JPH07245057A - Semiconductor photo-electric cathode - Google Patents

Semiconductor photo-electric cathode

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Publication number
JPH07245057A
JPH07245057A JP3240794A JP3240794A JPH07245057A JP H07245057 A JPH07245057 A JP H07245057A JP 3240794 A JP3240794 A JP 3240794A JP 3240794 A JP3240794 A JP 3240794A JP H07245057 A JPH07245057 A JP H07245057A
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JP
Japan
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layer
graded
light absorption
gaas
electron transfer
Prior art date
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Pending
Application number
JP3240794A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tokuaki Futahashi
得明 二橋
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Publication of JPH07245057A publication Critical patent/JPH07245057A/en
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  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)

Abstract

PURPOSE:To reduce noise and dark current. CONSTITUTION:This cathode is provided with a light absorbing layer 110 generating a photoelectron by incident light, and electron transfer layers 130a and 130b making heterojunction with the light absorbing layer 110, and by an outside bias applied from electrodes 122 and 142, formed on the emission surface side on the electron transfer layers 130a, 130b, photoelectrons are transferred in the layers 130a, 130b, and are emitted from the emission surface 150. These electron transfer layers 130a, 130b of a semiconductor photo-electric cathode are composed by including a first graded layer 132 composed so as to become larger when the band gap thereof recedes from the light absorbing layer 110 and a second graded layer 134 formed on the upper side of the first graded layer 132 and composed so as to become smaller when the band gap nears the emission surface 150.

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、半導体光電陰極に属
し、かつ光電陰極内部に電界を形成する光電陰極の構造
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a photocathode which belongs to a semiconductor photocathode and forms an electric field inside the photocathode.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体光電陰極は、外部バイアス電圧に
より半導体内部に電界を形成し、光電子を放出面まで移
送させて真空中に放出させるためのものであり、この光
電陰極の例としては米国特許3958143号(文献
1)や「特開昭62−133633」がある。この光電
陰極はTE光電陰極と呼ばれ、その機構についてはいく
つかの文献(例えば、文献2「Semicond.Sci.Technol.4
(1989)498-499 」)で示されている通りである。
2. Description of the Related Art A semiconductor photocathode is used to form an electric field inside a semiconductor by an external bias voltage to transfer photoelectrons to a discharge surface and discharge them into a vacuum. An example of this photocathode is US Pat. There are 3958143 (reference 1) and "JP-A-62-133633". This photocathode is called a TE photocathode, and its mechanism is described in several documents (for example, Document 2 “Semicond.Sci.Technol. 4”).
(1989) 498-499 ").

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】この種の光電面の最大
の欠点の1つは光電陰極の暗電流が大きい事である。例
えば、InGaAs(光吸収層)/InP系(電子移送
層)を用いた光電陰極の暗電流の実験値は、室温におい
て外部バイアス電圧3.0Vとした場合でId〜10
-12 A/cm2 程度であり、バイアス電圧5.0Vとし
た場合はこれが急増し〜10-7A/cm2 になる。この
光電陰極をPMT(フォトマルチプライア管)あるいは
II(イメージインテンシファイア管)等に導入した場
合、その増倍機能から著しく大きな暗電流を示すことと
なる。そのため実用上大きな問題になる。
One of the biggest drawbacks of this type of photocathode is the large dark current of the photocathode. For example, the experimental value of the dark current of the photocathode using InGaAs (light absorption layer) / InP system (electron transfer layer) is Id to 10 when the external bias voltage is 3.0 V at room temperature.
It is about -12 A / cm 2 , and when the bias voltage is 5.0 V, this sharply increases to 10 -7 A / cm 2 . When this photocathode is introduced into a PMT (photomultiplier tube) or II (image intensifier tube), etc., a remarkably large dark current is exhibited due to its multiplication function. Therefore, it becomes a big problem in practical use.

【0004】この光電陰極の暗電流はその電流源として
2つの成分が考えられる。その1つは光吸収層からの熱
電子の放出に起因する拡散成分である。光吸収層は、一
般に長波長により感度を有するようにするために、光電
陰極にバンドギャップの小さい材料を選択する傾向があ
る。しかし、この拡散成分Idと温度Tの関係は、「I
d〜exp(−Eg/kT)」で示される様に、そのバ
ンドギャップEgと動作温度Tに対して対数的に変化す
る。そのため光電陰極にバンドギャップの小さい材料を
用いると熱電子を増加させることとなる。そこで、やむ
得ず光電陰極を低温で動作させることによって、暗電流
の増加を押さえることとなる。
The dark current of the photocathode may have two components as its current source. One of them is a diffusion component caused by emission of thermoelectrons from the light absorption layer. The light absorption layer generally tends to select a material having a small band gap for the photocathode in order to make it more sensitive to long wavelengths. However, the relationship between the diffusion component Id and the temperature T is "I
As shown by "d-exp (-Eg / kT)", the band gap Eg and the operating temperature T change logarithmically. Therefore, if a material with a small band gap is used for the photocathode, the number of thermoelectrons will increase. Therefore, it is unavoidable to operate the photocathode at a low temperature to suppress an increase in dark current.

【0005】暗電流源のもう一つの成分は、表面ショッ
トキー電極から電子移送層への正孔の注入によるアバラ
ンシェ増倍に起因する成分である。即ち、正孔が格子と
衝突してイオン化し、正孔−電子を発生させるためであ
る。この電界成分は、温度に対しては弱い依存性しか持
たないが、外部バイアス電圧に対して強い依存性を持
つ。この成分I'dと外部バイアス電圧の関係は、電子移
送層での最大の電界強度Emax を用いて「I'd〜Aex
p[−(b/Emax m ]」で示される(文献「Physic
s and Properties of Semiconductors-A Resume. 6 Pho
ton Spectra and Properties of Semiconductors」)。
即ち、電界成分I'dは、外部バイアス電圧VB に対して
「Emax 〜(VB 1/2 」の依存性をもつ。この式は実
験結果をよく説明することが出来る。このことから、光
電陰極の表面障壁を外部バイアス電圧により低下させる
ことは、電子の脱出確率を向上させて感度を上げ得るの
であるが、暗電流の電界成分を増加させることになる。
このように、感度を上げることと暗電流の電界成分とは
トレードオフの関係にある。
Another component of the dark current source is a component caused by avalanche multiplication by injecting holes from the surface Schottky electrode into the electron transport layer. That is, the holes collide with the lattice and are ionized to generate holes-electrons. This electric field component has only a weak dependence on the temperature, but has a strong dependence on the external bias voltage. The relationship between the component I ′d and the external bias voltage is “I′d˜Aex” using the maximum electric field strength E max in the electron transport layer.
p [− (b / E max ) m ] ”(reference“ Physic
s and Properties of Semiconductors-A Resume. 6 Pho
ton Spectra and Properties of Semiconductors ").
That is, the electric field component I ′d has a dependency of “E max ˜ (V B ) ½ ” on the external bias voltage V B. This equation can explain the experimental results well. Therefore, lowering the surface barrier of the photocathode by the external bias voltage can improve the escape probability of electrons and increase the sensitivity, but it increases the electric field component of the dark current.
Thus, there is a trade-off relationship between increasing the sensitivity and the electric field component of the dark current.

【0006】そこで、本発明の目的は、光電面感度を下
げることなく暗電流の電界成分を低下させることにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to reduce the electric field component of dark current without lowering the photocathode sensitivity.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体光電陰極は、入射光により光電子を
発生する光吸収層と、この光吸収層とヘテロ接合をなす
電子移送層とを有し、電子移送層上の放出面側に形成さ
れた電極から印加された外部バイアスにより光電子を電
子移送層中を移送させて放出面から放出する半導体光電
陰極であって、電子移送層は、そのバンドギャップが光
吸収層から離れると大きくなるように組成された第1の
グレーデッド層と、この第1のグレーデッド層の上方に
形成され、そのバンドギャップが放出面に近付くと小さ
くなるように組成された第2のグレーデッド層とを含ん
で構成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a semiconductor photocathode of the present invention comprises a photoabsorption layer which generates photoelectrons by incident light, and an electron transport layer which forms a heterojunction with the photoabsorption layer. A semiconductor photocathode that has photoelectrons transferred in the electron transfer layer and emitted from the emission surface by an external bias applied from an electrode formed on the emission surface side on the electron transfer layer, the electron transfer layer comprising: , A first graded layer whose composition is such that its bandgap increases with distance from the light absorption layer, and it is formed above this first graded layer, and decreases with the bandgap approaching the emission surface. And a second graded layer having the above composition.

【0008】第1及び第2のグレーデッド層の間には、
電子移送層内で最大のバンドギャップを持つ層が形成さ
れていてもよい。
Between the first and second graded layers,
A layer having a maximum band gap in the electron transport layer may be formed.

【0009】光吸収層は、GaAs基板上にGeを積層
して形成され、第1のグレーデッド層は、AlAsが光
吸収層から離れると大きくなるように組成されたGaA
sとAlAsとの混晶層で形成され、第2のグレーデッ
ド層は、AlAsが放出面に近付くと小さくなるように
組成されたGaAsとAlAsとの混晶層で形成されて
いることを特徴としても良い。そして、第1及び第2の
グレーデッド層の間には、AlAs層が形成されている
ことを特徴としても良い。光吸収層と第1のグレーデッ
ド層との間に、光吸収層側にGeがドープされ、第1の
グレーデッド層側が真性となっているGaAs層がさら
に形成されていることを特徴としても良い。
The light absorption layer is formed by stacking Ge on a GaAs substrate, and the first graded layer is composed of GaA composed so that AlAs becomes larger as the distance from the light absorption layer increases.
The second graded layer is formed of a mixed crystal layer of s and AlAs, and the second graded layer is formed of a mixed crystal layer of GaAs and AlAs that is made smaller as AlAs approaches the emission surface. Also good. An AlAs layer may be formed between the first and second graded layers. It is also characterized in that a GaAs layer is further formed between the light absorbing layer and the first graded layer, the light absorbing layer side being doped with Ge, and the first graded layer side being intrinsic. good.

【0010】[0010]

【作用】本発明では、電子移送層に上記グレーデッド層
が形成されていることから、電子移送層を走行する光電
子は、ホットな状態であるとしても伝導帯の底に対して
低いポテンシャルレベルになっている。又、表面電極か
ら正孔の電子移送層、への注入を阻止する。したがっ
て、正孔や電子に起因するアバランシェ増倍が起こりに
くいものになる。
In the present invention, since the graded layer is formed in the electron transport layer, the photoelectrons traveling in the electron transport layer have a low potential level with respect to the bottom of the conduction band even in a hot state. Has become. It also prevents injection of holes from the surface electrode into the electron transport layer. Therefore, avalanche multiplication due to holes and electrons is unlikely to occur.

【0011】[0011]

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
この実施例は、基板にGaAs、光吸収層にp+ Ge、
電子移送層にAlAs/GaAs及びこれらの混晶を用
いた例であり、図1(a)は、その断面構造を示したも
のである。この半導体光電陰極は、基板上に光吸収層1
10及び電子移送層(符号131〜135)が順次形成
され、また、電子移送層上にはショットキ電極141
と、全面にCsO膜150とが形成され、電極パッド1
22及び電極パッド142から外部よりバイアス電圧を
与え得るようになっている。なお、基板については図で
は省略されている(図の左側になる)。この光電陰極
は、次のようにして作製できる。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In this example, the substrate is GaAs, the light absorption layer is p + Ge,
This is an example in which AlAs / GaAs and a mixed crystal thereof are used for the electron transport layer, and FIG. 1A shows the cross-sectional structure thereof. This semiconductor photocathode has a light absorption layer 1 on a substrate.
10 and an electron transport layer (reference numerals 131 to 135) are sequentially formed, and a Schottky electrode 141 is formed on the electron transport layer.
And the CsO film 150 is formed on the entire surface of the electrode pad 1
Bias voltage can be applied from the outside through the electrode 22 and the electrode pad 142. The substrate is omitted in the figure (on the left side of the figure). This photocathode can be manufactured as follows.

【0012】まず、p型GaAs半導体基板上にGe光
吸収層110をエピタキシャル成長法で形成する。ドー
パントにZnを用いてドーピング濃度〜1018cm-3
度でよい。この膜厚は、光吸収層での電子拡散長で決め
られる厚さが適当で、例えば、1〜3μm程度である。
First, the Ge light absorption layer 110 is formed on the p-type GaAs semiconductor substrate by the epitaxial growth method. Zn may be used as a dopant and the doping concentration may be about 10 18 cm −3 . This film thickness is appropriately determined by the electron diffusion length in the light absorption layer, and is, for example, about 1 to 3 μm.

【0013】次に、電子移送層を形成する。電子移送層
に、まずGaAs層131を成長する(光吸収層110
とGaAs層131との界面は、段階的なポテンシャル
を持つようなものでよい)。界面の伝導帯上の不連続性
を小さくするために、例えばGeを〜1017cm-3程度
ドープしてn- GaAs層を形成した後、真性(「i」
と略す)GaAs層を1μm成長する。こうして、光吸
収層110と電子移送層130aとの界面で伝導帯のポ
テンシャルレベルが電子に対して障壁を形成しないよう
な構成にしている。
Next, an electron transport layer is formed. First, the GaAs layer 131 is grown on the electron transport layer (the light absorption layer 110).
The interface between and the GaAs layer 131 may have a stepwise potential). In order to reduce the discontinuity on the conduction band at the interface, for example, Ge is doped at about 10 17 cm −3 to form an n GaAs layer, and then the intrinsic (“i”)
Abbreviated) GaAs layer is grown to 1 μm. Thus, the potential level of the conduction band does not form a barrier against electrons at the interface between the light absorption layer 110 and the electron transfer layer 130a.

【0014】次に、AlAs及びGaAsの組成を徐々
に変化させながらAlAsの組成が大きくなるようにグ
レーデッド層132を形成する。グレーデッド層132
の形成はエピタキシャル成長法として、MBEや気相成
長法あるいはMOMBE法等を用い、III 族系原料の供
給を連続的に制御することで、良好なグレーデッド層を
形成させることができる。この層132の厚さとして
は、例えば、0.5μm程度でよい。
Next, the graded layer 132 is formed so that the composition of AlAs is increased while gradually changing the composition of AlAs and GaAs. Graded layer 132
As the epitaxial growth method, MBE, vapor phase growth method, MOMBE method, or the like is used for the formation of the above, and a good graded layer can be formed by continuously controlling the supply of the group III raw material. The layer 132 may have a thickness of, for example, about 0.5 μm.

【0015】そして、電子移送層中最大のバンドギャッ
プを与えるAlAs層133を約1μm成長させる。A
lAs層133の成長後、徐々にGaAsが増加するよ
うにAlAs及びGaAsの組成が変化するグレーデッ
ド層134を形成する。層134の厚さは、例えば0.
5μmでよい。次に、GaAs層135を半導体結晶の
最表面に形成する。GaAs層135の厚さは0.1μ
m以下でよい。なお、電子移送層のうち層132〜13
5はいずれもi〜p- 型になるようなドーピングレベル
(1017cm-3程度以下)でよい。
Then, the AlAs layer 133 which gives the maximum band gap in the electron transport layer is grown to about 1 μm. A
After the growth of the 1As layer 133, a graded layer 134 in which the composition of AlAs and GaAs changes so that GaAs gradually increases is formed. The thickness of the layer 134 is, for example, 0.
5 μm is sufficient. Next, the GaAs layer 135 is formed on the outermost surface of the semiconductor crystal. The thickness of the GaAs layer 135 is 0.1 μ
It may be m or less. In addition, layers 132 to 13 of the electron transport layer
5 may have a doping level (about 10 17 cm −3 or less) so that each of them has an i-p type.

【0016】電子移送層132の表面に、表面ショット
キー電極141を真空蒸着法などで形成する。電極14
1を全面に薄く形成する場合には電極材料としてAgな
どが用いやすく、網目格子状に形成する場合には電極材
料としてAl等の金属も使いやすい。表面ショットキー
電極141表面の一部には、バイアス電圧VB を印加す
るためのリード線を取り付けるための表面ショットキ電
極パッド142を形成する。又、光吸収層110にもバ
イアス印加電極122を形成する。この材料としてはA
uGe等を用い得る。電極122については、基板に形
成するようにしても同等である。この様にウェハを加工
した後、真空中において表面清浄化処理の後Csを蒸着
しO2 を吸着させるのを繰り返して仕事関数低下のため
の処理を行ない、電子放出用活性層150を形成する。
A surface Schottky electrode 141 is formed on the surface of the electron transport layer 132 by a vacuum deposition method or the like. Electrode 14
When 1 is thinly formed on the entire surface, Ag or the like is easily used as an electrode material, and when it is formed in a mesh lattice shape, a metal such as Al is easily used as an electrode material. A surface Schottky electrode pad 142 for attaching a lead wire for applying a bias voltage V B is formed on a part of the surface of the surface Schottky electrode 141. Further, the bias applying electrode 122 is also formed on the light absorption layer 110. A for this material
uGe or the like may be used. The electrodes 122 are equivalent when formed on the substrate. After the wafer is processed in this manner, the surface cleaning treatment is performed in a vacuum, Cs is vapor-deposited, and O 2 is adsorbed repeatedly to perform the work function lowering treatment to form the active layer 150 for electron emission. .

【0017】各半導体層は一般的かつ取り扱いやすい材
料で形成され、また、最表面のGaAs層135上に
は、従来と同じ製造法によって信頼性の高いショットキ
ーバリアを形成するショットキー電極141を形成する
ことが出来る。また、半導体の組成から明らかなよう
に、各層の格子定数の整合性が良好な秀れた素子を容易
に作製することができる。
Each semiconductor layer is made of a general and easy-to-handle material, and a Schottky electrode 141 for forming a highly reliable Schottky barrier by the same manufacturing method as the conventional one is formed on the outermost GaAs layer 135. Can be formed. Further, as is clear from the composition of the semiconductor, it is possible to easily manufacture an excellent device in which the lattice constants of the respective layers are well matched.

【0018】電子移送層は、ヘテロジャンクション構造
で形成されており、電子移送層は少くとも2層のグレー
デッド層132,134を有する。即ち、電子移送層
は、徐々にGaAsからAlAsに組成が増加するよう
に層131,132,133の3層(電子移送層130
a)と、徐々にAlAsからGaAsが増加するように
層133,134,135の3層(電子移送層130
b)とで形成され、グレーデッド層132,134の間
でエネルギーバンドギャップが最大値をもつようなカー
ブを持つエネルギーバンド構造になっている。
The electron transport layer is formed in a heterojunction structure, and the electron transport layer has at least two graded layers 132 and 134. That is, the electron transport layer has three layers 131, 132 and 133 (electron transport layer 130) so that the composition gradually increases from GaAs to AlAs.
a), three layers of the layers 133, 134, and 135 (electron transfer layer 130) so that GaAs is gradually increased from AlAs.
b) and has an energy band structure having a curve such that the energy band gap has the maximum value between the graded layers 132 and 134.

【0019】図1(b)は、この光電陰極のバンド図の
概略を示したものである(V.L.は真空レベルを示
す)。このような構造、即ち、電子移送層においてヘテ
ロジャンクションを導入することで、電子が格子の電子
を打ち出してイオン化し電子−正孔を発生させるという
電子に起因するアバランシェ増倍を防止して正孔の発生
を抑えることができる。これと同時に、表面電極からの
正孔の電子移送層への注入を阻止し、電子移送層内での
高電界による正孔に起因するアバランシェ増倍の発生を
押えて暗電流とノイズの増加をさせない様にすることが
できる。
FIG. 1 (b) shows an outline of a band diagram of this photocathode (VL indicates a vacuum level). By introducing a heterojunction in such a structure, that is, in the electron transport layer, avalanche multiplication caused by electrons, in which electrons eject ions of a lattice and ionize to generate electron-holes, and holes are prevented. Can be suppressed. At the same time, injection of holes from the surface electrode into the electron transport layer is blocked, and avalanche multiplication due to holes due to the high electric field in the electron transport layer is suppressed to increase dark current and noise. You can prevent it from happening.

【0020】図2は、バイアス電圧VB を印加した時の
バンド図を示したものである。この図を用いて光電陰極
の動作について説明する。
FIG. 2 is a band diagram when the bias voltage V B is applied. The operation of the photocathode will be described with reference to this figure.

【0021】電子移送層130aと130bはいずれも
ドーピングレベルが低いので、この場合、バイアス電圧
B がほぼ一様に印加され、電子移送層131〜133
には電圧V1 が、電子移送層133〜135は電圧V2
が印加される。印加するバイアス電圧VB は、電位差V
1 が電子移送層131〜135の中で最もバンドギャッ
プの大きなAlAs層133のバンドギャップ(2.1
eV)以下になり、電位差V2 は最表面層GeAs13
5のバンドギャップ(1.4eV)以下になる電圧とし
ている(このバイアス電圧VB の大きさに関しては後述
する)。
Since the electron transport layers 130a and 130b both have low doping levels, in this case, the bias voltage V B is applied almost uniformly, and the electron transport layers 131 to 133 are applied.
Has a voltage V 1 and the electron transfer layers 133-135 have a voltage V 2
Is applied. The applied bias voltage V B is the potential difference V
1 is the band gap of the AlAs layer 133 having the largest band gap among the electron transfer layers 131 to 135 (2.1
eV) or less and the potential difference V 2 is the outermost surface layer GeAs13.
The voltage is set to be equal to or less than the bandgap of 5 (1.4 eV) (the magnitude of this bias voltage V B will be described later).

【0022】電子移送層130bの価電子帯(V.
B.)251は、バイアスが印加されているにもかかわ
らず通常のGaAs上のショットキー電極が形成されて
いる場合と比較し、そのショットキ障壁は大巾に異なっ
たものになっている。通常のように無バイアス時に価電
子帯がフラットなバンド構造を持つ層の場合は、価電子
帯は符号252の点線で示す様にフェルミレベルEF
平行になる。これに対し、図1の光電陰極は、2層のグ
レーデッド層を有し、そのエネルギーバンド構造は図1
(b)の様になっているため、価電子帯のレベルが低く
なっている。電極141によって電子移送層に生じるシ
ョットキ障壁は、電子移送層133〜135の厚さによ
ってその特性は異なる。図3,4はその相違を示したも
のであり、図3は図4よりもグレーデッド層が薄い場合
である。図3の場合、電極141のショットキーコンタ
クトによって、価電子帯251はフラットバンドに近い
状態になる。
The valence band (V.
B. ) 251 has a Schottky barrier significantly different from that in the case where a normal Schottky electrode on GaAs is formed even if a bias is applied. In the case of a layer having a band structure in which the valence band is flat when biased as usual, the valence band becomes parallel to the Fermi level E F as indicated by the dotted line 252. On the other hand, the photocathode of FIG. 1 has two graded layers, and its energy band structure is shown in FIG.
As shown in (b), the level of the valence band is low. The characteristics of the Schottky barrier generated in the electron transfer layer by the electrode 141 differ depending on the thickness of the electron transfer layers 133 to 135. 3 and 4 show the difference, and FIG. 3 shows the case where the graded layer is thinner than that in FIG. In the case of FIG. 3, the Schottky contact of the electrode 141 brings the valence band 251 into a state close to a flat band.

【0023】基板側から光hνを入射させると、光吸収
層110で入射光hνが吸収されて光吸収層110に光
電子eが発生する。光電子eは電子移送層130aに移
動し、外部バイアス電圧VB で半導体内部に形成された
電界によって電子放出用活性層150表面の放出面まで
移送され、真空中に放出される。光電子eは、真空中に
放出された後、PMTあるいはII等の増倍機能によっ
て増倍され、信号として取り出される。
When the light hν is incident from the substrate side, the incident light hν is absorbed by the light absorption layer 110 and photoelectrons e are generated in the light absorption layer 110. The photoelectrons e move to the electron transfer layer 130a, are transferred to the emission surface on the surface of the electron emission active layer 150 by the electric field formed inside the semiconductor by the external bias voltage V B , and are emitted into the vacuum. The photoelectrons e are emitted into a vacuum, then multiplied by a multiplication function such as PMT or II, and taken out as a signal.

【0024】ここで、光吸収層110から電子移送層1
30aに移動した光電子は、加速されてより高いバンド
に遷移してホットな状態になる。この状態の光電子が低
いエネルギー状態に遷移したとき生じるエネルギー差が
十分に大きければ、電子に起因するアバランシェ増倍が
生じる。これによって生じるキャリアは、光電陰極で発
生するノイズになる。
Here, from the light absorption layer 110 to the electron transfer layer 1
The photoelectrons that have moved to 30a are accelerated and transit to a higher band to be in a hot state. If the energy difference generated when the photoelectrons in this state transition to the low energy state is sufficiently large, avalanche multiplication due to the electrons occurs. The carriers generated by this become noise generated in the photocathode.

【0025】しかし、図1の光電陰極では、バンドギャ
ップが電子移送層130aの入口(光吸収層110側)
からしだいに大きくなる様に形成されているので、伝導
帯(C.B.)の底の傾きは小さく、光電子の遷移によ
って生じるエネルギー差は小さなものになる。したがっ
て、電子移送層130aのどの位置においても電子に起
因するアバランシェ増倍が起こりにくく、正孔の発生が
起こりにくくなる。同時に、伝導帯を走行する電子に対
してバンドの底に近いクールな状態にある。結局、正孔
の発生や電子増倍が非常に起こりにくい。電子移送層1
33〜135に移動した光電子eは、この領域内の電界
によってさらに加速されるが、電子eの放出エネルギ分
布測定結果から平均エネルギーが0.4〜0.6eVで
あることから、この層においても電子に起因するアバラ
ンシェ増倍は発生し得ないことがわかる。
However, in the photocathode of FIG. 1, the band gap is the entrance of the electron transfer layer 130a (on the side of the light absorption layer 110).
Since it is formed so that it gradually increases, the bottom slope of the conduction band (CB) is small, and the energy difference caused by the transition of photoelectrons is small. Therefore, avalanche multiplication due to electrons is unlikely to occur at any position in the electron transport layer 130a, and holes are less likely to be generated. At the same time, it is in a cool state near the bottom of the band for electrons traveling in the conduction band. After all, generation of holes and electron multiplication are very unlikely to occur. Electron transport layer 1
The photoelectrons e moved to 33 to 135 are further accelerated by the electric field in this region, but the average energy is 0.4 to 0.6 eV from the measurement result of the emission energy distribution of the electrons e. It can be seen that avalanche multiplication due to electrons cannot occur.

【0026】また、上記の構造は、正孔に対しては次の
ように働くと考えられる。
Further, the above structure is considered to work as follows for holes.

【0027】正孔の電子移送層130bへの注入は、電
極141によって電子移送層に生じるショットキー障壁
の高さと厚さで規定される。実施例においては、価電子
帯上でバンドの傾斜がフラット化し得るほどであり、正
孔に対してまず十分な厚さのポテンシャルバリアが形成
されていることがわかる。又、ショットキー電極が良好
に形成されているかという点についても、ポテンシャル
バリアの充分な厚さによって補なわれるので、信頼性は
向上する。従来の場合と比べて、ポテンシャルバリアに
よって正孔の注入が阻止出来るので、当然のことながら
電子移送層130bへの正孔の注入は発生し得ず、正孔
に起因するアバランシェ増倍が抑えられるので、暗電流
の電界成分を低く押え込むことができる。
The injection of holes into the electron transport layer 130b is defined by the height and thickness of the Schottky barrier generated in the electron transport layer by the electrode 141. In the example, the inclination of the band can be flattened on the valence band, and it can be seen that a potential barrier having a sufficient thickness is first formed for holes. Further, the reliability of the Schottky electrode is improved because the sufficient thickness of the potential barrier also compensates for the good formation of the Schottky electrode. As compared with the conventional case, since the injection of holes can be blocked by the potential barrier, the injection of holes into the electron transport layer 130b cannot occur as a matter of course, and the avalanche multiplication due to holes is suppressed. Therefore, the electric field component of the dark current can be suppressed low.

【0028】これに加えて、信頼性の高いショットキー
バリアを形成するショットキー電極141を形成するこ
とが出来るため、正孔の注入が減少し、リーク電流が少
なくなり、正孔に起因するアバランシェ増倍が抑えられ
る。また、従来例のような電子移送層にバンドギャップ
の小さい部分がないため、暗電流を小さくし得る。
In addition to this, since the Schottky electrode 141 forming a highly reliable Schottky barrier can be formed, the injection of holes is reduced, the leak current is reduced, and the avalanche caused by holes is reduced. The multiplication is suppressed. Further, since there is no portion having a small band gap in the electron transfer layer as in the conventional example, the dark current can be reduced.

【0029】このように、本発明では、電子移送層にお
いてp〜i型のバンドギャップの大きな材料を導入し、
材料組成を調整することによって、光吸収層側からはバ
ンドギャップがしだいに大きくなる様に、又、表面ショ
ットキー電極側からはバンドギャップが大きくなる様に
形成している。これによって、暗電流の電界成分を抑え
込むことが可能となり、真空中に放出される光電子eの
に伴うノイズ成分が減少し、光電陰極からS/Nの大き
い信号を得ることができる。そして、PMTあるいはI
I等に用いることで、その二次電子放出現象を利用した
増倍機能によって増倍され、S/Nの大きな信号を得る
ことができる。
As described above, in the present invention, a material having a large band gap of p to i type is introduced into the electron transport layer,
By adjusting the material composition, the band gap is gradually increased from the light absorption layer side and is increased from the surface Schottky electrode side. This makes it possible to suppress the electric field component of the dark current, reduce the noise component accompanying the photoelectrons e emitted in vacuum, and obtain a signal with a large S / N from the photocathode. And PMT or I
When it is used for I or the like, it is multiplied by the multiplication function utilizing the secondary electron emission phenomenon and a signal with a large S / N can be obtained.

【0030】なお、図4のように電子移送層130bの
価電子帯にフラットバンドが形成されていない場合で
も、通常のGaAs層のみで形成された場合(図2の符
号252)と比較してもショットキ障壁の厚さは厚いの
で、正孔注入は大巾に押え込むことができる。これは、
電子移送層130a,bの間にワイドギャップな材料を
導入した効果である。
Even when the flat band is not formed in the valence band of the electron transfer layer 130b as shown in FIG. 4, as compared with the case where the flat band is formed only by the normal GaAs layer (reference numeral 252 in FIG. 2). However, since the Schottky barrier is thick, hole injection can be suppressed to a large extent. this is,
This is the effect of introducing a wide-gap material between the electron transfer layers 130a and 130b.

【0031】光電子放出現象は光電子に対して、表面障
壁が存在し、そのためいかなる光電子も真空中へ脱出可
能というわけにはいかない(図1または図2(b)の右
側)。障壁の高さは波長の限界を作り(閾値と呼ばれ
る)又、障壁の厚さは、真空中へ電子が脱出でき得る確
率を決定する(この確率は脱出確率と呼ばれる)。この
双方について改善する手段の1つとして存在するのがこ
の種の光電陰極である。外部から印加するバイアス電圧
が、どの位必要とするかについては、GaAsを例とし
た場合、入射光の波長に対して依存性がある。およそ8
00nm以下の波長領域の場合、半導体内部の電界強度
が104 V/cmにおいて2.0〜2.2倍の感度増加
を生む。これ以上印加しても感度は飽和してしまう(文
献2)。かかる観点から、バイアス電圧は出来るだけ低
い事が望ましい。
In the photoelectron emission phenomenon, a surface barrier exists for photoelectrons, so that it cannot be said that any photoelectrons can escape into the vacuum (right side of FIG. 1 or FIG. 2B). The height of the barrier makes the wavelength limit (called the threshold), and the thickness of the barrier determines the probability that an electron can escape into the vacuum (this probability is called the escape probability). This kind of photocathode exists as one of means for improving both of them. How much a bias voltage applied from the outside is required depends on the wavelength of incident light when GaAs is used as an example. About 8
In the wavelength region of 00 nm or less, when the electric field strength inside the semiconductor is 10 4 V / cm, a sensitivity increase of 2.0 to 2.2 times is produced. The sensitivity saturates even if applied more than this (Reference 2). From this viewpoint, it is desirable that the bias voltage be as low as possible.

【0032】InGaAsP/InP系(1.4μm
用)において4.5Vのバイアス電圧で最高の感度を示
した実験値があるが、このバイアス電圧では暗電流の増
加が著しい。脱出確率、感度の増加及び暗電流の増加を
勘案すれば、上述の波長領域における場合、バイアス電
圧3.5V程度がS/Nから決定できる動作点となる。
また、バイアス電圧VB は、図2のバンドダイアグラム
から明らかなように、電子移送層のバンドギャップの最
大値Eg1 及び最小値Eg2 に対して「VB =V1 +V
2 <Eg1 +Eg2 ,V1 <Eg1 ,V2 <Eg2 (但
しEg1 >Eg2)」であり、電子移送層には電界強度
が1×104 v/cm程度形成できればよい。材料の製
作制限から考え合わせると電子移送層の厚さとして〜
3.5μmと算出できる。これは従来からある製造技術
を用いることができることを意味し、何らの問題なく、
実際に製造できる。
InGaAsP / InP system (1.4 μm
There is an experimental value showing the highest sensitivity at a bias voltage of 4.5 V (for use), but the dark current increases remarkably at this bias voltage. Considering the escape probability, the increase in sensitivity, and the increase in dark current, in the above wavelength range, a bias voltage of about 3.5 V is an operating point that can be determined from the S / N.
Further, as is clear from the band diagram of FIG. 2, the bias voltage V B is “V B = V 1 + V” with respect to the maximum value Eg 1 and the minimum value Eg 2 of the band gap of the electron transport layer.
2 <Eg 1 + Eg 2 , V 1 <Eg 1 , V 2 <Eg 2 (provided that Eg 1 > Eg 2 ) ”, and it is sufficient that the electron transfer layer has an electric field strength of about 1 × 10 4 v / cm. Considering the manufacturing restrictions of materials, the thickness of the electron transport layer is
It can be calculated as 3.5 μm. This means that conventional manufacturing techniques can be used, without any problems,
Can actually be manufactured.

【0033】さらに、制作技術が向上し、材質的にも加
工技術的にもより微細なレベルが可能となれば、上記の
実施例に制限されるものではない。むしろ、技術向上は
バイアス電圧を低くする方向にあり、その点本発明の目
的とする所の条件が容易に満足させることが出来る様に
なるわけであり望ましいものである。
Further, as long as the production technique is improved and the material and the processing technique can be made finer, the present invention is not limited to the above embodiment. Rather, technological improvement tends to lower the bias voltage, and in that respect the conditions aimed at by the present invention can be easily satisfied, which is desirable.

【0034】前述の従来例で述べた「特開昭62−13
3633」では、バリア状のポテンシャルを形成する付
加層の導入により、正孔の流れは阻止することは可能で
あろう。しかし、電極からの正孔の注入は、存在するた
めに伝導帯でのポテシャル障壁によって正孔の蓄積が起
こる。ポテンシャルは変化せざるを得ず、動作上安定性
に欠けることになる。又、伝導帯に付加層を導入するこ
とによって伝導帯における不連続性(ポテンシャル障壁
として凸と凹の2種がある)が生じる。そのため、電子
透過性は、例えば実施例の様に30オングストロームの
場合においては、数%くらいであって量子効率の低下が
大きい。付加層が複数導入された場合においては、もは
や実用に供せない程の機能の低下となる。
As described in the above-mentioned conventional example, "Japanese Patent Laid-Open No. 62-13".
3633 ", it would be possible to block the flow of holes by the introduction of an additional layer forming a barrier-like potential. However, since the injection of holes from the electrode exists, accumulation of holes occurs due to the potential barrier in the conduction band. The potential is forced to change, and it lacks operational stability. Further, the introduction of the additional layer into the conduction band causes discontinuity in the conduction band (there are convex and concave types as potential barriers). Therefore, the electron transparency is about several percent in the case of 30 angstroms as in the example, and the quantum efficiency is largely reduced. When a plurality of additional layers are introduced, the function deteriorates beyond practical use.

【0035】しかし、本発明では、最大のエネルギーバ
ンドギャップを持つようにポテンシャルレベルがなだら
かに変化する構造を電子移送層130に採用しているこ
とから、動作の不安定性や量子効率の低下といった上述
の欠点を抑えつつ、暗電流の電界成分を押え込むことが
可能で、ノイズと暗電流の少ない光電陰極となる。
However, in the present invention, since the structure in which the potential level is gently changed so as to have the maximum energy band gap is adopted for the electron transfer layer 130, the instability of operation and the decrease in quantum efficiency are described above. It is possible to suppress the electric field component of the dark current while suppressing the disadvantage of (1), and it becomes a photocathode with less noise and dark current.

【0036】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but various modifications can be made.

【0037】材料の組み合わせについては上述したもの
だけではなく、表1のような組み合わせ(No.1〜No.6)
でも良い(なお、グレーデッド層132,134は層1
31,135の材料の混晶であることはいうまでもな
い)。これらの組み合わせは上記実施例と同様に格子定
数の整合性の良好なものである。
The combinations of materials are not limited to those described above, but the combinations as shown in Table 1 (No. 1 to No. 6)
However, the graded layers 132 and 134 may be layer 1
Needless to say, it is a mixed crystal of 31,135 materials). These combinations have good lattice constant matching as in the above embodiment.

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】なお、長波長にまで感度を持たせ、かつ、
光吸収層110で発生した光電子が電子移送層に移動し
やすくするようにするのがのぞましいので、上記実施例
のように、電子移送層130aとの界面でその伝導帯の
レベルが電子に対して障壁を形成しないような組成を持
たせるのが望ましい。
It should be noted that the sensitivity is extended to a long wavelength, and
Since it is desirable to make it easier for photoelectrons generated in the light absorption layer 110 to move to the electron transfer layer, the level of the conduction band is higher than that of electrons at the interface with the electron transfer layer 130a as in the above embodiment. It is desirable to have a composition that does not form a barrier.

【0040】また、例えば、基板側から光を入射すると
いう透過型の光電陰極を例に示したが、ショットキー電
極141側から光を入射する反射型の光電陰極としても
良い。さらに、電子移送層130a,bをそれぞれグレ
ーデッド層だけで構成するようにしても良い。
Further, for example, the transmission type photocathode in which light is incident from the substrate side is shown as an example, but a reflection type photocathode in which light is incident from the Schottky electrode 141 side may be used. Further, each of the electron transport layers 130a and 130b may be composed of only a graded layer.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、電子移送層
に上記グレーテッド層が形成されていることから、アバ
ランシェ増倍による正孔の発生や電子増倍が起こりにく
いものになるので、暗電流とノイズの少ない安定した動
作の光電陰極を得ることができる。
As described above, according to the present invention, since the graded layer is formed in the electron transport layer, generation of holes and electron multiplication due to avalanche multiplication is less likely to occur. It is possible to obtain a stable operation photocathode with little dark current and noise.

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

【図1】実施例の構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment.

【図2】バイアスをかけたときの様子を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a state when a bias is applied.

【図3】グレーテッド層134が薄いときのショットキ
電極141付近の価電子帯の様子を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a state of a valence band near the Schottky electrode 141 when the graded layer 134 is thin.

【図4】グレーテッド層134が厚いときのショットキ
電極141付近の価電子帯の様子を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a state of a valence band near the Schottky electrode 141 when the graded layer 134 is thick.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110…光吸収層、130a,b…電子移送層、13
1,135…GaAs層、133…AlAs層、13
2,134…グレーデッド層、141…ショットキー電
極、150…電子放出用活性層。
110 ... Light absorption layer, 130a, b ... Electron transfer layer, 13
1,135 ... GaAs layer, 133 ... AlAs layer, 13
2, 134 ... Graded layer, 141 ... Schottky electrode, 150 ... Electron emission active layer.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入射光により光電子を発生する光吸収層
と、この光吸収層とヘテロ接合をなす電子移送層とを有
し、電子移送層上の放出面側に形成された電極から印加
された外部バイアスにより前記光電子を前記電子移送層
中を移送させて前記放出面から放出する半導体光電陰極
であって、 前記電子移送層は、 そのバンドギャップが前記光吸収層から離れると大きく
なるように組成された第1のグレーデッド層と、 この第1のグレーデッド層の上方に形成され、そのバン
ドギャップが前記放出面に近付くと小さくなるように組
成された第2のグレーデッド層とを含んで構成されてい
ることを特徴とする半導体光電陰極。
1. A light absorption layer that generates photoelectrons by incident light, and an electron transfer layer that forms a heterojunction with the light absorption layer, and is applied from an electrode formed on the emission surface side of the electron transfer layer. A semiconductor photocathode that transfers the photoelectrons through the electron transfer layer by an external bias and emits the electrons from the emission surface, wherein the electron transfer layer has a band gap that increases with distance from the light absorption layer. A first graded layer having a composition and a second graded layer formed above the first graded layer and having a band gap that becomes smaller as the band gap approaches the emission surface. A semiconductor photocathode characterized by comprising:
【請求項2】 前記第1及び第2のグレーデッド層の間
には、前記電子移送層内で最大のバンドギャップを持つ
層が形成されていることを特徴とする請求項1記載の半
導体光電陰極。
2. The semiconductor photovoltaic device according to claim 1, wherein a layer having a maximum bandgap in the electron transport layer is formed between the first and second graded layers. cathode.
【請求項3】 前記光吸収層は、GaAs基板上にGe
を積層して形成され、 前記第1のグレーデッド層は、AlAsが前記光吸収層
から離れると大きくなるように組成されたGaAsとA
lAsとの混晶層で形成され、 第2のグレーデッド層は、AlAsが前記放出面に近付
くと小さくなるように組成されたGaAsとAlAsと
の混晶層で形成されていることを特徴とする請求項1記
載の半導体光電陰極。
3. The light absorption layer is made of Ge on a GaAs substrate.
The first graded layer is formed by laminating AlAs and GaAs and
The second graded layer is formed of a mixed crystal layer of GaAs and AlAs, and the second graded layer is formed of a mixed crystal layer of GaAs and AlAs that is made smaller as AlAs approaches the emission surface. The semiconductor photocathode according to claim 1.
【請求項4】 前記第1及び第2のグレーデッド層の間
には、AlAs層が形成されていることを特徴とする請
求項3記載の半導体光電陰極。
4. The semiconductor photocathode according to claim 3, wherein an AlAs layer is formed between the first and second graded layers.
【請求項5】 前記光吸収層と前記第1のグレーデッド
層との間に、前記光吸収層側にGeがドープされ、前記
第1のグレーデッド層側が真性となっているGaAs層
がさらに形成されていることを特徴とする請求項3記載
の半導体光電陰極。
5. A GaAs layer is further provided between the light absorption layer and the first graded layer, wherein the light absorption layer side is doped with Ge, and the first graded layer side is intrinsic. The semiconductor photocathode according to claim 3, wherein the semiconductor photocathode is formed.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008198360A (en) * 2006-03-07 2008-08-28 Univ Nagoya Spin polarized electron generating element

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