JP2009272102A - 光電陰極及びそれを備える電子管 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い量子効率が実現可能な紫外線用の光電陰極及びそれを備える電子管を提供する。
【解決手段】 本発明に係る光電陰極１は、単結晶の化合物半導体からなる支持基板１１と、支持基板１１上に設けられ、支持基板１１よりも小さなエネルギーバンドギャップを有し、支持基板１１を透過した入射光を吸収して光電子を発生させる光吸収層１３と、光吸収層１３上に設けられており光吸収層１３の仕事関数を低下させる表面層１５と、を備え、支持基板１１がＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ（０≦Ｘ＜１）により形成されており、光吸収層１３が、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎよりなる群から選ばれる少なくとも一種の成分とNとからなる化合物半導体により形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電陰極及びそれを備える電子管に関するものである。

近年、特に紫外線に対して感度を有する光電陰極として、ＡｌＧａＮを用いたものの開発が進まれている。このようなＡｌＧａＮを用いた光電陰極に関する技術を開示するものとしては、特許文献１〜特許文献３がある。

特許文献１には、サファイア基板と、サファイア基板上に設けられていると共にＡｌＧａＮからなる光吸収層とを備えた光電陰極が開示されている。また、特許文献２及び特許文献３それぞれには、ＡｌＧａＮと格子定数が近いＬＧＯ（ＬｉＧａＯ_２）基板及びＬＡＯ（ＬｉＡｌＯ_２）基板と、それぞれの基板上に設けられていると共にＡｌＧａＮからなる光吸収層とを備える光電陰極が開示されている。
米国特許４，６１６，２４８号明細書 特開平１０−１８８７７０号公報 特開平１０−１８８７８０号公報

特許文献１の光電陰極では、サファイア基板とＡｌＧａＮの光吸収層との大きな格子不整合を緩和するため厚いバッファ層が導入されている。しかしながら、サファイア基板を用い、その上にＡｌＧａＮの光吸収層を形成する場合には、サファイア基板と光吸収層との間には大きな格子不整合が存在し、いなかる方法でこの大きな格子不整合を緩和しようとしても、大きな格子不整合に起因する転位や積層欠陥を無くすことはできない。これはサファイア基板とＡｌＧａＮの光吸収層との間にバッファ層を導入した特許文献１の光電陰極であっても例外ではない。したがって、特許文献１によっても、高品質な窒化物光電陰極を得ることができず、高性能な光電陰極を実現することが困難であった。特に、特許文献１の光電陰極が、透過型光電陰極として利用される場合には、その厚いバッファ層により入射光が吸収されてしまい、高性能な光電陰極を得ることがより困難であった。

また、特許文献２及び特許文献３の光電陰極では、基板としてＬＧＯ基板及びＬＡＯ基板がそれぞれ用いられているため、基板とＡｌＧａＮの光吸収層との間の格子不整合は緩和されているものの、それらの基板が光吸収層の形成の際の高温プロセスにおいて熱分解し易く、例え保護層を形成したとしても、基板を十分保護することが難しく、また熱分解してしまうため、高性能な光電陰極を得ることができない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、高性能な光電陰極及びそれを備える電子管を提供することを課題とする。

上記問題を解決するため、本発明に係る光電陰極は、単結晶の化合物半導体からなる支持基板と、支持基板上に設けられ、前記支持基板よりもエネルギーバンドギャップが小さく、支持基板を透過した入射光を吸収して光電子を発生させる光吸収層と、光吸収層上に設けられており前記光吸収層の仕事関数を低下させる表面層と、を備え、支持基板がＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ（０≦Ｘ＜１）により形成されており、光吸収層が、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎよりなる群から選ばれる少なくとも一種の成分とNとからなる化合物半導体により形成されていることを特徴とする。

本発明に係る光電陰極では、支持基板がＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮで形成されており、その組成が０≦Ｘ＜１の範囲にある。Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮからなる支持基板を用いることで、上記の化合物半導体からなる光吸収層と支持基板との格子整合を得ることができ、格子不整合緩和のために従来のような厚いバッファ層を導入する必要がない。また、Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ半導体材料は、光吸収層の形成の際の高温プロセスにおいても十分安定である。更に、その組成のＸを０以上１未満の範囲で調節することで約２００ｎｍ〜約３６０ｎｍ範囲の紫外線域の被検出光に対する透過性を持たせることができる。

また、入射光を吸収して光電子を発生される光吸収層がＡｌ、Ｇａ及びＩｎよりなる群から選ばれる少なくとも一種の成分とNとからなる化合物半導体により形成されている。これにより、本発明に係る光電陰極が紫外線に対して感度を有するようにすることができる。また、支持基板と光吸収層との格子整合を得ることができるので、転移等の結晶欠陥の形成や格子の歪みが抑制される。その結果、高品質の光吸収層が得られ、光電陰極に入射する光子の数に対する光電陰極外部に放出される光電子の数の割合を示す量子効率を向上させることができる。

また、光吸収層上に光吸収層の仕事関数を低下させる表面層を備えている。これにより、光吸収層の表面の真空準位を下げて光電子放出の効率を更に高めることができる。そのため、本発明に係る光電陰極によれば、高性能な光電陰極を得ることができる。

また、表面層が、一種以上のアルカリ金属又はアルカリ金属化合物を含むことが好適である。また、支持基板を形成するＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮの組成が０≦Ｘ＜０．７の範囲内にあることが好適である。これにより、約２００ｎｍ〜約２８０ｎｍ範囲の紫外線域の被検出光に透過性を持たせることができる。

また、本発明の光電陰極は、支持基板と光吸収層との間に介在し、支持基板のエネルギーバンドギャップ以下のエネルギーバンドギャップを有するバッファ層を更に備えることが好ましい。この場合、バッファ層が不整合を吸収しつつも、支持基板と光吸収層の格子定数差（比率）が小さいため、バッファ層の厚さは薄くすることが可能となり、バッファ層による光吸収を抑制し、量子効率を向上させることができる。

また、本発明に係る電子管は、上述の光電陰極と、光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、光電陰極と陽極とを収容する真空容器とを備えることを特徴とする。本発明に係る電子管では高性能な光電陰極を備えており、このような高性能な光電陰極は高く光電変換量子効果を有する。従って、本電子管によれば、高精度な測定が可能となり、高性能な電子管を得ることができる。

本発明に係る光電陰極によれば、高性能な光電陰極及びそれを備える電子管を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一又は同等の要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）

図１は、本発明の第１実施形態に係る光電陰極１の断面図である。図１に示すように、光電陰極１は、透過型であり、支持基板１１、支持基板１１上に順次形成されている光吸収層１３、及び表面層１５を備えている。光電陰極１は、表面層１５の電子放出面の周囲及び、表面層１５、光吸収層１３、及び支持基板１１の側面を覆う電極１７を備えている。

支持基板１１は、単結晶の化合物半導体である単結晶のＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮから形成されており、その組成比Ｘは、０≦Ｘ＜１の範囲内にあり、より好適には０≦Ｘ＜０．７の範囲内にある。支持基板１１は、Ｘの値により決定されるＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮのエネルギーバンドギャップに相当する波長λ_１１より短い波長の光を吸収して、波長λ_１１より長い波長の光を透過させる。

光吸収層１３は、支持基板１１上に直接設けられていると共に、単結晶のＩｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎにより形成されており、且つＩｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎの組成比は０≦ｘ１≦０．５，０＜ｙ１≦１である。また、光吸収層１３は、支持基板１１のエネルギーバンドギャップより小さいエネルギーバンドギャップを有する。

光吸収層１３は、支持基板１１を透過した入射光のうち、ｘ１及びｙ１の値により決定されるＩｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎのエネルギーバンドギャップに相当する波長λ_１３より短い波長の光を吸収し、光電子を発生させる。なお、波長λ₁₃より長い波長を有する光は、光吸収層１３を透過することになる。従って、光電陰極１が感度を有する被検出光の波長範囲は、支持基板１１のエネルギーバンドギャップに相当する波長λ_１１から光吸収層１３のエネルギーバンドギャップに相当する波長λ_１３までの範囲となる。すなわち、支持基板１１は光電陰極１が感度を有する被検出光の波長範囲の下限を、光吸収層１３は光電陰極１が感度を有する被検出光の波長範囲の上限を決定する。

光吸収層１３上には、表面層１５としてＣｓ及びＯからなる化合物層が形成されており、表面層１５は光吸収層１３の表面の仕事関数を低下させる。表面層１５は、光吸収層１３の表面の真空準位を下げて光吸収層１３において発生され、光吸収層１３の表面に到達した光電子の放出効率を高める機能を有する。

以下、図１を参照しつつ光電陰極１の動作を説明する。光電陰極１の支持基板１１側から、被検出光（ｈν）が矢印方向から入射すると、支持基板１１は被検出光に対して透光性を有するため、被検出光は支持基板１１に殆ど吸収されることなく透過する。このとき、支持基板１１は単結晶からなるため、被検出光は結晶粒界によって散乱されず、すなわち、被検出光はその光路の変化を受けることなく、支持基板１１を透過することとなる。

支持基板１１を透過した被検出光は、単結晶からなると共に支持基板１１と格子整合している光吸収層１３に吸収される。このとき、光吸収層１３では支持基板１１との格子不整合に基づいて結晶欠陥の発生が抑制されているため、結晶欠陥に由来する再結合準位は光吸収層１３の禁止帯にほとんど形成されない。そのため、光吸収層１３に被検出光が吸収されて光吸収層１３の電子が励起されるとき、その電子が再結合準位に補足される確率は著しく低下する。従って、被検出光のほとんどは光吸収層１３に吸収されて電子が励起され、光電子に変換される。また、光吸収層１３において発生した光電子は、光吸収層１３内を拡散により移動し光吸収層１３の表面に到達する。表面層１５により予め光吸収層１３の表面の仕事関数が低下しているため、光吸収層１３の表面に到達した光電子は外部に効率よく放出される。

図２〜図５は、実施の形態に係る光電陰極１の分光感度特性を示すグラフである。これらの実施形態では、支持基板１１及び光吸収層１３それぞれを構成する半導体材料の組成が変更されている。具体的に説明すると、図２（例１）は支持基板１１及び光吸収層１３それぞれがＡｌＮ及びＧａＮで形成された場合、図３（例２）は支持基板１１及び光吸収層１３それぞれがＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ及びＧａＮで形成された場合、図４（例３）は支持基板１１及び光吸収層１３それぞれがＡｌＮ及びＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎで形成された場合、図５（例４）は支持基板１１及び光吸収層１３それぞれがＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ及びＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎで形成された場合の光電陰極１の分光感度特性を示している。

上述の光電陰極の材料の組み合わせを纏めると以下の通りである。

（例１：図２）
・光吸収層：ＧａＮ
［＝Ｉｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎ、組成比ｘ１＝０、ｙ１＝０］
・支持基板：ＡｌＮ
［＝Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ）、組成比Ｘ＝０］

（例２：図３）
・光吸収層：ＧａＮ
［＝Ｉｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎ、組成比ｘ１＝０、ｙ１＝０］
・支持基板：Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ
［＝Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ）、組成比Ｘ＝０．６］

（例３：図４）
・光吸収層：Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ
［＝Ｉｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎ、組成比ｘ１＝０、ｙ１＝０．３］
・支持基板：ＡｌＮ
［＝Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ）、組成比Ｘ＝０］

（例４：図５）
・光吸収層：Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ
［＝Ｉｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎ、組成比ｘ１＝０、ｙ１＝０．３］
・支持基板：Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ
［＝Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ）、組成比Ｘ＝０．６］

図２及び図３の場合には、光吸収層１３は共にＧａＮであって、材料の組成が同一である。ＧａＮのエネルギーバンドギャップに相当する波長は約３６０ｎｍである。したがって、図２及び図３の特性を有する光電陰極１は、被検出光の上限波長（約３６０ｎｍ）が同一の感度を有することとなる。一方、図２及び図３の特性を有する光電陰極１は、支持基板１１の材料の組成が異なるため、それぞれの光電陰極１が感度を有する被検出光の下限波長は異なっている。

図２では、支持基板１１がＡｌＮから形成されており、ＡｌＮのエネルギーバンドギャップに相当する波長である約２００ｎｍが、その下限波長となっている。

図３では、支持基板１１がＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎから形成されており、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎのエネルギーバンドギャップに相当する波長である約２５０ｎｍが、その下限波長となっている。

また、図４及び図５の場合には、光吸収層１３は共にＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎであって、材料の組成が同一である。Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎのエネルギーバンドギャップに相当する波長は約２８０ｎｍである。したがって、図４及び図５の光電陰極１は、被検出光の上限波長（約２８０ｎｍ）が同一の感度を有することとなる。

図４及び図５の場合の支持基板１１は、それぞれ図２及び図３の支持基板１１と同一の材料組成を有するため、図４の光電陰極1は、図２の光電陰極１と同様に、被検出光に対する感度の下限波長が約２００ｎｍとなっており、図５の光電陰極1は、図３の光電陰極１と同様に、被検出光に対する感度の下限波長が約２５０ｎｍとなっている。

このように、支持基板１１の材料の組成をＡｌＮからＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎに変更することで、光電陰極１が感度を有する被検出光の波長範囲の下限を２００ｎｍから２５０ｎｍに変更させることができる。

また、光吸収層１３の材料の組成をＧａＮからＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎに変更することで、光電陰極１が感度を有する被検出光の波長範囲の上限を約３６０ｎｍから２８０ｎｍに変更できることが分かる。

図２〜図５に示されている結果から、Ａｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮからなる支持基板１１の組成のＸを０以上１未満の範囲で調節する場合には約２００ｎｍ〜約３６０ｎｍ範囲の紫外線域の被検出光に透過性を持たせることができ、組成のＸを０以上０．７未満の範囲で調節する場合には約２００ｎｍ〜約３６０ｎｍ範囲の紫外線域の被検出光に透過性を持たせることができることが確認された。

本実施形態に係る光電陰極１では、支持基板１１がＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ（０≦Ｘ＜０．７）で形成されており、光吸収層１３はＩｎ_ｘ１（Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１）_１−ｘ１Ｎで形成されている。従って、従来のように被検出光の吸収してしまう厚いバッファ層を導入することなく、支持基板１１と光吸収層１３との間で格子整合を得ることができ、これに伴って、格子の歪みが抑制されるので、高品質の光吸収層１３を得ることができる。その結果、量子効率を高めることができる。

また、支持基板１１を形成するＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ半導体材料は、光吸収層１３の形成の際の高温プロセスにおいても十分安定である。

更に、その組成比Ｘを０以上０．７未満の範囲で調節することで約２００ｎｍ〜約２８０ｎｍ範囲の紫外線域の被検出光に透過性を持たせることができる（図４参照）。

また、光吸収層１３上に光吸収層１３の仕事関数を低下させるＣｓ及びＯからなる表面層１５を備えている。この表面層１５により、表面層１５と光吸収層１３との界面近傍において空乏層が形成され、光吸収層１３での電子親和力が見かけ上、負となるようにエネルギーバンドが湾曲する。そのため、表面層１５と光吸収層１３との界面に到達した光電子は、容易に外部に放出されることとなる。すなわち、表面層１５により、光吸収層１３の表面の真空準位を下げて光電子放出の効率を高めることができる。特に、約２８０ｎｍまでの被検出光の波長範囲に光感度を有する光電陰極はソーラーブラインド型光電陰極と呼ばれ、太陽光下などで紫外線計測に有効に用いられる。

また、支持基板１１が、単結晶からなるため、その上に良質の光吸収層１３をエピタキシャル成長させることができ、支持基板１１と光吸収層１３との間に転位等の結晶欠陥の形成が抑制されるので、量子効率を高めることができる。

（第２実施形態）

図６は、本発明の第２実施形態に係る光電陰極３の断面図である。光電陰極３は、支持基板１１と光吸収層１３との間にバッファ層１９を更に備える点で第１実施形態の光電陰極１と相違する。その他の構成は、光電陰極１の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。

バッファ層１９は、支持基板１１及び光吸収層１３の双方に接触し、Ｉｎ_ｘ２（Ａｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２）_１−ｘ２Ｎから形成されている。Ｉｎ_ｘ２（Ａｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２）_１−ｘ２Ｎの組成は０≦ｘ２≦０．５，０＜ｙ２≦１であることが好ましく、更に、エネルギー吸収効率に観点からｘ１≧ｘ２，ｙ１≦ｙ２であることが好ましい。また、バッファ層１９のエネルギーバンドギャップは、支持基板１１のエネルギーバンドギャップ以下であり、光吸収層１３のエネルギーバンドギャップより大きい。従って、支持基板１１及びバッファ層１９を透過した入射光の一部を、光吸収層１３で吸収して、光電子を励起することとなる。

光電陰極３は、このように支持基板１１と光吸収層１３との間にバッファ層１９を更に備える構成を採用しているため、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、支持基板１１から発生する転位や欠陥を減少させることができる。そのため、バッファ層１９上に形成される光吸収層１３は、支持基板１１の転位や欠陥の影響を受け難くなり、より高品質なものとなる。よって、量子効率をより向上させることができ、より高感度な光電陰極１を得ることができる。

特に、支持基板１１の格子定数Ｌ１１に対する、支持基板１１の格子定数Ｌ１１と光吸収層１３の格子定数Ｌ１３との格子定数差ΔＬ（＝Ｌ１３−Ｌ１１）の比率（ΔＬ／Ｌ１１）が小さいため、バッファ層１９を薄くすることが可能となり、バッファ層１９による光吸収を抑制し、量子効率を向上させることができる。

格子定数差ΔＬの比率（ΔＬ／Ｌ１１）の好適な範囲は、−０．１≦ΔＬ／Ｌ１１≦＋０．１である。なお、格子定数は原子半径の大きいものの組成比を増加させれば大きくなり、減少させれば小さくなる。また、一般的には格子定数とエネルギーバンドギャップは反比例の関係にあるため、かかる性質を用いて、或いは、化合物半導体関連のテキストで一般的に知られるエネルギーバンドギャップ−格子定数の相関グラフを用いて、各層のエネルギーバンドギャップを所望の値に調整することができる。

図７は、光電陰極１を備えた電子管５の一実施形態の断面構成を説明する図である。図７に示す電子管５は、光電子増倍管であり、外部より入射する被検出光を光電子に変換して放出する光電陰極１と、光電陰極１から放出された光電子を集束させる集束電極２１と、集束電極２１によって集束された光電子を２次電子増倍する２次電子増倍部２３と、増倍された２次電子を収集するための陽極２５と、これらを真空状態で内包する容器である真空容器２９により構成されている。これらの要素は、真空容器２９の内部で、被検出光が入射する側から、光電陰極１、集束電極２１、２次電子増倍部２３及び陽極２５の順に所定の間隔をあけて配置されている。光電陰極１と対向する真空容器２９の一端には、ステム２７が設けられ、真空容器２９の内部と外部との間を電気的に接続させる。

光電陰極１は、外部から入射する被検出光に応じて、その内部で発生する光電子を２次電子増倍部２３に向かって放出する。光電陰極１の支持基板１１のうちの光吸収層１３が設けられていない領域が、真空容器２９の他方の開口端に当接し、支持基板１１が電子管５の入射窓３９となるように、光電陰極１は真空容器２９の側管に固定されている。集束電極２１は、光電陰極１から放出された光電子を２次電子増倍部２３の方向に集束させる。

２次電子増倍部２３は、被検出光が入射する側から例えば１００V程度ずつ段階的に高くなる電圧が与えられた１０段のダイノード（被検出光の入射側から順に第１ダイノードから第１０ダイノードまで配置）から構成されており、集束電極２１により集束された光電子を隣り合うダイノード間の電位差により加速させながら２次電子増倍部２３を通過する間に次々と増倍させて２次電子を放出する。なお、光電陰極１と第１ダイノードとの間にも所定の電圧が印加されている。陽極２５は、２次電子増倍部２３から放出された２次電子を収集する。

ステム２７は、外部より各ダイノードに所定の電圧を印加するとともに、陽極２５により収集された２次電子を光電流として、真空容器２９の外部へ出力する。

次に、光電子増倍管である電子管５の動作について説明する。入射窓３９を通って光電陰極１に入射した入射光は、支持基板１１を透過して、光吸収層１３に吸収され、光吸収層１３内部で光電子を励起する。励起された光電子は、光吸収層１３内を拡散及び内部電界にしたがって移動し、光吸収層１３の表面に到達する。この表面の仕事関数は表面層１５により低下しているため、光電子は容易に真空中に放出される。真空中に放出された光電子は集束電極２１によって集束されて２次電子増倍部２３の第１ダイノードに入射する。光電陰極１と第１ダイノードとの間には所定の電圧が印加されているので、光電子は加速されて第１ダイノードへ入射し多数の２次電子を生成し再び真空中へ放出される。第１ダイノードから放出された２次電子は第２ダイノードへ入射し、多数の２次電子を生成し再び真空中へ放出される。これを繰り返すことにより、最終的には１０^６倍程度にまで増倍された光電子を陽極２５により収集して、光電流としてステムピンを通して光電子増倍管の外部へ出力される。

光電子増倍管では、光電陰極の量子効率が低いと、その後、2次電子増倍部で増倍されても、信号の揺らぎが大きくなり、結果として高感度が得られなくなる。本実施形態に係る電子管５は、高い光電変換量子効果が得られる光電陰極１が用いられているため、高精度な測定を行うことができる。

図８は、光電陰極１を備えた電子管７の一実施形態の断面構成を説明する図である。図８に示した電子管７は、画像増強管（イメージインテンシファイア）であり、光電陰極１、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）３１、蛍光面３３、出力窓４３となる光ファイバープレート３５、及びこれらを内包する真空容器３７を備える。電子管７には、光電陰極１の支持基板１１のうち光吸収層１３が設けられていない面が電子管７の開口端に当接するように、真空容器３７の側管の一端から圧入されている。支持基板１１の外側領域は石英・ガラス等の絶縁体からなることとすることができる。真空容器３７の内部においては、光電陰極１の表面層１５と対面するように、数μｍ程度の小径の穴を有する多数束ねられた構造を有するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）３１が設けられている。

また、ＭＣＰ３１を介して光電陰極１と対向するように蛍光面３３が設けられており、蛍光面３３には光ファイバープレート３５が接するように配置されている。また、光電陰極１と対向するように配置された蛍光面３３の表面を覆うように陽極４１が設けられている。

以下、画像増強管である電子管７の動作を説明する。入射窓３９を通して光電陰極１に入射した入射光は、上記電子管５の光電陰極１における場合と同様に、光電陰極内で光電子を励起し、光電陰極の表面から光電子が真空中に放出される。真空中に放出された光電子は、光電陰極１に近接し光電陰極１に対して正の電位が印加されたＭＣＰ３１の入射面に向かって加速される。ＭＣＰ３１に入射した光電子は、ＭＣＰ３１内を透過する間に１０^４倍程度にまで増倍され、ＭＣＰ３１の出力側から再び真空中に放出される。なお、ＭＣＰ３１は、数μｍ程度の小径の穴を有する多数束ねられた構造となっており、光電子はＭＣＰ３１の入射面で入射位置情報を保ったまま出力面側から出力される。

ＭＣＰ３１から放出された光電子は、ＭＣＰ３１の出力面に近接し、ＭＣＰ３１の出力面に対して正の電位が印加された蛍光面３３に向かって加速され入射するので、蛍光面３３が発光する。発光した光像は光ファイバープレート３５を通して出力窓４３から出力される。従って、入射窓に入射したイメージを出力窓４３から２次元情報を保ったまま増倍して出力することが可能となる。

本実施形態に係る電子管７は、高い光電変換量子効果が得られる光電陰極１が用いられているため、紫外域光による光像を可視化すると共に、高精度な測定を行うことができる。なお、上述のいずれの電子管においても、光電陰極１に代えて光電陰極３を適用することが可能である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。画像増強管である電子管７においては、２次電子によって発光する手段として蛍光面３３が用いられているが、これに限定される必要はなく、電子を画像に変換できるものであれば、他の要素であってもよい。例えば、蛍光面３３及びそれに接触するように配置された光ファイバープレート３５の代わりに電荷結合素子（ＣＣＤ）などの撮像素子を備え、２次電子を直接撮像素子の打ち込み、画像化することによっても同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態において表面層１５はＣｓ及びＯからなるものであるが、これに限定される必要はなく、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｋ等又はこれらの酸化物からなるものであってもよい。

第１実施形態に係る光電陰極の構成を示す断面図である。 図１の光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。 図１の光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。 図１の光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。 図１の光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。 第２実施形態に係る光電陰極の構成を示す断面図である。 図１の光電陰極を備えた電子管５の一実施形態の断面構成を説明する図である。 図１の光電陰極を備えた電子管７の一実施形態の断面構成を説明する図である。

符号の説明

１，３…光電陰極、５…電子管、７…電子管、１１…支持基板、１３…光吸収層、１５…表面層、１７…電極、１９…バッファ層。

Claims (5)

1. 単結晶の化合物半導体からなる支持基板と、
   前記支持基板上に設けられ、前記支持基板よりも小さなエネルギーバンドギャップを有し、前記支持基板を透過した入射光を吸収して光電子を発生させる光吸収層と、
   前記光吸収層上に設けられており前記光吸収層の仕事関数を低下させる表面層と、
   を備え、
   前記支持基板がＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮ（０≦Ｘ＜１）により形成されており、
   前記光吸収層が、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎよりなる群から選ばれる少なくとも一種の成分とNとからなる化合物半導体により形成されていることを特徴とする光電陰極。
2. 前記表面層が、一種以上のアルカリ金属又はアルカリ金属化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
3. 前記支持基板を形成するＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｇａ_ＸＮの組成が０≦Ｘ＜０．７の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電陰極。
4. 前記支持基板と前記光吸収層との間に介在し、前記支持基板のエネルギーバンドギャップ以下のエネルギーバンドギャップを有するバッファ層を更に備えることを特徴とする１〜３のいずれか一項に記載の光電陰極。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電陰極と、
   前記光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、
   前記光電陰極と前記陽極とを収容する真空容器と、
   を備えることを特徴とする電子管。
   

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