(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス面板上に、検出対象である被検出光の反射防止膜を介して密着するように設けられた光電子放出面において、
前記反射防止膜上に（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘ’Ｉｎ１−ｘ’Ｐによって形成され、前記被検出光よりも短波長の光を遮断する窓層と、
前記窓層上に、前記窓層よりもバンドギャップエネルギが小さい、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、前記被検出光を吸収して光電子を発生させる活性層と、
前記活性層上面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、前記活性層の仕事関数を低下させる表面層と、
を備え、前記活性層の原子組成比ｘが０＜ｘ≦０．７５の範囲内で前記窓層の原子組成比ｘ’とほぼ等しいことを特徴とする光電子放出面。
【請求項２】
前記活性層の原子組成比ｘの範囲が０．４５＜ｘ＜０．５５であることを特徴とする請求項１に記載の光電子放出面。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の光電子放出面と、
前記ガラス面板を側壁端部に支持して内部が真空状態に保たれた真空容器と、前記真空容器内部に設置され、前記光電子放出面に対して正の電圧を保持する陽極と、
を備えた電子管。
【請求項４】
前記光電子放出面と前記陽極との間には前記光電子放出面から放出された光電子を２次電子増倍する増倍手段が備えられていることを特徴とする請求項３に記載の電子管。
【請求項５】
前記陽極は前記被検出光の２次元光学像に対応する２次元電子像を受容することによって発光する蛍光膜であることを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の電子管。
【請求項６】
前記光電子放出面と前記陽極との間には前記光電子放出面から放出された光電子を時間経過と共に増大又は減少する電界により偏向させて前記電極上で前記光電子を掃引させる偏向手段が備えられていることを特徴とする請求項５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ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光電子放出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】
従来の負の電子親和力を有した光電子放出面はＡｌＧａＡｓからなる窓層３１とＧａＡｓからなる活性層３２とが順に積層されたエピタキシャル層が、ＡｌＧａＡｓ窓層３１上面から反射防止膜２０を介してガラス面板１０を熱圧着して支持されており（図８参照）、その製造方法が特開昭５１−７３３７９号公報に開示されている。上記のような光電子放出面は近赤外領域、特に６００ｎｍから９００ｎｍまでの波長範囲で一般的に高い感度を有し、暗視管等の電子管に用いられている。
【０００３】
また、近赤外領域より短かい波長領域、特に可視光領域で高い感度を有した光電子放出面もまた開示され、ＧａＡｓよりバンドギャップエネルギの大きいＧａＡｓＰからなる活性層を備えており、以下のように作製される。はじめに、ＧａＡｓからなる半導体基板上にＡｌＧａＡｓＰからなるエッチストップ層、ＧａＡｓＰからなる活性層、そしてＡｌＧａＡｓＰからなる窓層を順次エピタキシャル成長させる。つぎに、窓層上にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２からなる反射防止膜を形成させ、反射防止膜形成面でガラス面板を熱圧着させる。この状態でもって、半導体基板とエッチストップ層とをそれぞれＮＨ４ＯＨ，Ｈ２Ｏ２溶液及びＨＦ溶液を用いて選択エッチング除去し、活性層を露出させることによって、光電子放出面の原型が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような光電子放出面を作製する際、上記各エピタキシャル層と半導体基板とは格子定数の違いにより格子不整が生じ、活性層内にはこれに起因した結晶欠陥が導入されるので、活性層の品質を著しく低下させる。したがって、上記のような活性層を具備した光電子放出面の感度が低下する。このため、半導体基板とエッチストップ層との間に超格子層を介在させたり、エッチストップ層の組成を傾斜させた傾斜組成層を介在させたりして、活性層と半導体基板との間の格子不整を極力抑えてきたが、本質的な解決には至っていない。実際に、ＧａＡｓＰからなる活性層を構成した光電子放出面では、光電変換量子効率がせいぜい４０％程度であって、期待される値には及ばない。よって、このような光電子放出面を組込んだ光電子増倍管等の電子管を用いて極微弱光の計測を行なうと、１回あたりの測定時間が長くなってしまう。
【０００５】
そこで本発明者は、半導体基板と各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、窓層をＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いることで、また、活性層を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負の電子親和力光電子放出面、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】
本発明に係る光電子放出面は、ガラス面板上に、検出対象である被検出光の反射防止膜を介して密着するように設けられた光電子放出面において、反射防止膜上に（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘ’Ｉｎ１−ｘ’Ｐによって形成され、被検出光よりも短波長の光を遮断する窓層と、窓層上に、窓層よりもバンドギャップエネルギが小さい、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、被検出光を吸収して光電子を発生させる活性層と、活性層上面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、活性層の仕事関数を低下させる表面層とを備え、活性層の原子組成比ｘが０＜ｘ≦０．７５の範囲内で窓層の原子組成比ｘ’と等しいことを特徴とする。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及び窓層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、係る光電子放出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、活性層の原子組成比ｘの範囲が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。
【０００８】
本発明に係る上記光電子放出面を用いた電子管は、上記光電子放出面と、ガラス面板を側壁端部に支持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、光電子放出面に対して正の電圧を保持する陽極とを備える。これによって、光電子放出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。
【０００９】
また、光電子放出面と陽極との間には光電子放出面から放出された光電子を２次電子増倍する増倍手段が備えられていることを特徴としてもよい。これによって、放出された光電子の信号を増倍させることができる。
【００１０】
また、陽極は被検出光の２次元光学像に対応する２次元電子像を受容することによって発光する蛍光膜であることを特徴としてもよい。これによって、被検出光の２次元光学像を増強させた２次元光学像を観測することができる。
【００１１】
また、光電子放出面と陽極との間には光電子放出面から放出された光電子を時間経過と共に増大又は減少する電界により偏向させて電極上で光電子を掃引させる偏向手段が備えられていることを特徴としてもよい。これによって、被検出光の時間的変化を位置に変換して測定できる。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は本発明の光電子放出面に係る実施形態の断面図である。ガラス面板１０上には、検出対象である被検出光の波長に応じた膜厚でもってＳｉＯ２及びＳｉ３Ｎ４が積層した反射防止膜２０が密着して形成されている。反射防止膜２０上には、Ｉｎ１−ｘ’（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘ’Ｐからなる窓層３１が厚さ０．０３μｍ以上のエピタキシャル層として形成されており、ガラス面板１０からの不純物を拡散させないようにしているだけでなく、図１の矢印で示すように被検出光（ｈν）がガラス面板１０及び反射防止膜２０を減衰することなく窓層３１に到達したとき、被検出光よりも短波長の光を遮断している。
【００１４】
窓層３１上には窓層３１よりもバンドギャップエネルギが小さいｐ型ＧａｘＩｎ１−ｘＰからなる活性層３２が、その原子組成比ｘを０＜ｘ≦０．７５の範囲で窓層３２の原子組成比ｘ’と等しいエピタキシャル層として形成されており、窓層３１を透過した被検出光を吸収して光電子を発生させている。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３２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３２は間接遷移半導体となるので吸収係数は急激に低下し、光電子放出面の感度は急激に低下することが予想される。
【００１５】
そこで、本発明者はＧａｘＩｎ１−ｘＰの活性層３２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。
【００１６】
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３２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３２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子放出面が実現可能となっている。
【００１７】
上記のようにＧａｘＩｎ１−ｘＰ活性層３２の原子組成比ｘの値が変化すると、活性層３２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３２と、光電子放出面を作製する際それがエピタキシャル成長する場であって、後述するＧａＡｓ半導体基板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３２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３２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３２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。
【００１８】
なお、活性層３２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。
【００１９】
活性層３２上面中央部にはＣｓＯ２からなる表面層３３が形成されて活性層３２上面の仕事関数を低下させている。したがって、光電子は、上記厚さによってポテンシャル障壁としても作用する窓層３１の方へ拡散することなく、表面層３３近傍に達し、外部に容易に放出される。活性層３２上面周縁部にはＣｒからなる電極４０が接続して形成されている。
【００２０】
以上のように本発明の光電子放出面では、結晶欠陥が抑制された高品質な窓層３１及び活性層３２がエピタキシャル成長して形成されていることから、光電感度が高い。すなわち、本発明の光電子放出面から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。
【００２１】
つぎに、このような光電子放出面を製造方法でもって説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は図１に示した光電子放出面の断面図を工程順に示している。
【００２２】
まず、ＧａＡｓからなる半導体基板５０を用意する。つぎに、エピタキシャル成長装置（図示せず）を用いてＧａＡｓ半導体基板５０上に（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰからなる厚さ１μｍのエッチストップ層５１、ＧａｘＩｎ１−ｘＰからなる厚さ約１μｍの活性層３２を順次エピタキシャル成長させる。さらに活性層３２の上に、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘ’Ｉｎ１−ｘ’Ｐからなる厚さ約０．１μｍの窓層３１を、ＧａｘＩｎ１−ｘＰ活性層のｘと（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘ’Ｉｎ１−ｘ’Ｐ窓層３１のｘ’とをほぼ等しくしてエピタキシャル成長させ、図４（ａ）に示すような半導体多層膜を形成させる。そして、図４（ｂ）に示すように、窓層３１上に、被検出光の波長に応じた膜厚でもってＳｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２をＣＶＤ法を用いて順次堆積させ、反射防止膜２０を形成させる。なお、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰエッチストップ層５１の原子組成比ｙは、後述する半導体基板５０の選択的なエッチング除去を行なうために、０．３以上が望ましい。
【００２３】
つぎに、真空中又は不活性ガス中において、活性層３２の熱膨張係数に近い値を有するガラス面板１０を加熱して反射防止膜２０の形成面で半導体多層膜と熱圧着させ、ガラス面板１０を室温まで冷却すると、図４（ｃ）に示すように、反射防止膜２０はガラス面板１０と密着して、被検出光の多重反射を抑制する。また上述したように、ガラス面板からの不純物は反射防止膜２０及び窓層３１の存在によって活性層３２に拡散することはない。この状態でもって、図４（ｄ）に示すように、半導体基板５０をＮＨ４ＯＨ，Ｈ２Ｏ２溶液を用いてエッチング除去し、さらに、エッチストップ層５１をＨＦ溶液を用いてエッチング除去すると、エッチストップ層５１において自動的に停止し、図４（ｅ）に示すように、活性層３２表面が露出する。
【００２４】
しかる後、図４（ｆ）に示すように、活性層３２表面にＣｒ電極４０を蒸着して光電子放出面を電気的に接続できるようにする。そして最後に、これを光電子増倍管や画像増強管等の電子管を構成する真空管（図示せず）に組み込み、真空管の脱ガス及びベーキングを行なって活性層３２露出部を約５８０℃で清浄化した後、Ｃｓ及びＯ２を真空管に導入して活性層３２露出部に蒸着させることによって、活性層３２露出面の仕事関数を低下させた図１に示す光電子放出面が得られる。
【００２５】
したがって、本実施形態の光電子放出面では活性層３２及び窓層３１の原子組成比を適当な範囲で変えても活性層３２には結晶欠陥が導入される可能性は少ないので、光電子が再結合により消滅せずに外部に多く放出され、実際に、可視光領域において４０％以上の量子効率を有している。
【００２６】
つぎに、本発明に係る光電子放出面を用いた電子管の実施形態について説明する。
【００２７】
電子管の第１実施形態
図５はいわゆるラインフォーカス型光電子増倍管の側断面図を示したものである。図５において、光電子放出面３０が内面に反射防止膜を介して密着するようにして設けられたガラス面板１０が真空管１１の本体を構成する筒体の一方の端部に支持されており、被検出光（ｈν）が矢印に示すように入射される。真空管１１を構成する筒体の他方の端部もガラスを用いて気密に封止され、真空管１１内部を真空状態に保持している。
【００２８】
真空管１１内の他方の端部には陽極６０が設置されており、光電子放出面３０と陽極６０との間のうち、光電子放出面３０寄りに光電子を収束する一対の収束電極７０が設置され、かつ、陽極６０寄りにこの光電子放出面３０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７１ａ〜７１ｈからなるダイノード部７１（増倍手段）が曲面状の電極を多段繰り返して設置されている。図示しないが、光電子放出面３０、収束電極７０、ダイノード部７１、そして陽極６０には、ブリーダ回路及び電気リードを介して、光電子放出面３０に対して正のブリーダ電圧が陽極６０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。
【００２９】
よって被検出光が光電子増倍管に入射すると、上記光電子放出面３０から光電子（ｅ−）が従来より多く放出される。放出された光電子は収束電極７０によって加速して収束され、第１ダイノード７１ａに入射される。入射した光電子数に対して数倍の数の２次電子が放出され、引続き第２ダイノード７１ｂに加速して入射する。第２ダイノード７１ｂにおいても第１ダイノード７１ａと同様に入射した電子数に対して数倍の２次電子が放出される。これを８回繰り返すことによって、光電子放出面３０から放出された光電子は約１００万倍程度に最終的に２次電子増倍され、第８ダイノードｈから増倍して放出された２次電子が陽極６０で集められ出力信号電流として取り出される。
【００３０】
本実施形態では光電子放出面３０から光電子が従来よりも多く放出されるので、陽極６０から最終的に出力される信号電流も大きくなる。実際にその検出限界は従来のラインフォーカス型光電子増倍管と比較して約１桁向上し、光電変換量子効率も５０％以上となるので、より微弱な被検出光が上記光電子増倍管によって検出され得る。
【００３１】
電子管の第２実施形態
図６はいわゆる画像増強管の側断面図を示したものである。反射防止膜２０と光電子放出面３０とが光電子放出面の実施形態と同様にされたガラス面板１０が、Ｉｎシール部１２及びＩｎ溜め１３からなる封止部材を用いて真空管１１の本体を構成する筒体の上端部に封止して支持されている。
【００３２】
真空管１１の本体を構成する筒体の中央には、２次元電子を２次電子増倍できるように直径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）（増倍手段）７２が設置されている。そして、光電子放出面３０及びＭＣＰ７２に接続される各電気リード（図示せず）を介して、光電子放出面３０とＭＣＰ７２との間には＋数１００Ｖの電圧が印加されている。また、ＭＣＰ７２と接続された各電気リード４１ａ，ｂの一端が真空管１１の側壁を貫通して延び、それらを介して、ＭＣＰ７２の上面側（以下「入力側」という）とＭＣＰ７２の下面側（以下「出力側」という）との間には増倍用の電圧が印加されている。
【００３３】
真空管１１の本体を構成する筒体の下端部にはファイバープレート６１が支持され、その内面上に蛍光体６２（蛍光膜）が配置されている。そして、蛍光体６２に接続された電気リード４１ｃとＭＣＰ７２に接続された上記と別の電気リード（図示せず）を介して、ＭＣＰ７２に対して＋数ｋＶ程度の電圧が蛍光体６２に印加されるようにしている。
【００３４】
したがって、画像増強管に被検出光（ｈν）が図の矢印で示すように入射すると、２次元光学像に対応する２次元光電子像（ｅ−）が光電子放出面３０から真空管１１の内部空間へ放出され、ＭＣＰ７２入力側に加速して入射される。ＭＣＰ７２によって２次元光電子像は約１００万倍に２次電子増倍され、ＭＣＰ７２の出力側から入射位置に対応した２次元電子像が放出され、蛍光体４３に加速して入射される。蛍光体６２上では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４３を支持しているファイバープレート６２を通して外部に取り出され、観測される。
【００３５】
本実施形態は結晶欠陥が抑制された上記光電子放出面を用いていることから、従来よりも多くの２次元光電子像が放出されるので、蛍光体６２は増倍された２次元電子によって従来より強く発光される。よって、従来の画像増強管に比較しより微弱な２次元光学像が感度よく直接観察され得る。
【００３６】
電子管の第３実施形態
図７はいわゆるストリーク管の側断面図を示したものである。真空管１１を構成する筒体の一方の端部には、反射防止膜２０及び光電子放出面３０が光電子放出面の実施形態と同様にされたガラス面板１０が支持され、一端がその端部を通って延びた電気リード４１ａが電極４０を介して光電子放出面３０に接続されている。また、この他方の端部には蛍光体６２が支持され、上記電気リード４１ａと同様にされた電気リード４１ｂと接続されている。真空管１１内部には、その管軸に沿って光電子放出面３０側からメッシュ状の加速電極６３、第１収束電極７０ａ、アパチャー電極６４、一対の垂直偏向電極８０ａ及び水平偏向電極８０ｂ（偏向手段）、第２収束電極７０ｂ、そしてＭＣＰ７２が順に配設され、一端が真空管１１の側壁を貫通して延びた電気リード４１ｃ〜４１ｆと接続されている（ただし、水平偏向電極８０ｂに接続された電気リードは図示せず）。そして、メッシュ状の加速電極６３、第１収束電極７０ａ、及びアパチャー電極６４には、光電子放出面３０に対して正の電圧が印加され、また、ＭＣＰ７２にはアパチャー電極６４と同一の電位が与えられている。なお、ＭＣＰ７２の入力側と出力側との間の電圧及びＭＣＰ７２と蛍光体６２との間の電圧は電子管の第２実施形態と同様に印加されている。
【００３７】
よって、ストリーク管に光量が時間的に変化する被検出光（ｈν）がスリット及びレンズ（いずれも図示せず）を通って図の矢印で示すように入射すると、上記光電子放出面３０から光電子（ｅ−）が従来より多く放出される。放出された光電子が拡散する前に、光電子放出面に対して正の電圧が印加された加速電極６３によって加速される。第１収束電極７０ａにより光電子は収束してアパチャー電極６４を通過する。このアパチャー電極６４を通過した光電子は高速に掃引された電圧が印加された垂直偏向電極８０ａ及び水平偏向電極８０ｂの各間隙を通過している間に偏向されるので、その後ＭＣＰで増倍された、従来より多い２次電子が蛍光体６２上で走査されながら入射させられる。したがって、被検出光の時間情報が位置情報に変換された光学像、いわゆるストリーク像が従来より感度よく得られる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の光電子放出面によれば、適当な組成のＩｎｘ’（ＡｌｙＧａ１−ｙ）１−ｘ’Ｐからなる窓層及びＧａｘＩｎ１−ｘＰからなる活性層を用いることにより、結晶欠陥のない活性層が得られるので、可視光領域で非常に高感度な光電子放出面が得られる。
【００３９】
本発明の光電子放出面を用いた電子管によれば、本発明の光電子放出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】本発明に係る光電子放出面の実施形態の断面図である。
【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の光電子放出面の実施形態の製造方法を工程順に断面にて示した図である。
【図５】図１の光電子放出面を用いた光電子増倍管の実施形態の側断面図である。
【図６】図１の光電子放出面を用いた画像増強管の実施形態の側断面図である。
【図７】図１の光電子放出面を用いたストリーク管の実施形態の側断面図である。
【図８】従来の光電子放出面の断面図を示したものである。
【符号の説明】
１０・・・ガラス面板、１１・・・真空容器、１２・・・Ｉｎ溜め、１３・・・Ｉｎシール部、２０・・・反射防止膜、３０・・・光電子放出面、３１・・・窓層、３２・・・活性層、３３・・・表面層、４０・・・電極、５０・・・半導体基板、５１・・・エッチストップ層、６０・・・陽極、６１・・・ファイバプレート、６２・・・蛍光体、６３・・・加速電極、６４・・・アパチャー電極、７０・・・収束電極、７０ａ・・・第１収束電極、７０ｂ・・・第２収束電極、７１・・・ダイノード部、７１ａ・・・第１ダイノード、７１ｂ・・・第２ダイノード、７１ｃ・・・第３ダイノード、７１ｄ・・・第４ダイノード、７１ｅ・・・第５ダイノード、７１ｆ・・・第６ダイノード、７１ｇ・・・第７ダイノード、７１ｈ・・・第８ダイノード、７２・・・マイクロチャンネルプレート、８０ａ・・・垂直偏向電極、８０ｂ・・・水平偏向電極。
【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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