DE69723364T2

DE69723364T2 - Halbleiterphotokathode und Vorrichtung unter Verwendung derselben

Info

Publication number: DE69723364T2
Application number: DE69723364T
Authority: DE
Inventors: Tokuaki Hamamatsu-shi Nihashi; Minoru Hamamatsu-shi Niigaki
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: DE69723364D1; US5923045A; EP0810621B1; JP3565529B2; JPH09320457A; EP0810621A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Fotokathode, die als Reaktion auf einfallendes Licht ein Elektron erzeugt und das so erzeugte Elektron bei Anliegen einer externen Spannung beschleunigt und emittiert, sowie ein Halbleiter-Fotokathodengerät unter Verwendung derselben.
Allgemeiner Stand der Technik
Die in US-Patent 3.958.143 beschriebene ET-Fotokathode (Elektronentransfer-Halbleiter-Fotokathode) ist als ein Beispiel für Fotokathoden bekannt, die bei Anliegen einer externen Vorspannung ein elektrisches Feld erzeugen, ein Fotoelektron zu ihrer Emissionsfläche leiten und das Fotoelektron dann emittieren. Die Funktionsweise der ET-Fotokathode ist in mehreren Publikationen beschrieben. Kurz gesagt ist auf der gesamten Fläche eines III-V-Halbleiters (p^–) eine Schottky-Elektrode ausgebildet, die mit einem positiven Potenzial versehen wird. Folglich entsteht in der Fotokathode ein elektrischer Feldgradient, wodurch das als Reaktion auf einfallendes Licht erzeugte Fotoelektron beschleunigt wird. Somit verschiebt sich das Energieniveau des Fotoelektrons auf ein oberes Leitungsband, wodurch die Energieschwelle der Fotokathodenfläche überschritten wird, so dass in das Vakuum emittiert wird. Es ist nachgewiesen worden, dass die ET-Fotokathode wirksam auf Licht mit einer kurzen Wellenlänge von nur 2,1 μm reagieren kann. Auch kann bei dieser Halbleiter-Fotokathode der Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung verbessert werden, wenn die Schottky-Elektrode die Form eines Gitternetzes hat.
Andererseits beschreiben WO 91/14283 A und das entsprechende US-Patent 5.047.821 sowie die japanische Offenlegungsschrift 4-269419 Verfahren zur konstanten Herstellung von Halbleiter-Fotokathoden mit einer vorteilhaften Reproduzierbarkeit.
Die Quantenausbeute dieser Halbleiter-Fotokathoden beträgt ca. 0,1%, was niedriger als bei typischen Fotodetektoren ist. Für die Benutzung als praktischer Fotodetektor sollte die Halbleiter-Fotokathode eine höhere Quantenausbeute haben. Eine so niedrige Quantenausbeute ist vermutlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Fotoelektronen von der Schottky-Elektrode, die auf der Oberfläche ausgebildet ist, mit einem niedrigen Wirkungsgrad eingefangen werden.
In Anbetracht der vorstehenden Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Fotokathode bereitzustellen, welche die Quantenausbeute weiter verbessern kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Halbleiter-Fotokathodengeräts unter Verwendung einer solchen Halbleiter-Fotokathode.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Fotokathode nach Anspruch 1 und ein Halbleiter-Fotokathodengerät (Fotodetektorröhre, Bildröhre, Fotovervielfacher, Streak-Kamera, Bildverstärker und dergleichen) nach Anspruch 6.
Demnach wird zuerst als Reaktion auf Licht oder elektromagnetische Wellen, die auf eine erste p-Typ-Halbleiterschicht einfallen, in dieser Schicht ein Elektron-Defektelektron-Paar erzeugt. Hier wird das Elektron auf das niedrigste Energieniveau (erstes Energieniveau) des Gamma-Tals des Leitungsbands angeregt. Weil der Kontaktschicht, die den pn-Übergang bildet, ein höheres Potenzial als der ersten leitenden Schicht zugewiesen ist, läuft das erzeugte Elektron aufgrund einer Kraft, die in dem elektrischen Feld mit diesem Potenzial wirkt, in Richtung der Kontaktschicht. Wenn die Dotiermaterialkonzentration der zweiten Halbleiterschicht niedriger als in der ersten Halbleiterschicht ist, entsteht in der zweiten Halbleiterschicht eine Elektronenverarmungszone, die breiter als in der ersten leitenden Schicht ist. In dieser Verarmungszone wird ein elektrisches Feld erzeugt, und das laufende Elektron wird in diesem elektrischen Feld beschleunigt, um Energie aufzunehmen. Daher läuft das Elektron zur Kontaktschicht, während es auf ein höheres Energieniveau (zweites Energieniveau) in einem oberen Satellitental (L- oder X-Tal) angeregt wird, das höher als das niedrigste Energieniveau des Gamma-Tals in dem Leitungsband oder in dem Gamma-Tal ist.
Weil der Halbleiterabschnitt unter der Kontaktschicht angeordnet ist und einen breiteren Energiebandabstand als die zweite Halbleiterschicht aufweist, entsteht andererseits in der zweiten Halbleiterschicht aufgrund der Existenz dieses Halbleiterabschnitts eine Potenzialschwelle. Weil die Bahn des laufenden Elektrons durch dieses Potenzial gekrümmt wird, läuft das Elektron in Richtung der Öffnung in der Kontaktschicht. Da die dritte Halbleiter schicht in dieser Öffnung ausgebildet ist, wird das Elektron in die dritte Halbleiterschicht geleitet. Weil die Austrittsarbeit der dritten Halbleiterschicht geringer als die der zweiten Halbleiterschicht ist, kann das Elektron ohne weiteres aus der dritten Halbleiterschicht in das Vakuum emittiert werden. Vorzugsweise wird die dritte Halbleiterschicht aus einem Verbindungshalbleiter gebildet, der hauptsächlich aus einem Alkalimetall mit einer geringen Austrittsarbeit besteht. Beispiele für Materialen für die dritte Halbleiterschicht sind unter anderem Kombinationen von Cs-O, Cs-I, Cs-Te, Sb-Cs, Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, Sb-Na-K, Sb-Na-K-Cs und Ag-O-Cs.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht der Halbleiterabschnitt mit einem breiteren Energiebandabstand als die zweite Halbleiterschicht angeordnet, während die dritte Halbleiterschicht auf der zweiten Halbleiterschicht in der Öffnung der Kontaktschicht ausgebildet ist. Folglich entsteht aufgrund der Existenz dieses Halbleiterabschnitts eine Potenzialschwelle. Weil die Bahn des laufenden Elektrons gekrümmt ist, um die Potenzialschwelle zu überwinden, läuft das Elektron in Richtung der Öffnung in der Kontaktschicht. Danach wird das Elektron in die dritte Halbleiterschicht geleitet. Weil die Austrittsarbeit der dritten Halbleiterschicht geringer als die der zweiten Halbleiterschicht ist, wird das Elektron ohne weiteres aus der dritten Halbleiterschicht in das Vakuum emittiert. Vorzugsweise wird die dritte Halbleiterschicht aus einem Verbindungshalbleiter gebildet, der hauptsächlich aus einem Alkalimetall mit einer geringen Austrittsarbeit gemäß der vorstehenden Beschreibung besteht.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Halbleiterabschnitt einen ringförmigen Bereich aufweisen, der einen Bereich umgibt, der kleiner als der Bereich innerhalb der Öffnung der Kontaktschicht ist.
Bei dieser Konfiguration wird der Elektronenfluss durch die ringförmige Halbleiterschicht gekrümmt, so dass er auf der Öffnung zusammenläuft, ohne von der Kontaktschicht absorbiert zu werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Halbleiterabschnitt auch eine Netzform aufweisen.
Bei dieser Konfiguration wird das Elektron mit hoher Homogenität von der Oberfläche der dritten Halbleiterschicht emittiert.
Auch kann die zweite Halbleiterschicht bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nahe ihrer Grenzfläche mit der ersten Halbleiterschicht eine erste abgestufte Schicht mit einem Energiebandabstand aufweisen, dessen Breite zwischen der Breite des Energiebandabstands eines Bereichs der zweiten Halbleiterschicht auf der Seite der dritten Halbleiterschicht und der Breite des Energiebandabstands der ersten Halbleiterschicht liegt.
Ist eine solche erste abgestufte Schicht vorgesehen, wird die Kristallgitteranordnung an der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht vorzugsweise beibehalten, wodurch der Leckstrom und der Rekomliinationsstrom verringert werden können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Halbleiterabschnitt auch einen in Streifenform angeordneten Halbleiterteil umfassen.
Bei dieser Konfiguration kann das Elektron mit hoher Homogenität von der Oberfläche der dritten Halbleiterschicht emittiert werden. Weiter kann der Halbleiterabschnitt Halbleiterteile aufweisen, die einander überlappen.
Eine Ausführungsform eines Halbleiter-Fotokathodengeräts nach der vorliegenden Erfindung wird in einem Zustand benutzt, in dem zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsstift und zwischen dem zweiten und dritten Verbindungsstift eine Spannung anliegt, so dass das Potenzial des ersten Verbindungsstifts höher als das des zweiten Verbindungsstifts und das des dritten Verbindungsstifts höher als das des ersten Verbindungsstifts ist. In diesem Zustand wird das von der genannten Halbleiter-Fotokathode emittierte Elektron von der Anode aufgefangen. Folglich kann der Strom, der dem einfallenden Licht oder den elektromagnetischen Wellen entspricht, an dem dritten Verbindungsstift abgenommen werden, der mit der Anode verbunden ist.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die erste Halbleiterschicht nahe ihrer Grenzfläche mit dem Halbleitersubstrat eine zweite abgestufte Schicht mit einem Energiebandabstand aufweisen, dessen Breite zwischen der Breite des Energieabstands eines Bereichs der zweiten Halbleiterschicht auf der Seite der ersten Halbleiterschicht und der Breite des Energiebandabstands des Halbleitersubstrats liegt.
Ist eine solche zweite abgestufte Schicht vorgesehen, wird die Kristallgitteranordnung an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten Halbleiterschicht vorzugsweise beibehalten, wodurch der Leckstrom und der Rekombinationsstrom verringert werden können.
Weiter kann das Halbleiter-Fotokathodengerät nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Elektronenvervielfacherröhre aufweisen, die zwischen der Halbleiter-Fotokathode und der Anode angeordnet ist.
Bei dieser Konfiguration kann das Fotoelektron aus der Halbleiter-Fotokathode verstärkt werden. Hierzu kann zum Beispiel eine Dynode oder eine Mikrokanalplatte (MCP) vorgesehen werden.
Die Anode kann auch ein Element umfassen, das ein fluoreszierendes Material enthält.
In diesem Fall erzeugt die Anode ein Fluoreszieren, wenn ein Fotoelektron sie erreicht.
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, die nur zur Illustration dienen und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung anzusehen sind.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung. Es besteht Einigkeit darüber, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, aber nur zur Illustration angegeben sind, weil für den Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifikationen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ersichtlich sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiter-Fotokathode CT nach einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 zeigt einen Querschnitt der Halbleiter-Fotokathode CT entlang der Linie A-A' in 1.
3A zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Halbleiter-Fotokathode CT einschließlich der Linien A-A' und B-B' in 1.
3B und 3C sind Energiebanddiagramme, aufgenommen entlang der Linie A-A' bzw. B-B' in 3A, ohne dass eine Vorspannung an der Halbleiter-Fotokathode CT anliegt.
4A zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Halbleiter-Fotokathode CT einschließlich der Linien A-A' und B-B' in 1.
4B und 4C sind Energiebanddiagramme, aufgenommen entlang der Linie A-A' bzw. B-B' in 4A mit einer anliegenden Vorspannung an der Halbleiter-Fotokathode CT.
5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Potenzials bezogen auf die Elektronen in einer Ebene einschließlich der Linien A-A' und B-B' zur leichter verständlichen Erklärung des Verhaltens der in 4A bis 4C gezeigten Elektronen.
6 ist eine perspektivische Ansicht in teilweiser Schnittdarstellung, die ein Halbleiter-Fotokathodengerät zeigt, bei dem die Halbleiter-Fotokathode CT aus 1 in einem abgedichteten Behältnis angeordnet ist.
7A bis 7G sind Querschnittsansichten zur schrittweisen Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der in 1 gezeigten Halbleiter-Fotokathode CT anhand des Querschnittsaufbaus der Halbleiter-Fotokathode CT.
8 zeigt einen Querschnitt einer anderen Konfiguration der Halbleiter-Fotokathode nach der ersten Ausführungsform in ihrem Querschnitt entlang der Dickenrichtung.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Konfiguration der Halbleiter-Fotokathode nach der ersten Ausführungsform zeigt.
10 zeigt einen Querschnitt einer Halbleiter-Fotokathode CT3 nach einer zweiten Ausführungsform entlang ihrer Dickenrichtung.
11A bis 11H sind Querschnittsansichten zur schrittweisen Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der in 10 gezeigten Halbleiter-Fotokathode CT3 anhand des Querschnittsaufbaus der Halbleiter-Fotokathode CT3.
12 zeigt einen Querschnitt einer Halbleiter-Fotokathode CT4 nach einer dritten Ausführungsform entlang ihrer Dickenrichtung.
13A bis 13C zeigen eine Draufsicht einer Halbleiter-Fotokathode nach einer vierten Ausführungsform, einen Querschnitt derselben entlang der Linie A-A' in 13A bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie B-B' in 13B.
14 ist eine perspektivische Ansicht in teilweiser Schnittdarstellung, die ein Halbleiter-Fotokathodengerät nach einer fünften Ausführungsform zeigt.
15 ist eine perspektivische Ansicht in teilweiser Schnittdarstellung, die ein Halbleiter-Fotokathodengerät nach einer sechsten Ausführungsform zeigt.
16A und 16B zeigen eine Draufsicht der in 15 gezeigten Halbleiter-Fotokathode bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie A-A' in 16A.
17A und 17B zeigen eine Draufsicht einer Halbleiter-Fotokathode nach einer siebten Ausführungsform bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie B-B' in 17A.
18A und 18B zeigen eine Draufsicht einer Halbleiter-Fotokathode nach einer achten Ausführungsform bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie C-C' in 18A.
19A zeigt einen Querschnitt einer Halbleiter-Fotokathode und einer Anode.
19B ist ein Energiebanddiagramm, aufgenommen entlang der Linie X-X' in 19A.
19C und 19D sind Energiebanddiagramme, aufgenommen entlang der Linie Y-Y' in 19A zum Zeitpunkt der Elektronenladung bzw. zum Zeitpunkt der Elektronenemission.
20 zeigt einen Querschnitt eines Halbleiter-Fotokathodengeräts mit einer Halbleiter-Fotokathode CT5.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Halbleiter-Fotokathode nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Hierbei sind identische Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen, ohne dass die sich deckenden Beschreibungen wiederholt werden.
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische. Ansicht, die eine Halbleiter-Fotokathode CT nach einer ersten Ausführungsform zeigt. Bei der Halbleiter-Fotokathode CT ist anfangs auf einem Halbleitersubstrat 10 eine erste p-Typ-Halbleiterschicht 20 (lichtabsorbierende Schicht) ausgebildet, die als Reaktion auf einfallendes Licht oder elektromagnetische Wellen ein Elektron erzeugt. Die erste Halbleiterschicht 20 hat eine erste Dotiermaterialkonzentration. Auf der ersten Halbleiterschicht 20 ist eine zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30 (Elektronentransferschicht) ausgebildet, die eine zweite Dotiermaterialkonzentration aufweist, die niedriger als die erste Dotiermaterialkonzentration ist. Eine netz- oder gitterförmige Kontaktschicht 50 mit einer Öffnung ist so ausgebildet, dass sie die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 30 bedeckt. Auf der Kontaktschicht 50 ist eine Oberflächenelektrode 80 angeordnet, die mit ihr in ohmschem Kontakt steht.
Weiterhin ist eine dritte Halbleiterschicht 40 (Aktivierungsschicht) innerhalb der Öffnung der Kontaktschicht 50 auf der verbleibenden freien Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 30 ausgebildet. Die dritte Halbleiterschicht 40 weist eine geringere Austrittsarbeit auf als die zweite Halbleiterschicht 30. Eingebettet in die zweite Halbleiterschicht 30 ist ein Halbleiterabschnitt 60 (Kanalgitter) mit einer dritten Dotiermaterialkonzentration, die in etwa so hoch wie oder niedriger als die zweite Dotiermaterialkonzentration ist. Der Halbleiterabschnitt 60 ist direkt unter der Kontaktschicht 50 angeordnet, d. h. auf einer Verlängerung einer die Kontaktschicht 50 in ihrer Dickenrichtung durchstoßenden Linie.
Hierbei hat der Halbleiterabschnitt 60 eine Netz- oder Gitterform, während die mit einem ringförmigen Bereich, der durch ein Teil des Gitters definiert ist, umschlossene Fläche kleiner als der Bereich der Öffnung in der Kontaktschicht 50 ist. Hier entspricht die Form des Halbleiterabschnitts 60 der Form der Kontaktschicht 50. Folglich wird das Elektron durch den Halbleiterabschnitt 60 wirksam in Richtung der Öffnung geleitet, und weil der Halbleiterabschnitt 60 eine gitterartige Form hat, wird das Elektron mit hoher Homogenität von der Oberfläche der dritten Halbleiterschicht 40 emittiert. Hier ist die erste leitende p-Typ-Schicht 20 mit einer ohmschen Elektrode 70 versehen.
Bei dieser Ausführungsform sind die Materialien und Dickenwerte der oben genannten Halbleiterschichten wie folgt beschaffen.
Das Halbleitersubstrat 10 ist ein (100) InP-Substrat vom p-Typ. Die erste Halbleiterschicht 20 ist ein InGaAs-Halbleiter vom p-Typ, der durch Epitaxiewachstum auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet wird und eine Dotiermaterialkonzentration von 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10²⁰/cm³ aufweist. Die erste Halbleiterschicht 20 hat am besten eine Dicke, die durch die Elektronendiffusionslänge dieser Schicht definiert ist (z. B. 1,5 bis 2,5 μm). Die zweite Halbleiterschicht 30 ist ein InP-Halbleiter vom p-Typ mit einer Dicke von 0,1 bis 10 μm und einer Dotiermaterialkonzentration von ca. 1 × 10¹⁷/cm³. Der Halbleiterabschnitt 60 ist ein AlAsSb-Halbleiter vom p^–-Typ mit einer Dotiermaterialkonzentration von 1 × 10¹⁸/cm³ oder weniger. Die dritte Halbleiterschicht 40 ist ein (Cs-O)-Halbleiter mit einer geringeren Austrittsarbeit als die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30.
Als das Material für die dritte Halbleiterschicht kann eine Kombination von Cs-O, Cs-I, Cs-Te, Sb-Cs, Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, Sb-Na-K, Sb-Na-K-Cs, Ag-O-Cs oder dergleichen verwendet werden. Als Materialien für diese Halbleiterschichten können selektiv auch die im Folgenden aufgeführten benutzt werden. Die Kombination von Materialien, die das Halbleitersubstrat 10, die erste p-Typ-Halbleiterschicht 20 (lichtabsorbierende Schicht), die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30 (Elektronentransferschicht) und den Halbleiterabschnitt 60 (Kanalgitter) bilden, besteht am besten aus solchen, die eine Gitterordnung dazwischen ausbilden, und zwar vorzugsweise so, dass der Unterschied in der Gitteranordnung zwischen den Schichten innerhalb von +0,3% liegt. Tabelle 1 zeigt die Kombinationen von Materialien, die diese Bedingung erfüllen. Hier kann auch eine dünne Halbleiterschicht auf einem vorgegebenen Substrat als das Halbleitersubstrat benutzt werden. Bei Verwendung eines solchen Substrats kann das Substrat auch als Trägermaterial für die Dünnschicht dienen. Wird z. B. ein GaN- oder AlN-Material als die Halbleiterschicht benutzt, wird vorzugsweise Saphir, SiC, Spinel oder dergleichen als Substrat benutzt.
Tabelle 1 – Kombinationen geeigneter Materialien
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Halbleiter-Fotokathode CT beschrieben.
2 zeigt einen Querschnitt der Halbleiter-Fotokathode CT entlang der Linie A-A' in 1. 2 zeigt auch eine Anode 90, die so angeordnet ist, dass sie der dritten Halbleiterschicht 40 gegenüberliegt. Wie gezeigt wird eine Spannung (z. B. 3,5 Volt) zwischen der ohmschen Elektrode 70 und der Oberflächenelektrode 80 angelegt, so dass die Oberflächenelektrode 80 ein Potenzial hat, das höher als das der ohmschen Elektrode 70 ist. Außerdem wird eine Spannung (z. B. 100 Volt) zwischen der ohmschen Elektrode 70 und der Anode 90 angelegt, so dass die Anode 90 ein Potenzial hat, das höher als das der ohmschen Elektrode 70 ist. Hier sind die Fotokathode CT und die Anode 90 in einer Umgebung mit einem Druck von 0,01333 MPa (10^–10 Torr) oder weniger angeordnet. Aus der Sicht der Elektronenemission sollte der Druck der Umgebung, in der die Fotokathode CT und die Anode 90 angeordnet sind, nicht höher als der atmosphärische Druck und vorzugsweise nicht höher als 1333 MPa (10^–5 Torr) sein.
Wenn unter solchen Umständen Licht oder elektromagnetische Wellen auf die Fotokathode CT auftreffen, wird als Reaktion auf das auf diese Schicht einfallende Licht bzw. die elektromagnetischen Wellen ein Elektron-Defektelektron-Paar in der ersten p-Typ-Halbleiterschicht 20 erzeugt. Hier wird das Elektron auf das niedrigste Energieniveau (erstes Energieniveau) des Gamma-Tals des Leitungsbands angeregt. Weil die Oberflächenelektrode 80 ein höheres Potenzial besitzt als die erste Halbleiterschicht 20, läuft das Elektron aufgrund einer Kraft, die in dem erzeugten elektrischen Feld wirkt, in Richtung der Kontaktschicht 50. Weil die zweite Halbleiterschicht 30 eine niedrigere Dotiermaterialkonzentration aufweist als die erste Halbleiterschicht 20, wird in der zweiten Halbleiterschicht 30 ein elektrisches Feld erzeugt, das stärker als das in der ersten Halbleiterschicht 20 ist. Durch dieses elektrische Feld erhält das laufende Elektron Energie und wird auf ein höheres Energieniveau (zweites Energieniveau) in einem oberen Satellitental (L- oder X-Tal) angeregt, das höher als das niedrigste Energieniveau des Gamma-Tals in dem Leitungsband oder in dem Gamma-Tal ist, und läuft weiter zur Kontaktschicht 50.
Weil der Halbleiterabschnitt 60 mit der dritten Dotiermaterialkonzentration in die zweite Halbleiterschicht 30 direkt unter der Kontaktschicht 50 eingebettet ist, ist die Bahn des laufenden Elektrons aufgrund der Potenzialschwelle gekrümmt, die durch die Existenz des Halbleiterabschnitts 60 erzeugt wird, wodurch das Elektron zu der Öffnung in der Kontaktschicht 50 läuft. Da die dritte Halbleiterschicht 40 innerhalb der Öffnung der Kontaktschicht 50 ausgebildet ist, wird das Elektron in die dritte Halbleiterschicht 40 geleitet. Weil die Austrittsarbeit der dritten Halbleiterschicht 40 geringer als die der zweiten Halbleiterschicht 30 ist, kann das Elektron ohne weiteres aus der dritten Halbleiterschicht 40 in das Vakuum emittiert werden. Das so emittierte Elektron wandert weiter zur Anode 90, wobei es eine Kraft erhält, die in Richtung der Anode 90 wirkt.
Im Folgenden wird das Laufverhalten der Elektronen in der Fotokathode CT anhand von Energiebanddiagrammen beschrieben.
3A zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der Fotokathode CT einschließlich der Linien A-A' und B-B' in 1. 3B und 3C sind Energiebanddiagramme, aufgenommen entlang der Linie A-A' bzw. B-B' in 3A, ohne dass eine Vorspannung an der Fotokathode CT anliegt.
Wie aus 3A bis 3C ersichtlich, ist, weil der Halbleiterabschnitt 60 einen breiteren Energiebandabstand als die zweite Halbleiterschicht 30 hat, das Energieniveau an der Unterkante eines Leitungsbands E_c des Halbleiterabschnitts 60 im Vergleich zu dem der zweiten p-Typ-Halbleiterschicht 30 in der positiven Richtung verschoben (das Potenzial ist in der negativen Richtung verschoben), wobei in der Fotokathode CT eine Potenzialschwelle (siehe 3C) entsteht, die das angeregte Elektron daran hindert, zur Kontaktschicht 50 zu wandern.
Im Folgenden wird das Verhalten der Elektronen bei Anliegen einer Vorspannung an der Fotokathode CT unter Bezugnahme auf 4A bis 4C beschrieben.
4A zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der Fotokathode CT einschließlich der Linien A-A' und B-B' in 1. 4B und 4C sind Energiebanddiagramme, aufgenommen entlang der Linie A-A' bzw. B-B' in 4A mit einer anliegenden Vorspannung an der Fotokathode CT. 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Potenzials bezogen auf die Elektronen in einer Ebene einschließlich der Linien A-A' und B-B' zur leichter verständlichen Erklärung des Verhaltens der in 4A bis 4C gezeigten Elektronen.
Wie aus 4C ersichtlich, wirkt der Halbleiterabschnitt 60 auch bei einer anliegenden Vorspannung an der Fotokathode CT als eine Potenzialschwelle, die die angeregten Elektronen E1 daran hindert, in Richtung der Kontaktschicht 50 zu wandern, weil der Halbleiterabschnitt 60 einen breiteren Energiebandabstand als die zweite Halbleiterschicht 30 hat. Aufgrund einer solchen Potenzialschwelle ändern die Elektronen E1, die durch die zweite Halbleiterschicht 30 laufen, ihre Bahnen, um den Halbleiterabschnitt 60 zu umgehen, und laufen weiter zu der dritten Halbleiterschicht 40.
Wird die Vorspannung an die Oberflächenelektrode 80 angelegt, so wird die Wanderrichtung der Elektronen E1 zur dritten Halbleiterschicht 40 gekrümmt, die in einem Bereich der zweiten Halbleiterschicht 30 ausgebildet ist, wo die Kontaktschicht 50 nicht ausgebildet ist. Insbesondere passiert das Elektron E1 eine Region R zwischen den benachbarten Halbleiterabschnitten 60, wodurch die Dichte der Elektronenströme durch den Querschnitt entlang der Linie A-A' zunimmt (siehe 5). Beim Passieren der Region R zwischen den Halbleiterabschnitten 60 wird das Elektron E1, das durch die zweite Halbleiterschicht 30 wandert, während es auf das niedrigste Energieniveau des Gamma-Tals des Leitungsbands E_c angeregt wird, durch das elektrische Feld beschleunigt, das in der zweiten Halbleiterschicht 30 erzeugt wird, und nimmt dabei Energie auf, wodurch es auf ein höheres Energieniveau (zweites Energieniveau) in einem oberen Satellitental (L- oder X-Tal) angeregt wird, das höher als das niedrigste Energieniveau des Gamma-Tals in dem Leitungsband oder in dem Gamma-Tal ist. Während einer Zeit, nachdem das Elektron die Region R zwischen den Halbleiterabschnitten 60 passiert hat, bis zum Eintritt in die dritte Halbleiterschicht 40 wirkt eine Kraft in einer divergierenden Richtung auf das Elektron ein. Ist die Strecke, die das Elektron in dieser Zeit zurücklegt, z. B. auf 0,5 bis 2,0 μm eingestellt und ist die Breite des Halbleiterabschnitts 60 so eingestellt, dass sie gleich der oder größer als die Breite der Kontaktschicht 50 ist, gelangen in der Praxis im Wesentlichen alle Elektronen E1, die in dem Halbleitersubstrat 10, der ersten Halbleiterschicht 20 und der zweiten Halbleiterschicht 30 erzeugt werden, in die dritte Halbleiterschicht 40, ohne von der Kontaktschicht 50 absorbiert zu werden. Weil die Austrittsarbeit der dritten Halbleiterschicht 40 geringer als die der zweiten Halbleiterschicht 30 ist, werden die Elektronen E1 effizient in das Vakuum emittiert, wie in 4B und 5 gezeigt.
6 ist eine perspektivische Ansicht in teilweiser Schnittdarstellung, die ein Halbleiter-Fotokathodengerät zeigt, bei dem die Halbleiter-Fotokathode CT aus 1 in einem abgedichteten Behältnis 100 angeordnet ist. Dieses Halbleiter-Fotokathodengerät umfasst die Halbleiter-Fotokathode und die Anode, die in dem abgedichteten Behältnis 100 angeordnet sind, dessen Inneres bei einem Druck (nicht höher als 1333 MPa (10^–5 Torr) oder vorzugsweise nicht höher als 0,01333 MPa (10^–10 Torr)) unter dem atmosphärischen Druck gehalten wird. Die Fotokathode CT weist einen ersten Verbindungsstift 1 und einen zweiten Verbindungsstift 2 auf, die elektrisch mit ihr verbunden sind, und die Anode 90 weist einen dritten Verbindungsstift 90a auf, der elektrisch mit ihr verbunden ist. Der erste Verbindungsstift 1, der zweite Verbindungsstift 2 und der dritte Verbindungsstift 90a durchstoßen das abgedichtete Behältnis 100. Hier ist ein Eintrittsfenster 110, durch das Licht oder elektromagnetische Wellen eintreten können, an der der Anode 90 gegenüberliegenden Seite der Fotokathode CT angeordnet. Das Eintrittsfenster 110 kann in das Behältnis 100 eingeklebt sein.
Das Halbleiter-Fotokathodengerät, das entsteht, wenn die Fotokathode CT und die Anode 90 in dem abgedichteten Behältnis 100 angeordnet werden, wird in einem Zustand benutzt, in dem zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsstift 1 und 2 und zwischen dem zweiten und dritten Verbindungsstift 2 und 90a eine Spannung anliegt, so dass das Potenzial des ersten Verbindungsstifts 1 höher als das des zweiten Verbindungsstifts 2 und das des dritten Verbindungsstifts 90a höher als das des ersten Verbindungsstifts 1 ist. Wie an der in 1 gezeigten Fotokathode CT zu sehen ist, sind die Oberflächenelektrode 80 und die ohmsche Elektrode 70 mit Hilfe von Metallen wie Gold oder dergleichen mit dem ersten und zweiten Verbindungsstift 1 bzw. 2 verbunden, während die Anode 90 mit dem damit verbundenen dritten Verbindungsstift 90a versehen ist.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der in 1 gezeigten Fotokathode CT beschrieben.
7A bis 7G sind Querschnittsansichten zur schrittweisen Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der in 1 gezeigten Halbleiter-Fotokathode CT anhand des Querschnittsaufbaus der Halbleiter-Fotokathode CT.
Als Erstes wird das Halbleitersubstrat 10 hergestellt. Danach werden nacheinander die erste Halbleiterschicht 20, ein zweiter Halbleiter 30a, eine Halbleiterschicht 60a und eine Lack- oder Resist-Schicht 200a auf dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet (siehe 7A). Zur Bildung der einzelnen Halbleiterschichten können Epitaxiewachstumsverfahren wie z. B. MBE (Molekularstrahlepitaxie) und MOCVD (metallorganische Abscheidungsverfahren) benutzt werden.
Danach wird die Resist-Schicht 200a von ihrer Oberfläche zur Halbleiterschicht 60a weggeätzt, um einen netzförmigen Resist 200 zu erhalten (siehe 7B). Anschließend wird unter Verwendung von Resist 200 als eine Maske die Halbleiterschicht 60a geätzt. Später wird das Resist 200 entfernt, wodurch der netzförmige Halbleiterabschnitt 60 ent steht (siehe 7C). Danach wird das Material, aus dem der zweite Halbleiter 30a besteht, auf dem zweiten Halbleiter 30a und dem Halbleiterabschnitt 60 abgelagert, um deren Oberflächen zu bedecken, wodurch die zweite Halbleiterschicht 30 entsteht (siehe 7D). Weiter werden eine Kontaktschicht 50a, eine Oberflächenelektrodenschicht 80a und eine Resist-Schicht 300a auf der zweiten Halbleiterschicht 30 ausgebildet, um einen Aufbau wie in 1 zu erhalten (siehe 7E). Die Resist-Schicht 300a wird von ihrer Oberfläche zur Oberflächenelektrodenschicht 80a weggeätzt, um einen netzförmigen Resist zu erhalten, der der Position der Halbleiterschicht 60 entspricht. Unter Verwendung des geätzten Resists als eine Maske werden die Oberflächenelektrodenschicht 80a und die Kontaktschicht 50a geätzt, um die netzförmige Kontaktschicht 50 und die Oberflächenelektrode 80 zu erhalten (siehe 7F). Nachdem die so entstandene Einheit in einer Umgebung mit einem Druck, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, erwärmt worden ist, um die zweite Halbleiterschicht 30 zu reinigen, wird die dritte Halbleiterschicht 40 aufgebracht, um die Kontaktschicht 50, die Oberflächenelektrode 80 und die zweite Halbleiterschicht 30 zu bedecken, wodurch die in 1 gezeigte Fotokathode erhalten wird (siehe 7G).
Bei dieser Ausführungsform werden InP, InGaAs bzw. InP für das Halbleitersubstrat 10, die erste Halbleiterschicht 20 und die zweite Halbleiterschicht 30 verwendet, während Resist-Schichten mit einer Stärke von jeweils 200 nm benutzt werden.
Die Dotiermaterialkonzentration (Trägerkonzentration) der ersten Halbleiterschicht 20 ist p⁺ (1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹/cm³), und die geeignete Dicke der ersten Halbleiterschicht 20 beträgt 1,5 bis 2,5 μm. Die Dotiermaterialkonzentration (Trägerkonzentration) der zweiten Halbleiterschicht 30 ist p^– (1 × 10¹⁷/cm³ oder weniger), und die geeignete Dicke der zweiten Halbleiterschicht 30 beträgt 1,0 bis 10 μm. Die Dotiermaterialkonzentration (Trägerkonzentration) des Halbleiterabschnitts 60 ist p^– (1 × 10¹⁷ bis 1 × 10¹⁴/cm³), und die geeignete Dicke des Halbleiterabschnitts 60 beträgt 0,5 bis 2,0 μm. Die Kontaktschicht 50 hat eine Konzentration von n⁺ (1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹/cm³). Vorzugsweise besitzt die Kontaktschicht 50 eine Dicke von einem bis mehreren Mikrometern. Die Oberflächenelektrode 80 kann mit einem Vakuumaufdampfverfahren unter Verwendung eines Metalls wie Aluminium (Al) auf der Kontaktschicht 50 aufgebracht werden. Bei diesem Verfahren besteht die dritte Halbleiterschicht 40 aus Cs₂O, das entsteht, wenn Cs (Cäsium) und O (Sauerstoff abwechselnd angelagert bzw. abwechselnd Gase eingeleitet werden, die das jeweilige Material enthalten.
Wie in 8 gezeigt, kann die erste p-Typ-Halbleiterschicht 20 der Fotokathode CT1 anstelle der in 1 gezeigten Fotokathode CT nahe der Grenzfläche zwischen der ersten p-Typ-Halbleiterschicht 20 und dem Halbleitersubstrat 10 eine zweite abgestufte Schicht 20b mit einem Energiebandabstand aufweisen, dessen Breite zwischen der Breite des Energiebandabstands einer ersten Region 20a in der ersten Halbleiterschicht 20 auf der Seite der zweiten p-Typ-Halbleiterschicht 30 und der Breite des Energiebandabstands des Halbleitersubstrats 10 liegt. In diesem Fall kann bei der Halbleiter-Fotokathode CT1 die Kristallgitteranordnung an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der ersten p-Typ-Halbleiterschicht 20 vorteilhaft gehalten werden, um den Leckstrom und den Rekombinationsstrom zu verringern, während das Fotoelektron von der Potenzialschwelle abgelenkt wird, um effizient in die zweite Halbleiterschicht 30 eingeleitet zu werden.
Auch die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30 kann nahe der Grenzfläche zwischen der zweiten p-Typ-Halbleiterschicht 30 und der ersten p-Typ-Halbleiterschicht 20 eine erste abgestufte Schicht 30b mit einem Energiebandabstand aufweisen, dessen Breite zwischen der Breite des Energiebandabstands einer zweiten Region 30a in der zweiten p-Typ-Halbleiterschicht 30 auf der Seite der dritten Halbleiterschicht 40 und der Breite des Energiebandabstands der ersten Halbleiterschicht 20 liegt. In diesem Fall kann die Kristallgitteranordnung an den Grenzfläche zwischen der zweiten p-Typ-Halbleiterschicht 30 und der ersten p-Typ-Halbleiterschicht 20 vorteilhaft gehalten werden, um den Leckstrom und den Rekombinationsstrom zu verringern. Insbesondere weist die zweite abgestufte Schicht 20b eine Gitterkonstante zwischen der Gitterkonstante der ersten Region 20a und der Gitterkonstante des Halbleitersubstrats 10 auf, während die erste abgestufte Schicht 30b eine Gitterkonstante zwischen der Gitterkonstante der zweiten Region 30a und der Gitterkonstante der ersten Region 20a aufweist.
Obwohl die ohmsche Elektrode 70 bei der in 1 gezeigten Halbleiter-Fotokathode CT auf der ersten Halbleiterschicht 20 angebracht ist, kann sie auch auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 10 angeordnet werden, wie bei der in 9 gezeigten Fotokathode CT2. Soll das Halbleitersubstrat 10 mit der ohmschen Elektrode 70 versehen werden, kann die Installation der ohmschen Elektrode 70 einfacher sein als bei der in 1 gezeigten Fotokathode CT. Bei der in 9 gezeigten Fotokathode CT2 kann sowohl die zweite abgestufte Schicht 20b als auch die erste abgestufte Schicht 30b vorgesehen werden, genau wie bei der in 8 gezeigten Fotokathode CT1.
Die vorstehenden Fotokathoden (CT, CT1 und CT2), die anhand von 1, 8 und 9 beschrieben wurden, können in dem in 6 gezeigten abgedichteten Behältnis 100 angeordnet werden.
Zweite Ausführungsform
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Halbleiter-Fotokathode unter Bezugnahme auf 10 und 11 beschrieben. Hierbei sind die Materialien, aus denen die jeweiligen Halbleiterschichten bestehen, und deren Dotiermaterialkonzentrationen dieselben wie bei der anhand von 1 und 2 beschriebenen Halbleiter-Fotokathode CT.
Die in 10 gezeigte Halbleiter-Fotokathode CT3 unterscheidet sich von der Fotokathode CT in 1 im Hinblick auf die Position des Halbleiterabschnitts 60 in der zweiten Halbleiterschicht 30. Die Halbleiter-Fotokathode CT3 wird erhalten, indem nacheinander die erste p-Typ-Halbleiterschicht 20, die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30 und die dritte Halbleiterschicht 40 auf dem Halbleitersubstrat 10 abgelagert werden, während der gitterförmige Halbleiterabschnitt 60 in die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30 eingebettet wird. Die Kontaktschicht 50 wird auf der Oberfläche des so eingebetteten Halbleiterabschnitts 60 aufgebracht, wo die dritte Halbleiterschicht 40 nicht ausgebildet ist, während die Oberflächenelektrode 80 auf und in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 50 angeordnet ist. Außerdem ist die erste Halbleiterschicht 20 mit der ohmschen Elektrode 70 versehen. Diese Elektroden 80 und 70 sind mit Hilfe der Metalle 50a bzw. 70a, z. B. Gold, mit getrennten, nicht gezeigten Verbindungsstiften verbunden. Die Anode 90 ist so angeordnet, dass sie der dritten Halbleiterschicht 40 gegenüberliegt, und ist mit einem weiteren nicht gezeigten Verbindungsstift verbunden. Wie bei der Halbleiter-Fotokathode CT in 1 sind die so aufgebaute Halbleiter-Fotokathode CT3 und die Anode 90 in einem abgedichteten Behältnis 100 wie z. B. in 6 angeordnet.
11A bis 11H sind Querschnittsansichten zur schrittweisen Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der in 10 gezeigten Halbleiter-Fotokathode CT3 anhand des Querschnittsaufbaus derselben. Als Erstes wird das Halbleitersubstrat 10 hergestellt. Danach werden nacheinander die erste Halbleiterschicht 20, der zweite Halbleiter 30a, die Halbleiterschicht 60a und die Resist-Schicht 200a auf dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet (siehe 11A). Zur Bildung der einzelnen Halbleiterschichten können Epitaxiewachstumsverfahren wie z. B. MBE (Molekularstrahlepitaxie) benutzt werden. Danach wird die Resist- Schicht 200a von ihrer Oberfläche zur Halbleiterschicht 60a weggeätzt, um den netzförmigen Resist 200 zu erhalten (siehe 11B). Anschließend wird unter Verwendung des Resists 200 als eine Maske die Halbleiterschicht 60a geätzt, um den netzförmigen Halbleiterabschnitt 60 zu erhalten (siehe 11C). Sodann wird das Material, aus dem der zweite Halbleiter 30a besteht, auf dem zweiten Halbleiter 30a und dem Halbleiterabschnitt 60 abgelagert, um deren Oberflächen zu bedecken, wodurch die zweite Halbleiterschicht 30 entsteht (siehe 11D). Anschließend wird die zweite Halbleiterschicht 30 abgeschliffen, bis der Halbleiterabschnitt 60 auf ihrer Oberfläche freiliegt (siehe 11E). Weiter werden nacheinander die Kontaktschicht 50a, die Oberflächenelektrodenschicht 80a und die Resist-Schicht 300a auf der zweiten Halbleiterschicht 30 und der Halbleiterschicht 60 ausgebildet (siehe 11F). Danach wird die Resist-Schicht 300a von ihrer Oberfläche zur Oberflächenelektrode 80a weggeätzt, um ein Resist-Muster zu erhalten, das der Halbleiterschicht 60 entspricht. Unter Verwendung des so geätzten Resist-Musters als eine Maske werden die Oberflächenelektrodenschicht 80a und die Kontaktschicht 50a nacheinander geätzt, um die netzförmige Kontaktschicht 50 und die Oberflächenelektrode 80 zu erhalten (siehe 11G). Nachdem die so entstandene Einheit in einer Umgebung mit einem Druck, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, erwärmt worden ist, um die zweite Halbleiterschicht 30 zu reinigen, wird die dritte Halbleiterschicht 40 aufgebracht, um die Kontaktschicht 50, die Oberflächenelektrode 80 und die zweite Halbleiterschicht 30 zu bedecken, wodurch die in 10 gezeigte Fotokathode CT3 erhalten wird (siehe 11H).
Dritte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform der Halbleiter-Fotokathode unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Hierbei sind die Materialien, aus denen die jeweiligen Halbleiterschichten bestehen, und deren Dotiermaterialkonzentrationen dieselben wie bei der anhand von 1 beschriebenen Halbleiter-Fotokathode CT.
12 zeigt einen Querschnitt einer Halbleiter-Fotokathode CT4 nach dieser Ausführungsform entlang ihrer Dickenrichtung. Die Halbleiter-Fotokathode CT4 ist so aufgebaut, dass der Halbleiterabschnitt 60, der in der zweiten Halbleiterschicht 30 in der in 1 gezeigten Halbleiter-Fotokathode CT angeordnet ist, nur mit einer Oberfläche in Kontakt mit der zweiten Halbleiterschicht 30 ist. Die Halbleiter-Fotokathode CT4 wird erhalten, indem nacheinander die erste p-Typ-Halbleiterschicht 20, die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 30, die dritte Halbleiterschicht 40, der gitterförmige Halbleiterabschnitt 60, die Kontaktschicht 50 und die Oberflächenelektrode 80 auf dem Halbleitersubstrat 10 abgelagert werden. Die dritte Halbleiterschicht 40 wird so ausgebildet, dass sie die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 30, den Halbleiterabschnitt 60, die Kontaktschicht 50 und die Oberflächenelektrode 80 abdeckt. Außerdem wird die erste Halbleiterschicht 20 mit der ohmschen Elektrode 70 versehen. Diese Elektroden 80 und 70 sind mit Hilfe der Metalle 50a bzw. 70a, z. B. Gold, mit getrennten, nicht gezeigten Verbindungsstiften verbunden. Die Anode 90 ist so angeordnet, dass sie der dritten Halbleiterschicht 40 gegenüberliegt, und ist mit einem weiteren nicht gezeigten Verbindungsstift verbunden. Wie bei der Halbleiter-Fotokathode CT in 1 sind die so aufgebaute Halbleiter-Fotokathode CT4 und die Anode 90 in einem abgedichteten Behältnis 100 wie z. B. in 6 angeordnet.
Bei der Halbleiter-Fotokathode nach dieser Ausführungsform kann der Halbleiterabschnitt 60 wegen ihres Ausbaus ohne Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 30 ausgebildet werden. Daher kann sie nicht nur leichter hergestellt werden als die in 1 bis 11 gezeigte Halbleiter-Fotokathode, sondern gleichzeitig kann auch eine durch das Ätzen bedingte Beeinträchtigung der Kristallgitteranordnung der zweiten Halbleiterschicht verhindert werden.
Vierte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine vierte Ausführungsform der Halbleiter-Fotokathode beschrieben. 13A bis 13C zeigen eine Draufsicht der Halbleiter-Fotokathode nach dieser Ausführungsform, einen Querschnitt derselben entlang der Linie A-A' in 13A bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie B-B' in 13B.
Diese Halbleiter-Fotokathode besteht aus einem Halbleitersubstrat 310, einer ersten Halbleiterschicht 320 ausgebildet auf dem Halbleitersubstrat 310, einer zweiten Halbleiterschicht 330 ausgebildet auf der ersten Halbleiterschicht 320, einer dritten Halbleiterschicht (Aktivierungsschicht) 340 ausgebildet auf der zweiten Halbleiterschicht 330, einem Halbleiterabschnitt 360 eingebettet in die zweite Halbleiterschicht 330, einer Kontaktschicht 350 ausgebildet auf der zweiten Halbleiterschicht 330 sowie einer Oberflächenelektrode 380 angeordnet auf und in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 350.
Im Einzelnen ist auf dem Halbleitersubstrat 310 die erste p-Typ-Halbleiterschicht 320 (lichtabsorbierende Schicht) ausgebildet, die als Reaktion auf einfallendes Licht oder elek tromagnetische Wellen ein Elektron erzeugt. Die erste Halbleiterschicht 320 hat eine erste Dotiermaterialkonzentration. Auf der ersten Halbleiterschicht 320 ist die zweite p-Typ-Halbleiterschicht 330 (Elektronentransferschicht) mit einer zweiten Dotiermaterialkonzentration ausgebildet, die niedriger als die erste Dotiermaterialkonzentration ist. Die kammförmige Kontaktschicht 350 und die Oberflächenelektrode 380 sind so ausgebildet, dass sie die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 330 bedecken. Insbesondere umfasst die Kontaktschicht 350 streifenförmige Halbleiterteile. Die Kontaktschicht 350 bildet einen pn-Übergang mit der zweiten Halbleiterschicht 330. Die dritte Halbleiterschicht 340 (Aktivierungsschicht) ist dort auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 330 angeordnet, wo die Kontaktschicht 350 nicht ausgebildet ist. Die dritte Halbleiterschicht 340 hat eine geringere Austrittsarbeit als die zweite Halbleiterschicht 330. Eingebettet in die zweite Halbleiterschicht 330 ist der Halbleiterabschnitt 360 (Kanalgitter) mit einer dritten Dotiermaterialkonzentration, die in etwa so hoch wie oder niedriger als die zweite Dotiermaterialkonzentration ist. Der Halbleiterabschnitt 360 ist direkt unter der Kontaktschicht 350 und der Oberflächenelektrode 380 angeordnet.
Weil der Halbleiterabschnitt 360 bei dieser Ausführungsform eine Streifenform aufweist, läuft das in der Halbleiter-Fotokathode als Reaktion auf einfallendes Licht erzeugte Elektron von der ersten Halbleiterschicht 320 aufgrund des elektrischen Felds in der Halbleiter-Fotokathode in Richtung der Aktivierungsschicht 340. Da der kammförmige Halbleiterabschnitt 360 in die zweite Halbleiterschicht 330 eingebettet ist, wird das Elektron wirksam in Richtung einer Lücke zwischen den Streifen 350 geleitet. Aufgrund der Anordnung der Aktivierungsschicht 340 zwischen den Streifen 350 wird das Elektron mit hoher Homogenität von der Oberfläche der dritten Halbleiterschicht 340 emittiert. Hier ist das Halbleitersubstrat 310 mit einer ohmschen Elektrode 370 versehen, um eine Vorspannung anlegen zu können.
Fünfte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 14 ist eine perspektivische Ansicht in teilweiser Schnittdarstellung, die das Halbleiter-Fotokathodengerät nach dieser Ausführungsform zeigt. Um den Aufbau dieser Halbleiter-Fotokathode zu erläutern, ist in 14 der Schichtenaufbau der Kontaktschicht 50 und der Oberflächenelektrode 80 nur im Bereich des Querschnitts durch die Halbleiter- Fotokathode gezeigt. Bei dieser Halbleiter-Fotokathode ist die in 1 gezeigte Kontaktschicht 50 in die Kontaktschichten 50a, 50b, ... unterteilt, während die in 1 gezeigte Oberflächenelektrode 80 in die Oberflächenelektroden 80a, 80b, ... unterteilt ist. Weil die Kontaktschicht 50a und die Oberflächenelektrode 80a gegenüber der Kontaktschicht 50b und der Oberflächenelektrode 80b elektrisch isoliert sind, kann ein Potenzial an die Oberflächenelektrode 80a unabhängig von dem Potenzial der Oberflächenelektrode 80b angelegt werden. Hierbei sind die Materialien, aus denen die übrigen Komponenten (10, 20, 30, 40, 60 und 70) bestehen, und deren Dotiermaterialkonzentrationen dieselben wie in 1.
Sechste Ausführungsform
Im Folgenden wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 15 ist eine perspektivische Ansicht in teilweiser Schnittdarstellung, die das Halbleiter-Fotokathodengerät nach dieser Ausführungsform zeigt. Um den Aufbau dieser Halbleiter-Fotokathode zu erläutern, ist in 15 der Schichtenaufbau der Kontaktschicht 50 und der Oberflächenelektrode 80 nur im Bereich des Querschnitts durch die Halbleiter-Fotokathode gezeigt. 16A und 16B zeigen eine Draufsicht der in 15 gezeigten Halbleiter-Fotokathode bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie A-A' in 16A. Um den Aufbau dieser Halbleiter-Fotokathode auf einfache Weise zu beschreiben, ist in 16A die in 16B gezeigte Aktivierungsschicht 40 nicht gezeigt. Bei dieser Halbleiter-Fotokathode sind die Ableitelektroden 80a' und 80b' mit den Oberflächenelektroden 80a bzw. 80b in 14 verbunden. Der Endbereich der Ableitelektrode 80a' bildet einen Anschlusspunkt zum Anlegen eines Potenzials an die Oberflächenelektrode 80a, während der Endbereich der Ableitelektrode 80b' einen Anschlusspunkt zum Anlegen eines Potenzials an die Oberflächenelektrode 50b bildet. Weil die Ableitelektroden zwischen der Reihe der Oberflächenelektroden 80a und 80b und der Reihe der Oberflächenelektroden 80c und 80d angeordnet sind, behindern die Ableitelektroden 80a' oder 80b' den Durchtritt des von der Aktivierungsschicht 40 emittierten Elektrons nicht. Hierbei sind die Materialien, aus denen die übrigen Komponenten (10, 20, 30, 40, 60 und 70) bestehen, und deren Dotiermaterialkonzentrationen dieselben wie in 14.
Siebte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 17A und 17B zeigen eine Draufsicht der Halbleiter-Fotokathode nach dieser Ausführungsform bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie B-B' in 17A. Um den Aufbau dieser Halbleiter-Fotokathode auf einfache Weise zu beschreiben, ist in 17A die in 17B gezeigte Aktivierungsschicht 40 nicht gezeigt.
Bei dieser Halbleiter-Fotokathode sind die Position des Halbleiterabschnitts 60, die Positionen der Kontaktschichten 50a und 50b und die Positionen der Oberflächenelektroden 80a und 80b in der in 15, 16A und 16B gezeigten Halbleiter-Fotokathode verändert. Der Halbleiterabschnitt 60 ist in die zweite Halbleiterschicht 30 eingebettet. Die Kontaktschichten 50a bis 50d sind direkt auf dem Halbleiterabschnitt 60 ausgebildet. Die Aktivierungsschicht 40 ist auf der zweiten Halbleiterschicht 30 in den Öffnungen jeder der Kontaktschichten 50a bis 50d ausgebildet. Während die Elektronen unabhängig voneinander von den jeweiligen Kontaktschichten 50a bis 50d emittiert werden können, besitzt die so aufgebaute Halbleiter-Fotokathode den Vorteil, dass sie wie anhand von 10 erläutert mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann. Hierbei sind die Materialien, aus denen die übrigen Komponenten (10, 20, 30, 40, 50a, 50b, 60, 70, 80a und 80b) bestehen, und deren Dotiermaterialkonzentrationen dieselben wie in 1.
Achte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 18A und 18B zeigen eine Draufsicht der Halbleiter-Fotokathode nach dieser Ausführungsform bzw. einen Querschnitt derselben entlang der Linie C-C' in 18A. Um den Aufbau dieser Halbleiter-Fotokathode auf einfache Weise zu beschreiben, ist in 18A die in 18B gezeigte Aktivierungsschicht 40 nicht gezeigt.
Bei dieser Halbleiter-Fotokathode sind die Position des Halbleiterabschnitts 60, die Positionen der Kontaktschichten 50a und 50b und die Positionen der Oberflächenelektroden 80a und 80b in der in 15, 16A und 16B gezeigten Halbleiter-Fotokathode verändert. Der Halbleiterabschnitt 60 ist in die zweite Halbleiterschicht 30 eingebettet. Die Kontaktschichten 50a bis 50d sind direkt auf dem Halbleiterabschnitt 60 ausgebildet. Die Aktivierungsschicht 40 ist auf der zweiten Halbleiterschicht 30 in den Öffnungen jeder der Kontaktschichten 50a bis 50d ausgebildet. Während die Elektronen unabhängig voneinander von den jeweiligen Pixeln 50a bis 50d emittiert werden können, wenn Potenziale an die entsprechenden Oberflächenelektroden 80a bis 80d angelegt werden, besitzt die so aufgebaute Halbleiter-Fotokathode den Vorteil, dass sie wie anhand von 12 erläutert mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann. Hierbei sind die Materialien, aus denen die übrigen Komponenten (10, 20, 30, 40, 50a, 50b, 60, 70, 80a und 80b) bestehen, und deren Dotiermaterialkonzentrationen dieselben wie in 1.
Im Folgenden wird die Steuerung der Elektronenemission in der in 15, 16A und 16B gezeigten Halbleiter-Fotokathode beschrieben. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf einen „Ladungsmodus", in dem ein Elektron in die Halbleiter-Fotokathode geladen wird, wenn Licht darauf fällt, einen „Emissionsmodus", in dem dieses Elektron emittiert wird, und einen „Absorptionsmodus", in dem das in die Halbleiter-Fotokathode geladene Elektron in einen Leiter absorbiert wird, der an der Halbleiter-Fotokathode angebracht ist, wenn eine externe Spannung an den Halbleiterabschnitt angelegt wird.
Ladungsmodus
19A zeigt einen Querschnitt eines Halbleiter-Fotokathodengeräts, bei dem die Anode 90 mit der in 15, 16A und 16B gezeigten Halbleiter-Fotokathode verbunden ist. In dieser Abbildung ist die Elektrode 70 an dem Halbleitersubstrat 10 angebracht, wobei die Bezugszeichen 501, 901 und 902 ohmsche Elektroden bezeichnen. Wird eine Spannungsversorgung V₁ zwischen der Elektrode 70 und der Anode 90 angelegt, ist das Potenzial der Anode 90 um V₁ (Volt) höher als das der Elektrode 70. Wird eine Spannungsversorgung V₂ zwischen der Elektrode 70 und jeder der Oberflächenelektroden 80c und 80d angelegt, ist das Potenzial jeder der Oberflächenelektroden 80c und 80d um V₂ (Volt) höher als das der Elektrode 70. Das Potenzial V₂ ist niedriger als das Potenzial V₁, und die Spannungsquelle V₂ ist variabel. Hier wird angenommen, dass die Oberflächenelektroden 80c und 80d miteinander verbunden sind und ein Massepotenzial an ihnen anliegt.
19B ist ein Energiebanddiagramm der Halbleiter-Fotokathode, aufgenommen entlang der Linie X-X' in 19A (V₂ = 0 bis 1 Volt). Ein Elektron e, das in der ersten Halbleiterschicht 20 erzeugt wird, wenn Licht hν darauf fällt, wird aufgrund der Kraft in dem elektrischen Feld in der ersten Halbleiterschicht 20 oder durch Diffusion in die zweite Halbleiterschicht 30 geleitet. Die Fläche über (in der Zeichnung) der Kettenleitung in 19A ist eine Verarmungszone, die aufgrund des Konzentrationsunterschieds zwischen dem Halbleiterabschnitt 60 und der zweiten Halbleiterschicht 30 entsteht. Folglich wird der Durchtritt eines Elektrons von der ersten Halbleiterschicht 20 zu der Aktivierungsschicht 40 durch diese Verarmungszone unterbrochen (Abschnürzustand).
19C ist ein Energiebanddiagramm der Halbleiter-Fotokathode, aufgenommen entlang der Linie Y-Y' in 19A (V₂ = 0 bis 1 Volt). Wie 19B und 19C gezeigt, wird das in der ersten Halbleiterschicht 20 erzeugte Elektron in die zweite Halbleiterschicht 30 geladen.
Emissionsmodus
19D ist ein Energiebanddiagramm der Halbleiter-Fotokathode, aufgenommen entlang der Linie X-X' in 19A (V₂ = 2 bis mehrere zig Volt). Somit wird bei Anlegen einer Spannung von 2 bis mehreren zig Volt zwischen der Oberflächenelektrode 80c und der Elektrode 70 das in die zweite Halbleiterschicht 30 geladene Elektron e von der Halbleiter-Fotokathode emittiert.
20 zeigt einen Querschnitt eines Halbleiter-Fotokathodengeräts mit der in 15, 16A und 16B gezeigten Halbleiter-Fotokathode. Eingepasst in die Innenwand eines zylindrischen Außengehäuses CA1 aus einem Lichtschutzmaterial ist ein abgedichtetes Behältnis (Innengehäuse) CA2 aus einem transparenten Material. Eine Linse L1 ist in dem Außengehäuse CA1 nahe seiner Öffnung befestigt. Das von außen in dieses Halbleiter-Fotokathodengerät einfallende Licht wird von der Linse L1 konvergent gebündelt, um auf einer Halbleiter-Fotokathode CT5, die in dem abgedichteten Behältnis CA2 angeordnet ist, ein Bild zu erzeugen. Die Spannungsquelle V₂ ist zwischen der Elektrode 70 und der Ableitelektrode 80c der Halbleiter-Fotokathode CT5 angeschlossen. Ebenfalls in dem abgedichteten Behältnis CA2 befindet sich ein zweidimensionaler Bildsensor IM zur Erfassung des darauf auftreffenden Elektrons. Der zweidimensionale Bildsensor IM ist eine Vorrichtung zum Ausfiltern des von der Oberfläche erhaltenen Elektrons mittels einer Ableitung RE4. Der zweidimensionale Bildsensor IM umfasst eine Schicht IM2, die für das auftreffende Elektron empfindlich ist, und einen Kontakt IM1 auf der Rückseite der Schicht IM2, wobei eine Ableitung RE2 mit dem Kontakt IM1 auf der Rückseite verbunden ist. Weil die Spannungsquelle V₁ zwischen der Ableitung RE2 und einer mit der Elektrode 70 verbundenen Ableitung RE1 angeschlossen ist, läuft das von der Halbleiter-Fotokathode CT5 emittierte Elektron weiter in Richtung der Anode IM. Hierbei ist der Druck in dem abgedichteten Behältnis, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, insbesondere nicht höher als 1333 MPa (10^–5 Torr) oder vorzugsweise nicht höher als 0,01333 MPa (10^–10 Torr). Somit kann das Licht, das von links in der Zeichnung in das Halbleiter-Fotokathodengerät (Schwachlicht- Detektorröhre) gelangt, als ein elektrisches Signal erfasst werden. Hierbei kann eine Mikrokanalplatte (MCP) zwischen der Kathode CT5 und der Anode IM angeordnet sein.
Wie bereits erläutert, kann die Halbleiter-Fotokathode nach der vorliegenden Erfindung in Messgeräten zur Erfassung von Licht angewendet werden. Obwohl vorstehend eine Bildröhre mit der Halbleiter-Fotokathode beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung auch für Elektronenvervielfacher und Streak-Kameras anwendbar. So kann in dem Gerät mit der Halbleiter-Fotokathode z. B. eine Mikrokanalplatte, eine Dynode oder ein Sekundärelektronen-Vervielfacherteil zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen werden, und eine Ablenkelektrode zum Ablenken der Bahn des Elektrons kann zwischen der Anode und der Kathode angeordnet werden. Darüber hinaus kann ein fluoreszierendes Element mit einem fluoreszierenden Lack versehen werden oder eine fluoreszierende Platte mit einem fluoreszierenden Material darin kann als die Anode benutzt werden.
Weil bei der vorliegenden Erfindung wie vorstehend erläutert der Halbleiterabschnitt in oder auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, läuft das Elektron in Richtung der Öffnung der Kontaktschicht und der Oberflächenelektrode. Weil die dritte Halbleiterschicht in der Öffnung ausgebildet ist, wird das Elektron in diese dritte Halbleiterschicht eingeleitet. Dadurch nimmt, wenn das Elektron aus der dritten Halbleiterschicht unter Umgehung der Kontaktschicht in das Vakuum emittiert wird, das Verhältnis ab, mit dem das Elektron von der Kontaktschicht absorbiert wird. Dementsprechend nimmt mit Blick auf die einfallende Lichtenergie die Menge der von der Anode erfassten Elektronen zu, wodurch das Halbleiter-Fotokathodengerät mit einem solchen Halbleiter eine hohe Messempfindlichkeit aufrechterhalten kann. Durch das Vorsehen des Halbleiterabschnitts wird darüber hinaus eine strukturelle Pixeltrennung bei einem offenen Flächenverhältnis von 100% unnötig, und eine Signalmodulation ist möglich.
Es besteht Einigkeit darüber, dass die Ausführungsformen der Erfindung hier nur beispielhaft beschrieben sind und dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Weitere Einzelheiten zu Aspekten der Erfindung sind der japanischen Patentanmeldung 133789/1996 zu entnehmen.
Übersetzung der Zeichnungsbeschriftung
1

LIGHT OR MICROWAVE = Licht oder Mikrowellen

3B

VACUUM LEVEL = Vakuumpegel
A-A' LINE = Linie A-A'

3C

VACUUM LEVEL = Vakuumpegel
B-B' LINE = Linie B-B'

4B

VACUUM LEVEL = Vakuumpegel
A-A' LINE (BIAS IS BEING APPLIED) = Linie A-A' (Vorspannung liegt an)

4C

VACUUM LEVEL = Vakuumpegel
B-B' LINE (BIAS IS BEING APPLIED) = Linie B-B' (Vorspannung liegt an)

5

ELECTRON FLOW = Elektronenfluss
CONDUCTION BAND LOWER LEVEL = Leitungsband unteres Niveau
VACUUM LEVEL = Vakuumpegel

9

LIGHT OR MICROWAVE = Licht oder Mikrowellen

14

LIGHT OR MICROWAVE = Licht oder Mikrowellen

19B

CHARGE = Ladung

19C

CHARGE = Ladung
VACUUM LEVEL = Vakuumpegel

19D

EMISSON = Emission
VACUUM LEVEL = Vakuumpegel

20

LIGHT = Licht

Claims

Halbleiterphotokathode mit: einem Substrat (10); einer ersten Halbleiterschicht (20) aus einem p-Typ-Material; einer auf der ersten Halbleiterschicht (20) ausgebildeten zweiten Halbleiterschicht (30) aus einem p-Typ-Material mit einer geringeren Dotiermaterialkonzentration als der der ersten Halbleiterschicht (20); einer dritten Halbleiterschicht (40), die auf der obersten Fläche der Photokathode ausgebildet ist, mit einer geringeren Austrittsarbeit als die zweite Halbleiterschicht (30); wobei die Photokathode dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Halbleiterabschnitt (60) aus einem p-Typ-Material innerhalb oder auf der Fläche der zweiten Halbleiterschicht (30) ausgebildet ist und einen breiteren Energiebandabstand als die zweite Halbleiterschicht (30) aufweist; eine Kontaktschicht (50) auf der Fläche der zweiten Halbleiterschicht (30) oder dem Halbleiterabschnitt (60) ausgebildet ist, um eine p-n-Verbindung mit dem darunter liegenden Material auszubilden, wobei die Kontaktschicht (50) eine Öffnung aufweist, so dass Elektronen bei Betrieb durch die Öffnung gelangen, wobei der Halbleiterabschnitt (60) in Aufsicht unterhalb entsprechender Teile der Kontaktschicht angeordnet ist, so dass die Elektronen bei Betrieb in Richtung der Öffnung geleitet werden; und eine Oberflächenelektrode (80) auf und in ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht (50) angeordnet ist.
Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterabschnitt einen ringförmigen Teil aufweist, mit dem ein Bereich eingeschlossen ist, der kleiner ist als der Bereich innerhalb der Öffnung der Kontaktschicht.
Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterabschnitt eine Netzform aufweist.
Halbleiterphotokathode nach Anspruch 3, wobei die zweite Halbleiterschicht eine erste abgestufte Schicht in der Nähe ihrer Schnittstelle mit der ersten Halbleiterschicht auf weist, wobei die erste abgestufte Schicht einen Energiebandabstand aufweist, dessen Breite zwischen der Breite des Energiebandabstands eines Bereichs der zweiten Halbleiterschicht auf der Seite der dritten Halbleiterschicht und der Breite des Energiebandabstands der ersten Halbleiterschicht liegt.
Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterabschnitt einen in Streifenform angeordneten Halbleiteranteil beinhaltet.
Halbleiterphotokathodengerät mit: einem abgedichteten Behältnis dessen Inneres unter einem niedrigeren Druck als dem Atmosphärendruck gehalten ist, wobei das Behältnis eine Anode umfasst; einem Halbleitersubstrat mit einer auf dessen Fläche ausbildeten Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1; einem ersten Verbindungsstift, der elektrisch mit der Oberflächenelektrode verbunden ist und das Behältnis durchstößt; einem zweiten Verbindungsstift, der elektrisch mit dem Halbleitersubstrat oder der ersten Halbleiterschicht verbunden ist und das Behältnis durchstößt; und wobei die Anode einen dritten Verbindungsstift aufweist, der elektrisch mit der Anode verbunden ist und das abgedichtete Behältnis durchstößt.
Halbleiterphotokathodengerät nach Anspruch 6, wobei die erste Halbleiterschicht eine zweite abgestufte Schicht in der Nähe ihrer Schnittstelle mit dem Halbleitersubstrat aufweist, wobei die zweite abgestufte Schicht einen Energiebandabstand aufweist, dessen Breite zwischen der Breite des Energiebandabstands eines Bereiches der ersten Halbleiterschicht auf der Seite der zweiten Halbleiterschicht und der Breite eines Energiebandabstandes des Halbleitersubstrats liegt.
Halbleiterphotokathodengerät nach Anspruch 6, mit weiterhin einem Elektronen-Multiplier, der zwischen der Halbleiterphotokathode und der Anode angeordnet ist.
Halbleiterphotokathodengerät nach Anspruch 6, wobei die Anode ein Element mit einem fluoreszierenden Material umfasst.