ФОТОКАТОД ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H01J1/34 H01J9/12 H01J40/06 

Изобретение относится к конструкциям и способам изготовления фотокатодов повышенной чувствительности, предназначенных для работы при низком уровне освещенности. Данные фотокатоды используются для фотоэлектронных приборов, применяемых в исследовательских целях, в промышленности, для специальных назначений и пр.

Известен щелочной фотокатод Cs₂Te. Проблема заключается в том, что в фотокатоде при возникновении фотоэффекта в результате облучения электронами, часть фотоэлектронов движется в сторону вакуума, а часть в обратную сторону - к подложке, достигают ее, т.к. потенциальный барьер не мешает этому, и там рекомбинируют.Следовательно, не достигается возможное максимальное значение квантового выхода фотокатода и чувствительности прибора.

Известны фотокатоды на основе герероструктур А₃В₅ (см., например, патент GB1526937 "А3В5 полупроводниковый фотокатод" от 04.10.1978, патентобл. STANDARD TELEPHONES CABLES LTD, Кл. МПК H01J 1/34, H01J 9/12). В данном патенте описан фотокатод, который содержит слой для уменьшения рекомбинации фотоэлектронов, увеличивающий ширину запрещенной зоны. Фотокатод стоит из подложки, фотоэмиссионного слоя и слоя для уменьшения рекомбинации фотоэлектронов.

Недостаток данных фотокатодов заключается в том, что все фотокатоды на основе соединений А₃В₅ крайне чувствительны к уровню вакуума, при малейшем ухудшении вакуума падает их квантовый выход и чувствительность. Это происходит потому, что для получения фотокатода поверхность соединения А₃В₅ подвергают активировке парами Cs и кислорода. Толщина активированного слоя равна толщине диполя из атомов Cs и кислорода, т.е. толщине двух монослоев или около 10 . Поэтому при ухудшении вакуума посторонние молекулы абсорбируются поверхностью фотокатода, а так как этот поверхностный слой достаточно тонкий, то достаточно небольшого количества молекул, чтобы изменить состав слоя и, следовательно, снизить его чувствительность. Такие фотокатоды могут работать только в условиях очень высокого вакуума и быстро "умирают" при малейшем его ухудшении. Таким образом, эксплуатационные характеристики фотокатодов на основе гетероструктур А₃В₅ требуют создания для их работы очень высокого уровня вакуума, что достаточно дорого и не всегда осуществимо. Такие фотокатоды очень "капризны" и не удовлетворяют требованиям эксплуатации в жестких условиях внешней среды, где присутствуют, например, высокие температуры, радиация, и т.п.

Задача заключается в создании фотокатода, более устойчивого к уровню вакуума, пригодного к эксплуатации в жестких условиях внешней среды. Технический результат заключается в увеличении внешнего квантового выхода фотокатода за счет снижения рекомбинации фотоэлектронов на границе раздела с подложкой. За счет этого увеличивается чувствительность прибора, в котором применяется этот фотокатод.

Фотокатод повышенной чувствительности, состоящий из подложки, фотоэмиссионного слоя, и промежуточного слоя для увеличения потенциального барьера между подложкой и фотоэмиссионным слоем, отличается тем, что фотоэмиссионный слой выполнен из теллурида цезия - Cs₂Te, а промежуточный слой для увеличения потенциального барьера между подложкой и фотоэмиссионным слоем выполнен на основе йодида цезия - CsI.

Способ изготовления фотокатода повышенной чувствительности заключается в нанесении на подложку проводящего материала (Cr, Mo, W), нанесения на поверхность Те, обработки этой поверхности парами Cs для получения Cs₂Te фотокатода, отличается тем, что между проводящим материалом и фотокатодом наносят слой щелочного металла и обрабатывают его парами йода I для получения промежуточного слоя йодистого цезия CsI, обеспечивающего создание потенциального барьера между подложкой и фотокатодом.

Выбор фотокатода определяется тем, что щелочной фотокатод устойчив к среднему уровню вакуума. Этот фотокатод может поглощать в достаточно большом количестве посторонние атомы и молекулы без существенной потери своей чувствительности. Толщина щелочных фотокатодов для УФ области находится в диапазоне 0,1-0,2 мкм, что соответствует 200-400 монослоям.

CsI представляет собой полупроводник р-типа с шириной запрещенной зоны 7,5 эВ. Благодаря слою CsI между подложкой и фотокатодом образуется потенциальный барьер, который фотоэлектроны не могут преодолеть, следовательно, уменьшается количество рекомбинирующих фотоэлектронов, так как фотоэлектроны не могут достигнуть границы раздела с подложкой. Т.о., CsI выбран потому, что он является полупроводником р-типа и эффективным фотокатодом для области спектра, соответствующей спектру Cs₂Te фотокатода, и имеет проводимость, достаточную, чтобы проводить фотоэмиссионный ток, возникающий при облучении фотокатода.

Фотокатод изготавливают следующим образом. В вакуумной камере на подложку наносят проводящий материал (например, Cr, Mo, W), затем напыляют щелочной металл Cs, который обрабатывают парами I (в общем случае, в качестве щелочного металла может быть использован так же K или Rb). Ширина промежуточного слоя CsI может быть в интервале от 1Е-9 до 1Е-8 м (10-100 ). Далее, наносят фотокатод, напыляя Те, а затем активируют его Cs.

CsI представляет собой полупроводник р-типа и имеет проводимость (не изолятор). Ширина запрещенной зоны CsI составляет примерно 7,5 эВ, а у Cs₂Te порядка 4 эВ. Таким образом, высота потенциального барьера для CsI составляет порядка 2÷3 эВ (см. рис. 1, 2). Применение зонных схем в данном случае условно, т.к. CsI и Cs₂Te не монокристаллы, а аморфные полупроводники, и картина зонных схем в реальности размыта, смазана, ширина запрещенной зоны изменяется в определенных пределах, которые больше чем у монокристаллов. Однако данная интерпретация позволяет понять физику процессов. Так как процесс нанесения слоев фотокатода происходит в вакууме без выноса в атмосферу, то образуется граница раздела между слоями CsI и Cs₂Te, не имеющая посторонних атомов и молекул, которые могут быть нежелательными центрами рекомбинации и уменьшить квантовый выход.

Квантовый выход без промежуточного слоя обычно составляет не более 20%, квантовый выход фотокатода со слоем CsI может достигать 22-25% на тех же длинах волн, т.е. чувствительность фотокатода увеличивается на 10-25%, что дает ощутимый эффект в регистрации предельно малых световых потоков.

Изобретение относится к конструкциям и способам изготовления фотокатодов повышенной чувствительности, предназначенных для работы при низком уровне освещенности. Данные фотокатоды используются для фотоэлектронных приборов, применяемых в исследовательских целях, в промышленности, для специальных назначений и пр. Технический результат - увеличение внешнего квантового выхода фотокатода за счет снижения рекомбинации фотоэлектронов на границе раздела с подложкой. Фотокатод повышенной чувствительности состоит из подложки, фотоэмиссионного слоя и промежуточного слоя для увеличения потенциального барьера между подложкой и фотоэмиссионным слоем, отличается тем, что фотоэмиссионный слой выполнен из теллурида цезия - Cs₂Te, а промежуточный слой для увеличения потенциального барьера между подложкой и фотоэмиссионным слоем выполнен на основе йодида цезия - CsI. Способ изготовления фотокатода повышенной чувствительности заключается в нанесении на подложку проводящего материала (Cr, Mo, W), нанесении на поверхность Те, обработке этой поверхности парами Cs для получения Сs₂Те фотокатода, отличается тем, что между проводящим материалом и фотокатодом наносят слой щелочного металла и обрабатывают его парами йода I для получения промежуточного слоя йодистого цезия CsI, обеспечивающего создание потенциального барьера между подложкой и фотокатодом. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотокатод повышенной чувствительности, состоящий из подложки, фотоэмиссионного слоя и промежуточного слоя для увеличения потенциального барьера между подложкой и фотоэмиссионным слоем, отличается тем, что фотоэмиссионный слой выполнен из теллурида цезия - Cs₂Te, а промежуточный слой для увеличения потенциального барьера между подложкой и фотоэмиссионным слоем выполнен на основе йодида цезия - CsI.

2. Способ изготовления фотокатода повышенной чувствительности заключается в нанесении на подложку проводящего материала (Cr, Mo, W), нанесении на поверхность Те, обработке этой поверхности парами Cs для получения Cs₂Te фотокатода, отличается тем, что между проводящим материалом и фотокатодом наносят слой щелочного металла и обрабатывают его парами йода I для получения промежуточного слоя йодистого цезия CsI, обеспечивающего создание потенциального барьера между подложкой и фотокатодом.