JP2668285B2 - 改善された伝達電子▲ｉｉｉ▼―▲ｖ▼族半導体光電陰極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明は、一般的にIII−Ｖ族半導体デバイス（一
方の物質は、元素の周期表のIII族に属し、もう一方の
物質は、元素の周期表のＶ族に属するのでこう呼ばれ
る。）に関し、特に、伝達電子III−Ｖ族半導体光電陰
極の構造に関するものである。

従来の技術 半導体光電陰極は、様々な光の感知の応用で使用され
ている。典型的な伝達光電陰極では、光電陰極の正面に
入射したフォトン（可視光及び赤外光）に応答して光電
陰極の背面から電子を真空中に放出する。この発生効率
は、光電陰極の量子効果の測定よりなる。簡単なダイオ
ードでは、光電陰極から真空中に放出又は脱出した電子
は、電界によって加速され、蛍光体ターゲットスクリー
ンに引き付けられ衝突する。蛍光体は、光電陰極上に入
射した光とは異なる波長の入射電子に応答して光を放出
する。

フォトンの吸収は、光電陰極のフォトン吸収層の価電
子帯の電子を、伝導帯の下位のバレー（ガンマバレー）
へと持ち上げる原因となる。最新の光の感知及び映像の
応用に使用した最も効率の良い光電陰極は、ほとんど独
占的に電子のガンマバレーの遷移に頼っている、いわゆ
る負の電子親和力（NEA）の光電陰極である。

NEA光電陰極は、優れた感度を有するが、その長い波
長の応答が、約1.2eVよりも小さいバンドギャップを有
する（1000nmより長い波長）半導体の電子の表面脱出
の、非常に減少された確率によって約1000nmに制限され
る。真空−半導体の界面における仕事関数及び表面障壁
の効果は、真空中への光学的に励起された電子の十分な
遷移を制限する。長い波長の光電陰極の表面障壁効果を
克服するために、外部的にバイアスした様々な光電陰極
が、ここ数年にわたり研究されてきた。外部的にバイア
スした光電陰極は、主として、バルクフォトン吸収活性
化層におけるフェルミ準位に関する真空エネルギー準位
を低くすることによってカットオフされた長い波長を伸
ばすことができる。数々のｐ−ｎ結合、MOS、場の放
出、ヘテロ結合、バイアスされた光電陰極が、提案さ
れ、実験的に研究されてきた。しかし、実際的な興味と
して必要とされる低い暗電流と結び付いた合理的に効率
的な光電子放出を示したものは、米国特許第3958143号
（以下、'143号特許という），ベル（Bell）によって特
許を受けた伝達電子（TE）の開発より以前には存在しな
かった。TE光電陰極の動作の原理の完全な説明は、NEA
光電陰極の制限の議論とともに、ベルの'143号特許で見
られる。本発明は、TE光電陰極の分類に属する。

1974年、ベルらは、初めて、TE光電子放出のメカニズ
ムを利用して、バイアスをかけたｐ−InP光電陰極を実
際に行った（“InPからの電子遷移光放出”、アール・
エル・ベル（R.L.Bell）、エル・ダブリュ・ジェームズ
（L.W.James）及びアール・エル・ムーン（R.L.Moo
n）、25 Appl.Phys.Lett.645（1974年））。TE光電子放
出は、InP、InGaAsP合金及びGaAsのようなIII−Ｖ族の
半導体において、電子が、適度の電場を印加することに
よって適当な効率で上位の伝導帯のバレーへと促進され
ると言う事実に基づいている。それで、上位のバレーへ
と十分に遷移するか又はホットガンマ電子（hot gamma
electron）となる光生成電子は、仕事関数及び表面エネ
ルギー障壁を越えて真空中へ高い確率で放出されるのに
十分活動的である。この初期の結果に従って、1000nmか
ら1650nmの領域における実験的な高実行性のTE光電陰極
が、広く調査されている；“１−２μｍ領域における場
をかけた半導体の光電子放出器（Field−assisted Semi
conductor Photoemitters for the 1−２μｍ Rang
e）”、ジェー・エス・エッシャー（J.S.Escher）、ア
ール・エル・ベル（R.L.Bell）、ピー・イー・グレゴリ
ー（P.E.Gregory）、エス・ビー・ハイダー（S.B.Hyde
r）、ティー・ジェー・マローニー（T.J.Maloney）、ジ
ー・エー・アンティパス（G.A.Antypas）、IEEE Trans.
Elec.Dev.ED−27,1244（1980）。

TE光電陰極において、電子は、更に、伝導帯のガンマ
バレーの下位のエネルギー準位から、伝導帯における上
位の付随的なバレー（satellite valley）（以下、サテ
ライトバレーという）（Ｌ又はＸ）又はガンマバレーの
より高いエネルギー準位に持ち上げられ又は促進され
る。そのTE光電陰極の電子の促進は、10⁴V/cm又はそれ
以上の電場を導入することにより達成される。（場の強
度は、半導体のドーピングと電気的バイアスとの関数で
ある。）TE光電陰極は、ほとんど独占的に、上位のサテ
ライトバレーへの遷移に依存しているので、TE光電陰極
は、より高い限界（threshold）を一層確実に克服で
き、電子を脱出させることができる。（この限界は、真
空エネルギー準位と呼ばれている。） 種々の使用しうる半導体物質は、様々なバンドギャッ
プ（つまり、その価電子帯と伝導帯との間のエネルギー
差）を有する。一面から言えば、エネルギーが高くなる
程、電子がジャンプし、電子が真空中に脱出する確率が
高くなるので、より大きなバンドギャップを有する物質
を選択するのが望ましい。しかし、その一方、大きなバ
ンドギャップを有する半導体物質は、価電子帯から一層
高い伝導帯へジャンプさせるのに十分なエネルギーを有
するフォトンを必要とする。入射するフォトンの波長
は、典型的に、1000nm以下でなければならない。したが
って、一層良好な電子放出は、一層制限されたフォトン
の波長の感度を犠牲にする。NEA光電陰極においてしば
しばなされる妥協の結果がそれであり、ここで、真空エ
ネルギー準位の僅か真上に単一の遷移伝導帯（例えば、
ガンマバレー）を置くことを犠牲にして、より長い波長
のフォトン（例えば、赤外線）に対する感度が達成され
る。電子エネルギー準位がNEA光電陰極において真空エ
ネルギー準位に非常に近いので、電子の脱出確率は、真
空に対する光電陰極の界面における物質の“仕事関数”
又は表面障壁の小さな変化によって顕著に変化する。

光電陰極の表面から真空中に脱出させるためには、電
子は、真空エネルギー準位を克服できるほど十分に活動
的でなければならない。NEA光電陰極では、バルク物質
の伝導帯のガンマバレーの電子の効果的電子親和力は、
半導体表面における仕事関数及び半導体のバンドギャッ
プによって決定される。バンドギャップ領域は、典型的
に、100Åの幅以上はないので、ガンマバレーの電子
は、ほとんど又は全くエネルギーを失うことなしにホッ
ト電子としてその領域を横切って遷移できる。このよう
に、バンドギャップが半導体表面における仕事関数より
大きければ、電子は、より大きな確率で、仕事関数を克
服し真空中へ脱出するのに十分なエネルギーを有して表
面に到達する。したがって、光電陰極の使用において
は、仕事関数を減少させる活性化層や低い仕事関数を持
った金属が好まれる（例えば、ベルの米国特許第364477
0号を参照）。

TE光電陰極では、電子がバイアスによって作られた空
乏領域を通じて遷移されるときに、伝達電子効果によっ
て、電子をより上位のエネルギー準位に促進させる半導
体の電界を展開させるために、バイアスが適用される。
電場によって電子に与えられたエネルギーは、上述のよ
うに、仕事関数より大きく、電子を真空中に脱出させる
のに充分なエネルギーを電子に持たせる。ベルの'143号
特許に記述されているとおり、単一のショットキー障壁
は、バイアス電圧の印加を許容する銀を使用して、半導
体と活性化層との間に設けられる。金属と半導体との間
のショットキー障壁の高さは、正孔電流（hole curren
t）が金属から半導体の中へ流れ込むのを妨げるのに充
分な高さを必要とする。大きな正孔電流は、正孔電流に
結合した電子／正孔対が作られることを通じて雑音が発
生することに加えて、薄い金属層でのIR降下のため、半
導体に充分なバイアスの適用を妨げるであろう。従来の
技術では、半導体への一様なバイアスの適用を可能に
し、真空中に脱出しない電子のために帰還路を設けるた
めに、光電陰極の全ての電子放出表面上に、金属が一様
に適用される。しかし、電子が最初に金属を通過しなけ
ればならず、ブロックされた電子が帰還電流に加わるの
で、そのような金属層のいずれもが、幾らかの電子の脱
出を妨げる。銀の表面にセシュウム及び酸素の活性化層
を適用させることにより低い仕事関数の表面と高い電導
率とが得られるので、その金属には、銀が選択された
（そのような活性化が、金属として金を使用して、約1.
0eVに金属の仕事関数を低くする）。TE光電陰極におい
て、銀の使用は、ベルの提出した好適実施例として、ベ
ルの'143号特許で説明されている。

幾つかのTE半導体光電陰極は、半導体フォトン吸収層
と、別の半導体電子放出層とから構成され、これら二つ
の層の間に、ヘテロ結合が形成されている。他のTE半導
体光電陰極では、単一の半導体層が、フォトン吸収層と
して、及び電子放出層として使用されている。いずれの
場合においても、周知のように、光電陰極の暗電流、つ
まり、光フォトンの欠乏で流れる電流は、もしフォトン
吸収層がＰ型物質で構成される場合、最小となるだろ
う。

もし、脱出しない電子が表面の一点に集めることがで
きるなら、余分な電子付近の表面を“バイアスオフ（bi
as off）”するのに十分な電荷が発生し、その後、脱出
する電子が無くなるだろう。メタリゼイション層（meta
llization layer）は、ガンマバレーから伝導帯の上位
のサテライトバレーへの電子の効率的な遷移を可能にす
る、光電陰極に一様にバイアスする方法を与えることに
加えて、表面の電子のために帰還路を設けるように働
く。しかし、与えられたデバイスの動作条件で、十分に
伝導する程度に十分に厚く、電子放出に大きすぎる障害
物にならない程度に十分薄くなるように、トレードオフ
がメタリゼーション層でなされる。一般的に、銀は他の
金属と比較して電子を脱出させるのに“透過的な”物質
であるが、半導体表面に堆積された場合、銀は、より厚
い層を適用することで克服しうるアイランランドを形成
し凝集する傾向にある。したがって、高い電子透過性媒
体としての銀の利点は失われる。このような銀の厚い層
は、放出により発生したた電子の90％近くの量が、銀の
原子構造と衝突し、脱出するためのエネルギーをあまり
にも降下させるという結果になる。再び、この脱出しな
い電子は、光電陰極の表面から離れて集められ伝導され
る。

従来の技術のTE光電陰極におけるその他の問題は、TE
光電陰極の小さい領域に入射した大量のフォトン束が、
促進された電子の大きな集団をつくるとき生じる。可能
な限り薄いメタリゼイション層を有することが一般的に
は望ましいが、非常に薄いメタリゼイション層は、“ブ
ルーミング”、つまり入力した大量のフォトン束が小さ
な領域に閉じ込められるにもかかわらず、より一層大き
な領域が影響を受ける、として良く知られた問題を次々
に引き起こす原因となる比較的大きな抵抗を示す。ブル
ーミングは、通常、蛍光体のスクリーン上における白い
斑点の成長により分かるが、TE光電陰極のブルーミング
は、ちょうど反対の効果をもたらす。すなわち、光電陰
極が、光電陰極表面上の電子の大きな集団によってバイ
アスオフされると、蛍光体のディスプレイスクリーン上
の暗斑点が成長する。放出のために発生された電子の半
分以上が、メタリゼイション層により帰還され巻き上げ
られるので、大きなIR（電流×抵抗）降下が、斑点とデ
バイスの接触パッドとの間、つまり、バイアス電圧が印
加されるところの光電陰極の周辺の点に形成される。従
来の技術のデバイスでは、帰還路に電子が停滞し、電子
が蓄積し、最初に含まれていた以上に大きな領域を含
む。最悪の場合には、この停滞は、光電陰極の表面全体
にわたって行われ、蓄積された電荷は完全にデバイスを
バイアスオフする。この現象は、また“光学応答損失”
として技術上良く知られている。

従来の技術のその他の実際上の欠点は、接触パッド
と、十分な電子伝達に要される極めて薄いショットキー
障壁との、チューブ組立体での信頼性のある機械的接触
を形成することが困難であることである。もし、薄い金
属層が接触プローブによって直接的に貫通されているな
らば、接触パッド上の電気的接触は、途切れるようにな
るだろう。金属層の貫通は、またショットキー障壁を効
果的にシャントするであろう容認出来ない高い漏れ電流
を結果的に生じさせる接触領域に高い場の領域を生じさ
せることになるであろう。

熱除去（heat clean）後の漏れ電流が、結果として生
じるショットキー障壁に対して低く残っているので、ア
ルミニウムが、比較的厚い接触パッドが半導体表面に直
接に適用される場合に、非常に好ましい熱除去熱安定性
を有し、アルミニウムが優れた選択となることが決定さ
れてきた。発明者らは、他の幾つかの金属を調査し研究
してきたが、良好なショットキー障壁を維持するが、熱
除去の働きをする他の金属を発見しなかった。更に、ア
ルミニウムの熱除去の働きをする能力が、下記に述べる
ように、半導体表面上への直接のフォトリソグラフィに
よるグリッド構造物の取り付けを可能としている。熱除
去工程後に厚い接触パッドの蒸着を要する従来の技術
は、完成されていた。このことは、光電陰極の表面に正
確に位置された厚いUHV金属の堆積の付加的な乱雑さを
もたらした。このアルミニウムの特異な性質は、熱除去
に関する熱サイクルの後さえInP上にショットキー障壁
を維持し且つ最終の化学的洗浄（光電陰極の熱洗浄の前
に必要とされる）に関する化学的工程を無事切り抜ける
能力も含むものである。

アルミニウムが優れた熱安定性を示すので、光電陰極
の活性化に先だつ半導体表面の最終的な化学的洗浄及び
熱除去の前にグリッド構造物にフォトリソグラフィ技術
を用いてパターン形成され得る。グリッド構造物は、同
時に、光学応答損失を阻止し、量子効率を改善する。

本発明の概要 本発明の目的は、TEIII−Ｖ族半導体光電陰極におけ
る量子効率を改善することである。

更に、他の目的は、光学応答損失に関するブルーミン
グの領域を修正することにある。この修正は、このよう
な影響を受ける領域を必要最小限にし、光学応答損失に
屈服した光電陰極の領域の回復時間を改善するであろ
う。

更に、他の目的は、接触プローブによって貫通されな
い厚いショットキー障壁の金属層に、相対的に厚い、熱
的に安定な、そして信頼できる機械的接触を形成するこ
とである。

更に、他の目的は、電流を帰還する高い表面の抵抗率
のためにこれまで使用できなかった低い仕事関数のショ
ットキー障壁の使用を可能にすることにある。

更に、他の目的は、接触パッド及びグリッドのメタリ
ゼイション層を熱除去の前に適用することであり、これ
により、接触パッド及びグリッドのメタリゼイション層
は、構造体に形成され、一様なバイアスを半導体に与え
る層の要求されたメタリゼイションの厚さを減じること
によって、量子効率及び光学応答を改善する。

簡単に言えば、本発明は、第１の好適実施例において
は、ｐ型の基板と、ｐ型のフォトン吸収層と、電子放出
層と、結果的に生じるヘテロ結合と、接触パッドと、メ
タリゼイション層と、結果的に生じるショットキー障壁
と、及び活性化層とから成る。接触パッドは、電子放出
表面の一方の面にアルミニウムで作られる。メタリゼイ
ション層は、グリッドの形状で形成され、アルミニウム
で作られる。それは、放出領域全体にわたって分布さ
れ、それと接触パッドとが、選択的な付加的なメタリゼ
イション層及び活性化層によって覆われる。追加的メタ
リゼイション層、又は、使用されないとき、活性化層の
いずれかは、半導体とともにショットキー障壁を形成す
る。本発明の第２の好適実施例は、フォトン吸収及び電
子放出が、単一の層で起こり、それ故、挿入されたヘテ
ロ結合が存在しないと言う点を除いて、第１の好適実施
例と同一である。第３の実施例は、ショットキー障壁が
別の方法で絶縁層にわたってみられるところの絶縁層を
挿入することによって、接触パッド及びグリッドのメタ
リゼイション層の下にショットキー障壁を有する必要性
を無くするものである。

本発明の利点は、グリッドが、光電陰極の表面に、よ
り効率的な帰還路を設け、光学応答損失が生じる領域に
よる影響を阻止することである。

他の利点は、表面を銀又は他の金属で一様にコーテイ
ングし被覆することで生じた一層大きな割合の損失と比
較して、グリッドが、グリッドのラインで光電陰極の表
面積の小さな割合しかブロックしないということであ
る。光電陰極の量子効率の大きな改善は、より高い出力
のスレッショルドと、より感度の良い入力のスレッショ
ルドとによって可能となる。

本発明のその他の利点は、以前には、メタリゼイショ
ン層の厚さと、メタリゼイション層にわたるIR降下とを
トレードする必要性があった点に選択肢を与え、非常に
薄いショットキー障壁の層が、光電陰極の表面に一様な
バイアスを与えるために使用されるたことである。

本発明のその他の利点は、接触パッドのアルミニウム
が、断続する接触の問題の原因を起こす“抵抗（ohmi
c）”を生じさせないことである。熱除去の後、接触パ
ッド及びグリッドにおけるショットキー障壁の高さは、
許容できる低い準位へと障壁を越えて正孔放出を維持す
る、約0.82eVに決められる。アルミニウムはまた、化学
的な除去を良好に行い、存在する部品に堆積させるのが
容易である。

本発明のすべての目的及び利点は、種々の図面の図で
説明されている提出された実施態様の下記詳細な記述を
読んだ後においては、通常の当業者にとって疑いもなく
明白になるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、TEIII−Ｖ族半導体光電陰極を含むチュー
ブの略図である。

第２図は、本発明のTEIII−Ｖ族半導体光電陰極の断
面図である。

第3A図及び第3B図は、TEIII−Ｖ族半導体光電陰極の
エネルギーバンドの線図の略図であり、第3A図は、光電
陰極にかけられたバイアスが無い場合を示し、第3B図
は、かけられたバイアスが有る場合を示す。

第4A図及び第4B図は、（１）本発明を含むのTEIII−
Ｖ族半導体光電陰極の部分の等角の投影図であり、
（２）好適実施例におけるグリッドの環状スポーク設計
の説明図である。

第5A図及び第5B図は、電圧と距離との関係を示すグラ
フであり、（１）第5A図は、従来の技術の光電陰極を示
し（２）第5B図は、本発明を組み入れた光電陰極を示
す。

好適実施例 第１図を参照すると、全部が真空18の中にある、光電
陰極12と、陽極14と、蛍光体スクリーン16とから成る排
出チューブ10から成る単一ダイオードデバイスが示され
る。実際には、蛍光体スクリーン16と陽極14とは、商業
的に入手しうる蛍光体の上に堆積したアルミニウム層か
ら作られる集積ユニットを形成する。フォトン20は、光
電陰極12内の電子22の発生をトリガーする。電子22は、
真空22に入り、光の放出を引き起こす蛍光体スクリーン
16に向かって陽極14により引き付けられる。

第２図は、第１図に示された光電陰極12の第１の好適
実施例の詳細図である。光電陰極12は、基板32、フォト
ン吸収層34、ヘテロ結合36、電子放出層38、ショットキ
ー障壁39、第１の接触パッド40、メタリゼイション層4
1、グリッド42、活性化層44、及び接触パッド45から成
る。ヘテロ結合36は、電子放出層38とフォトン吸収層34
との間に形成される。フォトン46は、価電子帯の電子50
から伝導帯の電子48を作り出す層34の中に吸収される。
第１の接触パッド40（＋）と接触パッド45（−）との間
に示されるように印加された、光電陰極12のバイアス電
圧によって作られた電界は、電子48を、真空18へと脱出
する一層活動的な上位のサテライトバレーの電子54に促
進させる。第１の接触パッド40、接触パッド45、メタリ
ゼイション層41及びグリッド42に印加されたバイアス電
圧は、ショットキー障壁39から、少なくともヘテロ結合
36へと広がる空乏地域を作り出す役割を担っている。

基板32は、対象のフォトンに対しては本質的に透過で
あり、わずか16ミルの厚さである。InPに基づくTE光電
陰極の場合、フォトン吸収層34は、１×10¹⁵cm^-3から１
×10cm^-3にドープされた、ｐ型物質であり、200ナノメ
ーターから2000ナノメーターの厚さである。フォトン吸
収層34が薄いほど、応答時間は速くなるが、それを厚く
することによって、光学的な吸収によって増加した量が
拡散損失によって相殺（offset）されないと仮定するな
らば、より良い量子効率がもたらされ、入って来たフォ
トンのより多くが吸収される。

吸収層が完全に減損されていない場合、より高いドー
ピングレベルが、暗電流を改善する。電子放出層38は、
１×10¹⁷cm^-3以下のドーピングで、200ナノメーターか
ら1000ナノメーターの範囲の厚さの、ｎ型又はｐ型のい
ずれかである。

本発明の第２の好適実施例においては、フォトン吸収
層34、ヘテロ結合36、電子放出層38（第２図に総て記
載）の機能を置き換え、それらを無くする単一の半導体
層があるだけである。第１と第２の好適実施例の原理上
の差異は、デバイスの製造が容易なため、第２の好適実
施例の方が製造するのにより安くできることである。

本発明の他の実施例において、接触パッド40とグリッ
ド42との間に絶縁層（図示せず）が堆積されていること
である。この絶縁層は、接触パッド40とグリッド42とを
直接半導体上に成長させたとき、ショットキー障壁39を
形成する第１の目的であった接触パッド40とグリッド42
とから流れる正孔電流を妨げる。しかし、ショットキー
障壁39は、電子放出層38とともに活性化層44とメタリゼ
イション層41との間の接触のある部分に依然として存在
する。この第３の実施例は、必要とされる絶縁層を堆積
することによって突き当たる製造上の費用が増加し複雑
になること、そして絶縁層の堆積及びパターンを形成し
た後に電子放出層上で必要とされる奇麗な表面を得るこ
との困難さのために、発明者によってもっとも望ましく
ないと見られている。たとえそうであっても、それにも
かかわらず最初の二つの実施例の利点は、ここに述べら
れたのと同様の機構によって得られている。

各々の実施例において、本発明のグリッドの構造は、
光電陰極12の表面の数パーセントしか遮断しないし、そ
れは、非常に薄いメタリゼイション層の使用が光電陰極
12の他の領域を越えてショットキー障壁39を形成できる
ようにする。ショットキー障壁型メタリゼイション層41
は、グリッド42が放出されない電子に大部分の帰還路を
与えるために、非常に薄くすることができる。フォトン
46束の小さい入力を加える場合、セシューム／セシュー
ム酸化物か、又は他の低い仕事関数を有する活性化層44
は、メタリゼイション層41なしで十分な伝導性を有し、
この目的に役立つ適当なショットキー障壁39を形成す
る。より高いフォトンの入力を加える場合、メタリゼイ
ション層41は、活性化層の下に加えることができる。し
かし、この場合でさえ、層41は、グリッド42なしで従来
の技術のデバイスで必要とされるよりもっと薄くでき
る。幾つかの金属の一つ、パラジュームも含まれるが、
非常に薄い層にメタリゼイション層41として堆積でき、
適当な伝導性を有し、層41が光電陰極に規則正しいバイ
アスを与えるようにさせる十分なショットキー障壁を形
成する。

第１図の光電陰極12のエネルギーバンドの概略線図
は、第3A図及び第3B図に示されている。バイアスされて
いない状態における光電陰極12は、第3A図に示されてい
る。第3A図によれば、ｐ−InP物質の基板32があり、そ
の上にフォトン吸収層34が横たわり、次々に電子吸収層
38、メタリゼイション層41が横たわり、前述したすべて
の上に活性化層44が横たわる。価電子帯110は、符号114
の点においてメタリゼイション層41、グリッド42、活性
化層44に接触し曲線112を形成する。曲線112は、（１）
金属の存在（たとえば、41、42、及び44）、（２）電子
放出層38内のドーピング、そして（３）電界によって引
き起こされる。曲線112は、活性化層を横切って続いて
行く。フェルミ準位116は、基板32のバルク半導体物質
より構成され、価電子帯110より高い電子エネルギー状
態である。フェルミ準位116の上に伝導帯のより低いバ
レーであるガンマバレー118がある。ガンマバレー118
は、基板より小さいバンドギャップを持っているフォト
ン吸収層34の領域においてくぼみ120を、電子放出層38
において背こぶ122を有する。背こぶ122は，フォトン吸
収層34のガンマバレー120にのみ励起する電子が真空界
面表面130に移動することを妨げる。第３図において、
バイアスされた状態で第２図の光電陰極12を示したよう
に、背こぶ122は、バイアスの加速によって除去され、
このように加速場が電子放出層38をとして形成される。
加速場は、より高いエネルギー電子54に電子48を持ち上
げる役割を果たす。

価電子帯110とガンマバレー118間のエレクトロンボル
ト（eV）でのエネルギーの差異を示す、基板32における
第一のバンドギャップ124は、フォトン吸収層34におい
てより小さな第２のバンドギャップ126に減少する。第
３のバンドギャップ128は、第２のバンドギャップ126よ
り大きい。Ｌ型バレー132とＸ型バレー134は、伝導帯上
のサテライトバレーを現す。

真空エネルギー障壁136は、真空エネルギー障壁136の
準位より小さなエネルギーを持つ伝導帯から電子の放出
を妨げる真空界面表面130に存在する。

第２図において、フォトン46は基板32を通ってフォト
ン吸収層34の中に通過し、価電子帯の電子50をガンマバ
レーの電子48になる原因となる原子（ここでは示されて
いないが）に吸収される。ガンマバレーの電子48は、電
場（ここでは示されていないが）によってＬ型バレー
（第3A図及び第3B図における132）又はＸ型バレー（第3
A図及び第3B図における134）にエネルギーを与えられた
電子54に持ち上げられる。電子54は、そのとき、真空準
位（第３図における136）より高い位置にあり、真空界
面（第３図における130）を通過して真空18に脱出す
る。

第4A図において、光電陰極12は、光電陰極の小領域に
フォトン140の強力な入射をうける（以下の議論を明快
にするためにだけに、グリッド42の形態をむしろ隠して
しまうので、第4A図と第4B図において光電陰極12の表面
に横たわるメタリゼイション層41と活性化層44を示して
いない）。電子142の大部分は、放出され、この領域に
おける電子放出層38の表面において電圧降下の原因とな
る。第5A図と第5B図のグラフは、表面の電圧とグリッド
ラインからの距離を示したものであり、各々、銀のメタ
リゼイションのみの従来の技術の光電陰極（ベルの'143
号特許のようなもの）及びアルミニウムグリッドを含む
本発明（第4A図に示す）を示している。

第5A図（従来の技術）において、電圧形状150は光学
応答損失点152によって引き下げられる。電圧形状150の
下っている部分によって現されるIR降下は、バイアス電
圧154と交差した以降の全ての表面の点を、バイアスオ
フし、もはや真空中で電子放出を出来ないようにするよ
うにしてしまう。第5B図で示したように、本発明の場合
に電圧形状160の最小部分は光学応答損失点164において
バイアス電圧162まで下がる。アルミニウムグリッドラ
イン166（グリッド42のラインと同様に）は、接触パッ
ド40よりもっと近くにあり、従来の技術におけるメタリ
ゼイション層より放出表面領域においてはるかに伝導性
がよい。周囲のグリッドラインを越えて広がる光学応答
損失は除去され、損失の大きさはグリッド間の距離168
に制限される。

第4B図の環状スポークグリッド42はその形状に関し第
4Aのグリッド42と相異する。環状スポークグリッド42
は、外側のリング146と多数のスポーク148からなる。機
能は同じであるが、第4B図において、スポーク148は交
差しておらず、すべて外側のリング146とつながってお
り、次々に接触パッドとつながっていく。第4B図に示し
た環状スポークグリッド42は、第4A図の角型グリッドよ
り、回転によって、除去するための化学薬品をより迅速
に乾燥できると発明者により考えられている。

本発明は、幾つかの実施例の各々において記述されて
いるが、開示が制限として解釈されないことは当然とす
るところである。種々のものは、疑いもなく上記開示を
読んだ後に当業者にとっては明白である。したがって、
すべての変更や修正を含むものとして解釈される添付の
請求の範囲は真の発明の精神及び範囲内でにあるという
ことを意図するものである。

フロントページの続き (72)発明者 エアービー、バール・ダブリュー アメリカ合衆国カリフォルニア州94025 メンロ・パーク、ローレル・ストリー ト220 (56)参考文献 特開 平２−234323（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−299088（ＪＰ，Ａ)

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伝達電子III−Ｖ族半導体光電陰極であっ
   て、 フォトン束の入力に応答して電子を放出するためのｐ型
   III−Ｖ族半導体層と、 ｐ型III−Ｖ族半導体層の露出表面に形成される網目グ
   リッドと、 半導体層の残りの露出表面に形成される活性化層であっ
   て、この活性化層が、半導体層とともにショットキー障
   壁を形成し、半導体層の仕事関数を低くする、ところの
   活性化層とから成る、光電陰極。
2. 【請求項２】伝達電子III−Ｖ族半導体光電陰極であっ
   て、 フォトン束の入力に応答して電子を放出するための、ｐ
   型半導体物質のフォトン吸収層と、 フォトン吸収層の表面に成長され、界面にヘテロ結合を
   形成した、III−Ｖ族半導体物質の電子放出層と、 電子放出層の露出表面の第１の部分の接触パッドであっ
   て、この接触パッドが、電子放出層に形成した金属から
   成る、ところの接触パッドと、 電子放出層の露出表面に形成される網目グリッドと、 電子放出層とともにショットキー障壁を形成し、電子放
   出層の仕事関数を低くする、電子放出層の残りの露出表
   面に形成される活性化層とから成る、光電陰極。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 III−Ｖ族半導体層と網目グリッドとの組み合わせによ
   って形成された表面と、活性化層との間に挿入されるメ
   タリゼーション層をさらに含む、光電陰極。
4. 【請求項４】請求の範囲第２項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 電子放出層と網目グリッドとの組み合わせによって形成
   された表面と、活性化層との間に挿入されるメタリゼー
   ション層をさらに含む、光電陰極。
5. 【請求項５】請求の範囲第２項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 フォトン吸収層が、InGaAsPから成り、 電子放出層が、InPから成り、 網目グリッド及び接触パッドが、アルミニウムから成
   る、ところの光電陰極。
6. 【請求項６】請求の範囲第２項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 網目グリッドが、アルミニウムから成り、その形状は、
   円形であり、外側リムから中心に集中するスポークを有
   し、いずれのスポークも、他のスポークと交差する前
   に、接触せずに終わり、 これにより、光電陰極を回転させることによって化学薬
   品を確実に除去する、ところの光電陰極。
7. 【請求項７】請求の範囲第６項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 アルミニウムのグリッドのライン幅が、通常、３マイク
   ロメーターであり、 グリッドのラインの間の開きが、40マイクロメーターと
   350マイクロメーターとの間の範囲にある、ところの光
   電陰極。
8. 【請求項８】請求の範囲第６項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 アルミニウムの網目グリッドの形状が、長方形又は正方
   形であり、十字に交差する水平及び垂直のグリッドのラ
   インを有する、ところの光電陰極。
9. 【請求項９】請求の範囲第８項記載の伝達電子III−Ｖ
   族半導体光電陰極であって、 アルミニウムのグリッドのライン幅が、通常、３マイク
   ロメーターであり、グリッドのラインの間の開きが、40
   マイクロメーターから350マイクロメーターであり、 このことから、電子放出層のマスキングが最小にされ、
   アルミニウムのグリッドの電子の収集が最大にされる、
   ところの光電陰極。
10. 【請求項１０】伝達電子III−Ｖ族半導体光電陰極であ
    って、 フォトン束の入力に応答して電子を放出するIII−Ｖ族
    半導体物質の層と、 前記半導体層の上に横たわるショットキー障壁と、 III−Ｖ族半導体物質の前記層の周辺部分に直接的に堆
    積された、比較的厚みのあるアルミニウム接触パッドで
    あって、このアルミニウムの接触パッドが、ショットキ
    ー障壁層の一部分を形成する、ところの接触パッドと、 伝導帯のガンマ・バレーから伝導帯のＬ型バレーへと電
    子のエネルギーを持ち上げるための手段であって、持ち
    上げられた電子が表面から真空中へと脱出するのに十分
    なエネルギーである、ところの手段とから成る、光電陰
    極。
11. 【請求項１１】請求の範囲第１項記載の伝達電子III−
    Ｖ族半導体光電陰極であって、 網目グリッドが、ショットキー障壁フォーメーションに
    なるｐ型III−Ｖ族半導体層の露出表面に直接に形成さ
    れる、光電陰極。
12. 【請求項１２】請求の範囲第２項記載の伝達電子III−
    Ｖ族半導体光電陰極であって、 接触パッドが、ショットキー障壁フォーメーションにな
    る電子放出層に直接に形成され、 網目グリッドが、ショットキー障壁フォーメーションに
    なる電子放出層の露出表面に直接に形成される、ところ
    の光電陰極。
13. 【請求項１３】請求の範囲第５項記載の伝達電子III−
    Ｖ族半導体光電陰極であって、 フォトン吸収層が、200ナノメーターと2000ナノメータ
    ーとの間の範囲の厚さを有し、１×10¹⁵cm^-3と１×10¹⁸
    cm^-3との間の範囲のｐ型物質のドーピングを有し、 電子放出層が、200ナノメーターと1000ナノメーターと
    の間の範囲の厚さを有し、１×10¹⁷cm^-3以下のｐ型又は
    ｎ型物質のドーピングを有する、ところの光電陰極。
14. 【請求項１４】請求の範囲第13項記載の伝達電子III−
    Ｖ族半導体光電陰極であって、 さらに、InPの基板を含み、前記基板にフォトン吸収層
    が成長され、前記基板が通常、16milの厚さである、と
    ころの光電陰極。
15. 【請求項１５】請求の範囲第11項記載の伝達電子III−
    Ｖ族半導体光電陰極であって、 網目グリッドが、熱的に安定なショットキー障壁になる
    アルミニウムから成る、ところの光電陰極。
16. 【請求項１６】請求の範囲第12項記載の伝達電子III−
    Ｖ族半導体光電陰極であって、 網目グリッドが、熱的に安定なショットキー障壁になる
    アルミニウムから成る、ところの光電陰極。