Brevet FR2315762A1 — publié le 19770121

la présente invention concerne une photocathode dite à affinité électronique négative, fonctionnant par transmission et ayant un rendement trcs élevé. es pliotocathodes de l'invention sont utilisables dans des tubes électroniques chaque fois que I' on désire transformer une image optique en image électronique. Elles sont particulièrement intéressantes à utiliser lorsque les images optiques à transformer sout des images à faible niveau de lumière. En effet, et ceci contrairement avs photocathodes de l'art antérieur qui, lorsqu'elles fonctionnent par transmission. ont tui mauvais rendement, les photons caractéristiques de l'information lumineuse utile étant partiellement absorbées au cours de ladite transmission et les électrons produits étant en partie piégés ou recombinés, les photocathodes de l'invention n'affaiblissent pas les informaticns lumineuses qu'elles reçoivent, bien que fonctionnant par transmission ; bien plus, elles réalisent une amplification de l'image qu' elles transforment, permettant des applications particulèrement intéressantes lorsqu'il s'agit- d'images à faible niveau de lumière. Le principe des photocathodes à affinité électronique négative a été découvert en 1965 par Scheer et Van Laar qui montrèrent qu'en déposant une couche monoatomique de césium à la surface d'un semiconducteur propre il était possible, pour autant que ce semiconducteur soit de type p et fortement dopé, d'obtenir une photoémission à très haut rendement quantique et à réponse spectrale étendue jusqu'à la limite d'absorption photonique du matériau utilisé. En déposant cette couche de césium sur le semiconducteur actif de type p, créant ainsi une "surface activée", on obtient un dipôle superficiel qui a pour effet-d'abaisser le niveau d'énergie d'un électron dans le vide au- dessous de celui d'un électron libre dans le cristal.Un électron libre du cristal peut donc, grace à cet abaissement artificiel, en surface, du niveau d'énergie d'un électron dans le vide, émerger dans le vide sans apport supplémentaire d'énergie. Ainsi lorsque des électrons d'un tel cristal activé en surface sont excités à l'état d'électrons libres-dans le cristal par un flvx de photons, leur niveau d'énergie est supérieur au niveau d'énergie d'un électron dans le vide (appelé par la suite "niveau de vide de la surface activée et ces électrons sont émis dans le vide par cette surface ; les photons reçus par la photocathode sont ainsi convertis en électrons émis par sa surface activée avec un très haut rendement quantique. es premières photocathodes d ce type fonctionnaient par réflexion ; en d'autres termes, les photons caractéristiques de l'image optique à convertir frappaient directement la surface acti.vée qui, sous cette excitation, émettait les électrons correspondants. Il est clair que ce fonctionnement, ou la même face de la photocathode doit recevoir l'image optique et émettre l'image électronique, en restreignait les applications. On a donc cherché à réaliser de telles photocathodes fonctionnant par transmission, c'est-à-dire dans lesquelles une face reçoit les photons caractéristiques de l'image optique, tandis que la face opposée emet les électrons correspondants. Un problème important posé par les photocathodes à affinité électronique négative fonctioilnant par transmission et mal résolu jusqu'à présent, est celui de leur rendement. En effet, les électrons excités par les photons sur la face opposée à l'émission électronique doivent traverser toute 11 épaisseur du cristal actif sans être recombinés ou piégés au cours de ce trajet. Compte tenu des faibles longueurs de diffusion propres à ces matériaux semiconducteurs, ceci supposait des plaquettes cristallines amincies à quelques microns et posait donc le problème d'un support pour ce cristal actif très mince. Certaines photocathodes de 11 art antérieur utilisent comme support un monocristal transparent. La couche fine de cristal actif est alors obtenue par épitaxie, sur ce support, d'une couche active ayant à peu près même maille cristalline que le support. L'activation de la surface de cette couche fine est ensuite réalisée par dépôt d'une couche monomoléculaire de césium oxydé. Différentes photocathodes hétéroépitsoiées ont également été réalisées avec par exemple une couche intermédiaire mono cristalline transparente entre le support et la couche active, destinée à absorber les tensions et dislocations d'interface. Dans ces diverses réalisations, outre les difflcultés de technologie, notamment pour les hétéreépitaxies, les performances sont considérablement réduites par d'inévitables recombinaisons d'électrons excités, aux interfaces d'épitaxie. De plus, les couches non actives absorbent une partie importante du rayonnement visible au détriment de la réponse spectrale des photocathodes. D'autres méthodes consistent à utiliser comme support de la couche active des lames de verre. Ces techniques, outre leurs diffi cultés de technologie affaiblissent également les performances des photocathodes ; d'une part, les traitements nécessaires affectent partiellement les caractéristiques électriques des couches monocristallines actives, d'autre part, les couches support et de scellement, traversées par les photons, affaiblis --sent-l'-information. De plus, les photocathodes de l'art antérieur fonctionnant pan trånsmission presentent un grave inconvénient inhérent à leur structure alliée au fonctionnement par transmission. De telles photocathodes, lorsqu'elles équipent un tube électronique, voient les électrons émis par leur "surface activée" accélérés soit vers un écran cathodique, soit vers un dispositif multiplicateur par l'intermédiaire d'une tension d'accélération. Ce bombardement électronique peut provoquer la création d'ions positifs par désorption de molécl3les suivie d'ionisation. lies ions positifs ainsi créés peuvent venir frapper la photocathode qui leur présente sa "surface activée" particulièrement fragile et sensible aux bombardements ioniques à cause de sa structure monoatomique. La stabilité de fonctionnement du tube risque alors de se voir gravement compromise. La présente invention concerne une photocathode à affinité électronique négative dans laquelle les photons frappent la surface activée et dans laquelle, malgré cela, les électrons excités par ces photons et émis par cette surface sortent finalement de la photocathode par sa face opposée à la surface activée. L'excitation étant faite sur la surface activée, de nombreux problèmes sont supprimés tels qu'en particulier la transmission des photons, les recombinaisons d'électrons excités dans les dif férentes couches, leurs piégeages aux interfaces, les risques de détérioration de la surface activée lors de l'insertion dans un tube électronique. En d'autres termes, les photocathodes de l'inven tion présentent les avantages des photocathodes fonctionnant par réflexion, tout en fonctionnant par transmission. Pour obtenir de tels résultats, une photocathode selon l'inven- tion comporte une couche monocristalline de matériau semiconducteur actif de type p activé en surface de manière à avoir des propriétés d'affinité électronique négative, cette couche étant traversée par une multitude de-microcanaux parallèles et supportée par une plaquette de matériau semiconducteur à coefficient d'émission secondaire supérieur à ltunité et comportant des microcanaux alignés avec ceux de la couche active, des moyens étant préxus~pour polariser la surface libre de la dite plaquette positivement par rapport à sa surface supportant la cou che-active, et des-moyens- étant-prévus-pour rendre-ladite plaquette pratiquement isolante pour ladite polarisation, de manière qu'un champ électrique longitudinal soit présent dans les microcanaux de ladite plaquette et que les électrons émis par la surface activée de la photo- cathode sous 11 impact de photons frappant ladite surface soient attirés dans lesdits microcanaux vers la surface de la photocathode opposée à ladite surface activée. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées où les mêmes repères désignent les memes éléments et qui représentent - la figure 1, une vue schématique en coupe et non à l'échelle d'une photocathode selon l'invention - la figure 2, une vue en coupe, à une échelle agrandie, d'une partie d'un microcanal de photocathode selon l'invention - la figure 3, une vue schématique en coupe d'un exemple de tube électronique équipé d'une photocathode selon linvention. La figure 1 représente, schématiquement et vue en coupe5 une photocathode conforme à l'invention comportant une plaquette 1 percée sur toute son épaisseur d'un grand nombre de microcanaux 2 rectilignes et parallèles constituant le support de la couche active 3, activée sur sa surface 4. lia plaquette 1 est formée d'un matériau semiconducteur à coefficient d'émission secondaire supérieur à l'unité ; la couche active 3 est formée d'une couche mince de semiconducteur de type p active sur sa surface 4 par un dépôt très niince d'un matériau lui conférant des propriétés d'affinité électronique négative en liaison avec la couche active 3 de semiconducteur de type p sous-jacente. Cette couche 3 et son dépôt 4 comportent les mêmes microcanaux que la plaquette 1. lia couche active 3 est dopée de manière à tre convenablement conductrice et à pouvoir servir d'électrode de polarisation pour la surface 4 de ra photocathode. Un mince dépôt conducteur 5 est pratiqué sur la face de la plaquette 1 opposée à la face supportant la couche active 3 pour servir, en liaison avec la couche 3, à polarise la plaquette 1. Une tension continue de polarisation Vo est appliqueé entre les deux électrodes que constituent la couche 3 et le dépôt conducteur 5, polarisant le dépôt 5 positivement par rapport à la couche 3. Cette polarisation Vo assure le long des microcanaux 2, un champ électrique E suffisant pour, comme on le ver-ra plus loin, convenable- ment amplifier l'image électronique fournie par la photocathode. lies courants de fuite dans la plaquette 1 doivent rester faibles pour éviter l'échauffement par effet joule de ladite plaquette. Pour cela, la plaquette 1 est par exemple réalisée à partir d'un matériau semiconducteur compensé de manière à. avoir les propriétés d'un semi- isolant et à assurer un isolement électrique suffisant entre les deux électrodes.Ce peut entre, par exemple, de l'arséniure de gallium compensé au chrome, à l'oxygène, ou à toute impureté suseep- tible de lui donner ce caractère. Ce peut être tout matériau semiconducteur monocristallin susceptible d'être rendu seoi-lsolanb tel que le silicium, le germanium, le phosphure de gallium, le phos- phure d'indium, ou tout semiconducteur associant un ou plusieurs éléments de la colonne III du tableau de Mendelei.eff à un ou plusieurs éléments de la colonne V.Une autre technique, pour assurer l'isolement convenable, peut consister à réaliser la plaquette 1 à partir d'un semiconducteur dopé de type n ; la couche 3 étant de type p, il apparaît alors une jonction pn bloquante compte tenu du sens de po larisation de V . Stisolement- est donc assuré entre les deux électrodes 5 et 5. La couche 3 peut être par exemple obtenue par homcépitaxie, sur une plaquette 1 d'arséniure de gallium compensé, d'une couche active d'arséniure de gallium de type p propice à la formation d'une surface à affinité électronique négative. L'image photonique est, selon 11 invention, directement envoyée sur la surface activée 4, du dispositif, mes photons h@ excitent alors dans~la couche active 3 des électrons qu'ils font passer dans la bande de conduction du semiconducteur constituant cette couche active, le nombre d'électrons ainsi libérés dansla couche 3 étoeft fonction de la quantité de lumière reçue par la surface 4 correspondante. Ces électrons sont alors, grâce à l'affinité électronique négative de la surface 4, émis dans le vide comme représenté sur la figure 2 ; ils sont alors aussitôt happés sur le champ électrique E présent dans les microcanaux 2 et viennent frapper les parois de ces microcanaux provoquant des émissions secondaires à # > 1. Les électrons sont ainsi multiplés par un facteur de 104 à 105, selon un processus connu en lui-même des multiplicateurs d'électrons et sortent des microcanaux par la face opposée à la face activée ayant reçu l'image photonique. Ainsi dans les photocathodes de l'invention, bien que l'image électronique soit émise par la face opposée à celle ayant reçu l'image optique, les défauts inhérents aux photocathodes à transmis sion de l'art antérieur n'apparaissent pas. Comme il vient autre décrit, la plaquette 1 et la couche active 3 de type p peuvent être obtenues à partir du même matériau, par exemple l'arséniure de gallium, par une homoépitaxie, une diffusion ou une i.mplan-tation d'ions. Elles peuvent également être constituées de matériau différents, étant alors obtenues par hétéroépitaxie.A titre d'exemple, on peut utiliser des hétéroépitaxies telles que du phosphure de gallium de type p sur du silicium, de l'arséniure de gallium de type p sur du germanium, du phosphoarséniure de gallium de type p (a As P(p)) sur du phosphure d'indium (InP), du phosphoarséniure d'indium de type p (In As P(p) sur du phosphure d'indium, ou encore a In As P de type p sur du phosphure d'indium, etc... Pour réaliser l'ensemble des couches et leurs microcanaux, on peut utiliser divers procédés. On peut par exemple réaliser un réseau de microcanaux dans une plaauette d'arséniure de gallium compensé en dissolvant le semiconducteur dans des directions préférentielles en utilisant la sélectivité d'attaque de certaines solutions -chimiques. lies microcanaux ainsi réalisés doivent avoir une largeur (épaisseur -de la-plaquette) représentant de dix à cinquante fois son diamètre. Après que ce réseau de trous-ait-été ainsi réalisé, on dépose une couche de quelques microns d'arséniure de gallium de type p sur l'une des faces par le procédé connu d'épitaxie en phase liquide. Normalement, l'épitaxie ne se réalise que sur le semiconducteur de la plaquette et les trous ne sont pas obstrués. De plus, compte tenu de leur faibles dimensions transversales, aucune couche ne se dépose- sur les parois internes des canaux. Si toutefois les ouvertures des microcanaux étaient obstruées, il suffit, pour les déboucher, d'introduire une solution d'attaque par la face opposée de la plaquette. Il suffit ensuite d'activer la surface de la couche de type p selon la technique habituelle de césiation connue de l'homme de l'art. On peut encore, selon un autre mode de réalisation, effectuer d'abord l'épitaxie et percer ensuite les microcanaux par tout moyen approprié. De telles photoca'vhodes sont utilisables par exemple dans un tube électronique tel que celui de la figure 3 où une photocathode 10 selon l'invention est associée à un écran luminescent 11 vers lequel sont accélérés les électrons sortant de la photocathode, dans une enceinte sous vide 12 dont au moins les faces terminales sont transparentes. Un tel tube constitue un amplificateur d'image et sert à visualiser des images optiques à bas niveau de lumière. La tension V polarise la plaquette 1 comme dit plus haut ; l'écran Il est polarisé positivement par rapport à la photocathode. Une grille 13 de forte transparence et polarisée négativement par rapport à la photocathode peut être placée, comme représenté figure 3, au voisinage de la surface activée 4 pour repousser vers les microcanaux 2 les électrons éventuellement non directement happés par le champ électrique E. Dans d'autres utilisations l'écran luminescent 11 peut être remplacé par une cible à conductibilité induite balayée sur son autre face par un canon à électrons de façon à constituer un tube de prise de vue pour télévision à bas niveau de lumière. ---Dans---encore-une àutre utilisation, une -photo-cathode --amplificatrice selon l'invention peut Btre couplée àun dispositif à transfert de charges, celui-ci étant mis à la place de l'écran 11. Comme dans le cas précédent, on réalise un tube de prise de vue de télévision à bas niveau de lumière. Il est clair que dans toutes ces applications, les photocathodes-- de l'invention présentent, outre les avantages déjà décrits à propcs des figures 1 et 2, celui de ne pas présenter, aux éventuels bombardements ioniques venant de l'écran 11 ou des dispositifs mis à sa place ou associés, leur surface activée, et donc de ne pas être sensibles à ces bombardements. R E V E N D I C A T I O N S 1. photocathode à affinité électronique négative caractérisée en ce qu'elle comporte une couehe monocristalline (3) de matériau semiconducteur actif de type n activée en surface (4! de manière à avoir des propriétés d'affinité élect-ronique négative, cette couche active (3) étant traversée par des microcanaux parallèles et étant supportée par une plaquette (i) de matériau semiconducteur à coefficient d'émission secondaire supérieur à l'unité comportant elle-meme des micro canaux alignés avec ceZ de la couche active (3) et en ce qu'elle comporte des moyens de polarisation permettant de réaliser une polarisation de ladite plaquette (1) telle que sa face supportant ladite couche active ()) soit négative par rapport à sa face opposée, et des moyens assurant entre les deux faces de la photocathode un isolement électrique suffisant pour qu'un comme électrique longitudinal (E) soit présent dans les microcanaux et que les électrons émis par ladite surface activée (4) de la photocathode, sous l'impact de photons frappant ladite surface (4), soient attirés dans lesdits microcanaux vers ladite face opposée à ladite surface activée (4). 2. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de polarisation comportent me dépôt métallique (5) réalisé sur ladite face de la plaquette ( deuxième électrode étant constituée par ladite couche active (3) conductrice de l'électricité, lesdits moyens de polarisation (3 et 5) assurant ladite polarisation lorsqu'une tension continue (V0) est appliquée entre les deux dites électrodes. 3. Photocathode selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens assurant entre les deux faces de la photocathode ledit isolement électrique sont constituées par le matériau semi- conducteur de ladite plaquette (i) compensé de manière à avoir des propriétés semi-isolantes. 4. notocathode selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens assurant entre les deux faces de la photocathode ledit Isolement électrique sont constitués par ladite plaquette (17, réalisée en un semiconducteur dopé de type n et par ladite couche active (3) de type p, l'ensemble des deux constituant une jonction np bloquée pour ladite polarisation. 5. photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface activée de la couche active (3) est obtenue par dépôt sur ladite couche active (3) de césium oxydé. 6, Tube électronique caractérisé en ce qu'il comporte une photons cathode (10) conforme à l'une des revendications précédentes. 7. Tube électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, au voisinage de la surface activée (4) de sa photocathode (10) une grille conductrice (13) polarisée négativement par rapport à ladite surface active (4).