ФОТОКАТОДНЫЙ УЗЕЛ ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМ ФОТОКАТОДОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PHOTOCATHODE ASSEMBLY FOR VACUUM PHOTOELECTRONIC DEVICE WITH SEMITRANSPARENT PHOTOCATHODE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области создания вакуумных фотоэлектронных приборов, а точнее к конструкции фотокатодного узла таких приборов, в частности конструкции фотоэлектронных приборов (ФЭП), электронно-оптических преобразователей (ЭОП).
Известны конструкции фотокатодных узлов вакуумных фотоэлектронных приборов, например электронно-оптических преобразователей для УФ области спектра, содержащих гетероэпитаксиальную структуру GaN/GaAlN, выращенную на сапфировой подложке, описанных в патенте США 6597112 от 22.07.2003 г., и статье J.W.Glesener, A.M.Dabiran, J.P.Estrera Nitride Image Intensifiers, Proc. of SPIE Vol.7339, 2009, и наиболее близкой к настоящему изобретению статье I.Mizuno, Т.Nihashi, Т.Nagai, М.Niigaki, Y.Shimizu, К.Shimano, К.Katoh, Т.Ihara, К.Okano, М.Matsumoto, М.Tachino Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode, Proc. of SPIE Vol.6945, 2008.
3
5
2
3
В первом случае авторы статьи вырастили гетероэпитаксиальную структуру GaN/GaAlN соединений типа AB на профилированном диске из сапфира по классической конструкции ЭОП 3-го поколения, описанной в патенте 6597112 (см. фиг.3). Согласно патента, на подложке из монокристалла, например сапфира 15, увеличенного до размеров фотокатодного узла на фиг.3, можно вырастить структуру AlO/GaAlN и затем, после отжига этого промежуточного слоя, вырастить активный слой GaN и использовать ее в качестве фотокатодного узла ЭОП, что и сделали авторы статьи J.W.Glesener, A.M.Dabiran и J.P.Estrera. Однако, параметры этого ЭОП оказались очень низкими (квантовый выход фотоэмиссии порядка 10%), более того, в сапфире появились трещины, что свидетельствует о значительных механических напряжениях в сапфировом окне фотокатодного узла. Механические напряжения обусловлены тем, что сапфир и GaN не являются материалами, полностью согласованными по параметру кристаллической решетки. Более подробно это явление описано в статье Thermal stress in GaN epitaxial layers grown on sapphire substrates J. Appl. Phys. 77, 4389 (1995).
Низкий квантовый выход фотокатода и трещины в сапфире вызваны тем, что механические напряжения приводят к росту дислокаций в активном слое структуры, что, в свою очередь, приводит к снижению диффузионной длины фотоэлектронов и повышению скорости рекомбинации на гетерогранице, а если механические напряжения превышают предел прочности сапфира, то и к трещинам в нем.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, изложенное в статье I.Mizuno, Т.Nihashi, Т.Nagai, M.Niigaki, Y.Shimizu, К.Shimano, К.Katoh, Т.Ihara, К.Okano, M.Matsumoto, M.Tachino Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode, Proc. of SPIE Vol.6945, 2008. Был изготовлен фотокатодный узел 15 следующим образом: сначала был сделан профильный сапфировый диск 14, как изображено на фиг.3, а гетероэпитаксиальную структуру GaN/GaAlN 18, выращенную на тонкой (0,7 мм) сапфировой подложке 36, прижали к сапфировому диску.
Далее, в сверхвысоковакуумной сборочной установке был собран классический ЭОП 3-го поколения 13 путем прогрева, и активировки фотокатода в парах цезия и кислорода, и последующей установки его в корпус вакуумного блока фотоэлектронного прибора, в данном случае, ЭОП 19.
ЭОП работает следующим образом: на фотокатод 18 проецируют оптическое изображение в соответствующем диапазону чувствительности фотокатода спектре, в данном случае ультрафиолетовом, которое преобразуется в электронное. Фотоэлектроны, вылетающие из фотокатода, за счет ускоряющего напряжения в катодном промежутке ЭОП 26, приложенного к входу распределенного канального умножителя электронов 21 - микроканальной пластины (МКП) 20, влетают в ее каналы. В каждом канале МКП диаметром 4-8 мкм происходит лавинное усиление электронного изображения в 200-300 раз. После усиления, электронный поток в экранном промежутке 27 снова ускоряется полем, приложенным между выходом МКП 22 и экранным узлом ЭОП с катодолюминесцентным экраном 23, нанесенным на волоконно-оптический элемент (ВОЭ) 24. Экран под действием электронного потока светится, образуя усиленное и преобразованное по спектру изображение.
Недостатком данного технического решения является необходимость изготовления профильного сапфирового диска 14 значительной толщины и сложной формы, разработки технологии сочленения гетероэпитаксиальной структуры GaN/GaAlN на сапфире 21 с этим диском и нанесения адгезионных слоев на периферийную часть профильного диска для последующей герметизации через индиевую прокладку с корпусом ЭОП 19.
Кроме того, прогрев фотокатодного узла, содержащего сапфировый диск без металлического обрамления в вакууме, может осуществляться только за счет теплового излучения, однако сапфир пропускает тепловое излучение и плохо прогревается. Наличие толстого профильного диска из сапфира ухудшает контраст изображения из-за многократных переотражений света от торцевых и плоских частей его поверхности. В результате становится затруднительно достичь заданной температуры 600-650°С и соответственно получить высокий квантовый выход, что приводит к уменьшению чувствительности фотокатодного узла.
3
5
Во втором варианте классического фотокатодного узла с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа АВ на непрозрачной подложке, конструкция и способ изготовления которого описаны, например, в патенте США №6005257 от 21.12.1999 г. авторов Joseph P.Estrera, Keith T.Passmore, Timothy W.Sinor, показанном на фиг.4, с профильным диском 29, изготовленным из стекла с соответствующим температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), близким к ТКЛР материала подложки гетероэпитаксиальной структуры (GaAs, InP и т.п.), методом термокомпрессионной сварки соединяют гетероэпитаксиальную структуру, состоящую из ряда слоев 30, 31, 32, 33 и 34, последний из которых является активным слоем. После его прогрева и активировки цезием и кислородом в вакууме этот слой становится фотокатодом. Подложка на рисунке не показана, так как ее удаляют химическим травлением после термокомпрессионной сварки.
Аналогично описанному выше на фиг.3 наличие толстого профильного диска требует нанесения ряда покрытий 35, необходимых кроме осуществления контакта фотокатода 34 с корпусом фотоэлектронного прибора после его сочленения с фотокатодным узлом, адгезии индия, служащего герметизирующей прокладкой и поглощения паразитного света, попадающего на периферийную часть профильного диска, чтобы исключить потери контраста изображения. Изготовление профильного диска и нанесение всех этих слоев, в особенности поглощающего, как описано в патенте США №4760307 от 26.07.1988 г. автора Howrth, требует использования сложного технологического оборудования, что значительно увеличивает трудоемкость изготовления фотокатодного узла.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение чувствительности, теплопроводности фотокатодного узла и контраста передаваемого изображения, упрощение конструкции и повышение ее надежности, за счет обеспечения герметизации фотокатодного узла с корпусом прибора, а также повышение производительности процесса и снижение трудоемкости изготовления.
3
5
Указанный технический результат достигается в фотокатодном узле вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом, содержащем входное окно из сапфира с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа АВ, выращенной на монокристаллической подложке, тем, что в него введен фланец из активного металла, закрепленный по периферийному контуру входного окна, выполненного в виде плоского диска из сапфира.
Кроме того, гетероэпитаксиальная структура может быть выполнена в виде структуры GaN/GaAlN, выращенной на упомянутом плоском диске из сапфира, имеющем толщину 0,5-0,7 мм.
-7
Кроме того, гетероэпитаксиальная структура может быть выполнена на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенных на непрозрачных подложках GaAs и InP/InGaAs/InP, выращенных на подложках InP, а между плоским диском из сапфира и гетероэпитаксиальной структурой расположен переходный слой стекла толщиной (0,1-0,2 мм), имеющего температурный коэффициент линейного расширения ((57±2)·10)1/°С в диапазоне температур 20-500°С.
Кроме того, в качестве активного металла может быть использован титан.
Для способа изготовления фотокатодного узла вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом, включающего изготовление гетероэпитаксиальной структуры на монокристаллической подложке и закрепление ее на входном окне, указанный технический результат достигается тем, что в качестве входного окна используют плоский диск из сапфира, на монокристаллической подложке эпитаксиально выращивают последовательно стопорный, активный и буферный слои гетероэпитаксиальной структуры, приваривают ее к материалу сапфира входного окна, подложку и стопорный слой стравливают селективным травлением, после чего по периферии входного окна приваривают фланец из активного металла.
В качестве монокристаллической подложки используют плоскую подложку из GaAs, на которой последовательно выращивают эпитаксиально стопорный слой GaAlAs, активный слой GaAs и буферный слой GaAlAs, а гетероэпитаксиальную структуру к материалу сапфира входного окна приваривают через стеклянную прокладку или прокладку из аналогичного пластичного материала.
Кроме того, гетероэпитаксиальную структуру с подложкой к материалу сапфира входного окна приваривают термокомпрессионной сваркой.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого изобретения на прозрачной подложке.
На фиг.2 показан фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого изобретения на непрозрачной подложке.
На фиг.3 показана конструкция классического ЭОП 3-го поколения согласно патента-аналога.
На фиг.4 показан фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно конструкции прототипа на непрозрачной подложке.
На фиг.1 обозначены:
1 - фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого изобретения на прозрачной подложке;
2 - оправа из активного металла, например титана;
3 - прокладка из алюминия;
4 - подложка из сапфира;
5 - слои гетероэпитаксиальной структуры GaN/GaAlN/AlN.
На фиг.2 обозначены:
6 - фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно предлагаемого изобретения на непрозрачной подложке;
7 - оправа из активного металла, например титана;
8 - прокладка из алюминия;
9 - сапфировый диск;
10 - тонкая стеклянная прокладка;
11, 12 - слои эпитаксиальной структуры фотокатода.
На фиг.3 обозначены:
13 - конструкция классического ЭОП 3-го поколения согласно патента-аналога;
14 - фотокатодный узел;
15 - входное окно;
16 - адгезионный слой;
17 - буферный слой;
18 - активный слой;
19 - металлокерамический корпус ЭОП;
20 - микроканальная пластина (МКП);
21 - ионно-барьерная пленка на МКП
22 - контактный слой;
23 - катодолюминесцентный экран;
24 - волоконно-оптический элемент;
25 - слой алюминия;
26 - катодный промежуток;
27 - экранный промежуток.
На фиг.4 обозначены:
28 - фотокатодный узел фотоэлектронного прибора согласно конструкции прототипа на непрозрачной подложке;
29 - профильный диск;
30, 31, 32, 33, 34 слои эпитаксиальной структуры фотокатода;
35 - контактно-адгезионные покрытия для обеспечения контакта активного слоя фотокатода 34 с периферией фотокатодного узла и адгезии к слою индия металлокерамического корпуса фотоэлектронного прибора (не показан).
3
5
-7
Фотокатодный узел вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом 1 или 6 содержит входное окно в виде плоского диска из сапфира 4 или 9 с гетероэпитаксиальной структурой соединений типа АВ, выращенной на монокристаллической подложке, фланец 2 или 7 из активного металла, закрепленный по периферийному контуру входного окна. Гетероэпитаксиальная структура выполнена в виде структуры GaN/GaAlN, выращенной на упомянутом плоском диске из сапфира 4, имеющем толщину 0,5-0,7 мм. Гетероэпитаксиальная структура может быть выполнена на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенных на непрозрачных подложках GaAs и InP/InGaAs/InP, выращенных на InP, а между плоским диском из сапфира 9 и гетероэпитаксиальной структурой расположен переходный слой стекла 10 толщиной (0,1-0,2 мм), имеющего температурный коэффициент линейного расширения ((57±2)·10)1/°С в диапазоне температур 20-500°С. В качестве активного металла использован титан.
Процесс изготовления фотокатодного узла вакуумного фотоэлектронного прибора с полупрозрачным фотокатодом включает изготовление гетероэпитаксиальной структуры на монокристаллической подложке и закрепление ее на входном окне. В качестве входного окна используют плоский диск из сапфира 4 или 9, на монокристаллической подложке эпитаксиально выращивают последовательно стопорный, активный 12 и буферный слои 11 гетероэпитаксиальной структуры, приваривают ее к материалу сапфира входного окна, подложку и стопорный слой стравливают селективным травлением (в связи с чем они не показаны на чертежах), после чего по периферии входного окна приваривают фланец 2 или 7 из активного металла.
В качестве монокристаллической подложки возможно использование плоской подложки из GaAs, на которой последовательно выращивают эпитаксиально стопорный слой GaAlAs, активный слой GaAs и буферный слой GaAlAs, а гетероэпитаксиальную структуру к материалу сапфира входного окна приваривают через стеклянную прокладку 10 или прокладку из аналогичного пластичного материала. Обычно гетероэпитаксиальную структуру с подложкой к материалу сапфира входного окна приваривают термокомпрессионной сваркой.
Конкретная реализация технического решения и функционирование фотокатодного узла с обеспечением устранения недостатков прототипа и аналогов с достижением технического результата показаны ниже.
Конструкция фотокатодного узла 1, показанная на фиг.1 (на прозрачной подложке). состоит из гетероэпитаксиальной структуры GaN/GaAlN 4, выращенной на сапфировой подложке 5 и содержит на периферийной части металлический фланец 2, сочлененный с сапфировой подложкой через прокладку из алюминия 3.
Наличие массивного металлического фланца на периферийной части фотокатодного узла, прочно и вакуумно-плотно сочлененного с гетероэпитаксиальной структурой GaN/GaAlN, выращенной на сапфировой подложке, которые обладают высокой теплопроводностью, обеспечивают прогрев структуры до заданной температуры 600-650°С без особого труда, а такой прогрев является гарантией получения высокого квантового выхода фотокатода.
В предлагаемой конструкции фотокатодного узла сама гетероэпитаксиальная структура GaN/GaAlN, выращенная на сапфировой подложке, является входным окном фотоэлектронного прибора. Поэтому при ее небольшой толщине (не более 0,5 мм) ухудшение контраста за счет переотражений от плоских и, тем более, торцевых ее частей, влияющее на контраст изображения, не наблюдается.
Герметизация фотокатодного узла осуществляется традиционным для этих приборов способом - холодной сваркой через индиевую прокладку, сплавленную с корпусом фотоэлектронного прибора в месте герметизации. Однако, для герметизации фотокатодного узла в традиционной конструкции прототипа необходима металлизация поверхности стеклянного или сапфирового профильного диска. Иначе вакуумная плотность места соединения не гарантируется.
В связи с тем, что в предлагаемой конструкции фланец, сочлененный со структурой, изготовлен из титана, то для его холодной сварки с индиевой прокладкой металлизация не требуется.
-7
С целью повышения контраста изображения, надежности конструкции и производительности процесса и снижения трудоемкости изготовления предлагается также конструкция фотокатодного узла 6, показанная на фиг.2 (на непрозрачной подложке). Аналогично узлу, изготовленному в первом варианте настоящего описания (фиг.1), к металлическому фланцу 7 приварена сапфировая подложка 9, на которую также методом термокомпрессионной сварки через тонкую (0,1-0,2 мм) прокладку из стекла 10, имеющего температурный коэффициент линейного расширения 57±2·10 1/°С в диапазоне температур 20-500°С, приварена гетероэпитаксиальная структура из буферного слоя 11 и активного слоя 12 на основе GaAs/GaAlAs, InGaAs/GaAs, выращенная на GaAs или InP/InGaAs/InP, выращенная на InP или другой непрозрачной подложке (подложка удалена химическим способом после термокомпрессионной сварки и на фиг.2 не показана).
Данная конструкция фотокатодного узла лишена недостатков, описанных выше. Она не требует нанесения адгезионных слоев 35 (фиг.4), так как содержит в своей конструкции металлический фланец из активного металла 7, например титана, образующего с индием при холодной сварке вакуумно-плотное соединение, и поэтому обладает более высокой надежностью. Кроме того, при использовании тонкого (порядка 0,5 мм) сапфирового диска 9 нет необходимости применять светопоглощающее покрытие, так как переотражение от торцевых частей диска отсутствует и, следовательно, изображение, полученное с использованием фотокатодного узла предлагаемой конструкции, имеет более высокий контраст.
Таким образом, при использовании предлагаемого технического решения обеспечивается достижение технического результата в виде повышения чувствительности, теплопроводности фотокатодного узла и контраста передаваемого изображения, упрощения конструкции и повышения ее надежности за счет обеспечения герметизации фотокатодного узла с корпусом прибора, а также повышения производительности процесса и снижения трудоемкости изготовления.