JP3954478B2 - 半導体光電陰極、及びそれを用いた光電管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光子の入射によって光電子を放出する半導体光電陰極、及びそれを用いた光電管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体光電陰極の受光感度波長の長波長側の限界は、光吸収層を形成する半導体エネルギーバンドギャップによりほぼ決定され、例えば、ＩｎＰ基板に格子整合する系では約１．７μｍが限界である。
【０００３】
これに対し、ＩｎＰ基板上にＡｓ−Ｐ組成を段階的に変化させたステップグレーデッドバッファ層を設けた光電陰極が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この光電陰極によれば、ＩｎＰ基板と、本来ＩｎＰ基板とは格子不整合系であるＩｎ組成０．５３以上のＩｎＧａＡｓ光吸収層との格子不整合を緩和させて波長が２．３μｍ程度までの赤外領域の光を検出することを可能にしている。
【０００４】
また、ＧａＡｓあるいはＧａＳｂを基板に用い、光吸収層に様々な材料系を用いる光電陰極も知られている（例えば、特許文献２参照。）。この光電陰極では、例えば、ＧａＳｂを基板に用い、これに格子定数の接近したＧａＩｎＡｓＳｂを光吸収層に用いた場合、波長が１．７７μｍの赤外領域の光を検出できる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２９７１９１号公報
【特許文献２】
米国特許第３９５８１４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載のものでは検出できる赤外領域の光の波長が短く、更に長い波長を有する赤外領域の光の検出ができない。現在のところ、検出可能な赤外領域の光の波長は２．３μｍ程度が限界であり、それ以上の波長では光電子放出は実現されていない。
【０００７】
そこで、波長が更に長い赤外領域の光を検出するためには、エピタキシャル成長が可能で、吸収係数の大きな直接遷移型であると共に、よりエネルギーバンドギャップの小さい半導体材料を光吸収層に用いることが必要となる。
【０００８】
III−Ｖ族化合物半導体ではＩｎＡｓ−ＩｎＳｂが最もエネルギーバンドギャップが小さい系であり、ＧａＳｂを基板結晶に用いた場合、格子整合するＩｎＡｓ_{（１−ｘ）}Ｓｂ_ｘ（ｘ＝０．０９）を光吸収層とすることで、波長が４．３μｍ程度までの赤外領域の光を検出することが可能となる。
【０００９】
しかし、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂの組み合わせは、図８に示すように、ＧａＳｂ側の価電子帯上端位置よりも約０．１ｅＶ下側のところにＩｎＡｓＳｂ側の伝導帯の下端が位置するという特異なバンド構造となり、ＧａＳｂ側の価電子帯とＩｎＡｓＳｂ側の伝導帯とが繋がって電子と正孔とが共存する状態となる。したがって、光吸収層で電子が発生したとしても電子を外部に取り出すことが困難であるという問題が起こる。
【００１０】
本発明の目的は、赤外領域で良好な感度を有する半導体光電陰極、及びそれを用いた光電管を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明は、赤外線入射に応じて電子を真空中に放出する半導体光電陰極であって、ＧａＳｂで形成されたｐ型の半導体基板と、ＩｎＡｓ_{（１−ｘ）}Ｓｂ_ｘ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層と、前記光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有しＡｌを含むｐ型の第１化合物半導体層と、第１化合物半導体層と共に光吸収層を挟むように設けられたｐ型の第２化合物半導体層と、第２化合物半導体層上に設けられたｐ型の電子放出層と、電子放出層上に設けられ、電子放出層と共にｐｎ接合を構成するｎ型のコンタクト層と、コンタクト層上に設けられた第１電極と、半導体基板の下面に設けられた第２電極と、を備え、第１化合物半導体層は、半導体基板と光吸収層との間に形成されており、第１及び第２化合物半導体層は、Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｓｂ（０＜ｙ＜１）で形成されていることを特徴とする。
第２の発明は、赤外線入射に応じて電子を真空中に放出する半導体光電陰極であって、ＧａＳｂで形成されたｐ型の半導体基板と、ＩｎＡｓ _{（１−ｘ）} Ｓｂ _ｘ （０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層と、光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有しＡｌを含むｐ型の第１化合物半導体層と、第１化合物半導体層と共に光吸収層を挟むように設けられたｐ型の第２化合物半導体層と、第２化合物半導体層上に設けられたｐ型の電子放出層と、電子放出層上に設けられ、電子放出層と共にｐｎ接合を構成するｎ型のコンタクト層と、コンタクト層上に設けられた第１電極と、半導体基板の下面に設けられた第２電極と、を備え、第１化合物半導体層は、半導体基板と光吸収層との間に形成されており、第１及び第２化合物半導体層は、Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ａｓ _ｚ Ｓｂ _{（１−ｚ）} （０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）で形成されていることを特徴とする。
第３の発明は、赤外線入射に応じて電子を真空中に放出する半導体光電陰極であって、ＧａＳｂで形成されたｐ型の半導体基板と、ＩｎＡｓ _{（１−ｘ）} Ｓｂ _ｘ （０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層と、光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有しＡｌを含むｐ型の第１化合物半導体層と、第１化合物半導体層と共に光吸収層を挟むように設けられたｐ型の第２化合物半導体層と、第２化合物半導体層上に設けられたｐ型の電子放出層と、電子放出層上に設けられ、電子放出層と共にｐｎ接合を構成するｎ型のコンタクト層と、コンタクト層上に設けられた第１電極と、半導体基板の下面に設けられた第２電極と、を備え、第１化合物半導体層は、半導体基板と光吸収層との間に形成されており、第１及び第２化合物半導体層は、ＡｌＳｂ層とＧａＳｂ層とを交互に積層してなる超格子層を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体光電陰極は、ＧａＳｂで形成された半導体基板と格子整合するＩｎＡｓ_{（１−ｘ）}Ｓｂ_ｘを光吸収層とし、且つこの光吸収層よりもエネルギーバンドギャップが大きいＡｌを含んだ第１化合物半導体層が、半導体基板と光吸収層との間に形成された構造となっている。
【００１３】
これにより、光吸収層側の伝導帯と上記第１化合物半導体層側の価電子帯とが分離され、光吸収により生成された電子と正孔との再結合を阻止することができ、受光感度波長の長波長側のカットオフ波長を拡張することが可能となる。
【００１４】
好ましくは、第１化合物半導体層と共に光吸収層を挟むように設けられた第２化合物半導体層を更に備える。これにより、光吸収層に対して半導体基板と反対側に形成されたコンタクト層からの光吸収層への正孔の流入についても阻止することが可能となり、より効果的に電子を外部に取り出すことができる。
【００１５】
第１及び第２化合物半導体層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｓｂ（０＜ｙ＜１）で形成されているのが好ましい。これにより、ＧａＳｂからなる半導体基板とほぼ格子整合しつつ、光吸収層よりも大きなエネルギーバンドギャップを有する化合物半導体層を実現することができる。
【００１６】
また、第１及び第２化合物半導体層はＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_ｚＳｂ_{（１−ｚ）}（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）で形成されていてもよい。これにより、ＧａＳｂからなる半導体基板と完全に格子整合させることができる。例えば、Ａｌ組成ｙを０．４とした場合、Ａｓ組成ｚを０．０３とすることで、ＧａＳｂ半導体基板と完全に格子整合させることができる。
【００１７】
第１及び第２化合物半導体層は、ＡｌＳｂ層とＧａＳｂ層とを交互に積層してなる超格子層を備えてもよい。これにより、１周期内のＡｌＳｂ層とＧａＳｂ層との厚さを変えることで自由にＡｌ組成比を決定することができる。
【００１８】
また、半導体基板と光吸収層との間に位置する第１化合物半導体層にＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子を用いた場合は、半導体基板と光吸収層との間の超格子バッファ層としての機能を合わせ持たせることが可能である。これによって結晶欠陥の低減を図ることができため、感度の向上や暗電流の低減等の特性向上を図ることができる。
【００１９】
また、本発明の光電管は、上記の半導体光電陰極と、半導体光電陰極に対する陽極とを備え、半導体光電陰極と陽極とを真空容器内に封入して構成されることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の光電管は、例えば光電子増倍管であり、この場合は、上記半導体光電陰極への光の入射により発生した光電子を、増倍させて陽極に到達させるようになっている。上記の半導体光電陰極を備えることで、赤外領域における受光感度波長の長波長側のカットオフ波長が長い光を高感度で検出することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づき詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体光電陰極を示す図である。同図に示す半導体光電陰極１は、ＧａＳｂで形成されたｐ^＋型の半導体基板２と、ＩｎＡｓＳｂで形成されたｐ⁻型の光吸収層３とを備えている。
【００２３】
半導体基板２と光吸収層３との間には、光吸収層３より大きいエネルギーバンドギャップを有し、ＡｌＧａＳｂからなるｐ^＋型の正孔ブロック層４が形成されている。
【００２４】
また、光吸収層３の上には、ＡｌＧａＳｂからなるｐ⁻型の正孔ブロック層５が形成されており、正孔ブロック層５の上にはＧａＳｂからなるｐ⁻型の電子放出層６が形成されている。
【００２５】
電子放出層６の上には、ＧａＳｂからなるｎ^＋型のコンタクト層７が形成されており、このコンタクト層７と電子放出層６とでｐｎ接合が形成されている。
【００２６】
以上のような各層は、分子線エピタキシー法、または化学気相法により順次エピタキシャル成長させて形成される。このときの各層の厚さは、例えば、正孔ブロック層４，５がそれぞれ約０．２μｍ、光吸収層３が約１．０μｍ、電子放出層６が約０．５μｍ、コンタクト層７が約０．２μｍである。
【００２７】
また、上記各層のキャリア濃度は、半導体基板２が５×１０^１７ｃｍ^−３以上、正孔ブロック層４が５×１０^１７ｃｍ^−３以上、光吸収層が１×１０^１７ｃｍ^−３以下、正孔ブロック層５が１×１０^１７ｃｍ^−３以下、電子放出層６が１×１０^１７ｃｍ^−３以下、コンタクト層７が１×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが望ましい。
【００２８】
コンタクト層７上には、オーミック接触が得られる第１電極８が形成されている。この第１電極８は、例えば、Ａｕ、Ｇｅ、Ｎｉを含む合金により構成される。
【００２９】
第１電極８及びコンタクト層７は、リソグラフィー技術及びエッチング技術により格子状のパターンに加工されている。また、露出した電子放出層６の表面には、Ｃｓ層１０が塗布されている。これにより、表面の仕事関数が低下し、光電子が真空中へ放出されやすい構造となっている。
【００３０】
一方、半導体基板２の下面にも、オーミック接触が得られる第２電極９が形成されている。この第２電極９は、例えばＣｒ、Ａｕを含む合金により構成される。
【００３１】
以上のような半導体光電陰極１は、光吸収層３のＳｂ組成比が０．０９のとき、半導体基板２と格子整合する。本発明者らは、このとき、正孔ブロック層４，５のＡｌ組成比を０．１９以上１．０未満とすることで、光吸収層３で発生した電子を外部に取り出すことができることを見出した。このことについて、以下に説明する。
【００３２】
図２は、光吸収層３側の伝導帯下端位置と正孔ブロック層４，５側の価電子帯上端位置とのエネルギー差をＥｓとしたとき、正孔ブロック層４，５におけるアルミの組成比と、Ｅｓとの関係を示す図であり、図３は、光吸収層３及び正孔ブロック層４，５のエネルギーバンドギャップを示す模式図である。
【００３３】
図２に示すように、正孔ブロック層４，５のＡｌ組成比が０．１９未満のとき、Ｅｓ（＝Ｅｃ１−Ｅｖ２）は負となる。このときの正孔ブロック層４，５及び光吸収層３のエネルギーバンドギャップは、図３（ａ）に示すような状態となり、光吸収層３側の伝導帯下端位置Ｅｃ１が正孔ブロック層４，５の価電子帯上端位置Ｅｖ２の下方に位置する。このため、光吸収層３で電子が発生したとしても、電子と正孔とが再結合をしてしまい、電子を外部に取り出すことが困難となり、光電陰極として有効に動作しない。
【００３４】
一方、正孔ブロック層４，５のＡｌ組成比が０．１９以上のときＥｓは正となる（図２参照）。このときの正孔ブロック層４，５及び光吸収層３のエネルギーバンドギャップは、図３（ｂ）に示すような状態となり、光吸収層３側の伝導帯下端位置Ｅｃ１が正孔ブロック層４，５のＥｖ２より上方に位置する。このように、光吸収層３側の伝導帯と正孔ブロック層４，５の価電子帯とが分離されるため、電子と正孔とが再結合することがなく、電子を外部に取り出すことができる。
【００３５】
図４は、図１に示す半導体光電陰極１にバイアスを印加した状態のエネルギーバンド図である。同図において、価電子帯上端位置のエネルギー準位をＥｖ、伝導帯下端位置のエネルギー準位をＥｃ、フェルミ準位をＥｆ、真空準位をＶＬで示している。
【００３６】
赤外領域の波長を有する入射光により光吸収層３で発生した光電子は、バイアスが印加されることによって、正孔ブロック層５に妨げられることなく電子放出層６へと移動できるため、効率よく真空中へと放出される。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る半導体光電陰極１は、ＧａＳｂで形成された半導体基板２と、ＩｎＡｓＳｂで形成された光吸収層３とを用いた場合に生じる電子と正孔との再結合を阻止できるため、波長が４．３μｍ程度までの赤外領域の光を検出することが可能となる。
【００３８】
尚、正孔ブロック層４，５は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_ｚＳｂ_{（１−ｚ）}（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）で形成してもよい。これにより、ＧａＳｂからなる半導体基板２と完全に格子整合させることができる。このため、基板結晶との格子不整合に起因する貫通転位を抑制することができ、キャリアの捕獲中心として働く結晶欠陥を低減できる。その結果、感度向上、暗電流の低減を図ることができる。
【００３９】
また、正孔ブロック層４，５は、混晶層でもよいが、ＡｌＳｂ層とＧａＳｂ層とを交互に積層してなる超格子層を備えてもよい。この場合、１周期内のＡｌＳｂ層とＧａＳｂ層との厚さを変えることで自由にＡｌ組成比を決定することができる。例えば、Ａｌ組成比を５０％とする場合、ＡｌＳｂ層５ｎｍ、ＧａＳｂ層５ｎｍを１周期として１０〜２０周期を積層することで、正孔ブロック層として有効に機能させることができる。
【００４０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体光電陰極を示す図である。同図において、半導体光電陰極２０は、第１の実施形態の半導体光電陰極１において、正孔ブロック層５と電子放出層６との代わりに、双方の機能を合わせ持たせたｐ⁻型のＡｌＧａＳｂ層１１を形成したものである。
【００４１】
この場合、ＡｌＧａＳｂ層２１とコンタクト層７との間でｐｎ接合が形成されている。ＡｌＧａＳｂ層２１は、例えば、厚さが約０．５μｍ、キャリア濃度が１．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが望ましい。
【００４２】
図６は、図５に示す半導体光電陰極２０にバイアスを印加した状態のエネルギーバンド図である。この場合も、第１の実施形態と同様に、赤外領域の波長を有する入射光により光吸収層３で発生した光電子が、バイアスが印加されることで、ＡｌＧａＳｂ層２１に妨げられることなく電子放出層６へと移動できる。
【００４３】
次に、上述した実施形態の半導体光電陰極のいずれかを適用した光電子増倍管について説明する。
【００４４】
図７は、上記半導体光電陰極のいずれかを備えた光電子増倍管の断面模式図である。光電子増倍管３０は、半導体光電陰極ＰＣと、図示しない収束電極（集束電極）と、二次電子増倍部として動作する第１段ダイノード３１_１、第２段ダイノード３１_２、・・・、第ｎ段ダイノード３１_ｎと、二次電子増倍された電子を収集する陽極３２と、これらを収容するための真空容器３３とを備えている。ここで、半導体光電陰極ＰＣとは、上記実施形態に記載した半導体光電陰極１または２０のいずれか一方を指す。
【００４５】
赤外領域の入射光ｈνは、半導体光電陰極ＰＣの光吸収層３で大部分が吸収され、ここで励起された光電子ｅは、内部電界によって加速された後に、Ｃｓ層１０の表面から真空容器３３の内部へ放出される。
【００４６】
真空容器３３中へ放出された光電子ｅは、収束電極により軌道が修正され、効率良く第１段ダイノード３１_１に入射する。第１段ダイノード３１_１は、光電子ｅの入射に応じて、２次電子を第２段ダイノード３１_２へ向けて放出する。２次電子は、第１段ダイノード３１_１に入射した１次電子よりも数が多くなっている。
【００４７】
第２段ダイノード３１_２は、第１段ダイノード３１_１と同様に入射した２次電子を増倍し、次段のダイノードに向けて放出する。この増倍動作は、第ｎ段ダイノード３１_ｎまで次々と繰り返される。
【００４８】
光電子は、最終的には１００万倍程度にまで増幅されて陽極３２に到達し、検出電気信号として真空容器３３の外部に取り出される。
【００４９】
上記実施形態の半導体光電陰極ＰＣを備えた光電子増倍管を用いることで、およそ２μｍ以上の波長を有する赤外線であっても高感度で検出することが可能となる。
【００５０】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、入射光の入射する面と光電子が放出される面とが同じ側に位置する、いわゆる反射型半導体光電陰極に適用した場合について説明したが、入射光の入射する面の反対側に光電子が放出される面が位置する、いわゆる透過型半導体光電陰極に適用してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧａＳｂで形成された半導体基板と、ＩｎＡｓＳｂで形成された光吸収層とを備えた半導体光電陰極において、光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有し、Ａｌを含んだ化合物半導体層を更に備えたので、およそ２μｍ以上の波長を有する赤外線領域の光であっても高感度で検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体光電陰極を示す図である。
【図２】光吸収層側の伝導帯下端位置と正孔ブロック層側の価電子帯上端位置との差と、正孔ブロック層におけるアルミの組成比との関係を示す図である。
【図３】光吸収層及び正孔ブロック層のエネルギーバンドギャップを示す模式図である。
【図４】図１に示す半導体光電陰極１にバイアスを印加した状態のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体光電陰極を示す図である。
【図６】図５に示す半導体光電陰極にバイアスを印加した状態のエネルギーバンド図である。
【図７】図１または図５に示す半導体光電陰極を備えた光電子増倍管の断面模式図である。
【図８】ＧａＳｂ基板及びＩｎＡｓＳｂ層のエネルギーバンドギャップを示す模式図である。
【符号の説明】
１…半導体光電陰極、２…半導体基板、３…光吸収層、４…正孔ブロック層（第１化合物半導体層）、５…正孔ブロック層（第２化合物半導体層）６…電子放出層、７…コンタクト層、８…第１電極、９…第２電極、２０…半導体光電陰極、３０…光電子増倍管（光電管）、３２…陽極、３３…真空容器。

Claims (4)

1. 赤外線入射に応じて電子を真空中に放出する半導体光電陰極であって、
   ＧａＳｂで形成されたｐ型の半導体基板と、
   ＩｎＡｓ_{（１−ｘ）}Ｓｂ_ｘ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層と、
   前記光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有しＡｌを含むｐ型の第１化合物半導体層と、
   前記第１化合物半導体層と共に前記光吸収層を挟むように設けられたｐ型の第２化合物半導体層と、
   前記第２化合物半導体層上に設けられたｐ型の電子放出層と、
   前記電子放出層上に設けられ、前記電子放出層と共にｐｎ接合を構成するｎ型のコンタクト層と、
   前記コンタクト層上に設けられた第１電極と、
   前記半導体基板の下面に設けられた第２電極と、
   を備え、
   前記第１化合物半導体層は、前記半導体基板と前記光吸収層との間に形成されており、
   前記第１及び第２化合物半導体層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｓｂ（０＜ｙ＜１）で形成されていることを特徴とする半導体光電陰極。
2. 赤外線入射に応じて電子を真空中に放出する半導体光電陰極であって、
   ＧａＳｂで形成されたｐ型の半導体基板と、
   ＩｎＡｓ_{（１−ｘ）}Ｓｂ_ｘ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層と、
   前記光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有しＡｌを含むｐ型の第１化合物半導体層と、
   前記第１化合物半導体層と共に前記光吸収層を挟むように設けられたｐ型の第２化合物半導体層と、
   前記第２化合物半導体層上に設けられたｐ型の電子放出層と、
   前記電子放出層上に設けられ、前記電子放出層と共にｐｎ接合を構成するｎ型のコンタクト層と、
   前記コンタクト層上に設けられた第１電極と、
   前記半導体基板の下面に設けられた第２電極と、
   を備え、
   前記第１化合物半導体層は、前記半導体基板と前記光吸収層との間に形成されており、
   前記第１及び第２化合物半導体層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_ｚＳｂ_{（１−ｚ）}（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）で形成されていることを特徴とする半導体光電陰極。
3. 赤外線入射に応じて電子を真空中に放出する半導体光電陰極であって、
   ＧａＳｂで形成されたｐ型の半導体基板と、
   ＩｎＡｓ_{（１−ｘ）}Ｓｂ_ｘ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層と、
   前記光吸収層より大きいエネルギーバンドギャップを有しＡｌを含むｐ型の第１化合物半導体層と、
   前記第１化合物半導体層と共に前記光吸収層を挟むように設けられたｐ型の第２化合物半導体層と、
   前記第２化合物半導体層上に設けられたｐ型の電子放出層と、
   前記電子放出層上に設けられ、前記電子放出層と共にｐｎ接合を構成するｎ型のコンタクト層と、
   前記コンタクト層上に設けられた第１電極と、
   前記半導体基板の下面に設けられた第２電極と、
   を備え、
   前記第１化合物半導体層は、前記半導体基板と前記光吸収層との間に形成されており、
   前記第１及び第２化合物半導体層は、ＡｌＳｂ層とＧａＳｂ層とを交互に積層してなる超格子層を備えることを特徴とする半導体光電陰極。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体光電陰極と、
   前記半導体光電陰極に対する陽極とを備え、
   前記半導体光電陰極と前記陽極とを真空容器内に封入して構成されることを特徴とする光電管。

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