JP3222937B2 - Charge transfer type multiplier - Google Patents

Charge transfer type multiplier

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体を用いた電荷転送
型の増倍装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge transfer type multiplier using a semiconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】電荷を次々に転送してゆく素子として
は、CCDやPCDが知られている。しかし、これらは
増倍機構を有するものではない。又、電子増倍に着目し
て先行例を挙げると、電子増倍管が動作としては一番近
いものである。電子増倍管は、雑音の発生を抑えながら
電子増倍を行なえるため高S/Nの電子増倍ができる
が、真空管であるために形状は大きく、扱いにくいもの
である。本発明はこれらの問題点を解決するためのもの
で、全く新しい原理の電荷転送型増倍装置を提供するこ
とを課題とする。
2. Description of the Related Art CCDs and PCDs are known as elements for sequentially transferring electric charges. However, they do not have a multiplication mechanism. Also, taking a prior example focusing on electron multiplication, the electron multiplier is the closest in operation. Although the electron multiplier can perform electron multiplication while suppressing generation of noise, it can perform high S / N electron multiplication. However, since it is a vacuum tube, it has a large shape and is difficult to handle. The present invention has been made to solve these problems, and it is an object of the present invention to provide a charge transfer type multiplier having a completely new principle.

【0003】[0003]

【課題を解決するための手段】本発明に係る電荷転送型
増倍装置は、キャリア濃度が1012cm-3以下の半絶縁
性半導体に設けた複数個の電極と、該隣接電極間に順次
0.5kV/cm以上の電界を印加する手段とを具えた
ことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a charge transfer type multiplication device comprising: a plurality of electrodes provided on a semi-insulating semiconductor having a carrier concentration of 10 12 cm -3 or less; Means for applying an electric field of 0.5 kV / cm or more.

【0004】[0004]

【作用】本発明は、電子を空間的に移動させながら増倍
を行なう装置に関するもので、半導体デバイスとして電
子増倍管と同じ作用をもつデバイスを提供するものであ
る。すなわち、半絶縁性半導体に複数の電極を設け、こ
れらの間の半絶縁性半導体中に0.5kV/cm以上の
電界を印加すると、電子の散乱緩和時間τs は70ピコ
秒程度にまで大幅に増加し、それに伴って平均自由行程
も増加する。又、電界は陽極部に集中する。この二つの
作用により、陽極部では低電界でも雪崩増倍が実現でき
る。これは本発明者の研究により明らかにされたもので
あり、本発明はこの電子増倍機構をカスケードに接続す
る事により、キャリアを空間的に移動させながら転送な
いし増倍させるものである。
The present invention relates to an apparatus for performing multiplication while moving electrons spatially, and provides a device having the same function as an electron multiplier as a semiconductor device. That is, when a plurality of electrodes are provided on a semi-insulating semiconductor and an electric field of 0.5 kV / cm or more is applied to the semi-insulating semiconductor therebetween, the electron scattering relaxation time τ s is greatly reduced to about 70 picoseconds. And the mean free path increases accordingly. Also, the electric field concentrates on the anode part. By these two actions, avalanche multiplication can be realized even at a low electric field in the anode section. This has been clarified by the research of the present inventor. In the present invention, by connecting this electron multiplying mechanism in a cascade, carriers are transferred or multiplied while moving spatially.

【0005】[0005]

【実施例】具体的な例を挙げて、本発明の説明を行な
う。
The present invention will be described with reference to specific examples.

【0006】図1は実施例装置の構成を示す斜視図であ
る。半絶縁性GaAs基板11 上に電極2i i =1〜
5)を設け、直列抵抗3i を介して電圧分配用抵抗4i
により分割された一定の電圧が印加されるように成され
ている。図1では簡単化の為に半導体薄板の表裏を利用
して、ジグザグ状に電荷を転送する構造を示したが、勿
論、片面のみに電極を配して順次転送させることもでき
る。又、電極2i の中間部に刻み目を入れる等して等価
的電流通路を制限したり、表面に添った無効な電流を減
らす事ができる。即ち、半導体11 及び電極21 配置
は、順次同種の電極があってその間に順次電位が配分さ
れていればよく、構造の詳細は任意である。特にこの場
合には、電極2i の相互の間隔を平均自由行程と同程度
ないしそれ以下に選ぶ事によって、キャリアを加速して
次段の電極に転送させることができる。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of the apparatus of the embodiment. Electrodes 2 i ( i = 1 to 1) on semi-insulating GaAs substrate 11
5) is provided, for voltage divider via a series resistor 3 i resistor 4 i
Is applied so as to apply a constant voltage divided by. Although FIG. 1 shows a structure in which charges are transferred in a zigzag manner using the front and back surfaces of a semiconductor thin plate for simplification, it is needless to say that electrodes can be arranged only on one side and transferred sequentially. Also, limit or an equivalent current path and the like put a score in the middle portion of the electrode 2 i, it is possible to reduce an invalid current along the surface. That is, the semiconductor 1 1 and the electrode 2 1 arrangement has only to be sequentially potential therebetween there is sequentially homologous electrodes allocation, details of the structure is arbitrary. In particular, in this case, by selecting the distance between the electrodes 2 i to be equal to or less than the mean free path, carriers can be accelerated and transferred to the next electrode.

【0007】なお、半絶縁性基板11 の表面には、入力
端子の電極20 と、電子(増倍電子)出力用の電極26
が形成されている。そして、電極20 には電源50 が接
続され、電極26 は出力端子OUTに接続されている。
なお、これら電極20 ,26は半絶縁性基板11 にオー
ム性接合している。
[0007] Note that the semi-insulating substrate 1 1 surface, the electrodes 2 0 input terminal, electrode 2 6 of the electron for (multiplied electrons) Output
Are formed. The power supply 5 0 is connected to the electrode 2 0, electrode 2 6 is connected to the output terminal OUT.
It should be noted that these electrodes 2 0, 2 6 are bonded ohmic a semi-insulating substrate 1 1.

【0008】このような配置にすると、各電極2i 間で
雪崩増倍が生じようとするが、どこか一カ所で雪崩が生
じるようになると事情は異なる。増倍電流による電位降
下は、共通インピーダンスによって隣接電極の電位を降
下させるため、放電電極(雪崩電極)は通常一つに限ら
れる、この時、端子6i にシフトパルスを加えることに
よって隣接電極を放電させると、その他の電極では抑圧
され、このようにしてシフトパルスによりオン電極(放
電電極)を変えていくことができる。しかし、各電極2
i に於ける動作バイアス点が過度に飽和領域に入り込ん
でいる時には、順次増倍する機能を有せず、むしろシフ
トレジスタを構成していると言えるので、遅延線(一時
記憶)素子として利用できる。
With such an arrangement, avalanche multiplication is likely to occur between the electrodes 2 i , but the situation is different if an avalanche occurs at one location. Potential drop due to the multiplication current, for lowering the potential of the adjacent electrode by a common impedance, the discharge electrode (avalanche electrode) is limited to the normal one, this time, the adjacent electrodes by applying a shift pulse to the terminal 6 i When discharging is performed, the other electrodes are suppressed, and thus the on-electrode (discharge electrode) can be changed by the shift pulse. However, each electrode 2
When the operating bias point at i is excessively in the saturation region, it can be said that it does not have a function of sequentially multiplying, but rather constitutes a shift register, so that it can be used as a delay line (temporary storage) element. .

【0009】各段への印加電界を、各段に注入される電
流でようやく雪崩増倍が生じる程度で、ターンオーバー
電界よりも低く設定することにより、電流を飽和させる
こと無く取りだすことができる。この閾値電界は、半導
体基板11 が半絶縁性GaAsの場合、0.5ないし2
kV/cm程度である。この時、信号入力としては増倍
段の初段に電気的に注入したキャリアでもよく、光照
射、放射線照射等によってキャリアを発生させる手段な
ど、適当な入力を考えることができる。信号出力は最終
段の電極26 から電気的出力としてとりだされる。
The electric field applied to each stage can be taken out without saturating the current by setting it lower than the turnover electric field to such an extent that avalanche multiplication occurs only by the current injected into each stage. The threshold electric field, when the semiconductor substrate 1 1 is a semi-insulating GaAs, from 0.5 2
It is about kV / cm. At this time, the signal input may be a carrier electrically injected into the first stage of the multiplication stage, and an appropriate input such as a means for generating the carrier by light irradiation, radiation irradiation, or the like can be considered. The signal output is taken out from the electrode 26 at the last stage as an electrical output.

【0010】特に優れた2次電子増倍型転送装置は、オ
ージェ効果を利用するようにした装置である。電極2i
の材料をオージェ効果の高い物質に選ぶことにより、2
次電子の放出により電子増倍をさせ、電荷を転送する装
置を実現することができる。先に述べたように、高抵抗
半導体中では、電界強度が数kV/cmの領域に於て電
子の散乱が極めて少なく、電子は容易に高エネルギーに
なり得る。従って、電極間で加速された電子は高エネル
ギーの状態で陽極に達し、電極をたたく。電極がオージ
ェ効果の高い物質で構成されている場合には2次電子が
放出され、さらに次段へ伝達され又加速され、さらに2
次電子を放出する。このようなオージェ効果の高い電極
としては、GaAs基板に対してはGaSb,InP基
板に対してはInSb、InAs等が挙げられる。
A particularly excellent secondary electron multiplication type transfer apparatus is an apparatus that utilizes the Auger effect. Electrode 2 i
By selecting a material that has a high Auger effect,
A device that transfers electrons by multiplying electrons by emitting secondary electrons can be realized. As described above, in a high resistance semiconductor, scattering of electrons is extremely small in a region where the electric field intensity is several kV / cm, and electrons can easily have high energy. Therefore, the electrons accelerated between the electrodes reach the anode in a state of high energy and strike the electrodes. When the electrode is made of a material having a high Auger effect, secondary electrons are emitted, further transmitted to the next stage and accelerated, and
The next electron is emitted. Examples of such an electrode having a high Auger effect include GaSb for a GaAs substrate and InSb and InAs for an InP substrate.

【0011】オージェ電子増倍機構の最大の特徴は、2
次電子放射に関与しているのは電子だけであるというこ
とである。つまり、電子のみが散乱を受けず加速される
ために、容易に2次電子放射を行なうことができる。こ
のように、電子のみが電子増倍されることは、S/Nと
いう観点からは理想的な状態であり、S/Nを極めて高
く保ちながら増倍することができる。
The biggest feature of the Auger electron multiplier is that
It is only electrons that are involved in secondary electron emission. That is, since only electrons are accelerated without being scattered, secondary electron emission can be easily performed. Thus, it is an ideal state from the viewpoint of S / N that only the electrons are multiplied by electrons, and the multiplication can be performed while keeping the S / N extremely high.

【0012】[0012]

【発明の効果】本発明により、従来は真空管でしか実現
されなかった電子増倍管と同じ作用を半導体中で行なう
ことができ、半導体の光電変換特性を利用することによ
り、光電子増倍管と同じ作用をさせることができる。つ
まり、真空管のため取り扱いが不便であり、又真空放射
の為限界波長が制限されていた光電子増倍管を、取扱の
容易な半導体中に実現し、また波長範囲を大幅に改善す
ることができる。
According to the present invention, it is possible to perform the same function in a semiconductor as an electron multiplier which has been conventionally realized only with a vacuum tube. By utilizing the photoelectric conversion characteristics of the semiconductor, the photomultiplier can be used. The same effect can be achieved. In other words, the photomultiplier tube, which is inconvenient to handle due to the vacuum tube, and whose limit wavelength is limited due to vacuum radiation, can be realized in an easy-to-handle semiconductor, and the wavelength range can be greatly improved. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例の構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an embodiment of the present invention.

【符号の説明】 11 …高抵抗半導体、21 …電局、3i …直列抵抗、4
i …電圧分割用抵抗、5i …電源、6i …シフトパルス
入力。
[Description of Signs] 1 1 : High-resistance semiconductor, 2 1 : Electric station, 3 i : Series resistance,
i : Voltage dividing resistor, 5 i : Power supply, 6 i : Shift pulse input.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 孝 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 藁科 禎久 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 杉本 賢一 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 鈴木 智子 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/762 - 29/768 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Takashi Iida, 1126 Nomachi, Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Inside (72) Inventor Yoshihisa Hoshina 1126, Nomachi, Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Kenichi Sugimoto 1126, Nomachi, Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Inside (72) Inventor Tomoko Suzuki 1126, Nomachi, Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Inside Hamamatsu Photonics Corporation (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/762-29/768

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 キャリア濃度が1012cm-3以下の半絶
縁性半導体に設けた複数個の電極と、該複数個の電極の
隣接電極間に順次0.5kV/cm以上の電界を印加す
る手段とを具えかつ該電極は電荷増倍特性を有する材料
で構成されたことを特徴とする電荷転送型増倍装置。
An electric field of 0.5 kV / cm or more is sequentially applied between a plurality of electrodes provided on a semi-insulating semiconductor having a carrier concentration of 10 12 cm -3 or less and adjacent electrodes of the plurality of electrodes. Means, and said electrode is made of a material having a charge multiplication characteristic.
【請求項2】 前記電極の間隔が、キャリアの平均自由
行程以下になるようになされたことを特徴とする請求項
1記載の電荷転送型増倍装置。
2. The charge transfer type multiplier according to claim 1, wherein an interval between said electrodes is set to be equal to or less than a mean free path of carriers.
【請求項3】 前記半絶縁性半導体が、半絶縁性GaA
s、もしくは半絶縁性InPであることを特徴とする請
求項1記載の電荷転送型増倍装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semi-insulating semiconductor is semi-insulating GaAs.
The charge transfer type multiplier according to claim 1, wherein the charge transfer multiplier is s or semi-insulating InP.
【請求項4】 前記電極がオージェ電子を放出するよう
に成されていることを特徴とする請求項1記載の電荷転
送型増倍装置。
4. The charge transfer type multiplier according to claim 1, wherein said electrode emits Auger electrons.
【請求項5】 前記電極が、GaSb,InAs又はI
nSbのいずれか1つの組成からなるIII−V属半導
体を主たる材料とするものであることを特徴とする請求
項4記載の電荷転送型増倍装置。
5. The method according to claim 1, wherein the electrode is GaSb, InAs or I
5. The charge transfer type multiplier according to claim 4, wherein the main material is a III-V semiconductor composed of any one of nSb and nSb.
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