JP3433538B2 - 半導体光電陰極およびこれを用いた半導体光電陰極装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の入射により発生し
た電子を外部から電圧を印加することにより加速して放
出する半導体光電陰極および半導体光電陰極装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】外部バイアス電圧により、半導体内部に
電界を形成して光電子を放出面まで移送させて真空中に
放出させる光電陰極としては、米国特許３９５８１４３
号に示されているＴ．Ｅ．光電陰極がある。Ｔ．Ｅ．光
電陰極の動作機構はいくつかの文献で示されている通り
であり、簡単に説明するならばＩＩＩ−Ｖ族半導体（ｐ
^- ）表面全面にショットキ電極を形成して正の電位を与
えることにより、光電陰極内部に傾斜電場を形成して光
電子を形成して光電子を加速させ上位伝導帯に遷移させ
て表面障壁を越えさせ、真空中に放出させる。光応答波
長に関しては２．１μｍまで確認されその有効性が示さ
れている。また、光電変換効率を向上させるためにショ
ットキ電極の形状を全面から格子状に工夫することで効
率の向上も図られた。

【０００３】また、米国特許５０４７８２１号や特開平
４−２６９４１９号公報には、半導体光電陰極を安定し
て再現性よく製造する技術が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の半導体光電陰極の量子効率は０．１％と通常の光検出
器と比較して低く、実用的な光検出器として用いるため
には、さらなる量子効率の向上が望まれる。この量子効
率の低さは、光電子の表面に形成されるショットキ電極
への捕獲に起因していると考えられる。

【０００５】本発明は以上の問題に鑑みてなされたもの
であり、さらに量子効率を改善することができる半導体
光電陰極およびこれを用いた半導体光電陰極装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射した光に
感応して発生した電子を外部から電圧を印加することに
より加速して放出する半導体光電陰極およびこれを用い
た半導体光電陰極装置（光検出管、イメージ管、光電子
増倍管、ストリークカメラ、イメージインテンシファイ
アなど）を対象とするものである。そして、この半導体
光電陰極は、ｐ型の第１半導体層（光吸収層）と、第１
不純物濃度を有して第１半導体層上に形成されたｐ型の
第２半導体層（電子移送層）と、開口を有し、第２半導
体層とショットキ接触を成して前記第２半導体層の表面
を覆うように形成されたショットキ電極と、第２半導体
層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、ショットキ電
極の開口内に形成された第３半導体層（活性層）と、前
記第１不純物濃度よりも高い第２不純物濃度を有し、シ
ョットキ電極をその厚み方向に貫く延長線上であって、
第２半導体層の内部に配置されたｐ型の半導体部（チャ
ネル格子）とを具備し、 前記半導体部は、電子が前記
半導体部間の領域を通過するように設けられていること
とした。

【０００７】また、このような半導体光電陰極の他の構
成として、ｐ型の第１半導体層と、第１不純物濃度を有
して第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層
と、前記第１不純物濃度よりも高い第２不純物濃度を有
し、第２半導体層上に形成されたｐ型の半導体部と、開
口を有し、半導体部とショットキ接触を成して半導体部
の表面を覆うように形成されたショットキ電極と、第２
半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、ショッ
トキ電極の開口をその軸方向に貫く延長線上であって、
第２半導体層上に形成された第３半導体層とを備えるこ
ととしてもよい。また、これらの半導体部は第２半導体
層よりも広いエネルギーバンドギャップを有することと
してもよい。

【０００８】そして、本発明は、このような半導体光電
陰極と陽極とを大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提
供する密閉容器内に有する半導体光電陰極装置を対象と
するものである。この半導体光電陰極装置においては、
半導体基板と、半導体基板上に形成されたｐ型の第１半
導体層と、第１不純物濃度を有して第１半導体層上に形
成されたｐ型の第２半導体層と、開口を有し、第２半導
体層とショットキ接触を成して第２半導体層の表面を覆
うように形成されたショットキ電極と、第２半導体層の
仕事関数より小さな仕事関数を有し、ショットキ電極の
開口内に形成された第３半導体層と、前記第１不純物濃
度よりも高い第２不純物濃度を有し、ショットキ電極を
その厚み方向に貫く延長線上であって、第２半導体層の
内部に配置されたｐ型の半導体部と、ショットキ電極に
電気的に接続され、密閉容器を貫通する第１接続ピン
と、半導体基板またはｐ型第１半導体層に電気的に接続
され、密閉容器を貫通する第２接続ピンとを備え、陽極
は、この陽極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する
第３接続ピンを備え、前記半導体部は、電子が前記半導
体部間の領域を通過するように設けられていることとし
た。

【０００９】この半導体光電陰極装置は、半導体光電陰
極と陽極との間に配置された電子増倍器を含むこととし
てもよく、また、陽極は、蛍光物質を含む部材からなる
こととしてもよい。電子増倍器は、ダイノードなどから
構成されるものであり、半導体光電陰極から出力された
電子を増倍して陽極に入力する。この陽極が蛍光物質を
含む部材を含んでいる場合には、半導体光電陰極に入力
された光をこの蛍光物質に照射することにより、入射し
た光を蛍光に変換して半導体光電陰極装置から出力する
ことができる。

【００１０】

【作用】本発明の半導体光電陰極は、まず、光や電磁波
がｐ型の第１半導体層に入射することによって、第１半
導体層では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導
帯のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー
準位）に励起されている。そして、ショットキ電極には
第１半導体層よりも高い電位が与えられるので、これに
より発生した電界に力を受けて発生した電子はショット
キ電極方向へ走行する。第２半導体層は、第１半導体層
よりもその濃度が低い場合には、第２半導体層内には、
第１半導体層よりも広い範囲に空間電荷領域が発生す
る。この空間電荷領域には電界が生じており、走行中の
電子はエネルギーを受け取って伝導帯中のガンマ谷の下
限のエネルギー準位（第１エネルギー準位）よりもさら
に上の衛星谷（ＬまたはＸ）またはガンマ谷のより高い
エネルギー準位（第２エネルギー準位）に励起されてシ
ョットキ電極方向に走行する。

【００１１】一方、第２半導体層の内部または表面に
は、ショットキ電極をその厚み方向に貫く延長線上に第
１不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する半導体部が
配置されているので、この半導体部の存在に起因して発
生するポテンシャル障壁により、走行中の電子の軌道は
曲げられて、電子はショットキ電極の開口方向へ走行す
る。ショットキ電極の開口内または開口を貫く軸の延長
線上には第３半導体層が形成されているので、電子はこ
の第３半導体層内に導入される。第３半導体層は、ｐ型
第２半導体層の仕事関数よりも小さな仕事関数を有して
おり、電子は第３半導体層から容易に真空中へ放出され
る。この第３半導体層は、仕事関数が低いアルカリ金属
を主成分とする化合物半導体などで作られる。すなわ
ち、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−
Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ
−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、
Ａｇ−Ｏ−Ｃｓなどの組み合わせが列挙される。

【００１２】また、この半導体部は環状の部分を有して
おり、この環状の部分内の面積は、ショトキ電極の開口
内の面積よりも小さいこととすれば、電子は半導体部に
よって効率よく開口方向へ集束される。さらに、このよ
うな環状の部分が複合してメッシュ形状を構成すること
とすれば、第３半導体層の表面から高い均一性で電子を
放出することができる。

【００１３】また、このような半導体光電陰極と陽極と
を密閉容器内に配置して形成した半導体光電陰極装置
は、第１接続ピンと第２接続ピンとの間に第１接続ピン
の電位が第２接続ピンの電位よりも高くなるように電圧
を印加するとともに、第２接続ピンと第３接続ピンとの
間に第３接続ピンの電位が第１接続ピンの電位よりも高
くなるように電圧を印加して使用する。この状態で前述
の半導体光電陰極から放出された電子は陽極で収集され
る。したがって、この陽極に接続された第３接続ピンか
ら入射した光または電磁波に対応した電流を取り出すこ
とができる。なお、この半導体光電陰極と陽極との間
に、半導体光電陰極から放出された電子を増倍するため
のダイノードやマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）
をさらに配置することとしてもよい。

【００１４】また、このような半導体光電陰極装置にお
いて、ｐ型第１半導体層は、このｐ型第１半導体層と半
導体基板との界面近傍に、ｐ型第１半導体層内のｐ型第
２半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと半導
体基板のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエ
ネルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層を
有することとすれば、半導体基板とｐ型第１半導体層と
の界面の結晶性を良好に保持してリーク電流や再結合電
流を減少させることができる。

【００１５】また、ｐ型第２半導体層は、このｐ型第２
半導体層とｐ型第１半導体層との界面近傍に、ｐ型第２
半導体層内の第３半導体層側の領域のエネルギーバンド
ギャップと第１半導体層のエネルギーバンドギャップと
の中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１
グレーデッド層を有することとしてもｐ型第２半導体層
とｐ型第１半導体層との界面の結晶性を良好に保持して
リーク電流や再結合電流を減少させることができる。ま
た、半導体部は、ストライプ状に配置された半導体部分
を含むこととしてもよい。これらの半導体部は、互いに
交差する第１半導体部分（６０ａ）と第２半導体部分
（６０ｄ）とを備えることとしてもよい。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る半導体光電陰極の一実施
例について添付図面を用いて説明する。なお、同一要素
には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略す
る。

【００１７】図１は、第１実施例に係る半導体光電陰極
の斜視図である。

【００１８】本実施例の半導体光電陰極ＣＴは、まず、
半導体基板１０上に光の入射に応答して電子を発生する
ｐ型の第１半導体層２０（光吸収層）が形成されてい
る。ｐ型の第１半導体層２０上には、第１半導体層２０
よりも低い不純物濃度（第１不純物濃度）を有するｐ型
第２半導体層３０（電子移送層）が形成されている。そ
して、第２半導体層３０の表面を覆うように開口を有す
る網目状であって格子状のショットキ電極５０が形成さ
れている。ショットキ電極５０は、第２半導体層３０と
ショットキ接触をなしている。

【００１９】また、第２半導体層３０の表面であって、
ショットキ電極５０の開口内には第３半導体層４０（活
性層）が形成されている。この第３半導体層４０は、第
２半導体層３０の仕事関数より小さな仕事関数を有して
いる。第２半導体層３０の内部には、第１不純物濃度以
上の不純物濃度を有する第２不純物濃度のｐ型の半導体
部６０（チャネル格子）が埋設されている。そして、半
導体部６０は、ショットキ電極５０をその厚み方向に貫
く延長線上に設置されている。

【００２０】また、この半導体部６０は格子形状（メッ
シュ形状）を有しており、この格子形状の１つの格子の
目で規定される環状の部分内の面積は、ショトキ電極５
０の開口内の面積よりも小さい。これにより、電子は半
導体部６０によって効率よく開口方向へ曲げられ、ま
た、この電子は半導体部６０が格子形状であるので、第
３半導体層の表面から高い均一性で放出されることにな
る。なお、第１半導体層２０にはオーミック電極７０が
設置されている。

【００２１】本実施例においては、これらの半導体層の
構成材料や層厚は以下のように設定される。

【００２２】半導体基板１０は（１００）ｐ型ＩｎＰ半
導体基板であり、ｐ型第１半導体層２０は半導体基板１
０にエピタキシャル成長によって形成された不純物濃度
１×１０¹⁸〜１０²⁰／ｃｍ³ のｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体
である。そして、第１半導体層２０の膜厚はこの層の電
子拡散長で決定される厚さ（例えば、１．５〜２．５μ
ｍ）が適当である。ｐ型の第２半導体層３０は厚さ１．
０〜１０μｍ、（第１）不純物濃度約１×１０¹⁷／ｃｍ
³ 〜１×１０¹⁴／ｃｍ³ のｐ型ＩｎＰ半導体であり、半
導体部６０は（第２）不純物濃度１×１０¹⁸〜１０²⁰／
ｃｍ³ 程度のｐ⁺ のＩｎＰ半導体である。第３半導体層
４０は第２半導体層３０の仕事関数より小さな仕事関数
を有する（Ｃｓ，Ｏ）半導体である。

【００２３】また、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ
−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ
−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ
−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓなどの組み合わせが列挙さ
れる。

【００２４】なお、これらの半導体層の材料は、以下の
物質も選択しうる。すなわち、［半導体基板１０、ｐ型
第１半導体層２０（光吸収層）、ｐ型第２半導体層３０
（電子移送層）、半導体部６０（チャネル格子）］の構
成材料の組み合わせは、各層の間で格子整合がとれるも
の同士の組み合わせが妥当であり、この格子整合は各層
の格子定数の差が±０．３％以内であることが望まし
い。したがって、このような構成材料の組み合わせの範
囲は以下の通りである。

【００２５】それぞれ、半導体基板、第１半導体層、第
２半導体層、半導体部は、以下の表に示す構成材料の組
み合わせから選択しうる。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】但し、第２半導体層と半導体部とをホモ接
合とした場合には、ヘテロ接合と比較して、これらの格
子定数に違いはないのでヘテロ接合のミスフィットに起
因する再結合電流が発生することがない。

【００３０】次に、この半導体光電陰極ＣＴの動作につ
いて説明する。図２は、図１の半導体光電陰極ＣＴを線
分Ａ−Ａに沿って切った断面図である。なお、同図に
は、第３半導体層４０に対向して設置された陽極９０が
示されている。同図に示すようにオーミック電極７０と
ショットキ電極５０との間には、ショットキ電極５０が
オーミック電極７０よりも高い電位になるような電圧
（例えば、３．５Ｖ）が印加されている。また、オーミ
ック電極７０と陽極９０との間には、陽極９０が、オー
ミック電極７０よりも高い電位になるような電圧（例え
ば、１００Ｖ）が印加されている。なお、この半導体光
電陰極ＣＴおよび陽極９０は１０^-10 ｔｏｒｒ以下の環
境下に配置されている。この半導体光電陰極ＣＴおよび
陽極９０の配置される環境の圧力は、少なくとも大気圧
以下の圧力であって１０^-5ｔｏｒｒ以下であることが望
ましい。

【００３１】このような条件下の半導体光電陰極ＣＴに
光や電磁波が入射すると、まず、光や電磁波がｐ型の第
１半導体層２０に入射することによって、第１半導体層
２０では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導帯
のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー準
位）に励起されている。そして、ショットキ電極５０に
はｐ型第１半導体層よりも高い電位が与えられるので、
これにより発生した電界に力を受けて発生した電子はシ
ョットキ電極５０方向へ走行する。第２半導体層３０
は、第１半導体層２０よりもその濃度が低いので、第２
半導体層３０内には、第１半導体層２０よりも強い電界
が発生する。この強い電界により走行中の電子はエネル
ギーを受け取って伝導帯中のガンマ谷の下限のエネルギ
ー準位（第１エネルギー準位）よりもさらに上の衛星谷
（ＬまたはＸ）またはガンマ谷よりも高いエネルギー準
位（第２エネルギー準位）に励起されてショットキ電極
５０方向に走行する。

【００３２】ここで、第２半導体層３０の内部には、シ
ョットキ電極５０をその厚み方向に貫く延長線上に第３
不純物濃度の半導体部６０が埋設されているので、この
半導体部６０の存在に起因して発生するポテンシャル障
壁により、走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はシ
ョットキ電極５０の開口方向へ走行する。ショットキ電
極５０の開口内には第３半導体層４０が形成されている
ので、電子はこの第３半導体層４０内に導入される。第
３半導体層４０は、ｐ型第２半導体層３０の仕事関数よ
り小さな仕事関数を有しており、電子は第３半導体層４
０から容易に真空中へ放出される。放出された電子は、
陽極９０方向に力を受けて、陽極９０方向に進行する。

【００３３】次に、この半導体光電陰極ＣＴにおける電
子の走行について、エネルギーバンド図を用いて説明す
る。

【００３４】図３（ａ）は、図１の半導体光電陰極ＣＴ
の線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して
示した平面図である。また、同図（ｂ）および（ｃ）
は、それぞれ、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面および線分
Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバ
ンド図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半導
体光電陰極ＣＴにバイアスを印加しない場合のエネルギ
ーバンド図である。

【００３５】同図から明らかなように、半導体部６０
は、第２半導体層３０よりも高い不純物濃度を有してい
るので、半導体部６０の伝導帯の下端のエネルギー準位
はｐ型の第２半導体層よりも正の方向へシフトしており
（ポテンシャルは負の方向へシフトしている）、半導体
光電陰極ＣＴ内部には、励起された電子がショットキ電
極５０方向に進行しにくいポテンシャル障壁が形成され
ている。

【００３６】次にこの半導体光電陰極ＣＴにバイアスを
印加した場合の電子の振る舞いを図４を用いて説明す
る。

【００３７】図４（ａ）は、図１の半導体光電陰極ＣＴ
の線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して
示した平面図である。また、同図（ｂ）および（ｃ）
は、それぞれ、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面および線分
Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバ
ンド図である。なお、図５は、図４に示した電子の挙動
をさらに分かりやすく説明するための説明図である。

【００３８】図４（ｃ）から明らかなように、バイアス
を印加した場合においても半導体部６０は、第２半導体
層３０よりも高い不純物濃度を有しているので、励起さ
れた電子がショットキ電極５０方向に進行しにくいポテ
ンシャル障壁として機能する。このようなポテンシャル
障壁により、第２半導体層３０中を走行する電子は、そ
の軌道を変化させられて半導体部６０を避けて第３半導
体層４０方向に進行する。

【００３９】ショットキ電極５０にバイアスが印加され
ると、電子Ｅ１は、その進行方向が第２半導体層３０上
のショットキ電極５０の形成されていない領域に形成さ
れた第３半導体層４０方向に曲げられる。すなわち、電
子Ｅ１は半導体部６０とこの半導体部６０に隣接した半
導体部６０との間の領域Ｒを通過するので、線分Ａ−Ａ
断面上を通過する電子流の密度は増加することになる
（図５参照）。この半導体層６０によって挟まれた領域
Ｒを通過する際には、図４（ｂ）のように、伝導帯Ｅｃ
のガンマ谷の下限のエネルギー準位に励起された状態で
第２半導体層３０内を進行する電子Ｅ１は、第２半導体
層３０内に発生させられた電界により加速されてエネル
ギーを得、このエネルギー準位よりもさらに高いエネル
ギー準位の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ谷のよ
り高いエネルギー準位に励起されている。電子が、半導
体層６０で挟まれた領域Ｒを通過後、第３半導体層４０
に進入するまでの間には、発散する方向の力が電子に働
くが、この間の距離を例えば０．５〜２．０μｍとし、
また、半導体層６０とショットキ電極５０の幅を、半導
体層６０の幅≧ショットキ電極５０の幅となるように設
定すれば、現実的に半導体基板１０、第１半導体層２０
および第２半導体層３０において発生した電子Ｅ１のほ
とんどは、ショットキ電極５０に吸収されることなく第
３半導体層４０に進入する。第３半導体層４０の仕事関
数は第２半導体層３０よりも小さく、図４（ｂ）および
図５に示すように電子Ｅ１は効率よく真空中に放出され
る。

【００４０】図６は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴ
が密閉容器内に収納された半導体光電陰極装置を一部破
断して示す斜視図である。

【００４１】本半導体光電陰極装置は、大気圧よりも低
い圧力（１０^-5ｔｏｒｒ以下であって望ましくは１０
^-10 ｔｏｒｒ以下の圧力）の環境を内部に提供する密閉
容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備えてい
る。半導体光電陰極ＣＴは、これに電気的に接続された
第１接続ピン１および第２接続ピン２を有しており、陽
極９０はこれに電気的に接続された第３接続ピン９０ａ
を有している。第１接続ピン１、第２接続ピン２および
第３接続ピン９０ａは密閉容器１００を貫通している。
なお、半導体光電陰極ＣＴの陽極９０側には光や電磁波
が入射される入射窓１１０が配置されている。入射窓１
１０は、容器１００に接着することとしてもよい。

【００４２】このような半導体光電陰極ＣＴと陽極９０
とを密閉容器１００内に配置して形成した半導体光電陰
極装置は、第１接続ピン１と第２接続ピン２との間に第
１接続ピン１の電位が第２接続ピン２の電位よりも高く
なるように電圧を印加するとともに、第２接続ピン２と
第３接続ピン９０ａとの間に第３接続ピン９０ａの電位
が第１接続ピン１の電位よりも高くなるように電圧を印
加して使用する。なお、図１に示した半導体光電陰極Ｃ
Ｔを参照すれば、ショットキ電極５０およびオーミック
電極７０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７
０ａを介して第１接続ピン１および第２接続ピン２に接
続されており、陽極９０は、これに接続された第３接続
ピン９０ａを備えている。

【００４３】次に、図１に示した半導体光電陰極ＣＴの
製造方法について説明する。

【００４４】図７は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴ
の製造方法を半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説
明するための説明図である。

【００４５】まず、半導体基板１０を用意する。そし
て、この半導体基板上に、第１半導体層２０、第２半導
体３０ａ、半導体層６０ａおよびレジスト層２００ａを
順次積層する（図７（ａ））。各半導体層の積層には、
ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法、ＭＯＣＶＤ
（有機金属気相成長）法などのエピタキシャル成長法を
用いる。

【００４６】その後、レジスト層２００ａを表面から半
導体層６０ａに到達するまでエッチンッグしてメッシュ
状のレジスト２００を形成した（図７（ｂ））。次に、
このレジスト２００をマスクとして半導体層６０ａにｐ
型不純物となるイオンをイオン注入してメッシュ状の半
導体部６０を形成した（図７（ｃ））。しかる後、第２
半導体３０ａおよび半導体部６０の表面を覆うように第
２半導体３０ａを構成する材料をこれらの第２半導体３
０ａおよび半導体部６０上に堆積して第２半導体層３０
を形成した（図７（ｄ））。さらに、第２半導体層３０
上に図１のような配置になるようにショットキ電極５０
を形成した（図７（ｅ））。次に、大気よりも低圧の環
境下でこれを加熱して第２半導体層３０を清浄化した
後，これらショットキ電極５０および第２半導体層３０
を覆うように第３半導体層４０を堆積して図１に示した
半導体光電陰極を得た（図７（ｆ））。なお、本実施例
では、半導体基板１０、第１半導体層２０および第２半
導体層３０としてそれぞれＩｎＰ，ＩｎＧａＰおよびＩ
ｎＰを用い、厚さ２００ｎｍのレジスト膜２００を用い
た。

【００４７】第１半導体層２０の不純物濃度（キャリア
濃度）はｐ⁺ （１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ ）であ
る。この第１半導体層２０の厚さは１．５〜２．５μｍ
が適当である。第２半導体層３０の不純物濃度（キャリ
ア濃度）はｐ^- （１×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下）である。こ
の第２半導体層３０の厚さは１．０〜１０μｍが適当で
ある。半導体部６０の不純物濃度（キャリア濃度）はｐ
⁺ （１×１０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³ ）である。この半
導体部６０の厚さは１．０〜２．０μｍが適当である。
また、ショットキ電極５０は、Ａｌなどの金属を用いた
真空蒸着法により第２半導体層３０上に堆積することが
できる。また、本製造方法では、第３半導体層４０をＣ
ｓ₂ Ｏとし、Ｃｓ₂ ＯはＣｓ（セシウム）とＯ（酸素）
の交互蒸着またはこれらの材料を含む原料ガスを交互供
給することにより形成した。

【００４８】なお、図１に示した半導体光電陰極ＣＴの
ｐ型の第１半導体層２０は、図８に示すように、このｐ
型第１半導体層２０と半導体基板１０との界面近傍に、
ｐ型第１半導体層２０内のｐ型第２半導体層３０側の第
１領域２０ａのエネルギーバンドギャップと半導体基板
１０のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネ
ルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層２０
ｂを有することとしても良い。これにより、本半導体光
電陰極ＣＴ１において、半導体基板１０とｐ型第１半導
体層２０との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流
や再結合電流を減少させることができる。また、ポテン
シャル障壁で光電子が反跳されて、効率よく第２半導体
層３０に導かれる。

【００４９】また、ｐ型第２半導体層３０は、このｐ型
第２半導体層３０とｐ型第１半導体層２０との界面近傍
に、ｐ型第２半導体層３０内の第３半導体層４０側の第
２領域３０ａのエネルギーバンドギャップと第１半導体
層２０のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエ
ネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層３
０ｂを有することとしても第２半導体層３０と第１半導
体層２０との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流
や再結合電流を減少させることができる。

【００５０】すなわち、この第２グレーデッド層２０ｂ
は、第１領域２０ａの格子定数と半導体基板１０の格子
定数との中間の格子定数を有し、第１グレーデッド層３
０ｂは、第２領域３０ａの格子定数と第１領域２０ａの
格子定数との中間の格子定数を有している。

【００５１】また、図１に示した半導体光電陰極ＣＴで
は、オーミック電極７０を第１半導体層に設けたが、こ
れは、図９に示すように半導体基板７０の裏面に設置さ
れることとしてもよい。このように、オーミック電極７
０が半導体基板７０に設置されることとすれば、図１に
示した半導体光電陰極ＣＴと比較してオーミック電極７
０を容易にこの半導体基板７０に設置することができ
る。なお、本半導体光電陰極ＣＴ２も図８に示した半導
体光電陰極ＣＴ１と同様に第２グレーデッド層２０ｂお
よび第１グレーデッド層３０ｂを設けることとしてもよ
い。

【００５２】なお、以上の図１、図８および図９を用い
て説明された半導体光電陰極（ＣＴ、ＣＴ１およびＣＴ
２）は、図６に示した密閉容器１００内に設置すること
ができる。

【００５３】次に、半導体光電陰極の他の実施例につい
て説明する。

【００５４】図１０（ａ）は、本実施例に係る半導体光
電陰極の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）
のＡ−Ａ´線分に沿って切った半導体光電陰極の断面図
であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）のＢ−Ｂ´線分
に沿って切った半導体光電陰極の断面図である。

【００５５】この半導体光電陰極は、半導体基板３１
０、半導体基板３１０上に形成された第１半導体層３２
０、第１半導体層３２０上に形成された第２半導体層３
３０、第２半導体層３３０上に形成された第３半導体層
（活性層）３４０、第２半導体層３３０内に埋設された
半導体部３６０、第２半導体層３３０上に形成されたシ
ョットキ電極３５０を備えている。詳説すれば、半導体
基板３１０上には、光の入射に応答して電子を発生する
ｐ型の第１半導体層３２０（光吸収層）が形成されてい
る。この第１半導体層３２０は、第１不純物濃度を有し
ている。この第１半導体層３２０上には、第１不純物濃
度よりも低い不純物濃度を有する第２不純物濃度のｐ型
の第２半導体層３３０（電子移送層）が形成されてい
る。そして、第２半導体層３３０の表面を覆うようなス
トライプ状（櫛型状）のショットキ電極３５０が形成さ
れている。すなわち、ショットキ電極３５０は、ストラ
イプ状の半導体部分を含んでいる。ショットキ電極３５
０は、第２半導体層３３０とショットキ接触をなしてい
る。

【００５６】第２半導体層３３０の表面であって、スト
ライプ（縞）状のショットキ電極３５０の隙間には第３
半導体層３４０（活性層）が形成されている。この第３
半導体層３４０は、第２半導体層３３０の仕事関数より
小さな仕事関数を有している。第２半導体層３３０の内
部には、第２不純物濃度程度もしくはこれ以上の不純物
濃度を有する第３不純物濃度の半導体部３６０（チャネ
ル格子）が埋設されている。半導体部３６０は、ショッ
トキ電極３５０をその厚み方向に貫く延長線上に設置さ
れている。本実施例の半導体部３６０は、ストライプ形
状を有している。この半導体光電陰極に光が入射するこ
とによって、半導体光電陰極内において発生した電子
は、半導体光電陰極内の電界によって第１半導体層３２
０から活性層３４０方向に走行する。第２半導体層３３
０内には、櫛形の半導体部３６０が埋設されているの
で、この電子は半導体部３６０によって効率よくストラ
イプ３５０の隙間方向へ曲げらる。ストライプ３５０の
隙間には活性層３４０が配置されているので、この電子
が第３半導体層３４０の表面から高い均一性で放出され
ることになる。なお、半導体基板３１０にはこの基板３
１０にバイアスを印加するためのオーミック電極３７０
が設置されている。

【００５７】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図１１は、実施例に係る半導体光電陰極を一部破断
して示す斜示図である。この半導体光電陰極は、図１に
示したショットキ電極５０をショットキ電極５０ａ，５
０ｂ…に分割したものである。ショットキ電極５０ａと
ショットキ電極５０ｂとは電気的に絶縁されているの
で、電極５０ａにはショットキ電極５０ｂと独立した電
位を印加することができる。なお、他の要素（１０，２
０，３０，４０，６０，７０）の構成材料および不純物
濃度は、図１に示した要素と同じである。

【００５８】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図１２は、この実施例にかかる半導体光電陰極を一
部破断して示す斜示図である。図１３（ａ）は、図１２
に示した半導体光電陰極の平面図であり、図１３（ｂ）
は、図１３（ａ）の半導体光電陰極を線分Ａ−Ａ´に沿
って切った半導体光電陰極の断面図である。なお、図１
３（ａ）は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすく
説明するため、図１３（ｂ）に示される活性層４０が省
略されて描かれている。この半導体光電陰極は、図１１
に示したショットキ電極５０ａ，５０ｂに夫々リード電
極５０ａ´，５０ｂ´を接続したものである。リード電
極５０ａ´の終端部分は、ショットキ電極５０ａに電位
を与えるための端子を構成しており、リード電極５０ｂ
´の終端部分は、ショットキ電極５０ｂに電位を与える
ための端子を構成している。電極５０ａおよび電極５０
ｂと電極５０ｃおよび電５０極ｄとの間にリード電極が
配置されており、このリード電極５０ａ´または５０ｂ
´が活性層４０から放出された電子の通過を邪魔するこ
とがない。なお、他の要素（１０，２０，３０，４０，
６０，７０）の構成材料および不純物濃度は、図１に示
した要素と同じである。

【００５９】次に、図１２および図１３に示した半導体
光電陰極における電子放出の制御について説明する。以
下では、光が半導体光電陰極に入射することにより電子
を半導体光電陰極内に蓄積する「蓄積モード」、この電
子を放出する「放出モード」について説明する。

【００６０】（蓄積モード）図１４（ａ）は、図１２お
よび図１３に示した半導体光電陰極に陽極９０を接続し
た半導体光電陰極装置の断面図である。同図内におい
て、電極７０は、半導体基板１０に取り付けられてお
り、符号９０１、９０２、５０１は、オーミック電極を
表している。電極７０とアノード９０との間には電源Ｖ
₁ が接続されており、電極７０の電位よりもアノード９
０の電位はＶ₁ （ボルト）高い。電極７０とショットキ
電極５０ｃ、５０ｄとの間には電源Ｖ₂ が接続されてお
り、電極７０の電位よりもショットキ電極５０ｃ、５０
ｄの電位の方がＶ₂ （ボルト）高い。電位Ｖ₂ は電位Ｖ
₁ よりも低く、この電圧源Ｖ₂ は可変である。なお、こ
こでは、ショットキ電極５０ｃとショットキ電極５０ｄ
とは接続されており、これらの電極５０ｃ、５０ｄには
共通の電位が与えられることとする。

【００６１】図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＸ−Ｘ´
を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図であ
る（Ｖ₂ ＝０〜１ボルト）。第１半導体層２０に光ｈν
が入射されることにより、この第１半導体層２０内にお
いて発生した電子ｅは、第１半導体層２０内部の電界に
力を受けて第２半導体層３０内にはいる。図１４（ａ）
の一点鎖線より上（図面の上）の領域は、半導体部６０
と第２半導体層３０との濃度差により形成された空乏領
域である。したがって、第１半導体層２０から活性層４
０方向への電子の通り道は、この空房領域によりカット
される（ピンチオフ状態）。

【００６２】図１４（ｃ）は、図１４（ａ）のＹ−Ｙ´
を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図であ
る（Ｖ₂ ＝０〜１ボルト）。図１４（ｂ）および図１４
（ｃ）に示すように、第１半導体層１０内において発生
した電子ｅは、第２半導体層３０内に蓄積される。

【００６３】（放出モード）図１４（ｄ）は、図１４
（ａ）のＸ−Ｘ´を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネル
ギーバンド図である（Ｖ₂ ＝２〜数１０ボルト）。この
ように、第２半導体層３０内に蓄積された電子ｅは、シ
ョットキ電極５０ｃと電極７０との間に２〜数１０ボル
トの電圧を加えることにより、半導体光電陰極から放出
される。

【００６４】図１５は、図１２に示した半導体光電陰極
を用いた半導体光電陰極装置の断面図である。遮光材料
から構成される筒状の外側ケースＣＡ１の内壁には、透
明材料から構成される密閉容器（内側ケース）ＣＡ２が
嵌まっている。外側ケースＣＡ１の開口付近には、レン
ズＬ１が固定されている。半導体光電陰極装置の外側か
らこの半導体光電陰極装置内に入力された光は、レンズ
Ｌ１で集光されて、密閉容器ＣＡ２内に配置された半導
体光電陰極ＣＴ５上に像を結ぶ。半導体光電陰極ＣＴの
電極７０とリード電極５０ｃとの間には電圧源Ｖ₂ が接
続されている。また、密閉容器ＣＡ２内には、入射した
電子に感応する２次元イメージセンサＩＭ配置されてい
る。２次元イメージセンサＩＭは、このイメージセンサ
ＩＭの表面から入力された電子をリード線ＲＥ４から取
り出す装置である。イメージセンサＩＭは、入射して電
子に感応する層ＩＭ２と層ＩＭ２の裏面に設けられたバ
ックコンタクトＩＭ１とを備えており、バックコンタク
トＩＭ１にはリードＲＥ２が接続されている。リードＲ
Ｅ２とリードＲＥ１との間には、電圧源Ｖ₁ が接続され
ており、リードＲＥ１には電極７０が接続されているの
で、半導体光電陰極ＣＴ５から出射された電子はアノー
ドＩＭ方向に進行する。なお、密閉容器内の圧力は、大
気圧よりも低い圧力であり、１０^-5ｔｏｒｒ以下の圧力
であって、１０^-10 ｔｏｒｒ以下の圧力であることが望
ましい。したがって、図面の左側から半導体光電陰極装
置（微弱光検出管）に入力された光は、電気信号として
検出することができる。なお、カソードＣＴ５とアノー
ドＩＭとの間には、マイクロチャンネルプレートを配置
することとしてもよい。

【００６５】以上、説明したように、本発明に係る半導
体光電陰極は、光を検出する機器に適用することができ
る。上記では半導体光電陰極を用いたイメージ管につい
て説明したが、これは、電子増倍管やストリークカメラ
にも適用することが可能である。すなわち、半導体光電
陰極を利用した装置は、マイクロチャンネルプレート
（ＭＣＰ）やダイノードあるいは二次電子増倍部をアノ
ードとカソードとの間に設けることとしてもよく、電子
の軌道を偏向する偏向電極をアノードとカソードとの間
に設けることとしてもよい。さらには、アノードには蛍
光塗料を塗布した蛍光部材を用いることとしてもよく、
蛍光材料を含んだ蛍光板を用いることとしてもよい。

【００６６】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、第２半導
体層の内部または表面には、半導体部が配置されている
ので、電子はショットキ電極の開口方向へ走行する。シ
ョットキ電極の開口内または開口を貫く軸の延長線上に
は第３半導体層が形成されているので、電子はこの第３
半導体層内に導入される。このように電子はショットキ
電極をさけて第３半導体層から真空中へ放出されるので
ショットキ電極でこの電子が吸収される割合が減少す
る。したがって、入射した光のエネルギーに対して陽極
で収集される電子の量が増加し、このような半導体光電
陰極を用いた半導体光電陰極は高い検出感度を保持する
ことができる。また、半導体部を配置することで、開口
率１００％で構造上の画素分離が不要となり、また、信
号の変調を行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る半導体光電陰極の斜視図であ
る。

【図２】図２は、図１の半導体光電陰極ＣＴを線分Ａ−
Ａに沿って切った断面図である。

【図３】図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび
線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図
（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面における半導体光
電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｂ）および線分Ｂ−
Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド
図（ｃ）である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半
導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加しない場合のエネル
ギーバンド図である。

【図４】図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび
線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図
（ａ）、同図（ａ）の線Ａ−Ａ断面における半導体光電
陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｂ）および線分Ｂ−Ｂ
断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図
（ｃ）である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半導
体光電陰極ＣＴにバイアスを印加した場合のエネルギー
バンド図である。

【図５】図５は、図４に示した電子の挙動をさらに分か
りやすく説明するための説明図である。

【図６】図１に示した半導体光電陰極ＣＴが密閉容器内
に収納された半導体光電陰極装置を一部破断して示す斜
視図である。

【図７】図１に示した半導体光電陰極ＣＴの製造方法を
半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説明するための
説明図である。

【図８】第１実施例に係る半導体光電陰極の他の構成を
厚み方向に切った断面を用いて示す断面図である。

【図９】第１実施例に係る半導体光電陰極の他の構成を
厚み方向に切った断面を用いて示す断面図である。

【図１０】一実施例の半導体光電陰極の平面図（ａ）、
同図（ａ）中の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面図
（ｂ）、同図（ｂ）中の線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った断
面図である。

【図１１】一実施例の半導体光電陰極を一部破断して示
す斜示図である。

【図１２】一実施例の半導体光電陰極を一部破断して示
す斜示図である。

【図１３】図１２に示した半導体光電陰極の平面図
（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面
図（ｂ）である。

【図１４】半導体光電陰極および陽極の断面図（ａ）、
同図（ａ）中の線分Ｘ−Ｘ´に沿ったエネルギーバンド
図（ｂ）、同図（ａ）中の線分Ｙ−Ｙ´に沿ったエネル
ギーバンド図（電子蓄積時）（ｃ）、同図（ａ）中の線
分Ｙ−Ｙ´に沿ったエネルギーバンド図（電子放出時）
（ｄ）である。

【図１５】半導体光電陰極ＣＴ５を実装した半導体光電
陰極装置の断面図である。

【符号の説明】

１０…半導体基板、２０…第１半導体層、３０…第２半
導体層、４０…第３半導体層、５０…ショットキ電極、
６０…半導体部、７０…オーミック電極、９０…陽極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/34 H01J 1/35 H01J 1/308 H01J 1/78 H01J 29/38 H01J 40/06

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射される光に感応して発生した電子を
   外部から電圧を印加することにより加速して放出する半
   導体光電陰極において、 ｐ型の第１半導体層と、 第１不純物濃度を有して前記第１半導体層上に形成され
   たｐ型の第２半導体層と、 開口を有し、前記第２半導体層とショットキ接触を成し
   て前記第２半導体層の表面を覆うように形成されたショ
   ットキ電極と、 前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有
   し、前記ショットキ電極の開口内に形成された第３半導
   体層と、 前記第１不純物濃度よりも高い第２不純物濃度を有し、
   前記ショットキ電極をその厚み方向に貫く延長線上であ
   って、前記第２半導体層の内部に配置されたｐ型の半導
   体部と、を備え、前記半導体部は、電子が前記半導体部間の領域を通過す
   るように設けられていることを特徴とする 半導体光電陰
   極。
2. 【請求項２】 前記半導体部は環状の部分を有してお
   り、この環状の部分内の面積は、前記ショトキ電極の前
   記開口内の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１
   に記載の半導体光電陰極。
3. 【請求項３】 前記半導体部はメッシュ形状を有してい
   ることを特徴とする請求項２に記載の半導体光電陰極。
4. 【請求項４】 前記第２半導体層は、この第２半導体層
   と前記第１半導体層との界面近傍に、前記第２半導体層
   内の前記第３半導体層側の領域のエネルギーバンドギャ
   ップと前記第１半導体層のエネルギーバンドギャップと
   の中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１
   グレーデッド層を有することを特徴とする請求項１に記
   載の半導体光電陰極。
5. 【請求項５】 前記半導体部は、ストライプ状に配置さ
   れた半導体部分を含むことを特徴とする請求項１に記載
   の半導体光電陰極。
6. 【請求項６】 大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提
   供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極と
   を備える半導体光電陰極装置において、 前記半導体光電陰極は、 半導体基板と、 第１不純物濃度を有して前記半導体基板上に形成された
   ｐ型の第１半導体層と、 前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層
   と、 開口を有し、前記第２半導体層とショットキ接触を成し
   て前記第２半導体層の表面を覆うように形成されたショ
   ットキ電極と、 前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有
   し、前記ショットキ電極の開口内に形成された第３半導
   体層と、 前記第１不純物濃度よりも高い第２不純物濃度を有し、
   前記ショットキ電極をその厚み方向に貫く延長線上であ
   って、前記第２半導体層の内部に配置されたｐ型の半導
   体部と、 前記ショットキ電極に電気的に接続され、前記密閉容器
   を貫通する第１接続ピンと、 前記半導体基板または前記ｐ型第１半導体層に電気的に
   接続され、前記密閉容器を貫通する第２接続ピンと、を
   備え、 前記陽極は、 この陽極に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する
   第３接続ピンを備え、前記半導体部は、電子が前記半導体部間の領域を通過す
   るように設けられていることを特徴とする 半導体光電陰
   極装置。
7. 【請求項７】 前記第１半導体層は、 この第１半導体層と前記半導体基板との界面近傍に、前
   記第１半導体層内の前記第２半導体層側の領域のエネル
   ギーバンドギャップと前記半導体基板のエネルギーバン
   ドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップ
   を有する第２グレーデッド層を有することを特徴とする
   請求項６に記載の半導体光電陰極装置。
8. 【請求項８】 前記半導体光電陰極装置は、前記半導体
   光電陰極と前記陽極との間に配置された電子増倍器を含
   むことを特徴とする請求項６に記載の半導体光電陰極装
   置。
9. 【請求項９】 前記陽極は、蛍光物質を含む部材を含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体光電陰極装
   置。