JP2008016294A - 光電陰極、光電陰極アレイ、および電子管 - Google Patents

Abstract

【課題】光の検出感度に優れ、且つ小型化が可能な光電陰極、およびそのような光電陰極を用いた光電陰極アレイあるいは電子管を提供すること。
【解決手段】光電陰極１の第１の電極１２に光が入射すると、入射光に含まれる特定波長の光が第１の電極１２の表面プラズモンと結合し、第１の電極１２の貫通孔１８から近接場光が出力される。光吸収層６における貫通孔１８の周辺部分は、近接場光を吸収し、近接場光の強度に応じた量の光電子を発生して、貫通孔１８から外部に放出する。近接場光の強度は、特定波長の光の強度に比例しており、且つ当該光の強度よりも大きい。よって、貫通孔１８からは十分な量の光電子が放出されることとなる。貫通孔１８からは、光吸収層６のうち貫通孔１８の周辺部分にて発生した熱電子も放出されるが、放出される熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて非常に少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電陰極、光電陰極を用いた光電陰極アレイ、および光電陰極を用いた電子管に関するものである。

従来、電界援助型（フィールドアシスト型と呼ばれる）の光電陰極として、例えば特許文献１に記載されているように、基板と、光電子を発生するフォトン吸収層（光吸収層）と、光吸収層にて発生した光電子を加速する電子放出層とを積層したものが知られている。特許文献１に記載の光電陰極では、フォトン吸収層および電子放出層にそれぞれ接触パッド（電極）が接続されており、これら接触パッドの間にはバイアス電圧が印加されている。フォトン吸収層で発生した電子（光電子）は、バイアス電圧の印加に応じて光電陰極内に形成される電界によって加速され、電子放出層から放出される。
特開平６−３４５４８号公報

特許文献１に記載の光電陰極は、光電子だけでなく熱電子も放出する。そのため、ノイズが大きくなる。光電陰極を冷却すれば熱電子によるノイズを抑制できるが、この場合には冷却手段を更に備えることとなるため、光電陰極を小型化することが困難となる。

そこで本発明は、光の検出感度に優れ、且つ小型化が可能な電界援助型の光電陰極、およびそのような光電陰極を用いた光電陰極アレイあるいは電子管を提供することを目的とする。

本発明に係る光電陰極は、（１）入射した光を吸収して光電子を発生する光吸収層と、（２）光吸収層の一方の主面側に形成された第１の電極と、（３）光吸収層の他方の主面側に形成され、第１の電極とともに光吸収層の一方の主面と他方の主面との間に電圧を印加するために使用される第２の電極と、を備え、（ａ）第１の電極は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有するとともに、表面プラズモン共鳴を発生させるための所定の規則に従ったパターンが表面に形成されており、（ｂ）光吸収層は、第１の電極の貫通孔から出力された光を吸収して光電子を発生するとともに、発生した当該光電子を第１の電極の貫通孔を介して外部に放出することを特徴とする。

本発明の光電陰極では、第１および第２の電極によって、光吸収層の一方の主面と他方の主面との間に電圧を印加することができる。第１の電極の表面には、表面プラズモン共鳴を発生させるためのパターンが形成されている。そのため、第１の電極の表面に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）に含まれる特定波長の光が、アンテナ層の表面プラズモンと結合して、プラズモン共鳴が発生する。プラズモン共鳴が発生すると、第１の電極の貫通孔から近接場光が出力される。

光吸収層は、第１の電極の貫通孔の周辺に位置する部分において、貫通孔から出力された近接場光を吸収する。そして、当該部分にて近接場光による光電子を発生する。貫通孔の周辺部分で発生した光電子は、電圧の印加に応じて発生した電界によって移動し、第１の電極の貫通孔を介して外部に放出される。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる特定波長の光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。したがって、十分な量の光電子が光吸収層にて発生し、貫通孔を介して外部に放出されることとなる。

光吸収層は、第１の電極の貫通孔の周辺に位置する部分において、光電子のほかに熱電子を発生する。貫通孔の周辺部分で発生した熱電子は、光電子と同様に、貫通孔を介して外部に放出される。貫通孔の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層全体で発生する熱電子の合計量に比べると非常に少ない。よって、外部に放出される熱電子の量は非常に少ないものとなる。

このように本発明に係る光電陰極では、光電子の放出量は多くなる一方で、熱電子の放出量は少なくなるため、熱電子によるノイズを低減することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比が向上し、優れた感度で光を検出することが可能となる。また、冷却手段等を用いずとも熱電子によるノイズを低減できるので、光電陰極の小型化を図ることができる。

本発明に係る光電陰極では、支持基板と、光吸収層上に形成され、光吸収層にて発生した光電子を加速する電子放出層と、電子放出層上に形成されたコンタクト層と、を更に備え、光吸収層は、支持基板上に形成されており、第１の電極は、光吸収層のコンタクト層と電気的に接続されており、第２の電極は、光吸収層の支持基板と電気的に接続されていることが好ましい。この場合、複数の層を積層してなる光電陰極であって、光の検出感度に優れ、且つ小型化が可能な光電陰極を得ることができる。

また、本発明に係る光電陰極では、支持基板と、光吸収層上に形成され、光吸収層にて発生した光電子を加速する電子放出層と、を更に備え、光吸収層は、支持基板上に形成されており、第１の電極は、電子放出層とショットキ接合されており、第２の電極は、支持基板と電気的に接続されていることが好ましい。この場合、光の検出感度に優れ、且つ小型化が可能なショットキ接合型の光電陰極を得ることができる。

また、本発明に係る光電陰極では、第１の電極は複数の凸部と当該凸部間に位置する凹部とを有しており、凸部および凹部がパターンを形成しており、貫通孔は凹部に設けられていることが好ましい。プラズモン共鳴を発生させる光の波長は、第１の電極の材料と表面構造とで決まる。したがって、凸部および凹部の位置等を変えることにより第１の電極表面のパターンを適宜変更すれば、プラズモン共鳴を発生させる光の波長を変えることができる。その結果、光電陰極にて検出可能な光の波長を容易に変えることができる。

また、本発明に係る光電陰極では、光吸収層にて発生する光電子の量が、貫通孔を有し且つ表面に凸部および凹部が形成されていない第１の電極を備えた場合に光吸収層にて発生する光電子の量と比べて多くなるように、パターンにおける所定の規則が決められていることが好ましい。この場合、十分な量の光電子を光吸収層にて発生させることができるので、光の検出感度にいっそう優れた光電陰極を得ることが可能となる。

また、本発明に係る光電陰極では、第１の電極は貫通孔を複数有しており、当該複数の貫通孔がパターンを形成していることが好ましい。プラズモン共鳴を発生させる光の波長は、第１の電極の材料と表面構造とで決まる。したがって、第１の電極における貫通孔の位置等を変えることにより第１の電極表面のパターンを適宜変更すれば、プラズモン共鳴を発生させる光の波長を変えることができる。その結果、光電陰極にて検出可能な光の波長を容易に変えることができる。

また、本発明に係る光電陰極では、貫通孔の最短幅はアンテナ層に入射する光の波長よりも短いことが好ましい。このように貫通孔の最短幅を狭くすることにより、近接場光を貫通孔から確実に出力させることができる。更に、このように狭い貫通孔の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層全体で発生する熱電子の合計量に比べると圧倒的に少なくなるため、外部に放出される熱電子の量を確実に減少させることができる。

また、光吸収層の主面方向から見たときに、第１の電極の貫通孔の内側には、当該部分の仕事関数を低下させるための活性層が形成されていることが好ましい。この場合、光電陰極で発生した光電子を、貫通孔を介して真空中へ出力することが容易となる。

また、本発明に係る光電陰極では、活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物からなることが好ましい。この場合、上記の効果を好適に奏することができる。

また、本発明に係る光電陰極では、第１の電極を複数備えており、複数の第１の電極のうち少なくとも２つにおいては、パターンの周期が互いに異なっていることが好ましい。この場合、パターンの周期が互いに異なるので、プラズモン共鳴を発生させる光の波長もまた、互いに異なることとなる。したがって、複数の波長の光を検出可能な光電陰極を得ることができる。

また、本発明に係る光電陰極では、複数の第１の電極は、電圧をそれぞれ個別に印加可能となっていることが好ましい。例えば、複数の第１の電極のうちの一つと、第２の電極との間に電圧を印加した場合には、ある波長の光を検出することができる。次に、この第１の電極に代わって、当該第１の電極とは異なるパターンを有する第１の電極と、第２の電極との間に電圧を印加した場合には、先に検出したものとは異なる波長の光を検出することができる。つまり、本発明の光電陰極では、一つの素子でありながら、入射した光（ｈν）に含まれる複数の波長の光をそれぞれ個別に検出することが可能となる。

また、本発明に係る光電陰極アレイは、上記した光電陰極を複数備え、光電陰極の第１および第２の電極は、電圧を光電陰極毎に印加可能となっていることを特徴とする。この場合、全ての光電陰極において第１および第２の電極間に電圧を印加することも、一部の光電陰極のみにおいて第１および第２の電極間に電圧を印加することも可能となる。その結果、光の検出感度を調整することが可能となる。

また、本発明に係る電子管は、上記した光電陰極を備えることを特徴とする。このような光電陰極を用いた電子管によれば、熱電子によるノイズを低減でき、且つ小型化を図ることもできる。

また、本発明に係る電子管は、上記した光電陰極アレイを備えることを特徴とする。このような光電陰極を用いた電子管によれば、熱電子によるノイズを低減でき、且つ小型化を図ることができるうえに、光の検出感度を調整することも可能となる。

本発明によれば、光の検出感度に優れ、且つ小型化が可能な光電陰極、およびそのような光電陰極を用いた光電陰極アレイあるいは電子管を提供することができる。

以下、本発明に係る光電陰極及び電子管の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、「上」、「下」等の語は図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。

（光電陰極）

図１は本発明に係る光電陰極の一実施形態の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示される光電陰極のＩＩ−ＩＩ線断面図である。本実施形態に係る光電陰極１は電界援助型の光電陰極であって、図１に示されるように、支持基板２と、支持基板２上に設けられた光吸収層６と、光吸収層６上に設けられた電子放出層８と、電子放出層８上に設けられたコンタクト層１０と、コンタクト層１０上に設けられた第１の電極１２と、第２の電極４とを備えている。

支持基板２は、半導体基板であって、例えばｐ型ＩｎＰ半導体からなっている。支持基板２は、入射光（ｈν）が入射される一方の主面と、一方の主面と対向する他方の主面とを有している。支持基板２の一方の主面上には第２の電極４が形成され、他方の主面上には光吸収層６が形成されている。

第２の電極４は、支持基板２と良好な電気的接触をする材料でなっており、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉといった積層の導電性材料からなっている。なお、第２の電極４の材料はＡｕＧｅ／Ｎｉに限るものではなく、支持基板２と良好な電気的接触をする材料であれば構わない。そのため、例えばＡｕ／Ｇｅ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ，Ａｇ／ＺｎＴｉなどを用いてもよい。

光吸収層６は、光電変換を行う部分であり、光を吸収して光電子を発生する。光吸収層６は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体からなっている。光吸収層６上に形成された電子放出層８は、光吸収層６にて発生した光電子を加速する部分である。電子放出層８は、例えばｐ型ＩｎＰ半導体からなっている。光吸収層６および電子放出層８は、略平板状を呈している。

光電陰極１を積層方向（光吸収層６の主面方向）から見ると、第１の電極１２の貫通孔１８の内側には活性層２０が形成されている。より具体的には、図２に示されるように、電子放出層８の表面の一部は、後述するコンタクト層１０の貫通孔１１および第１の電極１２の貫通孔１８から露出している。貫通孔１１，１８から露出した部分には、極薄くかつ均一に形成された活性層２０が形成されている。活性層２０は、例えばＣｓ等のアルカリ金属からなっている。このような活性層２０は、電子放出層８表面の仕事関数を低下させる。そのため、電子放出層８で加速された光電子を、貫通孔１１，１８を介して真空中へ出力することが容易となる。なお、活性層２０の材料はＣｓに限るものではなく、アルカリ金属としてはＣｓ以外にＫ、Ｒｂ、Ｎａなどを用いてもよい。また、このようなアルカリ金属の酸化物や、このようなアルカリ金属のフッ化物であってもよい。

電子放出層８の上には、コンタクト層１０が形成されている。コンタクト層１０は、電子放出層８とｐｎ結合を形成する部分であって、例えばｎ型ＩｎＰ半導体からなっている。コンタクト層１０には、厚さ方向に貫通する貫通孔１１が形成されている。なお、本願における貫通孔１１は、物理的な孔に限るものではなく、光学的な孔（光が透過する開口）も含む。

コンタクト層１０の上には、第１の電極１２が形成されている。第１の電極１２は、コンタクト層１０と電気的に接続されている。第１の電極１２は、第２の電極４とともに、光吸収層６の一方の主面と他方の主面との間に電圧を印加する。より具体的にいうと、第１の電極１２と第２の電極４との間には、バイアス電圧が印加されることとなる。第１の電極１２は、導電性の材料を含んでいる。含まれる導電性の材料としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましいが、コンタクト層１０と良好な電気的接触が得られるものであれば、これ以外であってもよい。

第１の電極１２の中央部には、厚さ方向に貫通する貫通孔１８が設けられている。貫通孔１８は、長辺および短辺からなる略矩形を呈しており、コンタクト層１０の貫通孔１１と連通されている。貫通孔１８の短辺の長さ（最短幅）ｄは、支持基板２、光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０を介して第１の電極１２に入射する光の波長よりも短くなっている。貫通孔１８の短辺の長さｄをこのように規定することにより、貫通孔１８から近接場光（後に詳しく述べる）のみを確実に出力させることができる。なお、本願における貫通孔１８は、物理的な孔に限るものではなく、光学的な孔（光が透過する開口）も含む。また、本実施形態では、貫通孔１１と貫通孔１８とは同じ大きさを有している。

第１の電極１２は、コンタクト層１０と接合する一方の主面と、当該一方の主面と対向する他方の主面１２ａとを有している。第１の電極１２の他方の主面１２ａには、複数の凸部１４と、凸部１４間に位置する凹部１６とが形成されている。先述した貫通孔１８は、凹部１６に位置している。複数の凸部１４は、貫通孔１８と同様に、長辺および短辺からなる略矩形を呈している。複数の凸部１４は、長辺同士が対向するように一次元に配列されるとともに、貫通孔１８を中心として対称的に配置されている。貫通孔１８を挟まずに隣り合う凸部１４間の中心距離はΛとなっており、貫通孔１８を挟んで隣り合う凸部１４間の中心距離はΛの2倍の長さとなっている。以下、この距離Λを周期間隔と呼ぶこととする。このように配置された凸部１４と、凸部１４間に位置する凹部１６とにより、第１の電極１２の他方の主面１２ａには所定の周期に従ったパターンが形成されることとなる。表面にこのようなパターンが形成された第１の電極１２は、表面に凸部や凹部がない平坦な第１の電極と比べて、より強度の大きな近接場光を出力することができる。

周期間隔Λは、検出したい光の波長に応じて、適宜設定される。ここで、波長λ_０（＝２πｃ／ω）の光が第１の電極１２に対して略垂直に入射する場合を考える。この場合、第１の電極１２の周期間隔Λが以下の式（１）を満たせば、波長λ_０の光により第１の電極１２に表面プラズモン共鳴が発生する。

ε_aは第１の電極１２と接する誘電体の比誘電率であって、真空の場合にはε_a＝１である。ε_metalは第１の電極１２の比誘電率であって、ε_metal＞０である。よって、以下の式（２）が導き出せる。

式（２）によれば、波長λ_０の光で表面プラズモン共鳴を発生させるには、第１の電極１２における周期間隔Λを波長λ_０よりも短くする必要がある。このことから、貫通孔１８の短辺の長さ（幅）ｄもまた、波長λ_０よりも短くする必要があることがわかる。

式（１）に示されるｍを１とし、第１の電極１２をＡｇ又はＡｌから形成した場合の、周期間隔Λと光の波長λ_０との関係を図３に示す。図３によれば、第１の電極１２において波長λ_０＝１２４０ｎｍの光で表面プラズモン共鳴を発生させるには、第１の電極１２をＡｇから形成した場合は周期間隔Λを１２３４ｎｍとすればよい。本実施形態では、表面プラズモン共鳴が波長λ_ｘの光で発生するように、第１の電極１２の周期間隔Λを設定することとする。

ところで、表面プラズモン共鳴が発生すると、第１の電極１２の貫通孔１８から近接場光が出力されるが、出力される近接場光の波長もまた、周期間隔Λに依存することが従来から知られている。本実施形態では、第１の電極１２の貫通孔１８から出力される近接場光の波長が、光吸収層６にて吸収可能な波長となるように、第１の電極１２の周期間隔Λを設定することとする。以下、第１の電極１２の貫通孔１８から出力される近接場光の波長を、波長λ_ｙと呼ぶこととする。

続いて、光電陰極１の製造工程を説明する。まず、図４（ａ）に示されるように、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる支持基板２を用意する。用意した支持基板２上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体からなる光吸収層６、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる電子放出層８、およびｎ型ＩｎＰ半導体からなるコンタクト層１０を、この順で形成し積層する。これらの層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、塩化物気相成長法（クロライドＶＰＥ法）、水素化物気相成長法（ハイドライドＶＰＥ法）、分子線成長法（ＭＢＥ法）、液相成長法（ＬＰＥ法）等を用いて形成することができる。

次に、図４（ｂ）に示されるように、コンタクト層１０上にフォトレジスト２２を塗布した後、凸部１４を形成する領域が開口するように、フォトレジスト２２のパターニングを行う。そして、図４（ｃ）に示されるように、フォトレジスト２２によりマスクされたコンタクト層１０上に、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等を含む導電膜２４を蒸着により成膜する。なお、フォトレジスト２２のパターニングは、紫外線等を用いた光リソグラフィ法で行ってもよいし、電子ビームを用いた電子線リソグラフィ法で行ってもよい。

次に、図４（ｄ）に示されるように、導電膜２４のうち、フォトレジスト２２上に成膜された部分をフォトレジスト２２と共にリフトオフ除去する。リフトオフ除去を行った後、図５（ａ）に示されるように、導電膜２４と同一の材料からなる導電膜２６を蒸着により成膜する。導電膜２６を成膜した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）を照射して、図５（ｂ）に示されるように、貫通孔１１，１８を形成する。

次に、図５（ｃ）に示されるように、光吸収層６の貫通孔１８から露出した部分の上に、Ｃｓ等のアルカリ金属からなる活性層２０を形成する。また、支持基板２の一方の主面に、ＡｕＧｅ／Ｎｉからなる第２の電極４を形成する。以上の工程を経て、図１に示した光電陰極１が完成する。

続いて、光電陰極１の動作について説明する。図１に示されるように、支持基板２の一方の主面側から光（ｈν）が入射すると、かかる入射光（ｈν）は支持基板２、光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０を透過して第１の電極１２に到達する。第１の電極１２における、凸部１４および凹部１６によるパターンが形成された面、すなわち第１の電極１２の他方の主面１２ａに入射光（ｈν）が到達すると、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光が第１の電極１２の表面プラズモンと結合する。その結果、第１の電極１２にて表面プラズモン共鳴が生じる。

表面プラズモン共鳴が生じると、第１の電極１２の貫通孔１８から強い近接場光が出力される。近接場光の出力方向は、パターンが形成された面からパターンが形成されていない面に向かう方向、すなわち他方の主面１２ａから一方の主面に向かう方向となる。貫通孔１８から出力される近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光の強度に比例しており、且つ波長λ_ｘの光の強度よりも大きい。また、近接場光の波長λ_ｙは、第１の電極１２表面に形成されたパターンの周期間隔Λに依存している。

第１の電極１２の貫通孔１８から出力された近接場光は、コンタクト層１０の貫通孔１１および電子放出層８を通って光吸収層６に入射する。近接場光の波長はλ_ｙであって、光吸収層６にて吸収可能な波長となっている。そのため、光吸収層６における貫通孔１１，１８の周辺部分は、近接場光を吸収し、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子を発生する。

なお、第１の電極１２の貫通孔１８から出力される近接場光は、例えば、表面に凸部や凹部が形成されていない平坦な第１の電極に光（ｈν）が入射したときに当該第１の電極の貫通孔から出力される光と比べて、非常に大きな強度を有している。そのため、貫通孔１１，１８の周辺部分にて発生する光電子の量は、第１の電極１２に代わって上述した平坦な表面を有する第１の電極を用いた場合に発生する光電子の量と比べて、非常に多くなっている。

第１の電極１２と第２の電極４との間には、バイアス電圧が印加されている。電子放出層８とコンタクト層１０との間にはｐｎ接合が形成されているため、第１および第２の電極１２，４間に印加されたバイアス電圧により発生した電界の作用で、光吸収層６で発生した光電子は、電子放出層８内に移送される。このとき、光吸収層６で発生した光電子のうち、貫通孔１１，１８の周辺部分で発生した光電子、すなわち近接場光による光電子は、電子放出層８内の、貫通孔１１，１８の周辺部分に移送されることとなる。貫通孔１１，１８の周辺部分に移送された光電子は、活性層２０によって仕事関数が低下したコンタクト層１０の貫通孔１１、および第１の電極１２の貫通孔１８を介して、真空である外部に放出される。

ところで、光吸収層６における貫通孔１１，１８の周辺部分では、近接場光による光電子のほかに、熱電子が発生する。貫通孔１１，１８の周辺部分で発生した熱電子は、近接場光による光電子と同じように、電子放出層８内の、貫通孔１１，１８の周辺部分に移送されたのち、コンタクト層１０の貫通孔１１および第１の電極１２の貫通孔１８を介して、真空である外部に放出される。貫通孔１１，１８の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて非常に少ない。特に本実施形態では、貫通孔１８の短辺の長さｄは第１の電極１２に入射する光の波長よりも短く、そのため貫通孔１８は狭くなっている。狭い貫通孔１１，１８の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて極めて少ない。そのため、外部に放出される熱電子の量もまた、極めて少ないものとなる。このように、光電陰極１においては、光電子の放出量は多くなる一方で熱電子の放出量は少なくなっている。

以上説明したように、本実施形態に係る光電陰極１では、第１の電極１２の他方の主面１２ａに、凸部１４および凹部１６によるパターンが周期間隔Λで形成されている。そのため、第１の電極１２は、波長λ_ｘの光で表面プラズモン共鳴を発生し、且つ、波長λ_ｙの近接場光を貫通孔１８から出力することとなる。貫通孔１８から出力された近接場光は、光吸収層６に入射する。光吸収層６は、近接場光を吸収し、近接場光の強度に応じた量の光電子を発生する。近接場光による光電子は、貫通孔１８の周辺部分で発生する。そのため、貫通孔１８からは、貫通孔１８の周辺部分で発生した光電子、すなわち近接場光による光電子が出力されることとなる。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光吸収層６における貫通孔１８の周辺部分は十分な量の光電子を発生することとなり、その結果、第１の電極１２の貫通孔１８からは十分な量の光電子が出力されることとなる。

光吸収層６は、貫通孔１８の周辺に位置する部分において、光電子のほかに熱電子を発生する。貫通孔１８の周辺部分で発生した熱電子は、光電子と同様に、貫通孔１８を介して外部に放出される。貫通孔１８の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて非常に少ない。したがって、貫通孔１８から放出される熱電子の量もまた非常に少ないものとなる。その結果、光電陰極１では、光電子の放出量は多くなる一方で熱電子の放出量は少なくなるため、熱電子によるノイズを低減することができる。よって、Ｓ／Ｎ比が向上し、優れた感度で光を検出することが可能となる。また、本実施形態の光電陰極１によれば、第１の電極１２に貫通孔１８、凸部１４、および凹部１６を形成するだけで熱電子によるノイズを低減することができるため、冷却手段等を別途設ける必要がない。よって、光電陰極１を備えるデバイスの小型化を図ることができる。

また、本実施形態の光電陰極１では、波長λ_ｘの光で表面プラズモン共鳴が発生するように、第１の電極１２の周期間隔Λを設定している。よって、周期間隔Λを変更すれば、表面プラズモン共鳴を発生する光の波長を変えることができる。つまり、第１の電極１２の周期間隔Λを変えるだけ、言い換えると第１の電極１２表面のパターンを変えるだけで、検出可能な光の波長を変更することができる。よって、検出可能な光の波長を変更するためにフィルタ等を設ける必要がなくなるため、光電陰極１の製造を容易化することができる。

なお、本実施形態に係る光電陰極１では、入射光の入射する面と反対側から光電子が出射される、いわゆる透過型光電面を例に説明したが、本発明はこれに限るものではなく、入射光の入射する面と光電子が出射される面が同じ側である、いわゆる反射型光電面にも適用できることはもちろんである。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、光吸収層６はｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体からなっており、電子放出層８はｐ型ＩｎＰ半導体からなっており、コンタクト層１０はｎ型ＩｎＰ半導体からなっているとした。光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０の材料はこれに限られず、それぞれ他の半導体材料からなっていてもよい。光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０の材料を変更することにより、光吸収層６にて吸収される光の波長を変えることができる。光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０には、例えば米国特許第３，９４８，１４３号に開示されているような材料を適宜用いることができる。

また、本実施形態における支持基板２はｐ型ＩｎＰ半導体からなるとしたが、支持基板２の材料はこれに限られず、他の半導体材料からなっていてもよい。例えば、ガラス、石英、サファイヤといった、紫外あるいは可視領域の入射光（ｈν）に対して透明な材料からなっていてもよい。

また、本実施形態では、コンタクト層１０は貫通孔１１を有しているとした。これを、図６（ａ）に示されるように、コンタクト層１０は、第１の電極１２の貫通孔１８と対向する位置にメサ状部２８を有しているとしてもよい。また、本実施形態では、第１の電極１２において、凸部１４および凹部１６は他方の主面１２ａに形成されるとした。これを、図６（ｂ）に示されるように、凸部１４および凹部１６は、第１の電極１２の一方の主面に形成されるとしてもよい。凸部１４および凹部１６を第１の電極１２の一方の主面に形成した場合には、図６（ｃ）に示されるように、コンタクト層１０は第１の電極１２の貫通孔１８を埋めるように形成されるとしてもよい。また、第１の電極１２の周囲には、ブラッグ反射層が形成されるとしてもよい。

また、第１の電極１２表面のパターンは、本実施形態のものに限られない。例えば、図７（ａ）に示されるように、略矩形状の凸部１４を等間隔で一次元配列し、凸部１４間に位置する凹部１６それぞれに略矩形状の貫通孔１８を設けることにより形成されるパターンであってもよい。また、図７（ｂ）に示されるように、略円形状の貫通孔１８を中心とし、その周囲に略円形状の凸部１４を等間隔で二次元配列することにより形成されるパターンであってもよいし、図７（ｃ）に示されるように、略円形状の貫通孔１８と略円形状の凸部１４とを交互に且つ等間隔で二次元配列することにより形成されるパターンであってもよい。なお、略円形状の貫通孔１８の径（最短幅）は、第１の電極１２に入射する光の波長よりも短いものとする。また、図８（ａ）に示されるように、貫通孔１８と複数の凸部１４とで構成されるダーツの的（ブルズアイとも呼ばれる）状の模様を、所定の間隔で２次元配列することにより形成されるパターンであってもよい。図８（ｂ）は、図８（ａ）を略矩形状に変形したものである。

また、本実施形態の光電陰極１において、第１の電極１２表面のパターンは、複数の凸部１４および凸部１４間に位置する凹部１６によって形成されるとした。これを、第１の電極１２表面のパターンは複数の貫通孔１８によって形成されるとしてもよい。図８（ｃ）に示されるように、貫通孔１８を等間隔（所定の間隔）で二次元配列することにより第１の電極１２表面のパターンを形成した場合には、貫通孔１８の位置や配置間隔を変えることで、第１の電極１２におけるパターンの形状を変えることができる。

上述したように第１の電極１２におけるパターンの形状を適宜変えることにより、図９の曲線Ｇ１に示されるように、感度波長範囲が比較的広く平坦な感度を有する光電陰極、曲線Ｇ２に示されるように、感度波長範囲が比較的広く短波長側に高い分光感度を有する光電陰極、曲線Ｇ３に示されるように、感度波長範囲が比較的広く長波長側に高い分光感度を有する光電陰極、曲線Ｇ４に示されるように、短波長側の特定波長のみに分光感度を有する光電陰極、および曲線Ｇ５に示されるように、長波長側の特定波長のみに分光感度を有する光電陰極を得ることができる。

また、図１０に示されるように、同一の形状を有する第１の電極１２０を複数備えるとしてもよい。さらに、第１の電極１２０に対してそれぞれ個別に電圧を印加できるようにすれば、全ての第１の電極１２０と第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することも、一部の第１の電極１２０と第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することも可能となる。光電子は、電圧が印加された第１の電極１２０の貫通孔１８から放出される。そのため、電圧が印加される第１の電極１２０の数を変え、各第１の電極１２０の貫通孔１８から放出された光電子の量を重畳することによって、光の検出感度を変えることが可能となる。

そのほか、図１１に示されるように、異なるパターンが形成された複数の第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃを備えるとしてもよい。図１２は、図１１に示される光電陰極１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。図１１，１２に示される第１の電極１２２ａの周期間隔はΛａであり、第１の電極１２２ｂの周期間隔はΛｂであり、第１の電極１２２ｃの周期間隔はΛｃである。周期間隔Λａ、周期間隔Λｂ、および周期間隔Λｃは、それぞれ異なっている。よって、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃにおいては、プラズモン共鳴を発生させる光の波長も、出力される近接場光も、それぞれ異なることとなる。

このような第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃに対してそれぞれ個別に電圧を印加できるようにすれば、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ全てと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することも、第１の電極１２２ａのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することも可能となる。例えば、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ全てと、第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃそれぞれの下に位置する電子放出層８とコンタクト層１０との間でｐｎ接合が形成されることとなる。その結果、第１の電極１２２ａの貫通孔１８からは第１の電極１２２ａから出力された近接場光による光電子が、第１の電極１２２ｂの貫通孔１８からは第１の電極１２２ｂから出力された近接場光による光電子が、第１の電極１２２ｃの貫通孔１８からは第１の電極１２２ｃから出力された近接場光による光電子が、それぞれ出力される。よって、入射光に含まれる複数の波長の光を検出することができる。

また、第１の電極１２２ａのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ａの貫通孔１８のみから光電子が出力されることとなる。これにより、第１の電極１２２ａにプラズモン共鳴を発生させた波長の光のみを検出することができる。同様にして、第１の電極１２２ｂのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ｂにプラズモン共鳴を発生させた波長の光のみを検出でき、第１の電極１２２ｃのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ｃにプラズモン共鳴を発生させた波長の光のみを検出できる。このように、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃのいずれか一つと、第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することにより、本発明の光電陰極１は、一つの素子でありながら、入射した光（ｈν）に含まれる複数の波長の光をそれぞれ個別に検出することが可能となる。なお、図１１，１２では、異なるパターンが形成された第１の電極を３つ備えた場合を示したが、備える第１の電極の数はこれに限れられないことはいうまでもない。

また、本実施形態の光電陰極１は、ｐｎ接合を用いた電界援助型の光電陰極であるとした。しかしながら、本発明の光電陰極はこれに限られず、例えば図１３に示されるようにショットキ接合を用いた電界援助型の光電陰極であってもよい。図１３に示される光電陰極９０は、支持基板９２と、光吸収層９３と、電子放出層９４と、第１および第２の電極１２，４とを備えている。支持基板９２はｐ型ＩｎＰ半導体からなっており、光吸収層９３はｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体、電子放出層９４はｐ型ＩｎＰ半導体からなっている。電子放出層９４のうち、第１の電極１２の貫通孔１８から露出した部分は、極薄くかつ均一に形成された活性層２０で覆われている。光電陰極９０では、電子放出層９４上にコンタクト層１０が形成されておらず、電子放出層９４上に第１の電極１２が直接積層されショットキ接合している点で、光電陰極１と異なっている。

続いて、光電陰極９０の製造工程を説明する。まず、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる支持基板９２を用意する。用意した支持基板９２上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体からなる光吸収層９３、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる電子放出層９４を、この順で形成し積層する。これらの層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、塩化物気相成長法（クロライドＶＰＥ法）、水素化物気相成長法（ハイドライドＶＰＥ法）、分子線成長法（ＭＢＥ法）、液相成長法（ＬＰＥ法）等を用いて形成することができる。

次に、光電陰極１を製造する場合と同様に、フォトレジストを用いて電子放出層９４上に第１の電極４を形成する。より具体的には、電子放出層９４上にフォトレジストを塗布した後、凸部１４を形成する領域が開口するように、フォトレジストのパターニングを行う（図４（ｂ）参照）。そして、フォトレジストによりマスクされた電子放出層９４上に、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等を含む導電膜を蒸着により成膜する（図４（ｃ）参照）。フォトレジスト２２のパターニングには、紫外線等を用いた光リソグラフィ法や電子ビームを用いた電子線リソグラフィ法を用いることができる。成膜した導電膜のうち、フォトレジスト上に成膜された部分をフォトレジストと共にリフトオフ除去する（図４（ｄ）参照）。

リフトオフ除去を行った後、導電膜を再度蒸着により成膜する（図５（ａ）参照）。導電膜を成膜した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）を照射して導電膜を除去し、貫通孔１８を形成する（図５（ｂ）参照）。そして、電子放出層９４のうち、貫通孔１８から露出した部分の上に、Ｃｓ等のアルカリ金属からなる活性層２０を形成する（図５（ｃ）参照）。また、支持基板９２の一方の主面に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ等の導電性材料からなる第２の電極４を形成する。以上の工程を経て、図１３に示した光電陰極９０が完成する。

光電陰極９０では、電子放出層９４と第１の電極１２とがショットキ接合しているため、第１の電極１２と第２の電極４との間にバイアス電圧を印加すると、第１の電極１２と第２の電極４との間に発生した電界の作用で、光吸収層６で発生した光電子を電子放出層９４へ移送し、活性層２０が形成された貫通孔１８を介して、外部に放出することができる。なお、光吸収層６で発生する光電子は、光電陰極１と同様に、第１の電極１２から出力された近接場光によるものである。また、光吸収層６では熱電子も発生するが、光電陰極１と同様の理由で、貫通孔１８から放出される熱電子の量は非常に少なくなっている。よって、上述した光電陰極１と同様の効果を得ることができる。なお、支持基板９２の材料はｐ型ＩｎＰ半導体に限られず、光電陰極９０の機械的強度を維持できるものであれば、ガラスや酸化物材料等を適宜用いることができる。また、光吸収層９４の材料はｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体に限られず、例えばＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＳｂ，ＩｎＧａＳｂ、といった化合物半導体およびこれらの混晶を適宜用いることができる。

また、光電陰極９０は、入射光の入射する面と反対側から光電子が出射されるいわゆる透過型光電面だけでなく、入射光の入射する面と光電子が出射される面が同じ側であるいわゆる反射型光電面にも、適用することが可能である。

（光電陰極アレイ）

次に、光電陰極アレイについて説明する。光電陰極アレイは、上述した光電陰極１を複数備えるものである。複数の光電陰極１は、１次元あるいは２次元状に配列されている。光電陰極アレイにおいては、バイアス電圧の印加が光電陰極１毎に行えるようになっている。したがって、全ての光電陰極１において第１および第２の電極１２，４間にバイアス電圧を印加することも、一部の光電陰極１のみにおいて第１および第２の電極１２，４間にバイアス電圧を印加することも可能となる。光電陰極１は、バイアス電圧の印加に応じて光電子を放出するため、バイアス電圧の印加を光電陰極１ごとに個別に行えるようにすることにより、光電子を放出する光電陰極１の数を適宜変更することが可能となる。その結果、波長λ_ｘの光の検出感度を変えることが可能となる。また１次元あるいは２次元状に配列された光電陰極１に、バイアス電圧を順次印加する手段を付加することにより、位置検出機能を有することも可能となる。なお、備える光電陰極は、図１３に示される光電陰極９０のような、ショットキ接合を用いた電界援助型の光電陰極であってもよい。

（画像増強管）

次に、画像増強管について説明する。図１４は、画像増強管３０の断面模式図である。画像増強管３０は、ガラス面板３１と、光電陰極１００と、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）３２と、蛍光体３４と、ガラスファイバープレート３６と、真空容器３８とを備えている。

光電陰極１００は、支持基板２と、支持基板２上に設けられた光吸収層６と、光吸収層６上に設けられた電子放出層８と、電子放出層８上に設けられたコンタクト層１０２と、コンタクト層１０２上に設けられた第１の電極１０６と、第２の電極４とを備えている。第１の電極１０６には、図８（ｃ）に示される第１の電極１２のように、貫通孔１１４が等間隔（所定の間隔）で二次元配列されている。貫通孔１１４の径は、第１の電極１２に入射する光の波長よりも短くなっている。貫通孔１１４の間隔は、第１の電極１０６が波長λ_ｘの光で表面プラズモン共鳴を発生し、且つ、波長λ_ｙの近接場光を出力するように、設定されている。コンタクト層１０２には、貫通孔１１４と連通する貫通孔１０８が等間隔（所定の間隔）で二次元配列されている。光吸収層６のうち、貫通孔１０８，１１４から露出した部分は、極薄くかつ均一に形成された活性層２０で覆われている。

ガラス面板３１は、真空容器３８の一方の端部に支持されており、ガラス面板３１と真空容器３８とは、Ｉｎ等からなるシール部４０でシールされている。シールされた真空容器３８の内部は、真空となっている。真空容器３８内部には、ガラス面板３１側から、光電陰極１００、ＭＣＰ３２、蛍光体３４、およびガラスファイバープレート３６が順次配設されている。光電陰極１００は、真空容器３８内部の一端において、第２の電極４がガラス面板３１側に位置し、第１の電極１０６がＭＣＰ３２側に位置するように取り付けられている。第１の電極１０６には電極４２が接続されており、第２の電極４には電極４３が接続されている。ＭＣＰ３２及び蛍光体３４には、所望の電位を与えるための複数の電極４４，４６，４８が設けられている。

電極４２，４３を介して、光電陰極１００の第１の電極１０６と第２の電極４との間には電圧が印加されている。電極４２，４４を介して、光電陰極１００とＭＣＰ３２との間には電圧が印加されている。また、ＭＣＰ３２に接続された各電極４４，４６を介して、ＭＣＰ３２の上面側（以下「入力側」という）とＭＣＰ３２の下面側（以下「出力側」という）との間には増倍用の電圧が印加されている。また、ＭＣＰ３２に接続された電極４６および蛍光体３４に接続された電極４８を介して、ＭＣＰ３２と蛍光体３４との間には数ｋＶ程度の電圧が印加されている。

このような構成を有する画像増強管３０の動作を説明する。画像増強管３０の入射窓となるガラス面板３１に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）はガラス面板３１、光電陰極１００の支持基板２、光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０２を透過して、光電陰極１００の第１の電極１０６に到達する。第１の電極１０６に入射光（ｈν）が到達すると、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光により、第１の電極１０６で表面プラズモン共鳴が発生する。その結果、第１の電極１０６の貫通孔１１４から強い近接場光が出力される。出力される近接場光の波長はλ_ｙであり、光吸収層６にて吸収可能な波長となっている。

近接場光は、光吸収層６にて受光される。光吸収層６における貫通孔１０８，１１４の周辺部分は、近接場光を受光して、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子を発生する。電子放出層８とコンタクト層１０２との間にはｐｎ接合が形成されているため、第１の電極１０６と第２の電極４との間に印加された電圧により発生した電界の作用で、光吸収層６で発生した光電子は、電子放出層８内に移送される。このとき、光吸収層６で発生した光電子のうち、貫通孔１０８，１１４の周辺部分で発生した光電子、すなわち近接場光による光電子は、電子放出層８内の、貫通孔１０８，１１４の周辺部分に移送されることとなる。貫通孔１０８，１１４の周辺部分に移送された光電子は、活性層２０によって仕事関数が低下したコンタクト層１０２の貫通孔１０８、および第１の電極１０６の貫通孔１１４を介して、真空である外部に放出される。

ここで、近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光吸収層６における貫通孔１０８，１１４の周辺部分は十分な量の光電子を発生することとなり、その結果、第１の電極１０６の貫通孔１１４からは十分な量の光電子が放出されることとなる。なお、光吸収層６のうち貫通孔１０８，１１４の周辺部分では、光電子とともに熱電子も発生する。貫通孔１１４の径は入射光（ｈν）よりも小さいため、貫通孔１０８，１１４の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて極めて少ない。よって、第１の電極１０６の貫通孔１１４から放出される熱電子の量は、非常に少ないものとなる。

光電陰極１から真空中に放出された光電子および熱電子は、光電陰極１００とＭＣＰ３２との間に印加された電圧により加速されながら、ＭＣＰ３２に入射する。入射した光電子および熱電子は、ＭＣＰ３２により二次電子増倍されて、再び真空中に出力される。そして、ＭＣＰ３２と蛍光体３４との間に印加された電圧により加速されながら、蛍光体３４に入射し発光する。蛍光体３４からの発光はガラスファイバープレート３６を通して画像増強管３０の外部に取り出される。

以上述べたように、本実施形態に係る画像増強管３０は、光電陰極１００を備えている。光電陰極１００においては、光電子の放出量は多くなる一方で熱電子の放出量は少なくなる。そのため、熱電子によるノイズを低減することができる。よって、Ｓ／Ｎ比が向上し、光の検出感度に優れた画像増強管３０を提供することができる。また、第１の電極１０６に貫通孔１１４を形成するだけで熱電子によるノイズを低減することができるため、冷却手段等を別途設ける必要がない。よって、光電陰極１００を小型にすることが可能となり、その結果、画像増強管３０も小型化を図ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本実施形態の画像増強管３０では、光電陰極１００を、入射光（ｈν）の入射面とは反対側の面から光電子を出力する透過型光電面として用いたが、光電陰極１００を、入射光（ｈν）の入射面から光電子を出力する反射型光電面として用いることもできる。

また、光電陰極１００の代わりに、光電陰極１００を複数配列してなる光電陰極アレイを用いることもできる。光電陰極アレイにおいて、第１および第２の電極１２，４に対する電圧の印加を、光電陰極１００ごとに個別に行えるようにした場合、作動する光電陰極１００の数を適宜変更することが可能となる。その結果、波長λ_ｘの光の検出感度を変えることが可能となる。

（ラインフォーカス型光電子増倍管）

次に、ラインフォーカス型の光電子増倍管について説明する。図１５は、光電子増倍管６０の断面模式図である。光電子増倍管６０は、ガラス面板６１と、図１に示されるような光電陰極１と、真空容器６２と、集束電極６４と、複数のダイノード６６と、最終ダイノード６８と、アノード電極７０とを備えている。ガラス面板６１は、真空容器６２の一方の端部に支持されており、ガラス面板６１と真空容器６２とはシールされている。シールされた真空容器６２の内部は、真空となっている。真空容器６２内部には、ガラス面板６１側から、光電陰極１、集束電極６４、複数のダイノード６６、および最終ダイノード６８が順次配設されている。光電陰極１は、真空容器６２の一端において、第２の電極４がガラス面板６１側に位置し、第１の電極１２が内側に位置するように取り付けられている。光電陰極１における第１の電極１２および第２の電極４は外部回路に接続されており、バイアス電圧Ｖａを印加することが可能になっている。光電陰極１における第１の電極１２およびアノード電極７０は外部回路に接続されており、バイアス電圧Ｖｂを印加することが可能になっている。

集束電極６４は、光電陰極１と所定の間隔をあけて対向するように真空容器６２内部に設けられている。集束電極６４の中心部には開口６４ａが設けられている。複数のダイノード６６は、光電陰極１から出射された光電子を受けて二次電子を発生する、あるいは他のダイノード６６から二次電子を受けてさらに多くの二次電子を発生するための電子増倍手段である。複数のダイノード６６は、曲面状を呈しており、ダイノード６６それぞれが出射した二次電子を別のダイノード６６が受けるように、ダイノード６６の複数の段が繰り返して配置されている。最終ダイノード６８は、複数のダイノード６６によって増倍された二次電子を最後に受ける部分である。アノード電極７０は、最終ダイノード６８および図示しないステムピンに接続されている。

このような構成を有する光電子増倍管６０の動作を説明する。光電子増倍管６０のガラス面板６１に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）はガラス面板６１、光電陰極１の支持基板２、光吸収層６、電子放出層８、およびコンタクト層１０を透過して、光電陰極１の第１の電極１２に到達する。第１の電極１２に入射光（ｈν）が到達すると、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光により、第１の電極１２で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、第１の電極１２の貫通孔１８から強い近接場光が出力される。出力される近接場光の波長はλ_ｙであり、光吸収層６にて吸収可能な波長となっている。

近接場光は、光吸収層６にて受光される。光吸収層６における貫通孔１１，１８の周辺部分は、近接場光を受光して、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子を発生する。第１および第２の電極１２，４間に印加されたバイアス電圧により発生した電界の作用で、光吸収層６で発生した光電子は、電子放出層８内に移送される。このとき、光吸収層６で発生した光電子のうち、貫通孔１１，１８の周辺部分で発生した光電子、すなわち近接場光による光電子は、電子放出層８内の、貫通孔１１，１８の周辺部分に移送されることとなる。貫通孔１１，１８の周辺部分に移送された光電子は、活性層２０によって仕事関数が低下したコンタクト層１０の貫通孔１１、および第１の電極１２の貫通孔１１４を介して、真空である外部に放出される。

ここで、近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光吸収層６における貫通孔１１，１８の周辺部分は十分な量の光電子を発生することとなり、その結果、第１の電極１２の貫通孔１８からは十分な量の光電子が出力されることとなる。なお、光吸収層６のうち貫通孔１１，１８の周辺部分では、光電子とともに熱電子も発生する。貫通孔１８は非常に狭いため、貫通孔１１，１８の周辺部分で発生する熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて極めて少ない。よって、貫通孔１８から放出される熱電子の量は、非常に少ないものとなる。

光電陰極１から真空中に放出された光電子および熱電子は、集束電極６４によって引き出されるとともに集束され、集束電極６４の開口６４ａを通過する。開口６４ａを通過した光電子および熱電子を受けた複数のダイノード６６は、二次電子を発生し、発生した二次電子を増倍する。増倍された二次電子は最終ダイノード６８に入力され、最終ダイノード６８によりさらに増倍される。アノード電極７０とカソード電極７２にはバイアス電圧Ｖｂが印加されているため、最終ダイノード６８により増倍された二次電子は、アノード電極７０によって収集され、アノード電極７０に接続された図示しないステムピンを介して、光電子増倍管６０の外部へ出力される。

以上述べたように、本実施形態に係る光電子増倍管６０は、上記の実施形態に係る光電陰極１を備えている。光電陰極１においては、光電子の放出量は多くなる一方で熱電子の放出量は少なくなる。そのため、熱電子によるノイズを低減することができる。よって、Ｓ／Ｎ比が向上し、光の検出感度に優れた光電子増倍管６０を提供することができる。また、第１の電極１２に貫通孔１８、凸部１４、および凹部１６を形成するだけで熱電子によるノイズを低減することができるため、冷却手段等を別途設ける必要がない。よって、光電陰極１を小型にすることが可能となり、その結果、光電子増倍管６０も小型化を図ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光電子増倍管６０では、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面とは反対側の面から光電子を出力する透過型光電面として用いたが、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面から光電子を出力する反射型光電面として用いることもできる。

また、光電陰極１の代わりに、光電陰極１を複数配列してなる光電陰極アレイを用いることもできる。光電陰極アレイにおいて、第１および第２の電極１２，４に対する電圧の印加を、光電陰極１ごとに個別に行えるようにした場合、作動する光電陰極１の数を適宜変更することが可能となる。その結果、波長λ_ｘの光の検出感度を変えることが可能となる。

また、図１に示されるような光電陰極１の代わりに、図１１，１２に示されるような光電陰極１を用いることもできる。このとき、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃに対してそれぞれ個別に電圧を印加できるようにすれば、第１の電極１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ全てと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することも、第１の電極１２２ａのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加することも可能となる。例えば、第１の電極１２２ａのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ａの貫通孔１８のみから光電子が出力されることとなる。これにより、第１の電極１２２ａにプラズモン共鳴を発生させた波長の光のみを検出することができる。同様にして、第１の電極１２２ｂのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ｂにプラズモン共鳴を発生させた波長の光のみを検出でき、第１の電極１２２ｃのみと第２の電極４との間にバイアス電圧を印加した場合には、第１の電極１２２ｃにプラズモン共鳴を発生させた波長の光のみを検出できる。その結果、光電子増倍管６０は、一つの素子でありながら、入射した光（ｈν）に含まれる複数の波長の光をそれぞれ個別に検出することが可能となる。

（電子打ち込み型光電子増倍管）

次に、電子打ち込み型の光電子増倍管について説明する。図１６は、光電子増倍管８０の断面模式図である。光電子増倍管８０は、ガラス面板８１と、図１に示されるような光電陰極１と、真空容器８２と、フォトダイオード８４とを備えている。

真空容器８２の一方の端部にはガラス面板８１が支持されており、真空容器８２の他方の端部には底板部８５が支持されている。ガラス面板８１および底板部８５は真空容器８２を気密に封止して、真空容器８２内部を真空状態に保持させている。真空容器８２内部には、ガラス面板８１側から、光電陰極１およびフォトダイオード８４が順次配設されている。光電陰極１は、真空容器８２内部の一端において、第２の電極４がガラス面板８１側に位置し、第１の電極１２がフォトダイオード８４側に位置するように取り付けられている。底板部８５上面には、光電陰極１と対向して、光電子が打ち込まれたとき増倍作用を有しているフォトダイオード８４が設置されている。フォトダイオード８４にはステムピン８８が接続されており、ステムピン８８の一端は底板部８５を貫通して延びている。

ステムピン８８を介して、フォトダイオード８４には電圧が印加されている。また、ステムピン８８と光電陰極１における第１の電極１２との間、および光電陰極１における第１の電極１２と第２の電極４との間にも、それぞれ電圧が印加されている。

このような構成を有する光電子増倍管８０の動作を説明する。光電子増倍管８０の入射窓となるガラス面板８１に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）はガラス面板８１を透過して、光電陰極１に到達する。光電陰極１は、ラインフォーカス型の光電子増倍管６０における光電陰極１と同様に動作する。すなわち、光電陰極１の第１の電極１２は、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光により表面プラズモン共鳴を発生する。そして、波長がλ_ｙの近接場光を貫通孔１８から出力する。光吸収層６における貫通孔１１，１８の周辺部分は、近接場光を受光して、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子を発生する。光吸収層６における貫通孔１１，１８の周辺部分で発生した光電子は、活性層２０によって仕事関数が低下したコンタクト層１０の貫通孔１１、および第１の電極１２の貫通孔１８を介して、外部に放出される。

ここで、近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λ_ｘの光の強度に比例し、且つこれよりも大きいため、第１の電極１２の貫通孔１８からは十分な量の光電子が出力されることとなる。なお、第１の電極１２の貫通孔１８からは、光吸収層６のうち貫通孔１１，１８の周辺部分にて発生した熱電子も放出されるが、放出される熱電子の量は、光吸収層６全体で発生する熱電子の合計量と比べて非常に少ない。

光電陰極１から真空中に出力された光電子および熱電子は、光電陰極１とフォトダイオード８４との間に印加された電圧により加速されながら、フォトダイオード８４に入射する。光電子および熱電子が入射されたフォトダイオード８４は、光電子および熱電子１つに対し数１０００倍に増倍された二次電子を発生する。増倍された二次電子は、ステムピン８８を介して光電子増倍管８０の外部へ出力される。

以上述べたように、本実施形態に係る光電子増倍管８０は、上記の実施形態に係る光電陰極１を備えている。光電陰極１においては、光電子の放出量は多くなる一方で熱電子の放出量は少なくなる。そのため、熱電子によるノイズを低減することができる。よって、Ｓ／Ｎ比が向上し、光の検出感度に優れた光電子増倍管８０を提供することができる。また、第１の電極１２に貫通孔１８、凸部１４、および凹部１６を形成するだけで熱電子によるノイズを低減することができるため、冷却手段等を別途設ける必要がない。よって、光電陰極１を小型にすることが可能となり、その結果、光電子増倍管８０も小型化を図ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光電子増倍管８０では、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面とは反対側の面から光電子を出力する透過型光電面として用いたが、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面から光電子を出力する反射型光電面として用いることもできる。

また、光電陰極１の代わりに、光電陰極１を複数配列してなる光電陰極アレイを用いることもできる。光電陰極アレイにおいて、第１および第２の電極１２，４に対する電圧の印加を、光電陰極１ごとに個別に行えるようにした場合、作動する光電陰極１の数を適宜変更することが可能となる。その結果、波長λ_ｘの光の検出感度を変えることが可能となる。

また、図１に示されるような光電陰極１の代わりに、図１１，１２に示されるような光電陰極１を用いることもできる。この場合には、光電子増倍管６０と同様に、一つの素子でありながら、入射した光（ｈν）に含まれる複数の波長の光をそれぞれ個別に検出することが可能となる。

また、光電子増倍管８０では、光電子はフォトダイオード８４に入射するとしたが、フォトダイオード８４の代わりに電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いるとしてもよい。

本発明に係る光電陰極の一実施形態の構成を示す平面図である。 図１に示される光電陰極のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 光の波長と第１の電極の周期間隔との関係を示す表である。 本実施形態に係る光電陰極の製造工程を示す断面図である。 図４の後続の工程を示す断面図である。 本実施形態に係る光電陰極が備えるコンタクト層および第１の電極の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備える第１の電極の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備える第１の電極の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備える第１の電極のパターンを変更した場合における、光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。 本実施形態に係る光電陰極の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極の変形例を示す図である。 図１１に示される光電陰極のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 本実施形態に係る光電陰極の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係る画像増強管の断面模式図である。 本発明の実施形態に係るラインフォーカス型の光電子増倍管の断面模式図である。 本発明の実施形態に係る電子打ち込み型の光電子増倍管の断面模式図である。

符号の説明

１，９０，１００・・・光電陰極、２，９２・・・支持基板、１２ａ・・・主面、４・・・第２の電極、６，９４・・・光吸収層、８・・・電子放出層、１０，１０２・・・コンタクト層、１１，１８，１０８，１１４・・・貫通孔、１２，１０６，１２０，１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ・・・第１の電極、１４・・・凸部、１６・・・凹部、２０・・・活性層、３０・・・画像増強管、６０，８０・・・光電子増倍管。

Claims (14)

1. 入射した光を吸収して光電子を発生する光吸収層と、
   前記光吸収層の一方の主面側に形成された第１の電極と、
   前記光吸収層の他方の主面側に形成され、前記第１の電極とともに前記光吸収層の一方の主面と他方の主面との間に電圧を印加するために使用される第２の電極と、
   を備え、
   前記第１の電極は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有するとともに、表面プラズモン共鳴を発生させるための所定の規則に従ったパターンが表面に形成されており、
   前記光吸収層は、前記第１の電極の前記貫通孔から出力された光を吸収して前記光電子を発生するとともに、発生した当該光電子を前記第１の電極の前記貫通孔を介して外部に放出することを特徴とする光電陰極。
2. 支持基板と、
   前記光吸収層上に形成され、前記光吸収層にて発生した光電子を加速する電子放出層と、
   前記電子放出層上に形成されたコンタクト層と、
   を更に備え、
   前記光吸収層は、前記支持基板上に形成されており、
   前記第１の電極は、前記コンタクト層と電気的に接続されており、
   前記第２の電極は、前記支持基板と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
3. 支持基板と、
   前記光吸収層上に形成され、前記光吸収層にて発生した光電子を加速する電子放出層と、
   を更に備え、
   前記光吸収層は、前記支持基板上に形成されており、
   前記第１の電極は、前記電子放出層とショットキ接合されており、
   前記第２の電極は、前記支持基板と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
4. 前記第１の電極は複数の凸部と当該凸部間に位置する凹部とを有しており、前記凸部および前記凹部が前記パターンを形成しており、前記貫通孔は前記凹部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電陰極。
5. 前記光吸収層にて発生する光電子の量が、貫通孔を有し且つ表面に凸部および凹部が形成されていない第１の電極を備えた場合に前記光吸収層にて発生する光電子の量と比べて多くなるように、前記パターンにおける前記所定の規則が決められていることを特徴とする請求項４に記載の光電陰極。
6. 前記第１の電極は前記貫通孔を複数有しており、当該複数の貫通孔が前記パターンを形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電陰極。
7. 前記貫通孔の最短幅は前記アンテナ層に入射する光の波長よりも短いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光電陰極。
8. 前記光吸収層の主面方向から見たときに、前記第１の電極の前記貫通孔の内側には、当該部分の仕事関数を低下させるための活性層が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光電陰極。
9. 前記活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物からなることを特徴とする請求項８に記載の光電陰極。
10. 前記第１の電極を複数備えており、
    前記複数の第１の電極のうち少なくとも２つにおいては、前記パターンの周期が互いに異なっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光電陰極。
11. 前記複数の第１の電極は、電圧をそれぞれ個別に印加可能となっていることを特徴とする請求項１０に記載の光電陰極。
12. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の光電陰極を複数備え、
    前記光電陰極の前記第１および第２の電極は、電圧を前記光電陰極毎に印加可能となっていることを特徴とする光電陰極アレイ。
13. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光電陰極を備えることを特徴とする電子管。
14. 請求項１２に記載の光電陰極アレイを備えることを特徴とする電子管。
    

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