JP2020533760A - 熱アシスト負電子親和性フォトカソード - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2017年9月12日に出願された米国特許出願第15/702,647号の優先権を主張するものであり、その全ては参照として本明細書に組み込まれる。
本発明は、効果的に負電子親和性半導体フォトカソードの分野に属する。本発明は、光吸収層と効果的に負電子親和性フォトカソード放出面との間に単一の小さな伝導帯バリアを組み込んだ新規のフォトカソード構造について説明する。この熱アシスト負電子親和性(TANEA)フォトカソードは、光電子増倍管及び暗視センサでの使用に適している。本発明は、極低温を超えて動作するように設計された、可視及び近赤外部分スペクトルのフォトカソードに最大の利益をもたらす。
1.真空放出面に差し出される電子の平均エネルギーは、図1Bに示す従来技術のフォトカソードに対して熱電子放出バリア(115)が存在する場合に増加する。エネルギー増加により、光電子が真空中の自由電子の近接エネルギーを下回る前に、電子が活性層(135)と半導体フォトカソード表面との間の界面に隣接する空乏領域に入った後、エネルギー損失が増加する。本質的に、熱電子放出バリア(115)は、光電子エネルギーフィルタリング機能を行い、光放出の試行のために熱分布の上限で落下する光電子を選択的に伝達する。吸収層(110)内の光電子の光電子エネルギー分布と比較して、これら光電子の平均エネルギーが高いと、放出のために表面に差し出される光電子の脱出確率が直接増加する。その結果、TANEAフォトカソードから抜ける電子の脱出確率は、従来技術のフォトカソードよりも高い。
2.光放出に必要な要件から光吸収層(110)の材料パラメータを分離することにより、図1Bに示す従来技術のフォトカソードで実行可能なよりも低いドーピングレベルを光吸収層で使用できるようになる。ドーピングレベルが減少すると、高品質の直接バンドギャップフォトカソードで少数のキャリア寿命が増加し得る。十分なキャリア寿命があるため、任意の試行で熱電子放出バリア(115)を通過できなかった光電子は、追加の試行のためにバリア−光吸収層界面(110〜115界面)に拡散する可能性が高くなる。バリアを透過する各試行で、光電子エネルギーは変化する。統計的に、フェルミ準位に対する光電子エネルギーは、伝導帯の最小値に加え、伝導帯の状態密度及び温度の両方によって決定される熱エネルギー分布に広がる。この分布は、kTの関数として説明されてもよく、kはボルツマン定数、Tはケルビン温度での半導体格子温度である。その結果、熱電子放出バリアに最初に遭遇したときに統計的エネルギー分布が低くなった可能性のある電子は、次の試行で吸収層内の熱光電子の統計的エネルギー分布の上限に落ちることがある。キャリア寿命の制限に起因する光電子の正味の損失は、観察結果1で詳しく説明されている脱出確率の正味の増加よりも小さく、TANEAフォトカソードは従来技術のフォトカソードに対して改善された性能を示す。
Claims (20)
- 光学窓と、
前記光学窓に隣接する光吸収体と、
前記光吸収体に隣接する熱電子バリア層とを含み、
前記熱電子バリア層は、
前記光吸収体のバンドギャップよりも高いバンドギャップ、又は、
前記光吸収体のドーピング濃度よりも高いドーパント濃度のうち少なくとも一方を有し、
前記熱電子バリア層のフェルミ準位は、前記光吸収体のフェルミ準位と前記フォトカソードの真空放出面との間にある、p型半導体フォトカソード。 - 前記光吸収体は、GaAsを含む、請求項1に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層は、AlGaAsを含む、請求項2に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層AlGaAsは、Alの原子濃度が0.1%〜4%であるAl/(Al+Ga)を含む、請求項3に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層AlGaAsは、Alの原子濃度が約1.5%であるAl/(Al+Ga)を含む、請求項4に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層に隣接する表面化学特異化層をさらに含む、請求項1に記載のフォトカソード。
- 前記表面化学特異化層は、GaAsを含む、請求項6に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層は、AlGaAsを含む、請求項7に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層AlGaAsは、Alの原子濃度が0.1%〜4%であるAl/(Al+Ga)を含む、請求項8に記載のフォトカソード。
- 前記熱電子バリア層AlGaAsは、Alの原子濃度が約1.5%であるAl/(Al+Ga)を含む、請求項9に記載のフォトカソード。
- 前記表面化学特異化層は、真空に面する放出面を含む、請求項6に記載のフォトカソード。
- 前記表面化学特異化層の厚さは、1つの原子層から30nmの範囲である、請求項6に記載のフォトカソード。
- 前記表面化学特異化層は、GaAsを含む、請求項12に記載のフォトカソード。
- 真空筐体と、
前記真空筐体内に配置されるフォトカソードと、
前記真空筐体内に受光面を有し、かつ前記フォトカソードに面するフォトセンサとを含み、
前記フォトカソードは、
光学窓と、
前記光学窓に隣接する光吸収体と、
前記光吸収体に隣接する熱電子バリア層とを含み、
前記熱電子バリア層は、
前記光吸収体のバンドギャップよりも高いバンドギャップ、又は、
前記光吸収体のドーピング濃度よりも高いドーパント濃度のうちの少なくとも1つを有し、
前記熱電子バリア層のフェルミ準位は、前記光吸収体のフェルミ準位と前記フォトカソードの真空放出面との間にある、微光撮像装置。 - 前記フォトセンサは、電子衝撃されたCMOSイメージセンサを含む、請求項14に記載の微光撮像装置。
- 前記フォトセンサは、電子衝撃されたCCDイメージセンサを含む、請求項14に記載の微光撮像装置。
- 前記フォトセンサは、画像増強装置を含む、請求項14に記載の微光撮像装置。
- 前記微光撮像装置は、電子増倍管をさらに含む、請求項14に記載の微光撮像装置。
- 前記微光撮像装置は、真空内に配置され、かつ前記フォトカソードと前記フォトセンサとの間に挿入される電子増倍管をさらに含み、前記フォトセンサは出力窓を含み、前記受光面は前記出力窓上のコーティングを含み、前記コーティングは、蛍光体層と該蛍光体層を覆う金属層とを含む、請求項14に記載の微光撮像装置。
- 前記金属層は、アルミニウム層を含む、請求項19に記載の微光撮像装置。
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