Photocathode à rendement élevé

Description

[0001] L'invention concerne une photocathode à rendement élevé pour tubes de prise de vues, tels que les tubes de caméra de télévision et les tubes intensifi- cateurs d'image.

[0002] Il est connu de réaliser une photocathode comportant principalement :

- une couche, dite couche fenêtre, constituée de semi-conducteur de type P⁺ dont la bande interdite est suffisamment large pour que cette couche soit transparente pour les longueurs d'onde de la lumière à détecter, et qui est collée sur une paroi de verre recevant la lumière à détecter ;

- une couche, dite couche d'absorption, constituée d'un semi-conducteur de type P⁺ dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires d'électron-trou les photons de la lumière à détecter ;

- une couche, dite couche d'émission, constituée d'un matériau donnant à l'extrémité de la couche d'absorption une affinité électronique négative pour émettre dans le vide les électrons libérés dans la couche d'absorption.

[0003] La longueur d'onde maximale détectable est limitée par la largeur de la bande interdite du matériau constituant la couche d'absorption. En appliquant une polarisation positive à l'extrémité de cette couche opposée à la couche fenêtre, il est posible d'utiliser des matériaux ayant une faible largeur de bande interdite tout en conservant un bon rendement d'émission, et donc il est possible de détecter de la lumière de longueur d'onde plus grande. Une polarisation de la couche d'absorption peut être appliquée au moyen d'une connexion avec cette couche, ou par une électrode métallique très mince intercalée entre cette couche et la couche d'émission. Une telle photocathode est décrite dans l'article de : J.J. ESCHER et al, IEEE-EDL2, 123-125 (1981).

[0004] Une telle photocathode a un rendement qui est limité notamment par les caractéristiques de la couche d'absorption. En effet, l'épaisseur de cette couche est déterminée en réalisant un compromis entre, d'une part, une absorption élevée des photons de la lumière à détecter, qui nécessite une épaisseur aussi grande que possible, et, d'autre part, un rendement élevé de la transmission des électrons ainsi qu'un faible courant d'obscurité, qui nécessitent une épaisseur aussi faible que possible de la couche d'absorption et pour obtenir une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des sous-couches.

[0005] Habituellement l'épaisseur de cette couche est de l'ordre de 1 micron, ce qui permet une bonne efficacité de transmission des électrons mais est insuffisant pour absorber tous les photons de la lumière à détecter, notamment les photons correspondant aux longueurs d'onde les plus grandes. Le but de l'invention est de réaliser une photocathode ayant un meilleur rendement que la photocathode de type connu. L'objet de l'invention est une photocathode comportant une couche d'absorption constituée d'une pluralité de sous-couches particulières procurant à la fois une très bonne absorption des photons, une bonne efficacité de transmission des électrons libérés par les photons, et un faible courant d'obscurité.

[0006] Selon l'invention une photocathode à rendement élevé, est caractérisée en ce qu'elle comporte une couche dite d'absorption comportant une pluralité de premières sous-couches constituées d'un matériau semiconducteur ayant une largeur de bande interdite suffisamment petite et ayant une épaisseur suffisamment grande pour convertir en paires électron-trou les photons de la lumière à détecter, alternées avec une pluralité de secondes sous-couches constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite supérieure à celle des premières sous-couches, ayant une épaisseur suffisamment faible pour que les électrons puissent les traverser par effet tunnel, les premières et les secondes sous-couches ayant un dopage permettant d'obtenir une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des premières sous-couches et ajustant le niveau de Fermi près du niveau de valence des premières sous-couches.

[0007] La figure représente, dans sa partie supérieure, une coupe d'une portion d'un exemple de réalisation de la photocathode selon l'invention et, dans sa partie inférieure, un diagramme des niveaux d'énergie E des porteurs dans cet exemple de réalisation.

[0008] Cet exemple de réalisation comporte :

- Une première couche 1, collée sur une paroi de verre non représentée et à travers laquelle elle reçoit des photons 29, cette couche 1 étant transparente pour toutes les longueurs d'onde de la lumière à détecter et ayant pour fonction de permettre le collage de la photocathode sur la paroi de verre ;

- Une couche d'absorption constituée de douze premières sous-couches 2 à 13 et de douze secondes sous-couches 16 à 27 alternées avec les premières;

- Une couche 14 dite couche de transport, ayant pour fonction de transmettre vers le vide des électrons libérés dans la couche d'absorption ;

- Une dernière couche 15 constituée d'un matériau qui diminue l'affinité électronique de la surface de la couche 14 pour lui permettre d'émettre dans le vide des électrons 28.

[0009] La partie inférieure de la figure représente les courbes Ec et Ev des niveaux d'énergie de la bande de conduction et de la bande de valence dans les couches de semi-conducteur, le niveau de Fermi E_F de ces couches, et le potentiel du vide Evi.

[0010] La couche 1 est constituée d'un matériau semi- conducteur de type P⁺ constitué de Gao,₆ Alo,4 As dopé avec 5.1017 atomes de zinc par cm³, dont la largeur de bande interdite est égale à 2e.V et qui est donc transparent pour toutes les longueurs d'onde de la lumière à détecter. Les premières sous-couches 2 à 13 et la couche 14 sont constituées d'un semi-conducteur de type P⁺ ayant une largeur de bande interdite inférieure à celle du matériau de la couche 1, par exemple 1,4 e.V, pour absorber tous les photons à convertir en paires électron-trou. Dans cet exemple, les sous-couches 2 à 13 sont constituées de Ga As dopé avec 10¹9 atomes de zinc par cm3 et ont chacune une épaisseur de 0,025 microns. La couche 14 est constituée de Ga As dopé avec 1019 atomes de zinc par cm3 et a une épaisseur de 0,1 micron. Son épaisseur doit être supérieure à celle de la zone de charge d'espace due à la présence de la surface du semi-conducteur, la largeur de cette zone étant inférieure à 0,05 micron.

[0011] Les secondes sous-couches 16 à 27 sont constituées du même matériau que la couche 1, dans cet exemple de réalisation, et ont donc la même largeur de bande interdite. Elles sont peu ou non dopées de manière à ce que les courbes des niveaux d'énergie permettent d'obtenir dans les sous-couches 2 à 13 une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous. Cette quantification bi-dimensionnelle procure une augmentation du coefficient d'absorption des photons. Les sous-couches 16 à 27 ont chacune une épaisseur de 0,003 micron qui permet aux électrons de les traverser par effet tunnel et qui procure un bon rendement de transmission des électrons libérés par les photons dans les sous-couches 2 à 13. L'épaisseur des sous-couches 16 à 27 doit être inférieure à 0,0045 micron pour qu'il y ait un bon rendement de transmission. L'épaisseur des sous-couches 2 à 13 doit être inférieure à 0,03 micron pour obtenir l'augmentation du coefficient d'absorption due à la quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des sous-couches 2 à 13, mais doit être suffisamment grande pour ne pas trop élever le seuil d'absorption des photons par effet de confinement quantique pour permettre l'absorption des photons de grande longueur d'onde.

[0012] Le niveau d'énergie E_c de la bande de conduction et le niveau d'énergie Ev de la bande de valence comportent des marches de potentiel, correspondant aux sous-couches 16 à 27. Il est possible de démontrer par le calcul que cette alternance de sous-couches procure un coefficient d'absorption des photons plus élevée qu'une couche d'absorption constituée d'un matériau semi-conducteur homogène. Dans cet exemple de réalisation le coefficient d'absorption est multiplié par un facteur 3 par rapport à une photocathode de type connu.

[0013] La couche 15 est constituée d'une couche très mince de Cs + O ayant pour effet d'abaisser le potentiel du vide E_vi en dessous du niveau de la bande de conduction des sous-couches 2 à 13 pour faciliter l'émission des électrons 28 dans le vide. La couche 15 étant extrêmement mince, les électrons la traversent par effet tunnel.

[0014] La portée de l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus. De nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne le nombre des sous-couches et les matériaux qui les constituent. Le matériau constituant les sous-couches 16 à 27 peut-être différent du matériau de la couche fenêtre 1, avec peu ou pas de dopage, de type P ou N. Le dopage des sous-couches 2 à 13 doit être choisi en conséquence afin que le niveau de Fermi E_F de l'ensemble des sous-couches 2 à 13 et 16 à 27 soit proche du niveau de la bande de valence des sous-couches 2 à 13 et qu'il y ait quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des porteurs dans le plan des sous-couches 2 à 13. Il est à la portée de l'homme de l'art de choisir les matériaux réalisant ces deux conditions. Par exemple, les sous-couches 2 à 13 peuvent être constituées de Gay Asi-_x In_x Pi-y et les sous-couches 16 à 27 peuvent être constituées alors de ln P. Dans une autre variante, les sous-couches 2 à 13 peuvent être constituées de Ga Sb et les sous-couches 16 à 27 sont alors constituées de Ga AI As Sb. Cependant il peut être souhaitable que le matériau semi-conducteur utilisé pour réaliser les sous-couches 16 à 27 ait un paramètre de maille proche de celui du matériau des sous-couches 2 à 13 afin de ne pas augmenter le courant d'obscurité de la photocathode.

[0015] Dans l'exemple de réalisation décrit précédemment le niveau de Fermi E_F des différentes couches de semi-conducteur est identique, il n'est pas prévu de polarisation. Pour permettre la détection de photons de longueur d'onde supérieure, il peut être prévu une polarisation réalisée d'une manière analogue à celle de l'art antérieur, au moyen d'une électrode métallique mince située entre la couche 14 et la couche 15 ou au moyen d'une connexion reliant la couche 14 à la borne positive d'un générateur dont la borne négative est connectée à la couche 1.

[0016] L'invention peut être appliquée aux tubes de prise de vues pour caméra de télévision et aux tubes in- tensificateurs d'image.

Revendications

1. Photocathode à rendement élevé, caractérisé en ce qu'elle comporte une couche dite d'absorption comportant une pluralité de premières sous-couches (2 à 13) constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite suffisamment petite et ayant une épaisseur suffisamment grande pour convertir en paires électron-trou les photons (29) de la lumière à détecter, alternées avec une pluralité de secondes sous-couches (16 à 27) constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une largeur de bande interdite supérieure à celle des premières sous-couches (2 à 13), ayant une épaisseur suffisamment faible pour que les électrons puissent les traverser par effet tunnel, les premières et les secondes sous-couches (2 à 13 et 16 à 27) ayant un dopage permettant d'obtenir une quantification bi-dimensionnelle des niveaux d'énergie des électrons et des trous dans le plan des premières sous-couches (2 à 13) et ajustant le niveau de Fermi près du niveau de valence des premières sous-couches (2 à 13).

2. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premières sous-couches (2 à 13) composant la couche d'absorption sont constituées de Ga As et ont une épaisseur inférieure à 0,03 micron chacune ; et en ce que les secondes sous-couches (16 à 27) sont constituées de Gao,₆ Alo,4 As et ont une épaisseur inférieure à 0,0045 micron.

Claims

1. A highly efficient photocathode, characterized in that it includes an absorption layer comprising a plurality of first sub-layers (2 to 13) made from a semiconductor material having a sufficiently small width of the prohibited band and a sufficiently large thickness as to allow the photons (29) of the light to be detected to be converted into pairs of electrons and holes, and a plurality of second sub-layers (16 to 27) alternating with the first ones and made from a semiconductor material having a larger prohibited band than the first ones (2 to 13) and a sufficiently small thickness as to allow the electrons to pass therethrough due to the tunnel effect, the first and the second sub-layers (2 to 13 and 16 to 27) being doped to such an extent that in the plane of the first sub-layers (2 to 13) a two-dimensional quantification of the energy levels of the electrons and the holes takes place and that the Fermi level becomes adjusted close to the valence level of said first sub-layers (2 to 13).

2. A photocathode according to claim 1, characterized in that the first sub-layers (2 to 13) constituting the absorption layer are made from GaAs and their individual thickness is below 0.03 µm, and that the second sub-layers (16 to 27) are made from Ga_0.6Al_0.4As and their thickness is below 0.0045 µm.

Ansprüche

1. Fotokathode mit hohem Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Absorptionsschicht enthält, die eine Vielzahl von ersten Lagen (2 bis 13), bestehend aus einem Halbleitermaterial mit so geringer Breite des verbotenen Bands und einer so großen Dicke, daß die Fotonen des zu erfassenden Lichts in Paare von Elektronen und Löchern umgewandelt werden, und in Wechsel hiermit eine Vielzahl von zweiten Lagen (16 bis 27) besitzt, bestehend aus einem Halbleitermaterial mit einem breiteren verbotenen Band als bei den ersten Lagen und einer so geringen Dicke, daß die Elektronen sie aufgrund des Tunneleffekts durchqueren können, wobei die ersten und die zweiten Lagen (1 bis 13 und 17 bis 27) so dotiert sind, daß sich in der Ebene der ersten Lagen (2 bis 13) eine zweidimensionale Quantifikation der Energieniveaus der Elektronen und der Löcher ergibt und daß das Ferminiveau in der Nähe des Valenzniveaus der ersten Lagen (2 bis 13) eingestellt wird.

2. Fotokathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einzellagen (2 bis 13), die die Absorptionsschichten bilden, aus GaAs bestehen und eine Dicke von jeweils unter 0,03 µm aufweisen und daß die zweiten Einzellagen (16 bis 27) aus Gao,Alo,4As bestehen und unter 0,0045 jim dick sind.

Dessins