RU2809590C1

RU2809590C1 - Photocathode for single-channel dual spectrum emission uv image receiver

Info

Publication number: RU2809590C1
Application number: RU2023122881A
Authority: RU
Inventors: Анастасия Николаевна Демидова; Павел Анатольевич Золотухин; Эдуард Анатольевич Ильичёв; Дмитрий Алексеевич Корляков; Иван Михайлович Мельников; Александр Владимирович Попов; Константин Эдуардович Певчих; Геннадий Сергеевич Рычков; Георгий Николаевич Петрухин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЮВИЗОР"
Filing date: 2023-09-04
Publication date: 2023-12-13

Abstract

FIELD: optoelectronics.

SUBSTANCE: vacuum emission optoelectronics used as photocathodes for single-channel dual-spectral electron-image amplifiers (EIA). In the photocathode, between the substrate and the diamond layer, high-purity layers of silicon and germanium are located sequentially, made in the form of grids with coaxially located holes, while the holes in the germanium layer are partially or completely filled with the substance of the diamond layer, and the substrate is made of sapphire or silicon in which the through centrally symmetrical hole is made.

EFFECT: ensuring coordinate reference of images of UV objects to the image of the surrounding area.

1 cl, 9 dwg

Description

Данное изобретение может быть использовано в качестве фотокатода, при конструировании одноканальных приемников изображений объектов, излучающих в солнечно-слепой области ультрафиолетового диапазона (далее, УФ объекты), и осуществляющих координатную привязку изображений УФ объектов к изображению окружающей их местности.This invention can be used as a photocathode in the construction of single-channel image receivers of objects emitting in the solar-blind region of the ultraviolet range (hereinafter referred to as UV objects), and carrying out coordinate reference of images of UV objects to the image of the surrounding area.

Известны одноканальные эмиссионные приемники изображений чувствительные в солнечно-слепой части УФ диапазона [1, 2]. Сенсорно-преобразовательные слои их фотокатодов выполнены на основе теллурида цезия [1], либо слоя из поликристаллического алмаза, легированного бором [2]. Указанные эмиссионные приемники УФ изображений (изображений объектов, излучающих в УФ диапазоне) являются солнечно-слепыми, но не позволяют осуществить координатную привязку изображений УФ объекта к изображению окружающей объект местности. Для большинства задач, связанных с регистрацией и распознаванием УФ объектов, важно осуществить координатную привязку изображений объектов к изображению окружающей местности, что является нетривиальной задачей так как формирование изображений объектов и окружающей их местности осуществляется в существенно различных областях спектрального диапазона, Так, регистрируемый солнечно-слепой УФ объект излучает в диапазоне 0,15-0,30 мкм, а окружающая местность регистрируется в отраженном свете дневного (0,4-0,7 мкм), либо ночного (0,85-1,1 мкм) неба. Поэтому, задача эта решается, как правило, посредством использования двухканальных приемников изображений [3]. Использование двухканальной конструкции вызывает необходимость в последующем аппаратно-программном синтезе сформированных в каналах приемника изображений объекта и местности. Синтез изображений требует использования дополнительного оптико-механического узла, а также электронных и программных разработок, что существенно удорожает стоимость изделий в целом.Single-channel emission image detectors are known that are sensitive in the solar-blind part of the UV range [1, 2]. The sensor-transforming layers of their photocathodes are made on the basis of cesium telluride [1] or a layer of polycrystalline diamond doped with boron [2]. These emission receivers of UV images (images of objects emitting in the UV range) are solar-blind, but do not allow coordinate reference of images of a UV object to an image of the surrounding area. For most tasks related to the registration and recognition of UV objects, it is important to coordinate images of objects to the image of the surrounding area, which is a non-trivial task since the formation of images of objects and their surrounding area is carried out in significantly different areas of the spectral range. Thus, the recorded sun-blind The UV object emits in the range of 0.15-0.30 microns, and the surrounding area is recorded in the reflected light of the daytime (0.4-0.7 microns) or night (0.85-1.1 microns) sky. Therefore, this problem is solved, as a rule, by using two-channel image receivers [3]. The use of a two-channel design necessitates subsequent hardware-software synthesis of images of the object and terrain generated in the receiver channels. Image synthesis requires the use of an additional optical-mechanical unit, as well as electronic and software developments, which significantly increases the cost of products as a whole.

Известны эмиссионные приемники ночного видения, сенсорно-преобразовательные слои фотокатодов которых выполнены на основе щелочных металлов (так называемые би-щелочные и мульти-щелочные фотокатоды) [4]. Диапазон чувствительности щелочных фотокатодов является широкополосным (0,4…1,1 мкм), они имеют достаточно высокую пороговую чувствительность, что связано с малой энергией сродства к электрону у большинства щелочных металлов. К недостаткам щелочных фотокатодов относят их неудовлетворительную стойкость к мощным импульсным либо стационарным потокам оптических излучений, приводящим к деградации фоточувствительности их сенсорно-преобразовательного слоя.Emission night vision receivers are known, the sensor-converting layers of photocathodes are made on the basis of alkali metals (the so-called bi-alkali and multi-alkaline photocathodes) [4]. The sensitivity range of alkaline photocathodes is broadband (0.4...1.1 μm); they have a fairly high threshold sensitivity, which is associated with the low electron affinity energy of most alkali metals. The disadvantages of alkaline photocathodes include their unsatisfactory resistance to powerful pulsed or stationary streams of optical radiation, leading to degradation of the photosensitivity of their sensor-converting layer.

Такие фотокатоды чаще всего используют в эмиссионных приборах ночного видения (ФЭУ и ЭОП) [4].Such photocathodes are most often used in emission night vision devices (PMTs and image intensifiers) [4].

При совместном использовании щелочных фотокатодов с спектрозональными интерференционными фильтрами удается реализовать одноканальные эмиссионные 2-х спектральные приемники изображений, способные осуществить привязку изображений УФ объектов к окружающей местности [5]. Недостатками такого подхода являются: существенная зависимость коэффициента прозрачности фильтра от температуры окружающей среды, высокая стоимость упомянутых фильтров, превышающая стоимость ЭОП, разрушительное влияние излучения солнечно-слепой части УФ диапазона на характеристики широкополосного щелочного фотокатода, значительное подавление упомянутыми фильтрами интенсивности излучений рабочей части УФ диапазона.When using alkaline photocathodes together with spectrozonal interference filters, it is possible to implement single-channel emission 2-spectral image detectors capable of linking images of UV objects to the surrounding area [5]. The disadvantages of this approach are: a significant dependence of the filter transparency coefficient on the ambient temperature, the high cost of the mentioned filters, which exceeds the cost of the image intensifier tube, the destructive effect of radiation from the solar-blind part of the UV range on the characteristics of the broadband alkaline photocathode, and significant suppression by the mentioned filters of the radiation intensity of the working part of the UV range.

К принципиальным недостаткам упомянутых выше щелочных (1,1 мкм - 0,3 мкм) и полупроводниковых GaAs фотокатодов (0,5-0,9 мкм), можно отнести относительно низкие значения «красной» границы спектрального диапазона их фоточувствительности (1,1 мкм и 0,9 мкм, соответственно). Действительно, интенсивность излучения ночного неба в спектральном диапазоне 1,25…1,7 мкм на два-три порядка превышает излучение ночного неба в диапазоне 0,9…1,1 мкм. А так как в приборах ночного видения изображения объектов и местности формируются в отраженных потоках излучений, испускаемых ночным небом, то освоение приборами ночного видения спектрального диапазона в 1,25…1,7 мкм привело бы к существенному повышению интенсивности изображений и их контраста вблизи порога чувствительности, а значит к увеличению дальности обнаружений объектов и качества их интерпретации.The fundamental disadvantages of the above-mentioned alkaline (1.1 µm - 0.3 µm) and semiconductor GaAs photocathodes (0.5-0.9 µm) include the relatively low values of the “red” limit of the spectral range of their photosensitivity (1.1 µm and 0.9 µm, respectively). Indeed, the intensity of night sky radiation in the spectral range of 1.25...1.7 microns is two to three orders of magnitude higher than the night sky radiation in the range of 0.9...1.1 microns. And since in night vision devices, images of objects and terrain are formed in reflected streams of radiation emitted by the night sky, the development of a spectral range of 1.25...1.7 microns by night vision devices would lead to a significant increase in the intensity of images and their contrast near the sensitivity threshold , which means an increase in the detection range of objects and the quality of their interpretation.

Близким по функциональному назначению является одноканальный 2-х спектральный эмиссионный приемник изображений объектов, излучающих в солнечно-слепой части УФ диапазона, и позволяющий осуществить координатную привязку УФ изображения объекта к изображению окружающей объект местности [6]. Однако, предложенная конструкция реализует функцию посредством интегрирования в вакуумно-плотном корпусе целого ряда активных функциональных узлов - УФ фотокатода на основе алмазной пленки, ИК фотокатода на основе германия в виде решетки (сетки), управляющего электрода, несущей управляющей кремниевой сетки-мембраны, входного электрода микроканальной пластины. Многоэлементный состав конструкции, не только требует использования корпуса специальной конструкции, но и обуславливает прецезионность выбора и стабилизации режимов питания каждого из функциональных узлов приемника изображений. Все это следует отнести к недостаткам конструкции фотоприемника, предложенного в [6].Similar in functionality is a single-channel 2-spectrum emission receiver of images of objects emitting in the solar-blind part of the UV range, which allows for coordinate reference of the UV image of an object to the image of the surrounding area [6]. However, the proposed design implements the function by integrating into a vacuum-tight housing a number of active functional units - a UV photocathode based on a diamond film, an IR photocathode based on germanium in the form of a grating (mesh), a control electrode, a supporting control silicon mesh membrane, an input electrode microchannel plate. The multi-element composition of the design not only requires the use of a specially designed housing, but also determines the precision of selection and stabilization of power modes for each of the functional units of the image receiver. All this should be attributed to the shortcomings of the photodetector design proposed in [6].

Наиболее близким к заявляемой конструкции, принятой нами за прототип, является предложенный фотокатод чувствительный к излучениям солнечно-слепой части УФ диапазона, выполненный на основе поликристаллической алмазной пленки, легированной бором, но у которого отсутствует функция привязки изображения УФ объекта к изображению местности [7].The closest to the proposed design, which we have adopted as a prototype, is the proposed photocathode, sensitive to radiation from the solar-blind part of the UV range, made on the basis of a polycrystalline diamond film doped with boron, but which does not have the function of linking an image of a UV object to an image of the terrain [7].

Задачей настоящего изобретения является обеспечение координатной привязки изображения объекта, излучающего в солнечно-слепой части УФ диапазона, к изображению окружающей местности в отраженном ИК излучении ночного неба.The objective of the present invention is to provide a coordinate reference of an image of an object emitting in the solar-blind part of the UV range to an image of the surrounding area in the reflected IR radiation of the night sky.

Решается задача предложением фотокатода для одноканального двухспектрального эмиссионного приемника УФ изображений, включающего подложку и слабо легированный поликристаллический алмазный слой с контактом по периферии, отличающийся тем, что между подложкой и алмазным слоем последовательно расположены высокочистые слои кремния и германия, выполненные в форме сеток с соосно расположенными отверстиями, при этом отверстия в германиевом слое частично, или полностью, заполнены веществом алмазного слоя, а подложка выполнена из сапфира, либо из кремния в котором сформировано сквозное центрально-симметричное отверстие.The problem is solved by proposing a photocathode for a single-channel dual-spectral emission UV image detector, including a substrate and a lightly doped polycrystalline diamond layer with contact along the periphery, characterized in that between the substrate and the diamond layer there are sequentially located high-purity layers of silicon and germanium, made in the form of grids with coaxially located holes , while the holes in the germanium layer are partially or completely filled with the substance of the diamond layer, and the substrate is made of sapphire or silicon in which a through centrally symmetric hole is formed.

Фотокатод обеспечивает необходимые и достаточные условия для решения обозначенной выше задачи. А именно: задача регистрации, распознавания и привязке изображения УФ объектов к изображению местности решается посредством изготовления монолитной конструкции фотокатодного узла (монолитного фотокатода), с сенсорно-преобразовательным слоем на основе гетероструктуры германий/алмаз. Выбор в качестве сенсорно-преобразовательных материалов алмаза и германия обеспечивает чувствительность фотокатода в 2-х спектральных диапазонах 0,02-0,28 мкм и 1,15-1,6 мкм.The photocathode provides the necessary and sufficient conditions for solving the above problem. Namely: the problem of registering, recognizing and linking images of UV objects to an image of the area is solved by manufacturing a monolithic structure of a photocathode unit (monolithic photocathode), with a sensor-converting layer based on a germanium/diamond heterostructure. The choice of diamond and germanium as sensor-transforming materials ensures the sensitivity of the photocathode in 2 spectral ranges of 0.02-0.28 microns and 1.15-1.6 microns.

Таким образом, предложенные монолитные конструкции двухспектрального фотокатода обеспечивают регистрацию и неискаженное совмещение изображений солнечно-слепых УФ объектов и изображения окружающей их местности. Отличие, заключающееся в материале и конструкции используемой подложки, приводит к существенному различию в диапазонах регистрируемого УФ излучения. - Для конструкции фотокатода на подложке из сапфира реализуются спектральные диапазоны его чувствительности 0,15-0,28 мкм и 1,15-1,6 мкм; для конструкции фотокатода на подложке из кремния реализуются спектральные диапазоны чувствительности 0,02-0,28 мкм и 1,15-1,6 мкм.Thus, the proposed monolithic designs of a dual-spectral photocathode provide registration and undistorted combination of images of solar-blind UV objects and images of the surrounding area. The difference in the material and design of the substrate used leads to a significant difference in the ranges of detected UV radiation. - For the design of a photocathode on a sapphire substrate, the spectral ranges of its sensitivity are 0.15-0.28 µm and 1.15-1.6 µm; for the design of a photocathode on a silicon substrate, spectral sensitivity ranges of 0.02-0.28 µm and 1.15-1.6 µm are realized.

На фиг. 1-3 представлены схематические изображения различных проекций фотокатода на подложке из сапфира (фиг. 1 - поперечный разрез, фиг. 2 - вид со стороны приема фотокатодом проекции картины оптического изображения УФ объекта и местности, фиг. 3 - вид фотокатода со стороны эмиссии фотоэлектронов). Здесь: 1 - подложка из полированного с 2-х сторон сапфира; 2 - слой из высокочистого германия, выполненный конструктивно в виде сетки, 5 - сквозные отверстия в слое германия, 6 - перемычки в пленке германия, 3 - слой поликристаллического алмаза, легированный бором, 7 - контакт к 3 слою, 8 - слой из высокочистого кремния, выполненный конструктивно в виде сетки, 9 - сквозные отверстия в пленке высокочистого кремния, соосные отверстиям 5 в слое высокочистого германия.In fig. 1-3 show schematic images of various projections of the photocathode on a sapphire substrate (Fig. 1 - cross section, Fig. 2 - view from the photocathode receiving side of the projection of the optical image of the UV object and area, Fig. 3 - view of the photocathode from the photoelectron emission side) . Here: 1 - a substrate made of sapphire polished on both sides; 2 - a layer of high-purity germanium, made structurally in the form of a grid, 5 - through holes in the germanium layer, 6 - jumpers in the germanium film, 3 - a layer of polycrystalline diamond doped with boron, 7 - contact to the 3rd layer, 8 - a layer of high-purity silicon , made structurally in the form of a grid, 9 - through holes in the film of high-purity silicon, coaxial with holes 5 in the layer of high-purity germanium.

На фиг. 4-6 представлены схематические изображения различных проекций фотокатода на подложке из кремния (фиг. 4 - поперечный разрез, фиг. 5 - вид со стороны приема фотокатодом проекции картины оптического изображения УФ объекта и местности, фиг. 6 - вид фотокатода со стороны эмиссии фотоэлектронов). Здесь: 2 - слой из высокочистого германия, выполненный конструктивно в виде сетки, 5 - сквозные отверстия в слое германия, 6 - перемычки в пленке германия, 3 - слой поликристаллического алмаза, легированный бором, 4 - центрально-симметричное отверстие в кремниевой подложке («колодец»), 7 - контакт к слою 3, 10 - кремниевая подложка, несущую сенсорно-преобразовательные слои, 11 - центрально-симметрично ориентированное отверстие в кремниевой подложке.In fig. 4-6 show schematic images of various projections of the photocathode on a silicon substrate (Fig. 4 - cross section, Fig. 5 - view from the photocathode receiving side of the projection of the optical image of the UV object and area, Fig. 6 - view of the photocathode from the photoelectron emission side) . Here: 2 - a layer of high-purity germanium, made structurally in the form of a grid, 5 - through holes in the germanium layer, 6 - jumpers in the germanium film, 3 - a layer of polycrystalline diamond doped with boron, 4 - a centrally symmetric hole in the silicon substrate (" well"), 7 - contact to layer 3, 10 - silicon substrate carrying sensor-transforming layers, 11 - centrally symmetrically oriented hole in the silicon substrate.

Работа фотокатода осуществляется следующим образом. - Воспринимаемая приемником картина изображения УФ объекта, расположенного на местности, представлена в виде суперпозиции несущих информацию об объекте и местности фотонов, с энергиями hν₁ и hν₂, которая проецируется через общую входную оптико-механическую систему и входное сапфировое окно, либо кварцевое окно на приемную поверхность сетки из сенсорно-преобразовательного германиевого 6 и алмазного 5 слоев. Фотоны с энергией hν₂, несущие информацию об УФ объекте, проникают через отверстия в германиевой пленке, где взаимодействуют с алмазной пленкой, находящейся в отверстиях германиевой пленки, и преобразуются в неравновесные электроны и дырки. Неравновесные (фото-) электроны, благодаря отрицательной энергии сродства к электрону для граней 111 и 100 алмазных нанокристаллитов, покидают алмазную пленку посредством эмиссии в вакуум. Фотоны с энергией hν₁ не взаимодействуют с алмазным слоем, заполняющим отверстия в германиевом слое и, проходя алмазный слой, покидают его не взаимодействуя с ним, т.е. не генерируя в нем неравновесные носители. Фотоны с энергией hν₁ взаимодействующие с германиевым слоем (проецируемые на перемычки слоя германиевого сенсора) генерируют в его объеме неравновесные электроны и дырки с концентрацией, убывающей экспоненциально по глубине согласно коэффициенту поглощения α₁ (ν₁). Рожденные неравновесные (фото-) электроны дрейфуют и диффундируют от приемной поверхности в сторону противоположной (выходной) поверхности германиевого слоя и, дойдя до границы раздела слоев германий/алмаз, инжектируются в алмазные нанокристаллиты, и затем, в виде фотоэлектронов (фотоэлектронная эмиссия), выходят в вакуум. Так как диффузионная длина электронов в слое высокочистого германия достаточно велика (~ 50-100 мкм), а расстояние убыли интенсивности излучения (за счет поглощения по механизму зона-зона) в виде совокупности фотонов hν₁ составляет величину ~ α₁ ^-1≈10 мкм (см. фиг. 7), то при толщинах германиевого слоя не превышающих величины в 3-5 мкм, фотогенерируемые неравновесные электроны с относительно малыми потерями дойдут до границы раздела германий\алмаз, преодолеют барьер на гетерогранице германий/алмаз в ~ 0,2 эВ, и выйдут в вакуум через алмазные нанокристаллиты, ориентированные гранями 111 либо 100 к границе раздела алмаз/вакуум.The photocathode works as follows. - The UV image image of an object located on the ground perceived by the receiver is presented in the form of a superposition of photons carrying information about the object and the area, with energies hν ₁ and hν ₂ , which is projected through a common input optical-mechanical system and an input sapphire window or quartz window on the receiving surface of the mesh is made of sensor-transforming germanium 6 and diamond 5 layers. Photons with energy hν ₂ , carrying information about the UV object, penetrate through holes in the germanium film, where they interact with the diamond film located in the holes of the germanium film and are converted into nonequilibrium electrons and holes. Nonequilibrium (photo-) electrons, due to the negative electron affinity energy for faces 111 and 100 of diamond nanocrystallites, leave the diamond film by emission into vacuum. Photons with energy hν ₁ do not interact with the diamond layer that fills the holes in the germanium layer and, passing through the diamond layer, leave it without interacting with it, i.e. without generating nonequilibrium carriers in it. Photons with energy hν ₁ interacting with the germanium layer (projected onto the jumpers of the germanium sensor layer) generate in its volume nonequilibrium electrons and holes with a concentration that decreases exponentially with depth according to the absorption coefficient α ₁ (ν ₁ ). The generated nonequilibrium (photo-) electrons drift and diffuse from the receiving surface towards the opposite (output) surface of the germanium layer and, having reached the interface between the germanium/diamond layers, are injected into diamond nanocrystallites, and then, in the form of photoelectrons (photoelectron emission), exit into a vacuum. Since the diffusion length of electrons in a layer of high-purity germanium is quite large (~ 50-100 μm), and the distance of decrease in radiation intensity (due to absorption by the zone-zone mechanism) in the form of a set of photons hν ₁ is ~ α ₁ ^-1 ≈10 μm (see Fig. 7), then with germanium layer thicknesses not exceeding 3-5 μm, photogenerated nonequilibrium electrons with relatively low losses will reach the germanium/diamond interface and overcome the barrier at the germanium/diamond heterointerface of ~ 0.2 eV , and will exit into vacuum through diamond nanocrystallites oriented with faces 111 or 100 to the diamond/vacuum interface.

Фотоны с энергией hν₂, имеющие на два-три порядка больший коэффициент поглощения в германии, чем фотоны с энергией hν₁ (фиг. 7), будут практически полностью поглощены на расстоянии в ~ 150-200 ангстрем от поверхности. В силу существенно более высокого (по сравнению с объемом) темпа рекомбинации неравновесных носителей на границе раздела германий/кремний (а значит и на вскрытой затем приемной поверхности германиевого слоя), доля дошедших неравновенсных электронов до границы раздела германий/алмаз будет незначительной. Значит, они не внесут значимых искажений в информационную картину (она формируется в потоках фотонов hν₁) о местности окружающей УФ объект.Photons with energy hν ₂ , which have two to three orders of magnitude greater absorption coefficient in germanium than photons with energy hν ₁ (Fig. 7), will be almost completely absorbed at a distance of ~ 150-200 angstroms from the surface. Due to the significantly higher (compared to the volume) rate of recombination of nonequilibrium carriers at the germanium/silicon interface (and therefore on the then exposed receiving surface of the germanium layer), the fraction of nonequilibrium electrons reaching the germanium/diamond interface will be insignificant. This means that they will not introduce significant distortions into the information picture (it is formed in photon fluxes hν ₁ ) about the area surrounding the UV object.

Выращивание субмикронной толщины поликристаллической алмазной пленки на поверхности германия приведет к значительному повышению вероятности фотоэмиссии электронов с поверхности германиевой пленки в вакуум. Это связано как с малой величиной разницы энергий сродства германия (4 эВ) и алмаза (~3,8 эВ), так и с наличием у граней алмаза (100) и (111) отрицательной энергии сродства к электрону. На фиг. 8 представлена поясняющая это утверждение зонная диаграмма гетероперехода германий/поликристаллический алмаз, для граней (111) и (100) кристаллитов поликристаллической алмазной пленки. Ширина запрещенной зоны Ge ~ 0,78 - 0,8 эВ (его «красная граница» ~ 1,55 мкм), ширина запрещенной зоны алмаза ~ 5,5 эВ (т.е. спектральной областью прозрачности алмаза являются ИК, видимый и УФ диапазоны, вплоть до длины волны в λ=0,26 мкм). Представленный на фиг.8 качественный характер зонной диаграммы гетероперехода Ge/C* позволяет утверждать, что при возбуждении неравновесных электронно-дырочных пар в слое Ge оптическим излучением (ВД и ИК), вплоть до «красной» границы в 1,55 мкм, возможна эффективная реализация процессов фотоэмиссии электронов из Ge/C* гетероструктуры в вакуум, как в режиме «на просвет», так и в режиме «на отражение» (барьер на границе Ge/C*~ 0,2 эВ и отсутствие барьера при выходе электронов через грани (111) и (100) кристаллитов С*).Growing a submicron-thick polycrystalline diamond film on the surface of germanium will lead to a significant increase in the probability of photoemission of electrons from the surface of the germanium film into vacuum. This is due both to the small difference between the affinity energies of germanium (4 eV) and diamond (~3.8 eV), and to the presence of negative electron affinity energy at the diamond faces (100) and (111). In fig. Figure 8 shows the band diagram of the germanium/polycrystalline diamond heterojunction, which explains this statement, for the (111) and (100) faces of crystallites of a polycrystalline diamond film. The band gap of Ge is ~ 0.78 - 0.8 eV (its “red boundary” is ~ 1.55 µm), the band gap of diamond is ~ 5.5 eV (i.e. the spectral region of diamond transparency is IR, visible and UV ranges, up to a wavelength of λ=0.26 µm). The qualitative nature of the band diagram of the Ge/C* heterojunction shown in Fig. 8 allows us to assert that when nonequilibrium electron-hole pairs in the Ge layer are excited by optical radiation (VD and IR), up to the “red” boundary of 1.55 μm, effective implementation of photoemission processes of electrons from a Ge/C* heterostructure into vacuum, both in “transmission” and “reflection” modes (barrier at the Ge/C* boundary ~ 0.2 eV and the absence of a barrier when electrons exit through the faces (111) and (100) crystallites C*).

О качестве технологического контроля за процессом формирования нами (МЛЭ) гетероструктуры Ge/Si можно судить по профилю элементного состава, представленном на фиг. 9.The quality of technological control over the process of our formation (MBE) of a Ge/Si heterostructure can be judged from the elemental composition profile presented in Fig. 9.

Возможные диапазоны технологических режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии пленок германия на кремниевых подложках: температурный диапазон роста пленок - 450-700°С, давление остаточных газов - 10^-4…10^-7 мм рт.ст., скорость роста пленок - 50…250 нм/час.Possible ranges of technological regimes for the process of molecular beam epitaxy of germanium films on silicon substrates: temperature range of film growth - 450-700°C, residual gas pressure - 10 ^-4 ... 10 ^-7 mm Hg, film growth rate - 50 ... 250 nm/hour

Возможные диапазоны технологических режимов процесса PECVD роста поликристаллической алмазной пленки на сторонних подложках (кремний, кварц): температурный диапазон роста - 650-850 °С, давление остаточных газов - 10^-2…10^-6 мм рт.ст., скорость роста - 100…400 нм/час, исходные ростовые реагенты - метан и водород, легирующий реагент - атомарный азот, либо бор (например, триметил-борат).Possible ranges of technological regimes for the PECVD process of growth of polycrystalline diamond film on third-party substrates (silicon, quartz): growth temperature range - 650-850 °C, residual gas pressure - 10 ^-2 ... 10 ^-6 mm Hg, growth rate - 100 ...400 nm/hour, the initial growth reagents are methane and hydrogen, the doping reagent is atomic nitrogen or boron (for example, trimethyl borate).

Осуществлен поиск оптимального техмаршрута и технологических режимов процессов формирования приборной гетероструктуры на основе пленок высокочистого германия и поликристаллического алмаза, легированного бором:A search was carried out for the optimal technical route and technological regimes for the formation of a device heterostructure based on films of high-purity germanium and polycrystalline diamond doped with boron:

- сформирован адгезионный слоя на тыльной стороне сапфирового входного окна ЭОП из слоя кремния толщиною в ~ 150 нм,- an adhesion layer is formed on the back side of the sapphire input window of the image intensifier tube from a silicon layer ~ 150 nm thick,

- сформирован сенсорно-преобразовательный слой на основе высокочистого германия, толщиною 250 нм, при температуре роста в 750°С,- a sensor-transforming layer based on high-purity germanium, 250 nm thick, was formed at a growth temperature of 750°C,

- давление остаточных газов в ростовой камере в процессе роста - 10^-8 мм рт.ст.,- the pressure of residual gases in the growth chamber during the growth process is 10 ^-8 mm Hg,

- сформирована в рамках технологии PECVD поликристаллическая алмазная пленка на поверхности пленки германия (давление остаточных атмосферных газов - не более 10^-5 мм рт.ст., исходный ростовой реагент - высокочистый метан, восстановительно-синтезирующая среда - водород, в соотношении 10:1 с ростовым реагентом), легирующий реагент - азот (~ 1% от ростового реагента), температура роста - 800…850°С, мощность СВЧ - 1,5 кВт, рабочая частота ионизации и активации процесса роста - 2,4 ГГц, длительность ростового процесса - 6-ть часов (включая нагрев, выдержку и охлаждение).- a polycrystalline diamond film is formed within the framework of PECVD technology on the surface of a germanium film (residual atmospheric gas pressure is no more than 10 ^-5 mm Hg, the initial growth reagent is high-purity methane, the reducing-synthesizing medium is hydrogen, in a ratio of 10:1 s growth reagent), doping reagent - nitrogen (~ 1% of the growth reagent), growth temperature - 800...850°C, microwave power - 1.5 kW, operating frequency of ionization and activation of the growth process - 2.4 GHz, duration of the growth process - 6 hours (including heating, holding and cooling).

Предложенный в настоящей заявке фотокатод в двух возможных конструктивных реализациях позволяет регистрировать и распознавать объекты, излучающие в солнечно-слепой части УФ диапазона, и при этом осуществить координатную привязку изображений объектов к изображению окружающей местности. Использование фотокатода предлагаемых конструкций позволяет реализовать в архитектуре одноканального двухспектрального приемника изображений эффективный приемник изображений солнечно-слепых УФ объектов в привязке их изображений к изображению окружающей объекты местности. Используемая комбинация сенсорно-преобразовательных слоев позволяет реализовать высокочувствительные бюджетно-экономичные приемники УФ изображений, что повысит эффективность систем технического зрения.The photocathode proposed in this application in two possible design implementations makes it possible to register and recognize objects emitting in the solar-blind part of the UV range, and at the same time carry out coordinate reference of images of objects to the image of the surrounding area. The use of a photocathode of the proposed designs makes it possible to implement in the architecture of a single-channel dual-spectral image receiver an effective image receiver of solar-blind UV objects in linking their images to the image of the surrounding area. The combination of sensor-transformation layers used makes it possible to implement highly sensitive, budget-efficient UV image receivers, which will increase the efficiency of technical vision systems.

Предлагаемые конструкции фотокатода в настоящее время технологически реализуемы. В настоящее время уже реализованы эпитаксиальные структуры кремний на сапфире. Это позволяет вырастить качественный монокристаллический слой высокочистого кремния на подложке из монокристаллического сапфира. Отработаны и также промышленно выпускаются структуры кремний/германий, -нет технологических проблем для выращивания монокристаллического слоя высокочистого германия на слое (подложке) из монокристаллического кремния. Нами отработаны [2,8] процессы выращивания поликристаллических алмазных пленок на сторонних подложках (кремний, кварц, сапфир, германий).The proposed photocathode designs are currently technologically feasible. Currently, silicon-on-sapphire epitaxial structures have already been implemented. This makes it possible to grow a high-quality single-crystal layer of high-purity silicon on a single-crystal sapphire substrate. Silicon/germanium structures have been developed and are also commercially produced; there are no technological problems for growing a single-crystalline layer of high-purity germanium on a layer (substrate) of single-crystalline silicon. We have developed [2,8] processes for growing polycrystalline diamond films on third-party substrates (silicon, quartz, sapphire, germanium).

Источники информации:Information sources:

1. М.Р. Айнбунд, И.С. Васильев, Е.Г. Вилькин, и др. Новые фотокатоды УФ- и ИК- диапазонов для перспективных фотоприемных устройств. // Прикладная физика №4. 2006. с. 97-1011. M.R. Ainbund, I.S. Vasiliev, E.G. Vilkin, et al. New photocathodes of the UV and IR ranges for advanced photodetector devices. // Applied physics No. 4. 2006. p. 97-101

2. (а.) В.А. Беспалов, В.М. Глазов, Э.А. Ильичев, и др. Разработка и исследование приемников изображений чувствительных в ультрафиолетовом диапазоне. // Журнал технической физики. 2015. т. 85. в. 4. С.74-822. (a.) V.A. Bespalov, V.M. Glazov, E.A. Ilyichev, etc. Development and research of image receivers sensitive in the ultraviolet range. // Journal of Technical Physics. 2015. t. 85. v. 4. P.74-82

(б) V. A. Bespalov, V. М. Glazov et al. Design and investigation of UV image detectors // Technical Physics. - 2015. - Vol.60. - No 4. - P. 553-560. - DOI 10.1134/S1063784215040076(b) V. A. Bespalov, V. M. Glazov et al. Design and investigation of UV image detectors // Technical Physics. - 2015. - Vol.60. - No. 4. - P. 553-560. - DOI 10.1134/S1063784215040076

3. A.B. Голицын, П.В. Журавлев, Г.Е. Жуков, А.В. Корякин, и др. Псевдобинокулярный двухспектральный прибор обнаружения потенциальных угроз. // Известия ВУЗОВ. Приборостроение, 2009, т. 52, №6, с. 27-343. A.B. Golitsyn, P.V. Zhuravlev, G.E. Zhukov, A.V. Koryakin, et al. Pseudo-binocular dual-spectrum device for detecting potential threats. // News of Universities. Instrument Engineering, 2009, vol. 52, No. 6, p. 27-34

4. Orlov D. A., De Fazio J., Duarte Pinto S. et al. High quantum efficiency S-20 photocathodes in photon counting detectors // Journ. Instrum. 2016. 11. C040154. Orlov D. A., De Fazio J., Duarte Pinto S. et al. High quantum efficiency S-20 photocathodes in photon counting detectors // Journ. Instrum. 2016. 11. C04015

5. Алдохин П.А. Особенности ЭОП для ультрафиолетовой области спектра // . Интерэкспо Гео-Сибирь - Т. 4 - С. 70-755. Aldokhin P.A. Features of image intensifier tubes for the ultraviolet region of the spectrum // . Interexpo Geo-Siberia - T. 4 - P. 70-75

6. Патент №2792809, приоритет от 02.06.2022 г.6. Patent No. 2792809, priority dated 06/02/2022

7. Патент №2593648, приоритет от 06.07.2015 г.(Прототип)7. Patent No. 2593648, priority dated 07/06/2015 (Prototype)

8. V.A. Bespalov, V.M. Glazov, Е.А. l'ichev, Yu.A. Klimov, V.S. Kuklev, A.E. Kuleshov, R.M. Nabiev, G.N. Petrukhin, B.G. Potapov, D.S. Socolov,V.V. Fandeev, E.A. Fetisov, S.S. Yakushov. «Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: AP R20158.V.A. Bespalov, V.M. Glazov, E.A. l'ichev, Yu.A. Klimov, V.S. Kuklev, A.E. Kuleshov, R.M. Nabiev, G.N. Petrukhin, B. G. Potapov, D.S. Sokolov, V.V. Fandeev, E.A. Fetisov, S.S. Yakushov. "Desing and Invetigation of UV Image Detectors". // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: AP R2015

Claims

Photocathode for a single-channel dual-spectral emission UV image detector, including a substrate and a polycrystalline diamond layer with a contact along its periphery, characterized in that between the substrate and the diamond layer there are sequentially located high-purity layers of silicon and germanium, made in the form of grids with coaxially located holes, and the holes in the germanium layer are partially or completely filled with the substance of the diamond layer, and the substrate is made of sapphire or silicon, in which a through centrally symmetric hole is formed.