ФОТОКАТОД ДЛЯ ОДНОКАНАЛЬНОГО ДВУХСПЕКТРАЛЬНОГО ЭМИССИОННОГО ПРИЕМНИКА УФ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2023 года по МПК H01J31/50 H01J1/34 H01J40/06 H04N5/30 

Данное изобретение может быть использовано в качестве фотокатода, при конструировании одноканальных приемников изображений объектов, излучающих в солнечно-слепой области ультрафиолетового диапазона (далее, УФ объекты), и осуществляющих координатную привязку изображений УФ объектов к изображению окружающей их местности.

Известны одноканальные эмиссионные приемники изображений чувствительные в солнечно-слепой части УФ диапазона [1, 2]. Сенсорно-преобразовательные слои их фотокатодов выполнены на основе теллурида цезия [1], либо слоя из поликристаллического алмаза, легированного бором [2]. Указанные эмиссионные приемники УФ изображений (изображений объектов, излучающих в УФ диапазоне) являются солнечно-слепыми, но не позволяют осуществить координатную привязку изображений УФ объекта к изображению окружающей объект местности. Для большинства задач, связанных с регистрацией и распознаванием УФ объектов, важно осуществить координатную привязку изображений объектов к изображению окружающей местности, что является нетривиальной задачей так как формирование изображений объектов и окружающей их местности осуществляется в существенно различных областях спектрального диапазона, Так, регистрируемый солнечно-слепой УФ объект излучает в диапазоне 0,15-0,30 мкм, а окружающая местность регистрируется в отраженном свете дневного (0,4-0,7 мкм), либо ночного (0,85-1,1 мкм) неба. Поэтому, задача эта решается, как правило, посредством использования двухканальных приемников изображений [3]. Использование двухканальной конструкции вызывает необходимость в последующем аппаратно-программном синтезе сформированных в каналах приемника изображений объекта и местности. Синтез изображений требует использования дополнительного оптико-механического узла, а также электронных и программных разработок, что существенно удорожает стоимость изделий в целом.

Известны эмиссионные приемники ночного видения, сенсорно-преобразовательные слои фотокатодов которых выполнены на основе щелочных металлов (так называемые би-щелочные и мульти-щелочные фотокатоды) [4]. Диапазон чувствительности щелочных фотокатодов является широкополосным (0,4…1,1 мкм), они имеют достаточно высокую пороговую чувствительность, что связано с малой энергией сродства к электрону у большинства щелочных металлов. К недостаткам щелочных фотокатодов относят их неудовлетворительную стойкость к мощным импульсным либо стационарным потокам оптических излучений, приводящим к деградации фоточувствительности их сенсорно-преобразовательного слоя.

Такие фотокатоды чаще всего используют в эмиссионных приборах ночного видения (ФЭУ и ЭОП) [4].

При совместном использовании щелочных фотокатодов с спектрозональными интерференционными фильтрами удается реализовать одноканальные эмиссионные 2-х спектральные приемники изображений, способные осуществить привязку изображений УФ объектов к окружающей местности [5]. Недостатками такого подхода являются: существенная зависимость коэффициента прозрачности фильтра от температуры окружающей среды, высокая стоимость упомянутых фильтров, превышающая стоимость ЭОП, разрушительное влияние излучения солнечно-слепой части УФ диапазона на характеристики широкополосного щелочного фотокатода, значительное подавление упомянутыми фильтрами интенсивности излучений рабочей части УФ диапазона.

К принципиальным недостаткам упомянутых выше щелочных (1,1 мкм - 0,3 мкм) и полупроводниковых GaAs фотокатодов (0,5-0,9 мкм), можно отнести относительно низкие значения «красной» границы спектрального диапазона их фоточувствительности (1,1 мкм и 0,9 мкм, соответственно). Действительно, интенсивность излучения ночного неба в спектральном диапазоне 1,25…1,7 мкм на два-три порядка превышает излучение ночного неба в диапазоне 0,9…1,1 мкм. А так как в приборах ночного видения изображения объектов и местности формируются в отраженных потоках излучений, испускаемых ночным небом, то освоение приборами ночного видения спектрального диапазона в 1,25…1,7 мкм привело бы к существенному повышению интенсивности изображений и их контраста вблизи порога чувствительности, а значит к увеличению дальности обнаружений объектов и качества их интерпретации.

Близким по функциональному назначению является одноканальный 2-х спектральный эмиссионный приемник изображений объектов, излучающих в солнечно-слепой части УФ диапазона, и позволяющий осуществить координатную привязку УФ изображения объекта к изображению окружающей объект местности [6]. Однако, предложенная конструкция реализует функцию посредством интегрирования в вакуумно-плотном корпусе целого ряда активных функциональных узлов - УФ фотокатода на основе алмазной пленки, ИК фотокатода на основе германия в виде решетки (сетки), управляющего электрода, несущей управляющей кремниевой сетки-мембраны, входного электрода микроканальной пластины. Многоэлементный состав конструкции, не только требует использования корпуса специальной конструкции, но и обуславливает прецезионность выбора и стабилизации режимов питания каждого из функциональных узлов приемника изображений. Все это следует отнести к недостаткам конструкции фотоприемника, предложенного в [6].

Наиболее близким к заявляемой конструкции, принятой нами за прототип, является предложенный фотокатод чувствительный к излучениям солнечно-слепой части УФ диапазона, выполненный на основе поликристаллической алмазной пленки, легированной бором, но у которого отсутствует функция привязки изображения УФ объекта к изображению местности [7].

Задачей настоящего изобретения является обеспечение координатной привязки изображения объекта, излучающего в солнечно-слепой части УФ диапазона, к изображению окружающей местности в отраженном ИК излучении ночного неба.

Решается задача предложением фотокатода для одноканального двухспектрального эмиссионного приемника УФ изображений, включающего подложку и слабо легированный поликристаллический алмазный слой с контактом по периферии, отличающийся тем, что между подложкой и алмазным слоем последовательно расположены высокочистые слои кремния и германия, выполненные в форме сеток с соосно расположенными отверстиями, при этом отверстия в германиевом слое частично, или полностью, заполнены веществом алмазного слоя, а подложка выполнена из сапфира, либо из кремния в котором сформировано сквозное центрально-симметричное отверстие.

Фотокатод обеспечивает необходимые и достаточные условия для решения обозначенной выше задачи. А именно: задача регистрации, распознавания и привязке изображения УФ объектов к изображению местности решается посредством изготовления монолитной конструкции фотокатодного узла (монолитного фотокатода), с сенсорно-преобразовательным слоем на основе гетероструктуры германий/алмаз. Выбор в качестве сенсорно-преобразовательных материалов алмаза и германия обеспечивает чувствительность фотокатода в 2-х спектральных диапазонах 0,02-0,28 мкм и 1,15-1,6 мкм.

Таким образом, предложенные монолитные конструкции двухспектрального фотокатода обеспечивают регистрацию и неискаженное совмещение изображений солнечно-слепых УФ объектов и изображения окружающей их местности. Отличие, заключающееся в материале и конструкции используемой подложки, приводит к существенному различию в диапазонах регистрируемого УФ излучения. - Для конструкции фотокатода на подложке из сапфира реализуются спектральные диапазоны его чувствительности 0,15-0,28 мкм и 1,15-1,6 мкм; для конструкции фотокатода на подложке из кремния реализуются спектральные диапазоны чувствительности 0,02-0,28 мкм и 1,15-1,6 мкм.

На фиг. 1-3 представлены схематические изображения различных проекций фотокатода на подложке из сапфира (фиг. 1 - поперечный разрез, фиг. 2 - вид со стороны приема фотокатодом проекции картины оптического изображения УФ объекта и местности, фиг. 3 - вид фотокатода со стороны эмиссии фотоэлектронов). Здесь: 1 - подложка из полированного с 2-х сторон сапфира; 2 - слой из высокочистого германия, выполненный конструктивно в виде сетки, 5 - сквозные отверстия в слое германия, 6 - перемычки в пленке германия, 3 - слой поликристаллического алмаза, легированный бором, 7 - контакт к 3 слою, 8 - слой из высокочистого кремния, выполненный конструктивно в виде сетки, 9 - сквозные отверстия в пленке высокочистого кремния, соосные отверстиям 5 в слое высокочистого германия.

На фиг. 4-6 представлены схематические изображения различных проекций фотокатода на подложке из кремния (фиг. 4 - поперечный разрез, фиг. 5 - вид со стороны приема фотокатодом проекции картины оптического изображения УФ объекта и местности, фиг. 6 - вид фотокатода со стороны эмиссии фотоэлектронов). Здесь: 2 - слой из высокочистого германия, выполненный конструктивно в виде сетки, 5 - сквозные отверстия в слое германия, 6 - перемычки в пленке германия, 3 - слой поликристаллического алмаза, легированный бором, 4 - центрально-симметричное отверстие в кремниевой подложке («колодец»), 7 - контакт к слою 3, 10 - кремниевая подложка, несущую сенсорно-преобразовательные слои, 11 - центрально-симметрично ориентированное отверстие в кремниевой подложке.

Работа фотокатода осуществляется следующим образом. - Воспринимаемая приемником картина изображения УФ объекта, расположенного на местности, представлена в виде суперпозиции несущих информацию об объекте и местности фотонов, с энергиями hν₁ и hν₂, которая проецируется через общую входную оптико-механическую систему и входное сапфировое окно, либо кварцевое окно на приемную поверхность сетки из сенсорно-преобразовательного германиевого 6 и алмазного 5 слоев. Фотоны с энергией hν₂, несущие информацию об УФ объекте, проникают через отверстия в германиевой пленке, где взаимодействуют с алмазной пленкой, находящейся в отверстиях германиевой пленки, и преобразуются в неравновесные электроны и дырки. Неравновесные (фото-) электроны, благодаря отрицательной энергии сродства к электрону для граней 111 и 100 алмазных нанокристаллитов, покидают алмазную пленку посредством эмиссии в вакуум. Фотоны с энергией hν₁ не взаимодействуют с алмазным слоем, заполняющим отверстия в германиевом слое и, проходя алмазный слой, покидают его не взаимодействуя с ним, т.е. не генерируя в нем неравновесные носители. Фотоны с энергией hν₁ взаимодействующие с германиевым слоем (проецируемые на перемычки слоя германиевого сенсора) генерируют в его объеме неравновесные электроны и дырки с концентрацией, убывающей экспоненциально по глубине согласно коэффициенту поглощения α₁ (ν₁). Рожденные неравновесные (фото-) электроны дрейфуют и диффундируют от приемной поверхности в сторону противоположной (выходной) поверхности германиевого слоя и, дойдя до границы раздела слоев германий/алмаз, инжектируются в алмазные нанокристаллиты, и затем, в виде фотоэлектронов (фотоэлектронная эмиссия), выходят в вакуум. Так как диффузионная длина электронов в слое высокочистого германия достаточно велика (~ 50-100 мкм), а расстояние убыли интенсивности излучения (за счет поглощения по механизму зона-зона) в виде совокупности фотонов hν₁ составляет величину ~ α₁^-1≈10 мкм (см. фиг. 7), то при толщинах германиевого слоя не превышающих величины в 3-5 мкм, фотогенерируемые неравновесные электроны с относительно малыми потерями дойдут до границы раздела германий\алмаз, преодолеют барьер на гетерогранице германий/алмаз в ~ 0,2 эВ, и выйдут в вакуум через алмазные нанокристаллиты, ориентированные гранями 111 либо 100 к границе раздела алмаз/вакуум.

Фотоны с энергией hν₂, имеющие на два-три порядка больший коэффициент поглощения в германии, чем фотоны с энергией hν₁ (фиг. 7), будут практически полностью поглощены на расстоянии в ~ 150-200 ангстрем от поверхности. В силу существенно более высокого (по сравнению с объемом) темпа рекомбинации неравновесных носителей на границе раздела германий/кремний (а значит и на вскрытой затем приемной поверхности германиевого слоя), доля дошедших неравновенсных электронов до границы раздела германий/алмаз будет незначительной. Значит, они не внесут значимых искажений в информационную картину (она формируется в потоках фотонов hν₁) о местности окружающей УФ объект.

Выращивание субмикронной толщины поликристаллической алмазной пленки на поверхности германия приведет к значительному повышению вероятности фотоэмиссии электронов с поверхности германиевой пленки в вакуум. Это связано как с малой величиной разницы энергий сродства германия (4 эВ) и алмаза (~3,8 эВ), так и с наличием у граней алмаза (100) и (111) отрицательной энергии сродства к электрону. На фиг. 8 представлена поясняющая это утверждение зонная диаграмма гетероперехода германий/поликристаллический алмаз, для граней (111) и (100) кристаллитов поликристаллической алмазной пленки. Ширина запрещенной зоны Ge ~ 0,78 - 0,8 эВ (его «красная граница» ~ 1,55 мкм), ширина запрещенной зоны алмаза ~ 5,5 эВ (т.е. спектральной областью прозрачности алмаза являются ИК, видимый и УФ диапазоны, вплоть до длины волны в λ=0,26 мкм). Представленный на фиг.8 качественный характер зонной диаграммы гетероперехода Ge/C* позволяет утверждать, что при возбуждении неравновесных электронно-дырочных пар в слое Ge оптическим излучением (ВД и ИК), вплоть до «красной» границы в 1,55 мкм, возможна эффективная реализация процессов фотоэмиссии электронов из Ge/C* гетероструктуры в вакуум, как в режиме «на просвет», так и в режиме «на отражение» (барьер на границе Ge/C*~ 0,2 эВ и отсутствие барьера при выходе электронов через грани (111) и (100) кристаллитов С*).

О качестве технологического контроля за процессом формирования нами (МЛЭ) гетероструктуры Ge/Si можно судить по профилю элементного состава, представленном на фиг. 9.

Возможные диапазоны технологических режимов процесса молекулярно-лучевой эпитаксии пленок германия на кремниевых подложках: температурный диапазон роста пленок - 450-700°С, давление остаточных газов - 10^-4…10^-7 мм рт.ст., скорость роста пленок - 50…250 нм/час.

Возможные диапазоны технологических режимов процесса PECVD роста поликристаллической алмазной пленки на сторонних подложках (кремний, кварц): температурный диапазон роста - 650-850 °С, давление остаточных газов - 10^-2…10^-6 мм рт.ст., скорость роста - 100…400 нм/час, исходные ростовые реагенты - метан и водород, легирующий реагент - атомарный азот, либо бор (например, триметил-борат).

Осуществлен поиск оптимального техмаршрута и технологических режимов процессов формирования приборной гетероструктуры на основе пленок высокочистого германия и поликристаллического алмаза, легированного бором:

- сформирован адгезионный слоя на тыльной стороне сапфирового входного окна ЭОП из слоя кремния толщиною в ~ 150 нм,

- сформирован сенсорно-преобразовательный слой на основе высокочистого германия, толщиною 250 нм, при температуре роста в 750°С,

- давление остаточных газов в ростовой камере в процессе роста - 10^-8 мм рт.ст.,

- сформирована в рамках технологии PECVD поликристаллическая алмазная пленка на поверхности пленки германия (давление остаточных атмосферных газов - не более 10^-5 мм рт.ст., исходный ростовой реагент - высокочистый метан, восстановительно-синтезирующая среда - водород, в соотношении 10:1 с ростовым реагентом), легирующий реагент - азот (~ 1% от ростового реагента), температура роста - 800…850°С, мощность СВЧ - 1,5 кВт, рабочая частота ионизации и активации процесса роста - 2,4 ГГц, длительность ростового процесса - 6-ть часов (включая нагрев, выдержку и охлаждение).

Предложенный в настоящей заявке фотокатод в двух возможных конструктивных реализациях позволяет регистрировать и распознавать объекты, излучающие в солнечно-слепой части УФ диапазона, и при этом осуществить координатную привязку изображений объектов к изображению окружающей местности. Использование фотокатода предлагаемых конструкций позволяет реализовать в архитектуре одноканального двухспектрального приемника изображений эффективный приемник изображений солнечно-слепых УФ объектов в привязке их изображений к изображению окружающей объекты местности. Используемая комбинация сенсорно-преобразовательных слоев позволяет реализовать высокочувствительные бюджетно-экономичные приемники УФ изображений, что повысит эффективность систем технического зрения.

Предлагаемые конструкции фотокатода в настоящее время технологически реализуемы. В настоящее время уже реализованы эпитаксиальные структуры кремний на сапфире. Это позволяет вырастить качественный монокристаллический слой высокочистого кремния на подложке из монокристаллического сапфира. Отработаны и также промышленно выпускаются структуры кремний/германий, -нет технологических проблем для выращивания монокристаллического слоя высокочистого германия на слое (подложке) из монокристаллического кремния. Нами отработаны [2,8] процессы выращивания поликристаллических алмазных пленок на сторонних подложках (кремний, кварц, сапфир, германий).

Источники информации:

1. М.Р. Айнбунд, И.С. Васильев, Е.Г. Вилькин, и др. Новые фотокатоды УФ- и ИК- диапазонов для перспективных фотоприемных устройств. // Прикладная физика №4. 2006. с. 97-101

2. (а.) В.А. Беспалов, В.М. Глазов, Э.А. Ильичев, и др. Разработка и исследование приемников изображений чувствительных в ультрафиолетовом диапазоне. // Журнал технической физики. 2015. т. 85. в. 4. С.74-82

(б) V. A. Bespalov, V. М. Glazov et al. Design and investigation of UV image detectors // Technical Physics. - 2015. - Vol.60. - No 4. - P. 553-560. - DOI 10.1134/S1063784215040076

3. A.B. Голицын, П.В. Журавлев, Г.Е. Жуков, А.В. Корякин, и др. Псевдобинокулярный двухспектральный прибор обнаружения потенциальных угроз. // Известия ВУЗОВ. Приборостроение, 2009, т. 52, №6, с. 27-34

4. Orlov D. A., De Fazio J., Duarte Pinto S. et al. High quantum efficiency S-20 photocathodes in photon counting detectors // Journ. Instrum. 2016. 11. C04015

5. Алдохин П.А. Особенности ЭОП для ультрафиолетовой области спектра // . Интерэкспо Гео-Сибирь - Т. 4 - С. 70-75

6. Патент №2792809, приоритет от 02.06.2022 г.

7. Патент №2593648, приоритет от 06.07.2015 г.(Прототип)

8. V.A. Bespalov, V.M. Glazov, Е.А. l'ichev, Yu.A. Klimov, V.S. Kuklev, A.E. Kuleshov, R.M. Nabiev, G.N. Petrukhin, B.G. Potapov, D.S. Socolov,V.V. Fandeev, E.A. Fetisov, S.S. Yakushov. «Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: AP R2015

Изобретение относится к вакуумной эмиссионной оптоэлектронике и может быть использовано в качестве фотокатодов для одноканальных двухспектральных электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Технический результат - обеспечение координатной привязки изображений УФ объектов к изображению окружающей объекты местности. В фотокатоде между подложкой и алмазным слоем последовательно расположены высокочистые слои кремния и германия, выполненные в форме сеток с соосно расположенными отверстиями, при этом отверстия в германиевом слое частично или полностью заполнены веществом алмазного слоя, а подложка выполнена из сапфира либо из кремния, в котором сформировано сквозное центрально-симметричное отверстие. 9 ил.

Фотокатод для одноканального двухспектралъного эмиссионного приемника УФ изображений, включающий подложку и поликристаллический алмазный слой с контактом по его периферии, отличающийся тем, что между подложкой и алмазным слоем последовательно расположены высокочистые слои кремния и германия, выполненные в форме сеток с соосно расположенными отверстиями, при этом отверстия в германиевом слое частично или полностью заполнены веществом алмазного слоя, а подложка выполнена из сапфира либо из кремния, в котором сформировано сквозное центрально-симметричное отверстие.