专利名称：透射式电场辅助光电阴极的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体光电器件技术领域，特别涉及一种透射式电场辅助光电阴极，主要是在输入光窗上蒸镀导电材料，并与半导体材料阴极衬底的上下表面电极导通，在半导体材料阴极衬底上下表面加电压，实现光电阴极的电场辅助工作模式。
背景技术：
负电子亲和势(NEA)光电阴极的实现，极大地提高了光电阴极的光电子发射能力和弱光探测能力。但是普通的NEA光电阴极的长波阈值极限被限制在I. lym，为了拓展光电阴极的长波探测能力，尤其是满足I. 55 μ m激光探测的需求，人们提出了电场辅助转移电子(Transferred Electron, TE)光电阴极的概念。1974年Bell等人首先提出了 TE光电阴极的概念并在实验上实现了光电发射。随着液相外延(LPE)技术的不断成熟和带隙可调的InGaAsP合金的应用，在理论研究和制作工艺方面，TE光电阴极迅速发展起来。 对于通常的NEA半导体光电阴极，其量子效率主要取决于半导体材料体内的电子扩散长度和电子在半导体与真空界面处的逃逸几率。而电场辅助半导体光电阴极的量子效率则主要取决于表面逃逸几率，即半导体与表面Cs-O激活层之间界面处异质结的势垒高度。理论证明，在场助偏压的作用下，可将半导体阴极在O. 91.25 μ m范围的量子效率提高两个数量级以上。1981年Escher等人利用双异质结阴极首次实现了 O. 9 I. 6 μ m的光电成象,美国Intevac公司利用TE光电阴极概念，制作出了电场辅助InGaAs光电阴极，其量子效率达到了 20%以上，波长探测范围为O. 95 1.7 μ m。尽管TE光电阴极能够实现更长波长的光探测和提高探测的量子效率，但要实现将TE光电阴极用于制作独立的光电器件还存在一定的困难。传统的NEA光电阴极只需在阴极表面蒸镀一层电极，且与外管壳通过铟封即可实现阴极的电极导通，操作简单可靠。而对于TE光电阴极，需要在阴极的上下表面均蒸镀电极，且电极之间不能接触导通，否则会造成短路，导致TE阴极不能正常工作。此外，TE光电阴极的上下表面电极的引出也存在困难，在整管制作中，阴极的电极引出很难与外管壳的电极连接。
发明内容
发明目的针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种透射式电场辅助光电阴极，通过在输入光窗上预先蒸镀一层ITO膜作为阴极衬底的下表面电极(也称下电极)和电极引出，同时将阴极衬底的上表面电极(即金属环电极，也称上电极)通过金属丝连接的方式与输入光窗上的第二金属电极相连接。这样可以保证阴极衬底的上下电极引出部分都制作在同一个输入光窗上，极大地降低了电场辅助光电阴极上下电极引出的制作难度。将光电阴极组件与管壳组件通过铟封接在一起后，管壳组件中的金属电极接触环与阴极衬底的上电极引出部分导通。这样便可以很方便地通过外加偏压实现光电阴极的电场辅助工作模式，以提高光电阴极的光探测量子效率和扩展光电阴极的波长探测范围。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种透射式电场辅助光电阴极，包括一光电阴极组件和一管壳结构组件；光电阴极组件包括一具有台阶结构的输入光窗；一 ITO膜，该ITO膜蒸镀在输入光窗的有效面、一个台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上，该ITO膜作为阴极衬底的下表面电极；第一金属电极，该第一金属电极蒸镀在输入光窗有效面以外的ITO膜上,该第一金属电极用于阴极衬底的下表面电极引出；·第二金属电极，该第二金属电极蒸镀在输入光窗未蒸镀ITO膜的台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上，该第二金属电极用于阴极衬底的上表面电极引出；一阴极衬底，该阴极衬底包括P+或N+掺杂的半导体衬底，该阴极衬底粘附在输入光窗的有效面上的ITO膜上；—金属环电极，该金属环电极蒸镀在阴极衬底的上表面的边缘处，该金属环电极作为阴极衬底的上表面电极；一金属丝，该金属丝连接金属环电极和第二金属电极，用于电极导通；管壳结构组件包括第一陶瓷环；一金属电极接触环，该金属电极接触环封接于第一陶瓷环上，该金属电极接触环与第二金属电极接触；第二陶瓷环封接于金属电极接触环上；一上封接环，该上封接环封接于第二陶瓷环上，该上封接环用于和光电阴极组件实现铟封。优选地，所述输入光窗的材料为石英玻璃或康宁玻璃。优选地，所述ITO膜的厚度为10nnT200nm。优选地，所述第一金属电极、第二金属电极和金属环电极均包括依次设置的Cr层和Ni层，该Cr层和Ni层的总厚度为20nnT500nm。优选地，所述阴极衬底还包括设置在P+或N+掺杂的半导体衬底上的P型掺杂半导体材料。更优选地，所述半导体材料为GaAs、InGaAs、InGaAsP或GaAsP等。优选地，所述金属丝的焊接性能好。更优选地，所述金属丝为金丝。优选地，所述金属电极接触环和上封接环为可伐合金。优选地，所述金属电极接触环具有一高度和宽度适中的弹性接触片，该弹性接触片和第二金属电极接触，形成电极导通。优选地，所述第一陶瓷环的厚度大于第二陶瓷环的厚度。本发明还提供了一种透射式电场辅助光电阴极的制作方法，其工艺步骤是(I)在输入光窗的有效面、一个台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上蒸镀ITO 膜；(2)在输入光窗有效面以外的ITO膜上蒸镀第一金属电极；
(3)在输入光窗未蒸镀ITO膜的台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上蒸镀第二金属电极；(4)将一阴极衬底粘附在输入光窗的有效面上的ITO膜上，该阴极衬底包括P+或N+掺杂的半导体衬底；(5)在阴极衬底的上表面的边缘处蒸镀金属环电极；(6)用金属丝将金属环电极和第二金属电极相连接；(7)将第一陶瓷环、金属电极接触环、第二陶瓷环和上封接环封接成管壳结构组件；(8)将光电阴极组件与管壳结构组件通过铟封接在一起，通过外加偏压实现光电阴极的电场辅助工作模式。 有益效果利用ITO膜作为阴极衬底的下电极和电极引出，可以保证光电阴极对可见光和近红外光的吸收，以得到尽可能高的光探测量子效率，同时ITO膜良好的导电性能够满足电极接触的需要。将阴极衬底的上下电极引出部分都制作在同一个输入光窗上，极大地简化了电场辅助光电阴极上下电极引出的制作难度。在阴极激活结束后与管壳铟封即可实现TE光电阴极的上下表面电极引出，与传统的NEA光电阴极封接一样简单可靠。
图I为透射式电场辅助光电阴极的剖面图；图2为透射式电场辅助光电阴极组件的俯视图。附图中10为光电阴极组件，11为输入光窗，12为ITO膜，13为第一金属电极，14为第二金属电极，15为阴极衬底，16为金属环电极,17为金属丝,20为管壳结构组件,21为第一陶瓷环，22为金属电极接触环，23为第二陶瓷环，24为上封接环。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图I和图2所示，本发明提供一种透射式电场辅助光电阴极，其具体实施方式
是采用电子束蒸发或磁控溅射法将ITO膜12蒸镀在具有台阶结构的输入光窗11的有效面、一个台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上，该ITO膜12作为阴极衬底15下表面的电极接触，ITO膜良好的可见光和近红外光透过率可以保证光电阴极对可见光和近红外光的吸收，以得到尽可能高的光探测量子效率，同时ITO膜良好的导电性能够满足电极接触的需要；采用电子束蒸发或磁控溅射法在具有台阶结构的输入光窗11有效面以外的ITO膜12上蒸镀第一金属电极13,该第一金属电极13用于阴极衬底15下表面的电极引出；采用电子束蒸发或磁控溅射法在具有台阶结构的输入光窗11未蒸镀ITO膜12的台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上蒸镀第二金属电极14，该第二金属电极14用于阴极衬底15上表面的电极引出；
将阴极衬底15粘附在具有台阶结构的输入光窗11有效面的ITO膜12上，该阴极衬底15包括P+或N+掺杂的半导体衬底以及其上的P型掺杂半导体材料，如GaAs，InGaAs,InGaAsP, GaAsP 等；采用电子束蒸发或磁控溅射法，在阴极衬底15的上表面边缘处蒸镀金属环电极16,该金属环电极16用于阴极衬底15的上表面电极接触；用金属丝17将蒸镀在阴极衬底15上表面边缘处的金属环电极16和第二金属电极14相连接，该金属丝17用于电极导通，需要具有焊接性好的性能；输入光窗11，ITO膜12,第一金属电极13,第二金属电极14,阴极衬底15,金属环电极16，金属丝17构成了光电阴极组件10。第一陶瓷环21为陶瓷绝缘材料，用于电极之间的绝缘隔离；将金属电极接触环22封接于第一陶瓷环21上，该金属电极接触环22具有一高度 和宽度适中的弹性接触片，用于和第二金属电极14相接触，形成电极导通；将第二陶瓷环23封接于金属电极接触环22上，第二陶瓷环23为陶瓷绝缘材料，用于电极之间的绝缘隔离；将上封接环24封接于第二陶瓷环23上，上封接环24用于和光电阴极组件10实现铟封。其中，上封接环24位于ITO膜12 —侧的部分与输入光窗11、ITO膜12和第一金属电极13铟封，而位于第二金属电极14 一侧的部分仅与输入光窗11铟封，这是因为第二金属电极14并未蒸镀在整面的台阶面和斜面上，而只是蒸镀在台阶面和斜面上的部分区域。第一陶瓷环21，金属电极接触环22，第二陶瓷环23和上封接环24构成了管壳结构组件20。将光电阴极组件10与管壳结构组件20通过铟封接在一起，通过外加偏压实现光电阴极的电场辅助工作模式。
权利要求
1.一种透射式电场辅助光电阴极，包括 一光电阴极组件(10)和一管壳结构组件(20)； 光电阴极组件(10)包括 一具有台阶结构的输入光窗(11); 一 ITO膜(12)，该ITO膜(12)蒸镀在输入光窗(11)的有效面、一个台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上； 第一金属电极(13),该第一金属电极(13)蒸镀在输入光窗(11)有效面以外的ITO膜(12)上； 第二金属电极(14),该第二金属电极(14)蒸镀在输入光窗(11)未蒸镀ITO膜(12)的台阶面和连接该台阶面与有效面的斜面上； 一阴极衬底(15)，该阴极衬底(15)包括P+或N+掺杂的半导体衬底，该阴极衬底(15)粘附在输入光窗(11)的有效面上的ITO膜(12)上； 一金属环电极(16)，该金属环电极(16)蒸镀在阴极衬底(15)的上表面的边缘处； 一金属丝(17)，该金属丝(17)连接金属环电极(16)和第二金属电极(14)； 管壳结构组件(20)包括 第一陶瓷环(21)； 一金属电极接触环(22)，该金属电极接触环(22)封接于第一陶瓷环(21)上，该金属电极接触环(22)与第二金属电极(14)接触； 第二陶瓷环(23)封接于金属电极接触环(22)上； 一上封接环(24)，该上封接环(24)封接于第二陶瓷环(23)上，该上封接环(24)用于和光电阴极组件(10)实现铟封。
2.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述输入光窗(11)的材料为石英玻璃或康宁玻璃。
3.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述ITO膜(12)的厚度为 10nm 200nm。
4.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述第一金属电极(13)、第二金属电极(14)和金属环电极(16)均包括依次设置的Cr层和Ni层，该Cr层和Ni层的总厚度为20nnT500nm。
5.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述阴极衬底(15)还包括设置在P+或N+掺杂的半导体衬底上的P型掺杂半导体材料。
6.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述金属丝(17)的焊接性能好。
7.根据权利要求6所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述金属丝(17)为金丝。
8.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述金属电极接触环(22)和上封接环(24)为可伐合金。
9.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述金属电极接触环(22)具有一弹性接触片，该弹性接触片和第二金属电极(14)接触。
10.根据权利要求I所述透射式电场辅助光电阴极，其特征在于所述第一陶瓷环(21)的厚度大于第二 陶瓷环(23)的厚度。
全文摘要
本发明公开了一种透射式电场辅助光电阴极，通过在输入光窗上预先蒸镀一层ITO膜作为阴极衬底的下表面电极和电极引出，同时将阴极衬底的上表面电极通过金属丝连接的方式与输入光窗上的第二金属电极相连接。这样可以保证阴极衬底的上下电极引出部分都制作在同一个输入光窗上，极大地降低了电场辅助光电阴极上下电极引出的制作难度。将光电阴极组件与管壳组件通过铟封接在一起后，管壳组件中的金属电极接触环与阴极衬底的上电极引出部分导通。这样便可以很方便地通过外加偏压实现光电阴极的电场辅助工作模式，以提高光电阴极的光探测量子效率和扩展光电阴极的波长探测范围。
文档编号H01L31/0224GK102891190SQ20121033789
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者唐光华, 戴丽英, 钟伟俊, 徐汉成, 申屠军, 李拂晓 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所