CN100347801C

CN100347801C - 光电阴极

Info

Publication number: CN100347801C
Application number: CNB2003101163900A
Authority: CN
Inventors: 广畑徹; 新垣实; 望月智子; 山田正美
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: CN101071704A; US7365356B2; JP4002167B2; US20050168144A1; JP2004165054A; US6903363B2; US20040094755A1; CN1501424A

Abstract

本发明涉及一个具有这样一种结构的光电阴极，它能够使低温时辐射灵敏度的下降得到抑制，从而改善信噪比。在该光电阴极中，一个光吸收层形成在衬底的上层。一个电子发射层形成在该光吸收层的上层。一个条纹状的接触层形成在该电子发射层的上层。由金属组成的一个表面电极形成在该接触层的表面。该接触层里的栅栏间距被调整为等于或大于0.2μm，且等于或小于2μm。

Description

光电阴极

技术领域

本发明涉及一个光照射下发射光电子的光电阴极(光电子发射表面)。

背景技术

一个光电阴极由在半导体上形成的光吸收层和电子发射层构成的，而如何在这些光吸收层和电子发射层之间施加电场的方法已经在某些文档中被揭示，例如，日本专利第2923462号(参考1)。这种光电阴极包含一个由InP构成的衬底，在衬底的上层形成一个由2μm厚的InGaAs构成的光吸收层，同时在光吸收层之上形成一个0.7μm厚的P型InP电子发射层。接下来，由一N型InP层和一个为N型InP层提供电势的钛金属层组成的网状电极形成在P型InP电子发射层上。

在N型InP层和P型InP电子发射层之间以及后者和光吸收层之间形成一个P-N结。电场通过电源、电线和由AuZn组成的电极施加在光吸收层和电子发射层之间。在这个光电阴极里，网状电极有2μm宽度和4μm的电极间距。氧化铯涂在P型InP电子发射层表面的裸露部分，以降低P型InP电子发射层表面的逸出功。该光电阴极被真空密封在一个开有光线入射窗的容器内。接着，光电阴极发射出的电子到达一个集电极。

发明内容

发明人详细研究过传统的光电阴极，结果发现存在以下的问题。那就是，在传统的光电阴极中，它需要实现一个好的辐射灵敏度(光电灵敏度)，且同时要防止信号中的信噪比降低。然而，参考1中所揭示的光电阴极在低温时存在一个问题。一般而言，由于光电阴极发射表面的暗电子发射主要是由热电子发射引起的，因此光电阴极温度的降低会使信噪比提高。

然而，光电阴极温度的降低也会导致辐射灵敏度的降低。图1所示的是一传统光电阴极的辐射灵敏度随温度变化的曲线图。在图1中，曲线G100表示温度为-100℃时的辐射灵敏度，曲线G110表示温度为-80℃时的辐射灵敏度，曲线G120表示温度为-120℃时的辐射灵敏度，曲线G130表示温度为-140℃时的辐射灵敏度，曲线G140表示温度为-160℃时的辐射灵敏度。从图1中可以看到，随着光电阴极温度的降低，光电阴极的辐射灵敏度也从长波一侧开始迅速降低。也就是说，光电阴极温度的降低会引起辐射灵敏度的降低由此使光电阴极的冷却受到限制，由于这个问题的存在因此也就阻止了信噪比的提高。

本发明的设计正是为了解决上述问题。本发明的目标是提供一种光电阴极，该光电阴极能在低温时抑制辐射灵敏度的降低，从而使信噪比能够提高。

为了解决上述问题，本发明人做了大量的研究努力，并且通过调整光电阴极的各种参数来进行后面提到的实验。最终，发明人发现了这样一些固有参数的范围，当光电阴极的这些固有参数设置在这些范围内时，即使在很低的温度下辐射灵敏度的降低也能得到抑制。这些实验使本发明得以完成。

如本发明所述的光电阴极是一个光照射下发射电子的光电阴极，包含一个第一导电型的半导体衬底、一个第一导电型的第一半导体层、一个第一导电型的第二半导体层、一个第二导电型的第三半导体层、一个表面电极、一个活跃层、一个背面电极。该半导体衬底具有一个第一表面以及与第一表面相对的一个第二表面。该第一半导体层位于半导体衬底的第一表面之上。第二半导体层也位于该半导体衬底的第一表面之上。该第三半导体层位于第二半导体层之上，且具有一个形状导致第二半导体层的表面的局部是裸露的。表面电极位于第三半导体层之上。活跃层的作用是降低第二半导体层的逸出功，它位于第二半导体层表面的裸露部分之上。背面电极位于半导体衬底的第二表层之上。尤其是，在光电阴极中，第三半导体层中相互面对面地将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L是大于等于0.2μm(＝0.2*10^-6m)，且小于等于2μm(＝2*10^-6m)。换句话说，从第三半导体层到第二半导体层表面裸露部分的中心的最短距离L是大于或者等于0.1μm(＝0.1*10^-6m)，并且小于或者等于1μm(＝1*10^-6m)。

如上所述，如本发明所述的光电阴极里，该第三半导体层相互面对地且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L被设置为等于或者大于0.2μm，且等于或者小于2μm。就如后面在本发明实施例的实验说明中所描述的那样，这样就使辐射灵敏度的降低在低温时得到了抑制。因此，即使由于光电阴极冷却而引起温度下降时，辐射灵敏度的下降仍能在很大的程度上得以避免。这就使光电阴极信噪比得以提高。

本发明可以用这样的方法实现，施加在表面电极和背面电极上的电压值V被该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L整除，其结果是等于或者大于2(V/μm)。换句话来说，V/L的值等于或者大于4(V/μm)。

本发明可以用这样的方法实现，第二半导体层的厚度D(m)、该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L(m)、第二半导体层的载流子密度N(m³)和施加于表面电极和背面电极之间的电压V(V)满足以下的关系式(1)：

D²+L²≤3.0(1+V)×10⁹/N...(1)。

本发明可以用这样的方法实现，第二半导体层的厚度D(m)、该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L(m)和施加于表面电极和背面电极之间的电压V(V)满足以下的关系式(2)：

D²+L²≤6.0(1+V)×10^-13...(2)。

本发明可以用这样的方法实现，该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L(m)、第二半导体层的载流子密度N(m³)和施加于表面电极和背面电极之间的电压V(V)满足以下的关系式(3)：

L²≤3.0(1+V)×10⁹/N...(3)。

本发明可以用这样的方法实现，该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L(m)和施加于表面电极和背面电极之间的电压V(V)满足以下的关系式(4)：

L²≤6.0(1+V)×10^-13...(4)。

本发明可以用这样的方法实现，第二半导体层的厚度D(m)、该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L(m)和第二半导体层的载流子密度N(m³)满足以下的关系式(5)：

D²+L²≤3.3×10¹⁰/N...(5)。

本发明可以用这样的方法实现，第二半导体层的厚度D(m)和该第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L(m)满足以下的关系式(6)：

D²+L²≤6.6×10^-12...(6)。

通过下文给出的详细描述和附图本发明将得到更充分的理解，下文的详述和附图仅仅作为举例说明而并非是对本发明的限定。

通过下文给出的详细描述，本发明更大的适用范围将会是显而易见的。然而，应该理解的是，在说明本发明的优选实施例时，这些详细描述和具体的例子仅仅是作为例证，因为根据本发明的详细描述，在本发明精神和范围内进行的各种改变和修改对于本领域的普通技术人员而言都是显而易见的。

附图说明

图1所示的是一个随温度而变化的传统光电阴极的辐射灵敏度(光电子灵敏度)的曲线图；

图2所示的是根据本发明实施例所述的一个完整光电阴极的透视图；

图3所示的是图1所示光电阴极的横截面图；

图4所示的是根据本发明的一个随温度而变化的光电阴极辐射灵敏度(光电子灵敏度)的曲线图；

图5所示的是施加于光电阴极的电压和光电子发射灵敏度(-160℃的灵敏度/-80℃的灵敏度)比值的曲线图；

图6所示的是在波长1500nm时所举例子在-80℃时的灵敏度与-160℃时灵敏度比值的列表；

图7所示的是施加在光电阴极上的电压和暗电流之间关系的曲线图；

图8所示的是电极间距和偏置电压之间关系的列表；和

图9所示的是，分别使用传统光电阴极和本发明所述光电阴极，光电倍增管能检测到的最小检测光功率——光电阴极温度的一个函数——的比较结果的曲线图。

具体实施方式

以下结合图2-9对发明的实施例进行详细描述。

图2所示的是本发明所述光电阴极的一个实施例的立体图，图3是图1所示光电阴极的横截面图。

如图1所示，本实施例所述的一个光电阴极1包含一个由P型InP组成的且具有10¹⁸cm^-3或更高的载流子密度的基片11。一个光吸收层12构建在基片11的上层之上。该光吸收层12由P型InGaAs组成，且具有10¹⁶cm^-3的载流子密度和2μm的厚度。

一个用于加速光电子朝向发射表面运动的电子发射层13构建在光吸收层12的上层之上。该电子发射层由P型InP组成，且具有10¹⁶cm^-3的载流子密度和0.7μm的厚度。一个接触层14构建在电子发射层13的上层之上。该接触层14是条纹状以使每根栅栏互相平行排列。栅栏的宽度(线宽)是1.4μm，同时栅栏之间的距离(线距)是1.4μm。一个由钛金属组成的表面电极15构建在接触层14的表面之上。该表面电极15具有0.3μm的厚度。

该电子发射层13的一部分通过条状的接触层14之间的空隙裸露在外。该接触层14运用光刻技术形成条状图案。通过接触层14栅栏之间的空隙而裸露的电子发射层13的表面被覆盖了由氧化铯组成的一个活跃层17，从而能够使逸出功降低。一个由AuZn组成的且具有0.03μm厚度的背面电极16构成在基片11的背部表面之上。

该表面电极15和背面电极16分别通过由接触金属线组成的电线21和21连接到电源22，从而施加一个5V或其他诸如此类的偏置电压到该电极15和16之间。图2所示的表面电极15似乎是直接与电线21相连，然而在实际的构造中，表面电极15的一部分扩展到直径大约1mm，从而使电线21与这部分相连接。电压V被分配到所有条状表面电极15。

根据本实施例描述的具有上述结构的光电阴极1中，经过电子发射层13入射到光吸收层12上的光线被光吸收层12所吸收并产生光电子。由于在光吸收层12与电子发射层13之间以及电子发射层13和接触层14之间形成一个p-n结，因此施加在电子发射层13的电极之间的偏置电压形成的电场就把光电子移动到电子发射层13，这样光电子从电子发射层13的表面被发射到真空，发射层表面的活跃层17可以降低逸出功。

在光电阴极1中，为了扩大具有强电场的区域，电子发射层13的载流子密度被设置为远低于接触层14的载流子密度。这样，电子发射层13的电阻就高了。当光电阴极1的温度降低时，电子发射层13的电阻就进一步增加。当电子从电子发射层13的表面发射出来时，并非所有的电子都能被发射出。被发射的电子大约只有1/10。没有发射出而残留在电子发射层13中的电子将通过电子发射层13的裸露表面被引导到接触层14和表面电极15使得被放电。然而，如果电子残留在电子发射层13中，那么从电子发射层13进行的电子发射将会被抑制，从而使光电子的辐射灵敏度降低。为了避免辐射灵敏度的降低，未被发射的电子需要很容易地被引导到接触层14。

关于这一点，在本实施例所述的光电阴极1中，构建在电子发射层13的上层之上的条状接触层14的线距被设置为1.4μm。因此，光电阴极1裸露表面的中心与接触层14中相互面对着的且夹着裸露表面的部分之间的最小间距为0.7μm。也就是，光电阴极1的裸露表面上的任意一点和接触层14之间的距离等于或者小于0.7μm。这样做的好处在于，即使当光电阴极1的温度下降时，在电子发射层13中未被发射出的光电子可以很容易地被引导到接触层14。这样就很方便地阻止了光电子残留在电子发射层13中，也因此阻止了辐射灵敏度的降低。

同样地，即使当光电阴极1的温度下降时，辐射灵敏度的降低也能被避免。因此，通过降低光电阴极1的温度，信噪比就能被提高而辐射灵敏度并不降低。

在对本实施例进一步研究时，发明人进行了一些实验，从而发现一些条件，即使如本实施例前述的那样光电阴极的温度降低时，这些条件也可以使辐射灵敏度不发生降低。下面会详细描述这些实验。

(例子)

本发明所述的光电阴极将作为例子在下面进行描述。发明人进行以下的一些实验从而发现了一些条件可以使辐射灵敏度不发生降低，即使在光电阴极的温度被降低时。

构造了几个光电阴极的例子，其中每个光电阴极中条状接触层里的栅栏之间的距离2L(电极间距)分别为4.0μm、2.5μm、1.8μm或1.4μm。在这些光电阴极的例子中，1.4μm的光电阴极例子的随温度变化的辐射灵敏度(光电子灵敏度)如图4所示。在图4中，曲线G410表示在-80℃时的辐射灵敏度，曲线G420表示在-100℃时的辐射灵敏度，曲线G430表示在-120℃时的辐射灵敏度，曲线G440表示在-140℃时的辐射灵敏度，曲线G450表示在-160℃时的辐射灵敏度。从图4中可以看到，接近于长波范围附近的灵敏度中，例如，在1500nm附近，-160℃时的辐射灵敏度与-80℃时的辐射灵敏度相比没有大幅下降。这表明与前述的接触层栅栏之间距离2L为4.0μm的例子相比，在低温时辐射灵敏度降低得到了改善。

接下来，针对那些由具有前述距离2L值的接触层所构成的光电阴极的例子，在波长为1500nm处将-160℃时的辐射灵敏度与-80℃时的辐射灵敏度进行比较。-160℃时的辐射灵敏度与-80℃时的辐射灵敏度的比较结果如图5和6所示。这里，图5所示的是施加在光电阴极的电压和光电子发射灵敏度比值(-160℃时的灵敏度/-80℃时的灵敏度)对应关系的曲线图；图6所示的是在波长1500nm时例子1-7在-80℃时的灵敏度与-160℃时灵敏度比值的列表。在图5中，曲线G510表示的是图6所列电极距离为4μm的例1的发射比；曲线G520表示的是图6所列电极距离为2.5μm的例2的发射比；曲线G530表示的是图6所列电极距离为2.5μm的例3的发射比；曲线G540表示的是图6所列电极距离为1.8μm的例4的发射比；曲线G550表示的是图6所列电极距离为1.8μm的例5的发射比；曲线G560表示的是图6所列电极距离为1.4μm的例6的发射比；曲线G570表示的是图6所列电极距离为1.4μm的例7的发射比。另外，图6所示的是施加在光电阴极的电压和光电子发射灵敏度比值(-160℃的灵敏度/-80℃的灵敏度)的对应关系(施加在光电阴极上的电压和暗电流之间的关系的曲线图)

从图5和图6中可以看到，随着接触层中的栅栏之间的间距2L(电极距离)减小，甚至于一个较低的施加给晶体的偏置电压V也能使-160℃时的灵敏度达到-80℃时灵敏度的水准。当施加在晶体的偏置电压V增加时，如图7所示暗电流的发射会增强从而降低了信噪比。因此，应该避免施加的电压等于或者高于8V。这样，当-160℃时灵敏度为-80℃时灵敏度的1/10的这个点被看作极限时，接触层里的栅栏之间的距离2L需为2μm或者更小。此外，为了简化光电阴极的结构并考虑到半导体光刻技术的精度，接触层里的栅栏间的间距2L需要等于或者大于0.2μm。栅栏间的间距2L应该在0.2μm和2μm之间的论断表明电子发射层(第二半导体层)的裸露表面的中心和接触层之间的距离L大于等于0.1μm且小于等于1μm。

此外，当-160℃时灵敏度为-80℃时灵敏度的1/10这个点被看作极限时，施加在晶体上的偏置电压V的值如图8所示。

当观察图3所示的偏置电压和接触层里栅栏间的间距2L的比值，会发现“偏置电压(V)/栅栏间距2L(μm)＞＝2”的关系是低温时灵敏度降低得到抑制而没有增加暗电流的条件。因此，当施加在光电阴极里的电压(V)除以电子发射层(第二半导体层)的裸露表面中心到接触层之间间距2L(μm)后得到的值等于或者大于4时，光电阴极灵敏度的降低能被避免。

以下讨论的是在光电阴极中引起灵敏度降低的原因。在晶体中，当偏置电压施加到光电阴极时一个耗尽层将会从接触层内部和电子发射层之间的接触面延伸到电子发射层的内部，并且进一步延伸到光吸收层的内部。这种延伸同时出现在垂直和水平方向上。耗尽层内部处于一种类似于真空的状态。这样，耗尽层里的光电子将被迅速传送到表面。与此相反的是，在非耗尽区，由于冷却导致半导体的电阻升高使电子被留下从而形成了一层空间电荷，并因此阻止随后的光电子发射。因而，预计在耗尽层的扩展和变冷却引起的灵敏度下降之间存在一个特定的关系式。这样，利用电子发射层13的厚度D(m)接触层里的栅栏间距2L(m)，由如下等式(1-1)来定义参数R(m)：

R＝(D²+L²)^1/2...(1-1).

同样，基于固体物理学，利用特定介质的介电常数ε，真空的介电常数ε₀(F/m)，基本电荷q(C)，载流子密度N(m³)，平带电压Vf(V)和偏置电压V(V)，可以由以下等式(1-2)来表示耗尽层的范围W(m)：

W＝(2εε₀(Vf+V)qN)^1/2...(1-2).

通过上述等式(1-1)和(1-2)表述可以获得参数R(m)和损耗层范围W(m)之间的关系式。这里，在求取损耗层的范围W(m)的等式(1-2)中，使用了用于使-160℃时灵敏度到达-80℃时灵敏度的1/10或者更高时所必须的偏置电压V(V)的值。这个结果如图8所示。

从图8可以看到，R/W≤1.5的近似关系式是保证灵敏度不降低的条件。是半导体材料对应的一个特定值，约等于12。平带电压Vf(V)大约是1(V)。这样，根据等式(1-1)和(1-2)，不引起灵敏度下降的条件可以通过下述关系式获得：

D²+L²≤3.0(1+V)×10⁹/N...(1)。

一个比较低的载流子密度可以使耗尽层更容易扩散。然而，在实践中载流子密度大约在等于或者低于N＝5E21(m³)时就很难被控制。因此，可以将载流子密度N＝5E21(m³)代入等式(1)，所以下述的关系式(2)可以作为条件使用：

D²+L²≤6.0(1+V)×10^-13...(2)。

更进一步，电子发射层13的厚度D(m)可以被假设为无限接近0。即使在这种情况下，不引起灵敏度下降的条件仍能被满足。因此，电子发射层的厚度D＝0(10^-6m)可以代入等式(1)，所以下述关系式(3)可以被当作条件使用：

L²≤3.0(1+V)×10⁹/N...(3)。

同一情况下，可以考虑载流子密度N(m³)的限制。即载流子密度N＝5E21(m³)可以被代入等式(3)，这样下述的关系式(4)就可以被作为条件使用：

L²≤6.0(1+V)×10^-13...(4)。

施加于晶体的过高的偏置电压V(V)会引起暗电流的上升，且会使器件不能正常工作。这样，偏置电压V＝10(V)可以被认为是上限。使用这个上限，将V＝10(V)代入到等式(1)，所以下述关系式(5)可以被作为条件使用：

D²+L²≤3.3×10¹⁰/N...(5)。

还是在这种情况下，可以考虑限定载流子密度，即载流子密度N＝5E21(m³)可以被代入等式(5)，所以下述关系式(6)可以被作为条件使用：

D²+L²≤6.6×10^-12...(6)。

当该光电阴极的构造使得(1)-(6)之中的任一条件可以满足时，光电阴极的冷却就能够抑制热电子发射，从而使信噪比提高而该光电阴极的辐射灵敏度不会降低。这样对更弱的光也能进行检测。图9所示的是分别使用如曲线G910所示的以前工艺的光电阴极和如曲线G920所示的本发明所述的光电阴极的光电倍增管的最小检测光功率——光电阴极的温度函数的比较结果。从图9中可以看到，本发明所述的光电阴极大幅度提高了检测性能。

以上描述了本发明的优选实施例。然而，本发明并不仅仅局限于这些实施例。例如，本实施例的描述接触层呈条状。但是，接触层也可以是网(格子)状或者螺旋状。

还有一点，本实施例描述的光电阴极的材料是一个InP/InGaAs的化合物半导体。但是，除了InP/InGaAsP化合物半导体，这些材料还可以是：CdTe、GaSb、InP、GaAsP、GaAIAsSb或者在美国专利第3958143中披露的InGaAsSb；以及由这些材料中的一些成分形成的异性结构；由Ge/GaAs、Si/GaP或者GaAs/InGaAs组成的异性结构；或者是半导体多膜层材料，例如公开号为Hei-5-234501的日本专利所揭示的一个GaAs/AIGaAs多膜层。

另外，本实施例描述的表面电极和背面电极由一种AuGe/Ni/Au的合金材料组成。然而，本发明并不局限于此。任何与半导体基座有好的电阻性接触的材料都可以被使用。即使当光电子发射层也使用这样一种材料构成，也能得到与上述实施例相似的效果。

综上所述，依据本发明所述，低温时辐射灵敏度的降低可以被抑制从而使信噪比得以提高。

通过所述的发明，显而易见的是可以用各种各样方法实现本发明。这种变化均被认为是没有脱离本发明的精神和范围，并且所有这些对于本领域技术人员显而易见的改变均被认为包含在接下来的权利要求范围内。

Claims

1、一种光照射后会发射电子的光电阴极，其特征在于，包括：

一个第一导电型的半导体衬底，所述半导体衬底具有一个第一表面和一个与第一表面相对的第二表面；

一个构建在所述半导体衬底的第一表面之上的第一导电型的第一半导体层；

一个构建在所述第一半导体层之上的第一导电型的第二半导体层；

一个构建在所述第二半导体层之上的第二导电型的第三半导体层，所述的第三半导体层具有一个形状导致所述的第二半导体层的表面的一部分裸露；

一个构建在所述第三半导体层之上的表面电极；

一个构建在所述第二半导体层的表面裸露部分之上的活跃层，目的是降低所述第二半导体层的逸出功；和

一个构建在所述半导体衬底的第二表面之上的背面电极；

其中，所述第三半导体层相互面对的且将第二半导体层表面裸露部分夹在中间的部分之间的最小间距2L等于或者大于0.2μm，且等于或者小于2μm。