JPH11233000A - 光電陰極及び電子管 - Google Patents
光電陰極及び電子管Info
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- JPH11233000A JPH11233000A JP10032984A JP3298498A JPH11233000A JP H11233000 A JPH11233000 A JP H11233000A JP 10032984 A JP10032984 A JP 10032984A JP 3298498 A JP3298498 A JP 3298498A JP H11233000 A JPH11233000 A JP H11233000A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ２２５ｎｍよりも長い波長の被検出光を吸収
し、真空中へ放出する光電陰極とこの光電陰極を備えた
電子管とを提供すること。 【解決手段】 被検出光を吸収して光電子を励起し、当
該光電子を真空中へ放出する光電陰極において、被検出
光を吸収することにより光電子を放出する半導体光吸収
層４と、エネルギーギャップが半導体光吸収層４よりも
大きく、光電子が透過すると共に、半導体光吸収層４上
に形成される半導体電子放出層６と、半導体電子放出層
６の表面の一部に形成された第一の電極１０と、半導体
電子放出層６の第一の電極１０が形成されていない露出
表面上に形成された仕事関数を低下させるための活性層
８と、半導体光吸収層４に接続された第二の電極１２と
を備え、半導体電子放出層６は、ダイヤモンド、多結晶
ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤ
モンドを主成分とする材料からなることを特徴とする。
し、真空中へ放出する光電陰極とこの光電陰極を備えた
電子管とを提供すること。 【解決手段】 被検出光を吸収して光電子を励起し、当
該光電子を真空中へ放出する光電陰極において、被検出
光を吸収することにより光電子を放出する半導体光吸収
層４と、エネルギーギャップが半導体光吸収層４よりも
大きく、光電子が透過すると共に、半導体光吸収層４上
に形成される半導体電子放出層６と、半導体電子放出層
６の表面の一部に形成された第一の電極１０と、半導体
電子放出層６の第一の電極１０が形成されていない露出
表面上に形成された仕事関数を低下させるための活性層
８と、半導体光吸収層４に接続された第二の電極１２と
を備え、半導体電子放出層６は、ダイヤモンド、多結晶
ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤ
モンドを主成分とする材料からなることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検出光を吸収し
て光電子を励起し、真空中へ放出する光電陰極及びこの
光電陰極を備えた電子管に関するものである。
て光電子を励起し、真空中へ放出する光電陰極及びこの
光電陰極を備えた電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、ダイヤモンドを材料とする光
電陰極では、Ｂドープされた天然単結晶ダイヤモンドの
（１１１）面において、原始的に清浄な表面では電子親
和力が負となり、光子エネルギーが５．５ｅＶから９ｅ
Ｖの範囲で光電子放出の量子効率が２０％程度、１３ｅ
Ｖから３５ｅＶの範囲では４０〜７０％と比較的高い量
子効率が得られることが知られている（Physical Revie
w B,20,2,(1979)624)。
電陰極では、Ｂドープされた天然単結晶ダイヤモンドの
（１１１）面において、原始的に清浄な表面では電子親
和力が負となり、光子エネルギーが５．５ｅＶから９ｅ
Ｖの範囲で光電子放出の量子効率が２０％程度、１３ｅ
Ｖから３５ｅＶの範囲では４０〜７０％と比較的高い量
子効率が得られることが知られている（Physical Revie
w B,20,2,(1979)624)。
【０００３】また、マイクロ波プラズマＣＶＤにより、
高圧合成された単結晶ダイヤモンド（１００）基板上に
単結晶ダイヤモンド膜を合成し、表面を水素終端するこ
とにより、単結晶ダイヤモンド膜の（１１１）面だけで
なく（１００）面においても、電子親和力が負になるこ
とも知られている（Diamond and Related Material 4(1
995)806,Jpn.J.Appl.Phys.33,(1994)6312)。
高圧合成された単結晶ダイヤモンド（１００）基板上に
単結晶ダイヤモンド膜を合成し、表面を水素終端するこ
とにより、単結晶ダイヤモンド膜の（１１１）面だけで
なく（１００）面においても、電子親和力が負になるこ
とも知られている（Diamond and Related Material 4(1
995)806,Jpn.J.Appl.Phys.33,(1994)6312)。
【０００４】更に、単結晶ダイヤモンドのみならず多結
晶ダイヤモンドにおいても、表面を水素終端することに
より、比較的高い光電子放出の量子効率が得られること
が知られている（Diamond Films and Technology 6(199
6)359)。
晶ダイヤモンドにおいても、表面を水素終端することに
より、比較的高い光電子放出の量子効率が得られること
が知られている（Diamond Films and Technology 6(199
6)359)。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のダイヤ
モンド光電陰極の光電子放出特性には、被検出光の吸収
がダイヤモンドのエネルギーギャップ、即ち伝導帯と価
電子帯との間で行われるので、ダイヤモンドのエネルギ
ーギャップである５．５ｅＶより小さい光子エネルギー
の被検出光、即ち２２５ｎｍ以上の波長領域に感度を有
することができないという本質的な欠点があり、応用面
で非常に大きな制約を受けることになる。
モンド光電陰極の光電子放出特性には、被検出光の吸収
がダイヤモンドのエネルギーギャップ、即ち伝導帯と価
電子帯との間で行われるので、ダイヤモンドのエネルギ
ーギャップである５．５ｅＶより小さい光子エネルギー
の被検出光、即ち２２５ｎｍ以上の波長領域に感度を有
することができないという本質的な欠点があり、応用面
で非常に大きな制約を受けることになる。
【０００６】そこで、本発明は、２２５ｎｍよりも長い
波長の被検出光を吸収し、真空中へ放出する光電陰極と
この光電陰極を備えた電子管とを提供することを目的と
する。
波長の被検出光を吸収し、真空中へ放出する光電陰極と
この光電陰極を備えた電子管とを提供することを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
みなされたものであり、請求項１記載の発明に係る光電
陰極は、被検出光を吸収して光電子を励起し、当該光電
子を真空中へ放出する光電陰極において、被検出光を吸
収することにより光電子を生成する半導体光吸収層と、
エネルギーギャップが半導体光吸収層よりも大きく、光
電子が透過すると共に、半導体光吸収層上に形成される
半導体電子放出層と、半導体電子放出層の表面の一部に
形成された第一の電極と、半導体電子放出層の第一の電
極が形成されていない露出表面上に形成された半導体電
子放出層の仕事関数を低下させるための活性層と、半導
体光吸収層に電気的に接続された第二の電極とを備え、
半導体電子放出層は、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモン
ド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンドを主
成分とする材料からなることを特徴とする。
みなされたものであり、請求項１記載の発明に係る光電
陰極は、被検出光を吸収して光電子を励起し、当該光電
子を真空中へ放出する光電陰極において、被検出光を吸
収することにより光電子を生成する半導体光吸収層と、
エネルギーギャップが半導体光吸収層よりも大きく、光
電子が透過すると共に、半導体光吸収層上に形成される
半導体電子放出層と、半導体電子放出層の表面の一部に
形成された第一の電極と、半導体電子放出層の第一の電
極が形成されていない露出表面上に形成された半導体電
子放出層の仕事関数を低下させるための活性層と、半導
体光吸収層に電気的に接続された第二の電極とを備え、
半導体電子放出層は、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモン
ド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンドを主
成分とする材料からなることを特徴とする。
【０００８】請求項１記載の発明によれば、半導体光吸
収層のエネルギーギャップは半導体電子放出層のエネル
ギーギャップよりも小さいので、半導体電子放出層のみ
で構成された光電陰極よりも小さなエネルギーの被検出
光、即ち、半導体電子放出層のみで構成された光電陰極
が吸収できる光の波長よりも長い波長の被検出光に対し
て感度を有することが可能となる。
収層のエネルギーギャップは半導体電子放出層のエネル
ギーギャップよりも小さいので、半導体電子放出層のみ
で構成された光電陰極よりも小さなエネルギーの被検出
光、即ち、半導体電子放出層のみで構成された光電陰極
が吸収できる光の波長よりも長い波長の被検出光に対し
て感度を有することが可能となる。
【０００９】また、第一の電極と第二の電極の間にバイ
アス電圧を印加することにより、半導体光吸収層と半導
体電子放出層内に電界が形成され、この電界により半導
体光吸収層で励起された光電子を半導体電子放出層へ移
送し、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていな
い露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための
活性層を通して真空中へ効率良く光電子を放出させるこ
とができる。特に、半導体電子放出層は、電子親和力が
負又は非常に小さな値となるダイヤモンド、多結晶ダイ
ヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモン
ドを主成分とする材料からなるため、光電子は一層放出
されやすくなる。
アス電圧を印加することにより、半導体光吸収層と半導
体電子放出層内に電界が形成され、この電界により半導
体光吸収層で励起された光電子を半導体電子放出層へ移
送し、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていな
い露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための
活性層を通して真空中へ効率良く光電子を放出させるこ
とができる。特に、半導体電子放出層は、電子親和力が
負又は非常に小さな値となるダイヤモンド、多結晶ダイ
ヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモン
ドを主成分とする材料からなるため、光電子は一層放出
されやすくなる。
【００１０】また、請求項１記載の光電陰極において、
半導体電子放出層をｐ型の導電型としたり、第一の電極
と半導体電子放出層とをショットキ接合させることが望
ましい。
半導体電子放出層をｐ型の導電型としたり、第一の電極
と半導体電子放出層とをショットキ接合させることが望
ましい。
【００１１】請求項４記載の発明に係る光電陰極は、第
一の電極が、半導体電子放出層がほぼ均一に分布して露
出する所定のパターン状に形成されていることを特徴と
する。
一の電極が、半導体電子放出層がほぼ均一に分布して露
出する所定のパターン状に形成されていることを特徴と
する。
【００１２】請求項４記載の発明によれば、光電陰極内
に均一に電界が形成されるため、効率良く光電子の放出
を行うことができる。
に均一に電界が形成されるため、効率良く光電子の放出
を行うことができる。
【００１３】請求項５記載の発明に係る光電陰極は、活
性層が、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物又はアル
カリ金属のフッ化物からなることを特徴とする。
性層が、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物又はアル
カリ金属のフッ化物からなることを特徴とする。
【００１４】請求項５記載の発明によれば、半導体電子
放出層の仕事関数を効率よく低下することができ、光電
子を真空中へ放出し易くなる。
放出層の仕事関数を効率よく低下することができ、光電
子を真空中へ放出し易くなる。
【００１５】請求項６記載の発明に係る電子管は、請求
項１〜請求項５の何れか一項記載の光電陰極、陽極及び
真空容器を少なくとも備えることを特徴とする。
項１〜請求項５の何れか一項記載の光電陰極、陽極及び
真空容器を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１６】請求項６記載の電子管によれば、紫外から
可視域の被検出光を感度良く検出することができる。
可視域の被検出光を感度良く検出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の光電陰極及びこの
光電陰極を備えた電子管の好適な実施形態について詳細
に説明する。
光電陰極を備えた電子管の好適な実施形態について詳細
に説明する。
【００１８】（第１実施形態）図１〜図３を用いて、第
１実施形態の光電陰極を説明する。図１は、本実施形態
の光電陰極２の断面模式図である。図に示すように、光
電陰極２は、半導体光吸収層４、半導体電子放出層６、
活性層８、第一の電極１０，第二の電極１２から構成さ
れている。
１実施形態の光電陰極を説明する。図１は、本実施形態
の光電陰極２の断面模式図である。図に示すように、光
電陰極２は、半導体光吸収層４、半導体電子放出層６、
活性層８、第一の電極１０，第二の電極１２から構成さ
れている。
【００１９】半導体光吸収層４は、ＳｉＣ単結晶半導体
からなり、基板としての役割も有している。この場合、
ＳｉＣのエネルギーギャップが約３ｅＶであるため、半
導体光吸収層４は、波長約４１０ｎｍまでの被検出光を
吸収することができる。尚、本実施形態では、半導体光
吸収層４としてＳｉＣ単結晶半導体を用いたが、半導体
光吸収層はＳｉＣに限られず、他の材料にて形成しても
良い。従って、半導体光吸収層４に用いる材料のエネル
ギーギャップによって、検出可能な被検出光の波長範囲
を調整できることも本願発明の特徴の一つである。
からなり、基板としての役割も有している。この場合、
ＳｉＣのエネルギーギャップが約３ｅＶであるため、半
導体光吸収層４は、波長約４１０ｎｍまでの被検出光を
吸収することができる。尚、本実施形態では、半導体光
吸収層４としてＳｉＣ単結晶半導体を用いたが、半導体
光吸収層はＳｉＣに限られず、他の材料にて形成しても
良い。従って、半導体光吸収層４に用いる材料のエネル
ギーギャップによって、検出可能な被検出光の波長範囲
を調整できることも本願発明の特徴の一つである。
【００２０】ＳｉＣ単結晶半導体からなる半導体光吸収
層４の上には半導体電子放出層６が形成されている。本
実施形態では、半導体電子放出層６は、厚さ約０．５μ
ｍのｐ型の多結晶ダイヤモンドで形成されている。ダイ
ヤモンドのエネルギーギャップは約５．５ｅＶなので、
多結晶ダイヤモンドに外部から入射した被検出光のうち
少なくとも波長が２２５ｎｍより長い光は、多結晶ダイ
ヤモンドからなる半導体電子放出層６を透過して半導体
光吸収層４に到達することができる。また、本実施形態
では、ｐ型のドーピングを施してあるが、これは必ずし
も必要ではない。しかし、実験により、意図的なドーピ
ングを行ってないものと比較して、ｐ型のドーピングを
施したものは、約２倍の光電子放出量子効率を示すこと
が分かった。
層４の上には半導体電子放出層６が形成されている。本
実施形態では、半導体電子放出層６は、厚さ約０．５μ
ｍのｐ型の多結晶ダイヤモンドで形成されている。ダイ
ヤモンドのエネルギーギャップは約５．５ｅＶなので、
多結晶ダイヤモンドに外部から入射した被検出光のうち
少なくとも波長が２２５ｎｍより長い光は、多結晶ダイ
ヤモンドからなる半導体電子放出層６を透過して半導体
光吸収層４に到達することができる。また、本実施形態
では、ｐ型のドーピングを施してあるが、これは必ずし
も必要ではない。しかし、実験により、意図的なドーピ
ングを行ってないものと比較して、ｐ型のドーピングを
施したものは、約２倍の光電子放出量子効率を示すこと
が分かった。
【００２１】多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放
出層６の上には、半導体電子放出層６とショットキ接合
を形成する第一の電極１０としてＡｕが約５０〜１００
オングストローム蒸着されている。この程度の薄い膜厚
の場合、Ａｕは半導体電子放出層６上で島状の電極を形
成する。従って、半透明の電極となるので、第一の電極
１０に入射した被検出光は、効率良く当該第一の電極１
０を透過することができる。ここで、Ａｕの膜厚が１０
０オングストロームよりも厚過ぎる場合は、第一の電極
１０に入射した被検出光の透過率が減少するだけではな
く、光電陰極２内で励起された光電子が真空中へ放出さ
れる際に第一の電極１０に捕獲される確率が増加し、結
果として光電子放出量子効率が大幅に低下する。
出層６の上には、半導体電子放出層６とショットキ接合
を形成する第一の電極１０としてＡｕが約５０〜１００
オングストローム蒸着されている。この程度の薄い膜厚
の場合、Ａｕは半導体電子放出層６上で島状の電極を形
成する。従って、半透明の電極となるので、第一の電極
１０に入射した被検出光は、効率良く当該第一の電極１
０を透過することができる。ここで、Ａｕの膜厚が１０
０オングストロームよりも厚過ぎる場合は、第一の電極
１０に入射した被検出光の透過率が減少するだけではな
く、光電陰極２内で励起された光電子が真空中へ放出さ
れる際に第一の電極１０に捕獲される確率が増加し、結
果として光電子放出量子効率が大幅に低下する。
【００２２】また、第一の電極１０の他、多結晶ダイヤ
モンドからなる半導体電子放出層６の上には、仕事関数
を低下させるためのＣｓとＯからなる活性層８が形成さ
れている。活性層８は、単原子程度の厚さであるため、
活性層８に入射した被検出光は、殆ど活性層８を透過す
ることができる。
モンドからなる半導体電子放出層６の上には、仕事関数
を低下させるためのＣｓとＯからなる活性層８が形成さ
れている。活性層８は、単原子程度の厚さであるため、
活性層８に入射した被検出光は、殆ど活性層８を透過す
ることができる。
【００２３】尚、図１は、光電陰極２の概略図であり、
実際の構造と厳密には異なる。例えば、実際の半導体電
子放出層６、活性層８、第一の電極１０及び第二の電極
１２は、半導体光吸収層４と比較すると非常に薄く形成
されているため、これらは拡大して示されている。ま
た、本願の他の図面についても同様である。
実際の構造と厳密には異なる。例えば、実際の半導体電
子放出層６、活性層８、第一の電極１０及び第二の電極
１２は、半導体光吸収層４と比較すると非常に薄く形成
されているため、これらは拡大して示されている。ま
た、本願の他の図面についても同様である。
【００２４】続いて、本実施形態の光電陰極２の作用を
説明する。まず、図１を参照して、被検出光の入射か
ら、光電子の励起までを説明する。光電陰極２に外部か
ら入射した被検出光は、活性層８を透過し、半導体電子
放出層６に到達する。波長が２２５ｎｍ以下の被検出光
は、多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６で
吸収される。一方、波長が２２５ｎｍより長い被検出光
は、半導体電子放出層６を透過して半導体光吸収層４に
到達することができる。半導体光吸収層４では、波長約
４１０ｎｍ以下の被検出光が吸収され、半導体光吸収層
４内の光電子が励起される。
説明する。まず、図１を参照して、被検出光の入射か
ら、光電子の励起までを説明する。光電陰極２に外部か
ら入射した被検出光は、活性層８を透過し、半導体電子
放出層６に到達する。波長が２２５ｎｍ以下の被検出光
は、多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６で
吸収される。一方、波長が２２５ｎｍより長い被検出光
は、半導体電子放出層６を透過して半導体光吸収層４に
到達することができる。半導体光吸収層４では、波長約
４１０ｎｍ以下の被検出光が吸収され、半導体光吸収層
４内の光電子が励起される。
【００２５】次に、図２を参照して、半導体光吸収層４
内で励起された光電子を半導体電子放出層６側へ移送す
る過程を説明する。図２は、図１の第一の電極１０と第
二の電極１２との間に印加するバイアス電圧を変化させ
たときの分光感度特性を概略的に示したグラフである。
内で励起された光電子を半導体電子放出層６側へ移送す
る過程を説明する。図２は、図１の第一の電極１０と第
二の電極１２との間に印加するバイアス電圧を変化させ
たときの分光感度特性を概略的に示したグラフである。
【００２６】図２の実線は、光電陰極２にバイアス電
圧を印加しない場合の分光感度特性を示している。この
場合は、光電陰極２内に電界が形成されないため、Ｓｉ
Ｃ単結晶半導体からなる半導体光吸収層４で励起された
光電子は、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６の界
面を横切ることができない。そのため、ｐ型の多結晶ダ
イヤモンドからなる半導体電子放出層６内で励起された
光電子のみが真空中へ放出される。従って、図のよう
に、ダイヤモンドのエネルギーギャップ５．５ｅＶに相
当する２２５ｎｍ程度までの光電感度しか有さない。
圧を印加しない場合の分光感度特性を示している。この
場合は、光電陰極２内に電界が形成されないため、Ｓｉ
Ｃ単結晶半導体からなる半導体光吸収層４で励起された
光電子は、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６の界
面を横切ることができない。そのため、ｐ型の多結晶ダ
イヤモンドからなる半導体電子放出層６内で励起された
光電子のみが真空中へ放出される。従って、図のよう
に、ダイヤモンドのエネルギーギャップ５．５ｅＶに相
当する２２５ｎｍ程度までの光電感度しか有さない。
【００２７】図２の破線は、光電陰極２にバイアス電
圧を印加した場合の分光感度特性を示している。この場
合は、バイアス電圧の印加により、空乏層が半導体電子
放出層６から半導体光吸収層４側へ延長され光電陰極２
内に電界が形成される。そのため、半導体光吸収層４で
励起された光電子の一部が、半導体光吸収層４と半導体
電子放出層６の界面を横切り真空中へ放出される。従っ
て、図のように、バイアス電圧を光電陰極２に印加しな
い図２のときよりも長波長側の光感度が増加する。
圧を印加した場合の分光感度特性を示している。この場
合は、バイアス電圧の印加により、空乏層が半導体電子
放出層６から半導体光吸収層４側へ延長され光電陰極２
内に電界が形成される。そのため、半導体光吸収層４で
励起された光電子の一部が、半導体光吸収層４と半導体
電子放出層６の界面を横切り真空中へ放出される。従っ
て、図のように、バイアス電圧を光電陰極２に印加しな
い図２のときよりも長波長側の光感度が増加する。
【００２８】図２の破線は、図２のときよりも更に
高いバイアス電圧を印加した場合の分光感度特性を示し
ている。この場合は、空乏層がさらに延長され、半導体
光吸収層４で励起された光電子の殆どが、半導体光吸収
層４と半導体電子放出層６の界面を横切り、真空中へ放
出される。従って、図のように、ＳｉＣのエネルギーギ
ャップ３ｅＶに相当する約４１０ｎｍまでの光感度を有
することができる。
高いバイアス電圧を印加した場合の分光感度特性を示し
ている。この場合は、空乏層がさらに延長され、半導体
光吸収層４で励起された光電子の殆どが、半導体光吸収
層４と半導体電子放出層６の界面を横切り、真空中へ放
出される。従って、図のように、ＳｉＣのエネルギーギ
ャップ３ｅＶに相当する約４１０ｎｍまでの光感度を有
することができる。
【００２９】以上より、第一の電極１０と第二の電極１
２の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光
吸収層４と半導体電子放出層６内に電界が形成され、こ
の電界により半導体光吸収層４で励起された光電子を半
導体電子放出層６へ移送できることが分かる。更に、光
電子は、半導体電子放出層６の第一の電極１０が形成さ
れていない露出表面上に形成された仕事関数を低下させ
るための活性層８を通して真空中へ効率良く放出され
る。
２の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光
吸収層４と半導体電子放出層６内に電界が形成され、こ
の電界により半導体光吸収層４で励起された光電子を半
導体電子放出層６へ移送できることが分かる。更に、光
電子は、半導体電子放出層６の第一の電極１０が形成さ
れていない露出表面上に形成された仕事関数を低下させ
るための活性層８を通して真空中へ効率良く放出され
る。
【００３０】尚、本実施形態では、ＳｉＣ単結晶半導体
からなる半導体光吸収層４を用いたが、ＳｉＣ単結晶半
導体よりもエネルギーギャップの小さな半導体を用いた
場合には、図３に示すように、光電子は、半導体光吸収
層４と半導体電子放出層６の界面をトンネル効果で通り
抜けることも可能である。
からなる半導体光吸収層４を用いたが、ＳｉＣ単結晶半
導体よりもエネルギーギャップの小さな半導体を用いた
場合には、図３に示すように、光電子は、半導体光吸収
層４と半導体電子放出層６の界面をトンネル効果で通り
抜けることも可能である。
【００３１】（第２実施形態）次に、図４を参照して、
第２実施形態の光電陰極を説明する。図４は、本実施形
態の光電陰極２２の断面模式図である。図に示すよう
に、光電陰極２２は、半導体光吸収層２４、半導体電子
放出層２６、活性層２８、第一の電極３０、第二の電極
３２から構成されている。本実施形態の光電陰極２２と
前述の第１実施形態の光電陰極２との構造上の違いは、
第一の電極３０の形態の違いにある。従って、第一の電
極３０以外の構造は第１実施形態と同様であるため、細
かな構造の説明は省略する。
第２実施形態の光電陰極を説明する。図４は、本実施形
態の光電陰極２２の断面模式図である。図に示すよう
に、光電陰極２２は、半導体光吸収層２４、半導体電子
放出層２６、活性層２８、第一の電極３０、第二の電極
３２から構成されている。本実施形態の光電陰極２２と
前述の第１実施形態の光電陰極２との構造上の違いは、
第一の電極３０の形態の違いにある。従って、第一の電
極３０以外の構造は第１実施形態と同様であるため、細
かな構造の説明は省略する。
【００３２】上述のように、第１実施形態では、半導体
電子放出層６とショットキ接合を形成する第１の電極１
０としてＡｕが約５０〜１００オングストローム蒸着さ
れており、このＡｕは多結晶ダイヤモンド上で島状の電
極を形成する。一方、本実施形態では、第一の電極３０
は、半導体電子放出層２６とショットキ接合を形成する
が、島状ではなく、いわゆるグリッド状に形成されてい
る。そして、その膜厚は１０００オングストローム程度
になっている。
電子放出層６とショットキ接合を形成する第１の電極１
０としてＡｕが約５０〜１００オングストローム蒸着さ
れており、このＡｕは多結晶ダイヤモンド上で島状の電
極を形成する。一方、本実施形態では、第一の電極３０
は、半導体電子放出層２６とショットキ接合を形成する
が、島状ではなく、いわゆるグリッド状に形成されてい
る。そして、その膜厚は１０００オングストローム程度
になっている。
【００３３】次に、図５を参照して、本実施形態の光電
陰極２２の作製方法について説明する。図５（ａ）〜
（ｇ）は、光電陰極２２の作製工程図である。
陰極２２の作製方法について説明する。図５（ａ）〜
（ｇ）は、光電陰極２２の作製工程図である。
【００３４】まず、図５（ａ）に示す第１の工程で、半
導体光吸収層２４となるＳｉＣ単結晶半導体基板上に、
マイクロ波プラズマＣＶＤによって、半導体電子放出層
２６となる多結晶ダイヤモンド膜を膜厚約０．５μｍで
成膜する。原料には、メタン（ＣＨ4）と水素（Ｈ2）を
用い、マイクロ波出力１ｋＷ、圧力５０Ｔｏｒｒ、成膜
温度８００度で成膜した。この際、半導体電子放出層２
６をｐ型の導電型とするために、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を
導入してホウ素をドーピングしてある。
導体光吸収層２４となるＳｉＣ単結晶半導体基板上に、
マイクロ波プラズマＣＶＤによって、半導体電子放出層
２６となる多結晶ダイヤモンド膜を膜厚約０．５μｍで
成膜する。原料には、メタン（ＣＨ4）と水素（Ｈ2）を
用い、マイクロ波出力１ｋＷ、圧力５０Ｔｏｒｒ、成膜
温度８００度で成膜した。この際、半導体電子放出層２
６をｐ型の導電型とするために、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を
導入してホウ素をドーピングしてある。
【００３５】図５（ｂ）に示す第２の工程では、半導体
電子放出層２６上に、第一の電極３０として厚さ約１０
００オングストロームのＡｕを真空蒸着する。本実施形
態では第一の電極３０としてＡｕを用いたが、第一の電
極３０の材料はこれに限られず、半導体電子放出層２６
と良好なショットキ接合を形成する他の材料でも良い。
電子放出層２６上に、第一の電極３０として厚さ約１０
００オングストロームのＡｕを真空蒸着する。本実施形
態では第一の電極３０としてＡｕを用いたが、第一の電
極３０の材料はこれに限られず、半導体電子放出層２６
と良好なショットキ接合を形成する他の材料でも良い。
【００３６】図５（ｃ）に示す第３の工程では、第一の
電極３０上に、フォトレジスト３４を塗布し、フォトリ
ソグラフィー処理によりグリッド状のパターンを形成す
る。本実施形態では、線幅２μｍ、間隔１０μｍ×５０
μｍの格子状のパターンを形成した。続いて、図５
（ｄ）に示す第４の工程では、エッチングにより第一の
電極３０のフォトレジスト３４で覆われていない部分を
除去し、複数の窓３６を形成する。そして、このエッチ
ングにより、Ａｕからなる第一の電極３０は、図５
（ｄ）のようにグリッド状に形成される。
電極３０上に、フォトレジスト３４を塗布し、フォトリ
ソグラフィー処理によりグリッド状のパターンを形成す
る。本実施形態では、線幅２μｍ、間隔１０μｍ×５０
μｍの格子状のパターンを形成した。続いて、図５
（ｄ）に示す第４の工程では、エッチングにより第一の
電極３０のフォトレジスト３４で覆われていない部分を
除去し、複数の窓３６を形成する。そして、このエッチ
ングにより、Ａｕからなる第一の電極３０は、図５
（ｄ）のようにグリッド状に形成される。
【００３７】尚、第一の電極３０は、本実施形態のよう
な格子状のものには限られない。但し、光電陰極２２内
に均一に電界が形成されるように、また、第一の電極３
０の各窓３６から露出する半導体電子放出層２６の面積
がほぼ同じになることが望ましい。例えば、各第一の電
極３０の形状及び寸法を等しくし、当該各第一の電極３
０の中心位置を、互いに等間隔離隔しても良い。
な格子状のものには限られない。但し、光電陰極２２内
に均一に電界が形成されるように、また、第一の電極３
０の各窓３６から露出する半導体電子放出層２６の面積
がほぼ同じになることが望ましい。例えば、各第一の電
極３０の形状及び寸法を等しくし、当該各第一の電極３
０の中心位置を、互いに等間隔離隔しても良い。
【００３８】図５（ｅ）に示す第５の工程では、パター
ニングされたフォトレジスト３４を除去し、半導体光吸
収層２４となるＳｉＣ単結晶半導体基板の裏面に、Ａｕ
／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕによるオーミック電極を第二の電極
３２として蒸着する。本実施形態では、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎ
ｉ／Ａｕによるオーミック電極を蒸着したが、電極の材
料はこれに限られず、半導体光吸収層２４に良好なオー
ミック接合をする材料であれば良い。また、ＳｉＣＳｉ
Ｃ単結晶半導体基板の裏面全体に電極を形成したが、裏
面全体に電極を形成しなくても、裏面の一部又は側面、
或いはメサ型にエッチングされた表面に電極を形成して
も良い。
ニングされたフォトレジスト３４を除去し、半導体光吸
収層２４となるＳｉＣ単結晶半導体基板の裏面に、Ａｕ
／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕによるオーミック電極を第二の電極
３２として蒸着する。本実施形態では、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎ
ｉ／Ａｕによるオーミック電極を蒸着したが、電極の材
料はこれに限られず、半導体光吸収層２４に良好なオー
ミック接合をする材料であれば良い。また、ＳｉＣＳｉ
Ｃ単結晶半導体基板の裏面全体に電極を形成したが、裏
面全体に電極を形成しなくても、裏面の一部又は側面、
或いはメサ型にエッチングされた表面に電極を形成して
も良い。
【００３９】図５（ｆ）に示す第６の工程では、第一の
電極３０と第二の電極３２に、ワイヤボンディングのた
めのＡｌパッド３８を蒸着する。尚、ワイヤボンディン
グにＡｌパッドを必要としない材料を電極に用いた場合
は、この第６の工程を省いても良い。
電極３０と第二の電極３２に、ワイヤボンディングのた
めのＡｌパッド３８を蒸着する。尚、ワイヤボンディン
グにＡｌパッドを必要としない材料を電極に用いた場合
は、この第６の工程を省いても良い。
【００４０】図５（ｇ）に示す最後の第７の工程では、
上記の試料を電子管内に配置し、真空排気後、各窓３６
内にＣｓとＯを塗布し、半導体電子放出層２６の仕事関
数を低下させるための活性層２８を形成する。本実施形
態では、活性層２８の材料としてＣｓＯを用いたが、活
性層２８は半導体電子放出層２６の表面の仕事関数を低
下させ、光電子を真空中へ放出させやすくする材料で形
成すればよい。例えば、活性層２８として他のアルカリ
金属であるＲｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉや、これらの酸化物又
はフッ化物を用いてもよいし、水素終端させた活性層と
することもできる。
上記の試料を電子管内に配置し、真空排気後、各窓３６
内にＣｓとＯを塗布し、半導体電子放出層２６の仕事関
数を低下させるための活性層２８を形成する。本実施形
態では、活性層２８の材料としてＣｓＯを用いたが、活
性層２８は半導体電子放出層２６の表面の仕事関数を低
下させ、光電子を真空中へ放出させやすくする材料で形
成すればよい。例えば、活性層２８として他のアルカリ
金属であるＲｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉや、これらの酸化物又
はフッ化物を用いてもよいし、水素終端させた活性層と
することもできる。
【００４１】次に、図４を参照して、以上のように作製
された光電陰極２２の作用を説明する。まず、被検出光
の入射から、光電子の励起までを説明する。第１実施形
態と同様に、光電陰極２２に外部から入射した被検出光
は、活性層２８を透過し、半導体電子放出層２６に到達
する。波長が２２５ｎｍ以下の被検出光は、多結晶ダイ
ヤモンドからなる半導体電子放出層２６で吸収される。
そして、波長が２２５ｎｍより長い被検出光は、半導体
電子放出層２６を透過して半導体光吸収層２４に到達す
ることができる。半導体光吸収層２４では、波長約４１
０ｎｍ以下の被検出光が吸収され、半導体光吸収層２４
内の光電子が励起される。
された光電陰極２２の作用を説明する。まず、被検出光
の入射から、光電子の励起までを説明する。第１実施形
態と同様に、光電陰極２２に外部から入射した被検出光
は、活性層２８を透過し、半導体電子放出層２６に到達
する。波長が２２５ｎｍ以下の被検出光は、多結晶ダイ
ヤモンドからなる半導体電子放出層２６で吸収される。
そして、波長が２２５ｎｍより長い被検出光は、半導体
電子放出層２６を透過して半導体光吸収層２４に到達す
ることができる。半導体光吸収層２４では、波長約４１
０ｎｍ以下の被検出光が吸収され、半導体光吸収層２４
内の光電子が励起される。
【００４２】さらに、第一の電極３０と第二の電極３２
の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光吸
収層２４と半導体電子放出層２６内に電界が形成され、
この電界により半導体光吸収層２４で励起された光電子
を半導体電子放出層２６へ移送することができる。半導
体電子放出層２６へ移送された光電子は、第一の電極３
０の各窓３６内の半導体電子放出層２６上に形成された
活性層８を通して真空中へ効率良く放出される。
の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光吸
収層２４と半導体電子放出層２６内に電界が形成され、
この電界により半導体光吸収層２４で励起された光電子
を半導体電子放出層２６へ移送することができる。半導
体電子放出層２６へ移送された光電子は、第一の電極３
０の各窓３６内の半導体電子放出層２６上に形成された
活性層８を通して真空中へ効率良く放出される。
【００４３】尚、本実施形態では、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤによって、半導体電子放出層２６となる多結晶ダ
イヤモンド膜を成膜したが、成膜方法はこれに限られ
ず、熱フィラメント法やレーザーアブレーション法等の
他の成膜方法でも同様の効果が得られる。また、半導体
電子放出層２６として、多結晶ダイヤモンド膜ではな
く、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜、アモル
ファスカーボン膜等を用いても同様の効果が得られる。
但し、実験により、半導体電子放出層２６として多結晶
ダイヤモンド膜を形成する場合に、光電子放出効率が最
も高くなることが分かった。また、ｐ型のドーピングは
必ずしも必要ではないが、実験により、ｐ型のドーピン
グを行った場合の光電子放出効率は、ドーピングを行わ
ない場合の光電子放出効率の約２倍になることが分かっ
た。
ＣＶＤによって、半導体電子放出層２６となる多結晶ダ
イヤモンド膜を成膜したが、成膜方法はこれに限られ
ず、熱フィラメント法やレーザーアブレーション法等の
他の成膜方法でも同様の効果が得られる。また、半導体
電子放出層２６として、多結晶ダイヤモンド膜ではな
く、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜、アモル
ファスカーボン膜等を用いても同様の効果が得られる。
但し、実験により、半導体電子放出層２６として多結晶
ダイヤモンド膜を形成する場合に、光電子放出効率が最
も高くなることが分かった。また、ｐ型のドーピングは
必ずしも必要ではないが、実験により、ｐ型のドーピン
グを行った場合の光電子放出効率は、ドーピングを行わ
ない場合の光電子放出効率の約２倍になることが分かっ
た。
【００４４】（第３実施形態：電子管）続いて、第３実
施形態の電子管について説明する。本実施形態の電子管
は、上述した第１実施形態又は第２実施形態の光電陰極
を備えた光電子増倍管である。
施形態の電子管について説明する。本実施形態の電子管
は、上述した第１実施形態又は第２実施形態の光電陰極
を備えた光電子増倍管である。
【００４５】図６は、第１実施形態の光電陰極２を備え
た光電子増倍管４０の上部断面の模式図である。本実施
形態の光電子増倍管４０は、ＭｇＦ2からなる入射窓４
２、光電陰極２、第１ダイノード４４、第２ダイノード
４６、第ｎダイノード４８、陽極５０及びこれらを真空
雰囲気に保つための真空容器５２から形成される。
た光電子増倍管４０の上部断面の模式図である。本実施
形態の光電子増倍管４０は、ＭｇＦ2からなる入射窓４
２、光電陰極２、第１ダイノード４４、第２ダイノード
４６、第ｎダイノード４８、陽極５０及びこれらを真空
雰囲気に保つための真空容器５２から形成される。
【００４６】次に、この光電子増倍管４０の動作を説明
する。紫外から可視域の被検出光ｈνは、ＭｇＦ2から
なる入射窓４２を透過して、多結晶ダイヤモンド光電陰
極２に入射する。光電陰極２では、被検出光により光電
子が励起され、真空中に放出される。真空中へ放出され
た光電子は、光電陰極２に対して正の電圧が印加された
第１ダイノード４４に入射し、２次電子が生成される。
このとき１次電子に対して数倍の２次電子が生成され、
再び真空中へ放出される。
する。紫外から可視域の被検出光ｈνは、ＭｇＦ2から
なる入射窓４２を透過して、多結晶ダイヤモンド光電陰
極２に入射する。光電陰極２では、被検出光により光電
子が励起され、真空中に放出される。真空中へ放出され
た光電子は、光電陰極２に対して正の電圧が印加された
第１ダイノード４４に入射し、２次電子が生成される。
このとき１次電子に対して数倍の２次電子が生成され、
再び真空中へ放出される。
【００４７】第１ダイノード４４から放出された電子
は、第１ダイノード４４に対して正の電圧が印加された
第２ダイノード４６に入射し、２次電子が生成され、２
次電子は再び真空中へ放出される。この２次電子放出が
ｎ回繰り返されて、増幅された光電子が陽極５０に到達
する。尚、２次電子放出が１０回程度繰り返された場
合、最終的に陽極５０では、光電陰極２から放出された
光電子が約１００万倍程度にまで増幅されて信号として
収集される。
は、第１ダイノード４４に対して正の電圧が印加された
第２ダイノード４６に入射し、２次電子が生成され、２
次電子は再び真空中へ放出される。この２次電子放出が
ｎ回繰り返されて、増幅された光電子が陽極５０に到達
する。尚、２次電子放出が１０回程度繰り返された場
合、最終的に陽極５０では、光電陰極２から放出された
光電子が約１００万倍程度にまで増幅されて信号として
収集される。
【００４８】本実施形態の光電子増倍管は、光電陰極２
が前述のように高い量子効率を有し、また、可視領域に
まで感度を有しているので、非常に光感度な紫外から可
視域の検出器として利用することができる。尚、本実施
形態では、入射光と光電子の放出される面が同じであ
る、いわゆる反射型光電陰極を有するサイドオン型光電
子増倍管を電子管の一例としたが、この他の透過型光電
陰極を有するヘッドオン型光電子増倍管、画像増強管等
の電子管でも同様の効果を得ることができる。
が前述のように高い量子効率を有し、また、可視領域に
まで感度を有しているので、非常に光感度な紫外から可
視域の検出器として利用することができる。尚、本実施
形態では、入射光と光電子の放出される面が同じであ
る、いわゆる反射型光電陰極を有するサイドオン型光電
子増倍管を電子管の一例としたが、この他の透過型光電
陰極を有するヘッドオン型光電子増倍管、画像増強管等
の電子管でも同様の効果を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電陰極
によれば、半導体光吸収層のエネルギーギャップは半導
体電子放出層のエネルギーギャップよりも小さいので、
半導体電子放出層のみで構成された光電陰極よりも小さ
なエネルギーの被検出光、即ち、半導体電子放出層のみ
で構成された光電陰極が吸収できる光の波長よりも長い
波長の被検出光に対して感度を有することが可能とな
る。
によれば、半導体光吸収層のエネルギーギャップは半導
体電子放出層のエネルギーギャップよりも小さいので、
半導体電子放出層のみで構成された光電陰極よりも小さ
なエネルギーの被検出光、即ち、半導体電子放出層のみ
で構成された光電陰極が吸収できる光の波長よりも長い
波長の被検出光に対して感度を有することが可能とな
る。
【００５０】また、第一の電極と第二の電極の間にバイ
アス電圧を印加することにより、半導体光吸収層と半導
体電子放出層内に電界が形成され、この電界により半導
体光吸収層で励起された光電子を半導体電子放出層へ移
送し、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていな
い露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための
活性層を通して真空中へ効率良く光電子を放出させるこ
とができる。
アス電圧を印加することにより、半導体光吸収層と半導
体電子放出層内に電界が形成され、この電界により半導
体光吸収層で励起された光電子を半導体電子放出層へ移
送し、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていな
い露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための
活性層を通して真空中へ効率良く光電子を放出させるこ
とができる。
【図１】第１実施形態の光電陰極の断面模式図である。
【図２】バイアス電圧を変化させたときの分光感度特性
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図３】トンネル効果を示す図である。
【図４】第２実施形態の光電陰極の断面模式図である。
【図５】第２実施形態の光電陰極２２の作製工程図であ
る。
る。
【図６】第３実施形態の光電子増倍管を示す断面図であ
る。
る。
２，２２…光電陰極、４，２４…半導体光吸収層、６，
２６…半導体電子放出層、８，２８…活性層、１０，３
０…第一の電極、１２，３２…第二の電極、４０…光電
子増倍管。
２６…半導体電子放出層、８，２８…活性層、１０，３
０…第一の電極、１２，３２…第二の電極、４０…光電
子増倍管。
Claims (6)
- 【請求項１】 被検出光を吸収して光電子を励起し、当
該光電子を真空中へ放出する光電陰極において、 被検出光を吸収することにより光電子を生成する半導体
光吸収層と、 エネルギーギャップが前記半導体光吸収層よりも大き
く、前記光電子が透過すると共に、前記半導体光吸収層
上に形成される半導体電子放出層と、 前記半導体電子放出層の表面の一部に形成された第一の
電極と、 前記半導体電子放出層の前記第一の電極が形成されてい
ない露出表面上に形成された前記半導体電子放出層の仕
事関数を低下させるための活性層と、 前記半導体光吸収層に電気的に接続された第二の電極と
を備え、 前記半導体電子放出層は、ダイヤモンド、多結晶ダイヤ
モンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンド
を主成分とする材料からなることを特徴とする光電陰
極。 - 【請求項２】 前記半導体電子放出層は、ｐ型の導電型
であることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。 - 【請求項３】 前記第一の電極と前記半導体電子放出層
とがショットキ接合していることを特徴とする請求項１
又は請求項２記載の光電陰極。 - 【請求項４】 前記第一の電極は、前記半導体電子放出
層がほぼ均一に分布して露出する所定のパターン状に形
成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何
れか一項記載の光電陰極。 - 【請求項５】 前記活性層は、アルカリ金属、アルカリ
金属の酸化物又はアルカリ金属のフッ化物からなること
を特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項記載の光
電陰極。 - 【請求項６】 請求項１〜請求項５の何れか一項記載の
光電陰極、陽極及び真空容器を少なくとも備えることを
特徴とする電子管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03298498A JP3762535B2 (ja) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | 光電陰極及び電子管 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03298498A JP3762535B2 (ja) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | 光電陰極及び電子管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11233000A true JPH11233000A (ja) | 1999-08-27 |
| JP3762535B2 JP3762535B2 (ja) | 2006-04-05 |
Family
ID=12374151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03298498A Expired - Fee Related JP3762535B2 (ja) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | 光電陰極及び電子管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3762535B2 (ja) |
Cited By (5)
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|---|---|---|---|---|
| WO2003071570A1 (fr) * | 2002-02-22 | 2003-08-28 | Hamamatsu Photonics K.K. | Cathode photoelectrique du type a emission et tube electronique |
| WO2003077271A1 (fr) * | 2002-03-08 | 2003-09-18 | Hamamatsu Photonics K.K. | Surface electronique d'emission secondaire et tube electronique |
| JP2008546150A (ja) * | 2005-06-01 | 2008-12-18 | インテヴァック インコーポレイテッド | 光電陰極構造及び使用方法 |
| CN103424119A (zh) * | 2012-05-17 | 2013-12-04 | 歌乐株式会社 | 导航装置 |
| JP2021077560A (ja) * | 2019-11-12 | 2021-05-20 | 株式会社東芝 | 電子放出素子 |
-
1998
- 1998-02-16 JP JP03298498A patent/JP3762535B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US7652425B2 (en) | 2002-02-22 | 2010-01-26 | Hamamatsu Photonics K.K. | Transmission type photocathode including light absorption layer and voltage applying arrangement and electron tube |
| WO2003077271A1 (fr) * | 2002-03-08 | 2003-09-18 | Hamamatsu Photonics K.K. | Surface electronique d'emission secondaire et tube electronique |
| US7208874B2 (en) | 2002-03-08 | 2007-04-24 | Hamamatsu Photonics K. K. | Transmitting type secondary electron surface and electron tube |
| JP2008546150A (ja) * | 2005-06-01 | 2008-12-18 | インテヴァック インコーポレイテッド | 光電陰極構造及び使用方法 |
| CN103424119A (zh) * | 2012-05-17 | 2013-12-04 | 歌乐株式会社 | 导航装置 |
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