(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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。
【図１】
0003615857.tif 000002
【図２】
0003615857.tif 000003
【図３】
0003615857.tif 000004
【図４】
0003615857.tif 000005
【図５】
0003615857.tif 000006
【図６】
0003615857.tif 000007
【図７】
0003615857.tif 000008
【図８】
0003615857.tif 000009
【図９】
0003615857.tif 000010
【図１０】
0003615857.tif 000011