JP5267931B2

JP5267931B2 - 光陰極半導体素子

Info

Publication number: JP5267931B2
Application number: JP2008278867A
Authority: JP
Inventors: 智博西谷
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP2010108722A; US20100108983A1; US8143615B2

Description

本発明は、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子に関する。

従来から、半導体にレーザ光を照射した際に電子が放出される光電子放出現象を利用した光陰極半導体素子を、加速器、電子顕微鏡、逆光電子分光法などの電子源として利用する技術が提案されている。

このような技術については、後に掲げる特許文献１、非特許文献１、２に、その技術が開示されている。

ここで、非特許文献１には、超格子構造（「多重量子井戸構造」と呼ばれることもある。）に関する技術が開示されている。

すなわち、異なるバンドギャップを持つ２種以上の材料を用いて、バンドギャップの小さい材料の薄膜を、大きい材料の薄膜でサンドイッチにした構造を量子井戸構造と呼ぶ。

量子井戸構造においては、電子やホールが閉じ込められるバンドギャップの小さい材料の層を「井戸層」と呼び、電子やホールに対して壁の役割をするバンドギャップの大きい材料の層を「バリア層」あるいは「障壁層」と呼ぶ。

多重量子井戸構造とは、井戸層を複数持つ量子井戸構造のことであり、井戸層が１つのものは単一量子井戸構造と呼ばれる。

量子井戸構造における電子のエネルギー準位を見ると、伝導帯および価電子帯という通常の半導体と同様に考えられる「バンド」が構成されるものの、伝導帯内および価電子帯内に「ミニバンド」あるいは「サブバンド」と呼ばれる離散化された準位がさらに生じる。

そして、ミニバンド間において電子が遷移可能となる。

また、特許文献１では、励起レーザが照射されることにより偏極電子線を発生する第２半導体（ストレインドＧａＡｓ半導体）の裏側に半導体多層膜反射鏡を設け、その半導体多層膜反射鏡と第２半導体の表面との間で励起レーザを多重反射させて、第２半導体の膜厚を厚くすることなく、その第２半導体で吸収される光エネルギー量が増加するため、偏極率を損なうことなく量子効率を向上させる技術が開示されている。

一方、特許文献２では、大きなスピン偏極度と高い量子効率を兼ね合わせた半導体スピン偏極電子源を実現するため、基板上に基板より電子親和力の小さなブロック層とスピン偏極電子の発生領域として、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有し電子波長程度以下の厚さの歪ウェル層と、歪ウェル層よりも価電子帯エネルギーが低く伝導帯の電子がトンネル効果で透過できる厚さのバリア層との交互積層からなる格子緩和のないｐ型伝導の短周期歪超格子構造と、バンドの曲がりを吸収する表面層を設け、歪ウェル層に圧縮応力が加わることにより、超格子構造で生じる価電子帯の重い正孔と軽い正孔のバンドのエネルギー差をさらに広げる技術が開示されている。

特許第３１５４５６９号公報特許第２６０６１３１号公報千葉大学工学部電子機械工学科吉川研究室ウェブサイト（http://www.semi.te.chiba-u.jp/mqw.htm，２００８年５月現在）

したがって、このような超格子構造を利用することで、大電流の可能な輝度性能が極めて高い電子ビームを出力できる光陰極半導体素子を実現したい、との要望は強い。

本発明は、上記のような課題を解決するもので、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る光陰極半導体素子は、第１半導体からなる井戸層と、当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、が複数交互に積層した超格子構造を備え、以下のように構成する。

すなわち、当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、当該超格子構造の電子のエネルギー状態において伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅が所望の大きさとなる厚さを下限とする。

また、本発明の光陰極半導体素子において、当該伝導帯に生ずるミニバンドのエネルギー状態密度が所望の大きさとなる厚さを下限とすることとしても良い。

また、本発明の光陰極半導体素子において、当該超格子構造の一方の端面（以下「電子放出面」という。）は、当該複数の井戸層の一つ（以下「表面側井戸層」という。）であり、当該表面側井戸層に接する第３半導体からなる表面層をさらに備え、当該超格子構造のエネルギー状態において当該価電子帯のミニバンドのうち、最上のミニバンドに属する電子が当該伝導帯のミニバンドのうち、最下のミニバンドに励起される波長の光が当該超格子構造に照射されると、当該最下のミニバンドからエネルギー状態が単一化された電子ビームが放出されるように構成することができる。

この際に、当該光は、当該表面層を介して当該電子放出面に入射されるようにするのが典型的であるが、表面層の反対側や側面から入射されるようにする態様を採用することもできる。

また、本発明の光陰極半導体素子において、当該超格子構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、当該複数の井戸層の他の一つ（以下「基板側井戸層」という。）、もしくは、当該複数の障壁層の一つ（以下「基板側障壁層」という。）であり、当該基板面に接する第４半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層に接する第５半導体からなる基板層と、をさらに備えるように構成することができる。

また、本発明の光陰極半導体素子は、以下のように構成することができる。

すなわち、当該表面層は、ｐ型ドーピング量１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第３半導体からなる。

一方、当該複数の障壁層のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第２半導体からなる。

さらに、当該複数の井戸層のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜４ｎｍの第１半導体からなる。

そして、当該バッファ層は、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ１μｍ以上の第４半導体からなる。

一方、当該基板層は、ＧａＡｓ半導体からなる。

さらに、当該超格子構造の厚さは、２μｍ〜３μｍである。

そして、当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる。

本発明によれば、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。

図１は、本実施形態に係る光陰極半導体素子の構成を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。

本実施形態に係る光陰極半導体素子１０１は、超格子構造１０２を備える。

ここで、超格子構造１０２は、第１半導体からなる井戸層１０３と、第２半導体からなる障壁層１０４と、の２つの層が複数交互に積層して形成される。

ここで、第２半導体は、第１半導体よりバンドギャップが大きい。

本実施形態では、超格子構造１０２の積層構造の一方の端面を「電子放出面」として利用し、電子放出面に光が入射すると、電子が放出される、という態様を採用する。そこで、超格子構造１０２の積層構造の一方の端面を、以下「入射面」と呼ぶこととする。本実施形態では、入射面は、井戸層１０３である。この井戸層１０３を、表面側井戸層１０３ａと呼ぶ。

なお、電子放出面として、障壁層１０４を採用することも可能えある。

表面側井戸層１０３ａの外部に露出する面には、第３半導体からなる表面層１０５が配置されている。

表面層１０５は、高いｐ型ドーピング濃度により、電子親和力を小さくしてバンドベンディングを生じさせるための層である。

なお、光を照射する際には、本図に示す表面層１０５の位置へ照射するのではなく、側面や反対側の面から照射するように構成することも可能である。

一方、超格子構造１０２の積層構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、本図に示す例では、井戸層１０３である。この井戸層１０３を、基板面側井戸層１０３ｂと呼ぶ。なお、超格子構造１０２の基板面側の層は、障壁層１０４とすることも可能である。

基板面側井戸層１０３ｂは、超格子構造１０２よりも小さいバンドギャップの第４半導体からなるバッファ層１０６を挟んで、第５半導体からなる基板層１０７に担持される。

ここで、本実施形態における各層は、以下のような構成により形成される。

すなわち、当該表面層１０５は、ｐ型ドーピング量１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＧａＡｓ半導体結晶である第３半導体からなり、その厚さをＡとする。

一方、当該複数の障壁層１０４のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶である第２半導体からなり、その厚さをLbとする。

さらに、当該複数の井戸層１０３のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＧａＡｓ半導体結晶である第１半導体からなり、その厚さをLwとする。

そして、当該バッファ層１０６は、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶である第４半導体からなり、その厚さをBとする。

一方、当該基板層１０７は、ＧａＡｓ半導体からなる。

さらに、当該超格子構造１０２の厚さを、Sとする。

そして、当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる。

このような構成による超格子構造１０２を形成するための結晶成長方法には、各種の手法を採用することができるが、たとえば、[特許文献２]に開示される技術と同様に、分子線エピタキシー法などを利用することができる。

図２は、このような超格子構造１０２を形成したときの、バンド構造の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、井戸層１０３と障壁層１０４とが交互に積層されることで、伝導帯２０１と価電子帯２０２は、櫛状の形状を有することになる。

井戸層１０３では、伝導帯２０１と価電子帯２０２は近付き、障壁層１０４では、伝導帯２０１と価電子帯２０２は遠ざかる。

伝導帯２０１と価電子帯２０２との間の距離をバンドギャップと呼ぶが、超格子構造１０２の中でバンド構造が櫛形となるためには、井戸層１０３を形成する第１半導体のバンドギャップと、障壁層１０４を形成する第２半導体のバンドギャップと、を比較したときに、第２半導体の方が第１半導体よりもバンドギャップが大きいようにする必要がある。

このような超格子構造１０２は、多量子井戸構造とも呼ばれ、電子や正孔は、バンドギャップの小さい材料の層、すなわち、井戸層１０３に閉じ込められることになる。

このような櫛形のバンド構造が生じるほか、伝導帯２０１の中にミニバンド２１１が発生するとともに、価電子帯２０２の中にも、ミニバンド２１２が生じている。

本実施形態では、表面層１０５は、負の親和力（ＮＥＡ；Negative Electron Affinity）表面処理を施したバルク結晶構造のガリウムヒ素半導体と本実施形態は、ＮＥＡ−ＧａＡｓ光陰極半導体素子の一種として考えることができる。

ＮＥＡ表面処理により、電子状態にバンドギャップが存在すれば、真空準位が伝導帯２０１のミニバンド２１１の下限より低い位置に存在する場合があり得る。この場合、価電子帯２０２から伝導帯２０１へ励起された電子は、そのまま何の障害もなく真空準位へ遷移することができる。つまり、室温或いはそれより低い温度による励起で、表面から伝導帯２０１に励起された電子が真空中へ放出されていく。

本実施形態においては、光が入射することで、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２から伝導帯２０１の中に生じたミニバンド２１１に励起された電子が、ＮＥＡ表面を通過して、電子ビームとして出力される。

量子効率を高くするためには、吸収係数を大きくする必要がある。そのために、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の電子のエネルギー状態密度を高くし、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の下限と、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２と上限と、の間のバンドギャップを大きくする必要がある。たとえば、ＧａＡｓ半導体を利用する場合には、バンドギャップは、１.４２ｅＶより大きくすることが望ましい。

なお、入射される光の波長は、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の下限と、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２と上限と、の間のバンドギャップに対応する波長とし、本実施形態ではレーザ光を用いる。

また、初期エミッタンスを小さくするためには、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を小さくする必要がある。たとえば、室温エネルギーを２６ｍｅＶ未満とすることが望ましい。このようにすると、出力される電子ビームのエネルギー状態を単一化することができる。

したがって、これらの値が所望の値となるように、井戸層１０３の厚さLwと、障壁層１０４の厚さLbと、を、設定する必要がある。

本実施形態においては、パラメータLw，Lbを種々変更してクローニヒ・ペニーモデルでシミュレーション計算を行うことにより、好適なLw，Lbの範囲を求めることとする。

図３および図４は、障壁層１０４の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層１０３の厚さLwに対するバンドギャップを示したグラフと、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を示したグラフである。

図５および図６は、井戸層１０３の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層１０４の厚さLbに対するバンドギャップを示したグラフと伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を示したグラフである。

これらのシミュレーション結果を参照すると、以下のような諸元が判明する。

すなわち、高い量子効率を実現する高いエネルギー状態密度と大きなバンドギャップを得るためには、Lwは4nm以下とすることが望ましい。また、バンドギャップを大きくするには、障壁層１０４の厚さLbを狭くするよりも、井戸層１０３の厚さLwを狭くする方が効率的である。また、障壁層１０４の厚さLbは、最大でも６ｎｍ程度とするのが望ましい。

すなわち、量子効率を実現するための所望のバンドギャップ幅が与えられると、シミュレーション計算によって、Lw，Lbの上限を求めることができるのである。

一方、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を、小さい初期エミッタンスを実現する室温エネルギーよりも狭くするためには、井戸層１０３の厚さLwおよび障壁層１０４の厚さLbは、最小でも３ｎｍ程度とするのが望ましい。

すなわち、所望の初期エミッタンスが与えられると、シミュレーション計算によって、Lw，Lbの下限を求めることができるのである。

このようにして、超格子構造１０２に含まれる井戸層１０３の厚さLwおよび障壁層１０４の厚さLbの範囲が定められる。

一方、これらの厚さの総和である超格子構造１０２の厚さは、光陰極半導体素子１０１のサイズや製造コストなどによって適宜変更が可能であるが、典型的には、２μｍ〜３μｍ程度とする。

表面層１０５の厚さＡは、入射した光のほとんどが超格子構造１０２に到達できる程度の厚さである。また、表面層１０５は、バンドギャップの半分程度だけ電子親和力を小さくするような高いｐ型ドーピング濃度とする必要がある。典型的には厚さ３ｎｍ〜６ｎｍであり、ｐ型ドーピング濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

またバッファ層１０６の厚さＢは、基板層１０７で生じた電子の超格子構造１０２への流れ込みが生じない程度の厚さとする必要があり、典型的には、１μｍ以上である。

基板層１０７の厚さは、製造される光陰極半導体素子１０１のサイズや製造コストなどによって適宜変更が可能である。

図７は、従来および本実施形態の光陰極半導体素子における励起エネルギーに対する状態密度の様子を表すグラフである。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、従来考えられていた理論値（点線）においては、励起エネルギーが大きくなると、緩やかにエネルギー状態密度も増加していく。

一方、本実施形態の光陰極半導体素子１０１（実線）においては、状態密度が階段状の形状をなしており、ミニバンドにおいて電子のエネルギー状態が単一になっていることがわかる。

また、階段状部分の高さが従来の理論値に比べて大きいこともわかる。これは、生成される電子の量が増幅されており、電子ビームの量子効率が高いことを意味するものである。

上記のように、本発明によれば、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することができる。

本実施形態に係る光陰極半導体素子の構成を示す断面図である。超格子構造に対するバンド構造の様子を示す説明図である。障壁層の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層の厚さLwに対するバンドギャップを示したグラフである。障壁層の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層の厚さLwに対する伝導帯の中のミニバンドの幅を示したグラフである。井戸層の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層の厚さLbに対するバンドギャップを示したグラフである。井戸層の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層の厚さLbに対する伝導帯の中のミニバンド幅を示したグラフである。従来および本実施形態の光陰極半導体素子における励起エネルギーに対する状態密度の様子を表すグラフである。

符号の説明

１０１光陰極半導体素子
１０２超格子構造
１０３井戸層
１０４障壁層
１０５表面層
１０６バッファ層
１０７基板層
２０１伝導帯
２０２価電子帯
２１１伝導帯の中のミニバンド
２１２価電子帯の中のミニバンド

Claims

第１半導体からなる井戸層と、第２半導体からなる障壁層と、が、複数交互に積層した超格子構造を有する光陰極半導体素子であって、
前記超格子構造の電子のエネルギー状態において、第１ミニバンドが伝導帯に生じ、第２ミニバンドが価電子帯に生じ、
前記第１ミニバンドの下限は、前記第２ミニバンドの上限より高く、
真空のエネルギー準位は、前記第１ミニバンドの下限より低く、
前記第１ミニバンドのバンド幅は、室温エネルギーよりも狭く、
前記第２ミニバンドから前記第１ミニバンドへ電子を励起する波長の光が前記超格子構造に照射されると、エネルギー状態が単一化された電子ビームが真空中へ放出される
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
第１半導体からなる井戸層と、
当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、
が複数交互に積層した超格子構造を備え、
当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、
当該超格子構造の電子のエネルギー状態において、伝導帯に生ずる第１ミニバンドの下限と、価電子帯に生ずる第２ミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、
当該伝導帯に生ずる第１ミニバンドのバンド幅が室温エネルギーよりも狭くなる厚さを下限とする
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
第１半導体からなる井戸層と、
当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、
が複数交互に積層した超格子構造を備え、
当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、
当該超格子構造の電子のエネルギー状態において、伝導帯に生ずる第１ミニバンドの下限と、価電子帯に生ずる第２ミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、
当該伝導帯に生ずる第１ミニバンドのエネルギー状態密度の広がりが室温エネルギーの状態密度よりも高くなる厚さを下限とする
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
請求項１から３のいずれか１項に記載の光陰極半導体素子であって、
当該超格子構造の一方の端面（以下「電子放出面」という。）は、当該複数の井戸層の一つ（以下「表面側井戸層」という。）であり、
当該表面側井戸層に接する第３半導体からなる表面層
をさらに備え、
前記第２ミニバンドは、当該価電子帯に生ずる複数のミニバンドのうち、最上のミニバンドであり、
前記第１ミニバンドは、当該伝導帯に生ずる複数のミニバンドのうち、当該ミニバンドの下限が真空準位より低い最下のミニバンドである
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
請求項４に記載の光陰極半導体素子であって、
前記光は、前記表面層を介して、前記電子放出面に照射される
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
請求項５に記載の光陰極半導体素子であって、
当該超格子構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、当該複数の井戸層の他の一つ（以下「基板側井戸層」という。）、もしくは、当該複数の障壁層の一つ（以下「基板側障壁層」という。）であり、
当該基板面に接する第４半導体からなるバッファ層と、
当該バッファ層に接する第５半導体からなる基板層と、
をさらに備えることを特徴とする光陰極半導体素子。
請求項６に記載の光陰極半導体素子であって、
当該表面層は、ｐ型ドーピング量１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第３半導体からなり、
当該複数の障壁層のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第２半導体からなり、
当該複数の井戸層のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜４ｎｍの第１半導体からなり、
当該バッファ層は、ｐ型ドーピング量５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ１μｍ以上の第４半導体からなり、
当該基板層は、ＧａＡｓ半導体からなり、
当該超格子構造の厚さは、２μｍ〜３μｍであり、
当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる
ことを特徴とする光陰極半導体素子。