JPH07161287A - Photoelectron emitting surface and photomultipler using it - Google Patents

Photoelectron emitting surface and photomultipler using it

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JPH07161287A
JPH07161287A JP31175293A JP31175293A JPH07161287A JP H07161287 A JPH07161287 A JP H07161287A JP 31175293 A JP31175293 A JP 31175293A JP 31175293 A JP31175293 A JP 31175293A JP H07161287 A JPH07161287 A JP H07161287A
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JP
Japan
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layer
photoelectron
electron emission
bias voltage
electron
Prior art date
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Application number
JP31175293A
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Japanese (ja)
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Minoru Aragaki
実 新垣
Yoshihiko Mizushima
宜彦 水島
Toru Hirohata
徹 廣畑
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Publication of JPH07161287A publication Critical patent/JPH07161287A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a photoelectron emitting surface, where an electron can be emitted at low bias voltage, and a photomultiplier with high sensitivity further with low noise remarkably reducing a dark current. CONSTITUTION:In a condition that bias voltage is applied in a direction of accelerating a photoelectron through an electrode, when light hnu is incident from a side of an electron emitting layer 4, the incident light, permeating through the electron emitting layer 4 and an i-type intermediate layer 3, is absorbed by a light absorbing layer 2 to excite a photoelectron (e). This photoelectron (e) is accelerated by an electric field formed by applying the bias voltage, to reach an interface between the light absorbing layer 2 and the i-type intermediate layer 3. In an energy barrier generated in this interface, the width of the barrier is narrowed than before by the intensified internal electric field of the i-type intermediate layer 3, and since the photoelectron easily passes through this barrier by a tunnel effect, the photoelectron is emitted by applying the bias voltage far lower than before. When the bias voltage is decreased, the injecting of a hole is suppressed, and a dark current due to this hole is remarkably reduced.

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、光の入射によって光電
子を放出する光電子放出面およびそれを用いた光電子増
倍管に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectron emitting surface which emits photoelectrons upon incidence of light and a photomultiplier tube using the photoelectron emitting surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、p型III −V族化合物半導体のヘ
テロ積層構造にバイアス電圧を印加し、内部電界により
光電子を伝導帯のГ谷からL谷へ遷移させた後に外部へ
放出させる、いわゆる遷移電子型光電子放出面がUS.
PAT.3,958,143に開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a bias voltage is applied to a hetero-stack structure of a p-type III-V group compound semiconductor to cause photoelectrons to transition to the L valley from the valley of the conduction band by an internal electric field and then to be emitted to the outside. The transition electron type photoemissive surface is US.
PAT. 3,958,143.

【0003】これは、例えば図8に断面概略図を示すよ
うな、p+ InP基板1、p- InGaAsP光吸収層
2、p- InP電子放出層4、厚さ100Å以下のAg
薄膜ショットキ電極5から成る構造がよくしられてい
る。
This is because, for example, a p + InP substrate 1, a p InGaAsP light absorption layer 2, a p InP electron emission layer 4 and a Ag having a thickness of 100 Å or less, as shown in the schematic sectional view of FIG.
A structure composed of the thin film Schottky electrode 5 is well known.

【0004】この遷移電子型光電子放出面のバイアス電
圧が印加されていない場合のエネルギーバンド図を図9
に示す。この場合はp- InGaAsP光吸収層2で伝
導帯に励起された光電子eは、伝導帯のエネルギー障壁
によりp- InP電子放出層4の表面まで到達すること
はできない。
FIG. 9 is an energy band diagram when no bias voltage is applied to the transition electron type photoelectron emission surface.
Shown in. In this case, the photoelectrons e excited in the conduction band in the p InGaAsP light absorption layer 2 cannot reach the surface of the p InP electron emission layer 4 due to the energy barrier in the conduction band.

【0005】次に、前記光電子放出面において、適当な
バイアス電圧が印加され内部電界が形成された場合のエ
ネルギーバンド図を図10に示す。この場合には、図に
示すように、p- InGaAsP光吸収層2とp- In
P電子放出層4の間の伝導帯の不連続△Eが小さくな
る。したがってp- InGaAsP光吸収層2で伝導帯
に励起された光電子eはp- InP電子放出層4に移動
することができ、さらに半導体内部に形成された電界に
より加速され伝導帯のГ谷からL谷へ遷移された後に外
部へ放出される。
Next, FIG. 10 shows an energy band diagram in the case where an appropriate bias voltage is applied and an internal electric field is formed on the photoelectron emitting surface. In this case, as shown in the figure, the p -- InGaAsP light absorption layer 2 and the p -- In
The conduction band discontinuity ΔE between the P electron emission layers 4 becomes small. Therefore, the photoelectrons e excited in the conduction band in the p -- InGaAsP light absorption layer 2 can move to the p -- InP electron emission layer 4, and are further accelerated by the electric field formed inside the semiconductor to reach L from the valley of the conduction band. After transitioning to the valley, it is released to the outside.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造の遷移電子型光電子放出面では本質的にp-
nGaAsP光吸収層2とp- InP電子放出層4の界
面に伝導帯のエネルギー障壁△Eが存在し、かつその幅
dが光電子がトンネル効果で通過できない程度の厚さで
あるため、p- InGaAsP光吸収層2で励起された
光電子eはこの伝導帯の不連続を乗り越えるだけの電界
による加速が必要となる。
However, in the transition electron type photoelectron emission surface of such a structure, p - I is essentially present.
Since the conduction band energy barrier ΔE exists at the interface between the nGaAsP light absorption layer 2 and the p InP electron emission layer 4, and the width d is such that photoelectrons cannot pass through the tunnel effect, p InGaAsP The photoelectrons e excited in the light absorption layer 2 need to be accelerated by an electric field enough to overcome the discontinuity of the conduction band.

【0007】この構造の遷移電子型光電子放出面では、
光電子eがこの伝導帯の不連続を乗り越えてp- InP
電子放出層4に移動するためにある程度の高いバイアス
電圧が必要となり、この高いバイアス電圧によるショッ
トキ電極5からの正孔の漏れ電流に起因したダーク電流
の増加が大きな問題となっていた。
In the transition electron type photoelectron emission surface of this structure,
Photoelectron e overcomes this discontinuity in the conduction band and p - InP
A certain high bias voltage is required to move to the electron emission layer 4, and the increase in dark current due to the leakage current of holes from the Schottky electrode 5 due to this high bias voltage has been a serious problem.

【0008】ダーク電流を減少させるための光電子放出
面としては、光吸収層に電子の透過性を保ちながら価電
子帯内部に可能的最高限度のポテンシャル障壁を形成す
ることができる薄膜の付加層が形成されたものが特公昭
62−133633に開示されている。図11は、この
光電子放出面の構造と、そのバイアス電圧印加時のエネ
ルギーバンド図を示したものである。
As a photoelectron emission surface for reducing the dark current, an additional layer of a thin film capable of forming a potential barrier of the highest possible limit inside the valence band while maintaining electron permeability in the light absorption layer. What was formed is disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 62-133633. FIG. 11 shows the structure of this photoelectron emitting surface and the energy band diagram when the bias voltage is applied.

【0009】この図から明らかなように、この光電子放
出面は、窓層21側から光が入射し、電子放出層20側
から光電子が放出される、いわゆる透過型光電子放出面
である。しかし、光が電子放出層側から入射し、光電子
が電子放出層側に放出される、いわゆる反射型光電子放
出面でダーク電流を十分に減少させたものは、いまだ実
現されていなかった。
As is apparent from this figure, this photoelectron emission surface is a so-called transmissive photoelectron emission surface where light is incident from the window layer 21 side and photoelectrons are emitted from the electron emission layer 20 side. However, light which is incident from the electron emission layer side and photoelectrons are emitted to the electron emission layer side, that is, a so-called reflection type photoelectron emission surface in which the dark current is sufficiently reduced has not been realized yet.

【0010】本発明は、ダーク電流を十分に減少させた
反射型光電子放出面を実現するためになされたもので、
従来のものよりも低いバイアス電圧で電子を放出できる
光電子放出面を提供するとともに、光電子放出面からの
ダーク電流が著しく減少した高感度かつ低雑音の光電子
増倍管を提供することを目的とする。
The present invention has been made in order to realize a reflection type photoelectron emission surface in which the dark current is sufficiently reduced.
It is an object of the present invention to provide a photoelectron emitting surface capable of emitting electrons at a bias voltage lower than that of a conventional one, and to provide a highly sensitive and low noise photomultiplier tube in which dark current from the photoelectron emitting surface is significantly reduced. .

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光電子放出面は、III −V族化合物半導
体のヘテロ積層構造を有し、入射光を吸収して光電子を
励起する光電子放出面であって、(a)基板上に形成さ
れたエネルギーギャップの小さな光吸収層と、(b)光
吸収層の上面に積層され、光吸収層よりエネルギーギャ
ップが大きく、かつ高抵抗のi型中間層と、(c)i型
中間層の上面に積層された電子放出層と、(d)基板に
接する第1の電極と、(e)電子放出層に接する第2の
電極とを備え、入射光は電子放出層側から入射し、光電
子は電子放出層側に放出されることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the photoelectron emission surface of the present invention has a hetero-laminated structure of III-V group compound semiconductors and absorbs incident light to excite photoelectrons. The photoelectron emission surface is (a) a light absorption layer having a small energy gap formed on the substrate, and (b) is laminated on the upper surface of the light absorption layer, has a larger energy gap than the light absorption layer, and has a high resistance. An i-type intermediate layer, (c) an electron emission layer stacked on the upper surface of the i-type intermediate layer, (d) a first electrode in contact with the substrate, and (e) a second electrode in contact with the electron emission layer. It is characterized in that incident light enters from the electron emission layer side and photoelectrons are emitted to the electron emission layer side.

【0012】ここで、電子放出層は、厚さが100Å以
下のn型層であってもよい。
Here, the electron emission layer may be an n-type layer having a thickness of 100 Å or less.

【0013】また、電子放出層に接する第2の電極は、
電子放出層表面の少なくとも一部が露出するパターンに
形成され、入射光は電子放出層の露出面から入射し、光
電子は電子放出層の露出面から放出されてもよい。
The second electrode in contact with the electron emission layer is
At least a part of the surface of the electron emission layer may be formed to be exposed, incident light may enter from the exposed surface of the electron emission layer, and photoelectrons may be emitted from the exposed surface of the electron emission layer.

【0014】また、電子放出層に接する第2の電極は、
Al、Au、Ag、Mo、NiもしくはWの金属もしく
はシリサイドまたはそれらの合金から成ってもよい。
The second electrode in contact with the electron emission layer is
It may be made of a metal of Al, Au, Ag, Mo, Ni or W or a silicide or an alloy thereof.

【0015】また、上記の目的を達成するために、本発
明の光電子増倍管は、上記の光電子放出面を具備するこ
とを特徴としている。
In order to achieve the above object, the photomultiplier tube of the present invention is characterized by including the above-mentioned photoelectron emitting surface.

【0016】[0016]

【作用】第1および第2の電極を介して光電子を加速す
る方向にバイアス電圧が印加された状態で、本発明によ
る光電子放出面に電子放出層側から光が入射すると、入
射光は電子放出層とi型中間層を透過し、光吸収層で吸
収され、光電子を励起する。
When light is incident on the photoelectron emission surface according to the present invention from the electron emission layer side with a bias voltage applied in the direction of accelerating photoelectrons via the first and second electrodes, the incident light emits electrons. The light passes through the layer and the i-type intermediate layer, is absorbed by the light absorption layer, and excites photoelectrons.

【0017】一方、バイアス電圧の印加により、光電子
放出面には内部電界が形成され、表面付近の空乏化によ
りバンドの曲がりが生じるが、伝導帯の光吸収層とi型
中間層の界面にエネルギー障壁は存在している。
On the other hand, when a bias voltage is applied, an internal electric field is formed on the photoelectron emission surface, and band bending occurs due to depletion near the surface, but energy is generated at the interface between the light absorption layer in the conduction band and the i-type intermediate layer. Barriers exist.

【0018】励起された光電子は、バイアス電圧の印加
によって形成された電界により加速され、光吸収層とi
型中間層の界面に達する。この界面に存在するエネルギ
ー障壁は、i型中間層の強い内部電界により従来よりも
障壁の幅が狭まっているので、光電子はこの障壁をトン
ネル効果により容易に通過する。
The excited photoelectrons are accelerated by the electric field formed by the application of the bias voltage, and the photoabsorption layer and i
Reach the interface of the mold interlayer. Since the energy barrier existing at this interface has a narrower width than that of the conventional one due to the strong internal electric field of the i-type intermediate layer, photoelectrons easily pass through this barrier by the tunnel effect.

【0019】光吸収層とi型中間層の界面を通過した光
電子は、i型中間層と電子放出層の界面を横切り、伝導
帯のΓ谷の底からL谷の底へ遷移した後、電子放出層の
表面まで容易に到達し、外部へ放出される。
The photoelectrons that have passed through the interface between the light absorbing layer and the i-type intermediate layer cross the interface between the i-type intermediate layer and the electron-emitting layer, transition from the bottom of the Γ valley of the conduction band to the bottom of the L valley, and then the electrons. It easily reaches the surface of the release layer and is released to the outside.

【0020】光電子eは伝導帯のエネルギー障壁をトン
ネル効果により容易に通過するので、従来よりもはるか
に低いバイアス電圧の印加で光電子が放出される。そし
て、バイアス電圧を低くすると、バイアス電圧の印加に
よる正孔の注入が抑制され、この正孔に起因するダーク
電流が著しく減少する。
Since the photoelectrons e easily pass through the energy barrier of the conduction band due to the tunnel effect, the photoelectrons are emitted by applying a bias voltage much lower than the conventional one. Then, when the bias voltage is lowered, injection of holes due to application of the bias voltage is suppressed, and the dark current due to the holes is significantly reduced.

【0021】また、本発明による光電子放出面のうち、
極薄膜n型半導体層を電子放出層とするものでは、電子
放出層の内部電界強度が低いので、電子放出層に接する
電極からの正孔の注入がさらに抑制され、いっそうダー
ク電流が減少する。
Among the photoelectron emitting surfaces according to the present invention,
In the case of using the ultrathin n-type semiconductor layer as the electron emission layer, since the internal electric field strength of the electron emission layer is low, injection of holes from the electrode in contact with the electron emission layer is further suppressed, and the dark current is further reduced.

【0022】また、上記の光電子放出面を具備する光電
子増倍管は、ダーク電流が従来より大幅に減少しつつ作
動する。
Further, the photomultiplier tube having the above-mentioned photoelectron emitting surface operates while the dark current is greatly reduced as compared with the conventional one.

【0023】[0023]

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明の実施
例を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の
要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

【0024】本発明による光電子放出面の実施例の断面
概略図を図1に示す。この光電子放出面は、p+ 型In
P半導体基板1の上にp- InGaAsP光吸収層2、
その上に高抵抗のi型InP中間層3、その上にp-
nP電子放出層4がエピタキシャル成長されたIII −V
族化合物半導体へテロ積層構造を有する。さらに、電子
放出層4の上には、電子放出層4の表面の少なくとも一
部が露出するパターンに形成されたAlショットキ電極
5が形成され、p+ 型InP半導体基板1の下面にはA
uGeオーミック電極6が層状に形成されている。電子
放出層4の表面にはさらに仕事関数を低下させるために
アルカリ金属7としてCsが極く薄く塗布されている。
A schematic cross-sectional view of an embodiment of the photoelectron emitting surface according to the present invention is shown in FIG. This photoelectron emission surface is p + type In
A p InGaAsP light absorption layer 2 on the P semiconductor substrate 1,
A high resistance i-type InP intermediate layer 3 is formed thereon, and p I is formed thereon.
III-V with nP electron emission layer 4 epitaxially grown
It has a hetero-stacked structure of a group compound semiconductor. Further, an Al Schottky electrode 5 formed in a pattern in which at least a part of the surface of the electron emitting layer 4 is exposed is formed on the electron emitting layer 4, and an A Schottky electrode 5 is formed on the lower surface of the p + type InP semiconductor substrate 1.
The uGe ohmic electrode 6 is formed in layers. The surface of the electron emission layer 4 is coated with Cs as an alkali metal 7 in a very thin manner in order to further reduce the work function.

【0025】いま、適当なバイアス電圧が印加されたこ
の光電子放出面に、近赤外光hνがp- InP電子放出
層4の露出面から入射したとすると、近赤外光hνはp
- InP電子放出層4とi型InP中間層3を透過し、
- InGaAsP光吸収層2で吸収され、光電子eを
励起する。
Now, assuming that near infrared light hν enters the photoelectron emitting surface to which an appropriate bias voltage is applied from the exposed surface of the p InP electron emitting layer 4, the near infrared light hν is p
- through the InP electron emitting layer 4 and the i-type InP intermediate layer 3,
It is absorbed by the p InGaAsP light absorption layer 2 and excites the photoelectrons e.

【0026】光電子eはバイアス電圧の印加によって形
成された電界により加速され、p-InGaAsP光吸
収層2、i型InP中間層3、p- InP電子放出層4
の界面を横切り、伝導帯のΓ谷の底からL谷の底へ遷移
した後、p- InP電子放出層4の表面に到達する。
The photoelectrons e are accelerated by an electric field formed by applying a bias voltage, and the p InGaAsP light absorption layer 2, the i-type InP intermediate layer 3, and the p InP electron emission layer 4 are formed.
Of the conduction band, and after transitioning from the bottom of the Γ valley of the conduction band to the bottom of the L valley, the surface of the p InP electron emission layer 4 is reached.

【0027】p- InP電子放出層4の表面は適当なC
sの塗布により仕事関数が低下されており、到達した光
電子eは電子放出層4の露出面から容易に外部へ放出さ
れる。
The surface of the p - InP electron emission layer 4 has a suitable C
The work function is lowered by the application of s, and the reached photoelectrons e are easily emitted to the outside from the exposed surface of the electron emission layer 4.

【0028】すなわち、本実施例の光電子放出面は、入
射光が電子放出層4側から入射し、光電子が電子放出層
4側に放出される、いわゆる反射型光電子放出面となっ
ている。
That is, the photoelectron emission surface of this embodiment is a so-called reflection type photoelectron emission surface in which incident light is incident from the electron emission layer 4 side and photoelectrons are emitted to the electron emission layer 4 side.

【0029】そして、本実施例において特徴的な点は、
低いバイアス電圧であっても光電子eがp- InGaA
sP光吸収層2とi型InP中間層3の界面をトンネル
効果により通り抜けることである。
The characteristic point of this embodiment is that
Even if the bias voltage is low, the photoelectron e is p - InGaA
This is to pass through the interface between the sP light absorption layer 2 and the i-type InP intermediate layer 3 by the tunnel effect.

【0030】図2に本実施例の光電子放出面のバイアス
電圧が印加されていないときのエネルギーバンド図を示
す。p- InGaAsP光吸収層2とp- InP電子放
出層4の間にi型InP中間層3が導入されている。し
かしながら、このバイアス電圧を印加していない状態で
は、p- InGaAsP光吸収層2で励起された光電子
eは伝導帯の障壁によりp- InP電子放出層4の表面
まで到達することはできない。
FIG. 2 shows an energy band diagram when the bias voltage on the photoelectron emission surface of this embodiment is not applied. An i-type InP intermediate layer 3 is introduced between the p InGaAsP light absorption layer 2 and the p InP electron emission layer 4. However, in the state where this bias voltage is not applied, the photoelectrons e excited in the p InGaAsP light absorption layer 2 cannot reach the surface of the p InP electron emission layer 4 due to the conduction band barrier.

【0031】図3には本実施例の光電子放出面のバイア
ス電圧が印加されているときのエネルギーバンド図を示
す。バイアス電圧の印加により内部電界が形成され、表
面付近の空乏化によりバンドの曲がりが生じている。
FIG. 3 shows an energy band diagram when a bias voltage on the photoelectron emission surface of this embodiment is applied. An internal electric field is formed by applying a bias voltage, and band bending occurs due to depletion near the surface.

【0032】p- InGaAsP光吸収層2とp- In
P電子放出層4の間の伝導帯の不連続は、i型InP中
間層3の存在により図3に示すようになる。従来と同
様、伝導帯にエネルギー障壁が存在するが、InP中間
層3がi型であり、それゆえ強い内部電界を有するた
め、従来よりも障壁の幅dが狭まる。その結果、光電子
eは、バイアス電圧の大きさが従来と同程度であって
も、伝導帯のエネルギー障壁をトンネル効果によって容
易に通過できる。
P - InGaAsP light absorption layer 2 and p - In
The conduction band discontinuity between the P electron emission layers 4 is as shown in FIG. 3 due to the presence of the i-type InP intermediate layer 3. Although there is an energy barrier in the conduction band as in the conventional case, the width d of the barrier becomes narrower than in the conventional case because the InP intermediate layer 3 is i-type and therefore has a strong internal electric field. As a result, the photoelectrons e can easily pass through the energy barrier in the conduction band by the tunnel effect even if the magnitude of the bias voltage is about the same as the conventional one.

【0033】したがって、p- InGaAsP光吸収層
2で励起された光電子eはp- InP電子放出層4の表
面まで容易に到達することができる。ここで、伝導帯の
エネルギー障壁の幅は従来よりも狭まっているので、光
電子eの障壁通過に必要なバイアス電圧を従来よりもは
るかに低く設定することが可能である。このことは、バ
イアス電圧の印加によるショットキ電極5からの正孔の
注入を抑制して、この正孔に起因するダーク電流を著し
く減少させることになる。したがって、この種の遷移電
子型光電子放出面の最大の欠点であるダーク電流を低減
させることが可能である。
Therefore, the photoelectrons e excited in the p -- InGaAsP light absorption layer 2 can easily reach the surface of the p -- InP electron emission layer 4. Here, since the width of the energy barrier of the conduction band is narrower than in the conventional case, the bias voltage required for the photoelectrons e to pass through the barrier can be set to be much lower than in the conventional case. This suppresses the injection of holes from the Schottky electrode 5 due to the application of the bias voltage, and significantly reduces the dark current caused by the holes. Therefore, it is possible to reduce the dark current, which is the biggest drawback of this type of transition electron photoemissive surface.

【0034】もちろん、さらに伝導帯の界面のエネルギ
ー障壁△Eを小さくするために、i型InP中間層3を
InGaAsPからInPへなだらかに組成が変化する
ような傾斜組成層とすることが有効であることは容易に
想像できる。しかし、本質的なことは、中間層3が高抵
抗のi型半導体からなるため、光電子が伝導帯のエネル
ギー障壁をトンネル効果によって容易に通過でき、した
がって、バイアス電圧を低く設定できるので、光電子放
出面への正孔の注入を抑えることが可能なことである。
Of course, in order to further reduce the energy barrier ΔE at the interface of the conduction band, it is effective to use the i-type InP intermediate layer 3 as a graded composition layer in which the composition is gradually changed from InGaAsP to InP. It's easy to imagine. However, what is essential is that, since the intermediate layer 3 is composed of a high-resistance i-type semiconductor, photoelectrons can easily pass through the energy barrier of the conduction band by the tunnel effect, and thus the bias voltage can be set low, so that the photoelectron emission is reduced. That is, it is possible to suppress the injection of holes into the surface.

【0035】次に、本発明による第2の光電子放出面の
実施例の断面概略図を図4に示す。この光電子放出面
は、p+ 型InP半導体基板1の上にp- InGaAs
P光吸収層2、その上に高抵抗のi型InP中間層3、
その上に厚さ100Å以下のn型InP電子放出層8が
エピタキシャル成長されたIII −V族化合物半導体ヘテ
ロ積層構造を有する。さらに、電子放出層8の上には、
電子放出層8の少なくとも一部が露出するパターンに形
成されたAlショットキ電極5が形成され、p+型In
P半導体基板1の下面にはAuGeオーミック電極6が
層状に形成されている。電子放出層8の表面にはさらに
仕事関数を低下させるためにアルカリ金属7としてCs
が極く薄く塗布されている。
Next, FIG. 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of the second photoelectron emitting surface according to the present invention. This photoelectron emission surface is formed on the p + type InP semiconductor substrate 1 by p InGaAs.
P light absorption layer 2, high resistance i-type InP intermediate layer 3 thereon,
It has a III-V group compound semiconductor hetero layered structure in which an n-type InP electron emission layer 8 having a thickness of 100 Å or less is epitaxially grown thereon. Furthermore, on the electron emission layer 8,
The Al Schottky electrode 5 formed in a pattern in which at least a part of the electron emission layer 8 is exposed is formed, and p + type In
On the lower surface of the P semiconductor substrate 1, AuGe ohmic electrodes 6 are formed in layers. On the surface of the electron emission layer 8, Cs is used as an alkali metal 7 in order to further lower the work function.
Is applied very thinly.

【0036】いま、適当なバイアス電圧が印加されたこ
の光電子放出面に、近赤外光hνがp- InP電子放出
層4の露出面から入射したとすると、近赤外光hνはn
型InP電子放出層8とi型InP中間層3を透過し、
- InGaAsP光吸収層2で吸収され、光電子eを
励起する。光電子eはバイアス電圧の印加によって形成
された電界により加速され、p- InGaAsP光吸収
層2、i型InP中間層3の界面を横切り、伝導帯のΓ
谷の底からL谷の底へ遷移した後、n型InP電子放出
層8の表面に到達する。
Now, assuming that near infrared light hν enters the photoelectron emitting surface to which an appropriate bias voltage is applied from the exposed surface of the p InP electron emitting layer 4, the near infrared light hν is n.
Through the i-type InP electron emission layer 8 and the i-type InP intermediate layer 3,
It is absorbed by the p InGaAsP light absorption layer 2 and excites the photoelectrons e. The photoelectrons e are accelerated by the electric field formed by the application of the bias voltage, cross the interface between the p InGaAsP light absorption layer 2 and the i-type InP intermediate layer 3, and cross the conduction band Γ.
After transitioning from the bottom of the valley to the bottom of the L valley, the surface of the n-type InP electron emission layer 8 is reached.

【0037】n型InP電子放出層8の表面は適当なC
sの塗布により仕事関数が低下されており、到達した光
電子eはn型InP電子放出層8の露出面から容易に真
空中へ放出される。したがって明らかに、図4の光電子
放出面もいわゆる反射型光電子放出面である。
The surface of the n-type InP electron emission layer 8 has a suitable C
The work function is lowered by the application of s, and the reached photoelectrons e are easily emitted into the vacuum from the exposed surface of the n-type InP electron emission layer 8. Therefore, obviously, the photoelectron emission surface of FIG. 4 is also a so-called reflection type photoelectron emission surface.

【0038】図5に、本発明による光電子放出面のバイ
アス電圧が印加されていない時のエネルギーバンド図
を、また図6に、バイアス電圧印加時のエネルギーバン
ド図を示す。電子放出層がn型半導体であるため、Al
ショットキ電極5の近傍では、図6から明らかなように
内部電界の強度が低下している。したがって、ショット
キ電極5からの正孔の注入がさらに抑制される。この結
果、注入された正孔hの加速による衝突イオン化によっ
て生ずる電子を抑制して、正孔注入に起因したダーク電
流をいっそう減少させることが可能である。
FIG. 5 shows an energy band diagram when the bias voltage of the photoelectron emission surface according to the present invention is not applied, and FIG. 6 shows an energy band diagram when the bias voltage is applied. Since the electron emission layer is an n-type semiconductor, Al
In the vicinity of the Schottky electrode 5, the strength of the internal electric field is reduced as apparent from FIG. Therefore, the injection of holes from the Schottky electrode 5 is further suppressed. As a result, it is possible to suppress the electrons generated by the collisional ionization due to the acceleration of the injected holes h and further reduce the dark current due to the hole injection.

【0039】ところで、本発明の光電子放出面は反射型
であるが、これに対し、ダーク電流を減少させるための
透過型の光電子放出面として、光吸収層に電子の透過性
を保ちながら価電子帯内部に可能的最高限度のポテンシ
ャル障壁を形成することができる薄膜の付加層が形成さ
れたものが特公昭62−133633に開示されてい
る。図11は、この光電子放出面の構造と、そのバイア
ス電圧印加時のエネルギーバンド図を示したものであ
る。
By the way, the photoelectron emitting surface of the present invention is of a reflection type, whereas the photoelectron emitting surface of the present invention is a transmissive type photoelectron emitting surface for reducing the dark current, while the valence electrons are maintained in the photoabsorption layer while maintaining the electron transparency. Japanese Patent Publication No. 62-133633 discloses that a thin film additional layer capable of forming a potential barrier of the highest possible limit is formed inside the band. FIG. 11 shows the structure of this photoelectron emitting surface and the energy band diagram when the bias voltage is applied.

【0040】この図から明らかなように、この光電子放
出面において、光は窓層21側から入射し、光電子は電
子放出層20側に放出される。したがって、図11の光
電子放出面は、いわゆる透過型光電子放出面についての
発明であり、本発明のように入射光が電子放出層側から
入射し、光電子が電子放出層側に放出される、いわゆる
反射型光電子放出面とは本質的にその構造が異なるもの
である。
As is clear from this figure, on this photoelectron emission surface, light enters from the window layer 21 side and photoelectrons are emitted to the electron emission layer 20 side. Therefore, the photoelectron emission surface of FIG. 11 is an invention of a so-called transmissive photoelectron emission surface, in which incident light is incident from the electron emission layer side and photoelectrons are emitted to the electron emission layer side as in the present invention. The structure is essentially different from that of the reflective photoelectron emission surface.

【0041】さらに、図11の光電子放出面は、電極1
9から注入された正孔hの走行を抑制しようとするもの
であり、正孔hの注入そのものを抑制するものではない
点で、バイアス電圧を低く設定できるようにして光電子
放出面への正孔の注入を抑える本発明の光電子放出面と
本質的に異なる。
Further, the photoelectron emission surface of FIG.
It is intended to suppress the traveling of the holes h injected from the hole 9 and not to suppress the injection of the holes h itself. This is essentially different from the photoelectron emission surface of the present invention that suppresses the injection of hydrogen.

【0042】なお、本実施例ではInP/InGaAs
Pヘテロ構造を例に説明したが、光電子放出面の材料は
これに限るわけではなく、例えばUS.PAT.3,9
58,143に開示されているような材料すべてに適用
できることはもちろんである。また、ショットキ電極5
あるいはオーミック電極6にもちいる材料は実施例のも
のに限られる訳ではなく、AlまたはAuまたはAgま
たはMoまたはWまたはNiの金属またはシリサイドあ
るいはそれらの合金から成ってもよい。またこれらの電
極5及び6は、それぞれショットキ電極、オーミック電
極であることに限定されるものではなく、半導体のヘテ
ロ積層構造の内部に効果的に電界を形成できる作用を有
するものであれば構わないことはもちろんである。さら
にアルカリ金属7もCsに限られるものではないことは
もちろんである。なお、上記実施例でオーミック電極6
は、オーミック特性を有するようGeが添加されたAu
から構成されている。
In this embodiment, InP / InGaAs is used.
Although the P heterostructure has been described as an example, the material of the photoelectron emission surface is not limited to this, and it is described in US Pat. PAT. 3,9
Of course, it can be applied to all the materials as disclosed in 58,143. Also, the Schottky electrode 5
Alternatively, the material used for the ohmic electrode 6 is not limited to that of the embodiment, but may be made of a metal of Al, Au, Ag, Mo, W, or Ni, a silicide, or an alloy thereof. Further, these electrodes 5 and 6 are not limited to the Schottky electrode and the ohmic electrode, respectively, and any electrodes having an action capable of effectively forming an electric field inside the hetero-laminated structure of the semiconductor may be used. Of course. Further, it goes without saying that the alkali metal 7 is not limited to Cs. The ohmic electrode 6 in the above embodiment is used.
Is Au to which Ge is added so as to have ohmic characteristics.
It consists of

【0043】図7は、図1または図4の反射型光電子放
出面30を、サンドオン型の光電子増倍管へ応用した場
合の実施例の上面断面図である。なお、光電子放出面の
構造は前記図1または図4のものと同様であるので省略
した。
FIG. 7 is a top sectional view of an embodiment in which the reflection type photoelectron emitting surface 30 of FIG. 1 or 4 is applied to a sand-on type photomultiplier tube. The structure of the photoelectron emitting surface is the same as that shown in FIG.

【0044】ガラス製の側管9を通して光hνが本発明
による光電子放出面30に入射し、光電子eが矢印の方
向へ放出される。放出された光電子eは第1ダイノード
10へ入射し、入射した光電子eの2〜3倍程度の数の
2次電子が放出される。この2次電子はさらに第2ダイ
ノード11へ入射し同様に2〜3倍の2次電子を放出す
るので、これを繰り返すことにより最終的に陽極12で
は光電子放出面から放出された光電子eの106 倍程度
の光電流として検出され、非常に高感度な光検出が可能
となる。
Light hν is incident on the photoelectron emission surface 30 according to the present invention through the side tube 9 made of glass, and photoelectrons e are emitted in the direction of the arrow. The emitted photoelectrons e enter the first dynode 10, and secondary electrons are emitted in the number of about 2 to 3 times the number of incident photoelectrons e. The secondary electrons further enter the second dynode 11 and similarly emit 2-3 times as many secondary electrons. By repeating this, finally, in the anode 12, 10 of the photoelectrons e emitted from the photoelectron emitting surface are finally produced. It is detected as a photocurrent of about 6 times, which makes it possible to detect light with extremely high sensitivity.

【0045】ところで、この時に光電子放出面30のダ
ーク電流が多いとこれらも同様に増倍されて陽極12で
信号と混在して検出されることになり、結果としてS/
Nの低下を招くことになる。したがって、このような光
電子増倍管では光電子放出面30のダーク電流が多いこ
とは光検出器としては致命的な欠点となる。
At this time, if the dark current on the photoelectron emission surface 30 is large, these are also multiplied and detected at the anode 12 in a mixed manner with a signal, resulting in S /
This leads to a decrease in N. Therefore, in such a photomultiplier tube, the large dark current on the photoelectron emission surface 30 is a fatal defect as a photodetector.

【0046】本実施例で用いた図1または図4の光電子
放出面30は、前述したように、ダーク電流が従来のも
のに比較して大幅に減少しているので、本実施例の光電
子増倍管は高感度かつ低雑音という優れた特性を有して
いる。
The photoelectron emission surface 30 of FIG. 1 or FIG. 4 used in this embodiment has a dark current significantly reduced as compared with the conventional one as described above. The double tube has the excellent characteristics of high sensitivity and low noise.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上説明したように、本発明にる光電子
放出面は、光吸収層と電子放出層の間に高抵抗のi型中
間層が存在するため、伝導帯の不連続部分に強い内部電
界が発生し、光電子がトンネル効果によりエネルギー障
壁を通過できるので、従来よりも低いバイアス電圧で光
電子を放出させることが可能となる。したがって、バイ
アス電圧の印加によるダーク電流を著しく減少させるこ
とが可能である。
As described above, the photoelectron emission surface according to the present invention has a high resistance i-type intermediate layer between the photoabsorption layer and the electron emission layer, and is therefore resistant to the discontinuity of the conduction band. Since an internal electric field is generated and the photoelectrons can pass through the energy barrier due to the tunnel effect, it becomes possible to emit the photoelectrons with a bias voltage lower than the conventional one. Therefore, it is possible to significantly reduce the dark current due to the application of the bias voltage.

【0048】またさらに、電子放出層として厚さ100
Å以下のn型層を設けることにより、電子放出層に接す
る電極からの正孔の注入をさらに抑制できるので、ダー
ク電流をいっそう減少させることができる。
Furthermore, the electron emission layer has a thickness of 100.
By providing the n-type layer of Å or less, the injection of holes from the electrode in contact with the electron emission layer can be further suppressed, and thus the dark current can be further reduced.

【0049】これらの結果、本発明による光電子放出面
を用いることにより、光電子放出面からのダーク電流が
従来より著しく減少した高感度かつ低雑音の光電子増倍
管を実現することができる。
As a result, by using the photoelectron emitting surface according to the present invention, it is possible to realize a highly sensitive and low noise photomultiplier tube in which the dark current from the photoelectron emitting surface is significantly reduced as compared with the conventional one.

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

【図1】本発明による光電子放出面の実施例の断面概略
図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a photoelectron emitting surface according to the present invention.

【図2】図1の光電子放出面のバイアス電圧が印加され
ていないときのエネルギーバンド図である。
FIG. 2 is an energy band diagram when a bias voltage on the photoelectron emission surface of FIG. 1 is not applied.

【図3】図1の光電子放出面のバイアス電圧印加時のエ
ネルギーバンド図である。
3 is an energy band diagram when a bias voltage is applied to the photoelectron emission surface of FIG.

【図4】本発明による第2の光電子放出面の実施例の断
面概略図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a second photoelectron emission surface according to the present invention.

【図5】図4の光電子放出面のバイアス電圧が印加され
ていないときのエネルギーバンド図である。
5 is an energy band diagram when a bias voltage on the photoelectron emission surface of FIG. 4 is not applied.

【図6】図4の光電子放出面のバイアス電圧印加時のエ
ネルギーバンド図である。
6 is an energy band diagram when a bias voltage is applied to the photoelectron emission surface of FIG.

【図7】本発明による光電子放出面をサイドオン型の光
電子増倍管へ応用した実施例の上面断面図である。
FIG. 7 is a top sectional view of an example in which the photoelectron emission surface according to the present invention is applied to a side-on type photomultiplier tube.

【図8】従来の遷移電子型光電子放出面の断面概略図で
ある。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a conventional transition electron type photoelectron emission surface.

【図9】図8の光電子放出面のバイアス電圧が印加され
ていないときのエネルギーバンド図である。
9 is an energy band diagram when a bias voltage on the photoelectron emission surface of FIG. 8 is not applied.

【図10】図8の光電子放出面のバイアス電圧印加時の
エネルギーバンド図である。
10 is an energy band diagram when a bias voltage is applied to the photoelectron emission surface of FIG.

【図11】薄膜の付加層が形成された光電子放出面の断
面概略図およびこの光電子放出面のバイアス電圧印加時
のエネルギーバンド図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a photoelectron emission surface on which a thin film additional layer is formed and an energy band diagram when a bias voltage is applied to the photoelectron emission surface.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…p+ 型半導体基板、2…p- 型半導体光吸収層、3
…i型半導体中間層、4…p- 型半導体電子放出層、5
…ショットキ電極、6…オーミック電極、7…アルカリ
金属、8…n型半導体電子放出層、9…ガラス側管、1
0…第1ダイノード、11…第2ダイノード、12…陽
極、16、18…p+ 型光吸収層、17…付加層、19
…電極、20…放出層、21…窓層、30…光電子放出
面。
1 ... p + type semiconductor substrate, 2 ... p type semiconductor light absorption layer, 3
... i-type semiconductor intermediate layer, 4 ... p - type semiconductor electron emission layer, 5
... Schottky electrode, 6 ... ohmic electrode, 7 ... alkali metal, 8 ... n-type semiconductor electron emission layer, 9 ... glass side tube, 1
0 ... 1st dynode, 11 ... 2nd dynode, 12 ... Anode, 16, 18 ... P + type | mold light absorption layer, 17 ... Additional layer, 19
... electrode, 20 ... emission layer, 21 ... window layer, 30 ... photoelectron emission surface.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // H01L 31/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location // H01L 31/10

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 III −V族化合物半導体のヘテロ積層構
造を有し、入射光を吸収して光電子を励起する光電子放
出面において、 基板上に形成されたエネルギーギャップの小さな光吸収
層と、 前記光吸収層の上面に積層され、この光吸収層よりエネ
ルギーギャップが大きく、かつ高抵抗のi型中間層と、 前記i型中間層の上面に積層された電子放出層と、 前記基板に接する第1の電極と、 前記電子放出層に接する第2の電極とを備え、 前記入射光は前記電子放出層側から入射し、前記光電子
は前記電子放出層側に放出されることを特徴とする光電
子放出面。
1. A photoabsorption layer having a small energy gap formed on a substrate at a photoelectron emission surface that has a hetero-stack structure of a III-V group compound semiconductor and that absorbs incident light to excite photoelectrons. An i-type intermediate layer laminated on the upper surface of the light absorbing layer, having a larger energy gap than the light absorbing layer and having a high resistance; an electron emission layer laminated on the upper surface of the i type intermediate layer; One electrode and a second electrode in contact with the electron emission layer, wherein the incident light is incident from the electron emission layer side, and the photoelectrons are emitted to the electron emission layer side. Emission surface.
【請求項2】 前記電子放出層は、厚さが100Å以下
のn型層であることを特徴とする請求項1記載の光電子
放出面。
2. The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the electron emitting layer is an n-type layer having a thickness of 100 Å or less.
【請求項3】 前記電子放出層に接する前記第2の電極
は、前記電子放出層表面の少なくとも一部が露出するパ
ターンに形成され、前記入射光は前記電子放出層の露出
面から入射し、前記光電子は前記電子放出層の露出面か
ら放出されることを特徴とする請求項1記載の光電子放
出面。
3. The second electrode in contact with the electron emission layer is formed in a pattern in which at least a part of the surface of the electron emission layer is exposed, and the incident light enters from the exposed surface of the electron emission layer, The photoelectron emitting surface according to claim 1, wherein the photoelectrons are emitted from an exposed surface of the electron emitting layer.
【請求項4】 前記電子放出層に接する前記第2の電極
は、Al、Au、Ag、Mo、NiもしくはWの金属も
しくはシリサイドまたはそれらの合金から成ることを特
徴とする請求項3記載の光電子放出面。
4. The photoelectron according to claim 3, wherein the second electrode in contact with the electron emission layer is made of a metal of Al, Au, Ag, Mo, Ni or W, a silicide, or an alloy thereof. Emission surface.
【請求項5】 請求項1記載の光電子放出面を具備する
ことを特徴とする光電子増倍管。
5. A photomultiplier tube comprising the photoelectron emitting surface according to claim 1.
JP31175293A 1993-12-13 1993-12-13 Photoelectron emitting surface and photomultipler using it Pending JPH07161287A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007123176A (en) * 2005-10-31 2007-05-17 Hamamatsu Photonics Kk Photoelectric negative electrode

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