JPH11135003A - Photoelectric surface and electron tube using it - Google Patents

Photoelectric surface and electron tube using it

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JPH11135003A
JPH11135003A JP29561697A JP29561697A JPH11135003A JP H11135003 A JPH11135003 A JP H11135003A JP 29561697 A JP29561697 A JP 29561697A JP 29561697 A JP29561697 A JP 29561697A JP H11135003 A JPH11135003 A JP H11135003A
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JP
Japan
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layer
electron transport
light
transport layer
type
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JP29561697A
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Hiroshi Noge
宏 野毛
Hirobumi Suga
博文 菅
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Hamamatsu Photonics KK
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Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric surface provided with a light absorption layer having little crystalline defect, and highly sensitive against visible light and infrared rays of an arbitrary wave length zone, and provide an electron tube using it. SOLUTION: A light absorption layer 11 comprising Be doped (p) type Ga1-x Inx Ny As1-y of carrier concentration of 1×10<18> cm<-3> and of 2 μm thick, an electron carrying layer 12 comprising Be doped (p) type GaAs of carrier concentration of 1×10<19> cm<-3> and of 0.5 μm thick, and an extremely thin surface layer 13 comprising Cs2 O for decreasing the work function of the surface are successively formed on a semiconductor substrate 10 comprising semi-insulative GaAs. By selecting the combination of (x) and (y) so that the composition of the Ga1-x Inx Ny As1-y constituting the light absorption layer 11 is respectively lattice matched with the semiconductor substrate 10 and the electron carrying layer 12 and the lattice matching condition of 0.41x-1.14y=0 is satisfied, a lattice constant deviation can be adjusted so as to be within 1%.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光電面、特に、赤外
線領域の被検出光に対し高い効率で光電子を放出する半
導体光電面、及びそれを用いた電子管に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photocathode, and more particularly to a semiconductor photocathode which emits photoelectrons with high efficiency with respect to light to be detected in an infrared region, and an electron tube using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から知られているIII−V族化合物
半導体のうち、GaAs、GaP、GaN又はGaAs
Pは負の電子親和力を有しているので、それを備えた光
電面は高い光電変換効率を示す。図10は、その一例と
していわゆる反射型光電面を示すものであって、GaA
sからなる半導体基板10上に、P型GaAsからなる
光吸収層11をエピタキシャル成長することによって得
られる。そして、真空容器(図示しない)内で加熱清浄
化された光吸収層11の表面には、その仕事関数を低下
させるためにCs2Oからなる表面層13が形成され
る。これによって、用いる半導体の禁制帯幅で決まる波
長900nmまで比較的高い感度を有する光電面が得ら
れており、その光電面を備えた光電子増倍管も既に実用
化されている。
2. Description of the Related Art Among conventionally known III-V group compound semiconductors, GaAs, GaP, GaN or GaAs is used.
Since P has a negative electron affinity, the photocathode provided with it exhibits high photoelectric conversion efficiency. FIG. 10 shows a so-called reflection type photocathode as an example, and GaAs
The light absorption layer 11 made of P-type GaAs is epitaxially grown on the semiconductor substrate 10 made of s. Then, a surface layer 13 made of Cs 2 O is formed on the surface of the light absorbing layer 11 which has been heated and cleaned in a vacuum vessel (not shown) in order to lower its work function. As a result, a photocathode having relatively high sensitivity up to a wavelength of 900 nm determined by the forbidden band width of the semiconductor used is obtained, and a photomultiplier tube having the photocathode has already been put to practical use.

【0003】一方、GaAsの禁制帯幅で決まる波長9
00nmよりも長い赤外線波長域に感度を有する半導体
光電面の一例を図11に示す。すなわち、図11に示す
ように、InPからなる半導体基板10上に、光吸収層
11としてp型In1-xGaxAs1-yyをエピタキシャ
ル成長し、さらにCs2Oからなる表面層13と、表面
層13表面の一部にAgからなるショットキ電極14と
を形成した光電面が文献(J.S.Escher an
d R.Sankaran:Applied Phys
ics Letters, Vol.29,No.2,
p.87(1976))に報告されている。
On the other hand, a wavelength 9 determined by the forbidden band width of GaAs.
FIG. 11 shows an example of a semiconductor photocathode having sensitivity in an infrared wavelength region longer than 00 nm. That is, as shown in FIG. 11, p-type In 1-x Ga x As 1-y Py is epitaxially grown as a light absorbing layer 11 on a semiconductor substrate 10 made of InP, and a surface layer 13 made of Cs 2 O is further formed. And a photocathode in which a Schottky electrode 14 made of Ag is formed on a part of the surface of the surface layer 13 is described in the literature (JS Escher an.
dR. Sankaran: Applied Physs
ics Letters, Vol. 29, No. 2,
p. 87 (1976)).

【0004】しかしながら、比較的高い光電変換効率を
得るためには、光吸収層11を構成するIn1-xGax
1-yyがInPからなる半導体基板10にほぼ格子整
合するように、その組成が0≦x≦0.5の範囲になけ
ればならない。この組成に対応したIn1-xGaxAs
1-yyの禁制帯幅は0.7eV以上であり、従って、光
電面が応答する波長範囲は1.7μm以下に限られてい
た。これ以外の組成範囲では、格子不整合によって光吸
収層11内に多数の欠陥が発生し、それが電子の再結合
中心として働くため、光電変換効率は急激に悪化する。
However, in order to obtain a relatively high photoelectric conversion efficiency, In 1-x Ga x A
As s 1-y P y is nearly lattice matched to the semiconductor substrate 10 made of InP, the composition of which must be in the range of 0 ≦ x ≦ 0.5. In 1-x Ga x As corresponding to this composition
Bandgap of 1-y P y is at least 0.7 eV, therefore, the wavelength range of the photocathode to respond was limited to below 1.7 [mu] m. In other composition ranges, a large number of defects are generated in the light absorption layer 11 due to lattice mismatch, which work as recombination centers of electrons, so that the photoelectric conversion efficiency sharply deteriorates.

【0005】さらに、前記の組成範囲においては、In
1-xGaxAs1-yyはCs2Oからなる表面層13を形
成しても電子親和力を負にするのは困難であるため、表
面のAgからなるショットキ電極14に印加した高い電
界によって電子の運動エネルギーを高め、伝導帯におけ
る直接遷移のГ点から間接遷移のX点やL点といった高
いエネルギー帯に電子を遷移させて、そこから外部に電
子を放出する必要があった。このため、電子放出効率は
負の電子親和力をもつ半導体に比べて低かった。
Further, in the above composition range, In
1-x Ga x As 1- y for P y is difficult to negatively electron affinity also to form a surface layer 13 consisting of Cs 2 O, a high is applied to the Schottky electrode 14 made of Ag surface It was necessary to increase the kinetic energy of the electrons by the electric field, transition the electrons from the Г point of the direct transition in the conduction band to a high energy band such as the X point and the L point of the indirect transition, and release the electrons from there. For this reason, the electron emission efficiency was lower than that of a semiconductor having a negative electron affinity.

【0006】また、任意の長波長領域に感度を有する光
電子放出面として、図12に示すように、p+型GaA
sからなる半導体基板10上に、光吸収層11としてそ
れに格子整合するAl0.65Ga0.35As62とアンドー
プGaAs63とからなる多層の半導体量子井戸を設
け、光吸収層11上にp-型GaAsからなるコンタク
ト層64とメッシュ状のショットキ電極65とを形成し
た技術が、特開平5−234501号公報に開示されて
いる。
As shown in FIG. 12, a p.sup. + Type GaAs is used as a photoemission surface having sensitivity in an arbitrary long wavelength region.
on a semiconductor substrate 10 made of s, it multilayer semiconductor quantum well provided consisting of Al 0.65 Ga 0.35 As62 and undoped GaAs63 Metropolitan lattice-matched as a light absorbing layer 11, p on the light absorbing layer 11 - consisting -type GaAs contact A technique in which a layer 64 and a mesh-shaped Schottky electrode 65 are formed is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. Hei 5-234501.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、p+
GaAsからなる半導体基板10からアンドープの光吸
収層11に電子を効率よく注入することはできないた
め、一旦光吸収層11の量子井戸からサブバンド間遷移
によって光電子を放出すると、その後光が入射しても継
続して動作することが難しいという問題点があった。ま
た、p-型GaAsからなるコンタクト層64は負の電
子親和力を持たないため、電界によって真空準位よりも
高いエネルギーを得た電子だけが外部に放出されるの
で、光電子放出効率はあまり高くないという問題点もあ
った。
However, since it is not possible to efficiently inject electrons from the semiconductor substrate 10 made of p + -type GaAs into the undoped light-absorbing layer 11, the sub-band is once removed from the quantum well of the light-absorbing layer 11. When photoelectrons are emitted by the transition between layers, there is a problem that it is difficult to continuously operate even if light subsequently enters. Further, since the contact layer 64 made of p -- type GaAs has no negative electron affinity, only electrons having higher energy than the vacuum level due to the electric field are emitted to the outside, so that the photoelectron emission efficiency is not so high. There was also a problem.

【0008】そこで本発明は、半導体基板に格子整合す
るp型Ga1-xInxyAs1-y又はp型Ga1-xInx
y1-yを光吸収層に用いることで前述した間題点を本質
的に解決し、可視光から赤外線に至る波長領域で高感度
な光電面及びそれを用いた電子管を提供するものであ
る。
Accordingly, the present invention provides a p-type Ga 1-x In x N y As 1-y or p-type Ga 1-x In x N lattice-matched to a semiconductor substrate.
By using y P 1-y for the light absorbing layer, the above-described problem is essentially solved, and a highly sensitive photoelectric surface in the wavelength region from visible light to infrared light and an electron tube using the same are provided. is there.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
の発明は、Si、GaAs又はGaPからなる半導体基
板と、半導体基板上に形成され、p型Ga1-xInxy
As1-y又はp型Ga1- xInxy1-yからなり、検出
対象である被検出光を吸収して光電子を発生させる光吸
収層と、光吸収層上に形成され、キャリア濃度が1×1
17cm-3以上のp型GaAs、p型GaP又はそれら
の混晶からなり、光吸収層から発生した光電子を表面近
傍まで拡散させる電子輸送層と、電子輸送層上に形成さ
れ、アルカリ金属又はその酸化物又はそのフッ化物から
なり、電子輸送層の電子親和力を負に低下させる表面層
とを備えたことを特徴とする光電面である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate made of Si, GaAs or GaP, and a p-type Ga 1-x In x N y formed on the semiconductor substrate.
A light-absorbing layer which is made of As 1-y or p-type Ga 1- x In x N y P 1-y and absorbs light to be detected to generate photoelectrons, and is formed on the light absorbing layer; Carrier concentration is 1 × 1
An electron transport layer made of p-type GaAs, p-type GaP or a mixed crystal thereof of at least 0 17 cm -3 and diffusing photoelectrons generated from the light absorption layer to near the surface; and an alkali metal formed on the electron transport layer. Or a surface layer comprising an oxide or a fluoride thereof and negatively reducing the electron affinity of the electron transport layer.

【0010】請求項2に記載の発明は、Si、GaAs
又はGaPからなる半導体基板と、半導体基板上に形成
され、p型Ga1-xInxyAs1-y又はp型Ga1-x
xy1-yからなり、検出対象である被検出光を吸収
して光電子を発生させる光吸収層と、光吸収層上に形成
され、キャリア濃度が1×1015cm-3以上のp型Ga
As、p型GaP又はそれらの混晶からなり、光吸収層
から発生した光電子を表面近傍まで拡散させる電子輸送
層と、電子輸送層上に形成され、アルカリ金属又はその
酸化物又はそのフッ化物からなり、電子輸送層の電子親
和力を負に低下させる表面層と、電子輸送層上に形成さ
れ電子輸送層とショットキ接合をなし、電子輸送層が光
吸収層に対して正になるようにバイアス電圧を印加する
電極とを備えたことを特徴とする。
[0010] The second aspect of the present invention is directed to Si, GaAs.
A p-type Ga 1-x In x N y As 1-y or p-type Ga 1-x I formed on a semiconductor substrate made of GaP and a semiconductor substrate;
consists n x N y P 1-y , and the light absorption layer which generates photoelectrons absorbs the light to be detected is detected, is formed on the light absorbing layer, the carrier concentration of least 1 × 10 15 cm -3 P-type Ga
An electron transporting layer formed of As, p-type GaP or a mixed crystal thereof and diffusing photoelectrons generated from the light absorbing layer to near the surface, and formed on the electron transporting layer, from an alkali metal or an oxide thereof or a fluoride thereof. And a bias voltage such that the electron transport layer has a Schottky junction with the surface layer that negatively reduces the electron affinity of the electron transport layer and the electron transport layer formed on the electron transport layer, and the electron transport layer is positive with respect to the light absorption layer. And an electrode for applying a voltage.

【0011】請求項3に記載の発明は、Si、GaAs
又はGaPからなる半導体基板と、半導体基板上に形成
され、p型Ga1-xInxyAs1-y又はp型Ga1-x
xy1-yからなり、検出対象である被検出光を吸収
して光電子を発生させる光吸収層と、光吸収層上に形成
され、キャリア濃度が1×1015cm-3以上のp型Ga
As、p型GaP又はそれらの混晶からなり、光吸収層
から発生した光電子を表面近傍まで拡散させる電子輸送
層と、電子輸送層上に形成され、アルカリ金属又はその
酸化物又はそのフッ化物からなり、電子輸送層の電子親
和力を負に低下させる表面層と、電子輸送層上の一部に
形成され、n型GaAs、n型GaP又はそれらの混晶
からなり、電子輸送層とpn接合をなすコンタクト層
と、コンタクト層上に形成され、電子輸送層が光吸収層
に対して正になるようにバイアス電圧を印加する電極と
を備えたことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: Si, GaAs;
A p-type Ga 1-x In x N y As 1-y or p-type Ga 1-x I formed on a semiconductor substrate made of GaP and a semiconductor substrate;
consists n x N y P 1-y , and the light absorption layer which generates photoelectrons absorbs the light to be detected is detected, is formed on the light absorbing layer, the carrier concentration of least 1 × 10 15 cm -3 P-type Ga
An electron transporting layer formed of As, p-type GaP or a mixed crystal thereof and diffusing photoelectrons generated from the light absorbing layer to near the surface, and formed on the electron transporting layer, from an alkali metal or an oxide thereof or a fluoride thereof. And a surface layer that negatively lowers the electron affinity of the electron transport layer, and a n-type GaAs, an n-type GaP or a mixed crystal thereof formed on a part of the electron transport layer. A contact layer formed on the contact layer and an electrode for applying a bias voltage so that the electron transport layer is positive with respect to the light absorption layer.

【0012】請求項4に記載の発明は、半導体基板の格
子定数及び光吸収層の格子定数及び電子輸送層の格子定
数が、それぞれ1%以内のずれの範囲で一致しているこ
とを特徴とする。
The invention according to claim 4 is characterized in that the lattice constant of the semiconductor substrate, the lattice constant of the light absorption layer, and the lattice constant of the electron transport layer are each matched within a deviation range of 1% or less. I do.

【0013】請求項5に記載の発明は、光吸収層を形成
するGa1-xInxyAs1-y又はGa1-xInxy1-y
中のNの組成yが、0<y≦0.2であることを特徴と
する。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided Ga 1-x In x N y As 1-y or Ga 1-x In x N y P 1-y forming a light absorption layer.
It is characterized in that the composition y of the medium N satisfies 0 <y ≦ 0.2.

【0014】請求項6に記載の発明は、半導体基板の禁
制帯幅及び電子輸送層の禁制帯幅が、共に光吸収層の禁
制帯幅よりも大きいことを特徴とする。
The invention according to claim 6 is characterized in that the forbidden band width of the semiconductor substrate and the forbidden band width of the electron transport layer are both larger than the forbidden band width of the light absorbing layer.

【0015】請求項7に記載の発明は、被検出光が入射
する入射窓を有し、内部が真空に保持された真空容器
と、入射窓に臨んで真空容器内に収容され、前述したい
ずれかの光電面と、真空容器内に収容され、光電面に対
して正の電位に保持された陽極部とを備えたことを特徴
とする電子管である。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a vacuum container having an entrance window through which light to be detected is incident, the interior of which is held in a vacuum, and a vacuum container facing the entrance window and housed in the vacuum container. An electron tube comprising the photoelectric surface and an anode housed in a vacuum vessel and maintained at a positive potential with respect to the photoelectric surface.

【0016】請求項8に記載の発明は、真空容器内に収
容され、光電面からの光電子を二次電子増倍する電子増
倍部をさらに備えたことを特徴とする。
The invention according to claim 8 is characterized in that it further comprises an electron multiplying unit accommodated in a vacuum vessel and multiplying photoelectrons from the photocathode by secondary electrons.

【0017】本発明によれば、半導体基板及び電子輸送
層とその中間にエピタキシャル成長された光吸収層との
間に格子不整合を生じることはない。また、光吸収層の
禁制帯幅を変えることで可視光から10μm以上の赤外
線領域に渡って効率よく光電子を発生させることがで
き、光電子は価電子帯から伝導帯へのいわゆるバンド間
遷移によって発生しているので、外部から電子を供給し
なくても永続的に動作することができる。
According to the present invention, no lattice mismatch occurs between the semiconductor substrate and the electron transport layer and the light absorption layer epitaxially grown therebetween. Also, by changing the forbidden band width of the light absorption layer, photoelectrons can be efficiently generated from visible light to an infrared region of 10 μm or more, and the photoelectrons are generated by a so-called interband transition from a valence band to a conduction band. Therefore, it can operate permanently without supplying electrons from outside.

【0018】また、電子輸送層は負の電子親和力を有し
ているので、高いバイアス電圧を印加しなくても光電子
は高い効率で外部に放出される。従って、本発明に係わ
る光電面は、可視光から赤外線に至る波長域の被検出光
に対して高効率で光電子を外部に放出させることができ
る。さらに、本発明に係る前記光電面を用いた電子管
は、光電面からの光電子信号を電気信号に変換すること
ができる。
Further, since the electron transport layer has a negative electron affinity, photoelectrons can be emitted to the outside with high efficiency without applying a high bias voltage. Therefore, the photoelectric surface according to the present invention can emit photoelectrons to the outside with high efficiency with respect to the detected light in the wavelength range from visible light to infrared light. Further, the electron tube using the photocathode according to the present invention can convert a photoelectron signal from the photocathode into an electric signal.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明による光電面及びそれを用
いた電子管の実施形態を、図面を参照して実施形態ごと
に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る光
電面を示す概略断面図である。半絶縁性GaAsからな
る半導体基板10上に、キャリア濃度1×1018
-3、厚さ2μmのBeドープp型Ga1-xInxy
1-yからなる光吸収層11、キャリア濃度1×1019
cm-3、厚さ0.5μmのBeドープp型GaAsから
なる電子輸送層12、表面の仕事関数を低下させるため
のCs2Oからなる極薄い表面層13が順次形成されて
いる。ここで、光吸収層11を構成するGa1-xInx
yAs1-yの組成は、半導体基板10及び電子輸送層12
のGaAsとそれぞれ格子整合するように、x,yの組
み合わせを選び、0.41x−1.14y=0の格子整
合条件を満たすことにより、1%以内の格子定数のずれ
に調節することができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a photoelectric surface and an electron tube using the same according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a photocathode according to the first embodiment of the present invention. A carrier concentration of 1 × 10 18 c is formed on a semiconductor substrate 10 made of semi-insulating GaAs.
m −3 , 2 μm thick Be-doped p-type Ga 1-x In x N y A
light absorbing layer 11 of s 1-y , carrier concentration 1 × 10 19
cm -3, an electron transport layer 12 made of Be-doped p-type GaAs having a thickness of 0.5 [mu] m, Cs 2 O consisting of very thin surface layer 13 for reducing the work function of the surface are successively formed. Here, Ga 1-x In x N constituting the light absorption layer 11
The composition of y As 1-y depends on the semiconductor substrate 10 and the electron transport layer 12.
By selecting a combination of x and y so as to lattice-match with GaAs, respectively, and satisfying the lattice-matching condition of 0.41x-1.14y = 0, it is possible to adjust the deviation of the lattice constant within 1%. .

【0020】この格子整合条件を満たすことによって、
光吸収層11にはキャリアの再結合中心となる欠陥がほ
とんど生じないため、光電子の多くは失われることなく
電子輸送層12に拡散する。また、平坦な光吸収層11
を形成できるため、均一性の高い光電面が得られる。さ
らに、前記格子整合条件を満たすGa1-xInxyAs
1-yの禁制帯幅及びそれに対応する光波長は、Nの組成
(N組成)yに対して図2に示すように変化する。すな
わち、禁制帯幅よりもエネルギーの高い光は光吸収層1
1に効率よく吸収されて光電子を発生するので、本実施
形態による光電面はx,yの組成を適宜選択することに
よって、可視光から波長10μm以上に及ぶ赤外線ま
で、任意の波長領域の被検出光に対して高い感度を有す
る。
By satisfying this lattice matching condition,
Since almost no defect serving as a recombination center of carriers occurs in the light absorbing layer 11, most of the photoelectrons diffuse into the electron transport layer 12 without being lost. Further, the flat light absorbing layer 11
Can be formed, so that a highly uniform photocathode can be obtained. Further, Ga 1-x In x N y As satisfying the lattice matching condition.
The forbidden band width of 1-y and the light wavelength corresponding thereto change with respect to the N composition (N composition) y as shown in FIG. That is, light having energy higher than the forbidden band width is emitted to the light absorbing layer 1.
1, the photocathode according to the present embodiment can detect an arbitrary wavelength region from visible light to infrared light having a wavelength of 10 μm or more by appropriately selecting the composition of x and y. High sensitivity to light.

【0021】また、Ga1-xInxyAs1-y中のN組成
yは、正の禁制帯幅を実現するために、0<y≦0.2
とする。さらに、検出したい波長に応じて、それぞれ例
えば0.3μm〜2μmであれば0<y≦0.1、2μ
m〜5μmであれば0.1<y≦0.16、5μm〜1
5μmであれば0.16<y≦0.19とすることが望
ましい。特に、本実施形態においては外部電界を印加し
ていないので、1.2μm以下の波長域で高い感度を有
し、これに対応したN組成yは0.045である。
The N composition y in Ga 1-x In x N y As 1- y is 0 <y ≦ 0.2 in order to realize a positive bandgap.
And Further, according to the wavelength to be detected, if 0.3 μm to 2 μm, respectively, 0 <y ≦ 0.1, 2 μm
If m to 5 μm, 0.1 <y ≦ 0.16, 5 μm to 1
If it is 5 μm, it is preferable that 0.16 <y ≦ 0.19. In particular, in the present embodiment, since no external electric field is applied, the sensitivity is high in a wavelength range of 1.2 μm or less, and the corresponding N composition y is 0.045.

【0022】光吸収層11及び電子輸送層12は、分子
線エピタキシー(MBE)法あるいは有機金属気相成長
(MOVPE)法で形成する。光吸収層11を形成する
ための窒素供給源としては、MBE法では窒素ガスをプ
ラズマ化して用い、MOVPE法ではNH3又はN24
を用いる。
The light absorption layer 11 and the electron transport layer 12 are formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. As a nitrogen supply source for forming the light absorption layer 11, nitrogen gas is used as a plasma in the MBE method, and NH 3 or N 2 H 4 is used in the MOVPE method.
Is used.

【0023】p型のドーピング用不純物としては、Be
の代わりにZn,CやMgを用いても良い。光吸収層1
1のキャリア濃度は、1×1015cm-3以上であれば、
前述と同等の効果が得られる。光吸収層11の厚さは、
被検出光を十分吸収できる程度の厚さであれば良く、実
質的には1μm以上の厚さであれば良い。また、電子輸
送層12のキヤリア濃度は、負の電子親和力が得られる
ように1×1017cm-3以上であれば良く、その厚さは
電子の拡散長より小さくなるよう実質的に2μm以下で
あれば良い。
As the p-type doping impurity, Be
Instead, Zn, C or Mg may be used. Light absorbing layer 1
If the carrier concentration of 1 is 1 × 10 15 cm −3 or more,
The same effect as described above can be obtained. The thickness of the light absorbing layer 11 is
The thickness only needs to be sufficient to absorb the light to be detected, and may be substantially 1 μm or more. The carrier concentration of the electron transport layer 12 may be 1 × 10 17 cm −3 or more so as to obtain a negative electron affinity, and the thickness is substantially 2 μm or less so as to be smaller than the electron diffusion length. Is fine.

【0024】表面層13は、半導体基板10上に光吸収
層11及び電子輸送層12を形成した後、真空中で加熱
して電子輸送層12の表面を清浄化し、次にCsとO2
を交互に供給することにより形成する。なお、光吸収層
11として、p型Ga1-xInxy1-yを用いても良
い。このとき、Ga1-xInxy1-yの組成は、x,y
の組み合わせを選び、0.61x−0.94y=0.2
の格子整合条件を満たすことにより、1%以内の格子定
数のずれに調節することができる。
The surface layer 13 is formed by forming a light absorbing layer 11 and the electron transport layer 12 on the semiconductor substrate 10, the surface of the electron transport layer 12 is cleaned by heating in vacuum, then Cs and O 2
Are alternately supplied. Incidentally, as the light absorbing layer 11 may be a p-type Ga 1-x In x N y P 1-y. At this time, the composition of Ga 1-x In x N y P 1-y is x, y
0.61x−0.94y = 0.2
By satisfying the lattice matching condition described above, the deviation of the lattice constant can be adjusted to within 1%.

【0025】この格子整合条件を満たすGa1-xInx
y1-yの禁制帯幅及びそれに対応する光波長は、N組成
yに対して図3に示すように変化する。Ga1-xInx
y1 -y中のN組成yは、正の禁制帯幅を実現するため
に、0<y≦0.13とする。さらに、検出したい波長
に応じて、それぞれ例えば0.65μm〜2μmであれ
ば0<y≦0.09、2μm〜5μmであれば0.09
<y≦0.11、5μm〜15μmであれば0.11<
y≦0.13とすることが望ましい。特に、1.2μm
以下の波長域で高い感度を得るためには、N組成yを
0.056とする。
Ga 1-x In x N satisfying this lattice matching condition
The forbidden band width of y P 1-y and the corresponding light wavelength change as shown in FIG. 3 with respect to the N composition y. Ga 1-x In x N
The N composition y in y P 1 -y is set to 0 <y ≦ 0.13 in order to realize a positive bandgap. Further, according to the wavelength to be detected, for example, 0 <y ≦ 0.09 for 0.65 μm to 2 μm and 0.09 for 2 μm to 5 μm, respectively.
<Y ≦ 0.11, 0.15 <5 μm to 15 μm
It is desirable that y ≦ 0.13. In particular, 1.2 μm
In order to obtain high sensitivity in the following wavelength range, the N composition y is set to 0.056.

【0026】さらに、半導体基板10として、半絶縁性
又は高抵抗のGaP又はSiを用いても良い。この場
合、電子輸送層12はp型GaPとする。半導体基板1
0を半絶縁性又は高抵抗とすることで、光電子を発生し
ない赤外線の自由キャリア吸収を抑制することができ
る。やや光電変換の効率は低くなるが、半導体基板10
をp型とすることもできる。また、Si基板は安価、大
面積で機械的強度が高いなどの利点がある。
Furthermore, semi-insulating or high-resistance GaP or Si may be used as the semiconductor substrate 10. In this case, the electron transport layer 12 is p-type GaP. Semiconductor substrate 1
By making 0 a semi-insulating property or a high resistance, free carrier absorption of infrared rays that do not generate photoelectrons can be suppressed. Although the efficiency of photoelectric conversion is slightly lowered, the semiconductor substrate 10
May be p-type. Further, the Si substrate has advantages such as low cost, large area, and high mechanical strength.

【0027】半導体基板10及び光吸収層11の材料を
種々選択した場合、各格子整合条件は次のようになる。
すなわち、(1)半導体基板10をGaP、光吸収層1
1をGa1-xInxyAs1-yとしたときの組成は、0.
41x−1.14y=−0.2; (2)半導体基板10をSi、光吸収層11をGa1-x
InxyAs1-yとしたときの組成は、0.41x−
1.14y=−0.22; (3)半導体基板10をGaP、光吸収層11をGa
1-xInxy1-yとしたときの組成は、0.44x−
0.94y=0;及び (4)半導体基板10をSi、光吸収層11をGa1-x
Inxy1-yとしたときの組成は、0.44x−0.
94y=−0.02である。 このような格子整合条件をそれぞれ満たすx,yの組み
合わせを選び、1%以内の格子定数のずれに調節する。
When various materials are selected for the semiconductor substrate 10 and the light absorbing layer 11, the respective lattice matching conditions are as follows.
That is, (1) the semiconductor substrate 10 is GaP and the light absorbing layer 1
1 is Ga 1-x In x N y As 1-y , the composition is 0.1.
41x-1.14y = -0.2; (2) The semiconductor substrate 10 is Si, and the light absorbing layer 11 is Ga 1-x
The composition of In x N y As 1-y is 0.41x-
1.14y = −0.22; (3) The semiconductor substrate 10 is GaP, and the light absorbing layer 11 is Ga.
Composition when formed into a 1-x In x N y P 1-y is, 0.44X-
0.94y = 0; and (4) the semiconductor substrate 10 is Si, and the light absorbing layer 11 is Ga 1-x
The composition of In x N y P 1-y is 0.44x-0.
94y = −0.02. A combination of x and y that satisfies such a lattice matching condition is selected and adjusted to a deviation of lattice constant within 1%.

【0028】なお、図1の実施形態では、被検出光が入
射する面と光電子が放出される面が同一のいわゆる反射
型光電面を例に説明したが、本発明による光電面は反射
型光電面に限られるものではなく、被検出光の入射する
面と光電子が放出される面が異なるいわゆる透過型光電
面にも適用できるのは明らかである。ただし、この場
合、被検出光は半導体基板10を介して光吸収層11に
到達する。従って、半導体基板10に吸収される光の波
長域に応じて光電面が感度を有する波長域は、半導体基
板10にGaAsを用いた時には0.9μm以上、Ga
Pを用いた時には0.55μm以上、Siを用いた時に
は1.1μm以上にそれぞれ制限される。
In the embodiment shown in FIG. 1, a so-called reflection type photocathode having the same surface on which light to be detected is incident and a surface from which photoelectrons are emitted has been described as an example. It is apparent that the present invention is not limited to the surface, but can be applied to a so-called transmission type photoelectric surface in which the surface on which light to be detected is incident and the surface from which photoelectrons are emitted are different. However, in this case, the light to be detected reaches the light absorption layer 11 via the semiconductor substrate 10. Therefore, the wavelength range in which the photocathode has sensitivity according to the wavelength range of light absorbed by the semiconductor substrate 10 is 0.9 μm or more when GaAs is used for the semiconductor substrate 10.
When P is used, it is limited to 0.55 μm or more, and when Si is used, it is limited to 1.1 μm or more.

【0029】図4は本発明の第2の実施形態に係る光電
面を示す概略断面図である。第1の実施形態と同様な方
法により、半絶縁性GaAsからなる半導体基板10上
にキャリア濃度1×1016cm-3、厚さ2μmのBeド
ープp型Ga1-xInxyAs1-yからなる光吸収層1
1、キャリア濃度1×1017cm-3、厚さ0.5μmの
Beドープp型GaAsからなる電子輸送層12を順次
形成する。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a photocathode according to a second embodiment of the present invention. By a method similar to that of the first embodiment, a Be-doped p-type Ga 1-x In x N y As 1 having a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 and a thickness of 2 μm is formed on a semiconductor substrate 10 made of semi-insulating GaAs. -y light absorbing layer 1
1. An electron transport layer 12 made of Be-doped p-type GaAs having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a thickness of 0.5 μm is sequentially formed.

【0030】さらに、電子輸送層12上にAlのショッ
トキ電極14を真空蒸着し、フォトリソグラフィー法で
メッシュパターン状に加工して電子輸送層12の表面を
一部露出させる。また、光吸収層11の一部をエッチン
グにより露出させ、その部分にAuZnのオーミック電
極15を真空蒸着により形成する。次に、表面の仕事関
数を低下させるためにCs2Oからなる極薄い表面層1
3を第1の実施形態と同様の方法で形成する。
Further, an Al Schottky electrode 14 is vacuum-deposited on the electron transport layer 12 and processed into a mesh pattern by photolithography to partially expose the surface of the electron transport layer 12. A part of the light absorption layer 11 is exposed by etching, and an AuZn ohmic electrode 15 is formed on the part by vacuum evaporation. Next, in order to lower the work function of the surface, an extremely thin surface layer 1 made of Cs 2 O is used.
3 is formed in the same manner as in the first embodiment.

【0031】Ga1-xInxyAs1-yの組成は、第1の
実施形態と同様に、半導体基板10及び電子輸送層12
間で1%以内のずれで格子整合するように選択する。シ
ョットキ電極14とオーミック電極15の間には、電子
輸送層12の側が光吸収層11に対して正になるように
バイアス電圧が印加される。このように構成された第2
の実施形態による光電面における光電子放出機構を、図
5に示すエネルギーバンド図に基づいて以下に述べる。
The composition of Ga 1 -x In x N y As 1 -y is similar to that of the first embodiment, except that the semiconductor substrate 10 and the electron transport layer 12 have the same composition.
Are selected so as to have a lattice match within 1% of each other. A bias voltage is applied between the Schottky electrode 14 and the ohmic electrode 15 so that the electron transport layer 12 side is positive with respect to the light absorption layer 11. The second thus configured
The photoelectron emission mechanism on the photocathode according to the embodiment will be described below based on the energy band diagram shown in FIG.

【0032】被検出光が電子輸送層12を透過して光吸
収層11に入射すると、価電子帯から伝導帯へのバンド
間遷移により光電子が発生する。この光電子は、光吸収
層11中の欠陥が少ないので非発光性の再結合によって
失われることはほとんどない。また、電極間に加えられ
た電界によって光電子は電子輸送層12の方向に加速さ
れるので、第1の実施形態に比べて光吸収層11と電子
輸送層12との境界のバリアを乗り越えるか、あるいは
トンネル効果によって透過して電子輸送層12に到達す
る割合が増加する。電子輸送層12に到達した光電子
は、拡散あるいはドリフト電界によって表面側に移動
し、電子輸送層12表面の伝導帯下端の準位は表面層1
3の効果で真空準位よりも高くなっているので、容易に
外部に放出される。
When the light to be detected passes through the electron transport layer 12 and enters the light absorption layer 11, photoelectrons are generated due to an interband transition from the valence band to the conduction band. Since the photoelectrons have few defects in the light absorbing layer 11, they are hardly lost by non-radiative recombination. Further, the photoelectrons are accelerated in the direction of the electron transport layer 12 by the electric field applied between the electrodes, and therefore, as compared with the first embodiment, the photoelectrons get over the barrier at the boundary between the light absorption layer 11 and the electron transport layer 12, or Alternatively, the rate of transmission through the tunnel effect to reach the electron transport layer 12 increases. The photoelectrons that have reached the electron transport layer 12 move to the surface side by diffusion or a drift electric field, and the level of the lower end of the conduction band on the surface of the electron transport layer 12 is
Since the level is higher than the vacuum level due to the effect of No. 3, it is easily emitted to the outside.

【0033】本発明の第2の実施形態においては、バイ
アス電圧を印加することによって光吸収層11の禁制帯
幅によらず光吸収層11の伝導帯下端のエネルギー位置
を電子輸送層12のそれよりも高くして、光電子を効率
よく電子輸送層12に移動できるので、特に1.2μm
以上の波長の赤外光を検出するのに有効である。なお、
第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、
半導体基板10はSi又はGaPであっても良く、光吸
収層11はp型Ga1-xInxy1-yであっても良い。
また、電子輸送層12はp型GaP又はp型GaAsと
p型GaPの混晶であっても良い。さらに、被検出光の
入射する面と光電子が放出される面が異なるいわゆる透
過型光電面であっても良い。
In the second embodiment of the present invention, by applying a bias voltage, the energy position of the bottom of the conduction band of the light absorbing layer 11 can be changed to that of the electron transporting layer 12 regardless of the forbidden band width of the light absorbing layer 11. Higher, the photoelectrons can be efficiently transferred to the electron transporting layer 12.
This is effective for detecting infrared light having the above wavelengths. In addition,
Also in the second embodiment, similar to the first embodiment,
The semiconductor substrate 10 may be a Si or GaP, optical absorption layer 11 may be a p-type Ga 1-x In x N y P 1-y.
Further, the electron transport layer 12 may be p-type GaP or a mixed crystal of p-type GaAs and p-type GaP. Furthermore, a so-called transmissive photoelectric surface, in which the surface on which the light to be detected is incident and the surface on which photoelectrons are emitted may be different.

【0034】ショットキ電極14の材料は、Al以外に
AuやTiなどであっても良い。また、オーミック電極
15の材料は、AuZn以外にAuCrやInZnなど
であっても良い。さらに、光吸収層11の一部をエッチ
ングにより露出させた部分にオーミック電極15を形成
する以外に、半導体基板10としてp型のGaAsやG
aPやSiを用いて半導体基板10の裏面にオーミック
電極15を形成しても良い。
The material of the Schottky electrode 14 may be Au or Ti other than Al. Further, the material of the ohmic electrode 15 may be AuCr or InZn other than AuZn. Further, in addition to forming the ohmic electrode 15 in a portion where a part of the light absorption layer 11 is exposed by etching, p-type GaAs or G
The ohmic electrode 15 may be formed on the back surface of the semiconductor substrate 10 using aP or Si.

【0035】図6は本発明の第3の実施形態に係る光電
面を示す断面図である。第1の実施形態と同様な方法に
より、半絶縁性GaAsからなる半導体基板10上に、
キャリア濃度1×1016cm-3、厚さ2μmのBeドー
プp型Ga1-xInxyAs1 -yからなる光吸収層11、
キャリア濃度1×l016cm-3、厚さ0.5μmのBe
ドープp型GaAsからなる電子輸送層12を順次形成
する。
FIG. 6 is a sectional view showing a photocathode according to a third embodiment of the present invention. By a method similar to that of the first embodiment, a semiconductor substrate 10 made of semi-insulating GaAs is
A light absorption layer 11 made of Be-doped p-type Ga 1-x In x N y As 1 -y having a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 and a thickness of 2 μm;
Be with a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 and a thickness of 0.5 μm
An electron transport layer 12 made of doped p-type GaAs is formed sequentially.

【0036】さらに、電子輸送層12とpn接合をなす
ように、キャリア濃度1×1018cm-3、厚さ0.5μ
mのn型GaAsからなるコンタクト層16を形成す
る。次に、コンタクト層16上にAuGeの上部オーミ
ック電極17を真空蒸着し、フォトリソグラフィー法と
エッチングによりメッシュパターン状に加工して電子輸
送層12の表面を一部露出させる。
Further, the carrier concentration is 1 × 10 18 cm -3 and the thickness is 0.5 μm so as to form a pn junction with the electron transport layer 12.
An n-type GaAs contact layer 16 is formed. Next, an AuGe upper ohmic electrode 17 is vacuum-deposited on the contact layer 16 and processed into a mesh pattern by photolithography and etching to partially expose the surface of the electron transport layer 12.

【0037】また、光吸収層11の一部をエッチングに
より露出させ、その部分にAuZnの下部オーミック電
極18を真空蒸着により形成する。次に、表面の仕事関
数を低下させるために、Cs2Oからなる極薄い表面層
13を第1の実施形態と同様の方法で形成する。光吸収
層11を構成するGa1-xInxyAs1-yの組成は、第
1の実施形態と同様、半導体基板10及び電子輸送層1
2に1%以内のずれで格子整合するように選択する。上
部オーミック電極17と下部オーミック電極18との間
には、電子輸送層12の側が光吸収層11に対して正に
なるようバイアス電圧が印加される。
A part of the light absorbing layer 11 is exposed by etching, and a lower ohmic electrode 18 of AuZn is formed on the exposed part by vacuum evaporation. Next, in order to lower the work function of the surface, an extremely thin surface layer 13 made of Cs 2 O is formed by the same method as in the first embodiment. The composition of Ga 1-x In x N y As 1-y constituting the light absorption layer 11 is the same as that of the first embodiment.
2 is selected so as to be lattice-matched with a deviation within 1%. A bias voltage is applied between the upper ohmic electrode 17 and the lower ohmic electrode 18 so that the electron transport layer 12 side is positive with respect to the light absorption layer 11.

【0038】このように構成された第3の実施形態の光
電面における光電子放出機構は、第2の実施形態と全く
同様である。従って、第3の実施形態は第2の実施形態
と同様の効果を有する。なお、上部オーミック電極17
の材料は、AuGe以外にInSnなどであっても良
い。また、下部オーミック電極18の材料は、AuZn
以外にAuCrやInZnなどであっても良い。
The photoelectron emission mechanism on the photocathode of the third embodiment thus configured is exactly the same as that of the second embodiment. Therefore, the third embodiment has the same effect as the second embodiment. The upper ohmic electrode 17
May be InSn or the like other than AuGe. The material of the lower ohmic electrode 18 is AuZn.
Alternatively, AuCr or InZn may be used.

【0039】さらに、下部オーミック電極18を光吸収
層11の一部をエッチングにより露出させた部分に形成
する以外に、半導体基板10としてp型のGaAsやG
aPやSiを用い、半導体基板10の裏面に下部オーミ
ック電極18を形成してもよい。以上のように、半導体
基板10上に、格子整合により結晶欠陥が抑制された任
意の禁制帯幅を有する光吸収層11と負の電子親和力を
もつ電子輸送層12がエピタキシャル成長して形成され
ることから、本発明に係る光電面は、特に波長の長い赤
外線に対して従来よりも多くの光電子を放出することが
できる。
Further, in addition to forming the lower ohmic electrode 18 at a portion where a part of the light absorbing layer 11 is exposed by etching, a p-type GaAs or G
The lower ohmic electrode 18 may be formed on the back surface of the semiconductor substrate 10 using aP or Si. As described above, the light absorption layer 11 having an arbitrary band gap in which crystal defects are suppressed by lattice matching and the electron transport layer 12 having a negative electron affinity are formed on the semiconductor substrate 10 by epitaxial growth. Therefore, the photocathode according to the present invention can emit more photoelectrons than in the past, particularly for infrared rays having a long wavelength.

【0040】次に、本発明の実施形態4に係る光電面を
用いた電子管について説明する。図7はいわゆるサーキ
ュラーゲージ型の光電子増倍管100を示す概略平断面
図である。図7において、透光性の真空容器30を構成
する入射窓31付きの円筒形のガラスバルブ内には、入
射窓31から入射される被検出光(hν)に対して一定
の角度をもって傾斜配置された光電面20と、この光電
面20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40a〜40hからなるダイノード部4
0と、出力信号を収集する陽極50とが配置されてい
る。
Next, an electron tube using a photocathode according to the fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic plan sectional view showing a so-called circular gauge type photomultiplier tube 100. In FIG. 7, in a cylindrical glass bulb with an entrance window 31 constituting a light-transmissive vacuum vessel 30, it is inclined at a certain angle with respect to the detection light (hν) incident from the entrance window 31. Dynode part 4 comprising a plurality of dynodes 40a to 40h for sequentially multiplying the photocathode 20 thus obtained and photoelectrons emitted from the photocathode 20.
0 and an anode 50 for collecting the output signal.

【0041】なお、光電面20は、前述した実施形態1
〜3による光電面を使用できる。また、図示しないが、
光電面20、ダイノード部40、そして陽極50には、
ブリーダ回路及び電気リードを介して、光電面20に対
して正のブリーダ電圧が陽極50に近づくにつれて段ご
とに増加するように分配して印加される。さらに、真空
容器30は、暗電流を減らすためペルチェ素子や液体窒
素などによって冷却が可能なようになっている。
The photocathode 20 is the same as that of the first embodiment.
3 can be used. Although not shown,
For the photocathode 20, the dynode unit 40, and the anode 50,
Via the bleeder circuit and the electrical leads, a positive bleeder voltage is distributed and applied to the photocathode 20 such that it increases step by step as it approaches the anode 50. Further, the vacuum vessel 30 can be cooled by a Peltier element, liquid nitrogen, or the like to reduce dark current.

【0042】光電子増倍管100の真空容器30の入射
窓31を通った被検出光は、光電面20の光吸収層11
に吸収され、光電子が発生して真空中に放出される。放
出された光電子が加速されて第1ダイノード40aに入
射すると、増倍された二次電子が生成されて真空中に放
出される。第1ダイノード40aから放出された二次電
子は再び加速され、第2ダイノード40bへ入射し、さ
らに二次電子を生成・放出する。これを8回繰り返すこ
とにより、光電面20から放出された光電子は最終的に
第8ダイノード40hにおいて約100万倍程度に二次
電子増倍されて放出される。そして、第8ダイノード4
0hから増倍して放出された二次電子が陽極50で集め
られ出力信号電流として取り出される。
The light to be detected that has passed through the entrance window 31 of the vacuum vessel 30 of the photomultiplier tube 100 is applied to the light absorbing layer 11 of the photocathode 20.
And photoelectrons are generated and released into a vacuum. When the emitted photoelectrons are accelerated and incident on the first dynode 40a, multiplied secondary electrons are generated and emitted into a vacuum. The secondary electrons emitted from the first dynode 40a are accelerated again, enter the second dynode 40b, and further generate and emit secondary electrons. By repeating this eight times, the photoelectrons emitted from the photocathode 20 are finally multiplied by about one million times at the eighth dynode 40h and emitted. And the eighth dynode 4
Secondary electrons multiplied from 0h and emitted are collected by the anode 50 and taken out as an output signal current.

【0043】本実施形態においては特に赤外線に対して
光電面20から放出される光電子が多くなるので、陽極
50から最終的に出力される信号電流も大きくなって、
従来のサーキュラーゲージ型光電子増倍管と比較して赤
外線をより感度よく検出することができる。
In the present embodiment, since the number of photoelectrons emitted from the photocathode 20 is particularly large with respect to infrared rays, the signal current finally output from the anode 50 is also large.
Infrared rays can be detected with higher sensitivity than a conventional circular gauge type photomultiplier tube.

【0044】次に、本発明の実施形態5に係る光電面を
用いた電子管について説明する。図8はいわゆるヘッド
オン型の光電子増倍管200を示す概略断面図である。
図8において、真空容器30を構成する入射窓31付き
の円筒形のガラスバルブ内には、入射窓31から入射さ
れる被検出光(hν)に対して垂直に配置された光電面
20と、この光電面20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40a〜40hからな
るダイノード部40と、出力信号を収集する陽極50と
が配置されている。
Next, an electron tube using a photocathode according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic sectional view showing a so-called head-on type photomultiplier tube 200.
8, in a cylindrical glass bulb with an entrance window 31 constituting a vacuum vessel 30, a photoelectric surface 20 arranged perpendicularly to light to be detected (hν) incident from the entrance window 31; A dynode section 40 composed of a plurality of stages of dynodes 40a to 40h for sequentially multiplying photoelectrons emitted from the photocathode 20 and an anode 50 for collecting output signals are arranged.

【0045】なお、光電面20は、前述した実施形態1
〜3による光電面を使用できる。また、図示しないが、
光電面20、ダイノード部40、そして陽極50には、
ブリーダ回路及び電気リードを介して、光電面20に対
して正のブリーダ電圧が陽極50に近づくにつれて段ご
とに増加するように分配して印加される。さらに、真空
容器30は、暗電流を減らすためペルチェ素子や液体窒
素などによって冷却が可能なようになっている。
The photocathode 20 corresponds to the first embodiment.
3 can be used. Although not shown,
For the photocathode 20, the dynode unit 40, and the anode 50,
Via the bleeder circuit and the electrical leads, a positive bleeder voltage is distributed and applied to the photocathode 20 such that it increases step by step as it approaches the anode 50. Further, the vacuum vessel 30 can be cooled by a Peltier element, liquid nitrogen, or the like to reduce dark current.

【0046】光電子増倍管200の真空容器30の入射
窓31を通った被検出光は、光電面20の光吸収層11
に吸収され、光電子が発生して真空中に放出される。放
出された光電子が加速されて第1ダイノード40aに入
射すると、増倍された二次電子が生成されて真空中に放
出される。第1ダイノード40aから放出された二次電
子は再び加速され、第2ダイノード40bへ入射し、さ
らに二次電子を生成・放出する。これを8回繰り返すこ
とにより、光電面20から放出された光電子は最終的に
第8ダイノード40hにおいて約100万倍程度に二次
電子増倍されて放出される。そして、第8ダイノード4
0hから増倍して放出された二次電子が陽極50で集め
られ出力信号電流として取り出される。
The light to be detected that has passed through the entrance window 31 of the vacuum vessel 30 of the photomultiplier tube 200 is applied to the light absorbing layer 11 of the photocathode 20.
And photoelectrons are generated and released into a vacuum. When the emitted photoelectrons are accelerated and incident on the first dynode 40a, multiplied secondary electrons are generated and emitted into a vacuum. The secondary electrons emitted from the first dynode 40a are accelerated again, enter the second dynode 40b, and further generate and emit secondary electrons. By repeating this eight times, the photoelectrons emitted from the photocathode 20 are finally multiplied by about one million times at the eighth dynode 40h and emitted. And the eighth dynode 4
Secondary electrons multiplied from 0h and emitted are collected by the anode 50 and taken out as an output signal current.

【0047】本実施形態においては、特に赤外線に対し
て光電面20から放出される光電子が多くなるので、陽
極50から最終的に出力される信号電流も大きくなっ
て、従来のヘッドオン型光電子増倍管と比較して赤外線
をより感度良く検出することができる。
In the present embodiment, since the number of photoelectrons emitted from the photocathode 20 is particularly large with respect to infrared rays, the signal current finally output from the anode 50 is also large, and the conventional head-on type photoelectron multiplication is increased. Infrared rays can be detected with higher sensitivity as compared with a multiplier.

【0048】次に、本発明の実施形態6に係る光電面を
用いた電子管について説明する。図9は本発明による画
像増強管300を示す概略断面図である。図9におい
て、入射窓31付きの真空容器30内に、光電面20、
マイクロチャンネルプレート(MCP)51と入力側及
び出力側の電極52,53からなる電子増倍部、蛍光面
54及び電極55及びファイバープレート56からなる
陽極部とが配置されている。なお、光電面20は、前述
した実施形態1〜3による光電面を使用できる。また、
真空容器30は、暗電流を減らすためペルチエ素子や液
体窒素などによって冷却が可能なようになっている。
Next, an electron tube using a photocathode according to the sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic sectional view showing an image intensifier tube 300 according to the present invention. In FIG. 9, a photocathode 20 and a vacuum chamber 30 having an entrance window 31 are provided.
A microchannel plate (MCP) 51, an electron multiplying unit including input-side and output-side electrodes 52 and 53, and an anode unit including a phosphor screen 54, an electrode 55, and a fiber plate 56 are arranged. The photoelectric surface 20 according to the first to third embodiments can be used as the photoelectric surface 20. Also,
The vacuum vessel 30 can be cooled by a Peltier element, liquid nitrogen, or the like to reduce dark current.

【0049】画像増強管300において、被検出光が入
射すると、本発明による電子管の第4の実施形態及び第
5の実施形態と同様に、光電子が放出され増倍される。
MCP51の出力面から放出された光電子は、MCP5
1に対してより正の電圧を印加された蛍光面54に加速
されて入射し、発光を生じる。すなわち、画像増強管3
00では、光電面20の光の入射位置に対応した蛍光面
54の部位が発光するので、一次元又は二次元の位置検
出や画像化が可能となる。蛍光面54の発光はファイバ
ープレート56を通して確認することができ、特に、低
照度下での位置検出又は画像化に適している。
When light to be detected enters the image intensifier tube 300, photoelectrons are emitted and multiplied in the same manner as in the fourth and fifth embodiments of the electron tube according to the present invention.
Photoelectrons emitted from the output surface of the MCP 51
1 is accelerated to enter the phosphor screen 54 to which a more positive voltage is applied, and emits light. That is, the image intensifier tube 3
In 00, a portion of the phosphor screen 54 corresponding to the incident position of the light on the photocathode 20 emits light, so that one-dimensional or two-dimensional position detection and imaging can be performed. The emission of the fluorescent screen 54 can be confirmed through the fiber plate 56, and is particularly suitable for position detection or imaging under low illuminance.

【0050】本実施形態においては、特に、赤外線に対
して光電面20から放出される光電子が多くなるので、
従来の画像増強管と比較して赤外線をより感度よく検出
することができる。なお、本発明による電子管の実施形
態は、実施形態4〜6の3つに限定されるものではな
く、例えば、光電子増倍管の増倍部に半導体ダイオード
を用いた電子打ち込み型の光電子増倍管や、光電子増倍
管の増倍部にマルチチャンネル型の半導体ダイオードを
用いた位置検出型光電子増倍管や、画像増強管のMCP
と蛍光面の代わりに裏面照射型電荷結合素子(CCD)
を用いた画像増強管などにも適用できる。これらの電子
管は従来と比較して、特に赤外線をより感度よく検出す
ることができる。
In the present embodiment, in particular, the number of photoelectrons emitted from the photocathode 20 with respect to infrared rays increases.
Infrared rays can be detected with higher sensitivity than a conventional image intensifier tube. The embodiments of the electron tube according to the present invention are not limited to the three embodiments 4 to 6. For example, an electron implantation type photomultiplier using a semiconductor diode in a multiplication unit of a photomultiplier tube. Position-detection-type photomultiplier tubes using multi-channel semiconductor diodes in tubes and photomultiplier tube multipliers, and MCPs for image intensifier tubes
And back-illuminated charge-coupled device (CCD) instead of phosphor screen
The present invention can also be applied to an image intensifier tube using the same. These electron tubes can detect infrared rays with higher sensitivity than before.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
吸収層は任意の禁制帯幅を有すると共に、半導体基板と
の格子整合により結晶欠陥が抑制され、また、電子輸送
層は負の電子親和力をもつので、本発明に係る光電面は
特に波長の長い赤外線に対して非常に高感度の光電面が
得られる。さらに、本発明の光電面を用いた電子管によ
れば、波長の長い微弱な赤外線を従来より感度よく検出
できるという効果を奏する。
As described above, according to the present invention, the light absorption layer has an arbitrary band gap, crystal defects are suppressed by lattice matching with the semiconductor substrate, and the electron transport layer has a negative energy. Since the photocathode according to the present invention has an electron affinity, a photocathode having a very high sensitivity can be obtained particularly for infrared rays having a long wavelength. Further, according to the electron tube using the photoelectric surface of the present invention, there is an effect that weak infrared rays having a long wavelength can be detected with higher sensitivity than before.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係る光電面を示す概
略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a photocathode according to a first embodiment of the present invention.

【図2】GaAsに格子整合するGa1-xInxyAs
1-yの禁制帯幅(実線)及びそれに対応する光波長(破
線)と組成yとの関係を示した線図である。
FIG. 2 shows Ga 1-x In x N y As lattice-matched to GaAs
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a forbidden band width of 1-y (solid line) and a corresponding light wavelength (broken line) and a composition y.

【図3】GaAsに格子整合するGa1-xInxy1-y
の禁制帯幅(実線)及びそれに対応する光波長(破線)
と組成yとの関係を示した線図である。
FIG. 3 shows Ga 1-x In x N y P 1-y lattice-matched to GaAs
Band gap (solid line) and corresponding light wavelength (dashed line)
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the composition and the composition y.

【図4】本発明の第2の実施形態に係る光電面を示す概
略断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a photocathode according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施形態に係る光電面のエネル
ギーバンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram of a photocathode according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3の実施形態に係る光電面を示す概
略断面図である。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a photocathode according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4の実施形態に係る電子管を示す概
略平断面図である。
FIG. 7 is a schematic plan sectional view showing an electron tube according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第5の実施形態に係る電子管を示す概
略断面図である。
FIG. 8 is a schematic sectional view showing an electron tube according to a fifth embodiment of the present invention.

【図9】本発明第6の実施形態に係る電子管を示す概略
断面図である。
FIG. 9 is a schematic sectional view showing an electron tube according to a sixth embodiment of the present invention.

【図10】従来のGaAs基板上にp型GaAs光吸収
層がエピタキシャル成長された反射型光電面を示す概略
断面図である。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a reflective photocathode in which a p-type GaAs light absorbing layer is epitaxially grown on a conventional GaAs substrate.

【図11】従来のp型In1-xGaxAs1-yyを光吸収
層とする光電面を示す概略断面図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a conventional photocathode having a p-type In 1-x Ga x As 1-y Py as a light absorption layer.

【図12】従来の量子井戸を光吸収層とする光電面を示
す概略断面図である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a conventional photocathode having a quantum well as a light absorbing layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…半導体基板、11…光吸収層、12…電子輸送
層、13…表面層、14…ショットキ電極、15…オー
ミック電極、16…コンタクト層、17…上部オーミッ
ク電極、18…下部オーミック電極、20…光電面、3
0…真空容器、31…入射窓、40…ダイノード部、4
0a…第1ダイノード、40b…第2ダイノード、40
c…第3ダイノード、40d…第4ダイノード、40e
…第5ダイノード、40f…第6ダイノード、40g…
第7ダイノード、40h…第8ダイノード、50…陽
極、51…マイクロチャンネルプレート(MCP)、5
2…入力側電極、53…出力側電極、54…蛍光面、5
5…電極、56…ファイバープレート、61…オーミッ
ク電極、62…Al0.65Ga0.35As、63…アンドー
プGaAs、64…コンタクト層、65…ショットキ電
極、100,200…光電子増倍管、300…画像増強
管。
Reference Signs List 10 semiconductor substrate, 11 light absorbing layer, 12 electron transport layer, 13 surface layer, 14 Schottky electrode, 15 ohmic electrode, 16 contact layer, 17 upper ohmic electrode, 18 lower ohmic electrode, 20 ... Photocathode, 3
0: vacuum vessel, 31: entrance window, 40: dynode part, 4
0a: first dynode, 40b: second dynode, 40
c: third dynode, 40d: fourth dynode, 40e
... 5th dynode, 40f ... 6th dynode, 40g ...
7th dynode, 40h 8th dynode, 50 anode, 51 microchannel plate (MCP), 5
2 ... input side electrode, 53 ... output side electrode, 54 ... fluorescent screen, 5
Reference numeral 5: electrode, 56: fiber plate, 61: ohmic electrode, 62: Al 0.65 Ga 0.35 As, 63: undoped GaAs, 64: contact layer, 65: Schottky electrode, 100, 200: photomultiplier, 300: image intensifier tube.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Si、GaAs又はGaPからなる半導
体基板と、前記半導体基板上に形成され、p型Ga1-x
InxyAs1-y又はp型Ga1-xInxy1-yからな
り、検出対象である被検出光を吸収して光電子を発生さ
せる光吸収層と、 前記光吸収層上に形成され、キャリア濃度が1×1017
cm-3以上のp型GaAs、p型GaP又はそれらの混
晶からなり、前記光吸収層から発生した光電子を表面近
傍まで拡散させる電子輸送層と、 前記電子輸送層上に形成され、アルカリ金属又はその酸
化物又はそのフッ化物からなり、前記電子輸送層の電子
親和力を負に低下させる表面層とを備えたことを特徴と
する光電面。
1. A semiconductor substrate made of Si, GaAs or GaP, and a p-type Ga 1-x formed on the semiconductor substrate.
A light absorption layer made of In x N y As 1-y or p-type Ga 1-x In x N y P 1-y and absorbing detected light to be detected to generate photoelectrons; and the light absorption layer And a carrier concentration of 1 × 10 17
an electron transport layer made of p-type GaAs, p-type GaP or a mixed crystal thereof having a size of not less than cm -3 and diffusing photoelectrons generated from the light absorption layer to near the surface; and an alkali metal formed on the electron transport layer, Or a surface layer made of an oxide or a fluoride thereof and negatively reducing the electron affinity of the electron transport layer.
【請求項2】 Si、GaAs又はGaPからなる半導
体基板と、前記半導体基板上に形成され、p型Ga1-x
InxyAs1-y又はp型Ga1-xInxy1-yからな
り、検出対象である被検出光を吸収して光電子を発生さ
せる光吸収層と、 前記光吸収層上に形成され、キャリア濃度が1×1015
cm-3以上のp型GaAs、p型GaP又はそれらの混
晶からなり、前記光吸収層から発生した光電子を表面近
傍まで拡散させる電子輸送層と、 前記電子輸送層上に形成され、アルカリ金属又はその酸
化物又はそのフッ化物からなり、前記電子輸送層の電子
親和力を負に低下させる表面層と、 前記電子輸送層上に形成され前記電子輸送層とショット
キ接合をなし、前記電子輸送層が前記光吸収層に対して
正になるようにバイアス電圧を印加する電極とを備えた
ことを特徴とする光電面。
2. A semiconductor substrate made of Si, GaAs or GaP, and a p-type Ga 1-x formed on the semiconductor substrate.
A light absorption layer made of In x N y As 1-y or p-type Ga 1-x In x N y P 1-y and absorbing detected light to be detected to generate photoelectrons; and the light absorption layer And a carrier concentration of 1 × 10 15
an electron transport layer made of p-type GaAs, p-type GaP or a mixed crystal thereof having a size of not less than cm -3 and diffusing photoelectrons generated from the light absorption layer to near the surface; and an alkali metal formed on the electron transport layer, Or a surface layer comprising an oxide or a fluoride thereof, which negatively reduces the electron affinity of the electron transport layer; and forming a Schottky junction with the electron transport layer formed on the electron transport layer. An electrode for applying a bias voltage so as to be positive with respect to the light absorbing layer.
【請求項3】 Si、GaAs又はGaPからなる半導
体基板と、 前記半導体基板上に形成され、p型Ga1-xInxy
1-y又はp型Ga1-xInxy1-yからなり、検出対
象である被検出光を吸収して光電子を発生させる光吸収
層と、 前記光吸収層上に形成され、キャリア濃度が1×1015
cm-3以上のp型GaAs、p型GaP又はそれらの混
晶からなり、前記光吸収層から発生した光電子を表面近
傍まで拡散させる電子輸送層と、 前記電子輸送層上に形成され、アルカリ金属又はその酸
化物又はそのフッ化物からなり、前記電子輸送層の電子
親和力を負に低下させる表面層と、 前記電子輸送層上の一部に形成され、n型GaAs、n
型GaP又はそれらの混晶からなり、前記電子輸送層と
pn接合をなすコンタクト層と、 前記コンタクト層上に形成され、前記電子輸送層が前記
光吸収層に対して正になるようにバイアス電圧を印加す
る電極とを備えたことを特徴とする光電面。
3. A semiconductor substrate made of Si, GaAs or GaP, and a p-type Ga 1-x In x N y A formed on the semiconductor substrate.
a light-absorbing layer formed of s 1-y or p-type Ga 1-x In x N y P 1-y and absorbing light to be detected as a detection target to generate photoelectrons; and formed on the light absorbing layer. , Carrier concentration is 1 × 10 15
an electron transport layer made of p-type GaAs, p-type GaP or a mixed crystal thereof having a size of not less than cm -3 and diffusing photoelectrons generated from the light absorption layer to near the surface; and an alkali metal formed on the electron transport layer, Or an oxide or a fluoride thereof, a surface layer which negatively reduces the electron affinity of the electron transport layer; and n-type GaAs, n formed on a part of the electron transport layer.
A contact layer made of GaP or a mixed crystal thereof and forming a pn junction with the electron transport layer; and a bias voltage formed on the contact layer so that the electron transport layer is positive with respect to the light absorption layer. A photocathode, comprising:
【請求項4】 前記半導体基板の格子定数及び前記光吸
収層の格子定数及び前記電子輸送層の格子定数は、それ
ぞれ1%以内のずれの範囲で一致していることを特徴と
する請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電面。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the lattice constant of the semiconductor substrate, the lattice constant of the light absorption layer, and the lattice constant of the electron transport layer are equal to each other within a shift of 1% or less. The photocathode according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 前記光吸収層を形成するGa1-xInx
yAs1-y又はGa1- xInxy1-y中のNの組成yは、
0<y≦0.2であることを特徴とする請求項1〜4の
いずれか1項に記載の光電面。
5. The Ga 1-x In x N forming the light absorption layer
y The composition y of N in As 1-y or Ga 1- x In x N y P 1- y is
The photocathode according to claim 1, wherein 0 <y ≦ 0.2.
【請求項6】 前記半導体基板の禁制帯幅及び前記電子
輸送層の禁制帯幅は、共に前記光吸収層の禁制帯幅より
も大きいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項
に記載の光電面。
6. The forbidden band width of the semiconductor substrate and the forbidden band width of the electron transporting layer are both larger than the forbidden band width of the light absorbing layer. The photocathode according to 1.
【請求項7】 被検出光が入射する入射窓を有し、内部
が真空に保持された真空容器と、 前記入射窓に臨んで前記真空容器内に収容された請求項
1〜6のいずれか1項に記載された光電面と、前記真空
容器内に収容され、前記光電面に対して正の電位に保持
された陽極部とを備えたことを特徴とする電子管。
7. A vacuum container having an entrance window through which light to be detected is incident, the interior of which is kept in a vacuum, and which is housed in the vacuum container facing the entrance window. 2. An electron tube, comprising: the photocathode according to claim 1; and an anode housed in the vacuum vessel and maintained at a positive potential with respect to the photocathode.
【請求項8】 前記真空容器内に収容され、前記光電面
からの光電子を二次電子増倍する電子増倍部をさらに備
えたことを特徴とする請求項7に記載の電子管。
8. The electron tube according to claim 7, further comprising an electron multiplying unit housed in the vacuum vessel and multiplying photoelectrons from the photocathode by secondary electrons.
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