(例如，约2纳米到20纳米厚)纯硼涂层。光电二极管205保持在相对于光电阴极202的正电压下。举例来说，在一个实施例中，光电二极管205可处于接近于接地电势的电压下，而光电阴极202可处于相对于光电二极管205的负电压(例如，在约100伏特与约500伏特之间的负电压)。入射光子201由光电阴极202吸收且将有可能导致从光电阴极202射出电子203。由于光电阴极202与光电二极管205之间的电势差，电子203将朝向光电二极管205加速。由于在光电二极管205的表面上的纯硼涂层(在下文中详细描述)，撞击光电二极管205的任何电子将具有几乎100%的被吸收且在光电二极管205中产生多个电子的概率。
[0028]在一些实施例中，在光电阴极202与光电二极管205之间的间隙可为若干毫米。在一些优选实施例中，在光电阴极202与光电二极管205之间的间隙可为约I毫米，或几百微米。
[0029]在一些实施例中，聚焦电极204可用以确保从光电阴极202射出的电子203的高百分比被朝向光电二极管205引导。当光电阴极202与光电二极管205之间的间隙大于约I毫米时，聚焦电极204可尤其有用。在一些实施例中，当光电阴极202与光电二极管205之间的间隙为约I毫米或更小时，可不需要聚焦电极204。聚焦电极204可包括圆柱、网或另一电极结构。
[0030]在优选实施例中，光电阴极202包括GaN光电阴极或涂布硼的硅光电阴极。2013年7月22日由庄(Chuang)等人申请的标题为“包含带有硼层的硅衬底的光电阴极(PHOTOCATHODE INCLUDING SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER) ” 的美国专利申请案13/947，975(代理人案号KLA-049P3966)描述适用于本文中所描述的改进PMT中的示范性涂布硼的硅光电阴极。在其它实施例中，光电阴极202可包含一或多个碱金属或可包括在技术中已知的另一光电阴极材料。光电阴极202可为透射光电阴极(如在图2中所说明)或其可为反射光电阴极。
[0031]图3A及3B说明适用于在本文中描述的PMT及图像传感器系统中的光电阴极的横截面。
[0032]图3A说明在衬底301上包含多个层的GaN光电阴极300的横截面。衬底301可包含蓝宝石衬底或高P掺杂型GaN衬底(例如，具有约118原子/立方厘米或更大的掺杂浓度)。在优选实施例中，衬底301的厚度可在约100微米与约600微米之间。当在透射模式中使用光电阴极300时，衬底301那时必须具有高光学质量以便其透射所关注的波长范围。当在反射模式中使用光电阴极300时，衬底的光学质量较无关紧要。举例来说，如果衬底301为蓝宝石衬底且光电阴极300将在透射模式中用于深UV波长，那么衬底301应使用非常高纯度的蓝宝石。
[0033]在一些透射模式的光电阴极实施例中，抗反射层309可沉积于衬底301的第一表面上。在一些实施例中，抗反射层309可包括包含氟化镁(MgF2)、二氧化硅(S12)及/或氧化铪(HfO2)的一或多个层。
[0034]在一些实施例中，缓冲层302形成(例如，生长或沉积)于衬底301的第二表面上。当衬底301为掺杂型氮化镓(GaN)衬底时，则可不需要缓冲层。在优选实施例中，缓冲层302为厚约5纳米到20纳米的氮化铝(AlN)的层。
[0035]在缓冲层302 (或衬底301，如果不存在缓冲层302)的顶部上为多个掺杂型GaN层303及304。第一掺杂型GaN层303可包含具有约1is原子/立方厘米的高掺杂浓度的GaN的P掺杂型层。用于第一掺杂型GaN层303的优选p型掺杂剂为镁(Mg)。第二 p掺杂型GaN层304可包含低很多的掺杂剂浓度(例如，约5xl016原子/立方厘米的掺杂剂浓度)。在一些实施例中，额外P掺杂型GaN层可放置于层303与304之间。所述额外层中的每一者应具有在层303与304的掺杂剂浓度之间的中间值的掺杂剂浓度，以便形成从层303到层304的逐步减小的掺杂剂浓度。举例来说，如果层303具有约1is原子/立方厘米的掺杂剂浓度且层304具有约5xl016原子/立方厘米的掺杂剂浓度，那么具有约2x10 17原子/立方厘米的掺杂剂浓度的层(未展示)可放置于层303与304之间。在优选实施例中，P掺杂型GaN层的厚度应彼此类似。所有P掺杂型GaN层的总厚度(例如，如果仅使用两个层，那么层303及304的厚度的总和)应经确定以最大化量子效率。举例来说，针对在深UV中具有最大敏感性的光电阴极，所有P掺杂型GaN层的总厚度可为约180纳米。在“针对较高量子效率优化 GaN 光电阴极结构(Optimizing GaN photocathode structure for higherquantum efficiency) ”(《光学器材(Optik)》，123，第 756-768 页，2012 年)中描述不范性GaN光电阴极。在一个实施例中，标准Cs:O活化层306可沉积于光电阴极300的射出电子的表面上。
[0036]图3B说明娃光电阴极310的横截面。在透射模式中，光子318入射于光电阴极310的一个表面上且电子319从相对表面射出。在反射模式中，光子318’入射于如射出电子的相同表面上。在一个实施例中，娃光电阴极310包含娃311，优选地，娃的单晶体。在一些实施例中，硅光电阴极310包含复晶硅或多晶硅。取决于光电阴极的既定波长操作范围，硅311可具有在约10纳米与约100微米之间的厚度。
[0037]当既定用作透射模式光电阴极时，在光318入射侧上的硅表面可任选地涂布有抗反射(AR)层313。示范性AR层313可包含具有透明或半透明材料(例如MgF2、Si02、Al2O3及HfO2)的一或多个层。对于既定在透射模式中在深UV波长或真空UV波长下操作的一些实施例，在AR层313与硅311之间可存在薄纯硼层312。此纯硼层312可具有在约2纳米与4纳米之间的厚度。
[0038]在射出电子的表面上的硅311涂布有薄纯硼层314。纯硼层314优选地具有在约2纳米与20纳米之间的厚度。在一个实施例中，标准Cs:0(铯:氧)活化层316可沉积于光电阴极的射出电子的表面上。
[0039]在上文引用的2013年7月22日申请的标题为“包含带有硼层的硅衬底的光电阴极(PH0T0CATH0DE INCLUDING SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER) ” 的美国专利申请案13/947，975中描述适用于PMT或电子轰击图像传感器系统中的示范性硅光电阴极结构。
[0040]图4说明适用于在本文中描述的PMT中的光电二极管400的横截面。应注意，尽管此二极管在本文中称为光电二极管，但应理解，在本文中揭示的PMT中，其实际上检测电子且将入射电子转换为电流，而非直接检测光子。结构、功能及相关联电路类似于用于光电二极管的那些结构、功能及相关联电路，因此将其称为光电二极管是方便的。还应注意，此横截面未按比例绘制，而仅旨在说明在本文中描述的PMT中使用的光电二极管装置的结构的重要方面。
[0041]光电二极管400包括通过P掺杂型半导体层404(阳极)接触η掺杂型半导体层403(阴极)而形成的ρη或pin结。在优选实施例中，η掺杂型半导体层403为轻微η掺杂的(在图4中命名为N掺杂型)。η掺杂可使用磷、砷或另一 η型掺杂剂完成。用于ρ掺杂型半导体层404的ρ掺杂可使用硼或另一 ρ型掺杂剂完成。纯硼层406形成于ρ掺杂型半导体层404的表面上。在一些实施例中，单独的ρ植入或掺杂步骤可为不必要的，这是因为在纯硼层406的沉积期间足够硼可扩散到ρ掺杂型半导体层404的表面中。
[0042]形成与阳极及阴极的电连接401。为具有与阴极的低电阻接触，高η掺杂型半导体层402 (在图4中命名为N+掺杂型)可形成于N掺杂型半导体层403的表面上。为具有与阳极的低电阻接触，包括例如半金属(例如，氮化钛(TiN))或金属的薄(例如厚约I纳米与约20纳米之间)导电材料的覆盖层408可形成于纯硼层406的表面上。在一些实施例中，可省略覆盖层408，这是因为ρ掺杂型半导体层404的表面的导电性是充足的。这可为当PMT仅既定在低光水平操作且从不暴露到高光水平时的情况，因为在此类情况中光电二极管的电流将始终保持相对低。当PMT可暴露到高光水平时(即使偶尔)，覆盖层408可提供降低光电二极管400的阳极表面的充电及保护纯硼层406免受入射电子409溅射的额外优势。
[0043]在一个实施例中，厚纯硼层406 (例如，约2纳米到20纳米)可直接形成于ρ掺杂型半导体层404的顶部上。纯硼层406允许低能量的电子穿透到ρ掺杂型半导体层404中。纯硼层406覆盖其中电子将入射且无针孔的整个区域是重要的，借此防止在半导体的表面上生长原生氧化膜。应注意，原生氧化膜在被电子击中时将充电且可排斥低能量的电子，借此极大降低当PMT在低电压下操作时光电二极管的敏感性。PMT在低电压下的操作是重要的