JPH08153461A

JPH08153461A - 半導体光電陰極およびこれを用いた半導体光電陰極装置

Info

Publication number: JPH08153461A
Application number: JP29297794A
Authority: JP
Inventors: Tokuaki Futahashi; 得明二橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1996-06-11
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP3433537B2

Abstract

(57)【要約】【目的】量子効率を改善すると同時に開口率１００％
で、構造上の画素分離が不要となり、また、信号の変調
も可能となる半導体光電陰極装置を提供する。【構成】半導体基板１０上に光の入射に応答して電子
を発生し、ｐ型の第１不純物濃度を有する第１半導体層
２０（光吸収層）が形成されている。第１半導体層２０
上には、第１不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する
第２不純物濃度のｐ型第２半導体層３０（電子移送層）
が形成されている。ショットキ電極５０は、ｐ型第２半
導体層３０とショットキ接触をなしている。また、ｐ型
第２半導体層３０の表面であって、ショットキ電極５０
の開口内には第３半導体層４０（活性層）が形成されて
いる。ｐ型第２半導体層３０内には第３不純物濃度の半
導体部６０（チャネル格子）が埋設されている。半導体
部６０には、リードピンＲＥ５が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の入射により発生し
た電子を外部から電圧を印加することにより加速して放
出する半導体光電陰極に関する。

【０００２】

【従来の技術】外部バイアス電圧により、半導体内部に
電界を形成して光電子を放出面まで移送させて真空中に
放出させる光電陰極としては、米国特許３９５８１４３
号に示されているＴ．Ｅ．光電陰極がある。Ｔ．Ｅ．光
電陰極の動作機構はいくつかの文献で示されている通り
であり、簡単に説明するならばＩＩＩ−Ｖ族半導体（ｐ
^-）表面全面にショットキ電極を形成して正の電位を与
えることにより、光電陰極内部に傾斜電場を形成して光
電子を形成して光電子を加速させ上位伝導帯に遷移させ
て表面障壁を越えさせ、真空中に放出させる。光応答波
長に関しては、２．１μｍまで確認されその有効性が示
されている。また、この半導体光電陰極の光電変換効率
を向上させるために、ショットキ電極の形状を全面から
格子状に工夫することで効率の向上も図られている。

【０００３】また、米国特許５０４７８２１号や特開平
４−２６９４１９号公報には、半導体光電陰極を安定し
て再現性よく製造する技術が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の半導体光電陰極の量子効率は０．１％と通常の光検出
器と比較して低く、実用的な光検出器として用いるため
には、さらなる量子効率の向上が望まれる。この量子効
率の低さは、光電子の表面に形成されるショットキ電極
への捕獲に起因していると考えられる。

【０００５】本発明は以上の問題に鑑みてなされたもの
であり、さらに量子効率を改善することができる半導体
光電陰極およびこれを用いた半導体光電陰極装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射した光に
感応して発生した電子を外部から電圧を印加することに
より加速して放出する半導体光電陰極および半導体光電
陰極装置（光検出管、イメージ管、光電子増倍管、スト
リークカメラ、イメージインテンシファイアなど）を対
象とするものである。そして、この半導体光電陰極は、
ｐ型の第１半導体層（光吸収層）と、第１半導体層上に
形成されたｐ型の第２半導体層（電子移送層）と、開口
を有し、第２半導体層とショットキ接触を成して前記第
２半導体層の表面を覆うように形成されたショットキ電
極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有
し、ショットキ電極の開口内に形成された第３半導体層
（活性層）と、ショットキ電極をその厚み方向に貫く延
長線上であって、第２半導体層の内部に配置された半導
体部（チャネル格子）と、この半導体部に電圧を印加す
るために設けられた導電体（リードピンなどの導電部
材、導電膜を含む）とを具備することとした。

【０００７】また、このような半導体光電陰極の他の構
成として、ｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に形
成されたｐ型の第２半導体層と、第２半導体層上に形成
された半導体部と、開口を有し、半導体部とショットキ
接触を成して半導体部の表面を覆うように形成されたシ
ョットキ電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕
事関数を有し、ショットキ電極の開口をその軸方向に貫
ぬく延長線上であって、第２半導体層上に形成された第
３半導体層と、この半導体部に電圧を印加するために設
けられた導電体（リードピンなどの導電部材、導電膜を
含む）とを備えることとしてもよい。

【０００８】そして、本発明は、このような半導体光電
陰極と陽極とを大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提
供する密閉容器内に有する半導体光電陰極装置を対象と
するものである。この半導体光電陰極装置においては、
半導体基板と、半導体基板上に形成されたｐ型の第１半
導体層と、第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導
体層と、開口を有し、第２半導体層とショットキ接触を
成して第２半導体層の表面を覆うように形成されたショ
ットキ電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事
関数を有し、ショットキ電極の開口内に形成された第３
半導体層と、ショットキ電極をその厚み方向に貫く延長
線上であって、第２半導体層の内部に配置された半導体
部と、ショットキ電極に電気的に接続され、密閉容器を
貫通する第１接続ピンと、半導体基板または第１半導体
層に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第２接続ピ
ンと、半導体部に電気的に接続され、密閉容器を貫通す
る第３接続ピンと、を備え、陽極は、この陽極に電気的
に接続され、密閉容器を貫通する第４接続ピンを備える
こととした。

【０００９】この半導体光電陰極装置は、半導体光電陰
極と陽極との間に配置された電子増倍器を含むこととし
てもよく、また、陽極は、蛍光物質を含む部材からなる
こととしてもよい。電子増倍器は、ダイノードなどから
構成されるものであり、半導体光電陰極から出力された
電子を増倍して陽極に入力する。この陽極が蛍光物質を
含む部材を含んでいる場合には、半導体光電陰極に入力
された光をこの蛍光物質に照射することにより、入射し
た光を蛍光に変換して半導体光電陰極装置から出力する
ことができる。

【００１０】この半導体光電陰極は、入射した光を光電
変換する第１の手段（２０）と、光電変換により生成さ
れた電子流を狭搾する第２の手段（６０）と、第２の手
段に所定の電位を与える第３の手段（ＲＥ５）と、第２
の手段により狭搾された電子流を半導体光電陰極の外部
に放出する第４の手段（４０）とを備えるものである。

【００１１】

【作用】本発明の半導体光電陰極は、まず、光や電磁波
がｐ型第１半導体層に入射することによって、第１半導
体層では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導帯
のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー準
位）に励起されている。そして、ショットキ電極には第
１半導体層よりも高い電位が与えられるので、これによ
り発生した電界に力を受けて発生した電子はショットキ
電極方向へ走行する。第２半導体層は、第１半導体層よ
りもその不純物濃度が低い場合には、第２半導体層内に
は、も広い範囲に空乏層領域が発生する。この空乏層領
域には電界が生じており、走行中の電子はエネルギーを
受け取って伝導帯中のガンマ谷の下限のエネルギー準位
よりもさらに上の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ
谷のより高いエネルギー準位（第２エネルギー準位）に
励起されてショットキ電極方向に走行する。

【００１２】一方、第２半導体層の内部には、ショット
キ電極をその厚み方向に貫く延長線上に半導体部が配置
されており、この半導体部に導電体（第３接続ピン）を
介して所定の電位が与えられるので、この半導体部の存
在に起因して発生するポテンシャル障壁により、走行中
の電子の軌道は曲げられて、半導体光電陰極からの電子
の放出を制御することができる。すなわち、半導体部に
第１半導体層よりも高い電位（正の電位）を与えれば、
電子（負の電荷を有する）はこの半導体部に吸収され、
負の電位を与えれば、電子は半導体部から離れる方向に
進行する。ショットキ電極の開口内または開口を貫く軸
の延長線上には第３半導体層が形成されているので、電
子はこの第３半導体層内に導入される。第３半導体層
は、第２半導体層の仕事関数よりも小さな仕事関数を有
しており、電子は第３半導体層から容易に真空中へ放出
される。この第３半導体層は、仕事関数が低いアルカリ
金属を主成分とする化合物半導体などで作られる。すな
わち、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−
Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ
−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、
Ａｇ−Ｏ−Ｃｓなどの組み合わせが列挙される。

【００１３】また、この半導体部は環状の部分を有して
おり、この環状の部分内の面積は、ショトキ電極の開口
内の面積よりも小さいこととすれば、電子は半導体部に
よって効率よく開口方向へ集束される。さらに、このよ
うな環状の部分が複合してメッシュ形状を構成すること
とすれば、第３半導体層の表面から高い均一性で電子を
放出することができる。

【００１４】また、このような半導体光電陰極と陽極と
を密閉容器内に配置して形成した半導体光電陰極装置
は、第１接続ピンと第２接続ピンとの間に第１接続ピン
の電位が第２接続ピンの電位よりも高くなるように電圧
を印加するとともに、第２接続ピンと第４接続ピンとの
間に第４接続ピンの電位が第１接続ピンの電位よりも高
くなるように電圧を印加して使用する。この状態で前述
の半導体光電陰極から放出された電子は陽極で収集され
る。したがって、この陽極に接続された第４接続ピンか
ら入射した光または電磁波に対応した電流を取り出すこ
とができる。なお、この半導体光電陰極と陽極との間
に、半導体光電陰極から放出された電子を増倍するため
のダイノードやマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）
をさらに配置することとしてもよい。

【００１５】また、このような半導体光電陰極装置にお
いて、第１半導体層は、この第１半導体層と半導体基板
との界面近傍に、第１半導体層内の第２半導体層側の領
域のエネルギーバンドギャップと半導体基板のエネルギ
ーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギ
ャップを有する第２グレーデッド層を有することとすれ
ば、半導体基板とｐ型第１半導体層との界面の結晶性を
良好に保持してリーク電流や再結合電流を減少させるこ
とができる。

【００１６】また、第２半導体層は、この第２半導体層
と第１半導体層との界面近傍に、第２半導体層内の第３
半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと第１半
導体層のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエ
ネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層を
有することとしても第２半導体層と第１半導体層との界
面の結晶性を良好に保持してリーク電流や再結合電流を
減少させることができる。また、半導体部は、ストライ
プ状に配置された半導体部分を含むこととしてもよい。
これらの半導体部は、互いに交差する第１半導体部分
（６０ａ）と第２半導体部分（６０ｄ）とを備えること
としてもよい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係る半導体光電陰極の一実施
例について添付図面を用いて説明する。なお、同一要素
には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略す
る。

【００１８】図１は、第１実施例に係る半導体光電陰極
の斜視図である。

【００１９】本実施例の半導体光電陰極ＣＴは、まず、
半導体基板１０上に光の入射に応答して電子を発生する
ｐ型の第１半導体層２０（光吸収層）が形成されてい
る。この第１半導体層２０は第１不純物濃度を有してお
り、この第１半導体層２０上には、第１不純物濃度より
も低い不純物濃度を有する第２不純物濃度のｐ型の第２
半導体層３０（電子移送層）が形成されている。そし
て、第２半導体層３０の表面を覆うように開口を有する
網目（メッシュ）形状もしくは格子形状のショットキ電
極５０が形成されている。ショットキ電極５０は、第２
半導体層３０とショットキ接触をなしている。

【００２０】また、第２半導体層３０の表面であって、
ショットキ電極５０の開口内には第３半導体層４０（活
性層）が形成されている。この第３半導体層４０は、第
２半導体層３０の仕事関数より小さな仕事関数を有して
いる。第２半導体層３０の内部には、第２不純物濃度程
度もしくはこれ以上の不純物濃度を有する第３不純物濃
度の半導体部６０（チャネル格子）が埋設されている。
そして、半導体部６０は、ショットキ電極５０をその厚
み方向に貫く延長線上に設置されている。

【００２１】ここで、半導体部６０にはオーミック電極
６０１を介して導電体たるリードピンＲＥ５が電気的に
接続されている。オーミック電極６０１は、半導体部６
０にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉをこの半導体部６０の一端に蒸着
後、シンタリングすることによって形成することとして
もよいし、また、ＩｎＰにＡｌを蒸着することによって
形成することとしてもよい。

【００２２】また、この半導体部６０は網目（メッシ
ュ）形状もしくは格子形状を有しており、この格子形状
の１つの格子の目で規定される環状の部分内の面積は、
ショトキ電極５０の開口内の面積よりも小さい。なお、
半導体部６０の形状は、ショットキ電極の形状と対応し
ている。これにより、電子は半導体部６０によって効率
よく開口方向へ曲げられ、また、この電子は半導体部６
０が格子形状であるので、第３半導体層の表面から高い
均一性で放出されることになる。なお、ｐ型第１半導体
層２０にはオーミック電極７０が設置されている。

【００２３】本実施例においては、これらの半導体層の
構成材料や層厚は以下のように設定される。

【００２４】半導体基板１０は（１００）ｐ型ＩｎＰ半
導体基板であり、第１半導体層２０は半導体基板１０に
エピタキシャル成長によって形成された不純物濃度１×
１０¹⁸〜１０²⁰／ｃｍ³のｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体であ
る。そして、第１半導体層２０の膜厚はこの層の電子拡
散長で決定される厚さ（例えば、１．５〜２．５μｍ）
が適当である。ｐ型の第２半導体層３０は厚さ１．０〜
１０μｍ、不純物濃度約１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０
¹⁴／ｃｍ³のｐ型ＩｎＰ半導体であり、半導体部６０は
不純物濃度１×１０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³のｐ⁺のＡ
ｌＡｓＳｂ半導体である。第３半導体層４０はｐ型第２
半導体層３０の仕事関数より小さな仕事関数を有する
（Ｃｓ・Ｏ）半導体である。

【００２５】また、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ
−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ
−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ
−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓ、などの組み合わせが列挙
される。なお、これらの半導体層の材料は、以下の物質
も選択しうる。すなわち、［半導体基板１０、ｐ型第１
半導体層２０（光吸収層）、ｐ型第２半導体層３０（電
子移送層）、半導体部６０（チャネル格子）］の構成材
料の組み合わせは、各層の間で格子整合がとれるもの同
士の組み合わせが妥当であり、この格子整合は各層の格
子定数の差が±０．３％以内であることが望ましい。し
たがって、このような構成材料の組み合わせは以下の表
に示す通りである。

【００２６】

【表１】

【００２７】上記の構成材料の組み合わせにおいては、
半導体部６０と第２半導体層３０とは、第２半導体層３
０内を通過する電子を十分に半導体部６０から離隔させ
るように、ヘテロ接合をなしているが、これらは、ホモ
接合をなしていてもよい。すなわち、半導体部６０の隙
間を流れる電子濃度を増加させるためには、これらがヘ
テロ接合であって、しかも、半導体部６０に負の電圧を
印加することが望ましい。しかし、これらは、半導体部
６０に印加する電圧が、半導体部６０と第２半導体層３
０と間にポテンシャル障壁を形成する程度に高ければ、
ホモ接合であってもよい。

【００２８】次に、この半導体光電陰極ＣＴの動作につ
いて説明する。図２は、図１の半導体光電陰極ＣＴを線
分Ａ−Ａに沿って切った断面図である。なお、同図に
は、第３半導体層４０に対向して設置された陽極９０が
示されている。同図に示すようにオーミック電極７０と
ショットキ電極５０との間には、ショットキ電極５０が
オーミック電極７０よりも高い電位になるような電圧
（例えば、３．５Ｖ）が印加されている。また、オーミ
ック電極７０と陽極９０との間には、陽極９０が、オー
ミック電極７０よりも高い電位になるような電圧（例え
ば、１００Ｖ）が印加されている。なお、この半導体光
電陰極ＣＴおよび陽極９０は１０^-10ｔｏｒｒ以下の環
境下に配置されている。この半導体光電陰極ＣＴおよび
陽極９０の配置される環境の圧力は、電子放出の観点か
らは少なくとも大気圧以下の圧力であって１０^-5ｔｏｒ
ｒ以下であることが望ましい。また、半導体部６０とオ
ーミック電極７０との間には、図示のように負の電圧が
印加されている。

【００２９】このような条件下の半導体光電陰極ＣＴに
光や電磁波が入射すると、まず、光や電磁波がｐ型の第
１半導体層２０に入射することによって、第１半導体層
２０では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導帯
のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー準
位）に励起されている。そして、ショットキ電極５０に
は第１半導体層よりも高い電位が与えられるので、これ
により発生した電界に力を受けて発生した電子はショッ
トキ電極５０方向へ走行する。ｐ型の第２半導体層３０
は、第１半導体層２０よりもその濃度が低いので、第２
半導体層３０内には、第１半導体層２０よりも強い電界
が発生する。この強い電界により走行中の電子はエネル
ギーを受け取って伝導帯中のガンマ谷の下限のエネルギ
ー準位よりもさらに上の衛星谷（ＬまたはＸ谷）または
ガンマ谷より高いエネルギー準位（第２エネルギー準
位）に励起されてショットキ電極５０方向に走行する。

【００３０】ここで、第２半導体層３０の内部には、シ
ョットキ電極５０をその厚み方向に貫く延長線上に第３
不純物濃度の半導体部６０が埋設されているので、この
半導体部６０の存在に起因して発生するポテンシャル障
壁により、走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はシ
ョットキ電極５０の開口方向へ走行する。ショットキ電
極５０の開口内には第３半導体層４０が形成されている
ので、電子はこの第３半導体層４０内に導入される。第
３半導体層４０は、第２半導体層３０の仕事関数より小
さな仕事関数を有しており、電子は第３半導体層４０か
ら容易に真空中へ放出される。放出された電子は、陽極
９０方向に力を受けて、陽極９０方向に進行する。

【００３１】次に、この半導体光電陰極ＣＴにおける電
子の走行について、エネルギーバンド図を用いて説明す
る。

【００３２】図３（ａ）は、図１の半導体光電陰極ＣＴ
の線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して
示した平面図である。また、同図（ｂ）および（ｃ）
は、それぞれ、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面および線分
Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバ
ンド図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半導
体光電陰極ＣＴのショットキ電極５０にバイアスを印加
しない場合のエネルギーバンド図である。

【００３３】同図から明らかなように、半導体部６０
は、第２半導体層３０よりも広いエネルギーバンドギャ
ップを有している上に、不純物濃度が高いので、半導体
部６０の伝導帯Ｅｃの下端のエネルギー準位はｐ型の第
２半導体層よりも正の方向へシフトしており（ポテンシ
ャルは負の方向へシフトしている）、半導体光電陰極Ｃ
Ｔ内部には、励起された電子がショットキ電極５０方向
に進行しにくいポテンシャル障壁が形成されている。さ
らに、この半導体部６０には、負の電圧が印加されてい
る。したがって、半導体部６０の伝導帯の下端のエネル
ギー準位は、さらに図面の上側にシフトされており、電
子がこの電極５０方向に進行しにくいポテンシャル障壁
が形成されている。

【００３４】次にこの半導体光電陰極ＣＴのショットキ
電極５０にバイアスを印加した場合の電子の振る舞いを
図４を用いて説明する。

【００３５】図４（ａ）は、図１の半導体光電陰極ＣＴ
の線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して
示した平面図である。また、同図（ｂ）および（ｃ）
は、それぞれ、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面および線分
Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバ
ンド図である。なお、図５は、図４に示した電子の挙動
をさらに分かりやすく説明するための説明図である。

【００３６】図４（ｃ）から明らかなように、ショット
キ電極５０にバイアスを印加した場合においても半導体
部６０には、負の電位が与えられているので、励起され
た電子Ｅ１がショットキ電極５０方向に進行しにくいポ
テンシャル障壁として機能する。このようなポテンシャ
ル障壁により、第２半導体層３０中を走行する電子Ｅ１
は、その軌道を変化させられて半導体部６０を避けて第
３半導体層４０方向に進行する。

【００３７】ショットキ電極５０にバイアスが印加され
ると、電子Ｅ１は、その進行方向が第２半導体層３０上
のショットキ電極５０の形成されていない領域に形成さ
れた第３半導体層４０方向に曲げられる。すなわち、電
子Ｅ１は半導体部６０とこの半導体部６０に隣接した半
導体部６０との間の領域Ｒを通過するので、線分Ａ−Ａ
断面上を通過する電子流の密度は増加することになる
（図５参照）。この半導体層６０によって挟まれた領域
Ｒを通過する際には、図４（ｂ）のように、伝導帯Ｅｃ
のガンマ谷の下限のエネルギー準位に励起された状態で
第２半導体層３０内を進行する電子Ｅ１は、第２半導体
層３０内に発生させられた電界により加速されてエネル
ギーを得、このエネルギー準位よりもさらに高いエネル
ギー準位の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ谷のよ
り高いエネルギー準位に励起されている。電子が、半導
体層６０で挟まれた領域Ｒを通過後、第３半導体層４０
に進入するまでの間には、発散する方向の力が電子に働
くが、この間の距離を例えば０．５〜２．０μｍとし、
また、半導体層６０とショットキ電極５０の幅を、半導
体層６０の幅≧ショットキ電極５０の幅となるように設
定すれば、現実的に半導体基板１０、第１半導体層２０
および第２半導体層３０において発生した電子Ｅ１のほ
とんどは、ショットキ電極５０に吸収されることなく第
３半導体層４０に進入する。第３半導体層４０の仕事関
数は第２半導体層３０よりも小さく、図４（ｂ）および
図５に示すように電子Ｅ１は効率よく真空中に放出され
る。

【００３８】図６は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴ
が密閉容器内に収納された半導体光電陰極装置を一部破
断して示す斜視図である。

【００３９】本半導体光電陰極装置は、大気圧よりも低
い圧力（１０^-5ｔｏｒｒ以下であって望ましくは１０
^-10ｔｏｒｒ以下の圧力）の環境を内部に提供する密閉
容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備えてい
る。半導体光電陰極ＣＴは、これに電気的に接続された
第１接続ピン１および第２接続ピン２を有しており、陽
極９０はこれに電気的に接続された第４接続ピン９０ａ
を有している。第１接続ピン１、第２接続ピン２および
第４接続ピン９０ａは密閉容器１００を貫通している。
また、半導体部６０に電気的に接続された第３接続ピン
ＲＥ５も密閉容器１００を貫通している。

【００４０】なお、半導体光電陰極ＣＴの陽極９０側に
は光や電磁波が入射される入射窓１１０が配置されてい
る。入射窓１１０は、容器１００に接着することとして
もよい。

【００４１】このような半導体光電陰極ＣＴと陽極９０
とを密閉容器１００内に配置して形成した半導体光電陰
極装置は、第１接続ピン１と第２接続ピン２との間に第
１接続ピン１の電位が第２接続ピン２の電位よりも高く
なるように電圧を印加するとともに、第２接続ピン２と
第４接続ピン９０ａとの間に第４接続ピン９０ａの電位
が第１接続ピン１の電位よりも高くなるように電圧を印
加して使用する。なお、図１に示した半導体光電陰極Ｃ
Ｔを参照すれば、ショットキ電極５０およびオーミック
電極７０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７
０ａを介して第１接続ピン１および第２接続ピン２に接
続されており、陽極９０は、これに接続された第３接続
ピン９０ａを備えている。

【００４２】次に、図１に示した半導体光電陰極ＣＴの
製造方法について説明する。

【００４３】図７は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴ
の製造方法を半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説
明するための説明図である。

【００４４】まず、半導体基板１０を用意する。そし
て、この半導体基板１０上に、第１半導体層２０、第２
半導体３０ａ、半導体層６０ａおよびレジスト層２００
ａを順次積層した（図７（ａ））。各半導体層の積層は
ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法、ＭＯＣＶＤ
（有機金属気相成長）法などのエピタキシャル成長法を
用いる。

【００４５】その後、レジスト層２００ａを表面から半
導体層６０ａに到達するまでエッチンッグしてメッシュ
状のレジスト２００を形成した（図７（ｂ））。次に、
このレジスト２００をマスクとして半導体層６０ａをエ
ッチングしてメッシュ状の半導体部６０を形成した（図
７（ｃ））。しかる後、第２半導体３０ａおよび半導体
部６０の表面を覆うように第２半導体３０ａを構成する
材料をこれらの第２半導体３０ａおよび半導体部６０上
に堆積して第２半導体層３０を形成した（図７
（ｄ））。さらに、第２半導体層３０上に図１のような
配置になるようにショットキ電極５０を形成した（図７
（ｅ））。次に、大気よりも低圧の環境下でこれを加熱
して第２半導体層３０を清浄化した後，これらショット
キ電極５０および第２半導体層３０を覆うように第３半
導体層４０を堆積して図１に示した半導体光電陰極を得
た。

【００４６】なお、本実施例では、半導体基板１０、第
１半導体層２０および第２半導体層３０としてそれぞれ
ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰを用い、厚さ２００
ｎｍのレジスト膜を用いた。

【００４７】第１半導体層２０の不純物濃度（キャリア
濃度）はｐ⁺（１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³）であ
る。この第１半導体層２０の厚さは１．５〜２．５μｍ
が適当である。第２半導体層３０の不純物濃度（キャリ
ア濃度）はｐ^-（１×１０¹⁷／ｃｍ³以下）である。こ
の第２半導体層３０の厚さは１．０〜１０μｍが適当で
ある。半導体部６０の不純物濃度（キャリア濃度）はｐ
⁺（１×１０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³）である。この半
導体部６０の厚さは０．５〜２．０μｍが適当である。
また、ショットキ電極５０は、Ａｌなどの金属を用いた
真空蒸着法により第２半導体層３０上に堆積することが
できる。また、本製造方法では、第３半導体層４０をＣ
ｓ₂Ｏとし、Ｃｓ₂ＯはＣｓ（セシウム）とＯ（酸素）
の交互蒸着またはこれらの材料を含む原料ガスを交互供
給することにより形成した。

【００４８】なお、図１に示した半導体光電陰極ＣＴの
ｐ型の第１半導体層２０は、図８に示すように、このｐ
型第１半導体層２０と半導体基板１０との界面近傍に、
ｐ型第１半導体層２０内のｐ型第２半導体層３０側の第
１領域２０ａのエネルギーバンドギャップと半導体基板
１０のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネ
ルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層２０
ｂを有することとしても良い。これにより、本半導体光
電陰極ＣＴ１において、半導体基板１０とｐ型第１半導
体層２０との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流
や再結合電流を減少させることができ、また、光電子は
ポテンシャル障壁で反跳されて効率よく第２半導体層３
０に導かれる。

【００４９】また、ｐ型第２半導体層３０は、このｐ型
第２半導体層３０とｐ型第１半導体層２０との界面近傍
に、ｐ型第２半導体層３０内の第３半導体層４０側の第
２領域３０ａのエネルギーバンドギャップと第１半導体
層２０のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエ
ネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層３
０ｂを有することとしてもｐ型第２半導体層３０とｐ型
第１半導体層２０との界面の結晶性を良好に保持してリ
ーク電流や再結合電流を減少させることができる。

【００５０】すなわち、この第２グレーデッド層２０ｂ
は、第１領域２０ａの格子定数と半導体基板１０の格子
定数との中間の格子定数を有し、第１グレーデッド層３
０ｂは、第２領域３０ａの格子定数と第１領域２０ａの
格子定数との中間の格子定数を有している。

【００５１】また、図１に示した半導体光電陰極ＣＴで
は、オーミック電極７０を第１半導体層に設けたが、こ
れは、図９に示すように半導体基板７０の裏面に設置さ
れることとしてもよい。このように、オーミック電極７
０が半導体基板７０に設置されることとすれば、図１に
示した半導体光電陰極ＣＴと比較してオーミック電極７
０を容易にこの半導体基板７０に設置することができ
る。なお、本半導体光電陰極ＣＴ２も図８に示した半導
体光電陰極ＣＴ１と同様に第２グレーデッド層２０ｂお
よび第１グレーデッド層３０ｂを設けることとしてもよ
い。

【００５２】なお、以上の図１、図８および図９を用い
て説明された半導体光電陰極（ＣＴ、ＣＴ１およびＣＴ
２）は、図６に示した密閉容器１００内に設置すること
ができる。

【００５３】次に、半導体光電陰極の他の実施例につい
て説明する。

【００５４】図１０（ａ）は、本実施例に係る半導体光
電陰極の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）
のＡ−Ａ´線分に沿って切った半導体光電陰極の断面図
であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）のＢ−Ｂ´線分
に沿って切った半導体光電陰極の断面図である。

【００５５】この半導体光電陰極は、半導体基板３１
０、半導体基板３１０上に形成された第１半導体層３２
０、第１半導体層３２０上に形成された第２半導体層３
３０、第２半導体層３３０上に形成された第３半導体層
（活性層）３４０、第２半導体層３３０内に埋設された
半導体部３６０、第２半導体層３３０上に形成されたシ
ョットキ電極３５０を備えている。詳説すれば、半導体
基板３１０上には、光の入射に応答して電子を発生する
ｐ型の第１半導体層３２０（光吸収層）が形成されてい
る。この第１半導体層３２０は、第１不純物濃度を有し
ている。この第１半導体層３２０上には、第１不純物濃
度よりも低い不純物濃度を有する第２不純物濃度のｐ型
の第２半導体層３３０（電子移送層）が形成されてい
る。そして、第２半導体層３３０の表面を覆うようなス
トライプ状（櫛型状）のショットキ電極３５０が形成さ
れている。すなわち、ショットキ電極３５０は、ストラ
イプ状の半導体部分を含んでいる。ショットキ電極３５
０は、第２半導体層３３０とショットキ接触をなしてい
る。

【００５６】第２半導体層３３０の表面であって、スト
ライプ（縞）状のショットキ電極３５０の隙間には第３
半導体層３４０（活性層）が形成されている。この第３
半導体層３４０は、第２半導体層３３０の仕事関数より
小さな仕事関数を有している。第２半導体層３３０の内
部には、第２不純物濃度程度もしくはこれよりも高い不
純物濃度を有する第３不純物濃度の半導体部３６０（チ
ャネル格子）が埋設されている。半導体部３６０は、シ
ョットキ電極３５０をその厚み方向に貫く延長線上に設
置されている。本実施例の半導体部３６０は、ストライ
プ形状を有している。この半導体光電陰極に光が入射す
ることによって、半導体光電陰極内において発生した電
子は、半導体光電陰極内の電界によって第１半導体層３
２０から活性層３４０方向に走行する。第２半導体層３
３０内には、櫛形の半導体部３６０が埋設されているの
で、この電子は半導体部３６０によって効率よくストラ
イプ３５０の隙間方向へ曲げらる。ストライプ３５０の
隙間には活性層３４０が配置されているので、この電子
が第３半導体層３４０の表面から高い均一性で放出され
ることになる。なお、半導体基板３１０にはこの基板３
１０にバイアスを印加するためのオーミック電極３７０
が設置されている。また、半導体部３６０には、この半
導体部にバイアスを印加するための電極（リード）ＲＥ
５が電気的に接続されている。

【００５７】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図１１は、実施例に係る半導体光電陰極を一部破断
して示す斜示図である。この半導体光電陰極は、図１に
示したショットキ電極５０をショットキ電極５０ａ，５
０ｂ…に分割したものである。ショットキ電極５０ａと
ショットキ電極５０ｂとは電気的に絶縁されているの
で、電極５０ａにはショットキ電極５０ｂと独立した電
位を印加することができる。なお、他の要素（１０，２
０，３０，４０，６０，７０，ＲＥ５，６０１）の構成
材料および不純物濃度は、図１に示した要素と同じであ
る。

【００５８】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図１２は、この実施例にかかる半導体光電陰極を一
部破断して示す斜示図である。図１３（ａ）は、図１２
に示した半導体光電陰極の平面図であり、図１３（ｂ）
は、図１３（ａ）の半導体光電陰極を線分Ａ−Ａ´に沿
って切った半導体光電陰極の断面図である。なお、図１
３（ａ）は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすく
説明するため、図１３（ｂ）に示される活性層４０が省
略されて描かれている。この半導体光電陰極は、図１１
に示したショットキ電極５０ａ，５０ｂに夫々リード電
極５０ａ´，５０ｂ´を接続したものである。リード電
極５０ａ´の終端部分は、ショットキ電極５０ａに電位
を与えるための端子を構成しており、リード電極５０ｂ
´の終端部分は、ショットキ電極５０ｂに電位を与える
ための端子を構成している。電極５０ａおよび電極５０
ｂと電極５０ｃおよび電５０極ｄとの間にリード電極が
配置されており、このリード電極５０ａ´または５０ｂ
´が活性層４０から放出された電子の通過を邪魔するこ
とがない。なお、他の要素（１０，２０，３０，４０，
６０，７０，ＲＥ５，６０１）の構成材料および不純物
濃度は、図１１に示した要素と同じである。

【００５９】次に、図１２および図１３に示した半導体
光電陰極における電子放出の制御について説明する。以
下では、光が半導体光電陰極に入射することにより電子
を半導体光電陰極内に蓄積する「蓄積モード」、この電
子を放出する「放出モード」、半導体部に外部から電圧
を印加することにより半導体光電陰極内に蓄積された電
子を半導体光電陰極に取り付けられた導体に吸収させる
「吸収モード」について説明する。

【００６０】（蓄積モード）図１４（ａ）は、図１２お
よび図１３に示した半導体光電陰極に陽極９０を接続し
た半導体光電陰極装置の断面図である。同図内におい
て、電極７０は、半導体基板１０に取り付けられてお
り、符号９０１、９０２、５０１は、オーミック電極を
表している。電極７０とアノード９０との間には電源Ｖ
₁が接続されており、電極７０の電位よりもアノード９
０の電位はＶ₁（ボルト）高い。電極７０とショットキ
電極５０ｃ、５０ｄとの間には電源Ｖ₂が接続されてお
り、電極７０の電位よりもショットキ電極５０ｃ、５０
ｄの電位の方がＶ₂（ボルト）高い。電位Ｖ₂は電位Ｖ
₁よりも低く、この電圧源Ｖ₂は可変である。なお、こ
こでは、ショットキ電極５０ｃとショットキ電極５０ｄ
とは接続されており、これらの電極５０ｃ、５０ｄには
共通の電位Ｖ₂が与えられることとする。

【００６１】また、この半導体光電陰極は、半導体部６
０にオーミック電極６０１，６０２，６０３が取付けら
れており、それぞれのオーミック電極６０１，６０２，
６０３にリード線６０１ａ，６０２ａ、６０３ａが接続
されている。

【００６２】図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＸ−Ｘ´
を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図であ
る。図１４（ｂ）の実線Ａは、半導体部６０にバイアス
を印加しない場合の伝導帯下端Ｅｃのエネルギー準位を
示している。半導体部６０に正の電圧を印加すると、伝
導帯下端Ｅｃのエネルギー準位は実線Ａで示される位置
から図面の下方向に移動し、２点鎖線Ｂで示される位置
にくる。一方、半導体部６０に負の電圧を印加すると、
伝導帯下端Ｅｃのエネルギー準位は実線Ａで示される位
置から図面の上方向に移動し、１点鎖線Ｃで示される位
置にくる。

【００６３】電極７０の電位を０ボルトとすると、アノ
ード９０の電位はＶ₁ボルトである。Ｖ₁ボルトは＋９
０ボルトに設定する。ショットキ電極５０ｃの電位はＶ
₂ボルトである。Ｖ₂ボルトは０〜＋１ボルトに設定す
る。半導体部６０の電位はＶ₅ボルトである。

【００６４】まず、Ｖ₅ボルトを０〜−０．３ボルトに
設定する。この状態で、第１半導体層２０に光ｈνが入
射すると、この第１半導体層２０内において発生した電
子ｅは、第２半導体層３０内にはいる。図１４（ａ）の
一点鎖線より上（図面の上）の領域は、半導体部６０と
第２半導体層３０との濃度差により形成された空乏領域
であるので、この領域を除いた斜線部の領域（Ａ１，Ｂ
１）に電子が蓄積する。したがって、第１半導体層２０
から活性層４０方向への電子の通り道は、この空乏領域
によりカットされる（ピンチオフ状態）。

【００６５】図１４（ｃ）は、図１４（ａ）のＹ−Ｙ´
を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図であ
る（Ｖ₂＝０〜１ボルト）。図１４（ｂ）および図１４
（ｃ）に示すように、第１半導体層１０内において発生
した電子ｅは、第２半導体層３０内に蓄積される。すな
わち、この半導体光電陰極は、Ｖ₂およびＶ₃が０から
１ボルトの時に同図（ｃ）の実線で示されるエネルギー
状態をとり、さらに、Ｖ₄およびＶ₅が０からー０．３
ボルトのときに同図（ｃ）の点線で示されるエネルギー
状態をとる。

【００６６】（放出モード）図１４（ｄ）は、図１４
（ａ）のＸ−Ｘ´を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネル
ギーバンド図である（Ｖ₂＝３〜数１０ボルト）。この
ように、第２半導体層３０内に蓄積された電子ｅは、シ
ョットキ電極５０ｃと電極７０との間に数１０ボルトの
電圧を加えることにより、半導体光電陰極から放出され
る。

【００６７】（吸収モード）ここで、半導体部６０に正
の電圧（例えば、０．６ボルト以上）を印加した場合、
すなわち、Ｖ₅を＋２，３ボルトに設定した場合、半導
体光電陰極内で発生した電子ｅは、クーロン力により半
導体部６０に引き寄せられて吸収される。この吸収され
た電子ｅは、オーミック電極６０１または６０２を通っ
て電源Ｖ₅に帰還される。これにより、開口率１００％
であって、構造的に画素分離が不要となり、また、信号
の変調が可能となる。

【００６８】図１５は、図１３に示した半導体光電陰極
を用いた半導体光電陰極装置の断面図である。遮光材料
から構成される筒状の外側ケースＣＡ１の内壁には、透
明材料から構成される密閉容器（内側ケース）ＣＡ２が
嵌まっている。外側ケースＣＡ１の開口付近には、レン
ズＬ１が固定されている。半導体光電陰極装置の外側か
らこの半導体光電陰極装置内に入力された光は、レンズ
Ｌ１で集光されて、密閉容器ＣＡ２内に配置された半導
体光電陰極ＣＴ５上に像を結ぶ。半導体光電陰極ＣＴの
電極７０とリード電極５０ｃとの間には電圧源Ｖ₂が接
続されている。また、密閉容器ＣＡ２内には、入射した
電子に感応する２次元イメージセンサＩＭ配置されてい
る。２次元イメージセンサＩＭは、このイメージセンサ
ＩＭの表面から入力された電子をリード線ＲＥ４から取
り出す装置である。イメージセンサＩＭは、入射して電
子に感応する層ＩＭ２と層ＩＭ２の裏面に設けられたバ
ックコンタクトＩＭ１とを備えており、バックコンタク
トＩＭ１にはリードＲＥ２が接続されている。リードＲ
Ｅ２とリードＲＥ１との間には、電圧源Ｖ₁が接続され
ており、リードＲＥ１には電極７０が接続されているの
で、半導体光電陰極ＣＴ５から出射された電子はアノー
ドＩＭ方向に進行する。なお、密閉容器内の圧力は、大
気圧よりも低い圧力であり、１０^-5ｔｏｒｒ以下の圧力
であって、１０^-10ｔｏｒｒ以下の圧力であることが望
ましい。したがって、図面の左側から半導体光電陰極装
置（微弱光検出管）に入力された光は、電気信号として
検出することができる。なお、カソードＣＴ５とアノー
ドＩＭとの間には、マイクロチャンネルプレート（ＭＣ
Ｐ）を配置することとしてもよい。この半導体光電陰極
装置（光検出管）たるイメージ管は、半導体部６０に電
気的に接続されたリードピンＲＥ５を有している。リー
ドピンＲＥ５は、密閉容器ＣＡ２を貫通している。半導
体光電陰極ＣＴ５のショットキ電極５０ｃおよび５０ｄ
に同時に電圧を印加することにより半導体光電陰極から
同時に電子を放出させてもよいし、ピクセル５０ｃ，５
０ｄごとに電圧を印加することにより半導体光電陰極Ｃ
Ｔ５から時系列に電子を放出させることとしてもよい。

【００６９】以上のように、本発明における半導体光電
陰極には、蓄積モード、放出モードおよび吸収モードが
あることが説明された。本願発明者らは、この原理を応
用して半導体光電陰極における電子の放出位置を、半導
体光電陰極の外部から印加される電圧により、ピクセル
ごとに制御するタイプの半導体光電陰極を発明した。以
下の説明においては、説明の便宜上、このタイプの半導
体光電陰極を「アドレス指定型半導体光電陰極」と記載
することとする。

【００７０】図１６および図１７は、アドレス指定型半
導体光電陰極の斜示図である。この半導体光電陰極は、
これまでに説明してきた半導体部６０を複数の半導体部
６０ａ〜６０ｆに代えたものである。図１６では、説明
の便宜上、他の要素は一点鎖線で示すか省略して示して
ある。半導体部６０ａ〜６０ｆは第２半導体層３０に埋
設されている。半導体部６０ａ、６０ｂおよび６０ｃ
は、お互いに平行であり、ストライプ状に並んでいる。
半導体部６０ｃ、６０ｄおよび６０ｅもお互いに平行で
あり、ストライプ状に並んでいる。半導体部６０ａと半
導体部６０ｃとはねじれの位置にあり、これらの半導体
部６０ａと半導体部６０ｃは直交している。また、半導
体部６０ｂと半導体部６０ｅとはねじれの位置にあり、
これらの半導体部６０ｂと半導体部６０ｅは直交してい
る。半導体部６０ｃと半導体部６０ｆとはねじれの位置
にあり、これらの半導体部６０ｃと半導体部６０ｆは直
交している。したがって、これらの半導体部６０ａ〜６
０ｃよりなる列は、半導体部６０ｄ〜６０ｆよりなる行
に直交している。各半導体部６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，
６０ｄ，６０ｅ，６０ｆには、それぞれ、リードピンφ
ｍ₁，φｍ₂，φｍ₃，φｎ₁，φｎ₂，φｎ₃が電気
的に接続されており、各半導体部６０ａ，６０ｂ，６０
ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆの電位は独立に制御できる
ようにされている。

【００７１】半導体光電陰極の厚み方向において、半導
体部６０ａと半導体部６０ｂとに挟まれた領域であっ
て、半導体部６０ｄと半導体部６０ｅとに挟まれた領
域、すなわち、図１６中のＲ_m1n1で示される領域からの
み電子を放出させるためには、以下のようにリードピン
φｍ₁，φｍ₂，φｍ₃，φｎ₁，φｎ₂，φｎ₃に電
圧を印加すればよい。

【００７２】このためには、まず、表面電極５０に＋
０．３ボルトを印加する。リードピンφｍ₁、φｍ₂、
φｎ₁，φｎ₂に−０．２ボルトを印加する。リードピ
ンφｍ₃，φｎ₃に＋３ボルトを印加する。したがっ
て、領域Ｒ_m1n1において電子は蓄積されるが、その他の
領域においては、電子は吸収される。つぎに、表面電極
５０に＋３．５ボルトを印加すると、領域Ｒ_m1n1に蓄積
された電子は放出される。なお、図示しないアノードに
は９０ボルトを印加しておく。

【００７３】図１８は、図１７に示したショットキ電極
５０を分割した構造の半導体光電陰極を一部破断して示
す斜示図である。他の要素は、図１８および図１９に示
した半導体光電陰極と同一である。各リード電極５０ａ
´〜５０ｄ´には、互いに独立に電圧を印加することが
できる。もちろん、各々の半導体部６０ａ〜６０ｆにも
リードピンφｍ₁、φｍ₂、φｍ₃，φｎ₁，φｎ₂，
φｎ₃を介して独立に電圧を印加することができる。こ
の構造を用いることにより、ピクセル５０ａ〜５０ｄご
とに、入射した光に感応して発生した電子を蓄積する
か、放出するか、または吸収するかの制御をおこなうこ
とができる。

【００７４】図１９は、図１８に示した半導体光電陰極
ＣＴ７を用いたイメージ管を一部断面を用いて示す斜示
図である。このイメージ管は、真空容器ＣＡ２内に配置
された半導体光電陰極ＣＴ７と、この半導体光電陰極Ｃ
Ｔ７の電子放出面に対して対向配置され、入射した電子
に感応するイメージセンサＣＣＤとを備えている。真空
容器ＣＡ２の外周面は、容器ＣＡ２内に配置されてい
る。容器ＣＡ２内に配置されたレンズＬ１は、これと半
導体光電陰極ＣＴ７との間の距離がレンズＬ１の焦点距
離に等しくなるように容器ＣＡ２に固定されている。容
器ＣＡ２は、遮光部材からできており、不要な光がレン
ズＬ１を介さずに真空容器ＣＡ２内に入射されないよう
にしてある。図１８に示した半導体光電陰極ＣＴ７の半
導体部６０ａ〜６０ｆには、リードピンφｍ₁、φ
ｍ₂、φｍ₃，φｎ₁，φｎ₂，φｎ₃が接続されてお
り、これらのリードピンφｍ₁、φｍ₂、φｍ₃，φｎ
₁，φｎ₂，φｎ₃は、真空容器（大気よりも低い圧力
であって、好ましくは１０^-10ｔｏｒｒ以下の圧力を内
部に有する密閉容器）ＣＡ２を貫通している。図１８に
示した半導体光電陰極ＣＴ７のリード電極５０ａ´，５
０ｂ´には、リードピン５００ａ´，５００ｂ´が接続
されており、これらのリードピン５００ａ´，５００ｂ
´も真空容器ＣＡ２を貫通している。イメージセンサＣ
ＣＤの裏面にはバックコンタクトＢＫ１が取り付けられ
ており、このバックコンタクトＢＫ１には、リードピン
ＢＫ１´が接続されている。リードピンＢＫ１´も真空
容器ＣＡ２を貫通している。

【００７５】以上、説明したように、本発明に係る半導
体光電陰極は、光を検出する機器に適用することができ
る。上記では半導体光電陰極を用いたイメージ管につい
て説明したが、これは、電子増倍管やストリークカメラ
にも適用することが可能である。すなわち、半導体光電
陰極を利用した装置は、マイクロチャンネルプレート
（ＭＣＰ）やダイノードあるいは二次電子増倍部をアノ
ードとカソードとの間に設けることとしてもよく、電子
の軌道を偏向する偏向電極をアノードとカソードとの間
に設けることとしてもよい。さらには、アノードには蛍
光塗料を塗布した蛍光部材を用いることとしてもよく、
蛍光材料を含んだ蛍光板を用いることとしてもよい。

【００７６】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、第２半導
体層の内部または表面には、半導体部が配置されている
ので、電子はショットキ電極の開口方向へ走行する。シ
ョットキ電極の開口内または開口を貫く軸の延長線上に
は第３半導体層が形成されているので、電子はこの第３
半導体層内に導入される。このように電子はショットキ
電極をさけて第３半導体層から真空中へ放出されるので
ショットキ電極でこの電子が吸収される割合が減少す
る。したがって、入射した光のエネルギーに対して陽極
で収集される電子の量が増加し、このような半導体光電
陰極を用いた半導体光電陰極は高い検出感度を保持する
ことができる。また、半導体部を配置することで、開口
率１００％で、構造上の画素分離が不要となり、また、
信号の変調も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る半導体光電陰極の斜視図であ
る。

【図２】図２は、図１の半導体光電陰極ＣＴを線分Ａ−
Ａに沿って切った断面図である。

【図３】図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび
線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図
（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面における半導体光
電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｂ）および線分Ｂ−
Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド
図（ｃ）である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半
導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加しない場合のエネル
ギーバンド図である。

【図４】図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび
線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図
（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面上における半導体
光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｂ）および線分Ｂ
−Ｂ断面上における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバ
ンド図（ｃ）である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）
は、半導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加した場合のエ
ネルギーバンド図である。

【図５】図５は、図４に示した電子の挙動をさらに分か
りやすく説明するための説明図である。

【図６】図１に示した半導体光電陰極ＣＴが密閉容器内
に収納された半導体光電陰極装置を一部破断して示す斜
視図である。

【図７】図１に示した半導体光電陰極ＣＴの製造方法を
半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説明するための
説明図である。

【図８】第１実施例に係る半導体光電陰極の他の構成を
厚み方向に切った断面を用いて示す断面図である。

【図９】第１実施例に係る半導体光電陰極の他の構成を
厚み方向に切った断面を用いて示す断面図である。

【図１０】一実施例の半導体光電陰極の平面図（ａ）、
同図（ａ）中の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面図
（ｂ）、同図（ｂ）中の線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った断
面図である。

【図１１】一実施例の半導体光電陰極を一部破断して示
す斜示図である。

【図１２】一実施例の半導体光電陰極を一部破断して示
す斜示図である。

【図１３】図１２に示した半導体光電陰極の平面図
（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面
図（ｂ）である。

【図１４】半導体光電陰極および陽極の断面図（ａ）、
同図（ａ）中の線分Ｘ−Ｘ´に沿ったエネルギーバンド
図（ｂ）、同図（ａ）中の線分Ｙ−Ｙ´に沿ったエネル
ギーバンド図（電子蓄積時）（ｃ）、同図（ａ）中の線
分Ｙ−Ｙ´に沿ったエネルギーバンド図（電子放出時）
（ｄ）である。

【図１５】半導体光電陰極ＣＴ６を実装した半導体光電
陰極装置の断面図である。

【図１６】半導体光電陰極中の半導体部を透視して示す
斜示図である。

【図１７】図１６に示した半導体光電陰極を一部破断し
て示す斜示図である。

【図１８】図１７に示した半導体光電陰極におけるショ
ットキ電極の形状を変えた半導体光電陰極を一部破断し
て示す斜示図である。

【図１９】図１８に示した半導体光電陰極を実装したイ
メージ管を一部破断して示す斜示図である。

【符号の説明】

１０…半導体基板、２０…第１半導体層、３０…第２半
導体層、４０…第３半導体層、５０…ショットキ電極、
６０…半導体部、７０…オーミック電極、９０…陽極。

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/872

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射される光に感応して発生した電子を
外部から電圧を印加することにより加速して放出する半
導体光電陰極において、ｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層
と、開口を有し、前記第２半導体層とショットキ接触を成し
て前記第２半導体層の表面を覆うように形成されたショ
ットキ電極と、前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有
し、前記ショトキ電極の開口内に形成された第３半導体
層と、前記ショットキ電極をその厚み方向に貫く延長線上であ
って、前記第２半導体層の内部に配置された半導体部
と、前記半導体部に電圧を印加するために設けられた導電体
と、を備えることを特徴とする半導体光電陰極。
【請求項２】前記半導体部は環状の部分を有してお
り、この環状の部分内の面積は、前記ショトキ電極の前
記開口内の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１
に記載の半導体光電陰極。
【請求項３】前記半導体部はメッシュ形状を有してい
ることを特徴とする請求項２に記載の半導体光電陰極。
【請求項４】前記第２半導体層は、この第２半導体層
と前記第１半導体層との界面近傍に、前記第２半導体層
内の前記第３半導体層側の領域のエネルギーバンドギャ
ップと前記第１半導体層のエネルギーバンドギャップと
の中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１
グレーデッド層を有することを特徴とする請求項１に記
載の半導体光電陰極。
【請求項５】前記半導体部は、ストライプ状に配置さ
れた半導体部分を含むことを特徴とする請求項１に記載
の半導体光電陰極。
【請求項６】大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提
供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極と
を備える半導体光電陰極装置において、前記半導体光電陰極は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層
と、開口を有し、前記第２半導体層とショットキ接触を成し
て前記第２半導体層の表面を覆うように形成されたショ
ットキ電極と、前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有
し、前記ショットキ電極の開口内に形成された第３半導
体層と、前記ショットキ電極をその厚み方向に貫く延長線上であ
って、前記第２半導体層の内部に配置された半導体部
と、前記ショットキ電極に電気的に接続され、前記密閉容器
を貫通する第１接続ピンと、前記半導体基板または前記第１半導体層に電気的に接続
され、前記密閉容器を貫通する第２接続ピンと、前記半導体部に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通
する第３接続ピンと、を備え、前記陽極は、この陽極に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する
第４接続ピンを備えることを特徴とする半導体光電陰極
装置。
【請求項７】前記第１半導体層は、この第１半導体層
と前記半導体基板との界面近傍に、前記第１半導体層内
の前記第２半導体層側の領域のエネルギーバンドギャッ
プと前記半導体基板のエネルギーバンドギャップとの中
間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第２グレ
ーデッド層を有することを特徴とする請求項６に記載の
半導体光電陰極装置。
【請求項８】前記半導体光電陰極装置は、前記半導体
光電陰極と前記陽極との間に配置された電子増倍器を含
むことを特徴とする請求項６に記載の半導体光電陰極装
置。
【請求項９】前記陽極は、蛍光物質を含む部材を含む
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体光電陰極装
置。