(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される光に感応して発生した電子を外部から電圧を印加することにより加速して放出する半導体光電陰極において、
ｐ型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、
開口を有し、前記第２半導体層とＰＮ接合を成して前記第２半導体層の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上にあり前記コンタクト層とオーミック接触する表面電極と、
前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、前記コンタクト層の開口内に形成された第３半導体層と、
前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、前記コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上であって、前記第２半導体層の内部に配置された半導体部と、
を備えることを特徴とする半導体光電陰極。
【請求項２】
入射される光に感応して発生した電子を外部から電圧を印加することにより加速して放出する半導体光電陰極において、
ｐ型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、
前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、前記第２半導体層上に形成された半導体部と、
開口を有し、前記半導体部とＰＮ接合を成して前記半導体部の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上にあり前記コンタクト層とオーミック接触する表面電極と、
前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、前記コンタクト層の開口をその軸方向に貫ぬく延長線上であって、前記第２半導体層上に形成された第３半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体光電陰極。
【請求項３】
前記半導体部は環状の部分を有しており、この環状の部分内の面積は、前記コンタクト層の前記開口内の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光電陰極。
【請求項４】
前記半導体部はメッシュ形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の半導体光電陰極。
【請求項５】
前記第２半導体層は、この第２半導体層と前記第１半導体層との界面近傍に、前記第２半導体層内の前記第３半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと前記第１半導体層のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。
【請求項６】
前記半導体部は、ストライプ状に配置された半導体部分を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光電陰極。
【請求項７】
大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備える半導体光電陰極装置において、
前記半導体光電陰極は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたｐ型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、
開口を有し、前記第２半導体層とＰＮ接合を成して前記第２半導体層の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上にあり前記コンタクト層とオーミック接触する表面電極と、
前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、前記コンタクト層の開口内に形成された第３半導体層と、
前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、前記コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上であって、前記第２半導体層の内部に配置された半導体部と、
前記表面電極に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する第１接続ピンと、前記半導体基板または前記第１半導体層に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する第２接続ピンと、
を備え、
前記陽極は、
この陽極に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する第３接続ピン
を備えることを特徴とする半導体光電陰極装置。
【請求項８】
前記第１半導体層は、この第１半導体層と前記半導体基板との界面近傍に、前記第１半導体層内の前記第２半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと前記半導体基板のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体光電陰極装置。
【請求項９】
前記半導体光電陰極装置は、前記半導体光電陰極と前記陽極との間に配置された電子増倍器を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体光電陰極装置。
【請求項１０】
前記陽極は、蛍光物質を含む部材を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体光電陰極装置。
【請求項１１】
大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備える半導体光電陰極装置において、
前記半導体光電陰極は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたｐ型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、
前記第２半導体層と前記陽極との間に配置されたコンタクト層と、
前記コンタクト上にあり前記コンタクト層とオーミック接触する表面電極と、
前記第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、前記第２半導体層と前記陽極との間に配置された第３半導体層と、
前記コンタクト層とＰＮ接合をなし、前記第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、前記コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上に配置された半導体部と、
前記表面電極に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する第１接続ピンと、
前記半導体基板または前記第１半導体層に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する第２接続ピンと、
を備え、
前記陽極は、
この陽極に電気的に接続され、前記密閉容器を貫通する第３接続ピン
を備えることを特徴とする半導体光電陰極装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の入射により電子を発生させ、外部から印加した電圧でこれを加速して放出する半導体光電陰極及びこれを用いた半導体光電陰極装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外部バイアス電圧により、半導体内部に電界を形成して光電子を放出面まで移送させて真空中に放出させる光電陰極としては、米国特許３９５８１４３号に示されているＴ．Ｅ．光電陰極がある。Ｔ．Ｅ．光電陰極の動作機構はいくつかの文献で示されている通りであり、簡単に説明するならばＩＩＩ−Ｖ族半導体（ｐ−  ）表面全面にショットキ電極を形成して正の電位を与えることにより、光電陰極内部に傾斜電場を形成して光電子を形成して光電子を加速させ上位伝導帯に遷移させて表面障壁を越えさせ、真空中に放出させる。光応答波長に関しては、２．１μｍまで確認されその有効性が示されている。また、この半導体光電陰極の光電変換効率を向上させるために、ショットキ電極の形状を全面から格子状に工夫することで効率の向上も図られている。
【０００３】
また、米国特許５０４７８２１号や特開平４−２６９４１９号公報には、半導体光電陰極を安定して再現性よく製造する技術が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの半導体光電陰極の量子効率は０．１％と通常の光検出器と比較して低く、実用的な光検出器として用いるためには、さらなる量子効率の向上が望まれる。この量子効率の低さは、表面に形成されるショットキ電極への光電子の捕獲に起因していると考えられる。
【０００５】
本発明は以上の問題に鑑みてなされたものであり、さらに量子効率を改善することができる半導体光電陰極およびこれを用いた半導体光電陰極装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射した光に感応して発生した電子を外部から電圧を印加することにより加速して放出する半導体光電陰極および半導体光電陰極装置（光検出管、イメージ管、光電子増倍管、ストリークカメラ、イメージインテンシファイアなど）を対象とするものである。
【０００７】
そこで、本発明においては、入射される光に感応して発生した電子を外部から電圧を印加することにより加速して放出する半導体光電陰極において、ｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、開口を有し、第２半導体層とＰＮ接合を成して第２半導体層の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、コンタクト層上にありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、コンタクト層の開口内に形成された第３半導体層と、第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上であって、第２半導体層の内部に配置された半導体部とを備える構成とした。
【０００８】
このように本発明の半導体光電陰極は、まず、光や電磁波がｐ型第１半導体層に入射することによって、第１半導体層では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導帯のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー準位）に励起されている。そして、ＰＮ接合をなすコンタクト層には第１半導体層よりも高い電位が与えられるので、発生した電子はこの電位による電界に力を受けてコンタクト層方向へ走行する。第２半導体層は、第１半導体層よりもその濃度が低い場合には、第２半導体層内に第１半導体層よりも広い範囲に空乏層領域が発生する。この空乏層領域には電界が生じており、走行中の電子はこの電界で加速されてエネルギーを受け取るので、伝導帯中のガンマ谷の下限のエネルギー準位よりもさらに上の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ谷のより高いエネルギー準位（第２エネルギー準位）に励起されながらコンタクト層方向に走行する。
【０００９】
一方、第２半導体層の内部には、コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上に第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体部が配置されているので、この半導体部の存在に起因してポテンシャル障壁が発生する。このポテンシャルにより走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタクト層の開口方向へ走行する。コンタクト層の開口内または開口を貫く軸の延長線上には第３半導体層が形成されているので、電子はこの第３半導体層内に導入される。第３半導体層の仕事関数は第２半導体層の仕事関数よりも小さいので、電子は第３半導体層から容易に真空中へ放出される。この第３半導体層は、仕事関数が低いアルカリ金属を主成分とする化合物半導体などが好ましい。例えば、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓなどの組み合わせが列挙される。
【００１０】
また、本発明においては、入射される光に感応して発生した電子を外部から電圧を印加することにより加速して放出する半導体光電陰極において、ｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、第２半導体層上に形成された半導体部と、開口を有し、半導体部とＰＮ接合を成して半導体部の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、コンタクト層上にありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、コンタクト層の開口をその軸方向に貫ぬく延長線上であって、第２半導体層上に形成された第３半導体層とを備える構成とした。
【００１１】
このように本発明の半導体光電陰極は、まず、光や電磁波がｐ型第１半導体層に入射することによって、第１半導体層では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導帯のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー準位）に励起されている。そして、ＰＮ接合をなすコンタクト層には第１半導体層よりも高い電位が与えられるので、発生した電子はこの電位による電界に力を受けてコンタクト層方向へ走行する。第２半導体層の濃度が１半導体層の濃度よりも低い場合には、第２半導体層内に第１半導体層よりも広い範囲に空乏層領域が発生する。この空乏層領域には電界が生じており、走行中の電子はこの電界からエネルギーを受け取るので、伝導帯中のガンマ谷の下限のエネルギー準位よりもさらに上の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ谷のより高いエネルギー準位（第２エネルギー準位）に励起されながらコンタクト層方向に走行する。
【００１２】
一方、第２半導体層の表面には、第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体部が配置され、またコンタクト層の開口部をその厚み方向に貫く延長線上の第２半導体上には第３半導体層が形成されている。したがって、この半導体部の存在に起因してポテンシャル障壁が発生する。このポテンシャルにより走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタクト層の開口方向へ走行する。そして、電子は第３半導体層内に導入される。第３半導体層の仕事関数は第２半導体層の仕事関数よりも小さいので、電子は第３半導体層から容易に真空中へ放出される。この第３半導体層は、仕事関数が低いアルカリ金属を主成分とする化合物半導体などを用いることが好ましい。例えば、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓなどの組み合わせが列挙される。
【００１３】
また、本発明においては、半導体部は環状の部分を有しており、この環状の部分内の面積は、コンタクト層の開口内の面積よりも小さくしてもよい。
【００１４】
このように半導体部が環状の部分を有していて、この環状の部分内の面積はコンタクト層の開口内の面積よりも小さくすると、電子はこの環状の半導体層により曲げられてコンタクト層に吸収されずに開口部へ集束される。
【００１５】
また、本発明においては、半導体部はメッシュ形状を有する構成としてもよい。
【００１６】
このように半導体部がメッシュ形状を有すると、電子が第３半導体層の表面から高い均一性で放出される。
【００１７】
また、本発明においては、第２半導体層は、この第２半導体層と第１半導体層との界面近傍に、第２半導体層内の第３半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと第１半導体層のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層を有する構成としてもよい。
【００１８】
このように第２半導体層が、この第２半導体層と第１半導体層との界面近傍に第２半導体層内の第３半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと第１半導体層のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層を有するようにしたので、第２半導体層と第１半導体層との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流や再結合電流を減少できる。
【００１９】
また、本発明においては、半導体部は、ストライプ状に配置された半導体部分を含む構成としてもよい。
【００２０】
このように半導体部をストライプ状に配置したので、第３半導体の表面から高い均一性で電子が放出される。また、これらの半導体部は、お互いに交差する半導体部分を備えていてもよい。
【００２１】
また、本発明においては、大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備える半導体光電陰極装置において、半導体光電陰極は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、開口を有し、第２半導体層とＰＮ接合を成して第２半導体層の表面を覆うように形成されたコンタクト層と、コンタクト層上にありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、コンタクト層の開口内に形成された第３半導体層と、第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上であって、第２半導体層の内部に配置された半導体部と、表面電極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第１接続ピンと、半導体基板または第１半導体層に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第２接続ピンとを備え、陽極は、この陽極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第３接続ピンを備える構成とした。
【００２２】
このように半導体光電陰極と陽極とを密閉容器内に配置して形成した半導体光電陰極装置は、第１接続ピンと第２接続ピンとの間に第１接続ピンの電位が第２接続ピンの電位よりも高くなるように電圧を印加するとともに、第２接続ピンと第３接続ピンとの間に第３接続ピンの電位が第１接続ピンの電位よりも高くなるように電圧を印加して使用する。この状態で前述の半導体光電陰極から放出された電子は陽極で収集される。したがって、この陽極に接続された第３接続ピンから入射した光または電磁波に対応した電流を取り出すことができる。
【００２３】
また、本発明においては、第１半導体層は、この第１半導体層と半導体基板との界面近傍に、第１半導体層内の第２半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと半導体基板のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層を有する構成としてもよい。
【００２４】
このように第１半導体層は、この第１半導体層と半導体基板との界面近傍に、第１半導体層内の第２半導体層側の領域のエネルギーバンドギャップと半導体基板のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層を有するようにしたので、半導体基板と第１半導体層との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流や再結合電流を減少できる。
【００２５】
また、本発明においては、半導体光電陰極装置は、半導体光電陰極と陽極との間に配置された電子増倍器を含む構成としてもよい。
【００２６】
このように半導体光電陰極装置は、半導体光電陰極と陽極との間に配置された電子増倍器を含むようにしたので、半導体光電陰極からの光電子を増幅できる。たとえば、半導体光電陰極と陽極との間に半導体光電陰極から放出された電子を増倍するためのダイノードやマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を配置することとしてもよい。
【００２７】
また、本発明においては、陽極は、蛍光物質を含む部材を含むようにしてもよい。
【００２８】
このように陽極は蛍光物質を含む部材を含むようにしたので、陽極は光電子の到達により蛍光を発する。
【００２９】
また、本発明においては、大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備える半導体光電陰極装置において、半導体光電陰極は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、第２半導体層と陽極との間に配置されたコンタクト層と、コンタクト上にありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、第２半導体層と陽極との間に配置された第３半導体層と、コンタクト層とＰＮ接合をなし、第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上に配置された半導体部と、表面電極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第１接続ピンと、半導体基板または第１半導体層に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第２接続ピンとを備え、陽極は、この陽極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第３接続ピンを備える構成とした。
【００３０】
このように大気圧よりも低い圧力の環境を内部に提供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備える半導体光電陰極装置において、半導体光電陰極は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたｐ型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成されたｐ型の第２半導体層と、第２半導体層と陽極との間に配置されたコンタクト層と、コンタクト上にありコンタクト層とオーミック接触する表面電極と、第２半導体層の仕事関数より小さな仕事関数を有し、第２半導体層と陽極との間に配置された第３半導体層と、コンタクト層とＰＮ接合をなし、第２半導体層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し、コンタクト層をその厚み方向に貫く延長線上に配置された半導体部と、表面電極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第１接続ピンと、半導体基板または第１半導体層に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第２接続ピンとを備え、陽極は、この陽極に電気的に接続され、密閉容器を貫通する第３接続ピンを備える構成として、第１接続ピンと第２接続ピンとの間に第１接続ピンの電位が第２接続ピンの電位よりも高くなるように電圧を印加するとともに、第２接続ピンと第３接続ピンとの間に第３接続ピンの電位が第１接続ピンの電位よりも高くなるように電圧を印加して使用される。このようにすると前述の半導体光電陰極から放出された電子は陽極で収集される。したがって、この陽極に接続された第３接続ピンから入射した光または電磁波に対応した電流を取り出すことができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体光電陰極の発明の実施の形態について添付図面を用いて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る半導体光電陰極の斜視図である。本実施の形態の半導体光電陰極ＣＴは、まず、半導体基板１０上に光の入射に応答して電子を発生するｐ型の第１半導体層２０（光吸収層）が形成されている。この第１半導体層２０は第１不純物濃度を有しており、この第１半導体層２０上には、第１不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第２不純物濃度のｐ型の第２半導体層３０（電子移送層）が形成されている。そして、第２半導体層３０の表面を覆うように開口を有する網目（メッシュ）形状もしくは格子形状のコンタクト層５０が形成されている。コンタクト層５０は、その層上にオーミック接触する表面電極８０を備えている。
【００３３】
また、第２半導体層３０の表面であって、コンタクト層５０の開口内には第３半導体層４０（活性層）が形成されている。この第３半導体層４０は、第２半導体層３０の仕事関数より小さな仕事関数を有している。第２半導体層３０の内部には、第２不純物濃度程度もしくはこれ以下の不純物濃度を有する第３不純物濃度の半導体部６０（チャネル格子）が埋設されている。そして、半導体部６０は、コンタクト層５０をその厚み方向に貫く延長線上に設置されている。
【００３４】
また、この半導体部６０は網目（メッシュ）形状もしくは格子形状を有しており、この格子形状の１つの格子の目で規定される環状の部分内の面積は、コンタクト層５０の開口内の面積よりも小さい。なお、半導体部６０の形状は、コンタクト層の形状と対応している。これにより、電子は半導体部６０によって効率よく開口方向へ曲げられ、また、この電子は半導体部６０が格子形状であるので、第３半導体層の表面から高い均一性で放出されることになる。なお、ｐ型第１半導体層２０にはオーミック電極７０が設置されている。
【００３５】
本実施の形態においては、これらの半導体層の構成材料や層厚は以下のように設定される。
【００３６】
半導体基板１０は（１００）ｐ型ＩｎＰ半導体基板であり、第１半導体層２０は半導体基板１０にエピタキシャル成長によって形成された不純物濃度１×１０１８〜１０２０／ｃｍ３  のｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体である。そして、第１半導体層２０の膜厚はこの層の電子拡散長で決定される厚さ（例えば、１．５〜２．５μｍ）が適当である。ｐ型の第２半導体層３０は厚さ１．０〜１０μｍ、不純物濃度約１×１０１７／ｃｍ３  のｐ型ＩｎＰ半導体であり、半導体部６０は不純物濃度１×１０１６／ｃｍ３  以下のｐ−  のＡｌＡｓＳｂ半導体である。第３半導体層４０はｐ型第２半導体層３０の仕事関数より小さな仕事関数を有する（Ｃｓ・Ｏ）半導体である。
【００３７】
また、第３半導体層の材料としては、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ、Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓ、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓ、などの組み合わせが列挙される。なお、これらの半導体層の材料は、以下の物質も選択しうる。すなわち、［半導体基板１０、ｐ型第１半導体層２０（光吸収層）、ｐ型第２半導体層３０（電子移送層）、半導体部６０（チャネル格子）］の構成材料の組み合わせは、各層の間で格子整合がとれるもの同士の組み合わせが妥当であり、この格子整合は各層の格子定数の差が±０．３％以内であることが望ましい。したがって、このような構成材料の組み合わせの範囲は以下の表に示す通りである。なお、半導体基板は、所定の基板上に半導体の薄膜を形成して使用してもよい。このように基板を用いると、基板を薄膜の支持材とて使用できる。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ系では、基板としてサファイヤ、ＳｉＣ、スピネル等が好ましい。
【００３８】
【表１】
0003565529.tif 000002
【００３９】
次に、この半導体光電陰極ＣＴの動作について説明する。
【００４０】
図２は、図１の半導体光電陰極ＣＴを線分Ａ−Ａに沿って切った断面図である。なお、同図には、第３半導体層４０に対向して設置された陽極９０が示されている。同図に示すようにオーミック電極７０と表面電極８０との間には、表面電極８０がオーミック電極７０よりも高い電位になるような電圧（例えば、３．５Ｖ）が印加されている。また、オーミック電極７０と陽極９０との間には、陽極９０が、オーミック電極７０よりも高い電位になるような電圧（例えば、１００Ｖ）が印加されている。なお、この半導体光電陰極ＣＴおよび陽極９０は１０−１０  ｔｏｒｒ以下の環境下に配置されている。この半導体光電陰極ＣＴおよび陽極９０の配置される環境の圧力は、電子放出の観点からは少なくとも大気圧以下の圧力であって１０−５ｔｏｒｒ以下であることが望ましい。
【００４１】
このような条件下の半導体光電陰極ＣＴに光や電磁波が入射すると、まず、光や電磁波がｐ型の第１半導体層２０に入射することによって、第１半導体層２０では正孔電子対が発生する。このとき電子は伝導帯のガンマ谷の下限のエネルギー準位（第１エネルギー準位）に励起されている。そして、表面電極８０には第１半導体層よりも高い電位が与えられるので、これにより発生した電界に力を受けて、発生した電子はコンタクト層５０方向へ走行する。ｐ型の第２半導体層３０の濃度は第１半導体層２０の濃度より低いので、第２半導体層３０内には、第１半導体層２０よりも強い電界が発生する。この電界により走行中の電子はエネルギーを受け取って、伝導帯中のガンマ谷の下限のエネルギー準位よりもさらに上の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ谷より高いエネルギー準位（第２エネルギー準位）に励起されてコンタクト層５０方向に走行する。
【００４２】
ここで、第２半導体層３０の内部には、コンタクト層５０をその厚み方向に貫く延長線上に第３不純物濃度の半導体部６０が埋設されているので、この半導体部６０の存在に起因して発生するポテンシャル障壁により、走行中の電子の軌道は曲げられて、電子はコンタクト層５０の開口方向へ走行する。コンタクト層５０の開口内には第３半導体層４０が形成されているので、電子はこの第３半導体層４０内に導入される。第３半導体層４０の仕事関数は、第２半導体層３０の仕事関数より小さいので、電子は第３半導体層４０から容易に真空中へ放出される。放出された電子は、陽極９０方向に力を受けて、陽極９０方向に進行する。
【００４３】
次に、この半導体光電陰極ＣＴにおける電子の走行について、エネルギーバンド図を用いて説明する。
【００４４】
図３（ａ）は、図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図である。また、同図（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面および線分Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加しない場合のエネルギーバンド図である。
【００４５】
同図から明らかなように、半導体部６０は、第２半導体層３０よりも広いエネルギーバンドギャップを有しているので、半導体部６０の伝導帯Ｅｃの下端のエネルギー準位はｐ型の第２半導体層よりも正の方向へシフトしており（ポテンシャルは負の方向へシフトしている）、半導体光電陰極ＣＴ内部には、励起された電子がコンタクト層５０方向に進行しにくいポテンシャル障壁が形成されている。
【００４６】
次にこの半導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加した場合の電子の振る舞いを図４を用いて説明する。
【００４７】
図４（ａ）は、図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図である。また、同図（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面および線分Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図である。なお、図５は、図４に示した電子の挙動をさらに分かりやすく説明するための電子に対するポテンシャル図である。
【００４８】
図４（ｃ）から明らかなように、バイアスを印加した場合においても半導体部６０は、第２半導体層３０よりも広いエネルギーバンドギャップを有しているので、励起された電子Ｅ１がコンタクト層５０方向に進行しにくいポテンシャル障壁として機能する。このようなポテンシャル障壁により、第２半導体層３０中を走行する電子Ｅ１は、その軌道を変化させられて半導体部６０を避けて第３半導体層４０方向に進行する。
【００４９】
表面電極８０にバイアスが印加されると、電子Ｅ１は、その進行方向が第２半導体層３０上のコンタクト層５０の形成されていない領域に形成された第３半導体層４０方向に曲げられる。すなわち、電子Ｅ１は半導体部６０とこの半導体部６０に隣接した半導体部６０との間の領域Ｒを通過するので、線分Ａ−Ａ断面上を通過する電子流の密度は増加することになる（図５参照）。この半導体層６０によって挟まれた領域Ｒを通過する際には、図４（ｂ）のように、伝導帯Ｅｃのガンマ谷の下限のエネルギー準位に励起された状態で第２半導体層３０内を進行する電子Ｅ１は第２半導体層３０内に発生させられた電界により加速されてエネルギーを得るので、このエネルギー準位よりもさらに高いエネルギー準位の衛星谷（ＬまたはＸ谷）またはガンマ谷のより高いエネルギー準位に励起される。電子が、半導体層６０で挟まれた領域Ｒを通過後、第３半導体層４０に進入するまでの間には、発散する方向の力が電子に働くが、この間の距離を例えば０．５〜２．０μｍとし、また、半導体層６０とコンタクト層５０の幅を、半導体層６０の幅≧コンタクト層５０の幅となるように設定すれば、現実的に半導体基板１０、第１半導体層２０および第２半導体層３０において発生した電子Ｅ１のほとんどは、コンタクト層５０に吸収されることなく第３半導体層４０に進入する。第３半導体層４０の仕事関数は第２半導体層３０よりも小さく、図４（ｂ）および図５に示すように電子Ｅ１は効率よく真空中に放出される。
【００５０】
図６は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴが密閉容器内に収納された半導体光電陰極装置を一部破断して示す斜視図である。本半導体光電陰極装置は、大気圧よりも低い圧力（１０−５ｔｏｒｒ以下であって望ましくは１０−１０  ｔｏｒｒ以下の圧力）の環境を内部に提供する密閉容器内に配置された半導体光電陰極と陽極とを備えている。半導体光電陰極ＣＴは、これに電気的に接続された第１接続ピン１および第２接続ピン２を有しており、陽極９０はこれに電気的に接続された第３接続ピン９０ａを有している。第１接続ピン１、第２接続ピン２および第３接続ピン９０ａは密閉容器１００を貫通している。なお、半導体光電陰極ＣＴの陽極９０側には光や電磁波が入射される入射窓１１０が配置されている。入射窓１１０は、容器１００に接着することとしてもよい。
【００５１】
このような半導体光電陰極ＣＴと陽極９０とを密閉容器１００内に配置して形成した半導体光電陰極装置は、第１接続ピン１と第２接続ピン２との間に第１接続ピン１の電位が第２接続ピン２の電位よりも高くなるように電圧を印加するとともに、第２接続ピン２と第３接続ピン９０ａとの間に第３接続ピン９０ａの電位が第１接続ピン１の電位よりも高くなるように電圧を印加して使用する。なお、図１に示した半導体光電陰極ＣＴを参照すれば、表面電極８０およびオーミック電極７０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａを介して第１接続ピン１および第２接続ピン２に接続されており、陽極９０は、これに接続された第３接続ピン９０ａを備えている。
【００５２】
次に、図１に示した半導体光電陰極ＣＴの製造方法について説明する。
【００５３】
図７は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴの製造方法を半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説明するための工程断面図である。
【００５４】
まず、半導体基板１０を用意する。そして、この半導体基板１０上に、第１半導体層２０、第２半導体３０ａ、半導体層６０ａおよびレジスト層２００ａを順次積層した（図７（ａ））。各半導体層の積層はＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などのエピタキシャル成長法を用いる。
【００５５】
その後、レジスト層２００ａを表面から半導体層６０ａに到達するまでエッチンッグしてメッシュ状のレジスト２００を形成した（図７（ｂ））。次に、このレジスト２００をマスクとして半導体層６０ａをエッチングしてメッシュ状の半導体部６０を形成した（図７（ｃ））。しかる後、第２半導体３０ａおよび半導体部６０の表面を覆うように第２半導体３０ａを構成する材料をこれらの第２半導体３０ａおよび半導体部６０上に堆積して第２半導体層３０を形成した（図７（ｄ））。さらに、第２半導体層３０上に図１のような配置になるようにコンタクト層５０ａ、表面電極８０ａおよびレジスト３００ａを形成した（図７（ｅ））。レジスト層３００ａを表面から表面電極８０ａに達するまでエッチングして半導体層６０に対応したメッシュ状のレジストを形成して、このエッチングしたレジストをマスクにしてさらに表面電極８０ａおよびコンタクト層５０ａをエッチングして、メッシュ状のコンタクト層５０および表面電極８０を形成した（図７（ｆ））。次に、大気よりも低圧の環境下でこれを加熱して第２半導体層３０を清浄化した後，これらコンタクト層５０、表面電極８０および第２半導体層３０を覆うように第３半導体層４０を堆積して図１に示した半導体光電陰極を得た（図７（ｇ））。
【００５６】
なお、本実施の形態では、半導体基板１０、第１半導体層２０および第２半導体層３０としてそれぞれＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰを用い、厚さ２００ｎｍのレジスト膜を用いた。
【００５７】
第１半導体層２０の不純物濃度（キャリア濃度）はｐ＋  （１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３  ）である。この第１半導体層２０の厚さは１．５〜２．５μｍが適当である。第２半導体層３０の不純物濃度（キャリア濃度）はｐ−  （１×１０１７／ｃｍ３  以下）である。この第２半導体層３０の厚さは１．０〜１０μｍが適当である。半導体部６０の不純物濃度（キャリア濃度）はｐ−−（１×１０１７〜１×１０１４／ｃｍ３  ）である。この半導体部６０の厚さは０．５〜２．０μｍが適当である。コンタクト層５０は、ｎ＋（１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３）である。このコンタクト層の厚さは、１μｍ〜数μｍ程度が好ましい。また、表面電極８０は、Ａｌなどの金属を用いた真空蒸着法によりコンタクト層５０上に堆積することができる。また、本製造方法では、第３半導体層４０をＣｓ２  Ｏとし、Ｃｓ２  ＯはＣｓ（セシウム）とＯ（酸素）の交互蒸着またはこれらの材料を含む原料ガスを交互供給することにより形成した。
【００５８】
なお、図１に示した半導体光電陰極ＣＴのｐ型の第１半導体層２０は、図８に示すように、このｐ型第１半導体層２０と半導体基板１０との界面近傍に、ｐ型第１半導体層２０内のｐ型第２半導体層３０側の第１領域２０ａのエネルギーバンドギャップと半導体基板１０のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第２グレーデッド層２０ｂを有することとしても良い。これにより、本半導体光電陰極ＣＴ１において、半導体基板１０とｐ型第１半導体層２０との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流や再結合電流を減少させることができ、また、光電子はポテンシャル障壁で反跳されて効率よく第２半導体層３０に導かれる。
【００５９】
また、ｐ型第２半導体層３０は、このｐ型第２半導体層３０とｐ型第１半導体層２０との界面近傍に、ｐ型第２半導体層３０内の第３半導体層４０側の第２領域３０ａのエネルギーバンドギャップと第１半導体層２０のエネルギーバンドギャップとの中間の広さのエネルギーバンドギャップを有する第１グレーデッド層３０ｂを有することとしても、ｐ型第２半導体層３０とｐ型第１半導体層２０との界面の結晶性を良好に保持してリーク電流や再結合電流を減少させることができる。すなわち、この第２グレーデッド層２０ｂは、第１領域２０ａの格子定数と半導体基板１０の格子定数との中間の格子定数を有し、第１グレーデッド層３０ｂは、第２領域３０ａの格子定数と第１領域２０ａの格子定数との中間の格子定数を有している。
【００６０】
また、図１に示した半導体光電陰極ＣＴでは、オーミック電極７０を第１半導体層に設けたが、これは図９に示すように半導体基板１０の裏面に設置されることとしてもよい。このようにオーミック電極７０が半導体基板１０に設置されることとすれば、図１に示した半導体光電陰極ＣＴと比較してオーミック電極７０を容易にこの半導体基板１０に設置することができる。なお、本半導体光電陰極ＣＴ２も図８に示した半導体光電陰極ＣＴ１と同様に第２グレーデッド層２０ｂおよび第１グレーデッド層３０ｂを設けることとしてもよい。
【００６１】
なお、以上の図１、図８および図９を用いて説明された半導体光電陰極（ＣＴ、ＣＴ１およびＣＴ２）は、図６に示した密閉容器１００内に設置することができる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
次に、半導体光電陰極の第２の実施の形態について図１０〜図１１を用いて説明する。なお、各半導体層を構成する材料および不純物濃度は、図１を用いて説明した半導体光電陰極ＣＴと同様である。
【００６３】
図１０に示す半導体光電陰極ＣＴ３は、図３に示した半導体光電陰極ＣＴと第２半導体層３０内の半導体部６０の位置が異なっている。すなわち、この半導体光電陰極ＣＴ３は、半導体基板１０上にｐ型第１半導体層２０、ｐ型第２半導体層３０および第３半導体層４０が順次積層して形成されており、ｐ型第２半導体層３０内には格子状の半導体部６０が埋め込まれている。そして、この埋め込まれた半導体部６０上の第３半導体層４０の形成されていない面には、コンタクト層５０が存在し、さらにこのコンタクト層５０上にはこの層とオーミック接触した表面電極８０が存在する。また、第１半導体層２０には、オーミック電極７０が設けられている。これらの電極５０および電極７０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａを介して図示しない接続ピンに接続されている。陽極９０は、第３半導体層４０に対向して配置されており、図示しない接続ピンに接続されている。この半導体光電陰極ＣＴ３および陽極９０は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴと同様に図６に示したような密閉容器１００内に設置される。
【００６４】
図１１は、図１０に示した半導体光電陰極ＣＴ３の製造方法を断面を用いて説明するための工程断面図である。まず、半導体基板１０を用意する。そして、この半導体基板上に、第１半導体層２０、第２半導体３０ａ、半導体層６０ａおよびレジスト層２００ａを順次積層した（図１１（ａ））。各半導体層の積層はＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法を用いた。その後、レジスト層２００ａを表面から半導体層６０ａに到達するまでエッチンッグしてメッシュ状のレジスト２００を形成した（図１１（ｂ））。次に、このレジスト２００をマスクとして半導体層６０ａをエッチングしてメッシュ状の半導体部６０を形成した（図１１（ｃ））。しかる後、第２半導体３０ａおよび半導体部６０の表面を覆うように第２半導体３０ａと同じ材料を、これらの第２半導体３０ａおよび半導体部６０上に堆積して第２半導体層３０を形成した（図１１（ｄ））。次に、第２半導体層３０をその表面から半導体部６０が露出するまで研磨した（図１１（ｅ））。さらに、第２半導体層３０および半導体層６０上にコンタクト層５０ａ、表面電極層８０ａおよびレジスト３００ａを順次積層して形成した（図１１（ｆ））。次に、レジスト３００ａを表面から表面電極層８０ａに達するまでエッチングして半導体層６０に対応したレジストパターンを形成した。このレジストをマスクにして表面電極層８０ａとコンタクト層５０ａを順次エッチングして、メッシュ状のコンタクト層５０および表面電極８０を形成した（図１１（ｇ））。大気圧より低圧の環境下でこれを加熱して第２半導体層３０を清浄化した後に、これらコンタクト層５０、表面電極８０および第２半導体層３０を覆うように第３半導体層４０を堆積して、図１０に示した半導体光電陰極ＣＴ３を得た（図１１（ｈ））。
【００６５】
（第３の実施の形態）
次に、半導体光電陰極の第３の実施の形態について図１２を用いて説明する。なお、各半導体層を構成する材料および不純物濃度は、図１を用いて説明した半導体光電陰極ＣＴと同様である。
【００６６】
図１２は、本実施の形態の半導体光電陰極ＣＴ４を厚み方向に切った断面図である。この半導体光電陰極ＣＴ４は、図３に示した半導体光電陰極ＣＴにおいて第２半導体層３０内に設置されていた半導体部６０が、第２半導体層３０と一面のみで接触されることとした構造を有している。すなわち、本半導体光電陰極ＣＴ４は、半導体基板１０上にｐ型の第１半導体層２０、ｐ型の第２半導体層３０、第３半導体層４０、格子状の半導体部６０、コンタクト層５０および表面電極８０が順次積層して形成されている。そして、第２半導体層３０の表面、半導体部６０、コンタクト層５０および表面電極８０を覆うように第３半導体層４０が形成されている。また、第１半導体層２０には、オーミック電極７０が設けられている。これらの電極８０および電極７０は、それぞれ金などの金属５０ａおよび金属７０ａを介して図示しない接続ピンに接続されている。陽極９０は、第３半導体層４０に対向して配置されており、図示しない接続ピンに接続されている。この半導体光電陰極ＣＴ３および陽極９０は、図１に示した半導体光電陰極ＣＴと同様に図６に示したような密閉容器１００内に設置される。
【００６７】
本実施の形態の半導体光電陰極は、その構造上、第２半導体層３０をエッチングしないでも半導体部６０を形成できるので、図１〜図１１に示した半導体光電陰極と比較して簡易に製造できるばかりでなく、エッチングによる第２半導体層３０の結晶性の劣化を防止することができる。
【００６８】
（第４の実施の形態）
次に、半導体光電陰極の第４の実施の形態について説明する。図１３（ａ）は、本実施の形態に係る半導体光電陰極の平面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ´線分に沿って切った半導体光電陰極の断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）のＢ−Ｂ´線分に沿って切った半導体光電陰極の断面図である。
【００６９】
この半導体光電陰極は、半導体基板３１０、半導体基板３１０上に形成された第１半導体層３２０、第１半導体層３２０上に形成された第２半導体層３３０、第２半導体層３３０上に形成された第３半導体層（活性層）３４０、第２半導体層３３０内に埋設された半導体部３６０、第２半導体層３３０上に形成されたコンタクト層３５０、このコンタクト層３５０上にオーミック接触する表面電極３８０を備えている。
【００７０】
詳説すれば、半導体基板３１０上には、光の入射に応答して電子を発生するｐ型の第１半導体層３２０（光吸収層）が形成されている。この第１半導体層３２０は、第１不純物濃度を有している。この第１半導体層３２０上には、第１不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第２不純物濃度のｐ型の第２半導体層３３０（電子移送層）が形成されている。そして、第２半導体層３３０の表面を覆うようなストライプ状（櫛型状）のコンタクト層３５０および表面電極３８０が形成されている。すなわち、コンタクト層３５０は、ストライプ状の半導体部分を含んでいる。コンタクト層３５０は、第２半導体層３３０とＰＮ接合をなしている。第２半導体層３３０の表面であって、ストライプ（縞）状のコンタクト層３５０の隙間には第３半導体層３４０（活性層）が形成されている。この第３半導体層３４０は、第２半導体層３３０の仕事関数より小さな仕事関数を有している。第２半導体層３３０の内部には、第２不純物濃度程度もしくはこれ以下の不純物濃度を有する第３不純物濃度の半導体部３６０（チャネル格子）が埋設されている。半導体部３６０は、コンタクト層３５０および表面電極３８０をその厚み方向に貫く延長線上に設置されている。
【００７１】
本実施の形態の半導体部３６０は、ストライプ形状を有しているので、この半導体光電陰極に光が入射することによって、半導体光電陰極内において発生した電子は半導体光電陰極内の電界によって第１半導体層３２０から活性層３４０方向に走行する。第２半導体層３３０内には、櫛形の半導体部３６０が埋設されているので、この電子は半導体部３６０によって効率よくストライプ３５０の隙間方向へ曲げらる。ストライプ３５０の隙間には活性層３４０が配置されているので、この電子が第３半導体層３４０の表面から高い均一性で放出されることになる。なお、半導体基板３１０にはこの基板３１０にバイアスを印加するためのオーミック電極３７０が設置されている。
【００７２】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１４は、本実施の形態に係る半導体光電陰極を一部破断して示す斜示図である。なお、図１４は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすくするため、コンタクト層５０と表面電極８０の層構造をこの半導体光電陰極の断面部のみに描いている。この半導体光電陰極は、図１に示したコンタクト層５０をコンタクト層５０ａ，５０ｂ…に分割し、さらに図１に示した表面電極８０を表面電極８０ａ，８０ｂ…に分割したものである。コンタクト層５０ａおよび表面電極８０ａとコンタクト層５０ｂおよび表面電極８０ｂとは電気的に絶縁されているので、表面電極８０ａには表面電極８０ｂと独立した電位を印加することができる。なお、他の要素（１０，２０，３０，４０，６０，７０）の構成材料および不純物濃度は、図１に示した要素と同じである。
【００７３】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図１５は、この実施の形態にかかる半導体光電陰極を一部破断して示す斜示図である。なお、図１５は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすくするため、コンタクト層５０と表面電極８０の層構造を半導体光電陰極の断面のみに描いている。図１６（ａ）は、図１５に示した半導体光電陰極の平面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の半導体光電陰極を線分Ａ−Ａ´に沿って切った半導体光電陰極の断面図である。なお、図１６（ａ）は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすく説明するため、図１６（ｂ）に示される活性層４０が省略されて描かれている。この半導体光電陰極は、図１４に示した表面電極８０ａ，８０ｂに夫々リード電極８０ａ´，８０ｂ´を接続したものである。リード電極８０ａ´の終端部分は、表面電極８０ａに電位を与えるための端子を構成しており、リード電極８０ｂ´の終端部分は、表面電極８０ｂに電位を与えるための端子を構成している。表面電極８０ａおよび表面電極８０ｂと表面電極８０ｃおよび表面電極８０ｄとの間にリード電極が配置されているので、このリード電極８０ａ´または８０ｂ´が活性層４０から放出された電子の通過を邪魔することがない。なお、他の要素（１０，２０，３０，４０，６０，７０）の構成材料および不純物濃度は、図１４に示した要素と同じである。
【００７４】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図１７（ａ）は、この半導体光電陰極の平面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の半導体光電陰極を線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った半導体光電陰極の断面図である。なお、図１７（ａ）は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすく説明するため、図１７（ｂ）に示される活性層４０が省略されて描かれている。
【００７５】
この半導体光電陰極は、図１５および図１６に示された半導体光電陰極の半導体部６０の位置、コンタクト層５０ａ，５０ｂの位置および表面電極８０ａ、８０ｂの位置を変化させたものである。第２半導体層３０内には、半導体部６０が埋設されている。半導体部６０の表面には直接にコンタクト層５０ａ〜５０ｄが形成されている。それぞれのコンタクト層５０ａ〜５０ｄの開口内であって、第２半導体層上には、活性層４０が形成されている。この構造の半導体光電陰極は、各ピクセル５０ａ〜５０ｄから独立に電子を放出することができるとともに、図１０を用いて説明したように、その製造方法が簡単であるという利点がある。なお、要素（１０，２０，３０，４０，５０ａ，５０ｂ，６０，７０、８０ａ、８０ｂ）の構成材料および不純物濃度は、図１に示した要素と同じである。
【００７６】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。図１８（ａ）は、この半導体光電陰極の平面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の半導体光電陰極を線分Ｃ−Ｃ´に沿って切った半導体光電陰極の断面図である。なお、図１８（ａ）は、この半導体光電陰極の構造を分かりやすく説明するため、図１８（ｂ）に示される活性層４０が省略されて描かれている。
【００７７】
この半導体光電陰極は、図１５および図１６に示された半導体光電陰極の半導体部６０の位置、コンタクト層５０ａ，５０ｂの位置および表面電極８０ａ，８０ｂの位置を変化させたものである。第２半導体層３０内には、半導体部６０が埋設されている。半導体部６０の表面には直接にコンタクト層５０ａ〜５０ｄが形成されている。それぞれのコンタクト層５０ａ〜５０ｄの開口内であって、第２半導体層上には、活性層４０が形成されている。この構造の半導体光電陰極は、各表面電極８０ａ〜８０ｄに電位を与えることによって、各ピクセル５０ａ〜５０ｄから独立に電子を放出することができるとともに、図１２を用いて説明したように、その製造方法が簡単であるという利点がある。なお、要素（１０，２０，３０，４０，５０ａ、５０ｂ、６０，７０、８０ａ、８０ｂ）の構成材料および不純物濃度は、図１に示した要素と同じである。
【００７８】
次に、図１５および図１６に示した半導体光電陰極における電子放出の制御について説明する。以下では、光が半導体光電陰極に入射することにより電子を半導体光電陰極内に蓄積する「蓄積モード」、この電子を放出する「放出モード」、半導体部に外部から電圧を印加することにより半導体光電陰極内に蓄積された電子を半導体光電陰極に取り付けられた導体に吸収させる「吸収モード」について説明する。
【００７９】
（蓄積モード）
図１９（ａ）は、図１５および図１６に示した半導体光電陰極に陽極９０を接続した半導体光電陰極装置の断面図である。同図内において、電極７０は、半導体基板１０に取り付けられており、符号９０１、９０２、５０１は、オーミック電極を表している。電極７０とアノード９０との間には電源Ｖ１  が接続されており、電極７０の電位よりもアノード９０の電位はＶ１  （ボルト）高い。電極７０と表面電極８０ｃ，８０ｄとの間には電源Ｖ２  が接続されており、電極７０の電位よりも表面電極８０ｃ、８０ｄの電位の方がＶ２  （ボルト）高い。電位Ｖ２  は電位Ｖ１  よりも低く、この電圧源Ｖ２  は可変である。なお、ここでは、表面電極８０ｃと表面電極８０ｄとは接続されており、これらの電極５０ｃ、５０ｄには共通の電位が与えられることとする。
【００８０】
図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＸ−Ｘ´を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図である（Ｖ２  ＝０〜１ボルト）。第１半導体層２０に光ｈνが入射されることにより、この第１半導体層２０内において発生した電子ｅは、第１半導体層２０内部の電界の力または拡散によって第２半導体層３０内にはいる。図１９（ａ）の一点鎖線より上（図面の上）の領域は、半導体部６０と第２半導体層３０との濃度差により形成された空乏領域である。したがって、第１半導体層２０から活性層４０方向への電子の通り道は、この空乏領域によりカットされる（ピンチオフ状態）。
【００８１】
図１９（ｃ）は、図１９（ａ）のＹ−Ｙ´を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図である（Ｖ２  ＝０〜１ボルト）。図１９（ｂ）および図１９（ｃ）に示すように、第１半導体層１０内において発生した電子ｅは、第２半導体層３０内に蓄積される。
【００８２】
（放出モード）
図１９（ｄ）は、図１９（ａ）のＸ−Ｘ´を結ぶ線上の半導体光電陰極のエネルギーバンド図である（Ｖ２  ＝２〜数１０ボルト）。このように、第２半導体層３０内に蓄積された電子ｅは、表面電極８０ｃと電極７０との間に２〜数１０ボルトの電圧を加えることにより、半導体光電陰極から放出される。
【００８３】
図２０は、図１６に示した半導体光電陰極を用いた半導体光電陰極装置の断面図である。遮光材料から構成される筒状の外側ケースＣＡ１の内壁には、透明材料から構成される密閉容器（内側ケース）ＣＡ２が嵌まっている。外側ケースＣＡ１の開口付近には、レンズＬ１が固定されている。半導体光電陰極装置の外側からこの半導体光電陰極装置内に入力された光は、レンズＬ１で集光されて、密閉容器ＣＡ２内に配置された半導体光電陰極ＣＴ５上に像を結ぶ。半導体光電陰極ＣＴの電極７０とリード電極８０ｃとの間には電圧源Ｖ２  が接続されている。また、密閉容器ＣＡ２内には、入射した電子に感応する２次元イメージセンサＩＭ配置されている。２次元イメージセンサＩＭは、このイメージセンサＩＭの表面から入力された電子をリード線ＲＥ４から取り出す装置である。イメージセンサＩＭは、入射して電子に感応する層ＩＭ２と層ＩＭ２の裏面に設けられたバックコンタクトＩＭ１とを備えており、バックコンタクトＩＭ１にはリードＲＥ２が接続されている。リードＲＥ２とリードＲＥ１との間には、電圧源Ｖ１  が接続されており、リードＲＥ１には電極７０が接続されているので、半導体光電陰極ＣＴ５から出射された電子はアノードＩＭ方向に進行する。なお、密閉容器内の圧力は、大気圧よりも低い圧力であり、１０−５ｔｏｒｒ以下の圧力であって、１０−１０  ｔｏｒｒ以下の圧力であることが望ましい。したがって、図面の左側から半導体光電陰極装置（微弱光検出管）に入力された光は、電気信号として検出することができる。なお、カソードＣＴ５とアノードＩＭとの間には、マイクロチャンネルプレートを配置することとしてもよい。
【００８４】
以上、説明したように、本発明に係る半導体光電陰極は、光を検出する機器に適用することができる。上記では半導体光電陰極を用いたイメージ管について説明したが、これは、電子増倍管やストリークカメラにも適用することが可能である。すなわち、半導体光電陰極を利用した装置は、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）やダイノードあるいは二次電子増倍部をアノードとカソードとの間に設けることとしてもよく、電子の軌道を偏向する偏向電極をアノードとカソードとの間に設けることとしてもよい。さらには、アノードには蛍光塗料を塗布した蛍光部材を用いることとしてもよく、蛍光材料を含んだ蛍光板を用いることとしてもよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、第２半導体層の内部または表面には、半導体部が配置されているので、電子はコンタクト層および表面電極の開口方向へ走行する。コンタクト層および表面電極の開口内または開口を貫く軸の延長線上には第３半導体層が形成されているので、電子はこの第３半導体層内に導入される。このように電子はコンタクト層をさけて第３半導体層から真空中へ放出されるのでコンタクト層でこの電子が吸収される割合が減少する。したがって、入射した光のエネルギーに対して陽極で収集される電子の量が増加し、このような半導体光電陰極を用いた半導体光電陰極は高い検出感度を保持することができる。また、半導体部を配置することで、開口率１００％で、構造上の画素分離が不要となり、さらに信号の変調も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体光電陰極の斜視図である。
【図２】図２は、図１の半導体光電陰極ＣＴを線分Ａ−Ａに沿って切った断面図である。
【図３】図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｂ）および線分Ｂ−Ｂ断面における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｃ）である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加しない場合のエネルギーバンド図である。
【図４】図１の半導体光電陰極ＣＴの線分Ａ−Ａおよび線分Ｂ−Ｂを含む部分を抜き出して示した平面図（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ断面上における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｂ）および線分Ｂ−Ｂ断面上における半導体光電陰極ＣＴのエネルギーバンド図（ｃ）である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）は、半導体光電陰極ＣＴにバイアスを印加した場合のエネルギーバンド図である。
【図５】図５は、図４に示した電子の挙動をさらに分かりやすく説明するための電子に対するポテンシャル図である。
【図６】図１に示した半導体光電陰極ＣＴが密閉容器内に収納された半導体光電陰極装置を一部破断して示す斜視図である。
【図７】図１に示した半導体光電陰極ＣＴの製造方法を半導体光電陰極ＣＴの断面構成を用いて説明するための工程断面図である。
【図８】第１の実施の形態に係る半導体光電陰極の他の構成を厚み方向に切った断面を用いて示す断面図である。
【図９】第１の実施の形態に係る半導体光電陰極の他の構成を厚み方向に切った断面を用いて示す断面図である。
【図１０】第２の実施の形態の半導体光電陰極ＣＴ３を厚み方向に切った断面図である。
【図１１】図１０に示した半導体光電陰極ＣＴ３の製造方法を断面を用いて説明するための工程断面図である。
【図１２】第３の実施の形態の半導体光電陰極ＣＴ４を厚み方向に切った断面図である。
【図１３】第４の実施の形態の半導体光電陰極の平面図（ａ）、同図（ａ）中の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面図（ｂ）、同図（ｂ）中の線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った断面図である。
【図１４】第５の実施の形態の半導体光電陰極を一部破断して示す斜示図である。
【図１５】第６の実施の形態の半導体光電陰極を一部破断して示す斜示図である。
【図１６】図１５に示した半導体光電陰極の平面図（ａ）、同図（ａ）の線分Ａ−Ａ´に沿って切った断面図（ｂ）である。
【図１７】第７の実施の形態の半導体光電陰極をの平面図（ａ）、同図（ａ）の線分Ｂ−Ｂ´に沿って切った断面図（ｂ）である。
【図１８】第８の実施の形態の半導体光電陰極をの平面図（ａ）、同図（ａ）の線分Ｃ−Ｃ´に沿って切った断面図（ｂ）である。
【図１９】半導体光電陰極および陽極の断面図（ａ）、同図（ａ）中の線分Ｘ−Ｘ´に沿ったエネルギーバンド図（ｂ）、同図（ａ）中の線分Ｙ−Ｙ´に沿ったエネルギーバンド図（電子蓄積時）（ｃ）、同図（ａ）中の線分Ｙ−Ｙ´に沿ったエネルギーバンド図（電子放出時）（ｄ）である。
【図２０】半導体光電陰極ＣＴ５を実装した半導体光電陰極装置の断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板、２０…第１半導体層、３０…第２半導体層、４０…第３半導体層、５０…コンタクト層、６０…半導体部、７０…オーミック電極、８０…表面電極、９０…陽極。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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