JP3565535B2 - Photocathode and electron tube - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外領域から赤外領域までの光に感度を有する光電陰極及びそれを用いた電子管に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
紫外光に感度を有する光電陰極として、米国特許4,616,248号公報に開示されたものが知られている。図7及び図8は、この公報に開示された反射型及び透過型の光電陰極60,70の断面図であって、サファイア基板61上には紫外光の吸収により光電子を発生させるための活性層62がAlGaNによって形成されている。
【0003】
より詳細に述べると、図7の反射型の光電陰極60では、AlGaNの活性層62がサファイヤ基板61上にGaNからなるバッファ層63を介して、エピタキシャル成長して形成されている。一方、図8の透過型の光電陰極60では図7の透過型の光電陰極70とは異なり、サファイヤ基板61上に活性層62が直接エピタキシャル成長して形成されている。なお、図7及び図8に示される光電陰極60,70では、活性層62表面上にCsからなる表面層63が形成されて、活性層62表面が活性化されている。表面層63により活性化された活性層62では仕事関数が低下している。また、光電陰極60,70の周縁部には、金属の電極64が形成されて、光電陰極60,70が外部との電気的な接続できるようにしている。このため、被検出光(hν)が図7及び図8に矢印で示されるように入射したとき、活性層62の電子が励起されて光電陰極60,70外部へ光電子(e)として容易に放出可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許5,557,167号公報には、上記に開示された光電陰極が紫外領域における感度を有するものの、以下に示す五つの条件を満たしておらず、その感度は高くないことが開示されている。その五つの条件とは、1)光電陰極の活性層における光電子の拡散長が長いこと、2)活性層が所望の波長の被検出光を吸収するよう、活性層の厚さが電子拡散長程度になっていること、3)光電陰極の活性層の導電型がp型又はi型となって、活性層表面が光電子が容易に放出されるよう実効的に負の電子親和力を有していること、4)活性層を物理的に支持する基板が入射窓としても機能するよう、所望の波長に対して透過性が高いこと、5)活性層と基板との界面において活性層の結晶欠陥の形成が抑制され、被検出光によって励起された電子がその結晶欠陥に由来する再結合準位に捕捉されないようにすること、である。
【0005】
また、米国特許5,557,167号公報には、これらの条件を満たすことは可能であり、高感度の光電陰極が得られることが開示されている。図9の断面図は、この公報に開示された透過型の光電陰極80である。この光電陰極80では、単結晶サファイヤ(Al)からなる基板81上に、活性層81がAlGaNの三元混晶によって形成されている。また、基板81と活性層82との界面に形成された結晶欠陥の発生が抑制されるよう、基板81と活性層82との間に、AlGaNからなる界面層(interface layer)82が形成されている。なお、光電陰極80が外部との電気的に接続できるようにするため、光電陰極80の外周面上に金属電極84が形成されている。
【0006】
しかしながら、上述した2つの公報に開示された光電陰極の活性層はいずれもAlGaNの3元混晶により形成されている。このため、これら光電陰極では、活性層が最もエネルギギャップの大きいGaNによって形成されたとしても、波長が200〜360nmの紫外光にしか本質的に感度がないこととなる。したがって、これら光電陰極を備える電子管もまた、波長が200〜360nmの紫外光にしか感度を有することができず、検出対象となる被検出光の波長範囲が限定されてしまう。
【0007】
そこで、本発明は、広い波長範囲にわたって高い分光感度を有する光電陰極及びそれを用いる電子管を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電陰極は上記目的を達成するためになされたもので、検出対象である被検出光の入射により光電子が放出される光電陰極であって、サファイヤからなる基板と、基板上にInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nによって形成され、検出対象である被検出光の入射により光電子を発生させるための活性層と、基板と活性層との間にInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nによって形成され、基板と活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層とを備え、活性層を形成するInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nの組成がx1>0且つ0≦y1≦1の範囲にあり、バッファ層を形成するInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nの組成がx2>0且つ0≦y2≦1の範囲にあることを特徴としている。
【0009】
このような構成によれば、活性層は少なくともInを含んでいる。このため、活性層を構成する各元素の組成の調整により波長が200nm〜600nmの被検出光が活性層に吸収されて、光電子が発生するようになる。したがって、波長が200nm〜600nmの被検出光に対して光電陰極は感度を有するようになる。また、活性層を構成している元素はバッファ層を構成している元素と同じである。このため、活性層及びバッファ層を構成する各元素の組成の調整により、活性層と基板との格子不整が緩和しながら、上記波長範囲の被検出光のほとんどが活性層に吸収されて光電子が発生するようになる。したがって、200nm〜600nmの範囲にある被検出光に対して高い感度を有する光電陰極が実現される。
【0010】
また、バッファ層の格子定数が活性層の格子定数とほぼ等しいのが好適である。これにより、活性層がバッファ層と格子整合するようになって、活性層と基板との格子不整はほとんど解消され、活性層には格子不整による結晶欠陥はほとんど発生しない。したがって、被検出光の吸収により励起される活性層の電子は、この結晶欠陥に由来する再結合準位により捕捉されないので、さらに感度の高い光電陰極が得られようになる。
【0011】
また、本発明の光電陰極が透過型となるために、バッファ層のエネルギギャップが活性層のエネルギギャップ以上であるのがよい。
【0012】
また、バッファ層と活性層との格子不整を緩和させるために、バッファ層と活性層との間にはInAlGaNからなるサブ層が形成されていることを特徴としてもよい。
【0013】
また、サブ層を含む光電陰極が透過型となるために、サブ層のエネルギギャップが、活性層のエネルギギャップ以上であることが好適である。
【0014】
また、サブ層の格子定数が活性層の格子定数とほぼ等しいのが好適である。これにより、活性層がバッファ層と格子整合するようになって、活性層とバッファ層との格子不整はほとんど解消され、活性層には格子不整による結晶欠陥はほとんど発生しない。したがって、光の吸収により励起される活性層の電子は、この結晶欠陥に由来する再結合準位により捕捉される確率は著しく低下し、さらに感度の高い光電陰極が得られようになる。
【0015】
また、活性層表面を負の電子親和力とするために、活性層の表面には、活性層の仕事関数を低下させるための表面層が、アルカリ金属又はその酸化物、そのフッ化物若しくはそのヨウ化物によって形成されていてもよい。
【0016】
本発明の電子管では、サファイヤからなる基板と、基板上にInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nによって形成され、検出対象である被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層と、基板と活性層との間にInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nによって形成され、基板と活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層とを備え、活性層を形成するInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nの組成がx1>0且つ0≦y1≦1の範囲にあり、バッファ層を形成するInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nの組成がx2>0且つ0≦y2≦1の範囲にある光電陰極と、光電陰極の活性層及びバッファ層を内部に収容するよう、基板を側壁端部に支持して真空容器を構成する筐体と、真空容器内部に設置され、光電陰極に対して正の電圧が保持された陽極とが備えられている。
【0017】
かかる構成では、光電陰極によって波長が200nm〜600nmの被検出光が光電子に効率よく変換され、その光電子は陽極に集められる。したがって、この電子管はかかる波長範囲の光信号を電気信号に効率よく変換することができる。
【0018】
また、光電陰極から放出される光電子信号を増倍させるため、光電陰極と陽極との間に、光電陰極から放出される光電子を2次電子増倍するための増倍手段を備えてもよい。
【0019】
また、陽極は、光電陰極に入射した被検出光の2次元光学像に対応して放出される2次元電子像が入射することにより発光する蛍光膜であってもよい。これによって、被検出光の2次元光学像を直接観察することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【0021】
図1の側断面図には、本発明が適用される透過型の光電陰極10がメサ状の断面を有して概略的に示されており、波長が200nm〜600nmの範囲にある被検出光に対して高い感度が得られるようになっている。
【0022】
この光電陰極10では、単結晶のサファイヤ(Al)からなる基板11が、図1の矢印で示される被検出光(hν)の窓材としても用いられている。基板11としてサファイアを用いたのは、サファイアが波長が約150nmの紫外光から約600nmの可視光まで透光性を、換言すれば、被検出光の波長範囲よりも広い波長範囲で透光性を有しているためである。また、多結晶でなく単結晶としたのは、多結晶ではこの上に良質な活性層をエピタキシャル成長させることが困難であるためである。
【0023】
基板11上には、被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層12が、単結晶によって形成されている。本実施形態では、この活性層12はInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nの混晶によって形成されており、その組成がx1>0且つ0≦y1≦1の範囲にある。この活性層12を形成するInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nの組成が上記範囲で変化するとき、エネルギギャップ及び基礎吸収端波長は、そして、それらが変化する範囲は図2を考察することにより明らかとなる。
【0024】
図2は、InAl1−xN,InGa1−xN,AlGa1−xNの各元素の組成に対するエネルギギャップEg及び基礎吸収端波長λeを示したものである。この図によると、In,Al及びGaの組成により、図2(a)〜図2(c)に実線で示されるように、エネルギギャップEgが2〜6eVまで変化するようになることが分かる。また、基礎吸収端波長λeは、図2(a)〜図2(c)に太実線で示されるように、紫外領域の200nmから可視領域の600nmまで変化するようになる。したがって、これらの3元混晶が任意に組み合わされて形成される本実施形態の活性層12は波長が200nm〜600nmの被検出光を吸収して、光電子を発生させることができる。
【0025】
これに対して、上述した米国特許5,557,167号公報の活性層及び界面層呼ばれるバッファ層は、Inを含まないAlGaN三元混晶によって形成されている。このため、AlGaNの組成に応じて変化する基礎吸収端波長λeの範囲は、図2(c)に太実線で示されるように、200nmから360nmの紫外領域に限定されるので、そのような活性層では波長が200nm〜360nmの被検出光しか吸収されない。
【0026】
また、基板11と活性層12との間には、バッファ層13が活性層12と格子整合して形成されて、基板12と活性層12との格子不整を緩和して活性層12の結晶性を高めている。本実施形態では、活性層12を形成する各元素の組成が変化してもこの格子整合が維持され易い点に特徴がある。これは、バッファ層13が活性層12と同じ元素からなるInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nによって形成されて、その組成がx2>0且つ0≦y2≦1の範囲にあるためである。このとき、両者を形成する元素の組成を適当に変化させることにより、活性層12及びバッファ層13の格子定数とエネルギギャップをそれぞれ独立に変化させることが可能である。したがって、活性層12及びバッファ層13の格子定数の調整は容易になされ、両者が格子整合しやすくなるのである。格子整合をしている活性層12とバッファ層13との界面においては、転位等の結晶欠陥の生成が抑制されている。このため、この結晶欠陥に由来する再結合準位もほとんど形成されることはない。したがって、被検出光によって励起された活性層12の電子が放出表面まで移動する途中で、再結合準位に捕捉される確率が著しく低下する。
【0027】
ところで、本実施形態の光電陰極10は透過型であるため、バッファ層13は活性層12の結晶性を向上させるだけではなく、活性層12が基板に入射する被検出光のほとんどを吸収できるよう、被検出光に対して透光性を有している必要がある。すなわち、バッファ層13は活性層12と格子整合しながら、活性層12よりも大きいエネルギギャップを有している必要がある。しかし、活性層12とバッファ層13とが同じ元素の四元混晶から形成されているため、両者を形成する元素の組成を適当に変化させることにより、活性層12及びバッファ層13の格子定数とエネルギギャップをそれぞれ変化させることが可能である。したがって、活性層12及びバッファ層13のエネルギギャップの調整は容易になされ、バッファ層13は活性層12と格子整合しながら、活性層12よりも大きいエネルギギャップを容易に有するようになる。
【0028】
なお、以上のように構成された図1の光電陰極10の断面図は概略図であって、実際の光電陰極の断面とは異なる。例えば、活性層及びバッファ層の厚さはサファイヤ基板の厚さに比べて非常に薄い。しかし、活性層及びバッファ層を図面上に示すことは実際に不可能である。したがって、活性層12及びバッファ層13は厚さに関して、図1だけでなくそれ以外の図面も拡大されて示されている。また、光電陰極10の外周面には金属の電極14が形成されて、光電陰極14が外部との電気的な接続を可能にしている。
【0029】
このような透過型の光電陰極10の基板11側から、被検出光(hν)が図1の矢印で示されるように入射すると、基板11は被検出光に対して透光性を有しているため、被検出光は基板11によって吸収されることなく透過する。また、基板11は単結晶からなるため、被検出光は結晶粒界によって散乱されず、その光路は変化しない。基板11を透過した被検出光はバッファ層13に到達する。上述したように、バッファ層13もまた単結晶からなり、また、被検出光に対して透光性を有しているので、被検出光はバッファ層13によって吸収・散乱を受けることなくバッファ層13を透過する。バッファ層13を透過した被検出光は活性層によって吸収される。このとき、活性層12には格子不整に基づく結晶欠陥の発生が抑制されているので、結晶欠陥に由来する再結合準位は活性層12の禁止帯にほとんど形成されない。このため、被検出光が活性層12によって吸収されて活性層12の電子が励起されるとき、その電子が再結合準位に捕捉される確率は著しく低下する。したがって、被検出光のほとんどは活性層12に吸収されて電子が励起され、光電子(e)として外部に放出されるようになる。
【0030】
図3には、本実施形態の光電陰極の分光感度特性を測定した結果が示されている。図3によれば、エネルギギャップが活性層のものよりも大きいバッファ層によって、短波長側閾値波長が非常に急峻に現れて、バッファ層は優れた短波長カットフィルタの役割を果たしていることが分かる。これは、バッファ層が活性層12と格子整合しているためである。また、バッファ層13は活性層12と格子整合している限り、バッファ層13を形成する各元素の組成に応じて、上述したように、バッファ層13の基礎吸収端波長が200nmから600nmまで変化可能となる。したがって、短波長側閾値波長が、図3の点線で示されるように200nm〜600nmの範囲で任意に調整可能となる。
【0031】
バッファ層13によって短波長側閾値波長が調整可能となると同様に、活性層12によっても、急峻な長波長例閾値波長が、図3に示されるように調整可能となる。活性層12はバッファ層13と同じ元素からなり、バッファ層13と格子整合している限り、その組成の変化に応じて活性層13の基礎吸収端波長が200nmから600nmまで変化可能となるからである。したがって、活性層は優れた長波長カットのフィルタの役割を果たすようになる。さらに、以上から、光電陰極10が200nm〜600nmの範囲で優れた帯域フィルタとしての機能をも有するようになる。
【0032】
このように、短波長側及び長波長側閾値波長がこのように広い範囲にわたっているのは、上述したように、光電陰極10を構成する活性層12及びバッファ層13にInが含まれているためである。これに対して、上述した米国特許5,557,167号公報の活性層及バッファ層は、AlGaN三元混晶によって形成されてInを含んでいない。このため、AlGaNの組成に応じて調整できる短波長側及び長波長側閾値波長波長の範囲は、200nm〜360nmの紫外領域に限定されてしまうのである。
【0033】
なお、本実施形態では、バッファ層が一定の組成を有したInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nによって形成されている場合について例に説明した。しかし、バッファ層はこれに限定されるものではない。例えば、サファイヤ基板から活性層にかけて組成がなだらかに変化するような傾斜組成層、或いは組成の異なる複数のバッファ層、或いはこれらを組み合わせたものなどであっても構わないことはもちろんである。また、活性層表面上にはCs及びOからなる表面層が形成されて、活性層の表面の仕事関数が低下して、活性層表面が負の電子親和力(Negative Electron Affinity:NEA)を有してもよい。このとき、表面層のCsがそれ以外の他のアルカリ金属、例えばRb,K等でも同様の効果は得られることはもちろんである。さらに、O以外には例えばF,I等が用いられてもよい。
【0034】
本発明の光電陰極は上記のものに限定されない。図4の断面図には、本発明の光電陰極10の第2実施形態が概略的に示されている。本実施形態では、単結晶のバッファ層が形成されている上記第1実施形態と異なり、低温で形成された非晶質のバッファ層13上に単結晶のサブ層15がInAlGaNによって形成されている。活性層12とバッファ層13との間にサブ層15を設けたのは、非晶質のバッファ層13は多くの欠陥を含んでいるため上に直接活性層12が形成された場合の界面においては、活性層12に結晶欠陥が生成される可能性があるからである。この結晶欠陥は活性層12の禁制帯に再結合準位を形成し、被検出光が活性層に吸収されることにより励起された電子は、この再結合準位に捕捉されてしまう。したがって、光電陰極10の感度は著しく低下するおそれがある。そこで、活性層12とバッファ層13との間にサブ層15が形成されることにより、活性層12とバッファ層13との格子不整を緩和するようにしている。このとき、活性層12とサブ層15との界面の結晶欠陥の発生が極力抑制されるよう、活性層15とサブ層15との格子定数はほぼ一致して、両者が格子整合しているのが望ましい。
【0035】
また、このサブ層15は、上記第1実施形態と同様に第2実施形態の光電陰極10が透過型であるために、被検出光の波長に対して透光性を有している必要がある。このため、サブ層15についてもまたエネルギギャップが被検出光の波長に対応したエネルギギャップよりも大きくなるように、サブ層15を形成するInAlGaNが所定の組成を有している必要がある。
【0036】
以上のように構成された第2実施形態の光電陰極10の作製は、いわゆる有機金属気相成長法により、反応性に富む有機金属化合物とアンモニア(NH)とを熱分解して行われる。なお、第1実施形態の光電陰極10の作製も第2実施形態とほぼ同様に行われる。
【0037】
まず、所定の大きさの単結晶のサファイヤ基板を脱脂洗浄後、図示されない有機金属気相成長装置の反応室に配置する。その後、反応室に窒素原料となるアンモニアガス(NH)とキャリヤガスである水素ガス(H)とを導入する。この状態で、サファイア基板11を加熱して約1000℃に所定時間維持してその表面の清浄化を行って、表面の水分や揮発成分の除去等が行われる。
【0038】
つぎに、サファイア基板11を約450℃に維持し、Inの原料となるトリメチルインジウム(TMI)、Alの原料ガスとなるトリメチルアルミニウム(TMA)及びGaの原料となるトリメチルガリウム(TMG)を反応室に導入する。このとき、InAlGaNからなる厚さが約20nmのバッファ層13が非晶質となって形成される。その後、サファイア基板11を加熱して約900℃に維持し、単結晶のInAlGaNからなる厚さが約200nmのサブ層15が形成される。このとき、サブ層15の導電型をMgが所定量だけドーピングされたp型にするために、Mgの原料となるシクロペンタジエニルマグネシウムを所定量だけ導入する。
【0039】
引き続いて、このサブ層15上に、Inx1(Aly1Ga1−y11−x1Nからなる厚さが約300nmの活性層12をエピタキシャル成長させる。このとき、サファイヤ基板11から入射する被検出光のほとんどが活性層12に到達するために、バッファ層13、サブ層15のエネルギギャップが活性層12のエネルギギャップよりも大きくなるように、これらを形成するInAlGaN四元混晶がそれぞれ所定の組成を有していることが重要である。また、活性層13とサブ層15との界面において、結晶欠陥の発生が抑制されるように、活性層12とサブ層15を構成する各元素の組成を調整して、両者の格子定数がほぼ一致させることが重要である。
【0040】
なお、米国特許5,557,167号公報では、活性層上にZnからなるプロテクション層を形成する方法が開示されているが、活性層のAl組成が著しく高い場合以外は、このようなプロテクション層を形成する必要はない。このプロテクション層は活性層表面の酸化を抑制するためのものであり、真空中で昇温により脱離するものであれば上記に限定されないことは言うまでもない。
【0041】
以上のように、光電陰極が有機金属気相成長法により作製されるが、この成長方法が本質的なものではない。したがって、高品質な光電陰極を作製できる成長方法であれば、有機金属気相成長法に限定されるものではない。また、各層の厚さについても代表的な値を示したものであり、本発明が必ずしも上記厚さに限定されないことはもちろんである。
【0042】
つぎに、有機金属気相成長装置の反応室内で作製された光電陰極を、一度大気中に取り出した後、活性層12表面を一部マスクして真空チャンバ内に配置し、超高真空にまで真空排気する。この状態で、電極材料を蒸着して光電陰極10外周面に電極を形成する。
【0043】
その後、真空チャンバ内を大気圧にして真空チャンバから光電陰極10を取り出し、活性層12表面のマスクを取り除く。つぎに、光電陰極を10を再び真空チャンバ内に配置して、超高真空にまで真空排気する。この状態で、光電陰極10を約800℃まで加熱し、光電陰極10の表面を清浄化する。なお、CsとOをからなる図示されない表面層を単原子層だけ形成させ、光電陰極の活性層表面の仕事関数を低下させてもよい。これにより、活性層はいわゆる負の電子親和力を有するようになり、感度が非常に高い光電陰極が作製される。ただし、表面層はCs及びOからなるものに限られない。Cs以外の他のアルカリ金属、例えばRb,K等でも同様の効果は得られることはもちろんである。また、O以外に例えばF,I等を用いることも可能である。また、このような光電陰極10を真空容器内に収容されれば、非常に高い光電変換効率を有する電子管が作製される。
【0044】
以上のように構成された光電陰極10は、実際には光電子増倍管等の電子管の陰極として用いられて、波長が200nm〜600nmにある微弱な被検出光の検出に供することができる。
【0045】
図1の側断面図には、上記第2実施形態の光電陰極10を備える電子管20が概略的に示されており、上述の波長範囲にある微弱な被検出光を光電変換により検出できる光電子増倍管である。
【0046】
この光電子増倍管では筐体の上端部において、光電陰極10を構成する基板11が活性層12等を筐体21内に収容するように気密に支持され、また、筐体の下端部には陽極30が気密に支持されて、真空容器22が形成される。なお、図示されないが、この光電子増倍管20では、光電陰極10の電極に電気リードの一端が接続されその他端は外部に延びており、また、陽極にも電気リードの一端が接続されその他端は外部に延びている。これら電気リードの他端には直流電源が接続されて、陽極が光電陰極に対して正の電圧となるようにしている。
【0047】
真空容器22内には、直径10μm程度のガラス孔を多数束ねて構成されるマイクロチャンネルプレート(以下[MCP]という。)40が電子増倍手段として設けられている。MCP40には、図示されない電気リードを介して、光電陰極10に対して正の電圧が印加され且つ陽極30に対して負の電圧が印加されるようになっている。さらに、MCP40の上面側(以下「入力側」という)及び下面側(以下「出力側」という)にはそれぞれ電気リード41a,41bの一端が接続され、その他端は筐体の側壁を貫通して延びている。そして、電気リードの他端に図示されない直流電源が接続されて、MCP40の入力側とMCP40の出力側との間には増倍用の電圧が印加されるようになっている。なお、本実施形態における増倍手段は上記MCP40に限定されず、例えばSbCs等からなる2次電子面、あるいは電子打ち込み型のダイオード等でも構わないことはもちろんである。
【0048】
このように構成された光電子増倍管20のサファイア基板11に、検出対象である被検出光(hν)が入射すると、光電陰極10の実施形態の説明で述べたように、そのほとんどが活性層12に到達する。また、活性層12に到達した被検出光のほとんどが活性層12に吸収されて光電変換に寄与し、光電子(e)が負の電子親和力を有する光電陰極10外部に放出される。光電陰極10外部に放出された光電子は加速しながらMCP40の入力側に入射する。光電子はMCP40を通過中に約1×10倍に2次電子増倍されて、出力側から2次電子群(e)が図5に示されるように放出される。この2次電子群は、MCP40に対して正の電圧に印加された陽極30に加速して入射し、出力信号電流として外部に取り出される。したがって、被検出光が光子からなるものと考えた場合、この光電子増倍管20では光電陰極において光子の数え落としが低減される。このため、光電陰極によって決まる所定の波長領域において、すなわち波長が200nm〜600nmの波長領域において、微弱な被検出光の検出が、換言すれば光子計数計測が非常に効率よくなされるようになる。
【0049】
本発明の電子管は微弱な被検出光を、上述したように単に検出するものに限定されない。図6の側断面図に示される電子管20は、図5の光電子増倍管とは異なり、被検出光としての微弱な2次元光学像を検出できるようにしたいわゆる画像増強管である。この画像増強管では図5の光電子増倍管と異なり、陽極30が透明電極からなり、また、その内面には蛍光体(蛍光膜)31が形成されている。さらに、真空容器の下部にはファイバプレート50が支持されている。
【0050】
このような画像増強管の基板11に、被検出光としての微弱な2次元光学像(hν)が図6の矢印のようにように入射した場合、2次元光学像に対応する2次元光電子像(e)が光電陰極から真空容器20の内部空間へ効率よく放出される。その後、2次元光電子像はMCP40入力側に加速して入射すると、MCP40によって2次元光電子像は約1×10倍に2次電子増倍される。このとき、2次元光電子像が2次電子増倍して得られた2次元電子像(e)は、入力側の入射位置に対応した出力側の位置から放出される。この2次元電子像は陽極30内面に形成された蛍光体31に加速して入射し、蛍光体31上で2次元電子像に対応した2次元画像が増強して発光表示される。2次元画像は蛍光体31下部に設けられたファイバプレート50を通して外部に取り出され、観測される。したがって、本実施形態の画像増強管では、上述の光電陰極10がMCP40、蛍光体31及びファイバプレート50と結合することにより、光電陰極10によって決まる波長範囲において、微弱な2次元光学像の検出も可能となる。
【0051】
なお、電子管は光電子増倍管又は画像増強管に限定されず、撮像管やストリーク管等のその他の光検出装置でもよい。
【0052】
【発明の効果】
本発明の光電陰極では、サファイア基板上に形成され、被検出光の吸収により光電子を発生する活性層がInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nによって形成され、その組成はx1>0且つ0≦y1≦1の範囲にある。このように、活性層にはInが含まれていることにより、波長が200nm〜600nmの被検出光が活性層に吸収され光電子が発生可能となる。また、サファイヤ基板と活性層との間には、バッファ層が活性層と同じ元素によって形成されているので、サファイア基板と活性層との格子不整が容易に緩和される。したがって、バッファ層と活性層との界面において発生し、光電陰極の感度に悪影響を及ぼす活性層の結晶欠陥は低減され、かかる波長範囲で高い感度を有する光電陰極が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電陰極の第1実施形態を概略的に示した断面図である。
【図2】InAl1−xN,In1−xGaN及びAlGa1−xNの各組成に対するエネルギギャップ及び基礎吸収端波長をそれぞれ示した図である。
【図3】第1実施形態の光電陰極の分光感度特性を示した図である。
【図4】本発明の光電陰極の第2実施形態を概略的に示した断面図である。
【図5】本発明の電子管の第1実施形態、すなわち光電子増倍管を概略的に示した断面図である。
【図6】本発明の電子管の第2実施形態、すなわち画像増強管を概略的に示した断面図である。
【図7】従来の反射型の光電陰極を概略的に示した断面図である。
【図8】従来の透過型の光電陰極を概略的に示した断面図である。
【図9】図8の光電陰極の課題を解決した従来の光電陰極を概略的に示した断面図である。
【符号の説明】
10…光電陰極、11…基板、12…活性層、13…バッファ層、14…電極、20…電子管、21…筐体、22…真空容器、30…陽極、31…蛍光体、40…MCP、50…ファイバプレート。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photocathode having sensitivity to light in an ultraviolet region to an infrared region, and an electron tube using the same.
[0002]
[Prior art]
A photocathode having sensitivity to ultraviolet light is disclosed in U.S. Pat. No. 4,616,248. 7 and 8 are cross-sectional views of the reflective and transmissive photocathodes 60 and 70 disclosed in this publication. An active layer for generating photoelectrons by absorbing ultraviolet light on a sapphire substrate 61. 62 is made of AlGaN.
[0003]
More specifically, in the reflective photocathode 60 of FIG. 7, an active layer 62 of AlGaN is formed on a sapphire substrate 61 by epitaxial growth via a buffer layer 63 made of GaN. On the other hand, in the transmission type photocathode 60 of FIG. 8, the active layer 62 is formed on the sapphire substrate 61 by direct epitaxial growth unlike the transmission type photocathode 70 of FIG. In the photocathodes 60 and 70 shown in FIGS. 7 and 8, the surface layer 63 made of Cs is formed on the surface of the active layer 62, and the surface of the active layer 62 is activated. The work function of the active layer 62 activated by the surface layer 63 is reduced. Further, a metal electrode 64 is formed on the periphery of the photocathodes 60 and 70 so that the photocathodes 60 and 70 can be electrically connected to the outside. Therefore, when the light to be detected (hν) enters as shown by the arrows in FIGS. 7 and 8, the electrons in the active layer 62 are excited and the photoelectrons (e ) Can be easily released.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, US Pat. No. 5,557,167 discloses that although the photocathode disclosed above has sensitivity in the ultraviolet region, it does not satisfy the following five conditions, and the sensitivity is not high. Have been. The five conditions are 1) that the diffusion length of photoelectrons in the active layer of the photocathode is long, and 2) the thickness of the active layer is about the electron diffusion length so that the active layer absorbs light to be detected having a desired wavelength. 3) The conductivity type of the active layer of the photocathode is p-type or i-type, and the active layer surface has a negative electron affinity so that photoelectrons are easily emitted. 4) that the substrate that physically supports the active layer also functions as an entrance window, has high transmittance for a desired wavelength; and 5) crystal defects of the active layer at the interface between the active layer and the substrate. The purpose is to suppress the formation and prevent the electrons excited by the light to be detected from being captured by recombination levels derived from the crystal defects.
[0005]
Also, US Pat. No. 5,557,167 discloses that these conditions can be satisfied and a photocathode with high sensitivity can be obtained. FIG. 9 is a cross-sectional view of a transmission type photocathode 80 disclosed in this publication. In this photocathode 80, single crystal sapphire (Al 2 O 3 The active layer 81 is formed of a ternary mixed crystal of AlGaN on a substrate 81 made of ()). Further, an interface layer 82 made of AlGaN is formed between the substrate 81 and the active layer 82 so that generation of crystal defects formed at the interface between the substrate 81 and the active layer 82 is suppressed. I have. A metal electrode 84 is formed on the outer peripheral surface of the photocathode 80 so that the photocathode 80 can be electrically connected to the outside.
[0006]
However, the active layers of the photocathodes disclosed in the above two publications are all formed of a ternary mixed crystal of AlGaN. Therefore, in these photocathodes, even if the active layer is formed of GaN having the largest energy gap, the photocathode is essentially sensitive only to ultraviolet light having a wavelength of 200 to 360 nm. Therefore, the electron tube provided with these photocathodes can also have sensitivity only to ultraviolet light having a wavelength of 200 to 360 nm, and the wavelength range of light to be detected, which is a detection target, is limited.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a photocathode having high spectral sensitivity over a wide wavelength range and an electron tube using the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The photocathode of the present invention has been made in order to achieve the above-mentioned object, and is a photocathode in which photoelectrons are emitted upon incidence of light to be detected, which is a detection target. x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 N and an active layer for generating photoelectrons by incidence of light to be detected, which is a detection target, and In between the substrate and the active layer. x2 (Al y2 Ga 1-y2 ) 1-x2 N, comprising a buffer layer for reducing lattice mismatch between the substrate and the active layer, and forming an active layer. x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 The composition of N is in the range of x1> 0 and 0 ≦ y1 ≦ 1, and the composition of In forming the buffer layer x2 (Al y2 Ga 1-y2 ) 1-x2 The composition of N is characterized in that x2> 0 and 0 ≦ y2 ≦ 1.
[0009]
According to such a configuration, the active layer contains at least In. Therefore, by adjusting the composition of each element constituting the active layer, light to be detected having a wavelength of 200 nm to 600 nm is absorbed by the active layer, and photoelectrons are generated. Therefore, the photocathode has sensitivity to light to be detected having a wavelength of 200 nm to 600 nm. The elements constituting the active layer are the same as the elements constituting the buffer layer. Therefore, by adjusting the composition of each element constituting the active layer and the buffer layer, while lattice irregularities between the active layer and the substrate are alleviated, most of the light to be detected in the above wavelength range is absorbed by the active layer and photoelectrons are generated. Will occur. Therefore, a photocathode having high sensitivity to light to be detected in the range of 200 nm to 600 nm is realized.
[0010]
Preferably, the lattice constant of the buffer layer is substantially equal to the lattice constant of the active layer. As a result, the active layer is lattice-matched with the buffer layer, the lattice mismatch between the active layer and the substrate is almost eliminated, and crystal defects due to the lattice mismatch in the active layer hardly occur. Therefore, electrons in the active layer excited by the absorption of the light to be detected are not captured by the recombination levels derived from the crystal defects, so that a more sensitive photocathode can be obtained.
[0011]
Further, in order for the photocathode of the present invention to be of a transmission type, the energy gap of the buffer layer is preferably larger than that of the active layer.
[0012]
Further, in order to reduce lattice irregularity between the buffer layer and the active layer, a sub-layer made of InAlGaN may be formed between the buffer layer and the active layer.
[0013]
In addition, since the photocathode including the sub-layer is of a transmission type, the energy gap of the sub-layer is preferably equal to or larger than the energy gap of the active layer.
[0014]
Also, it is preferable that the lattice constant of the sub-layer is substantially equal to the lattice constant of the active layer. As a result, the active layer is lattice-matched with the buffer layer, and the lattice mismatch between the active layer and the buffer layer is almost eliminated, and crystal defects due to the lattice mismatch in the active layer hardly occur. Therefore, the probability of electrons in the active layer excited by light absorption being captured by the recombination levels derived from the crystal defects is significantly reduced, and a more sensitive photocathode can be obtained.
[0015]
Further, in order to make the active layer surface have a negative electron affinity, a surface layer for lowering the work function of the active layer is formed on the surface of the active layer by an alkali metal or an oxide thereof, a fluoride thereof or an iodide thereof. May be formed.
[0016]
In the electron tube of the present invention, a substrate made of sapphire and an In x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 N, an active layer for generating photoelectrons by absorption of light to be detected, which is a detection target, and In between the substrate and the active layer. x2 (Al y2 Ga 1-y2 ) 1-x2 N, comprising a buffer layer for reducing lattice mismatch between the substrate and the active layer, and forming an active layer. x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 The composition of N is in the range of x1> 0 and 0 ≦ y1 ≦ 1, and the composition of In forming the buffer layer x2 (Al y2 Ga 1-y2 ) 1-x2 A vacuum vessel is formed by supporting the substrate at the side wall end so as to house a photocathode having a composition of N in the range of x2> 0 and 0 ≦ y2 ≦ 1, and an active layer and a buffer layer of the photocathode. A housing and an anode which is installed inside the vacuum vessel and has a positive voltage with respect to the photocathode are provided.
[0017]
In such a configuration, light to be detected having a wavelength of 200 nm to 600 nm is efficiently converted into photoelectrons by the photocathode, and the photoelectrons are collected at the anode. Therefore, this electron tube can efficiently convert an optical signal in such a wavelength range into an electric signal.
[0018]
Further, in order to multiply a photoelectron signal emitted from the photocathode, a multiplying means for multiplying photoelectrons emitted from the photocathode into secondary electrons may be provided between the photocathode and the anode.
[0019]
The anode may be a fluorescent film that emits light when a two-dimensional electron image emitted corresponding to a two-dimensional optical image of the light to be detected incident on the photocathode enters. Thus, a two-dimensional optical image of the detected light can be directly observed.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
[0021]
FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a transmissive photocathode 10 to which the present invention is applied, having a mesa-shaped cross section, and light to be detected having a wavelength in a range of 200 nm to 600 nm. High sensitivity is obtained.
[0022]
In this photocathode 10, single-crystal sapphire (Al 2 O 3 ) Is also used as a window material for the light to be detected (hν) indicated by the arrow in FIG. The reason for using sapphire as the substrate 11 is that sapphire is translucent from ultraviolet light having a wavelength of about 150 nm to visible light having a wavelength of about 600 nm, in other words, translucent in a wavelength range wider than the wavelength range of the light to be detected. It is because it has. The reason why a single crystal is used instead of a polycrystal is that it is difficult to epitaxially grow a high-quality active layer on the polycrystal.
[0023]
On the substrate 11, an active layer 12 for generating photoelectrons by absorbing the light to be detected is formed of a single crystal. In this embodiment, the active layer 12 is formed of In x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 It is formed by a mixed crystal of N, and its composition is in the range of x1> 0 and 0 ≦ y1 ≦ 1. In forming the active layer 12 x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 When the composition of N changes in the above range, the energy gap and the fundamental absorption edge wavelength, and the range in which they change, will be apparent by considering FIG.
[0024]
FIG. x Al 1-x N, In x Ga 1-x N, Al x Ga 1-x 3 shows an energy gap Eg and a fundamental absorption edge wavelength λe with respect to the composition of each element of N. According to this figure, depending on the composition of In, Al and Ga, the energy gap Eg changes from 2 to 6 eV as shown by the solid lines in FIGS. 2 (a) to 2 (c). Further, the fundamental absorption edge wavelength λe changes from 200 nm in the ultraviolet region to 600 nm in the visible region as shown by the thick solid line in FIGS. 2A to 2C. Therefore, the active layer 12 of the present embodiment, which is formed by arbitrarily combining these ternary mixed crystals, can absorb the detection light having a wavelength of 200 nm to 600 nm and generate photoelectrons.
[0025]
On the other hand, the buffer layer called an active layer and an interface layer in the above-mentioned US Pat. No. 5,557,167 is formed of an AlGaN ternary mixed crystal containing no In. For this reason, the range of the fundamental absorption edge wavelength λe that changes according to the composition of AlGaN is limited to the ultraviolet region from 200 nm to 360 nm as shown by the thick solid line in FIG. The layer absorbs only light to be detected having a wavelength of 200 nm to 360 nm.
[0026]
In addition, a buffer layer 13 is formed between the substrate 11 and the active layer 12 in lattice matching with the active layer 12, and alleviates the lattice mismatch between the substrate 12 and the active layer 12 to reduce the crystallinity of the active layer 12. Is increasing. The present embodiment is characterized in that the lattice matching is easily maintained even when the composition of each element forming the active layer 12 changes. This is because the buffer layer 13 is made of In which is made of the same element as the active layer 12. x2 (Al y2 Ga 1-y2 ) 1-x2 This is because it is formed of N and its composition is in the range of x2> 0 and 0 ≦ y2 ≦ 1. At this time, the lattice constant and the energy gap of the active layer 12 and the buffer layer 13 can be independently changed by appropriately changing the composition of the elements forming both. Therefore, the lattice constants of the active layer 12 and the buffer layer 13 can be easily adjusted, and the two can be easily lattice-matched. At the interface between the active layer 12 and the buffer layer 13 that are lattice-matched, generation of crystal defects such as dislocations is suppressed. Therefore, recombination levels derived from the crystal defects are hardly formed. Therefore, the probability that the electrons of the active layer 12 excited by the light to be detected are captured by the recombination levels while moving to the emission surface is significantly reduced.
[0027]
By the way, since the photocathode 10 of the present embodiment is of a transmission type, the buffer layer 13 not only improves the crystallinity of the active layer 12 but also allows the active layer 12 to absorb most of the light to be detected incident on the substrate. It is necessary to have a property of transmitting light to be detected. That is, the buffer layer 13 needs to have a larger energy gap than the active layer 12 while lattice-matching with the active layer 12. However, since the active layer 12 and the buffer layer 13 are formed of a quaternary mixed crystal of the same element, the lattice constant of the active layer 12 and the buffer layer 13 can be changed by appropriately changing the composition of the elements forming both. And the energy gap can be changed. Therefore, the energy gap between the active layer 12 and the buffer layer 13 can be easily adjusted, and the buffer layer 13 easily has an energy gap larger than that of the active layer 12 while lattice-matching with the active layer 12.
[0028]
Note that the cross-sectional view of the photocathode 10 of FIG. 1 configured as described above is a schematic diagram, and is different from the cross-section of an actual photocathode. For example, the thicknesses of the active layer and the buffer layer are very thin compared to the thickness of the sapphire substrate. However, it is actually impossible to show the active layer and the buffer layer on the drawing. Accordingly, the thickness of the active layer 12 and the buffer layer 13 is not only shown in FIG. 1 but also in other drawings in an enlarged manner. Further, a metal electrode 14 is formed on the outer peripheral surface of the photocathode 10, and the photocathode 14 enables electrical connection with the outside.
[0029]
When light to be detected (hv) is incident from the substrate 11 side of such a transmissive photocathode 10 as shown by the arrow in FIG. 1, the substrate 11 has translucency with respect to the light to be detected. Therefore, the detected light is transmitted without being absorbed by the substrate 11. Further, since the substrate 11 is made of a single crystal, the light to be detected is not scattered by the crystal grain boundaries and its optical path does not change. The light to be detected transmitted through the substrate 11 reaches the buffer layer 13. As described above, the buffer layer 13 is also made of a single crystal and has a light-transmitting property with respect to the light to be detected, so that the light to be detected is not absorbed or scattered by the buffer layer 13. 13 is transmitted. The light to be detected transmitted through the buffer layer 13 is absorbed by the active layer. At this time, recombination levels derived from crystal defects are hardly formed in the forbidden band of the active layer 12 because generation of crystal defects due to lattice irregularity is suppressed in the active layer 12. Therefore, when the detected light is absorbed by the active layer 12 to excite electrons in the active layer 12, the probability that the electrons are trapped by the recombination level is significantly reduced. Therefore, most of the light to be detected is absorbed by the active layer 12 to excite electrons, and photoelectrons (e ) Will be released to the outside.
[0030]
FIG. 3 shows the result of measuring the spectral sensitivity characteristics of the photocathode of the present embodiment. According to FIG. 3, it can be seen that the short wavelength threshold wavelength appears very steeply due to the buffer layer having an energy gap larger than that of the active layer, and the buffer layer plays an excellent role of a short wavelength cut filter. . This is because the buffer layer is lattice-matched with the active layer 12. As long as the buffer layer 13 is lattice-matched with the active layer 12, the fundamental absorption edge wavelength of the buffer layer 13 changes from 200 nm to 600 nm according to the composition of each element forming the buffer layer 13 as described above. It becomes possible. Therefore, the short wavelength side threshold wavelength can be arbitrarily adjusted in the range of 200 nm to 600 nm as shown by the dotted line in FIG.
[0031]
Just as the buffer layer 13 can adjust the short wavelength side threshold wavelength, the active layer 12 can also adjust the steep long wavelength example threshold wavelength as shown in FIG. The active layer 12 is made of the same element as the buffer layer 13, and the basic absorption edge wavelength of the active layer 13 can be changed from 200 nm to 600 nm according to a change in the composition as long as the active layer 12 is lattice-matched with the buffer layer 13. is there. Therefore, the active layer plays a role of an excellent long wavelength cut filter. Further, from the above, the photocathode 10 also has a function as an excellent bandpass filter in the range of 200 nm to 600 nm.
[0032]
As described above, the short wavelength side and the long wavelength side threshold wavelengths are in such a wide range because In is contained in the active layer 12 and the buffer layer 13 constituting the photocathode 10 as described above. It is. On the other hand, the active layer and the buffer layer of the above-mentioned US Pat. No. 5,557,167 are formed of AlGaN ternary mixed crystals and do not contain In. Therefore, the range of the threshold wavelength wavelengths on the short wavelength side and the long wavelength side that can be adjusted according to the composition of AlGaN is limited to the ultraviolet region of 200 nm to 360 nm.
[0033]
Note that, in the present embodiment, the buffer layer has a fixed composition of In. x2 (Al y2 Ga 1-y2 ) 1-x2 The case where N is formed has been described as an example. However, the buffer layer is not limited to this. For example, a gradient composition layer whose composition changes gradually from the sapphire substrate to the active layer, a plurality of buffer layers having different compositions, or a combination of these may be used. Further, a surface layer made of Cs and O is formed on the surface of the active layer, the work function of the surface of the active layer is reduced, and the surface of the active layer has a negative electron affinity (NEA). May be. At this time, it goes without saying that the same effect can be obtained even when Cs of the surface layer is other alkali metal such as Rb, K or the like. Further, other than O, for example, F, I, etc. may be used.
[0034]
The photocathode of the present invention is not limited to the above. FIG. 4 schematically shows a second embodiment of the photocathode 10 of the present invention. In the present embodiment, unlike the first embodiment in which the single crystal buffer layer is formed, the single crystal sub-layer 15 is formed of InAlGaN on the amorphous buffer layer 13 formed at a low temperature. . The reason why the sub-layer 15 is provided between the active layer 12 and the buffer layer 13 is that the amorphous buffer layer 13 contains many defects, so that the interface in the case where the active layer 12 is directly formed on the buffer layer 13 is formed. This is because crystal defects may be generated in the active layer 12. This crystal defect forms a recombination level in the forbidden band of the active layer 12, and electrons excited by absorption of the light to be detected by the active layer are captured by the recombination level. Therefore, the sensitivity of the photocathode 10 may be significantly reduced. Therefore, by forming the sub-layer 15 between the active layer 12 and the buffer layer 13, lattice irregularities between the active layer 12 and the buffer layer 13 are reduced. At this time, the lattice constants of the active layer 15 and the sub-layer 15 are substantially matched so that the generation of crystal defects at the interface between the active layer 12 and the sub-layer 15 is suppressed as much as possible. Is desirable.
[0035]
Further, since the photocathode 10 of the second embodiment is of a transmission type similarly to the first embodiment, the sub-layer 15 needs to have a light-transmitting property with respect to the wavelength of the light to be detected. is there. Therefore, it is necessary that InAlGaN forming the sub-layer 15 has a predetermined composition such that the energy gap of the sub-layer 15 is also larger than the energy gap corresponding to the wavelength of the light to be detected.
[0036]
The photocathode 10 of the second embodiment configured as described above is manufactured by a so-called organometallic vapor phase epitaxy method using a highly reactive organometallic compound and ammonia (NH 3 ) And pyrolysis. The fabrication of the photocathode 10 of the first embodiment is performed in substantially the same manner as in the second embodiment.
[0037]
First, a single-crystal sapphire substrate having a predetermined size is degreased and cleaned, and then placed in a reaction chamber of a metal organic chemical vapor deposition apparatus (not shown). After that, ammonia gas (NH 3 ) And hydrogen gas (H 2 ) And introduce. In this state, the sapphire substrate 11 is heated and maintained at a temperature of about 1000 ° C. for a predetermined time to clean its surface, thereby removing water and volatile components on the surface.
[0038]
Next, the sapphire substrate 11 is maintained at about 450 ° C., and trimethylindium (TMI) as a source material of In, trimethylaluminum (TMA) as a source gas of Al, and trimethylgallium (TMG) as a source material of Ga are supplied to a reaction chamber. To be introduced. At this time, the buffer layer 13 made of InAlGaN and having a thickness of about 20 nm becomes amorphous. Thereafter, the sapphire substrate 11 is heated and maintained at about 900 ° C., and the sublayer 15 made of single crystal InAlGaN and having a thickness of about 200 nm is formed. At this time, in order to make the conductivity type of the sub-layer 15 a p-type doped with a predetermined amount of Mg, a predetermined amount of cyclopentadienyl magnesium which is a raw material of Mg is introduced.
[0039]
Subsequently, on this sub-layer 15, In x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 An active layer 12 made of N and having a thickness of about 300 nm is epitaxially grown. At this time, since most of the light to be detected entering from the sapphire substrate 11 reaches the active layer 12, the energy gap of the buffer layer 13 and the sub-layer 15 is set to be larger than the energy gap of the active layer 12. It is important that the InAlGaN quaternary mixed crystal to be formed has a predetermined composition. Further, the composition of each element constituting the active layer 12 and the sub-layer 15 is adjusted so that generation of crystal defects at the interface between the active layer 13 and the sub-layer 15 is suppressed, so that the lattice constants of the two are substantially equal. It is important to match.
[0040]
In U.S. Pat. No. 5,557,167, Zn is deposited on the active layer. 3 N 2 Although a method of forming a protection layer made of is disclosed, it is not necessary to form such a protection layer unless the Al composition of the active layer is extremely high. This protection layer is for suppressing the oxidation of the active layer surface, and it is needless to say that the protection layer is not limited to the above as long as it is released by raising the temperature in a vacuum.
[0041]
As described above, the photocathode is manufactured by the metal organic chemical vapor deposition method, but this growth method is not essential. Therefore, the growth method is not limited to the metal organic chemical vapor deposition method as long as it can produce a high-quality photocathode. The thickness of each layer is also a typical value, and the present invention is not necessarily limited to the above thickness.
[0042]
Next, after the photocathode produced in the reaction chamber of the metalorganic chemical vapor deposition apparatus is once taken out into the atmosphere, the surface of the active layer 12 is partially masked and arranged in a vacuum chamber, and the ultrahigh vacuum is applied. Evacuate. In this state, an electrode material is deposited to form an electrode on the outer peripheral surface of the photocathode 10.
[0043]
Thereafter, the inside of the vacuum chamber is set to atmospheric pressure, the photocathode 10 is taken out of the vacuum chamber, and the mask on the surface of the active layer 12 is removed. Next, the photocathode 10 is placed in the vacuum chamber again, and evacuated to ultra-high vacuum. In this state, the photocathode 10 is heated to about 800 ° C. to clean the surface of the photocathode 10. The work function of the active layer surface of the photocathode may be lowered by forming only a monolayer of a surface layer (not shown) made of Cs and O. As a result, the active layer has a so-called negative electron affinity, and a photocathode with extremely high sensitivity is manufactured. However, the surface layer is not limited to those made of Cs and O. Of course, similar effects can be obtained with other alkali metals other than Cs, such as Rb and K. Also, for example, F, I, etc., other than O, can be used. If such a photocathode 10 is housed in a vacuum vessel, an electron tube having extremely high photoelectric conversion efficiency is manufactured.
[0044]
The photocathode 10 configured as described above is actually used as a cathode of an electron tube such as a photomultiplier tube, and can be used to detect weak light to be detected having a wavelength of 200 nm to 600 nm.
[0045]
The side sectional view of FIG. 1 schematically shows an electron tube 20 including the photocathode 10 according to the second embodiment, and a photoelectron multiplier capable of detecting weak detection light in the above-described wavelength range by photoelectric conversion. It is a double tube.
[0046]
In this photomultiplier tube, a substrate 11 constituting the photocathode 10 is hermetically supported so as to accommodate the active layer 12 and the like in the housing 21 at the upper end of the housing. The anode 30 is hermetically supported to form the vacuum container 22. Although not shown, in this photomultiplier tube 20, one end of the electric lead is connected to the electrode of the photocathode 10 and the other end extends to the outside, and one end of the electric lead is also connected to the anode. Extends outside. A DC power supply is connected to the other ends of these electric leads so that the anode has a positive voltage with respect to the photocathode.
[0047]
In the vacuum vessel 22, a microchannel plate (hereinafter, referred to as [MCP]) 40 configured by bundling a large number of glass holes having a diameter of about 10 μm is provided as an electron multiplier. To the MCP 40, a positive voltage is applied to the photocathode 10 and a negative voltage is applied to the anode 30 via electric leads (not shown). Further, one end of each of the electrical leads 41a and 41b is connected to the upper surface side (hereinafter, referred to as “input side”) and the lower surface side (hereinafter, referred to as “output side”) of the MCP 40, and the other end penetrates the side wall of the housing. Extending. A DC power supply (not shown) is connected to the other end of the electric lead, so that a voltage for multiplication is applied between the input side of the MCP 40 and the output side of the MCP 40. The multiplying means in the present embodiment is not limited to the MCP 40, but may be, for example, a secondary electron surface made of SbCs or the like, or an electron-implanted diode.
[0048]
When light to be detected (hν) to be detected is incident on the sapphire substrate 11 of the photomultiplier tube 20 configured as described above, almost all of the active layer is an active layer, as described in the description of the embodiment of the photocathode 10. Reach twelve. In addition, most of the light to be detected that has reached the active layer 12 is absorbed by the active layer 12 and contributes to photoelectric conversion. ) Are emitted outside the photocathode 10 having a negative electron affinity. The photoelectrons emitted to the outside of the photocathode 10 enter the input side of the MCP 40 while accelerating. The photoelectrons are about 1 × 10 6 The secondary electrons are multiplied by a factor of two, and the secondary electrons (e ) Is released as shown in FIG. The secondary electrons are accelerated and incident on the anode 30 applied with a positive voltage to the MCP 40, and are taken out as an output signal current. Therefore, when it is considered that the light to be detected is composed of photons, the photomultiplier tube 20 reduces the number of photons counted at the photocathode. For this reason, in a predetermined wavelength range determined by the photocathode, that is, in a wavelength range of 200 nm to 600 nm, the detection of weak detection light, in other words, the photon counting measurement can be performed very efficiently.
[0049]
The electron tube of the present invention is not limited to the one that simply detects weak detection light as described above. The electron tube 20 shown in the side sectional view of FIG. 6 is a so-called image intensifier tube which can detect a weak two-dimensional optical image as light to be detected, unlike the photomultiplier tube of FIG. In this image intensifier tube, unlike the photomultiplier tube of FIG. 5, the anode 30 is made of a transparent electrode, and a phosphor (fluorescent film) 31 is formed on the inner surface thereof. Further, a fiber plate 50 is supported at a lower portion of the vacuum vessel.
[0050]
When a weak two-dimensional optical image (hv) as light to be detected is incident on the substrate 11 of such an image intensifier as shown by an arrow in FIG. 6, a two-dimensional photoelectron image corresponding to the two-dimensional optical image (E ) Is efficiently released from the photocathode to the internal space of the vacuum vessel 20. Thereafter, when the two-dimensional photoelectron image is accelerated and incident on the input side of the MCP 40, the two-dimensional photoelectron image is approximately 1 × 10 6 Secondary electron multiplication is doubled. At this time, the two-dimensional photoelectron image (e ) Is emitted from the output side position corresponding to the input side incident position. The two-dimensional electronic image is accelerated and incident on the phosphor 31 formed on the inner surface of the anode 30, and a two-dimensional image corresponding to the two-dimensional electronic image is displayed on the phosphor 31 in an enhanced manner. The two-dimensional image is taken out through a fiber plate 50 provided below the phosphor 31 and observed. Therefore, in the image intensifier tube of the present embodiment, the above-described photocathode 10 is coupled to the MCP 40, the phosphor 31, and the fiber plate 50, so that a weak two-dimensional optical image can be detected in a wavelength range determined by the photocathode 10. It becomes possible.
[0051]
Note that the electron tube is not limited to a photomultiplier tube or an image intensifier tube, and may be another light detection device such as an imaging tube or a streak tube.
[0052]
【The invention's effect】
In the photocathode of the present invention, the active layer formed on the sapphire substrate and generating photoelectrons by absorbing the light to be detected is In. x1 (Al y1 Ga 1-y1 ) 1-x1 It is formed by N, and its composition is in the range of x1> 0 and 0 ≦ y1 ≦ 1. Since the active layer contains In as described above, light to be detected having a wavelength of 200 nm to 600 nm is absorbed by the active layer, and photoelectrons can be generated. In addition, since the buffer layer is formed between the sapphire substrate and the active layer using the same element as the active layer, lattice irregularities between the sapphire substrate and the active layer are easily alleviated. Therefore, crystal defects in the active layer which occur at the interface between the buffer layer and the active layer and adversely affect the sensitivity of the photocathode are reduced, and a photocathode having high sensitivity in such a wavelength range is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a first embodiment of a photocathode according to the present invention.
FIG. 2 shows In x Al 1-x N, In 1-x Ga x N and Al x Ga 1-x FIG. 3 is a diagram showing an energy gap and a fundamental absorption edge wavelength for each composition of N.
FIG. 3 is a diagram illustrating spectral sensitivity characteristics of the photocathode of the first embodiment.
FIG. 4 is a sectional view schematically showing a photocathode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of the electron tube of the present invention, that is, a photomultiplier tube.
FIG. 6 is a sectional view schematically showing a second embodiment of the electron tube of the present invention, that is, an image intensifier tube.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a conventional reflective photocathode.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a conventional transmission-type photocathode.
9 is a cross-sectional view schematically showing a conventional photocathode which has solved the problem of the photocathode of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Photocathode, 11 ... Substrate, 12 ... Active layer, 13 ... Buffer layer, 14 ... Electrode, 20 ... Electron tube, 21 ... Housing, 22 ... Vacuum container, 30 ... Anode, 31 ... Phosphor, 40 ... MCP, 50: Fiber plate.

Claims (10)

検出対象である被検出光の入射により光電子が放出される光電陰極であって、
サファイヤからなる基板と、
前記基板上にInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nによって形成され、被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層と、
前記基板と前記活性層との間にInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nによって形成され、前記基板と前記活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層と、
を備え、
前記活性層を形成するInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nの組成がx1>0且つ0≦y1≦1の範囲にあり、
前記バッファ層を形成するInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nの組成がx2>0且つ0≦y2≦1の範囲にあることを特徴とする光電陰極。
A photocathode in which photoelectrons are emitted by incidence of light to be detected, which is a detection target,
A substrate made of sapphire,
An active layer formed of Inx1 ( Aly1Ga1 -y1 ) 1-x1N on the substrate to generate photoelectrons by absorbing light to be detected;
A buffer layer formed of Inx2 ( Aly2Ga1 -y2 ) 1-x2N between the substrate and the active layer, for reducing lattice irregularity between the substrate and the active layer;
With
The composition of Inx1 ( Aly1Ga1 -y1 ) 1-x1N forming the active layer is in the range of x1> 0 and 0≤y1≤1,
A photocathode, wherein the composition of Inx2 ( Aly2Ga1 -y2 ) 1-x2N forming the buffer layer is in the range of x2> 0 and 0≤y2≤1.
前記バッファ層の格子定数が前記活性層の格子定数とほぼ等しいことを特徴とする請求項1に記載の光電陰極。The photocathode according to claim 1, wherein a lattice constant of the buffer layer is substantially equal to a lattice constant of the active layer. 前記バッファ層のエネルギギャップが、前記活性層のエネルギギャップ以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電陰極。The photocathode according to claim 1, wherein an energy gap of the buffer layer is equal to or larger than an energy gap of the active layer. 前記バッファ層と前記活性層との間には、InAlGaNからなるサブ層が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電陰極。4. The photocathode according to claim 1, wherein a sub-layer made of InAlGaN is formed between the buffer layer and the active layer. 5. 前記サブ層の格子定数が前記活性層の格子定数とほぼ等しいことを特徴とする請求項4に記載の光電陰極。The photocathode according to claim 4, wherein a lattice constant of the sub-layer is substantially equal to a lattice constant of the active layer. 、前記サブ層のエネルギギャップが、前記活性層のエネルギギャップ以上であることを特徴とする請求項4又は5に記載の光電陰極。6. The photocathode according to claim 4, wherein the energy gap of the sub-layer is equal to or larger than the energy gap of the active layer. 前記活性層の表面には、前記活性層の表面の仕事関数を低下させるための表面層が、アルカリ金属又はその酸化物、そのフッ化物若しくはそのヨウ化物によって形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電陰極。The surface of the active layer, wherein a surface layer for reducing the work function of the surface of the active layer is formed of an alkali metal or an oxide thereof, a fluoride thereof or an iodide thereof. Item 7. The photocathode according to any one of Items 1 to 6. サファイヤからなる基板と、
前記基板上にInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nによって形成され、検出対象である被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層と、
前記基板と前記活性層との間にInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nによって形成され、前記基板と前記活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層と、
を備え、
前記活性層を形成するInx1(Aly1Ga1−y11−x1Nの組成がx1>0且つ0≦y1≦1の範囲にあり、
前記バッファ層を形成するInx2(Aly2Ga1−y21−x2Nの組成がx2>0且つ0≦y2≦1の範囲にある光電陰極と、
前記光電陰極の活性層及びバッファ層を内部に収容するよう、前記基板を側壁端部に支持して真空容器を構成する筐体と、
前記真空容器内部に設置され、前記光電陰極に対して正の電圧が保持された陽極と、
を備える電子管。
A substrate made of sapphire,
An active layer formed of Inx1 ( Aly1Ga1 -y1 ) 1-x1N on the substrate and configured to generate photoelectrons by absorbing detected light to be detected;
A buffer layer formed of Inx2 ( Aly2Ga1 -y2 ) 1-x2N between the substrate and the active layer, for reducing lattice irregularity between the substrate and the active layer;
With
The composition of Inx1 ( Aly1Ga1 -y1 ) 1-x1N forming the active layer is in the range of x1> 0 and 0≤y1≤1,
A photocathode in which the composition of Inx2 ( Aly2Ga1 -y2 ) 1-x2N forming the buffer layer is in the range of x2> 0 and 0≤y2≤1;
A housing that constitutes a vacuum container by supporting the substrate at an end of a side wall so as to house the active layer and the buffer layer of the photocathode therein,
An anode that is installed inside the vacuum vessel and that holds a positive voltage with respect to the photocathode,
An electron tube comprising:
前記光電陰極と前記陽極との間に、前記光電陰極から放出される光電子を2次電子増倍するための増倍手段を備えることを特徴とする請求項8に記載の電子管。9. The electron tube according to claim 8, further comprising a multiplication unit for multiplying photoelectrons emitted from the photocathode into secondary electrons between the photocathode and the anode. 前記陽極には、前記光電陰極に入射する被検出光の2次元光学像に対応して放出される2次元電子像が入射することにより発光する蛍光膜が含まれていることを特徴とする請求項8又は9に記載の電子管。The anode includes a fluorescent film that emits light when a two-dimensional electron image emitted corresponding to a two-dimensional optical image of light to be detected incident on the photocathode is incident. Item 10. The electron tube according to item 8 or 9.
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