KR20030063435A

KR20030063435A - 반도체 광전 음극

Info

Publication number: KR20030063435A
Application number: KR10-2003-7008147A
Authority: KR
Inventors: 니이가키미노루; 히로하타토루; 칸히로후미; 모리쿠니요시
Original assignee: 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2003-07-28
Also published as: WO2002050858A1; JP2002184302A; US6917058B2; AU2002221142A1; US20040056279A1; CN1481569A; CN1291435C

Abstract

광흡수층(2)이 두꺼운 경우에 있어서는 시간 분해능 저하 현상이 생기지만, 광흡수층(2)의 두께를 제한하면, 1개의 전자군에 있어서의 전자 농도가 낮은 부분이 커트되기 때문에, 인접하는 전자 농도 분포의 겹침 영역이 감소하여, 전자의 통과에 필요한 주행 시간의 단축에 의해서, 확산에 의해서 겹치는 영역도 억제할 수 있고, 더욱이, 전계 강도도 높일 수 있기 때문에, 이들의 상승적 작용에 의해서, 적외선의 시간 분해능을 현저하게 향상시킬 수 있다. 광흡수층의 두께가 적외선의 파장 정도, 1.3㎛인 경우의 시간 분해능이 40ps인 경우, 이 두께를 0.19㎛로 한 경우에는 시간 분해능은 7.5ps가 된다.

Description

반도체 광전 음극{Semiconductor photocathode}

종래의 반도체 광전 음극은 미국 특허3,958,143호, 5,047,821호, 5,680,007호, 6,002,141호에 기재되어 있다. 이러한 반도체 광전 음극은 적외선을 흡수하는 화합물 반도체로 이루어지는 광흡수층을 구비하고, 적외선의 흡수에 따라서 발생한 캐리어 중의 전자를 전자 이송층(전자 방출층)을 통해 진공 중에 방출한다.

본 발명은 반도체 광전 음극에 관한 것이다.

도 1은 제 1 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도.

도 2는 제 2 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도.

도 3은 제 3 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도.

도 4는 제 4 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도.

도 5는 광전자 증배관(PMT)의 단면 모식도.

도 6은 화상 증강관(II)의 단면 모식도.

도 7은 스트리크 카메라(streak camera) 장치의 블록도.

도 8은 광전 음극(PC)의 분광 감도 특성을 도시하는 그래프도.

그러나, 그 특성은 아직 충분하지 않고, 더욱 개량이 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 광전 음극을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 광전 음극은 적외선을 흡수하는 화합물 반도체로 이루어지는 광흡수층을 구비하고, 적외선 입사에 따라서 전자를 방출하는 반도체 광전 음극에 있어서, 상기 광흡수층은 이 광흡수층의 에너지 밴드 갭보다도 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 전자 이송층과 반도체 기판의 사이에 형성되어 있고, 상기 광흡수층의 두께는 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

광흡수층에 있어서의 적외선 흡수 계수도 높아지면, 적외선의 광전 변환 효율이 높아지고, 또한, 광흡수층이 두껍게 될수록 총흡수량은 많아지며, 적외선 입사에 따라서 발생하는 전자는 두께 방향에 분포하고, 이 전자 농도 분포에 있어서는 적외선이 진행할수록 전자 농도가 낮아진다.

한편, 광흡수층은 그 불순물 농도가 저농도로 설정되기 때문에, 실효적인 공핍층 폭이 넓어지고, 광흡수층 내에 형성되는 전계 강도는 작아진다. 광흡수층내에서 발생한 전자는 이 전계와 확산에 의해서 전자 이송층 방향으로 주행한다. 또, 전자의 확산은 반도체 기판 방향에도 생긴다.

종래의 반도체 광전 음극에 있어서는 광흡수층 내에서의 전자 주행 속도는 작은 전계와 확산으로 규정되기 때문에, 비교적 느리고, 현재의 적외선 펄스의 입사에 따라서 발생한 전자군의 대부분이 광흡수층을 다 통과하기 전에, 다음번의 적외선 펄스가 입사하면, 쌍방의 적외선 펄스의 입사에 의해서 발생한 전자군끼리를 분리할 수 없게 된다. 바꾸어 말하면, 광흡수층 내에서는 시간적으로 근접하는 2개의 적외선 펄스에 대응하여, 두께 방향에 2개의 전자 농도 분포를 갖지만, 상기 전자 농도 분포끼리가 크게 겹치면, 펄스의 시간 분해를 할 수 없게 된다.

특정한 기술 분야, 반도체 재료의 형광 수명 측정이나 근적외광을 사용한 CT 스캔의 분야에서는 현재, 수 ps 오더의 시간 분해능이 요구되고 있지만, 현재 적외선 영역에서는 이러한 시간 분해능을 갖는 광전 음극은 알려져 있지 않다.

본 발명에서는 광흡수층의 두께를 0.19㎛ 이하로 제한함으로써, 적외선 영역에서 반도체 광전 음극의 시간 분해능을 7.5ps 이하를 달성하고, 0.02㎛ 이상으로 함으로써, 노이즈 레벨 이상의 감도를 갖는 것으로 하였다.

즉, 광흡수층에 있어서의 적외선의 흡수에 의해서, 광흡수층 내부에서 발생하는 순간적 전자 농도 분포는 두께 방향에 따라서 지수 함수적으로 감소하지만, 1개의 전자군의 전자 농도 분포에 있어서의 전자 농도가 상대적으로 낮은 위치에 있어서는 이 위치의 전자가 인접하는 전자군과 겹치기 때문에 시간 분해능이 저하되고, 또한, 전자군 주행 중의 확산에 의해서, 전자군의 분포 폭이 증가하기 때문에, 겹치는 영역이 증가하여, 시간 분해능이 더욱 저하된다.

광흡수층이 두꺼운 경우에 있어서는 이러한 시간 분해능 저하 현상이 생기지만, 광흡수층의 두께를 상술한 바와 같이 제한하면, 1개의 전자군에 있어서의 전자 농도가 낮은 부분이 커트되기 때문에, 상기 겹치는 영역이 감소하고, 전자의 통과에 필요한 주행 시간의 단축에 의해서, 확산에 의해서 겹치는 영역도 억제할 수 있고, 또한, 광흡수층 내의 전계 강도를 광흡수층의 박화(薄化)에 의해서 높일 수 있기 때문에, 이들의 상승적 작용에 의해서, 적외선의 시간 분해능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 광흡수층의 두께가 적외선의 파장 정도, 1.3㎛인 경우의 시간 분해능이 40ps(피코초)인 경우, 이 두께를 0.19㎛로 한 경우에는 시간 분해능은 7.5ps로, 0.02㎛로 한 경우에는 1ps 이하로 할 수 있다. 더욱이, 광흡수층의 두께가 0.02㎛와 같은 대단히 얇은 막 두께라도 적외 감도는 높고, 이 감도는 종래, 이 파장 영역으로 유일 감도를 갖고 있는 Ag-O-Cs 광전 음극과 비교하여, 3자리수 이상 높은 감도를 얻을 수 있다.

또한, 전자 이송층은 전자에 소정의 속도를 줄 필요가 있기 때문에, 그 두께의 최저치가 설정되지만, 상기 광흡수층의 경우에 있어서는 전자 이송층보다도 두께가 작게 설정된다.

또한, 반도체 기판은 InP이고, 광흡수층은 InGaAsP이고, 전자 이송층은 InP인 것이 바람직하다.

또한, 광흡수층과 전자 이송층의 사이에 조성이 서서히 변화하는 그레이디드층이 설치되는 경우에는 그 두께의 50%의 부분을 광흡수층으로서 취급한다.

이하, 실시예에 따른 반도체 광전 음극에 관해서 설명한다. 동일 요소에는, 동일 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.

(제 1 실시예)

도 1은 제 1 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도이다. 우선,반도체 광전 음극(PC)의 구조에 관해서 설명한다.

본 실시예의 반도체 광전 음극(PC)은 도시하지 않는 양극에 대향하여 진공 중에 배치되는 것으로, 적어도 반도체 기판(1)상에 차례로 적층된 광흡수층(2), 전자 이송층(3), 콘택트층(4) 및 전극층(5)을 구비하고 있다. 콘택트층(4) 및 전극층(5)은 메시(mesh; 격자)형으로 패터닝되어 있고, 적어도 상기 메시의 개구 내로서 전자 이송층(3)의 노출 표면 상에는 활성층(6)이 형성되어 있다.

여기서는 콘택트층(4) 및 전극층(5)의 패턴으로서, 격자형의 패턴을 사용한 경우를 예로 설명하지만, 전자 이송층(3)을 거의 균일한 분포로 노출시키는 패턴이라면 여러 가지의 패턴을 적응할 수 있다.

또한, 반도체 기판(1)의 광 입사측의 면상에는 이면 전극(7)이 설치되어 있고, 전극층(5)과 이면 전극(7)의 사이에는 전자가 전극층(5) 방향으로 유도되는 전압이 인가된다. 즉, 전극층(5)의 전위는 이면 전극(7)의 전위보다도 상대적으로 높게 설정된다.

이 전압 인가 시에, 반도체 기판(1)측으로부터 광흡수층(2)내에 적외선이 입사하면, 광흡수층(2)내에서 정공·전자쌍(캐리어)이 발생하여, 확산 및 상기 전압에 기인하는 광흡수층(2)내의 내부 전계에 따라서 전자는 전극층(5) 방향으로, 정공은 이면 전극(7) 방향으로 이동한다. 또, 반도체 기판(1)은 입사광에 대하여 투명한 재료로 이루어진다. 즉, 반도체 기판(1)의 에너지 밴드 갭은 입사광의 파장으로부터 규정되는 에너지 밴드 갭보다도 크고, 따라서, 광흡수층(2)의 에너지 밴드 갭보다도 크다.

광흡수층(2)중의 불순물 농도는 전자 이송층(3)내의 불순물 농도와 동등하거나 혹은 이것보다도 낮게 설정되어 있다.

광흡수층(2)내에서 발생한 전자는 확산 및 내부 전계에 따라서 전자 이송층(3)내로 유입된다. 발생한 전자는 전자 이송층(3)에 의해서 에너지를 획득하여 가속한다. 또한, 전자 이송층(3)의 에너지 밴드 갭은 광흡수층(2)의 에너지 밴드 갭보다도 크다.

반도체 중에 형성되는 전계 강도는 도너 혹은 억셉터 농도에 의존하여, 전자 이송층(3)의 표면측으로부터 심부를 향하여 공핍층이 넓어지기 때문에, 가속을 효율적으로 행하게 하기 위해서는 전자 이송층(3)의 불순물 농도는 광흡수층(2)의 불순물 농도와 동등하거나 혹은 약간 높은 쪽이 바람직하다.

전자 이송층(3)내의 전자는 그 내부 전계에 따라서 활성층(6) 방향, 즉, 반도체 광전 음극(PC)의 표면 방향으로 이동한다.

활성층(6)은 일함수를 저하시키는 재료, 예를 들면, Cs-O 등으로 이루어진다. 반도체 광전 음극의 표면은 도시하지 않는 양극에 대향하고 있기 때문에, 활성층(6)내로 이동한 전자는 상기 광전 음극(PC)과 양극의 사이의 전위차에 유도되어 진공 중에 출사한다. 본 예에서는 Cs와 O에 의한 활성층(6)을 예로 설명하지만, 일함수를 저하시키는 효과가 있다면, 활성층(6)의 재료는 어떠한 것이라도 상관없다. 그러나, 실험에서는 알칼리 금속, 및, 그 산화물 또는 불화물을 사용하는 것이 바람직하다는 것이 판명되어 있다. 또, 활성층(6)이 없는 경우에도 전자는 방출되는 경우가 있다.

상기 반도체 기판(1), 광흡수층(2), 전자 이송층(3), 콘택트층(4)은 화합물 반도체로 이루어지고, 이들의 도전형/재료/불순물 농도의 적합한 범위는 이하의 표와 같다.

[표 1]

반도체기판1 : p형/InP/ 1×10¹⁵㎝^-3이상 1×10¹⁷㎝^-3이하

광흡수층2 : p형/InGaAsP/ 1×10¹⁵㎝^-3이상 1×10¹⁷㎝^-3이하

전자이송층3 : p형/InP/ 1×10¹⁵㎝^-3이상 1×10¹⁷㎝^-3이하

또, InP의 에너지 밴드 갭은 InGaAsP의 에너지 밴드 갭보다도 넓다. 또한, 전극층(5)의 전극 재료는 콘택트층(4)과 오믹(ohmic) 접촉을 하는 것이라면, 어떠한 것이라도 상관없다.

또한, 본 반도체 광전 음극은 이면측으로부터 피검출광을 입사시키는, 소위 투과형 구조를 갖기 때문에, 불순물 흡수에 의한 손실을 억제하기 때문에, 반도체 기판(1)의 불순물 농도는 상술한 바와 같이 설정되어 있다.

전자 이송층(3)과 콘택트층(4)은 pn 접합을 구성하고 있고, 접합 계면으로부터 각 반도체층 내에 공핍층이 넓어지지만, 광흡수층(2) 및 전자 이송층(3)은 바이어스 전압의 인가에 의해 공핍층을 광흡수층(2) 혹은 반도체 기판(1)으로까지 도달시키기 때문에, 이들의 불순물 농도는 1×1O¹⁷cm^-3이하로 설정되어 있다.

한편, 콘택트층(4)은 바이어스 전압의 인가에 의해 공핍층을 광흡수층(2)측에 효율 좋게 연장시키기 위해서, 불순물 농도를 1×10¹⁷cm^-3이상으로 설정한다.

상기 반도체 기판(1), 광흡수층(2), 전자 이송층(3) 및 콘택트층(4)의 두께를, 각각, t1, t2, t3, tc로 하면, 이들의 두께/두께의 적합 범위는 이하와 같다.

[표 2]

t1: 350㎛/200㎛ ~500㎛

t2: 0.1㎛/0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하

t3: 0.5㎛/0.2㎛ ~ 0.8㎛

tc: 0.2㎛/0.1㎛~0.5㎛

여기서, 반도체 기판(1) 및 전자 이송층(3)은 에너지 밴드 갭이 넓고, 입사하는 적외선에 대하여 투명하기 때문에, 광흡수층(2)보다도 외측에 위치하는 이들의 영역에서는 캐리어의 발생이 없다.

본 실시예에 있어서는 상기한 바와 같이, 광흡수층(2)의 두께는 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하로 설정되어 있다. 즉, 광흡수층(2)의 두께를 0.19㎛ 이하로 제한함으로써, 적외선의 시간 분해능을 7.5ps 이하를 달성하고, 0.02㎛ 이상으로 함으로써, 노이즈 레벨 이상의 감도를 갖는 것으로 하였다.

상세하게 설명하면, 광흡수층(2)이 두꺼운 경우에 있어서는 시간 분해능 저하 현상이 생기지만, 광흡수층(2)의 두께를 상기한 바와 같이 제한하면, 적외선 입사에 따라서 두께 방향에 분포하도록 발생한 1개의 전자군에 있어서의 전자 농도가 낮은 부분이 광 에너지 밴드 갭의 전자 이송층(3)에 의해서 대폭 커트되게 되기 때문에, 전자 농도 분포가 겹치는 영역이 감소하여, 전자의 통과에 필요한 주행 시간의 단축에 의해서, 전자의 확산에 의해서 겹치는 영역의 확대도 억제할 수 있고, 또한, 광흡수층(2)내의 전계 강도를 광흡수층의 박화에 의하여 높일 수 있기 때문에, 이들의 상승적 작용에 의해서, 적외선의 시간 분해능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

광흡수층(2)의 두께가 적외선의 파장 정도, 1.3㎛인 경우의 시간 분해능이 40ps인 경우, 이 두께를 0.19㎛로 한 경우에는 시간 분해능은 7.5ps로, 0.02㎛로 한 경우에는 1ps 이하로 할 수 있다. 이 값은 광흡수층(2)의 두께를 2㎛ 정도에 설정한 종래와 비교하여 현저하게 작다. 더욱이, 광흡수층의 두께가 0.02㎛와 같이 대단히 얇은 막 두께라도 적외 감도는 높고, 이 감도는 종래, 이 파장 영역으로 유일 감도를 갖고 있는 Ag-O-Cs 광전 음극과 비교하여, 3자리수 이상 높은 감도를 얻을 수 있다.

다음에, 상기 반도체 광전 음극(PC)의 제조 방법에 관해서 설명한다. 반도체 광전 음극(PC)은 이하의 ① 내지 ⑨의 공정을 차례로 행함으로써 형성된다.

① 반도체 기판(1)을 준비하여, 그 양면을 연마한다. 또, 미리 양면 연마된 반도체 기판(1)을 사용하여도 좋다.

② 광흡수층(2)을 반도체 기판(1)상에 기상 성장시킨다. 반도체 기판(1)이 InP이고, 광흡수층(2)이 InGaAsP인 경우, 광흡수층(2)의 형성법으로서는, 공지의 화학적 기상 성장법이나 분자선 에피텍셜법을 사용할 수 있다.

③ 전자 이송층(3)을 광흡수층(2)상에 에피텍셜 성장시킨다. 광흡수층(2)이InGaAs이고, 전자 이송층(3)이 InP인 경우, 전자 이송층(3)의 형성법으로서는 공지의 화학적 기상 성장법이나 분자선 에피텍셜법을 사용할 수 있다.

④ 콘택트층(4)을 전자 이송층(3)상에 에피텍셜 성장시킨다. 전자 이송층(3)이 InP이고, 콘택트층(4)이 InP인 경우, 콘택트층(4)은 도전형이 다른 것을 제외하고 전자 이송층(3)과 동일 방법을 사용하여 형성한다.

⑤ 전극층(5)을 콘택트층(4)상에 진공 증착법에 의해서 형성한다. 전극층(5)이, 콘택트층(4)과 오믹 접촉하도록 필요에 따라서 열처리가 행해진다.

⑥ 전극층(5)상에 포토레지스트를 도포하고, 광리소그래피 기술을 사용하여, 전극층(5) 및 콘택트층(4)을 패터닝한다. 즉, 메시형의 광학 패턴을 포토레지스트상에 노광하고, 상기 포토레지스트를 에칭에 의해서 패터닝하여, 패터닝된 포토레지스트를 마스크로서 전극층(5) 및 콘택트층(4)을 에칭하여, 전자 이송층(3)의 표면의 각 영역이 면내에서 거의 균일하게 위치하도록 노출시킨다.

⑦ 반도체 기판(1)의 일부에 이면 전극(7)을 형성한다. 이 형성에는 진공 증착법을 사용한다.

⑧ 상술한 공정에서 얻어진 광전 음극 중간체를 진공 중에서 가열하여, 그 표면을 청정화한다.

⑨ 일함수를 저하시키기 위해서, Cs, O를 포함하는 활성층(6)을 상기 메시의 개구내에 형성하여, 도 1에 도시한 반도체 광전 음극(PC)이 완성된다.

(제 2 실시예)

도 2는 제 2 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도이다. 제 2 실시예의 반도체 광전 음극(PC)과 제 1 실시예와의 상이점은 도 1에 도시한 콘택트층 (4)의 형성이 생략되고, 전극층(5)과 전자 이송층(3)이 직접, 쇼트키(Schottky) 접촉하고 있는 점이다. 이 때의 전극 재료는 전자 이송층(3)과 쇼트키 접촉하는 것이면, 어떤 재료라도 상관없지만, 그 후의 에칭 등의 프로세스를 고려하여 선택하면 좋다. 그 밖의 구조는 각 층의 두께 등도 포함시키고, 제 1 실시예의 광전 음극과 동일하다.

또한, 제조 방법에 있어서는 전자 이송층(3)의 형성(공정③)의 후, 콘택트층 (4)의 형성(공정④)을 행하지 않고, 전극 재료를 전자 이송층(3)상에 직접, 진공 증착하여 전극층(5)을 형성하는(공정⑤) 점이 다르고, 따라서, 메시의 형성(공정 ⑥)에 있어서는 전극층(5)만이 에칭되게 되지만, 그 밖의 공정은 제 1 실시예의 것과 동일하다.

(제 3 실시예)

도 3은 제 3 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도이다. 제 3 실시예의 반도체 광전 음극(PC)과 제 2 실시예의 것과의 상이점은 도 2에 도시한 전극층(5)이 전자 이송층(3)의 노출 표면 전체 상에 형성되고, 또한, 전극층(5)의 두께가 얇고, 이 얇은 전극층(5)상에 활성층(6)이 형성되어 있는 점이다. 이 때의 전극 재료는 전자 이송층(3)과 쇼트키 접촉하는 것이면, 어떤 재료라도 상관없다. 그 밖의 구조는 각 층의 두께 등도 포함시키고, 제 2 실시예의 광전 음극과 동일하다.

전극층(5)의 두께는 광전 음극의 광전 변환 양자 효율에 중대한 영향을준다. 즉, 두께가 특정한 막 두께보다도 얇은 경우에는 전극층(5)의 면 저항이 커지고, 특히, 피입사 광 강도가 비교적 높은 경우, 혹은 저온에서 동작시키는 경우에는 광전 변환 양자 효율의 저하를 초래하는 경우가 있다. 또한, 전극층(5)이 지나치게 두꺼운 경우에는 전자가 전극층(5)을 통과할 확률이 저하하기 때문에, 광전 변환 양자 효율의 저하를 초래한다.

따라서, 전극층(5)의 평균적인 두께는 3nm 이상 15nm 이하가 바람직하다. 또, 여기서 평균적인 두께로 표현하고 있는 것은 이 정도의 박막에서는 반드시 평탄한 막이 되지 않는 경우가 있기 때문이다. 이 때의 전극 재료는 전자 이송층(3)과 쇼트키 접촉하는 것이면, 어떠한 재료라도 상관없다.

또한, 제조 방법에 있어서는 전자 이송층(3)의 형성(공정③)의 후, 전극 재료를 전자 이송층(3)상에 직접, 진공 증착하여 얇은 전극층(5)을 형성하지만(공정⑤), 패터닝(공정⑥)을 하지 않는 점이 제 2 실시예와 다르고, 따라서, 전극층(5)상에 활성층이 형성되지만(공정⑨), 그 밖의 공정은 제 1 실시예의 것과 동일하다.

(제 4 실시예)

도 4는 제 4 실시예에 따른 반도체 광전 음극(PC)의 종단면도이다. 제 4 실시예의 반도체 광전 음극(PC)과 제 1 실시예와의 상이점은 광흡수층(2)과 전자 이송층(3)의 사이에, 조성이 서서히 변화하는 그레이디드층(2g)이 개재되어 있는 점이다.

이 그레이디드층(2g)은 그 두께(tg)의 50%의 부분을 광흡수층(2)으로서 취급하는 것으로 한다. 즉, 이 타입의 반도체 광전 음극(PC)에서는 광흡수층(2)의 두께는 (t2+tg/2)으로 하고, 이 두께를 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하로 설정한다. 그 밖의 구조는 각 층의 두께 등도 포함시키고, 제 1 실시예의 광전 음극과 동일하다.

또한, 제조 방법에 있어서는 광흡수층(2)의 형성(공정②)의 후로서, 전자 이송층(3)의 형성(공정③)의 앞에, 광흡수층(2)상에 그레이디드층(2g)을 형성하는 점이 제 1 실시예와 다르고, 따라서, 전자 이송층(3)의 형성(공정③)에 있어서는 전자 이송층(3)은 그레이디드층(2g)상에 형성되게 되지만, 그 밖의 공정은 제 1 실시예와 동일하다. 그레이디드층(2g)의 형성은 조성이 서서히 변화하도록 원료 공급량을 조정하지만, 광흡수층(2)이 InGaAsP로서, 전자 이송층(3)이 InP인 경우에는 격자 정합을 취하면서 Ga 및 As의 공급량을 서서히 감소시키면 된다.

(광전자 증배관)

다음에, 상술한 실시예에 기재된 반도체 광전 음극(PC)의 어느 하나가 적용되는 전자 증배관에 관해서 설명한다.

도 5는 상기 반도체 광전 음극(PC)의 어느 하나를 구비한 광전자 증배관 (PMT)의 단면 모식도이다. 광전자 증배관(PMT)은 광전 음극(PC), 수속 전극(집속 전극; 12), 2차 전자 증배부로서 동작하는 제 1 단 다이노드(13₁), 제 2 단 다이노드(13₂), ···제 n 단 다이노드(13_n), 2차 전자 증배된 전자를 수집하는 양극(14) , 및, 이들을 수용하기 위한 진공 용기(15)를 구비하고 있다.

진공 용기(15)는 진공 용기(15)의 일부를 구성하는 광 입사창(15₁) 및 용기 본체(15₂)를 구비하고 있고, 용기 본체(15₂)의 하부에는 복수의 스템핀(16)이 설치되어 있다. 복수의 스템핀(16)은 광전 음극(PC), 수속 전극(12), 각 다이오드(13_n)에 바이어스 전압을 주거나 양극(14)으로 수집된 전자를 추출하기도 하기 위해서 사용된다.

다음에, 도 5를 사용하여 상기 광전자 증배관(PMT)의 동작에 관해서 설명한다. 또, 이하의 설명에 대하여 1자리수대의 부호가 나타내는 요소에 관해서는 도 1 내지 도 4를 적절하게 참조한다. 광 입사창(15₁)을 투과한 피검출광인 적외선은 광전 음극(PC)에서의 광흡수층(2)에서 대부분이 흡수되고, 여기서 여기된 광전자 (e)는 활성층(6)의 노출 표면으로부터 진공 용기(15)의 내부 방향으로 방출된다.

광전 음극(PC)의 광흡수층(2)의 두께는 상술한 바와 같이 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하로 설정되어 있기 때문에, 광전 음극(PC)내에서의 광전자의 시간적인 확장은 대단히 작다. 진공 용기(15)중으로 방출된 광전자(e)는 수속 전극(12)에 의해 광전자의 궤도가 수정되고, 효율 좋게 제 1 단 다이노드(13₁)에 입사한다. 광전자 (e)가 가속되어 제 1 단 다이노드(13₁)로 입사하면, 이 입사에 따라서 제 1 단 다이노드(13₁)는 2차 전자를 다음단의 다이노드(13₂)를 향하여 방출한다.

제 1 단 다이노드(13₁)에 입사한 일차 전자의 수보다도 방출되는 2차 전자의 수쪽은 많고, 이 증배된 2차 전자가 진공 용기(15)중으로 방출되어, 제 2 단 다이노드(13₂)에 입사한다. 제 2 단 다이노드(13₂)는 제 1 단 다이노드(13₁)일 때와 같이 2차 전자를 진공 중에 방출한다. 이 증배 동작을 반복함으로써, 최종단 다이노드의근방에 위치하는 양극(14)에서는 광전 음극(PC)에서 방출된 광전자의 100만배의 전자가 수집되어, 이 전자는 신호 전류(음)로서 스템핀(16)으로부터 용기 외부로 추출된다.

본 예에 있어서의 광전자 증배관(PMT)은 광전 음극(PC)내에서의 광전자의 시간적인 확장이 대단히 작고, 응답성과 감도가 뛰어나다.

또, 상기에서는 다단의 다이노드를 갖는 광전자 증배관(PMT)을 예시하였지만 , 상기 광전 음극(PC)이 적용 가능한 광전자 증배관의 구조는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 광전 음극(PC)은 2차 전자 증배부에 마이크로 채널 플레이트(MCP)를 사용한 소위 MCP-PMT에도 적용할 수 있다. 이 경우의 구조는 형광체 이외의 부분이 후술하는 화상 증강관과 거의 동일하므로 설명을 생략한다.

(화상 증강관)

다음에, 상술한 실시예에 기재된 반도체 광전이 적용되는 광화상 증강관에 관해서 설명한다.

도 6은 상기 반도체 광전 음극(PC)의 어느 하나를 구비한 화상 증강관(II)의 단면 모식도이다. 이 화상 증강관(II)은 광전 음극(PC), 2차 전자 증배부로서 기능하는 MCP(23), MCP(23)로부터 방출된 2차 전자를 광으로 변환하기 위한 형광체 (24), 이들의 부품을 수용하기 위한 진공 용기(25)를 구비하고 있다.

진공 용기(25)는 그 일부를 형성하는 광 입사창(25₁), 측관부(25₂), 형광체 (24)로부터의 발광을 화상 증강관(II)의 외부로 추출하기 위한 출력창(25₃)을 구비하고 있다. 그 외, 화상 증강관은 광전 음극(PC), MCP(23), 형광체(24)에 적당한 바이어스 전위를 주기 위한 전극(26)을 구비하고 있다.

다음에, 화상 증강관의 동작에 대하여 설명한다. 광 입사창(25₁)을 투과한 피검출광으로서의 적외선은 광전 음극(PC)에서의 광흡수층(2)에서 대부분이 흡수되고, 이 흡수에 따라서 광전 음극(PC)내에서는 광전자가 여기되고, 이 광전자는 활성층(6)의 노출 표면으로부터 진공 중으로 방출된다.

광전 음극(PC)의 광흡수층(2)의 두께는 상술한 바와 같이 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하로 설정되어 있기 때문에, 광전 음극(PC) 내에서의 광전자의 시간적인 확장은 대단히 작다. 진공 중으로 방출된 광전자는 가속되어 MCP(23)에 입사하고, MCP(23)에 있어서 2차 전자가 발생한다. MCP(23)의 입력측 전극(23₁)과 출력측 전극(23₂)의 사이에는 1kV 정도의 전압이 인가되어 있고, MCP(23)로 입사한 광전자는 약 1×10⁵배 정도로 증배되어, 2차 전자로서 MCP(23)로부터 재차 진공 중으로 방출된다.

형광체(24)에 설치된 전극(26)에는 수 kV의 전압이 인가되어 있고, MCP(23)로부터 방출된 2차 전자는 가속된 상태에서, 형광체(24)에 입사하여, 이 입사에 따라서 형광체(24)는 발광한다. 형광체(24)의 발광은 출력창(25₃)을 통해서 화상 증강관(II)의 외부로 추출된다.

본 예에서는 광전 음극(PC)내에서의 광전자의 시간적인 확장이 대단히 작고,응답성 및 감도가 뛰어난 화상 증강관을 실현할 수 있다.

또, 본 예에서는 형광체(24)를 사용한 화상 증강관(II)에 관해서 설명하였다 . 형광체(24)를 양극으로 교체하면, 화상 증강관(II)은 MCP-PMT이 된다.

또한, 본 예에서는 MCP(23)를 1장만 사용한 경우에 대하여 설명하였지만, 복수의 MCP를 캐스케이드(cascade)에 조합하여 증배율을 증가시킬 수도 있다.

(스트리크 카메라 장치)

다음에, 상술한 광전 음극(PC)을 구비한 스트리크관(54)을 사용한 스트리크 카메라 장치에 관해서 설명한다.

도 7은 이 스트리크 카메라 장치의 블록도이다. 이 스트리크 카메라 장치는 펄스광 관측을 행한다.

스트리크관(54)은 전면(前面)에 상술한 실시예에 따른 광전 음극(PC)의 어느 하나를 구비하고 있고, 광전 음극(PC)은 입사한 광을 광전 변환한다. 스트리크관 (54)의 기밀용기(72)의 입사면에는 상술한 광전 음극(PC)이 설치되어 있고, 다른쪽의 면에는 형광면(73)이 형성되어 있다. 광전 음극(PC)상에는 메시 전극(68)이 스위프(sweep) 방향에 대하여 수직인 방향으로 길게 형성되어 있고, 수속 전극(74), 개구 전극(75), 편향 전극(71) 및 MCP(69)가 도시하는 바와 같이 차례로 배열되어 있다.

색소 레이저(발진기; 51)는 반복 주파수 80 내지 200 MHz에서 레이저 펄스를 출사한다. 이 레이저 펄스의 파장은 적외 영역이고, 펄스 폭은 5ps이다. 색소 레이저(51)의 출력광은 반투명경(빔스플리터; 52)에 의해서 2계통으로 분기된다.

반투명경(52)에 의해서 분기된 펄스 레이저광의 한쪽은 광로길이 가변 장치 (53a), 반사경(53b), 슬릿 렌즈(53c), 슬릿(53d), 콘덴서 렌즈(53e)로 이루어지는 광학계를 지나서 스트리크관(54)의 광전 음극(PC)에 입사한다.

반투명경(52)에 의해서 분기된 펄스 레이저광의 다른쪽은 반사경(55a, 55b)에 의해서 반사되고, 광전 변환 소자(PIN 포토다이오드; 56)에 입사한다. 광전 변환 소자(56)는 애벌란시 포토 다이오드로 하여도 좋다. PIN 포토다이오드(56)는, 응답 속도가 빠르기 때문에, 펄스 레이저광의 입사에 응답하여 펄스 전류를 출력한다. PIN 포토다이오드(56)의 출력은 동조 증폭기(57)에 주어지고, 동조 증폭기 (57)는 80 내지 200 MHz의 범위의 반복 주파수를 중심 주파수로서 동작한다.

이 중심 주파수는 색소 레이저(51)의 발진 주파수와 동일하게 설정되어 있고, 동조 증폭기(57)는 PIN 포토다이오드(56)의 출력 펄스의 반복 주파수에 동기한 제 1 정현파를 송출한다. 반투명경(52), 반사경(55a, 55b), 광전 변환 소자 (56) 및 동조 증폭기(57)는 제 1 정현파 발진기를 구성하고 있다. 이 제 1 정현파 발진기는 스트리크 관(54)의 광전 음극(PC)에 입력되는 고속 반복하여 펄스광과 동기하는 제 1 정현파를 발생한다.

주파수 카운터(58)는 동조 증폭기(57)가 송출하는 제 1 정현파의 주파수를 계측하고, 표시한다.

또한, 정현파 발진기(59)는 제 1 정현파와 약간 주파수가 다른 제 2 정현파를 발생하는 제 2 정현파 발진기를 형성하고 있다. 이 정현파 발진기(59)는 80 내지 200 MHz의 주파수의 범위 내에서 임의의 주파수의 정현파를 송출할 수 있다.믹서 회로(60)는 제 1 정현파 발진기의 출력(f1)과 제 2 정현파 발진기의 출력(f2)을 혼합한다. 저역 여파기(LPF; 61)는 믹서 회로(60)의 출력으로부터, 그 저주파수 성분을 추출하고, LPF(61) 및 레벨 검출기(62)는 위상 검출기를 구성하고 있다.

이 위상 검출기는 제 1 정현파 발진기의 출력과의 사이에 일정한 위상 관계가 생긴 시점을 검출하여 검출 출력을 발생한다.

색소 레이저(51)가 100 MHz의 반복 주파수로 적외 펄스광을 송출하고 있는 경우, 동조 증폭기(57)로부터 주파수 100MHz의 제 1 정현파가 송출된다. 주파수 카운터(58)에는 「100 MHz」가 표시된다. 오퍼레이터는 주파수 카운터(58)의 표시를 읽고, 정현파 발진기(59)가 100+Δf(MHz)의 제 2 정현파를 송출하도록, 이 정현파 발진기(59)를 조정한다. 단, Δf<<100이다.

믹서 회로(60)는 제 1 정현파 발진기의 출력, 즉 동조 증폭기(57)가 송출하는 제 1 정현파{f1(100 MHz)}와 제 2 정현파 발진기(59)가 송출하는 제 2 정현파{f 2(100+ΔfMHz)}를 혼합하여, f=f1×f2가 되는 합성파를 송출한다.

여기서, 합성파의 주파수 f는 다음식으로 나타난다.

LPF(61)는 주파수( Δf)보다도, 약간 높은 주파수보다 낮은 주파수 영역의 성분을 통과시킨다. 따라서, LPF(61)는 믹서 회로(60)의 출력파로부터 f′=(A×B/2) cos2πΔft만을 통과시킨다. LPF(61)의 출력단은 레벨 검출기(62)를 구성하는 비교기(63)의 한쪽의 입력 단자(63a)에 접속되어 있고, 정현파( f′)는 비교기(63)의 입력 단자(63a)에 입력된다.

비교기(63)의 다른쪽의 입력 단자(63b)에는 전위차계(potentiometer; 64)의 접동(슬라이딩)축이 접속되어 있다. 비교기(63)는 한쪽의 입력 단자(63a)에 입력되는 전압이, 다른쪽의 입력 단자(63b)에 입력되어 있는 전압보다도 커졌을 때에, 펄스를 송출한다. 비교기(63)의 출력 단자(63c)는 단안정 멀티바이브레이터(65)의 입력 단자에 접속되어 있다. 이 단안정 멀티바이브레이터(65)는 비교기(63)의 출력 펄스의 상승단에서 기동되고, 일정 시간 경과 후에 하강된다.

게이트 펄스 발생기(66)는 단안정 멀티바이브레이터(65)의 출력 단자에 접속되어 있다. 게이트 펄스 발생기(66)는 단안정 멀티바이브레이터(65)의 출력이 온 상태에 있을 때, 게이트 전압을 송출한다. 이 게이트 펄스 발생기(66)의 출력 전위는 콘덴서(67)를 통해 광전 음극(PC)에 전기적으로 접속된 오믹 전극(OE) 및 MCP(69)의 출력 전극(69b)에 주어진다.

본 예에서는 오믹 전극(OE)에는 -800V, 출력 전극(69b)에는 +900V의 전위가 주어진다. 또, MCP(69)의 입력 전극(69a) 및 개구(apeture) 전극(75)의 전위는 0V(접지)이다.

한편, 정현파 발진기(59)의 출력인 제 2 정현파는 구동 증폭기(70)에서 증폭되고, 스트리크관(54)의 편향 전극(71)에 인가된다. 이 편향 전극(71)에 인가되는 정현파의 진폭은 575V이고 진폭 중심은 0V 이다. 바꾸어 말하면, 편향 전극(71)의 한쪽에 인가되는 전위의 최대치/최소치간의 전위차는 1150V 이다.

여기서, 편향 전극(71)과 MCP(69)의 사이의 거리나 이들의 치수는 +100V에서 -100V까지의 전압 인가에 대응하여 편향 전극(71)에서 행해지는 스위프에 의해서 편향된 광전자만이 MCP(69)에 입사하도록 설정된다.

또한, 전원(76)의 양단은 대단히 큰 저항치의 저항(77, 78, 79)을 통해 단락되어 있고, 각 저항간의 전위를 추출함으로써, 광전 음극(PC)의 오믹 전극(OE)에 4000V가, 수속 전극(74)에 -4500V의 전위가 주어진다.

또, 전원(80)은 형광면(73)에 MCP(69)의 출력 전극(69b)보다도 300V 높은 전위를 주고 있다.

게이트 펄스 발생기(66)로부터 게이트 전압이 인가되어 있을 때, 광전자는 광전 음극(PC)으로부터 방출되지 않기 때문에, MCP(69)로부터도 증배 전자가 방출되지 않고, 형광면(73)은 암(暗) 상태로 유지된다.

게이트 펄스 발생기(66)로부터 게이트 전압이 인가되어 있을 때에는 광전 음극(PC)내의 광전자는 메시 전극(68)의 전위에 의해서 가속되고, 기밀 용기(72)내의 진공 중으로 방출된다.

방출된 광전자는 수속 전극(74)이 형성하는 전자렌즈에 의해서, 개구 전극(75)의 개구 내에 수렴되어, 편향 전극(71)의 2장의 전극판 사이의 영역에 들어 간다. 여기서, 편향 전극(71)에 전압이 가해지면, 광전자는 편향된다.

본 예에서는 편향 전압이 +100V에서 -100V로 변화할 때, 광전자의 MCP(69)에의 입사 위치는 도면 상의 상단에서 하단으로 이동하도록 설계되어 있다. MCP(69)에 입사한 광전자는 증배되어 형광면(73)에 입사되고, 스트리크상을 형성한다.

다음에, 제 1 실시예에 기재된 반도체 광전 음극(PC)을 제작하여, 이것을 도 7에 도시한 스트리크 카메라 장치에 장착한 경우에 얻어지는 광전 음극의 시간 분해능에 관해서 설명한다. 여기서는, 스트리크관 자체가 갖는 시간 분해능이나, 입사 펄스광의 시간폭은 미리 판명되어 있기 때문에, 광전 음극의 시간 분해능의 데이터를 보정하였다.

입사광은 적외선으로 하고, 광흡수층(2)의 두께가 적외선의 파장 정도, 1.3㎛인 경우의 시간 분해능은 40ps 이었다. 광흡수층(2)의 두께를 0.19㎛로 한 경우에는, 시간 분해능은 7.5ps, 0.02㎛로 한 경우에는 1ps 이하가 되었다.

도 8은 광전 음극(PC)의 광흡수층(2)의 두께(t2)가 0.02㎛인 경우의 광전 음극(PC)의 분광 감도 특성을 도시하는 그래프이다. 광흡수층(2)의 두께(t2)가 0.02㎛라는 대단히 얇은 막 두께에서도 파장 950nm 내지 1050nm의 범위의 적외 감도는 0.1mA/W 이상을 갖고 있다. 더구나, 이 감도는 종래, 이 파장 영역에서 유일 감도를 갖고 있는 Ag-O-Cs 광전 음극과 비교하여, 3자리수 이상 높은 감도이다. 또, 광흡수층(2)의 두께(t2)가 0.02㎛보다 얇은 것에서는 광전 감도는 노이즈 레벨 이하로 저하하기 때문에, 이것을 측정하는 것은 곤란하다.

이상, 설명한 바와 같이, 광흡수층(2)의 두께(t2)를 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하의 범위에 설정함으로써, 종래에는 예상할 수 없는 정도의 응답의 고속화와 감도의 향상을 달성할 수 있었다.

또, 도 4에 도시한 그레이디드층(2g)을 사용한 경우에 있어서도, 광흡수층(2)과 전자 이송층(3)의 사이의 헤테로 계면을 광전자가 가로지를 확률이증가할 뿐이기 때문에, 동일한 효과를 달성할 수 있고, 피코초 오더의 시간 분해 측정을 할 수 있는 것으로 생각된다.

더욱이, 도 2 및 도 3에 도시한 구조의 경우에 있어서도, 상술한 원리에 비추어 보면, 응답의 고속화와 감도의 향상을 달성할 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 적외선에 기초 흡수단을 갖는 재료라면, 광흡수층(2)의 재료는 InGaAsP 이외의 재료를 사용할 수도 있다.

본 발명은 반도체 광전 음극에 이용할 수 있다.

Claims

적외선을 흡수하는 화합물 반도체로 이루어지는 광흡수층을 구비하고, 적외선 입사에 따라서 전자를 방출하는 반도체 광전 음극에 있어서, 상기 광흡수층은 이 광흡수층의 에너지 밴드 갭보다도 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 전자 이송층과 반도체 기판의 사이에 형성되어 있고, 상기 광흡수층의 두께는 0.02㎛ 이상 0.19㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 광전 음극.
제 1 항에 있어서, 상기 광흡수층은 상기 전자 이송층보다도 얇은 것을 특징으로 하는 광전 음극.
제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 InP이고, 상기 광흡수층은 InGaAsP이고, 상기 전자 이송층은 InP인 것을 특징으로 하는 반도체 광전 음극.