JPH065199A - Photoelectron emitting surface - Google Patents

Photoelectron emitting surface

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JPH065199A
JPH065199A JP16483592A JP16483592A JPH065199A JP H065199 A JPH065199 A JP H065199A JP 16483592 A JP16483592 A JP 16483592A JP 16483592 A JP16483592 A JP 16483592A JP H065199 A JPH065199 A JP H065199A
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JP
Japan
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light
semiconductor
internal
photoelectron
emitting surface
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JP16483592A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiko Mizushima
宜彦 水島
Toru Hirohata
徹 廣畑
Kazutoshi Nakajima
和利 中嶋
Takashi Iida
孝 飯田
Sadahisa Warashina
禎久 藁科
Kenichi Sugimoto
賢一 杉本
Tomoko Suzuki
智子 鈴木
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Hamamatsu Photonics KK
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

PURPOSE:To improve the sensitivity of photoelectron emission by sealing the light generated by the plasma emission in a constant area. CONSTITUTION:When the light hnu1 is irradiated to an internal positive electrode 21, a positive hole 41 is excited, and in the case where the optical energy thereof is higher than the potential barrier, the positive hole 41 is filled from the positive electrode 21 to a semi-conductor 11. Internal electrodes 21, 22 are biassed by a power source 31. A large quantity of electron and positive hole are generated by the doubling of electrical collapse, which is generated by the filling of the positive hole 41, and the positive holes 41 are carried in the negative electrode 22 direction. At this stage, the semi-conductor 11 is filled with electron 42 from the negative electrode 22 to restrict the generation of space electric charge to raise the density of carrier in the semiconductor 11, and electronic positive hole plasma exists in the electrical collapse doubling area, and the light emission hnu2 is observed. The light hnu2 is absorbed by the semi-conductor 11 again to generate the photoelectron 43. As a result, the electron 42, which is filled from the negative electrode 22 by the irradiation of the light hnu1, and the photoelectron 43 are synthesized on the positive electrode side surface of the semi-conductor 11 to double the electron.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は入射光に感応して電子を
真空中に放出する光電子放射面に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectron emitting surface which emits electrons into a vacuum in response to incident light.

【0002】[0002]

【従来の技術】既存の光電子放射面は、光照射により直
接発生した光電子を真空中へ放射することに考えの基本
がある。また、既存の光電子放射面は可視域以外にはほ
とんど感度を有しない。
2. Description of the Related Art The existing photoelectron emission surface is based on the idea of emitting photoelectrons directly generated by light irradiation into a vacuum. Moreover, the existing photoelectron emission surface has almost no sensitivity outside the visible range.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】光電子放射面を極微弱
光の検出などに応用するときには、その検出感度を高め
ることが重要である。しかし、従来の光電子放射面は、
これらの用途には未だ十分なものでなかった。本発明
は、かかる従来技術の問題点を、今までに全くない新し
い原理を導入することで解決するものである。
When the photoelectron emitting surface is applied to the detection of extremely weak light, it is important to increase its detection sensitivity. However, the conventional photoemissive surface is
It was not yet sufficient for these uses. The present invention solves the problems of the prior art by introducing a new principle that has never existed before.

【0004】すなわち、本発明の光電子放射面は、光照
射に感応し、キャリア電子を生成するばかりでなく、そ
のキャリア電子を増倍する仕組を内部に組込み、さらに
増倍により発生する電子正孔プラズマからの発光を吸収
することにより発生する新たな光電子を上記電子正孔プ
ラズマに参加させ、さらに増倍することにより、従来に
ない広い波長領域、特に赤外域の高い光感度を実現して
いる。つまり、フォトンリサイクルによる光電子放射感
度の向上を発明したもので、このような概念の基に発明
された光電子放射面は、従来は存在しない。
That is, the photoelectron emitting surface of the present invention is not only sensitive to light irradiation to generate carrier electrons, but also has a mechanism for multiplying the carrier electrons incorporated therein, and electron holes generated by the multiplication. New photoelectrons generated by absorbing the light emitted from the plasma participate in the electron-hole plasma, and by further multiplying it, we have realized an unprecedented wide wavelength range, especially high photosensitivity in the infrared range. . In other words, the invention has invented improvement of photoelectron emission sensitivity by photon recycling, and no photoelectron emission surface has been invented based on such a concept.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明に係る光電子放射
面は、キャリア濃度が1012cm-3以下の半導体に設定
された内部陰極および内部陽極からなる一対の内部電極
と、該内部電極間に電界を印加する手段と、半導体ある
いは内部電極に光を照射する光照射手段と、内部陰極か
らの電子注入を促進するための内部陰極手段と、電子正
孔プラズマから発生する光を吸収する光吸収手段と、こ
の光を有効に吸収させるために無駄な方向からは光を反
射するようにされた光学的構成と、プラズマ発光吸収に
より発生した光電子を上記電子正孔プラズマに参加さ
せ、電子を増倍してから真空中へ放射する放射手段と、
放射された光電子を捕獲するための外部陰極とを具えた
構造を有することを特徴とする。
A photoelectron emitting surface according to the present invention comprises a pair of internal electrodes consisting of an internal cathode and an internal anode set in a semiconductor having a carrier concentration of 10 12 cm -3 or less, and a space between the internal electrodes. Means for applying an electric field to the semiconductor, light irradiation means for irradiating the semiconductor or internal electrode with light, internal cathode means for promoting electron injection from the internal cathode, and light for absorbing light generated from electron-hole plasma. Absorbing means, an optical configuration for reflecting light from a useless direction in order to effectively absorb this light, and photoelectrons generated by plasma emission absorption are allowed to participate in the electron-hole plasma, and electrons are absorbed. A radiation means that radiates into a vacuum after multiplying,
It is characterized by having a structure with an external cathode for trapping emitted photoelectrons.

【0006】[0006]

【作用】本発明に係る光電子放射面は、これまでの光電
子放射面とは全く異なる考えに基づく。これまでの光電
子放射面は、光照射により発生した光電子そのものを、
真空中に放出することを実現したものであった。本発明
では、光照射により発生した光キャリアをきっかけに雪
崩増倍を発生させ、多量の電子正孔を発生させ、この多
量の電子を真空放射するだけでなく、この時に生じるプ
ラズマ発光を吸収し、この光吸収により発生する光キャ
リアをも電子正孔プラズマに参加させ、増倍し、真空放
射を行なうことにより、より高い感度をもつ光電子放射
面を実現した。つまり、プラズマ発光による光を一定領
域に閉じ込める構成を設け(例えば反射膜により)、フ
ォトンリサイクルによって光電子放射感度の向上を実現
したものである。
The photoelectron emitting surface according to the present invention is based on a completely different idea from the photoelectron emitting surfaces used so far. The photoelectron emission surface so far is the photoelectron itself generated by light irradiation,
It was realized to discharge in a vacuum. In the present invention, avalanche multiplication is caused by the photocarriers generated by light irradiation, a large amount of electron holes are generated, and not only this large amount of electrons are emitted in a vacuum, but also plasma emission generated at this time is absorbed. The photoelectron emission surface with higher sensitivity was realized by causing photocarriers generated by this light absorption to participate in electron-hole plasma, multiplying, and performing vacuum emission. In other words, a structure for confining light emitted by plasma emission in a certain region is provided (for example, by a reflection film), and photon recycling improves the photoelectron emission sensitivity.

【0007】[0007]

【実施例】以下、具体的な実施例を用いて本発明の説明
を行う。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to specific examples.

【0008】図1は、本発明の最も基本的構造をもつ光
電子放射面の実施例である。高抵抗半導体11 の板上に
内部陽極21 を構成し、半導体11 の残る一面に内部陰
極22 を構成している。内部陽極21 は光(hν1 )に
対して充分な透過率をもつように薄膜化されているか、
或いはメッシュ状に形成されている。内部陽極21 と半
導体11 の界面にはポテンシャル障壁が形成されてい
る。このポテンシャル障壁の高さは、半導体11 と内部
陽極21 との組合せにより異なるが、概ね半導体11
バンドギャップエネルギーの1/2ないし2/3であ
る。
FIG. 1 is an embodiment of a photoelectron emitting surface having the most basic structure of the present invention. The internal anode 2 1 is formed on the plate of the high resistance semiconductor 1 1 , and the internal cathode 2 2 is formed on the remaining surface of the semiconductor 1 1 . Is the internal anode 2 1 thinned so as to have a sufficient transmittance for light (hν 1 ),
Alternatively, it is formed in a mesh shape. A potential barrier is formed at the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 . The height of this potential barrier varies depending on the combination of the semiconductor 1 1 and the internal anode 2 1 , but is approximately 1/2 to 2/3 of the band gap energy of the semiconductor 1 1 .

【0009】図2のバンド図で作用を説明する。まず、
光(hν1 )を内部陽極21 に照射する。内部陽極21
では光(hν1 )により正孔41 が励起される。この励
起された正孔41 は、照射された光(nν1 )の光子エ
ネルギーと等しいエネルギーをもつため、光(hν1
の光子エネルギーが、先のポテンシャル障壁よりも高エ
ネルギーであれば、正孔41 は内部陽極21 から半導体
1 へ注入される。
The operation will be described with reference to the band diagram of FIG. First,
The internal anode 2 1 is irradiated with light (hν 1 ). Internal anode 2 1
Then, the hole 4 1 is excited by the light (hν 1 ). Since the excited holes 4 1 have the same energy as the photon energy of the irradiated light (nν 1 ), the light (hν 1 )
If the photon energy is higher than that of the potential barrier, holes 4 1 are injected from the internal anode 2 1 to the semiconductor 1 1 .

【0010】内部電極間21 、22 は電源31 により、
平均電界強度として0.5kV/cm以上2.5kV/
cm以下にバイアスされている。この時、自ずと内部陽
極21 の近傍へ電界の集中が生じており、内部陽極21
の近傍の電界強度は、雪崩閾値近くまで高められてい
る。この領域に正孔41 が注入されると、雪崩の閾値は
低下するため雪崩増倍が発生するようになる。この雪崩
閾値の低下は、アバランシインジェクションとして解釈
することができる。正孔41 の注入により発生した雪崩
増倍で、多量の電子、正孔が発生する。この正孔は内部
陰極22 方向に運ばれる。
Power between the internal electrodes 2 1 and 2 2 is controlled by the power supply 3 1 .
The average electric field strength is 0.5 kV / cm or more and 2.5 kV /
Biased below cm. In this case, the electric field concentration is caused naturally into the vicinity of the inner anode 2 1, internal anode 2 1
The electric field strength in the vicinity of is increased to near the avalanche threshold. When the holes 4 1 are injected into this region, the avalanche threshold is lowered and avalanche multiplication occurs. This decrease in the avalanche threshold can be interpreted as avalanche injection. In avalanche multiplication generated by the injection of holes 4 1, a large amount of electrons and holes occurs. The holes are transported within the cathode 2 in two directions.

【0011】この時、半導体11 中には、空間電荷の発
生を抑制しようとするため内部陰極22 から電子42
注入される。従って、半導体11 中のキャリア濃度は高
まり、内部陽極21 近傍の電界は更に高められ、雪崩増
倍は維持される。雪崩増倍領域に於いては、電子正孔プ
ラズマが存在し、発光(hν2 )が観測される。この発
光のスペクトルは、ホット電子のエネルギーに依存する
が、500nmから900nmにかけてのブロードなス
ペクトルをもつ。
At this time, electrons 4 2 are injected into the semiconductor 1 1 from the internal cathode 2 2 in order to suppress the generation of space charges. Therefore, the carrier concentration in the semiconductor 1 1 is increased, the electric field in the vicinity of the internal anode 2 1 is further increased, and the avalanche multiplication is maintained. In the avalanche multiplication region, electron-hole plasma is present and light emission (hν 2 ) is observed. The spectrum of this emission depends on the energy of hot electrons, but has a broad spectrum from 500 nm to 900 nm.

【0012】内部陽極21 近傍で発光した光(hν2
は、再び半導体11 に吸収され光電子43 を発生させ
る。この光電子も、電子増倍に与ることができ、さらに
増倍される。結果として、半導体11 の陽極側表面に
は、光(hν1 )の照射により陰極22 から注入された
電子42 と、発光(hν2 )の吸収により発生した光電
子43 とのそれぞれが合さり、さらに増倍された電子が
存在することになる。
Light emitted in the vicinity of the internal anode 2 1 (hν 2 )
Are again absorbed by the semiconductor 1 1 and generate photoelectrons 4 3 . This photoelectron can also participate in electron multiplication and is further multiplied. As a result, on the surface of the semiconductor 1 1 on the anode side, electrons 4 2 injected from the cathode 2 2 by irradiation with light (hν 1 ) and photoelectrons 4 3 generated by absorption of light emission (hν 2 ) are generated. Together, there will be more multiplied electrons.

【0013】図1に示すように、半導体11 の表面に
は、Cs等のアルカリ金属或いはアルカリ酸化物51
吸着しており、半導体11 の電子親和力を低下させてい
る。従って、これら多量の電子は、表面障壁を越えて真
空中に放射される。つまり半導体11 からの放出電子
は、この場合に外部陽極23 に捕獲され、電流計33
より検出される。以上が、本実施例の光電子放射面の基
本的な構成と動作機構である。
[0013] As shown in FIG. 1, the semiconductor 1 1 surface, and then an alkali metal or an alkaline oxide 5 1 adsorption of Cs, etc., and reduces the electron affinity of the semiconductor 1 1. Therefore, these large numbers of electrons are emitted into the vacuum across the surface barrier. That is, the electrons emitted from the semiconductor 1 1 are captured by the external anode 2 3 in this case and detected by the ammeter 3 3 . The above is the basic configuration and operating mechanism of the photoelectron emitting surface of the present embodiment.

【0014】本発明の光電子放射面の本質は、光照射で
発生したキャリアを増倍して放射するだけでなく、その
時に発生する電子正孔プラズマからの光を吸収すること
でさらにキャリアを増加させて、より高感度の光電子放
射面を実現することにある。従って、図1で示した実施
例の様に、電子プラズマ発光の制御を陽極からの正孔注
入とアバランシインジェクションの機構に限るものでは
ない。しかしこの場合には、とくに低電界領域で、しか
も容易な構造で実現できるために、応用としては極めて
魅力的な実現手段である。従って、以下の実施例では、
これら手段を用いたものに限って紹介する。
The essence of the photoelectron emission surface of the present invention is not only to multiply and emit the carriers generated by light irradiation, but also to absorb the light from the electron-hole plasma generated at that time to further increase the carriers. And to realize a more sensitive photoemissive surface. Therefore, unlike the embodiment shown in FIG. 1, the control of electron plasma emission is not limited to the mechanism of hole injection from the anode and avalanche injection. However, in this case, it can be realized particularly in a low electric field region and with a simple structure, so that it is a very attractive realization means for application. Therefore, in the following example,
Only those using these means will be introduced.

【0015】これらの構成で用いる内部陰極22 と内部
陽極21 とについて説明を行う。内部陰極22 は、内部
陽極21 から半導体11 への正孔注入や、半導体11
での雪崩増倍にともなう正孔の発生に対して、それが作
る空間電荷の発生を制御するために、電子42 が容易に
内部陽極21 から半導体11 へ注入されなければ成らな
い。従って、内部陰極22 はオーム性接合を取る材料が
適している。この様な材料には、AuGe/Ni/Au
やAuSn,AgInGe,NiGe等の合金が適して
いる。さらに、n型に高濃度ドーピングを行った半導体
層も、等価的なオーム性電極として用いることが出来
る。
The internal cathode 2 2 and the internal anode 2 1 used in these structures will be described. Internal cathode 2 2, hole injection and from the internal anode 2 1 to the semiconductor 1 1, the occurrence of holes due to avalanche multiplication in the semiconductor 1 within 1, controls the generation of the space charge it makes Therefore, the electrons 4 2 must be easily injected from the internal anode 2 1 into the semiconductor 1 1 . Therefore, the internal cathode 2 2 material taking the ohmic junction is suitable. Such materials include AuGe / Ni / Au
Alloys such as AuSn, AgInGe and NiGe are suitable. Furthermore, a semiconductor layer that is heavily n-doped can also be used as an equivalent ohmic electrode.

【0016】内部陽極21 は、正孔の光注入に対する仕
事関数を低下させるためには、ショットキー性の電極材
料が適する。例えば、Al,Au,W,WSi,Ti/
Pt/Au,Ti,Ni,Cr,SnO,InSnO等
である。光(hν1 )が照射されていない時の熱的な正
孔注入を抑制し、低雑音化を図るためには、逆にオーム
性材料を用いることも良い。積極的に薄膜のp型半導体
層を挿入してもよい。更には、バイアスにより正孔の注
入状態を制御できるように成されたpn接合か、ショッ
トキー接合等を用いることもできる。
For the internal anode 2 1 , a Schottky electrode material is suitable in order to reduce the work function of the hole for light injection. For example, Al, Au, W, WSi, Ti /
Pt / Au, Ti, Ni, Cr, SnO, InSnO and the like. On the contrary, in order to suppress the thermal injection of holes when the light (hν 1 ) is not irradiated and to reduce the noise, an ohmic material may be used in reverse. A thin p-type semiconductor layer may be positively inserted. Furthermore, it is also possible to use a pn junction, a Schottky junction, or the like, which can control the injection state of holes by bias.

【0017】内部陰極22 からの電子注入について、も
う一言だけ付け加えておく。これまでの説明では、内部
陰極22 からの電子注入は出来るだけ容易に生じるよう
に図ってきた。しかし、逆に、電子注入にブロッキング
をかけておき、必要によりブロッキングを解除すること
が考えられる。つまり、内部陰極22 をショットキー性
電極にしておく。この時、内部陽極21 のみならず、内
部陰極22 にも光を同時に照射し、内部陰極22 から半
導体11 への電子注入も光による内部光電子放射を利用
することである。この様にすることで、より低雑音化が
図られる。さらに、内部陽極21 に照射する光と内部陰
極22 に照射する光を別の光とすることで、これらの光
の論理的乗算演算の結果として、光電子放射電流を得る
ことが出来る。
[0017] For the electron injection from the internal cathode 2 2, it keeps adding only another word. In the above description, electron injection from the internal cathode 2 2 has been made as easy as possible. However, conversely, it is possible to block the electron injection and release the blocking if necessary. In other words, keep the internal cathode 2 2 a Schottky electrode. At this time, not only the internal anode 2 1 but also the internal cathode 2 2 is irradiated with light at the same time, and the electron injection from the internal cathode 2 2 to the semiconductor 1 1 is to utilize the internal photoelectron emission by light. By doing so, the noise can be further reduced. Furthermore, by making the light irradiating the internal anode 2 1 and the light irradiating the internal cathode 2 2 different lights, a photoelectron emission current can be obtained as a result of the logical multiplication operation of these lights.

【0018】図3の実施例は、これまでの実施例とは異
なり、光(hν1 )は内部陽極21へ直接照射されるの
ではなく、内部陽極21 を設けた面とは異なる半導体1
1 表面に照射するものである。照射光(hν1 )の波長
が、半導体11 のバンド端波長よりも長波長の光である
場合には、照射された光(hν1 )は容易に半導体11
を透過し、内部陽極21 と半導体11 の界面に到達す
る。その後の機構はこれまでに述べたのと同様である。
この様に、光(hν1 )の照射方法には、様々な変化を
もたせることが出来る。この時、陰極22 を介して光
(hν1 )の照射を行うのであれば、陰極22 は、光h
ν1 に対して充分な透過率をもつように成されていなけ
ればならない。
The embodiment of FIG. 3, unlike the previous embodiments, the light (hv 1), rather than being directly irradiated to the inside anode 2 1, a semiconductor which is different from the surface provided with the internal anode 2 1 1
1 Irradiates the surface. If the wavelength of the irradiation light (hν 1 ) is longer than the band edge wavelength of the semiconductor 1 1 , the irradiation light (hν 1 ) can be easily emitted from the semiconductor 1 1
To reach the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 . The mechanism after that is the same as described above.
As described above, the irradiation method of light (hν 1 ) can have various changes. At this time, if the irradiation is performed of the light (hv 1) via a cathode 2 2, the cathode 2 2, light h
It must be made to have sufficient transmittance for ν 1 .

【0019】図4の実施例は、内部陽極21 を設けた面
から光(hν1 )を照射する場合であるが、内部陽極2
1 が、図1や図3の実施例とは異なり、メッシュ電極状
にパターニングされている。照射光(hν1 )が半導体
1 のバンド端波長よりも短波長の光である場合には、
光は半導体11 の極く浅い表面で吸収されるため、光
(hν1 )は内部陽極21 周辺の半導体11 との界面に
しか照射されない。しかし、照射光(hν1 )の波長
が、,半導体11 のバンド端波長よりも長波長である場
合には、光(hν1 )は半導体11 を透過し、さらに内
部陰極22 で反射され、内部陽極21 と半導体11 の界
面に照射される。従って、内部陽極21 が薄膜でなくメ
ッシュ状になっていても、効率の良い光照射が可能とな
る。
In the embodiment shown in FIG. 4, light (hν 1 ) is irradiated from the surface on which the internal anode 2 1 is provided.
1 is patterned in the shape of a mesh electrode, unlike the embodiment shown in FIGS. When the irradiation light (hν 1 ) has a wavelength shorter than the band edge wavelength of the semiconductor 1 1 ,
Because the light is absorbed by the semiconductor 1 1 very shallow surface, the light (hv 1) is not irradiated only at the interface between the semiconductor 1 1 2 1 peripheral internal anode. However, when the wavelength of the irradiation light (hν 1 ) is longer than the band edge wavelength of the semiconductor 1 1 , the light (hν 1 ) passes through the semiconductor 1 1 and is reflected by the internal cathode 2 2 . Then, the interface between the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 1 is irradiated. Therefore, the internal anode 2 1 be made a mesh instead of a thin film, it is possible to efficiently light irradiation.

【0020】図5の構造は、光(hν1 )の照射を半導
体11 の基板側面から行った場合の例である。この場合
にも、光(hν1 )が半導体11 のバンド短波長よりも
長波長であれば、反射散乱を利用して充分に内部陽極2
1 と半導体11 の界面に光(hν1 )を照射できる。
The structure shown in FIG. 5 is an example of the case where irradiation of light (hν 1 ) is performed from the side surface of the semiconductor 1 1 substrate. In this case also, the light (hv 1) is a longer wavelength than the band short wavelength of the semiconductor 1 1, reflected scattered sufficiently inside the anode 2 by using
Light (hν 1 ) can be applied to the interface between 1 and the semiconductor 1 1 .

【0021】これまでに例示したように、光(hν1
の陽極21 への照射手段には、様々なバリエーションが
ある。その手法によっては、光(hν1 )の一部は半導
体11 から抜けだしてしまい、光(hν1 )の利用効率
が低下する場合がある。また、プラズマ光(hν2 )に
ついても、その捕獲効率を向上させることが望ましいこ
とは言うまでも無い。
As exemplified above, the light (hν 1 )
The irradiation means to the anode 2 1, there are various variations. By its approach, part of the light (hv 1) is would be out exit from the semiconductor 1 1, there is a case where the light use efficiency (hv 1) is reduced. Needless to say, it is desirable to improve the trapping efficiency of plasma light (hν 2 ).

【0022】図6の実施例では、限界波長をより長波長
側に延ばすための工夫として、内部陽極21 と半導体1
1 との間に、半導体11 に比べてより長波長にバンド端
波長がある半導体12 を挿入している。この様にするこ
とにより、内部陽極21 との間に形成されるポテンシャ
ル障壁は低下し、より長波長の光で正孔注入を行えるよ
うになる。
In the embodiment of FIG. 6, as a device for extending the limit wavelength to the longer wavelength side, the internal anode 2 1 and the semiconductor 1 are
Between 1, it is inserted semiconductor 1 2 there is a band edge wavelength in a longer wavelength than that of the semiconductor 1 1. By doing so, the potential barrier formed with the internal anode 2 1 is lowered, and it becomes possible to inject holes with light having a longer wavelength.

【0023】最後に、半導体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、雪崩の維持と雪崩にともなう発光が生じる。電荷の
中和には、ある程度の時間が必要であり、誘電緩和時間
と言われている。誘電緩和時間τはτ=εε0 /σで決
定される。ここにε、ε0 は半導体の比誘電率、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、半導体があま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。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
半導体のキャリア濃度は、概ね1012cm-3以下である
ことが望ましい。もう一つの応答速度の改善策として、
注入された正孔が内部陰極22 まで走行し、そこで消滅
する様に半導体11 の厚みを薄くする事が挙げられる。
この場合には、電荷中和は電極間の正孔の走行時間で完
了する為、応答が速くなる。この厚さとしては、おおむ
ね30μm以下である。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。半絶縁化された半導体の例としては、C
r:GaAS 、CrO:GaAs、V:GaAs、F
e:InP等が挙げられる。
Finally, the resistivity of the semiconductor will be touched upon. According to the mechanism of the photoelectron emitting surface of the present invention, holes are injected by light irradiation, and electrons are injected for neutralization of the holes, so that the avalanche is maintained and light emission is generated due to the avalanche. It takes a certain amount of time to neutralize the charge, which is called a dielectric relaxation time. The dielectric relaxation time τ is determined by τ = εε 0 / σ. Here, ε and ε 0 are the relative permittivity of the semiconductor and the permittivity of vacuum. Further, σ is the conductivity of the semiconductor. Therefore, when the semiconductor has too high resistance, the response speed of this photoelectron emitting surface becomes extremely slow. In addition, increasing the 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 used for the photoelectron emission surface of the present invention is preferably about 10 12 cm -3 or less. As another response speed improvement measure,
Injected holes travels to the inside cathode 2 2, where it is mentioned to thin the semiconductor 1 1 of thickness so as to disappear.
In this case, charge neutralization is completed within the transit time of holes between the electrodes, so that the response becomes faster. This thickness is approximately 30 μm or less. Apart from the problem of response speed,
The high-resistance semiconductor used in the present invention may be semi-insulated, and is not affected by the impurities contained for carrier compensation. An example of a semi-insulated semiconductor is C
r: GaA S , CrO: GaAs, V: GaAs, F
e: InP and the like can be mentioned.

【0024】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。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する光電子放
射面である。
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. Thus, the present invention is a completely different photoemissive surface from the previous one,
It is a photoelectron emitting surface that has a simple structure and is sensitive to long wavelengths.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によって光照射、特に赤外光照射
に対して、従来に無い高い光感度を有する光電子放射面
が実現できる。しかも構造が簡単である事、2次元分布
を保存できる事などに特徴がある。また、長波長領域に
於ける良好な光電子放射面が実現されていない現在、そ
の応用範囲は広い。
According to the present invention, a photoelectron emitting surface having unprecedentedly high photosensitivity to light irradiation, particularly infrared light irradiation, can be realized. Moreover, it is characterized by a simple structure and the ability to store a two-dimensional distribution. In addition, at present, a good photoelectron emission surface in the long wavelength region has not been realized, and its application range is wide.

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

【図1】光電子放射面の実施例の構造図。FIG. 1 is a structural diagram of an embodiment of a photoelectron emitting surface.

【図2】動作状態に於ける光電子放射面のエネルギーバ
ンド図。
FIG. 2 is an energy band diagram of a photoelectron emitting surface in an operating state.

【図3】光電子放射面の実施例の構造図。FIG. 3 is a structural diagram of an embodiment of a photoelectron emitting surface.

【図4】光電子放射面の実施例の構造図。FIG. 4 is a structural diagram of an example of a photoelectron emitting surface.

【図5】光電子放射面の実施例の構造図。FIG. 5 is a structural diagram of an embodiment of a photoelectron emitting surface.

【図6】光電子放射面の実施例の構造図。FIG. 6 is a structural diagram of an embodiment of a photoelectron emitting surface.

【符号の説明】 11 …高抵抗半導体、12 …半導体11 より小さなバン
ドギャップエネルギーを有する半導体、21 …内部陽
極、22 …内部陰極、23 …外部陽極、31 …半導体1
1 にバイアスを印加するための電源、32 …外部陽極へ
の電子捕獲の為のバイアス電源、33 …電流計、41
内部電極21 から注入された正孔、42 …内部陰極から
注入された光電子、43 …光hν2 により励起された光
電子、5…アルカリ、アルカリ酸化物層。
[Reference Numerals] 1 1 ... high-resistance semiconductor, 1 2 ... semiconductor having a smaller band gap energy than the semiconductor 1 1, 2 1 ... internal anode, 2 2 ... inside the cathode, 2 3 ... external anode, 3 1 ... semiconductor 1
Power supply for applying bias to 1 3 2 ... Bias power supply for trapping electrons to external anode 3 3 Ammeter 41 1
Holes injected from the internal electrode 2 1, 4 2 ... injected photoelectrons from the inner cathode, 4 3 ... excited photoelectrons by the light hv 2, 5 1 ... alkali, alkaline oxide layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 孝 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 藁科 禎久 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 杉本 賢一 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 鈴木 智子 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 Takashi Iida 1 1126, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Sadahisa Warashi 1 1126, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture Hamamatsu Photonics (72) Inventor Kenichi Sugimoto, 1126, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor, Tomoko Suzuki, 1126, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture 1 Hamamatsu Photonics Co., Ltd.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 キャリア濃度が1012cm-3以下の半導
体に設定された内部陰極および内部陽極からなる一対の
内部電極と、該内部電極間に電界を印加する手段と、前
記半導体あるいは前記内部電極に光を照射する光照射手
段と、 前記内部陰極からの電子注入を促進するための内部陰極
手段と、 電子正孔プラズマから発生する光を吸収する光吸収手段
と、 この光を有効に吸収させるために無駄な方向からは光を
反射するようにされた光学的構成と、 プラズマ発光吸収により発生した光電子を前記電子正孔
プラズマに参加させ、電子を増倍してから真空中へ放射
する放射手段と、 放射された光電子を捕獲するための外部陰極とを具えた
構造を有することを特徴とする光電子放射面。
1. A pair of internal electrodes consisting of an internal cathode and an internal anode set in a semiconductor having a carrier concentration of 10 12 cm −3 or less, a means for applying an electric field between the internal electrodes, the semiconductor or the internal Light irradiation means for irradiating the electrode with light, internal cathode means for promoting electron injection from the internal cathode, light absorption means for absorbing light generated from electron-hole plasma, and effective absorption of this light The optical structure is designed to reflect light from a useless direction so that photoelectrons generated by plasma emission absorption are allowed to participate in the electron-hole plasma, the electrons are multiplied, and then emitted into a vacuum. A photoelectron emitting surface having a structure comprising an emitting means and an external cathode for trapping emitted photoelectrons.
【請求項2】 前記光照射手段が、前記内部陽極と前記
半導体との界面及び、前記内部陰極と前記半導体の界面
との両界面に光を照射する様に構成されたことを特徴と
する請求項1記載の光電子放射面。
2. The light irradiating means is configured to irradiate light on both the interface between the internal anode and the semiconductor and the interface between the internal cathode and the semiconductor. Item 1. The photoelectron emitting surface according to item 1.
【請求項3】 前記半導体が半絶縁性半導体であること
を特徴とする請求項1ないし2のいずれかに記載の光電
子放射面。
3. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the semiconductor is a semi-insulating semiconductor.
【請求項4】 前記内部電極間に印加する電界の平均電
界強度が、0.5kV/cm以上2.5kV/cm以下
であることを特徴とする請求項1ないし2のいずれかに
記載の光電子放射面。
4. The photoelectron according to claim 1, wherein an average electric field strength of an electric field applied between the internal electrodes is 0.5 kV / cm or more and 2.5 kV / cm or less. Radiating surface.
【請求項5】 前記半導体が、GaAsあるいはIn
P、及びこれらの混晶系半導体であることを特徴とする
請求項1ないし2のいずれかに記載の光電子放射面。
5. The semiconductor is GaAs or In
The photoelectron emitting surface according to claim 1, which is P or a mixed crystal semiconductor thereof.
【請求項6】 前記内部陰極または内部陽極の少なくと
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
ないし2にいずれかに記載の光電子放射面。
6. The at least one of the internal cathode and the internal anode is an ohmic electrode.
2. The photoelectron emitting surface according to any one of 1 to 2.
【請求項7】 前記内部陽極の直前にpn接合を持つよ
うに構成されたことを特徴とする請求項1ないし2のい
ずれかに記載の光電子放射面。
7. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the photoelectron emitting surface is configured to have a pn junction immediately before the internal anode.
【請求項8】 前記pn接合がヘテロ接合によりなされ
たことを特徴とする請求項7記載の光電子放射面。
8. The photoelectron emitting surface according to claim 7, wherein the pn junction is formed by a heterojunction.
【請求項9】 前記光照射手段からの光が、前記半導体
のバンド端波長よりも長波長光であることを特徴とする
請求項1ないし2のいずれかに記載の光電子放射面。
9. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the light from the light irradiating means is light having a wavelength longer than the band edge wavelength of the semiconductor.
【請求項10】 前記放射手段としての外部陰極と、前
記内部陽極とが同一電極であることを特徴とする請求項
1ないし2のいずれかに記載の光電子放射面。
10. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the external cathode as the emitting means and the internal anode are the same electrode.
【請求項11】 前記光照射手段による光の照射と、前
記放射手段による電子の放射とが前記半導体の同一の面
内で行なわれることを特徴とする請求項1ないし2のい
ずれかに記載の光電子放射面。
11. The method according to claim 1, wherein the irradiation of light by the light irradiation unit and the emission of electrons by the emission unit are performed in the same plane of the semiconductor. Photoemission surface.
【請求項12】 前記光照射手段による光の照射と、前
記光電子放射手段による電子の放射とが前記半導体の異
なる面内で行なわれることを特徴とする請求項1ないし
2のいずれかに記載の光電子放射面。
12. The light irradiation by the light irradiation means and the emission of electrons by the photoelectron emission means are performed in different planes of the semiconductor. Photoemission surface.
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