JPH05282991A - Photoelectron emission plane - Google Patents

Photoelectron emission plane

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Publication number
JPH05282991A
JPH05282991A JP7431092A JP7431092A JPH05282991A JP H05282991 A JPH05282991 A JP H05282991A JP 7431092 A JP7431092 A JP 7431092A JP 7431092 A JP7431092 A JP 7431092A JP H05282991 A JPH05282991 A JP H05282991A
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JP
Japan
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semiconductor
internal
anode
photoelectron
light
Prior art date
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Pending
Application number
JP7431092A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiko Mizushima
宜彦 水島
Toru Hirohata
徹 廣畑
Tomoko Suzuki
智子 鈴木
Tsuneo Ihara
常夫 渭原
Minoru Aragaki
実 新垣
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Publication of JPH05282991A publication Critical patent/JPH05282991A/en
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Abstract

PURPOSE:To realize a sensitive photoelectron emission plane having a simple structure by producing electron holes by incident light and emitting electrons into the external vacuum atmosphere. CONSTITUTION:When light is applied on the boundary between an internal anode 21 and a semiconductor 11 from the outside, electron holes are excited within the internal anode 21. The hot electron holes pass through a barrier to be implanted into the semiconductor 11. Electrons are implanted thereinto from an internal cathode 22. An electric field is applied to the semiconductor 11 by electrodes 21, 22 provided on both surfaces thereof and a power supply 43, and the implanted electrons are transferred to the internal anode 21, the part of which is emitted into a vacuum atmosphere to be caught by an external anode 23.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は入射された光に感応し、
電子を外部の真空中に放出する光電子放射面に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is sensitive to incident light,
The present invention relates to a photoemission surface that emits electrons into an external vacuum.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、アルカリ金属やアンチモンで
構成された光電子放射面が知られ、光電子増倍管などに
利用されている。また、GaAsやInPなどの化合物
半導体で構成した光電子放射面も知られている。これら
従来の光電子放射面は、いずれも入射光によって直接に
光電子を生成させ、これを外部の真空中に放出するよう
になっている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a photoelectron emitting surface composed of an alkali metal or antimony has been known and used for a photomultiplier tube or the like. Further, a photoelectron emission surface composed of a compound semiconductor such as GaAs or InP is also known. In each of these conventional photoelectron emitting surfaces, photoelectrons are directly generated by incident light and are emitted into an external vacuum.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の光電子放射面
は、いずれも感度において不十分であり、このため感度
増大のために種々の工夫がなされている。その一例とし
て、電子増倍により光電子を増倍することが提案されて
いるが、この場合には、光電子放射面の直前に雪崩増倍
領域を設けることが必要となり、構造が複雑化する。
All of the conventional photoelectron emitting surfaces have insufficient sensitivity, and therefore various measures have been taken to increase the sensitivity. As one example, it has been proposed to multiply photoelectrons by electron multiplication, but in this case, it is necessary to provide an avalanche multiplication region immediately before the photoelectron emission surface, which complicates the structure.

【0004】本発明は、このような従来技術を鑑みてな
されたもので、従来の光電子放射面に対する発想を全く
転換させたものである。すなわち、入射光によって光電
子を直接に生成するものでなく、入射光によっていった
ん正孔を生成し、この正孔をトリガーとして放出すべき
電子を間接的に導き出し、外部の真空中に放出させるこ
とにより、従来技術の有していた欠点を克服するもので
ある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional techniques, and completely changes the idea of the conventional photoelectron emitting surface. That is, photoelectrons are not directly generated by the incident light, but holes are once generated by the incident light, the electrons to be emitted are indirectly derived by using the holes as a trigger, and the electrons are emitted into an external vacuum. , Overcoming the drawbacks of the prior art.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、光に
感応し、外部陽極に向けて電子を放出する光電子放射面
において、内部陽極および内部陰極からなる一対の内部
電極が設定された半導体と、一対の内部電極間の半導体
中に所定の電界を印加する電界印加手段と、内部陽極と
半導体の界面に光を照射する光照射手段と、この光照射
により内部陽附近極で生成した正孔を半導体に注入し、
内部陰極から半導体への電子の注入を促進する内部陰極
手段と、内部陰極から注入された電子を内部陽極の表面
から外部に放出させる放出手段とを備え、放出された電
子が外部陽極に捕獲されるようにしたことを特徴とす
る。
That is, the present invention provides a semiconductor in which a pair of internal electrodes consisting of an internal anode and an internal cathode is set on a photoelectron emission surface which is sensitive to light and emits electrons toward an external anode. , An electric field applying means for applying a predetermined electric field in the semiconductor between the pair of internal electrodes, a light irradiating means for irradiating the interface between the internal anode and the semiconductor with light, and holes generated in the internal positive and near polar electrodes by this light irradiation. Is injected into the semiconductor,
Equipped with an internal cathode means for promoting injection of electrons from the internal cathode to the semiconductor and an emission means for emitting electrons injected from the internal cathode to the outside from the surface of the internal anode, and the emitted electrons are captured by the external anode. It is characterized by doing so.

【0006】[0006]

【作用】本発明によれば、入射された光によって内部陽
極附近に正孔が生成され、これが半導体に注入される。
すると、これがトリガーとなって内部陰極から半導体に
電子が注入され、内部陽極表面から外部放出される。こ
こで、放出電子量は正孔の発生量によりコントロールさ
れ、しかも雪崩増倍されるので、簡単な構造で高感度の
光電子放射面を実現できる。
According to the present invention, the incident light causes holes to be generated in the vicinity of the internal anode and injected into the semiconductor.
Then, this serves as a trigger to inject electrons from the internal cathode into the semiconductor, and the electrons are emitted to the outside from the surface of the internal anode. Here, since the amount of emitted electrons is controlled by the amount of generated holes and is multiplied by the avalanche, a highly sensitive photoelectron emitting surface can be realized with a simple structure.

【0007】[0007]

【実施例】以下、添付図面を参照しつつ、本発明を実施
例にもとづき詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail based on embodiments with reference to the accompanying drawings.

【0008】図1は、本発明の光電子放射面の最も基本
となる実施例の構造図である。図示の通り、半導体
1 、例えばGaAsのウエハーの上下に一対の電極を
形成し、これらを内部陽極21 と内部陰極22 とする。
電極材料については後で触れるが、この例では内部陰極
2 、内部陽極21 ともに、オーム性接合を持つAuG
e/Ni/Auとする。内部陽極21 は電子放射の妨げ
にならないように、また内部陽極21 と半導体11 の界
面に効率よく光が照射できるように充分に薄膜化されて
いる。
FIG. 1 is a structural diagram of the most basic embodiment of the photoelectron emitting surface of the present invention. As shown, the semiconductor 1 1, a pair of electrodes formed for example above and below the GaAs wafer, for these internal anode 2 1 and the inner cathode 2 2.
Although the electrode material will be described later, in this example, both the internal cathode 2 2 and the internal anode 2 1 are made of AuG having an ohmic junction.
e / Ni / Au. The internal anode 2 1 is made sufficiently thin so as not to interfere with electron emission and to efficiently irradiate the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 with light.

【0009】内部陽極21 と半導体11 との界面には、
その接合がオーム性接合であろうとショットキー性接合
であろうと、必ずポテンシャル障壁が形成されている。
この障壁の高さは、接合の種類や材料半導体の種類にも
よるが、概ね半導体11 のバンドギャップエネルギーの
1/2ないしは2/3である。この値が、この光電子放
射面の限界波長を決める。半導体11 がGaAsの場合
には、室温でのバンドギャップエネルギーは1.43e
Vであり、限界波長は1300nmないし1700nm
程度になる。
At the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 ,
Whether the junction is an ohmic junction or a Schottky junction, a potential barrier is always formed.
The height of the barrier, depending on the type and material semiconductor type of bonding is generally 1/2 or 2/3 of the band gap energy of the semiconductor 1 1. This value determines the limiting wavelength of this photoemission surface. When the semiconductor 1 1 is GaAs, the band gap energy at room temperature is 1.43e
V and the limit wavelength is 1300 nm to 1700 nm
It will be about.

【0010】外部から内部陽極21 と半導体11 の界面
に光(hν)を照射すると、照射された光により内部陽
極21 内では正孔が励起される。この熱い正孔のエネル
ギーは、照射された光エネルギーと同じエネルギーを持
つ為、照射光の光子エネルギーが先の障壁よりもエネル
ギーが高ければ、熱い正孔は障壁を越えて半導体11
へ注入される。この正孔注入は、また別の手段によるこ
ともできる。そして、これに対抗して内部陰極22 から
電子が注入される。半導体11 には、両面に設けられた
電極21 ,22 と電源43 により電界が印加されている
ため、注入された電子は内部陽極21 まで運ばれ、その
一部は真空中に放射されて外部陽極23に捕獲される。
When light (hν) is applied to the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 from the outside, holes are excited in the internal anode 2 1 by the applied light. Since the energy of this hot hole has the same energy as the irradiated light energy, if the photon energy of the irradiation light is higher than the previous barrier, the hot hole will cross the barrier and be injected into the semiconductor 1 1 . To be done. This hole injection can also be by other means. Then, electrons are injected from the inner cathode 2 2 to counter this. Since the electric field is applied to the semiconductor 1 1 by the electrodes 2 1 and 2 2 provided on both sides and the power source 4 3 , the injected electrons are carried to the internal anode 2 1 and a part of them is placed in a vacuum. It is radiated and captured by the external anode 2 3 .

【0011】更にこの電子放射を増大させるためには、
以下に示すように内部陽極21 の直前に於て、高電界に
よる雪崩を起こさせることが良い。その為に必要な条件
は、半導体11 が半絶縁性GaAsのように高抵抗半導
体であること、またバイアス電界は平均電界として0.
5kV/cm程度以上の電界である事である。電界強度
の上限は特に限定する必要はないが、低い平均電界で動
作することが本発明の特徴であることや、他の現象との
区別を明確にする事を考慮して、2.5kV/cm以下
とする。
To further increase this electron emission,
At a immediately before the internal anode 2 1 as shown below, it is better to cause the avalanche by a high electric field. Therefore conditions required, it semiconductor 1 1 is a high-resistance semiconductor as semi-insulating GaAs, also the bias electric field as the average electric field zero.
That is, the electric field is about 5 kV / cm or more. The upper limit of the electric field strength is not particularly limited, but it is 2.5 kV / V in consideration of the fact that it operates in a low average electric field, which is a feature of the present invention, and the distinction from other phenomena. cm or less.

【0012】高抵抗半導体11 に、この程度の高電界を
印加した時には、内部陽極21 の近傍には電界の集中が
生じていることが、本発明者の研究により判明してい
る。内部陽極21 付近に存在する高電界領域に過剰の電
子と正孔を注入すると、半導体11 の抵抗率を低下させ
る。
[0012] high resistance semiconductor 1 1, upon application of a high electric field of this degree is in the vicinity of the internal anode 2 1 that concentration of the electric field is generated, it has been found by the inventors of the study. Injecting excess electrons and holes into the high electric field region existing near the internal anode 2 1 lowers the resistivity of the semiconductor 1 1 .

【0013】電極21 ,22 間に一定のバイアス電圧が
印加されていると、半導体11 中の抵抗率が減少し、そ
の領域の電界は減少する。内部陽極21 付近の電界強度
は、逆にその分だけ電界が増加する。この様にして、内
部陽極21 付近で注入電子による雪崩増倍が生じるよう
になる。結果として、内部陰極22 から注入された電子
は、半導体11 中の電界により内部陽極21 へ運ばれ、
内部陽極21 近傍で更に雪崩増倍され、また加速されて
ホット電子なる。
When a constant bias voltage is applied between the electrodes 2 1 and 2 2 , the resistivity in the semiconductor 1 1 decreases and the electric field in that region decreases. Field intensity near the internal anode 2 1, correspondingly to the reverse electric field is increased. Such a manner, so that avalanche multiplication by the injected electrons in the vicinity of the internal anode 2 1 occurs. As a result, the electrons injected from the internal cathode 2 2 are carried to the internal anode 2 1 by the electric field in the semiconductor 1 1 ,
Further avalanche multiplication within the anode 2 near 1, also are accelerated become hot electrons.

【0014】内部陽極21 表面は、Cs等のアルカリ金
属、或いはアルカリ酸化物の層3で覆われており、半
導体1から見た真空障壁を低下させている。従っ
て、内部陽極21 へ運ばれた電子は容易に真空中に放射
され、外部陽極23 に捕獲される。これが、本発明の光
電子放射面の基本的な動作である。
[0014] Internal anode 2 1 surface is an alkali metal such as Cs, or are covered with a layer 3 1 of the alkaline oxides, which reduces the vacuum barrier as viewed from the semiconductor 1 1. Therefore, the electrons carried to the inner anode 2 1 are easily radiated into the vacuum and captured by the outer anode 2 3 . This is the basic operation of the photoemissive surface of the present invention.

【0015】以上の動作メカニズムを、エネルギーバン
ド図上で描くと図2の様になる。同図(a)は、光照射
により内部陽極21 から正孔54 が注入された直後のポ
テンシャル図である。すなわち、光(hν)によって内
部陽極21 で電子51 と正孔52 のペアが発生し、正孔
4 が半導体11 に注入されている。
FIG. 2 shows the above operation mechanism on the energy band diagram. FIG. 5A is a potential diagram immediately after holes 5 4 are injected from the internal anode 2 1 by light irradiation. That is, a pair of electron 5 1 and hole 5 2 is generated in the internal anode 2 1 by light (hν), and the hole 5 4 is injected into the semiconductor 1 1 .

【0016】同図(b)は、注入により雪崩増倍が誘発
され多量の正孔が発生し、また内部陰極から電荷の中和
の為に電子が注入されている動作状態のポテンシャル図
を描いている。すなわち、雪崩増倍領域55 で多数の電
子・正孔対が発生し、このうちの正孔が内部陰極22
流れる。これに対応して、内部陰極22 から多数の電子
3 が半導体11 に流れ込んでいる。
FIG. 2B is a potential diagram of an operating state in which avalanche multiplication is induced by injection, a large amount of holes are generated, and electrons are injected from the internal cathode to neutralize charges. ing. That is, a large number of electron-hole pairs in the avalanche multiplication region 5 5 occurs, flow holes of this is to the inside cathode 2 2. Corresponding to this, many electrons 5 3 flow into the semiconductor 1 1 from the internal cathode 2 2 .

【0017】このさい、雪崩領域で正孔が発生し、これ
が上記したような陽極から陰極方向への正孔注入の役割
を果たすことによって、全体の増加した電流が流されて
いる。ここに、さらに光照射による追加電流が加わるこ
とで、さらに電流が増加するので、これが光電流利得と
なる。このように、正孔電流は、雪崩より発生するもの
と陽極より発生するものとがあり、共に陽極附近で発生
するので、区別がしにくい。本文では代表的に陽極から
注入するものとして記述した。
At this time, holes are generated in the avalanche region, and this plays a role of hole injection from the anode to the cathode as described above, whereby the entire increased current is passed. The current is further increased by adding an additional current due to the light irradiation, and this becomes a photocurrent gain. As described above, the hole currents include those generated by the avalanche and those generated by the anode, both of which are generated in the vicinity of the anode, and are therefore difficult to distinguish. In the text, it is described as being typically injected from the anode.

【0018】以上の説明から分るように、半導体11
電界を印加し、内部陽極21 に光を照射することが本発
明光電子放射面の動作の基本である。また、先の実施例
では、内部陰極22 からの電子注入に関しては、特に妨
げがないものとして扱った。しかし、内部陽極22 と高
抵抗半導体11 との界面に存在するポテンシャル障壁が
妨げになる場合がある。この場合において、光を内部陰
極22 と半導体11 の界面にも照射することが光電感度
の増加に助けとなる。すなわち、内部陰極22において
も内部陰極21 と同様に内部光電子放射により電子の注
入を行ない、電子注入律速を取除けるからである。
As can be seen from the above description, applying an electric field to the semiconductor 1 1 and irradiating the internal anode 2 1 with light is the basis of the operation of the photoelectron emitting surface of the present invention. Further, in the above embodiment, with respect to the electron injection from the inner cathode 2 2, it was treated as in particular that there is no interfere. However, the potential barrier existing at the interface between the internal anode 2 2 and the high resistance semiconductor 1 1 may interfere. In this case, irradiating the interface between the internal cathode 2 2 and the semiconductor 1 1 with light also helps increase the photoelectric sensitivity. That is, in the internal cathode 2 2 as well as in the internal cathode 2 1 , electrons are injected by internal photoelectron radiation, and the electron injection rate limiting can be removed.

【0019】光照射の手段を工夫することにより、様々
なタイプの光電子放射面を構成できる。以下、これを図
3〜図6により説明する。
By devising the means of light irradiation, various types of photoelectron emitting surfaces can be constructed. Hereinafter, this will be described with reference to FIGS.

【0020】例えば、上記の説明による光電子放射面の
構成では、半導体11 は内部陽極21 と内部陰極22
のダイオード構成を成しているが、内部陽極21 を2分
し、別のバイアスのもとで3極構成とし、光正孔注入用
の陽極24 と、光電子放射用の内部陽極21 とに分けて
動作させることもできる(図3)。図示の通り、内部陽
極21 には電源43 が接続され、正孔注入陽極24 には
電源44 が接続されている。
For example, in the structure of the photoelectron emitting surface according to the above description, the semiconductor 1 1 has a diode structure of the internal anode 2 1 and the internal cathode 2 2 , but the internal anode 2 1 is divided into two parts and separated. of the under three-pole structure of the bias, the anode 2 4 photoholes injection can also be operated separately in the internal anode 2 1 for photoelectric emission (Figure 3). As shown, the power supply 4 3 is connected to the internal anode 2 1, power 4 4 is connected to the hole injecting anode 2 4.

【0021】電子放射の為の開口率を増加させるため
に、薄膜化されていた内部陽極21 を、メッシュパター
ンなどの部分電極に変更することも良い。この場合に
は、内部陽極21 が厚いと、電極開口部の極く周辺部分
の電極界面部分にしか光が照射されないために、やはり
内部陽極21 薄膜化してやる必要がある。しかし、照射
する光として、半導体11 のバンドギャップエネルギー
に相当する波長よりも長波長光の場合には、事情は全く
異なる。
[0021] In order to increase the aperture ratio for electron emission, an internal anode 2 1 which has been thinned, it may be changed to the partial electrode such as a mesh pattern. In this case, if the inner anode 2 1 is thick, light is irradiated only to the electrode interface portion in the peripheral portion of the electrode opening portion, so that it is necessary to thin the inner anode 2 1 as well. However, as the light to be irradiated, when than the wavelength corresponding to the band gap energy of the semiconductor 1 1 long wavelength light, the situation is quite different.

【0022】この場合の構造図が図4である。この場合
には、内部陰極電極21 の合間より半導体11 に照射さ
れた光hνは、高抵抗半導体11 を透過するため裏面の
内部陰極電極22 で反射され、内部陽極21 と半導体1
1 の界面に光が照射されることになる。従って、この場
合には、内部陽極21 は特に薄膜化されていなくてもよ
い。
The structural diagram in this case is shown in FIG. In this case, the light hν emitted from intervals of the internal cathode 2 1 to the semiconductor 1 1 is reflected by the inner cathode electrode 2 2 backside for transmitting a high-resistance semiconductor 1 1, an internal anode 2 1 and the semiconductor 1
The interface 1 will be irradiated with light. Therefore, in this case, the internal anode 2 1 may not be particularly thinned.

【0023】さらには、半導体11 のウエハー側面から
照射してもよい。この例を図5に示す。一方の側面から
入射された光は他方の側面で反射され、内部陽極21
半導体11 の界面に照射される。この構成の場合には、
同一の半導体ウエハー上に構成された半導体レーザーか
らの光により電子放射を行なうデバイスに適する構造で
ある。
[0023] Further, it may be irradiated from the semiconductor 1 1 wafer side. An example of this is shown in FIG. The light incident from one side surface is reflected by the other side surface and irradiates the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 . With this configuration,
This structure is suitable for a device that emits electrons by the light from a semiconductor laser formed on the same semiconductor wafer.

【0024】さらには、内部陰極22 側から光を照射す
ることも可能である。この場合には、内部陰極22 が光
透過の為に薄膜化されているか、メッシュ電極状になっ
ている必要がある(図6)。
Furthermore, it is also possible to irradiate the light from inside the cathode 2 2 side. In this case, either inside the cathode 2 2 is thinned for light transmission, there must be in the mesh electrode shape (Fig. 6).

【0025】本発明で用いる電極について述べておく。
先ず内部陰極22 については、半導体11 に正孔が注入
された時、これを中和する電子が容易に内部陰極22
ら半導体11 中へ注入されなればならない。この為、内
部陰極22 の材料としては、電子ブロックにならないオ
ーム性接合材料が適する。この様な材料としては、Au
Ge,AgInGe,AuSn等を主とする合金金属が
挙げられる。更にはN+ 薄層を介した金属電極でも良
い。
The electrodes used in the present invention will be described.
First, regarding the internal cathode 2 2 , when holes are injected into the semiconductor 1 1 , electrons that neutralize the holes must be easily injected from the internal cathode 2 2 into the semiconductor 1 1 . Therefore, as the internal cathode 2 2 materials, ohmic bonding material is suitable as not to electronic block. As such a material, Au
Examples include alloy metals mainly containing Ge, AgInGe, AuSn and the like. Further, a metal electrode via an N + thin layer may be used.

【0026】更に、前述のように光を内部陰極22 、内
部陽極21 ともに照射を行なう場合においては、内部陰
極22 を電子ブロッキング電極、すなわちショットキー
性電極にしても良い。この方が、暗電流が低く抑えられ
るからである。ショットキー性接合を持つ金属として
は、例えばAu、Al、WSi,TiPtAuが挙げら
れる。
Further, in the case where both the internal cathode 2 2 and the internal anode 2 1 are irradiated with light as described above, the internal cathode 2 2 may be an electron blocking electrode, that is, a Schottky electrode. This is because the dark current can be suppressed low. Examples of the metal having a Schottky junction include Au, Al, WSi, and TiPtAu.

【0027】内部陽極21 については、別の観点から最
適な電極材料が決定される。内部陽極21 から半導体1
1 への正孔注入の為に適する電極材料としてはショット
キー性電極材料が適す。この方が正孔に対するポテンシ
ャル障壁は低下するからである。しかし、このショット
キー性接合を用いた時には、半導体11 から見た真空準
位、つまり電子親和力は増加するために、電子放射を妨
げることになる。オーム性接合を用いた場合には、正孔
の注入が幾分妨げられるが、電子放射の妨げにはならな
い。従って、内部陽極21 の材料としては、どちらも使
用することができる。
For the internal anode 2 1 , the optimum electrode material is determined from another point of view. Internal anode 2 1 to semiconductor 1
A Schottky type electrode material is suitable as an electrode material suitable for injecting holes into 1 . This is because the potential barrier for holes is lowered in this case. However, when using the Schottky junction, vacuum level as viewed from the semiconductor 1 1, i.e. to the electron affinity increases, it would prevent electron emission. When an ohmic junction is used, hole injection is somewhat hindered, but not electron emission. Therefore, as the internal anode 2 1 material, either can be used.

【0028】半導体11 がn型半導体基板の場合には、
内部陰極22 はオーム性電極であるため、内部陽極21
はn+ 型電極が好ましい。内部陽極21 は、暗電流を少
なくするためにバイアスによって注入状態を制御できる
ようにされたpn接合か、またはショットキー接合など
の種々のものを使用できる。また、光照射により正孔を
注入するときのポテンシャル障壁を低下させ、長波長側
の限界波長を延ばすために、このpn接合をヘテロ接合
とすることもできる。
When the semiconductor 1 1 is an n-type semiconductor substrate,
Since the internal cathode 2 2 is an ohmic electrode, the internal anode 2 1
Is preferably an n + type electrode. The internal anode 2 1 may be of various types such as a pn junction or a Schottky junction whose injection state can be controlled by a bias to reduce dark current. Further, in order to lower the potential barrier at the time of injecting holes by light irradiation and extend the limit wavelength on the long wavelength side, this pn junction may be a heterojunction.

【0029】図7にこの実施例の構造図を、図8にはエ
ネルギーバンド図を示す。半導体11 上には、これとは
異なるバンドギャップエネルギーをもつ別の半導体12
が形成され、その上に内部陽極21 が形成され、さらに
アルカリ金属あるいはその酸化物からなる吸着層31
形成される。この構造において、光(hν)の入射によ
り内部陽極21 で電子51 とペアの正孔52 が発生する
と、半導体11 に注入される。すると、雪崩増倍領域5
5 で多数の電子・正孔ペアが発生し、正孔は内部陰極2
2 へ注入され、電子が内部陽極21 から外部放出され
る。小さなエネルギーギャップを持つ半導体12 の接合
を、内部陰極22 側にも形成し、光による電子注入の助
けを、より長波長側まで持たすこともできる。
FIG. 7 shows a structural diagram of this embodiment, and FIG. 8 shows an energy band diagram. Another semiconductor 1 2 having a bandgap energy different from that of the semiconductor 1 1 is formed on the semiconductor 1 1.
Is formed, the internal anode 2 1 is formed thereon, and further the adsorption layer 3 1 made of an alkali metal or its oxide is formed. In this structure, when a hole 5 2 paired with an electron 5 1 is generated at the internal anode 2 1 by the incidence of light (hν), it is injected into the semiconductor 1 1 . Then, avalanche multiplication area 5
A large number of electron-hole pairs are generated at 5 , and holes are generated by the internal cathode 2
2 , and electrons are emitted from the inner anode 2 1 . It is also possible to form a junction of the semiconductor 1 2 having a small energy gap also on the side of the internal cathode 2 2 so as to have a function of injecting electrons by light to a longer wavelength side.

【0030】先に述べたように、本発明の光電子放射面
の長波長限界は、内部陽極21 と半導体11 との間に形
成されるポテンシャル障壁の大きさにより決定される。
ポテンシャル障壁はバンドギャップエネルギーが小さい
ほど小さくなるために、半導体11 としてはできるだ小
さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体を用いるこ
とがよい。この様な試みとしては、半導体11 の全てを
小さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体で置き換
えることも良いが、図7の様に陽極の直前だけ別の半導
体12 で置き換えることも良い。全体としては、大きな
バンドギャップエネルギーをもつ半導体11 で構成され
るために、暗電流が低く抑えられることと、高抵抗の半
導体11 が容易に利用できる等のメリットが大きいから
である。または、ショットキー障壁高を、金属と高抵抗
半導体との組合わせで選択することもでき、これらの選
択材料も本願特許の範囲に含まれるものである。
As described above, the long wavelength limit of the photoelectron emitting surface of the present invention is determined by the size of the potential barrier formed between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 .
Potential barrier to the more band gap energy is small becomes small, it is possible to use a semiconductor with a smaller band gap energy that can as the semiconductor 1 1. In such an attempt, all of the semiconductor 1 1 may be replaced with a semiconductor having a small band gap energy, but another semiconductor 1 2 may be replaced just before the anode as shown in FIG. This is because, as a whole, the semiconductor 1 1 having a large bandgap energy is used, so that the dark current can be suppressed to be low, and the high-resistance semiconductor 1 1 can be easily used. Alternatively, the Schottky barrier height can be selected by combining a metal and a high resistance semiconductor, and these selection materials are also included in the scope of the patent of the present application.

【0031】次に半導体11 の抵抗率について触れてお
く。本発明の光電子放射面の機構では、光照射により正
孔が注入され、その中和の為に電子が注入されて初めて
真空への電子放射が生じる。電荷の中和には、ある程度
の時間が必要で、誘電緩和時間と言われている。誘電緩
和時間τ=εε0 /σで決定される。ここにε、ε0
半導体の比誘電率、真空の誘電率である。またσは、半
導体の導電率である。従って、半導体11 が余りにも高
抵抗の場合には、この光電子放射面の応答速度は極めて
遅くなる。これを解決するには、キャリアの内部電極間
の走行時間を誘電緩和時間τよりも短くする必要があ
る。そのため内部電極間の間隔は80μmすることがよ
い。
[0031] keep then touch on the semiconductor 1 1 of resistivity. In the mechanism of the photoelectron emission surface of the present invention, holes are injected by light irradiation, and electrons are injected for neutralization, so that electron emission to a vacuum occurs. It takes a certain amount of time to neutralize the charge, which is called a dielectric relaxation time. The dielectric relaxation time is determined by τ = εε 0 / σ. Here, ε and ε 0 are the relative permittivity of the semiconductor and the vacuum permittivity. Further, σ is the conductivity of the semiconductor. Thus, the semiconductor 1 1 If too high resistance, the response speed of the photoelectric emission surface is very slow. To solve this, it is necessary to make the transit time of the carrier between the internal electrodes shorter than the dielectric relaxation time τ. Therefore, the distance between the internal electrodes is preferably 80 μm.

【0032】又、応答性を得るために導電率を高めるこ
とは、本発明で応用している陽極への電界集中手段を用
いることができなくなるため、意味を成さない。従っ
て、本発明の光電子放射面に用いる半導体11 のキャリ
ア濃度は、1014cm-3以下であることが望ましい。応
答速度の問題を別とすれば、本発明で用いる高抵抗半導
体は、半絶縁化されたものでもよく、そのキャリア補償
の為に含まれている不純物の影響はないことが判明して
いる。キャリア補償により半絶縁化された半導体の例と
しては、Cr:GaAs、CrO:GaAs、Fe:I
nP等が挙げられる。
Further, increasing the electric conductivity to obtain the responsiveness does not make sense because the electric field concentration means for the anode applied in the present invention cannot be used. Therefore, the carrier concentration of the semiconductor 1 1 for use in the photo-electron emission surface of the present invention is desirably 10 14 cm -3 or less. Aside from the problem of response speed, the high-resistance semiconductor used in the present invention may be semi-insulated, and it has been found that impurities contained for carrier compensation are not affected. Examples of semiconductors semi-insulated by carrier compensation are Cr: GaAs, CrO: GaAs, Fe: I.
nP etc. are mentioned.

【0033】更に本発明の特徴として、2次元状に空間
分布を持つ光を照射した時、その空間分布を保存しなが
ら電子放射を行なうことができることが挙げられる。本
発明で用いられる半導体の抵抗率が高く、電界が平行に
印加されているために、半導体ウエハーの横方向への電
荷のやり取りは殆ど無いからである。
Further, as a feature of the present invention, when light having a two-dimensional spatial distribution is irradiated, it is possible to perform electron emission while preserving the spatial distribution. This is because, since the semiconductor used in the present invention has a high resistivity and an electric field is applied in parallel, there is almost no exchange of charges in the lateral direction of the semiconductor wafer.

【0034】この様に、本発明はこれまでのものとは全
く異なる光電子放射面であり、簡単な構造で、長波長に
対しても感度を有し、しかも雪崩増倍により高い感度を
有する光電子放射面である。
As described above, the present invention is a photoelectron emitting surface which is completely different from the conventional ones, has a simple structure, is sensitive to long wavelengths, and is highly sensitive to avalanche multiplication. It is a radiation surface.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明によれば、入射された光によって
内部陽極に正孔が生成され、これが半導体に注入され
る。すると、これがトリガーとなって内部陰極から半導
体に電子が注入され、内部陽極表面から外部放出され
る。ここで、放出電子量は正孔の発生量によりコントロ
ールされ、しかも雪崩増倍されるので、簡単な構造で高
感度を実現できる。
According to the present invention, the incident light causes holes to be generated in the internal anode and injected into the semiconductor. Then, this serves as a trigger to inject electrons from the internal cathode into the semiconductor, and the electrons are emitted to the outside from the surface of the internal anode. Here, the amount of emitted electrons is controlled by the amount of holes generated and is multiplied by the avalanche, so that high sensitivity can be realized with a simple structure.

【0036】このため、本発明の光電子放射面では、光
照射、特に赤外光によって発生した光電子を、効率良
く、しかも増倍させて電子放射を行なうことが出来る。
また、構造が簡単である事、2次元分布を保存できるこ
と等にも特徴がある。長波長領域に於ける良い光電子放
射面が実現されていない現在、本発明の光電子放射面の
応用範囲は広い。
Therefore, on the photoelectron emitting surface of the present invention, photoelectrons generated by light irradiation, particularly infrared light, can be efficiently emitted and electron can be multiplied.
It is also characterized by a simple structure and the ability to store a two-dimensional distribution. At present, a good photoelectron emission surface in the long wavelength region has not been realized, and the application range of the photoelectron emission surface of the present invention is wide.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例に係る光電子放射面の構造図。FIG. 1 is a structural diagram of a photoelectron emitting surface according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に対するエネルギーバンド図。FIG. 2 is an energy band diagram for FIG.

【図3】内部陽極を、正孔注入用陽極と電子放射用電極
とに二分した場合の、本発明の実施例に係る光電子放射
面の構造図。
FIG. 3 is a structural diagram of a photoelectron emission surface according to an embodiment of the present invention when the internal anode is divided into a hole injection anode and an electron emission electrode.

【図4】内部陽極をメッシュ状にした実施例の光電子放
射面の構造図。
FIG. 4 is a structural diagram of a photoelectron emitting surface of an example in which the internal anode is in a mesh shape.

【図5】基板側壁から光照射を行なうようにした実施例
の光電子放射面の構造図。
FIG. 5 is a structural diagram of a photoelectron emitting surface of an embodiment in which light is irradiated from the side wall of the substrate.

【図6】内部陰極から光照射を行なうようにした実施例
の光電子放射面の構造図。
FIG. 6 is a structural diagram of a photoelectron emission surface of an example in which light is emitted from an internal cathode.

【図7】ヘテロ接合により限界波長を延す工夫を行なっ
た実施例の光電子放射面の構造図。
FIG. 7 is a structural diagram of a photoelectron emission surface of an example in which a limit wavelength is extended by a heterojunction.

【図8】図7に対するエネルギーバンド図。FIG. 8 is an energy band diagram for FIG. 7.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

hν…照射光、Ec …伝導帯、Ev …価電子帯、Evac
…真空準位、11 …半導体基板、12 …異なるバンドギ
ャップエネルギーをもつ半導体、21 …内部陽極、22
…内部陰極、23 …外部陽極、24 …正孔注入専用内部
陽極、31 …アルカリ金属、アルカリ酸化物の陽極表面
の吸着層、41 …電流計、42 …外部引き出し用電源、
3 …半導体内部バイアス電源、44 …正孔注入制御用
電源、51 …励起電子、52 …励起正孔、53 …注入電
子、54 …注入正孔、55 …雪崩増倍領域。
hν ... irradiation light, E c ... conduction band, E v ... valence band, E vac
... vacuum level, 1 1 ... semiconductor substrate, 1 2 ... semiconductor having different band gap energies, 2 1 ... internal anode, 2 2
... Internal cathode, 2 3 ... External anode, 2 4 ... Internal anode for exclusive use of hole injection, 3 1 ... Adsorption layer on the anode surface of alkali metal or alkali oxide, 41 1 ... Ammeter, 42 2 ... Power supply for external extraction,
4 3 ... Semiconductor internal bias power supply, 4 4 ... Hole injection control power supply, 5 1 ... Excitation electron, 5 2 ... Excitation hole, 5 3 ... Injection electron, 5 4 ... Injection hole, 5 5 ... Avalanche multiplication region.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渭原 常夫 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 新垣 実 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tsuneo Yubara 1126-1 Ichinocho, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. Within the corporation

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光に感応し、外部陽極に向けて電子を放
出する光電子放射面において、 内部陽極および内部陰極からなる一対の内部電極が設定
された半導体と、 前記一対の内部電極間の前記半導体中に所定の電界を印
加する電界印加手段と、 前記内部陽極と前記半導体の界面に光を照射する光照射
手段と、 この光照射により前記内部陽極附近で生成した正孔を前
記半導体に注入し、前記内部陰極から前記半導体への電
子の注入を促進する内部陰極手段と、 前記内部陰極から前記半導体に注入された電子を前記内
部陽極の表面から外部に放出させる放出手段と、 を備え、前記放出された電子が前記外部陽極に捕獲され
るようにしたことを特徴とする光電子放射面。
1. A semiconductor in which a pair of internal electrodes consisting of an internal anode and an internal cathode is set on a photoelectron emission surface which is sensitive to light and emits electrons toward an external anode, and the semiconductor between the pair of internal electrodes. An electric field applying means for applying a predetermined electric field in the semiconductor, a light irradiating means for irradiating the interface between the internal anode and the semiconductor with light, and holes generated near the internal anode by the light irradiation are injected into the semiconductor. An internal cathode means for promoting injection of electrons from the internal cathode into the semiconductor, and an emission means for emitting electrons injected into the semiconductor from the internal cathode to the outside from the surface of the internal anode, The photoelectron emitting surface, wherein the emitted electrons are captured by the external anode.
【請求項2】 前記光照射手段が前記内部陽極と前記半
導体の界面および前記内部陰極と前記半導体の界面の双
方に光を照射するよう構成されていることを特徴とする
請求項1記載の光電子放射面。
2. The photoelectron according to claim 1, wherein the light irradiation means is configured to irradiate light to both the interface between the internal anode and the semiconductor and the interface between the internal cathode and the semiconductor. Radiating surface.
【請求項3】 前記半導体が、キャリア濃度が1014
-3以下の高抵抗半導体であることを特徴とする請求項
1または2記載の光電子放射面。
3. The semiconductor has a carrier concentration of 10 14 c.
The photoelectron emitting surface according to claim 1 or 2, which is a high-resistance semiconductor having a m -3 or less.
【請求項4】 前記高抵抗半導体が、半絶縁性であるこ
とを特徴とする請求項3記載の光電子放射面。
4. The photoelectron emitting surface according to claim 3, wherein the high-resistance semiconductor is semi-insulating.
【請求項5】 前記高抵抗半導体が、GaAsまたはI
nPを主体とする化合物半導体であることを特徴とする
請求項3記載の光電子放射面。
5. The high resistance semiconductor is GaAs or I.
The photoelectron emitting surface according to claim 3, which is a compound semiconductor mainly composed of nP.
【請求項6】 前記電界印加手段による電界が、0.5
kV/cm以上であって2.5kV/cm以下となるよ
う構成されていることを特徴とする請求項1または2記
載の光電子放射面。
6. The electric field generated by the electric field applying means is 0.5.
The photoelectron emitting surface according to claim 1 or 2, wherein the photoelectron emitting surface is configured to be not less than kV / cm and not more than 2.5 kV / cm.
【請求項7】 前記内部陽極または前記内部陰極の少な
くとも一方が、オーム性電極であることを特徴とする請
求項1または2記載の光電子放射面。
7. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein at least one of the internal anode and the internal cathode is an ohmic electrode.
【請求項8】 前記内部陽極の直前の前記半導体に、障
壁接合が設けられその高さを調整できる接合材料が選ば
れていることを特徴とする請求項1または2記載の光電
子放射面。
8. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein a barrier material is provided on the semiconductor immediately before the internal anode, and a bonding material is selected so that the height thereof can be adjusted.
【請求項9】 前記接合が、半導体のヘテロ接合により
構成されていることを特徴とする請求項8記載の光電子
放射面。
9. The photoelectron emitting surface according to claim 8, wherein the junction is formed of a semiconductor heterojunction.
【請求項10】 前記光照射手段による光が、前記半導
体のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも長
波長であることを特徴とする請求項1または2記載の光
電子放射面。
10. The photoelectron emission surface according to claim 1, wherein the light emitted by the light irradiation means has a wavelength longer than a wavelength corresponding to the bandgap energy of the semiconductor.
【請求項11】 前記光照射手段による光の照射と前記
放出手段による電子の放出とが、共に前記内部陽極にお
いてなされることを特徴とする請求項1または2記載の
光電子放射面。
11. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the irradiation of light by the light irradiation unit and the emission of electrons by the emission unit are both performed at the internal anode.
【請求項12】 前記放出手段による電子の放出が、前
記光照射手段による光の照射面とは異なる面でなされて
いることを特徴とする請求項1または2記載の光電子放
射面。
12. The photoelectron emission surface according to claim 1, wherein the emission of electrons by the emission means is performed on a surface different from the light irradiation surface of the light irradiation means.
【請求項13】 前記内部陽極の表面に、アルカリ金属
またはアルカリ金属の酸化物が堆積されていることを特
徴とする請求項1または2記載の光電子放射面。
13. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein an alkali metal or an oxide of an alkali metal is deposited on the surface of the internal anode.
【請求項14】 前記内部陽極が、前記光照射手段から
の光により正孔を生成させる第1の内部陽極と、その直
前に雪崩増倍領域を有して前記放出手段による電子放出
をさせる第2の内部陽極とを含んで構成されていること
を特徴とする請求項1または2記載の光電子放射面。
14. The first internal anode, wherein the internal anode generates holes by light from the light irradiating means, and an avalanche multiplication region immediately before the first internal anode, which causes electrons to be emitted by the emitting means. The photoelectron emitting surface according to claim 1 or 2, wherein the photoelectron emitting surface comprises two internal anodes.
【請求項15】 前記内部陽極と内部陰極との間が80
μm以下であることを特徴とする請求項1または2記載
の光電子放射面。
15. The space between the internal anode and the internal cathode is 80.
The photoelectron emission surface according to claim 1 or 2, wherein the photoelectron emission surface is not more than μm.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002013366A1 (en) * 2000-08-07 2002-02-14 Norio Akamatsu Solar ray energy conversion apparatus
JP2007080799A (en) * 2005-09-16 2007-03-29 Hamamatsu Photonics Kk Photo cathode and electron tube
JP2008546150A (en) * 2005-06-01 2008-12-18 インテヴァック インコーポレイテッド Photocathode structure and method of use

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