JPH09320457A - 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 - Google Patents
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
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- JPH09320457A JPH09320457A JP13378996A JP13378996A JPH09320457A JP H09320457 A JPH09320457 A JP H09320457A JP 13378996 A JP13378996 A JP 13378996A JP 13378996 A JP13378996 A JP 13378996A JP H09320457 A JPH09320457 A JP H09320457A
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/34—Photo-emissive cathodes
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- Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
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。コンタクト層５０は、ｐ型第２半導
体層３０とＰＮ接合をなし、コンタクト層５０上にはこ
のコンタクト層とオーミック接触する表面電極８０が形
成されている。また、ｐ型第２半導体層３０の表面であ
って、コンタクト層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。
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。コンタクト層５０は、ｐ型第２半導
体層３０とＰＮ接合をなし、コンタクト層５０上にはこ
のコンタクト層とオーミック接触する表面電極８０が形
成されている。また、ｐ型第２半導体層３０の表面であ
って、コンタクト層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。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光の入射により電
子を発生させ、外部から印加した電圧でこれを加速して
放出する半導体光電陰極及びこれを用いた半導体光電陰
極装置に関する。
子を発生させ、外部から印加した電圧でこれを加速して
放出する半導体光電陰極及びこれを用いた半導体光電陰
極装置に関する。
【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。
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。
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、表面に形成されるショットキ電極への光電
子の捕獲に起因していると考えられる。
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、表面に形成されるショットキ電極への光電
子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。
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。
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。
【０００７】そこで、本発明においては、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、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ＰＮ接合
を成して第２半導体層の表面を覆うように形成されたコ
ンタクト層と、コンタクト層上にありコンタクト層とオ
ーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数
より小さな仕事関数を有し、コンタクト層の開口内に形
成された第３半導体層と、第２半導体層よりも広いエネ
ルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその厚み
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を備える構成とした。
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、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ＰＮ接合
を成して第２半導体層の表面を覆うように形成されたコ
ンタクト層と、コンタクト層上にありコンタクト層とオ
ーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数
より小さな仕事関数を有し、コンタクト層の開口内に形
成された第３半導体層と、第２半導体層よりも広いエネ
ルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその厚み
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を備える構成とした。
【０００８】このように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、ＰＮ接
合をなすコンタクト層には第１半導体層よりも高い電位
が与えられるので、発生した電子はこの電位による電界
に力を受けてコンタクト層方向へ走行する。第２半導体
層は、第１半導体層よりもその濃度が低い場合には、第
２半導体層内に第１半導体層より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、
走行中の電子はこの電界で加速されてエネルギーを受け
取るので、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
励起されながらコンタクト層方向に走行する。
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、ＰＮ接
合をなすコンタクト層には第１半導体層よりも高い電位
が与えられるので、発生した電子はこの電位による電界
に力を受けてコンタクト層方向へ走行する。第２半導体
層は、第１半導体層よりもその濃度が低い場合には、第
２半導体層内に第１半導体層より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、
走行中の電子はこの電界で加速されてエネルギーを受け
取るので、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
励起されながらコンタクト層方向に走行する。
【０００９】一方、第２半導体層の内部には、コンタク
ト層をその厚み方向に貫く延長線上に第２半導体層より
も広いエネルギーバンドギャップを有する半導体部が配
置されているので、この半導体部の存在に起因してポテ
ンシャル障壁が発生する。このポテンシャルにより走行
中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタクト層の開
口方向へ走行する。コンタクト層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
体層の仕事関数は第２半導体層の仕事関数よりも小さい
ので、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が好ましい。例えば、
第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃ
ｓ−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。
ト層をその厚み方向に貫く延長線上に第２半導体層より
も広いエネルギーバンドギャップを有する半導体部が配
置されているので、この半導体部の存在に起因してポテ
ンシャル障壁が発生する。このポテンシャルにより走行
中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタクト層の開
口方向へ走行する。コンタクト層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
体層の仕事関数は第２半導体層の仕事関数よりも小さい
ので、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が好ましい。例えば、
第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃ
ｓ−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。
【００１０】また、本発明においては、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、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半導体層よりも広いエネルギーバン
ドギャップを有し、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ＰＮ接合を成して半導体
部の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、コン
タクト層上にありコンタクト層とオーミック接触する表
面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数
を有し、コンタクト層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
層とを備える構成とした。
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、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半導体層よりも広いエネルギーバン
ドギャップを有し、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ＰＮ接合を成して半導体
部の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、コン
タクト層上にありコンタクト層とオーミック接触する表
面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数
を有し、コンタクト層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
層とを備える構成とした。
【００１１】このように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、ＰＮ接
合をなすコンタクト層には第１半導体層よりも高い電位
が与えられるので、発生した電子はこの電位による電界
に力を受けてコンタクト層方向へ走行する。第２半導体
層の濃度が１半導体層の濃度よりも低い場合には、第２
半導体層内に第１半導体層より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
行中の電子はこの電界からエネルギーを受け取るので、
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）に励起されな
がらコンタクト層方向に走行する。
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、ＰＮ接
合をなすコンタクト層には第１半導体層よりも高い電位
が与えられるので、発生した電子はこの電位による電界
に力を受けてコンタクト層方向へ走行する。第２半導体
層の濃度が１半導体層の濃度よりも低い場合には、第２
半導体層内に第１半導体層より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
行中の電子はこの電界からエネルギーを受け取るので、
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）に励起されな
がらコンタクト層方向に走行する。
【００１２】一方、第２半導体層の表面には、第２半導
体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導
体部が配置され、またコンタクト層の開口部をその厚み
方向に貫く延長線上の第２半導体上には第３半導体層が
形成されている。したがって、この半導体部の存在に起
因してポテンシャル障壁が発生する。このポテンシャル
により走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタ
クト層の開口方向へ走行する。そして、電子は第３半導
体層内に導入される。第３半導体層の仕事関数は第２半
導体層の仕事関数よりも小さいので、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
半導体などを用いることが好ましい。例えば、第３半導
体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔ
ｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、
Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃ
ｓなどの組み合わせが列挙される。
体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導
体部が配置され、またコンタクト層の開口部をその厚み
方向に貫く延長線上の第２半導体上には第３半導体層が
形成されている。したがって、この半導体部の存在に起
因してポテンシャル障壁が発生する。このポテンシャル
により走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタ
クト層の開口方向へ走行する。そして、電子は第３半導
体層内に導入される。第３半導体層の仕事関数は第２半
導体層の仕事関数よりも小さいので、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
半導体などを用いることが好ましい。例えば、第３半導
体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔ
ｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、
Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃ
ｓなどの組み合わせが列挙される。
【００１３】また、本発明においては、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、コン
タクト層の開口内の面積よりも小さくしてもよい。
の部分を有しており、この環状の部分内の面積は、コン
タクト層の開口内の面積よりも小さくしてもよい。
【００１４】このように半導体部が環状の部分を有して
いて、この環状の部分内の面積はコンタクト層の開口内
の面積よりも小さくすると、電子はこの環状の半導体層
により曲げられてコンタクト層に吸収されずに開口部へ
集束される。
いて、この環状の部分内の面積はコンタクト層の開口内
の面積よりも小さくすると、電子はこの環状の半導体層
により曲げられてコンタクト層に吸収されずに開口部へ
集束される。
【００１５】また、本発明においては、半導体部はメッ
シュ形状を有する構成としてもよい。
シュ形状を有する構成としてもよい。
【００１６】このように半導体部がメッシュ形状を有す
ると、電子が第３半導体層の表面から高い均一性で放出
される。
ると、電子が第３半導体層の表面から高い均一性で放出
される。
【００１７】また、本発明においては、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構成としてもよい。
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構成としてもよい。
【００１８】このように第２半導体層が、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
を有するようにしたので、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
電流を減少できる。
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
を有するようにしたので、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
電流を減少できる。
【００１９】また、本発明においては、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構成としても
よい。
トライプ状に配置された半導体部分を含む構成としても
よい。
【００２０】このように半導体部をストライプ状に配置
したので、第３半導体の表面から高い均一性で電子が放
出される。また、これらの半導体部は、お互いに交差す
る半導体部分を備えていてもよい。
したので、第３半導体の表面から高い均一性で電子が放
出される。また、これらの半導体部は、お互いに交差す
る半導体部分を備えていてもよい。
【００２１】また、本発明においては、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、半導体光電陰極は、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ＰＮ接合を成して第２半導体層の表面を覆う
ように形成されたコンタクト層と、コンタクト層上にあ
りコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２
半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、コンタ
クト層の開口内に形成された第３半導体層と、第２半導
体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、コン
タクト層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、表面電極に電
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３接続
ピンを備える構成とした。
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、半導体光電陰極は、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ＰＮ接合を成して第２半導体層の表面を覆う
ように形成されたコンタクト層と、コンタクト層上にあ
りコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２
半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、コンタ
クト層の開口内に形成された第３半導体層と、第２半導
体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、コン
タクト層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、表面電極に電
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３接続
ピンを備える構成とした。
【００２２】このように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３接続ピンとの間に第３
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３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。
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３接続ピンとの間に第３
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３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。
【００２３】また、本発明においては、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構成としてもよい。
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構成としてもよい。
【００２４】このように第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
有するようにしたので、半導体基板と第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
を減少できる。
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
有するようにしたので、半導体基板と第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
を減少できる。
【００２５】また、本発明においては、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
増倍器を含む構成としてもよい。
装置は、半導体光電陰極と陽極との間に配置された電子
増倍器を含む構成としてもよい。
【００２６】このように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よ
うにしたので、半導体光電陰極からの光電子を増幅でき
る。たとえば、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）を配置するこ
ととしてもよい。
光電陰極と陽極との間に配置された電子増倍器を含むよ
うにしたので、半導体光電陰極からの光電子を増幅でき
る。たとえば、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）を配置するこ
ととしてもよい。
【００２７】また、本発明においては、陽極は、蛍光物
質を含む部材を含むようにしてもよい。
質を含む部材を含むようにしてもよい。
【００２８】このように陽極は蛍光物質を含む部材を含
むようにしたので、陽極は光電子の到達により蛍光を発
する。
むようにしたので、陽極は光電子の到達により蛍光を発
する。
【００２９】また、本発明においては、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、半導体光電陰極は、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、第２半導体層と陽
極との間に配置されたコンタクト層と、コンタクト上に
ありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第
２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、第２
半導体層と陽極との間に配置された第３半導体層と、コ
ンタクト層とＰＮ接合をなし、第２半導体層よりも広い
エネルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその
厚み方向に貫く延長線上に配置された半導体部と、表面
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３接続ピンを備える構成とした。
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、半導体光電陰極は、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、第２半導体層と陽
極との間に配置されたコンタクト層と、コンタクト上に
ありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第
２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、第２
半導体層と陽極との間に配置された第３半導体層と、コ
ンタクト層とＰＮ接合をなし、第２半導体層よりも広い
エネルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその
厚み方向に貫く延長線上に配置された半導体部と、表面
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３接続ピンを備える構成とした。
【００３０】このように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、半導体
光電陰極は、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、第２半導体層と陽極との間に配置
されたコンタクト層と、コンタクト上にありコンタクト
層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕
事関数より小さな仕事関数を有し、第２半導体層と陽極
との間に配置された第３半導体層と、コンタクト層とＰ
Ｎ接合をなし、第２半導体層よりも広いエネルギーバン
ドギャップを有し、コンタクト層をその厚み方向に貫く
延長線上に配置された半導体部と、表面電極に電気的に
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３接続ピンを
備える構成として、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
３接続ピンとの間に第３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され
る。このようにすると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３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。
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、半導体
光電陰極は、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、第２半導体層と陽極との間に配置
されたコンタクト層と、コンタクト上にありコンタクト
層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕
事関数より小さな仕事関数を有し、第２半導体層と陽極
との間に配置された第３半導体層と、コンタクト層とＰ
Ｎ接合をなし、第２半導体層よりも広いエネルギーバン
ドギャップを有し、コンタクト層をその厚み方向に貫く
延長線上に配置された半導体部と、表面電極に電気的に
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３接続ピンを
備える構成として、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
３接続ピンとの間に第３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され
る。このようにすると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３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。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体光電陰
極の発明の実施の形態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。
極の発明の実施の形態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。
【００３２】（第１の実施の形態）図１は、第１の実施
の形態に係る半導体光電陰極の斜視図である。本実施の
形態の半導体光電陰極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コンタクト層５０が形成されてい
る。コンタクト層５０は、その層上にオーミック接触す
る表面電極８０を備えている。
の形態に係る半導体光電陰極の斜視図である。本実施の
形態の半導体光電陰極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コンタクト層５０が形成されてい
る。コンタクト層５０は、その層上にオーミック接触す
る表面電極８０を備えている。
【００３３】また、第２半導体層３０の表面であって、
コンタクト層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
もしくはこれ以下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、コンタクト層５０をその厚み方
向に貫く延長線上に設置されている。
コンタクト層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
もしくはこれ以下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、コンタクト層５０をその厚み方
向に貫く延長線上に設置されている。
【００３４】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、
コンタクト層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、コンタクト層の形状と対応して
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６０
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。
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、
コンタクト層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、コンタクト層の形状と対応して
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６０
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。
【００３５】本実施の形態においては、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。
層の構成材料や層厚は以下のように設定される。
【００３６】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 のｐ型Ｉｎ
Ｐ半導体であり、半導体部６０は不純物濃度１×１０16
／ｃｍ3 以下のｐ- のＡｌＡｓＳｂ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。
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 のｐ型Ｉｎ
Ｐ半導体であり、半導体部６０は不純物濃度１×１０16
／ｃｍ3 以下のｐ- のＡｌＡｓＳｂ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。
【００３７】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の範囲は以
下の表に示す通りである。なお、半導体基板は、所定の
基板上に半導体の薄膜を形成して使用してもよい。この
ように基板を用いると、基板を薄膜の支持材とて使用で
きる。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ系では、基板としてサフ
ァイヤ、ＳｉＣ、スピネル等が好ましい。
−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の範囲は以
下の表に示す通りである。なお、半導体基板は、所定の
基板上に半導体の薄膜を形成して使用してもよい。この
ように基板を用いると、基板を薄膜の支持材とて使用で
きる。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ系では、基板としてサフ
ァイヤ、ＳｉＣ、スピネル等が好ましい。
【００３８】
【表１】
【００３９】次に、この半導体光電陰極ＣＴの動作につ
いて説明する。
いて説明する。
【００４０】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と表面
電極８０との間には、表面電極８０がオーミック電極７
０よりも高い電位になるような電圧（例えば、３．５
Ｖ）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１０-1 0 ｔｏｒｒ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１０-5ｔｏｒｒ以下であること
が望ましい。
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と表面
電極８０との間には、表面電極８０がオーミック電極７
０よりも高い電位になるような電圧（例えば、３．５
Ｖ）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１０-1 0 ｔｏｒｒ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１０-5ｔｏｒｒ以下であること
が望ましい。
【００４１】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、表面電極８０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、発生した電子はコンタクト
層５０方向へ走行する。ｐ型の第２半導体層３０の濃度
は第１半導体層２０の濃度より低いので、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
れてコンタクト層５０方向に走行する。
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、表面電極８０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、発生した電子はコンタクト
層５０方向へ走行する。ｐ型の第２半導体層３０の濃度
は第１半導体層２０の濃度より低いので、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
れてコンタクト層５０方向に走行する。
【００４２】ここで、第２半導体層３０の内部には、コ
ンタクト層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、電子はコン
タクト層５０の開口方向へ走行する。コンタクト層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の仕事関数は、第２半導体層３０の仕事関数よ
り小さいので、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。
ンタクト層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、電子はコン
タクト層５０の開口方向へ走行する。コンタクト層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の仕事関数は、第２半導体層３０の仕事関数よ
り小さいので、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。
【００４３】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。
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。
【００４４】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。
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。
【００４５】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ＣＴ内部には、励起された
電子がコンタクト層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。
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ＣＴ内部には、励起された
電子がコンタクト層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。
【００４６】次にこの半導体光電陰極ＣＴ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。
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。
【００４７】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電子に対するポテ
ンシャル図である。
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電子に対するポテ
ンシャル図である。
【００４８】図４（ｃ）から明らかなように、バイアス
を印加した場合においても半導体部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
るので、励起された電子Ｅ１がコンタクト層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。
を印加した場合においても半導体部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
るので、励起された電子Ｅ１がコンタクト層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。
【００４９】表面電極８０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上のコン
タクト層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６
０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る
ので、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とコンタクト層５０の幅を、半導体層６０の
幅≧コンタクト層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、コ
ンタクト層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。
電子Ｅ１は、その進行方向が第２半導体層３０上のコン
タクト層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６
０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る
ので、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とコンタクト層５０の幅を、半導体層６０の
幅≧コンタクト層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、コ
ンタクト層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。
【００５０】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。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１０-10 ｔｏｒｒ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３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３接続ピン９０ａは密閉容器１００を貫通
している。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。
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。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１０-10 ｔｏｒｒ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３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３接続ピン９０ａは密閉容器１００を貫通
している。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。
【００５１】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３接続ピン９０ａとの間に第３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、表面電極８０およびオーミック電極７
０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａ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９
０ａを備えている。
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３接続ピン９０ａとの間に第３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、表面電極８０およびオーミック電極７
０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａ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９
０ａを備えている。
【００５２】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。
製造方法について説明する。
【００５３】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
明するための工程断面図である。
の製造方法を半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説
明するための工程断面図である。
【００５４】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。
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。
【００５５】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
配置になるようにコンタクト層５０ａ、表面電極８０ａ
およびレジスト３００ａを形成した（図７（ｅ））。レ
ジスト層３００ａを表面から表面電極８０ａに達するま
でエッチングして半導体層６０に対応したメッシュ状の
レジストを形成して、このエッチングしたレジストをマ
スクにしてさらに表面電極８０ａおよびコンタクト層５
０ａをエッチングして、メッシュ状のコンタクト層５０
および表面電極８０を形成した（図７（ｆ））。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，これらコンタクト層５０、表面電
極８０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
（図７（ｇ））。
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
配置になるようにコンタクト層５０ａ、表面電極８０ａ
およびレジスト３００ａを形成した（図７（ｅ））。レ
ジスト層３００ａを表面から表面電極８０ａに達するま
でエッチングして半導体層６０に対応したメッシュ状の
レジストを形成して、このエッチングしたレジストをマ
スクにしてさらに表面電極８０ａおよびコンタクト層５
０ａをエッチングして、メッシュ状のコンタクト層５０
および表面電極８０を形成した（図７（ｆ））。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，これらコンタクト層５０、表面電
極８０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
（図７（ｇ））。
【００５６】なお、本実施の形態では、半導体基板１
０、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
２００ｎｍのレジスト膜を用いた。
０、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
２００ｎｍのレジスト膜を用いた。
【００５７】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
--（１×１０17〜１×１０14／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。
コンタクト層５０は、ｎ+（１×１０18〜１×１０19／
ｃｍ3）である。このコンタクト層の厚さは、１μｍ〜
数μｍ程度が好ましい。また、表面電極８０は、Ａｌな
どの金属を用いた真空蒸着法によりコンタクト層５０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Ｃｓ2 Ｏとし、Ｃｓ2 Ｏ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。
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
--（１×１０17〜１×１０14／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。
コンタクト層５０は、ｎ+（１×１０18〜１×１０19／
ｃｍ3）である。このコンタクト層の厚さは、１μｍ〜
数μｍ程度が好ましい。また、表面電極８０は、Ａｌな
どの金属を用いた真空蒸着法によりコンタクト層５０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Ｃｓ2 Ｏとし、Ｃｓ2 Ｏ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。
【００５８】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。
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。
【００５９】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。す
なわち、この第２グレーデッド層２０ｂは、第１領域２
０ａ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３０ｂ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。
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。す
なわち、この第２グレーデッド層２０ｂは、第１領域２
０ａ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３０ｂ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。
【００６０】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１０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７０が
半導体基板１０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７０を
容易にこの半導体基板１０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。
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１０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７０が
半導体基板１０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７０を
容易にこの半導体基板１０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。
【００６１】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。
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。
【００６２】（第２の実施の形態）次に、半導体光電陰
極の第２の実施の形態について図１０〜図１１を用いて
説明する。なお、各半導体層を構成する材料および不純
物濃度は、図１を用いて説明した半導体光電陰極ＣＴと
同様である。
極の第２の実施の形態について図１０〜図１１を用いて
説明する。なお、各半導体層を構成する材料および不純
物濃度は、図１を用いて説明した半導体光電陰極ＣＴと
同様である。
【００６３】図１０に示す半導体光電陰極ＣＴ３は、図
３に示した半導体光電陰極ＣＴと第２半導体層３０内の
半導体部６０の位置が異なっている。すなわち、この半
導体光電陰極ＣＴ３は、半導体基板１０上にｐ型第１半
導体層２０、ｐ型第２半導体層３０および第３半導体層
４０が順次積層して形成されており、ｐ型第２半導体層
３０内には格子状の半導体部６０が埋め込まれている。
そして、この埋め込まれた半導体部６０上の第３半導体
層４０の形成されていない面には、コンタクト層５０が
存在し、さらにこのコンタクト層５０上にはこの層とオ
ーミック接触した表面電極８０が存在する。また、第１
半導体層２０には、オーミック電極７０が設けられてい
る。これらの電極５０および電極７０は、それぞれ金な
どの金属５０ａおよび金属７０ａを介して図示しない接
続ピンに接続されている。陽極９０は、第３半導体層４
０に対向して配置されており、図示しない接続ピンに接
続されている。この半導体光電陰極ＣＴ３および陽極９
０は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴと同様に図６に
示したような密閉容器１００内に設置される。
３に示した半導体光電陰極ＣＴと第２半導体層３０内の
半導体部６０の位置が異なっている。すなわち、この半
導体光電陰極ＣＴ３は、半導体基板１０上にｐ型第１半
導体層２０、ｐ型第２半導体層３０および第３半導体層
４０が順次積層して形成されており、ｐ型第２半導体層
３０内には格子状の半導体部６０が埋め込まれている。
そして、この埋め込まれた半導体部６０上の第３半導体
層４０の形成されていない面には、コンタクト層５０が
存在し、さらにこのコンタクト層５０上にはこの層とオ
ーミック接触した表面電極８０が存在する。また、第１
半導体層２０には、オーミック電極７０が設けられてい
る。これらの電極５０および電極７０は、それぞれ金な
どの金属５０ａおよび金属７０ａを介して図示しない接
続ピンに接続されている。陽極９０は、第３半導体層４
０に対向して配置されており、図示しない接続ピンに接
続されている。この半導体光電陰極ＣＴ３および陽極９
０は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴと同様に図６に
示したような密閉容器１００内に設置される。
【００６４】図１１は、図１０に示した半導体光電陰極
ＣＴ３の製造方法を断面を用いて説明するための工程断
面図である。まず、半導体基板１０を用意する。そし
て、この半導体基板上に、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２００ａを
順次積層した（図１１（ａ））。各半導体層の積層はＭ
ＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法を用いた。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２０
０を形成した（図１１（ｂ））。次に、このレジスト２
００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１１（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と同じ材料を、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１１（ｄ））。次に、第２
半導体層３０をその表面から半導体部６０が露出するま
で研磨した（図１１（ｅ））。さらに、第２半導体層３
０および半導体層６０上にコンタクト層５０ａ、表面電
極層８０ａおよびレジスト３００ａを順次積層して形成
した（図１１（ｆ））。次に、レジスト３００ａを表面
から表面電極層８０ａに達するまでエッチングして半導
体層６０に対応したレジストパターンを形成した。この
レジストをマスクにして表面電極層８０ａとコンタクト
層５０ａを順次エッチングして、メッシュ状のコンタク
ト層５０および表面電極８０を形成した（図１１
（ｇ））。大気圧より低圧の環境下でこれを加熱して第
２半導体層３０を清浄化した後に、これらコンタクト層
５０、表面電極８０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１０に示した半導体
光電陰極ＣＴ３を得た（図１１（ｈ））。
ＣＴ３の製造方法を断面を用いて説明するための工程断
面図である。まず、半導体基板１０を用意する。そし
て、この半導体基板上に、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２００ａを
順次積層した（図１１（ａ））。各半導体層の積層はＭ
ＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法を用いた。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２０
０を形成した（図１１（ｂ））。次に、このレジスト２
００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１１（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と同じ材料を、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１１（ｄ））。次に、第２
半導体層３０をその表面から半導体部６０が露出するま
で研磨した（図１１（ｅ））。さらに、第２半導体層３
０および半導体層６０上にコンタクト層５０ａ、表面電
極層８０ａおよびレジスト３００ａを順次積層して形成
した（図１１（ｆ））。次に、レジスト３００ａを表面
から表面電極層８０ａに達するまでエッチングして半導
体層６０に対応したレジストパターンを形成した。この
レジストをマスクにして表面電極層８０ａとコンタクト
層５０ａを順次エッチングして、メッシュ状のコンタク
ト層５０および表面電極８０を形成した（図１１
（ｇ））。大気圧より低圧の環境下でこれを加熱して第
２半導体層３０を清浄化した後に、これらコンタクト層
５０、表面電極８０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１０に示した半導体
光電陰極ＣＴ３を得た（図１１（ｈ））。
【００６５】（第３の実施の形態）次に、半導体光電陰
極の第３の実施の形態について図１２を用いて説明す
る。なお、各半導体層を構成する材料および不純物濃度
は、図１を用いて説明した半導体光電陰極ＣＴと同様で
ある。
極の第３の実施の形態について図１２を用いて説明す
る。なお、各半導体層を構成する材料および不純物濃度
は、図１を用いて説明した半導体光電陰極ＣＴと同様で
ある。
【００６６】図１２は、本実施の形態の半導体光電陰極
ＣＴ４を厚み方向に切った断面図である。この半導体光
電陰極ＣＴ４は、図３に示した半導体光電陰極ＣＴにお
いて第２半導体層３０内に設置されていた半導体部６０
が、第２半導体層３０と一面のみで接触されることとし
た構造を有している。すなわち、本半導体光電陰極ＣＴ
４は、半導体基板１０上にｐ型の第１半導体層２０、ｐ
型の第２半導体層３０、第３半導体層４０、格子状の半
導体部６０、コンタクト層５０および表面電極８０が順
次積層して形成されている。そして、第２半導体層３０
の表面、半導体部６０、コンタクト層５０および表面電
極８０を覆うように第３半導体層４０が形成されてい
る。また、第１半導体層２０には、オーミック電極７０
が設けられている。これらの電極８０および電極７０
は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａを介
して図示しない接続ピンに接続されている。陽極９０
は、第３半導体層４０に対向して配置されており、図示
しない接続ピンに接続されている。この半導体光電陰極
ＣＴ３および陽極９０は、図１に示した半導体光電陰極
ＣＴと同様に図６に示したような密閉容器１００内に設
置される。
ＣＴ４を厚み方向に切った断面図である。この半導体光
電陰極ＣＴ４は、図３に示した半導体光電陰極ＣＴにお
いて第２半導体層３０内に設置されていた半導体部６０
が、第２半導体層３０と一面のみで接触されることとし
た構造を有している。すなわち、本半導体光電陰極ＣＴ
４は、半導体基板１０上にｐ型の第１半導体層２０、ｐ
型の第２半導体層３０、第３半導体層４０、格子状の半
導体部６０、コンタクト層５０および表面電極８０が順
次積層して形成されている。そして、第２半導体層３０
の表面、半導体部６０、コンタクト層５０および表面電
極８０を覆うように第３半導体層４０が形成されてい
る。また、第１半導体層２０には、オーミック電極７０
が設けられている。これらの電極８０および電極７０
は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａを介
して図示しない接続ピンに接続されている。陽極９０
は、第３半導体層４０に対向して配置されており、図示
しない接続ピンに接続されている。この半導体光電陰極
ＣＴ３および陽極９０は、図１に示した半導体光電陰極
ＣＴと同様に図６に示したような密閉容器１００内に設
置される。
【００６７】本実施の形態の半導体光電陰極は、その構
造上、第２半導体層３０をエッチングしないでも半導体
部６０を形成できるので、図１〜図１１に示した半導体
光電陰極と比較して簡易に製造できるばかりでなく、エ
ッチングによる第２半導体層３０の結晶性の劣化を防止
することができる。
造上、第２半導体層３０をエッチングしないでも半導体
部６０を形成できるので、図１〜図１１に示した半導体
光電陰極と比較して簡易に製造できるばかりでなく、エ
ッチングによる第２半導体層３０の結晶性の劣化を防止
することができる。
【００６８】（第４の実施の形態）次に、半導体光電陰
極の第４の実施の形態について説明する。図１３（ａ）
は、本実施の形態に係る半導体光電陰極の平面図であ
り、図１３（ｂ）は、図１３（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１３
（ｃ）は、図１３（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。
極の第４の実施の形態について説明する。図１３（ａ）
は、本実施の形態に係る半導体光電陰極の平面図であ
り、図１３（ｂ）は、図１３（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１３
（ｃ）は、図１３（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。
【００６９】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上に形成されたコ
ンタクト層３５０、このコンタクト層３５０上にオーミ
ック接触する表面電極３８０を備えている。
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上に形成されたコ
ンタクト層３５０、このコンタクト層３５０上にオーミ
ック接触する表面電極３８０を備えている。
【００７０】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３
２０（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
コンタクト層３５０および表面電極３８０が形成されて
いる。すなわち、コンタクト層３５０は、ストライプ状
の半導体部分を含んでいる。コンタクト層３５０は、第
２半導体層３３０とＰＮ接合をなしている。第２半導体
層３３０の表面であって、ストライプ（縞）状のコンタ
クト層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
度もしくはこれ以下の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、コンタクト層３５０および表面
電極３８０をその厚み方向に貫く延長線上に設置されて
いる。
の入射に応答して電子を発生するｐ型の第１半導体層３
２０（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
コンタクト層３５０および表面電極３８０が形成されて
いる。すなわち、コンタクト層３５０は、ストライプ状
の半導体部分を含んでいる。コンタクト層３５０は、第
２半導体層３３０とＰＮ接合をなしている。第２半導体
層３３０の表面であって、ストライプ（縞）状のコンタ
クト層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
度もしくはこれ以下の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、コンタクト層３５０および表面
電極３８０をその厚み方向に貫く延長線上に設置されて
いる。
【００７１】本実施の形態の半導体部３６０は、ストラ
イプ形状を有しているので、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３２０から活性層３４０方向に走行する。第２半導体
層３３０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３５
０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３１０にバイアスを印加するためのオーミック電極３
７０が設置されている。
イプ形状を有しているので、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３２０から活性層３４０方向に走行する。第２半導体
層３３０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３５
０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３１０にバイアスを印加するためのオーミック電極３
７０が設置されている。
【００７２】（第５の実施の形態）次に、本発明の第５
の実施の形態について説明する。図１４は、本実施の形
態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。なお、図１４は、この半導体光電陰極の構造を分か
りやすくするため、コンタクト層５０と表面電極８０の
層構造をこの半導体光電陰極の断面部のみに描いてい
る。この半導体光電陰極は、図１に示したコンタクト層
５０をコンタクト層５０ａ，５０ｂ…に分割し、さらに
図１に示した表面電極８０を表面電極８０ａ，８０ｂ…
に分割したものである。コンタクト層５０ａおよび表面
電極８０ａとコンタクト層５０ｂおよび表面電極８０ｂ
とは電気的に絶縁されているので、表面電極８０ａには
表面電極８０ｂと独立した電位を印加することができ
る。なお、他の要素（１０，２０，３０，４０，６０，
７０）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。
の実施の形態について説明する。図１４は、本実施の形
態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。なお、図１４は、この半導体光電陰極の構造を分か
りやすくするため、コンタクト層５０と表面電極８０の
層構造をこの半導体光電陰極の断面部のみに描いてい
る。この半導体光電陰極は、図１に示したコンタクト層
５０をコンタクト層５０ａ，５０ｂ…に分割し、さらに
図１に示した表面電極８０を表面電極８０ａ，８０ｂ…
に分割したものである。コンタクト層５０ａおよび表面
電極８０ａとコンタクト層５０ｂおよび表面電極８０ｂ
とは電気的に絶縁されているので、表面電極８０ａには
表面電極８０ｂと独立した電位を印加することができ
る。なお、他の要素（１０，２０，３０，４０，６０，
７０）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。
【００７３】（第６の実施の形態）次に、本発明の第６
の実施の形態について説明する。図１５は、この実施の
形態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。なお、図１５は、この半導体光電陰極の構造を
分かりやすくするため、コンタクト層５０と表面電極８
０の層構造を半導体光電陰極の断面のみに描いている。
図１６（ａ）は、図１５に示した半導体光電陰極の平面
図であり、図１６（ｂ）は、図１６（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１６（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１６（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１４に示した表面電極８０ａ，８０
ｂに夫々リード電極８０ａ´，８０ｂ´を接続したもの
である。リード電極８０ａ´の終端部分は、表面電極８
０ａに電位を与えるための端子を構成しており、リード
電極８０ｂ´の終端部分は、表面電極８０ｂに電位を与
えるための端子を構成している。表面電極８０ａおよび
表面電極８０ｂと表面電極８０ｃおよび表面電極８０ｄ
との間にリード電極が配置されているので、このリード
電極８０ａ´または８０ｂ´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）の構成材料お
よび不純物濃度は、図１４に示した要素と同じである。
の実施の形態について説明する。図１５は、この実施の
形態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。なお、図１５は、この半導体光電陰極の構造を
分かりやすくするため、コンタクト層５０と表面電極８
０の層構造を半導体光電陰極の断面のみに描いている。
図１６（ａ）は、図１５に示した半導体光電陰極の平面
図であり、図１６（ｂ）は、図１６（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１６（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１６（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１４に示した表面電極８０ａ，８０
ｂに夫々リード電極８０ａ´，８０ｂ´を接続したもの
である。リード電極８０ａ´の終端部分は、表面電極８
０ａに電位を与えるための端子を構成しており、リード
電極８０ｂ´の終端部分は、表面電極８０ｂに電位を与
えるための端子を構成している。表面電極８０ａおよび
表面電極８０ｂと表面電極８０ｃおよび表面電極８０ｄ
との間にリード電極が配置されているので、このリード
電極８０ａ´または８０ｂ´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）の構成材料お
よび不純物濃度は、図１４に示した要素と同じである。
【００７４】（第７の実施の形態）次に、本発明の第７
の実施の形態について説明する。図１７（ａ）は、この
半導体光電陰極の平面図であり、図１７（ｂ）は、図１
７（ａ）の半導体光電陰極を線分Ｂ−Ｂ´に沿って切っ
た半導体光電陰極の断面図である。なお、図１７（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１７（ｂ）に示される活性層４０が省略されて
描かれている。
の実施の形態について説明する。図１７（ａ）は、この
半導体光電陰極の平面図であり、図１７（ｂ）は、図１
７（ａ）の半導体光電陰極を線分Ｂ−Ｂ´に沿って切っ
た半導体光電陰極の断面図である。なお、図１７（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１７（ｂ）に示される活性層４０が省略されて
描かれている。
【００７５】この半導体光電陰極は、図１５および図１
６に示された半導体光電陰極の半導体部６０の位置、コ
ンタクト層５０ａ，５０ｂの位置および表面電極８０
ａ、８０ｂの位置を変化させたものである。第２半導体
層３０内には、半導体部６０が埋設されている。半導体
部６０の表面には直接にコンタクト層５０ａ〜５０ｄが
形成されている。それぞれのコンタクト層５０ａ〜５０
ｄの開口内であって、第２半導体層上には、活性層４０
が形成されている。この構造の半導体光電陰極は、各ピ
クセル５０ａ〜５０ｄから独立に電子を放出することが
できるとともに、図１０を用いて説明したように、その
製造方法が簡単であるという利点がある。なお、要素
（１０，２０，３０，４０，５０ａ，５０ｂ，６０，７
０、８０ａ、８０ｂ）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。
６に示された半導体光電陰極の半導体部６０の位置、コ
ンタクト層５０ａ，５０ｂの位置および表面電極８０
ａ、８０ｂの位置を変化させたものである。第２半導体
層３０内には、半導体部６０が埋設されている。半導体
部６０の表面には直接にコンタクト層５０ａ〜５０ｄが
形成されている。それぞれのコンタクト層５０ａ〜５０
ｄの開口内であって、第２半導体層上には、活性層４０
が形成されている。この構造の半導体光電陰極は、各ピ
クセル５０ａ〜５０ｄから独立に電子を放出することが
できるとともに、図１０を用いて説明したように、その
製造方法が簡単であるという利点がある。なお、要素
（１０，２０，３０，４０，５０ａ，５０ｂ，６０，７
０、８０ａ、８０ｂ）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。
【００７６】（第８の実施の形態）次に、本発明の第８
の実施の形態について説明する。図１８（ａ）は、この
半導体光電陰極の平面図であり、図１８（ｂ）は、図１
８（ａ）の半導体光電陰極を線分Ｃ−Ｃ´に沿って切っ
た半導体光電陰極の断面図である。なお、図１８（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１８（ｂ）に示される活性層４０が省略されて
描かれている。
の実施の形態について説明する。図１８（ａ）は、この
半導体光電陰極の平面図であり、図１８（ｂ）は、図１
８（ａ）の半導体光電陰極を線分Ｃ−Ｃ´に沿って切っ
た半導体光電陰極の断面図である。なお、図１８（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１８（ｂ）に示される活性層４０が省略されて
描かれている。
【００７７】この半導体光電陰極は、図１５および図１
６に示された半導体光電陰極の半導体部６０の位置、コ
ンタクト層５０ａ，５０ｂの位置および表面電極８０
ａ，８０ｂの位置を変化させたものである。第２半導体
層３０内には、半導体部６０が埋設されている。半導体
部６０の表面には直接にコンタクト層５０ａ〜５０ｄが
形成されている。それぞれのコンタクト層５０ａ〜５０
ｄの開口内であって、第２半導体層上には、活性層４０
が形成されている。この構造の半導体光電陰極は、各表
面電極８０ａ〜８０ｄに電位を与えることによって、各
ピクセル５０ａ〜５０ｄから独立に電子を放出すること
ができるとともに、図１２を用いて説明したように、そ
の製造方法が簡単であるという利点がある。なお、要素
（１０，２０，３０，４０，５０ａ、５０ｂ、６０，７
０、８０ａ、８０ｂ）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。
６に示された半導体光電陰極の半導体部６０の位置、コ
ンタクト層５０ａ，５０ｂの位置および表面電極８０
ａ，８０ｂの位置を変化させたものである。第２半導体
層３０内には、半導体部６０が埋設されている。半導体
部６０の表面には直接にコンタクト層５０ａ〜５０ｄが
形成されている。それぞれのコンタクト層５０ａ〜５０
ｄの開口内であって、第２半導体層上には、活性層４０
が形成されている。この構造の半導体光電陰極は、各表
面電極８０ａ〜８０ｄに電位を与えることによって、各
ピクセル５０ａ〜５０ｄから独立に電子を放出すること
ができるとともに、図１２を用いて説明したように、そ
の製造方法が簡単であるという利点がある。なお、要素
（１０，２０，３０，４０，５０ａ、５０ｂ、６０，７
０、８０ａ、８０ｂ）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。
【００７８】次に、図１５および図１６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。
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。
【００７９】（蓄積モード）図１９（ａ）は、図１５お
よび図１６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と表面電極８
０ｃ，８０ｄとの間には電源Ｖ2 が接続されており、電
極７０の電位よりも表面電極８０ｃ、８０ｄの電位の方
がＶ2 （ボルト）高い。電位Ｖ2 は電位Ｖ1 よりも低
く、この電圧源Ｖ2 は可変である。なお、ここでは、表
面電極８０ｃと表面電極８０ｄとは接続されており、こ
れらの電極５０ｃ、５０ｄには共通の電位が与えられる
こととする。
よび図１６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と表面電極８
０ｃ，８０ｄとの間には電源Ｖ2 が接続されており、電
極７０の電位よりも表面電極８０ｃ、８０ｄの電位の方
がＶ2 （ボルト）高い。電位Ｖ2 は電位Ｖ1 よりも低
く、この電圧源Ｖ2 は可変である。なお、ここでは、表
面電極８０ｃと表面電極８０ｄとは接続されており、こ
れらの電極５０ｃ、５０ｄには共通の電位が与えられる
こととする。
【００８０】図１９（ｂ）は、図１９（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 ＝０〜１ボルト）。第１半導体層２０に光ｈν
が入射されることにより、この第１半導体層２０内にお
いて発生した電子ｅは、第１半導体層２０内部の電界の
力または拡散によって第２半導体層３０内にはいる。図
１９（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。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）。
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）。第１半導体層２０に光ｈν
が入射されることにより、この第１半導体層２０内にお
いて発生した電子ｅは、第１半導体層２０内部の電界の
力または拡散によって第２半導体層３０内にはいる。図
１９（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。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）。
【００８１】図１９（ｃ）は、図１９（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１９（ｂ）および図１９
（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。
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１９（ｂ）および図１９
（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。
【００８２】（放出モード）図１９（ｄ）は、図１９
（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 ＝２〜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、表
面電極８０ｃと電極７０との間に２〜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。
（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 ＝２〜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、表
面電極８０ｃと電極７０との間に２〜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。
【００８３】図２０は、図１６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８０ｃ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、１０-10 ｔｏｒｒ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を配置
することとしてもよい。
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８０ｃ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、１０-10 ｔｏｒｒ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を配置
することとしてもよい。
【００８４】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。
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。
【００８５】
【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、電子はコンタクト層および表面電極の開口方向へ
走行する。コンタクト層および表面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
のように電子はコンタクト層をさけて第３半導体層から
真空中へ放出されるのでコンタクト層でこの電子が吸収
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、さらに信号の変調も可能となる。
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、電子はコンタクト層および表面電極の開口方向へ
走行する。コンタクト層および表面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
のように電子はコンタクト層をさけて第３半導体層から
真空中へ放出されるのでコンタクト層でこの電子が吸収
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、さらに信号の変調も可能となる。
【図１】第１の実施の形態に係る半導体光電陰極の斜視
図である。
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。
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。
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。
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電子に対するポテンシャル図で
ある。
りやすく説明するための電子に対するポテンシャル図で
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。
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
工程断面図である。
半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説明するための
工程断面図である。
【図８】第１の実施の形態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。
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の実施の形態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。
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】第２の実施の形態の半導体光電陰極ＣＴ３を
厚み方向に切った断面図である。
厚み方向に切った断面図である。
【図１１】図１０に示した半導体光電陰極ＣＴ３の製造
方法を断面を用いて説明するための工程断面図である。
方法を断面を用いて説明するための工程断面図である。
【図１２】第３の実施の形態の半導体光電陰極ＣＴ４を
厚み方向に切った断面図である。
厚み方向に切った断面図である。
【図１３】第４の実施の形態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。
（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１４】第５の実施の形態の半導体光電陰極を一部破
断して示す斜示図である。
断して示す斜示図である。
【図１５】第６の実施の形態の半導体光電陰極を一部破
断して示す斜示図である。
断して示す斜示図である。
【図１６】図１５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。
（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面
図（ｂ）である。
【図１７】第７の実施の形態の半導体光電陰極をの平面
図（ａ）、同図（ａ）の線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った断
面図（ｂ）である。
図（ａ）、同図（ａ）の線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った断
面図（ｂ）である。
【図１８】第８の実施の形態の半導体光電陰極をの平面
図（ａ）、同図（ａ）の線分Ｃ−Ｃ´に沿って切った断
面図（ｂ）である。
図（ａ）、同図（ａ）の線分Ｃ−Ｃ´に沿って切った断
面図（ｂ）である。
【図１９】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。
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２０】半導体光電陰極ＣＴ５を実装した半導体光電
陰極装置の断面図である。
陰極装置の断面図である。
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…コンタクト層、６
０…半導体部、７０…オーミック電極、８０…表面電
極、９０…陽極。
導体層、４０…第３半導体層、５０…コンタクト層、６
０…半導体部、７０…オーミック電極、８０…表面電
極、９０…陽極。
Claims (11)
- 【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ＰＮ接合を成して前記
第２半導体層の表面を覆うように形成されたコンタクト
層と、 前記コンタクト層上にあり前記コンタクト層とオーミッ
ク接触する表面電極と、 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、前記コンタクト層の開口内に形成された第３半導体
層と、 前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップ
を有し、前記コンタクト層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、を備えることを特徴とする半導体光電陰極。 - 【請求項２】 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、 前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップ
を有し、前記第２半導体層上に形成された半導体部と、 開口を有し、前記半導体部とＰＮ接合を成して前記半導
体部の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、 前記コンタクト層上にあり前記コンタクト層とオーミッ
ク接触する表面電極と、 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、前記コンタクト層の開口をその軸方向に貫ぬく延長
線上であって、前記第２半導体層上に形成された第３半
導体層と、を備えることを特徴とする半導体光電陰極。 - 【請求項３】 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、前記コンタクト層の前
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
または請求項２に記載の半導体光電陰極。 - 【請求項４】 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３に記載の半導体光電陰極。 - 【請求項５】 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６】 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または
請求項２に記載の半導体光電陰極。 - 【請求項７】 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ＰＮ接合を成して前記
第２半導体層の表面を覆うように形成されたコンタクト
層と、 前記コンタクト層上にあり前記コンタクト層とオーミッ
ク接触する表面電極と、 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、前記コンタクト層の開口内に形成された第３半導体
層と、 前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップ
を有し、前記コンタクト層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、 前記表面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、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３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８】 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７に記載の
半導体光電陰極装置。 - 【請求項９】 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７に記載の半導体光電陰極装
置。 - 【請求項１０】 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７に記載の半導体光電陰極装
置。 - 【請求項１１】 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、 前記第２半導体層と前記陽極との間に配置されたコンタ
クト層と、 前記コンタクト上にあり前記コンタクト層とオーミック
接触する表面電極と、 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、前記第２半導体層と前記陽極との間に配置された第
３半導体層と、 前記コンタクト層とＰＮ接合をなし、前記第２半導体層
よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、前記コン
タクト層をその厚み方向に貫く延長線上に配置された半
導体部と、 前記表面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、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３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。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13378996A JP3565529B2 (ja) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | 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 |
| EP97303615A EP0810621B1 (en) | 1996-05-28 | 1997-05-28 | Semiconductor photocathode and semiconductor photocathode apparatus using the same |
| DE69723364T DE69723364T2 (de) | 1996-05-28 | 1997-05-28 | Halbleiterphotokathode und Vorrichtung unter Verwendung derselben |
| US08/864,618 US5923045A (en) | 1996-05-28 | 1997-05-28 | Semiconductor photocathode and semiconductor photocathode apparatus using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13378996A JP3565529B2 (ja) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09320457A true JPH09320457A (ja) | 1997-12-12 |
| JP3565529B2 JP3565529B2 (ja) | 2004-09-15 |
Family
ID=15113056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13378996A Expired - Fee Related JP3565529B2 (ja) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | 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 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5923045A (ja) |
| EP (1) | EP0810621B1 (ja) |
| JP (1) | JP3565529B2 (ja) |
| DE (1) | DE69723364T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US6967359B2 (en) | 2001-09-13 | 2005-11-22 | Japan Science And Technology Agency | Nitride semiconductor substrate production method thereof and semiconductor optical device using the same |
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| US20070176160A1 (en) * | 2006-01-27 | 2007-08-02 | Hamamatsu Photonics K.K. | Electron tube |
| US20100025796A1 (en) * | 2008-08-04 | 2010-02-04 | Amir Massoud Dabiran | Microchannel plate photocathode |
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| EP4368886A3 (en) | 2017-05-30 | 2024-06-19 | Carrier Corporation | Semiconductor film and phototube light detector |
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| FR2592217B1 (fr) * | 1985-12-20 | 1988-02-05 | Thomson Csf | Photocathode a amplification interne |
| US5047821A (en) * | 1990-03-15 | 1991-09-10 | Intevac, Inc. | Transferred electron III-V semiconductor photocathode |
| JPH0750587B2 (ja) * | 1991-02-25 | 1995-05-31 | 浜松ホトニクス株式会社 | 半導体光電子放出体 |
| JPH05234501A (ja) * | 1992-02-25 | 1993-09-10 | Hamamatsu Photonics Kk | 光電子放出面及びそれを用いた電子管 |
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| JP3537515B2 (ja) * | 1994-11-28 | 2004-06-14 | 浜松ホトニクス株式会社 | 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 |
| JP3433538B2 (ja) * | 1994-11-28 | 2003-08-04 | 浜松ホトニクス株式会社 | 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 |
| EP0718865B1 (en) * | 1994-12-21 | 2002-07-03 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photomultiplier having a photocathode comprised of semiconductor material |
-
1996
- 1996-05-28 JP JP13378996A patent/JP3565529B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-05-28 US US08/864,618 patent/US5923045A/en not_active Expired - Fee Related
- 1997-05-28 DE DE69723364T patent/DE69723364T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1997-05-28 EP EP97303615A patent/EP0810621B1/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6903363B2 (en) * | 2002-11-14 | 2005-06-07 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photocathode |
| US7365356B2 (en) | 2002-11-14 | 2008-04-29 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photocathode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| DE69723364D1 (de) | 2003-08-14 |
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