KR20170133368A - 다중대역 광음극 및 관련 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성층(230) 및 입사 광자의 흐름을 받아들이기에 적합한 입력 윈도우(210)를 포함하는 광음극에 관한 것으로, 상기 활성층은 입사 광자의 흐름 방향으로 감소하는 금지된 대역폭을 갖는 반도체로 물질로 구성된 복수의 기본층(230₁, 230₂)으로 구성된다. 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면(240₁, 240₂)을 갖도록 입력 윈도우와 대향된 광음극 표면이 구조화된다. 기본층의 반도체 물질을 선택함으로써, 가시광선 스펙트럼 및 근적외선 모두에서 높은 감도를 갖는 영상을 얻을 수 있다.

Description

다중대역 광음극 및 관련 검출기{MULTIBAND PHOTOCATHODE AND ASSOCIATED DETECTOR}

본 발명은 광음극 분야 특히, 영상 증폭기 또는 전자 충격 CMOS(EBCMOS, electron bombarded CMOS) 또는 전자 충격 CDD(EBCDD, electron bombarded CDD) 유형 센서와 같은 전자기 방사선 검출기에 관한 것이다. 이는 야간 투시경 또는 적외선 카메라 분야에 적용된다.

영상 증폭관 및 광전 증배관 등과 같은 전자기 방사선 검출기는 전자기 방사선을 빛 또는 전기 출력 신호로 변환하여 전자기 방사선을 검출할 수 있다.

전자기 방사선 검출기는 보통 전자기 방사선을 받아들이고 응답으로 광전자 흐름을 방출하는 광음극, 상기의 광전자 흐름을 받아들이고 응답으로 소위 이차 전자의 흐름을 방출하는 전자 증배관 장치, 및 이후 상기의 이차 전자의 흐름을 받아들이고 응답으로 출력 신호를 방출하는 출력 장치를 포함한다.

출력 장치는 입사 광자의 흐름 분포를 나타내는 전기 신호를 제공하기 위해 영상 증폭기 또는 심지어 CCD 또는 CMOS 배열에서와 같이 영상으로의 직접 변환을 보장하는 형광면일 수 있다.

여하튼, 광음극은 보통 관심이 있는 스펙트럼 대역에서 투명한 윈도우 층이라 지칭되는 층을 포함하고, 상기 윈도우 층은 입사 광자를 받아들이는 수광면이라 지칭되는 전면 및 그와 대향된 배면을 포함한다. 반사 방지층은 전면 위에 증착된다. 활성층은 윈도우 층의 배면 위에 증착된다. 따라서, 입사 광자는 수광면으로부터 윈도우 층을 통과한 후, 그들이 전자-홀 쌍을 생성하는 활성층을 관통한다.

생성된 전자는 활성층의 방출면으로 이동하여 진공 상태에서 방출된다.

이후, 광전자는 마이크로 채널 플레이트와 같은 전자 증배관 장치로 보내져서 가속된다.

광음극은 일반적으로 GaAs와 같은 반도체 물질 Ⅲ-Ⅴ로 구성된다. 그러나, GaAs 광음극이 가시광선 스펙트럼에서 좋은 양자 효율(대략 40%)을 갖는 경우, (GaAs의 밴드 갭에 대응하는) 870㎚보다 높은 파장에 대해서는 근적외선에서 GaAs 광음극을 사용할 수 없다.

가시광선 스펙트럼 및 근적외선 모두에서 감도를 갖는 광음극을 얻기 위해, 상이한 조성의 반도체 물질 Ⅲ-Ⅴ의 복수의 기본층으로 구성된 활성층을 사용하는 것이 특허 US-B-6005257에 제공되었으며, 이들 반도체 물질의 밴드 갭은 입사 흐름의 방향으로 감소하도록 선택되었다.

도 1은 당업계에 공지된 다층 구조를 갖는 광음극(100)을 나타낸다.

광음극은 반사 방지층(121) 및 전자 거울(122)이 증착되는 유리 입력 윈도우(110)를 포함한다. 거울 위에 위치한 활성층(130)은 N개의 Ga_{1 - x}In_xAs 기본층(130₁, …, 130_N)의 중첩으로 구성되고, 인듐의 농도 x는 입사 흐름의 방향으로 증가한다. 다시 말해서, 입사 흐름의 방향으로, 연속하는 기본층의 밴드 갭은 입사 흐름의 방향으로 점점 더 낮은 밴드 갭(E_g1,…, E_gN), 즉 E_g1 > … > E_gN을 갖는다. 제1 기본층(130₁)은 E_g1보다 높은 에너지를 갖는 광자를 흡수하고, 제2 층(130₂)은 E_g2보다 높은 에너지를 갖고 이미 흡수된 광자가 아닌 광자를 흡수하고, 기타 등등이다. 기본층에서 생성된 전자-홀 쌍의 전자들은 광전 방출면(150)까지 확산되어 진공 상태에서 방출되고 전기장의 효과 하에서 가속된다. 입사 흐름과 반대 방향으로 확산하는 전자들은 전자 거울에 의해 유도된 밴드 곡률에 의해 반사된다. 실제로, 전자 거울은 활성층의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭을 갖는 반도체 층으로 구성된다. 예를 들어, 거울 층은 GaAlAs로 구성되는 반면에 활성층은 GaInAs로 구성된다.

이러한 광음극은 가시광선 스펙트럼(0.4㎛ 내지 0.8㎛) 및 근적외선 스펙트럼(λ>0.9㎛) 또는 SWIR(단파장 IR) 모두에서 감도를 갖는다. 그러나, 이러한 광음극은 일반적으로 가시광선 스펙트럼에서 불충분한 감도를 갖는다. 실제로, 활성층의 제1 기본층에서 생성된 전자는 광전 방출면에 도달하기 전에 홀과 재결합되거나 결함에 의해 포획될 확률이 크다. 또한, 이러한 광음극은 영상화되길 원하는 스펙트럼 부분을 선택할 수 없다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 가시광선에서 근적외선까지의 전체 스펙트럼 범위에서 높은 감도(즉, 대략 25% 또는 그 이상의 양자 효율)를 갖는 광음극을 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 결정된 스펙트럼 대역을 선택하거나, 가시광선 스펙트럼의 것과 같은 제1 스펙트럼 대역에서 근적외선의 것과 같은 제2 스펙트럼 대역으로, 및 그 반대로 동적으로 전환할 수 있는 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명은 입사 광자의 흐름을 수광하는 입력 윈도우 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층이 입사 광자의 흐름 방향으로 감소하는 밴드 갭을 갖는 반도체 물질의 복수의 기본층을 포함하는 광음극에 의해 정의되는데, 상기 광음극은 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면을 갖도록 입력면과 대향된 광음극의 표면이 구조화되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 각 기본층의 광전 방출면은 패턴들의 배열에 의해 형성되고, 두 개의 연속하는 기본층의 패턴들은 인터리빙된다.

활성층은 GaAs 또는 GaAsP의 제1 기본층 및 1>x>0을 갖는 Ga_{1 - x}In_xAs, GaAs_{1 -}xSb_x, GaAs_{1 - x}Bi_x에서 선택된 반도체 물질의 제2 기본층으로 구성될 수 있다.

유리하게, 기본층의 상이한 광전 방출면은 활성층으로 덮혀있다.

유리한 실시예에 따르면, 활성층은 제1 기본층 및 제2 기본층으로 구성되고, 제2 기본층은 제2 기본층에서 생성된 광전자를 진공 상태에서 방출하는 방출층에 의해 덮혀있고, 제1 기본층은 제1 광전 방출면을 갖고, 방출층은 제2 광전 방출면을 갖는다.

이후, 제1 기본층이 제1 전극에 연결되고, 제1 전극과 제2 전극이 상이한 전위를 제공할 수 있도록 방출층은 제1 전극과는 별개의 제2 전극에 연결된다.

바람직하게, 제1 및 제2 광전 방출면은 활성층으로 덮혀있다.

제1 기본층의 광전 방출면은 일반적으로 패턴들의 제1 배열에 의해 형성되고, 방출층의 광전 방출면은 패턴들의 제2 배열에 의해 형성된다는 점에서, 제1 및 제2 배열의 패턴은 인터리빙된다.

패턴들의 제1 및 제2 배열은 주기적 또는 유사 주기적이다.

제1 기본층은 InP로 구성될 수 있고, 제2 기본층은 GaInAs, GaInAsP, AlInAsP로 구성될 수 있고, 방출층은 InP로 구성될 수 있다.

제1 기본층은 GaAs로 구성되고, 제2 기본층은 GaInAs로 구성되고, 방출층은 GaInP로 구성된다.

활성층은 예를 들어 Ag-Cs₂O로 구성된다.

유리하게, 활성층은 기본층의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭의 반도체 물질의 층으로 구성되는 전자 거울 위에 증착된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련하여 바람직한 실시예를 읽을 때 나타날 것이다.
도 1은 당업계에 공지된 다층 광음극의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 광음극의 활성층의 상이한 예시적인 구조를 평면도로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 나타낸다.

본 발명의 기본 원리는 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면을 갖도록 입력 윈도우와 대향된 표면이 구조화되는 다층 구조를 갖는 광음극을 사용하는 것이다. 각 기본층의 광전 방출면은 유리하게 패턴들의 배열의 형태이고, 상이한 기본층의 패턴은 인터리빙된다. 보다 정확하게, (입사 흐름의 방향으로) 제1 층 이외의 각 기본층은 하위 기본층의 광전 방출면을 드러내는 윈도우들의 배열을 갖는다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 도시한다.

이러한 광음극은 반사 방지층(221) 및 전자 거울(222)이 유리하게 증착되는 입사 광자의 흐름을 받아들이는 유리 입력 윈도우(210)를 포함하고, 전자 거울의 기능은 전술한 선행 기술에서와 같이, 활성층(230)에서 생성된 광전자를 반사하는 것이다. 이러한 활성층은 입사 광자의 흐름 방향, 즉 활성층의 전면을 향한 후면으로 감소하는 밴드 갭을 갖는 복수의 N개의 기본 반도체 층으로 구성된다. 유리하게, 전자 거울은 활성층의 기본층들의 밴드 갭보다 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 물질의 층으로 구성된다.

본 경우에서, 활성층은 제1 밴드 갭(E_g1)을 갖는 제1 기본층(230₁) 및 제2 밴드 갭(E_g2 < E_g1)을 갖는 제2 기본층(230₂)으로 구성된다고 가정하였다. 바람직하게, 기본층들은 반도체 물질 Ⅲ-Ⅴ, 예를 들어 입사 광자의 흐름 방향으로 농도 x가 증가하는 Ga_{1 - x}In_xAs, GaAs_{1 - x}Sb_x, GaAs_{1 - x}Bi_x와 같은 물질 Ⅲ-Ⅴ의 삼원 합금으로 구성된다.

전극(270)은 광음극이 장착될 검출기, 예를 들어 EBCMOS 또는 EBCDD 검출기의 양극에 대해 음으로 바이어스되는 것을 가능하게 한다.

도시된 경우에서, 제1 기본층은 GaAs 층(x=0) 또는 심지어 얇은 GaAs 기판일 수 있고, 제2 기본층은 X>0인 전술한 삼원 화합물 중 하나일 수 있다. 농도 x는 원하는 스펙트럼 대역을 커버하도록 선택된다. 전자 거울은 GaAlAs로 구성될 수 있다.

이들 상이한 반도체 층은 공지된 방식 자체로, 예를 들어 유기 금속 화학 증착법(MOCVD, metal organic chemical vapour deposition) 또는 분자선 에피택셜법(MBE, molecular beam epitaxy)에 의해 에피택셜 방식으로 성장된다.

활성층은 예를 들어 차별 에칭에 의해 구조화된다. 이러한 구조화는 제2 기본층이 제거된 제1 기본층의 구역(240₁)으로 구성되는 제1 광전 방출면 및 할애된 제2 기본층의 구역(240₂)으로 구성되는 제2 광전 방출면을 나타낸다.

제1 광전 방출면은 제1 기본층의 표면에서 패턴들의 제1 배열의 형태가 될 수 있다. 마찬가지로, 제2 광전 방출면은 제2 기본층의 표면에서 패턴들의 제2 배열의 형태가 될 수 있다. 제1 및 제2 광전 방출면의 패턴들은 인터리빙된다. 다시 말해서, 광음극의 가장자리를 제외하고, 제2 기본층의 패턴은 제1 기본층의 두 개의 패턴 사이에 위치한다.

일반적으로, 광음극은 N개의 기본 반도체 층으로 구성된 활성층을 가지며, 각각의 기본층은 자체 광전 방출면을 갖는다. 각각의 광전 방출면은 패턴들의 배열의 형태가 될 수 있고, 따라서, 활성층의 두 개의 임의의 기본층의 광전 방출면의 패턴들은 이전의 의미로 인터리빙된다.

이들 패턴은 정사각형, 직사각형, 육각형, 환형, 부채형 또는 훨씬 더 복잡한 모양을 갖는다. 유리하게, 상이한 광전 방출면의 패턴들은 활성층의 평면의 타일링을 가능하게 한다.

*상이한 기본층에 대한 패턴의 크기 및/또는 배열의 피치는 후술하는 바와 같이 가중치 및 스펙트럼 분해능 기준에 따라 상이하게 선택될 수 있다.

도 3a는 활성층의 제1 예시적인 구조화를 나타낸다. 제2 기본층의 광전 방출면은 평면의 Ox 및 Oy 방향으로 피치 b를 갖는 패턴들의 배열의 형태가 되고, 패턴(240₂)은 여기에서 정사각형 모양 및 크기 a x a를 갖는다. 제1 기본층의 광전 방출면은 잔여 구역(240₁)에 의해 형성된다.

도 3b는 활성층의 제2 예시적인 구조화를 평면도로 나타낸다. 피치 b=2a를 갖는 패턴들의 제1 배열은 평면의 Ox 및 Oy 방향으로 구별될 수 있다. 또한, 패턴(240₂)은 정사각형 모양 및 크기 a x a를 갖는다. 형성된 제2 배열은 패턴(240₂)의 반복이고, 제1 배열과 동일한 특성을 가지며, 제1 및 제2 배열은 인터리빙된다.

도 3c는 활성층의 제2 예시적인 구조화를 평면도로 나타낸다. 활성층은 여기에서 N=7개의 기본층(예를 들어, 상이한 농도 값 x를 갖는 Ga_{1 - x}In_xAs 층)으로 구성된다. 도면에서, 상이한 기본층과 관련된 광전 방출면의 각각의 패턴들은 240₁ 내지 240₇로 기록되었다. 패턴들은 여기에서 육각형 모양을 가지며, 활성층의 평면의 타일링을 형성하기 위해 인터리빙된다.

도 3d는 활성층의 제3 예시적인 구조화를 평면도로 나타낸다. 활성층은 N=3개의 기본층으로 구성된다. 상이한 광전 방출면의 각각의 패턴은 240₁ 내지 240₃으로 표시하였다. 패턴은 여기에서 직사각형이고 상이한 크기임을 유의해야 한다.

고려된 구조화 유형에 관계없이, 상이한 기본층들의 광전 방출면은 유리하게 얇은 활성층, 예를 들어 Cs₂O 층 또는 심지어 Ag-Cs₂O 층으로 코팅된다. 이러한 활성층은 진공 레벨이 커버하는 기본층들의 전도대 레벨 아래로 낮아질 수 있도록 함으로써 광전 방출이 진공 상태 에서 용이해지도록 한다(음의 전자 친화력 광음극).

상이한 기본 반도체 층의 패턴의 각 크기 및 주기는 상이한 스펙트럼 대역에서 광음극의 감도를 높이기 위해 선택된다.

도 2로 되돌아가보면, 제1 GaAs 기본층의 구역(240₁)에 의해 방출된 광전자들은 스펙트럼의 가시광선 부분에 해당한다는 것을 알 수 있다. 반면에, 구역(240₂)에 의해 방출된 광전자들은 나중에 제2 기본층의 광전 방출면까지 확산되는 제1 기본층(230₁)에서 생성된 광전자 또는 동일한 표면을 향해 확산되는 제2 기본층에서 생성된 광전자일 수 있다. 다시 말해서, 제2 기본층의 구역(240₂)에 의해 방출된 광전자는 가시광선 스펙트럼(GaAs에 의해 흡수) 또는 근적외선 스펙트럼(Ga_{1 -x}In_xAs에 의해 흡수)에 해당한다.

구역(240₁ 및 240₂)의 각 크기를 선택함으로써, 가시광선 스펙트럼 및 근적외선 스펙트럼에서의 광음극의 감도를 향상시키거나 그와는 반대로 밸런스를 맞추는 것이 가능하다. 특히, 가시광선 스펙트럼 및 근적외선 모두에서 높은 감도를 갖는 영상을 얻는 것이 가능하다.

제 1 및 제2 기본층의 광방출 구역(240₁ 및 240₂)은 인터리빙된 패턴들에 따라 배열된다. 다시 말해서, 한 구역의 패턴은 다른 구역의 패턴들로 둘러싸여있다. 이들 패턴은 광음극의 평면에서의 주기 또는 유사 주기에 따라 배열된다. 예를 들어, 도 3b에서, 광방출 구역(240₁ 및 240₂)의 패턴들은 Ox 및 Oy 방향으로 피치 b/2를 갖는 두 개의 주기적 배열에 따라 배열된다.

그러나, EBCMOS 또는 EBCDD 센서 소자의 피치가 주기적 배열들의 피치와 약간 상이한 경우, 무아레(Moire) 효과가 나타날 수 있다. 이러한 경우, 유사 랜덤 패턴에 따라, 즉 피치 b+ε(x,y)로 광방출 구역의 패턴을 배열하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서 ε(x,y)는 유사 랜덤 변수이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 도시한다.

본 광음극은 제1 실시예에서와 같이, 반사 방지층(421) 및 전자 거울(422)이 유리하게 증착되는 입사 광자의 흐름을 받아들이는 유리 입력 윈도우(410)를 포함한다.

활성층(430)은 제1 밴드 갭(E_g1)을 갖는 제1 반도체 물질의 제1 기본층(430₁) 및 제1 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭(E_g2)을 갖는 제2 반도체 물질의 제2 기본층(430₂)으로 구성된다. 이들 기본층은 모두 제1 실시예에서와 같이 광전자 생성층이다.

전극(470₁)은 광음극이 장착될 검출기, 예를 들어 EBCMOS 또는 EBCDD 검출기의 양극에 대해 음으로 바이어스되도록 할 수 있다.

제1 실시예와 달리, 광전 방출층(440)은 활성층 위에 증착된다. 이러한 방출층은 제2 반도체 물질의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭의 반도체 물질로 구성된다. 제2 기본층은 대략 10¹⁷ ㎝^-3의 도핑 레벨에서 p⁺ 도핑된다. 반면에, 방출층은 대략 10¹⁵ ㎝^-3의 실질적으로 더 낮은 도핑 레벨에서 p 도핑된다. 방출층은 방출층이 고갈되도록 전극(470₂)에 의해 제2 기본층에 대해 양으로 바이어스된다. 제2 기본층에서 생성된 광전자는 결국 이러한 층의 전도대의 바닥에 대해 높은 에너지 레벨을 갖는 방출층 내의 전기장의 작용 하에서 끝난다. 따라서, 그들은 방출층 위에 증착된 얇은 활성층(도시되지 않음)과 인터페이스 장벽을 더 쉽게 교차한다. 이러한 광음극 구조는 전자 전달 광음극(TEP, transfer electron photocathode)으로 알려져 있다. 전자 전달 광음극의 상세한 설명은 참조로 본 명세서에 포함된 특허 US-B-3958143에서 찾을 수 있다.

활성층의 제1 기본층은 예를 들어 InP 층일 수 있고, 제2 기본층은 예를 들어 GaInAs 층일 수 있다. 본 경우에 방출층은 InP 층일 수 있다.

대안적으로, 활성층의 제1 기본층은 GaAs 층일 수 있고, 제2 기본층은 GaInAs 층일 수 있다. 본 경우에 방출층은 GaInP 층일 수 있다.

두 경우 모두, 전자 거울은 GaAlAs 층일 수 있다.

얇은 활성층은 예를 들어 진공 하에서의 증착에 의해 증착된 Cs₂O 또는 Ag-Cs₂O 층이다. 전술한 바와 같이, 이러한 층은 진공 레벨을 낮춤으로써 광전 방출을 용이하게 할 수 있다.

활성층 및 방출층의 다른 조성들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 특히 고려될 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 입력 윈도우와 대향된 광음극의 표면은 활성층의 제1 기본층이 자체 광전 방출면을 갖도록 구조화된다. 예를 들어, 마스크를 증착한 후에, 제1 기본층까지 방출층 및 제2 기본층이 에칭된다. 따라서, 제1 기본층(430₁)과 관련된 제1 광전 방출면 및 방출 층(440)과 관련된 제2 광전 방출면이 얻어진다. 제1 광전 방출면은 제1 기본층(430₁)의 구역(440₁)으로 구성되고, 제2 광전 방출면은 방출층(440)의 구역(440₂)으로 구성된다.

필요한 경우, 방출층(440)의 구역(440₂)뿐만 아니라 제1 기본층(430₁)의 구역(440₁)도 커버하도록 에칭 단계 후에 얇은 활성층이 증착된다.

고려된 대안이 무엇이든, 제1 기본층은 제1 전극(470₁)에 연결되고, 방출층(440)의 구역(440₂)은 금속 게이트를 형성하는 기본 전극(470₂)에 연결된다. 따라서, 제1 기본층은 전위 V₁로 제공될 수 있고, 방출층은 전위 V₂로 제공될 수 있다. 검출기의 양극 전압(V_a)은 V_a > V₁, V₂가 되도록 선택된다.

V₂가 V₁보다 약간 높은 V₂ > V₁의 경우, 방출층의 구역(440₂)은 근본적으로 제2 기본층에서 생성된 광전자를 방출한다. 이어서, 제1 기본층의 구역(440₁)은 제1 기본층에서 생성된 광전자를 방출한다. 따라서, 가시광선 스펙트럼(구역(440₁)의 기여) 및 SWIR 스펙트럼(구역(440₂)의 기여) 모두의 영상(I_{V& SWIR})이 얻어질 수 있다. 광음극이 EBCMOS 또는 EBCDD형 검출기에 장착되는 경우, 구역(440₁)에 대응하는 픽셀들이 구역(440₂)에 대응하는 픽셀들과 구별될 수 있기 때문에 두 개의 별개의 영상이 각각 얻어질 수 있다.

반면에, V₂ < V₁을 선택한 경우, 방출층의 구역(440₂)은 후자가 인터페이스 장벽을 통과하기에 충분한 에너지를 갖지 않는 한 광전자를 방출하지 않는다. 이어서, 구역(440₁)은 제1 기본층에서 생성된 광전자를 계속 방출한다. 따라서, 가시광선 스펙트럼에서만의 영상(I_v)이 얻어진다.

따라서, 전위(V₁, V₂)에 따라, 가시광선에서의 영상, SWIR 스펙트럼에서의 영상, 또는 두 영상의 조합도 얻을 수 있음을 알 수 있다.

가시광선 및 SWIR 스펙트럼에서의 영상을 정렬하고 그들의 해상도를 개선하기 위해, 패턴(440₁)에 대응하는 픽셀 및/또는 패턴(440₂)에 대응하는 픽셀들 사이에 보간이 이루어질 수 있다.

제1 실시예에서와 같이, 패턴(440₁ 및 440₂)은 주기적 배열에 따라, 또는 무아레(Moire) 효과의 경우에는 유사 주기적 배열에 따라 배열될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예의 대안에 따른 다층 광음극의 구조를 나타낸다.

소자(510 내지 540_1-540₂)는 도 2의 소자(210 내지 240_1-240₂)에 대응한다.

그러나, 대안에 따르면, 제1 패턴들을 마스킹한 후에 활성층의 제1 기본층(530₁)이 먼저 에칭된다. 이후, 제2 패턴들을 얻기 위해 에칭에 의해 얻어진 웰에서 제2 기본층(530₂)이 에피텍셜 방식으로 성장된다. 제2 층의 에피택시 후에, 제1 기본층이 플러시될 때까지 기계적 연마가 수행된다. 따라서, 제1 및 제2 패턴이 교대로 나타나는 평면 방출면이 얻어진다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예의 대안에 따른 다층 광음극의 구조를 나타낸다.

소자(610 내지 670_1-670₂)는 도 4의 소자(410 내지 470_1-470₂)에 대응한다.

이러한 대안은 제1 기본층(630₁)이 제1 패턴을 마스킹한 후에 에칭된다는 점에서 도 4의 것과 상이하다. 이후, 제2 패턴을 얻기 위해 에칭에 의해 얻은 웰에서 제2 기본층(630₂)이 에피택셜 방식으로 성장된다. 제2 기본층을 성장시킨 후, 마스크를 제거하기 전에 광전 방출층(640)이 성장된다. 이후, 전극(670_1-670₂)을 증착하기 전에 전체 표면 위에 활성층이 증착된다.

Claims (14)

1. 입사 광자의 흐름을 수광하는 입력 윈도우(210, 410, 510, 610) 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층이 입사 광자의 흐름 방향으로 감소하는 밴드 갭을 갖는 반도체 물질로 구성된 복수의 기본층(230₁, …, 230_N; 430₁, …, 430_N; 530₁, …, 530_N; 630₁, …, 630_N)을 포함하는 광음극으로서,
   상기 광음극은 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면(240₁, …, 240_N; 440₁, …, 440_N; 540₁, …, 540_N; 640₁, …, 640_N)을 갖도록 입력면과 대향된 광음극 표면이 구조화되는 것을 특징으로 하는 광음극.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 기본층의 광전 방출면은 패턴들의 배열에 의해 형성되고, 두 개의 연속하는 기본층의 패턴은 인터리빙되는 것을 특징으로 하는 광음극.
3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 GaAs 또는 GaAsP로 구성된 제1 기본층 및 1>x>0을 갖는 Ga_{1 - x}In_xAs, GaAs_{1 - x}Sb_x, GaAs_{1 - x}Bi_x에서 선택된 반도체 물질의 제2 기본층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광음극.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본층의 상이한 광전 방출면은 활성층으로 덮혀있는 것을 특징으로 하는 광음극.
5. 제 1 항에 있어서, 활성층(430, 630)은 제1 기본층(430₁, 630₁) 및 제2 기본층(430₂, 630₂)으로 구성되고, 상기 제2 기본층은 제2 기본층에서 생성된 광전자를 진공 상태에서 방출하는 방출층(440, 640)으로 덮혀있고, 상기 제1 기본층(430₁, 630₁)은 제1 광전 방출면(440₁, 640₁)을 갖고, 상기 방출층은 제2 광전 방출면(440₂, 640₂)을 갖는 것을 특징으로 하는 광음극.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 기본층(430₁, 630₁)은 제1 전극(470₁, 670₁)에 연결되고, 상기 방출층은 제1 전극 및 제2 전극이 상이한 전위를 제공할 수 있도록 제1 전극과는 별개의 제2 전극(470₂, 670₂)에 연결되는 것을 특징으로 하는 광음극.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광전 방출면은 활성층으로 덮혀있는 것을 특징으로 하는 광음극.
8. 제 6 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기본층의 광전 방출면은 패턴들의 제1 배열에 의해 형성되고, 상기 방출층의 광전 방출면은 패턴들의 제2 배열에 의해 형성되고, 상기 제1 및 제2 배열의 패턴들은 인터리빙되는 것을 특징으로 하는 광음극.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 패턴의 제1 및 제2 배열은 유사 주기적인 것을 특징으로 하는 광음극.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 배열은 유사 주기적인 것을 특징으로 하는 광음극.
11. 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기본층은 InP로 구성되고, 상기 제2 기본층은 GaInAs, GaInAsP, AlInAsP로 구성되고, 상기 방출층은 InP로 구성되는 것을 특징으로 하는 광음극.
12. 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기본층은 GaAs로 구성되고, 상기 제2 기본층은 GaInAs로 구성되고, 상기 방출층은 GaInP로 구성되는 것을 특징으로 하는 광음극.
13. 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 Ag-Cs₂O로 구성되는 것을 특징으로 하는 광음극.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 상기 기본층의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭의 반도체 물질의 층으로 구성된 전자 거울 위에 증착되는 것을 특징으로 하는 광음극.

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