(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線が一方の面に入射され、サファイアよりも２μｍ以上の波長の赤外線の吸収率が高いＵＶガラス基板と、アルカリ金属を含むアルカリ金属含有層と、前記ＵＶガラス基板の他方の面と前記アルカリ金属含有層との間に位置し、紫外線の入射に応じて電子を生成するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と、を備える光電陰極。
【請求項２】
光電陰極の製造方法において、
サファイア基板の表面上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を形成する工程と、
前記サファイア基板の裏面にＳｉＯ２層を形成する工程と、
前記ＳｉＯ２層と、サファイアよりも２μｍ以上の波長の赤外線の吸収率が高いＵＶガラス基板とを接触させて加熱し熱圧着する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層上にアルカリ金属を含むアルカリ金属含有層を形成する工程と、
を備える光電陰極の製造方法。
【請求項３】
光電陰極の製造方法において、
サファイア、ＬｉＧａＯ２又はＬｉＡｌＯ２の基板の表面上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層及びＳｉＯ２層を順次形成する工程と、
前記ＳｉＯ２層と、サファイアよりも２μｍ以上の波長の赤外線の吸収率が高いＵＶガラス基板とを接触させて加熱し熱圧着する工程と、
前記サファイア、ＬｉＧａＯ２又は又はＬｉＡｌＯ２の基板を除去する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層上にアルカリ金属を含むアルカリ金属含有層を形成する工程と、
を備える光電陰極の製造方法。
【請求項４】
前記加熱は、赤外線を含む光を照射することで行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の光電陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージインテンシファイアや光電子増倍管に用いられる光電陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＧａＮを用いた光電陰極は、特開昭６１−２６７３７４号公報及び米国特許５，５５７，１６７号に記載されている。この光電陰極は、サファイア基板及びサファイア基板上に形成されたＡｌＧａＮの超格子構造を備えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
サファイア基板上にＧａＮ半導体層等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を形成してなる光電陰極を用いた電子管の検出感度は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の結晶性及びその表面の清浄度に依存する。このようなＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の特性改善には、アニールやサーマルクリーニング等の加熱処理が有効である。サファイア基板は、紫外線に対する透過率が比較的高いため、これを用いた光電陰極は紫外線を効率的に検出することが可能である。しかしながら、サファイア基板は、赤外線の吸収率が低いため、これを光電陰極の製造時に高速に加熱することが困難であり、高速加熱処理によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の特性の改善も期待できなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、特性及び製造のスループットを共に向上させることが可能な光電陰極を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、請求項１に記載の光電陰極は、紫外線が一方の面に入射され、サファイアよりも２μｍ以上の波長の赤外線の吸収率が高いＵＶガラス基板と、アルカリ金属を含むアルカリ金属含有層と、ＵＶガラス基板の他方の面とアルカリ金属含有層との間に位置し、紫外線の入射に応じて電子を生成するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層とを備える。ＵＶガラス基板を透過した紫外線は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層に入力されるので、この半導体層内で電子が発生する。発生した電子はＣｓ−Ｏ等のアルカリ金属を含むアルカリ金属含有層に導入されるので、この層を介して真空中に出射することができる。
請求項２に記載の光電陰極の製造方法は、サファイア基板の表面上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を形成する工程と、サファイア基板の裏面にＳｉＯ２層を形成する工程と、ＳｉＯ２層と、サファイアよりも２μｍ以上の波長の赤外線の吸収率が高いＵＶガラス基板とを接触させて加熱し熱圧着する工程と、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層上にアルカリ金属を含むアルカリ金属含有層を形成する工程とを備える。
請求項３に記載の光電陰極の製造方法は、サファイア、ＬｉＧａＯ２又はＬｉＡｌＯ２の基板の表面上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層及びＳｉＯ２層を順次形成する工程と、前記ＳｉＯ２層と、サファイアよりも２μｍ以上の波長の赤外線の吸収率が高いＵＶガラス基板とを接触させて加熱し熱圧着する工程と、サファイア、ＬｉＧａＯ２又は又はＬｉＡｌＯ２の基板を除去する工程と、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層上にアルカリ金属を含むアルカリ金属含有層を形成する工程とを備える。
請求項４に記載の光電陰極の製造方法では、上記加熱は、赤外線を含む光を照射することで行うことを特徴とする。
【０００５】
ＵＶガラスはサファイアよりも赤外線の吸収率が高いとともに、紫外線に対する透過率がサファイアよりも高いので、ＵＶガラスを基板に用いれば、紫外線の検出感度を向上させることができるとともに、基板及び基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を高速に加熱することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る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。
【０００７】
図１は、この光電陰極を用いた光電子増倍管１００を一部破断して示す正面図である。光電子増倍管１００は、金属からなる側管１と、側管１の一方の開口をＩｎシール材料２を介して封止するＵＶガラス基板３と、他方の開口を封止する底板４とを備え、内部に真空環境（１００ｔｏｒｒ以下の減圧環境）を提供している。ＵＶガラス基板３の側管１内の面には、複数の層からなる積層体１０が形成されており、ＵＶガラス基板３及び積層体１０は光電陰極を形成している。
【０００８】
積層体１０は、ＵＶガラス基板３上のＣｒ電極層１１を介してＩｎシール材料２に電気的に接続されており、金属からなる側管１に所定の電位を与えることにより、積層体１０にこの電位を与えることができる。ＵＶガラス基板３を透過した紫外線ＵＶＲは、積層体１０内で光電変換され、電子として側管１内に放出される。放出された電子は、側管１内に配置された複数のメタルチャンネル型ダイノードからなる電子増倍器１３によって増倍され、電子増倍器１３の最終段ダイノードの前段に設けられたアノード１４によって収集される。
【０００９】
なお、側管１内の電子は、複数のリードピンＰＩを介して積層体１０、電子増倍器１３のダイノード及び陽極１４に与えられる電位に応じて側管１内に形成される電界によって、光電陰極から陽極方向に加速される。
【００１０】
図２は、図１に示したＵＶガラス基板３及び積層体１０から構成される光電陰極の断面図である。この光電陰極は、紫外線が一方の面に入射されるＵＶガラス基板３と、アルカリ金属を含むＣｓ−Ｏ層（アルカリ金属含有層）１９と、ＵＶガラス基板３の他方の面とＣｓ−Ｏ層１９との間に位置し、Ｇａ及びＮを含み紫外線の入射に応じて電子を生成するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８とを備える。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８のＵＶガラス基板３側には、ＡｌＮ緩衝層１７及びサファイア基板１６が順次位置し、サファイア基板１６はＳｉＯ２層１５を介してＵＶガラス基板３に固定されている。
【００１１】
次に、図２に示した光電陰極の製造方法について説明する。まず、サファイア基板１６を用意する。サファイア基板１６の厚みは０．１〜０．２ｍｍである。この後、サファイア基板１６の表面上にＡｌＮ緩衝層１７及びＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８を順次形成する。ＡｌＮ緩衝層１７の結晶状態はアモルファスであり、その厚みは数１０ｎｍである。また、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８の結晶状態は単結晶又は多結晶である。さらに、サファイア基板１６の裏面に厚さ１００〜２００ｎｍのＳｉＯ２層１５をＣＶＤ法を用いて形成する。
【００１２】
次に、ＵＶガラス基板３を用意し、積層体１０と同じようにＵＶガラス基板３を真空中に配置した後、赤外線を含む光を出射する光加熱装置を用いて光加熱処理を行い、ＵＶガラス基板３の表面を高速に加熱し、清浄化を行う。さらに、ＵＶガラス基板３及び積層体１０をガラス軟化点まで高速に加熱するとともに、ＳｉＯ２層１５面側を真空中でＵＶガラス基板３に接触させ、ＳｉＯ２層１５に約１００ｇ／ｃｍ２の加重をかけて、ＳｉＯ２層１５を介してサファイア基板１６をＵＶガラス基板３に熱圧着するとともに、加熱によって積層体１０の結晶性を改善する。
【００１３】
ＵＶガラス基板３は、その熱膨張係数がサファイア基板１６の熱膨張係数と近く、且つ、所定のイオンを含むものが選択される。このようなＵＶガラス基板３としてコーニング社の９７４１やショット社の８３３７Ｂを用いることができる。なお、ＵＶガラス基板３は、電子管１００に固定できる形状に予め加工しておく。しかる後、ＵＶガラス基板３からＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８の露出表面に至る電極１１を蒸着によって形成する。電極１１の材料としては、Ｃｒ、Ａｌ及びＮｉ等を用いることができる。最後に、Ｃｓ−Ｏ層１９をＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８の露出表面上に形成することにより、図２に示した光電陰極が製造される。
【００１４】
上記の積層体１０内にＵＶガラス基板３を介して紫外線が入射すると、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８内で正孔電子対が発生し、発生した電子はＣｓ−Ｏ層１９方向へ進行する。Ｃｓ−Ｏ層１９は、仕事関数が小さいので、Ｃｓ−Ｏ層１９に到達した電子は容易に真空中へ放出される。
【００１５】
次に、別の実施の形態に係る光電陰極について説明する。この光電陰極は、ＵＶガラス基板３と、ＵＶガラス基板３上に順次形成されたＳｉＯ２層１５、ＧａＡｌＮ層１７ａ、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８及びＡｌＮ緩衝層１７からなる積層体１０とを備える。この光電陰極は、以下の方法によって製造することができる。
【００１６】
図４乃至図６は、図３に示した光電陰極の製造工程を説明するための説明図である。
【００１７】
まず、図４に示すようにＬｉＧａＯ２基板２０上に、ＡｌＮ緩衝層１７、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８、ＧａＡｌＮ層（ＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））１７ａ及びＳｉＯ２層１５を順次積層する。ＳｉＯ２層１５はＣＶＤ法を用いて形成し、その厚みは１００〜２００ｎｍである。
【００１８】
次に、図５に示すように、ＵＶガラス基板３を用意し、ＵＶガラス基板３を真空中に配置した後、赤外線を含む光を出射する光加熱装置を用いて光加熱処理を行い、ＵＶガラス基板３の表面を高速に清浄化する。さらに、ＵＶガラス基板３及び積層体１０をガラス軟化点まで高速に加熱するとともに、ＳｉＯ２層１５面側を真空中でＵＶガラス基板３に接触させ、ＳｉＯ２層１５に約１００ｇ／ｃｍ２の加重をかけて、ＳｉＯ２層１５を介してＬｉＧａＯ２基板２０をＵＶガラス基板３に熱圧着するとともに、高速加熱によって積層体１０の結晶性を改善する。
【００１９】
しかる後、図６に示すように、ＬｉＧａＯ２基板２０を加熱しながら酸素と反応させてこれを除去する。さらに、ＡｌＮ緩衝層１７をＢＣｌ３とＮ２の混合気体のプラズマを用いた反応性イオンエッチングにより除去する。この後、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８をアニールすることにより、さらにその結晶性を回復させる。しかる後、ＵＶガラス基板３からＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８の露出表面に至る電極１１を蒸着によって形成する。最後に、Ｃｓ−Ｏ層１９をＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８の露出表面上に形成することにより、図３に示した光電陰極が製造される。なお、ＬｉＧａＯ２基板２０の代わりに、サファイア基板又はＬｉＡｌＯ２基板を用いることができる。また、ＬｉＧａＯ２基板２０の代わりに、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板又はＧａＰ基板を利用してもよい。さらに、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８として、Ｇａ及びＮが結晶に含まれる原子であれば、ＧａＮの他、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＡｌＩｎＮを代わりに用いてもよい。また、Ｃｓ−Ｏ層１９の代わりに、アルカリ金属を含有する層として、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｅ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ及びＡｇ−Ｏ−Ｃｓのいずれか１つ又はこれらの組合わせたものを用いることができる。また、製造時の加熱においては、光加熱以外に抵抗加熱等を用いてもよい。
【００２０】
また、上記２つの実施の形態に係る光電陰極３，１０は、光電子増倍管の他、イメージインテンシファイア等の電子管にも用いることができる。図７は、この光電陰極を用いたイメージインテンシファイア（ＩＩ管）２００を一部破断して示す正面図である。ＩＩ管２００は、金属からなる側管１ａ及び１ｂ間にガラスからなる側管１ｃを金属リング１ｄ及び１ｅ並びに絶縁リング１ｆ及び１ｇを介在させて配置し、これらから構成される側管の一方の開口をＵＶガラス基板３で封止し、他方の開口を光ファイバプレート２１で封止することにより、これらから構成されるハウジングの内部に減圧環境を提供している。ＵＶガラス基板３及び積層体１０から構成される光電陰極と光ファイバプレート２１との間には、電子増倍器としてＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）１３ａが配置されており、ＭＣＰ１３ａは、光電陰極から出射された電子を増倍する。増倍された電子は、光ファイバプレート２１の入力面側に蛍光体ＬＳを介して固定されたＡｌ電極ＥＬ方向に進行し、蛍光体ＬＳに衝突することにより、蛍光に変換される。変換された蛍光は光ファイバプレート２１を介してＩＩ管２００の外部に出力される。
【００２１】
以上、説明したように、本実施の形態に係る光電陰極は、ＵＶガラス基板３及びＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層１８を用いることにより、生産性とこれを用いた電子管の検出感度を共に向上させることができる。なお、ＵＶガラス基板３は、波長２４０ｎｍ以上の紫外線の透過率がサファイアガラスよりも高いので、これを用いた光電陰極の紫外線検出感度が高く、また、２μｍ以上の波長を有する赤外線に対する吸収率がサファイアよりも高いので、高速にこれを加熱することができ、この上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の結晶性回復及び表面清浄化、並びに製造のスループットを向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光電陰極は、生産性とこれを用いた電子管の検出感度を共に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光電子増倍管を一部破断して示す正面図。
【図２】実施の形態に係る光電陰極の断面図。
【図３】別の実施の形態に係る光電陰極の断面図。
【図４】図３に示した光電陰極の製造方法を説明するための説明図。
【図５】図３に示した光電陰極の製造方法を説明するための説明図。
【図６】図３に示した光電陰極の製造方法を説明するための説明図。
【図７】ＩＩ管を一部破断して示す正面図。
【符号の説明】
３…ＵＶガラス基板３、１５…ＳｉＯ２層１５、１６…サファイア基板、１７…ＡｌＮ層、１７ａ…ＧａＡｌＮ層、１８…ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層、１０…積層体１０。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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