(57)【要約】【課題】  検出効率やイメージ品質を低下させる原因となるダークエミッションを低減可能な半導体光電陰極を提供する。【解決手段】  半導体層１４は、電子放出層１３に向かうに従って半導体層１４のパターンの一方向［０−１−１］の幅が広くなる順メサ斜面領域ＭＪを有している。この半導体光電陰極Ｃは、電子放出層１３に向かうに従って半導体層１４のパターンの他方向［０１−１］の幅が狭くなる逆メサ斜面領域ＭＡを更に備えている。順メサ斜面領域ＭＪにおいて、ｎ型ＩｎＰの半導体層１４とｐ型ＩｎＰの電子放出層１３が接する部分においては、ダークエミッションが多くなる傾向がある。しかしながら、本例では、順メサ斜面領域ＭＪがＳｉＮの絶縁層１７で覆い隠されている為、電子はＳｉＮｘの絶縁層１７を突き抜けて真空中に飛び出すことが出来ず、電子放射源とはならない。したがってダークエミッションが少ない半導体光電陰極Ｃを形成することが出来る。【選択図】  図１
2006202653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光吸収層、前記光吸収層上に形成された電子放出層、前記電子放出層上に形成されバイアス印加パターンを有する半導体層、及び前記電子放出層上に形成された仕事関数低下用の活性層を備え、前記光吸収層に入射した光に感応して前記電子放出層から前記活性層を介して電子を放出する半導体光電陰極において、
前記半導体層は、前記電子放出層に向かうに従って前記半導体層のパターンの一方向の幅が広くなる順メサ斜面領域を有し、この順メサ斜面領域からの電子放出を抑制する処理が行われていることを特徴とする半導体光電陰極。
【請求項２】
前記電子放出層に向かうに従って前記半導体層のパターンの他方向の幅が狭くなる逆メサ斜面領域を更に備えてい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３】
前記半導体層の前記順メサ斜面領域上に絶縁層を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光電陰極。
【請求項４】
前記半導体層の頂面上に絶縁層を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光電陰極。
【請求項５】
前記半導体層の頂面上に電極層を備え、この電極層は前記絶縁層上に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体光電陰極。
【請求項６】
前記半導体層の頂面上に電極層を備え、この電極層は前記半導体層と前記絶縁層の間に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体光電陰極。
【請求項７】
前記電子放出層と前記半導体層とは同一半導体材料からなることを特徴とする請求項４に記載の半導体光電陰極。
【請求項８】
前記電子放出層と前記半導体層とはＰＮ接合を構成しており、前記電極層と前記半導体層とはオーミック接触していることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体光電陰極。
【請求項９】
前記電極層と前記半導体層とはショットキー接触していることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体光電陰極。
【請求項１０】
前記半導体層の前記順メサ斜面領域は、低導電率部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光電陰極。
【請求項１１】
前記絶縁層は、シリコン窒化物又はシリコン酸化物を含むことを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載の半導体光電陰極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光電陰極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体光電陰極は、下記特許文献１乃至１０に記載されている。
【０００３】
これらの半導体光電陰極は、入射光により光電子を発生する光吸収層と、この光吸収層とヘテロ接合をなす電子移送層（電子放出層）を有し、電子移送層上の放出面側に形成された電極から外部バイアスを印加することにより、電子移送層内で光電子を移送させ、放出面から放出している。
【０００４】
このような半導体光電陰極は、イメージインテンシファイアに組み込むことができる。
【特許文献１】米国特許３９５８１４３号明細書
【特許文献２】特開昭６２−１３３６３３号公報
【特許文献３】特開平４−２６９４１９号公報
【特許文献４】特開平０８−１５３４６１号公報
【特許文献５】特開平０８−１５３４６３号公報
【特許文献６】特開平０９−３２０４５７号公報
【特許文献７】特開２００１−０９３４０７号公報
【特許文献８】特開２００２−１８４３０２号公報
【特許文献９】特開２００４−１５８３０１号公報
【特許文献１０】特許２９２３４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の半導体光電陰極を、近接型イメージインテンシファイアに組み込んだ場合、暗状態での電子放出（ダークエミッション）が観察された。ダークエミッションは、半導体光電陰極の特定の部位から強く放出される。この現象について鋭意検討した結果、ダークエミッションは半導体光電陰極の面方位により異なることが判明した。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、検出効率やイメージ品質を低下させる原因となるダークエミッションを低減可能な半導体光電陰極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明にかかる半導体光電陰極は、半導体基板上に形成された光吸収層、光吸収層上に形成された電子放出層、電子放出層上に形成されバイアス印加パターンを有する半導体層、及び電子放出層上に形成された仕事関数低下用の活性層を備え、光吸収層に入射した光に感応して電子放出層から活性層を介して電子を放出する半導体光電陰極において、半導体層は、電子放出層に向かうに従って半導体層のパターンの一方向の幅が広くなる順メサ斜面領域を有し、この順メサ斜面領域からの電子放出を抑制する処理が行われていることを特徴とする。
【０００８】
半導体光電陰極においては、エッチング時の結晶の面方位に依存して順メサ斜面領域が形成されるが、順メサ斜面領域及びその近傍ではダークエミッションが生じる。したがって、この電子放出を抑制する処理を行えば、ダークエミッションを低減させることができる。すなわち、電子が放出されないように絶縁層で表面を被覆したり、電子が放出されないように、バイアス電圧の印加を阻害する絶縁層を設ければよい。
【０００９】
また、本発明にかかる半導体光電陰極は、電子放出層に向かうに従って半導体層のパターンの他方向の幅が狭くなる逆メサ斜面領域を更に備えていることが好ましい。すなわち、エッチング時には逆メサ斜面領域が形成されると、かかる部分からのダークエミッションは非常に小さいものとなることが判明した。
【００１０】
また、本発明にかかる半導体光電陰極は、半導体層の順メサ斜面領域上に絶縁層を備えることが好ましい。この場合、絶縁層は、順メサ斜面領域からの電子の放出を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明にかかる半導体光電陰極は、半導体層の頂面上に絶縁層を備えることが好ましい。この場合、絶縁層は、頂面からの電子の放出を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明にかかる半導体光電陰極は、半導体層の頂面上に電極層を備え、この電極層は絶縁層上に設けられていることが好ましい。電極層から半導体層の頂面上に印加されるバイアス電圧を絶縁層によって低減することができ、電子の放出を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明にかかる半導体光電陰極は、半導体層の頂面上に電極層を備え、この電極層は半導体層と絶縁層の間に設けられていることとしても良い。この場合、電極層から半導体層の頂面にはバイアス電圧を与えることができるが、頂面は絶縁体層で覆われているため、電子の放出を抑制することができる。
【００１４】
また、電子放出層と半導体層とは同一半導体材料からなることとしてもよい。この場合、電子放出層と半導体層とは一体的となる。
【００１５】
また、電子放出層と半導体層とはＰＮ接合を構成しており、電極層と半導体層とはオーミック接触していることが好ましい。この場合、電極層は半導体層にオーミック接触し、ＰＮ接合にバイアス電圧を与える。この電圧によって、光吸収層内で発生した電子を半導体層方向へ加速することができる。
【００１６】
電極層と半導体層とはショットキー接触していることとすることもできる。この場合、電極層は半導体層にショットキー接触し、電子放出層にバイアス電圧を与える。この電圧によって、光吸収層内で発生した電子を半導体層方向へ加速することができる。なお、ショットキー接触を用いる場合には、電子放出層と半導体層は同一の導電型とすることができる。
【００１７】
半導体層の順メサ斜面領域は、低導電率部を備えることとしてもよい。ここで、低導電率部とは、周囲の領域と比較して相対的に導電率が低い部分のことを示すものとする。低導電率部では、抵抗値が高いために、電子の放出が抑制される。この低導電率部は、イオン注入等の元素導入手法を用いることで、半導体層を部分的に絶縁体に変換することで形成することもできる。
【００１８】
上述の絶縁層は、シリコン窒化物又はシリコン酸化物を含むことが好ましく、これらの絶縁材料は容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る半導体光電陰極によれば、ダークエミッションを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、実施の形態に係る半導体光電陰極について説明する。なお、説明において、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。
（第１実施形態）
【００２１】
図１は第１実施形態に係る半導体光電陰極Ｃの斜視図である。
【００２２】
図２は図１に示した半導体光電陰極ＣのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（Ｘ方向断面）、図３は図１に示した光電陰極のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図（Ｙ方向断面）である。Ｘ方向は、［０１−１］方向とし、Ｙ方向は［０−１−１］方向とする。なお、［０１−１］方向、［０−１−１］方向、［１００］方向は、それぞれ、（０１−１）面、（０−１−１）面、（１００）面に垂直である。
【００２３】
この半導体光電陰極Ｃは、半導体基板１１上に形成された光吸収層１２、光吸収層１２上に形成された電子放出層１３、電子放出層１３上に形成されバイアス印加パターンを有する半導体層１４、及び電子放出層１３上に形成された仕事関数低下用の活性層Ａを備えている。半導体基板１１の裏面側には電極層１６が形成されており、半導体層１４上には電極層１５が形成されている。電極層１６と電極層１５との間にはバイアス電圧が印加され、電極層１５の電位は電極層１６の電位よりも相対的に高く設定される（逆バイアス電圧）。
【００２４】
各半導体層の１．材料、２．導電型、３．キャリア濃度、４．層の厚み方向に垂直な面方位、５．厚みは以下の通りである。
【００２５】
半導体基板１１
１．ＩｎＰ
２．ｐ型
３．５ｘ１０１５ｃｍ−３以上
４．（１００）
５．５００μｍ
【００２６】
光吸収層１２
１．ＩｎＧａＡｓ
２．ｐ型
３．８ｘ１０１５ｃｍ−３以上１ｘ１０１７ｃｍ−３以下
４．（１００）
５．０．０１μｍ〜５μｍ
【００２７】
電子放出層１３
１．ＩｎＰ
２．ｐ型
３．８ｘ１０１５ｃｍ−３以上１ｘ１０１７ｃｍ−３以下
４．（１００）
５．０．１μｍ〜２μｍ
【００２８】
半導体層１４
１．ＩｎＰ
２．ｎ型
３．１×１０１８ｃｍ−３以上
４．（１００）
５．０．０５μｍ〜１μｍ
【００２９】
電極層１６はＡｕＺｎからなり、光照射の妨げとならないように半導体基板１１の裏面の一部に形成されている。電極層１５と電極層１６の間には、電極層１５を正とするバイアス電圧が印加される。
【００３０】
半導体層１４は、電子放出層１３の一部が露出するようにリソグラフィーを用いて線幅０．１μｍ以上４μｍ以下、間隔０．１μｍ以上４μｍ以下のストライプ状にパターニングされている。電極層１５はＴｉからなり、厚みは０．０２μｍないし０．０５μｍである。
【００３１】
半導体基板１１を介して光吸収層１２に光が入射すると、光吸収層１２は入射光ｈνに感応して正孔／電子対（キャリア）を発生する。光吸収層１２で発生した電子は、バイアス電圧によって生じる電界にしたがって、表面側の電極層１５方向へ走行する。光吸収層１２で発生した電子は、電子放出層１３及び活性層Ａを順次介して真空中に放出される。
ＳｉやＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体の表面に特定の原子が付着すると、バルク中のエネルギーバンド構造に起因して伝導帯の電子エネルギーと真空準位との差は小さくなる。材料によっては、伝導体のほうが高くなり所謂負性電子親和力（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ  ：ＮＥＡ）が生じる。電子親和力を低下させる手段としては、セシウム（Ｃｓ）や酸素（Ｏ）を半導体の表面に付着させることで実現することができる。すなわち、電子放出層１３の上に形成される活性層Ａの材料としては、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ、Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ−Ｃｓ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｃｓ−Ｉなどを採用することができる。
なお、光吸収層１２に用いられるＩｎＧａＡｓは赤外域において吸収係数が高く、ＩｎＰよりもエネルギーバンドギャップが狭いことが知られている。なお、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓはＩｎＰに格子整合することが知られている。
【００３２】
ここで、半導体層１４は、電子放出層１３に向かうに従って半導体層１４のパターンの一方向［０−１−１］の幅が広くなる順メサ斜面領域ＭＪを有している（図３参照）。半導体光電陰極Ｃは、電子放出層１３に向かうに従って半導体層１４のパターンの他方向［０１−１］の幅が狭くなる逆メサ斜面領域ＭＡを更に備えている（図２参照）。ここで、方向［０−１−１］と［０１−１］とは直交している。
【００３３】
半導体層１４は、エッチングによって格子状にパターニングされるが、半導体層１４をエッチングする時、結晶の面方位に依存して順メサ斜面領域ＭＪ及び逆メサ斜面領域ＭＡが形成される。これらの斜面によって囲まれた半導体層１４の開口内には、活性層Ａが位置し、ここから電子が放出する。半導体層１４の開口（ストライプ）は、［０−１−１］方向に長く延びている。詳説すれば、半導体層１４の開口の平面形状は長方形であって、長手方向（長辺の方向）は［０−１−１］であり、短辺の方向は［０１−１］である。なお、電極層１５のメッシュの長手方向は［０−１−１］であり、短辺は［０１−１］であり、短辺の近傍が順メサ形状になっている。
【００３４】
フォトリソグラフィによる半導体層１４のパターニングを行なう際には、ドライエッチングとウエットエッチングによる手法を取ることが出来るが、ドライエッチングでは結晶表面へのダメージが大きいため、ドライエッチングを実行した場合においても、最終的には表面をウエットエッチングする必要がある。ウエットエッチングの場合、エッチング速度が結晶面に依存して大きく異なるので、半導体層１４の凸部２１の長手方向を［０−１−１］方向とするマスクを用いた場合には、凸部２１の短辺には［０１−１］方向に沿った順メサ斜面領域ＭＪが形成される。逆に、［０−１−１］方向に沿った法面には、逆メサ斜面領域ＭＡが形成される。したがって長手方向を［０−１−１］方向とするマスクを用いて作成された構造を採用することにより、ダークエミッションを大幅に低減した光電陰極を形成することが出来る。エッチング時に逆メサ斜面領域ＭＡが形成されると、かかる部分からのダークエミッションは非常に小さいものとなる。
【００３５】
一方、順メサ斜面領域ＭＪ及びその近傍ではダークエミッションが生じる。したがって、順メサ斜面領域ＭＪからの電子放出を抑制する処理を行えば、ダークエミッションを低減させることができる。
【００３６】
ここで、順メサ構造と逆メサ構造について説明しておく。
【００３７】
図１３は、マスク（Ａｌ２Ｏ３）ＭＫが表面上に形成された化合物半導体基板（ＧａＡｓ）の斜視図である。
【００３８】
化合物基板の表面の面方位は（１００）、正面の劈開面の面方位は（０−１−１）、側面の劈開面の面方位は（０１−１）である。正面の劈開面（０−１−１）に垂直な方位である［０−１−１］方向を長手方向とする長方形のマスクパターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３が形成されている。側面の劈開面（０１−１）に垂直な方位である［０１−１］方向を長手方向とする長方形のマスクパターンＰ４、Ｐ５が形成されている。これらのマスクパターンＰ１〜Ｐ５を用いて半導体基板をウエットエッチングする。
【００３９】
この場合、パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の直下の基板領域は、正面から見た断面が末広がりの扇形にエッチングされ、その側面は（−１１−１）面、（−１−１１）面となり、基板表面と、この斜面とは図示の如く１２５度１６分の角度で逆メサ構造Ｇを構成する。一方、パターンＰ４、Ｐ５の直下の基板領域は、側面から見た断面が先細りのテーパ形にエッチングされ、その両側面は（１１１）面、（１−１−１）面となり、基板表面と、この斜面とは図示の如く５４度４４分の角度で順メサ構造Ｊを構成する。
【００４０】
図３に示す構造の場合、半導体光電陰極Ｃは、半導体層１４の頂面上に絶縁層１７を備えている。なお、絶縁層１７は、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）又はシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を含むことが好ましく、厚さは０．１〜０．３μｍ、好適には０．２μｍであり、これらの絶縁材料は容易に得ることができ、また、半導体プロセスとの相性が良く、電子放出層１３の表面への汚染などが少ない。これらの材料は混晶であってもよい。
【００４１】
上述の構造の場合、絶縁層１７は、頂面からの電子の放出を抑制することができる。半導体光電陰極Ｃは、半導体層１４の頂面上に電極層１５を備え、この電極層１５は絶縁層１７上に設けられている。電極層１５から半導体層１４の頂面上に印加されるバイアス電圧を絶縁層１７によって低減することができるので、電子の放出を抑制することができる。
【００４２】
また、電子放出層１３と半導体層１４とはＰＮ接合を構成しており、電極層１５と半導体層１４とはオーミック接触している。この場合、電極層１５は半導体層１４にオーミック接触し、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を与える。この電圧によって、光吸収層１２内で発生した電子を半導体層１４方向へ加速することができる。
（第２実施形態）
【００４３】
図４は第２実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＹ方向断面図である。
【００４４】
すなわち、第２実施形態に係る半導体光電陰極Ｃは、第１実施形態の光電陰極と比較してＹ方向の縦断面構造のみが異なり、Ｘ方向断面構成等、他の構成は同一である。
【００４５】
半導体光電陰極Ｃは、半導体層１４の頂面上に電極層１５を備え、この電極層１５は半導体層１４と絶縁層１７の間に設けられている。絶縁層１７は半導体層１４の頂面から順メサ斜面領域ＭＪ上にまで延びており、順メサ斜面領域ＭＪからの電子の放出を抑制している。また、電極層１５から半導体層１４の頂面にはバイアス電圧を与えることができるが、頂面は絶縁層１７で覆われているため、電子の放出を抑制することができる。
【００４６】
なお、順メサ斜面領域ＭＪにおいて、ｎ型ＩｎＰの半導体層１４とｐ型ＩｎＰの電子放出層１３が接する部分においては、ダークエミッションが多くなる傾向がある。しかしながら、本例では、順メサ斜面領域ＭＪがＳｉＮの絶縁層１７で覆い隠されている為、電子はＳｉＮｘの絶縁層１７を突き抜けて真空中に飛び出すことができず、電子放射源とはならない。したがって、全体としてダークエミッションが少ない半導体光電陰極Ｃを形成することができる。なお、本例では電子放射阻害層として、ＳｉＮｘからなる絶縁層１７を用いたが、この阻害層は、絶縁膜であればなんでも良い。特に、半導体プロセスとの相性や電子放出層１３表面への汚染などが少ないＳｉＮｘ、ＳｉＯ２やそれらの混晶が良いと考えられる。
（第３実施形態）
【００４７】
図５は第３実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＸ方向断面図であり、図６は第３実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＹ方向断面図である。この半導体光電陰極Ｃの概略斜視構成は図１に示したものと同一である。
【００４８】
この半導体光電陰極Ｃは、半導体基板１１上に形成された光吸収層１２、光吸収層１２上に形成された電子放出層１３、電子放出層１３上に形成されバイアス印加パターンを有する半導体層１４、及び電子放出層１３上に形成された仕事関数低下用の活性層Ａを備えている。なお、活性層Ａは、露出した電子放出層１３の表面に塗布されており、例示的には酸化セシウムからなり、電子放射の仕事関数を低下させている。
【００４９】
半導体基板１１の裏面側には電極層１６が形成されており、半導体層１４上には電極層１５が形成されている。電極層１６と電極層１５との間にはバイアス電圧が印加され、電極層１５の電位は電極層１６の電位よりも相対的に高く設定される。
【００５０】
電極層１５と半導体層１４とはショットキー接触して電子放出層１３にバイアス電圧を与えており、電子放出層１３と半導体層１４とは同一導電型の同一半導体材料Ｉからなり、一体的に形成されている。すなわち、本例では半導体層１４は、電子放出層１３と同一導電型（ｐ型）、同一キャリア濃度であることとし、半導体材料Ｉの厚みは０．１〜２μｍであることとする。他の構造は第１実施形態のものと同一である。バイアス電圧によって、光吸収層１２内で発生した電子を半導体層１４方向へ加速することができる。ショットキー接触を用いる場合の電極層１５の厚みは０．１〜０．３μｍが好適であり、本例では０．２μｍとする。
【００５１】
半導体基板１１を介して光吸収層１２に光が入射すると、光吸収層１２は入射光ｈνに感応して正孔／電子対（キャリア）を発生する。光吸収層１２で発生した電子は、バイアス電圧によって生じる電界にしたがって、表面側の電極層１５方向へ走行する。光吸収層１２で発生した電子は、電子放出層１３及び活性層Ａを順次介して真空中に放出される。なお、半導体層１４に形成された開口のパターンはストライプであり、ストライプの長手方向は［０−１−１］、短手方向は［０１−１］である。
【００５２】
ここで、半導体層１４は、電子放出層１３に向かうに従って半導体層１４のパターンの一方向［０−１−１］の幅が広くなる順メサ斜面領域ＭＪを有している（図６参照）。この半導体光電陰極Ｃは、電子放出層１３に向かうに従って半導体層１４のパターンの他方向［０１−１］の幅が狭くなる逆メサ斜面領域ＭＡを更に備えている（図５参照）。なお、方向［０−１−１］と［０１−１］とは直交している。
【００５３】
半導体層１４は、エッチングによって格子状にパターニングされるが、半導体層１４をエッチングする時、結晶の面方位に依存して順メサ斜面領域ＭＪ及び逆メサ斜面領域ＭＡが形成される。これらの斜面によって囲まれた半導体層１４の開口内には、活性層Ａが位置し、ここから電子が放出する。
【００５４】
エッチング時に逆メサ斜面領域ＭＡが形成されると、かかる部分からのダークエミッションは非常に小さいものとなる。
【００５５】
一方、順メサ斜面領域ＭＪ及びその近傍ではダークエミッションが生じる。したがって、順メサ斜面領域ＭＪからの電子放出を抑制する処理を行えば、ダークエミッションを低減させることができる。
【００５６】
図６に示す構造の場合、半導体光電陰極Ｃは、半導体層１４の頂面上に絶縁層１７を備え、その上に電極層１５を備えている。電極層１５から半導体層１４の頂面上に印加されるバイアス電圧を絶縁層１７によって低減することができるので、電子の放出を抑制することができる。
（第４実施形態）
【００５７】
図７は第４実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＹ方向断面図である。
【００５８】
すなわち、第４実施形態に係る半導体光電陰極Ｃは、第３実施形態の半導体光電陰極Ｃと比較してＹ方向の縦断面構造のみが異なり、Ｘ方向断面構成等、他の構成は同一である。
【００５９】
半導体光電陰極Ｃは、半導体層１４の頂面上に電極層１５を備え、この電極層１５は半導体層１４と絶縁層１７の間に設けられている。絶縁層１７は半導体層１４の順メサ斜面領域ＭＪ上に延びており、順メサ斜面領域ＭＪからの電子の放出を抑制している。また、電極層１５から半導体層１４の頂面にはバイアス電圧を与えることができるが、頂面は絶縁層１７で覆われているため、電子の放出を抑制することができる。
（第５実施形態）
【００６０】
図８は第５実施形態に係る半導体光電陰極Ｃの順メサ斜面領域ＭＪの周辺部のＹ方向断面図である。
【００６１】
第５実施形態に係る半導体光電陰極Ｃは、第１実施形態に係る半導体光電陰極Ｃと比較して、順メサ斜面領域ＭＪの周辺部の構造のみが異なる。
【００６２】
半導体層１４における順メサ斜面領域ＭＪの内部には、低導電率部１４’が形成されている。半導体層１４の頂面上には電極層１５が形成されるが、バイアス電圧の印加によっても順メサ斜面領域ＭＪからは電子の放出が抑制される。すなわち、半導体層１４の順メサ斜面領域ＭＪは、低導電率部１４’を備えており、低導電率部１４’は抵抗値が高いために、電子の放出が抑制される。この低導電率部１４’は、イオン注入等の元素導入手法を用いることで、半導体層１４を低導電率部１４‘に変え、さらにその程度により部分的に絶縁体に変換することで形成することもできる。なお、低導電率部１４’とは、周囲の領域と比較して相対的に導電率が低い部分のことを示す。順メサの形状に加工されたｎ型ＩｎＰからなる半導体層１４とｐ型ＩｎＰからなる電子放出層１３の法面部分にのみプロトンを照射して絶縁化し、これを阻害層としても良い。さらには収束電子ビームなどのような手法により順メサの形状に加工されたｎ型ＩｎＰからなる半導体層１４とｐ型ＩｎＰからなる電子放出層１３の法面部分にのみダメージ層を形成し、これを阻害層としても良い。いずれの場合も、処理された領域の導電率は低下する。
（第６実施形態）
【００６３】
図９は第６実施形態に係る半導体光電陰極Ｃの順メサ斜面領域ＭＪの周辺部のＹ方向断面図である。
【００６４】
第６実施形態に係る半導体光電陰極Ｃは、第３実施形態に係る半導体光電陰極Ｃと比較して、順メサ斜面領域ＭＪの周辺部の構造のみが異なる。
【００６５】
半導体材料Ｉの上部を構成する半導体層１４における順メサ斜面領域ＭＪの内部には、低導電率部１４’が形成されている。半導体層１４の頂面上には電極層１５が形成されるが、バイアス電圧の印加によっても順メサ斜面領域ＭＪからは電子の放出が抑制される。第５実施形態と同様に、この半導体層１４の順メサ斜面領域ＭＪも、低導電率部１４’を備えており、低導電率部１４’は抵抗値が高いために、電子の放出が抑制される。この低導電率部は、イオン注入等の元素導入手法を用いることで、半導体層１４を部分的に低導電率部１４‘に変え、さらにその程度により絶縁体に変換することで形成することもできる。
【００６６】
以上、説明したように、第１〜第６の実施形態では、順メサ斜面領域ＭＪからの電子放出を抑制する処理が行われている。すなわち、電子が放出されないように絶縁層１７で表面を被覆したり、電子が放出されないように、バイアス電圧の印加を阻害する絶縁層１７が半導体層１４の頂面に設けられている。
【００６７】
なお、順メサ斜面領域ＭＪからの電子放出現象について、検証実験を行った。
【００６８】
半導体基板１１上に、光吸収層１２、電子放出層１３、半導体層１４を順次形成し、半導体層１４上にマスクを形成して、これをウエットエッチングした。しかる後、半導体層１４上に電極層１５を形成し、形成された開口内に活性層Ａを形成した。なお、半導体基板１１の裏面上には電極層１６を形成した。
【００６９】
このマスクの形状は、半導体層１４の開口パターンを規定するものである。マスクのパターンを２種類用意し、それぞれのマスクで製造された半導体光電陰極Ｃから放出された電子の観察を試みた。第１のマスクは、［０−１−１］方向に開口が長く延びており、第２のマスクは［０１−１］方向に開口が長く延びている（短辺の方向が［０−１−１］に一致する）。これらのマスクで製造された光電陰極を近接型イメージインテンシファイアに組み込み、暗電子放射の２次元分布を確認した。
【００７０】
図１０（ａ）は第１のマスクで製造された光電陰極を組み込んだイメージインテンシファイアの暗状態での電子放射像、図１０（ｂ）は第１のマスクで製造された光電陰極のＸｂ−Ｘｂ矢印線断面ＳＥＭ像、図１０（ｃ）は第２のマスクで製造された光電陰極を組み込んだイメージインテンシファイアの暗状態での電子放射像、図１０（ｄ）は第２のマスクで製造された光電陰極のＸｄ−Ｘｄ矢印線断面ＳＥＭ像である。
【００７１】
図１０（ａ）では開口の長手方向［０−１−１］の両端の順メサ斜面領域（図１０（ｂ）参照）から電子が放出しているのが分かる。図１０（ｃ）では開口の短辺方向［０−１−１］の両端の順メサ斜面領域から電子が放出し、開口の長手方向［０１−１］の両端の逆メサ斜面領域からは電子が放出していないことが分かる。なお、順メサ斜面領域の表面は［０１−１］方向に沿っている。
【００７２】
このように、順メサ斜面領域において、ダークエミッションが特に強くなっていることが分かる。実験結果では一番外側の順メサ部分のみから電子が放出されるように見られるが（図１０（ａ））、これは内部の電極線幅が細く、電子供給能力が落ちているからであって、程度の差こそあれ、内部の順メサ部分でも同様にダークエミッションが強いと考えることができる。以上のことから、半導体層１４の開口部に順メサ斜面領域、及び、その影響を出来るだけ小さくする構造を採用することにより、ダークエミッションの少ない光電陰極が形成できると理解される。
【００７３】
図１１は、上述の半導体光電陰極Ｃを組み込んだ近接型イメージインテンシファイアを示す図である。
【００７４】
半導体光電陰極Ｃと蛍光体Ｆとの間には複数段のマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）Ｍからなる電子増倍部が介在している。より詳細に説明すると、半導体光電陰極Ｃの電極層１５側の面は、初段のマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）Ｍの電子入射面が対向しており、最終段のマイクロチャネルプレートＭの電子出射面は、蛍光体Ｆに対向している。蛍光体ＦとＣＣＤ固体撮像素子１００との間には結像レンズ１０１が介在しており、結像レンズ１０１は蛍光体Ｆから出射された蛍光イメージをＣＣＤ固体撮像素子１００上に結像させる。
【００７５】
半導体光電陰極Ｃの裏面電極層１６と表面電極層１５との間には、表面電極層１５側を正電位とする電圧Ｖ１が印加される。表面電極層１５と初段のマイクロチャネルプレートＭの電子入射面には、この電子入射面を正電位とする電圧Ｖ２が印加される。初段のマイクロチャネルプレートの電子入射面と最終段のマイクロチャネルプレートの電子出射面との間には、最終段のマイクロチャネルプレートの電子出射面を正電位とする電圧Ｖ３が印加される。最終段のマイクロチャネルプレートの電子出射面と蛍光体Ｆとの間には、蛍光体Ｆを正電位とする電圧Ｖ４が印加される。
【００７６】
半導体光電陰極Ｃの裏面から内部に入射した光は電子に変換され、電圧Ｖ１による電界に引かれてメッシュ状の電極層１５の隙間に到達し、更に電圧Ｖ２による電界に引かれて真空中に放出され、マイクロチャネルプレートＭに到達する。マイクロチャネルプレートＭは、入射した電子を電圧Ｖ３による電界で加速して増倍して出射する。最終段のマイクロチャネルプレートＭから出力された電子（電子像）は、この出射面と蛍光体Ｆに設けられたメタルバック電極等との間の電圧Ｖ４で生じる電界に引かれて蛍光体Ｆに入射し、蛍光（蛍光像）を発生する。蛍光体Ｆから出射された蛍光像は、結像レンズ１０１を介してＣＣＤ固体撮像素子１００上に結像する。
【００７７】
従来の半導体光電陰極では、特定部分から多量の暗電子放射が生じ、これを近接型イメージインテンシファイアなどの二次元撮像デバイスに用いた場合、測定対象のイメージと暗電子像が重なることでイメージの品質が極端に劣化していた。もちろん、バイアス電圧を低下させると暗電子放射を抑制することができるが、光電感度も低下してしまう。
【００７８】
一方、上述の実施形態の本半導体光電陰極を近接型イメージインテンシファイアに組み込んだ場合、ダークエミッションを抑制する事が可能となったため、高感度で高品質なイメージを得ることが可能となる。この撮像デバイスをポリクロメータと組み合わせる事で、分光領域においても高感度、高Ｓ／Ｎな高速分光を行う事ができる。すなわち、ポリクロメータでは、回折格子の反射光又は透過光をイメージインテンシファイアの半導体光電陰極で受光し、その出力蛍光像を高速にモニタする。
【００７９】
図１２は、半導体光電陰極の平面図（ａ）、図１２（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ矢印線断面図（ｂ）である。
【００８０】
表面電極層１５は複数の開口を二次元状に有している。個々の開口の形状は長方形であり、長辺は［０−１−１］に沿って延びており、短辺は［０１−１］に沿って延びている。本例の半導体光電陰極は、第１実施形態に示したものであることとする。複数の開口は［０−１−１］方向に沿って５行、［０１−１］方向に沿って３６列、計１８０個並んでいる。１つの開口内からの暗電子放射は低減されているので、全体の開口からの暗電子放射も低減されている。また、複数の開口が数多く並んでいるため、それぞれの開口内から暗電子放射が生じた場合における全体の暗電流の面内のムラを抑制することができる。
【００８１】
また、従来、半導体光電陰極を備えた光電子増倍管においては、ダークエミッション源については熱電子放射以外深く考察される事が無かった。半導体順メサ部分からのダークエミッションは、温度依存性が少ないので、冷却で除去するのは困難である。従って、従来の光電子増倍管では、冷却時にも熱電子放射以外のダークエミッションが多く含まれており、Ｓ／Ｎを向上させることができなかった。一方、上述の実施形態に係る半導体光電陰極によれば、これを光電子増倍管に適用する事でこれまで以上の高感度、高Ｓ／Ｎの光検出が可能になる。このように、上述の実施形態の光電陰極を用いれば、これまで検出できなかった物理現象を検出できるようになるため、本発明の分光学への寄与は大きいと思われる。
【００８２】
上述の実施形態に係る光電陰極は、所謂、電界援助型の光電陰極の共通課題であるダークエミッションを減らすものであるため、現行の近赤外の光電子増倍管や２次元デバイスへの応用も期待することができる。なお、電界援助型の光電陰極とは、光電子放射面自身に電界を印加し、電界の作用により真空準位を低下させ動作させる光電陰極のことである。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、半導体光電陰極に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１実施形態に係る半導体光電陰極Ｃの斜視図である。
【図２】図１に示した半導体光電陰極ＣのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（Ｘ方向断面）である。
【図３】図１に示した半導体光電陰極ＣのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図（Ｙ方向断面）である。
【図４】第２実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＹ方向断面図である。
【図５】第３実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＸ方向断面図である。
【図６】第３実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＹ方向断面図である。
【図７】第４実施形態に係る半導体光電陰極ＣのＹ方向断面図である。
【図８】第５実施形態に係る半導体光電陰極Ｃの順メサ斜面領域ＭＪの周辺部のＹ方向断面図である。
【図９】第６実施形態に係る半導体光電陰極Ｃの順メサ斜面領域ＭＪの周辺部のＹ方向断面図である。
【図１０】（ａ）は第１のマスクで製造された半導体光電陰極を組み込んだイメージインテンシファイアの暗状態での電子放射像、（ｂ）は第１のマスクで製造された光電陰極のＸｂ−Ｘｂ矢印線断面ＳＥＭ像、（ｃ）は第２のマスクで製造された光電陰極を組み込んだイメージインテンシファイアの暗状態での電子放射像、（ｄ）は第２のマスクで製造された半導体光電陰極のＸｄ−Ｘｄ矢印線断面ＳＥＭ像を示す図である。
【図１１】半導体光電陰極Ｃを組み込んだ近接型イメージインテンシファイアを示す図である。
【図１２】半導体光電陰極の平面図（ａ）、（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ矢印線断面図（ｂ）である。
【図１３】マスク（Ａｌ２Ｏ３）が表面上に形成された化合物半導体基板（ＧａＡｓ）の斜視図である。
【符号の説明】
【００８５】
Ｉ・・・半導体材料、ｈν・・・入射光、Ｃ・・・半導体光電陰極、４・・・半導体層、１５・・・電極層、１１，１２，１３、１４・・・半導体層、１６・・・電極層（裏面電極層）、１７・・・絶縁層、２１・・・凸部、１００・・・固体撮像素子、１０１・・・結像レンズ、Ａ・・・活性層、Ｆ・・・蛍光体、Ｇ・・・逆メサ構造、Ｊ・・・順メサ構造、Ｍ・・・マイクロチャネルプレート、ＭＡ・・・逆メサ斜面領域、ＭＪ・・・順メサ斜面領域。
【図１】
2006202653.tif 000003
【図２】
2006202653.tif 000004
【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】
2006202653.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006202653.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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