Brevet FR3096506A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : PHOTOCATHODE À RENDEMENT QUANTIQUE AMÉLIORÉ Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine général des photocathodes telles que celles utilisées dans les tubes intensificateurs d'image ou les tubes photomultiplicateurs. Etat de la technique antérieure [0002] Les détecteurs de rayonnement électromagnétique, tels que les tubes intensificateurs d'image ou les tubes photomultiplicateurs, permettent de détecter un rayonnement électromagnétique dans une bande spectrale donnée en le convertissant en un signal de sortie lumineux ou électrique. [0003] Ces détecteurs comportent généralement une photocathode pour recevoir le rayonnement électromagnétique et émettre en réponse un flux de photoélectrons, un dispositif multiplicateur d'électrons pour recevoir ledit flux de photoélectrons et émettre en réponse un flux d'électrons, dits secondaires, et enfin un dispositif de sortie pour recevoir ledit flux d'électrons et le convertir en un signal de sortie. [0004] La Fig. 1 représente un détecteur de rayonnement électromagnétique connu de l'état de la technique. [0005] Comme illustré sur la figure, un tel détecteur, 100, comprend une fenêtre d'entrée en matériau transparent, 110, généralement en verre, servant de support à une couche photoémissive ou photocathode, 120, réalisée en un matériau semiconducteur. La fenêtre d'entrée présente une face avant, 111, destinée à recevoir le flux de photons incidents et une face arrière, 112 opposée à la face avant. La couche photoémissive comporte une face amont, 121, en contact avec la face ffrière de la fenêtre d'entrée et une face aval 122, à partir de laquelle les photoélectrons sont émis [0006] La photocathode est portée à un potentiel négatif par rapport à celui appliqué au dispositif multiplicateur d'électrons 130, le dispositif multiplicateur d'électrons étant lui-même à un potentiel négatif par rapport à celui appliqué au dispositif de sortie 140, par exemple un écran phosphore ou une matrice CCD, [0007] Les photons arrivant sur la face avant 1 1 1 traversent la fenêtre transparente 110 et pénètrent dans la couche photoémissive 120, où ils génèrent des paires électrons-trous s'ils possèdent. une énergie supérieure à la largeur de bande interdite du matériau semiconducteur. Les photoélectrons migrent vers la face aval, 122, de la photocathode où ils sont émis dans le vide, avant, d'être multipliés par le dispositif multiplicateur d'électrons, 130, et convertis en un signal lumineux ou électrique par le dispositif de 2 sortie, 140. [0008] Le rendement quantique de la photocathode est classiquement défini comme le rapport entre le nombre de photoélectrons émis par la photocathode et le nombre de photons reçus. Le rendement quantique de la photocathode est un paramètre essentiel du détecteur, il conditionne à la fois sa sensibilité et son rapport signal sur bruit. Il dépend notamment de la longueur d'onde des photons incidents et de l'épaisseur de la couche photoémissive. [0009] Le rendement quantique peut être sensiblement dégradé par la présence de défauts à l'interface entre la photocathode, 120, et la fenêtre transparente, 110. Plus précisément, ces défauts créent des états de surface piégeant les photoélectrons générés dans la photocathode. Les photoélectrons ainsi piégés ne peuvent plus migrer vers la face aval de la photocathode et ne participent donc pas au photocourant généré par les photo-électrons émis par la photocathode. [0010] Cette détérioration du rendement quantique de la photocathode se fait particu- lièrement sentir dans les faibles longueurs d'onde. En effet, les photons de plus forte énergie interagissent plus tôt avec le semiconducteur le long de leur trajectoire au sein de la photocathode. Les photoélectrons générés par ces photons ont par conséquent une probabilité plus élevée d'être piégés à l'interface. [0011] Pour combattre cette détérioration du rendement quantique, il a été proposé d'introduire, à l'interface entre la fenêtre d'entrée et de la photocathode, une couche intermédiaire de matériau semiconducteur possédant une bande interdite plus large que celle de de la photocathode. Ainsi, par exemple, si la photocathode est réalisée dans un matériau semiconducteur III-V tel que GaAs de type p, on peut introduire une couche intermédiaire de GaAlAs de type p à l'interface. La plus grande largeur de bande interdite de GaAlsAs par rapport à GaAs crée une courbure de bandes vers le haut ( upward band bending) du côté de la photocathode comme on peut le voir dans le diagramme de bandes de la Fig. 2. Ainsi, lorsqu'un photon génère une paire électron-trou à proximité de l'interface, le photoélectron est extrait hors de la zone de recombinaison par le champ électrique local. [0012] Cette solution n'est toutefois pas transposable à tous les types de photocathode, en particulier à celles réalisées dans un matériau polycristallin, par exemple dans un composé bi- ou multi-alcalin tel que SbK2Cs, SbRbnCs, SbRboCs, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa2KCs. Du fait de leur structure polycristalline, ces photocathodes ne possèdent pas un diagramme de bandes bien défini et il est difficile de prévoir une couche intermédiaire en un second matériau semiconducteur permettant d'obtenir la courbure de bandes souhaitée à l'interface avec le matériau polycristallin. [0013] De manière plus générale, même pour des photocathodes réalisées dans un matériau semiconducteur monocristallin, il n'est pas toujours aisé de trouver un second matériau 3 semiconducteur adapté permettant à la fois d'obtenir un accord de maille et la courbure de bandes souhaitée avec le matériau semiconducteur constitutif de la photocathode. Ceci est notamment problématique pour les photocathodes réalisées dans un matériau semiconducteur II-VI, tel que CdTe. [0014] Un but de la présente invention est par conséquent de proposer un détecteur de rayonnement électromagnétique possédant une photocathode en un premier matériau semiconducteur, présentant un rendement quantique élevé sans pour autant nécessiter une couche intermédiaire en un second matériau semiconducteur adapté, entre la fenêtre d'entrée et la photocathode. Présentation de l'invention [0015] La présente invention est définie par un détecteur de rayonnement électromagnétique comprenant une fenêtre d'entrée en verre possédant une face amont destinée à recevoir un flux de photons incidents ainsi qu'une face aval opposée à la face amont, une photocathode sous la forme d'une couche semiconductrice, destinée à générer des photo-électrons à partir des photons incidents et à émettre lesdits photoélectrons ainsi générés, un dispositif multiplicateur d'électrons configure pour recevoir les photo-électrons émis par la photocathode et à générer pour chaque photoélectron reçu une pluralité d'électrons secondaires et un dispositif de sortie configure pour générer un signal de sortie à partir desdits électrons secondaires, le détecteur de rayonnement étant spécifique en ce qu'une couche conductrice transparente est déposée sur la face aval de la fenêtre d'entrée et qu'une couche mince isolante est disposée entre ladite couche conductrice et la couche semiconductrice, la couche conductrice étant reliée électriquement à une première électrode et la couche semiconductrice étant reliée électriquement à une seconde électrode, la première électrode étant destinée à être portée à un potentiel inférieur à celui appliqué à la second électrode. [0016] La couche semiconductrice peut notamment être réalisée dans un matériau semi- conducteur polycristallin. Ce matériau peut être choisi parmi SbK2Cs, SbRb2Cs, SbRb, Cs, SbCs3, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa,KCs. [0017] Alternativement, la couche semiconductrice peut être réalisée dans un matériau semi- conducteur monocristallin 111-1V ou 11-V1. [0018] La couche conductrice transixtrente est typiquement réalisée en ITO ou ZnO. [0019] La couche mince isolante est avantageusement réalisée dans un matériau diélectrique présentant une tension de claquage supérieure à 1 V/ 10 nm. Cette couche mince isolante a généralement une épaisseur de 100 à 200 nm. Le matériau diélectrique est avantageusement choisi parmi A120 , Si02, Hf04. [0020] La différence de potentiel appliquée entre la seconde électrode et la première électrode est avantageusement choisie supérieure ou égale à 4.618,Aubbeiv, où 5.7et sont respectivement les constantes diélectriques de la couche semiconductrice et de la couche isolante, 5 est l'épaisseur de la couche isolante. Atibb est l'amplitude de la courbure de bande en absence de différence de potentiel appliquée. N' est la concentration d'accepteurs clans la couche semiconductrice et e est la charge de l'électron. Brève description des figures [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, décrit en référence aux figures jointes parmi lesquelles : [0022] [fig.11, déjà décrite représente schématiquement la structure d'un détecteur de rayonnement électromagnétique connu de l'état de la technique ; [0023] [fig.21 représente le diagramme de bandes d'une photocathode à rendement quantique élevé, connue de l'état de la technique ; [0024] [fig.31 représente schématiquement la structure d'un détecteur de rayonnement élec- tromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ; [0025] [fig.41 représente le diagramme de bandes d'une photocathode utilisée dans le détecteur de rayonnement électromagnétique de la Fig. 3. Description des modes de réalisation [0026] L'idée à la base de l'invention est d'introduire entre la fenêtre d'entrée du détecteur électromagnétique et la photocathode, une structure capacitive formée d'une couche conductrice mince servant d'électrode de polarisation, et d'une couche mince de diélectrique. L'électrode de polarisation est destinée à être polarisée à un potentiel inférieur à celui appliqué à la photocathode de manière à chasser hors de la zone de recombinaison les photoélectrons générés à proximité de l'interface. 100271 La Fig. 3 représente de manière schématique la structure d'un détecteur de rayonnement électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention. 100281 Le détecteur comprend comme précédemment une fenêtre d'entrée, 310, en un matériau transparent dans la bande spectrale d'intérêt, par exemple une fenêtre en quartz ou en verre borosilicate. 100291 La fenêtre d'entrée présente une face amont, 311, destinée à recevoir le flux de photons incidents et une face aval, 312, opposée à la face amont. 100301 Une couche conductrice, 316, transparente dans la bande spectrale d'intérêt, est déposée sur la face aval de la fenêtre d'entrée. Elle est en outre reliée électriquement à une première électrode 315. La couche conductrice transparente peut être avantageusement réalisée en ZnO ou en ITO. Son épaisseur est choisie dans L gamme 50 à quelques centaines de nm et avantageusement égale à 150 nm. 100311 Une couche isolante, 317, réalisée en un matériau diélectrique, est disposée entre la couche conductrice 316 et la couche semiconductrice de la photocathode, 320. Le matériau diélectrique est choisi pour présenter une tension de claquage élevée, par exemple supérieure à 1V/ 10 nm. L'épaisseur de la couche diélectrique est typiquement de 100 à 200 nm. Le matériau diélectrique pourra notamment être de l'alumine (A1203), de la silice (Si02), ou un oxyde d'Hafnium (HF03). Selon une variante, la couche isolante pourra être réalisée sous la forme d'une structure diélectrique multicouche faisant intervenir les matériaux diélectriques précités. [0032] La photocathode 320 est réalisée sous la forme d'une couche semiconductrice déposée sur la couche isolante 317. Le semiconducteur peut être monocristallin, par exemple un semiconducteur 111-V, tel que GaAs ou II-V1, tel que CdTc. Alternativement, il peut avoir une structure polycristalline, comme ce peut être notamment le cas pour les composés hi- ou multi-alcalins tels que SbK,Cs, SbRb,Cs, SbRb,Cs, SbCs 4, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa,KCs. [0033] Dans tous les cas, la photocathode est reliée électriquement à une seconde électrode, 325. [0034] Les électrons primaires émis par la photocathode sont émis dans le vide et multipliés par un dispositif de multiplication d'électrons, 330, par exemple une galette de microcanaux (GMC) ou une couche de diamant nanocristallin comme décrit dans la demande publiée FR-A-2961628 déposée au nom de la présente Demanderesse, voire encore un multiplicateur à dynodcs discrètes dans le cas des photomultiplicateurs classiques. [0035] Le dispositif de multiplication d'électrons est relié à une troisième électrode (non re- présentée). [0036] Les photoélectrons ainsi multipliés, dénommés électrons secondaires, sont reçus par le dispositif de sortie, 340. Le dispositif de sortie peut comporter un écran phosphore, assurant une conversion directe en image comme dans un intensificateur d'image ou bien une matrice CCD ou CMOS pour fournir un signal électrique représentatif de la distribution du flux de photons incidents, comme dans un système EB-CCD (Electron Botnbarded CCD) ou EBCMOS (Electron Bornbarded CMOS), ou une simple anode métallique dans le cas des photomultiplicateurs classiques. [0037] Le dispositif de sortie est relié à une quatrième électrode jouant le rôle d'anode. [0038] La fenêtre d'entrée 310, la photocathode 320, le dispositif de multiplication d'électrons, 330 et le dispositif de sortie sont avantageusement montés dans un corps de tube compact, les connexions électriques des électrodes avec l'alimentation extérieures étant assurées par des bagues de connexion séparées par des entretoises diélectriques. Selon une variante avantageuse de réalisation, le corps de tube pourra se présenter sous la forme d'un substrat céramique multicouche sur lequel sera fixé le dispositif de multiplication d'électrons comme décrit dans la demande publiée FR- 6 A-2925218 déposée au nom de la présente Demanderesse. [0039] Bien entendu, comme dans une photocathode conventionnelle, l'extraction des pho- toélectrons et leur accélération sont assurées en appliquant une haute tension entre l'anode et la cathode. Toutefois, de manière originale, il est appliqué une tension négative entre la première électrode et la seconde électrode de sorte que la couche conductrice est portée à un potentiel inférieur à celui de la photocathode. Plus précisément, si l'on note respectivement V, Vpk Va les potentiels respectifs de la couche conductrice, de la photocathode et l'anode, on a V', REVENDICATIONS[Revendication I] Détecteur dc rayonnement électromagnétique comprenant une fenêtre d'entrée en verre (310) possédant une face amont (311) destinée à recevoir un flux dc photons incidents ainsi qu'une face aval (312) opposée à la face amont, une photocathode sous la forme d'une couche semiconductrice (320), destinée à générer des photoélectrons à partir des photons incidents et à émettre lesdits photoélectrons ainsi générés, un dispositif multiplicateur d'électrons (330) configure pour recevoir les photoélectrons émis par la photocathode et à générer pour chaque photo-électron reçu une pluralité d'électrons secondaires et un dispositif de sortie (340) configure pour générer un signal de sortie à p'-tir desdits électrons secondaires, caractérisé en ce qu'une couche conductrice transparente (316) est déposée sur la face aval (312) de la fenêtre d'entrée et qu'une couche mince isolante (317) est disposée entre ladite couche conductrice (316) et la couche semiconductrice (320), la couche conductrice étant reliée électriquement à une première électrode (315) et la couche semiconductrice étant reliée électriquement à une seconde électrode (325), la première électrode étant destinée à être poilée à un potentiel inférieur à celui appliqué à la second électrode. [Revendication 2] Détecteur de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiconductrice est réalisée dans un matériau semiconducteur polycristallin. [Revendication 3] Détecteur de rayonnement électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur polycristallin est choisi parmi SbK2Cs, SbRb2Cs, SbRb2Cs, SbCs3, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNaloes. [Revendication 4] Détecteur de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiconductrice est réalisée dans un matériau semiconducteur monocristallin III-IV ou II-VI. [Revendication 5] Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la couche conductrice transparente est réalisée en ITO ou ZnO. [Revendication 6] Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la couche mince isolante est réalisée dans un matériau diélectrique présentant une tension de claquage supérieure à 1 V/ 10 nm. [Revendication 7] Détecteur de rayonnement électromagnétique, selon la revendication 6, 10 [Revendication 8] caractérisé en ce que la couche mince isolante a une épaisseur de 100 à 200 nm. [Revendication 9] Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en cc que le matériau diélectrique est choisi parmi A1,03, Si02, Hf03. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en cc que la différence de potentiel appliquée entre la seconde électrode et la première électrode est choisie supérieure ou égale à 48issAubheiv" où et sont respectivement les ed constantes diélectriques de la couche semiconductrice et de la couche isolante, S est l'épaisseur de la couche isolante, AU, est l'amplitude de la courbure de bande en absence de différence de potentiel appliquée, AT, est la concentration d'accepteurs dans la couche semiconductrice et e est la charge de l'électron.