(57)【要約】【課題】半導体フォトカソードのエミタンスを小さくすること。【解決手段】ＧａＡｓ層を電子の光励起層１０とした半導体フォトカソードである。光励起層１０の表面に、光励起層のバンドギャップよりも小さいバッドギャップを有した半導体から成り、その表面の電子親和力を負の範囲で、光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする方向に調整する電子親和力調整層２０を設けた。電子親和力調整層は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）であって、Ｉｎ組成比ｘは、表面の電子親和力を負の範囲であって、光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする範囲の組成比である。電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、０より大きく、０．４７以下が望ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ層を電子の光励起層とした半導体フォトカソードにおいて、
前記光励起層の表面に、前記光励起層のバンドギャップよりも小さいバッドギャップを有した半導体から成り、その表面の電子親和力を負の範囲で、前記光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする方向に調整する電子親和力調整層を設けたことを特徴とする半導体フォトカソード。
【請求項２】
前記電子親和力調整層は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy （０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトカソード。
【請求項３】
前記電子親和力調整層は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトカソード。
【請求項４】
前記電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘ、Ｐ組成比ｙは、表面の電子親和力を負の範囲であって、前記光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする範囲の組成比であることを特徴とする請求項２に記載の半導体フォトカソード。
【請求項５】
前記電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、表面の電子親和力を負の範囲であって、前記光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする範囲の組成比であることを特徴とする請求項３に記載の半導体フォトカソード。
【請求項６】
前記電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘ、Ｐ組成比ｙは、前記光励起層の伝導帯の底のエネルギー準位と前記電子親和力調整層の表面電子に対する真空準位とを等しくする組成比であることを特徴とする請求項４に記載の半導体フォトカソード。
【請求項７】
前記電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、前記光励起層の伝導帯の底のエネルギー準位と前記電子親和力調整層の表面電子に対する真空準位とを等しくする組成比であることを特徴とする請求項５に記載の半導体フォトカソード。
【請求項８】
前記電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、０より大きく、０．４７以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体フォトカソード。
【請求項９】
前記電子親和力調整層の厚さは、前記光励起層の伝導帯の底のエネルギー準位と前記電子親和力調整層の表面電子に対する真空準位とを等しくする厚さであることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体フォトカソード。
【請求項１０】
前記電子親和力調整層はｐ伝導型であることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の半導体フォトカソード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エミタンスを最小化した半導体フォトカソードに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体フォトカソードとして、下記特許文献１、２に記載のものが知られている。特許文献１では、ＡｌＧａＡｓバッファ層上に電子を励起させるＧａＡｓ層を形成し、その上にＣｓＯから成る層を形成している。ＣｓＯをＧａＡｓ層にコーティングすることにより、ＧａＡｓとＣｓＯとの界面に形成される障壁を低くして、ＧａＡｓにおいて光励起された電子が真空中に放出され易くしている。また、特許文献２では、同様に、ＧａＡｓ層の表面にＣｓＯを形成して、負の電子親和力を実現することで、ＧａＡｓにおいて光励起された電子が真空中に放出され易くしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２３７１６
【特許文献２】特開２００９−２６６８０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２のように、単に、ＧａＡｓとＣｓＯとの界面の障壁を低くしたり、ＣｓＯの表面の電子親和力を負とするだけでは、電子の放出に関する外部量子効率は向上するものの、エミタンスは小さくならないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、電子の放出に関する外部量子効率を高くしたまま、エミタンスを低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ＧａＡｓ層を電子の光励起層とした半導体フォトカソードにおいて、光励起層の表面に、光励起層のバンドギャップよりも小さいバッドギャップを有した半導体から成り、その表面の電子親和力を負の範囲で、光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする方向に調整する電子親和力調整層を設けたことを特徴とする半導体フォトカソードである。
【０００７】
本発明において、電子親和力調整層は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy （０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）とすることができる。また、電子親和力調整層は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）とすることが望ましい。電子親和力調整層を、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy （０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）とする場合には、電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘ、Ｐ組成比ｙは、
表面の電子親和力を負の範囲であって、光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする範囲の組成比とすることが望ましい。また、電子親和力調整層をＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）とする場合には、電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、表面の電子親和力を負の範囲であって、光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする範囲の組成比とすることが望ましい。
【０００８】
さらに、本発明において、電子親和力調整層をＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy （０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）とする場合には、電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘ、Ｐ組成比ｙは、光励起層の伝導帯の底のエネルギー準位と電子親和力調整層の表面電子に対する真空準位とを等しくする組成比であることが望ましい。また、電子親和力調整層をＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）とする場合には、電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、光励起層の伝導帯の底のエネルギー準位と電子親和力調整層の表面電子に対する真空準位とを等しくする組成比であることが望ましい。さらに、電子親和力調整層をＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）とする場合には、電子親和力調整層のＩｎ組成比ｘは、０より大きく、０．４７以下とすることが望ましい。
【０００９】
また、本発明において、電子親和力調整層の厚さは、光励起層の伝導帯の底のエネルギー準位と電子親和力調整層の表面電子に対する真空準位とを等しくする厚さであることが望ましい。また、電子親和力調整層はｐ伝導型とすることが望ましい。
【００１０】
本発明において、光励起層であるＧａＡｓ層は、素子の基板であっても良い。また、基板をＧａＰとし、バッファ層をＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ1-x Ｐx 、又は、ＧａＡｓ1-x Ｐx とし、そのバッファ層の上に光励起層であるＧａＡｓ層を形成しても良い。バッファ層に、Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ1-x Ｐx を用いた場合には、０≦ｘ≦０．３、０．１≦ｙ≦１とすることが望ましい。また、バッファ層にＧａＡｓ1-x Ｐx を用いた場合には、０≦ｘ≦０．３とすることが望ましい。この場合には、光励起層であるＧａＡｓ層の結晶性を向上させることができると共に、バンドギャップを大きくして、基板の裏面から励起光を入射させた場合に、バッファ層を通過してバッファ層では励起光の吸収が起こらないようにすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ＧａＡｓ層から成る電子の光励起層の表面に、光励起層のバンドギャップよりも小さいバッドギャップを有した半導体から成り、その表面の電子親和力を負の範囲で、光励起層の電子親和力に対して、絶対値を小さくする方向に調整する電子親和力調整層を設けたている。このために、光励起層の伝導帯の最小エネルギーレベル（伝導帯の底）に対して真空準位は低い（負の電子親和力）レベルにあり、且つ、光励起層の伝導帯の最小エネルギーレベルと真空レベルとの差が、ＧａＡｓ層だけを設けた場合に比べて、小さくできる。この結果、エミタンスを極めて小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る半導体フォトカソードの層構造を示した構成図。
【図２】本発明の半導体フォトカソードの原理を示したエネルギーダイヤグラム。
【図３】化合物半導体の格子定数とエネルギーバッドギャップとの関係を示した特性図。
【図４】実施例１に係る半導体フォトカソードのエミタンスと励起レーザ光のスポット径との関係を波長をパラメータとして表した測定図。
【図５】実施例１に係る半導体フォトカソードから放出された電子の横方向エネルギーと励起レーザ光の波長との関係を示した測定図。
【図６】本発明の具体的な実施例２に係る半導体フォトカソードの層構造を示した構成図。
【図７】従来例に係る半導体フォトカソードの原理を示したエネルギーダイヤグラム。
【図８】従来例に係る半導体フォトカソードのエミタンスと励起レーザ光のスポット径との関係を波長パラメータとして表した測定図。
【図９】従来例に係る半導体フォトカソードの出力された電子の横方向エネルギーと励起レーザ光の波長との関係を示した測定図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
実施例１に係る半導体フォトカソード１は、図１に示すように、光励起層１０であるｐ型ＧａＡｓ基板と、その光励起層１０の表面に形成された電子親和力調整層である厚さ５ｎｍのｐ型のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓから成る表面層２０とから構成されている。表面層２０の表面２１からレーザ光が入射してｐ型ＧａＡｓにおいて電子が励起されて、表面層２０の表面２１から外部に電子ビームが出力される。
【００１５】
次に、実施例１の半導体フォトカソード１の原理について説明する。図２は、実施例１のｐ型ＧａＡｓ基板の光励起層１０上にＩｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓの表面層２０が形成されている場合のエネルギーダイヤグラムである。また、図７は、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓの表面層２０を有さないｐ型ＧａＡｓ基板の光励起層１０のみで半導体フォトカソードを構成した場合のエネルギーダイヤグラムである。光励起層１０がｐ型ＧａＡｓで形成されているので、表面の電子親和力は負となり、表面の電子に対する真空準位は、ｐ型ＧａＡｓの伝導帯の底よりも低い準位となる。レーザにより励起された電子群は、表面に拡散する過程で、格子散乱によりエネルギーの低いレベルに緩和し、電子群の平均エネルギーは減少する。この電子群のうち、真空準位よりも高いエネルギーを有する電子が、外部に出力される。出力された電子群の平均エネルギーは＜Ｅk ＞となる。放出された電子群の平均エネルギー＜Ｅk ＞は真空準位に依存するため、ｐ型ＧａＡｓにおいて励起され、放出された電子群の平均エネルギー＜Ｅk ＞は、表面のＧａＡｓ層が決める負の電子親和力の大きさ｜Δx ｜に依存する。
【００１６】
一方、本実施例１では、ｐ型ＧａＡｓの光励起層１０の表面に、電子親和力調整層であるＩｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓの表面層２０を形成したので、そのエネルギーダイヤグラム及び電子のエネルギー分布は、図２に示すようになる。すなわち、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓの表面層２０を設けることで、真空準位を図７の場合に比べて、上昇させることができる。すなわち、ｐ型ＧａＡｓの電子に対する電子親和力の絶対値｜Δx ｜を小さくすることができる。本実施例では、Ｉｎ組成比ｘを０．１２とし、厚さを５ｎｍとすることで、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓの表面層２０の表面電子に対する真空準位を、光励起層１０のｐ型ＧａＡｓの伝導帯の底と同一レベルにすることができた。
【００１７】
この結果、ｐ型ＧａＡｓの光励起層１０で励起された電子群が外部に出力された際、真空準位に対する平均エネルギー＜Ｅk ＞を小さくすることができる。換言すれば、電子親和力調整層であるＩｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓの表面層２０を用いずに、ｐ型ＧａＡｓの光励起層１０だけの場合に比べて、エミタンスを減少させることができる。
エミタンスεnrmsは、（１）式で表される。σx はレーザスポット径、＜Ｅkx＞は出力される電子群の平均横方向エネルギー（＜Ｅkx＞＝＜Ｅk ＞／３）、ｍe は電子の静止質量、ｃは光速である。すなわち、電子群の平均横方向エネルギー＜Ｅkx＞を小さくすれば、エミタンスは小さくできる。
【数１】
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【００１８】
図４は、実施例１に係る半導体フォトカソード１のエミタンスの測定結果である。励起レーザ光のスポットの直径が１．１５ｍｍにおいて、励起レーザ光の波長が７８５ｎｍのとき、エミタンス０．０８πｍｍ  ｍｒａｄが得られた。また、波長６３３ｎｍでは、エミタンス０．１０πｍｍ  ｍｒａｄが得られ、波長５４４ｎｍでは、エミタンス０．１４πｍｍ  ｍｒａｄが得られた。
【００１９】
これに対して、ｐ型ＧａＡｓの光励起層１０だけからなる半導体フォトカソードの場合には、図８に示すように、スポットの直径が１．１５ｍｍにおいて、励起レーザ光の波長が７８５ｎｍのとき、エミタンスは０．１２πｍｍ  ｍｒａｄであった。また、波長５４４ｎｍでは、エミタンスは０．１６πｍｍ  ｍｒａｄであった。すなわち、電子親和力調整層を設けた場合には、その層を設けない場合に比べて、エミタンスを、波長７８５ｎｍにおいて、２／３に、波長５４４ｎｍにおいて、７／８に、それぞれ、低減させることができた。ただし、図８の従来例の特性は、 Matsuba, Y. Honda, X.G. JIN et al.,JJAP 51 (2012) #046402に記載の特性である。
【００２０】
実施例１に係る半導体フォトカソード１から出力される電子ビームの平均横方向エネルギー（ＭＴＥ  ｍｅＶ）を測定した。その結果を図５に示す。図５から明らかなように、本実施例の半導体フォトカソード１の場合には、励起レーザ光の波長が７８５ｎｍのときＭＴＥは２０ｍｅＶ（±２ｍｅＶ）であり、波長が６３３ｎｍのときＭＴＥは３６ｍｅＶ（±６ｍｅＶ）であり、波長が５４４ｎｍではＭＴＥが４６ｍｅＶ（±７ｍｅＶ）であった。
【００２１】
また、ｐ型ＧａＡｓの光励起層１０みを用いた従来例の半導体フォトカソードの測定結果を、図９に示す。ただし、図９の特性は、 Matsuba, Y. Honda, X.G. JIN et al.,JJAP 51 (2012) #046402に記載の特性である。励起レーザ光の波長が７８５ｎｍのときＭＴＥは３０ｍｅＶ以上であり、波長が５４４ｎｍではＭＴＥが６０ｍｅＶ以上である。したがって、電子親和力調整層（表面層２０）を設けた実施例１の場合には、その層を設けない場合に比べて、ＭＴＥは、波長７８５ｎｍにおいて、２／３以下に、波長５４４ｎｍにおいて、４／５以下に、それぞれ、低減させることができた。
【００２２】
電子親和力調整層（表面層２０）として、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）を用いた場合に、Ｉｎ組成比ｘは、０より大きく、０．４７以下の範囲が望ましい。さらに、望ましくは、０．２以上、０．４７以下の範囲であり、さらに、０．３以上、０．４７以下の範囲が望ましい。最も望ましいＩｎ組成比ｘは、０．４７である。その理由は、以下の通りである。ｐ型ＧａＡｓの表面電子に対する真空準位は、ｐ型ＧａＡｓの伝導帯の底に対して０．３Ｖだけ低い。したがって、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓにより、０．３Ｖだけ真空準位を上昇させれば、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの表面電子に対する真空準位とｐ型ＧａＡｓの伝導帯の底とが同一レベルとなる。厚さ５ｎｍのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓを用いて、０．３Ｖだけ真空準位を上昇させる時のＩｎ組成比ｘが０．４７である。したがって、ｘが０．４７の時に、エミタンスを最も小さくすることができる。真空準位をｐ型ＧａＡｓの伝導帯の底以上に高くすると、電子の出力に関する外部量子効率が低下するので、望ましくない。
【００２３】
電子親和力調整層のＩｎx Ｇａ1-x Ａｓは、電子親和力を負とするために、ｐ型を用いている。Ｉｎ組成比ｘが０．１２の時に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの表面電子に対する真空準位とｐ型ＧａＡｓの伝導帯の底とを同一レベルとすることができる厚さｄ（ｎｍ）とアクセプタ不純物濃度Ｎ（cm-3）との関係は、ｄ＝（１００６／Ｎ）1/2 である。最適な厚さは、不純物濃度、Ｉｎ組成比ｘに依存するが、ｘ＝０．１２、Ｎ＝６×１０19cm-3の時、真空準位を０．３Ｖだけ上昇させる最適厚さｄは、４．１ｎｍである。したがって、不純物濃度の範囲を６×１０18cm-3以上、６×１０19cm-3以下の範囲として、厚さの望ましい範囲は、４．１ｎｍ以上、１３．０ｎｍ以下の範囲となる。また、不純物濃度の範囲を６×１０18cm-3以上、６×１０20  m -3以下の範囲とすると、厚さの望ましい範囲は、１．３ｎｍ以上、１３．０ｎｍ以下の範囲となる。
【００２４】
また、電子親和力調整層として、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy （０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）を用いることができる。図３は、格子定数とエネルギーバンドギャップとの関係を示している。電子親和力調整層には、その層のエネルギーバンドギャップがＧａＡｓのエネルギーバンドギャップよりも小さくなる範囲のＩｎ組成比ｘと、Ｐ組成比ｙとを有したＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy を用いれば良い。ＧａＡｓと格子定数を接近させて、エネルギーバンドギャップを小さくするには、電子親和力調整層に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ1-y Ｐy よりも、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを用いた方が望ましい。
【実施例２】
【００２５】
次に、実施例２に係る半導体フォトカソード２について説明する。図６は、その構成を示している。図１と同一機能を果たす部分には同一符号が付されている。基板５には、ｐ型のＧａＰ基板が用いられている。基板５上に成長されたｐ型のＧａＡｓ0.7 Ｐ0.3 から成るバッファ層６と、そのバッファ層６上に成長されたｐ型ＧａＡｓから成る光励起層１０が形成され、その光励起層１０の上に、電子親和力調整層である厚さ５ｎｍのｐ型のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓから成る表面層２０とが形成されている。基板５の裏面５１からレーザ光が入射してｐ型ＧａＡｓにおいて電子が励起されて、表面層２０の表面２１から外部に電子ビームが出力される。なお、基板を含めて各半導体層を全てｐ型としているのは、励起された電子を少数キャリアとするためである。
【００２６】
バッファ層６として、ＧａＡｓ0.7 Ｐ0.3 を用いた理由について説明する。ＧａＡｓ0.7 Ｐ0.3 と基板５のＧａＰとの格子定数の差が大きいために、バッファ層６の成長初期においては、基板５の面上に、ＧａＡｓ0.7 Ｐ0.3 が一様な厚さに形成されずに、多くの分散した島状に形成され、しばらくの間、この島状の結晶核が相互に独立した状態で３次元成長して大きくなる。格子定数差が大きく最も圧縮歪みを受け易い結晶成長の初期段階においては、結晶核が島状に形成される結果、圧縮歪みは、各結晶核の内部だけに独立して発生し、隣接する結晶核には、圧縮応力の干渉がない。結晶核間では、圧縮応力が緩和された状態で、各結晶核が３次元成長しつつ、結晶核が相当な厚さとなり基板からの圧縮歪みの影響が少なくなった状態で、横方向に各結晶核が合体して、結晶が成長して行く。この結果、成長する結晶には、圧縮応力の累積がなく、滑り転位が発生しない。このため、光励起層１０であるＧａＡｓの結晶性を向上させ、電子の励起効率を向上させることができる。
【００２７】
バッファ層６のＧａＡｓ1-x Ｐx を成長初期において、分散した島状に成長させるためには、０≦ｘ≦０．３とすることが望ましい。さらに、島状の結晶成長を確実にするには、０≦ｘ≦０．２とするのが望ましい。実施例２の半導体フォトカソード２においても、実施例１と同様の原理により出力される電子ビームのエミタンスを小さくすることができる。
【実施例３】
【００２８】
図６のバッファ層６には、上記と同一理由により、ｐ型のＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ1-x Ｐx 、ただし、０≦ｘ≦０．３、０．１≦ｙ≦１を用いることができる。Ｐ組成比ｘを０≦ｘ≦０．３とすることで、バッファ層６の成長初期において、基板５の面上に多数の分散した島状の結晶核を形成することができる。Ｐ組成比ｘが小さい程、島状の結晶が成長し易くなるが、バッファ層のバッドギャップが小さくなる。一方、Ａｌ組成比ｙを大きくすれば、島状の結晶成長に影響を与えることなく、バッファ層のバンドギャップを大きくすることができる。よって、バッファ層６の結晶成長の初期において分散した島状の結晶核を形成できる状態を維持して、励起光がバッファ層６で吸収されることを防止できる。励起光のバッファ層６での吸収を防止するには、バッファ層６のＡｌ組成比ｙを０．１≦ｙ≦１とする。このことにより、励起光がバッファ層６で吸収されることを防止すること、すなわち、励起光に対してバッファ層６を透明として、電子の励起効率を向上させることができる。また、バッファ層６の結晶性を高くするという観点から、Ａｌ組成比ｙを０．１≦ｙ≦０．５とすることが望ましい。また、０≦ｘ≦０．２とすると、結晶成長の初期において、より確実に分散した島状の結晶核とすることができる。また、０．０５≦ｘ≦０．３、０．１≦ｘ≦０．２とすることも望ましい範囲である。実施例３の半導体フォトカソードにおいても、実施例１と同様の原理により出力される電子ビームのエミタンスを小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、リニアック（ＥＲＬ）、電子顕微鏡、リソグラフィ、電子線ホログラフィー、逆光電子分光などのように低エミタンスおよび単色性を必要とする電子源に用いることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０…光励起層
２０…表面層（電子親和力調整層）
２１…表面
５…基板
６…バッファ層
５１…裏面
【図１】
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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８】
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【図９】
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【図２】
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【図７】
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