JP4740853B2 - Ｍｂｅ成長によるアンチモン化アルカリ光電陰極 - Google Patents

Description

本出願は、「MBE成長によるアンチモン化アルカリ光電陰極」と題する、２００３年９月１４日出願の米国仮出願第６０/４８１２７２号に基づく。

本発明は光電子増倍管の分野に関し、特に改良した光電陰極およびその製造方法に関する。

光電子増倍管やイメージ増強管の装置は、光子から電子への変換のために、光電陰極を利用する。マイクロチャネル・プレートイメージ増強管は一般的に、第II世代（Gen II）、第III世代（Gen III）型イメージ管として参照されている。これらふたつのイメージ増強管の違いは、使用する光電陰極のタイプによる。

第II世代のイメージ増強管はマルチアルカリ光電陰極をもつ一方、第III世代のイメージ増強管は一般的に、p-dopedガリウムヒ素（GaAs）光電陰極（表面へのセリウムや酸素の吸着により活性化され負電子親和力（NEA）をもつ）をもつ。

既存の光電陰極にはいくつもの欠点がある。第III世代の光電陰極は、有機金属気相法（metal/organic/chemical/vapor deposition(MOCVD)）または分子線エピタキシ（MBE）のような高価な処理を使用して作られる。従来技術と比較して、本発明に使用される透明な整合基板がコスト的に有望である。このような生成方法は高価で無駄の多いものである。

さらに、基板に続く第III世代の光電陰極の成長層のいくつかが、実際の第III世代の光電陰極を生成するためにエッチングされることにより非常に無駄となる。第III世代の光電陰極は、別の方法で、特定の波長に対して適切となる窓に付着されなければならない。

アンチモン化アルカリは、光電子増倍管および１９３６年に光電子エミッターとしてCs₃Sbの発見で始まった最新の第II世代のイメージ増強管の光電陰極用に適したものである。その後、すべてではないがM₃Sb（Mは一つのアルカリかアルカリ合金である）のようなアルカリ金属を含む、多結晶の小ギャップ半導体といった種々の材料が開発されてきた。これらの材料の光電子放出性は、負電子親和力（NEA）GaAs（第III世代）の光電陰極について二番目である。

Delft工科大学と、その大学のA. R. H. F. Ettema博士はエピタキシを示すいかなる特徴をもたない、バナジウム基板上のK₃Sb:Csの成長を示した（非特許文献１）。バナジウムの格子定数は３オングストロームである。エピタキシでは格子の不整合が著しい。
Appl. Surf. Sci. 第１７５−６頁、１０１（２００１年）

上記文献は多数の注目すべき利点や技術の改良を紹介し、開示しているが、本発明が遂行する特定の目的を完全に達成していない。

本発明にしたがって、光電陰極を作る中間物は基板と活性層とを有する。活性層は基板に支承されている。活性層は、基板上にエピタキシャル成長による光電子放出性アンチモン化アルカリ材をさらに含む。多結晶層を生ずる現行のアンチモン化アルカリのための成長技術はその光電子放出性を著しく制限する。対照的に、本発明のエピタキシャル成長では、純度が高められるとともに、単結晶が形成され、材料の電子拡散距離（高光電子放出性材料の重要な要素である）が非常に向上する。

エピタキシャル成長したアンチモン化アルカリは、赤外線、可視光のみならず紫外線でも優れた光電子放出性を呈する。

本発明のこれらおよび他の目的は、本発明の好適実施例を示す添付図面を参照して、以下の説明より明らかになろう。

上記要約的に記載した本発明の説明は、図面に示され、以下に記述される実施例から分かるであろう。図面を通して、上記特徴は明らかになり、より理解されよう。図面は、本発明の典型的な好適実施例のみを示すのではなく、本発明の他の同等の実施例の理解を可能にするものである。

本発明の上記特徴、利点、目的、上述した手段は、添付図面に示された実施例を参照することにより、より理解されよう。図面において、同じ要素には同じ符号が付されている。

光電陰極１０の第一の実施例（図１では外観として）が透明で、支持面プレート部（以下、面プレート部という）１２（この面プレート部が既知のイメージ増強管に取り付けられると、その管の入力窓を形成することになる）を含む。面プレート部１２は、光電陰極１０の活性部分を支持し、光子を光電陰極１０の活性部分へと伝えるもので、イメージ増強管の真空エンベロープを封止する機能をもつ。好適に、面プレート部１２はCorning 7056ガラスなどのようなガラスで形成されてもよい。このCoring 7056ガラスは、その熱膨張係数が光電陰極１０の他の部分のものと非常に整合することから、面プレート部１２として適している。これに代えて、面プレート部１２として他の材料も使用することができる。たとえば、単結晶のサファイア（Al2O3）は面プレート部１２のための材料として使用することができる。したがって、本発明は、面プレート部１２のために特定の材料に限定するものではない。

面プレート部１２により支持されるのは、符号１４で一般的で集合的に示された光電陰極１０の活性部である。これら活性部は連続層として構成され、それぞれは、光電陰極１０の全体と協働する。特に、面プレート部１２に隣接するのは、窒化ケイ素および二酸化ケイ素の反射防止層１６である。この層１６で窓層１８が支持されている。窓層１８はアルミニウム・ガリウムヒ素（AlGaAs）により作られている。

窓層１８は、ガラス製の面プレート部１２と窓層１８により支持された活性層の結晶構造との間の遷移構造を与える。さらに、窓層は、光電子がイメージ増強管へと放出される結晶−真空の境界へと、活性層における熱電子を有効に“反射”する潜在的なバリアーとして働く。

以下より詳説する活性層２０が窓層１８により支持され、光電子を放出するために、光子に応答する。電極２２が、活性部である光電陰極組立体１４を取り囲む帯状またはカラー状に形成され、イメージ増強管のための電源から活性層２０への電気的接続をなす。好適に、電極２２は、当業者には分かるように、増強管の構成要素を全体に密封するために利用される真空炉ろう付け方法に適したクローム／金合金で作られている。いいかえると、図１に示された光電陰極組立体１０は、光電子および二次放出電子が自由に動く真空エンベロープを形成するために、図１の増強管の他の構成要素と一緒になって密封される。

図２に、図１に示された光電陰極（組立体）を作るために使用される中間物（製品）２４が示されている。したがって、中間物２４の構成の説明は、この中間物および光電陰極（組立体）１０を作る際に使用する工程の説明となる。中間物２４は、基板２６、ストップまたは緩衝層２８、活性層２０、窓層１８、および保護キャップ層３０を含む。好適に、中間物２４は、第III世代のイメージ増強管を作る際に従来から使用されている製造方法、製造技術および製造設備を使用して作られる。したがって、図２に示された内容は当業者には明らかであろう。

基板２６は、層１８、２０、２８および３０がエピタキシャル成長する基板として機能する（この基板上の成長の順番は記載とおりではない）。MBE（半導体回路の分野、光電陰極の技術の分野では従前の技術である）のような在来の製造方法が基板２６上に層を形成するために使用することができる。

まず、ストップ層２８がたとえば、アルミニウム・ガリウムヒ素（AlGaAs）といった適切な材料で形成される。このストップ層の上に、活性層２０が、続いて窓層１８が形成される。

最後に、キャップ層３０が活性層２０の上に成長させられる。このキャップ層３０はたとえばガリウムヒ素で形成されてもよく、製造工程が図１に示された光電陰極（組立体）への移行、続いてイメージ増強管への封入を完了するまで、中間物の冷却および移送（すなわち、移送では環境大気の条件にさらされる）の間、活性層２０の保護を行う。

当業者には分かるように、キャップ層３０が除去され、反射防止コーティング層１６が適用されると、層１８、２０、２６および２８は面プレート部１２に熱的に、すなわち熱結合層のように働く反射防止コーティング層１６の熱結合により結合する。つぎに、ストップ層２８は基板を除去するために使用されるエッチ作用が光電陰極の活性層へと及ばないように働く。つぎに、ストップ層２８は選択的にエッチングされ、電極２２は標準的な薄膜技術を使用して適用され、活性層２０の表面は、酸化物や湿気を除去するためにクリーンにされ、光電陰極（組立体）は活性化される。

光電陰極１０のための中間物２４の第２の実施例が図３に示されている。図３の光電陰極は透明な支持面プレート部（基板２６）を含み、従来技術通りにイメージ増強管の他の部分と結合される。基板２６と窓の両方の働きをする面プレート部は、光電子陰極１０の活性部に光子を移送し、またイメージ増強管の真空エンベロープ（図示せず）を封止する。

面プレート部／基板は好適に、鉱物、尖晶石または尖晶石族の材料からなる。上述したように、尖晶石や鉱物の重要な点は、その格子定数が、アンチモン化アルカリ族の適切な材料で作られた活性層のものと同程度であることである。

光電陰極１０の活性部が尖晶石の基板２６により支持されている。これら活性部は、活性層２０（アンチモン化アルカリ族にある材料により作られる）の良好な成長を容易にするためのバッファ層（ストップ層）２８からなる。バッファ層（ストップ層）２８の付着に続き、活性層２０自身が付着される。正確な組成は、特定のスペクトル領域にわたる所望のスペクトル感度および所望の量子効果のような変数に依存する。

この時点で、光電陰極１０は電極２２などの適用を除き基本的に完成し、第III世代のイメージ増強管について行われるようにイメージ増強管に組み付けられる。工程の適切な段階で、反射防止（AR）コーティング層１６が尖晶石の基板２６の正面に適用されてもよい。

任意であるが、反射防止コーティング層１６が尖晶石の基板の正面に適用されてもよい。また、Cs-CsOx３２は、負電子親和力（NEA）を高めるために、アンチモン化アルカリの活性層の表面に付着される。前述したように、最初に、バッファ層（ストップ層）２８が活性層の成長の質を高めるために、活性層の成長前に尖晶石の基板上に位置する。

商業的には、アンチモン化アルカリの光電陰極は、ガラス、石英またはMgF₂の多結晶化の薄膜のように、成長させたものである。このことは、GaAs基板でのNEA GaASの単結晶の成長と全く異なっている

アンチモン化アルカリのための現行の成長技術は、その光電子放出性を著しく制限する。対照的に、本発明のエピタキシャル成長では、純度および単結晶の成長が向上し、材料の電子拡散距離（高光電子放出性材料の重要な要素）が非常に高まる。

アンチモン化アルカリは、活性層２０に使用されるアンチモン化アルカリと非常によく格子整合する基板２６上に、分子線エピタキシ（MBE）により成長させられる。

格子定数が8.083オングストロームの鉱物尖晶石（MgAl₂O₄）ならびに尖晶石族の他の材料はアンチモン化アルカリ族のMBE成長のための適切なエピタキシャル基板材料である。活性層２０に使用されるアンチモン化アルカリの格子定数の範囲は、7.73から9.18オングストロームである。

アンチモン化アルカリは立方晶および六方晶の両方をもつ。立方晶は光電子放出に適したものである。尖晶石もまた立方晶の構造を形成している。

エピタキシャル成長基板２６のように、安定性に加え、尖晶石は紫外線に対して透明で、少なくとも近赤外線にも透明である。その結果、このような基板２６は自動的に、伝送モードイメージ増強管用の窓層にふさわしいものとなる。窓層２６に直接エピタキシャル成長を行えることは、労力についても材料についても非常に省くことができる。この他の実施例は、第III世代（のための現行の技術GaAs基板がエッチされなければならず、前述したようにガラス窓に成長層を付設するために結合手順が必要である）と比較されるべきものである。

また、光電子放出性の向上に加え、アンチモン化アルカリは装置のための小さなダイレクトギャップ半導体、非ダイレクトギャップ半導体の新規な類を提供する。これらには検出器、赤外線レーザ、トランジスタのようなトランスポートデバイスなどを含む。さらに、Li₃Sb、Li₂CsSbは光電子放出特性を向上させ、したがって製造に適している。

本発明は第III世代の光電陰極により得られる量子効率をもつが、無駄な製造工程をもたない。尖晶石が光電陰極の成長のための基板となるばかりか、適切な窓とすることもできる。したがって、光電陰極を作るための技術は、エピタキシャル成長を直接窓に行うというように非常に簡素化する。高価な材料をもはや必要でなくなり、窓を別に取り付ける必要もなくなる。

本発明の顕著な効果には、拡散距離が向上し、純度が高まり、成長工程の制御が向上し、第III世代のデバイスに匹敵する高い量子効率が得られることが含まれる。

上記の本発明の説明は例示であり、本発明の範囲から逸脱することなく、大きさ、形状、材料の変更が図示の詳細とともになし得ることは分かるであろう。

図１は光線陰極組立体の第一の実施例の断面図である。 図２は図１に示された光線陰極を作るために使用され、その光電陰極をつくる方法を示す、中間物の断面図である。 図３は光線陰極の中間物の第２の実施例の断面図である。

Claims (8)

1. 光電陰極を作る中間物であって、
   基板と、
   該基板により支承される活性層と、
   を有し、前記活性層は、前記基板上にエピタキシャル成長された、光電子放出性アンチモン化アルカリを含み、
   前記アンチモン化アルカリの材料の格子定数が7.73から9.18オングストロームの範囲にある、
   ところの中間物。
2. 前記基板が尖晶石を含む、請求項１に記載の中間物。
3. 前記尖晶石の格子定数が8.083オングストロームである、請求項２に記載の中間物。
4. 前記アンチモン化アルカリの材料が立方晶をもつ、請求項１に記載の中間物。
5. 光電陰極を作る中間物を製造する方法であって、
   基板により支承される活性層を形成する工程を含み、
   前記活性層は、前記基板上にエピタキシャル成長された、光電子放出性アンチモン化アルカリを含み、
   前記アンチモン化アルカリの材料の格子定数が7.73から9.18オングストロームの範囲にある、
   ところの方法。
6. 前記基板が尖晶石を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記尖晶石の格子定数が8.083オングストロームである、請求項６に記載の方法。
8. 前記アンチモン化アルカリの材料が立方晶をもつ、請求項５に記載の方法。

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