Brevet FR2326031A1 — publié le 19770422

La présente invention a pour objet la réalisation de photocathodes pour tubes électroniques et, plus particulièrement, d'une photocathode monocristalline, réalisée en couches minces et fonctionnant par transmission. De -telles photocathodes se composent habituellement d'une couche dite couche de conversion, constituée par un semiconducteur monocris- tallin, dans laquelle un flux de photons incident qui y est absorbé exeite des électrons ; le semiconducteur est recouvert sur celle de ses faces qui est opposée au rayonnement incident d'une couche dite couche d'activation, très mince, permettant l'émission des électrons precédemment excités grâce au phénomène d'affinité électronique négative On rappelle qu'on entend par affinité électronique négative l'abaissement artificiel du niveau d'énergie d'un électron dans le vide au-dessous du niveau a t énergie d'un électron libre dans le cris tal. ainsi qu'il est connu, cet abaissement peut être obtenu par le dépôt d'une couche très mince, sensiblement monoatomique, tel que du césium ou oxyde de césium, pour lequel les deux niveaux d'énergie mentionnés ci-dessus sont triés proches l'un de l'autre : la jonction des deux matériaux provoquant un alignement des niveaux de Fermi, lEs électrons libres de la couche de conversion se trouvent alors avoir une énergie supérieure à l'énergie d'extraction d'un électron dul-césium et peuvent ainsi émerger dans le vide sans apport supplé mentaire d'énergie. Lorsqu'on veut utiliser de telles photocathodes par transmission, c'eçst-à-dire obtenir l'émission d'électrons sur la face opposée à celle qu1.reçoit- flux de photons incident, il se pose le problème du sup ports En effet, la couche de conversion est mince : son épaisseur ne doit pas être supérieure à la longueur de diffusion de l'électron, ce qui correspond à quelques microns. Quant à la couche d'activation, elle est sensiblement monoatomique.Le support que ces faibles épais seurs nécessitent est obligatoirement placé du côté du rayonnement incident et doit donc remplir la double condition suivante - être transparent aux rayonnements susceptibles d'être absorbés par la couche de conversion - avoir un réseau cristallin aussi voisin que possible de celui de la couche de conversion, afin d'éviter une diminution de rendement due aux recombinaisons de porteurs de charges. Différentes réalisations sont connues, parmi lesquelles on peut citer - le dépôt par épitaxie d'une couche mince de conversion, tel que de l'arséniure de gallium (AsGa) sur un substrat monocristallin transparent comme du phosphure de gallium (GaP). Toutefois les recombinaisons de porteurs de charges sont très importantes à l'interface d'épitaxie, les réseaux cristallins étant trop différents - l'addition à la structure précédente de couches intermédiaires destinées à adapter les réseaux cristallins, comme du GaA1As entre le substrat de GaP et la couche de conversion d'AsGa. L'inconvénient en est que la couche intermédiaire absorbe une partie du spectre du rayonnement incident. Pour pallier cette absorption, une autre solution a été envisagée : la fixation (ou "imprégnation") de la couche de conversion dans un support de verre par pression lorsque ce dernier est à l'état visqueux, et la suppression du support d'épitaxie (GaP), qui n'a donc plus à être transparent. Mais il se pose alors un problème d'adaptation des caractéristiques thermiques du verre à celles du reste du dispositif : le verre choisi doit notamment pouvoir supporter, sans déformation mécanique ni détérioration de ses qualités optiques, les températures nécessaires à l'activation de la photocathode, et enfin etre visqueux au-dessous de la température de décomposition de la couche de conversion afin de permettre la fixation de cette dernière sur le verre.Ces différentes contraintes réduisent bien entendu fortement l'éventail des matériaux qu'il est possible d'utiliser. La présente invention permet de pallier ces différents inconvénients. Elle a pour objet une photocathode comportant une couche de conversion, recouverte sur une face d'une couche mince de matériau amorphe et transparent formant support et, sur l'autre face, du substrat à partir duquel la couche de conversion a été obtenue par épitaxie, ledit substrat étant réduit à un anneau et assurant la rigidité de l'ensemble t la photocathode comporte en outre une couche mince d'activation déposée sur la couche de conversion du côté dudit anneau. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ciaprès et des dessins qui s'y rapportent, où - la figure 1 représente un mode de réalisation de la photocathode selon l'invention ; - les figures 2 et 3 représentent différentes:étapes de l'élaboration de cette photocathode. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Sur la figure 1, où l'échelle réelle n'est pas respectée pour la clarté du dessin, sont représentés en coupe : une couche mince d'un support transparent 5, une couche de passivation 3, une couche de conversion 2, un substrat 1 en forme d'anneau et, à l'intérieur de cet anneau, une couche d'activation 4. Le rayonnement incident, représenté par des flèches 6, frappe la photocathode du côté de la couche 5 qu'il doit traverserr ainsi que la couche 3, sans absorption. Ce rayonnement est absorbé dans la couche de conversion 2 pour y créer des électrons libres qui diffusent vers la face inférieure du dispositif où ils sont émis dans le vide (flèches 7) grâce à la couche d'activation 4 et au phénomène d'affinité électronique négative qu'elle entrante, ainsi qu'il a été rappelé plus haut. La couche de conversion 2 est constituée par un semiconducteur monocristallin, de préférence de l'arséniure de gallium (AsGa). Son épaisseur, conditionnée par la longueur de diffusion des électrons (la recombinaison des porteurs de charge avant l'interface des couches 2 et 4 doit être évitée), est de l'ordre de 3 La couche 3 de passivation, entre la couche support (5) et la couche-de conversion (2) n'est pas indispensable pour le fonctionnement de la photocathode, mais elle est préférable pour éviter la diffusion de particules vers la couche 2, particules qui seraient susceptibles de modifier les caractéristiques de cette dernière. La couche 3 peut être constituée par exemple par de la silice. Son épaisseur est de l'ordre de 0,lez La couche support 5 est réalisée en matériau transparent, amorphe, déposé sur la couche de passivation 3. Son épaisseur est de l'ordre de 20 -et elle est destinée à éviter la rupture de la photocathode, par clivage par exemple. Le matériau qui la constitue doit avoir des caractéristiques thermiques, c'est-à-dire principalement un coefficient de dilatation, adaptées à celles de la couche de conversion 2. Ce matériau doit de plus avoir une température de fusion supérieure à celle à laquelle est soumise la photocathode lors de l'élaboration de la couche d'activation (4).Il est clair que les caractéristiques imposées dans-ce cas au verre constituant le support 5 sont moins contraignantes que dans certaines photocathodes de l'art antérieur où, le support 5 devant être épais, il est nécessaire de recourir à la technique de l'imprégnation, nécessitant un verre qui soit à l'état pâteux dans une gamme limitée de température. Le choix du verre formant le support 5 s'en trouve grandement facilité. A titre d'exemple, certains verres de la marque déposée "SCHOTT" de la catégorie "verres intermédiaires" conviennent. Lorsque la couche 2 est réalisée en AsGa, le support 5 en verre et la couche de passivation 3 en silice, il est à noter que, de plus, cette dernière favorise l'adhérence des couches 2 et 5 entre elles. La couche d'activation 4 est constituée de césium et d'oxyde de césium ; elle est sensiblement monoatomique en épaisseur. Enfin, la couche 1 sert de support et confère une certaine rigidité à l'ensemble, sa forme en anneau périphérique permettant d'éviter tout impératif de transparence pour le matériau la constituant. Ainsi que le montre la figure 2, qui illustre la première étape de l'élaboration de la photocathode selon l'invention, la couche 1 est constituée par le substrat monocristallin à partir duquel la couche de conversion 2 est obtenue par épitaxie. S'il s'agit d'homoépitaxie, le substrat I doit être, pour permettre sa dissolution 'partielle ultérieure, d'un type de conductivité opposé à celui de la couche 2, à savoir de l'AsGa de type n si la couche 2 est constituée d'AsGa de type p. S'il s'agit d'hétéroépitaxie, le substrat 1 peut etre en Alks ou Gaulas pour une couche 2 en AsGa. La figure 3 illustre les étapes ultérieures de l'élaboration de cette photocathode. Tout d'abord on opère sur la couche 2 ainsi obtenue, et après un décapage chimique, le dépôt de la couche de passivation 3. On dépose ensuite le support 5, par exemple par évaporation sous vide du verre, préalablement chauffé par bombardement électronique. Il est à noter que ce procédé permet d'éviter le rodage habituellement nécessaire des surfaces du verre (5) et de la couche de conversion (2). Dans une étape ultérieure, on réalise la dissolution sélective du substrat 1 afin de ne laisser subsister qu'un anneau épais à la périphérie de la couche 2, comme représenté sur la figure I. S'il s'agit d'homoépitaxie, la dissolution peut etre faite électrolytiquement ; s'il s'agit d'hétéroépitaxie, la dissolution peut etre faite chimiquement sans difficulté, par exemple à l'aide d'acide chlorhydrique dans le cas des matériaux cités ci-dessus. Ensuite on procède, chimiquement, à la mise à épaisseur précise de la partie efficace de la couche de conversion 2, c'est-à-dire celle qui est située à l'intérieur de l'anneau 1 Enfin, on réalise sur cette dernière partie de la couche 2 les traitements de désorption et de césiation sous vide, pour l'obtention de la couche d'activation 4 figure 1). REVENDICATIONS 1. Photocathode en couches minces, utilisée en transmission, émettant des électrons sous l'action d'un rayonnement photonique incident, comportant - une couche mince monocristalline dite couche de conversion, dans laquelle les photons incidents sont absorbés pour créer des électrons libres, et - une couche mince, dite couche d'activation, conférant à la photocathode les propriétés d'affinité électronique négative ; ladite photocathode étant caractérisée par le fait qu'elle comporte de plus - une ccuche mince d'un matériau amorphe et transparent, constituant support, déposée sur une face de la couche de conversion - une couche en forme d'anneau, déposée à la périphérie de l'autre face de ladite couche de conversion, constituée par le substrat à partir duquel ladite couche de conversion a été obtenue par épitaxie, ladite couche d'activation étant déposée sur ladite couche de conversion du côté dudit anneau. 2. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit support présente un coefficient de dilåtation sensiblement égal à celui de ladite couche de conversion. 3. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la température de fusion dudit support est supérieure à celle à laquelle est déposée la couche d'activation. 4. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que.ledit support est constitué par du verre. 5. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit support a une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de microns. 6. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ladite couche de conversion est constituée d'arséniure de gallium et que son épaisseur est inférieure à la longueur de diffusion de l'électron dans ce matériau. 7. Photocathode selon la revendication 6, caractérisée par le fait que ledit anneau est constitué par de l'arséniure de gallium d'un type de conductivité opposé à celui de la couche de conversion. 8. Photocathode selon la revendication 6, caractérisée par le fait que ledit anneau est constitué par de l'AlAs ou du GaA1As. 9. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte de plus une couche de passivation, mince et transparente au rayonnement incident, entre ledit support et ladite couche de conversion. 10. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ladite couche d'activation est constituée de césium et d'oxyde de césium, et que son épaisseur est de l'ordre de grandeur de l'atome. 1,1. Tube électronique à image, caractérisé par le fait qu'il comporte une photocathode selon l'une des revendications précédentes.