JP2007080799A - Photo cathode and electron tube - Google Patents

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Tokuaki Futahashi
得明 二橋
Minoru Aragaki
実 新垣
Tsuneo Ihara
常夫 渭原
Toru Hirohata
徹 廣畑
Toshimitsu Nagai
俊光 永井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photo cathode, composed of a compound semiconductor, in which a wide dynamic range is realized and a gate operation at high speed is made possible, as well as an electron tube. <P>SOLUTION: The photo cathode 10 which can be applied for the electron tube is provided with a substrate 11, a light absorbing layer 14 formed on the substrate 11, composed of a compound semiconductor, and emitting photo electron from a photoemission surface 14E corresponding to light incidence, and an electrode layer 15 having an opening 15H formed on the photoemission surface 14E so that a part from the substrate 11 through the light absorbing layer 14 can have the same electric potential, and exposing the photoemission surface 14E. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、化合物半導体から構成される光吸収層を備える光電陰極及びこれを用いた電子管に関する。   The present invention relates to a photocathode including a light absorption layer composed of a compound semiconductor and an electron tube using the photocathode.

光電子増倍管などの電子管に用いられる光電陰極では、いわゆるフィールドアシスト型の場合、光電陰極の内部で電界を生じさせるために光電子放出面上に電極を形成することが知られている(特許文献1及び2参照)。また、フィールドアシスト型以外の場合、光電陰極の外部と電気的な接続を取るために光吸収層(活性層)の周縁部に電極を設けることが知られている(特許文献3参照)。
米国特許第6121612号明細書 特開平8−255580号公報 特開平9−213206号公報
In the case of a so-called field assist type photocathode used for an electron tube such as a photomultiplier tube, it is known that an electrode is formed on the photoelectron emission surface in order to generate an electric field inside the photocathode (Patent Literature). 1 and 2). In addition to the field assist type, it is known that an electrode is provided on the periphery of the light absorption layer (active layer) in order to establish electrical connection with the outside of the photocathode (see Patent Document 3).
US Pat. No. 6,121,612 JP-A-8-255580 JP-A-9-213206

光電陰極を適用した光電子増倍管や画像増強管などの電子管では、過大入力光の遮断や高速現象の解析のために、陽極と陰極との間の電位を変化させることでいわゆるゲート動作を行うことが知られている。しかし、光電陰極の光吸収層に用いる化合物半導体によっては、高速でのゲート動作が困難になるという問題があった。特に、光吸収層に窒化物半導体を用いた場合、他の化合物半導体(例えば、GaAs、GaAsP若しくはInGaAs)を用いた場合と比較して、この問題は顕著に現れ、高速でのゲート動作はもちろん、ゲート動作そのものができない場合があった。   In an electron tube such as a photomultiplier tube or an image intensifier tube to which a photocathode is applied, so-called gate operation is performed by changing the potential between the anode and the cathode in order to block excessive input light and analyze high-speed phenomena. It is known. However, depending on the compound semiconductor used for the light absorption layer of the photocathode, there has been a problem that gate operation at high speed becomes difficult. In particular, when a nitride semiconductor is used for the light absorption layer, this problem appears more markedly than when other compound semiconductors (for example, GaAs, GaAsP, or InGaAs) are used. In some cases, the gate operation itself could not be performed.

本発明者はこの問題について鋭意検討した結果、光吸収層の材料によって面抵抗が異なることに着目し、ゲート動作が困難になる原因は、光電陰極の面抵抗の大きさに起因する低い感度特性(リニアリティ)にあると知見するに至った。面抵抗は、光電陰極の光吸収層のキャリア濃度や厚さ等によって大きく変化する。例えば、光電陰極が属する技術分野とは異なる技術分野に属するものではあるが、電子デバイスの1つである光電子移動度トランジスタ(HEMT)では、厚さ1μmのGaN層を備え、面抵抗値が360Ω/sq.というデバイスが報告されている。しかしながら、化合物半導体を光吸収層とする場合には、光電陰極の面抵抗値が1kΩ以上となる場合があり、ゲート動作に支障をきたすことがわかった。特に、光電陰極の面抵抗値が10kΩ以上となる場合には、高速でのゲート動作が極めて困難であることがわかった。   As a result of intensive studies on this problem, the present inventor has paid attention to the fact that the surface resistance varies depending on the material of the light absorption layer, and the reason why the gate operation becomes difficult is the low sensitivity characteristic due to the size of the surface resistance of the photocathode. It came to know that it was in (linearity). The sheet resistance varies greatly depending on the carrier concentration and thickness of the light absorption layer of the photocathode. For example, although it belongs to a technical field different from the technical field to which the photocathode belongs, a photoelectron mobility transistor (HEMT) which is one of electronic devices includes a GaN layer having a thickness of 1 μm and a surface resistance of 360Ω. / Sq. A device has been reported. However, it was found that when the compound semiconductor is a light absorption layer, the surface resistance of the photocathode may be 1 kΩ or more, which hinders the gate operation. In particular, when the surface resistance value of the photocathode is 10 kΩ or more, it has been found that high-speed gate operation is extremely difficult.

そこで、本発明は、上記の知見に基づき、面抵抗の高い光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能となる光電陰極及び電子管を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a photocathode and an electron tube that are capable of high-speed gate operation even with a photocathode having high surface resistance, based on the above findings.

本発明の光電陰極は、(1)基板と、(2)基板上に形成され、化合物半導体から構成されると共に光の入射に応じて光電子放出面から光電子を放出する光吸収層と、(3)基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に形成されると共に光電子放出面を露出する開口を有する電極層と、を備える。   The photocathode according to the present invention includes (1) a substrate, (2) a light absorption layer formed on the substrate, made of a compound semiconductor, and emitting photoelectrons from a photoelectron emission surface in response to light incidence; And an electrode layer formed on the photoelectron emission surface and having an opening exposing the photoelectron emission surface so that a portion from the substrate to the light absorption layer has the same potential.

本発明の光電陰極によれば、基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に電極層が形成される。このように構成することで、光電陰極全体に電荷が供給されると共に、電子放出面が有する特性の均質化が図られる。従って、面抵抗の高い化合物半導体を用いた光電陰極であっても、電子放出面の全体が有効に活用されることで入射光が強い場合でも入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、感度特性が改善される。また、当該光電陰極は、短時間に電位が変化する高速でのゲート動作にも適用することができる。なお、この感度特性の改善による効果は、光電子放出面の面積が大きい光電陰極では顕著なものとなる。加えて、本発明の光電陰極によれば、電子放出面が有する特性の均質化が図られることで、光電陰極に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。   According to the photocathode of the present invention, the electrode layer is formed on the photoelectron emission surface so that the portion from the substrate to the light absorption layer has the same potential. By comprising in this way, an electric charge is supplied to the whole photocathode and the characteristic which an electron emission surface has is homogenized. Therefore, even in the case of a photocathode using a compound semiconductor with high surface resistance, the entire electron emission surface can be effectively utilized to emit photoelectrons according to the incident light intensity even when the incident light is strong. , Sensitivity characteristics are improved. The photocathode can also be applied to high-speed gate operation in which the potential changes in a short time. Note that the effect of this improvement in sensitivity characteristics becomes significant in the photocathode having a large area of the photoelectron emission surface. In addition, according to the photocathode of the present invention, since the characteristics of the electron emission surface are homogenized, the rise when a high voltage is applied to the photocathode is improved, so a wide dynamic range is realized. Is done.

また、本発明の光電陰極は、(1)光入射面を有する基板と、(2)基板上に形成され、光入射面を通過する光に応じて光電子を放出し、かつ、化合物半導体から構成される光吸収層と、(3)光吸収層上に複数の開口を含むパターンを伴って形成され、かつ、基板の一部に接するまで延在する部分を有する電極層と、を備える。   The photocathode of the present invention comprises (1) a substrate having a light incident surface, and (2) a photoelectron that is formed on the substrate and emits photoelectrons in response to light passing through the light incident surface, and is composed of a compound semiconductor. And (3) an electrode layer that is formed with a pattern including a plurality of openings on the light absorption layer and has a portion that extends to contact a part of the substrate.

本発明の光電陰極によれば、電極層が複数の開口を含むパターンを伴って光吸収層上に形成され、かつ、基板の一部に接するまで延在する部分を有している。このように構成することで、光電陰極全体に電荷が供給される。加えて、光吸収層が電子を放出する面としての「電子放出面」が有する特性の均質化が図られる。従って、電極層が形成される前の状態で1kΩ/sq.以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても良好な感度特性を実現できる。特に、電極層が形成される前の状態で10kΩ/sq.以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても高速でのゲート動作を実現できる。   According to the photocathode of the present invention, the electrode layer is formed on the light absorption layer with a pattern including a plurality of openings, and has a portion extending until it contacts a part of the substrate. By comprising in this way, an electric charge is supplied to the whole photocathode. In addition, the characteristics of the “electron emission surface” as the surface from which the light absorption layer emits electrons can be homogenized. Therefore, in the state before the electrode layer is formed, 1 kΩ / sq. Even with a photocathode having a high surface resistance as described above, good sensitivity characteristics can be realized. In particular, 10 kΩ / sq. In a state before the electrode layer is formed. Even a photocathode having an extremely high sheet resistance as described above can realize a high-speed gate operation.

また、電極層が、光吸収層の側部を介して、基板の一部に接するまで延在する部分を有していても良い。このように構成することで、光電陰極に対して、より均一に電荷を供給することができる。   Further, the electrode layer may have a portion that extends until it contacts a part of the substrate via the side portion of the light absorption layer. By comprising in this way, an electric charge can be supplied more uniformly with respect to a photocathode.

また、複数の開口を含む前記パターンは、各開口が実質的に一定の間隔で設けられている部分を含むパターンであっても良い。このように構成することで、光電陰極に対して、より均一に電荷を供給することができる。   Further, the pattern including a plurality of openings may be a pattern including a portion where each opening is provided at a substantially constant interval. By comprising in this way, an electric charge can be supplied more uniformly with respect to a photocathode.

また、上記光電陰極は、光吸収層と基板との間に介在し、AlGaAs系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広い窓層を更に備えてもよい。このように構成することで、光吸収層と基板との間の格子不整合を緩和することができる。また、光電子に対してAlGaAs系材料である窓層を障壁として作用させることができる。   The photocathode may further include a window layer interposed between the light absorption layer and the substrate, made of an AlGaAs-based material, and having a wider energy band gap than the light absorption layer. With such a configuration, lattice mismatch between the light absorption layer and the substrate can be reduced. In addition, a window layer made of an AlGaAs material can act as a barrier against photoelectrons.

また、上記光電陰極は、基板と窓層との間に介在する反射防止膜を更に備えてもよい。反射防止膜が介在することによって、光吸収層に入射する光について所望の波長の反射率が低減され、光電子を放出する効率を高めることができる。   The photocathode may further include an antireflection film interposed between the substrate and the window layer. By interposing the antireflection film, the reflectance of a desired wavelength is reduced for the light incident on the light absorption layer, and the efficiency of emitting photoelectrons can be increased.

また、上記光電陰極は、光吸収層を構成する化合物半導体が窒化物半導体としてもよい。このように構成することで、面抵抗が極めて高い窒化物半導体を光吸収層に用いることで、電極層が形成される前の状態で1kΩ/sq.以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、広いダイナミックを実現するとことができる。また、電極層が形成される前の状態で10kΩ/sq.以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能な光電陰極を得ることができる。   In the photocathode, the compound semiconductor constituting the light absorption layer may be a nitride semiconductor. With this configuration, by using a nitride semiconductor with extremely high surface resistance for the light absorption layer, 1 kΩ / sq. In the state before the electrode layer is formed. Even a photocathode having such a high sheet resistance can achieve a wide dynamic. Further, in the state before the electrode layer is formed, 10 kΩ / sq. Even with a photocathode having an extremely high surface resistance as described above, a photocathode capable of high-speed gate operation can be obtained.

また、光吸収層を構成する化合物半導体を窒化物半導体とした場合には、光吸収層と基板との間に介在し、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広いバッファ層を更に備えてもよい。このように構成することで、光吸収層と基板との間の格子不整合を緩和することができる。また、光電子に対してエネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広いバッファ層を障壁として作用させることができる。   Further, when the compound semiconductor constituting the light absorption layer is a nitride semiconductor, the compound semiconductor is interposed between the light absorption layer and the substrate, is composed of the nitride semiconductor, and has an energy band gap larger than that of the light absorption layer. A wide buffer layer may be further provided. With such a configuration, lattice mismatch between the light absorption layer and the substrate can be reduced. In addition, a buffer layer having a wider energy band gap than the light absorption layer can act as a barrier for photoelectrons.

また、本発明の電子管は、上記光電陰極と、上記光電陰極から放出された光電子を収集する陽極と、上記光電陰極及び陽極を収容する真空容器と、を備える。なお、上記電子管は、上記光電陰極と陽極との間に、パルス状の電圧を印加する電圧印加手段を更に備えてもよい。   The electron tube of the present invention includes the photocathode, an anode that collects photoelectrons emitted from the photocathode, and a vacuum container that houses the photocathode and the anode. The electron tube may further include voltage applying means for applying a pulsed voltage between the photocathode and the anode.

本発明の電子管によれば、光電陰極において基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に電極層が形成される。従って、光電陰極に面抵抗の高い化合物半導体を用いた場合であっても光電陰極全体に電荷が供給されることで、光電陰極の感度特性が改善されて、高速でのゲート動作が可能となる。更に、光電子放出面が有する特性の均質化が図られることで、光電陰極に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。   According to the electron tube of the present invention, the electrode layer is formed on the photoelectron emission surface so that the portion of the photocathode from the substrate to the light absorption layer has the same potential. Therefore, even when a compound semiconductor with high surface resistance is used for the photocathode, the charge characteristic is supplied to the entire photocathode, thereby improving the sensitivity characteristic of the photocathode and enabling high-speed gate operation. . Further, the homogenization of the characteristics of the photoelectron emission surface is improved, so that the rise when a high voltage is applied to the photocathode is improved, so that a wide dynamic range is realized.

本発明によれば、光電陰極の基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に電極層が形成されることで、電子放出面の全体が有効に活用されて入射光が強い場合でも入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、高速でのゲート動作が可能な光電陰極及び電子管を得ることができる。   According to the present invention, the entire electron emission surface is effectively utilized by forming the electrode layer on the photoelectron emission surface so that the region from the photocathode substrate to the light absorption layer has the same potential. Even when the incident light is strong, photoelectrons corresponding to the incident light intensity can be emitted, and a photocathode and an electron tube capable of high-speed gate operation can be obtained.

以下、本発明の実施の形態に係る光電陰極及び電子管について、添付の図面に基づき説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。   Hereinafter, a photocathode and an electron tube according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る光電陰極10の平面図であり、図2は図1におけるII-II線に沿った断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view of the photocathode 10 according to the first embodiment, and FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.

光電陰極10は、基板11と、反射防止膜12と、窓層13と、光吸収層14と、電極層15と、を備えている。光吸収層14は、光の入射に応じて光電子を放出する光電子放出面14Eを有している。また、この光電子放出面14E側において、開口15Hにより露出された光電子放出面14Eと電極層15との上には、活性層16が形成されている。   The photocathode 10 includes a substrate 11, an antireflection film 12, a window layer 13, a light absorption layer 14, and an electrode layer 15. The light absorption layer 14 has a photoelectron emission surface 14E that emits photoelectrons in response to the incidence of light. Further, on the photoelectron emission surface 14E side, an active layer 16 is formed on the photoelectron emission surface 14E exposed by the opening 15H and the electrode layer 15.

基板11は、光入射面を一面に有する板状部材である。また、光電陰極10の入射窓となる部分であり、光吸収層14を構成するGaAsに近い熱膨張係数を有する材料(例えば、硼珪酸ガラス)からなる。基板11の厚さは特に限定されないが、画像増強管などの電子管に本実施の形態に係る光電陰極を適用する場合には、基板11は真空容器の一部となるので機械的強度が保たれる厚さとすればよい。   The substrate 11 is a plate-like member having a light incident surface on one surface. Further, it is a portion that becomes an incident window of the photocathode 10 and is made of a material (for example, borosilicate glass) having a thermal expansion coefficient close to that of GaAs constituting the light absorption layer 14. The thickness of the substrate 11 is not particularly limited. However, when the photocathode according to the present embodiment is applied to an electron tube such as an image intensifier tube, the substrate 11 becomes a part of the vacuum container, so that the mechanical strength is maintained. The thickness can be determined.

反射防止膜12は、基板11と窓層13との間に介在し、第1反射防止層12Aと第2反射防止層12Bとを備えている。反射防止層12A,12Bは、SiO、Si等の材料からなり、所望の波長の反射率が最小となるように、それぞれの層に用いる材料が選択され、厚さが調整されている。 The antireflection film 12 is interposed between the substrate 11 and the window layer 13 and includes a first antireflection layer 12A and a second antireflection layer 12B. The antireflection layers 12A and 12B are made of materials such as SiO 2 and Si 3 N 4 , and the materials used for the respective layers are selected and the thicknesses are adjusted so that the reflectance at a desired wavelength is minimized. Yes.

窓層13は、光吸収層14と基板11との間に介在し、反射防止膜12の第2反射防止層12Bの面上に形成されている。この窓層13は、AlGaAs系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層14よりも広くされている。この窓層13に用いるAlGaAs系材料としては、組成式AlGa(1−x)As(0<x≦1)にて表されるものを用いることができる。窓層13の厚さは10μm未満とすることが好ましく、30nm以上5μm以下とすることがより好ましい。これは、厚さが30nm未満の場合には、窓層13が光電子に対して障壁として作用しなくなり、厚さが5μmを超える場合には、窓層13を形成するために行うエピタキシャル成長に要する成長時間の面から実用的でなくなるためである。また、窓層13はp型にドーピングされていることが好ましい。 The window layer 13 is interposed between the light absorption layer 14 and the substrate 11 and is formed on the surface of the second antireflection layer 12B of the antireflection film 12. The window layer 13 is made of an AlGaAs material and has an energy band gap wider than that of the light absorption layer 14. As the AlGaAs-based material used for the window layer 13, a material expressed by a composition formula Al x Ga (1-x) As (0 <x ≦ 1) can be used. The thickness of the window layer 13 is preferably less than 10 μm, and more preferably 30 nm to 5 μm. This is because when the thickness is less than 30 nm, the window layer 13 does not act as a barrier against photoelectrons, and when the thickness exceeds 5 μm, the growth required for epitaxial growth to form the window layer 13 is required. This is because it is not practical in terms of time. The window layer 13 is preferably doped p-type.

光吸収層14は、基板11の光入射面を通過した光hνに応じて光電子放出面14Eから光電子を放出する化合物半導体層である。光吸収層14は例えばGaAsから構成され、ドーピング濃度(原子濃度)が1017cm−3以上1020cm−3以下となる範囲でp型にドーピングされている。なお、キャリア濃度は、1018以上3×1019cm−3以下の範囲とすることがより好ましい。また、光吸収層14の厚さは0.5μm以上5μm以下とすることが好ましく、1μm以上2.5μm以下とすることがより好ましい。この厚さは光吸収層14の光電子の拡散長と光吸収率によって決定することができる。 The light absorption layer 14 is a compound semiconductor layer that emits photoelectrons from the photoelectron emission surface 14 </ b> E according to the light hν that has passed through the light incident surface of the substrate 11. The light absorption layer 14 is made of GaAs, for example, and is doped p-type in a range where the doping concentration (atomic concentration) is 10 17 cm −3 or more and 10 20 cm −3 or less. The carrier concentration is more preferably in the range of 10 18 or more and 3 × 10 19 cm −3 or less. Further, the thickness of the light absorption layer 14 is preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 2.5 μm or less. This thickness can be determined by the photoelectron diffusion length of the light absorption layer 14 and the light absorption rate.

電極層15は、基板11から光吸収層14に至る部位を同電位とするように形成されている。具体的には、図1に示されるように、光電陰極10の上面である光電子放出面14E上において、電極層15はストライプ状に形成され、光電子放出面14Eの一部を露出する開口15Hを有する形状とされている。換言すれば、光吸収層14上に複数の開口15Hを含むパターンを伴って形成されている。   The electrode layer 15 is formed so that the part from the substrate 11 to the light absorption layer 14 has the same potential. Specifically, as shown in FIG. 1, on the photoelectron emission surface 14E that is the upper surface of the photocathode 10, the electrode layer 15 is formed in a stripe shape, and an opening 15H that exposes a part of the photoelectron emission surface 14E is formed. The shape has. In other words, the light absorption layer 14 is formed with a pattern including a plurality of openings 15H.

また、図2に示されるように、電極層15は、基板11、反射防止膜12、窓層13及び光吸収層14の側面を覆うように形成されている。換言すれば、光吸収層14の側部を介して、基板11の一部に接するまで延在する部分を有している。   As shown in FIG. 2, the electrode layer 15 is formed so as to cover the side surfaces of the substrate 11, the antireflection film 12, the window layer 13, and the light absorption layer 14. In other words, it has a portion that extends through a side portion of the light absorption layer 14 until it contacts a part of the substrate 11.

電極層15の材料としては、半導体層である光吸収層14とオーミックな接触をとることができる材料を用いることが好ましい。ここでいうオーミックな接触とは、理想的なオーミックである必要はなく、オーミック的な接触と呼べるものであればよい。このような材料としては、タングステン、タンタル、クロミウム、チタニウムなどの高融点金属及びそれらのシリサイド、カーバイドなどの合金を好適に用いることができる。なお、光吸収層14にGaAsを用いた場合には、電極層15の材料としては、クロミウムを用いることが好ましい。また、電極層15の厚さは10μm以下とすることが好ましく、3nm以上1μm以下とすることがより好ましい。上述のクロミウムを用いて蒸着とフォトリソグラフィーにより電極層15を形成した際に、厚さが3nm未満の場合、形成された薄膜が電極として十分な導電性を有さなくなり、厚さが10μmを超える場合、蒸着速度の面から実用的でなくなる。   As a material for the electrode layer 15, it is preferable to use a material that can make ohmic contact with the light absorption layer 14 that is a semiconductor layer. The ohmic contact here does not need to be an ideal ohmic contact, but may be anything that can be called an ohmic contact. As such a material, refractory metals such as tungsten, tantalum, chromium, and titanium and alloys thereof such as silicide and carbide can be preferably used. In addition, when GaAs is used for the light absorption layer 14, it is preferable to use chromium as the material of the electrode layer 15. Further, the thickness of the electrode layer 15 is preferably 10 μm or less, and more preferably 3 nm or more and 1 μm or less. When the electrode layer 15 is formed by vapor deposition and photolithography using the above-described chromium, if the thickness is less than 3 nm, the formed thin film does not have sufficient conductivity as an electrode, and the thickness exceeds 10 μm. In this case, it becomes impractical from the viewpoint of the deposition rate.

また、電極層15の線幅は50nm以上100μm未満とすることが好ましく、100nm以上10μm未満とすることがより好ましい。間隔は50nm以上1000μm未満とすることが好ましく、100nm以上200μm未満とすることがより好ましい。このような範囲とすることで、電子線リソグラフィーなどの特別な装置を用いなくとも、一般的な光リソグラフィーで比較的再現性良く形成することができる。   The line width of the electrode layer 15 is preferably 50 nm or more and less than 100 μm, and more preferably 100 nm or more and less than 10 μm. The interval is preferably 50 nm or more and less than 1000 μm, and more preferably 100 nm or more and less than 200 μm. By setting it as such a range, even if it does not use special apparatuses, such as an electron beam lithography, it can form with sufficient reproducibility by general optical lithography.

活性層16は、光電子の放出に必要な仕事関数を低下させるために形成される層であり、厚さは0.5単分子層程度である。この活性層16の材料にはCsOを用いることができるが、アルカリ金属としてはCs以外にK、Rb、Naなどを用いてもよく、Oの代わりにはFなどを用いてもよい。   The active layer 16 is a layer formed in order to lower the work function necessary for the emission of photoelectrons, and has a thickness of about 0.5 monomolecular layer. CsO can be used as the material of the active layer 16, but K, Rb, Na, or the like may be used as the alkali metal in addition to Cs, and F or the like may be used instead of O.

次に、第1実施形態に係る光電陰極の製造方法について説明する。なお、本実施形態に係る光電陰極は、特許文献3に記載されている透過型光電面と同様の方法で製造することができる。   Next, a method for manufacturing the photocathode according to the first embodiment will be described. Note that the photocathode according to the present embodiment can be manufactured by the same method as the transmission type photocathode described in Patent Document 3.

まず、GaAsからなる半導体基板を用意する。つぎに、この上にエピタキシャル成長装置(図示せず)を用いてAlGaAsからなるエッチングストップ層(図示せず)、GaAsからなる光吸収層14、そしてAlGaAsからなる窓層13を順次堆積させ、ヘテロ構造を有した半導体多層膜を作製する。   First, a semiconductor substrate made of GaAs is prepared. Next, an etching stop layer (not shown) made of AlGaAs, a light absorption layer 14 made of GaAs, and a window layer 13 made of AlGaAs are sequentially deposited thereon using an epitaxial growth apparatus (not shown). A semiconductor multilayer film having the above is manufactured.

半導体多層膜を作成した後、CVD法を用いることにより、窓層13上面に被検出光の波長に応じた膜厚で第2反射防止層12B(例えば、Si)と第1反射防止層12A(例えば、SiO)を順に堆積し、反射防止膜12を形成する。 After forming the semiconductor multilayer film, the second antireflection layer 12B (for example, Si 3 N 4 ) and the first antireflection film are formed on the upper surface of the window layer 13 with a film thickness corresponding to the wavelength of the detected light by using the CVD method. A layer 12A (eg, SiO 2 ) is sequentially deposited to form the antireflection film 12.

形成した反射防止膜12は基板11と熱圧着させる。このとき、基板11の材料には、GaAsからなる光吸収層14の熱膨張係数に比較的近く、かつ、反射防止膜12の構成材料よりも転移温度の低い材料、例えば、コーニング社の7056ガラスを用いる。   The formed antireflection film 12 is thermocompression bonded to the substrate 11. At this time, the material of the substrate 11 is relatively close to the thermal expansion coefficient of the light absorption layer 14 made of GaAs and has a lower transition temperature than the constituent material of the antireflection film 12, such as Corning 7056 glass. Is used.

基板11を反射防止膜12と熱圧着させた後、半導体基板に対してアンモニア系溶液を用いて選択的エッチングを行なうと、エッチング除去はエッチングストップ層が露出したときに自動的に停止する。   After the substrate 11 is thermocompression bonded to the antireflection film 12, if the semiconductor substrate is selectively etched using an ammonia-based solution, the etching removal is automatically stopped when the etching stop layer is exposed.

露出したエッチングストップ層に対して塩酸溶液を用いてエッチングを行なうと、エッチングは光吸収層14において自動的に停止し、光吸収層14の面が露出する。そして、所定のマスクを用いることによって、図1及び図2に示されるように、光吸収層14の光電子放出面14Eの一部を露出する開口15Hを有する電極層15としてクロミウムを蒸着させる。   When etching is performed on the exposed etching stop layer using a hydrochloric acid solution, the etching automatically stops in the light absorption layer 14 and the surface of the light absorption layer 14 is exposed. Then, by using a predetermined mask, chromium is vapor-deposited as the electrode layer 15 having an opening 15H exposing a part of the photoelectron emission surface 14E of the light absorption layer 14, as shown in FIGS.

最後に、電極層15の開口15Hによって露出された光吸収層14の光電子放出面14EにCs及びOを蒸着させる。これにより、図1及び図2に示される光電陰極10が得られる。 Finally, Cs and O 2 are deposited on the photoelectron emission surface 14E of the light absorption layer 14 exposed through the opening 15H of the electrode layer 15. Thereby, the photocathode 10 shown in FIG.1 and FIG.2 is obtained.

以上に説明した第1実施形態に係る光電陰極10によれば、基板11から光吸収層14に至る部位を同電位とするように、光電子放出面14E上に電極層が形成される。このように構成することで、光電陰極10の全体に電荷が供給されると共に、光電子放出面14Eが有する特性の均質化が図られる。従って、電極層が形成される前の状態で1kΩ/sq.以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、光電子放出面14Eの全体が有効に活用されることで強い入射光に対しても入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、感度特性が改善される。更に、電極層が形成される前の状態で10kΩ/sq.以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能となる。また、光電子放出面14Eが有する特性の均質化が図られることで、光電陰極10に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。   According to the photocathode 10 according to the first embodiment described above, the electrode layer is formed on the photoelectron emission surface 14E so that the portion from the substrate 11 to the light absorption layer 14 has the same potential. With this configuration, charges are supplied to the entire photocathode 10 and the characteristics of the photoelectron emission surface 14E are homogenized. Therefore, in the state before the electrode layer is formed, 1 kΩ / sq. Even with a photocathode having a high surface resistance value as described above, the entire photoelectron emission surface 14E can be effectively utilized to emit photoelectrons corresponding to the intensity of incident light even with strong incident light. Sensitivity characteristics are improved. Furthermore, 10 kΩ / sq. In the state before the electrode layer is formed. Even a photocathode having an extremely high surface resistance as described above can be operated at a high speed. In addition, since the characteristics of the photoelectron emission surface 14E are homogenized, the rise when a high voltage is applied to the photocathode 10 is improved, so that a wide dynamic range is realized.

また、光電陰極10は、光吸収層14と基板11との間に介在し、AlGaAs系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広い窓層13を備えている。このように構成することで、光吸収層14と基板11との間の格子不整合を緩和できるだけでなく、窓層13を光電子に対して壁として作用させることができる。   The photocathode 10 is interposed between the light absorption layer 14 and the substrate 11, is composed of an AlGaAs-based material, and includes a window layer 13 having an energy band gap wider than that of the light absorption layer. With this configuration, not only the lattice mismatch between the light absorption layer 14 and the substrate 11 can be reduced, but also the window layer 13 can act as a wall against photoelectrons.

また、光電陰極10は、基板11と窓層13との間に反射防止膜12が介在しているため、光吸収層14に入射する光について所望の波長の反射率が低減され、光電子を放出する効率を高めることができる。   In addition, since the anti-reflection film 12 is interposed between the substrate 11 and the window layer 13 in the photocathode 10, the reflectance at a desired wavelength is reduced with respect to the light incident on the light absorption layer 14, and photoelectrons are emitted. Efficiency can be increased.

(第2実施形態)
図3は図1におけるII-II線に沿った第2実施形態に係る光電陰極20の断面図である。なお、光電陰極20の平面図は図1と同様の図となるため、図1において対応する要素に対応する符号を付すことで省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the photocathode 20 according to the second embodiment along the line II-II in FIG. In addition, since the top view of the photocathode 20 becomes a figure similar to FIG. 1, it abbreviate | omits by attaching | subjecting the code | symbol corresponding to a corresponding element in FIG.

光電陰極20は、基板21と、バッファ層22と、光吸収層23と、開口24Hを有する電極層24と、を備えている。光吸収層23は、光の入射に応じて光電子を放出する光電子放出面23Eを有している。また、この光電子放出面23E側において、開口24Hにより露出された光電子放出面23Eと電極層24との上には、活性層25が形成されている。なお、本実施形態における窒化物半導体とは、III族元素としてIn、Ga、Alのうち少なくとも1つ以上を含み、V族元素として少なくともNを含む窒化物半導体またはそれらの混晶及びこれらの積層からなる半導体構造を意味する。   The photocathode 20 includes a substrate 21, a buffer layer 22, a light absorption layer 23, and an electrode layer 24 having an opening 24H. The light absorption layer 23 has a photoelectron emission surface 23E that emits photoelectrons in response to the incidence of light. On the photoelectron emission surface 23E side, an active layer 25 is formed on the photoelectron emission surface 23E and the electrode layer 24 exposed by the opening 24H. The nitride semiconductor in the present embodiment is a nitride semiconductor containing at least one of In, Ga, and Al as a group III element and at least N as a group V element, or a mixed crystal thereof, and a stacked layer thereof. Means a semiconductor structure consisting of

基板21は、光入射面を一面に有する板状部材であり、被検出光の波長に対して透明で、且つ、良好な品質の窒化物半導体がエピタキシャル成長できる材料であればよい。このような材料としては、例えばサファイアがある。また、サファイア以外ではAlN、AlGaNなどの単結晶基板、ZnO、LAO、LGOなどの酸化物基板などを用いることができる。また、基板21の材料は、これらの材料を組み合わせたものでも構わない。   The substrate 21 is a plate-like member having a light incident surface on one surface, and may be any material that is transparent to the wavelength of the light to be detected and can epitaxially grow a nitride semiconductor of good quality. An example of such a material is sapphire. In addition to sapphire, single crystal substrates such as AlN and AlGaN, oxide substrates such as ZnO, LAO, and LGO can be used. Further, the material of the substrate 21 may be a combination of these materials.

バッファ層22は、基板21と光吸収層23との間に介在し、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層23よりも広くされている。このバッファ層22は光吸収層23との間の格子不整合を緩和するための層であるので、必ずしも単層である必要はなく多膜層でも構わない。また、膜厚も特に制限されず、形状は平坦であっても、凹凸構造を有していてもよい。   The buffer layer 22 is interposed between the substrate 21 and the light absorption layer 23, is made of a nitride semiconductor, and has an energy band gap wider than that of the light absorption layer 23. Since the buffer layer 22 is a layer for relaxing the lattice mismatch with the light absorption layer 23, the buffer layer 22 is not necessarily a single layer and may be a multi-layer. The film thickness is not particularly limited, and the shape may be flat or may have a concavo-convex structure.

光吸収層23は、窒化物半導体から構成されると共に、基板21の光入射面を通過した光hνに応じて光電子放出面23Eから光電子を放出する。光吸収層23に用いる窒化物半導体は、例えば、(Al)GaNを用いることができるが、被検出光の波長に応じて、所望の組成(In,Ga,Al)N混晶を選択するとよい。また、光吸収層23の膜厚は、光電子の拡散長程度として、例えば100nmとすることができるが、拡散長は光吸収層の結晶性によって左右されるため、50nm以上500nm以下の範囲で選択するとよい。また、光吸収層23はp型にドーピングすることが好ましく、そのドーピング濃度(原子濃度)は1017cm−3以上1020cm−3以下の範囲が好適である。 The light absorption layer 23 is made of a nitride semiconductor and emits photoelectrons from the photoelectron emission surface 23E according to the light hν that has passed through the light incident surface of the substrate 21. For example, (Al) GaN can be used as the nitride semiconductor used for the light absorption layer 23, but a desired composition (In, Ga, Al) N mixed crystal may be selected according to the wavelength of the light to be detected. . The film thickness of the light absorption layer 23 can be set to, for example, 100 nm as the diffusion length of photoelectrons. However, the diffusion length depends on the crystallinity of the light absorption layer, and is selected in the range of 50 nm to 500 nm. Good. The light absorption layer 23 is preferably doped p-type, and the doping concentration (atomic concentration) is preferably in the range of 10 17 cm −3 to 10 20 cm −3 .

電極層24は、基板21から光吸収層23に至る部位を同電位とするように形成されている。具体的には、図1に示されるように、光電陰極20の光電子放出面23E上において、電極層24はストライプ状に形成され、光電子放出面23Eの一部を露出する開口24Hを有する形状とされている。本実施形態では、図3に示されるように、電極層24は第1実施形態のように光電陰極の側面全体を覆うようには形成されておらず、基板21については、側面に電極層を形成せずに、バッファ層22及び光吸収層23の幅よりも広くされた部分の端面にのみ電極層24を形成している。   The electrode layer 24 is formed so that the part from the substrate 21 to the light absorption layer 23 has the same potential. Specifically, as shown in FIG. 1, on the photoelectron emission surface 23E of the photocathode 20, the electrode layer 24 is formed in a stripe shape, and has a shape having an opening 24H exposing a part of the photoelectron emission surface 23E. Has been. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the electrode layer 24 is not formed so as to cover the entire side surface of the photocathode as in the first embodiment, and the substrate 21 has an electrode layer on the side surface. Without being formed, the electrode layer 24 is formed only on the end face of the portion wider than the width of the buffer layer 22 and the light absorption layer 23.

電極層24の形状は、例えば、厚さ500nm、線幅2μm、間隔100μmとすることができる。なお、電極層24の形状は特に限定されるものではないが、厚さが薄すぎると電極の抵抗が高くなり、厚すぎると剥がれやすくなる。また、線幅は太すぎると光電子放出面23Eの表面積に対する開口24Hの表面積の割合(開口率)が低下し光電子を十分に放出できなくなるが、細すぎると断線する恐れがある。間隔は窒化物半導体層の抵抗率に依存するが、広すぎると光電子放出面23Eの全体を有効に活用することができなくなり、高ダイナミックレンジの実現と高速ゲート動作ができなくなり、狭すぎると開口率が低下し光電子を十分に放出できなくなる。   The shape of the electrode layer 24 can be, for example, a thickness of 500 nm, a line width of 2 μm, and an interval of 100 μm. The shape of the electrode layer 24 is not particularly limited. However, if the thickness is too thin, the resistance of the electrode is increased, and if the thickness is too thick, the electrode layer 24 is easily peeled off. If the line width is too thick, the ratio of the surface area of the opening 24H to the surface area of the photoelectron emission surface 23E (aperture ratio) is reduced, and photoelectrons cannot be emitted sufficiently. The spacing depends on the resistivity of the nitride semiconductor layer, but if it is too wide, the entire photoelectron emission surface 23E cannot be used effectively, and a high dynamic range and high-speed gate operation cannot be achieved. The rate decreases and photoelectrons cannot be emitted sufficiently.

電極層24の厚さは10μm以下とすることが好ましく、3nm以上1μm以下とすることがより好ましい。線幅は50nm以上100μm未満とすることが好ましく、100nm以上10μm未満とすることがより好ましい。間隔は50nm以上1000μm未満とすることが好ましく、100nm以上200μm未満とすることがより好ましい。このような範囲とすることで、電子線リソグラフィーなどの特別な装置を用いなくとも、一般的な光リソグラフィーと蒸着で比較的再現性良く形成することができる。   The thickness of the electrode layer 24 is preferably 10 μm or less, and more preferably 3 nm or more and 1 μm or less. The line width is preferably 50 nm or more and less than 100 μm, and more preferably 100 nm or more and less than 10 μm. The interval is preferably 50 nm or more and less than 1000 μm, and more preferably 100 nm or more and less than 200 μm. By setting it as such a range, even if it does not use special apparatuses, such as an electron beam lithography, it can form with sufficient reproducibility by general optical lithography and vapor deposition.

電極層24の材料としては、第1実施形態と同様に、半導体層である光吸収層23とオーミックな接触をとることができる材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えばCrを用いることができるが、抵抗の低い材料であれば特に限定されない。ただし、Csなどのアルカリ金属と反応しにくい材料を選択することが好ましい。   As the material of the electrode layer 24, it is preferable to use a material that can make ohmic contact with the light absorption layer 23, which is a semiconductor layer, as in the first embodiment. As such a material, for example, Cr can be used, but there is no particular limitation as long as the material has a low resistance. However, it is preferable to select a material that hardly reacts with an alkali metal such as Cs.

また、光吸収層23が窒化物半導体である場合はタングステン、タンタルなどの高融点金属、あるいはそれらのシリサイド、カーバイドなどの合金が好適である。窒化物半導体から構成される光電陰極の場合、後述するように活性層25を形成する前の表面清浄化の工程でGaAs等から構成される光電陰極よりも高い温度が要求されるためである。   Further, when the light absorption layer 23 is a nitride semiconductor, a refractory metal such as tungsten or tantalum or an alloy thereof such as silicide or carbide is preferable. This is because a photocathode made of a nitride semiconductor requires a higher temperature than a photocathode made of GaAs or the like in the surface cleaning step before forming the active layer 25 as will be described later.

活性層25は、第1実施形態の活性層16と同様に、光電子の放出に必要な仕事関数を低下させるために形成される層であり、第1実施形態と同様の材料を選択することができる。   The active layer 25 is a layer formed in order to lower the work function necessary for the emission of photoelectrons, like the active layer 16 of the first embodiment, and the same material as that of the first embodiment can be selected. it can.

引き続き、第2実施形態に係る光電陰極の製造方法について、基板21にサファイア、電極層24にタングステン(W)を用いた場合を説明する。   Next, a case where sapphire is used for the substrate 21 and tungsten (W) is used for the electrode layer 24 will be described for the method for manufacturing the photocathode according to the second embodiment.

まず、サファイアからなる基板21を用意し、この上にエピタキシャル成長装置(図示せず)を用いて、バッファ層22及び光吸収層23を順次堆積させる。次に、光吸収層23の光電子放出面23Eと、バッファ層22及び光吸収層23の側面と、基板21の端面とにWを蒸着する。   First, a substrate 21 made of sapphire is prepared, and a buffer layer 22 and a light absorption layer 23 are sequentially deposited thereon using an epitaxial growth apparatus (not shown). Next, W is deposited on the photoelectron emission surface 23 </ b> E of the light absorption layer 23, the side surfaces of the buffer layer 22 and the light absorption layer 23, and the end surface of the substrate 21.

次に、光電子放出面23E上に形成されたWの表面にフォトレジストを塗布し所定の熱処理を施した後、ストライプ状(上記の例であれば、線幅2μm、間隔100μm)のフォトマスクを用いて露光及び現像を行う。エッチングによりWを所定の形状に加工し、その後、フォトレジストを除去することで光吸収層23の光電子放出面23E上に所定の形状を有する電極層24を形成する。最後に、電極層24の開口24Hによって露出された光吸収層23の光電子放出面23Eと、光電子放出面23Eに形成されている電極層24にCs及びOを蒸着させる。このように活性層25を形成することで光電子放出面23Eの表面における仕事関数を低下させる。これにより、図3に示される光電陰極20が得られる。 Next, after applying a photoresist to the surface of W formed on the photoelectron emission surface 23E and performing a predetermined heat treatment, a stripe-shaped photomask (in the above example, a line width of 2 μm and an interval of 100 μm) is formed. Used for exposure and development. The W is processed into a predetermined shape by etching, and then the photoresist is removed to form the electrode layer 24 having a predetermined shape on the photoelectron emission surface 23E of the light absorption layer 23. Finally, Cs and O 2 are deposited on the photoelectron emission surface 23E of the light absorption layer 23 exposed through the opening 24H of the electrode layer 24 and the electrode layer 24 formed on the photoelectron emission surface 23E. By forming the active layer 25 in this way, the work function on the surface of the photoelectron emission surface 23E is lowered. Thereby, the photocathode 20 shown in FIG. 3 is obtained.

以上に説明した第2実施形態に係る光電陰極20によれば、基板21から光吸収層23に至る部位を同電位とするように、光電子放出面23E上に電極層24が形成される。このように構成することで、光電陰極10の全体に電荷が供給されると共に、光電子放出面23Eが有する特性の均質化が図られる。従って、光吸収層23に光電陰極の面抵抗を高くする要因となる窒化物半導体が用いられることで、電極層が形成される前の状態で1kΩ/sq.以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、光電子放出面23Eの全体が有効に活用されることで強い入射光に対しても入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、感度特性が改善される。更に、光吸収層23に窒化物半導体が用いられることで、電極層が形成される前の状態で10kΩ/sq.以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能となる。また、光電子放出面23Eが有する特性の均質化が図られることで、光電陰極20に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。   According to the photocathode 20 according to the second embodiment described above, the electrode layer 24 is formed on the photoelectron emission surface 23E so that the portion from the substrate 21 to the light absorption layer 23 has the same potential. With this configuration, charges are supplied to the entire photocathode 10 and the characteristics of the photoelectron emission surface 23E are homogenized. Therefore, by using a nitride semiconductor that causes the surface resistance of the photocathode to be increased in the light absorption layer 23, the state before the electrode layer is formed is 1 kΩ / sq. Even with a photocathode having a high surface resistance as described above, the entire photoelectron emission surface 23E can be effectively utilized to emit photoelectrons corresponding to the intensity of incident light even with strong incident light. Sensitivity characteristics are improved. Furthermore, by using a nitride semiconductor for the light absorption layer 23, 10 kΩ / sq. In the state before the electrode layer is formed. Even a photocathode having an extremely high surface resistance as described above can be operated at a high speed. In addition, since the characteristics of the photoelectron emission surface 23E are homogenized, the rise when a high voltage is applied to the photocathode 20 is improved, so that a wide dynamic range is realized.

また、光吸収層23と基板21との間に、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層23よりも広いバッファ層22が介在しているため、光吸収層と基板との間の格子不整合を緩和することができる。また、光電子に対してエネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広いバッファ層を障壁として作用させることができる。   In addition, since the buffer layer 22 having a wider energy band gap than the light absorption layer 23 is interposed between the light absorption layer 23 and the substrate 21, the light absorption layer and the substrate Can be relaxed. In addition, a buffer layer having a wider energy band gap than the light absorption layer can act as a barrier for photoelectrons.

(画像増強管)
次に、上述の実施形態に記載の光電陰極が適用される電子管として、画像増強管について説明する。
(Image intensifier tube)
Next, an image intensifier tube will be described as an electron tube to which the photocathode described in the above embodiment is applied.

図4は、上記光電陰極として第1の実施形態に係る光電陰極20を備える画像増強管100の断面模式図である。画像増強管100は、光電陰極20と、マイクロチャンネルプレート(MCP)101と、蛍光体102と、ガラスプレート103と、を備え、各構成要素は、真空容器110に収容されている。また、光電陰極20、MCP101及び蛍光体102には、所望の電位を与えるための複数の電極121,122,123,124が設けられており、光電陰極20と真空容器110とは、In等からなるシール部104でシールされている。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an image intensifier tube 100 including the photocathode 20 according to the first embodiment as the photocathode. The image intensifier tube 100 includes a photocathode 20, a microchannel plate (MCP) 101, a phosphor 102, and a glass plate 103, and each component is housed in a vacuum vessel 110. The photocathode 20, the MCP 101, and the phosphor 102 are provided with a plurality of electrodes 121, 122, 123, and 124 for applying a desired potential. The photocathode 20 and the vacuum vessel 110 are made of In or the like. It is sealed with a seal portion 104.

この画像増強管100は次の手順により作製される。まず、真空装置(図示せず)の中に、光電陰極10と共に、MCP101、蛍光体102及び電極121,122,123,124を取付けた真空容器110の側管部を設置する。真空装置の中に設置された光電陰極20は、排気後800℃程度に加熱されて、表面清浄化処理が施される。なお、この時点では、光電陰極20において、活性層25は形成されていないが、表面清浄化処理を施した後、真空装置を室温まで降温させて、CsとOを導入することで、光電陰極20の表面に活性層25が形成される。そして、真空装置内には、あらかじめ設置したしておいた真空容器110の側管部に光電陰極20を取付けて、シール部104にてInでシールすることにより画像増強管100が作製される。 The image intensifier tube 100 is manufactured by the following procedure. First, in the vacuum device (not shown), together with the photocathode 10, the side tube portion of the vacuum vessel 110 to which the MCP 101, the phosphor 102, and the electrodes 121, 122, 123, 124 are attached is installed. The photocathode 20 installed in the vacuum apparatus is heated to about 800 ° C. after being evacuated and subjected to surface cleaning treatment. At this time, the active layer 25 is not formed in the photocathode 20, but after performing the surface cleaning treatment, the vacuum apparatus is cooled to room temperature, and Cs and O 2 are introduced, so that An active layer 25 is formed on the surface of the cathode 20. Then, in the vacuum apparatus, the photocathode 20 is attached to the side tube portion of the vacuum vessel 110 that has been installed in advance, and the image intensifier tube 100 is manufactured by sealing with In at the seal portion 104.

続いて、画像増強管100の動作を図3及び図4を用いて説明する。被検出光hνが画像増強管100の入射窓となる光電陰極20の基板21に入射すると、被検出光hνは基板21、バッファ層22を透過して光吸収層23で吸収されて光電子が励起される。励起された光電子は、光吸収層23内で拡散した後、電極層24の開口24Hによって露出された光吸収層23の光電子放出面23Eから活性層25を経て真空中へ放出される。真空中へ放出された光電子は蛍光体102に入射し発光する。蛍光体102からの発光はガラスプレート103を通して画像増強管100の外部に取り出される。   Next, the operation of the image intensifier tube 100 will be described with reference to FIGS. When the light to be detected hν is incident on the substrate 21 of the photocathode 20 serving as the entrance window of the image intensifier tube 100, the light to be detected hν passes through the substrate 21 and the buffer layer 22 and is absorbed by the light absorption layer 23 to excite photoelectrons. Is done. The excited photoelectrons are diffused in the light absorption layer 23 and then emitted into the vacuum from the photoelectron emission surface 23E of the light absorption layer 23 exposed by the opening 24H of the electrode layer 24 through the active layer 25. The photoelectrons emitted into the vacuum enter the phosphor 102 and emit light. Light emitted from the phosphor 102 is extracted outside the image intensifier tube 100 through the glass plate 103.

なお、図4では、光電陰極として第2実施形態に係る光電陰極20を適用した場合を示したが、光電陰極20の代わりに第1実施形態に係る光電陰極10を適用してもよい。   4 shows the case where the photocathode 20 according to the second embodiment is applied as the photocathode, the photocathode 10 according to the first embodiment may be applied instead of the photocathode 20.

画像増強管では、画像のサンプリングを行うために、画像増強管内部にある電極の電位を変化させることで電極に対して短いパルス状の電圧を印加させるゲート動作を行う。次に、画像増強管をゲート動作させるための構成及び動作について説明する。   In the image intensifier tube, in order to perform image sampling, a gate operation is performed in which a short pulse voltage is applied to the electrode by changing the potential of the electrode in the image intensifier tube. Next, the configuration and operation for performing the gate operation of the image intensifier tube will be described.

図5は、陽極との間にパルス状の電圧を印加する電圧印加回路(電圧印加手段)の構成を示す模式図である。図5に示される電圧印加回路150は、電源部151と、スイッチ152と、電流計153と、制御部154と、抵抗R1,R2,R3と、を備え、図4に示される画像増強管100の電極と電気的に接続される。図5において示されるV,V,V,Vは各部の電位を示し、図4においてV,V,V,Vが付されている電極121,122,123,124とそれぞれ接続されて、回路の電流は電流計153により計測される。 FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a voltage application circuit (voltage application means) that applies a pulsed voltage to the anode. The voltage application circuit 150 shown in FIG. 5 includes a power supply unit 151, a switch 152, an ammeter 153, a control unit 154, and resistors R1, R2, and R3. The image intensifier tube 100 shown in FIG. The electrode is electrically connected. V K , V , V + , and VA shown in FIG. 5 indicate the potential of each part, and electrodes 121, 122, 123, and 124 to which V K , V , V + , and VA are attached in FIG. 4. And the circuit current is measured by an ammeter 153.

この電圧印加回路150に対して、外部より制御部154に動作トリガー(図5において、外部より制御部154に向けられた矢印)が入力されると、スイッチ152がオンになると共に、電源部151が動作して画像増強管100の電極121,122,123,124に対して、それぞれV,V,V,Vの電位が加えられる。このとき、電源部151は、光電陰極20に対してパルス状の電圧を印加することで、光電陰極20とMCP101との間の電位を変化させる。そして、光電陰極20の電位よりMCP101の電位が高い場合には、ゲート動作がオンの状態となり、光電陰極20で変換された光電子像は電位の高いMCP101へ引き寄せられ、増倍された後、蛍光体102へと導かれ光学像として出力される。一方、光電陰極20の電位よりMCP101の電位が低い場合には、ゲート動作がオフの状態となり、光電陰極20で変換された光電子像は電位の低いMCP101から反発され、遮断される。 When an operation trigger (in FIG. 5, an arrow directed to the control unit 154 from the outside) is input to the voltage application circuit 150 from the outside, the switch 152 is turned on and the power supply unit 151 is turned on. Is operated, and potentials V K , V , V + , and VA are applied to the electrodes 121, 122, 123, and 124 of the image intensifier tube 100, respectively. At this time, the power supply unit 151 changes the potential between the photocathode 20 and the MCP 101 by applying a pulsed voltage to the photocathode 20. When the potential of the MCP 101 is higher than the potential of the photocathode 20, the gate operation is turned on, and the photoelectron image converted by the photocathode 20 is attracted to the MCP 101 having a higher potential and multiplied. It is guided to the body 102 and output as an optical image. On the other hand, when the potential of the MCP 101 is lower than the potential of the photocathode 20, the gate operation is turned off, and the photoelectron image converted by the photocathode 20 is repelled from the low potential MCP 101 and blocked.

なお、ここでは画像増強管に対して行うゲート動作を例として説明したが、光電子増倍管などの電子管についても同様の電圧印加回路を用いてゲート動作をさせることができる。   Here, the gate operation performed on the image intensifier tube has been described as an example. However, an electron tube such as a photomultiplier tube can be gated using a similar voltage application circuit.

(光電子増倍管)
次に、上述の実施形態に記載の光電陰極が適用される電子管として、光電子増倍管について説明する。
(Photomultiplier tube)
Next, a photomultiplier tube will be described as an electron tube to which the photocathode described in the above embodiment is applied.

図6は、上記光電陰極として第1の実施形態に係る光電陰極10を備える光電子増倍管200の断面模式図である。光電子増倍管200は、光電陰極10と、電子増倍部201と、読み出し電極(陽極)202とを備えており、各構成要素は金属からなる真空容器210に収容されている。更に、電子増倍部201及び真空容器210には、所望の電位を与えるための複数の電極222,223,224が設けられている。また、この光電子増倍管200についても上述の画像増強管100の場合と同様に、図5に示される電圧印加回路150に光電子増倍管200を取付け、パルス状の電圧を印加することで、光電子増倍管200をゲート動作させることができる。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a photomultiplier tube 200 including the photocathode 10 according to the first embodiment as the photocathode. The photomultiplier tube 200 includes a photocathode 10, an electron multiplier 201, and a readout electrode (anode) 202, and each component is housed in a vacuum vessel 210 made of metal. Furthermore, the electron multiplier 201 and the vacuum vessel 210 are provided with a plurality of electrodes 222, 223, and 224 for applying a desired potential. Further, also for the photomultiplier tube 200, as in the case of the image intensifier tube 100 described above, by attaching the photomultiplier tube 200 to the voltage application circuit 150 shown in FIG. 5 and applying a pulsed voltage, The photomultiplier tube 200 can be gated.

なお、図6では、光電陰極として第1実施形態に係る光電陰極10を適用した場合を示したが、光電陰極10の代わりに第2実施形態に係る光電陰極20を適用してもよい。   Although FIG. 6 shows the case where the photocathode 10 according to the first embodiment is applied as the photocathode, the photocathode 20 according to the second embodiment may be applied instead of the photocathode 10.

ここまで、電子管の例として画像増強管と光電子増倍管を説明したが、本発明の光電陰極を適用した電子管はこれらに限られるものではない。具体的には、電子増倍部を含まない、いわゆる2極管タイプのものや、一般的な光電子増倍管のように2次電子増倍部を備えるポイントセンサなどにも本発明の光電陰極を適用することが可能である。また、陽極にフォトダイオードあるいは電荷結合素子(CCD)などを用い高電圧を印加して光電子を加速して打ち込む、いわゆる電子打ち込み型の電子管にも適用できる。   So far, the image intensifier tube and the photomultiplier tube have been described as examples of the electron tube, but the electron tube to which the photocathode of the present invention is applied is not limited thereto. Specifically, the photocathode of the present invention is also applied to a so-called bipolar tube type that does not include an electron multiplier, or a point sensor having a secondary electron multiplier such as a general photomultiplier. It is possible to apply. Further, the present invention can also be applied to a so-called electron-injection type electron tube in which a photo diode is accelerated and applied by applying a high voltage to the anode using a photodiode or a charge coupled device (CCD).

以上に説明した画像増幅管100及び光電子増倍管200といった電子管は第1若しくは第2実施形態に係る光電陰極10,20を備えており、光電陰極10,20において基板11,21から光吸収層14,23に至る部位を同電位とするように、光電子放出面14E,23E上に電極層15,24が形成されている。このように構成することで、第1若しくは第2実施形態に係る光電陰極の場合と同様に、光吸収層14,23に面抵抗が高い化合物半導体を用いた場合であっても、光電陰極の感度特性が改善されて、高速でのゲート動作が可能となる。更に、光電子放出面14E,23Eが有する特性の均質化が図られることで、光電陰極10,20に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。   The electron tubes such as the image amplifying tube 100 and the photomultiplier tube 200 described above include the photocathodes 10 and 20 according to the first or second embodiment. In the photocathodes 10 and 20, the light absorption layers are formed from the substrates 11 and 21. Electrode layers 15 and 24 are formed on the photoelectron emission surfaces 14E and 23E so that portions reaching 14 and 23 have the same potential. With this configuration, even in the case where a compound semiconductor having a high surface resistance is used for the light absorption layers 14 and 23 as in the case of the photocathode according to the first or second embodiment, Sensitivity characteristics are improved and high-speed gate operation becomes possible. Furthermore, since the characteristics of the photoelectron emission surfaces 14E and 23E are homogenized, the rise when a high voltage is applied to the photocathodes 10 and 20 is improved, so that a wide dynamic range is realized.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、光電陰極の光吸収層を構成する化合物半導体としては、次の特徴を有する材料を選択することができる。
・GaAs(第1実施形態):紫外から波長900nm付近までの感度を有する。通常の微弱光検出では問題がないが、高速ゲート動作では、有効径が大きい場合には中心部での感度低下、ダイナミックレンジの低下が生じる。
・GaAsP:波長500−600nm付近でGaAsよりも高い感度を有する。GaAsと同様に高速ゲート動作では、有効径が大きい場合には中心部での感度低下、ダイナミックレンジの低下が生じる。
・InGaAs:GaAsよりも長波長側に感度を有する。GaAsと同様に高速ゲート動作では、有効径が大きい場合には中心部での感度低下、ダイナミックレンジの低下が生じる。
・(Al)GaN(第2実施形態):紫外領域に高感度を有する。p型にドーピングされるが抵抗率がGaAs等の場合に比較して桁違いに高い。そのため、高速ゲート動作はもちろん通常の微弱光検出でもダイナミックレンジが狭いことが問題となるため、本発明が好適に適用される。Al組成を増加させることにより、可視光をカットしいわゆるソーラーブラインド特性が得られるが、その場合には光電陰極の抵抗率は更に高くなる。
・その他:半導体結晶にアルカリ金属化合物を塗布して仕事関数を低下させた、いわゆる負の電子親和力光電陰極(NEA光電陰極)に対しても本発明を適用することができる。
For example, a material having the following characteristics can be selected as the compound semiconductor constituting the light absorption layer of the photocathode.
GaAs (first embodiment): having sensitivity from ultraviolet to a wavelength near 900 nm. There is no problem with ordinary weak light detection. However, in the high-speed gate operation, when the effective diameter is large, the sensitivity is lowered at the center and the dynamic range is lowered.
GaAsP: has a higher sensitivity than GaAs in the vicinity of a wavelength of 500 to 600 nm. Similar to GaAs, in the high-speed gate operation, when the effective diameter is large, the sensitivity is lowered at the center and the dynamic range is lowered.
InGaAs: Sensitivity on the longer wavelength side than GaAs. Similar to GaAs, in the high-speed gate operation, when the effective diameter is large, the sensitivity is lowered at the center and the dynamic range is lowered.
(Al) GaN (second embodiment): High sensitivity in the ultraviolet region. Although doped in p-type, the resistivity is much higher than that of GaAs. For this reason, since the dynamic range is a problem even in normal weak light detection as well as high-speed gate operation, the present invention is preferably applied. By increasing the Al composition, visible light is cut and so-called solar blind characteristics are obtained. In this case, the resistivity of the photocathode is further increased.
Other: The present invention can be applied to a so-called negative electron affinity photocathode (NEA photocathode) in which an alkali metal compound is applied to a semiconductor crystal to lower the work function.

また、本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る光電陰極では、光電陰極の光電子放出面上において電極層がストライプ状に形成された場合を説明したが、当該電極層の形状はこれに限定されない。すなわち、光電子放出面上において電極層がストライプ状に形成されていなくとも、光吸収層上に複数の開口を含むパターンを伴って形成してもよい。また、複数の開口を含むパターンとしては、各開口が実質的に一定の間隔で設けられている部分を含むパターンとすることができる。なお、ここで「実質的に一定の間隔」とは、電極層の形成における形状上の制約や寸法精度に起因して一定の間隔ではない部分が生じる状態を含む。このような状態としては、例えば、光電子放出面の縁部近傍に形成される開口の形状が、光電子放出面の中央部に形成される開口の形状と異なるために、一定の間隔ではない部分を生じる場合がある。   In the photocathode according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention, the case where the electrode layer is formed in a stripe shape on the photoelectron emission surface of the photocathode has been described. It is not limited to. That is, even if the electrode layer is not formed in a stripe shape on the photoelectron emission surface, it may be formed with a pattern including a plurality of openings on the light absorption layer. Further, the pattern including a plurality of openings may be a pattern including a portion where each opening is provided at a substantially constant interval. Here, the “substantially constant interval” includes a state in which a portion that is not a constant interval is generated due to shape restrictions and dimensional accuracy in forming the electrode layer. As such a state, for example, the shape of the opening formed in the vicinity of the edge of the photoelectron emission surface is different from the shape of the opening formed in the center of the photoelectron emission surface. May occur.

形成される電極層の形状をストライプ状以外とする場合、例えば、図7に示されるように、メッシュ状に電極層15が形成されている部分を有していてもよい。なお、図7は、図1に対応する光電陰極の平面図であり、重複する説明は省略する。図1と異なる部分は、電極15H(24H)のパターン形状であり、電極15H(24H)は、メッシュ状のパターンを伴って、光吸収層上に形成されている。この場合も、ストライプ状の場合と同様に、光電子放出面が実質的に一定の間隔で露出している。   When the formed electrode layer has a shape other than the stripe shape, for example, as shown in FIG. 7, the electrode layer 15 may have a portion in which the electrode layer 15 is formed in a mesh shape. Note that FIG. 7 is a plan view of the photocathode corresponding to FIG. The portion different from FIG. 1 is the pattern shape of the electrode 15H (24H), and the electrode 15H (24H) is formed on the light absorption layer with a mesh pattern. Also in this case, as in the case of the stripe shape, the photoelectron emission surfaces are exposed at substantially constant intervals.

つまり、電極15H(24H)のパターン形状は、メッシュ状、スパイラル状、光電子放出面の外端部内方に複数の矩形が形成された形状のいずれでもよい。また、光電子放出面上における電極層間で形成される開口の幅(図1では、開口15H(24H)の幅)は、面抵抗や要求されるゲート速度に応じて定めればよい。   That is, the pattern shape of the electrode 15H (24H) may be any of a mesh shape, a spiral shape, and a shape in which a plurality of rectangles are formed inside the outer end portion of the photoelectron emission surface. Further, the width of the opening formed between the electrode layers on the photoelectron emission surface (the width of the opening 15H (24H) in FIG. 1) may be determined according to the surface resistance and the required gate speed.

本発明の第1実施形態に係る光電陰極の平面図である。1 is a plan view of a photocathode according to a first embodiment of the present invention. 図1におけるII-II線に沿った光電陰極の断面図である。It is sectional drawing of the photocathode along the II-II line | wire in FIG. 本発明の第2実施形態に係る光電陰極の断面図である。It is sectional drawing of the photocathode which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る光電陰極が適用された画像増強管の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the image intensifier tube to which the photocathode according to the embodiment of the present invention is applied. 本発明の実施の形態に係る電子管をゲート動作させるための電圧印加回路(電圧印加手段)の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the voltage application circuit (voltage application means) for carrying out gate operation | movement of the electron tube which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る光電陰極が適用された光電子増倍管の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the photomultiplier tube to which the photocathode which concerns on embodiment of this invention was applied. 本発明の実施形態に係る光電陰極の他の平面図である。It is another top view of the photocathode which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10,20…光電陰極、11,21…基板、12…反射防止膜、12A,12B…反射防止層、13…窓層、14,23…光吸収層、14E,23E…光電子放出面、15,24…電極層、15H,24H…開口、16,25…活性層、22…バッファ層、100…画像増強管(電子管)、101…マイクロチャンネルプレート(MCP)、102…蛍光体、103…ガラスプレート、104…シール部、110…真空容器、121,122,123,124,222,223,224…電極、150…電圧印加回路(電圧印加手段)、151…電源部、152…スイッチ、153…電流計、154…制御部、R1,R2,R3…抵抗、200…光電子増倍管(電子管)、201…電子増倍部、202…読み出し電極(陽極)、210…真空容器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 ... Photocathode, 11, 21 ... Substrate, 12 ... Antireflection film, 12A, 12B ... Antireflection layer, 13 ... Window layer, 14, 23 ... Light absorption layer, 14E, 23E ... Photoelectron emission surface, 15, 24 ... Electrode layer, 15H, 24H ... Opening, 16, 25 ... Active layer, 22 ... Buffer layer, 100 ... Image intensifier tube (electron tube), 101 ... Microchannel plate (MCP), 102 ... Phosphor, 103 ... Glass plate , 104, seal part, 110, vacuum vessel, 121, 122, 123, 124, 222, 223, 224, electrode, 150, voltage application circuit (voltage application means), 151, power supply unit, 152, switch, 153, current Total: 154: control unit, R1, R2, R3: resistance, 200: photomultiplier tube (electron tube), 201: electron multiplier unit, 202: readout electrode (anode), 210: vacuum Vessel.

Claims (10)

基板と、
前記基板上に形成され、化合物半導体から構成されると共に光の入射に応じて光電子放出面から光電子を放出する光吸収層と、
前記基板から前記光吸収層に至る部位を同電位とするように、前記光電子放出面上に形成されると共に前記光電子放出面を露出する開口を有する電極層と、
を備える光電陰極。
A substrate,
A light absorption layer formed on the substrate, composed of a compound semiconductor and emitting photoelectrons from a photoelectron emission surface in response to the incidence of light;
An electrode layer formed on the photoelectron emission surface and having an opening exposing the photoelectron emission surface so as to make the portion from the substrate to the light absorption layer have the same potential;
A photocathode comprising:
光入射面を有する基板と、
前記基板上に形成され、前記光入射面を通過する光に応じて光電子を放出し、かつ、化合物半導体から構成される光吸収層と、
前記光吸収層上に複数の開口を含むパターンを伴って形成され、かつ、前記基板の一部に接するまで延在する部分を有する電極層と、
を備える光電陰極。
A substrate having a light incident surface;
A light absorption layer formed on the substrate, emitting photoelectrons in response to light passing through the light incident surface, and composed of a compound semiconductor;
An electrode layer formed with a pattern including a plurality of openings on the light absorption layer, and having a portion extending to contact with a part of the substrate;
A photocathode comprising:
前記電極層は、前記光吸収層の側部を介して、前記基板の一部に接するまで延在する部分を有していることを特徴とする請求項2に記載の光電陰極。   3. The photocathode according to claim 2, wherein the electrode layer has a portion extending through a side portion of the light absorption layer until it contacts a part of the substrate. 前記パターンは、各開口が実質的に一定の間隔で設けられている部分を含むことを特徴とする請求項2に記載の光電陰極。   The photocathode according to claim 2, wherein the pattern includes a portion in which the openings are provided at substantially constant intervals. 前記光吸収層と前記基板との間に介在し、AlGaAs系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが前記光吸収層よりも広い窓層を更に備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光電陰極。   2. The structure according to claim 1, further comprising a window layer interposed between the light absorption layer and the substrate, made of an AlGaAs material, and having a wider energy band gap than the light absorption layer. 2. The photocathode according to 2. 前記基板と前記窓層との間に介在する反射防止膜を更に備えることを特徴とする請求項5に記載の光電陰極。   The photocathode according to claim 5, further comprising an antireflection film interposed between the substrate and the window layer. 前記光吸収層を構成する化合物半導体が窒化物半導体であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光電陰極。   The photocathode according to claim 1 or 2, wherein the compound semiconductor constituting the light absorption layer is a nitride semiconductor. 前記光吸収層と前記基板との間に介在し、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが前記光吸収層よりも広いバッファ層を更に備えることを特徴とする請求項7に記載の光電陰極。   8. The method according to claim 7, further comprising a buffer layer interposed between the light absorption layer and the substrate, made of a nitride semiconductor, and having a wider energy band gap than the light absorption layer. Photocathode. 請求項1から請求項8のいずれかに記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された光電子を収集する陽極と、
前記光電陰極及び前記陽極を収容する真空容器と、
を備える電子管。
The photocathode according to any one of claims 1 to 8,
An anode for collecting photoelectrons emitted from the photocathode;
A vacuum vessel containing the photocathode and the anode;
With an electron tube.
前記光電陰極と前記陽極との間にパルス状の電圧を印加する電圧印加手段を更に備えることを特徴とする請求項9に記載の電子管。   The electron tube according to claim 9, further comprising voltage applying means for applying a pulsed voltage between the photocathode and the anode.
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