Brevet FR2498321A1 — publié le 19820723

STRUCTURE DE DETECTION PHOTOELECTRIQUE La présente invention concerne une structure de détection photoélectrique du genre comprenant une couche photosensible supportée par un substrat transparent aux radiations incidentes, une couche in- termédiaire dite d'adaptation optique placée entre couche photosensible et substrat, les épaisseurs desdites couches intermédiaire et photo- sensible étant dimensionnées pour que, compte tenu de la nature des ma- tériaux de ces couches et du substrat, le rendement de photoémission de ladite structure se trouve être optimal. L'invention se trouve ain- si être en rapport étroit avec les dispositifs incluant à l'entrée une telle structure de détection tels que les cellules photoélectriques, les tubes intensificateurs d'image, les tubes image intégrés aux sys- tèmes de prise de vues de télévision ou encore les photomultiplica- teurs. Dans ces dispositifs, lorsque la structure de détection pho- toélectrique utilisée comporte une couche photosensible déposée direc- tement sur le substrat, il s'ensuit généralement une mauvaise adapta- tion optique de la couche photosensible sur le substrat, si bien qu'une bonne partie de la lumière incidente sur le substrat est mal utilisée pour la conversion des photons en électrons et que l'efficacité de dé- tection photoélectrique de ladite structure se trouve considérablement réduite. L'art antérieur à prévu d'améliorer cette efficacité en atté- nuant les phénomènes de réflexion qui se produisent à l'interface subs- trat couche photosensible au moyen d'une ou plusieurs couches intermé- diaires transparentes aux radiations incidentes placées entre substrat et couche photosensible. Une structure obtenue et ne comportant qu'une seule couche in- termédiaire, comme selon l'invention, fait l'objet par exemple du brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 254 253. La couche intermédiaire intro- duite est choisie pour sa faible absorption. Par ailleurs, ses cons- tantes optiques et son épaisseur sont talles que, compte tenu des constantes optiques du substrat et de la couche photosensible, les lumières réfléchies respectivement à l'interface substrat couche intermédiaire et à l'interface couche intermédiaire couche photosensible sont sensible- ment de même amplitude et de phases opposées, si bien qu'elles tendent à s'annuler mutuellement par interférence. Une telle structure atténue considérablement les pertes dues aux phénomènes de réflexion mais ne représente pas nécessairement la structure qui, construite avec des couches de même composition, présen- terait le rendement de photoémission optimal. Ce rendement dépend en ef- fet également des conditions dans lesquelles s'effectue l'absorption des photons dans la couche photosensible. Ce rendement est d'autant meilleur que l'absorption de la lumière s'effectue préférentiellement dans la couche au voisinage de son interface avec le vide du tube (à l'entrée duquel la structure est placée) dans une épaisseur, mesurée à partir de ladite interface de l'ordre de grandeur de la profondeur d'échappe- ment L vers le vide des photoélectrons créés, ceux-ci présentant alors une grande probabilité de sortie de la couche. Le but de l'invention est de proposer une structure de détec- tion photoélectrique comprenant une couche photosensible supportée par un substrat transparent aux radiations incidentes avec couche intermédi- aire également transparente, entre substrat et couche photosensible, le rendement de photoémission de ladite structure étant optimal compte tenu de la nature des matériaux constitutifs respectivement du substrat et des couches photosensible et intermédiaire. Pour ce faire, d'une part, selon l'invention l'épaisseur de la couche intermédiaire et ses constantes optiques sonttelles que les per- tes de lumière par réflexion aux interfaces de la couche intermédiaire avec les milieux adjacents sont mutuellement annulées comme selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 254 253, et, d'autre part, les épai- seurs respectives de la couche intermédiaire et de la couche photosensi- ble sont ajustées, l'une par rapport à l'autre, compte tenu de leurs constantes optiques de manière que l'absorption de la lumière dans la couche photosensible s'effectue comme indiqué précédemment dans une épaisseur mesurée à partir de son interface avec le vide du tube de l'ordre de grandeur de la profondeur L d'échappement vers le vide des photoélectrons créés. Pour naltre, l'invention se fonde sur les expressions théoriques du rendement de photoémission d'une structure de détection photoélectrique avec ou sans couche intermédiaire entre substrat et couche photosensible, l'absorption de la lumière dans la couche photo- sensible étant supposée s'effectuer comme désiré par l'invention. En l'absence de couche intermédiaire ce rendement est fonction de l'épaisseur e de la couche photosensible et de ses constan- tes optiques n, k (n indice de réfraction et k indice d'extinction du matériau). Son expression s'écrit: (1) p= P(W,0) Se A (n, k, x) f (x, L) dx A 0 dans laquelle les symboles ont la signification suivante - x distance mesurée entre l'interface couche photosensible vide du tube (x = 0) et le lieu d'absorption des photons dans la couche - W énergie des photoélectrons; - AÀ (n,k,x) fonction d'absorption de la radiation de longueur d'onde À dans la couche photosensible à la distance x de l'interface couche photosensible vide; - P(W,0) probabilité de sortie des photoélectrons à l'interface couche photosensible vide (x = 0), prise égale à l'unité dans les applica- tions qui suivent; - L profondeur d'échappement des photoélectrons de la couche photosensi- ble; - f(x,L) loi caractérisant le transport des électrons dans la couche - e épaisseur de la couche photosensible. En présence d'une couche intermédiaire d'épaisseur el et de constantes optiques nl, k1 (n1 indice de réfraction, k1 indice d'extinction) entre le substrat et la couche photosensible, la fonction d'absorption AA des photons dans la couche photosensible est fonction non seulement de n, k, x mais aussi de el, n1, kl et l'expression don- nant le rendement P', de photoémission de la structure s'écrit: e (2) P P(W,0) 1 AX (el, ni, kly n,k,x) f (x,L) dx Des applications numériques des expressions (1) et (2) en prenant com- me loi de transport des électrons f(x,L) = e I (ou e représente ici le nombre de Neper), suivies de vérifications expérimentales, conduisent l'invention à proposer des structures de détection photoélectrique correspondant, d'une part, à une certaine nature de matériau constitu- tif de substrat et de couches intermédiaire et photoémissive, et, d'autre part, à certaines épaisseurs e et e1 de ces couches, structures pour lesquelles, compte tenu de cette nature de matériau, le rendement de photoémission dans un domaine du spectre de lumière donné se trouve optimalisé. Les matériaux utilisés par l'invention correspondent pour le substrat à des matériaux transparents aux radiations considérées d'indice de réfraction d'ordre de grandeur de 1,5 à 2, et pour la couche intermédiaire à des matériaux transparents (k 1 W 0) d'indice de réfraction supérieur à celui du substrat et inférieur à celui de la couche photosensible. L'invention apparait-sous plusieurs de ses modes de réali- sation donnés à titre d'exemples non limitatifs avec leurs avantages, dans la description suivante, celle-ci étant accompagnée de dessins qui représentent: _Figure 1: une vue schématique de la structure de photo- émission selon l'invention. -Figure 2: un réseau de courbes en coordonnées cartésiennes indiquant le rendement de photoémission de la structure en fonction de l'épaisseur e de la couche photosensible pour différentes valeurs e1 de la couche intermédiaire à la longueur d'onde À = 4360 Ri le matériau photoémissif étant (Sb Na2 K, Cs) et celui de la couche inter- médiaire TiO2. _Figure 3: un réseau de courbes semblables indiquant le rendement de photoémission de la structure à la longueur d'onde X = 5460 R. _Figure 4: un réseau de courbes semblables indiquant le rendement de photoémission de la structure à la longueur d'onde X = 8000 R. - Figure 5: un réseau de courbes indiquant la sensibilité énergétique en fonction de l'épaisseur e de couche photosensible d'une structure de photoémission avec et sans couche intermédiaire en TiO2 d'épaisseur e1 = 500 R. - Figure 6: la sensibilité spectrale énergétique d'une struc- ture de photoémission de l'invention en fonction de la longueur d'onde de la lumière selon l'invention, avec couche intermédiaire d'épaisseur e1_ 500 a en TiO2 et couche photoémissive d'épaisseur e = 900 R en (Sb Na2 K, Cs), et la sensibilité de la même couche photoémissive d'épaisseur 1300 R déposée directement sur le substrat de verre (couche dite S 25). La figure 1 représente l'empilement réalisé comportant le subs- trat constitué d'une plaque 11 transparente aux radiations, la couche photosensible 12 d'épaisseur e et la couche intermédiaire 13 d'épais- seur e1, transparente également aux radiations, d'adaptation optique entre substrat et couche photosensible. Cet empilement est sensé cons- tituer l'entrée d'un tube photoélectrique, la lumière à détecter se présentant du côté gauche de l'empilement dans le sens de la flèche 14, le vide du tube 15 se trouvant du côté droit. Selon un premier mode de réalisation,l'invention se propose d'améliorer le rendement de photoémission d'une couche photosensible par exemple de type S 20 trialcaline de formule chimique (Sb Na2 k, Cs) déposée directement sur un substrat de verre d'indice de réfraction de l'ordre de 1,5 dans des domaines respectivement bleu, vert, rouge du spectre de la lumière centré sur les longueurs d'onde respectivement: À = 4360 R À = 5460 R À = 8000 R Le rendement PÀde photoémission d'une telle couche est maximal dans chacun des domaines pour une certaine valeur de l'épaisseur e de la couche. L'ordre de grandeur de cette valeur apparalt sur la ligne 2 du tableau I ci-après en fonction du domaine spectral. Sur la ligne 3 du même tableau est indiqué le rendement de photoémission correspondant exprimé en électrons par photons incidents. Selon ce premier mode de réalisation, la couche intermédiaire introduite entre la couche photo- sensible et le substrat est une couche par exemple en TiO2 d'indice de réfraction 2,6. Sur les figures 2, 3, 4 sont représentées en coordon- nées cartésiennes les variations en fonction de l'épaisseur e de la couche photosensible, du rendement de photoémission de la structure construite pour des lumières respectivement bleue verte et rouge centrées sur les longueurs d'onde À respectivement X = 4360A X = 5460A X = 8000k Sur ces figures chaque courbe correspond à une valeur de e1 de la cou- che intermédiaire, cette valeur étant indiquée en regard de chaque courbe. Le rendement P'Xde photoémission de la structure est optimal dans chacun des domaines spectraux lorsque les couples de valeurs de e et el, sont ceux indiqués aux lignes 4 et 5 du tableau 1, le rende- ment étant pour sa part indiqué à la ligne 6. Sur la ligne 7 on a indi- Pl, qué le rapport PX égal à 1,3; 1,25; 1,1; dans les domaines spectraux respectivement bleu, vert et rouge. Le gain photoélectrique le plus important est donc obtenu en lumière bleue avec une épaisseur de photocathode comparable aux couches photosensibles de type S 20 de même composition déposée directement sur le substrat. La structure de détection photoélectrique selon l'invention ne se limite pas à celle correspondant à des épaisseurs e et el dont les couples de valeurs sont ceux indiqués sur le tableau I. TABLEAU I Bleu Vert Rouge X - 4360R X = 5460R X = 8000 e(R) 100 800 1300 Px 0 O40 27 13 e1(R) 1300 500 700 e 200 400 750 P'X % 52,5 33,5 14,5 PlX 1,3 1,25 1,1 Px En effet, comme il apparalt sur chacune des figures 2, 3 4, il existe d'autres couples de valeurs pour lesquelles le rendement de photoémission est sensiblement optimal. Chaque couple de valeurs cor- respond à une variante de l'invention. Ces couples de valeurs apparais- sent pour chacun des domaines spectraux dans le tableau II ci-après. TABLEAU II Dans les domaines spectraux bleu et vert les couples des valeurs se groupent dans deux ensembles correspondant chacun à une somme des épaisseurs e et e1 sensiblement constante à savoir dans le bleu e + e1 = 1450 R et e + e1 = 700 R et dans le vert e + el = 1900 R, e + e1 = 900 R. Dans le domaine rouge les couples des valeurs forment un ensemble pour lequel e + e1 = 1450 R. Compte tenu de la précision des mesures, l'invention s'étend aux structures pour lesquelles la somme e + e1 est égale aux valeurs précédemment indiquées à 15 X près. Pour des domaines de longueurs d'onde différents, l'invention conduit à des structures se définissant de manière analogue et dont les sommes e + e1 sont caractéristiques des domaines spectraux considérés. Un second mode de réalisation de l'invention consiste dans l'utilisation de certaines des structures obtenues selon le pre- mier mode de réalisation comme structure de détection photoélectrique dans le spectre visible et proche infrarouge avec obtention d'une uni- formité de sensibilité dans ledit spectre aussi bonne que possible. La structure choisie est par exemple celle pour laquelle les matériaux À Bleu Vert Rouge À = 4360 R À = 5460 R X = 8000 R e (R) 1300 1100 500 300 1500 1300 700 500 300 1100 200 700 500 300 e(R) 200 350 200 300 450 600 250 400 600 400 500 750 950 1100 e1(R) 1500 1450 700 600 1950 1900 950 900 900 1500 1400 1450 1450 140 de couche photosensible et intermédiaire sont respectivement (Sb Na2 K, Cs) et Ti.2 avec des épaisseurs e et e1 de l'ordre e = 500 R et e = 900 R. La figure 5 représente à ce sujet 3 couples de courbes répertoriés B, V, R indiquant la sensibilité énergétique, exprimée en mA par Watt de structures de détection photoélectrique dans les domaines, respectivement, bleu, vert, rouge du spectre en fonc- tion de l'épaisseur de la couche photosensible, les courbes en pointil- lés correspondant à une structure avec un dépôt direct de la couche photosensible sur le substrat, les courbes en traits pleins à une struc- ture aveccouche photosensible déposée sur couche intermédiaire d'épais- seur e1 =500 R entre substrat et couche photosensible, la probabilité P (W,O) de sortie des électrons de la couche photosensible étant prise égale à 0,5 dans tous les cas. L'ensemble de ces courbes permet de com- parer la sensibilité de la structure photoélectrique selon l'invention avec celle d'une couche photosensible S 25 déposée directement sur le verre et dont l'épaisseur serait 1300 R. Ce gain photoélectrique obtenu, selon l'invention, par rapport à la couche S 25, est de l'ordre de 1,1 dans le rouge, 1,5 dans le vert, 2,5 dans le bleu. Les conséquences apparaissent sur les courbes 61 et 62 de la figure 6 représentant les variations, en fonction de la longueur d'onde X de la lumière, de la sensibilité énergétique exprimée en mA par Watt respectivement de la couche S25 et de la structure selon l'invention. Par rapport à la cou- che S 25, la sensibilité se trouve augmentée dans le bleu et le vert et de ce fait présenter une certaine uniformité. Il va de soi que l'invention s'étend à toutes les structures comportant sur le substrat une couche photosensible et une couche inter- médiaire transparente (K1 /4 0) dont l'indice de réfraction du matériau est compris entre celui du substrat et celui du matériau photosensible. Ainsi, selon des variantes de ces modes de réalisation, la couche photosensible est bialcaline de formule chimique Sb Ax By dans laquelle A et B sont des éléments alcalins et x,y des coefficients, s'il s'agit d'accroître les sensibilité dans le bleu et le vert ou encore de type Sb Ax s'il s'agit d'accroître la sensibilité seulement dans le bleu ou encore de type Ag 0 Cs pour l'accroissement de la sensibilité dans tout le spectre visible et proche infrarouge de la lumière. Par ailleurs, le matériau TiO2 de la couche intermédiaire est par exemple remplacé par Ta205 ou encore In2 03 ou Sn 02 (sauf en cas de présence de sodium) ou SiO, MnO, A1203 Si3N4, Mg O ou encore un verre au lanthane 249832't préparé en couche mince. Lorsque les matériaux des couches photosensible et intermédiaire sont ceux précédemment indiqués,les épaisseurs e et e de la structure se trouvent avoir sensiblement les mêmes valeurs que celles indiquées dans les tableaux I et II, des variations de 15 % étant autorisées sans s'écarter sensiblement de l'optimalisation du rendement de photoémission de la structure. Parmi les autres avantages présentés par les structures selon l'invention, on peut noter la faiblesse des épaisseurs de couche photosensible par rapport à celles dans les structures de l'art antéri- eur et, par ailleurs, le fait que certaines des couches intermédiaires par exemple SnO2 et In203, en présentant une résistance électrique très faible, permettent une stabilisation du potentiel électrique à la sur- face de la couche photosensible lors de l'utilisation desdites structures en photocathode. REVENDICATIONS 1. Structure de détection photoélectrique pour des radia- tions de longueur d'onde comprise dans un domaine donné du spectre, du genre comprenant une couche photosensible supportée par un substrat transparent aux radiations incidentes, une couche intermédiaire d'adaptation optique également transparente auxdites radiations placée entre couche photosensible et substrat, l'indice de réfraction du matériau de la couche intermédiaire étant compris entre celui du substrat et celui du matériau de la couche photosensible caractérisée en ce que les épaisseur e et e1 respectives de la couche photosensible et de la cou- che intermédiaire sont dimensionnées de telle sorte que l'absorption des photons dans le domaine du spectre considéré s'effectue préférentiel- lement dans la couche photosensible au voisinage de son interface avec le vide du tube, à l'entrée duquel la structure est placée, dans une épaisseur mesurée à partir de ladite interface de l'ordre de grandeur de la profondeur L d'échappement vers le vide des photo-électrons créés, de telle sorte que le rendement de photoémission de la structure soit optimal, compte tenu de la nature des matériaux constitutifs respective- ment du substrat et des couches photosensible et intermédiaire. 2. Structure de détection photoélectrique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'elle fait partie d'un groupe de struc- tures dont les matériaux constitutifs sont identiques de l'une a l'autre et pour lesquelles la somme e + e1 des couches est égale sen- siblement à une constante dépendant du domaine de longueur d'onde consi- déré et desdits matériaux constitutifs. 3. Structure de détection photoélectrique selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisée en ce que le substrat étant du verre d'indi- ce de réfraction de l'ordre de 1,5, le matériau de la couche photosen- sible étant compris dans le groupe (Sb Ax By Cs), (Sb Ax By), (Sb Ax), Ag 0 Cs, A et B étant des éléments alcalins, x et y des coefficients compris entre O et 3 et le matériau de couche intermédiaire pouvant être tout matériau, transparent auxdites radiations, d'indice de réfraction dont l'ordre de grandeur est compris entre 1,9 et 2,6 et compatible chimiquement avec le matériau photosensible, les valeurs des épaisseurs e et el, respectives de couche photosensible et de couche intermédiaire sont en fonction du domaine de détection considéré bleu, vert, rouge, il centré sur la longueur d'onde respectivementA = 4360 R, A = 5460 R, X = 8000 R, celles indiquées dans l'une des colonnes du tableau II avec une tolérance d'au maximum de l'ordre de 15 %. 4. Structure de détection photoélectrique selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que le matériau photosensible étant compris dans le groupe Sb K2 Cs, Sb K2 Rb, Sb Rb2 Cs, Sb Cs3, Ag O Cs, le matériau de couche intermédiaire est compris dans le groupe TiO2, Ta205' In203, Sn 02' SiO, MnO, A1203, Si3 N4, MgO, verre au lanthane. 5. Structure de détection photoélectrique selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que le matériau étant compris dans le groupe Sb K2 Cs, Sb Na2 K Cs, Sb K2 Rb, Sb Rb2 Cs, Sb Cs3 Ag O Cs, le maté- riau de couche intermédiaire est compris dans le groupe TiO2, Ta205, SiO, MnO, A1203, Mgo, Si3 N4, verre au lanthane. 6. Structure de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les valeurs de e et e1 sont respectivement el = 500 R et e = 900 R avec une tolérance de l'ordre de 15 'A au maximum. 7. Application de la structure de détection photoélectrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite structure est utilisée pour la détection de radiations de longueurs d'onde ap- partenant à un large spectre visible et proche infrarouge avec une bonne uniformité de sensibilité énergétique spectrale.