CN1291435C

CN1291435C - 半导体光电阴极

Info

Publication number: CN1291435C
Application number: CNB018208274A
Authority: CN
Inventors: 新垣实; 广畑彻; 菅博文; 森邦芳
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: KR20030063435A; US20040056279A1; AU2002221142A1; US6917058B2; WO2002050858A1; JP2002184302A; CN1481569A

Abstract

在光吸收层2厚时，将发生时间分辨率降低的现象，如果限制光吸收层2的厚度，则1个电子群中电子浓度低的部分将被切断，所以，相邻的电子浓度分布重叠的区域减少，由于缩短了电子通过所需要的移动时间，可以抑制通过扩散而相互重叠的区域，此外，由于还提高了电场强度，所以，通过它们的相互协同的作用，可以显著地提高红外线的时间分辨率。光吸收层的厚度为红外线的波长量级，厚度为1.3μm时，时间分辨率为40ps，厚度为0.19μm时，时间分辨率为7.5ps。

Description

半导体光电阴极

技术领域

本发明涉及半导体光电阴极。

背景技术

先有的半导体光电阴极登载在美国专利3958143号、5047821号、5680007号、6002141号中。这样的半导体光电阴极具有由吸收红外线的化合物半导体构成的光吸收层，通过电子迁移层(电子放出层)将由于吸收红外线而发生的载流子中的电子向真空中放出。

发明内容

但是，这些器件的特性还不充分，要求进一步加以改进。本发明就是鉴于上述问题而提出的，目的旨在提供可以提高该特性的半导体光电阴极。

本发明的半导体光电阴极具有由吸收红外线的化合物半导体构成的光吸收层，响应红外线入射而放出电子，其特征在于：上述光吸收层形成在能带间隙比该光吸收层宽的电子迁移层与半导体基板之间，上述光吸收层的厚度大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。

光吸收层的红外线吸收系数增高时，红外线的光电变换效率提高，另外，光吸收层越厚，总吸收量就越多，通过红外线入射而发生的电子在厚度方向分布，在该电子浓度分布中，红外线越行进，电子浓度越低。

另一方面，光吸收层的杂质浓度设定为低浓度，所以，有效的耗尽层宽度增宽，在光吸收层内形成的电场强度减小。在光吸收层内发生的电子由于电场的作用和扩散而向电子迁移层方向移动。电子也向半导体基板方向发生扩散。

在先有的半导体光电阴极中，光吸收层内的电子移动速度由小的电场和扩散规定，所以，如果在比较慢的随着当前的红外线脉冲的入射而发生的电子群的大部分通过光吸收层之前，入射了下次的红外线脉冲，就不能将由于双方的红外线脉冲的入射而发生的电子群分离。换言之，在光吸收层内，与时间上接近的2个红外线脉冲对应地在厚度方向具有2个电子浓度分布，如果该电子浓度分布相互重合得比较大时，就不能分辨脉冲的时间。

在特定的技术领域、半导体材料的荧光寿命测定和使用近红外线的CT扫描的领域中，现在要求数ps数量级的时间分辨率，但是，在现有的红外线领域，具有这样的时间分辨率的光电阴极还是未知的。

在本发明中，通过将光吸收层的厚度限制在0.19μm以下，在红外线领域，可以使半导体光电阴极的时间分辨率达到7.5ps以下，通过使光吸收层的厚度大于、等于0.02μm，可以做到具有噪音电平以上的灵敏度。

即，由于光吸收层对红外线的吸收，在光吸收层内部发生的瞬间的电子浓度分布沿厚度方向按指数函数关系减少，在1个电子群的电子浓度分布中电子浓度比较低的位置，该位置的电子因与相邻的电子群相互重叠而时间分辨率降低。另外，由于电子群移动中的扩散使得电子群的分布宽度增加，所以，相互重叠的区域也增加，从而时间分辨率进一步降低。

在光吸收层厚时，发生这样的时间分辨率降低的现象。如果如上述那样限制光吸收层的厚度，1个电子群中电子浓度低的部分就被切断了，所以，上述相互重叠的区域减少，由于电子通过光吸收层所需要的移动时间缩短，可以抑制通过扩散而相互重叠的区域。此外，通过减薄光吸收层，还可以提高光吸收层内的电场强度，所以，由于这些相互协同的作用，可以显著地提高红外线的时间分辨率。

例如，光吸收层的厚度设定为红外线的波长的量级，厚度为1.3μm时，时间分辨率为40ps(微微秒)，厚度为0.19μm时，时间分辨率为7.5ps，厚度为0.02μm时，时间分辨率可以达到1ps以下。此外，在光吸收层的厚度为0.02μm这样的非常薄的膜厚时，红外灵敏度也很高，该灵敏度与先有的在该波长区域具有唯一灵敏度的Ag-O-Cs光电阴极相比，可以得到3位数以上的高的灵敏度。

另外，电子迁移层必须赋予电子以指定的速度，所以，设定了其厚度的最低值，而对于上述光吸收层，设定的厚度比电子迁移层的还要小。

此外，半导体基板是InP、光吸收层是InGaAsP、电子迁移层是InP。

另外，在光吸收层与电子迁移层之间设置组成逐渐变化的过渡层时，就将该厚度的50％的部分作为光吸收层处理。

附图说明

图1是实施例1的半导体光电阴极PC的纵剖面图。

图2是实施例2的半导体光电阴极PC的纵剖面图。

图3是实施例3的半导体光电阴极PC的纵剖面图。

图4是实施例4的半导体光电阴极PC的纵剖面图。

图5是光电倍增管PMT的剖面模式图。

图6是图像增强管II的剖面模式图。

图7是条纹高速摄影装置的框图。

图8是表示光电阴极PC的分光灵敏度特性的曲线图。

具体实施方式

下面，说明实施例的半导体光电阴极。对于相同的元件标以相同的符号，并省略重复的说明。

实施例1.

图1是实施例1的半导体光电阴极PC的纵剖面图。首先，说明半导体光电阴极PC的结构。

本实施例的半导体光电阴极PC与图中未示出的阳极相对地配置在真空中，至少具有在半导体基板1上顺序层叠的光吸收层2、电子迁移层3、接触层4和电极层5。接触层4和电极层5形成网格(格子)状，至少在该网格的开口内电子迁移层3的露出表面上形成活性层6。

这里，作为接触层4和电极层5的图形，以使用格子状的图形为例进行说明，但只要是使电子迁移层3为基本上均匀地分布而露出的图形就行，可以应用各种各样的图形。

另外，在半导体基板1的光入射侧的面上，设置了背面电极7，电压加到电极层5与背面电极7之间，把电子引导向电极层5方向。即，电极层5的电位设定为相对地高于背面电极7的电位。

在加电压时，红外线从半导体基板1那一侧向光吸收层2内入射时，在光吸收层2内发生空穴·电子对(载流子)，由于扩散和在由上述电压引起的光吸收层2内的内部电场的作用下，电子向电极层5方向移动，空穴向背面电极7方向移动。半导体基板1由对入射光透明的材料构成。即，半导体基板1的能带间隙比根据入射光的波长规定的能带间隙大，因此，也比光吸收层2的能带间隙大。

光吸收层2中的杂质浓度设定为等于或低于电子迁移层3内的杂质浓度。

在光吸收层2内发生的电子由于扩散和内部电场的作用，流入电子迁移层3内。发生的电子通过电子迁移层3获得能量而被加速。电子迁移层3的能带间隙大于光吸收层2的能带间隙。

在半导体中形成的电场强度与施主或受主杂质浓度有关，耗尽层从电子迁移层3的表面侧向深部扩展，所以，为了有效地进行加速，电子迁移层3的杂质浓度最好与光吸收层2的杂质浓度相等或比其高一些。

电子迁移层3内的电子在其内部电场的作用下，向活性层6方向即半导体光电阴极PC的表面方向移动。

活性层6由降低功函数的材料例如Cs-O等构成。半导体光电阴极的表面与图中未示出的阳极相对，所以，在活性层6内移动的电子在该光电阴极PC与阳极间的电位差的作用下发射到真空中。在本例中，以Cs和O构成的活性层6为例进行了说明，但是，只要有降低功函数的效果，不论什么样的材料构成活性层6都行。但是，通过实验可知，最好使用碱金属及其氧化物或氟化物。在没有活性层6时，有时也有电子发射。

上述半导体基板1、光吸收层2、电子迁移层3和接触层4由化合物半导体构成，这些导电型/材料/杂质浓度的适用范围列表如下。

表1

半导体基板1：光吸收层2：电子迁移层3：接触层4：

p型/InP/p型/InGaAsP/p型/InP/n型/InP/

大于等于1×10¹⁵cm^-3大于等于1×10¹⁵cm^-3大于等于1×10¹⁵cm^-3

小于等于1×10¹⁷cm^-3小于等于1×10¹⁷cm^-3小于等于1×10¹⁷cm^-3大于等于1×10¹⁷cm^-3

InP的能带间隙比InGaAsP的能带间隙宽。另外，电极层5的电极材料只要是与接触层4纯电阻接触的就行，不论什么样的材料都可以。

另外，由于本发明的半导体光电阴极具有从反面侧入射被检测光的所谓的透过型结构，半导体基板1的杂质浓度如上述那样设定以便抑制杂质吸收引起的损耗。

电子迁移层3和接触层4构成PN结，耗尽层从结界面向各半导体层内扩展，为了使耗尽层通过加上偏压扩展到光吸收层2或半导体基板1，所以，将光吸收层2和电子迁移层3的杂质浓度设定为小于等于1×10¹⁷cm^-3。

另一方面，为了使耗尽层通过加偏压有效地延长到光吸收层2侧，将接触层4的杂质浓度设定为大于等于1×10¹⁷cm^-3。

设上述半导体基板1、光吸收层2、电子迁移层3和接触层4的厚度分别为t1、t2、t3、tc，则它们的厚度/厚度的适用范围如下。

表2

t1：350μm/200μm～500μmt2：0.1μm/大于等于0.02μm、小于等于0.19μmt3：0.5μm/0.2μm～0.8μmtc：0.2μm/0.1μm～0.5μm

这里，半导体基板1和电子迁移层3的能带间隙宽、对入射的红外线是透明的，所以，在位于比光吸收层2更外侧的区域中，不发生载流子。

在本实施例中，如上所述，光吸收层2的厚度设定为大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。即，通过将光吸收层2的厚度限制在0.19μm以下，实现红外线的时间分辨率小于等于7.5ps，通过设定为大于等于0.023μm，可以具有噪音电平以上的灵敏度。

详细而言，在光吸收层2厚的情况下，会发生时间分辨率降低的现象。如果像上述那样限制光吸收层2的厚度，随着红外线入射，在厚度方向分布而发生的1个电子群的电子浓度低的部分就会被宽能带间隙的电子迁移层3大幅度地切掉，所以，电子浓度分布的相互重叠的区域减少，由于电子的通过所需要的移动时间的缩短，可以抑制由于电子的扩散引起的相互重叠的区域的扩大，此外，通过减薄光吸收层，可以提高光吸收层2内的电场强度，从而由于它们的相同作用，可以显著地提高红外线的时间分辨率。

光吸收层2的厚度为红外线的波长的量级，厚度为1.3μm时的时间分辨率为40ps，厚度为0.19μm时的时间分辨率为7.5ps，厚度为0.02μm时的时间分辨率可以达到1ps以下。该值显著地小于将光吸收层2的厚度设定为2μm左右时的先有技术的情况。此外，即使在光吸收层的厚度为0.02μm这样非常薄的膜厚中，红外灵敏度也很高，该灵敏度与先有技术的在该波长区域唯一具有灵敏度的Ag-O-Cs光电阴极相比，可以得到3位数以上的高的灵敏度。

下面，说明上述半导体光电阴极PC的制造方法。半导体光电阴极PC通过顺序进行以下的①～⑨的工序而形成。

①准备半导体基板1，将其两面研磨。也可以预先准备两面进行了研磨的半导体基板1。

②在半导体基板1上，通过汽相生长而形成光吸收层2。半导体基板1是InP、光吸收层2是InGaAsP时，作为光吸收层2的形成方法，可以使用众所周知的化学汽相生长法或分子线外延法。

③在光吸收层2上，通过外延成长而形成电子迁移层3。光吸收层2是InGaAs、电子迁移层3是InP时，作为电子迁移层3的形成方法，可以使用众所周知的化学的汽相生长法或分子束外延法。

④在电子迁移层3上，通过外延成长而形成接触层4。电子迁移层3是InP、接触层4是InP时，接触层4除了导电类型不同外，可以使用与电子迁移层3相同的方法形成。

⑤在接触层4上，利用真空蒸发法形成电极层5。电极层5根据需要进行热处理，以使之与接触层4实现纯电阻接触。

⑥在电极层5上，涂布光刻胶，使用光刻技术在电极层5和接触层4上形成图形。即，光刻胶上曝光形成网格状的光学图形，对该光刻胶通过蚀刻实现图形化，将图形化的光刻胶作为掩模对电极层5和接触层4进行蚀刻，使电子迁移层3的表面的各区域在整个面上大致均匀地露出。

⑦在半导体基板1的一部分上形成背面电极7。该形成使用真空蒸发法。

⑧将通过上述工序而得到的光电阴极的中间体在真空中加热，对其表面进行清洁处理。

⑨为了降低功函数，在上述网格的开口内形成含有Cs、O的活性层6，这样，就完成了图1所示的半导体光电阴极PC。

实施例2.

图2是实施例2的半导体光电阴极PC的纵剖面图。实施例2的半导体光电阴极PC与实施例1的不同之处是省略了图1所示的接触层4的形成，电极层5和电子迁移层3直接进行肖脱基接触。这时的电极材料只要是与电子迁移层3进行肖脱基接触的，不论什么样的材料都可以。根据以后的蚀刻等工艺而进行选择即可。其他结构，包括各层的厚度等都与实施例1的光电阴极相同。

另外，在制造方法中，不同的地方是，在电子迁移层3形成(工序③)之后，不进行接触层4的形成(工序④)，而在电子迁移层3上直接进行真空蒸发电极材料而形成电极层5(工序⑤)，因此，在网格的形成(工序⑥)中，仅对电极层5进行蚀刻处理，其他工序与实施例1相同。

实施例3.

图3是实施例3的半导体光电阴极PC的纵剖面图。实施例3的半导体光电阴极PC与实施例2的不同之处，是图2所示的电极层5形成在电子迁移层3整个露出的表面上，并且，电极层5的厚度薄，在该薄的电极层5上形成活性层6。这时的电极材料只要是与电子迁移层3进行肖脱基接触的，不论什么样的材料都可以。其他结构包括各层的厚度都与实施例1的光电阴极相同。

电极层5的厚度对光电阴极的光电变换量子效率有重大的影响。即，在厚度比特定的膜厚薄时，电极层5的面电阻就增大，特别是入射光强度比较高时，或者在低温下工作时，有时将招致光电变换量子效率降低。另外，电极层5太厚时，电子通过电极层5的概率将降低，所以，将招致光电变换量子效率降低。

因此，电极层5的平均厚度最好大于等于3nm、小于等于15nm。这里用平均厚度表示，是因为这么薄的薄膜不一定是平坦的膜。这时的电极材料只要是与电子迁移层3进行肖脱基接触的就行，不论什么样的材料都可以。

另外，在制造方法中，与实施例2不同的地方是，在电子迁移层3形成(工序③)之后，在电子迁移层3上直接真空蒸发电极材料，形成薄的电极层5(工序⑤)，不进行图形化处理(工序⑥)，因此，在电极层5上形成活性层(工序⑨)，其他工序与实施例1相同。

实施例4.

图4是实施例4的半导体光电阴极PC的纵剖面图。实施例4的半导体光电阴极PC与实施例1的不同之处，是在光吸收层2与电子迁移层3之间存在组成逐渐变化的过渡层2g。

该过渡层2g将其厚度tg的50％的部分作为光吸收层2处理。即，在该半导体光电阴极PC中，光吸收层2的厚度为(t2+tg/2)，将该厚度设定为大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。其他结构包括各层的厚度都与实施例1相同。

另外，在制造方法中，与实施例1不同的地方是，在光吸收层2形成(工序②)之后、电子迁移层3形成(工序③)之前，在光吸收层2上形成过渡层2g，因此，在电子迁移层3的形成(工序③)中，电子迁移层3是在过渡层2g上形成，其他工序与实施例1相同。过渡层2g的形成，通过调整原料的供给量而实现组成的逐渐变化，在光吸收层2是InGaAsP、电子迁移层3是InP时，可以边调整晶格边逐渐地减少Ga和As的供给量。

光电倍增管.

下面，说明应用上述实施例所述的半导体光电阴极PC中的某一种的光电倍增管。

图5是具有上述某一个半导体光电阴极PC的光电倍增管PMT的剖面模式图。光电倍增管PMT具有光电阴极PC、收敛电极(聚焦电极)12、作为二次电子倍增部而动作的第1级倍增极13₁、第2倍增极13₂、…第n倍增极13_n、收集经过二次电子倍增的电子的阳极14和收容它们的真空容器15。

真空容器15具有构成真空容器15的一部分的光入射窗15₁和容器本体15₂，在容器本体15₂的下部，设置了多个底座引线16。多个底座引线16用于将偏置电压供给光电阴极PC、收敛电极12和各倍增极13n，并将阳极14收集的电子取出。

下面，使用图5说明上述光电倍增管PMT的动作。下面的说明，参照图1～图4说明1位数的符号表示的要素。透过光入射窗15₁的被检测光即红外线，大部分被光电阴极PC的光吸收层2吸收，其中被激励的光电子e从活性层6的露出表面向真空容器15的内部方向发射出。

如上所述，光电阴极PC的光吸收层2的厚度设定为大于等于0.02μm、小于等于0.19μm，所以，在光电阴极PC内光电子的时间上的扩展非常小。发射到真空容器15中的光电子e由收敛电极12修正光电子的轨道，高效率地入射到第1级倍增极13₁上。光电子e被加速后入射到第1级倍增极13₁上时，与该入射相应地，第一级倍增极13₁向下一级的倍增极13₂发射二次电子。

发射出的二次电子的数比入射到第一级倍增极13₁上的一次电子的数多，该倍增的二次电子向真空容器15中发射，入射到第2级倍增极13₂上。第2级倍增极13₂和第1级倍增极13₁时一样，向真空中发射二次电子。通过反复倍增操作，在位于最后级倍增极的附近的阳极14上，就收集了从光电阴极PC发射的光电子的100万倍的电子，该电子就以信号电流(负)的形式从底座引线16取出到容器外部。

本例的光电倍增管PMT，光电阴极PC内光电子的时间延迟非常小，响应性和灵敏度优异。

在上述说明中，说明了具有多级倍增极的光电倍增管PMT，但是，可以应用上述光电阴极PC的光电倍增管的结构不限于上述结构。例如，上述光电阴极PC也可以把微通道板(MCP)用于二次电子倍增部的所谓MCP-PMT。这时的结构，荧光体以外的部分与后面所述的图像增强管大致相同，所以，此处省略说明。

图像增强管.

下面，说明应用上述实施例所述的半导体光电阴极PC中的某一种的光图像增强管。

图6是具有上述半导体光电阴极PC中的某一个的图像增强管II的剖面模式图。图像增强管II具有光电阴极PC、起二次电子倍增部的功能的MCP23、用于将从MCP23发射出的二次电子变换为光的荧光体24和收容这些部件的真空容器25。

真空容器25具有形成其一部分的光入射窗25₁、侧管部25₂、和用于将荧光体24发生的光向图像增强管II的外部取出的输出窗25₃。此外，图像增强管还具有将适当的偏置电压供给光电阴极PC、MCP23、荧光体24的电极26。

下面，说明图像增强管的动作。透过光入射窗25₁的作为被检测光的红外线，大部分被光电阴极PC的光吸收层2吸收，与该吸收相应地，在光电阴极PC内激励起光电子，该光电子从活性层6的露出表面向真空中发射。

如上所述，由于光电阴极PC的光吸收层2的厚度设定为大于等于0.02μm、小于等于0.19μm，所以，在光电阴极PC内光电子在时间上的扩展非常小。发射到真空中的光电子被加速后入射到MCP23上，在MCP23中发生二次电子。约1kV的电压加在MCP23的输入侧电极23₁和输出侧电极23₂之间，入射到MCP23上的光电子约倍增1×10⁵倍，作为二次电子再次从MCP23向真空中发射出。

数千V的电压被加到设置在荧光体24上的电极26上，从MCP23发射出的二次电子以加速的状态入射到荧光体24上，荧光体24与该入射相应地发光。荧光体24发生的光通过输出窗25₃取出到图像增强管II的外部。

在本例中，在光电阴极PC内光电子的时间延迟非常小，从而可以实现响应性和灵敏度优异的图像增强管。

在本例中，说明了使用荧光体24的图像增强管II。如果将荧光体24置换为阳极，则图像增强管II就成为MCP-PMT。

另外，在本例中，说明了仅使用1块MCP23的情况，但是，也可以将多个MCP串联组合，增加倍增率。

条纹高速摄影装置.

下面，说明使用具有上述光电阴极PC的条纹管54的条纹高速摄影装置。

图7是条纹高速摄影装置的框图。

条纹管54具有上述某一个实施例中的光电阴极PC，光电阴极PC对入射的光进行光电变换。在条纹管54的气密容器72的入射面上，设置了上述光电阴极PC，在另一面形成了荧光面73。在光电阴极PC上，在与扫描方向垂直的方向形成长的网格电极68，如图所示的那样顺序排列了收敛电极74、光圈电极75、偏转电极71和MCP69。

色素激光器(振荡器)51以重复频率80～200MHz发射激光脉冲。该激光脉冲的波长在红外区，脉冲宽度为5ps。色素激光器51的输出光由半透明镜(光束分离器)52分离为2个系统。

由半透明镜52分离的脉冲激光的一方经过由光程长可变装置53a、反射镜53b、缝隙透镜53c、缝隙53d、聚光镜53e构成的光学系统，入射到条纹管54的光电阴极PC上。

由半透明镜52分离出的脉冲激光的另一方由反射镜55a、55b发射后，入射到光电变换元件(PIN光电二极管)56上。光电变换元件56也可以采用雪崩光电二极管。PIN光电二极管56的响应速度快，所以，与脉冲激光的入射相应地输出脉冲电流。PIN光电二极管56的输出供给调谐放大器57，调谐放大器57以80～200MHz范围的重复频率为中心频率而动作。

该中心频率设定为与色素激光器51的振荡频率数相等，调谐放大器57输出与PIN光电二极管56的输出脉冲的重复频率同步的第1正弦波。半透明镜52、反射镜55a及55b、光电变换元件56和调谐放大器57构成第1正弦波振荡器。第1正弦波振荡器发生与输入到条纹管54的光电阴极PC的高速重复脉冲光同步的第1正弦波。

频率计数器58计数并显示调谐放大器57输出的第1正弦波的频率。

另外，正弦波振荡器59形成发生与第1正弦波频率略不同的第2正弦波的第2正弦波振荡器。正弦波振荡器59可以在80～200MHz的频率范围内输出任意频率的正弦波。混频电路60将第1正弦波振荡器的输出(f1)与第2正弦波振荡器的输出(f2)混合。低通滤波器(LPF)61从混频电路60的输出中取出低频成分，LPF61和电平检测器62构成相位检测器。

相位检测器检测在与第1正弦波振荡器的输出间发生一定的相位关系的时刻，并发生检测输出。

在色素激光器51以100MHz的重复频率输出红外脉冲光时，从调谐放大器57输出频率100MHz的第1正弦波。在频率计数器58上显示「100MHz」。用户读取频率计数器58的显示，调整该正弦波振荡器59，使正弦波振荡器59输出100+Δf(MHz)的第2正弦波。其中，Δf＜＜100。

混频电路60将第1正弦波振荡器的输出即调谐放大器57输出的第1正弦波f1(100MHz)与第2正弦波振荡器59输出的第2正弦波f2(100+ΔfMHz)混合，输出f＝f1×f2的合成波。

这里，合成波的频率f以下式表示。即，

f = f 1 \times f 2

= A \sin (2 \times 10^{8} Π) t \times B \sin (2 \times 10^{8} Π + 2 ΠΔf) t

= \frac{A \times B}{2} \cdot [\cos (2 ΠΔf) - \cos (4 \times 10^{8} Π + 2 ΠΔf)] t

LPF61通过仅比高的频率低Δf的低的频率区域的成分。因此，LPF61使混频电路60的输出波仅通过f’＝(A×B/2)cos2πΔft的成分。LPF61的输出端与构成电平检测器62的比较器63的一边的输入端子63a连接，正弦波f’输入比较器63的输入端子63a。

电势计64的滑动轴与比较器63的另一边的输入端子63b连接。比较器63在输入到一边的输入端子63a的电压大于输入到另一边的输入端子63b的电压时输出脉冲。比较器63的输出端子63c与单稳态多谐振荡器65的输入端子连接。该单稳态多谐振荡器65在比较器63的输出脉冲的上升边起动，经过一定时间后下降。

门脉冲发生器66与单稳态多谐振荡器65的输出端子连接。门脉冲发生器66在单稳态多谐振荡器65的输出处于导通状态时输出门电压。门脉冲发生器66的输出电位通过电容器67供给与光电阴极PC电气连接的欧姆电极OE和MCP69的输出电极69b。

在本例中，-800V的电位供给欧姆电极OE，+900V的电位供给输出电极69b。MCP69的输入电极69a和光圈电极75的电位为0V(接地)。

另一方面，作为正弦波振荡器59的输出的第2正弦波由驱动放大器70放大后，加到条纹管54的偏转电极71上。加到偏转电极71上的正弦波的振幅是575V，振幅中心是0V。换言之，加到偏转电极71的一边的电位的最大值/最小值间的电位差是1150V。

这里，偏转电极71和MCP69间的距离和它们的尺寸设定为与所加的+100V～-100V的电压对应地仅使由偏转电极71进行的扫描而偏转的光电子入射到MCP69上。

另外，电源76的两端通过电阻值非常大的电阻77、78、79而短路，通过取出各电阻间的电位，将4000V的电位供给光电阴极PC的欧姆电极OE，将-4500V的电位供给收敛电极74。电源80将比MCP69的输出电极69b高的300V的电位供给荧光面73。

未从门脉冲发生器66加上门电压时，光电阴极PC就不发射光电子，所以，也不从MCP69发射倍增电子，从而荧光面73保持为暗状态。

从门脉冲发生器66加上门电压时，光电阴极PC内的光电子被网格电极68的电位加速，向气密容器72内的真空中发射。

发射出的光电子由收敛电极74形成的电子透镜收敛到光圈电极75的开口内，进入偏转电极71的2块电极板间的区域。这里，在电压加到偏转电极71上时，光电子就发生偏转。

在本例中，偏转电压从+100V变化为-100V时，光电子向MCP69入射的入射位置设计为从图的上端移动到下端。入射到MCP69上的光电子经过倍增后入射到荧光面73上，形成条纹像。

下面，说明制作实施例1所述的半导体光电阴极PC并将其组装到图7所示的条纹高速摄影装置中时得到的光电阴极的设计分辨率。这里，由于预先判明条纹管本身具有的设计分辨率和输入脉冲光的时间幅度，故修正了光电阴极的时间分辨率的数据。

入射光为红外线，光吸收层2的厚度为红外线的波长的量级，厚度为1.3μm时，时间分辨率为40ps。光吸收层2的厚度为0.19μm时，时间分辨率为7.5ps，厚度为0.02μm时，时间分辨率小于等于1ps。

图8是表示光电阴极PC的光吸收层2的厚度t2为0.02μm时的光电阴极PC的分光灵敏度特性的曲线图。在光吸收层2的厚度t2为0.02μm这样非常薄的膜厚中，波长在950nm～1050nm范围的红外灵敏度大于等于0.1mA/W。而且，该灵敏度与先有技术的在该波长区具有唯一灵敏度的Ag-O-Cs光电阴极相比，灵敏度高到3位数以上。光吸收层2的厚度t2比0.02μm薄时，光电灵敏度将降低到噪音电平以下，所以，难于进行测定。

如上所述，通过将光吸收层2的厚度t2设定为大于等于0.02μm、小于等于0.19μm的范围内，可以实现以往所不能想象的响应的高速化和灵敏度的提高。

在使用图4所示的过渡层2g时，仅仅是增加了光电子横切光吸收层2与电子迁移层3间的杂质界面的概率，所以，可以获得同样的效果，可以进行微微秒数量级的时间分辨率测定。

此外，在图2和图3所示的结构时，鉴于上述原理，可以实现响应的高速化和灵敏度的提高。另外，光吸收层2的材料可以使用InGaAsP以外的材料，只要是对红外线具有基础吸收端的材料就行。

本发明可以应用于半导体光电阴极。

Claims

1.一种半导体光电阴极，具有由吸收红外线的化合物半导体构成的光吸收层，响应红外线的输入而发射出电子，其特征在于：上述光吸收层形成在能带间隙比该光吸收层的宽的电子迁移层与半导体基板之间，上述光吸收层的厚度大于等于0.02μm、小于等于0.19μm，上述半导体基板是InP、上述光吸收层是InGaAsP、上述电子迁移层是InP。

2.按权利要求1所述的半导体光电阴极，其特征在于：上述光吸收层比上述电子迁移层薄。