JPH04269419A - 半導体光電子放出体 - Google Patents
半導体光電子放出体Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
持つ光検出素子である半導体光電子放出体に関するもの
である。
電界を与え、入射光子により励起された光電子を加速す
る場合、この半導体上にショットキ接合を有する電極を
形成し、この電極からバイアス電圧を印加して電界を与
える方法が用いられている。従来から知られている遷移
電子型半導体光電子放出体においても上記の方法が用い
られている。このような遷移電子型の放出体としては、
例えば、R.L.Bellが発明した米国特許3,95
8,143号に開示されたものがある。同特許において
は、III −V族化合物半導体上にAg薄膜を真空蒸
着してショットキ電極を形成し、これにバイアス電圧を
印加して半導体に電界を与え、光電子を加速している。
の構造として、例えば、図7に示されるものがある。半
導体1は入射光子を吸収して光電子を励起するものであ
る。この半導体1の片面にはオーミック電極2が形成さ
れており、他面にはAg薄膜が島状になったショットキ
電極3が形成されている。さらに、このショットキ電極
3上にはCs2 O層4が形成されている。バイアス電
圧VB の印加により半導体1内には電界が与えられ、
入射光子hνによって励起された半導体1内の光電子は
加速される。加速された光電子は、放出面5に到達する
前に、いわゆるガン効果によって伝導帯のΓ谷からより
エネルギの高いL谷に遷移された後、真空中へ放出され
る。
ような半導体光電子放出面を有する光電変換素子におい
ては、特に、入射光子を放出面側から入射させるいわゆ
る反射型光電子放出体においては、放出面5に形成され
たショットキ電極3で入射光子hνが吸収され、半導体
1まで入射光子hνが到達できなかった。この結果、著
しい光電変換効率の低下を招いていた。このため、上記
従来の遷移電子型半導体光電子放出体においては、入射
光子hνを効率良く半導体1に吸収させるため、ショッ
トキ電極3を約100オングストローム程度の薄膜によ
って形成している。ところで、一般に半導体に100オ
ングストローム程度の厚さで金属を蒸着すると、金属は
層状ではなく、島状に分布することが知られており、上
記の遷移電子型半導体光電子放出体においても、ショッ
トキ電極3は島状になっている。
子は、この島状電極3内または島状電極3間を通り、C
s2 O層4を介して真空中を放出される。このため、
光電子の真空中への脱出確率は、ショットキ電極3の膜
厚,島の間隔に強く依存し、その制御は非常に困難であ
った。さらに、島状電極3の場合、その島の間隔は蒸着
後の熱処理により大きく影響されるので、高温での脱ガ
ス,清浄化が不可能であった。この結果、光電子放出面
としての性能を著しく低下させていた。
極3の膜厚,島の間隔は、入射光子hνの光学的な透過
率のみならず、入射光子hνによって励起された光電子
の真空中への脱出確率にも大きな影響を与える。従って
、上記従来のような遷移電子型半導体光電子放出体は、
再現性良く良好で安定なショットキ電極を形成すること
が困難であるため、実用化されていないのが現状である
。
なされたもので、半導体光電子放出体において、再現性
良く安定で耐熱性の良好なショットキ電極を形成するこ
とを目的とする。また、入射光子の透過率、光電子の真
空中への脱出確率を増加させ、高感度な半導体光電子放
出体を得ることを目的とする。
り半導体の価電子帯から伝導帯へ励起された光電子に電
界を与えることにより加速し、放出面まで移送して真空
中へ放出させる半導体光電子放出体において、バイアス
電圧を印加するための電極を所定のパターン状に形成せ
しめたものである。
の再現性が向上する。また、入射光子の半導体への光学
的な透過率および光電子の真空中への脱出確率が高くな
る。
放出体について詳細に説明する。これら各実施例は、C
sO/Al/InPから構成された遷移電子型半導体光
電子放出体を例に説明するが、本発明はこれら各実施例
の構成に限ったものではなく、例えば、米国特許3,9
58,143号に示されるような材料にももちろん適用
できる。
子型半導体光電子放出体の構造を示す断面図である。p
型InP半導体11の片面には、AuGeがその全面に
真空蒸着されて得られたオーミック電極12が形成され
ている。また、InP半導体11の他の片面にはショッ
トキ電極13が形成されている。このショットキ電極1
3は、Alが約2000オングストロームの膜厚で真空
蒸着され、その後、光リソグラフィを用いたパターニン
グにより、幅10μm,間隔150μmのメッシュ(格
子)パターン状に形成されている。このショットキ電極
13のパターン幅は、入射光の透過率を増加させるため
、可能な限り小さくすることが望ましい。また、パター
ン間隔は、光電子の真空中への脱出確率と、与えられた
電界によりガン効果(Γ−L遷移)の生じる確率とによ
って最適値が存在し、バイアス電圧が5Vで約10μm
になる。一方、ショットキ電極13を形成するAlの膜
厚は本発明にとって本質的なものではなく、約100オ
ングストローム以上の厚さで層状構造になり、十分な電
気伝導度が得られれば構わない。
放出体を動作させるため、AuGeオーミック電極12
をInを用いてNi板上に固定し、また、バイアス電圧
VB を印加するためのAu線をショットキ電極13
から取り出す。そして、本装置を真空中に設置するため
、10−10 Torr程度になるまで高真空状態に
排気する。その後、脱ガス,清浄化のため、約400℃
程度に加熱する。さらに、その後、実効的な真空準位を
低下させるため、CsおよびO2 を放出面15に極く
微量だけ堆積させ、Cs2 O層14を形成する。
電子放出体にバイアス電圧VB を印加し、動作させた
場合のエネルギーバンド図を図2に示す。ここで、CB
は伝導帯,VBは価電子帯,FLはフェルミ準位,V.
L.は真空準位を示している。放出面15にメッシュ状
に形成されたショットキ電極13の開口面から入射した
光子hνにより、半導体11中で光電子が励起される。 励起された光電子は、ショットキ電極13へのバイアス
印加によって与えられた電界により加速され、伝導体の
Γ谷からL谷へ図示のように遷移した後、放出面15に
到達する。そして、放出面15に到達した光電子はショ
ットキ電極13の間を通り、Cs2 O層4を介して真
空中へ放出される。
アス電圧VB を変化させた場合の光電子放出分光感度
特性の一例を示す。同図の横軸は光の波長[nm],縦
軸は放射感度[mA/W]を示している。実線で描かれ
た特性曲線21はバイアス電圧VB が0[V],一点
鎖線で描かれた特性曲線22は1[V],二点鎖線で描
かれた特性曲線23は2[V],点線で描かれた特性曲
線24は4[V]の場合の分光感度特性を示す。同図か
ら、バイアス電圧VB を増加させるとこれに伴って光
電子放出が増加することが理解される。
3および第4の実施例による半導体光電子放出体の構造
を示す断面図である。これら各実施例は、p型半導体3
1,41および51の各半導体表面が凹凸加工され、こ
れらの各凸面上にショットキ電極33,43および53
が形成された構造を持っている。この半導体表面の凹凸
加工は、メッシュ状に形成された各ショットキ電極33
,43および53をマスクとした化学エッチングにより
形成される。すなわち、メッシュ状の電極パターンを形
成する際に、各半導体31,41および51の面方位を
適当に選択し、エッチングの異方性を利用することによ
り、各図に示される3種類の凹凸形状を形成することが
出来る。その後、各放出面35,45および55には、
上記第1の実施例と同様にしてCs2 O層34,44
および54が形成される。また、各半導体31,41お
よび51の他の各面にはオーミック電極32,42およ
び52が形成される。
各種の散乱により107 cm/s以下に制限される。 従って、図1に示された上記第1の実施例の構造を持つ
半導体光電子放出体では、入射光子によって励起された
光電子はその大部分がショットキ電極13へ吸い込まれ
、真空中へ脱出できる光電子はごくわずかである。しか
しながら、図4〜図6に示される第2,第3および第4
の実施例では、凹凸加工された各半導体表面の凸面上に
ショットキ電極が形成されているため、光電子の速度は
107 cm/sの速度制限を受けずに光速度と同じ3
×1010cm/s近くにまで達する。従って、光電子
がショットキ電極へ吸い込まれる確率が減少し、真空中
への脱出確率が増加するため、光感度は増加する。
ショットキ電極を形成した半導体光電子放出体では、光
電子の真空中への脱出確率は約2倍になり、光感度も約
2倍に増加した。
面15,35,45および55から入射するいわゆる反
射型光電子放出体について説明したが、これに限られる
ものではない。すなわち、入射光子hνが放出面の反対
側から入射するいわゆる透過型光電子放出体においても
、オーミック電極12,32,42および52を薄膜と
するかあるいはパターン状に形成し、入射光子hνの透
過率を増加させることにより、上記各実施例と同様に動
作して同様な効果を奏する。
放出体について説明したが、これに限られるものではな
い。すなわち、入射光子hνにより半導体の価電子帯か
ら伝導帯へ励起された光電子を電界により加速し、放出
面まで移送して真空中へ放出させる全ての半導体光電子
放出体に適用することが出来、上記各実施例と同様な効
果を奏する。
,33,43および53の各形状をメッシュ状にして説
明したが、これに限られるものではなく、半導体表面が
ほぼ均一に分布して露出するようなパターン形状、例え
ば、ストライプ状,渦巻き状でも良い。また、これらシ
ョットキ電極の材質をAlとして説明したが、これに限
られるものではなく、例えば、Ag,Au,Pt,Ti
,WSiや、その合金であっても良い。
イアス電圧を印加するショットキ電極をパターン状に形
成せしめることにより、再現性良く安定で耐熱性の良好
なショットキ電極を得ることができる。また、入射光子
の半導体への光学的な透過率の増加、および光電子の真
空中への脱出確率の増加により、従来の薄膜のショット
キ電極を有する半導体光電子放出体に比較し、より高感
度な半導体光電子放出体を再現性良く作製することが出
来る。
体の構造を示す断面図である。
動作時におけるエネルギバンド図である。
光感度特性を示す図である。
体の構造を示す断面図である。
体の構造を示す断面図である。
体の構造を示す断面図である。
である。
Claims (7)
- 【請求項1】 入射光子により価電子帯から伝導帯へ
励起された光電子を電界により加速し放出面まで移送し
て真空中へ放出させる半導体光電子放出体において、こ
の半導体にバイアス電圧を印加するための電極を、この
半導体表面がほぼ均一に分布して露出する所定のパター
ン状に形成せしめることを特徴とする半導体光電子放出
体。 - 【請求項2】 請求項1において、半導体光電子放出
面は遷移電子型であることを特徴とする半導体光電子放
出体。 - 【請求項3】 請求項1において、半導体とバイアス
電圧を印加するための電極とがショットキ接合している
ことを特徴とする半導体光電子放出体。 - 【請求項4】 請求項1において、バイアス電圧を印
加するための電極はAlまたはAgまたはAuまたはP
tまたはTiまたはWSiの金属、あるいはその合金で
形成されることを特徴とする半導体光電子放出体。 - 【請求項5】 請求項1において、励起された光電子
はパターン状に形成された電極の間を通って真空中へ放
出されることを特徴とする半導体光電子放出体。 - 【請求項6】 請求項1において、バイアス電圧を印
加するための電極の形状をメッシュ状またはストライプ
状または渦巻き状に形成せしめることを特徴とする半導
体光電子放出体。 - 【請求項7】 請求項6において、バイアス電圧を印
加するための電極を表面が凹凸加工された半導体の凸面
上に形成せしめることを特徴とする半導体光電子放出体
。
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JPH0750587B2 JPH0750587B2 (ja) | 1995-05-31 |
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- 1991-02-25 JP JP2997191A patent/JPH0750587B2/ja not_active Expired - Lifetime
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