セシウム(sodium potassium antimony-cesium, NaKSbCs)で作られた光電陰極は、ＵＶから近ＩＲの波長領域においてスペクトル応答を示し、一般に、広帯域の分光光度計と光子計数の用途に使用されている。光電陰極の活性化処理によって、波長応答を(例えば、９３０ｎｍまで)拡張することができる。ＵＶとＩＲの波長の検出には、それぞれ、窒化ガリウム(Gallium nitride, GaN)とガリウムヒ素(Gallium arsenide, GaAs)の光電陰極材料を使用することができる。インジウムガリウムヒ素(Indium gallium arsenide, InGaAs)の光電陰極は、ＧａＡｓと比較して、ＩＲの範囲において、拡張された感度を示す。セシウムテルライド（cesium telluride, CsTe）又は沃化セシウム(cesium iodide, CsI)から作られた光電陰極は、真空ＵＶ及び紫外線（UV ray）に対して感度が高いが、可視光に対して感度は高くない(ＣｓＴｅは、３２０ｎｍよりも長い波長に対して感度が低く、ＣｓＩは、２００ｎｍよりも長い波長に対して感度が低い)。図２ａ−５を参照して、コーナーキューブにより改善された光電陰極103の更なる詳細を提供する。
光電陰極103によって出力された電子は、光電陰極103と利得媒体105の入力との間のバイアス(バイアス１)によって、利得媒体105に向かって加速される。バイアス１は、例えば、約３００ＶＣＤか、又は利得媒体105を基準にして負のバイアスを光電陰極103にかけるのに適した任意の電圧であり得る。利得媒体105は、例えば、マイクロチャネルプレート(microchannel plate, MCP)を用いて実施され得る。知られているように、一般に、ＭＣＰは、小径の管又はチャネルのアレイを含んでいる。ＭＣＰの入力と出力の電極にバイアス(バイアス２)(例えば、３枚のプレートの構成に対して３０００ＶＤＣ、又は他の適切なＭＣＰバイアス)が印加された状態において、管又はチャネルの各々は、独立した電子増倍管として動作する。所定のチャネルの入力端に、電子が入って、そのチャネルを通り抜けるときに、電子が、チャネルの壁に当たって、その結果、二次電子を生成し、次に、二次電子がチャネルの中を更に伝搬して、チャネルの壁に当たって、一層より多くの二次電子を生成する。電子のこの反復的な追加が、元の入力信号を増幅して、結果として生じた電子雲が、ＭＣＰの出力に提供される。ＭＣＰのチャネルが電子雲を出力すると、そのチャネルは電荷を失い、チャネルにおける次のイベントに対する準備をするために、再充電する必要がある。バイアス(バイアス２)は、プレートの抵抗によってチャネルを再充電する。
様々な他の実施形態と構成が明らかになるであろう。例えば、時々行なわれるように、所定の入力イベントに対して、一層より大きく増幅するために、２つ以上のＭＣＰを直列に結合できることに留意すべきである。例えば、１つのＭＣＰの代わりに、２つのＭＣＰのアセンブリ(シェブロン（Chevron）又はＶスタック（V-stack）と呼ばれることもある)、或いは３つのＭＣＰのアセンブリ(Ｚスタック（Z-stack）と呼ばれることもある)を使用してもよい。つまり、本発明の実施形態に従って、任意の数のＭＣＰを使用して構成することができ、必要なＭＣＰの数は、目的とする用途の要求と様々な詳細とによって決まる。
陽極107は、利得媒体105を読み出しデバイス109に動作可能に結合する。陽極107は、例えば、利得媒体105の出力を効果的に画素化する陽極のパッド(例えば、シリコン基板、プリント回路基板、或いは他の適切な基板上に形成された、アルミニウム又は金のパッド)のアレイのような従来の技術を用いて実施され得る。各パッドは、読み出しデバイス109の増幅回路に接続される。その代わりに、陽極107は、光学的テーパ（optical taper）を用いて実施されることがある。通常、これは、利得媒体105の出力において、蛍光体を使用して、電子から光に変換することを含む。別の例示的な実施形態では、２００９年３月９日に出願された米国出願第１２／４００，５０５号に記載されているインターフェイスを用いて、陽極107を実施することができる。米国出願第１２／４００，５０５号は、参照によって全体的にここに組み込まれている。米国出願第１２／４００，５０５号に記載されているインターフェイスを使用して、各陽極のパッドを対応する読み出し回路のパッドに物理的に接続する少なくとも１つ相互接続層を使って、セグメント化された陽極107と読み出しデバイス109とを連結することができる。１つのこのようなケースにおいて、インターフェイスは、比較的に大きな陽極のパッドのアレイから、読み出し回路のより小さなアレイに、信号を移す。各相互接続層は、導電路（conductive run）、ビア、及び／又は金属接点を提供する。これらは、陽極のパッドを、読み出しデバイス109の対応する相互接続パッド／バンプに動作可能に結合する。中間の相互接続層の数は、例えば、検出器システムのアレイに含まれる画素数と、採用されている製作技術（これが、結果として得られる回路の幾何学的配置と特徴のサイズとを事実上定めている）とのような、要因によって決まる。従って、(例えば、陽極107と読み出しデバイス109との両者に関連する、同様のパッドのレイアウトと幾何学的配置によって、或いは、陽極のパッド構成と読み出しデバイスのパッド構成とが異なる場合における、構成のための１つ以上の相互接続層又は光学的テーパによって)陽極107を読み出しデバイス109に直接又は間接的に接続することができる。
利得媒体105の出力と陽極107との間には、ギャップが設けられている。陽極107上の電子雲(又は、利得媒体105の出力)の広がりを最小にするために、ギャップは、一般に、小さい(例えば、０．２ｍｍ乃至０．４ｍｍ程度である)、即ち、良い設計の実施の範囲内である。ＭＣＰを用いて利得媒体105が実施されている場合における、セグメント化された陽極の構成において、各陽極のパッドは、ＭＣＰの１つ以上の対応するチャネルから検出信号を受信する(一般に、ＭＣＰチャネルは、陽極のパッドよりも小さい)。(例えば、画像化の用途の場合のように)入力信号の空間関係を維持することが必要なときに、このような複数の陽極とＭＣＰの構成は、特に有益である。他の実施形態では、全てのＭＣＰチャネルによって生成された全電流を集める単一の(セグメント化されていない)陽極(事実上、単一の画素)で構成された陽極107を有していてもよい。
読み出しデバイス109は、従来の技術を用いて実施され得る。例えば、１つの例示的な場合において、読み出し回路109は、陽極107の各画素に対する増幅器を用いて実施され、検出信号の強度を希望のレベル(例えば、マイクロボルト又はミリボルトスケール)に増幅する。更に、読み出し回路109は、フィルタリング(例えば、帯域通過、又は他の適切な信号成形)及び／又はアナログ対ディジタル変換(例えば、８ビット又は１６ビットの解像度)を含み、後の処理／使用(例えば、画像解析、識別、等)のために、各増幅された検出信号を用意し得る。任意の場合において、バンプ接合のような従来の技術を使用して、読み出し回路109を陽極107の複数のパッド（又は、１つのパッド)に固定することができる。セグメント化された陽極の構成において、各陽極のパッド／読み出し回路のパッドの対は、検出器100の画素に事実上対応している。従って、読み出しデバイス109は、各画素／検出信号を受信して、それを、その後の信号処理に適した品質を有する信号に変換する。
他の実施形態では、ＭＣＰ以外の利得媒体105を有していてもよい。例えば、従来の光電子増倍管(photomultiplier, PMT)を使用して、利得媒体105を提供することができる。１つのこのような構成において、ダイノードチェーンを使用するＰＭＴ又は画像化光電管は、光電陰極103と陽極107の蛍光体との間における高電圧に依存する。陽極107を作って、高電圧バイアス(バイアス２)により加速された光電子の衝突によって、更なる電子を生成する場合に、このような光電子増倍管のアプローチは、埋め込まれた読み出し回路109を更に使用することができる。一般に、このプロセスは、衝突電離と称される。
コーナーキューブにより改善された光電陰極
図２ａは、本発明の１つの実施形態に従って構成されている、コーナーキューブにより改善された光電陰極の概略図である。光電陰極103の入力／入射側表面上に、窓101を備えていて、光電陰極103の出力／真空側表面の一部として、コーナーキューブアレイを備えていることが分かるであろう。光電陰極103の真空側表面において、コーナーキューブのアレイを、例えば、成長させるか、機械加工するか、又はさもなければ、形成することができる。既に説明したように、デバイス100の動作波長に適した窓101の上に、光電陰極103を蒸着させることができる。通常行なわれているように、光電陰極は導体を更に含んでおり、バイアス１を印加して、光電子を真空111に逃げ易くすることができる。
図２ａは、本発明の１つの実施形態に従って構成されている、コーナーキューブにより改善された光電陰極の概略図である。光電陰極103の入力／入射側表面上に、窓101を備えていて、光電陰極103の出力／真空側表面の一部として、コーナーキューブアレイを備えていることが分かるであろう。光電陰極103の真空側表面において、コーナーキューブのアレイを、例えば、成長させるか、機械加工するか、又はさもなければ、形成することができる。既に説明したように、デバイス100の動作波長に適した窓101の上に、光電陰極103を蒸着させることができる。通常行なわれているように、光電陰極は導体を更に含んでおり、バイアス１を印加して、光電子を真空111に逃げ易くすることができる。
１つの実施形態では、マンドレルを超微細加工（nano-machiene）して、アレイ状のコーナーキューブの希望の寸法に対応する寸法を有するコーナーキューブのパターンを生成する。１つのこのような場合に、(コーナーキューブアレイを含む)光電陰極103をマンドレル上で成長させるか、又はさもなければマンドレル上に形成して、その結果、マンドレルのコーナーキューブのパターンを、形成される光電陰極の表面に与える。マンドレルの材料を選択して、例えば、コーナーキューブの光電陰極103のリフトオフと超微細加工とを容易にして、光電陰極103の成長／形成を妨げないようにすることができる。より一般的な意味で、コーナーキューブアレイを構成している材料とくっつかない、又はさもなければ反応しない材料から、マンドレルは作られる。例えば、チタン、スチール、又は反応しない他の適切な金属と、半導体と、セラミック材料とから、マンドレルは作られ得る。このような場合に、（コーナーキューブアレイを含む）光電陰極103の材料は、例えば、ＧａＮ又はＣｓＴｅであり得る。マンドレルと光電陰極103を実施するこの開示を考慮すれば、多数の材料の概要が明らかになるであろう。成長／形成工程が完了した後で、窓101を光電陰極103に光学的に接触させることができ、両者をマンドレルからリフトオフすることができる。このような実施形態において、光電陰極103がまだマンドレル上にある間に、窓101を取り付けると、ある程度の剛性を与えて、両者は、マンドレルからのアセンブリのリフトオフを容易にして、更に、精密に作られた光電陰極103を保護する。図１を参照して記載した検出器デバイスの他のコンポーネントと共に、窓−光電陰極のアセンブリを使用することができる。
別の実施形態では、窓101の上に光電陰極103を形成して、次に、光電陰極103の上面の上に、コーナーキューブのアレイを形成する。標準的なフォトリソグラフィを使用して、光電陰極103の層にコーナーキューブアレイを形成することができる。例えば、希望のコーナーキューブのフォーマットを有するマスクを、光電陰極103の真空側表面上にパターニングする(例えば、リアクティブイオンエッチングを使用して、多次元のフォトレジストパターンを光電陰極上へ転写する)ことができる。標準のエッチング(例えば、ウェット又はプラズマエッチング)によって、光電陰極103の真空側表面上に、パターンを与えることができる。１つの特定のこのような実施形態では、例えば、ＵＶホログラフィックリソグラフィとプラズマエッチングとを使用して、コーナーキューブのマスクのパターニングと形成とを行なうことができる。コーナーキューブのような細かい特徴を有するアレイをパターニングするために、ホログラフィックリソグラフィを使用することができる。２つ以上のコヒーレントな光波間における干渉縞を定めて、フォトレジスト層に効果的に記録する。この干渉縞は、強度の最小値と最大値とを表わす周期的な一連のフリンジを含んでいる。標準的なフォトリソグラフィの工程に従って、パターンを露出すると、周期的な強度のパターンに対応するフォトレジストパターンが提供される。二光束干渉縞の場合に、フリンジ間の間隔又は周期は、[λ／２]／ｓｉｎ[θ／２]によって与えられる。なお、λは、波長であり、θは、２つの干渉波間の角度である。従って、最小の周期は、波長λの２分の１である。三光束干渉縞を使用することによって、六方対称を有するアレイを提供でき、四光束干渉縞を使用することによって、矩形対称を有するアレイを提供できることが分かるであろう。従って、異なるビームの組み合わせを重ね合わせると、異なるコーナーキューブのフォーマットを定めることができる。
動作において、本発明の実施形態によると、窓101の前にある光学系によって決まるフィールド分布（field distribution）及びＦコーン（F-cone）内において、光子が光電陰極103に入る。光電陰極103を最初に通った後で、電子を生成しない光子は、アレイに含まれているコーナーキューブによって元の経路に沿って返される。この開示を考慮して理解されるように、この構成は、多くの重要な効果を有する。特に、光子は、変換される２回目の機会を有し、その結果、量子効率を高める。更に、（小さな又はさもなければごく僅かなずれを伴って）同じ経路上で光子が返されるという事実は、システムの光学的解像度(検出器の変調伝達関数（modulation transfer function）、即ちＭＴＦ)が保たれることを意味する。更に、上述のように、コーナーキューブは、光電陰極103と同じ材料から作成され、従って、量子効率を一層高める。更に、光電陰極103の光学的厚さの殆どは、コーナーキューブによって提供される。更に、より大きな表面積を備えているので、コーナーキューブの中で生成された電子は、より高い確率で、真空111に逃げる。より詳しくは、図２ｂに示されているように、(均等分布の本来の統計的確率を想定した場合に)球形に均等に分散する初期方向で生成された電子が、真空111の中へ出ていく機会は、平面の光電陰極を用いて電子が有するであろう機会よりも多い。その理由は、コーナーキューブにより改善された光電陰極103における真空側エッジに、電子が到達する可能性がより高いからである。
コーナーキューブアレイは、任意の光電陰極103の量子効率を著しく高める。理想的な光電陰極は、全ての光子を吸収して、生成された全ての光電子を、光電陰極に使用されている材料の吸収帯内に放出する。一般的な光電陰極の量子効率は、数パーセントから５０％程度にわたる。ここに記載されている技術を使用すると、特に、ＵＶと、可視と、ＩＲのスペクトル範囲において動作する光電陰極ベースの検出器デバイスの場合に、通常は、量子効率を２倍に高めることができる。より詳しくは、量子効率は、幾つかの要因によって決まる。要因は、光電陰極材料の吸収断面と、その材料における経路長と、電子の平均自由行程と、表面の負の電子親和力(negative electron affinity, NEA)とを含む。吸収断面と平均自由行程は、使用される材料に関連して変化する。一般に、例えば、表面をセシウムで処理することによって、ＮＥＡを得ることができる。ここに提供されている技術を使用して、経路長を少なくとも２倍に増加することによって量子効率を高めて、更に、コーナーキューブの構造によって、真空表面へ電子が移動する距離を低減することができる。ここに記載されている量子効率の改善は、光電陰極として使用される任意の検出器の材料に適用され得ることが分かるであろう。一般に、選択される光電陰極の材料は、希望のスペクトル形状を得るために選択された材料の複合物又は合金であり得る。幾つかの実施形態において、光電陰極層の厚さは、数十ナノメートル（例えば、３０ｎｍ）乃至数百ナノメートル（例えば、３００ｎｍ）の範囲である。ナノテクノロジーの進歩と共に、特徴のサイズ(例えば、層の厚さ、コーナーキューブの寸法、等)は、小さくなり続けるかもしれない。
１つの特定の実施形態では、スペクトルのＵＶ部分において働くように、ＧａＮの光電陰極103を選択する。光電陰極103の厚さは、例えば、１００ｎｍ乃至２５０ｎｍの範囲であり得る。コーナーキューブは、同様にナノスケールの寸法を有し得る。例えば、図３に関して、例示的なコーナーキューブは、直径と高さとを有する円形のフォーマットで構成されている。幾つかの実施形態では、直径は、１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲であり得る。高さは、３０乃至２５０ｎｍの範囲であり得る。
ここでは多数の他のコーナーキューブのフォーマットと形状とを使用でき、請求項に係る発明を任意の特定の構成に制限することを意図していないこととが分かるであろう。例えば、図３に示されているような円形のコーナーキューブのフォーマットを使用できる一方で、このような構成は、光電陰極103のエリアをカバーするアレイに対して、フィルファクタロス（fill factor loss）を有する。より高いフィルファクタが望ましい実施形態では、正方形のコーナーキューブのフォーマットを使用でき、それによって、１００％の(又は、それに近い)フィルファクタを提供する。正方形のコーナーキューブの寸法は、例えば、１００ｎｍ乃至２５０ｎｍの範囲であり得る。更に、典型的な検出器と画像増倍管は、一般に、１８ｎｍと２５ｎｍのタイプとして構成されている。しかしながら、更に、より大きな光電陰極デバイス(例えば、５００ｎｍ)も作ることができる。任意のこのような場合において、要求される任意の作用領域に対して、ここで提供されているコーナーキューブ技術を調整できることに留意すべきである。
既に説明したように、コーナーキューブの特徴を考慮に入れると、光電陰極材料を通る光学経路は、２倍を超える。従来の構成は、これを可能にしていない。例えば、１つの従来の光電陰極の構成は、ファイバ束を採用しており、ファイバ束は、切頭型（truncated）のコーナーキューブで終端したファイバ端部を有している。コーナーキューブは、光電陰極材料でコーティングされている。この従来のアプローチに関連する１つの重要な問題は、電子が光電陰極材料の表面で生成されるということであり、真空側に出て行く確率を下げることになる。これに対して、ここで提供されている技術は、(光ファイバと光電陰極のインターフェイスからの多重反射と対照的に)光電陰極材料内の経路長を増すことができる。従来のファイバ束のアプローチに関連する別の問題は、画像の解像度が、光ファイバのサイズによって制限されるということである。光ファイバのサイズは、一般に、ミクロンスケールよりも小さくない(例えば、３ミクロン以上)。これに対して、ここに記載されているコーナーキューブアレイは、ナノスケールで実施され得る。ここに記載されているように、光電陰極材料からコーナーキューブを作る別の利点は、光電子が真空のインターフェイスに到達し、十分なエネルギを有して真空に出ていく確率を高めることである。つまり、コーナーキューブは、真空への複数の経路を提供する。
形成方法−マンドレル
図４は、本発明の１つの実施形態に従って、コーナーキューブにより改善された光電陰極デバイスを作成する方法を示している。デバイスは、光電陰極層の内側表面上、特に、真空側表面上に作成されたコーナーキューブのアレイを有する。コーナーキューブアレイは、光電陰極層の一部であり、従って、同じ材料である。光電陰極を最初に通った後で、電子を生成しない光子は、コーナーキューブのうちの１つによって、元の経路に沿って返されて、その結果、量子効率を高める。
図４は、本発明の１つの実施形態に従って、コーナーキューブにより改善された光電陰極デバイスを作成する方法を示している。デバイスは、光電陰極層の内側表面上、特に、真空側表面上に作成されたコーナーキューブのアレイを有する。コーナーキューブアレイは、光電陰極層の一部であり、従って、同じ材料である。光電陰極を最初に通った後で、電子を生成しない光子は、コーナーキューブのうちの１つによって、元の経路に沿って返されて、その結果、量子効率を高める。
方法は、希望のコーナーキューブのパターンを生成するように構成されたマンドレルを提供すること401を含む。既に説明したように、幾つかのコーナーキューブのフォーマット(例えば、三角形、正方形、等)と、特徴のサイズ(例えば、ナノスケール、ミクロスケール、等)とを用いて、コーナーキューブのパターンを実施することができる。続いて、方法は、マンドレル上に光電陰極を形成して、コーナーキューブのパターンを光電陰極の真空側表面上に与える403。光電陰極は、光子を放出する適切な物質(例えば、ＩＩＩ−Ｖ物質のシステム、例として、ＧａＮ又はＧａＡｓ、或いはＣｅＴｅ)のうちの幾つかであり得る。既に説明したように、光電陰極を構成している材料にくっつかない又はさもなければ反応しない材料から、マンドレルを作る。
続いて、方法は、窓を光電陰極の入射側表面に光学的に接触させる405。通常、窓は、目的とするスペクトル範囲に対して透明である。光電陰極の入射側表面は、入ってくる光子が衝突する表面であることが分かるであろう。既に説明したように、例えば、物理的結合、化学結合、又は融着によって、接合を達成することができる。窓と共に、更なる光学機器を使用して、入射光を収集する及び／又は集束させてもよい。
続いて、方法は、窓と光電陰極とのアセンブリをマンドレルからリフトオフする407。例えば、押し棒（push stick）又はアクチュエータ(例えば、マンドレルからアセンブリを引き上げる、又はさもなければ押される、空気圧又は水圧機構)を使用して、リフトオフを達成することができる。続いて、方法は、窓と光電陰極とのアセンブリと、利得媒体(例えば、ＭＣＰ、等)とを、真空を介して結合して409、利得媒体の出力と、陽極及び読み出し回路とを、真空を介して結合する411。既に説明したように、陽極及び読み出し回路は、集積回路又はディスクリートなコンポーネントとして実施され得る。
形成方法−リソグラフィ
図５は、本発明の別の実施形態に従って、コーナーキューブにより改善された光電陰極デバイスを作成する方法を示している。図４に関連して既に記載した実施形態に対する代わりの実施形態として、この実施形態を使用することができる。ここでは、マンドレルを使用して、コーナーキューブアレイを形成するのではなく、標準的なフォトリソグラフィを使用する。
図５は、本発明の別の実施形態に従って、コーナーキューブにより改善された光電陰極デバイスを作成する方法を示している。図４に関連して既に記載した実施形態に対する代わりの実施形態として、この実施形態を使用することができる。ここでは、マンドレルを使用して、コーナーキューブアレイを形成するのではなく、標準的なフォトリソグラフィを使用する。
この方法は、目的とするスペクトル範囲に対して透明な窓を提供すること501と、次に、窓の上に光電陰極を形成すること503と、を含む。例えば、任意の適切な蒸着技術を使用して、光電陰極を成長させるか、又はさもなければ形成することができる。任意の適切な蒸着技術は、例えば、化学蒸着、気相エピタキシ、分子線エピタキシ、及び／又は液相エピタキシである。窓の上に光電陰極を形成する際に、幾つかの従来の技術を使用することができる。
続いて、方法は、光電陰極の真空側表面上に、コーナーキューブのパターンを形成する505。既に説明したように、標準的なフォトリソグラフィ技術を使用して、コーナーキューブアレイを形成することができる。１つの特定の実施形態では、ＵＶホログラフィックリソグラフィとプラズマエッチングとを使用して、コーナーキューブアレイを形成する。続いて、方法は、図４に関連して記載したやり方に類似したやり方で進む。即ち、窓と光電陰極とのアセンブリと、利得媒体(例えば、ＭＣＰ、等)とを、真空を介して結合して409、利得媒体の出力と、陽極及び読み出し回路とを、真空を介して結合する411。
上述の本発明の実施形態は、例示と説明を目的として提示されている。本発明を網羅すること、又は開示した形式そのものに本発明を制限することを、意図したものではない。この開示を考慮して、多くの変更とバリエーションが可能である。この詳細な記載によってではなく、むしろ請求項によって、本発明の範囲を制限することが意図されている。
Claims (20)
- 窓と、
光電陰極層と、
を具備し、
前記光電陰極層は、
前記窓に光学的に結合されている入射表面と、
前記光電陰極層の中に形成されているコーナーキューブアレイを有する真空側表面と、
を有し、
前記コーナーキューブアレイは、前記光電陰極層と同じ材料で作られている、
光電陰極デバイス。 - 真空とバイアスとを介して、前記真空側表面に動作可能に結合されている利得媒体と、
前記真空によって、前記利得媒体に動作可能に結合されている陽極と、
を更に具備する、請求項１の光電陰極デバイス。 - 前記陽極に動作可能に結合されている読み出しデバイス、
を更に具備する、請求項２の光電陰極デバイス。 - 前記利得媒体は、マイクロチャネルプレートを含む、請求項２の光電陰極デバイス。
- 前記利得媒体は、光電子増倍管を含む、請求項２の光電陰極デバイス。
- 前記光電陰極層は、窒化ガリウム又はセシウムテルライドを含む、請求項１の光電陰極デバイス。
- 前記コーナーキューブアレイは、１５０ｎｍ以下の範囲の高さを有するコーナーキューブを含む、請求項１の光電陰極デバイス。
- 前記コーナーキューブアレイは、正方形のフォーマットを有するコーナーキューブを含む、請求項１の光電陰極デバイス。
- 光電陰極デバイスを作る方法であって、
窓を提供するステップと、
光電陰極層を前記光電陰極層の入射表面によって前記窓に光学的に結合するステップと、
前記光電陰極層と同じ材料で作られているコーナーキューブアレイを、前記光電陰極層の真空側表面上に形成するステップと、
を具備する、方法。 - 真空とバイアスとを介して、利得媒体を前記真空側表面に動作可能に結合するステップと、
前記真空によって、陽極を前記利得媒体に動作可能に結合するステップと、
を更に具備する、請求項９の方法。 - 読み出しデバイスを前記陽極に動作可能に結合するステップ、
を更に具備する、請求項１０の方法。 - 前記利得媒体は、マイクロチャネルプレート又は光電子増倍管を含む、請求項１０の方法。
- 前記光電陰極層は、窒化ガリウム又はセシウムテルライドを含む、請求項９の方法。
- 前記コーナーキューブアレイは、１５０ｎｍ以下の範囲の高さを有するコーナーキューブを含む、請求項９の方法。
- 前記コーナーキューブアレイは、正方形のフォーマットを有するコーナーキューブを含む、請求項９の方法。
- 前記光電陰極層の真空側表面上に前記コーナーキューブアレイを形成する前に、前記窓の上に前記光電陰極層を形成する、請求項９の方法。
- コーナーキューブアレイの希望の寸法に対応する寸法を有するコーナーキューブのパターンを備えて構成されているマンドレル上に前記光電陰極層を形成することによって、前記光電陰極層の真空側表面上にコーナーキューブアレイを形成する、請求項９の方法。
- 前記コーナーキューブアレイを形成した後に、前記光電陰極層を前記窓に光学的に結合する、請求項１７の方法。
- 窓と、
光電陰極層と、
利得媒体と、
陽極と、
読み出しデバイスと、
を具備し、
前記光電陰極層は、
前記窓に光学的に結合されている入射表面と、
前記光電陰極層の中に形成されているコーナーキューブアレイを有する真空側表面と、を有し、
前記コーナーキューブアレイは、前記光電陰極層と同じ材料で作られていて、
前記コーナーキューブアレイは、正方形のフォーマットと、１５０ｎｍ以下の範囲の高さと、を有するコーナーキューブを含み、
前記利得媒体は、真空とバイアスとを介して、真空側表面に動作可能に結合されていて、
前記陽極は、前記真空によって、前記利得媒体に動作可能に結合されていて、
読み出しデバイスは、前記陽極に動作可能に結合されている、
光電陰極デバイス。 - 前記利得媒体は、マイクロチャネルプレート又は光電子増倍管を含み、
前記光電陰極層は、窒化ガリウム又はセシウムテルライドを含む、請求項１９の光電陰極デバイス。
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