(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象である被検出光の入射により光電子が放出される光電陰極であって、
サファイヤからなる基板と、
前記基板上にＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎによって形成され、被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層と、
前記基板と前記活性層との間にＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎによって形成され、前記基板と前記活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層と、
を備え、
前記活性層を形成するＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎの組成がｘ１＞０且つ０≦ｙ１≦１の範囲にあり、
前記バッファ層を形成するＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎの組成がｘ２＞０且つ０≦ｙ２≦１の範囲にあることを特徴とする光電陰極。
【請求項２】
前記バッファ層の格子定数が前記活性層の格子定数とほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
【請求項３】
前記バッファ層のエネルギギャップが、前記活性層のエネルギギャップ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電陰極。
【請求項４】
前記バッファ層と前記活性層との間には、ＩｎＡｌＧａＮからなるサブ層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電陰極。
【請求項５】
前記サブ層の格子定数が前記活性層の格子定数とほぼ等しいことを特徴とする請求項４に記載の光電陰極。
【請求項６】
、前記サブ層のエネルギギャップが、前記活性層のエネルギギャップ以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載の光電陰極。
【請求項７】
前記活性層の表面には、前記活性層の表面の仕事関数を低下させるための表面層が、アルカリ金属又はその酸化物、そのフッ化物若しくはそのヨウ化物によって形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電陰極。
【請求項８】
サファイヤからなる基板と、
前記基板上にＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎによって形成され、検出対象である被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層と、
前記基板と前記活性層との間にＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎによって形成され、前記基板と前記活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層と、
を備え、
前記活性層を形成するＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎの組成がｘ１＞０且つ０≦ｙ１≦１の範囲にあり、
前記バッファ層を形成するＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎの組成がｘ２＞０且つ０≦ｙ２≦１の範囲にある光電陰極と、
前記光電陰極の活性層及びバッファ層を内部に収容するよう、前記基板を側壁端部に支持して真空容器を構成する筐体と、
前記真空容器内部に設置され、前記光電陰極に対して正の電圧が保持された陽極と、
を備える電子管。
【請求項９】
前記光電陰極と前記陽極との間に、前記光電陰極から放出される光電子を２次電子増倍するための増倍手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の電子管。
【請求項１０】
前記陽極には、前記光電陰極に入射する被検出光の２次元光学像に対応して放出される２次元電子像が入射することにより発光する蛍光膜が含まれていることを特徴とする請求項８又は９に記載の電子管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外領域から赤外領域までの光に感度を有する光電陰極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】
紫外光に感度を有する光電陰極として、米国特許４，６１６，２４８号公報に開示されたものが知られている。図７及び図８は、この公報に開示された反射型及び透過型の光電陰極６０，７０の断面図であって、サファイア基板６１上には紫外光の吸収により光電子を発生させるための活性層６２がＡｌＧａＮによって形成されている。
【０００３】
より詳細に述べると、図７の反射型の光電陰極６０では、ＡｌＧａＮの活性層６２がサファイヤ基板６１上にＧａＮからなるバッファ層６３を介して、エピタキシャル成長して形成されている。一方、図８の透過型の光電陰極６０では図７の透過型の光電陰極７０とは異なり、サファイヤ基板６１上に活性層６２が直接エピタキシャル成長して形成されている。なお、図７及び図８に示される光電陰極６０，７０では、活性層６２表面上にＣｓからなる表面層６３が形成されて、活性層６２表面が活性化されている。表面層６３により活性化された活性層６２では仕事関数が低下している。また、光電陰極６０，７０の周縁部には、金属の電極６４が形成されて、光電陰極６０，７０が外部との電気的な接続できるようにしている。このため、被検出光（ｈν）が図７及び図８に矢印で示されるように入射したとき、活性層６２の電子が励起されて光電陰極６０，７０外部へ光電子（ｅ−）として容易に放出可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許５，５５７，１６７号公報には、上記に開示された光電陰極が紫外領域における感度を有するものの、以下に示す五つの条件を満たしておらず、その感度は高くないことが開示されている。その五つの条件とは、１）光電陰極の活性層における光電子の拡散長が長いこと、２）活性層が所望の波長の被検出光を吸収するよう、活性層の厚さが電子拡散長程度になっていること、３）光電陰極の活性層の導電型がｐ型又はｉ型となって、活性層表面が光電子が容易に放出されるよう実効的に負の電子親和力を有していること、４）活性層を物理的に支持する基板が入射窓としても機能するよう、所望の波長に対して透過性が高いこと、５）活性層と基板との界面において活性層の結晶欠陥の形成が抑制され、被検出光によって励起された電子がその結晶欠陥に由来する再結合準位に捕捉されないようにすること、である。
【０００５】
また、米国特許５，５５７，１６７号公報には、これらの条件を満たすことは可能であり、高感度の光電陰極が得られることが開示されている。図９の断面図は、この公報に開示された透過型の光電陰極８０である。この光電陰極８０では、単結晶サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）からなる基板８１上に、活性層８１がＡｌＧａＮの三元混晶によって形成されている。また、基板８１と活性層８２との界面に形成された結晶欠陥の発生が抑制されるよう、基板８１と活性層８２との間に、ＡｌＧａＮからなる界面層（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｌａｙｅｒ）８２が形成されている。なお、光電陰極８０が外部との電気的に接続できるようにするため、光電陰極８０の外周面上に金属電極８４が形成されている。
【０００６】
しかしながら、上述した２つの公報に開示された光電陰極の活性層はいずれもＡｌＧａＮの３元混晶により形成されている。このため、これら光電陰極では、活性層が最もエネルギギャップの大きいＧａＮによって形成されたとしても、波長が２００〜３６０ｎｍの紫外光にしか本質的に感度がないこととなる。したがって、これら光電陰極を備える電子管もまた、波長が２００〜３６０ｎｍの紫外光にしか感度を有することができず、検出対象となる被検出光の波長範囲が限定されてしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、広い波長範囲にわたって高い分光感度を有する光電陰極及びそれを用いる電子管を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電陰極は上記目的を達成するためになされたもので、検出対象である被検出光の入射により光電子が放出される光電陰極であって、サファイヤからなる基板と、基板上にＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎによって形成され、検出対象である被検出光の入射により光電子を発生させるための活性層と、基板と活性層との間にＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎによって形成され、基板と活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層とを備え、活性層を形成するＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎの組成がｘ１＞０且つ０≦ｙ１≦１の範囲にあり、バッファ層を形成するＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎの組成がｘ２＞０且つ０≦ｙ２≦１の範囲にあることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、活性層は少なくともＩｎを含んでいる。このため、活性層を構成する各元素の組成の調整により波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの被検出光が活性層に吸収されて、光電子が発生するようになる。したがって、波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの被検出光に対して光電陰極は感度を有するようになる。また、活性層を構成している元素はバッファ層を構成している元素と同じである。このため、活性層及びバッファ層を構成する各元素の組成の調整により、活性層と基板との格子不整が緩和しながら、上記波長範囲の被検出光のほとんどが活性層に吸収されて光電子が発生するようになる。したがって、２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲にある被検出光に対して高い感度を有する光電陰極が実現される。
【００１０】
また、バッファ層の格子定数が活性層の格子定数とほぼ等しいのが好適である。これにより、活性層がバッファ層と格子整合するようになって、活性層と基板との格子不整はほとんど解消され、活性層には格子不整による結晶欠陥はほとんど発生しない。したがって、被検出光の吸収により励起される活性層の電子は、この結晶欠陥に由来する再結合準位により捕捉されないので、さらに感度の高い光電陰極が得られようになる。
【００１１】
また、本発明の光電陰極が透過型となるために、バッファ層のエネルギギャップが活性層のエネルギギャップ以上であるのがよい。
【００１２】
また、バッファ層と活性層との格子不整を緩和させるために、バッファ層と活性層との間にはＩｎＡｌＧａＮからなるサブ層が形成されていることを特徴としてもよい。
【００１３】
また、サブ層を含む光電陰極が透過型となるために、サブ層のエネルギギャップが、活性層のエネルギギャップ以上であることが好適である。
【００１４】
また、サブ層の格子定数が活性層の格子定数とほぼ等しいのが好適である。これにより、活性層がバッファ層と格子整合するようになって、活性層とバッファ層との格子不整はほとんど解消され、活性層には格子不整による結晶欠陥はほとんど発生しない。したがって、光の吸収により励起される活性層の電子は、この結晶欠陥に由来する再結合準位により捕捉される確率は著しく低下し、さらに感度の高い光電陰極が得られようになる。
【００１５】
また、活性層表面を負の電子親和力とするために、活性層の表面には、活性層の仕事関数を低下させるための表面層が、アルカリ金属又はその酸化物、そのフッ化物若しくはそのヨウ化物によって形成されていてもよい。
【００１６】
本発明の電子管では、サファイヤからなる基板と、基板上にＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎによって形成され、検出対象である被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層と、基板と活性層との間にＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎによって形成され、基板と活性層との格子不整を緩和するためのバッファ層とを備え、活性層を形成するＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎの組成がｘ１＞０且つ０≦ｙ１≦１の範囲にあり、バッファ層を形成するＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎの組成がｘ２＞０且つ０≦ｙ２≦１の範囲にある光電陰極と、光電陰極の活性層及びバッファ層を内部に収容するよう、基板を側壁端部に支持して真空容器を構成する筐体と、真空容器内部に設置され、光電陰極に対して正の電圧が保持された陽極とが備えられている。
【００１７】
かかる構成では、光電陰極によって波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの被検出光が光電子に効率よく変換され、その光電子は陽極に集められる。したがって、この電子管はかかる波長範囲の光信号を電気信号に効率よく変換することができる。
【００１８】
また、光電陰極から放出される光電子信号を増倍させるため、光電陰極と陽極との間に、光電陰極から放出される光電子を２次電子増倍するための増倍手段を備えてもよい。
【００１９】
また、陽極は、光電陰極に入射した被検出光の２次元光学像に対応して放出される２次元電子像が入射することにより発光する蛍光膜であってもよい。これによって、被検出光の２次元光学像を直接観察することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【００２１】
図１の側断面図には、本発明が適用される透過型の光電陰極１０がメサ状の断面を有して概略的に示されており、波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲にある被検出光に対して高い感度が得られるようになっている。
【００２２】
この光電陰極１０では、単結晶のサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）からなる基板１１が、図１の矢印で示される被検出光（ｈν）の窓材としても用いられている。基板１１としてサファイアを用いたのは、サファイアが波長が約１５０ｎｍの紫外光から約６００ｎｍの可視光まで透光性を、換言すれば、被検出光の波長範囲よりも広い波長範囲で透光性を有しているためである。また、多結晶でなく単結晶としたのは、多結晶ではこの上に良質な活性層をエピタキシャル成長させることが困難であるためである。
【００２３】
基板１１上には、被検出光の吸収により光電子を発生させるための活性層１２が、単結晶によって形成されている。本実施形態では、この活性層１２はＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎの混晶によって形成されており、その組成がｘ１＞０且つ０≦ｙ１≦１の範囲にある。この活性層１２を形成するＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎの組成が上記範囲で変化するとき、エネルギギャップ及び基礎吸収端波長は、そして、それらが変化する範囲は図２を考察することにより明らかとなる。
【００２４】
図２は、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ，ＩｎｘＧａ１−ｘＮ，ＡｌｘＧａ１−ｘＮの各元素の組成に対するエネルギギャップＥｇ及び基礎吸収端波長λｅを示したものである。この図によると、Ｉｎ，Ａｌ及びＧａの組成により、図２（ａ）〜図２（ｃ）に実線で示されるように、エネルギギャップＥｇが２〜６ｅＶまで変化するようになることが分かる。また、基礎吸収端波長λｅは、図２（ａ）〜図２（ｃ）に太実線で示されるように、紫外領域の２００ｎｍから可視領域の６００ｎｍまで変化するようになる。したがって、これらの３元混晶が任意に組み合わされて形成される本実施形態の活性層１２は波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの被検出光を吸収して、光電子を発生させることができる。
【００２５】
これに対して、上述した米国特許５，５５７，１６７号公報の活性層及び界面層呼ばれるバッファ層は、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮ三元混晶によって形成されている。このため、ＡｌＧａＮの組成に応じて変化する基礎吸収端波長λｅの範囲は、図２（ｃ）に太実線で示されるように、２００ｎｍから３６０ｎｍの紫外領域に限定されるので、そのような活性層では波長が２００ｎｍ〜３６０ｎｍの被検出光しか吸収されない。
【００２６】
また、基板１１と活性層１２との間には、バッファ層１３が活性層１２と格子整合して形成されて、基板１２と活性層１２との格子不整を緩和して活性層１２の結晶性を高めている。本実施形態では、活性層１２を形成する各元素の組成が変化してもこの格子整合が維持され易い点に特徴がある。これは、バッファ層１３が活性層１２と同じ元素からなるＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎによって形成されて、その組成がｘ２＞０且つ０≦ｙ２≦１の範囲にあるためである。このとき、両者を形成する元素の組成を適当に変化させることにより、活性層１２及びバッファ層１３の格子定数とエネルギギャップをそれぞれ独立に変化させることが可能である。したがって、活性層１２及びバッファ層１３の格子定数の調整は容易になされ、両者が格子整合しやすくなるのである。格子整合をしている活性層１２とバッファ層１３との界面においては、転位等の結晶欠陥の生成が抑制されている。このため、この結晶欠陥に由来する再結合準位もほとんど形成されることはない。したがって、被検出光によって励起された活性層１２の電子が放出表面まで移動する途中で、再結合準位に捕捉される確率が著しく低下する。
【００２７】
ところで、本実施形態の光電陰極１０は透過型であるため、バッファ層１３は活性層１２の結晶性を向上させるだけではなく、活性層１２が基板に入射する被検出光のほとんどを吸収できるよう、被検出光に対して透光性を有している必要がある。すなわち、バッファ層１３は活性層１２と格子整合しながら、活性層１２よりも大きいエネルギギャップを有している必要がある。しかし、活性層１２とバッファ層１３とが同じ元素の四元混晶から形成されているため、両者を形成する元素の組成を適当に変化させることにより、活性層１２及びバッファ層１３の格子定数とエネルギギャップをそれぞれ変化させることが可能である。したがって、活性層１２及びバッファ層１３のエネルギギャップの調整は容易になされ、バッファ層１３は活性層１２と格子整合しながら、活性層１２よりも大きいエネルギギャップを容易に有するようになる。
【００２８】
なお、以上のように構成された図１の光電陰極１０の断面図は概略図であって、実際の光電陰極の断面とは異なる。例えば、活性層及びバッファ層の厚さはサファイヤ基板の厚さに比べて非常に薄い。しかし、活性層及びバッファ層を図面上に示すことは実際に不可能である。したがって、活性層１２及びバッファ層１３は厚さに関して、図１だけでなくそれ以外の図面も拡大されて示されている。また、光電陰極１０の外周面には金属の電極１４が形成されて、光電陰極１４が外部との電気的な接続を可能にしている。
【００２９】
このような透過型の光電陰極１０の基板１１側から、被検出光（ｈν）が図１の矢印で示されるように入射すると、基板１１は被検出光に対して透光性を有しているため、被検出光は基板１１によって吸収されることなく透過する。また、基板１１は単結晶からなるため、被検出光は結晶粒界によって散乱されず、その光路は変化しない。基板１１を透過した被検出光はバッファ層１３に到達する。上述したように、バッファ層１３もまた単結晶からなり、また、被検出光に対して透光性を有しているので、被検出光はバッファ層１３によって吸収・散乱を受けることなくバッファ層１３を透過する。バッファ層１３を透過した被検出光は活性層によって吸収される。このとき、活性層１２には格子不整に基づく結晶欠陥の発生が抑制されているので、結晶欠陥に由来する再結合準位は活性層１２の禁止帯にほとんど形成されない。このため、被検出光が活性層１２によって吸収されて活性層１２の電子が励起されるとき、その電子が再結合準位に捕捉される確率は著しく低下する。したがって、被検出光のほとんどは活性層１２に吸収されて電子が励起され、光電子（ｅ−）として外部に放出されるようになる。
【００３０】
図３には、本実施形態の光電陰極の分光感度特性を測定した結果が示されている。図３によれば、エネルギギャップが活性層のものよりも大きいバッファ層によって、短波長側閾値波長が非常に急峻に現れて、バッファ層は優れた短波長カットフィルタの役割を果たしていることが分かる。これは、バッファ層が活性層１２と格子整合しているためである。また、バッファ層１３は活性層１２と格子整合している限り、バッファ層１３を形成する各元素の組成に応じて、上述したように、バッファ層１３の基礎吸収端波長が２００ｎｍから６００ｎｍまで変化可能となる。したがって、短波長側閾値波長が、図３の点線で示されるように２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で任意に調整可能となる。
【００３１】
バッファ層１３によって短波長側閾値波長が調整可能となると同様に、活性層１２によっても、急峻な長波長例閾値波長が、図３に示されるように調整可能となる。活性層１２はバッファ層１３と同じ元素からなり、バッファ層１３と格子整合している限り、その組成の変化に応じて活性層１３の基礎吸収端波長が２００ｎｍから６００ｎｍまで変化可能となるからである。したがって、活性層は優れた長波長カットのフィルタの役割を果たすようになる。さらに、以上から、光電陰極１０が２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で優れた帯域フィルタとしての機能をも有するようになる。
【００３２】
このように、短波長側及び長波長側閾値波長がこのように広い範囲にわたっているのは、上述したように、光電陰極１０を構成する活性層１２及びバッファ層１３にＩｎが含まれているためである。これに対して、上述した米国特許５，５５７，１６７号公報の活性層及バッファ層は、ＡｌＧａＮ三元混晶によって形成されてＩｎを含んでいない。このため、ＡｌＧａＮの組成に応じて調整できる短波長側及び長波長側閾値波長波長の範囲は、２００ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外領域に限定されてしまうのである。
【００３３】
なお、本実施形態では、バッファ層が一定の組成を有したＩｎｘ２（Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２）１−ｘ２Ｎによって形成されている場合について例に説明した。しかし、バッファ層はこれに限定されるものではない。例えば、サファイヤ基板から活性層にかけて組成がなだらかに変化するような傾斜組成層、或いは組成の異なる複数のバッファ層、或いはこれらを組み合わせたものなどであっても構わないことはもちろんである。また、活性層表面上にはＣｓ及びＯからなる表面層が形成されて、活性層の表面の仕事関数が低下して、活性層表面が負の電子親和力（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ：ＮＥＡ）を有してもよい。このとき、表面層のＣｓがそれ以外の他のアルカリ金属、例えばＲｂ，Ｋ等でも同様の効果は得られることはもちろんである。さらに、Ｏ以外には例えばＦ，Ｉ等が用いられてもよい。
【００３４】
本発明の光電陰極は上記のものに限定されない。図４の断面図には、本発明の光電陰極１０の第２実施形態が概略的に示されている。本実施形態では、単結晶のバッファ層が形成されている上記第１実施形態と異なり、低温で形成された非晶質のバッファ層１３上に単結晶のサブ層１５がＩｎＡｌＧａＮによって形成されている。活性層１２とバッファ層１３との間にサブ層１５を設けたのは、非晶質のバッファ層１３は多くの欠陥を含んでいるため上に直接活性層１２が形成された場合の界面においては、活性層１２に結晶欠陥が生成される可能性があるからである。この結晶欠陥は活性層１２の禁制帯に再結合準位を形成し、被検出光が活性層に吸収されることにより励起された電子は、この再結合準位に捕捉されてしまう。したがって、光電陰極１０の感度は著しく低下するおそれがある。そこで、活性層１２とバッファ層１３との間にサブ層１５が形成されることにより、活性層１２とバッファ層１３との格子不整を緩和するようにしている。このとき、活性層１２とサブ層１５との界面の結晶欠陥の発生が極力抑制されるよう、活性層１５とサブ層１５との格子定数はほぼ一致して、両者が格子整合しているのが望ましい。
【００３５】
また、このサブ層１５は、上記第１実施形態と同様に第２実施形態の光電陰極１０が透過型であるために、被検出光の波長に対して透光性を有している必要がある。このため、サブ層１５についてもまたエネルギギャップが被検出光の波長に対応したエネルギギャップよりも大きくなるように、サブ層１５を形成するＩｎＡｌＧａＮが所定の組成を有している必要がある。
【００３６】
以上のように構成された第２実施形態の光電陰極１０の作製は、いわゆる有機金属気相成長法により、反応性に富む有機金属化合物とアンモニア（ＮＨ３）とを熱分解して行われる。なお、第１実施形態の光電陰極１０の作製も第２実施形態とほぼ同様に行われる。
【００３７】
まず、所定の大きさの単結晶のサファイヤ基板を脱脂洗浄後、図示されない有機金属気相成長装置の反応室に配置する。その後、反応室に窒素原料となるアンモニアガス（ＮＨ３）とキャリヤガスである水素ガス（Ｈ２）とを導入する。この状態で、サファイア基板１１を加熱して約１０００℃に所定時間維持してその表面の清浄化を行って、表面の水分や揮発成分の除去等が行われる。
【００３８】
つぎに、サファイア基板１１を約４５０℃に維持し、Ｉｎの原料となるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ａｌの原料ガスとなるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びＧａの原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を反応室に導入する。このとき、ＩｎＡｌＧａＮからなる厚さが約２０ｎｍのバッファ層１３が非晶質となって形成される。その後、サファイア基板１１を加熱して約９００℃に維持し、単結晶のＩｎＡｌＧａＮからなる厚さが約２００ｎｍのサブ層１５が形成される。このとき、サブ層１５の導電型をＭｇが所定量だけドーピングされたｐ型にするために、Ｍｇの原料となるシクロペンタジエニルマグネシウムを所定量だけ導入する。
【００３９】
引き続いて、このサブ層１５上に、Ｉｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎからなる厚さが約３００ｎｍの活性層１２をエピタキシャル成長させる。このとき、サファイヤ基板１１から入射する被検出光のほとんどが活性層１２に到達するために、バッファ層１３、サブ層１５のエネルギギャップが活性層１２のエネルギギャップよりも大きくなるように、これらを形成するＩｎＡｌＧａＮ四元混晶がそれぞれ所定の組成を有していることが重要である。また、活性層１３とサブ層１５との界面において、結晶欠陥の発生が抑制されるように、活性層１２とサブ層１５を構成する各元素の組成を調整して、両者の格子定数がほぼ一致させることが重要である。
【００４０】
なお、米国特許５，５５７，１６７号公報では、活性層上にＺｎ３Ｎ２からなるプロテクション層を形成する方法が開示されているが、活性層のＡｌ組成が著しく高い場合以外は、このようなプロテクション層を形成する必要はない。このプロテクション層は活性層表面の酸化を抑制するためのものであり、真空中で昇温により脱離するものであれば上記に限定されないことは言うまでもない。
【００４１】
以上のように、光電陰極が有機金属気相成長法により作製されるが、この成長方法が本質的なものではない。したがって、高品質な光電陰極を作製できる成長方法であれば、有機金属気相成長法に限定されるものではない。また、各層の厚さについても代表的な値を示したものであり、本発明が必ずしも上記厚さに限定されないことはもちろんである。
【００４２】
つぎに、有機金属気相成長装置の反応室内で作製された光電陰極を、一度大気中に取り出した後、活性層１２表面を一部マスクして真空チャンバ内に配置し、超高真空にまで真空排気する。この状態で、電極材料を蒸着して光電陰極１０外周面に電極を形成する。
【００４３】
その後、真空チャンバ内を大気圧にして真空チャンバから光電陰極１０を取り出し、活性層１２表面のマスクを取り除く。つぎに、光電陰極を１０を再び真空チャンバ内に配置して、超高真空にまで真空排気する。この状態で、光電陰極１０を約８００℃まで加熱し、光電陰極１０の表面を清浄化する。なお、ＣｓとＯをからなる図示されない表面層を単原子層だけ形成させ、光電陰極の活性層表面の仕事関数を低下させてもよい。これにより、活性層はいわゆる負の電子親和力を有するようになり、感度が非常に高い光電陰極が作製される。ただし、表面層はＣｓ及びＯからなるものに限られない。Ｃｓ以外の他のアルカリ金属、例えばＲｂ，Ｋ等でも同様の効果は得られることはもちろんである。また、Ｏ以外に例えばＦ，Ｉ等を用いることも可能である。また、このような光電陰極１０を真空容器内に収容されれば、非常に高い光電変換効率を有する電子管が作製される。
【００４４】
以上のように構成された光電陰極１０は、実際には光電子増倍管等の電子管の陰極として用いられて、波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍにある微弱な被検出光の検出に供することができる。
【００４５】
図１の側断面図には、上記第２実施形態の光電陰極１０を備える電子管２０が概略的に示されており、上述の波長範囲にある微弱な被検出光を光電変換により検出できる光電子増倍管である。
【００４６】
この光電子増倍管では筐体の上端部において、光電陰極１０を構成する基板１１が活性層１２等を筐体２１内に収容するように気密に支持され、また、筐体の下端部には陽極３０が気密に支持されて、真空容器２２が形成される。なお、図示されないが、この光電子増倍管２０では、光電陰極１０の電極に電気リードの一端が接続されその他端は外部に延びており、また、陽極にも電気リードの一端が接続されその他端は外部に延びている。これら電気リードの他端には直流電源が接続されて、陽極が光電陰極に対して正の電圧となるようにしている。
【００４７】
真空容器２２内には、直径１０μｍ程度のガラス孔を多数束ねて構成されるマイクロチャンネルプレート（以下［ＭＣＰ］という。）４０が電子増倍手段として設けられている。ＭＣＰ４０には、図示されない電気リードを介して、光電陰極１０に対して正の電圧が印加され且つ陽極３０に対して負の電圧が印加されるようになっている。さらに、ＭＣＰ４０の上面側（以下「入力側」という）及び下面側（以下「出力側」という）にはそれぞれ電気リード４１ａ，４１ｂの一端が接続され、その他端は筐体の側壁を貫通して延びている。そして、電気リードの他端に図示されない直流電源が接続されて、ＭＣＰ４０の入力側とＭＣＰ４０の出力側との間には増倍用の電圧が印加されるようになっている。なお、本実施形態における増倍手段は上記ＭＣＰ４０に限定されず、例えばＳｂＣｓ等からなる２次電子面、あるいは電子打ち込み型のダイオード等でも構わないことはもちろんである。
【００４８】
このように構成された光電子増倍管２０のサファイア基板１１に、検出対象である被検出光（ｈν）が入射すると、光電陰極１０の実施形態の説明で述べたように、そのほとんどが活性層１２に到達する。また、活性層１２に到達した被検出光のほとんどが活性層１２に吸収されて光電変換に寄与し、光電子（ｅ−）が負の電子親和力を有する光電陰極１０外部に放出される。光電陰極１０外部に放出された光電子は加速しながらＭＣＰ４０の入力側に入射する。光電子はＭＣＰ４０を通過中に約１×１０６倍に２次電子増倍されて、出力側から２次電子群（ｅ−）が図５に示されるように放出される。この２次電子群は、ＭＣＰ４０に対して正の電圧に印加された陽極３０に加速して入射し、出力信号電流として外部に取り出される。したがって、被検出光が光子からなるものと考えた場合、この光電子増倍管２０では光電陰極において光子の数え落としが低減される。このため、光電陰極によって決まる所定の波長領域において、すなわち波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域において、微弱な被検出光の検出が、換言すれば光子計数計測が非常に効率よくなされるようになる。
【００４９】
本発明の電子管は微弱な被検出光を、上述したように単に検出するものに限定されない。図６の側断面図に示される電子管２０は、図５の光電子増倍管とは異なり、被検出光としての微弱な２次元光学像を検出できるようにしたいわゆる画像増強管である。この画像増強管では図５の光電子増倍管と異なり、陽極３０が透明電極からなり、また、その内面には蛍光体（蛍光膜）３１が形成されている。さらに、真空容器の下部にはファイバプレート５０が支持されている。
【００５０】
このような画像増強管の基板１１に、被検出光としての微弱な２次元光学像（ｈν）が図６の矢印のようにように入射した場合、２次元光学像に対応する２次元光電子像（ｅ−）が光電陰極から真空容器２０の内部空間へ効率よく放出される。その後、２次元光電子像はＭＣＰ４０入力側に加速して入射すると、ＭＣＰ４０によって２次元光電子像は約１×１０６倍に２次電子増倍される。このとき、２次元光電子像が２次電子増倍して得られた２次元電子像（ｅ−）は、入力側の入射位置に対応した出力側の位置から放出される。この２次元電子像は陽極３０内面に形成された蛍光体３１に加速して入射し、蛍光体３１上で２次元電子像に対応した２次元画像が増強して発光表示される。２次元画像は蛍光体３１下部に設けられたファイバプレート５０を通して外部に取り出され、観測される。したがって、本実施形態の画像増強管では、上述の光電陰極１０がＭＣＰ４０、蛍光体３１及びファイバプレート５０と結合することにより、光電陰極１０によって決まる波長範囲において、微弱な２次元光学像の検出も可能となる。
【００５１】
なお、電子管は光電子増倍管又は画像増強管に限定されず、撮像管やストリーク管等のその他の光検出装置でもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の光電陰極では、サファイア基板上に形成され、被検出光の吸収により光電子を発生する活性層がＩｎｘ１（Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１）１−ｘ１Ｎによって形成され、その組成はｘ１＞０且つ０≦ｙ１≦１の範囲にある。このように、活性層にはＩｎが含まれていることにより、波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの被検出光が活性層に吸収され光電子が発生可能となる。また、サファイヤ基板と活性層との間には、バッファ層が活性層と同じ元素によって形成されているので、サファイア基板と活性層との格子不整が容易に緩和される。したがって、バッファ層と活性層との界面において発生し、光電陰極の感度に悪影響を及ぼす活性層の結晶欠陥は低減され、かかる波長範囲で高い感度を有する光電陰極が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電陰極の第１実施形態を概略的に示した断面図である。
【図２】ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ，Ｉｎ１−ｘＧａｘＮ及びＡｌｘＧａ１−ｘＮの各組成に対するエネルギギャップ及び基礎吸収端波長をそれぞれ示した図である。
【図３】第１実施形態の光電陰極の分光感度特性を示した図である。
【図４】本発明の光電陰極の第２実施形態を概略的に示した断面図である。
【図５】本発明の電子管の第１実施形態、すなわち光電子増倍管を概略的に示した断面図である。
【図６】本発明の電子管の第２実施形態、すなわち画像増強管を概略的に示した断面図である。
【図７】従来の反射型の光電陰極を概略的に示した断面図である。
【図８】従来の透過型の光電陰極を概略的に示した断面図である。
【図９】図８の光電陰極の課題を解決した従来の光電陰極を概略的に示した断面図である。
【符号の説明】
１０…光電陰極、１１…基板、１２…活性層、１３…バッファ層、１４…電極、２０…電子管、２１…筐体、２２…真空容器、３０…陽極、３１…蛍光体、４０…ＭＣＰ、５０…ファイバプレート。
【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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【図８】
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【図９】
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