(57)【要約】【課題】化合物半導体を用いた光電陰極において、広いダイナミックレンジを実現すると共に、高速でのゲート動作が可能な光電陰極及び電子管を提供すること。【解決手段】  電子管に適用可能な光電陰極１０は、基板１１と、基板１１上に形成され、化合物半導体から構成されると共に、光の入射に応じて光電子放出面１４Ｅから光電子を放出する光吸収層１４と、基板１１から光吸収層１４に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上１４Ｅに形成されると共に光電子放出面１４Ｅを露出する開口１５Ｈを有する電極層１５と、を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、化合物半導体から構成されると共に光の入射に応じて光電子放出面から光電子を放出する光吸収層と、
前記基板から前記光吸収層に至る部位を同電位とするように、前記光電子放出面上に形成されると共に前記光電子放出面を露出する開口を有する電極層と、
を備える光電陰極。
【請求項２】
光入射面を有する基板と、
前記基板上に形成され、前記光入射面を通過する光に応じて光電子を放出し、かつ、化合物半導体から構成される光吸収層と、
前記光吸収層上に複数の開口を含むパターンを伴って形成され、かつ、前記基板の一部に接するまで延在する部分を有する電極層と、
を備える光電陰極。
【請求項３】
前記電極層は、前記光吸収層の側部を介して、前記基板の一部に接するまで延在する部分を有していることを特徴とする請求項２に記載の光電陰極。
【請求項４】
前記パターンは、各開口が実質的に一定の間隔で設けられている部分を含むことを特徴とする請求項２に記載の光電陰極。
【請求項５】
前記光吸収層と前記基板との間に介在し、ＡｌＧａＡｓ系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが前記光吸収層よりも広い窓層を更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電陰極。
【請求項６】
前記基板と前記窓層との間に介在する反射防止膜を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の光電陰極。
【請求項７】
前記光吸収層を構成する化合物半導体が窒化物半導体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電陰極。
【請求項８】
前記光吸収層と前記基板との間に介在し、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが前記光吸収層よりも広いバッファ層を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の光電陰極。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された光電子を収集する陽極と、
前記光電陰極及び前記陽極を収容する真空容器と、
を備える電子管。
【請求項１０】
前記光電陰極と前記陽極との間にパルス状の電圧を印加する電圧印加手段を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の電子管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体から構成される光吸収層を備える光電陰極及びこれを用いた電子管に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電子増倍管などの電子管に用いられる光電陰極では、いわゆるフィールドアシスト型の場合、光電陰極の内部で電界を生じさせるために光電子放出面上に電極を形成することが知られている（特許文献１及び２参照）。また、フィールドアシスト型以外の場合、光電陰極の外部と電気的な接続を取るために光吸収層（活性層）の周縁部に電極を設けることが知られている（特許文献３参照）。
【特許文献１】米国特許第６１２１６１２号明細書
【特許文献２】特開平８−２５５５８０号公報
【特許文献３】特開平９−２１３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
光電陰極を適用した光電子増倍管や画像増強管などの電子管では、過大入力光の遮断や高速現象の解析のために、陽極と陰極との間の電位を変化させることでいわゆるゲート動作を行うことが知られている。しかし、光電陰極の光吸収層に用いる化合物半導体によっては、高速でのゲート動作が困難になるという問題があった。特に、光吸収層に窒化物半導体を用いた場合、他の化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｓ）を用いた場合と比較して、この問題は顕著に現れ、高速でのゲート動作はもちろん、ゲート動作そのものができない場合があった。
【０００４】
本発明者はこの問題について鋭意検討した結果、光吸収層の材料によって面抵抗が異なることに着目し、ゲート動作が困難になる原因は、光電陰極の面抵抗の大きさに起因する低い感度特性（リニアリティ）にあると知見するに至った。面抵抗は、光電陰極の光吸収層のキャリア濃度や厚さ等によって大きく変化する。例えば、光電陰極が属する技術分野とは異なる技術分野に属するものではあるが、電子デバイスの１つである光電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、厚さ１μｍのＧａＮ層を備え、面抵抗値が３６０Ω／ｓｑ．というデバイスが報告されている。しかしながら、化合物半導体を光吸収層とする場合には、光電陰極の面抵抗値が１ｋΩ以上となる場合があり、ゲート動作に支障をきたすことがわかった。特に、光電陰極の面抵抗値が１０ｋΩ以上となる場合には、高速でのゲート動作が極めて困難であることがわかった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の知見に基づき、面抵抗の高い光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能となる光電陰極及び電子管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】
【０００６】
本発明の光電陰極は、（１）基板と、（２）基板上に形成され、化合物半導体から構成されると共に光の入射に応じて光電子放出面から光電子を放出する光吸収層と、（３）基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に形成されると共に光電子放出面を露出する開口を有する電極層と、を備える。
【０００７】
本発明の光電陰極によれば、基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に電極層が形成される。このように構成することで、光電陰極全体に電荷が供給されると共に、電子放出面が有する特性の均質化が図られる。従って、面抵抗の高い化合物半導体を用いた光電陰極であっても、電子放出面の全体が有効に活用されることで入射光が強い場合でも入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、感度特性が改善される。また、当該光電陰極は、短時間に電位が変化する高速でのゲート動作にも適用することができる。なお、この感度特性の改善による効果は、光電子放出面の面積が大きい光電陰極では顕著なものとなる。加えて、本発明の光電陰極によれば、電子放出面が有する特性の均質化が図られることで、光電陰極に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。
【０００８】
また、本発明の光電陰極は、（１）光入射面を有する基板と、（２）基板上に形成され、光入射面を通過する光に応じて光電子を放出し、かつ、化合物半導体から構成される光吸収層と、（３）光吸収層上に複数の開口を含むパターンを伴って形成され、かつ、基板の一部に接するまで延在する部分を有する電極層と、を備える。
【０００９】
本発明の光電陰極によれば、電極層が複数の開口を含むパターンを伴って光吸収層上に形成され、かつ、基板の一部に接するまで延在する部分を有している。このように構成することで、光電陰極全体に電荷が供給される。加えて、光吸収層が電子を放出する面としての「電子放出面」が有する特性の均質化が図られる。従って、電極層が形成される前の状態で１ｋΩ／ｓｑ．以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても良好な感度特性を実現できる。特に、電極層が形成される前の状態で１０ｋΩ／ｓｑ．以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても高速でのゲート動作を実現できる。
【００１０】
また、電極層が、光吸収層の側部を介して、基板の一部に接するまで延在する部分を有していても良い。このように構成することで、光電陰極に対して、より均一に電荷を供給することができる。
【００１１】
また、複数の開口を含む前記パターンは、各開口が実質的に一定の間隔で設けられている部分を含むパターンであっても良い。このように構成することで、光電陰極に対して、より均一に電荷を供給することができる。
【００１２】
また、上記光電陰極は、光吸収層と基板との間に介在し、ＡｌＧａＡｓ系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広い窓層を更に備えてもよい。このように構成することで、光吸収層と基板との間の格子不整合を緩和することができる。また、光電子に対してＡｌＧａＡｓ系材料である窓層を障壁として作用させることができる。
【００１３】
また、上記光電陰極は、基板と窓層との間に介在する反射防止膜を更に備えてもよい。反射防止膜が介在することによって、光吸収層に入射する光について所望の波長の反射率が低減され、光電子を放出する効率を高めることができる。
【００１４】
また、上記光電陰極は、光吸収層を構成する化合物半導体が窒化物半導体としてもよい。このように構成することで、面抵抗が極めて高い窒化物半導体を光吸収層に用いることで、電極層が形成される前の状態で１ｋΩ／ｓｑ．以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、広いダイナミックを実現するとことができる。また、電極層が形成される前の状態で１０ｋΩ／ｓｑ．以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能な光電陰極を得ることができる。
【００１５】
また、光吸収層を構成する化合物半導体を窒化物半導体とした場合には、光吸収層と基板との間に介在し、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広いバッファ層を更に備えてもよい。このように構成することで、光吸収層と基板との間の格子不整合を緩和することができる。また、光電子に対してエネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広いバッファ層を障壁として作用させることができる。
【００１６】
また、本発明の電子管は、上記光電陰極と、上記光電陰極から放出された光電子を収集する陽極と、上記光電陰極及び陽極を収容する真空容器と、を備える。なお、上記電子管は、上記光電陰極と陽極との間に、パルス状の電圧を印加する電圧印加手段を更に備えてもよい。
【００１７】
本発明の電子管によれば、光電陰極において基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に電極層が形成される。従って、光電陰極に面抵抗の高い化合物半導体を用いた場合であっても光電陰極全体に電荷が供給されることで、光電陰極の感度特性が改善されて、高速でのゲート動作が可能となる。更に、光電子放出面が有する特性の均質化が図られることで、光電陰極に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光電陰極の基板から光吸収層に至る部位を同電位とするように、光電子放出面上に電極層が形成されることで、電子放出面の全体が有効に活用されて入射光が強い場合でも入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、高速でのゲート動作が可能な光電陰極及び電子管を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る光電陰極及び電子管について、添付の図面に基づき説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光電陰極１０の平面図であり、図２は図１におけるII-II線に沿った断面図である。
【００２１】
光電陰極１０は、基板１１と、反射防止膜１２と、窓層１３と、光吸収層１４と、電極層１５と、を備えている。光吸収層１４は、光の入射に応じて光電子を放出する光電子放出面１４Ｅを有している。また、この光電子放出面１４Ｅ側において、開口１５Ｈにより露出された光電子放出面１４Ｅと電極層１５との上には、活性層１６が形成されている。
【００２２】
基板１１は、光入射面を一面に有する板状部材である。また、光電陰極１０の入射窓となる部分であり、光吸収層１４を構成するＧａＡｓに近い熱膨張係数を有する材料（例えば、硼珪酸ガラス）からなる。基板１１の厚さは特に限定されないが、画像増強管などの電子管に本実施の形態に係る光電陰極を適用する場合には、基板１１は真空容器の一部となるので機械的強度が保たれる厚さとすればよい。
【００２３】
反射防止膜１２は、基板１１と窓層１３との間に介在し、第１反射防止層１２Ａと第２反射防止層１２Ｂとを備えている。反射防止層１２Ａ，１２Ｂは、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の材料からなり、所望の波長の反射率が最小となるように、それぞれの層に用いる材料が選択され、厚さが調整されている。
【００２４】
窓層１３は、光吸収層１４と基板１１との間に介在し、反射防止膜１２の第２反射防止層１２Ｂの面上に形成されている。この窓層１３は、ＡｌＧａＡｓ系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層１４よりも広くされている。この窓層１３に用いるＡｌＧａＡｓ系材料としては、組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（０＜ｘ≦１）にて表されるものを用いることができる。窓層１３の厚さは１０μｍ未満とすることが好ましく、３０ｎｍ以上５μｍ以下とすることがより好ましい。これは、厚さが３０ｎｍ未満の場合には、窓層１３が光電子に対して障壁として作用しなくなり、厚さが５μｍを超える場合には、窓層１３を形成するために行うエピタキシャル成長に要する成長時間の面から実用的でなくなるためである。また、窓層１３はｐ型にドーピングされていることが好ましい。
【００２５】
光吸収層１４は、基板１１の光入射面を通過した光ｈνに応じて光電子放出面１４Ｅから光電子を放出する化合物半導体層である。光吸収層１４は例えばＧａＡｓから構成され、ドーピング濃度（原子濃度）が１０１７ｃｍ−３以上１０２０ｃｍ−３以下となる範囲でｐ型にドーピングされている。なお、キャリア濃度は、１０１８以上３×１０１９ｃｍ−３以下の範囲とすることがより好ましい。また、光吸収層１４の厚さは０．５μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましく、１μｍ以上２．５μｍ以下とすることがより好ましい。この厚さは光吸収層１４の光電子の拡散長と光吸収率によって決定することができる。
【００２６】
電極層１５は、基板１１から光吸収層１４に至る部位を同電位とするように形成されている。具体的には、図１に示されるように、光電陰極１０の上面である光電子放出面１４Ｅ上において、電極層１５はストライプ状に形成され、光電子放出面１４Ｅの一部を露出する開口１５Ｈを有する形状とされている。換言すれば、光吸収層１４上に複数の開口１５Ｈを含むパターンを伴って形成されている。
【００２７】
また、図２に示されるように、電極層１５は、基板１１、反射防止膜１２、窓層１３及び光吸収層１４の側面を覆うように形成されている。換言すれば、光吸収層１４の側部を介して、基板１１の一部に接するまで延在する部分を有している。
【００２８】
電極層１５の材料としては、半導体層である光吸収層１４とオーミックな接触をとることができる材料を用いることが好ましい。ここでいうオーミックな接触とは、理想的なオーミックである必要はなく、オーミック的な接触と呼べるものであればよい。このような材料としては、タングステン、タンタル、クロミウム、チタニウムなどの高融点金属及びそれらのシリサイド、カーバイドなどの合金を好適に用いることができる。なお、光吸収層１４にＧａＡｓを用いた場合には、電極層１５の材料としては、クロミウムを用いることが好ましい。また、電極層１５の厚さは１０μｍ以下とすることが好ましく、３ｎｍ以上１μｍ以下とすることがより好ましい。上述のクロミウムを用いて蒸着とフォトリソグラフィーにより電極層１５を形成した際に、厚さが３ｎｍ未満の場合、形成された薄膜が電極として十分な導電性を有さなくなり、厚さが１０μｍを超える場合、蒸着速度の面から実用的でなくなる。
【００２９】
また、電極層１５の線幅は５０ｎｍ以上１００μｍ未満とすることが好ましく、１００ｎｍ以上１０μｍ未満とすることがより好ましい。間隔は５０ｎｍ以上１０００μｍ未満とすることが好ましく、１００ｎｍ以上２００μｍ未満とすることがより好ましい。このような範囲とすることで、電子線リソグラフィーなどの特別な装置を用いなくとも、一般的な光リソグラフィーで比較的再現性良く形成することができる。
【００３０】
活性層１６は、光電子の放出に必要な仕事関数を低下させるために形成される層であり、厚さは０．５単分子層程度である。この活性層１６の材料にはＣｓＯを用いることができるが、アルカリ金属としてはＣｓ以外にＫ、Ｒｂ、Ｎａなどを用いてもよく、Ｏの代わりにはＦなどを用いてもよい。
【００３１】
次に、第１実施形態に係る光電陰極の製造方法について説明する。なお、本実施形態に係る光電陰極は、特許文献３に記載されている透過型光電面と同様の方法で製造することができる。
【００３２】
まず、ＧａＡｓからなる半導体基板を用意する。つぎに、この上にエピタキシャル成長装置（図示せず）を用いてＡｌＧａＡｓからなるエッチングストップ層（図示せず）、ＧａＡｓからなる光吸収層１４、そしてＡｌＧａＡｓからなる窓層１３を順次堆積させ、ヘテロ構造を有した半導体多層膜を作製する。
【００３３】
半導体多層膜を作成した後、ＣＶＤ法を用いることにより、窓層１３上面に被検出光の波長に応じた膜厚で第２反射防止層１２Ｂ（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）と第１反射防止層１２Ａ（例えば、ＳｉＯ２）を順に堆積し、反射防止膜１２を形成する。
【００３４】
形成した反射防止膜１２は基板１１と熱圧着させる。このとき、基板１１の材料には、ＧａＡｓからなる光吸収層１４の熱膨張係数に比較的近く、かつ、反射防止膜１２の構成材料よりも転移温度の低い材料、例えば、コーニング社の７０５６ガラスを用いる。
【００３５】
基板１１を反射防止膜１２と熱圧着させた後、半導体基板に対してアンモニア系溶液を用いて選択的エッチングを行なうと、エッチング除去はエッチングストップ層が露出したときに自動的に停止する。
【００３６】
露出したエッチングストップ層に対して塩酸溶液を用いてエッチングを行なうと、エッチングは光吸収層１４において自動的に停止し、光吸収層１４の面が露出する。そして、所定のマスクを用いることによって、図１及び図２に示されるように、光吸収層１４の光電子放出面１４Ｅの一部を露出する開口１５Ｈを有する電極層１５としてクロミウムを蒸着させる。
【００３７】
最後に、電極層１５の開口１５Ｈによって露出された光吸収層１４の光電子放出面１４ＥにＣｓ及びＯ２を蒸着させる。これにより、図１及び図２に示される光電陰極１０が得られる。
【００３８】
以上に説明した第１実施形態に係る光電陰極１０によれば、基板１１から光吸収層１４に至る部位を同電位とするように、光電子放出面１４Ｅ上に電極層が形成される。このように構成することで、光電陰極１０の全体に電荷が供給されると共に、光電子放出面１４Ｅが有する特性の均質化が図られる。従って、電極層が形成される前の状態で１ｋΩ／ｓｑ．以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、光電子放出面１４Ｅの全体が有効に活用されることで強い入射光に対しても入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、感度特性が改善される。更に、電極層が形成される前の状態で１０ｋΩ／ｓｑ．以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能となる。また、光電子放出面１４Ｅが有する特性の均質化が図られることで、光電陰極１０に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。
【００３９】
また、光電陰極１０は、光吸収層１４と基板１１との間に介在し、ＡｌＧａＡｓ系材料から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広い窓層１３を備えている。このように構成することで、光吸収層１４と基板１１との間の格子不整合を緩和できるだけでなく、窓層１３を光電子に対して壁として作用させることができる。
【００４０】
また、光電陰極１０は、基板１１と窓層１３との間に反射防止膜１２が介在しているため、光吸収層１４に入射する光について所望の波長の反射率が低減され、光電子を放出する効率を高めることができる。
【００４１】
（第２実施形態）
図３は図１におけるII-II線に沿った第２実施形態に係る光電陰極２０の断面図である。なお、光電陰極２０の平面図は図１と同様の図となるため、図１において対応する要素に対応する符号を付すことで省略する。
【００４２】
光電陰極２０は、基板２１と、バッファ層２２と、光吸収層２３と、開口２４Ｈを有する電極層２４と、を備えている。光吸収層２３は、光の入射に応じて光電子を放出する光電子放出面２３Ｅを有している。また、この光電子放出面２３Ｅ側において、開口２４Ｈにより露出された光電子放出面２３Ｅと電極層２４との上には、活性層２５が形成されている。なお、本実施形態における窒化物半導体とは、III族元素としてＩｎ、Ｇａ、Ａｌのうち少なくとも１つ以上を含み、V族元素として少なくともＮを含む窒化物半導体またはそれらの混晶及びこれらの積層からなる半導体構造を意味する。
【００４３】
基板２１は、光入射面を一面に有する板状部材であり、被検出光の波長に対して透明で、且つ、良好な品質の窒化物半導体がエピタキシャル成長できる材料であればよい。このような材料としては、例えばサファイアがある。また、サファイア以外ではＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどの単結晶基板、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＬＧＯなどの酸化物基板などを用いることができる。また、基板２１の材料は、これらの材料を組み合わせたものでも構わない。
【００４４】
バッファ層２２は、基板２１と光吸収層２３との間に介在し、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層２３よりも広くされている。このバッファ層２２は光吸収層２３との間の格子不整合を緩和するための層であるので、必ずしも単層である必要はなく多膜層でも構わない。また、膜厚も特に制限されず、形状は平坦であっても、凹凸構造を有していてもよい。
【００４５】
光吸収層２３は、窒化物半導体から構成されると共に、基板２１の光入射面を通過した光ｈνに応じて光電子放出面２３Ｅから光電子を放出する。光吸収層２３に用いる窒化物半導体は、例えば、（Ａｌ）ＧａＮを用いることができるが、被検出光の波長に応じて、所望の組成（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）Ｎ混晶を選択するとよい。また、光吸収層２３の膜厚は、光電子の拡散長程度として、例えば１００ｎｍとすることができるが、拡散長は光吸収層の結晶性によって左右されるため、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲で選択するとよい。また、光吸収層２３はｐ型にドーピングすることが好ましく、そのドーピング濃度（原子濃度）は１０１７ｃｍ−３以上１０２０ｃｍ−３以下の範囲が好適である。
【００４６】
電極層２４は、基板２１から光吸収層２３に至る部位を同電位とするように形成されている。具体的には、図１に示されるように、光電陰極２０の光電子放出面２３Ｅ上において、電極層２４はストライプ状に形成され、光電子放出面２３Ｅの一部を露出する開口２４Ｈを有する形状とされている。本実施形態では、図３に示されるように、電極層２４は第１実施形態のように光電陰極の側面全体を覆うようには形成されておらず、基板２１については、側面に電極層を形成せずに、バッファ層２２及び光吸収層２３の幅よりも広くされた部分の端面にのみ電極層２４を形成している。
【００４７】
電極層２４の形状は、例えば、厚さ５００ｎｍ、線幅２μｍ、間隔１００μｍとすることができる。なお、電極層２４の形状は特に限定されるものではないが、厚さが薄すぎると電極の抵抗が高くなり、厚すぎると剥がれやすくなる。また、線幅は太すぎると光電子放出面２３Ｅの表面積に対する開口２４Ｈの表面積の割合（開口率）が低下し光電子を十分に放出できなくなるが、細すぎると断線する恐れがある。間隔は窒化物半導体層の抵抗率に依存するが、広すぎると光電子放出面２３Ｅの全体を有効に活用することができなくなり、高ダイナミックレンジの実現と高速ゲート動作ができなくなり、狭すぎると開口率が低下し光電子を十分に放出できなくなる。
【００４８】
電極層２４の厚さは１０μｍ以下とすることが好ましく、３ｎｍ以上１μｍ以下とすることがより好ましい。線幅は５０ｎｍ以上１００μｍ未満とすることが好ましく、１００ｎｍ以上１０μｍ未満とすることがより好ましい。間隔は５０ｎｍ以上１０００μｍ未満とすることが好ましく、１００ｎｍ以上２００μｍ未満とすることがより好ましい。このような範囲とすることで、電子線リソグラフィーなどの特別な装置を用いなくとも、一般的な光リソグラフィーと蒸着で比較的再現性良く形成することができる。
【００４９】
電極層２４の材料としては、第１実施形態と同様に、半導体層である光吸収層２３とオーミックな接触をとることができる材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えばＣｒを用いることができるが、抵抗の低い材料であれば特に限定されない。ただし、Ｃｓなどのアルカリ金属と反応しにくい材料を選択することが好ましい。
【００５０】
また、光吸収層２３が窒化物半導体である場合はタングステン、タンタルなどの高融点金属、あるいはそれらのシリサイド、カーバイドなどの合金が好適である。窒化物半導体から構成される光電陰極の場合、後述するように活性層２５を形成する前の表面清浄化の工程でＧａＡｓ等から構成される光電陰極よりも高い温度が要求されるためである。
【００５１】
活性層２５は、第１実施形態の活性層１６と同様に、光電子の放出に必要な仕事関数を低下させるために形成される層であり、第１実施形態と同様の材料を選択することができる。
【００５２】
引き続き、第２実施形態に係る光電陰極の製造方法について、基板２１にサファイア、電極層２４にタングステン（Ｗ）を用いた場合を説明する。
【００５３】
まず、サファイアからなる基板２１を用意し、この上にエピタキシャル成長装置（図示せず）を用いて、バッファ層２２及び光吸収層２３を順次堆積させる。次に、光吸収層２３の光電子放出面２３Ｅと、バッファ層２２及び光吸収層２３の側面と、基板２１の端面とにＷを蒸着する。
【００５４】
次に、光電子放出面２３Ｅ上に形成されたＷの表面にフォトレジストを塗布し所定の熱処理を施した後、ストライプ状（上記の例であれば、線幅２μｍ、間隔１００μｍ）のフォトマスクを用いて露光及び現像を行う。エッチングによりＷを所定の形状に加工し、その後、フォトレジストを除去することで光吸収層２３の光電子放出面２３Ｅ上に所定の形状を有する電極層２４を形成する。最後に、電極層２４の開口２４Ｈによって露出された光吸収層２３の光電子放出面２３Ｅと、光電子放出面２３Ｅに形成されている電極層２４にＣｓ及びＯ２を蒸着させる。このように活性層２５を形成することで光電子放出面２３Ｅの表面における仕事関数を低下させる。これにより、図３に示される光電陰極２０が得られる。
【００５５】
以上に説明した第２実施形態に係る光電陰極２０によれば、基板２１から光吸収層２３に至る部位を同電位とするように、光電子放出面２３Ｅ上に電極層２４が形成される。このように構成することで、光電陰極１０の全体に電荷が供給されると共に、光電子放出面２３Ｅが有する特性の均質化が図られる。従って、光吸収層２３に光電陰極の面抵抗を高くする要因となる窒化物半導体が用いられることで、電極層が形成される前の状態で１ｋΩ／ｓｑ．以上という高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、光電子放出面２３Ｅの全体が有効に活用されることで強い入射光に対しても入射光強度に応じた光電子を放出できるようになり、感度特性が改善される。更に、光吸収層２３に窒化物半導体が用いられることで、電極層が形成される前の状態で１０ｋΩ／ｓｑ．以上という極めて高い面抵抗値を有する光電陰極であっても、高速でのゲート動作が可能となる。また、光電子放出面２３Ｅが有する特性の均質化が図られることで、光電陰極２０に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。
【００５６】
また、光吸収層２３と基板２１との間に、窒化物半導体から構成されると共に、エネルギーバンドギャップが光吸収層２３よりも広いバッファ層２２が介在しているため、光吸収層と基板との間の格子不整合を緩和することができる。また、光電子に対してエネルギーバンドギャップが光吸収層よりも広いバッファ層を障壁として作用させることができる。
【００５７】
（画像増強管）
次に、上述の実施形態に記載の光電陰極が適用される電子管として、画像増強管について説明する。
【００５８】
図４は、上記光電陰極として第１の実施形態に係る光電陰極２０を備える画像増強管１００の断面模式図である。画像増強管１００は、光電陰極２０と、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）１０１と、蛍光体１０２と、ガラスプレート１０３と、を備え、各構成要素は、真空容器１１０に収容されている。また、光電陰極２０、ＭＣＰ１０１及び蛍光体１０２には、所望の電位を与えるための複数の電極１２１，１２２，１２３，１２４が設けられており、光電陰極２０と真空容器１１０とは、Ｉｎ等からなるシール部１０４でシールされている。
【００５９】
この画像増強管１００は次の手順により作製される。まず、真空装置（図示せず）の中に、光電陰極１０と共に、ＭＣＰ１０１、蛍光体１０２及び電極１２１，１２２，１２３，１２４を取付けた真空容器１１０の側管部を設置する。真空装置の中に設置された光電陰極２０は、排気後８００℃程度に加熱されて、表面清浄化処理が施される。なお、この時点では、光電陰極２０において、活性層２５は形成されていないが、表面清浄化処理を施した後、真空装置を室温まで降温させて、ＣｓとＯ２を導入することで、光電陰極２０の表面に活性層２５が形成される。そして、真空装置内には、あらかじめ設置したしておいた真空容器１１０の側管部に光電陰極２０を取付けて、シール部１０４にてＩｎでシールすることにより画像増強管１００が作製される。
【００６０】
続いて、画像増強管１００の動作を図３及び図４を用いて説明する。被検出光ｈνが画像増強管１００の入射窓となる光電陰極２０の基板２１に入射すると、被検出光ｈνは基板２１、バッファ層２２を透過して光吸収層２３で吸収されて光電子が励起される。励起された光電子は、光吸収層２３内で拡散した後、電極層２４の開口２４Ｈによって露出された光吸収層２３の光電子放出面２３Ｅから活性層２５を経て真空中へ放出される。真空中へ放出された光電子は蛍光体１０２に入射し発光する。蛍光体１０２からの発光はガラスプレート１０３を通して画像増強管１００の外部に取り出される。
【００６１】
なお、図４では、光電陰極として第２実施形態に係る光電陰極２０を適用した場合を示したが、光電陰極２０の代わりに第１実施形態に係る光電陰極１０を適用してもよい。
【００６２】
画像増強管では、画像のサンプリングを行うために、画像増強管内部にある電極の電位を変化させることで電極に対して短いパルス状の電圧を印加させるゲート動作を行う。次に、画像増強管をゲート動作させるための構成及び動作について説明する。
【００６３】
図５は、陽極との間にパルス状の電圧を印加する電圧印加回路（電圧印加手段）の構成を示す模式図である。図５に示される電圧印加回路１５０は、電源部１５１と、スイッチ１５２と、電流計１５３と、制御部１５４と、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、を備え、図４に示される画像増強管１００の電極と電気的に接続される。図５において示されるＶＫ，Ｖ−，Ｖ＋，ＶＡは各部の電位を示し、図４においてＶＫ，Ｖ−，Ｖ＋，ＶＡが付されている電極１２１，１２２，１２３，１２４とそれぞれ接続されて、回路の電流は電流計１５３により計測される。
【００６４】
この電圧印加回路１５０に対して、外部より制御部１５４に動作トリガー（図５において、外部より制御部１５４に向けられた矢印）が入力されると、スイッチ１５２がオンになると共に、電源部１５１が動作して画像増強管１００の電極１２１，１２２，１２３，１２４に対して、それぞれＶＫ，Ｖ−，Ｖ＋，ＶＡの電位が加えられる。このとき、電源部１５１は、光電陰極２０に対してパルス状の電圧を印加することで、光電陰極２０とＭＣＰ１０１との間の電位を変化させる。そして、光電陰極２０の電位よりＭＣＰ１０１の電位が高い場合には、ゲート動作がオンの状態となり、光電陰極２０で変換された光電子像は電位の高いＭＣＰ１０１へ引き寄せられ、増倍された後、蛍光体１０２へと導かれ光学像として出力される。一方、光電陰極２０の電位よりＭＣＰ１０１の電位が低い場合には、ゲート動作がオフの状態となり、光電陰極２０で変換された光電子像は電位の低いＭＣＰ１０１から反発され、遮断される。
【００６５】
なお、ここでは画像増強管に対して行うゲート動作を例として説明したが、光電子増倍管などの電子管についても同様の電圧印加回路を用いてゲート動作をさせることができる。
【００６６】
（光電子増倍管）
次に、上述の実施形態に記載の光電陰極が適用される電子管として、光電子増倍管について説明する。
【００６７】
図６は、上記光電陰極として第１の実施形態に係る光電陰極１０を備える光電子増倍管２００の断面模式図である。光電子増倍管２００は、光電陰極１０と、電子増倍部２０１と、読み出し電極（陽極）２０２とを備えており、各構成要素は金属からなる真空容器２１０に収容されている。更に、電子増倍部２０１及び真空容器２１０には、所望の電位を与えるための複数の電極２２２，２２３，２２４が設けられている。また、この光電子増倍管２００についても上述の画像増強管１００の場合と同様に、図５に示される電圧印加回路１５０に光電子増倍管２００を取付け、パルス状の電圧を印加することで、光電子増倍管２００をゲート動作させることができる。
【００６８】
なお、図６では、光電陰極として第１実施形態に係る光電陰極１０を適用した場合を示したが、光電陰極１０の代わりに第２実施形態に係る光電陰極２０を適用してもよい。
【００６９】
ここまで、電子管の例として画像増強管と光電子増倍管を説明したが、本発明の光電陰極を適用した電子管はこれらに限られるものではない。具体的には、電子増倍部を含まない、いわゆる２極管タイプのものや、一般的な光電子増倍管のように２次電子増倍部を備えるポイントセンサなどにも本発明の光電陰極を適用することが可能である。また、陽極にフォトダイオードあるいは電荷結合素子（ＣＣＤ）などを用い高電圧を印加して光電子を加速して打ち込む、いわゆる電子打ち込み型の電子管にも適用できる。
【００７０】
以上に説明した画像増幅管１００及び光電子増倍管２００といった電子管は第１若しくは第２実施形態に係る光電陰極１０，２０を備えており、光電陰極１０，２０において基板１１，２１から光吸収層１４，２３に至る部位を同電位とするように、光電子放出面１４Ｅ，２３Ｅ上に電極層１５，２４が形成されている。このように構成することで、第１若しくは第２実施形態に係る光電陰極の場合と同様に、光吸収層１４，２３に面抵抗が高い化合物半導体を用いた場合であっても、光電陰極の感度特性が改善されて、高速でのゲート動作が可能となる。更に、光電子放出面１４Ｅ，２３Ｅが有する特性の均質化が図られることで、光電陰極１０，２０に高電圧が印加された際の立ち上がりが改善されるため、広いダイナミックレンジが実現される。
【００７１】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である
【００７２】
例えば、光電陰極の光吸収層を構成する化合物半導体としては、次の特徴を有する材料を選択することができる。
・ＧａＡｓ（第１実施形態）：紫外から波長９００ｎｍ付近までの感度を有する。通常の微弱光検出では問題がないが、高速ゲート動作では、有効径が大きい場合には中心部での感度低下、ダイナミックレンジの低下が生じる。
・ＧａＡｓＰ：波長５００−６００ｎｍ付近でＧａＡｓよりも高い感度を有する。ＧａＡｓと同様に高速ゲート動作では、有効径が大きい場合には中心部での感度低下、ダイナミックレンジの低下が生じる。
・ＩｎＧａＡｓ：ＧａＡｓよりも長波長側に感度を有する。ＧａＡｓと同様に高速ゲート動作では、有効径が大きい場合には中心部での感度低下、ダイナミックレンジの低下が生じる。
・（Ａｌ）ＧａＮ（第２実施形態）：紫外領域に高感度を有する。ｐ型にドーピングされるが抵抗率がＧａＡｓ等の場合に比較して桁違いに高い。そのため、高速ゲート動作はもちろん通常の微弱光検出でもダイナミックレンジが狭いことが問題となるため、本発明が好適に適用される。Ａｌ組成を増加させることにより、可視光をカットしいわゆるソーラーブラインド特性が得られるが、その場合には光電陰極の抵抗率は更に高くなる。
・その他：半導体結晶にアルカリ金属化合物を塗布して仕事関数を低下させた、いわゆる負の電子親和力光電陰極（ＮＥＡ光電陰極）に対しても本発明を適用することができる。
【００７３】
また、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る光電陰極では、光電陰極の光電子放出面上において電極層がストライプ状に形成された場合を説明したが、当該電極層の形状はこれに限定されない。すなわち、光電子放出面上において電極層がストライプ状に形成されていなくとも、光吸収層上に複数の開口を含むパターンを伴って形成してもよい。また、複数の開口を含むパターンとしては、各開口が実質的に一定の間隔で設けられている部分を含むパターンとすることができる。なお、ここで「実質的に一定の間隔」とは、電極層の形成における形状上の制約や寸法精度に起因して一定の間隔ではない部分が生じる状態を含む。このような状態としては、例えば、光電子放出面の縁部近傍に形成される開口の形状が、光電子放出面の中央部に形成される開口の形状と異なるために、一定の間隔ではない部分を生じる場合がある。
【００７４】
形成される電極層の形状をストライプ状以外とする場合、例えば、図７に示されるように、メッシュ状に電極層１５が形成されている部分を有していてもよい。なお、図７は、図１に対応する光電陰極の平面図であり、重複する説明は省略する。図１と異なる部分は、電極１５Ｈ（２４Ｈ）のパターン形状であり、電極１５Ｈ（２４Ｈ）は、メッシュ状のパターンを伴って、光吸収層上に形成されている。この場合も、ストライプ状の場合と同様に、光電子放出面が実質的に一定の間隔で露出している。
【００７５】
つまり、電極１５Ｈ（２４Ｈ）のパターン形状は、メッシュ状、スパイラル状、光電子放出面の外端部内方に複数の矩形が形成された形状のいずれでもよい。また、光電子放出面上における電極層間で形成される開口の幅（図１では、開口１５Ｈ（２４Ｈ）の幅）は、面抵抗や要求されるゲート速度に応じて定めればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電陰極の平面図である。
【図２】図１におけるII-II線に沿った光電陰極の断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光電陰極の断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光電陰極が適用された画像増強管の断面模式図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電子管をゲート動作させるための電圧印加回路（電圧印加手段）の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る光電陰極が適用された光電子増倍管の断面模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る光電陰極の他の平面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０，２０…光電陰極、１１，２１…基板、１２…反射防止膜、１２Ａ，１２Ｂ…反射防止層、１３…窓層、１４，２３…光吸収層、１４Ｅ，２３Ｅ…光電子放出面、１５，２４…電極層、１５Ｈ，２４Ｈ…開口、１６，２５…活性層、２２…バッファ層、１００…画像増強管（電子管）、１０１…マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、１０２…蛍光体、１０３…ガラスプレート、１０４…シール部、１１０…真空容器、１２１，１２２，１２３，１２４，２２２，２２３，２２４…電極、１５０…電圧印加回路（電圧印加手段）、１５１…電源部、１５２…スイッチ、１５３…電流計、１５４…制御部、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗、２００…光電子増倍管（電子管）、２０１…電子増倍部、２０２…読み出し電極（陽極）、２１０…真空容器。
【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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