JPH09199075A

JPH09199075A - 電子管

Info

Publication number: JPH09199075A
Application number: JP494196A
Authority: JP
Inventors: Minoru Aragaki; 実新垣; Toru Hirohata; 徹廣畑; Tomoko Suzuki; 智子鈴木; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2016-01-16
Also published as: JP3524249B2

Abstract

(57)【要約】【課題】透過型光電面に入射する被検出光の減衰を抑
え、微弱光検出できる電子管の提供を目的とする。【解決手段】ガラス面板（１０）に反射防止膜（２
０）介してメサ型透過型光電面（３０）が配置されてい
る。ガラス面板（１０）は透過型光電面（３０）を真空
管（１１）内に向けて真空管（１１）の一端に支持され
ている。真空管（１１）内の透過型光電面（３０）側か
ら、光電子（ｅ^-）を収束する収束電極（６０）、光電
子を２次電子増倍するダイノード部（６１）、そして陽
極（４０）が順次配設されている。ステムピン（５４
ａ，ｂ）、電気リード（５３ａ，ｂ）、金属配線（５
２）、第１電極（５０）及び第２電極（５１）を介し
て、透過型光電面（３０）はバイアス電圧Ｖ_Bが印加さ
れている。上記構成によると、検出対象である被検出光
が減衰せずに透過型光電面（３０）に効率よく入射で
き、従来より多くの光電子が放出され、検出される信号
電流も多くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は透過型光電面を用い
た電子管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子管の一例として図１３に示す光電子
増倍管がある。この光電子増倍管は、真空管１１の一方
の端部にガラス面板１０が支持されており、検出対象で
ある被検出光（ｈν）が矢印に示すように入射される。
真空管１１内部には、ガラス面板１０側から、半導体基
板６０によって支持された透過型光電面３０、光電子
（ｅ^-）を収束する収束電極７０、光電子を２次電子増
倍するダイノード部７１、そして陽極４０が順次配設さ
れている。そして、透過型光電面３０表面には、例えば
メッシュ形状等により光電子を透過可能にした第１電極
５０が接続して形成され、半導体基板６０の裏面側周縁
部には第２電極５１がオーミック接続して形成されてい
る。また、真空管１１の陽極４０寄りの端面を貫通する
ステムピン５４ａの一端が電気リード５３ａを介して第
１電極５０と電気的に接続されており、同様に、別のス
テムピン５４ｂの一端が電気リード５３ｂ及び真空管１
１側壁から延びている金属配線５２を介して第２電極５
１と接続されている。各ステムピン５４ａ，ｂの他端は
バイアス電圧Ｖ_Bに接続されて、透過型光電面３０にバ
イアス電圧Ｖ_Bを印加できるようにしている。なお、図
１３では陽極４０、収束電極７０、及びダイノード部７
１に接続される電気リード等は省略されている。

【０００３】図１４は図１３に示す透過型光電面３０の
拡大断面図である。透過型光電面３０は、被検出光を吸
収して光電子を発生させる光吸収層３２と、光吸収層３
２からの光電子を透過型光電面３０表面にドリフトさせ
る電子放出層３１とが半導体基板６０表面に順に積層し
て形成され、電子放出層３１表面には光電子が透過可能
な第１電極５０がショットキ接合して形成されている。
また、半導体基板６０の裏面側周縁部には第２電極５１
がオーミック接触して形成されている。

【０００４】第１電極５０と第２電極５１とを介して逆
方向のバイアス電圧Ｖ_Bが透過型光電面３０に印加され
ると、電子放出層３１と第１電極５０との界面の空乏層
が拡大する。空乏層中では第１電極５０から電子放出層
３１に向かって電界が形成されているので、光吸収層３
２からの光電子が拡散により電子放出層３１に到達する
と、光電子は上記電界によって加速され、第１電極５０
に向かって拡散・ドリフトして真空中に容易に放出され
る。被検出光が透過型光電面３０に入射したことによる
光電子が透過型光電面３０内部の空乏層の電界によって
加速され、さらに高いエネルギー帯へ遷移された後真空
中に放出されるので、遷移電子型光電面と呼ばれてお
り、ＵＳＰＡＴ３９５８１４３号公報やJ.S.Escher and
R.SakaranAppl.Phys.Lett.,29,2,87(1976)によって開
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の透過型
光電面において、第２電極５１は半導体基板６０の裏面
側周縁部に形成されているため、この部分での被検出光
の入射を少なからず阻害してしまう。また、図１３に示
すように、半導体基板６０によって支持された透過型光
電面３０は金属配線５２によって真空管１１内に支持さ
れているため、ガラス面板１０と半導体基板６０との間
に空隙が生じ、ここおいて多重反射が生じて光強度が減
衰する。さらに、透過型光電面３０の機械的な強度を保
持するために半導体基板６０は比較的厚くされているの
で、半導体基板６０自体によって光吸収層３２に到達す
る光強度は減衰する。

【０００６】上記のような光の減衰は、通常の光検出器
や撮像装置では大きな問題とはならないが、例えば光電
子増倍管や光増強管（イメージインテンシファイヤ）の
ような極微弱光を検出をしたりする装置では、非常に重
要な問題となる。特に、被検出光を光子レベルで観測す
るフォトンカウンティング方式の装置では、被検出光が
減衰すると検出時間が長くなり、動きのある物体（例え
ば生体試料）を観測できなくなる。

【０００７】そこで本発明は、被検出光の減衰を抑えて
検出できる電子管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】本発明に係る電子管は、
検出対象である被検出光が入射するガラス面板と、ガラ
ス面板を側壁端部に支持して内部が真空状態に保たれた
真空管と、ガラス面板の内面上に密着するように設けら
れ、被検出光の反射を防止する反射防止膜と、反射防止
膜上に配置され、被検出光の受容により真空管の内部空
間に光電子を放出する透過型光電面と、真空管内部に設
置され、透過型光電面に対して正の電圧を保持する陽極
とを備えた電子管であって、透過型光電面は、ｐ型化合
物半導体によって反射防止膜上に形成され、被検出光よ
り短波長の光を遮断する窓層と、窓層よりもバンドギャ
ップエネルギが小さいｐ型化合物半導体によって窓層上
にメサ型形状に形成され、被検出光を吸収して光電子を
発生させる光吸収層と、ｐ型化合物半導体によって光吸
収層上に形成され、光吸収層から光電子をドリフトさせ
る電子放出層と、金属又は合金によって電子放出層上に
接続して形成された、光電子が透過可能な第１電極と、
金属又は合金によって窓層の周縁部上面に接続して形成
された第２電極とを有していることを特徴とする。これ
によって、透過型光電面に被検出光が入射する際、阻害
するものはなくなり、また、ガラス面板と透過型光電面
との間の空隙はなくなって、被検出光の減衰を抑制でき
る。

【０００９】また、第１電極は金属又は合金が電子放出
層上にほぼ均一に分布することによりパターン形状に形
成されて、電子放出層がほぼ均一に露出することを特徴
とする。これによって、電子放出層からの光電子が真空
管内部空間に一様に放出される。

【００１０】また、電子放出層と第２電極との間にはｎ
型化合物半導体からなるコンタクト層が介在して形成さ
れていることを特徴とする。これによって、電子放出層
とコンタクト層とがｐｎ接合することにより空乏層が形
成され、空乏層中ではコンタクト層から電子放出層に向
かって電界が形成される。

【００１１】また、光吸収層が窓層及び電子放出層と格
子整合するIn_xGa_1-xAs_yP_1-y(0＜x＜1,0＜y＜1)からな
り、窓層は光吸収層よりも大きいバンドギャップエネル
ギを有する化合物半導体又はその混晶からなる。格子整
合によって、光電子の拡散長が長くなり、そして、光吸
収層の原子組成比を任意に変化させることによりバンド
ギャップエネルギを任意に変化させることができる。

【００１２】また、光吸収層が少なくとも２種類以上の
半導体多層膜の量子井戸構造から形成され、量子井戸構
造の伝導帯に形成されるサブバンド間において被検出光
を吸収して光電子を発生させることを特徴とする。これ
によって、半導体多層膜の種類・厚さを任意に変化させ
ることによりサブバンド間のギャップエネルギを任意に
変化させることができる。

【００１３】また、透過型光電面は遷移電子型であるこ
とを特徴とする。これによって、光電子を透過型光電面
内部の空乏層の電界により加速させ、さらに高いエネル
ギー帯へ遷移させた後に真空中に放出させることができ
る。

【００１４】また、透過型光電面と陽極との間には、透
過型光電面から放出された光電子を２次電子増倍する増
倍手段が備えられていることを特徴とする。これによっ
て、放出された光電子の信号を増倍させることができ
る。

【００１５】また、透過型光電面と陽極との間には被検
出光の２次元光学像に対応して透過型光電面から放出さ
れた２次元光電子像を２次電子増倍する増倍手段が備え
られており、陽極は増倍手段で２次電子増倍された２次
元電子像を受容することによって発光する蛍光膜である
ことを特徴とする。これによって、被検出光の２次元光
学像を増強させた２次元光学像を観測することができ
る。

【００１６】最後に、陽極は透過型光電面に入射した被
検出光の２次元光学像に対応した２次元電子像を受容す
ることによって２次元光学像に対応した電気信号を出力
する固体撮像デバイスであることを特徴とする。これに
よって、２次元光学像を電気信号に変換することができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面を参照し
て実施形態毎に説明する。

【００１８】電子管の第１実施形態図１はいわゆるラインフォーカス型光電子増倍管の側断
面図を示したものである。図１において、真空管１１の
本体を構成する筒体の一方の端部にはガラス面板１０が
支持されており、検出対象である被検出光（ｈν）が矢
印に示すように入射される。真空管１１を構成する筒体
の他方の端部もガラスを用いて気密に封止され、真空管
１１内部を真空状態に保持している。図２を参照して後
述するように、ガラス面板１０の内面には反射防止膜２
０が密着するように設けられ、反射防止膜２０上には半
導体からなる断面がメサ型形状の透過型光電面３０が配
置されており、その頂上面には第１電極５０、周縁部上
面には第２電極５１が接続して形成されている。

【００１９】真空管１１内の他方の端部には陽極４０が
設置されており、透過型光電面３０と陽極４０との間の
うち、透過型光電面３０寄りに光電子（ｅ^-）を収束す
る収束電極７０が設置され、かつ、陽極４０寄りにこの
透過型光電面３０から放出された光電子を順次増倍する
ための複数段のダイノード７１ａ〜７１ｈからなるダイ
ノード部７１（増倍手段）が曲面状の電極を多段繰り返
して設置されている。真空管３０の陽極４０寄り端面を
貫通したステムピン５４ａの一端が真空管１１内の電気
リード５３ａを介して第１電極５０と接続されており、
また、別のステムピン５４ｂの一端が真空管１１の陽極
４０寄り端面を貫通して電気リード５３ｂの一端に接続
され、電気リード５３ｂの他端は真空管１１内壁にある
金属配線５２を介して第２電極５１と接続されている。
各ステムピン５４ａ，ｂの他端はバイアス電圧Ｖ_Bに接
続されて、各ステムピン５４ａ，ｂを通して透過型光電
面３０にバイアス電圧Ｖ_Bを印加できるようにしてい
る。また、図１では図示しないが、透過型光電面３０、
収束電極７０、ダイノード部７１、及び陽極４０には、
ブリーダ回路及び電気リードを介して、透過型光電面３
０に対して正のブリーダ電圧が陽極４０に近づくにつれ
て段毎に増加するように分配して印加されている。

【００２０】つぎに、本実施形態の要部、すなわちガラ
ス面板１０に対する透過型光電面３０の設置状態につい
て図２を参照して詳しく説明する。

【００２１】図２に矢印で示すように、被検出光（ｈ
ν）はガラス面板１０の下面側から入射される。ガラス
面板１０上には被検出光の波長に応じた膜厚でSiO₂とSi
₃N₄とが順次積層された反射防止膜２０が密着するよう
に設けられ、被検出光の反射を防止している。反射防止
膜２０上にｐ⁺型InAlGaAsからなる窓層３３が密着する
ように形成されており、被検出光より短波長の光を遮断
している。このように、ガラス面板１０と窓層３３が反
射防止膜２０を介して密着しているので、被検出光は多
重反射されずに、またその強度も減衰することなく効率
よく透過型光電面３０を構成する窓層３３に入射され
る。

【００２２】窓層３３上には、窓層３３よりもバンドギ
ャップエネルギが小さいｐ-型InGaAsからなる光吸収層
３２が窓層３３よりも狭い範囲で堆積され、断面形状が
メサ型状に形成されている。したがって、窓層３３の周
縁部上面は露出することになるので、ガラス面板１０と
窓層３３との間に反射防止膜２０を介在させて密着させ
た状態で、ここにAuZnからなる第２電極５１がオーミッ
ク接触により容易かつ歩留りよくに形成できるようにな
っている。また、第２電極５１が光吸収層３２へ向かう
被検出光を妨げることがないため、効率よく被検出光を
吸収して光電子を発生させることができ、したがって、
透過型光電面３０を構成する光吸収層３２内で発生する
光電子も従来よりも多くなる。

【００２３】光吸収層３２上にはｐ-型InPからなる電子
放出層３１が形成され、電子放出層３１上にはこれとシ
ョットキ接合する第１電極５０が設けられている。そし
て、第１電極５０は図示しないワイヤ等を介して図１の
電気リード５３ａに接続され、他方、前述の第２電極５
１はガラス面板１０の内面の導電パターンを介して電気
リード５３ｂに接続され、バイアスが印加されるように
なっている。したがって、このバイアスが印加されるこ
とによりショットキ接合界面に形成された空乏層中で
は、第１電極５０から電子放出層３１に向かって電界が
形成されているので、光吸収層３２からの光電子を電子
放出層３１を通って第１電極５０側に拡散・ドリフトさ
せることができる。また、この第１電極５０は、ほぼ均
一に極薄く分布することによって、第１電極５０が島状
のパターン形状に形成され、したがって、電子放出層３
１がほぼ均一に露出することとなり、これによって電子
放出層３１からの光電子を外部に一様に放出できる。

【００２４】図２に示す特徴を有する図１の光電子増倍
管は下記のように作用する。

【００２５】ガラス面板１０から入射されて、ほとんど
減衰されることなく窓層３３に到達した光のうち、被検
出光よりも短波長の光が遮断され、窓層３３を透過した
被検出光のみが第２電極５１に妨げられずに光吸収層３
２に到達する。光吸収層３２に到達した被検出光のう
ち、光吸収層３２のバンドギャップエネルギ以上の被検
出光が吸収されることによって、光電子が生じる。ま
た、第１電極５０と第２電極５１とを介して透過型光電
面３０に逆方向のバイアス電圧Ｖ_Bが印加されているの
で、光電子は第１電極５０側に拡散・ドリフトし、第１
電極が有するパターンの隙間を介して真空管１１の内部
空間へ容易に放出される。

【００２６】真空中へ放出された光電子（ｅ^-）は収束
電極７０によって収束され、第１ダイノード７１ａに加
速して入射される。入射した光電子数に対して数倍の数
の２次電子が放出され、第２ダイノード７１ｂに加速し
て入射する。第２ダイノード７１ｂにおいても第１ダイ
ノード７１ａと同様に入射した電子数に対して数倍の２
次電子が放出される。これを８回繰り返すことによっ
て、透過型光電面３０から放出された光電子は第８ダイ
ノード７１ｈにおいて約１００万倍程度に最終的に２次
電子増倍して放出される。そして、第８ダイノード７１
ｈから放出された増倍２次電子が陽極４０で集められ出
力信号電流として取り出される。

【００２７】前述したとおり、透過型光電面３０から放
出される光電子が多くなるので、陽極４０から最終的に
出力される信号電流も大きくなって、従来のラインフォ
ーカス型光電子増倍管と比較してより微弱な被検出光を
検出することができる。

【００２８】上記光電子増倍管を構成する透過型光電面
３０を製造方法でもって説明する。図３（ａ）〜（ｉ）
は図２のＡ−Ａ線断面図を工程順に示したものである。

【００２９】まず、ｎ型InPからなる半導体基板６０を
用意する。つぎに、エピタキシャル成長装置（図示せ
ず）を用いてｎ型InP半導体基板６０上にｐ-型InGaAsか
らなる厚さ１μｍのエッチストップ層６１、ｐ-型InPか
らなる厚さ１μｍの電子放出層３１、ｐ-型InGaAsから
なる厚さ２μｍの光吸収層３２、そしてｐ⁺型InAlGaAs
からなる厚さ４μｍの窓層３３を順次エピタキシャル成
長させ、図３（ａ）に示すような半導体多層膜を形成さ
せる。このとき、エッチストップ層６１、電子放出層３
１、及び光吸収層３２のキャリア濃度は１〜10×10¹⁶cm
^-3であることが望ましく、窓層３３のキャリア濃度は１
×10¹⁸cm^-3以上が望ましいが、必ずしもこれらの値に限
られるものではない。また、エッチストップ層６１、電
子放出層３１、光吸収層３２、及び窓層３３の厚さも上
記の厚さに限定されるものではない。

【００３０】そして、図３（ｂ）に示すように、窓層３
３上に、被検出光の波長に応じた膜厚でもってSi₃N₄,Si
O₂の順にＣＶＤ法を用いて堆積させて反射防止膜２０を
形成させる。

【００３１】つぎに、真空中又は不活性ガス中でガラス
面板１０を約５５０℃に加熱して、反射防止膜２０の形
成面で半導体多層膜と熱圧着させ、ガラス面板１０を室
温まで冷却すると、図３（ｃ）に示すように、反射防止
膜２０はガラス面板１０と密着して、被検出光の多重反
射を抑制するようにする。この状態でもって、図３
（ｄ）に示すように、半導体基板６０をHCl溶液を用い
てエッチング除去すると、エッチストップ層６１におい
て自動的に停止し、エッチストップ層６１下面が露出す
る。

【００３２】つぎに、下面が露出したエッチストップ層
６１をH₂SO₄,H₂O₂,H₂O溶液を用いてエッチング除去する
と、電子放出層３１において自動的に停止し、図３
（ｅ）に示すように、電子放出層３１下面が露出する。

【００３３】つぎに、電子放出層３１にフォトレジスト
８０を塗布し、所定のマスクを用いて光リソグラフィを
行ない、図３（ｆ）に示すように、電子放出層３１下面
周縁部が露出したマスクパターンを形成する。

【００３４】この状態でもって、王水を用いて電子放出
層３１及び光吸収層３２の周縁部をエッチング除去する
と、図３（ｇ）に示すように、窓層３３の下面周縁部は
露出し、電子放出層３１及び光吸収層３２は窓層３３に
対してメサ型形状となる。その後、図３（ｈ）に示すよ
うに、電子放出層３１下面に塗布されたフォトレジスト
８０を取り除く。

【００３５】つぎに、機械的マスクによってメサ型部分
をマスキングする。そして、蒸着装置（図示せず）を用
いてガラス面板１０、反射防止膜２０、及び窓層３３の
下面露出部に厚さ５００ｎｍのAuZn合金からなる第２電
極５１を蒸着して形成させ、歩留りよく窓層３３とオー
ミック接触させる。最後に、厚さ５００ｎｍのAlからな
る第１電極５０を所定のマスクを用いて電子放出層３１
上に島状に均一に分布させながら蒸着して形成させ、電
子放出層３１とショットキ接合させる。ここで機械的な
マスクを取り除くと、図３（ｉ）に示すように、電子放
出層３１がほぼ均一に露出し、光電子が透過可能になっ
たパターン形状となった透過型光電面３０が形成され、
図１に示す光電子増倍管に組込まれる。

【００３６】電子管の第２実施形態図４はいわゆる近接型光電子増倍管の側断面図を示した
ものである。電子管の第１実施形態に述べたようにガラ
ス面板１０内面には反射防止膜２０を介して透過型光電
面３０が密着して設けられており、この図２のものと同
様にされたガラス面板１０が、Inシール部１３及びIn溜
め１４からなる封止部材を用いることによって真空管１
１の本体を構成する筒体の上端部に支持されており、検
出対象である被検出光（ｈν）が矢印で示されるように
入射される。

【００３７】また、真空管１１の本体を構成する筒体の
下端部には、底板部１２が支持され、真空管１１を気密
に封止して真空管１１内部を真空状態に保持させてい
る。底板部１２上面では透過型光電面３０と対向して、
光電子が打ち込まれたとき増倍作用を有しているフォト
ダイオード４１が設置されている。このフォトダイオー
ド４１に接続されたステムピン５４の一端が底板部１２
を貫通して延びており、それを介して、このフォトダイ
オード４１には逆バイアス電圧が印加されており、また
同様にステムピン５４と透過型光電面に接続された電気
リード（図示せず）とを介して、透過型光電面３０とフ
ォトダイオード４１との間に＋数ｋＶの電圧が印加され
ている。なお、第１電極５０及び第２電極５１と接続さ
れた電気リード等は図示を省略している。

【００３８】上記光電子増倍管に被検出光が入射する
と、電子管の第１実施形態に述べたように被検出光は効
率よく透過型光電面３０に入射し、ここから光電子（ｅ
^-）が放出される。そして、放出された光電子はフォト
ダイオード４１に加速して打ち込まれることによって、
光電子１つに対し数１０００倍に増倍された２次電子が
生成される。そして、フォトダイオード４１内で生成さ
れた２次電子がステムピン５４を介して出力信号として
取り出される。

【００３９】したがって、透過型光電面から放出される
光電子が多くなるので、従来の電子打ち込み型の光電子
増倍管に比較し、より微弱な信号を検出できる。また、
ダイノード部を必要とせず、また、後述する静電収束型
光電子増倍管と比較して収束電極を要しないことから、
小型化が可能である。

【００４０】電子管の第３実施形態図５はいわゆる静電収束型光電子増倍管の側断面図を示
したものである。この光電子増倍管が、第２実施形態と
異なる点は、透過型光電面３０とフォトダイオード４１
との間に、一対の収束電極７０が設置されていることで
ある。そして、一対の収束電極７０と接続された各電気
リード５３ａ，ｂの一端が真空管３０側壁を貫通して延
びており、これら電気リード５３ａ，ｂを介して収束電
極７０に所定の電圧を印加できるようにしている。

【００４１】本実施形態によれば、収束電極７０によっ
て光電子が収束されるので、透過型光電面の有効面積よ
り小さいフォトダイオード４１を用いることができる。
また、フォトダイオード４１を小型化ができるので、高
速応答が可能となる。

【００４２】電子管の第４実施形態図６は画像増強管の側断面図を示したものである。本実
施形態が第２乃至第３実施形態と異なる点は、真空管１
１の本体を構成する筒体の中央には、２次元電子を２次
電子増倍できるように直径１０μｍ程度のガラス孔を多
数束ねて構成されるマイクロチャンネルプレート（以下
「ＭＣＰ」という）（増倍手段）７２が設置されている
ことである。そして、透過型光電面３０及びＭＣＰ７２
に接続される各電気リード（図示せず）を介して、透過
型光電面３０とＭＣＰ７２との間には＋数１００Ｖの電
圧が印加されている。また、ＭＣＰ７２と接続された各
電気リード５３ａ，ｂの一端が真空管１１の側壁を貫通
して延び、それらを介して、ＭＣＰ７２の上面側（以下
「入力側」という）とＭＣＰ７２の下面側（以下「出力
側」という）との間には増倍用の電圧が印加されてい
る。

【００４３】また、本実施形態では、前述の実施形態と
は異なり、真空管１１の本体を構成する筒体の下端部に
はファイバープレート４２が支持され、その内面上に蛍
光体４３（蛍光膜）が配置されている。そして、蛍光体
４３に接続された電気リード５３ｃとＭＣＰ７２に接続
された上記と別の電気リード（図示せず）を介して、Ｍ
ＣＰ７２に対して＋数ｋＶ程度の電圧が蛍光体４３に印
加されるようにしている。なお、第１電極５０及び第２
電極５１と接続された電気リードは図示を省略してい
る。

【００４４】したがって、画像増強管に被検出光が図６
のように入射すると、２次元光学像に対応する２次元光
電子像（ｅ^-）が透過型光電面３０から真空管１１の内
部空間へ放出され、ＭＣＰ７２入力側に加速して入射さ
れる。ＭＣＰ７２によって２次元光電子像は約１００万
倍に２次電子増倍され、ＭＣＰ７２の出力側から入射位
置に対応した２次元電子像が放出され、蛍光体４３に加
速して入射される。蛍光体４３上では２次元電子像に対
応した２次元画像が増強して発光表示される。２次元画
像は蛍光体４３を支持しているファイバープレート４２
を通して外部に取り出され、観測される。

【００４５】本実施形態は上記光電子増倍管に述べた透
過型光電面３０を用いていることから、被検出光を従来
よりも効率よく取り入れることができるので、透過型光
電面３０からの２次元光電子が従来より多く放出され
る。したがって、増倍された２次元電子によって蛍光体
４３から発する光も従来より強くなるので、従来の画像
増強管に比較してより微弱な２次元光学像を観測するこ
とができ、すなわち限界解像度を向上させた高品質な２
次元画像特性を得ることができる。

【００４６】電子管の第５実施形態図７はいわゆる近接型撮像管の側断面図を示したもので
ある。この撮像管では、第２実施形態におけるフォトダ
イオード４１に代えて、撮像デバイスである電荷蓄積素
子（以下「ＣＣＤ」という）４４が用いられている。透
過型光電面３０とＣＣＤ４４との間には放出された光電
子を増倍するための電圧が印加され、これにより加速さ
れた光電子がＣＣＤ４４に入射することにより光電子像
が増倍される。ＣＣＤ４４の各画素に蓄積される電荷
は、ステムピン５４を介して時系列に外部に出力され
る。

【００４７】本実施形態においても、透過型光電面から
の２次元光電子が従来よりも多く放出されることから、
ＣＣＤ４４の各画素に蓄積される増倍電子の数も従来よ
り多い。よって、従来より微弱な２次元の光学像を電気
的に検出することが可能となり、限界解像度が向上した
高品質な２次元画像特性が得られる。

【００４８】なお、本発明に係る電子管の第１乃至第３
実施形態において、増倍手段としてダイノード又はフォ
トダイオードを用いたものを説明したが、増倍手段は上
記のものに必ずしも限らず、ＭＣＰ等その他の増倍手段
を用いてもよい。また、電子管の第５実施形態において
近接型撮像管を説明したが、透過型光電面とＣＣＤとの
間に収束電極を設けた静電収束型撮像管などでも構わな
い。さらに、電子管の第５実施形態において撮像デバイ
スとしてＣＣＤを用いた場合を説明したが、これに限定
されるべきものではなく位置検出機能を有する固体検出
器、例えば位置検出型のフォトダイオード等でも構わな
いことはもちろんである。最後に、本発明において電子
管として光電子増倍管、画像増強管及び撮像管を説明し
たが、これらを備えるストリーク管等のその他光検出装
置にも適用可能であることは言うまでもない。

【００４９】ところで、本発明に係る電子管の第１乃至
第５実施形態において、透過型光電面は図２に示したも
の用いて説明したが、透過型光電面は上記のものに必ず
しも限るものではない。よって以下においては、本発明
に係る電子管が備える透過型光電面の変形例について説
明する。

【００５０】透過型光電面の第１変形例透過型光電面の第１変形例が上記透過型光電面と異なる
点は、図８に示すように、電子放出層３１上にこれとシ
ョットキ接合するAlからなる第１電極５０がほぼ均一に
メッシュ状に分布して形成され、電子放出層３１をほぼ
均一に露出させたパターン形状を有していることであ
る。第１変形例においては、図８に示すように、第１電
極５０を端部で電気リード５３ａに容易に接続させるこ
とができるので、上記透過型光電面より光電子を外部に
一様に放出させることが容易となる。

【００５１】つぎに、透過型光電面の第１変形例を製造
方法でもって説明する。図９（ｉ）〜図９（ｎ）は、図
８のＡ−Ａ線断面図を工程順に示したものであるが、電
子管の第１実施形態に述べた透過型光電面と同等の工程
は省略されている。すなわち、図３（ｈ）示すように、
窓層３３及び光吸収層３２をメサ型形状にエッチングし
た後、エピタキシャル多層膜の電子放出層３１に塗布さ
れているフォトレジスト８０を除去する工程までは図示
及び説明を省略する。

【００５２】図３（ｈ）までの工程後、図９（ｉ）に示
すように、電子放出層３１下面にAlからなる第１電極５
０を厚さ約２０μｍ蒸着させ、電子放出層３１とショッ
トキ接合させる。

【００５３】つぎに、第１電極５０下面にフォトレジス
ト８０を塗布し、所定のマスクを用いて光リソグラフィ
を行なうと、図９（ｊ）に示すように、第１電極５０が
メッシュ状のマスクパターンが形成される。つぎに、こ
の状態で、第１電極５０をH₂SO₄溶液を用いてエッチン
グ除去し（図９（ｋ）参照）、第１電極５０下面に塗布
されたフォトレジスト８０を取り除くと（図９（ｌ）参
照）、電子放出層３１が均一に露出するパターンメッシ
ュ状の第１電極５０が形成される。

【００５４】しかる後、AuZn合金からなる第２電極５１
を窓層３３下面周縁部に蒸着させる工程を行なうと、図
９（ｍ）に示すように、上記各実施形態に述べた電子管
に組込み可能な透過型光電面が得られる。

【００５５】透過型光電面の第２変形例透過型光電面の第２変形例が第１変形例と異なる点は、
図１０に示すように、電子放出層３１上にこれとｐｎ接
合したｎ⁺型InPからなるコンタクト層３４がメッシュ状
のパターンに形成され、このコンタクト層３４上にこれ
とオーミック接合したAuGeからなる第１電極５０が同様
にメッシュ状のパターンに形成され、結果として電子放
出層３１がほぼ均一に露出させていることである。よっ
て、上記ｐｎ接合の界面に形成された空乏層中にはコン
タクト層３４から電子放出層３１へ向かう電界が生じ
る。したがって、第１電極５０及び第２電極５１を介し
て本変形例の透過型光電面３０に逆方向のバイアス電圧
が印加されるならば、電子管の第１実施形態に述べたよ
うに、空乏層は拡大して光吸収層３２からの光電子は電
子放出層３１側に容易に拡散・ドリフトし、透過型光電
面３０の外部に容易に飛び出すことができる。

【００５６】つぎに、透過型光電面の第２変形例を製造
方法でもって説明する。図１１（ａ）〜（ｇ）及び図１
２（ｈ）〜（ｍ）は図１０のＡ−Ａ線断面図を工程順に
示したものである。

【００５７】本変形例において半導体多層膜の形成工程
は図３（ａ）に示す第１実施形態と異なり、図１１
（ａ）に示すように、ｎ型InGaAsエッチストップ層６１
上にｎ⁺型InPからなる厚さ0.5μｍのコンタクト層３４
をエピタキシャル成長させた後、ｎ⁺InPコンタクト層３
４上にｐ-型InP電子放出層３１をエピタキシャル成長さ
せて両者がｐｎ接合するようにしている。このとき、コ
ンタクト層３４のキャリア濃度は１×10¹⁸cm^-3以上が望
ましいが、必ずしもこれらの値に限られるものではな
く、また、その厚さも上記に限定されない。

【００５８】つぎに第１実施形態に述べたように、反射
防止膜２０を形成（図１１（ｂ）参照）して、反射防止
膜の形成面で半導体多層膜とガラス面板１０を熱圧着さ
せ、（図１１（ｃ）参照）、引続いて半導体基板６０及
びエッチストップ層６１をエッチング除去すると（図１
１（ｄ），（ｅ）参照）、コンタクト層３４下面が露出
する。

【００５９】そして、光リソグラフィによりコンタクト
層３４の下面周縁部が露出したマスクパターンをフォト
レジスト８０を用いて形成し（図１１（ｆ）参照）、こ
の状態でもって、王水を用いてコンタクト層３４、電子
放出層３１及び光吸収層３２の周縁部をエッチング除去
すると、窓層３３の下面周縁部は露出し、電子放出層３
１及び光吸収層３２の他にコンタクト層３４が窓層３３
に対してメサ型形状となる（図１１（ｇ）参照）。その
後、コンタクト層３４下面のフォトレジスト８０を取り
除く（図１１（ｈ）参照）。

【００６０】つぎに、コンタクト層３４下面にAuGeから
なる第１電極５０を厚さ約８０μｍ蒸着させ、コンタク
ト層３４と第１電極５０をオーミック接触させる（図１
２（ｉ）参照）。

【００６１】つぎに、第１変形例に述べたメッシュ状の
マスクパターンを形成する工程でもて、メッシュ状のマ
スクパターンをフォトレジスト８０を用いて形成した後
（図１２（ｊ）参照）、第１電極５０及びコンタクト層
３４を本変形例ではHCl溶液を用いてエッチング除去し
て（図１２（ｋ）参照）、フォトレジスト８０を取り除
くと（図１２（ｌ）参照）、第１電極５０及びコンタク
ト層３４がメッシュ状になったパターンが形成され、電
子放出層３１が均一に露出する。

【００６２】しかる後、AuZn合金からなる第２電極５１
を窓層３３下面周縁部に蒸着させる工程を行なうと、図
１２（ｍ）に示すように、上記各実施形態に述べた電子
管に組込み可能な透過型光電面が得られる。

【００６３】なお、上記透過型光電面の実施形態及び各
変形例においてｐ-型InGaAsからなる光吸収層３２が用
いられたが、これに限られた訳ではなく、In_xGa_1-xAs_yP
_1-y(0＜x＜1,0＜y＜1)からなる光吸収層３２が、電子放
出層３１及び光吸収層３２よりもバンドギャップエネル
ギが大きい化合物半導体又はその混晶からなる窓層３３
と格子整合して形成されていてもよい。これによって、
この光吸収層３２内では結晶欠陥が抑制され、光電子の
拡散長が長くなることから、透過型光電面３０の感度が
向上した電子管を提供できる。そして、原子組成比を任
意に変化させると、光吸収層３２のバンドギャップエネ
ルギが任意に変化でき、この透過型光電面３０を組込ん
だ電子管は分光感度特性が任意に変化できる。

【００６４】また、光吸収層３２は２種類以上の半導体
多層膜の量子井戸構造から形成され、その量子井戸構造
の伝導帯に形成されるサブバンド間で光を吸収して光電
子を発生させてもよい。これによって、種類・厚さが任
意に変化した半導体多層膜ではサブバンド間のギャップ
エネルギが任意に変化できるので、透過型光電面３０の
分光感度特性が任意に変化できる電子管を提供できる。

【００６５】さらに、Ｃｓ₂Ｏ等のアルカリ金属酸化物
又はアルカリ金属が電子放出層３１露出面に形成される
ことによって、電子放出層３１露出部分の仕事関数を減
らして光電子を一層容易に外部に放出させることができ
るので、透過型光電面３０の感度が向上した電子管を提
供できる。

【００６６】

【発明の効果】本発明の電子管によれば、真空管の端部
に支持されたガラス面板上に、透過型光電面が反射防止
膜を介して密着するように配置され、また、光吸収層及
び電子放出層がメサ型形状に形成された窓層の周縁部上
面に電極が形成されている。よって、ガラス面板と透過
型光電面との間に多重反射はなく、また、透過型光電面
に被検出光が入射する際に阻害するものはなく、被検出
光の減衰が抑制されているので、従来の電子管と比較し
てより微弱な光を検出できる電子管を提供でき、特に２
次元光学像を検出する際には限界解像度が向上した電子
管を提供できる。

【００６７】そして、電子放出層上にほぼ均一に分布す
ることによりパターン形状された第１電極は、電子放出
層をほぼ均一に露出させるので、透過型光電面からの光
電子を一様に真空管内部に放出させることができる電子
管を提供でき、特に２次元光学像を検出する際には高品
質な２次元画像特性が得られる電子管を提供できる。

【００６８】また、透過型光電面を遷移電子型にするこ
とによって、透過型光電面３０から容易に光電子を放出
させることができるので、陽極から最終的に出力される
出力信号も大きくなって、従来の電子管と比較してより
微弱な光を検出できる電子管を提供でき、特に２次元光
学像を検出する際には限界解像度が向上した電子管を提
供できる。

【００６９】さらに、光吸収層がその組成を変えること
により窓層及び電子放出層と格子整合したり、量子井戸
構造にしたりすることによって、分光感度特性が任意に
高感度でもって変化できる電子管を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子管の第１実施形態の側断面を
示した図である。

【図２】本発明に係る電子管が備える透過型光電面の第
１実施形態の斜視図であって、その一部を断面にて示し
た図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図について製造工程を示し
た図である。

【図４】本発明に係る電子管の第２実施形態の側断面を
示した図である。

【図５】本発明に係る電子管の第３実施形態の側断面を
示した図である。

【図６】本発明に係る電子管の第４実施形態の側断面を
示した図である。

【図７】本発明に係る電子管の第５実施形態の側断面を
示した図である。

【図８】本発明に係る電子管が備える透過型光電面の第
１変形例の斜視図であって、その一部を断面にて示した
図である。

【図９】図８のＡ−Ａ線断面図について製造工程を示し
た図である。

【図１０】本発明に係る電子管が備える透過型光電面の
第２変形例の斜視図であって、その一部を断面にて示し
た図である。

【図１１】図１０のＡ−Ａ線断面図について製造工程を
示した図である。

【図１２】図１０のＡ−Ａ線断面図について図１１の製
造工程の続きを示した図である。

【図１３】従来の電子管のの側断面を示した図である。

【図１４】図１４に示した電子管の備えた透過型光電面
の拡大断面図である。

【符号の説明】

１０・・・ガラス面板、１１・・・真空管、１２・・・
底板部、１３・・・Inシール部、１４・・・In溜め、２
０・・・反射防止膜、３０・・・透過型光電面、３１・
・・電子放出層、３２・・・光吸収層、３３・・・窓
層、３４・・・コンタクト層、４０・・・陽極、４１・
・・フォトダイオード、４２・・・蛍光体、４３・・・
ファイバープレート、４４・・・電荷蓄積素子、５０・
・・第１電極、５１・・・第２電極、５３・・・金属配
線、５３、５３ａ，ｂ，ｃ・・・電気リード、５４、５
４ａ，ｂ・・・ステムピン、６０・・・半導体基板、６
１・・・エッチストップ層、７０・・・収束電極、７１
・・・ダイノード部、７１ａ・・・第１ダイノード、７
１ｂ・・・第２ダイノード、７１ｃ・・・第３ダイノー
ド、７１ｄ・・・第４ダイノード、７１ｅ・・・第５ダ
イノード、７１ｆ・・・第６ダイノード、７１ｇ・・・
第７ダイノード、７１ｈ・・・第８ダイノード、７２・
・・マイクロチャンネルプレート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅博文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

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出対象である被検出光が入射するガラ
ス面板と、前記ガラス面板を側壁端部に支持して内部が真空状態に
保たれた真空管と、前記ガラス面板の内面上に密着するように設けられ、前
記被検出光の反射を防止する反射防止膜と、前記反射防止膜上に配置され、前記被検出光の受容によ
り前記真空管の内部空間に光電子を放出する透過型光電
面と、前記真空管内部に設置され、前記透過型光電面に対して
正の電圧を保持する陽極と、を備えた電子管であって、
前記透過型光電面は、ｐ型化合物半導体によって前記反射防止膜上に形成さ
れ、前記被検出光より短波長の光を遮断する窓層と、前記窓層よりもバンドギャップエネルギが小さいｐ型化
合物半導体によって前記窓層上にメサ型形状に形成さ
れ、前記被検出光を吸収して前記光電子を発生させる光
吸収層と、ｐ型化合物半導体によって前記光吸収層上に形成され、
前記光吸収層から前記光電子をドリフトさせる電子放出
層と、金属又は合金によって前記電子放出層上に接続して形成
された、前記光電子が透過可能な第１電極と、金属又は合金によって前記窓層の周縁部上面に接続して
形成された第２電極と、を有していることを特徴とする
電子管。
【請求項２】前記第１電極は、金属又は合金が前記電
子放出層上にほぼ均一に分布することによりパターン形
状に形成されて、前記電子放出層がほぼ均一に露出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電子管。
【請求項３】前記電子放出層と前記第１電極との間に
はｎ型化合物半導体からなるコンタクト層が介在して形
成されていることを特徴とする請求項１又２に記載の電
子管。
【請求項４】前記光吸収層が前記窓層及び前記電子放
出層と格子整合するIn_xGa_1-xAs_yP_1-y(0＜x＜1,0＜y＜1)
からなり、前記窓層は前記光吸収層よりも大きいバンド
ギャップエネルギを有する化合物半導体又はその混晶か
らなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子管。
【請求項５】前記光吸収層が少なくとも２種類以上の
半導体多層膜の量子井戸構造から形成され、前記量子井
戸構造の伝導帯に形成されるサブバンド間において前記
被検出光を吸収して光電子を発生させることを特徴とす
る請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子管。
【請求項６】前記透過型光電面は遷移電子型であるこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
電子管。
【請求項７】前記透過型光電面と前記陽極との間には
前記透過型光電面から放出された光電子を２次電子増倍
する増倍手段が備えられていることを特徴とする請求項
１乃至６のいずれか１項に記載の電子管。
【請求項８】前記透過型光電面と前記陽極との間に
は、前記被検出光の２次元光学像に対応して前記透過型
光電面から放出された２次元光電子像を２次電子増倍す
る増倍手段が備えられており、前記陽極は前記増倍手段
で２次電子増倍された２次元電子像を受容することによ
って発光する蛍光膜であることを特徴とする請求項１乃
至７のいずれか１項に記載の電子管。
【請求項９】前記陽極は前記透過型光電面に入射した
被検出光の２次元光学像に対応した２次元電子像を受容
することによって前記２次元光学像に対応した電気信号
を出力する固体撮像デバイスであることを特徴とする請
求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子管。