Планарный двухспектральный фотоэлектронный умножитель

Изобретение относится к вакуумной фотоэмиссионной электронике и может быть использовано при конструировании приборов и устройств ночного и ультрафиолетового видения. Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода на основе полупроводниковых, в том числе и наноструктурированных материалов, динодов на основе алмазных пленок, экранирующих (барьерных) электродов и коллектора, и представляет собой планарную интегральную электронную схему, реализующую на изолирующей подложке, например сапфире, функцию 2-спектрального фотоэлектронного умножителя. Фотокатод выполнен в виде двуслойной пленочной структуры полупроводник/алмаз, где в качестве полупроводника могут быть использованы пленки кремния либо германия, в том числе и наноструктурированные, а в качестве алмаза - пленки поликристаллического алмаза слабо легированного акцепторами, например бором. Технический результат - уменьшение габаритов устройства, повышение коэффициента усиления, реализация в одном кристалле функций как раздельного, так и одновременного детектирования излучений в ИК- и УФ-диапазонах соответственно, в спектральном диапазоне 1,25-1,55 мкм - область прозрачности атмосферы, и в спектральном диапазоне 0,15-0,27 мкм - солнечно-слепая область. 1 ил.

 

Данное изобретение относится к вакуумной фотоэмиссионной электронике. Оно может быть использовано в устройствах регистрации излучений, усиления и отображения информации.

Известные аналоги фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), представляют собой совокупность таких функциональных элементов как фотокатод, динодов и коллектор, расположение которых в пространстве позволяет осуществлять функции приема и преобразования потока фотонов в поток электронов, его умножением динодами и последующим аккумулированием результирующего потока электронов коллектором [1]. Изготавливают упомянутые ФЭУ с использованием технологий гибридной сборки, где каждый из функциональных элементов выполняют индивидуально, а затем посредством автоматизированных технологических установок - манипуляторов осуществляют их монтаж в вакуумно-плотный корпус.

Для фотокатодов в качестве покрытия активирующего процессы фотоэмиссии электронов используют бищелочные и мультищелочные материалы, либо твердые растворы ряда полупроводников. В частности, для работы в ИК диапазоне (0,45-0,95 мкм) используют покрытие из AgO-Ag-Cd либо пленки твердого раствора GaInAs (0,45-1,05 мкм). Для работы в УФ диапазоне (0,35-0,45 мкм) используют, например, сурьмяно-цезиевые покрытия, либо алмазные покрытия (солнечно-слепые фотокатоды) [2]. В качестве активных покрытий динодов (базовых элементов умножающих поток первичных электронов посредством эффекта вторичной эмиссии) для ФЭУ гибридной сборки используют бищелочные (например, сурьмяно-цезиевые) покрытия, либо покрытия из оксидов ряда сплавов (AgMg, CuBe, и др.), а также полупроводниковые твердые растворы активированные цезием (такие как GaP:Cs, GaAs:Cs, GaInAs:Cs, и др.). Недостатком такой конструкции является ее относительно большие размеры, связанные с гибридным способом исполнения, и относительно высокая себестоимость.

Известны умножители потока электронов (УПЭ), используемые в качестве функционального элемента электронно-оптического преобразователя (ЭОП), и выполненные на основе алмазных пленок [3,4]. Преобразование энергии первичного электрона (например, фотоэлектрона) в массив вторичных электронов происходит по ионизационному механизму, а коэффициент умножения потока электронов определяется отношением энергии первичного пучка электронов к энергии образования вторичных электронов в используемом материале активного слоя динода. Хотя энергия образования пары неравновесных носителей в алмазе составляет величину ~ 10 эВ, что ~ в 3 раза больше энергии образования пары для таких полупроводников как кремний либо германий (~ 4-5 эВ), но, благодаря отрицательной энергии сродства к электрону для некоторых граней алмаза, коэффициент вторичной эмиссии электронов с его поверхности в вакуум оказывается несравнимо выше. В частности, если для классических материалов покрытий динодов ФЭУ коэффициент умножения потока электронов достигает ~ 5 раз, то коэффициент вторичной эмиссии из алмазных поликристаллических пленок при тех же энергиях достигает 15-20 раз, а при энергиях ~ 900-1000 эВ достигает величин 100…120 в режиме "на отражение", и ~ 40-50 - в режиме "на прострел". Столь существенное преимущество поликристаллических алмазных пленок обусловлено отрицательной энергией сродства к электрону для некоторых кристаллографических алмазных граней (например, (111)), что приводит для поликристаллических алмазных пленок к работе выхода электронов в вакуум ~ 1,3-1,5 эВ.

Известен планарный усилитель-преобразователь, который конструктивно наиболее близок к заявляемому устройству, и потому взят в данной заявке за его прототип [5]. В указанном умножителе эмитирующим электроны электродом является автоэмиссионный катод; ток с него (первичный поток электронов) умножается динодами и затем аккумулируется коллекторным электродом. Диноды выполнены на основе пленок поликристаллического алмаза, что позволяет реализовать в режиме "на отражение" высокие коэффициенты умножения динодами потока электронов (~ 20 для напряжений между соседними динодами в 150-200 В).

Задачей настоящего изобретения является существенное уменьшение размеров, повышение коэффициента умножения потока электронов при улучшенном отношении сигнал/шум, и реализация миниатюрной интегральной схемы двухспектрального фотоэлектронного умножителя, позволяющего регистрировать и пропорционально преобразовывать потоки фотонов двух различных спектральных диапазонов в потоки фотоэлектронов, осуществляя при этом их селекцию в различные каналы и одновременное многократное последующее усиление посредством системы динодов.

Поставленная задача решается посредством изготовления планарной интегральной однокристальной схемы двухспектрального фотоэлектронного умножителя. А именно: предлагается планарный двухспектральный фотоэлектронный умножитель, включающий в определенном порядке по отношению друг к другу расположенные функциональные электроды эмиттера электронов, динодов, барьерных электродов и коллектора, отличающийся наличием дополнительных функциональных электродов, симметрично расположенных зеркально относительно осевой линии, проходящей через внешние границы динодов одной из сторон канала усиления, причем зеркально расположенные диноды пограничной внутренней стороны каналов усиления гальванически связаны, а эмиттеры электронов выполнены в виде двух фотокатодов, также гальванически связанных и зеркально расположенных относительно упомянутой осевой линии, при этом ультрафиолетовый фотокатод выполнен в виде гетероструктуры кремний/алмазная поликристаллическая пленка слабо легированная акцепторами, либо в виде гетероструктуры кремниевые микроострия/алмазная поликристаллическая пленка слабо легированная акцепторами/композитная кремний-углеродная пленка наноразмерной толщины, а смежный с ним зеркально расположенный инфракрасный фотокатод выполнен из германия.

Выполнение УФ фотокатода в виде гетероструктуры кремниевые микроострия/алмазная поликристаллическая пленка слабо легированная акцепторами/композитная кремний-углеродная пленка наноразмерной толщины, позволяет расширить в "синюю" область спектральный диапазон фоточувствительности вплоть до 0,42…0,45 мкм.

Предлагаемая конструкция планарного двухспектрального фотоэлектронного умножителя допускает интеграцию обсуждаемой ИС ФЭУ в различные устройства, функционально выполняющие роль одновременной регистрации и преобразования потока фотонов УФ (солнечно-слепого) и ИК диапазонов в потоки фотоэлектронов, их селекцию по различным усилительным каналам, с последующим одновременным и идентичным умножением потоков электронов, и затем осуществлять аккумуляцию результирующих потоков различными коллекторами, что позволяет вне ИС (во внешней цепи) осуществлять как раздельную так и совместную обработку сигналов.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, где:

E₁, Е₂ - эмиттеры фотоэлектронов (фотокатоды);

K₁, K₂ - коллекторы электронов;

D₁, D₂, D₃, … D₁₂ - диноды;

GU, GI - управляющие электроды УФ и ИК каналов, соответственно;

G₁, G₂, G₃, … G₁₂ - барьерные электроды.

Архитектура и конструкция схемы, представленная на чертеже, состоит из прозрачной для УФ и ИК излучений обсуждаемого спектрального диапазона изолирующей подложки, на которой в строго определенном порядке расположены эмитирующие электроны фотокатоды E₁ и Е₂, управляющие электроды GU и GI - модулирующие величину потоков фотоэлектронов УФ и ИК каналов, диноды D₁, D₂, D₃, … D₁₂ - последовательно умножающие потоки электронов в каналах ИК и УФ планарной ИС, коллекторы K₁ и K₂ - принимающие потоки электронов с динодов D₈₁ и D₈₂, барьерные электроды G₁, G₂, G₃, … G₁₂. Фотокатоды E₁ и Е₂ выполнены на основе гетероструктуры кремний/поликристаллический алмаз р-типа проводимости, либо кремниевые микроострия/поликристаллический алмаз р-типа проводимости/композитная кремний-углеродная пленка наноразмерной толщины; активная поверхность динодов выполнена из поликристаллического алмаза p-типа проводимости; управляющие электроды, коллекторы и барьерные электроды выполнены из термостойкого материала с низким коэффициентом вторичной эмиссии.

Пример изготовления планарного двухспектрального фотоэлектронного умножителя

На лицевой стороне изолирующей подложки (например, кремний на сапфире), осаждают металл и по заданному рисунку с помощью фотолитографии и травления -жидкостного либо плазмохимического - формируют в кремниевом эпитаксиальном слое локальные пьедесталы под контактные площадки и функциональные электроды (фотокатоды, диноды, барьерные электроды и коллекторы); затем посредством магнетронного напыления осаждают пленку молибдена и с помощью фото- (либо электронной) литографии формируют в металле рисунок, обеспечивающий функционально необходимую гальваническую связь контактных площадок с соответствующими функциональными элементами. Затем с помощью фотолитографии "под взрыв" локально по заданному рисунку располагают зародыши из нанокристаллитов алмаза (например, посредством центробежного нанесения взвеси алмазных нанокристаллитов в изопропиловом спирте), и посредством газофазной эпитаксии при стимуляции процесса роста плазмой (PECVD метод) выращивают по сформированному рисунку поликристаллическую алмазную пленку, слаболегированную акцепторами, формируя таким образом, диноды и фотокатоды. Далее формируют контактные площадки и гальваническую связь к активным функциональным элементам (фотокатодам, динодам, коллекторам и барьерным электродам), используя для этого стандартные микроэлектронные процессы нанесения металлов (алюминия либо золота с подслоем ванадия) и фотолитографии (прямой, либо под взрыв).

При формировании планарного двухпектрального фотоэлектронного умножителя с расширенным в "синюю" область спектральным диапазоном (п. 2 Формулы изобретения), перед нанесением зародышей из алмазных нанокристаллитов, с помощью UF (высокочастотной) и DC (не зависящей от времени) плазмы формируют массив микроострий, затем наносят зародыши из алмазных нанокристаллитов и выращивают алмазную поликристаллическую пленку, а поверх алмазной пленки на УФ фотокатоде, с использованием плазмотронного распыления кремний-органических соединений, осуществляют локальное осаждение аморфной кремний-углеродной пленки наноразмерной толщины, которая в условиях обострения поля близ наноразмерных диаметров вершин микроострий приводит к значительному понижению энергии выхода фотоэлектронов и, как следствие, к расширение "красной" границы диапазона фоточувствительности в "синюю" область.

Заявляемое устройство (миниатюрная планарная двухканальная ИС ФЭУ) может быть эффективно использовано в системах различного назначения, детектирующих в дневных и ночных условиях слабые потоки излучений в УФ- и ближнем ИК- диапазонах. В частности, возможны следующие области эффективных применений: мониторинг территорий зараженных радиоизотопами, мониторинг технического состояния атомных станций; мониторинг технического состояния производств связанных с переработкой ядерных отходов, с обогащением радиоактивных руд; мониторинг технического состояния высоковольтных линий электропередач и высоковольтных подстанций; бесконтактная диагностика следов нефтепродуктов в породах в режиме "online" при проведении буровых поисковых работ; диагностика технического состояния магистральных нефтепроводов на предмет проливов нефтепродуктов; контроль технического состояния предприятий перерабатывающих радиоактивные материалы; контроль производств по добыче радиоактивных материалов, приемники бортовых систем наведения.

Источники информации

1. И.И. Анисимова, Б.М. Глуховской. Фотоэлектронные умножители. Москва «Советское радио» 1974 (аналоги).

2. HAMAMATSU. Photomultiplier tube R7639

3. Патент РФ, №2222072

4. Патент РФ, №2221309

5. Патент РФ, №2364981 (прототип)

Планарный двухспектральный фотоэлектронный умножитель, включающий в определенном порядке по отношению друг к другу расположенные функциональные электроды эмиттера электронов, динодов, барьерных электродов и коллектора, отличающийся наличием дополнительных функциональных электродов, симметрично расположенных зеркально относительно осевой линии, проходящей через внешние границы динодов одной из сторон канала усиления, причем зеркально расположенные диноды пограничной внутренней стороны каналов усиления гальванически связаны, а эмиттеры электронов выполнены в виде двух фотокатодов, также гальванически связанных и зеркально расположенных относительно упомянутой осевой линии, при этом ультрафиолетовый фотокатод выполнен в виде гетероструктуры кремний/алмазная поликристаллическая пленка, слабо легированная акцепторами, либо в виде гетероструктуры кремниевые микроострия/алмазная поликристаллическая пленка, слабо легированная акцепторами/композитная кремнийуглеродная пленка наноразмерной толщины, а смежный с ним зеркально расположенный инфракрасный фотокатод выполнен из германия.