Brevet FR2325175A1 — publié le 19770415

ta présente invention concerne la réalisation de photocathodes pour tubes électroniques et a, plus particulièrement, pour objet une photocathode monocristalline, réalisée en couches minces et fonctionnant par transmission. De telles photocathodes sont constituées par un semiconducteur monocristallin dans lequel un flux de photons incidents qui y est absorbé excite des électrons ; le semiconducteur est recouvert sur celle de ses faces qui est opposée au rayonnement incident d'une couche dite d'activation, très mince, permettant l'émission des électrons grâce au phénomène d'affinité électronique négative que crée la couche d'activation. On rappelle qu'on entend par affinité électronique négative I'abaissement du niveau d'énergie d'un électron dans le vide au dessous de celui d'un électron libre dans le cristal ; ainsi qu'il est connu, cet abaissement est dû au dépôt d'une couche très mince, sensiblement monoatomique, d'un matériau tel que du césium ou de l'oxyde de césium pour lequel le niveau d'énergie d'un électron dans le vide est très proche de celui d'un électron libre dans le cristal. Cet abaissement artificiel permet aux électrons libres du semiconducteur d'émerger dans le vide sans apport supplémentaire d'énergie. Lorsqu'on veut utiliser de telles photocathodes par transmission, c'est-à-dire obtenir l'émission électronique sur la face opposée à celle qui reçoit le flux de photons incident, il se pose le problème du support. En effet, la couche semiconductrice de conversion est mince : son épaisseur ne doit pas etre supérieure à la longueur de diffusion de l'électron, ce qui correspond a' quelques microns ; quant à la couche d'activation, elle est sensiblement monoatomique.Le support que ces épaisseurs nécessitent est placé du côté du rayonnement incident et doit donc remplir la double condition suivante : etre transparent aux rayonnements susceptibles d'etre 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 ecombinaisons 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 d'un monocristal 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 l'interposition de Gaulas 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 de la couche de conversion (AsGa) 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 et détérioration de ses qualités optiques, les températures nécessaires à l'activation de la photocathode, et enfin être 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. ta présente invention permet de pallier ces différents inconvénients. Elle a pour objet une photocathode comportant une couche de conversion, absorbant un rayonnement photonique incident qui y crée des électrons libres, une couche d'activation conférant à la photocathode'des propriétés d'affinité électronique négative, et une couche de verre dont l'adaptation thermique à la couche de conversion est rendue moins critique par le fait que cette dernière est fixée à la couche de verre par l'intermédiaire d'une couche mince d'émail.Celuici est transparent au spectre d'absorption de la couche de conversion et sa température de fusion est d'une part inférieure et a celle de décomposition de la couche de conversion et à celle de ramollissement du verre support, d'autre part supérieure à celle a' laquelle est soumise la photocathode lors du dépot de la couche d'activation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après 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, 3 et 4 représentent différentes étapes de l'élaboration de cette photocathode. Sur la figure I sont représentés en coupe, l'échelle réelle n'étant pas respectée pour la clarté de la figure, un support transparent 5, une couche d'émail transparent 4, une couche de passivation transparente 3, une couche de conversion 2 et une couche d'activation 6. Le rayonnement incident, illustré par des flèches 7, tombe sur la photocathode du côté du support 5 qu'il doit traverser sans y etre absorbé, ainsi que la couche d'émail 4 et la couche de passivation 3. Ce rayonnement est absorbé dans la couche 2 pour y créer des électrons libres qui diffusent vers la face supérieure du dispositif où ils sont émis dans le vide (flèches 8) grâce à la couche dlactivation 6 et au phénomène d'affinité électronique négative qu'elle entraine, ainsi qu'il a été rappelé plus haut. La couche monocristalline 2, ou couche de conversion, est réalisée en matériau semiconducteur : de préference de l'arséniure de gallium (AsGa). Son épaisseur est conditionnée par la longueur de diffusion des électrons, qui est de l'ordre de 6 ou 7r dans llAsGa en effet, la recombinaison des porteurs de chargeavant qu'ils n'aient atteint la couche 6 est à éviter. La couche d'activation 6 est constituée de césium et d'oxyde de césium ; elle est sensiblement monoatomique. L'oxistence de la couche 3 de passivation entre lgemail-4 et la couche 2 est préférable afin dteviter la diffusion vers la couche de conversion 2 d'atomes qui seraient susceptibles de modifier les caractéristiques de cette dernière. Cette couche de passivation 3 peut être constituée par de la silice, du-nitrure de silicium ou de l'alumine, par exemple ; son épaisseur n'est pas critique mais ne doit pas etre trop importante : elle peut être de l'ordre de 7 à 10 /u. le support 5 doit etre transparent au rayonnement incident (7), avoir un coefficient de dilatation aussi proche que possible de celui de la couche de conversion 2 et avoir une température de ramollisse ment supérieure à celle à laquelle sera porté le dispositif lors du dépôt de la couche d'activation. Ce support peut être avantageusement constitué par du verre, pour le choix duquel on voit que les caractéristiques thermiques imposées sont moins rigoureuses que pour les photocathodes connues. Enfin, la couche d'mail 4 destinée à fixer 1' ensemble des couches minces 3, 2 et 6 sur le support 5, doit etre bien entendu transparente au rayonnement incident 7, mais aussi fusible à une temperature d' une part inférieure à la temperature de décomposition de la couche de conversion 2 ainsi qu'à celle de ramollissement du substrat 5, d'autre part supérieure à celle à laquelle est soumise la photocathode lors de l'élaboration de la couche d'activation 6. L'email considéré doit encore avoir une structure en grains fins de façon à former un scellement efficace, c'est-à-dire en couche mince et sans in- homogénéité. l'es figures 2 à-4 illustrent les différentes étapes de l'élabo- ration de la photocathode selon l'invention. Dans une première étape, la couche monocristalline de conversion 2 est obtenue par épitaxie (homoépitaxie ou hétéroépitaxie) sur un réseau cristallin dé meme nature (substrat 1 sur la figure 2) mais qui n'a pas besoin, contrairement au cas de certaines photocathodes de l'art antérieur, d'être transparent puisqu'il sera supprimé dans une étape ultérieure. S'il s'agit d'homoépitaxie, le substrat 1 doit être d'un type de conductivité opposé à celui de la couche de conversion 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 être en AlAs ou GaAlAs. La couche de conversion 2 est ensuite rodée aux fins de planéité puis décapée chimiquement. On procède ensuite au dépôt de la couche de passivation 3 (figure 2), constituée par exemple par de ltoxyde de silicium Sio2 déposé par pyrolyse de silane. Par ailleurs, une plaquette de verre a été élaborée en vue de constituer le support 5 de la photocathode, le matériau ayant été choisi selon les critères indiqués ci-dessus. Cette plaquette est polie sur une de ses faces au moins afin d'obtenir une planéité finale de l'ordre de 1 /u. Les deux parties ainsi préparées sont scellées par la couche d'émail 4, par leurs faces aplanies. A cet effet, les émaux commercialisés par la société Owens Illinois sous les numéros 1545 et 01130 conviennent particulièrement. Cette étape de la fabrication est illustrée figure 3. La couche émail 4 est déposée par sérigraphie sur le support de verre 5, la surface libre de la couche 2 est amenée en contact avec l'émail et le tout est porté à la température de fusion de l'émail dans un four. La couche d'émail a typiquement une épaisseur de 10 Ensuite, comme le montre la figure 4, on procède à la dissolution sélective du monocristal 1 support d'épitaxie. Si la couche active 2 a été déposée par homoépitaxie, on procède à une dissolution électrolytique, sous éclairement, de la partie n (substrat 1) polarisée positivement par rapport à la partie p et par rapport à la cathode du bain électrolytique, la partie p (couche 2-) étant polarisée négativement par rapport à la cathode de ce bain. Si la couche active 2 a été déposée par hétéroépitaxie, la dissolution chimique sélective s'effectue sans difficulté à l'aide d'acide chlorhydrique dans les exemples de matériaux cités ci-dessus. I Puis on procède, chimiquement, à la réduction de 1 1épaisseur de la couche de conversion 2 jusqu'à la valeur précise choisie. Enfin, on réalise sur la face libre de la couche 2 les traitements de désorption et de césiation sous vide, qui sont opérés vers 6000-6200 C pour l'AsGa, pour l'obtention de la couche d'activation 6 (figure 1). REVENDICATIONS 1. Photocathode monocristalline 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'activation1 déposée sur une des faces de ladite couche d'absorption, conférant à la photocathode des propriétés d'affinité électroniquenégative ; ladite photocathode étant caractérisée par le fait qu'elle comporte de plus un support transparent audit rayonnement incident et ayant des propriétés thermiques adaptées à celles de la couche d'absorption, et une couche mince d'un matériau realisant la fixation dudit support sur l'autréides faces de la couche d'absorption, ce matériau étant transparent audit rayonnement photonique incident, et ayant une température de fusion supérieure à celle à laquelle est déposée la couche d'activation et sensiblement inférieure à celle de ramollissement du substrat. 2. Photocathode selon-la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit support a un còefficient de dilatation sensiblement identique à celui de ladite couche de conversion. 3. Photocathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit.'suppor-t a une température de ramollissement telle que celle-ci ne soit-pas atteinte lors de l'élaboration de ladite photocathode. 4. Photocathode selon les revendications 2 et 3, caractérisée par le fait que ledit support est constitué par du verre. 5. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte une couche de passivation, mince, transparente au rayonnement incident, entre ladite couche de conversion et ladite couche de fixation. 6. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite couche de fixation est constituée par un émail. 7. Photocathode selon la revendication i, caractérisée par le fait que ladite couche de conversion est constituée par de l'arséniure de gallium et que son épaisseur est au plus égale à la -ion- gueur de diffusion d'un électron dans ce matériau. 8. Photocathode selon la revendication 1, 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 d'un atome. 9. Procédé d'obtention d'une photo-cathode monocristalline selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes (a) à partir d'un substrat, on fait crotte par épitaxie la couche de conversion (b) on dépose la couche mince de passivation sur ladite couche de conversion ;; (c) on scelle le support transparent sur ladite couche de passivation, à l'aide de la couche mince de fixation déposée sur ledit support, l'ensemble étant porté à la température de fusion de la couche de fixation Cd) après refroidissement, on procède à la dissolution dudit subs- trat (e) on réduit l'épaisseur de la couche de conversion jusqu'à lui conférer une épaisseur au plus égale à la longueur de diffusion d'un électron dans le matériau constituant cette couche de conver selon ; (f) on réalise le dépôt de la couche dlactivatlon sur la face libre de la couche de conversion. 10. Tube électronique à image, caractérisé par le fait qu'il comporte une photocathode selon l'une des revendications précédentes.