JP2000021295A - Semiconductor photo-electric cathode - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、入射した光を電子
に変換して出力する半導体光電陰極に関する。The present invention relates to a semiconductor photocathode which converts incident light into electrons and outputs the electrons.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の半導体光電陰極は、例えば、特開
昭６２−１３３６３３号公報に記載されている。この半
導体光電陰極は化合物半導体からなり、入射した光を電
子に変換して出力する。2. Description of the Related Art A conventional semiconductor photocathode is described, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-133633. The semiconductor photocathode is made of a compound semiconductor, converts incident light into electrons, and outputs the electrons.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、その量
子効率は未だ十分ではなく、更なる改善が求められてい
る。量子効率は、光の入射に応答して半導体光吸収層内
で発生した電子が真空中に放出される度合に比例する。
光吸収層内に欠陥等の電子捕獲或いは再結合要因が存在
すると、光吸収層内で発生した電子の寿命は低下し、そ
の拡散長は短くなる。したがって、光吸収層から光電陰
極の表面に到達可能な電子の割合が低下し、量子効率が
低下する。本発明は、このような課題に鑑みてなされた
ものであり、より結晶性の高い光吸収層を提供し、量子
効率を増加可能な半導体光電陰極を提供することを目的
とする。However, the quantum efficiency is not yet sufficient, and further improvement is required. The quantum efficiency is proportional to the degree to which electrons generated in the semiconductor light absorbing layer in response to the incidence of light are released into vacuum.
If a factor such as a defect such as an electron capture or recombination exists in the light absorbing layer, the lifetime of the electrons generated in the light absorbing layer is shortened, and the diffusion length is shortened. Therefore, the ratio of electrons that can reach the surface of the photocathode from the light absorbing layer decreases, and the quantum efficiency decreases. The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a light absorbing layer having higher crystallinity and a semiconductor photocathode capable of increasing quantum efficiency.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る半導体光電陰極は、複数の開口を有し
第１半導体層上に設けられた第１絶縁体層と、第１絶縁
体層の非開口部領域上、及び第１絶縁体層の開口部領域
内の第１半導体層上に設けられた第２半導体層と、第２
半導体層上に設けられ入射した光を電子に変換する半導
体光吸収層と、半導体光吸収層上に設けられ電子を真空
中に放出させるためのアルカリ金属含有層とを備えるこ
とを特徴とする。In order to solve the above problems, a semiconductor photocathode according to the present invention comprises a first insulator layer provided on a first semiconductor layer having a plurality of openings, and a first insulator layer. A second semiconductor layer provided on the non-opening region of the body layer and on the first semiconductor layer in the opening region of the first insulator layer;
The semiconductor light-absorbing layer is provided on the semiconductor layer and converts incident light into electrons, and the alkali metal-containing layer is provided on the semiconductor light-absorbing layer and emits electrons into a vacuum.
【０００５】本発明に係る半導体光電陰極によれば、第
１絶縁体層非開口部領域（Ａ）上の第２半導体層の領域
は、第１絶縁体層開口部領域（Ｂ）内の第１半導体層か
ら成長した第２半導体層の領域から横方向に沿って成長
させることが可能である。このように、横方向に沿って
成長する結晶は下地である第１半導体層の欠陥等の影響
を受けにくいため、その結晶性を改善することが可能で
ある。半導体光吸収層は、第２半導体層上に設けられる
ので、より結晶性が改善されることとなる。アルカリ金
属含有層は、半導体光吸収層上に設けられ電子を真空中
に放出させるためのものであり、好ましくはアルカリ金
属であるＫ、Ｒｂ及びＣｓの少なくともいずれか１種を
含む。[0005] According to the semiconductor photocathode according to the present invention, the region of the second semiconductor layer on the first insulator layer non-opening region (A) is the second semiconductor layer in the first insulator layer opening region (B). It is possible to grow along the lateral direction from the region of the second semiconductor layer grown from one semiconductor layer. As described above, the crystal grown in the lateral direction is less likely to be affected by a defect or the like of the first semiconductor layer serving as the base, so that the crystallinity can be improved. Since the semiconductor light absorption layer is provided on the second semiconductor layer, the crystallinity is further improved. The alkali metal-containing layer is provided on the semiconductor light absorption layer and emits electrons into a vacuum, and preferably contains at least one of K, Rb, and Cs, which are alkali metals.
【０００６】しかしながら、第２半導体層の領域（Ｂ）
は、依然として下地の結晶状態を継承するため、領域
（Ａ）と比較して結晶性が劣ることとなり、したがっ
て、この上に形成される半導体光吸収層の結晶性が領域
（Ａ）と比較して劣ることとなる。However, the region (B) of the second semiconductor layer
Is still inferior in crystallinity to the region (A) because it inherits the crystal state of the base, and therefore, the crystallinity of the semiconductor light absorbing layer formed thereon is lower than that of the region (A). Would be inferior.
【０００７】そこで、本発明に係る半導体光電陰極は、
複数の開口を有し少なくとも１つの前記開口部領域直上
の第２半導体層上に非開口部が位置するように設けられ
た第２絶縁体層と、第２絶縁体層の非開口部領域上、及
び第２絶縁体層の開口部領域内の第２半導体層上に設け
られ、半導体光吸収層がその上に形成される第３半導体
層とを備えることとした。Therefore, a semiconductor photocathode according to the present invention comprises:
A second insulator layer provided with a plurality of openings on the second semiconductor layer immediately above the at least one opening region such that the non-opening portion is located on the second semiconductor layer, and on the non-opening region of the second insulator layer And a third semiconductor layer provided on the second semiconductor layer in the opening region of the second insulator layer, and having the semiconductor light absorbing layer formed thereon.
【０００８】第２絶縁体層は、この領域（Ｂ）、すなわ
ち、第１絶縁体層の開口部領域（Ｂ）直上の第２半導体
層上に非開口部が位置するように設けられている。した
がって、第２絶縁体層非開口部領域（Ｂ）上に設けられ
た第３半導体層の領域は、第２絶縁体層開口部領域
（Ａ）内の第２半導体層から成長した第３半導体層の領
域から横方向に沿って成長させることが可能である。上
記のように、横方向に沿って成長する結晶は下地である
第１半導体層（第２半導体層の領域（Ｂ））の欠陥等の
影響を受けにくいため、その結晶性を改善することが可
能である。このように形成された第３半導体層は、面内
において一様に結晶性が改善されているので、これを下
地として形成される半導体光吸収層は、その結晶性を更
に改善することができる。The second insulator layer is provided such that a non-opening is located on this region (B), that is, on the second semiconductor layer immediately above the opening region (B) of the first insulator layer. . Therefore, the region of the third semiconductor layer provided on the second insulator layer non-opening region (B) is the third semiconductor layer grown from the second semiconductor layer in the second insulator layer opening region (A). It is possible to grow laterally from the area of the layer. As described above, the crystal grown in the lateral direction is less susceptible to defects or the like in the first semiconductor layer (region (B) of the second semiconductor layer) serving as the base, so that its crystallinity can be improved. It is possible. Since the crystallinity of the third semiconductor layer thus formed is uniformly improved in the plane, the crystallinity of the semiconductor light absorbing layer formed using the third semiconductor layer as a base can be further improved. .
【０００９】また、第１乃至第３半導体層はＧａＮ系又
はＡｌＮ系化合物半導体層であり、第１及び第２絶縁体
層はＳｉＯ2又はＳｉＮである場合には、このような現
象を実際に確認することができる。このような場合にお
いては、半導体吸収層は、これらと格子定数の等しい又
は近接したＧａＮであることが望ましい。更に、第３半
導体層と半導体光吸収層との間にＧａＡｌＮ層を更に備
えることとしてもよい。Further, when the first to third semiconductor layers are GaN-based or AlN-based compound semiconductor layers and the first and second insulator layers are SiO 2 or SiN, such a phenomenon is actually caused. You can check. In such a case, the semiconductor absorption layer is preferably made of GaN having the same or close lattice constant as these. Further, a GaAlN layer may be further provided between the third semiconductor layer and the semiconductor light absorption layer.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る半導体光
電陰極について説明する。同一要素又は同一機能を有す
る要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は
省略する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a semiconductor photocathode according to an embodiment will be described. The same reference numerals are used for the same elements or elements having the same functions, and overlapping descriptions are omitted.
【００１１】図１は実施の形態に係る半導体光電陰極の
断面図である。本半導体光電陰極は、基板１、基板１上
のバッファ層２（２ａ〜２ｆ）、バッファ層２上の半導
体光吸収層３、半導体光吸収層３上に形成されたアルカ
リ金属含有層５を備えている。なお、半導体光吸収層３
とアルカリ金属含有層５との間に従来から知られる高濃
度或はこれとヘテロ接合を成す電子移送層等を設けても
よい。以下では、本光電陰極は、光がその表面側から入
射するタイプ、すなわち、反射型半導体光電陰極である
こととして説明する。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor photocathode according to an embodiment. The present semiconductor photocathode includes a substrate 1, a buffer layer 2 (2a to 2f) on the substrate 1, a semiconductor light absorbing layer 3 on the buffer layer 2, and an alkali metal-containing layer 5 formed on the semiconductor light absorbing layer 3. ing. The semiconductor light absorbing layer 3
A conventionally known high-concentration electron transport layer or the like which forms a heterojunction with the high-concentration layer or the alkali metal-containing layer 5 may be provided. Hereinafter, the present photocathode will be described as a type in which light is incident from the surface side, that is, a reflective semiconductor photocathode.
【００１２】光吸収層３内に光が入射すると、光の入射
に応答して層３内で正孔／電子対が発生する。電子は層
３内を拡散しアルカリ金属含有層５方向に向かう。アル
カリ金属含有層５は光吸収層３の表面仕事関数を低下さ
せ、発生した電子を容易に真空中へ放出させる。放出さ
れた電子は光電陰極外部に設けられた陽極１０１（図１
１参照）で収集される。When light is incident on the light absorbing layer 3, a hole / electron pair is generated in the layer 3 in response to the incident light. The electrons diffuse in the layer 3 and travel toward the alkali metal-containing layer 5. The alkali metal-containing layer 5 lowers the surface work function of the light absorbing layer 3 and easily emits generated electrons into vacuum. The emitted electrons are applied to an anode 101 (FIG. 1) provided outside the photocathode.
1).
【００１３】光吸収層３の結晶性は下地であるバッファ
層２の結晶性に依存するため、この結晶性２を改善する
ことにより、量子効率を増加させることができる。Since the crystallinity of the light absorbing layer 3 depends on the crystallinity of the buffer layer 2 serving as an underlayer, the quantum efficiency can be increased by improving the crystallinity 2.
【００１４】バッファ層２は、基板１上のアモルファス
半導体層２ａ、アモルファス半導体層２ａ上の第１半導
体層２ｂ、第１半導体層２ｂ上のストライプ状第１絶縁
体層２ｃ（ストライプのピッチ１０μｍ）、ストライプ
状第１絶縁体層２ｃ及び第１半導体層２ｂの露出領域上
を覆うように形成された第２半導体層２ｄ、第２半導体
層２ｄ上のストライプ状第２絶縁体層２ｅ（ストライプ
のピッチ１０μｍ）、ストライプ状第２絶縁体層２ｅ及
び第２半導体層２ｄの露出領域上を覆うように形成され
た第３半導体層２ｆを備えている。The buffer layer 2 is composed of an amorphous semiconductor layer 2a on the substrate 1, a first semiconductor layer 2b on the amorphous semiconductor layer 2a, and a striped first insulator layer 2c on the first semiconductor layer 2b (strip pitch 10 μm). A second semiconductor layer 2d formed so as to cover an exposed region of the stripe-shaped first insulator layer 2c and the first semiconductor layer 2b, and a stripe-shaped second insulator layer 2e on the second semiconductor layer 2d. (A pitch of 10 μm) and a third semiconductor layer 2f formed so as to cover the stripe-shaped second insulator layer 2e and the exposed region of the second semiconductor layer 2d.
【００１５】次に、これらの材料について説明する。第
１の形態では、基板１としてサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、
半導体光吸収層３としてｐ型ＧａＮ（電子拡散長以上で
あって厚さ１００ｎｍ〜数μｍ、不純物濃度は深さ方向
に一様であって、１×１０16〜１０19／ｃｍ2）、第３
半導体層２ｆの全て又は上層の一部を兼ねて使用しても
よい。アルカリ金属含有層５としてＣｓ−Ｏを用いる。
アルカリ金属含有層５は、アルカリ金属であるＫ、Ｒｂ
及びＣｓの少なくともいずれか１種を含むものであっ
て、アルカリ金属含有層５としてＣｓ−Ｏの代わりにＣ
ｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｃｓ−Ｓｂ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ又
はＳｂ−Ｋ−Ｃｓ等を用いることもできる。なお、ｐ型
のドーパントとしてはＭｇやＺｎを用いることができ
る。Next, these materials will be described. In the first embodiment, sapphire (Al 2 O 3 )
As the semiconductor light absorbing layer 3, p-type GaN (having an electron diffusion length or more and a thickness of 100 nm to several μm, an impurity concentration being uniform in the depth direction and 1 × 10 16 to 10 19 / cm 2 ), 3
The entire semiconductor layer 2f or a part of the upper layer may also be used. Cs—O is used as the alkali metal-containing layer 5.
The alkali metal-containing layer 5 is made of an alkali metal such as K or Rb.
And at least one of Cs and Cs instead of Cs-O as the alkali metal-containing layer 5.
sI, Cs-Te, Cs-Sb, Sb-Rb-Cs or Sb-K-Cs can also be used. Note that Mg or Zn can be used as the p-type dopant.
【００１６】また、第１の形態では、アモルファス半導
体層２ａとしてＧａＮ（厚さ１０〜５０ｎｍ）、第１半
導体層２ｂとしてＧａＮ、第１絶縁体層２ｃとしてＳｉ
Ｏ2又はＳｉＮ、第２半導体層２ｄとしてＧａＮ単結晶
（厚さ数μｍ〜数十μｍ）、第２絶縁体層２ｅとしてＳ
ｉＯ2又はＳｉＮ、第３半導体層２ｆとしてＧａＮ単結
晶（厚さ数μｍ〜数十μｍ）を用いる。In the first embodiment, GaN (10 to 50 nm in thickness) is used as the amorphous semiconductor layer 2a, GaN is used as the first semiconductor layer 2b, and Si is used as the first insulator layer 2c.
O 2 or SiN, GaN single crystal (thickness of several μm to several tens μm) as the second semiconductor layer 2d, and S as the second insulator layer 2e
iO 2 or SiN, and a GaN single crystal (thickness of several μm to several tens μm) are used as the third semiconductor layer 2f.
【００１７】第２の形態は、第１の形態において、ｐ型
ＧａＮ半導体光吸収層３の不純物濃度が、表面側から深
さ方向に増加して傾斜分布したものであり、その深さは
表面から数１０〜１００ｎｍである。The second mode is the same as the first mode, except that the impurity concentration of the p-type GaN semiconductor light-absorbing layer 3 increases in the depth direction from the surface side and is inclined and distributed. From several tens to 100 nm.
【００１８】第３の形態は、第１又は第２の形態におい
て、第３半導体層２ｆと光吸収層３との間に、組成が厚
み方向に一定のｐ型ＧａＡｌＮ層又は組成が厚み方向に
徐々に変化したｐ型ＧａＡｌＮグレーデッド層２ｇ（厚
さ１０ｎｍ以上、ｐ型不純物が表面から１０ｎｍを超え
る領域に分布する）を有するものである。なお、この構
造を図１０に示す。In a third mode, the p-type GaAlN layer whose composition is constant in the thickness direction or the p-type GaAlN layer whose composition is constant in the thickness direction is provided between the third semiconductor layer 2f and the light absorbing layer 3 in the first or second mode. It has a gradually changed p-type GaAlN graded layer 2g (having a thickness of 10 nm or more and p-type impurities being distributed in a region exceeding 10 nm from the surface). This structure is shown in FIG.
【００１９】第４の形態は、第１乃至第３の形態のいず
れか１つの形態における光吸収層３以外のＧａＮ層をＡ
ｌＮ層に置き換えたものである。なお、第１乃至第３の
形態のいずれか１つの形態において、一部のＧａＮ層、
例えばアモルファス半導体層２ａの材料のみをＡｌＮ層
に置き換えてもよい。なお、光吸収層３以外のＧａＮ層
全てをＡｌＮ層で置き換えた場合には、透過型光電面と
して動作する。In a fourth embodiment, a GaN layer other than the light absorption layer 3 in any one of the first to third embodiments is formed by A
This is replaced with an 1N layer. Note that in any one of the first to third embodiments, a part of the GaN layer,
For example, only the material of the amorphous semiconductor layer 2a may be replaced with an AlN layer. When all of the GaN layers other than the light absorption layer 3 are replaced with AlN layers, they operate as a transmission type photocathode.
【００２０】以上、説明したように、上記半導体光電陰
極は、少なくとも、複数の開口を有し第１半導体層２ｂ
上に設けられた第１絶縁体層２ｃと、第１絶縁体層２ｃ
の非開口部領域（Ａ）上、及び第１絶縁体層２ｃの開口
部領域（Ｂ）内の第１半導体層２ｂ上に設けられた第２
半導体層２ｄと、第２半導体層２ｄ上に設けられ入射し
た光を電子に変換する半導体光吸収層３と、半導体光吸
収層３上に設けられ電子を真空中に放出させるためのア
ルカリ金属含有層５とを備える。なお、領域（Ａ）及び
（Ｂ）は図１中に示される。As described above, the semiconductor photocathode has at least a plurality of openings and has the first semiconductor layer 2b.
A first insulator layer 2c provided thereon, and a first insulator layer 2c
Provided on the non-opening region (A) of the first semiconductor layer 2b and on the first semiconductor layer 2b in the opening region (B) of the first insulator layer 2c.
A semiconductor layer 2d; a semiconductor light absorbing layer 3 provided on the second semiconductor layer 2d for converting incident light into electrons; and an alkali metal-containing material provided on the semiconductor light absorbing layer 3 for releasing electrons into a vacuum. And a layer 5. The areas (A) and (B) are shown in FIG.
【００２１】本実施の形態に係る半導体光電陰極によれ
ば、第１絶縁体層非開口部領域（Ａ）上の第２半導体層
２ｄの領域は、第１絶縁体層開口部領域（Ｂ）内の第１
半導体層２ｂから成長した第２半導体層２ｄの領域から
横方向（絶縁体層２ｃのストライプの伸延方向及び基板
厚み方向の双方に垂直な方向）に沿って成長させること
が可能である。このように、横方向に沿って成長する結
晶は下地である第１半導体層２ｂの欠陥等の影響を受け
にくいため、その結晶性を改善することが可能である。
半導体光吸収層３と第２半導体層２ｄとの間には複数の
層が介在するものの、半導体光吸収層３は第２半導体層
２ｄ上に設けられるので、第２半導体層２ｄの結晶性を
継承し、より結晶性が改善されることとなる。According to the semiconductor photocathode according to the present embodiment, the region of the second semiconductor layer 2d on the first insulator layer non-opening region (A) is the first insulator layer opening region (B). First in
From the region of the second semiconductor layer 2d grown from the semiconductor layer 2b, it is possible to grow along the lateral direction (the direction perpendicular to both the extending direction of the stripe of the insulator layer 2c and the thickness direction of the substrate). As described above, the crystal that grows in the lateral direction is less likely to be affected by defects or the like of the first semiconductor layer 2b that is the base, so that its crystallinity can be improved.
Although a plurality of layers are interposed between the semiconductor light absorbing layer 3 and the second semiconductor layer 2d, since the semiconductor light absorbing layer 3 is provided on the second semiconductor layer 2d, the crystallinity of the second semiconductor layer 2d is reduced. Inherited, the crystallinity will be further improved.
【００２２】しかしながら、第２半導体層２ｄの領域
（Ｂ）は、依然として下地の結晶状態を継承するため、
領域（Ａ）と比較して結晶性が劣ることとなり、したが
って、この上に形成される半導体光吸収層３の結晶性が
領域（Ａ）と比較して劣ることとなる。However, since the region (B) of the second semiconductor layer 2d still inherits the underlying crystal state,
The crystallinity is inferior to the region (A), and therefore, the crystallinity of the semiconductor light absorbing layer 3 formed thereon is inferior to the region (A).
【００２３】そこで、上記半導体光電陰極は、複数の開
口を有し少なくとも１つの前記開口部領域（Ｂ）直上の
第２半導体層２ｄ上に非開口部が位置するように設けら
れた第２絶縁体層２ｅと、第２絶縁体層２ｅの非開口部
領域上、及び第２絶縁体層２ｅの開口部領域内の第２半
導体層２ｄ上に設けられ、半導体光吸収層３がその上に
形成される第３半導体層２ｆとを備えることとした。Accordingly, the semiconductor photocathode has a plurality of openings and a second insulating layer provided on the second semiconductor layer 2d immediately above at least one of the opening regions (B) so that the non-opening is located. The semiconductor light absorbing layer 3 is provided on the body layer 2e, on the non-opening region of the second insulator layer 2e, and on the second semiconductor layer 2d in the opening region of the second insulator layer 2e. And the third semiconductor layer 2f to be formed.
【００２４】第２絶縁体層２ｅは、この領域（Ｂ）、す
なわち、第１絶縁体層２ｃの開口部領域（Ｂ）直上の第
２半導体層２ｄ上に非開口部が位置するように設けられ
ている。したがって、第２絶縁体層非開口部領域（Ｂ）
上に設けられた第３半導体層２ｆの領域は、第２絶縁体
層開口部領域（Ａ）内の第２半導体層２ｄから成長した
第３半導体層２ｆの領域から横方向に沿って成長させる
ことが可能である。上記のように、横方向に沿って成長
する結晶は下地である第１半導体層２ｂ（第２半導体層
２ｄの領域（Ｂ））の欠陥等の影響を受けにくいため、
その結晶性を改善することが可能である。このように形
成された第３半導体層２ｆは、面内において一様に結晶
性が改善されているので、これを下地として形成される
光吸収層３は、その結晶性を更に改善することができ
る。The second insulator layer 2e is provided so that a non-opening is located on this region (B), that is, on the second semiconductor layer 2d immediately above the opening region (B) of the first insulator layer 2c. Have been. Therefore, the second insulator layer non-opening region (B)
The region of the third semiconductor layer 2f provided above is grown in the lateral direction from the region of the third semiconductor layer 2f grown from the second semiconductor layer 2d in the second insulator layer opening region (A). It is possible. As described above, the crystal that grows in the lateral direction is less likely to be affected by defects or the like in the first semiconductor layer 2b (region (B) of the second semiconductor layer 2d), which is the base.
Its crystallinity can be improved. The crystallinity of the third semiconductor layer 2f thus formed is uniformly improved in the plane. Therefore, the light absorption layer 3 formed using the third semiconductor layer 2f as a base may further improve the crystallinity. it can.
【００２５】また、上記半導体光電陰極においては、第
１乃至第３半導体層２ｂ，２ｄ，２ｆはＧａＮ又はＡｌ
Ｎ系化合物半導体層であり、第１及び第２絶縁体層２
ｃ，２ｅはＳｉＯ2又はＳｉＮであり、このような現象
を実際に確認することができた。すなわち、ＧａＮ又は
ＡｌＮはＳｉＯ2上には成長せず、これらと同等の結晶
上に選択成長し、上記横方向の成長を容易に実現するこ
とができる。また、これらの半導体材料をバッファ層２
として用いるので、上記半導体光吸収層３の材料は、こ
れらと格子定数の等しい又は近接したＧａＮとした。In the above-described semiconductor photocathode, the first to third semiconductor layers 2b, 2d and 2f are made of GaN or Al.
An N-based compound semiconductor layer, the first and second insulator layers 2
c and 2e are SiO 2 or SiN, and such a phenomenon could be actually confirmed. That is, GaN or AlN does not grow on SiO 2 , but selectively grows on a crystal equivalent to these, and the above-described lateral growth can be easily realized. Further, these semiconductor materials are transferred to the buffer layer 2.
Therefore, the material of the semiconductor light absorbing layer 3 was GaN having a lattice constant equal to or close to these.
【００２６】次に、上記実施の形態に係る半導体光電陰
極の製造方法について説明する。Next, a method of manufacturing the semiconductor photocathode according to the above embodiment will be described.
【００２７】以下の説明において、半導体層の形成方法
としては、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成長）法、
又はＨＶＰＥ（ハロゲン系気相成長）法を用いる。半導
体層を形成する場合には、これらの形成方法を用いるこ
ととし、原料はＧａＮ層を形成する場合にはＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）及びアンモニアガスを用い、ＡｌＮ
層を形成する場合にはＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウ
ム）及びアンモニアガスを用い、ＧａＡｌＮを形成する
場合は、ＴＭＧ、ＴＭＡｌ及びアンモニアガスを用い
る。半導体層の厚み方向に濃度分布を有するようにｐ型
不純物を添加する場合、半導体層の成長中にｐ型不純物
量を可変しながらｐ型不純物を層内に添加する。半導体
層の厚み方向に均一なｐ型不純物濃度分布を形成する場
合、半導体層の成長中にｐ型不純物を一定割合で層内に
添加する。In the following description, a semiconductor layer is formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition),
Alternatively, an HVPE (halogen vapor phase epitaxy) method is used. When a semiconductor layer is formed, these forming methods are used. When a GaN layer is formed, TMG (trimethylgallium) and ammonia gas are used as raw materials.
When a layer is formed, TMAl (trimethylaluminum) and ammonia gas are used, and when GaAlN is formed, TMG, TMAl and ammonia gas are used. In the case where a p-type impurity is added so as to have a concentration distribution in the thickness direction of the semiconductor layer, the p-type impurity is added to the layer while varying the amount of the p-type impurity during the growth of the semiconductor layer. When forming a uniform p-type impurity concentration distribution in the thickness direction of the semiconductor layer, a certain ratio of p-type impurities is added to the inside of the layer during the growth of the semiconductor layer.
【００２８】図２は半導体光電面第１中間体を示す断面
図である。まず、基板１を用意し、基板１上にアモルフ
ァス半導体層２ａを形成する。成長温度は５００〜６０
０℃である。FIG. 2 is a sectional view showing the first intermediate member of the semiconductor photocathode. First, the substrate 1 is prepared, and the amorphous semiconductor layer 2a is formed on the substrate 1. The growth temperature is 500-60
0 ° C.
【００２９】図３は半導体光電面第２中間体を示す断面
図である。しかる後、アモルファス半導体層２ａ上に第
１半導体層２ｂを形成する。成長温度は７００〜１１０
０℃である。FIG. 3 is a sectional view showing a second intermediate member of the semiconductor photocathode. Thereafter, the first semiconductor layer 2b is formed on the amorphous semiconductor layer 2a. Growth temperature is 700-110
0 ° C.
【００３０】図４は半導体光電面第３中間体を示す断面
図である。次に、第１半導体層２ｂ上に第１絶縁体層中
間体２ｃ’を形成する。形成方法はＣＶＤ法である。FIG. 4 is a sectional view showing a third intermediate member of the semiconductor photocathode. Next, a first insulator layer intermediate 2c 'is formed on the first semiconductor layer 2b. The formation method is a CVD method.
【００３１】図５は半導体光電面第４中間体を示す断面
図である。更に、第１絶縁体層中間体２ｃ’上にフォト
リソグラフィ技術を用いてストライプ状の開口を有する
マスクを形成し、これをエッチングすることにより、ス
トライプ状にパターニングし、第１絶縁体層２ｃを形成
する。なお、絶縁体層の材料がＳｉＯ２である場合は、
ＨＦ系エッチング液を用いてウエットエッチングするこ
とができ、ＳｉＮである場合はアルカリ系のエッチング
液を用いてウエットエッチングすることができる。ま
た、ＳｉＮはＣＦ４等を用いてプラズマエッチング等の
ドライエッチングすることができる。なお、パターニン
グに際してはリフトオフ法を用いてもよい。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fourth intermediate semiconductor photocathode. Further, a mask having a stripe-shaped opening is formed on the first insulator layer intermediate body 2c 'by using a photolithography technique, and the mask is etched to be patterned in a stripe shape, thereby forming the first insulator layer 2c. Form. When the material of the insulator layer is SiO2,
Wet etching can be performed using an HF-based etching solution, and in the case of SiN, wet etching can be performed using an alkaline-based etching solution. In addition, SiN can be subjected to dry etching such as plasma etching using CF4 or the like. In patterning, a lift-off method may be used.
【００３２】図６は半導体光電面第５中間体を示す断面
図である。しかる後、これらの上に第２半導体層２ｄを
形成する。第１絶縁体層２ｃ上には第２半導体層２ｄは
成長せず、この領域の第２半導体層２ｄは、開口内から
成長した第２半導体層２ｄが横方向にエピタキシャル成
長することによって形成される。FIG. 6 is a sectional view showing a fifth intermediate semiconductor photocathode. Thereafter, the second semiconductor layer 2d is formed on these. The second semiconductor layer 2d does not grow on the first insulator layer 2c, and the second semiconductor layer 2d in this region is formed by laterally epitaxially growing the second semiconductor layer 2d grown from inside the opening. .
【００３３】図７は半導体光電面第６中間体を示す断面
図である。次に、第２半導体層２ｄ上に第２絶縁体層中
間体２ｅ’を形成する。形成方法はＣＶＤ法である。FIG. 7 is a sectional view showing a sixth intermediate body of the semiconductor photocathode. Next, a second insulator layer intermediate 2e 'is formed on the second semiconductor layer 2d. The formation method is a CVD method.
【００３４】図８は半導体光電面第７中間体を示す断面
図である。更に、第２絶縁体層中間体２ｅ’上にフォト
リソグラフィ技術を用いてストライプ状の開口を有する
マスクを形成し、これをエッチング液でエッチングする
ことにより、ストライプ状にパターニングし、第２絶縁
体層２ｅを形成する。上記と同様にパターニングに際し
てはリフトオフ法を用いてもよい。なお、第２絶縁体層
２ｅの開口部領域は、第１絶縁体層２ｃの非開口部領域
直上に位置する。FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor photocathode seventh intermediate. Further, a mask having a stripe-shaped opening is formed on the second insulator layer intermediate body 2e 'by using a photolithography technique, and this is etched with an etchant to be patterned into a stripe shape. The layer 2e is formed. Similar to the above, a lift-off method may be used for patterning. The opening region of the second insulator layer 2e is located immediately above the non-opening region of the first insulator layer 2c.
【００３５】図９は半導体光電面第８中間体を示す断面
図である。次に、これらの上に第３半導体層２ｆを形成
する。第２絶縁体層２ｅ上には第３半導体層２ｆは成長
せず、この領域の第３半導体層２ｆは、開口内から成長
した第３半導体層２ｆが横方向にエピタキシャル成長す
ることによって形成される。FIG. 9 is a sectional view showing an eighth semiconductor photocathode intermediate. Next, a third semiconductor layer 2f is formed thereon. The third semiconductor layer 2f does not grow on the second insulator layer 2e, and the third semiconductor layer 2f in this region is formed by laterally epitaxially growing the third semiconductor layer 2f grown from inside the opening. .
【００３６】最後に、半導体光吸収層３を第３半導体層
２ｆ上に形成し、この上にアルカリ金属含有層５を蒸着
法等により形成し、これを活性化し図１に示した半導体
光電陰極が完成する。Finally, a semiconductor light absorbing layer 3 is formed on the third semiconductor layer 2f, and an alkali metal-containing layer 5 is formed thereon by vapor deposition or the like, and activated to activate the semiconductor photocathode shown in FIG. Is completed.
【００３７】以上、説明したように、上記実施の形態に
係る光電陰極によれば、バッファ層２を用いることによ
り、結晶性の高い光吸収層３を提供することができるの
で、その量子効率を増加することができる。As described above, according to the photocathode according to the above-described embodiment, the light absorption layer 3 having high crystallinity can be provided by using the buffer layer 2, so that the quantum efficiency can be reduced. Can be increased.
【００３８】次に、上記半導体光電陰極１００ａを用い
た光電管１０について説明する。Next, the phototube 10 using the semiconductor photocathode 100a will be described.
【００３９】図１１は、光電管１０の斜視図である。光
電管１０は、真空容器１０２を備えている。真空容器１
０２は、中空円柱状のガラス製容器であり、圧力約１０
-8Ｔｏｒｒの高真空に内部を保持している。FIG. 11 is a perspective view of the photoelectric tube 10. The photoelectric tube 10 includes a vacuum container 102. Vacuum container 1
Reference numeral 02 denotes a hollow cylindrical glass container having a pressure of about 10
The inside is kept in a high vacuum of -8 Torr.
【００４０】光電管１０は、真空容器１０２の内部に対
向配置された陰極１００と陽極１０１とを備えている。
陰極１００は、半導体光電陰極１００ａ及びこれに固定
された支持板１００ｂからなる。支持板１００ｂの表面
は真空容器１０２の管軸方向に対して平行に配置されて
おり、支持板１００ｂの露出表面側は真空容器１０２の
側壁に直接対向している。The photoelectric tube 10 includes a cathode 100 and an anode 101 which are arranged inside a vacuum vessel 102 so as to face each other.
The cathode 100 includes a semiconductor photocathode 100a and a support plate 100b fixed thereto. The surface of the support plate 100b is arranged parallel to the tube axis direction of the vacuum vessel 102, and the exposed surface side of the support plate 100b directly faces the side wall of the vacuum vessel 102.
【００４１】陰極１００は、管軸方向に直交して延びた
平板状の金属製支持台１０５及びこれに固定されたリー
ドピン１０３によって管軸方向に支持されている。な
お、支持板１００ｂ及び支持台１０５はＭｏ等の金属か
ら形成されている。リードピン１０３は、陰極１００の
底部から延びて真空容器１０２の底部を貫通し、外部電
源のカソード出力端子に接続されており、半導体光電陰
極１００ａ及び支持板１００ｂに陽極１０１の電位より
も低い電位を与えている。The cathode 100 is supported in the tube axis direction by a flat metal support base 105 extending perpendicularly to the tube axis direction and a lead pin 103 fixed thereto. Note that the support plate 100b and the support base 105 are formed from a metal such as Mo. The lead pin 103 extends from the bottom of the cathode 100, penetrates the bottom of the vacuum vessel 102, is connected to a cathode output terminal of an external power supply, and applies a potential lower than the potential of the anode 101 to the semiconductor photocathode 100a and the support plate 100b. Have given.
【００４２】陽極１０１は、半導体光電陰極１００ａの
アルカリ金属含有層側に対向して配置されている。陽極
１０１は、矩形枠状に成形された金属製電極であり、金
属製のリードピン１０４によって支持されている。リー
ドピン１０４は、陽極１０１の底部から延びて真空容器
１０２の底部を貫通し、外部電流計を介して外部電源の
アノード出力端子に接続されており、陽極１０１には陰
極１００の電位よりも高い電位が与えられる。なお、リ
ードピン１０３，１０４はコバール金属から形成されて
いる。The anode 101 is disposed so as to face the alkali metal-containing layer side of the semiconductor photocathode 100a. The anode 101 is a metal electrode formed in a rectangular frame shape, and is supported by a metal lead pin 104. The lead pin 104 extends from the bottom of the anode 101, penetrates the bottom of the vacuum vessel 102, is connected to an anode output terminal of an external power supply via an external ammeter, and the anode 101 has a potential higher than the potential of the cathode 100. Is given. Note that the lead pins 103 and 104 are made of Kovar metal.
【００４３】外部電源からリードピン１０３，１０４を
介して陰極１００と陽極１０１との間に上記電圧を印加
すると、陽極１０１から陰極１００向かう電界が発生す
る。真空容器１０２を透過した光が半導体光電陰極１０
０ａの内部に入射すると、これに応じて発生した電子は
前述のようにして真空中に放出される。放出された電子
は、陽極１０１と陰極１００との間の電界によって加速
されて飛行し、陽極１０１に収集され、外部電流計よっ
て検出される。When the above-mentioned voltage is applied between the cathode 100 and the anode 101 from the external power supply via the lead pins 103 and 104, an electric field from the anode 101 to the cathode 100 is generated. The light transmitted through the vacuum vessel 102 is the semiconductor photocathode 10
When the light enters the inside of Oa, the correspondingly generated electrons are emitted into a vacuum as described above. The emitted electrons are accelerated by the electric field between the anode 101 and the cathode 100, fly, are collected by the anode 101, and detected by an external ammeter.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る光
電陰極によれば、第２及び第３半導体層の横方向成長を
利用することにより、結晶性の高い半導体光吸収層を提
供することができるので、その量子効率を増加すること
ができる。As described above, according to the photocathode of the present invention, a semiconductor light absorbing layer having high crystallinity is provided by utilizing the lateral growth of the second and third semiconductor layers. Therefore, the quantum efficiency can be increased.
【図１】実施の形態に係る半導体光電陰極の断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor photocathode according to an embodiment.
【図２】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図３】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図４】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図５】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図６】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 6 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図７】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図８】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図９】半導体光電面中間体を示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing a semiconductor photocathode intermediate.
【図１０】実施の形態に係る別の半導体光電陰極の断面
図。FIG. 10 is a cross-sectional view of another semiconductor photocathode according to the embodiment.
【図１１】光電陰極を用いた光電管の斜視図。FIG. 11 is a perspective view of a phototube using a photocathode.
２ｂ・・・第１半導体層、２ｃ・・・第１絶縁体層、２ｄ・・・
第２半導体層、３・・・半導体光吸収層、５・・・アルカリ金
属含有層。2b ... first semiconductor layer, 2c ... first insulator layer, 2d ...
2nd semiconductor layer, 3 ... Semiconductor light absorption layer, 5 ... Alkali metal containing layer.
Claims (5)
られた第１絶縁体層と、前記第１絶縁体層の非開口部領
域上、及び前記第１絶縁体層の開口部領域内の前記第１
半導体層上に設けられた第２半導体層と、前記第２半導
体層上に設けられ入射した光を電子に変換する半導体光
吸収層と、前記半導体光吸収層上に設けられ前記電子を
真空中に放出させるためのアルカリ金属含有層とを備え
ることを特徴とする半導体光電陰極。1. A first insulator layer having a plurality of openings and provided on a first semiconductor layer, a non-opening region of the first insulator layer, and an opening of the first insulator layer. The first in the area
A second semiconductor layer provided on the semiconductor layer; a semiconductor light absorption layer provided on the second semiconductor layer for converting incident light into electrons; and a semiconductor light absorption layer provided on the semiconductor light absorption layer and A semiconductor photocathode comprising:
開口部領域直上の前記第２半導体層上に非開口部が位置
するように設けられた第２絶縁体層と、前記第２絶縁体
層の非開口部領域上、及び前記第２絶縁体層の開口部領
域内の前記第２半導体層上に設けられ、前記半導体光吸
収層がその上に形成される第３半導体層とを備えること
を特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。2. A second insulator layer having a plurality of openings and provided such that a non-opening is located on the second semiconductor layer immediately above at least one of the opening regions, and the second insulator. A third semiconductor layer provided on the non-opening region of the layer and on the second semiconductor layer in the opening region of the second insulator layer, and the semiconductor light absorbing layer is formed thereon. The semiconductor photocathode according to claim 1, wherein:
はＡｌＮ系化合物半導体層であり、前記第１及び第２絶
縁体層はＳｉＯ2又はＳｉＮであること特徴とする請求
項２に記載の半導体光電陰極。3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the first to third semiconductor layers are GaN-based or AlN-based compound semiconductor layers, and the first and second insulator layers are SiO 2 or SiN. Semiconductor photocathode.
特徴とする請求項３に記載の半導体光電陰極。4. The semiconductor photocathode according to claim 3, wherein said semiconductor light absorbing layer is GaN.
との間にＧａＡｌＮ層を更に備えることを特徴とする請
求項４に記載の半導体光電陰極。5. The semiconductor photocathode according to claim 4, further comprising a GaAlN layer between said third semiconductor layer and said semiconductor light absorbing layer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18462798A JP2000021295A (en) | 1998-06-30 | 1998-06-30 | Semiconductor photo-electric cathode |
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| JP18462798A JP2000021295A (en) | 1998-06-30 | 1998-06-30 | Semiconductor photo-electric cathode |
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| JP2000021295A true JP2000021295A (en) | 2000-01-21 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2000021295A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7176625B2 (en) * | 2004-08-17 | 2007-02-13 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photocathode plate and electron tube |
| RU2542334C2 (en) * | 2013-06-13 | 2015-02-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Photocathode |
| RU2569917C1 (en) * | 2014-10-09 | 2015-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Photocathode |
| RU2574214C1 (en) * | 2014-08-19 | 2016-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Photocathode assembly |
-
1998
- 1998-06-30 JP JP18462798A patent/JP2000021295A/en active Pending
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| RU2542334C2 (en) * | 2013-06-13 | 2015-02-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Photocathode |
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