(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板との間に介在するバッファ層上に設けられ入射した光を電子に変換する半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層上に設けられ前記電子を真空中に放出させるためのアルカリ金属含有層とを備える半導体光電陰極において、前記半導体光吸収層はＧａＮ系化合物半導体からなり、前記バッファ層は前記半導体光吸収層と前記バッファ層との間に０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を有するような比率でＧａＮにＡｌ又はＩｎを含有してなる化合物半導体からなり、前記バッファ層の不純物濃度は前記半導体光吸収層の不純物濃度よりも１０倍以上高いことを特徴とする半導体光電陰極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を電子に変換して出力する半導体光電陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体光電陰極は、例えば、特開昭６２−１３３６３３号公報に記載されている。この半導体光電陰極は化合物半導体からなり、入射した光を電子に変換して出力する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その量子効率は未だ十分ではなく、更なる改善が求められている。量子効率は、光の入射に応答して半導体光吸収層内で発生した電子が真空中に放出される度合に比例する。光吸収層内で発生した電子は発生した場所から等方的に拡散するが、その１／２は光電陰極の表面とは反対の方向に向かい、光吸収層から光電陰極の表面に到達可能な電子の割合が低下し、量子効率が低下する。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、量子効率を増加可能な半導体光電陰極を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体光電陰極は、基板との間に介在するバッファ層上に設けられ入射した光を電子に変換する半導体光吸収層と、半導体光吸収層上に設けられ電子を真空中に放出させるためのアルカリ金属含有層とを備える半導体光電陰極において、半導体光吸収層はＧａＮ系化合物半導体からなり、バッファ層は半導体光吸収層とバッファ層との間に０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を有するような比率でＧａＮにＡｌ又はＩｎを含有してなる化合物半導体からなり、バッファ層の不純物濃度は半導体光吸収層の不純物濃度よりも１０倍以上高いことを特徴とする。
【０００５】
本発明の半導体光電陰極によれば、ＧａＮ系化合物半導体からなる良質な結晶状態の半導体光吸収層を形成するために、基板との間にＧａＮにＡｌ又はＩｎを含有してなる化合物半導体からなるバッファ層を介在させる。このバッファ層中のＡｌ及びＩｎの比率は、半導体光吸収層を構成するＧａＮ系化合物半導体に対して０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を構成するように設定されている。したがって、本発明の半導体光電陰極によれば、このようなバッファ層を用いることにより、半導体光吸収層の結晶性を改善し、半導体光吸収層内で発生したキャリアの寿命を増加させると共に、基板側へ拡散するキャリアを０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁によって十分に阻止することができるので、半導体光吸収層から光電陰極の表面に到達可能なキャリアの割合を相乗効果的に増加させ、量子効率を増加させることができる。
【０００６】
また、バッファ層の不純物濃度は半導体光吸収層の不純物濃度よりも１０倍以上高いので、フェルミレベルの差異に基づくエネルギー障壁を発生させることができる。なお、アルカリ金属含有層は、半導体光吸収層上に設けられ電子を真空中に放出させるためのものであり、好ましくはアルカリ金属であるＫ、Ｒｂ及びＣｓの少なくともいずれか１種若しくはそれらの酸化物を含む。
【０００７】
【発明の実施の形態】
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。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【０００８】
図１は実施の形態に係る半導体光電陰極の断面図である。本半導体光電陰極は、基板１、基板１上のバッファ層２、バッファ層２上の半導体光吸収層３、半導体光吸収層３上に形成されたアルカリ金属含有層５を備えている。
【０００９】
光吸収層３内に光が入射すると、光の入射に応答して層３内で正孔／電子対が発生する。電子は層３内を拡散しアルカリ金属含有層５方向に向かう。アルカリ金属含有層５は光吸収層３の表面仕事関数を低下させ、発生した電子を容易に真空中へ放出させる。放出された電子は光電陰極外部に設けられた陽極１０１（図３参照）で収集される。
【００１０】
本実施の形態に係る半導体光電陰極によれば、ＧａＮ系化合物半導体からなる良質な結晶状態の半導体光吸収層３を形成するために、基板１との間にＧａＮにＡｌを含有してなる化合物半導体からなるバッファ層２が介在している。ＧａＮ系化合物半導体としては、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、及びＧａＩｎＮがあげられる。バッファ層２中のＡｌの比率は、半導体光吸収層３を構成するＧａＮ系化合物半導体に対して０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を構成するように設定されている。この半導体光電陰極によれば、このようなバッファ層２を用いることにより、半導体光吸収層３の結晶性を改善し、半導体光吸収層３内で発生したキャリアの寿命を増加させると共に、基板１側へ拡散するキャリアを０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁によって十分に阻止することができるので、半導体光吸収層３から光電陰極の表面に到達可能なキャリアの割合を相乗効果的に増加させ、量子効率を増加させることができる。詳説すれば、バッファ層２は、Ｇａ(1-X)ＡｌXＮからなる。Ｘはモル重量％で規定されるＡｌの組成比を示す。なお、バッファ層２は組成が厚み方向に徐々に変化したものでもよく、この場合にはエネルギー障壁差の最低値が０．３ｅＶ以上を構成すればよい。
【００１１】
図２は、バッファ層２中のＡｌの組成比Ｘに対するバッファ層２のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）及びこのエネルギーバンドギャップから換算される波長（ｎｍ）の関係を示すグラフである。上述のように、バッファ層２と半導体光吸収層３との間のエネルギー障壁を０．３ｅＶ以上に設定すると、基板１側に拡散する電子の確率は指数関数的に減少し、十分にこれを阻止することができる。
【００１２】
（例１）
ＧａＮのエネルギーバンドギャップは３．４ｅＶであるので、半導体光吸収層３がＧａＮからなる場合には、バッファ層２を構成するＧａＡｌＮのエネルギーバンドギャップは３．７ｅＶ以上に設定すればよい。この時、Ａｌの組成比Ｘは、１０％以上となる。
【００１３】
（例２）
半導体光吸収層３が例えばＧａ(1-X)ＡｌXＮ（Ｘ＝３０％）からなる場合には、このエネルギーバンドギャップは４．３ｅＶであるので、バッファ層２を構成するＧａＡｌＮのエネルギーバンドギャップは４．６ｅＶ以上に設定すればよい。この時、バッファ層２中のＡｌの組成比Ｘは、４０％以上となる。
【００１４】
なお、バッファ層２は、Ａｌの代わりにＩｎを含有することとしてもよく、この場合には、バッファ層２中のＩｎの比率は、半導体光吸収層３を構成するＧａＮ系化合物に対して０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を構成するように設定される。
【００１５】
（例３）
半導体光吸収層３が例えばＧａ(1-X)ＩｎXＮ（Ｘ＝５０％）からなる場合には、このエネルギーバンドギャップは２．６ｅＶであるので、バッファ層２を構成するＧａＩｎＮのエネルギーバンドギャップは２．９ｅＶ以上に設定すればよい。この時、バッファ層２中のＩｎの組成比Ｘは、４０％以下となる。
【００１６】
（例４）
半導体光吸収層３が例えばＧａ(1-X)ＩｎXＮ（Ｘ＝３０％）からなる場合には、このエネルギーバンドギャップは２．９ｅＶであるので、バッファ層２を構成するＧａＩｎＮのエネルギーバンドギャップは３．２ｅＶ以上に設定すればよい。この時、バッファ層２中のＩｎの組成比Ｘは、２０％以下となる。
【００１７】
なお、上記バッファ層２及び半導体光吸収層３は共にｐ型である。また、バッファ層２の不純物濃度は半導体光吸収層３の不純物濃度よりも１０倍以上高く設定されている。この場合においても、フェルミレベルの差異に基づくエネルギー障壁（約０．３〜０．４ｅＶ）を発生させることができる。したがって、上記組成差を有する構造とこの濃度差を組み合わせることにより、約０．４〜０．５ｅＶのエネルギー障壁をバッファ層２と半導体光吸収層３との間に設けることができる。なお、ｐ型のドーパントとしてはＭｇやＺｎを用いることができる。
【００１８】
以上、説明したように、このバッファ層２中のＡｌ又はＩｎの比率は、半導体光吸収層３を構成するＧａＮ系化合物に対してＥｇ＝０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を構成するように設定されている。但し、バッファ層２と半導体光吸収層３との間の格子定数差を０．３％以内とするようにすると、バッファ層２にＡｌを用いた場合には全てのＡｌ組成をとることができ、バッファ層２にＩｎを用いた場合には、半導体光吸収層３とバッファ層２との間のＩｎの含有率Ｘの差が１０％以内であることが望ましい。
【００１９】
以下、これらの材料について詳説する。基板１としてサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、バッファ層２としてｐ型ＧａＡｌＮ（厚さ数１０〜１００μｍ、不純物濃度ＮAは深さ方向に一様であってＮA＝１×１０16〜１０19／ｃｍ3）、半導体光吸収層３としてｐ型ＧａＮ（電子拡散長以上であって厚さ数１０ｎｍ〜数μｍ、不純物濃度ＮA’は深さ方向に一様であって、ＮA’≦ＮA×１０％）、アルカリ金属含有層５としてＣｓ−Ｏを用いる。また、アルカリ金属含有層５は、アルカリ金属であるＫ、Ｒｂ及びＣｓの少なくともいずれか１種若しくはそれらの酸化物を含むものであって、アルカリ金属含有層５としてＣｓ−Ｏの代わりにＣｓ−Ｉ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｃｓ−Ｓｂ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ又はＳｂ−Ｋ−Ｃｓ等を用いることもできる。
【００２０】
上記半導体層２，３の形成方法としては、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成長）法を用いる。半導体層を形成する場合には、これらの形成方法を用いることとし、原料はＧａＮ層を形成する場合にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びアンモニアガスを用い、ＡｌＮ層を形成する場合にはＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）及びアンモニアガスを用い、ＧａＡｌＮを形成する場合は、ＴＭＧ、ＴＭＡｌ及びアンモニアガスを用いる。ＧａとＡｌ組成を変化させる場合には、ＴＭＧとＴＭＡｌの混合比を所望の組成に併せて可変する。半導体層の厚み方向に濃度分布を有するようにｐ型不純物を添加する場合、半導体層の成長中にｐ型不純物量を可変しながらｐ型不純物を層内に添加する。半導体層の厚み方向に均一なｐ型不純物濃度分布を形成する場合、半導体層の成長中にｐ型不純物を一定割合で層内に添加する。ｐ型ドーパントのソースとしてはＴＥＭｇ（トリエチルマグネシウム）を用いることができる。
【００２１】
最後に、上記半導体光電陰極１００ａを用いた光電管１０について説明する。
【００２２】
図３は、光電管１０の斜視図である。光電管１０は、真空容器１０２を備えている。真空容器１０２は、中空円柱状のガラス製容器であり、圧力約１０-8Ｔｏｒｒの高真空に内部を保持している。
【００２３】
光電管１０は、真空容器１０２の内部に対向配置された陰極１００と陽極１０１とを備えている。陰極１００は、半導体光電陰極１００ａ及びこれに固定された支持板１００ｂからなる。支持板１００ｂの表面は真空容器１０２の管軸方向に対して平行に配置されており、支持板１００ｂの露出表面側は真空容器１０２の側壁に直接対向している。
【００２４】
陰極１００は、管軸方向に直交して延びた平板状の金属製支持台１０５及びこれに固定されたリードピン１０３によって管軸方向に支持されている。なお、支持板１００ｂ及び支持台１０５はＭｏ等の金属から形成されている。リードピン１０３は、陰極１００の底部から延びて真空容器１０２の底部を貫通し、外部電源のカソード出力端子に接続されており、半導体光電陰極１００ａ及び支持板１００ｂに陽極１０１の電位よりも低い電位を与えている。
【００２５】
陽極１０１は、半導体光電陰極１００ａのアルカリ金属含有層側に対向して配置されている。陽極１０１は、矩形枠状に成形された金属製電極であり、金属製のリードピン１０４によって支持されている。リードピン１０４は、陽極１０１の底部から延びて真空容器１０２の底部を貫通し、外部電流計を介して外部電源のアノード出力端子に接続されており、陽極１０１には陰極１００の電位よりも高い電位が与えられる。なお、リードピン１０３，１０４はコバール金属から形成されている。
【００２６】
外部電源からリードピン１０３，１０４を介して陰極１００と陽極１０１との間に上記電圧を印加すると、陽極１０１から陰極１００向かう電界が発生する。真空容器１０２を透過した光が半導体光電陰極１００ａの内部に入射すると、これに応じて発生した電子は前述のようにして真空中に放出される。放出された電子は、陽極１０１と陰極１００との間の電界によって加速されて飛行し、陽極１０１に収集され、外部電流計よって検出される。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る半導体光電陰極によれば、半導体光吸収層とバッファ層との間に０．３ｅＶ以上のエネルギー障壁を有するような比率でＧａＮにＡｌ又はＩｎを含有させてバッファ層の材料とするので、その量子効率を増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る半導体光電陰極の断面図。
【図２】バッファ層２中のＡｌの組成比Ｘに対するバッファ層２のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）及びこのエネルギーバンドギャップから換算される波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ。
【図３】バッファ層２中のＩｎの組成比Ｘに対するバッファ層２のエネルギーバンドギャップ（ｅＶ）及びこのエネルギーバンドギャップから換算される波長（ｎｍ）の関係を示すグラフ。
【図４】光電管の斜視図。
【符号の説明】
２・・・バッファ層、３・・・半導体光吸収層、５・・・アルカリ金属含有層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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