JP3615857B2 - 光電面及びそれを用いた電子管 - Google Patents
光電面及びそれを用いた電子管 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3615857B2 JP3615857B2 JP2012196A JP2012196A JP3615857B2 JP 3615857 B2 JP3615857 B2 JP 3615857B2 JP 2012196 A JP2012196 A JP 2012196A JP 2012196 A JP2012196 A JP 2012196A JP 3615857 B2 JP3615857 B2 JP 3615857B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- active layer
- photocathode
- layer
- semiconductor substrate
- composition ratio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明はIII−V族化合物半導体からなる光電面、特に被検出光の入射面から光電子を放出するいわゆる反射型光電面、及びそれを用いた電子管に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、活性層を構成するGaAsは負の電子親和力を有しているので、それを備えた光電面は高性能である。図7はその一例としてのいわゆる反射型光電面であって、GaAsからなる半導体基板10上にp型GaAsからなる活性層21がエピタキシャル成長される。そして、真空容器(図示せず)内で加熱清浄化された活性層21表面にはその仕事関数を低下させるためにCs2Oからなる表面層22が形成されることによって、波長900nmまで比較的高い感度を有した上記反射型光電面が得られており、それを備えた光電子増倍管も既に実用化されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一方、GaAsよりもエネルギギャップの大きいGaAsPからなる活性層21を備えた光電面も開示され、900nmより短い波長、特に可視光領域の波長に感度を有している。しかしながら、活性層21を構成するGaAsPは、その組成を変化させてもそれと格子整合する適当な半導体基板10が存在しない。よって、GaAsP活性層21と格子整合しないGaAs又はGaPがその半導体基板10として用いられると、結果としてGaAsP活性層21の結晶性が低くなった光電面は期待される以上の感度を得ることはできない。実際に、図8に示すIII−V族化合物半導体及びその混晶のエネルギーギャップと格子定数の関係から明らかなように、活性層21をGaAsPとした場合、それと格子定数の一致する半導体基板10は存在せず、高品質なGaAsP活性層21を得ることは本質的に困難である。
【0004】
GaAsP活性層21と半導体基板10との間の格子不整を緩和するため、図9に示すように活性層21がGaAsPの組成を傾斜させたものにしたり、あるいは、図10に示すようにGaAs/GaAsP超格子層11を半導体基板10とGaAsP活性層21との間に介在させたものにしたりしているが、本質的な解決には至っていない。よって、上記のような問題点を持った光電面が光電子増倍管等の電子管に組込まれた場合には、微弱光を効率よく検出することは困難である。
【0005】
そこで本発明者は、半導体基板とエピタキシャル層との間に格子不整がほとんど存在しない材料構成について種々の組合わせを検討した結果、GaInP系の材料を用いることで、上記問題点を本質的に解決できることを見出した。本発明は、係る知見に基づき完成されたもので、可視光領域で高感度な光電面、及びそれを用いた電子管を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電面は、Ga及びAsを主成分とするIII−V族化合物半導体基板と、半導体基板上にGaxIn1−xPからなるキャリア濃度が1×1018cm−3以上のp型化合物半導体によって形成され、検出対象である被検出光を吸収して光電子を発生させる活性層と、活性層中央部上にアルカリ金属又はその酸化物又はそのフッ化物によって形成され、活性層に仕事関数を低下させる表面層とを備えた光電面であって、活性層の原子組成比xの範囲は0<x≦0.75であることを特徴とする。これによって、半導体基板とこの上にエピタキシャル成長された活性層との間に格子不整合が生じることは少なく、しかも可視光によってGaInP活性層は効率良く光電子を生成させるので、係る光電面は高効率で光電子を外部に放出させることができる。
【0007】
また、半導体基板は上面に活性層よりもエネルギギャップが大きい(AlyGa1−y)x’In1−x’Pからなるバッファ層を有しており、バッファ層の原子組成比x’が活性層の原子組成比xと等しいことを特徴としてもよい。バッファ層によって、半導体基板の活性層に結晶欠陥が伝播されにくくなり、したがって活性層中の結晶欠陥を低減できる。
【0008】
また、活性層の原子組成比xの範囲は0.45<x<0.55であることを特徴としてもよい。これによって、活性層の結晶欠陥はさらに抑制される。
【0009】
本発明に係る上記光電面を用いた電子管は、光電面と、光電面を内部に収容して内部が真空状態に保たれた真空容器と、真空容器内部に設置され、光電面に対して正の電圧を保持する陽極とを少なくとも備える。これによって、光電面からの光電子信号を電気信号に変換することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照して実施形態毎に説明する。
【0011】
図1は本発明に係る光電面の第1実施形態の断面図である。キャリア濃度1×1019cm−3であるp型GaAsからなる、市販された厚さ350μmの半導体基板10上に、キャリア濃度1×1019cm−3であるp型GaxIn1−xPからなる厚さ5μmの活性層21が0<x≦0.75の範囲で気相エピタキシャル成長して形成されており、検出対象である被検出光を吸収して光電子を発生させている。ここで上述したx=0.75という限界値は図2に示すように、GaxIn1−xP活性層21が直接遷移半導体となり得る限界の組成であって、x>0.75となったGaxIn1−xP活性層21は間接遷移半導体となるので吸収係数は急激に低下し、光電面の感度は急激に低下することが予想される。
【0012】
そこで、本発明者はGaxIn1−xPの活性層21を試作し、光電感度の指標の一つである量子効率を測定した。図3は0≦x≦0.8の範囲対して、波長500nmにおける量子効率を測定した結果である。理論的に予想されるように、x=0.8でのGaxIn1−xP活性層では光電子が発生しなくなり、x≧0.75では量子効率も急激に低下することが確認できた。
【0013】
しかも、図3の実験結果に示されるように、試作されたGaxIn1−xP活性層21の量子効率は0.45≦x≦0.55の範囲で最大となることが明らかとなった。したがって、上記範囲内ではGaxIn1−xP活性層21内に結晶欠陥がほとんど導入されることなく、可視光領域で非常に高感度な光電面が実現可能となっている。
【0014】
上記のようにGaxIn1−xP活性層21の原子組成比xの値が変化すると、活性層21のエネルギーギャップがそれに応じて変化する。すなわち、分光感度特性の長波長側において光電面感度が落ち込む波長が任意に変化できる。しかしこのとき、GaxIn1−xP活性層21とGaAs半導体基板10との間の格子不整の度合いが0.5%を超えると、それに起因した結晶欠陥が活性層21に導入され、光電面感度の低下は免れない。けれども、それらの間の格子不整の度合いが0.5%以内であれば、そのとき活性層21を構成する格子の内部に存在する歪応力は格子の変形によって緩和されるので、結晶欠陥が導入されないことがある。よって上記にしたがうと、本発明のGaxIn1−xP活性層21のxの範囲は0.45<x<0.55となり、実験結果とよく一致している。
【0015】
なお本発明では、GaAs半導体基板10はp型に限らずn型でも構わない。また、p型GaxIn1−xP活性層21のキャリア濃度は1×1018cm−3以上であれば実用上の問題はない。そして、活性層21の厚さは被検出光を十分吸収できる程度の厚さであればよく、実質的には約1μm以上厚さがあればよい。
【0016】
活性層21表面には仕事関数を低下させるためのCs2Oからなる表面層22が極薄く形成され、活性層からの光電子を容易に外部に放出させることができる。 図4は本発明に係る光電面の第2実施形態の断面図である。第1実施形態に述べた半導体基板10と活性層21(x=0.5)との間に、活性層21よりエネルギギャップが大きくてキャリア濃度1×1019cm−3のp型(AlyGa1−y)x’In1−x’Pからなるバッファ層12(x’=0.5,y=0.5)が厚さ2μmのエピタキシャル層として介在されており、半導体基板10の結晶欠陥が活性層21に伝播されないようにして、活性層21内の結晶欠陥を低減している。また、バッファ層12の原子組成比x’が活性層21の原子組成比xと等しいので、図2に示すようにバッファ層12と格子整合した高品質な活性層21が形成される。ここで、バッファ層12の原子組成比x’と活性層21の原子組成比xとは完全に等しくする必要はなく、第1実施形態に述べたことの類推から、ほぼ等しくさえすれば活性層21に結晶欠陥は導入されない。
【0017】
なお、p型(AlyGa1−y)x’In1−x’Pバッファ層12のキャリア濃度は1×1018cm−3以上あれば実用上の問題はなく、そして、その厚さは光電子が通り抜けられない程度であればよく、実質的には約1μm以上であればよい。またGaxIn1−xP活性層21表面には、上記第1実施形態と同様にCs2O表面層22が極薄く形成されている。
【0018】
このように構成された第2実施形態の光電面の電子放出機構を図5に示すエネルギーバンド図に基づいて述べると以下のようになる。
【0019】
被検出光(hν)が活性層21に入射すると、価電子帯(V.B.)から伝導帯(C.B.)に励起された光電子(e−)は活性層21内を拡散して移動する。その際、活性層21よりもエネルギギャップが大きいバッファ層12は活性層21に対してポテンシャル障壁となるので、光電子は表面層22側に向かう。また、上記光電子が表面層22側に到達する確率は活性層21の平均自由行程、すなわち光電子の拡散長に依存する。拡散長は活性層21の再結合速度に依存し、さらに再結合速度は活性層21の結晶欠陥密度に依存する。したがって、光電子が表面層22側に到達する確率は活性層21の結晶欠陥密度に依存するので、本実施形態では表面層22近傍に多くの光電子が到達する。p型GaxIn1−xPであるため禁制帯の下端までフェルミ準位(F.L.)が近づいた活性層21の表面は表面層22によって仕事関数が真空準位(V.L.)程度まで低下しているので、上述した光電子はそこから外部に容易に放出される。
【0020】
上記のように光電子が放出される本実施形態の光電面では、波長500nmにおいて量子効率が50%となり、第1実施形態と同様に高い値となっている。
【0021】
以上のように、半導体基板10上に結晶欠陥が抑制された高品質な活性層21がエピタキシャル成長して形成されることから、本発明の光電面は高い量子効率を有する。すなわち、本発明の光電面は同一の被検出光に対して従来より多くの光電子が放出される。
【0022】
つぎに、本発明に係る光電面を用いた電子管の実施形態について説明する。
【0023】
図6はいわゆるサーキュラケージ型の光電子増倍管の水平断面図を示したものである。図6において、透光性の真空容器30を構成する入射窓31付きの円筒形のガラスバルブ内には、入射窓31から入射される被検出光(hν)に対して一定の角度をもって傾斜配置された上記光電面20と、この光電面20から放出された光電子を順次増倍するための複数段のダイノード40a〜40hからなるダイノード部40と、出力信号を収集する陽極50とが配置されている。図示しないが、光電面20、ダイノード部40、そして陽極50には、ブリーダ回路及び電気リードを介して、光電面20に対して正のブリーダ電圧が陽極50に近づくにつれて段毎に増加するように分配して印加されている。
【0024】
上記光電子増倍管の真空容器30の入射窓31を通して被検出光はGaxIn1−xP活性層21に入射し吸収され、光電子e−が発生して真空中に放出される。真空中に放出された光電子e−は加速されて第1ダイノード40aに入射し、光電子によって増倍された2次電子を生成し、再び真空中へ放出する。第1ダイノード40aから放出された2次電子は再び加速され、第2ダイノード40bへ入射し、さらに2次電子を生成、放出する。これを8回繰り返すことにより光電面20から放出された光電子は第8ダイノード40hにおいて約100万倍程度に最終的には2次電子増倍して放出される。そして、第8ダイノード40hから増倍して放出された2次電子が陽極50で集められ出力信号電流として取り出される。
【0025】
本実施形態は光電面20から放出される光電子が多くなるので、陽極50から最終的に出力される信号電流も大きくなって、従来のサーキュラケージ型光電子増倍管と比較してより感度よく微弱な被検出光を検出することができ、実際には従来より約5倍の感度を有した光電子増倍管が得られる。
【0026】
【発明の効果】
本発明の光電面によれば、適当な組成のGaxIn1−xPからなる活性層又は(AlyGa1−y)x’In1−x’Pからなるバッファ層を用いることにより、活性層と半導体基板との格子不整を極力抑えることができるので、可視光領域で非常に高感度な光電面が得られる。
【0027】
本発明の光電面を用いた電子管によれば、本発明の光電面を用いた電子管は微弱な光を従来よりも感度よく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る光電面の断面図である。
【図2】(AlyGa1−y)x’In1−x’P4元混晶の格子定数(破線)と禁制帯幅(実線)との関係を表した図である。
【図3】活性層の原子組成比xと、波長500nmにおける光電面の量子効率との関係を示した図である。
【図4】図1の光電面を備えた光電子増倍管の第2の実施形態の側断面図である。
【図5】本発明に係る光電面の第2実施形態のエネルギバンド図である。
【図6】図1の光電面を用いた光電子増倍管の実施形態の水平断面図である。
【図7】GaAs半導体基板上にp型GaAs活性層がエピタキシャル成長された反射型光電面の断面図である。
【図8】III−V族化合物半導体及びその混晶のエネルギギャップと格子定数の関係を示したものであり、また2種類のIII−V族化合物半導体の混晶は、直接遷移半導体を実線でもって、そして間接遷移半導体を点線でもってそれらの関係を示した図である。
【図9】GaAs半導体基板上にGaAsPの組成を傾斜させた活性層を備えた反射型光電面の断面図である。
【図10】GaAs/GaAsP超格子層を半導体基板とGaAsP活性層との間に介在させた反射型光電面の断面図である。
【符号の説明】
10・・・半導体基板、11・・・超格子層、12・・・バッファ層、20・・・光電面、21・・・活性層、22・・・表面層、30・・・真空容器、40・・・ダイノード部、40a・・・第1ダイノード、40b・・・第2ダイノード、40c・・・第3ダイノード、40d・・・第4ダイノード、40e・・・第5ダイノード、40f・・・第6ダイノード、40g・・・第7ダイノード、40h・・・第8ダイノード、50・・・陽極。
Claims (4)
- Ga及びAsを主成分とするIII−V族化合物半導体基板と、前記半導体基板上にキャリア濃度が1×1018cm−3以上のp型GaxIn1−xPによって形成され、検出対象である被検出光を吸収して光電子を発生させる活性層と、
前記活性層上にアルカリ金属又はその酸化物又はそのフッ化物によって形成され、前記活性層に仕事関数を低下させる表面層と、
を備え、前記表面層を介して入射された前記被検出光に応答して光電子を前記表面層を介して放出する光電面であって、前記活性層の原子組成比xの範囲は0<x≦0.75であることを特徴とする光電面。 - 前記半導体基板は上面に前記活性層よりもエネルギギャップが大きい(AlyGa1−y)x’In1−x’Pからなるバッファ層を有しており、前記バッファ層の原子組成比x’が前記活性層の原子組成比xとほぼ等しいことを特徴とする請求項1に記載の光電面
- 前記活性層の原子組成比xの範囲は0.45<x<0.55であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電面。
- 被検出光の入射窓を有し、内部が真空状態に保たれた真空容器と、
前記真空容器内部の前記入射窓を臨む位置に収容された請求項1〜3のいずれかに記載の光電面と、
前記真空容器内部に設置され、前記光電面に対して正の電圧を保持する陽極と、
を少なくとも備えた電子管。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012196A JP3615857B2 (ja) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | 光電面及びそれを用いた電子管 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012196A JP3615857B2 (ja) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | 光電面及びそれを用いた電子管 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09213204A JPH09213204A (ja) | 1997-08-15 |
JP3615857B2 true JP3615857B2 (ja) | 2005-02-02 |
Family
ID=12018297
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012196A Expired - Fee Related JP3615857B2 (ja) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | 光電面及びそれを用いた電子管 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3615857B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007080799A (ja) * | 2005-09-16 | 2007-03-29 | Hamamatsu Photonics Kk | 光電陰極及び電子管 |
JP5291378B2 (ja) | 2008-05-15 | 2013-09-18 | スタンレー電気株式会社 | フォトカソード装置 |
-
1996
- 1996-02-06 JP JP2012196A patent/JP3615857B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH09213204A (ja) | 1997-08-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11081310B2 (en) | Photocathode including silicon substrate with boron layer | |
Martinelli et al. | The application of semiconductors with negative electron affinity surfaces to electron emission devices | |
JP4365255B2 (ja) | 発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置 | |
US5747826A (en) | Photoemitter electron tube, and photodetector | |
JP2004131567A (ja) | 発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置 | |
JP3954478B2 (ja) | 半導体光電陰極、及びそれを用いた光電管 | |
JP3524249B2 (ja) | 電子管 | |
JPH05234501A (ja) | 光電子放出面及びそれを用いた電子管 | |
JP3615857B2 (ja) | 光電面及びそれを用いた電子管 | |
US4749903A (en) | High-performance photocathode | |
JPH11135003A (ja) | 光電面及びそれを用いた電子管 | |
US6563264B2 (en) | Photocathode and electron tube | |
JP3565526B2 (ja) | 光電子放出面及びそれを用いた電子管 | |
JP7227230B2 (ja) | 熱アシスト負電子親和性フォトカソード | |
JP3615856B2 (ja) | 光電面及びそれを用いた光電変換管 | |
JP3429671B2 (ja) | 光電陰極及び電子管 | |
JPH08255580A (ja) | 光電陰極および電子管 | |
JPH1196897A (ja) | 光電陰極及びそれを用いた電子管 | |
JP3565535B2 (ja) | 光電陰極及び電子管 | |
Zwicker | Photoemissive detectors | |
US5138191A (en) | Photoemitter | |
JP2009272102A (ja) | 光電陰極及びそれを備える電子管 | |
JP2719098B2 (ja) | 光電子放出面およびそれを用いた電子管と光検出装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041015 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041026 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041102 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081112 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081112 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091112 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091112 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101112 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111112 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121112 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131112 Year of fee payment: 9 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |