CN100511554C - 半导体光电阴极、以及应用半导体光电阴极的光电管 - Google Patents

Abstract

半导体光电阴极(1)具备以GaSb形成的p⁺型的半导体基板(2)、以及以InAsSb形成的p^-型的光吸收层(3)。在半导体基板(2)与光吸收层(3)之间，形成有具有比光吸收层(3)大的能带宽度、由AlGaSb构成的p⁺型的空穴区层(4)。在光吸收层(3)上，形成有由AlGaSb构成的p^-型的空穴区层(5)；在空穴区层(5)上，形成有由GaSb构成的p^-型的电子发射层(6)。在电子发射层(6)上，形成有由GaSb构成的n⁺型的接触层(7)，该接触层(7)与电子发射层(6)形成pn结。

Description

半导体光电阴极、以及应用半导体光电阴极的光电管

技术领域

本发明涉及通过光子的入射而发射光电子的半导体光电阴极、以及应用半导体光电阴极的光电管。

背景技术

一般，半导体光电阴极的受光灵敏度波长的长波长一侧的极限几乎由形成光吸收层的半导体能带宽度所决定，例如，在InP基板上进行晶格匹配的系列中，极限约为1.7μm。

对此，在InP基板上设置使As-P组成阶跃地变化的分级缓冲层的光电阴极已被揭示(日本专利公开特开平11-297191号公报)。使用这一光电阴极，可使InP基板与原来和InP基板属于晶格不匹配系列的In组成0.53以上的InGaAs光吸收层之间的晶格不匹配缓和，检出波长至2.3μm程度的红外领域的光。

此外，将GaAs或GaSb用于基板，在光吸收层上使用各种各样的材料系列的光电阴极已被揭示(美国专利第3958143号公报)。在该光电阴极，例如，在基板使用GaSb、光吸收层使用晶格常数与之接近的GaInAsSb时，可检出波长1.77μm的红外领域的光。

但是，用记载于前述公报的光电阴极能够检出的红外领域的光的波长短，不能检出具有更长波长的红外领域的光。目前可检出的红外领域的光的波长的极限在2.3μm左右，用长于它的波长不能实现光电子发射。

因此，为了检出波长更长的红外领域的光，在光吸收层需采用可外延成长、属吸收系数大的直接迁移型、同时能带宽度更小的半导体材料。

在III-V族化合物半导体中，InAs-InSb是能带宽度最小的系列，在基板晶体采用GaSb时，由于将进行晶格匹配的InAs_(1-x)Sb_x(x＝0.09)做成光吸收层，可检出波长在4.3μm程度内的红外领域的光。

不过，GaSb/InAsSb的组合如图8所示，形成使InAsSb侧的传导带的下端位于距GaSb侧的价电子带上端位置约0.1eV下侧处的特异的带构造，成为使GaSb侧的价电子带与InAsSb侧的传导带连接、电子与空穴共存的状态。因此，出现即使在光吸收层发生电子、也难以将电子取出至外部的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供在红外领域具有良好灵敏度的半导体光电阴极、以及应用半导体光电阴极的光电管。

为达到前述目的，本发明的特征在于，是随着红外线的入射而发射电子的半导体光电阴极；具备：以GaSb形成的半导体基板、以InAs_(1-x)Sb_x(0<x<1)形成的光吸收层、以及具有比光吸收层大的能带宽度并含Al的第1化合物半导体层；第1化合物半导体层形成于半导体基板与光吸收层之间。

本发明的半导体光电阴极是这样的构造：将与以GaSb形成的半导体基板进行晶格匹配的InAs_(1-x)Sb_x作成光吸收层，且在半导体基板与光吸收层之间，形成有比该光吸收层的能带宽度大、含Al的第1化合物半导体层。

由此，由于在GaSb基板与InAsSb光吸收层上GaSb的价电子带与InAsSb的传导带连接，为了防止由电子与空穴的混在而产生的再结合，在基板与光吸收层之间插入能带宽度大的空穴区层(第1化合物半导体层)，GaSb基板的价电子带与InAsSb光吸收层的传导带被分离。由此，空穴区层可阻止通过光吸收生成的电子与来自基板一侧的空穴的混在、再结合、消灭。这样，可扩展受光灵敏度波长的长波长侧的截止波长。

最好还应具备设置成与所述第1化合物半导体层一起夹持所述光吸收层的第2化合物半导体层。这样，对于光吸收层，空穴从形成于半导体基板的相反侧的接触层向光吸收层的流入也可阻止，可更有效地将电子取出至外部。

第1及第2化合物半导体层最好以Al_yGa_(1-y)Sb(0<y<1)形成。这样，可实现既几乎与由GaSb构成的半导体基板进行晶格匹配、又具有比光吸收层大的能带宽度的化合物半导体层。

此外，第1及第2化合物半导体层也可以Al_yGa_(1-y)As_zSb_(1-z)(0<y<1、0<z<1)形成。这样，可与由GaSb构成的半导体基板完全地晶格匹配。例如，取Al组成y为0.4时，As组成z取0.03，可与GaSb半导体基板完全地晶格匹配。

第1及第2化合物半导体层也可具备将AlSb层和GaSb层交替地积层而成的超晶格层。这样，可通过改变1周期内的AlSb层及GaSb层的厚度而自由地决定Al组成比。

此外，在位于半导体基板与光吸收层之间的第1化合物半导体层使用AlSb/GaSb超晶格时，可兼具作为半导体基板与光吸收层之间的超晶格缓冲层的功能。由于依此可谋求减低结晶缺陷，因此，可望提高灵敏度、减低暗电流等，提高特性。

此外，本发明的光电管的特征在于，具备前述半导体光电阴极、以及与半导体光电阴极对应的阳极；将半导体光电阴极及阳极封入真空容器内构成。

本发明的光电管是例如光电倍增管，此时，将由光向前述半导体光电阴极的入射而发生的光电子能倍增到达阳极。通过具备前述的半导体光电阴极，能以高灵敏度检出红外领域中受光灵敏度波长的长波长侧的截止波长长的光。

附图说明

图1是示出本发明第1实施例的半导体光电阴极的图。

图2是示出光吸收层侧的传导带下端位置与空穴区层侧的价电子带上端位置之差、与空穴区层中铝的组成比的关系的图。

图3A、图3B是示出光吸收层及空穴区层的能带宽度的模式图。

图4是在图1所示的半导体光电阴极1上迭加偏压状态下的能带图。

图5是示出本发明第2实施例的半导体光电阴极的图。

图6是在图5所示的半导体光电阴极上迭加偏压状态下的能带图。

图7是具备图1或图5所示的半导体光电阴极的光电倍增管的剖面模式图。

图8是示出GaSb基板及InAsSb层的能带宽度的模式图。

具体实施方式

以下，对本发明适宜的实施形态根据附图作详细说明。又，对同一要素使用同一符号，省略重复的说明。

图1是示出本发明第1实施例的半导体光电阴极的图。同图所示的半导体光电阴极1具备以GaSb形成的p⁺型的半导体基板2、以及以InAsSb形成的p^-型的光吸收层3。

在半导体基板2与光吸收层3之间，形成有具有比光吸收层3大的能带宽度、由AlGaSb构成的p⁺型的空穴区层4。

此外，在光吸收层3上，形成有由AlGaSb构成的p^-型的空穴区层5；在空穴区层5上，形成有由GaSb构成的p^-型的电子发射层6。

在电子发射层6上，形成有由GaSb构成的n^-型的接触层7，该接触层7与电子发射层6形成pn结。

如以上的各层可通过分子线外延法、或化学气相法依次外延成长形成。此时各层的厚度为，例如，空穴区层4、5分别为0.2μm，光吸收层3约为1.0μm，电子发射层6约为0.5μm，接触层7约为0.2μm。

此外，前述各层的载流子浓度最好是：半导体基板2为5×10¹⁷cm^-3以上，空穴区层4为5×10¹⁷cm^-3以上，光吸收层为1×10¹⁷cm^-3以下，空穴区层5为1×10¹⁷cm^-3以下，电子发射层6为1×10¹⁷cm^-3以下，接触层7为1×10¹⁸cm^-3以上。

在接触层7上，形成有可得到欧姆接触的第1电极8。该第1电极8可采用诸如含Au、Ge、Ni的合金构成。

第1电极8及接触层7可采用光刻法技术及蚀刻技术加工成格子状的图形。此外，在露出的电子发射层6的表面涂布Cs层10。这样，形成使表面的功函数降低、光电子容易向真空中发射的构造。

另外，在半导体基板2的下面，形成有可得到欧姆接触的第2电极9。该第2电极9可采用诸如含Cr、Au的合金构成。

如以上的半导体光电阴极1在光吸收层3的Sb组成比为0.09时，与半导体基板2进行晶格匹配。本发明者发现，此时，通过将空穴区层4、5的Al组成比取为大于0.19、不满1.0，则可把在光吸收层3发生的电子取出至外部。对这一点，将在下面说明。

图2是示出在将光吸收层3侧的传导带下端位置与空穴区层4、5侧的价电子带上端位置的能量差取为Es时，空穴区层4、5中铝的组成比与Es的关系的图。图3A、图3B是示出光吸收层3及空穴区层4、5的能带宽度的模式图。

如图2所示，在空穴区层4、5的Al组成比不满0.19时，Es(＝Ec1-Ev2)为负值。此时的空穴区层4、5及光吸收层3的能带宽度成为如图3A所示那样的状态，光吸收层3侧的传导带下端位置Ec1位于空穴区层4、5的价电子带上端位置Ev2的下方。为此，即使电子在光吸收层3发生，电子与空穴产生再结合，因此难以将电子取出至外部，作为光电阴极不能有效地进行工作。

另一方面，在空穴区层4、5的Al组成比大于0.19时，Es为正值(参照图2)。此时的空穴区层4、5及光吸收层3的能带宽度呈如图3B所示那样的状态，光吸收层3侧的传导带下端位置Ec1位于空穴区层4、5的Ev2的上方。这样，由于光吸收层3侧的传导带与空穴区层4、5的价电子带分离，电子与空穴不产生再结合，电子不会因再结合而消灭。由此，能将电子向外部出射，作为光电阴极工作。

图4是在图1所示的半导体光电阴极1上迭加偏压的状态下的能带图。同图中，分别将价电子带上端位置的能量级用Ev、传导带下端位置的能量级用Ec、费米级用Ef、真空级用VL表示。

由具有红外领域波长的入射光在光吸收层3发生的光电子通过迭加偏压，可不受空穴区层5的阻碍而向电子发射层6移动，因此，可有效地向真空中发射。

如上所述，本发明的半导体光电阴极1由于能阻止在应用以GaSb形成的半导体基板2及以InAsSb形成的光吸收层3时产生的电子和空穴的再结合，因此，可检出波长在4.3μm程度以内的红外领域的光。

又，空穴区层4、5也可以Al_yGa_(1-y)As_zSb_(1-z)(0<y<1、0<z<1)形成。这样，可与由GaSb构成的半导体基板2完全地进行晶格匹配。为此，可抑制由与基板结晶的晶格不匹配造成的贯通转位，可减低作为载流子的捕获中心起作用的结晶缺陷。其结果，可实现提高灵敏度、降低暗电流。

此外，空穴区层4、5也可以是混晶层，但也可具备使AlSb层与GaSb层交替积层而成的超晶格层。此时，通过改变1周期内的AlSb层及GaSb层的厚度，可自由地决定Al组成比。例如，当Al组成比为50％时，取AlSb层5nm、  GaSb层5nm作为1周期，积层10～20周期，则可使其有效地作为空穴区层起作用。

图5是示出本发明第2实施例的半导体光电阴极的图。同图中，半导体光电阴极20是在第1实施例的半导体光电阴极1中，取代空穴区层5及电子发射层6，形成合并持有双方功能的p^-型AlGaSb层11。

此时，在AlGaSb层21与接触层7之间形成有pn结。AlGaSb层21最好是，例如，厚度在约0.5μm，载流子浓度在1.0×10¹⁷cm^-3以下。

图6是在图5所示的半导体光电阴极20上迭加偏压状态下的能带图。此时，与第1实施例同样，由具有红外领域的波长的入射光在光吸收层3发生的光电子通过迭加偏压，可不受AlGaSb层21阻碍而向电子发射层6移动。

下面，对使用前述实施例的任一半导体光电阴极的光电倍增管进行说明。

图7是具备前述任一半导体光电阴极的光电倍增管的剖面模式图。光电倍增管30具备：半导体光电阴极PC、未图示的收束电极(集束电极)、作为二次电子倍增部工作的第1级倍增器电极31₁、第2级倍增器电极31₂、…第n级倍增器电极31_n、将二次电子倍增后的电子收集的阳极32、以及用来收容这些部件的真空容器33。这里，所谓半导体光电阴极PC指的是记载于前述实施例的半导体光电阴极1或20中的某一种。

红外领域的入射光hv在半导体光电阴极PC的光吸收层3大部分被吸收，在这里激励出来的光电子e被内部电场加速后，从Cs层10的表面向真空容器33的内部发射。

向真空容器33中发射后的光电子e由收束电极修正轨道，并高效地向第1级倍增器电极31₁入射。第1级倍增器电极31₁随着光电子e的入射，向第2级倍增器电极31₂发射2次电子。2次电子的数量比入射到第1级倍增器电极31₁的1次电子多。

第2级倍增器电极31₂对与第1级倍增器电极31₁同样地入射的2次电子进行倍增，向下一级的倍增器电极31₁发射。该倍增动作依次反复进行，直至第n级倍增器电极31_n。

光电子最终放大至100万倍左右后，到达阳极32，作为检出电气信号被取出至真空容器33的外部。

通过应用具备前述实施例的半导体光电阴极PC的光电倍增管，即使是具有约2μm以上波长的红外线，也能以高灵敏度检出。

以上，基于实施例对本发明作了具体说明，但本发明不限于前述实施例。例如，前述实施例中就使用入射光入射面与光电子发射面位于同侧的、即所谓反射型半导体光电阴极的情况作了说明，但也可使用于光电子发射面位于入射光入射面相反侧的、即所谓透射型半导体光电阴极。

利用本发明，由于在具备以GaSb形成的半导体基板及以InAsSb形成的光吸收层的半导体光电阴极中，具备具有比光吸收层大的能带宽度、含Al的化合物半导体层，因此，即便是具有约2μm以上波长的红外领域的光，也能以高灵敏度检出。

Claims (11)

1.一种随着红外线的入射从正面发射电子的半导体光电阴极，其特征在于，具备：

以GaSb形成的半导体基板；

以InAs_(1-x)Sb_x(0<x<1)形成的光吸收层；

以及具有比前述光吸收层大的能带宽度、含Al的第1化合物半导体层；

所述第1化合物半导体层形成于所述半导体基板与所述光吸收层之间；

分别形成在所述半导体光电阴极的正面和背面的第1和第2电极；

插入在所述第1电极和所述正面之间的n型接触层；

其中所述半导体基板为p型，所述第1化合物半导体层为p型。

2.如权利要求1所述的半导体光电阴极，其特征在于，

还具备设置成与所述第1化合物半导体层一起夹持所述光吸收层的第2化合物半导体层。

3.一种光电管，其特征在于，具备：

如权利要求2所述的半导体光电阴极，以及

与所述半导体光电阴极对应的阳极，

所述半导体光电阴极及所述阳极封于真空容器内。

4.一种随着红外线的入射发射电子的半导体光电阴极，其特征在于，具备：

以GaSb形成的半导体基板；

以InAs_(1-x)Sb_x(0<x<1)形成的光吸收层；

具有比前述光吸收层大的能带宽度、含Al的第1化合物半导体层，该第1化合物半导体层形成在所述半导体基板和所述光吸收层之间；及

设置成与所述第1化合物半导体层一起夹持所述光吸收层的第2化合物半导体层，

所述第1及第2化合物半导体层以Al_yGa_(1-y)Sb(0<y<1)形成。

5.如权利要求4所述的半导体光电阴极，其特征在于，其中y设在大于0.19至小于1.0的范围内。

6.一种光电管，其特征在于，具备：

如权利要求4所述的半导体光电阴极，以及

与所述半导体光电阴极对应的阳极，

所述半导体光电阴极及所述阳极封于真空容器内。

7.一种随着红外线的入射发射电子的半导体光电阴极，其特征在于，具备：

以GaSb形成的半导体基板；

以InAs_(1-x)Sb_x(0<x<1)形成的光吸收层；

具有比前述光吸收层大的能带宽度、含Al的第1化合物半导体层，该第1化合物半导体层形成在所述半导体基板和所述光吸收层之间；及

设置成与所述第1化合物半导体层一起夹持所述光吸收层的第2化合物半导体层，

所述第1及第2化合物半导体层以Al_yGa_(1-y)As_zSb_(1-z)(0<y<1、0<z<1)形成。

8.如权利要求7所述的半导体光电阴极，其特征在于，其中y设在大于0.19至小于1.0的范围内。

9.一种光电管，其特征在于，具备：

如权利要求7所述的半导体光电阴极，以及

与所述半导体光电阴极对应的阳极，

所述半导体光电阴极及所述阳极封于真空容器内。

10.一种随着红外线的入射发射电子的半导体光电阴极，其特征在于，具备：

以GaSb形成的半导体基板；

以InAs_(1-x)Sb_x(0<x<1)形成的光吸收层；

具有比前述光吸收层大的能带宽度、含Al的第1化合物半导体层，该第1化合物半导体层形成在所述半导体基板和所述光吸收层之间；及

设置成与所述第1化合物半导体层一起夹持所述光吸收层的第2化合物半导体层，

所述第1及第2化合物半导体层具备将AlSb层和GaSb层交替地积层而成的超晶格层。

11.一种光电管，其特征在于，具备：

如权利要求10所述的半导体光电阴极，以及

与所述半导体光电阴极对应的阳极，

所述半导体光电阴极及所述阳极封于真空容器内。

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