JP2002184302A - 半導体光電陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特性を向上可能な半導体光電陰極を提供す
る。 【解決手段】 光吸収層２が厚い場合においては、時間
分解能低下現象が生じるが、光吸収層２の厚みを制限す
ると、１つの電子群における電子濃度の低い部分がカッ
トされるので、隣接する電子濃度分布の重なり領域が減
少し、電子の通過に必要な走行時間の短縮によって、拡
散によって重なり合う領域も抑制することができ、更
に、電界強度も高めることができるため、これらの相乗
的作用によって、赤外線の時間分解能を著しく向上させ
ることができる。光吸収層の厚みが赤外線の波長程度、
１．３μｍの場合の時間分解能が４０ｐｓである場合、
この厚みを０．１９μｍとした場合には、時間分解能は
７．５ｐｓとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光電陰極に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体光電陰極は、米国特許３，
９５８，１４３号、５，０４７，８２１号、５，６８
０，００７号、６，００２，１４１号に記載されてい
る。このような半導体光電陰極は、赤外線を吸収する化
合物半導体からなる光吸収層を備え、赤外線の吸収に応
じて発生したキャリアのうちの電子を電子移送層（電子
放出層）を介して真空中に放出する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、その特
性は未だ十分ではなく、更なる改良が求められている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであ
り、特性を向上可能な半導体光電陰極を提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体光電
陰極は、赤外線を吸収する化合物半導体からなる光吸収
層を備え、赤外線入射に応じて電子を放出する半導体光
電陰極において、前記光吸収層は、この光吸収層のエネ
ルギーバンドギャップよりも広いエネルギーバンドギャ
ップを有する電子移送層と半導体基板との間に形成され
ており、前記光吸収層の厚みは、０．０２μｍ以上０．
１９μｍ以下であることを特徴とする。

【０００５】光吸収層における赤外線吸収係数も高くな
ると、赤外線の光電変換効率が高くなり、また、光吸収
層が厚くなるほど総吸収量は多くなり、赤外線入射に応
じて発生する電子は厚み方向に分布し、この電子濃度分
布においては赤外線が進行するほど電子濃度が低くな
る。

【０００６】一方、光吸収層は、その不純物濃度が低濃
度に設定されるので、実効的な空乏層幅が広くなり、光
吸収層内に形成される電界強度は小さくなる。光吸収層
内で発生した電子は、この電界と拡散によって電子移送
層方向へと走行する。なお、電子の拡散は半導体基板方
向へも生じる。

【０００７】従来の半導体光電陰極においては、光吸収
層内における電子走行速度は、小さな電界と拡散に規定
されるため、比較的遅く、現在の赤外線パルスの入射に
応じて発生した電子群の大部分が光吸収層を通過し終わ
る前に、次回の赤外線パルスが入射すると、双方の赤外
線パルスの入射によって発生した電子群同士を分離でき
なくなる。換言すれば、光吸収層内においては、時間的
に近接する２つの赤外線パルスに対応して、厚み方向に
２つの電子濃度分布を有するが、当該電子濃度分布同士
が大きく重なり合うと、パルスの時間分解ができなくな
る。

【０００８】特定の技術分野、半導体材料の蛍光寿命測
定や近赤外光を用いたＣＴスキャンの分野では、現在、
数ｐｓオーダーの時間分解能が要求されているが、現在
赤外線領域においては、このような時間分解能を有する
光電陰極は知られていない。

【０００９】本発明では、光吸収層の厚みを０．１９μ
ｍ以下に制限することにより、赤外線領域において半導
体光電陰極の時間分解能を７．５ｐｓ以下を達成し、
０．０２μｍ以上とすることにより、ノイズレベル以上
の感度を有することとした。

【００１０】すなわち、光吸収層における赤外線の吸収
によって、光吸収層内部で発生する瞬間的電子濃度分布
は厚み方向に沿って指数関数的に減少するが、１つの電
子群の電子濃度分布における電子濃度が相対的に低い位
置においては、この位置の電子が、隣接する電子群と重
なり合うため時間分解能が低下し、また、電子群走行中
の拡散によって、電子群の分布幅が増加するので、重な
り合う領域が増加し、更に時間分解能が低下する。

【００１１】光吸収層が厚い場合においては、このよう
な時間分解能低下現象が生じるが、光吸収層の厚みを上
述のように制限すると、１つの電子群における電子濃度
の低い部分がカットされるので、上記重なり合う領域が
減少し、電子の通過に必要な走行時間の短縮によって、
拡散によって重なり合う領域も抑制することができ、更
には、光吸収層内の電界強度を光吸収層の薄化によって
高めることができるため、これらの相乗的作用によっ
て、赤外線の時間分解能を著しく向上させることができ
る。

【００１２】例えば、光吸収層の厚みが赤外線の波長程
度、１．３μｍの場合の時間分解能が４０ｐｓ（ピコ
秒）である場合、この厚みを０．１９μｍとした場合に
は、時間分解能は７．５ｐｓ、０．０２μｍとした場合
には１ｐｓ以下とすることができる。更に、光吸収層の
厚みが０．０２μｍという非常に薄い膜厚でも赤外感度
は高く、この感度は、従来、この波長域で唯一感度を有
しているＡｇ−Ｏ−Ｃｓ光電陰極とに比較して、３桁以
上高い感度を得ることができる。

【００１３】また、電子移送層は電子に所定の速度を与
える必要があるため、その厚みの最低値が設定される
が、上記光吸収層の場合においては電子移送層よりも厚
みが小さく設定される。

【００１４】なお、半導体基板はＩｎＰ、光吸収層はＩ
ｎＧａＡｓＰであり、電子移送層はＩｎＰであることが
好ましい。

【００１５】また、光吸収層と電子移送層との間に組成
が徐々に変化するグレーデッド層が設けられる場合に
は、その厚みの５０％の部分を光吸収層として扱う。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る半導体光
電陰極について説明する。同一要素には、同一符号を用
いることとし、重複する説明は省略する。

【００１７】（第１実施形態）図１は第１実施形態に係
る半導体光電陰極ＰＣの縦断面図である。まず、半導体
光電陰極ＰＣの構造について説明する。

【００１８】本実施形態の半導体光電陰極ＰＣは、図示
しない陽極に対向して真空中に配置されるものであり、
少なくとも半導体基板１上に順次積層された光吸収層
２、電子移送層３、コンタクト層４及び電極層５を備え
ている。コンタクト層４及び電極層５は、メッシュ（格
子）状にパターニングされており、少なくとも当該メッ
シュの開口内であって電子移送層３の露出表面上には、
活性層６が形成されている。

【００１９】ここでは、コンタクト層４及び電極層５の
パターンとして、格子状のパターンを用いた場合を例に
説明するが、電子移送層３を、ほぼ均一な分布で露出さ
せるパターンであれば様々なパターンが適応可能であ
る。

【００２０】また、半導体基板１の光入射側の面上には
裏面電極７が設けられており、電極層５と裏面電極７と
の間には、電子が電極層５方向に導かれるような電圧が
印加される。すなわち、電極層５の電位は裏面電極７の
電位よりも相対的に高く設定される。

【００２１】この電圧印加時に、半導体基板１側から光
吸収層２内に赤外線が入射すると、光吸収層２内におい
て正孔・電子対（キャリア）が発生し、拡散及び前記電
圧に起因する光吸収層２内の内部電界に従って電子は電
極層５方向へ、正孔は裏面電極７方向へと移動する。な
お、半導体基板１は入射光に対して透明な材料からな
る。すなわち、半導体基板１のエネルギーバンドギャッ
プは、入射光の波長から規定されるエネルギーバンドギ
ャップよりも大きく、したがって、光吸収層２のエネル
ギーバンドギャップよりも大きい。

【００２２】光吸収層２中の不純物濃度は、電子移送層
３内の不純物濃度と同等或いはこれよりも低く設定され
ている。

【００２３】光吸収層２内で発生した電子は、拡散及び
内部電界に従って電子移送層３内に流入する。発生した
電子は電子移送層３によってエネルギーを獲得し加速す
る。なお、電子移送層３のエネルギーバンドギャップは
光吸収層２のエネルギーバンドギャップよりも大きい。

【００２４】半導体中に形成される電界強度は、ドナー
或いはアクセプター濃度に依存し、電子移送層３の表面
側から深部に向かって空乏層が広がっているので、加速
を効率的に行わせるためには、電子移送層３の不純物濃
度は光吸収層２の不純物濃度と同等或いは若干高い方が
好ましい。

【００２５】電子移送層３内の電子は、その内部電界に
従って活性層６方向、すなわち、半導体光電陰極ＰＣの
表面方向に移動する。

【００２６】活性層６は、仕事関数を低下させる材料、
例えば、Ｃｓ−Ｏ等からなる。半導体光電陰極の表面は
図示しない陽極に対向しているので、活性層６内に移動
した電子は、当該光電陰極ＰＣと陽極との間の電位差に
導かれて真空中に出射する。本例では、ＣｓとＯによる
活性層６を例に説明するが、仕事関数を低下させる効果
があれば、活性層６の材料はどんなものでも構わない。
しかしながら、実験では、アルカリ金属、及び、その酸
化物又はフッ化物を用いることが好ましいことが判明し
ている。なお、活性層６が無い場合においても電子は放
出される場合がある。

【００２７】上記半導体基板１、光吸収層２、電子移送
層３、コンタクト層４は、化合物半導体からなり、これ
らの導電型／材料／不純物濃度の好適範囲は以下の表の
通りである。

【００２８】

【表１】 なお、ＩｎＰのエネルギーバンドギャップはＩｎＧａＡ
ｓＰのエネルギーバンドギャップよりも広い。また、電
極層５の電極材料は、コンタクト層４とオーミック接触
をするものであれば、どんなものでも構わない。

【００２９】また、本半導体光電陰極は、裏面側から被
検出光を入射させる、いわゆる透過型構造を有するの
で、不純物吸収によるロスを抑制するため、半導体基板
１の不純物濃度は上述のように設定されている。

【００３０】電子移送層３とコンタクト層４はｐｎ接合
を構成しており、接合界面から各半導体層内に空乏層が
広がるが、光吸収層２及び電子移送層３は、バイアス電
圧の印加により空乏層を光吸収層２或いは半導体基板１
にまで到達させるため、これらの不純物濃度は１×１０
¹⁷ｃｍ^-3以下に設定されている。

【００３１】一方、コンタクト層４は、バイアス電圧の
印加により空乏層を光吸収層２側に効率よく延長させる
ために、不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に設定す
る。

【００３２】上記半導体基板１、光吸収層２、電子移送
層３及びコンタクト層４の厚みを、それぞれ、ｔ１、ｔ
２、ｔ３、ｔｃとすると、これらの厚み／厚みの好適範
囲は以下の通りである。

【００３３】

【表２】 ここで、半導体基板１及び電子移送層３は、エネルギー
バンドギャップが広く、入射する赤外線に対して透明で
あるため、光吸収層２よりも外側に位置するこれらの領
域においては、キャリアの発生がない。

【００３４】本実施形態においては、上記のように、光
吸収層２の厚みは、０．０２μｍ以上０．１９μｍ以下
に設定されている。すなわち、光吸収層２の厚みを０．
１９μｍ以下に制限することにより、赤外線の時間分解
能を７．５ｐｓ以下を達成し、０．０２μｍ以上とする
ことにより、ノイズレベル以上の感度を有することとし
た。

【００３５】詳説すれば、光吸収層２が厚い場合におい
ては、時間分解能低下現象が生じるが、光吸収層２の厚
みを上記のように制限すると、赤外線入射に応じて厚み
方向に分布するように発生した１つの電子群における電
子濃度の低い部分が、広エネルギーバンドギャップの電
子移送層３によって大幅にカットされることになるの
で、電子濃度分布の重なり合う領域が減少し、電子の通
過に必要な走行時間の短縮によって、電子の拡散によっ
て重なり合う領域の拡大も抑制することができ、更に
は、光吸収層２内の電界強度を光吸収層の薄化によって
高めることができるため、これらの相乗的作用によっ
て、赤外線の時間分解能を著しく向上させることができ
る。

【００３６】光吸収層２の厚みが赤外線の波長程度、
１．３μｍの場合の時間分解能が４０ｐｓである場合、
この厚みを０．１９μｍとした場合には、時間分解能は
７．５ｐｓ、０．０２μｍとした場合には１ｐｓ以下と
することができる。この値は、光吸収層２の厚みを２μ
ｍ程度に設定した従来に比して著しく小さい。更に、光
吸収層の厚みが０．０２μｍという非常に薄い膜厚でも
赤外感度は高く、この感度は、従来、この波長域で唯一
感度を有しているＡｇ−Ｏ−Ｃｓ光電陰極とに比較し
て、３桁以上高い感度を得ることができる。

【００３７】次に、上記半導体光電陰極ＰＣの製造方法
について説明する。半導体光電陰極ＰＣは、以下の〜
の工程を順次行うことによって形成される。

【００３８】半導体基板１を用意し、その両面を研磨
する。なお、予め両面研磨された半導体基板１を用いて
もよい。

【００３９】光吸収層２を半導体基板１上に気相成長
させる。半導体基板１がＩｎＰであり、光吸収層２がＩ
ｎＧａＡｓＰである場合、光吸収層２の形成法として
は、公知の化学的気相成長法や分子線エピタキシャル法
を用いることができる。

【００４０】電子移送層３を光吸収層２上にエピタキ
シャル成長させる。光吸収層２がＩｎＧａＡｓであり、
電子移送層３がＩｎＰである場合、電子移送層３の形成
法としては、公知の化学的気相成長法や分子線エピタキ
シャル法を用いることができる。

【００４１】コンタクト層４を電子移送層３上にエピ
タキシャル成長させる。電子移送層３がＩｎＰであり、
コンタクト層４がＩｎＰである場合、コンタクト層４
は、導電型の違いを除いて電子移送層３と同一の方法を
用いて形成する。

【００４２】電極層５をコンタクト層４上に真空蒸着
法によって形成する。電極層５が、コンタクト層４とオ
ーミック接触するように必要に応じて熱処理が行われ
る。

【００４３】電極層５上にフォトレジストを塗布し、
光リソグラフィ技術を用いて、電極層５及びコンタクト
層４をパターニングする。すなわち、メッシュ状の光学
パターンをフォトレジスト上に露光し、当該フォトレジ
ストをエッチングによってパターニングし、パターニン
グされたフォトレジストをマスクとして電極層５及びコ
ンタクト層４をエッチングし、電子移送層３の表面の各
領域が面内で略均一に位置するように露出させる。

【００４４】半導体基板１の一部に裏面電極７を形成
する。この形成には真空蒸着法を用いる。

【００４５】上述の工程で得られた光電陰極中間体を
真空中で加熱し、その表面を清浄化する。

【００４６】仕事関数を低下させるため、Ｃｓ、Ｏを
含む活性層６を上記メッシュの開口内に形成し、図１に
示した半導体光電陰極ＰＣが完成する。

【００４７】（第２実施形態）図２は第２実施形態に係
る半導体光電陰極ＰＣの縦断面図である。第２実施形態
の半導体光電陰極ＰＣと第１実施形態のものとの相違点
は、図１に示したコンタクト層４の形成が省略され、電
極層５と電子移送層３とが、直接、ショットキ接触して
いる点である。この時の電極材料は、電子移送層３とシ
ョットキ接触するものであれば、どんな材料でも構わな
いが、その後のエッチングなどのプロセスを考慮して選
択すればよい。その他の構造は、各層の厚み等も含め
て、第１実施形態の光電陰極と同一である。

【００４８】また、製造方法においては、電子移送層３
の形成（工程）の後、コンタクト層４の形成（工程
）を行わないで、電極材料を電子移送層３上に直接、
真空蒸着して電極層５を形成する（工程）点が異な
り、したがって、メッシュの形成（工程）において
は、電極層５のみがエッチングされることになるが、そ
の他の工程は第１実施形態のものと同一である。

【００４９】（第３実施形態）図３は第３実施形態に係
る半導体光電陰極ＰＣの縦断面図である。第３実施形態
の半導体光電陰極ＰＣと第２実施形態のものとの相違点
は、図２に示した電極層５が電子移送層３の露出表面全
体上に形成され、且つ、電極層５の厚みが薄く、この薄
い電極層５上に活性層６が形成されている点である。こ
の時の電極材料は、電子移送層３とショットキ接触する
ものであれば、どんな材料でも構わない。その他の構造
は、各層の厚み等も含めて、第２実施形態の光電陰極と
同一である。

【００５０】電極層５の厚さは、光電陰極の光電変換量
子効率に重大な影響を与える。すなわち、厚さが特定の
膜厚よりも薄い場合には、電極層５の面抵抗が大きくな
り、特に、被入射光強度が比較的高い場合、或いは低温
で動作させる場合には光電変換量子効率の低下を招く場
合がある。また、電極層５が厚過ぎる場合には、電子が
電極層５を通過する確率が低下するため、光電変換量子
効率の低下を招く。

【００５１】したがって、電極層５の平均的な厚さは、
３ｎｍ以上１５ｎｍ以下が好ましい。なお、ここで平均
的な厚さと表現しているのは、この程度の薄膜では必ず
しも平坦な膜とならない場合があるためである。この時
の電極材料は電子移送層３とショットキ接触するもので
あれば、どんな材料でも構わない。

【００５２】また、製造方法においては、電子移送層３
の形成（工程）の後、電極材料を電子移送層３上に直
接、真空蒸着して薄い電極層５を形成する（工程）
が、パターニング（工程）を行わない点が第２実施形
態と異なり、したがって、電極層５上に活性層が形成さ
れる（工程）が、その他の工程は第１実施形態のもの
と同一である。

【００５３】（第４実施形態）図４は第４実施形態に係
る半導体光電陰極ＰＣの縦断面図である。第４実施形態
の半導体光電陰極ＰＣと第１実施形態のものとの相違点
は、光吸収層２と電子移送層３との間に、組成が徐々に
変化するグレーデッド層２ｇが介在している点である。

【００５４】このグレーデッド層２ｇは、その厚みｔｇ
の５０％の部分を光吸収層２として扱うものとする。す
なわち、このタイプの半導体光電陰極ＰＣにおいては、
光吸収層２の厚みは（ｔ２＋ｔｇ／２）とし、この厚み
を０．０２μｍ以上０．１９μｍ以下に設定する。その
他の構造は、各層の厚み等も含めて、第１実施形態の光
電陰極と同一である。

【００５５】また、製造方法においては、光吸収層２の
形成（工程）の後であって、電子移送層３の形成（工
程）の前に、光吸収層２上にグレーデッド層２ｇを形
成する点が第１実施形態と異なり、したがって、電子移
送層３の形成（工程）においては、電子移送層３はグ
レーデッド層２ｇ上に形成されることになるが、その他
の工程は第１実施形態のものと同一である。グレーデッ
ド層２ｇの形成は、組成が徐々に変化するように原料供
給量を調整するが、光吸収層２がＩｎＧａＡｓＰであっ
て、電子移送層３がＩｎＰである場合には、格子整合を
とりながらＧａ及びＡｓの供給量を徐々に減少させれば
よい。

【００５６】（光電子増倍管）次に、上述の実施形態に
記載の半導体光電陰極ＰＣのいずれかが適用される光電
子増倍管について説明する。

【００５７】図５は、上記半導体光電陰極ＰＣのいずれ
か１つを備えた光電子増倍管ＰＭＴの断面模式図であ
る。光電子増倍管ＰＭＴは、光電陰極ＰＣ、収束電極
（集束電極）１２、二次電子増倍部として動作する第１
段ダイノード１３₁、第２段ダイノード１３₂、・・・第
ｎ段ダイノード１３_n、二次電子増倍された電子を収集
する陽極１４、及び、これらを収容するための真空容器
１５を備えている。

【００５８】真空容器１５は、真空容器１５の一部を構
成する光入射窓１５₁及び容器本体１５₂を備えており、
容器本体１５₂の下部には複数のステムピン１６が設け
られている。複数のステムピン１６は、光電陰極ＰＣ、
収束電極１２、各ダイオード１３_nにバイアス電圧を与
えたり陽極１４で収集された電子を取り出したりするた
めに用いられる。

【００５９】次に、図５を用いて上記光電子増倍管ＰＭ
Ｔの動作について説明する。なお、以下の説明について
一桁台の符号が示す要素については図１乃至図４を適宜
参照する。光入射窓１５₁を透過した被検出光である赤
外線は光電陰極ＰＣにおける光吸収層２で大部分が吸収
され、ここで励起された光電子ｅは、活性層６の露出表
面から真空容器１５の内部方向へと放出される。

【００６０】光電陰極ＰＣの光吸収層２の厚さは、上述
のように０．０２μｍ以上０．１９μｍ以下に設定され
ているので、光電陰極ＰＣ内での光電子の時間的な広が
りは非常に小さい。真空容器１５中へ放出された光電子
ｅは、収束電極１２により光電子の軌道が修正され、効
率良く第１段ダイノード１３₁に入射する。光電子ｅが
加速されて第１段ダイノード１３₁へ入射すると、この
入射に応じて第１段ダイノード１３₁は二次電子を次段
のダイノード１３₂に向けて放出する。

【００６１】第１段ダイノード１３₁に入射した一次電
子の数よりも放出される二次電子の数の方は多く、この
増倍された二次電子が真空容器１５中へ放出され、第２
段ダイノード１３₂に入射する。第２段ダイノード１３₂
は、第１段ダイノード１３₁の時と同様に二次電子を真
空中に放出する。この増倍動作を繰り返すことにより、
最終段ダイノードの近傍に位置する陽極１４では、光電
陰極ＰＣから放出された光電子の１００万倍の電子が収
集され、この電子は信号電流（負）としてステムピン１
６から容器外部に取り出される。

【００６２】本例における光電子増倍管ＰＭＴは、光電
陰極ＰＣ内における光電子の時間的な広がりが非常に小
さく、応答性と感度に優れる。

【００６３】なお、上記では、多段のダイノードを有す
る光電子増倍管ＰＭＴを例示したが、上記光電陰極ＰＣ
が適用可能な光電子増倍管の構造は、これに限られるも
のではない。例えば、上記光電陰極ＰＣは、二次電子増
倍部にマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を用いた
所謂ＭＣＰ−ＰＭＴにも適用することができる。この場
合の構造は、蛍光体以外の部分が後述する画像増強管と
略同一であるので、ここでは説明を省略する。

【００６４】（画像増強管）次に、上述の実施形態に記
載の半導体光電陰極ＰＣのいずれかが適用される光画像
増強管について説明する。

【００６５】図６は、上記半導体光電陰極ＰＣのいずれ
か１つを備えた画像増強管ＩＩの断面模式図である。こ
の画像増強管ＩＩは、光電陰極ＰＣ、二次電子増倍部と
して機能するＭＣＰ２３、ＭＣＰ２３から放出された二
次電子を光に変換するための蛍光体２４、これらの部品
を収容するための真空容器２５を備えている。

【００６６】真空容器２５は、その一部を形成する光入
射窓２５₁、側管部２５₂、蛍光体２４からの発光を画像
増強管ＩＩの外部へ取り出すための出力窓２５₃を備え
ている。その他、画像増強管は、光電陰極ＰＣ、ＭＣＰ
２３、蛍光体２４に適当なバイアス電位を与えるための
電極２６を備えている。

【００６７】次に、画像増強管の動作について説明す
る。光入射窓２５₁を透過した被検出光としての赤外線
は光電陰極ＰＣにおける光吸収層２で大部分が吸収さ
れ、この吸収に応じて光電陰極ＰＣ内では光電子が励起
され、この光電子は活性層６の露出表面から真空中へ放
出される。

【００６８】光電陰極ＰＣの光吸収層２の厚さは、上述
のように０．０２μｍ以上０．１９μｍ以下に設定され
ているので、光電陰極ＰＣ内での光電子の時間的な広が
りは非常に小さい。真空中へ放出された光電子は、加速
されてＭＣＰ２３に入射し、ＭＣＰ２３において二次電
子が発生する。ＭＣＰ２３の入力側電極２３₁と出力側
電極２３₂との間には、１ｋＶ程度の電圧が印加されて
おり、ＭＣＰ２３へ入射した光電子は約１×１０⁵倍程
度に増倍され、二次電子としてＭＣＰ２３から再び真空
中へ放出される。

【００６９】蛍光体２４に設けられた電極２６には、数
ｋＶの電圧が印加されており、ＭＣＰ２３から放出され
た二次電子は加速された状態で、蛍光体２４に入射し、
この入射に応じて蛍光体２４は発光する。蛍光体２４の
発光は、出力窓２５₃を通して画像増強管ＩＩの外部に
取り出される。

【００７０】本例では、光電陰極ＰＣ内での光電子の時
間的な広がりが非常に小さく、応答性及び感度に優れた
画像増強管を実現することができる。

【００７１】なお、本例では、蛍光体２４を用いた画像
増強管ＩＩについて説明した。蛍光体２４を陽極に置き
換えると、画像増強管ＩＩはＭＣＰ−ＰＭＴとなる。

【００７２】また、本例では、ＭＣＰ２３を１枚だけ用
いた場合について説明したが、複数のＭＣＰをカスケー
ドに組み合わせて増倍率を増加させることもできる。

【００７３】（ストリークカメラ装置）次に、上述の光
電陰極ＰＣを備えたストリーク管５４を用いたストリー
クカメラ装置について説明する。

【００７４】図７は、このストリークカメラ装置のブロ
ック図である。このストリークカメラ装置はパルス光観
測を行う。

【００７５】ストリーク管５４は前面に上述の実施形態
に係る光電陰極ＰＣのいずれか１つを備えており、光電
陰極ＰＣは入射した光を光電変換する。ストリーク管５
４の気密容器７２の入射面には、前述した光電陰極ＰＣ
が設けられており、他方の面には蛍光面７３が形成され
ている。光電陰極ＰＣ上には、メッシュ電極６８が掃引
方向に対して垂直な方向に長く形成されており、収束電
極７４、アパーチャ電極７５、偏向電極７１及びＭＣＰ
６９が図示のように順次配列されている。

【００７６】色素レーザ（発振器）５１は、繰り返し周
波数８０〜２００ＭＨｚでレーザパルスを出射する。こ
のレーザパルスの波長は赤外域であり、パルス幅は５ｐ
ｓである。色素レーザ５１の出力光は、半透明鏡（ビー
ムスプリッタ）５２によって２系統に分岐される。

【００７７】半透明鏡５２によって分岐されたパルスレ
ーザ光の一方は、光路長可変装置５３ａ、反射鏡５３
ｂ、スリットレンズ５３ｃ、スリット５３ｄ、コンデン
サレンズ５３ｅからなる光学系を経てストリーク管５４
の光電陰極ＰＣに入射する。

【００７８】半透明鏡５２によって分岐されたパルスレ
ーザ光の他方は、反射鏡５５ａ、５５ｂによって反射さ
れ、光電変換素子（ＰＩＮホトダイオード）５６に入射
する。光電変換素子５６は、アバランシェホトダイオー
ドとしてもよい。ＰＩＮホトダイオード５６は、応答速
度が速いので、パルスレーザ光の入射に応答してパルス
電流を出力する。ＰＩＮホトダイオード５６の出力は、
同調増幅器５７に与えられ、同調増幅器５７は８０〜２
００ＭＨｚの範囲の繰り返し周波数を中心周波数として
動作する。

【００７９】この中心周波数は色素レーザ５１の発振周
波数に等しく設定されており、同調増幅器５７は、ＰＩ
Ｎホトダイオード５６の出力パルスの繰り返し周波数に
同期した第１の正弦波を送出する。半透明鏡５２、反射
鏡５５ａ，５５ｂ、光電変換素子５６及び同調増幅器５
７は第１正弦波発振器を構成している。この第１正弦波
発振器は、ストリーク管５４の光電陰極ＰＣに入力され
る高速繰り返しパルス光と同期する第１の正弦波を発生
する。

【００８０】周波数カウンタ５８は、同調増幅器５７の
送出する第１の正弦波の周波数を計測し、表示する。

【００８１】また、正弦波発振器５９は、第１の正弦波
とわずかに周波数の異なる第２の正弦波を発生する第２
正弦波発振器を形成している。この正弦波発振器５９
は、８０〜２００ＭＨｚの周波数の範囲内で任意の周波
数の正弦波を送出することができる。ミキサー回路６０
は第１正弦波発振器の出力（ｆ１）と第２正弦波発振器
の出力（ｆ２）とを混合する。低域濾波器（ＬＰＦ）６
１は、ミキサー回路６０の出力から、その低周波数成分
を取り出し、ＬＰＦ６１及びレベル検出器６２は位相検
出器を構成している。

【００８２】この位相検出器は、第１正弦波発振器の出
力との間に一定の位相関係が生じた時点を検出して検出
出力を発生する。

【００８３】色素レーザ５１が１００ＭＨｚの繰り返し
周波数で赤外パルス光を送出している場合、同調増幅器
５７から周波数１００ＭＨｚの第１正弦波が送出され
る。周波数カウンタ５８には「１００ＭＨｚ」が表示さ
れる。オペレータは、周波数カウンタ５８の表示を読
み、正弦波発振器５９が１００＋Δｆ（ＭＨｚ）の第２
正弦波を送出するように、この正弦波発振器５９を調整
する。但し、Δｆ＜＜１００である。

【００８４】ミキサー回路６０は、第１正弦波発振器の
出力、すなわち同調増幅器５７が送出する第１正弦波ｆ
１（１００ＭＨｚ）と第２正弦波発振器５９が送出する
第２正弦波ｆ２（１００＋ΔｆＭＨｚ）を混合し、ｆ＝
ｆ１×ｆ２となる合成波を送出する。

【００８５】ここで、合成波の周波数ｆは次式に示され
る。

【００８６】

【数１】 ＬＰＦ６１は、周波数Δｆよりも、わずかに高い周波数
より低い周波数領域の成分を通過させる。したがって、
ＬＰＦ６１はミキサー回路６０の出力波からｆ’＝（Ａ
×Ｂ／２）ｃｏｓ２πΔｆｔのみを通過させる。ＬＰＦ
６１の出力端は、レベル検出器６２を構成する比較器６
３の一方の入力端子６３ａに接続されており、正弦波
ｆ’は比較器６３の入力端子６３ａに入力される。

【００８７】比較器６３の他方の入力端子６３ｂには、
ポテンショメータ６４の摺動軸が接続されている。比較
器６３は、一方の入力端子６３ａに入力される電圧が、
他方の入力端子６３ｂに入力されている電圧よりも大き
くなったときに、パルスを送出する。比較器６３の出力
端子６３ｃは、単安定マルチバイブレータ６５の入力端
子に接続されている。この単安定マルチバイブレータ６
５は比較器６３の出力パルスの立ち上がり端で起動さ
れ、一定時間経過後に立ち下がる。

【００８８】ゲートパルス発生器６６は、単安定マルチ
バイブレータ６５の出力端子に接続されている。ゲート
パルス発生器６６は、単安定マルチバイブレータ６５の
出力がオン状態にある時、ゲート電圧を送出する。この
ゲートパルス発生器６６の出力電位は、コンデンサ６７
を介して光電陰極ＰＣに電気的に接続されたオーミック
電極ＯＥ及びＭＣＰ６９の出力電極６９ｂに与えられ
る。

【００８９】本例では、オーミック電極ＯＥには−８０
０Ｖ、出力電極６９ｂには＋９００Ｖの電位が与えられ
る。なお、ＭＣＰ６９の入力電極６９ａ及びアパーチャ
電極７５の電位は０Ｖ（接地）である。

【００９０】一方、正弦波発振器５９の出力である第２
の正弦波は駆動増幅器７０で増幅され、ストリーク管５
４の偏向電極７１に印加される。この偏向電極７１に印
加される正弦波の振幅は５７５Ｖであり振幅中心は０Ｖ
である。換言すれば、偏向電極７１の一方に印加される
電位の最大値／最小値間の電位差は１１５０Ｖである。

【００９１】ここで、偏向電極７１とＭＣＰ６９との間
の距離やこれらの寸法は、＋１００Ｖから−１００Ｖま
での電圧印加に対応して偏向電極７１で行われる掃引に
よって偏向された光電子のみがＭＣＰ６９に入射するよ
うに設定される。

【００９２】また、電源７６の両端は、非常に大きな抵
抗値の抵抗７７，７８、７９を介して短絡されており、
各抵抗間の電位を取り出すことにより、光電陰極ＰＣの
オーミック電極ＯＥに４０００Ｖ、収束電極７４に−４
５００Ｖの電位が与えられる。なお、電源８０は、蛍光
面７３にＭＣＰ６９の出力電極６９ｂよりも３００Ｖ高
い電位を与えている。

【００９３】ゲートパルス発生器６６からゲート電圧が
印加されていない時、光電子は光電陰極ＰＣから放出さ
れないので、ＭＣＰ６９からも増倍電子が放出されず、
蛍光面７３は暗状態に保たれる。

【００９４】ゲートパルス発生器６６からゲート電圧が
印加されている時には、光電陰極ＰＣ内の光電子は、メ
ッシュ電極６８の電位によって加速され、気密容器７２
内の真空中へ放出される。

【００９５】放出された光電子は、収束電極７４の形成
する電子レンズによって、アパーチャ電極７５の開口内
に集束され、偏向電極７１の２枚の電極板間の領域に入
る。ここで、偏向電極７１に電圧が加えられると、光電
子は偏向される。

【００９６】本例では、偏向電圧が＋１００Ｖからー１
００Ｖに変化するとき、光電子のＭＣＰ６９への入射位
置は、図面上の上端から下端へ移動するように設計され
ている。ＭＣＰ６９に入射した光電子は増倍されて蛍光
面７３に入射し、ストリーク像を形成する。

【００９７】次に、第１実施形態に記載の半導体光電陰
極ＰＣを作製し、これを図７に示したストリークカメラ
装置に組み込んだ場合に得られる光電陰極の時間分解能
について説明する。ここでは、ストリーク管自身の持つ
時間分解能や、入射パルス光の時間幅は予め判明してい
るので、光電陰極の時間分解能のデータを補正した。

【００９８】入射光は赤外線とし、光吸収層２の厚みが
赤外線の波長程度、１．３μｍの場合の時間分解能は４
０ｐｓであった。光吸収層２の厚みを０．１９μｍとし
た場合には、時間分解能は７．５ｐｓ、０．０２μｍと
した場合には１ｐｓ以下となった。

【００９９】図８は、光電陰極ＰＣの光吸収層２の厚み
ｔ２が０．０２μｍの場合の光電陰極ＰＣの分光感度特
性を示すグラフである。光吸収層２の厚みｔ２が０．０
２μｍという非常に薄い膜厚でも波長９５０ｎｍ〜１０
５０ｎｍの範囲の赤外感度は０．１ｍＡ／Ｗ以上を有し
ている。しかも、この感度は、従来、この波長域で唯一
感度を有しているＡｇ−Ｏ−Ｃｓ光電陰極に比較して、
３桁以上高い感度である。なお、光吸収層２の厚みｔ２
が０．０２μｍより薄いものでは、光電感度はノイズレ
ベル以下に低下するため、これを測定することは困難で
ある。

【０１００】以上、説明したように、光吸収層２の厚み
ｔ２を０．０２μｍ以上０．１９μｍ以下の範囲に設定
することにより、従来からは予想できない程度の応答の
高速化と感度の向上を達成することができた。

【０１０１】なお、図４に示したグレーデッド層２ｇを
用いた場合においても、光吸収層２と電子移送層３との
間のヘテロ界面を光電子が横切る確率が増加するのみで
あるので、同様の効果を達成することができ、ピコ秒オ
ーダーの時間分解測定ができるものと考えられる。

【０１０２】さらに、図２及び図３に示した構造の場合
においても、上述の原理に鑑みれば、応答の高速化と感
度の向上を達成することができるものと考えられる。ま
た、赤外線に基礎吸収端を有する材料であれば、光吸収
層２の材料はＩｎＧａＡｓＰ以外の材料を用いることも
できる。

【０１０３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の半導体
光電陰極は、その特性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る半導体光電陰極ＰＣの縦断
面図である。

【図２】第２実施形態に係る半導体光電陰極ＰＣの縦断
面図である。

【図３】第３実施形態に係る半導体光電陰極ＰＣの縦断
面図である。

【図４】第４実施形態に係る半導体光電陰極ＰＣの縦断
面図である。

【図５】光電子増倍管ＰＭＴの断面模式図である。

【図６】画像増強管ＩＩの断面模式図である。

【図７】ストリークカメラ装置のブロック図である。

【図８】光電陰極ＰＣの分光感度特性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…半導体基板、２ｇ…グレーデッド層、２…光吸収
層、３…電子移送層、４…コンタクト層、５…電極層、
６…活性層、７…裏面電極、１２…収束電極、１３ _n…
ダイオード、１４…陽極、１５…真空容器、１５₁…光
入射窓、１５₂…容器本体、１６…ステムピン、２３₁…
入力側電極、２３₂…出力側電極、２４…蛍光体、２５
…真空容器、２５₁…光入射窓、２５₂…側管部、２５₃
…出力窓、２６…電極、５１…色素レーザ、５２…半透
明鏡、５３ｅ…コンデンサレンズ、５３ｄ…スリット、
５３ｃ…スリットレンズ、５３ａ…光路長可変装置、５
３ｂ…反射鏡、５４…ストリーク管、５５ａ…反射鏡、
５５ａ，５５ｂ…反射鏡、５６…ホトダイオード（光電
変換素子）、５７…同調増幅器、５８…周波数カウン
タ、５９…正弦波発振器、６０…ミキサー回路、６２…
レベル検出器、６３ａ…入力端子、６３ｂ…入力端子、
６３ｃ…出力端子、６３…比較器、６４…ポテンショメ
ータ、６５…単安定マルチバイブレータ、６６…ゲート
パルス発生器、６７…コンデンサ、６８…メッシュ電
極、６９ａ…入力電極、６９ｂ…出力電極、７０…駆動
増幅器、７１…偏向電極、７２…気密容器、７３…蛍光
面、７４…収束電極、７５…アパーチャ電極、７６…電
源、７７，７８…抵抗、８０…電源、ｅ…光電子、ＯＥ
…オーミック電極、ＰＣ…半導体光電陰極、ＰＭＴ…光
電子増倍管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅 博文 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 森 邦芳 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 Ｆターム(参考） 5C035 AA20 CC01 5C037 GG04 GH05 5C235 AA20 CC01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線を吸収する化合物半導体からなる
   光吸収層を備え、赤外線入射に応じて電子を放出する半
   導体光電陰極において、前記光吸収層は、この光吸収層
   のエネルギーバンドギャップよりも広いエネルギーバン
   ドギャップを有する電子移送層と半導体基板との間に形
   成されており、前記光吸収層の厚みは、０．０２μｍ以
   上０．１９μｍ以下であることを特徴とする半導体光電
   陰極。
2. 【請求項２】 前記光吸収層は、前記電子移送層よりも
   薄いことを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
3. 【請求項３】 前記半導体基板はＩｎＰ、前記光吸収層
   はＩｎＧａＡｓＰであり、前記電子移送層はＩｎＰであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。