JPH07262909A - 光電子放射陰極、光電変換電子管およびスペクトル測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、限界波長の制御を精度良く行うこ
とができる光電子放射陰極を提供することを目的とす
る。 【構成】 オーミック電極（２５）とショットキー電極
（２４）間の印加バイアスを調整して、電子放射層（２
３）内の電界を充分に高くし、電子放射層（２３）内に
注入された光電子に対しての電子放射効率を１になるよ
うにすることにより、さらに印加バイアスを高くした結
果広がる空乏層厚に対応して、波長の短い方の光（光子
エネルギーの高い方の光）から順次光電子放射させるこ
とができ、限界波長を所望の値に制御することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、限界波長を制御できる
光電子放射陰極と、この光電子放射陰極を備えた光電変
換電子管と、この光電変換電子管を備えたスペクトル測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
特公昭５２−１８５５０公報のものが知られている。こ
の文献には、図２７に示すようにバンドギャップエネル
ギーの異なる複数の半導体層２１１〜２１３で光吸収層
２１０を構成し、バイアスの印加で光吸収層間に形成さ
れる障壁を変化させて限界波長を制御する光電子放出陰
極２００について記載されている。

【０００３】また、イギリス特許出願公開明細書第ＧＢ
２１６７２２７Ａ号のものが知られている。この文献に
は、図２８に示すようなバンド構造の光吸収層３１０を
形成し、伝導体の電子を光励起し、光励起された電子が
越えなければならない障壁の高さをバイアスの印加によ
り制御することにより限界波長を制御する光電子放出陰
極３００について記載されている。

【０００４】さらに、分野を光電子放射陰極だけでな
く、フォトダイオードにまで広げてみると、特開平２−
９６３８３公報のものが知られている。この文献には、
図２９に示すようにエネルギーバンドが半導体層４１０
の厚み方向に異なる構造の光吸収層４２０を形成し、光
吸収層４２０に印加するバイアスにより限界波長を制御
するフォトダイオード４００が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の光電
子放射陰極２００，３００は、いずれも光吸収層２１
０，３１０にバイアスを印加して限界波長を制御してい
た。今、バイアス電圧がＶ₁ のときの限界波長をλ₁ 、
バイアス電圧がＶ₂ のときの限界波長をλ₂ とし、バイ
アス電圧のＶ₁ からＶ₂ への変化に対応して光電子放射
電流がＩ₁ からＩ₂に変化するものとする。ここで、バ
イアス電圧のＶ₁ からＶ₂ への変化に合わせて限界波長
だけが変化し、もともと光感度があったλ₁ よりも短波
長側の光感度が全く変らない場合には、光電流の変化分
（Ｉ₂ −Ｉ₁ ）は全て波長（λ₂ −λ₁ ）領域の光に対
しての光電子放射電流とみることができる。このため、
所望の分解能で制御電圧を変化させて、電流変化分を求
めれば光の分光検出が可能になる。

【０００６】ところが、従来の光電子放射陰極２００，
３００は、限界波長を制御するために印加バイアスを変
化させた場合、限界波長は変化するものの、同時に、も
ともと光感度が有った短波長側の光感度まで変化してし
まう。このため、光電流の変化分から波長（λ₂ −
λ₁ ）領域の光強度を算出することは困難であった。し
たがって、光電流の変化分を単純に波長（λ₂ −λ₁ ）
領域の光に対応させて算出すると、算出結果に多くの誤
差を含むこととなる。このような問題はフォトダイオー
ド４００についても同様に存在する。

【０００７】本発明は、このような問題を解決して、限
界波長の制御を精度良く行うことができる光電子放射陰
極を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１の発明の光電子放射陰極は、半導体基板と、半
導体基板上に形成され半導体基板から離れるにしたがっ
てバンドギャップ幅が大きいｐ型光吸収層と、ｐ型光吸
収層上に形成されｐ型光吸収層との接合面の伝導帯の最
小点と充満帯の最大点がほぼ同一で層内のバンドギャッ
プ幅がほぼ均一な遷移放射層と、半導体基板のｐ型光吸
収層が形成された面の裏面に形成されたオーミック電極
と、遷移放射層上に形成されたショットキー電極とを備
える。

【０００９】ここで、ｐ型光吸収層にはＧａ_x Ｉｎ
_(1-x) Ｐ_y Ａｓ_(1-y) または（Ａｌ_x Ｇａ_(1-x) ）_y Ｉ
ｎ_(1-y) Ａｓで表すことができる化合物半導体が用いら
れていてもよい。また、遷移放射層にはIII −Ｖ族化合
物半導体とその混晶半導体、またはII−VI族化合物半導
体とその混晶半導体が用いられていてもよく、遷移放射
層の厚さは、０．３μｍ以上１．５μｍ以下であっても
よい。さらに、ショットキー電極が形成されていない遷
移放射層の表面にアルカリ金属、アルカリ金属の酸化
物、またはアルカリ金属のフッ化化合物が塗布されてい
てもよい。

【００１０】また、第２の発明の光電変換電子管は、上
述した第１の発明の光電子放射陰極と、光電子放射陰極
から放出された光電子を収集する電子収集陽極と、光電
子放射陰極および電子収集陽極を収納する真空容器と、
光電子放射陰極のオーミック電極とショットキー電極間
の印加バイアスを制御する電圧制御手段とを備える。こ
こで、光電変換電子管には、光電管、光電子増倍管など
がある。

【００１１】さらに、第３の発明のスペクトル測定装置
は、上述した第２の発明の光電変換電子管と、電圧制御
手段により変化する印加バイアスの変化量とこの変化量
に応じた光電子放射電流の変化量とから入射光のスペク
トルを解析する解析手段とを備える。

【００１２】

【作用】第１の発明の光電子放射陰極によれば、光電子
のエネルギーを真空エネルギー以上に加速励起する領域
として遷移放射層が設けられている。この遷移放射層は
バンドギャップ幅がほぼ一定なので、ショットキー電極
へのバイアス印加により広がる空乏層がこの遷移放射層
内にある間は、印加バイアスを高くしても光電子放射限
界波長は変わらない。しかし、印加バイアスが高くなる
ことによって遷移放射層内の電界は強くなり、電子放射
効率が良くなる。

【００１３】さらに、ショットキー電極への印加バイア
スが高くなると空乏層内の加速電界からエネルギーを得
て、サテライトバンド（Ｌ或いはＸ伝導帯）への電子の
励起が可能となる。サテライトバンドから見れば真空準
位は低エネルギー側にあり、これ以上に印加バイアスを
高くしても電子の真空脱出確率は変化しない。したがっ
て、これ以上に印加バイアスを高くした結果広がる空乏
層厚に対応して、ｐ型光吸収層で発生した光電子の内、
波長の短い方（光子エネルギーの高い方）から順次光電
子放射させることができる。このため限界波長を所望の
値に制御することができる。

【００１４】ここで、遷移放射層の厚さは、あまり薄い
と遷移層最深部から表面まで走行した光電子ですら充分
にサテライトバンドへ励起することができない。また厚
すぎると、吸収層へ空乏層を広げるために必要な印加バ
イアスが高くなり、ショットキー耐圧や暗電流放射を考
えた場合不利になる。したがって、遷移放射層の厚さ
は、０．３μｍ以上１．５μｍ以下がよい。

【００１５】さらに、傾斜型バンド構造を持つ光吸収層
と半導体基板、並びに遷移放射層との間で結晶格子整合
が取れていることが重要である。さもないと、格子歪に
よる欠陥準位が発生し、少数キャリアの寿命を著しく短
くし、サテライトバンドへの電子の遷移を不可能とす
る。したがって、III −Ｖ族化合物半導体であるＩｎＰ
を遷移放射層にした場合には、光吸収層としてはＧａ_x
Ｉｎ_(1-x) Ｐ_y Ａｓ_(1-y) 或いは（Ａｌ_x Ｇａ_(1-x) ）
_y Ｉｎ_(1-y) Ａｓなどを用いることがよい。もちろんこ
の組合せに限定されるものではなく、ＧａＡｓと（Ａｌ
_x Ｇａ_(1-x) ）_yＩｎ_(1-y) Ｐの組合せなどでもよい。
また、III −Ｖ族化合物半導体だけでなく、ＺｎＳなど
のII−VI族化合物半導体でもこのような組合せが存在
し、これを用いてもよい。

【００１６】また、第２の発明の光電変換電子管によれ
ば、電圧制御手段によって光電子放射陰極のオーミック
電極とショットキー電極間に印加されるバイアスを変化
させることにより、光電子放射陰極に形成される空乏層
厚を変えることができる。空乏層厚の変化に伴って限界
波長が変化し、電子収集陽極に収集される光電子量（光
電子放射電流）は限界波長の変化により変動する。よっ
て、この光電子放射電流の変動分を測定することによ
り、容易に波長領域の光強度を算出することができる。

【００１７】さらに、第３の発明のスペクトル測定装置
によれば、電圧制御手段によって光電子放射陰極のオー
ミック電極とショットキー電極間の印加バイアスを変化
させれば、電子収集陽極を流れる光電子放射電流も変化
する。印加バイアスの変化量および光電子放射電流の変
化量は解析手段に与えられ、事前に解明された印加バイ
アス量と限界波長の関係から入射光のスペクトルが解析
される。

【００１８】

【実施例】以下、第１〜第３の発明の実施例について添
付図面を参照して説明する。

【００１９】図１は、第１の実施例に係る光電子放射陰
極を備えた光電管の構造を示す斜視図である。同図より
この光電管は、金属の支持板１０上に第１の実施例に係
る光電子放射陰極２０が取り付けられ、その前方に棒状
の電子収集陽極３０が配置されている。支持板１０、電
子放射陰極２０および電子収集陽極３０はガラスバルブ
４０で真空封入されている。

【００２０】光電子放射陰極２０は、ｐ型ＩｎＰの半導
体基板２１の上面に、傾斜型バンド構造を持つｐ型のＧ
ａ_x Ｉｎ_(1-x) Ｐ_y Ａｓ_(1-y) の光吸収層２２と、III
−Ｖ族化合物半導体であるｐ型ＩｎＰの遷移放射層２３
と、Ｎｉ電極２４とを順次形成したもので、Ｎｉ電極２
４はショットキー接合をなしている。また、半導体基板
２１の裏面には、Ａｕ−Ｇｅ合金からなる電極２５が形
成されており、電極２５はオーミック接合をなしてい
る。電極２５は金属板１０に電気的に接触しており、金
属板１０には端子導線５０が取り付けられている。さら
に、Ｎｉ電極２４には端子導線５１が取り付けられてい
る。端子導線５０，５１と電子収集陽極３０はガラスバ
ルブ４０の外部に引き出され、端子導線５０と端子導線
５１の間にバイアス電源６０が接続されている。また、
電子収集陽極３０と端子導線５１の間に、高圧電源７０
と電流計７１が挿入されている。

【００２１】光吸収層２２は、全領域で格子定数がＩｎ
Ｐの５．８７Åと一致し、バンドギャップエネルギーが
０．７２ｅＶから遷移放射層２３との接合面に近づくに
つれて大きくなるように形成されている。さらに遷移放
射層２３との接合面ではＩｎＰと同じ１．３５ｅＶにな
るようにＧａ_x Ｉｎ_(1-x) Ｐ_y Ａｓ_(1-y) のｘ，ｙの値
が調整されている。ここで、ｘはガリウムとインジウム
の組成比を示す１以下の数であり、ｙは燐とヒ素の組成
比を示す１以下の数である。ｘ，ｙの具体的な値は図２
の組成図に示されている。同図より、格子定数５．８７
Åを示す短破線上のｘ，ｙの組合せは、最表面側でｘ＝
０，ｙ＝１、また再深部でｘ＝０．４７，ｙ＝０であ
る。

【００２２】次に、Ｎｉ電極２４の具体的な構造を図３
に示す。同図より、Ｎｉ電極２４は遷移放射層２３の上
にメッシュ状に形成され、窓部から光電子が放出可能と
なっている。Ｎｉ電極２４の厚さは３００Åである。

【００２３】半導体基板２１の不純物濃度は、オーミッ
ク接合が形成し易いように高濃度がよいが、あまり濃度
が高いと光吸収層２２を形成する際に、光吸収層２２に
不純物拡散が起こり易くなる。このため１０¹⁸ｃｍ^-3程
度の不純物濃度が最適である。また光吸収層２２の不純
物濃度は、光吸収層２２に遷移放射層２３側から容易に
空乏層が広がるように５×１０¹⁵ｃｍ^-3程度の低濃度が
最適である。遷移放射層２３の不純物濃度は、ショット
キー接合が形成し易いように１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度が最
適である。また、半導体基板２１の厚さは３５０μｍ、
光吸収層２２の厚さは５μｍ、遷移放射層２３の厚さは
１μｍである。遷移放射層２３は、層厚があまりに薄い
と電子が電界加速により充分エネルギーを得る前に表面
に達してしまうため、電子放射が不可能になってしま
う。また、層厚があまりに厚すぎると、空乏化させるた
めに必要なバイアス電圧が高くなり過ぎる。従って、遷
移放射層２３の不純物濃度にも依存するが、概ね０．３
〜１．５μｍ程度の層厚が最適である。さらに図には示
していないが、Ｎｉ電極２４の表面および電極の窓より
露出した遷移放射層２３の表面には、数原子層程度のＣ
ｓ金属の酸化物が塗布されている。

【００２４】図４（ａ）（ｂ）は、光電子放射陰極２０
にバイアスを印加した状態のバンド図である。ここで、
図４（ａ）のバンド図における印加バイアスは２Ｖ、図
４（ｂ）のバンド図における印加バイアスは１０Ｖであ
る。図４（ａ）に示す２Ｖバイアス時には、λ₁ 〜λ₃
を持つ光ｈν₁ 〜ｈν₃ の光照射によって光吸収層２２
で光電子ｅ₁ 〜ｅ₃ が発生する。しかし、発生した光電
子ｅ₁ 〜ｅ₃ のいずれにもドリフト電界が印加されない
ので、遷移放射層２３から光電子が放射されることはな
い。図４（ｂ）に示す１０Ｖバイアス時には、光吸収層
２２で発生した光電子ｅ₃ に対してドリフト電界が印加
され、遷移放射層２３との接合面方向に加速される。そ
して、遷移放射層２３内でサテライトバンドＥ_sat へ励
起され、光電子ｅ₃ はサテライトバンドＥ_sat から光電
子放射される。

【００２５】次に、光電子放射陰極２０への印加バイア
スとＮｉ電極２４から広がる空乏層厚みの関係を図５
（ａ）に示す。また、光電子放射限界光子エネルギーと
空乏層厚みとの関係を図５（ｂ）に示す。ここに示され
た両者の特性によって、印加バイアスと限界光子エネル
ギーとの関係が一義的に決定される。図５（ａ）より、
空乏層厚みが１μｍより厚くなるとバイアスが印加され
始め、４μｍを越えたあたりから印加バイアスが増大す
ることが判る。また、図５（ｂ）より、空乏層がない状
態の限界光子エネルギーは１．６ｅＶであるが、空乏層
が形成され厚くなるに従って、限界光子エネルギーが低
くなることが判る。

【００２６】光電子放射陰極２０に、図５（ｃ）に示さ
れるようなスペクトルを持つ光を照射し、高圧電源７０
から供給されるバイアス電圧を０Ｖより順次増加させて
いった場合、光電子放射電流の変化は、図５（ｄ）に示
すものになる。同図に示すようにステップ状に電流が変
化しているのは、λ₁ 、λ₂ 、λ₃ という離散的なスペ
クトルを持つ光の照射によって、特定のバイアスのとこ
ろで、λ₃ 、次にλ₂、そしてλ₁ と順次光電子放射が
発生しているからである。

【００２７】次に、図６および図７を用いて、本実施例
の動作原理を説明する。図６，７は、光電子放射陰極２
０のバンド図である。電極に印加するバイアスが高くな
るに従って、ショットキー空乏層の厚みは広くなり、且
つショットキー空乏層内の電界は増加する。例えば３つ
の波長からなる光が光電子放射陰極２０に照射された場
合、光吸収層２２で照射光が吸収され光電子ｅ₁ 〜ｅ₃
が発生する。光吸収層２２は、遷移放射層２３との接合
面から半導体基板２１との接合面に向けてバンドギャッ
プエネルギーが小さくなっているため、長波長の光（光
子エネルギーの小さな光）ほど遷移放射層２３との接合
面から深いところで吸収されて、光電子が発生する。

【００２８】バイアスがわずかに印加された状態Ａ（図
６（ａ）参照）では、空乏層は遷移放射層２３内のＮｉ
電極２４との接合面にしか広がっていない。このため、
光吸収層２２で発生した光電子ｅ₁ 〜ｅ₃ のいずれも遷
移放射層２３方向には運ばれずに、光吸収層２２内で再
結合され消滅する。よって、状態Ａでは遷移放射層２３
から光電子が放射されることはない。

【００２９】印加バイアスが高くなった状態Ｂ（図６
（ｂ）参照）では、空乏層が遷移放射層２３全体に広が
り、遷移放射層２３内の電界が充分に高くなっている。
しかし、光吸収層２２までは空乏層は広がっていないの
で、光吸収層２２内にドリフト電界が印加されることは
ない。このため、光吸収層２２で発生した光電子ｅ₁ 〜
ｅ₃ のいずれも遷移放射層２３方向には運ばれず、遷移
放射層２３への電子注入がないため真空放射は生じな
い。

【００３０】さらに電界が高くなった状態Ｃ（図７
（ｃ）参照）では、光電子ｅ₃ には遷移放射層２３方向
にドリフト電界が印加されている。このため、光電子ｅ
₃ は遷移放射層２３方向に移動して、遷移放射層２３に
注入される。注入された光電子ｅ₃ は、電界加速により
運動エネルギーを得て通常電子が走行するΓ帯よりも更
に高エネルギー側にあるサテライトバンド（Ｌ或いはＸ
帯）に励起される。サテライトバンドから見れば真空準
位は低エネルギー側にあり、電子放射効率がほぼ１で真
空放射される。

【００３１】さらに電界を上げた状態Ｄ（図７（ｄ）参
照）では、空乏層は更に広がり、光電子ｅ₂ に対しても
ドリフト電界が印加され、光電子ｅ₂ も光電子放射され
る。

【００３２】遷移放射層２３内の電界は、状態Ｄでさら
に高くなっているが、状態Ｃで既に電子の放射効率が１
に達しているので、光電子ｅ₃ の放射効率は状態Ｃと変
らない。また光電子ｅ₂ に対しても放射効率１で真空放
射される。従って、状態Ｃから状態Ｄへのバイアス電圧
の変化に対応して観測される光電子放射電流の変化は、
まさに光電子ｅ₂ の寄与に基づくものであり、つまりは
λ₂ の波長の光量に対応している。状態Ｄでは未だ光電
子ｅ₁ にはドリフト電界が印加されず、光電子放射され
ない。

【００３３】このように、遷移放射層２３内の電界を充
分高くし、遷移放射層２３内に注入された電子に対して
電子放射効率が１になるようにしておけば、さらにバイ
アスを印加した結果広がる空乏層厚は、対応して波長の
短い方の光（格子エネルギーの高い方の光）から順次光
電子放射させることができ、限界波長を所望の値に制御
することができる。また、印加バイアス量と限界波長と
の関係をあらかじめ明らかにしておけば、印加バイアス
の変化に応じた光電子放射電流の変化から、照射光のス
ペクトルを算出することも可能となる。

【００３４】次に、図８（ａ）（ｂ）を用いて、本実施
例で光吸収層２２と独立に遷移放射層２３を設けている
理由について説明する。図８（ａ）（ｂ）は、共に光電
子放射陰極２０のバンド図を示しており、それぞれ図７
（ｃ）（ｄ）の状態Ｃ，Ｄに対応している。図８（ａ）
（ｂ）は、遷移放射層２３を設けずに、遷移放射層２３
の部分（以下、遷移放射領域２２ａという）まで光吸収
層２２が形成されている場合の例である。このような場
合には、光吸収層２２の遷移放射領域２２ａ内で光吸収
が生じ光電子ｅ₄ が発生することがある。状態Ｃ（図８
（ａ）参照）のように光電子ｅ₄ に充分なドリフト電界
が印加されていない間は、光電子ｅ₄ は充分に電界から
エネルギーを得ることができず電子放射されることはな
い。

【００３５】ところが、状態Ｄ（図８（ｂ）参照）のよ
うに、光電子ｅ₄ に充分なドリフト電界が印加される
と、光電子ｅ₄ は電界から充分なエネルギーを得て光電
子放射されるようになる。このとき観測される電流の変
化は、光電子ｅ₃ と光電子ｅ₄との両方の電子の寄与に
基づいており、分離することはできない。

【００３６】したがって、遷移放射層２３を設けない本
例では、長波長側限界波長の制御は可能になるが、光電
子放射電流の変化から照射光のスペクトルを算出するこ
とは不可能になる。このように、遷移放射層２３は、電
子の放射のみを行うための層として独立に形成する必要
があり、決して、光吸収層２２と兼用できるものではな
い。

【００３７】次に、第２の実施例に係る光電子放射陰極
について、図９を用いて説明する。図９は第２の実施例
に係る光電子放射陰極１００の構造を示す斜視図であ
る。同図より、第２の実施例の光電子放射陰極１００
は、ｐ型のＩｎＰの半導体基板１０１の上面に、階段型
バンド構造を持つ光吸収層１０２と、ｐ型ＩｎＰの遷移
放射層１０３と、Ａｕ電極１０４とを順次形成したもの
で、Ａｕ電極１０４はショットキー接合をなしている。
光吸収層１０２は、ｐ型のＧａ_0.45Ｉｎ_0.55Ａｓの薄層
１０２ａと、Ｇａ_0.33Ｉｎ_0.67Ｐ_0.27Ａｓ_0.73の薄層１
０２ｂと、Ｇａ_0.2Ｉｎ_0.8 Ｐ_0.57Ａｓ_0.43の薄層１０
２ｃと、Ｇａ_0.12Ｉｎ_0.88Ｐ_0.73Ａｓ_0.27の薄層１０２
ｄの４層構造である。また、半導体基板１０１の裏面に
は、Ａｕ−Ｚｎ合金電極１０５が形成されており、電極
１０５はオーミック接合をなしている。

【００３８】次に、Ａｕ電極１０４の具体的な構造を図
１０に示す。同図より、Ａｕ電極１０４は遷移放射層１
０３の上にストライプ状に形成され、窓部から光電子が
放出可能になっている。Ａｕ電極１０４の厚さは３００
Åである。

【００３９】半導体基板１０１の不純物濃度は、１０¹⁸
ｃｍ^-3程度が最適である。また、光吸収層１０２の濃度
は５×１０¹⁵ｃｍ^-3程度が、遷移放射層１０３の不純物
濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度がそれぞれ最適である。半
導体基板１０１の厚さは３５０μｍであり、光吸収層１
０２の厚さは５μｍで、各薄層１０２ａ〜１０２ｄはそ
れぞれ１．２５μｍの厚さである。さらに、遷移放射層
１０３の厚さは１μｍである。図には示していないが、
Ａｕ電極１０４の表面および電極の窓より露出した遷移
放射層１０３の表面には、数原子層程度のＣｓ金属の酸
化物が塗布されている。

【００４０】図１１（ａ）（ｂ）は、光電子放射陰極１
００にバイアスを印加した状態のバンド図である。ここ
で、図１１（ａ）のバンド図における印加バイアスは２
Ｖ、図１１（ｂ）のバンド図における印加バイアスは１
０Ｖである。図１１（ａ）に示す２Ｖバイアス時には、
λ₁ 〜λ₃ を持つ光ｈν₁ 〜ｈν₄ の光照射によって光
吸収層１０２で光電子ｅ₁ 〜ｅ₄ が発生する。階段状バ
ンド構造のため光電子ｅ₃ と光電子ｅ₄ はほぼ同じ深さ
のところで発生している。しかし、発生した光電子ｅ₁
〜ｅ₄ のいずれにもドリフト電界は印加されていないの
で、遷移放射層１０３から光電子が放射されることはな
い。また、図１１（ｂ）に示す１０Ｖバイアス時には、
光吸収層１０２で発生した光電子ｅ₃ 、ｅ₄ に対してド
リフト電界が印加され、遷移放射層１０３との接合面方
向に加速される。そして、遷移放射層１０３内でサテラ
イトバンドＥ_sat へ励起され、光電子ｅ₃ 、ｅ₄ はサテ
ライトバンドＥ_sat から光電子放射される。

【００４１】次に、光電子放射陰極１００への印加バイ
アスとＡｕ電極１０４から広がる空乏層厚みの関係を図
１２（ａ）に示す。また、光電子放射限界光子エネルギ
ーと空乏層厚みとの関係を図１２（ｂ）に示す。図１２
（ａ）より、図１２（ａ）より、空乏層厚みが１μｍよ
り厚くなるとバイアスが印加され始め、４μｍを越えた
あたりから印加バイアスが増大することが判る。また、
図１２（ｂ）より、空乏層がない状態の限界光子エネル
ギーは１．６ｅＶであるが、空乏層が形成され厚くなる
に従って、限界光子エネルギーが低くなることが判る。
限界光子エネルギーは階段状に変化しているが、これは
光吸収層１０２が階段状のバンドギャップエネルギーを
持っていることに対応している。

【００４２】光電子放射陰極１００に、図１２（ｃ）に
示されるようなスペクトルを持つ光を照射し、電源７０
から供給されるバイアス電圧を０Ｖより順次増加させて
いった場合、光電子放射電流の変化は、図１２（ｄ）に
示すものになる。同図に示すように光電子放射電流はス
テップ状に変化しているが、４つの波長λ₁ 〜λ₄ を持
つ光を照射しているにも拘らず、光電子の変化は３段階
になっている。これは、波長λ₃ 、λ₄ の光の照射によ
り発生した光電子は、印加バイアスを上昇していったと
き、ある特定のバイアスで同時に光電子放射されるよう
になるからである。このような光電子放射陰極１００の
特性は、あまり高い波長分解能を必要とせず、数段階で
の波長分離ができればよい場合に適する。

【００４３】次に、第３の実施例に係る光電子放射陰極
について、図１３（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図１
３（ａ）は第３の実施例に係る光電子放射陰極１１０の
構造を示す斜視図である。また、図１３（ｂ）は光電子
放射陰極１１０に２Ｖのバイアスを印加した状態のバン
ド図である。図１３（ａ）より、第３の実施例の光電子
放射陰極１１０は、ｐ型のＩｎＰの半導体基板１１１の
上面に、傾斜型バンド構造を持つ光吸収層１１２と、ｐ
型ＩｎＰの遷移放射層１１３と、Ｎｉ薄膜電極１１４と
を順次形成したものである。また、半導体基板１１１の
裏面には、Ａｕ−Ｃｒ合金の電極１１５が形成されてお
り、電極１１５はオーミック接合をなしている。

【００４４】光吸収層１１２には、ｐ型の（Ａｌ_x Ｇａ
_(1-x) ）_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓが用いられている。ｘの値
は、全領域で格子定数がＩｎＰの５．８７Åと一致し、
バンドギャップエネルギーが０．７５ｅＶから表面に近
づくにつれて大きくなり、光吸収層１１２の最上部では
ＩｎＰと同じ１．３５ｅＶになるように調整されてい
る。ｘの具体的な値は図１４の組成図に示されている。
同図より、格子定数５．８７Åを示す短破線上のｘの組
合せは、最表面側でｘ＝０、また再深部でｘ＝０．７で
ある。

【００４５】次に、Ｎｉ薄膜電極１１４の具体的な構造
を図１５に示す。Ｎｉ薄膜電極１１４は遷移放射層１１
３の上に１００Åの厚さで形成されている。Ｎｉ薄膜電
極１１４は薄膜であるため島状膜を成しており、島の隙
間（窓）から電子放射が可能になっている。

【００４６】半導体基板１１１の不純物濃度は、１０¹⁸
ｃｍ^-3程度が最適である。また、光吸収層１１２の濃度
は１×１０¹⁵ｃｍ^-3程度が、遷移放射層１１３の不純物
濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度がそれぞれ最適である。半
導体基板１１１の厚さは３００μｍ、光吸収層１１２の
厚さは５μｍ、遷移放射層１１３の厚さは１μｍであ
る。図には示していないが、Ｎｉ薄膜電極１１４の表面
および電極の窓より露出した遷移放射層１１３の表面に
は、数原子層程度のＣｓ金属の酸化物が塗布されてい
る。

【００４７】次に、第４の実施例に係る光電子放射陰極
について、図１６（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図１
６（ａ）は第４の実施例に係る光電子放射陰極１２０の
構造を示す斜視図である。また、図１６（ｂ）は光電子
放射陰極１２０に２Ｖのバイアスを印加した状態のバン
ド図である。図１６（ａ）より、第４の実施例の光電子
放射陰極１２０は、ｐ型のＧａＡｓの半導体基板１２１
の上面に、傾斜型バンド構造を持つ光吸収層１２２と、
ｐ型Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓの遷移放射層１２３と、Ｎｉ
電極１２４とを順次形成したもので、Ｎｉ電極１２４は
ショットキー接合をなしている。また、半導体基板１２
１の裏面には、Ａｕ−Ｚｎ合金の電極１２５が形成され
ており、電極１２５はオーミック接合をなしている。Ｎ
ｉ電極１２４は図３に示したＮｉ電極２４と同様のメッ
シュ形状を有している。Ｎｉ電極１２４の厚さは５００
Åである。

【００４８】光吸収層１２２には、ｐ型のＧａ_(1-x) Ａ
ｌ_x Ａｓが用いられている。ｘの値は、最深部でＧａＡ
ｓの５．６５Åと一致しバンドギャップエネルギーが
１．４３ｅＶであるｘ＝０の値に設定されている。表面
に近づくにつれてｘの値は大きくなり、光吸収層１２２
の最上部ではバンドギャップエネルギーが１．８ｅＶで
あるｘ＝０．３になるように調整されている。ｘの値と
バンドギャップエネルギーの関係を図１７のグラフに示
す。同図より、ｘの値が大きくなるに従ってバンドギャ
ップエネルギーが増加することが判る。

【００４９】半導体基板１２１の不純物濃度は１０¹⁸ｃ
ｍ^-3程度が最適である。また光吸収層１２２の濃度は１
×１０¹⁵ｃｍ^-3程度が、遷移放射層１２３の不純物濃度
は１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度がそれぞれ最適である。半導体
基板１２１の厚さは３００μｍ、光吸収層１２２の厚さ
は５μｍ、遷移放射層１２３の厚さは０．３μｍであ
る。図には示していないが、Ｎｉ電極１２４の表面およ
び電極の窓より露出した遷移放射層１２３の表面には、
数原子層程度のＣｓ及びＮａ金属の酸化物が塗布されて
いる。

【００５０】次に、第５の実施例に係る光電子放射陰極
について、図１８（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図１
８（ａ）は第５の実施例に係る光電子放射陰極１３０の
構造を示す斜視図である。また、図１８（ｂ）は光電子
放射陰極１３０に２Ｖのバイアスを印加した状態のバン
ド図である。図１８（ａ）より、第５の実施例の光電子
放射陰極１３０は、ｐ型のＧａＡｓの半導体基板１３１
の上面に、傾斜型バンド構造を持つ光吸収層１３２と、
II−VI族化合物半導体であるｐ型ＺｎＳの遷移放射層１
３３と、Ｎｉ電極１３４とを順次形成したもので、Ｎｉ
電極１３４はショットキー接合をなしている。また、半
導体基板１３１の裏面には、Ａｕ−Ｚｎ合金の電極１３
５が形成されており、電極１３５はオーミック接合をな
している。Ｎｉ電極１３４は図３に示したＮｉ電極２４
と同様のメッシュ形状を有している。Ｎｉ電極１３４の
厚さは５００Åである。

【００５１】光吸収層１３２には、II−VI族化合物半導
体であるｐ型のＺｎ_(1-x) Ｃｄ_x Ｓ_y Ｓｅ_(1-y) が用い
られている。ｘ、ｙの値は、再深部でＧａＡｓの５．６
５Åと一致しバンドギャップエネルギーが２．７８ｅＶ
であるｘ＝０．４６、ｙ＝０．８２の値に設定されてい
る。表面に近づくにつれてｘの値は小さく、逆にｙの値
は大きくなる。光吸収層１３２の最上部ではバンドギャ
ップエネルギーが３．６６ｅＶであるｘ＝０、ｙ＝１に
なるように調整されている。ｘ、ｙの値とバンドギャッ
プエネルギーの関係を図１９のグラフに示す。同図よ
り、光吸収層１３２のｘ，ｙの値は一点鎖線１４０上を
推移していることが判る。

【００５２】半導体基板１３１の不純物濃度は１０¹⁸ｃ
ｍ^-3程度が最適である。また光吸収層１３２の濃度は１
×１０¹⁵ｃｍ^-3程度が、遷移放射層１３３の不純物濃度
は１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度がそれぞれ最適である。半導体
基板１３１の厚さは３００μｍ、光吸収層１３２の厚さ
は５μｍ、遷移放射層１３３の厚さは０．５μｍであ
る。図には示していないが、Ｎｉ電極１３４の表面およ
び電極の窓より露出した遷移放射層１３３の表面には、
数原子層程度のＮａ金属の酸化物が塗布されている。

【００５３】図２０は、第１の実施例に係る光電子放射
陰極２０を、サイドオン型の光電子増倍管に応用した例
を示す断面概略図である。同図より、光電子増倍管１５
０は、ガラスバルブ１５１の内部に、光電子放射陰極２
０と２次電子増倍面１５２と電子収集陽極１５３とを収
めた構造を有している。ガラスバルブ１５１内は真空に
保たれている。ガラスバルブ１５１の側面部からの被測
定光が光電子放射陰極２０に入射すると、光電子放射陰
極２０から光電子が放出される。この光電子は２次電子
増倍面１５２で増倍され、出力信号として電子収集陽極
１５３に収集される。

【００５４】図２１は、第３の実施例で示した光電子放
射陰極１１０を、ヘッドオン型の光電子増倍管１６０に
応用した例を示す断面概略図である。同図より、光電子
増倍管１６０は、ガラスバルブ１６１の内部に、光電子
放射陰極１１０と２次電子増倍面１６２と電子収集陽極
１６３とを収めた構造を有している。ガラスバルブ１６
１内は真空に保たれている。ガラスバルブ１６１の頭部
からの被測定光が光電子放射陰極１１０に入射すると、
光電子放射陰極１１０から光電子が放出される。光電子
放射陰極１１０は管軸に対して１５度傾けて配置されて
いるので、光電子放射陰極１１０から放出された光電子
は２次電子増倍面１６２に向かう。２次電子増倍面１６
２で光電子は増倍され、出力信号として電子収集陽極１
６３に収集される。

【００５５】図２２は、図２１に示した光電子増倍管１
６０を用いたスペクトル測定装置１７０の構成を示す図
である。光電子放射陰極１１０の光吸収層１１２と遷移
放射層１１３のキャリア濃度と厚さ、及びこの光電子放
射陰極１１０の分光感度特性は、バイアス電圧の大きさ
に応じて図２３のように変えられるように設定してあ
る。図２２より、光電子増倍管１６０の電子収集陽極１
６３には、増幅器１７１と信号処理装置１７２が接続さ
れている。また光電子放射陰極１１０のＮｉ薄膜電極１
１４と電極１１５には、それぞれ安定化可変電源１７３
と高圧電源１７４が接続されている。さらに光電子増倍
管１６０のバルブ頭部には短波長カットフィルター１７
５が備えられている。このように短波長カットフィルタ
ー１７５が備えられているのは、遷移放射層１１３を構
成するＩｎＰのバンドギャップエネルギーよりも高い光
子エネルギーを持つ光（短波長光）は誤差の原因となる
ので、このような短波長光をカットする必要があるから
である。

【００５６】発光体１７６から放射された光は光電子増
倍管１６０で増倍され、電子収集陽極１６３から電流信
号として出力される。この電流出力は増幅器１７１で増
幅され、信号処理装置１７２に与えられる。信号処理装
置１７２では、増幅器１７１からの増幅信号に基づいた
制御信号を安定化可変電源１７３に与え、光電子放射陰
極１１０に印加するバイアスを変化させている。

【００５７】このように安定化可変電源１７３を用いて
光電子放射陰極１１０に印加するバイアスを変化させた
場合、図２４に示すような電流出力が光電子増倍管１６
０から得られたとする。図２３に示す入射光の波長と分
光感度の関係を元に出力を演算すれば、図２５に示すよ
うな発光体１７６のスペクトルを得ることができる。こ
の場合の演算方法は、各印加電圧での出力の差分を取
り、限界波長の増分と対応させる手法である。分解能を
高めるには、微分を取ればよい。ここでは微分は信号処
理装置１７２内で数値演算によって行うことを想定して
いるが、微分回路を用いてもよい。

【００５８】また、光電子放射陰極１１０の光吸収層１
１２の厚さが薄い場合には、光の進入長が限界波長に与
える誤差が大きくなり、図２６に示すようなブロードな
カットオフ特性を持つ分光感度特性になる。この場合に
は、微分操作ではスペクトルの誤差が大きくなるため、
別の信号処理が必要になる。この信号処理は、まず予め
各電圧での分光感度特性Ｒｓ（λ、Ｖ）を求める。そし
て、各電圧で得た信号をＰ（Ｖ）とすると、測定したい
光のスペクトル分布Ｉ（λ）とこれらの関係は次の式で
表すことができる。

【００５９】

【数１】

【００６０】この演算関係からＩ（λ）を算出すること
が可能である。また、有限な分解能においては、（１）
式は行列Ｐ（Ｖ）、Ｒｅ（λ，Ｖ）、Ｉ（λ）を用いて Ｐ＝Ｒｓ・Ｉ （２） となり、Ｒｓの逆行列Ｒｅ^-1を求めれば、 Ｉ＝Ｒｅ^-1Ｐ （３） となる。このような演算により光のスペクトルＩ（λ）
を求めることができる。

【００６１】なお、本発明の各実施例では、ショットキ
ー電極（Ｎｉ電極２４，１２４，１３４、Ａｕ電極１０
４、Ｎｉ薄膜電極１１４）の窓から露出した遷移放射層
２３，１０３，１１３，１２３，１３３の表面には、ア
ルカリ金属（Ｃｓ金属、Ｎａ金属）の酸化膜が形成され
ているが、アルカリ金属の酸化膜に限定されることな
く、アルカリ金属またはアルカリ金属のフッ化化合物で
あってもよい。

【００６２】また、III −Ｖ族化合物半導体の遷移放射
層の例としてＩｎＰを、II−VI族化合物半導体の遷移放
射層の例としてＺｎＳをそれぞれ挙げて説明したが、こ
れらの化合物半導体に限定されることなく、他の化合物
半導体であってもよい。

【００６３】

【発明の効果】第１の発明の光電子放射陰極であれば、
オーミック電極とショットキー電極間の印加バイアスを
調整して、電子放射層内の電界を充分に高くし、電子放
射層内に注入された光電子に対しての電子放射効率を１
になるようにすることにより、さらに印加バイアスを高
くした結果広がる空乏層厚に対応して、波長の短い方の
光（光子エネルギーの高い方の光）から順次光電子放射
させることができ、限界波長を所望の値に制御すること
ができる。

【００６４】微弱光検出において最大限に注意を払わな
ければならないことは、いかに暗電流放射を押さえるか
である。暗電流放射の第一原因は熱電子放射である。光
電子放射の限界波長が長くなると、その分だけより低温
での熱電子放射が可能になり、暗電流量は増加してく
る。したがって、微弱光検出においては、検出器の限界
波長は、可能な限り短くすべきである。この光電子放射
陰極では限界波長を自由に設定できるため、常に最適な
状態での微弱光検出が可能になる。

【００６５】また、第２の発明の光電変換電子管であれ
ば、電圧制御手段によって光電子放射陰極のオーミック
電極とショットキー電極間に印加されるバイアスを変化
させることにより、光電子放射陰極に形成される空乏層
厚を変えることができる。空乏層厚の変化に伴って限界
波長が変化し、電子収集陽極に収集される光電子量（光
電子放射電流）は限界波長の変化により変動する。よっ
て、この光電子放射電流の変動分を測定することによ
り、容易に波長領域の光強度を算出することができる。

【００６６】さらに、第３の発明のスペクトル測定装置
であれば、電圧制御手段によって光電子放射陰極のオー
ミック電極とショットキー電極間の印加バイアスを変化
させれば、電子収集陽極を流れる光電子放射電流も変化
する。印加バイアスの変化量および光電子放射電流の変
化量は解析手段に与えられ、事前に解明された印加バイ
アス量と限界波長の関係から入射光のスペクトルが解析
される。

【００６７】このように光電子放射陰極への印加バイア
スを変化させ、得られた光電子放射電流の変化から、入
射光のスペクトルを得る手法は、極めて微弱な領域での
分光検出が可能となる。なぜなら、分光のために分光器
などの装置を被分光光源と測定装置との間に挿入するこ
とは、測定装置から見た光源の立体角を大幅に制限する
ことになり、微弱光領域の測定では極めて不利な手法に
なる。このスペクトル測定装置の手法によれば、被分光
光源に可能な限り測定装置を近づけることが可能となる
ため、立体角は大幅に増加し、微弱光領域での分光検出
が可能になるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係る光電子放射陰極を備えた光
電管の構造を示す斜視図である。

【図２】Ｇａ_x Ｉｎ_(1-x) Ｐ_y Ａｓ_(1-y) の組成図であ
る。

【図３】Ｎｉ電極の具体的な構造を示す斜視図である。

【図４】光電子放射陰極にバイアスを印加した状態のバ
ンド図である。

【図５】光電子放射陰極への印加バイアスとＮｉ電極か
ら広がる空乏層厚みの関係等を示す図である。

【図６】本実施例の動作原理を説明する光電子放射陰極
のバンド図である。

【図７】本実施例の動作原理を説明する光電子放射陰極
のバンド図である。

【図８】光電子放射陰極のバンド図である。

【図９】第２の実施例に係る光電子放射陰極の構造を示
す斜視図である。

【図１０】Ａｕ電極の具体的な構造を示す斜視図であ
る。

【図１１】光電子放射陰極にバイアスを印加した状態の
バンド図である。

【図１２】光電子放射陰極への印加バイアスとＡｕ電極
から広がる空乏層厚みの関係等を示す図である。

【図１３】第３の実施例に係る光電子放射陰極の構造を
示す斜視図である。

【図１４】（Ａｌ_x Ｇａ_(1-x) ）_y Ｉｎ_(1-y) Ａｓの組
成図である。

【図１５】Ｎｉ薄膜電極の具体的な構造を示す斜視図で
ある。

【図１６】第４の実施例に係る光電子放射陰極の構造を
示す斜視図である。

【図１７】ＧａＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーの
関係を示す図である。

【図１８】第５の実施例に係る光電子放射陰極の構造を
示す斜視図である。

【図１９】Ｚｎ_(1-x) Ｃｄ_x Ｓ_y Ｓｅ_(1-y) のバンドギ
ャップエネルギーの関係を示す図である。

【図２０】サイドオン型の光電子増倍管を示す断面概略
図である。

【図２１】ヘッドオン型の光電子増倍管を示す断面概略
図である。

【図２２】スペクトル測定装置の構成を示す図である。

【図２３】実施により得られた光電子放射陰極の分光感
度曲線を示す図である。

【図２４】バイアスを変化させた場合に得られる光電子
増倍管からの出力電流の変化特性を示す図である。

【図２５】差分演算により得られた照射光の光スペクト
ル図である。

【図２６】実施により得られた光電子放射陰極の分光感
度曲線を示す図である。

【図２７】従来の光電子放出陰極の構造を示す斜視図お
よびバンド図である。

【図２８】従来の光電子放出陰極の構造を示す断面図お
よびバンド図である。

【図２９】従来のフォトダイオードの構造を示す断面図
である。

【符号の説明】

１０…支持板、２０，１００，１１０，１２０，１３０
…光電子放射陰極、２１，１０１，１１１，１２１，１
３１…半導体基板、２２，１０２，１１２，１２２，１
３２…光吸収層、２３，１０３，１１３，１２３，１３
３…遷移放射層、２４，１２４，１３４…Ｎｉ電極、２
５，１０５，１１５，１２５，１３５…電極、３０…電
子収集陽極、４０…ガラスバルブ、５０，５１…端子導
線、６０…バイアス電源、７０…高圧電源、７１…電流
計、１０４…Ａｕ電極、１１４…Ｎｉ薄膜電極、１４０
…一点鎖線、１５０，１６０…光電子増倍管、１５１，
１６１…ガラスバルブ、１５２，１６２…２次電子増倍
面、１５３，１６３…電子収集陽極、１７０…スペクト
ル測定装置、１７１…増幅器、１７２…信号処理装置、
１７３…安定化可変電源、１７４…高圧電源、１７５…
短波長カットフィルター、１７６…発光体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 広司 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 新垣 実 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板から離れ
   るにしたがってバンドギャップ幅が大きいｐ型光吸収層
   と、 前記ｐ型光吸収層上に形成され、前記ｐ型光吸収層との
   接合面の伝導帯の最小点と充満帯の最大点がほぼ同一で
   層内のバンドギャップ幅がほぼ均一な遷移放射層と、 前記半導体基板の前記ｐ型光吸収層が形成された面の裏
   面に形成されたオーミック電極と、 前記遷移放射層上に形成されたショットキー電極とを備
   えることを特徴とする光電子放射陰極。
2. 【請求項２】 前記ｐ型光吸収層には、Ｇａ_x Ｉｎ
   _(1-x) Ｐ_y Ａｓ_(1-y) または（Ａｌ_x Ｇａ_(1-x) ）_y Ｉ
   ｎ_(1-y) Ａｓで表すことができる化合物半導体が用いら
   れていることを特徴とする請求項１記載の光電子放射陰
   極。
3. 【請求項３】 前記遷移放射層には、III −Ｖ族化合物
   半導体とその混晶半導体、またはII−VI族化合物半導体
   とその混晶半導体が用いられ、前記遷移放射層の厚さ
   は、０．３μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴と
   する請求項１または請求項２記載の光電子放射陰極。
4. 【請求項４】 前記ショットキー電極が形成されていな
   い前記遷移放射層の表面にアルカリ金属、アルカリ金属
   の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化化合物が塗布さ
   れていることを特徴とする請求項１から請求項３のいず
   れかに記載の光電子放射陰極。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
   の光電子放射陰極と、 前記光電子放射陰極から放出された光電子を収集する電
   子収集陽極と、 前記光電子放射陰極および前記電子収集陽極を収納する
   真空容器と、 前記光電子放射陰極のオーミック電極とショットキー電
   極間の印加バイアスを制御する電圧制御手段とを備える
   ことを特徴とする光電変換電子管。
6. 【請求項６】 請求項５記載の光電変換電子管と、 前記電圧制御手段により変化する印加バイアスの変化量
   とこの変化量に応じた光電子放射電流の変化量とから入
   射光のスペクトルを解析する解析手段とを備えることを
   特徴とするスペクトル測定装置。