JP4002167B2

JP4002167B2 - 光電陰極

Info

Publication number: JP4002167B2
Application number: JP2002331142A
Authority: JP
Inventors: 徹廣畑; 実新垣; 智子望月; 正美山田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: CN1501424A; US20050168144A1; JP2004165054A; US7365356B2; CN101071704A; US6903363B2; US20040094755A1; CN100347801C

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光電陰極（光電子放射面）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体上に光吸収層と電子放射層とを設け、これらの光吸収層と電子放射層に電界を印加する手段を設けた光電陰極として、たとえば特許２９２３４６２号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この光電子陰極は、ＩｎＰからなる基板上を有している。基板の上層には、厚さ２μｍのＩｎＧａＡｓからなる光吸収層が形成され、光吸収層の上には厚さ０．７μｍのｐ型ＩｎＰ電子放出層が形成されている。さらに、ｐ型ＩｎＰ電子放出層の上層には、ｎ型ＩｎＰ層とこのｎ型ＩｎＰ層に電位を与えるＴｉ金属層からなるメッシュ状の電極が形成されている。
【０００３】
また、ｎ型ＩｎＰ層とｐ型ＩｎＰ電子放射層および光吸収層の間には、ｐ／ｎ接合が形成されており、電源および配線、ＡｕＺｎからなる電極により光吸収層および電子放射層に電界を印加している。この光電子陰極では、メッシュ電極の幅は２μｍ、電極の間隔は４μｍである。ｐ型ＩｎＰ電子放射層の表面の露出部には酸化セシウムが塗布されており、ｐ型ＩｎＰ電子放射層の表面の仕事関数を低下させている。また、この光電陰極は、真空に封じられ、光入射窓が形成された容器に収容されている。さらに、光電陰極から放出された電子は、別途設けられたコレクタ電極に対して放出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の光電陰極では、分光感度を良好にするとともに、信号対雑音比Ｓ／Ｎ比の低下を招かないようにすることが望まれるが、上記特許文献１に開示されている光電陰極では、低温時において問題がある。一般に、光電放射面における暗電子放射は、熱電子放射が支配的となっているため、光電陰極の温度を低下させることにより、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。
【０００５】
ところが、光電陰極の温度を低下させると、分光感度の低下を招く。図７に光電陰極の分光感度の温度変化をグラフで示すが、図７からわかるように、光電陰極の温度が低くなるにしたがって、長波長側より分光感度が急激に低下している。このため、光電陰極の温度を低下させると、分光感度が低下してしまうことから、結局、光電陰極の冷却には限界があり、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、温度を低くした場合における分光感度の低下を抑制することにより、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる光電陰極を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意研究を重ね、光電陰極における諸元を調整しながら後述する実験を行った。その結果、本発明者らは、光電陰極における所定の諸元のパラメータを所定の範囲内に設定することにより、冷却した場合でも分光感度の低下を抑制することができる所定の諸元の範囲を知見し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係る光電陰極は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成された第１導電型の第２半導体層と、第２半導体層の表面の一部を露出させた状態で第２半導体層上に形成された第２導電型の第３半導体層と、第３半導体層上に形成された表面電極と、第２半導体層の露出表面に形成され、第２半導体層の仕事関数を低下させる活性層と、基板に設けられた裏面電極とを備え、入射した光に感応して電子を放出する光電陰極において、第２半導体層におけるすべての点において、その点とその点からもっとも近い第３半導体層との距離が０．９μｍ以下になるようにされていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る光電陰極では、第２半導体層におけるすべての点において、その点とその点からもっとも近い第３半導体層との距離が０．９μｍ以下になるようにされている。このため、後述する本発明の実施例における実験で説明するように、温度を低くした場合における分光感度の低下を抑制することができる。したがって、光電陰極を冷却してその温度を低くした場合であっても、分光感度の低下がほとんどなく、そのためＳ／Ｎ比の改善を図ることができる光電陰極とすることができる。
【００１０】
表面電極と裏面電極とに印加する電圧を、第２半導体層における露出表面を挟む第３半導体層同士の間の距離で除した値が４（Ｖ／μｍ）以上である態様とすることもできる。
【００１１】
また、第２半導体層の厚みＤ、第２半導体層の露出表面における第３半導体層からもっとも遠い点と第３半導体層との距離Ｌ、第２半導体層のキャリア濃度Ｎ、および表面電極と裏面電極に印加する電圧Ｖが、下記（１）式の関係にある態様とすることができる。
【００１２】
Ｄ²＋Ｌ²≦３．０（１＋Ｖ）×１０⁹／Ｎ・・・（１）
さらに、第２半導体層の厚みＤ、第２半導体層の露出表面における第３半導体層からもっとも遠い点と第３半導体層との距離Ｌ、および表面電極と裏面電極に印加する電圧Ｖが、下記（２）式の関係にある態様とすることもできる。
【００１３】
Ｄ²＋Ｌ²≦６．０（１＋Ｖ）×１０^-13・・・（２）
あるいは、第２半導体層の露出表面における第３半導体層からもっとも遠い点と第３半導体層との距離Ｌ、第２半導体層のキャリア濃度Ｎ、および表面電極と裏面電極に印加する電圧Ｖが、下記（３）式の関係にある態様とすることもできる。
【００１４】
Ｌ²≦３．０（１＋Ｖ）×１０⁹／Ｎ・・・（３）
また、第２半導体層の露出表面における第３半導体層からもっとも遠い点と第３半導体層との距離Ｌ、および表面電極と裏面電極に印加する電圧Ｖが、下記（４）式の関係にある態様とすることもできる。
【００１５】
Ｌ²≦６．０（１＋Ｖ）×１０^-13・・・（４）
さらに、第２半導体層の厚みＤ、第２半導体層の露出表面における第３半導体層からもっとも遠い点と第３半導体層との距離Ｌ、および第２半導体層のキャリア濃度Ｎが、下記（５）式の関係にある態様とすることもできる。
【００１６】
Ｄ²＋Ｌ²≦３．３×１０¹⁰／Ｎ・・・（５）
そして、第２半導体層の厚みＤおよび第２半導体層の露出表面における第３半導体層からもっとも遠い点と第３半導体層との距離Ｌが、下記（６）式の関係にある態様とすることもできる。
【００１７】
Ｄ²＋Ｌ²≦６．６×１０^-12・・・（６）
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る光電陰極の全体斜視図、図２はその側断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係る光電陰極１は、ｐ型ＩｎＰからなり、キャリア濃度が１０¹⁸ｃｍ^-3以上の基板１１を備えている。基板１１の上層には、光吸収層１２が形成されている。光吸収層１２は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなり、キャリア濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3、厚みが２μｍにされている。
【００２１】
光吸収層１２の上層には、光電子を放射面に向けて加速させる電子放出層１３が形成されている。この電子放出層１３はｐ型ＩｎＰからなり、キャリア濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3、厚みが０．７μｍにされている。電子放出層１３の上層には、コンタクト層１４が形成されている。コンタクト層１４は、複数の突条が平行に配置されたストライプ状をなしており、突条の幅（線幅）は１．４μｍとされ、突条間の間隔（線間）は１．４μｍにされている。コンタクト層１４の表層にはＴｉからなる表面電極１５が形成されている。この表面電極１５の厚みは０．０３μｍにされている。
【００２２】
また、ストライプ状に形成されたコンタクト層１４の間からは、電子放出層１３の一部が露出している。このコンタクト層１４は、リソグラフィーによるパターニングによってストライプ状に形成されている。さらに、コンタクト層１４における突条間から露出する電子放出層１３の表面は、酸化セシウムからなる活性層（図示せず）によって被覆されており、仕事関数が低下させられている。そして、基板１１の裏面には、ＡｕＺｎからなる厚み０．０３μｍの裏面電極１６が形成されている。
【００２３】
さらに、表面電極１５および裏面電極１６は、それぞれコンタクト用のワイヤからなる配線２１，２１を介して電源２２に接続されており、両電極の間には、たとえば５Ｖのバイアス電圧Ｖが印加されている。なお、図示の状態では、表面電極１５と配線２１は直接接続されているように描かれているが、実際には、表面電極１５の一部に１ｍｍφ程度に広げた部分が設けられており、この部分に配線２１が接続されている。また、すべてのストライプ状に加工された表面電極１５に電位Ｖが印加されるようになされている。
【００２４】
このような構成を有する本実施形態に係る光電陰極１では、電子放出層１３を通過し光吸収層１２に照射された光は、光吸収層１２で吸収され光電子を発生させる。光吸収層１２、電子放出層１３とコンタクト層１４との間には、ｐ／ｎ接合が形成されているため、電極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、光電子は電子放出層１３内に輸送され、活性層によって仕事関数が低下した電子放出層１３の表面から真空中に放射される。
【００２５】
光電陰極１では、電界が強い領域を広くするために、電子放出層１３のキャリア濃度が、コンタクト層１４のキャリア濃度に比べて十分低くなるようになされているので、電子放出層１３の電気抵抗は大きくなっている。ここで、光電陰極１の温度を下げると、さらに電子放出層１３の電気抵抗は大きくなる。電子放出層１３の表面からは電子が放射されるものの、すべての電子が放射されるわけではなく、その電子が放射される確率はおおむね１０分の１程度である。放射されず電子放出層１３に残った光電子は、電子放出層１３の露出表面を介してコンタクト層１４および表面電極１５へと導かれて放電される。しかし、電子が電子放出層１３に残ってしまうと、電子放出層１３からの電子放射を抑制し、結果として光電子放射感度の低下となる。このような分光感度の低下を避けるためには、放出されなかった光電子が容易にコンタクト層１４へと導かれるようにしなければならない。
【００２６】
この点、本実施形態に係る光電陰極１では、電子放出層１３の上層に形成されているストライプ状のコンタクト層１４の線間は１．４μｍにされている。このため、光電陰極１の露出表面におけるコンタクト層１４からもっとも遠い点とコンタクト層１４との距離は０．７μｍであり、光電陰極１の露出表面におけるすべての点とコンタクト層１４との距離は、いずれも０．７μｍ以下と近い位置関係にある。したがって、光電陰極１の温度を低くした場合であっても、電子放出層１３において放射されなかった光電子を容易にコンタクト層１４に誘導することができるので、電子放出層１３における光電子の残存を好適に防止することができ、もって分光感度の低下を防止することができる。
【００２７】
このように光電陰極１の温度を低くした場合でも、分光感度の低下を防止することができるので、光電陰極１の温度を低くすることにより、分光感度の低下を招くことなく、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。
【００２８】
さらに、本発明者らは、上記実施形態で示したように、光電陰極の温度を低くした場合であっても、分光感度の低下を招かないようにする条件を求めるべく実験を行い、本発明についてさらに探求した。以下、実施例においてその詳細について説明する。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。光電陰極における温度を低くした場合であっても、分光感度の低下を招かない範囲を探るべく、本発明者らは、次の実験を行った。
【００３０】
まず、ストライプ形状をなすコンタクト層における突条間の距離２Ｌを、４．０μｍ、２．５μｍ、１．８μｍ、および１．４μｍに調整した光電陰極を試作した。こうして試作した各光電陰極のうちの１．４μｍに調整した光電陰極における分光感度の温度変化の例を図３に示す。図３からわかるように、長波長限界付近、たとえば１５００ｎｍ付近の感度を見ると、−８０℃での感度に対して−１６０℃での感度の低下が少なく、先に見たコンタクト層における突条間の距離２Ｌが４．０μｍの場合に比べて、低温での感度の低下が改善されていることがわかる。
【００３１】
次に、上記の距離２Ｌにそれぞれ調整したコンタクト層を有する光電陰極について、−８０℃での感度に対する−１６０℃の感度を、波長１５００ｎｍのもと、いくつかの試料で比較した。その結果として、−８０℃での感度に対する−１６０℃の感度を図４および表１に示す。また、光電陰極に印加する電圧と光電子放射感度比率（−１６０℃感度／−８０℃感度）を図５に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
図４および表１からわかるように、コンタクト層における突条間の距離２Ｌが短くなるにつれて、より低い結晶印加バイアス電圧Ｖで、−１６０℃における感度が−８０℃のときの感度なみに出てきている。結晶に印加するバイアス電圧Ｖが高くなると、図５に示した例のように暗電流放射が増加しＳ／Ｎ比が劣化するという現象が見られるため、８Ｖ以上の電圧印加は避けるべきである。したがって、−１６０℃での感度が−８０℃での感度の１０分の１になるのを限界と考えると、コンタクト層における突条間の距離２Ｌは１．８μｍ以下でなければならないことがわかる。また、簡便に光電陰極を作成するという観点から、半導体リソフラフィーの精度に鑑み、コンタクト層の突条間の距離２Ｌは０．２μｍ以上とする必要がある。突条間の距離２Ｌが０．２μｍ以上１．８μｍ以下であるということは、第２半導体層の露出表面におけるコンタクト層からもっとも遠い点とコンタクト層との距離Ｌが、０．１μｍ以上０．９μｍ以下であることが必要となる。
【００３４】
さらに、−１６０℃での分光感度が−８０℃での分光感度の１０分の１になるのを限界として結晶印加バイアス電圧Ｖを整理すると、表２のようになる。
【００３５】
【表２】

【００３６】
この表２から、バイアス電圧とコンタクト層における突条間の距離２Ｌとの比を見ると、バイアス電圧（Ｖ）／突条間の距離２Ｌ（μｍ）≧２となる条件が、暗電流の増加を見ずに低温での感度低下を抑制できる条件となっていることがわかる。したがって、光電陰極内部に印加する電圧Ｖ（Ｖ）を、第２半導体層の露出表面におけるコンタクト層からもっとも遠い点とコンタクト層との距離Ｌ（μｍ）で除した値が４以上となるようにされていることで、光電陰極の感度低下を招かないようにすることができる。
【００３７】
ここで、光電陰極の感度低下を招いている原因について考えてみる。光電陰極へのバイアス電圧の印加において、結晶内では空乏層がコンタクト層内部と電子放出層の界面から電子放出層内部、さらには光吸収層内部に広がる。この広がりは横方向と同時に縦方向に広がる、空乏層の中は真空同様の状態であり、空乏層内の光電子はすぐに表面へ輸送されるが、空乏化されていない領域では、冷却による半導体の高抵抗化で電子が取り残されてしまい、空間電化を形成し、後の光電子放射の妨げとなる。したがって、空乏層の広がりと冷却により感度低下の間にはある関係があると考えられる。そこで、電子放出層１３の厚みＤ、コンタクト層における突条間の距離２Ｌとして、下記（１−１）式で示すというパラメータＲを定義する。
【００３８】
Ｒ＝（Ｄ²＋Ｌ²）^1/2・・・・（１−１）
また、空乏層の広がりＷは、物性的には比誘電率ε、真空の誘電率ε₀、素電化ｑ、キャリア濃度Ｎ、フラットバンド電位Ｖｆ、バイアス電圧Ｖとして、下記（１−２）次式で表すことができる。
【００３９】
Ｗ＝（２εε₀（Ｖｆ＋Ｖ）／ｑＮ）^1/2・・・・（１−２）
上記（１−１）式、（１−２）式で示すパラメータＲと空乏層の広がりＷとの関係を求めた。なお、（１−２）式においては、空乏層の広がりＷを求めるために、−１６０℃の感度が−８０℃の感度の１／１０以上になるのに必要なバイアス電圧Ｖの値を代入した。その結果を整理して表２に示す。
【００４０】
表２からわかるように、およそＲ／Ｗ≦１．５となることが、感度低下を招かない条件となっている。ここで、εの値は半導体材料に固有に値であるがおおむね１２程度であり、フラットバンド電位Ｖｆはおおむね１Ｖ程度である。したがって、上記（１−１）式および（１−２）式を整理して、感度低下を招かない条件として、下記（１）式を得ることができる。
【００４１】
Ｄ²＋Ｌ²≦３．０（１＋Ｖ）×１０⁹／Ｎ・・・（１）
さらには、キャリア濃度は低いほど空乏層が伸びやすくなるが、現実的には５Ｅ２１ｍ²程度以下に制御するのは難しい。そのため、（１）式にキャリア濃度Ｎ＝５Ｅ２１（ｍ²）を代入して、下記（２）式を条件とすることもできる。
【００４２】
Ｄ²＋Ｌ²≦６．０（１＋Ｖ）×１０^-13・・・（２）
さらに、電子放出層１３の厚みＤが限りなく０に近づいた場合を想定することもでき、このような場合でも感度低下を招かない条件を満たすことになる。そのため、上記（１）式に電子放出層の厚みＤ＝０（μｍ）を代入して、下記（３）式を条件とすることもできる。
【００４３】
Ｌ²≦３．０（１＋Ｖ）×１０⁹／Ｎ・・・（３）
また、この場合も、キャリア濃度Ｎの制限を考慮し、（３）式にキャリア濃度Ｎ＝５Ｅ２１（ｍ²）を代入して、下記（４）式を条件とすることもできる。
【００４４】
Ｌ²≦６．０（１＋Ｖ）×１０^-13・・・（４）
さらに、結晶に印加するバイアス電圧Ｖが高すぎると、暗電流が増えて使えなくなる。このため、バイアス電圧Ｖ＝１０をｍａｘの制限として考えることができる。この条件を付した場合、上記（１）式にＶ＝１０を代入して下記（５）式を条件とすることができる。
【００４５】
Ｄ²＋Ｌ²≦３．３×１０¹⁰／Ｎ・・・（５）
また、この場合も、キャリア濃度Ｎの制限を考慮し、（５）式にキャリア濃度Ｎ＝５Ｅ２１（ｍ²）を代入して、下記（６）式を条件とすることもできる。
【００４６】
Ｄ²＋Ｌ²≦６．６×１０^-12・・・（６）
このような条件式（１）〜（６）のいずれかを満たすように光電陰極を製造することにより、光電陰極を冷却して、光電陰極の分光感度を低下させることなく、熱電子放射を抑制してＳ／Ｎ比を改善することができるので、より微弱な光まで検出することが可能となった。図６は、従来の光電陰極と、本発明による光電陰極それぞれを光電子増倍管に組み込んだ際に得られた最小検出光パワーを光電陰極の温度の関数として比較した結果である。図６に示すように、本発明に係る光電陰極では、検出能力が大幅に向上するものとなった。
【００４７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記形態の説明においては、コンタクト層をストライプ形状に形成したが、たとえばメッシュ（格子）形状、またはスパイラル形状などとすることもできる。
【００４８】
また、上記実施形態では、光電陰極の材料としてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ化合物半導体を用いた場合について説明したが、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ化合物半導体は勿論たとえば米国特許第３９５８１４３号に示されるＣｄＴｅ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂといった材料、またはこれらをいくつか組み合わせたヘテロ構造及びＧｅ／ＧａＡｓ，Ｓｉ／ＧａＰ，ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ等のヘテロ構造や、特開平５−２３４５０１号公報に示されるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜といった半導体多層膜材料等を用いることもができる。
【００４９】
さらに、表面電極および裏面電極についても上記形態の説明ではＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ合金材料を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、下地となる半導体と電気的に良好なオーミックコンタクトがとれる材料であればよい。これらの材料を用いて光電子放出面を形成しても、上記本形態と同様な効果が奏される。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によれば、温度を低くした場合における分光感度の低下を抑制することにより、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる光電陰極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光電陰極の全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光電陰極の側断面図である。
【図３】光電陰極における分光感度の温度変化の例を示すグラフである。
【図４】光電陰極に印加する電圧と、光電子放射感度の比率（−１６０℃感度／−８０℃感度）を示すグラフである。
【図５】光電陰極に印加する電圧と暗電流との関係を示すグラフである。
【図６】従来の光電陰極と、本発明に係る光電子陰極それぞれを光電子増倍管に組み込んだ際に得られた最小検出光パワーを光電子陰極の温度の関数として比較した結果を示すグラフである。
【図７】従来の光電陰極における分光感度の温度変化をグラフである。
【符号の説明】
１…光電陰極、２…電子放出層、１１…基板、１２…光吸収層、１３…電子放出層、１４…コンタクト層、１５…表面電極、１６…裏面電極、２１…配線、２２…電源。

Claims

第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層の表面の一部を露出させた状態で前記第２半導体層上に形成された第２導電型の第３半導体層と、前記第３半導体層上に形成された表面電極と、前記第２半導体層の露出表面に形成され、前記第２半導体層の仕事関数を低下させる活性層と、前記基板に設けられた裏面電極とを備え、入射した光に感応して電子を放出する光電陰極において、
前記第２半導体層におけるすべての点において、その点とその点からもっとも近い第３半導体層との距離が０．９μｍ以下になるようにされていることを特徴とする光電陰極。