(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、多結晶膜であると共に、その膜厚が、３乃至１０μｍであり、原子濃度が１０１６乃至１０１８／ｃｍ３の範囲でドーパントである硼素をドープしていることを特徴とする反射型光電陰極。
【請求項２】
半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、表面の５０％以上を（１００）面で形成され、その膜厚が、３乃至２０μｍであり、原子濃度が１０１６乃至１０１８／ｃｍ３の範囲でドーパントである硼素をドープしていることを特徴とする反射型光電陰極。
【請求項３】
半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、表面の５０％以上を（１１１）面で形成され、その膜厚が、１０乃至４０μｍであり、原子濃度が１０１８乃至１０２１／ｃｍ３の範囲でドーパントである硼素をドープしていることを特徴とする反射型光電陰極。
【請求項４】
半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、前記基板上の局所的に又は全面にヘテロエピタキシャル成長により表面が（１００）面となるように形成され、その膜厚が、１０乃至４０μｍであり、原子濃度が１０１９乃至１０２２／ｃｍ３の範囲でドーパントである窒素をドープしていることを特徴とする反射型光電陰極。
【請求項５】
半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、前記基板上の局所的に又は全面にヘテロエピタキシャル成長により表面が（１１１）面となるように形成され、その膜厚が、１０乃至４０μｍであり、原子濃度が１０１８乃至１０２１／ｃｍ３の範囲でドーパントである燐をドープしていることを特徴とする反射型光電陰極。
【請求項６】
前記基板は、炭化珪素（１００）単結晶、白金（１００）単結晶、イリジウム（１００）単結晶からなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項４に記載の反射型光電陰極。
【請求項７】
前記基板は、炭化珪素（１１１）単結晶、白金（１１１）単結晶、イリジウム（１１１）単結晶からなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項５に記載の反射型光電陰極。
【請求項８】
前記ダイヤモンド膜は、表面に角錐状の突起が集合した結晶面を有することを特徴とする請求項１に記載の反射型光電陰極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子倍増管又は光電管等に使用される光電陰極に関し、特に、波長が２５０μｍ以下の光に対する感度、耐熱性及び化学安定性が優れるダイヤモンドを被覆して形成される受光部を有する反射型光電陰極及び透過型光電陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電子倍増管等の光電陰極の受光部には、表面をセシウムで覆った半導体等が一般によく用いられている。しかし、大気中で劣化が進行するため、用途が真空中又は希ガス雰囲気に限定される等の取り扱いが難しい面がある。これに対して、ダイヤモンド又はアモルファスカーボン等の炭素材料は電気親和力が小さい上に化学的安定性に優れているため、より用途範囲の広い光電陰極用材料として期待されている。
【０００３】
例えば、ダイヤモンドが負の電気親和力を示し、光励起された電子がその表面から容易に放出されることはよく知られている（F.J.Himpsel,J.A.Knapp,J.A.Van  Vechten  and  D.E.Eastman,Phys.Rev.B,Vol.20,pp.624-627(1979).）。また、その後の研究により（１１１）面のみならず（１００）面も負の電気親和力を有すること（J.van  der  Weide,Z.Zhang,P.K.  Baumann,M.G.Wensell,J.  Bernholc,  and  R.J.Nemanichi, Phys.Rev.B,Vol.50,pp.5803-5806(1994).）、ダイヤモンド表面は水素終端されている方が電子放出効率が高いこと（N.Eimori,Y.mori,A.Hatta,T.Ito,  and  A.Hiraki,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33,pp.6312-6315(1994).）及び金属又は金属酸化物を微量に蒸着されることで電子放出効率が増大すること（C.Bandis,D.Haggerty,and  B.B.Pate,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.339,pp.75-80(1994).）等が公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の知見はすべて実験室レベルでの試作実験に留まっており、実際に光電倍増管として実用に耐え得ることを示したものではない。
【０００５】
実用化に際しては、量子効率、長期安定性又は耐久性が重要なファクターである。量子効率の向上にはダイヤモンドの結晶性、膜厚、不純物のドーピング濃度の制御が重要であるが、これらのパラメータは互いに影響し合うため、現実にはシステマチックな実験と試作に基づいた最適なパラメータの組み合わせによって初めて実用的な光電陰極を形成できるという問題点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、優れた量子効率、長期安定性及び耐久性を有するダイヤモンドで形成された受光部を有する反射型光電陰極並びに透過型光電陰極を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係る反射型光電陰極は、半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、多結晶膜であると共に、その膜厚が、３乃至１０μｍであり、原子濃度が１０１６乃至１０１８／ｃｍ３の範囲でドーパントである硼素をドープしていることを特徴とする。
【０００８】
また、本願第２発明に係る反射型光電陰極は、半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、表面の５０％以上を（１００）面で形成され、その膜厚が、３乃至２０μｍであり、原子濃度が１０１６乃至１０１８／ｃｍ３の範囲でドーパントである硼素をドープしていることを特徴とする。
【０００９】
更に、本願第３発明に係る反射型光電陰極は、半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、表面の５０％以上を（１１１）面で形成され、その膜厚が、１０乃至４０μｍであり、原子濃度が１０１８乃至１０２１／ｃｍ３の範囲でドーパントである硼素をドープしていることを特徴とする。
【００１０】
更にまた、本願第４発明に係る反射型光電陰極は、半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、前記基板上の局所的に又は全面にヘテロエピタキシャル成長により表面が（１００）面となるように形成され、その膜厚が、１０乃至４０μｍであり、原子濃度が１０１９乃至１０２２／ｃｍ３の範囲でドーパントである窒素をドープしていることを特徴とする。
【００１１】
更にまた、本発明においては、前記基板は、炭化珪素（１００）単結晶、白金（１００）単結晶、イリジウム（１００）単結晶からなる群から選択された１種とすることできる。また、炭化珪素（１１１）単結晶、白金（１１１）単結晶、イリジウム（１１１）単結晶からなる群から選択された１種とすることができる。
【００１２】
また、本発明においては、前記ダイヤモンド膜は、表面に角錐状の突起が集合した結晶面を有することが好ましく、更に、この表面に凹凸が形成されていることが好ましい。
更にまた、本願第５発明に係る反射型光電陰極は、半導体又は金属基板上に受光部がダイヤモンド膜で形成され、前記ダイヤモンド膜は、前記基板上の局所的に又は全面にヘテロエピタキシャル成長により表面が（１１１）面となるように形成され、その膜厚が、１０乃至４０μｍであり、原子濃度が１０１８乃至１０２１／ｃｍ３の範囲でドーパントである燐をドープしていることを特徴とする。
【００２０】
本発明においては、多結晶ダイヤモンド膜、表面が（１００）配向性ダイヤモンド膜、表面が（１１１）配向性ダイヤモンド膜、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜、孤立粒子状ダイヤモンド等の特徴的な構造を有するダイヤモンド膜をシリコン又は炭化珪素等の半導体、白金、イリジウム又はモリブデン等の金属及び石英又はフッ化カルシウム等のセラミックスを基板として、膜厚を規定して形成し、ドーパントの種類、濃度又は膜厚等のパラメータが量子効率に及ぼす影響を調査した。その結果、ダイヤモンド膜の構造的特徴に応じて、最適なパラメータの組み合わせが存在することを見出した。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施例について詳細に説明する。本願発明者等は、多結晶ダイヤモンド膜、（１００）配向性ダイヤモンド膜、（１１１）配向性ダイヤモンド膜、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜、孤立粒子状ダイヤモンド等の特徴的な構造を有するダイヤモンド膜をシリコン又は炭化珪素等の半導体、白金、イリジウム又はモリブデン等の金属、石英又はフッ化カルシウム等のセラミックスを基板として形成し、ドーパントの種類、濃度又は膜厚等のパラメータが量子効率に及ぼす影響を調査した。その結果、ダイヤモンド膜の構造的特徴に応じて、最適なパラメータの組み合わせが存在することを見出した。
【００２２】
ダイヤモンドは同一条件で気相合成しても、ドーパント又は配向性により結晶中に取り込まれ方が異なる。更に、結晶中のドーパント濃度は結晶性、導電性又は光透過性に大きな影響を及ぼす。このようなダイヤモンドの材料特性が光電陰極としての特性を大きく左右する。
【００２３】
例えば、気相合成によりダイヤモンドに硼素をドープする場合、ダイヤモンドの硼素の取り込み率は、（１１１）面と（１００）面とを比較すると（１１１）面の取り込み率は、（１００）面の１００倍以上である。ダイヤモンドの結晶性は、硼素濃度に大きく依存し、高すぎても低すぎても損なわれる。従って、配向性によりドーパント量を制御する必要がある。更に、結晶中のドーパント量は、ダイヤモンド膜の導電性又は光透過性を変えるがドーパント量濃度が低くダイヤモンド膜の導電性が小さすぎるとチャージアップにより、実効的な量子効率が低下する。一方、ドーパント量濃度が高すぎるとダイヤモンド膜の光透過性が低下することにより、実効的な量子効率が低下する。従って、夫々の場合における光電陰極として最適な膜厚とドーピング濃度を見出すことが不可欠である。
【００２４】
燐又は窒素をドーパントとした場合にも同様の傾向が見られるが、ドーパントにより活性化エネルギ又は結晶格子の歪みが異なるために、これに対応したドープ量又は膜厚で受光部を形成することが肝要である。
【００２５】
光電陰極では、照射光により励起された全ての電子が結晶外へ放出されることが理想であるが、結晶内の欠陥、結晶粒界、表面の清浄度、平坦度又は吸着原子等の状態は、その励起電子がエネルギを失う原因となる。従って、光電陰極であるダイヤモンドの結晶欠陥及び結晶粒界がない、即ち、単結晶であって、表面状態も励起電子がエネルギを失わずスムーズに外部へ放出される状態であることが最も望ましい。しかしながら、現時点におけるダイヤモンドの合成技術では、上述のような理想の単結晶ダイヤモンドを大量に安く作り出すことはできない。従って、できるだけ又は実質上、単結晶に近いダイヤモンドを用いることが必要である。
【００２６】
そのため、現状では多結晶ダイヤモンドを用いざるを得ないわけであるが、本願発明者等は、多結晶でも実用上十分な効率が得られるダイヤモンドの条件を見出した。
【００２７】
以下、本発明の化学組成及び組成限定理由について説明する。
【００２８】
多結晶ダイヤモンド膜をある基板上に合成した場合、通常、基板に近くなるにつれて結晶粒界及び結晶欠陥が高密度になりやすく、膜厚が厚くなるに伴いそれらの密度が減少することが分かっている。しかしながら、本願発明者らの研究の結果、膜厚が５μｍ以上では、結晶粒界及び結晶欠陥の減少は急激に緩やかになり、光電放出率の大幅な上昇がないことが分かった。また、膜厚が１０μｍ以上となると、更に結晶粒界及び結晶欠陥密度の減少は急激に緩やかになる。一方、膜厚をむやみに厚くすることは、合成コストの増加を引き起こす。本願発明者等は、これらの結果を基に、実用上十分な膜厚は１０μｍ以下、好ましい、膜厚は３乃至５μｍであることを見出した。
【００２９】
一方、多結晶ダイヤモンドの最表面を覆う結晶方位がある特定の結晶面、例えば、（１００）面又は（１１１）面に多く覆われたダイヤモンド膜、即ち、高配向膜を合成する技術がある。これら面方位が異なると、上述のように合成中にドーパントの取り込まれる割合が異なる。従って、例えば、典型的な多結晶ダイヤモンド膜表面は、（１００）面と（１１１）面及びそれ以外の高次の面が混在している。即ち、ドーパントの含有率の異なる部分が光電陰極上に混在していることになる。更に、光電子放出効率も面方位により異なるために光電子放出効率の再現性が低い。光電子放出効率の安定化及び高い再現性を得るためには、特定の面方位に揃えてやればよい。この場合、できるだけ全面を特定の面方位のみで覆う方が好ましい。しかし、有効面積の５０％以上を（１００）面又は（１１１）面で覆われたダイヤモンド膜を製作し、十分安定な光電子放出効率を有することを確認している。
【００３０】
上述の（１００）面又は（１１１）面で有効面積の５０％以上を覆うダイヤモンド膜は、合成条件を夫々の面が選択的に成長する条件を選び、かつある程度膜厚を厚くすることにより得ることができる。また、膜厚が薄すぎると、十分に（１００）面又は（１１１）面が広がらない。
【００３１】
有効面積の略１００％が（１００）面で覆われたダイヤモンド膜は、膜厚を１０乃至２０μｍの範囲まで合成することにより得ることができる。上述と同じ理由で膜厚の厚いダイヤモンド膜を合成することはコスト上昇を伴う。実用上、有効面積の５０％以上が（１００）面で覆われていれば十分であるので、そのようなダイヤモンド膜は、膜厚を１乃至１０μｍの範囲とすればよい。
【００３２】
一方、（１１１）面の場合、選択的に（１１１）面が成長する条件が（１００）面とは異なる。それに伴って、５０％以上の被覆率のダイヤモンド膜を得るための膜厚の範囲も異なる。有効面積の略１００％を（１１１）面で覆われたダイヤモンド膜は、膜厚が２０乃至４０μｍの範囲まで合成することにより得ることができる。合成コストの上昇を勘案して膜厚は４０μｍ以上は不要である。実用上、有効面積の５０％以上が（１１１）面で覆われていれば十分であるので、そのようなダイヤモンド膜を得るために、膜厚は１０乃至４０μｍとする。
【００３３】
上述のように、選択的に（１００）面又は（１１１）面で覆われたダイヤモンド膜は、ダイヤモンド合成時の環境に耐え得る限り種々の基板上に合成することが可能である。例えば、シリコン又は炭化珪素等の半導体、白金、イリジウム、モリブデン又はタングステン等の高融点金属、石英ガラス、アルミナ又はチタン酸ストロンチウム等の酸化物若しくは窒化珪素又は窒化アルミニウム等の窒化物等が用いられている。特に、結晶性基板を用いて、最適化された条件で合成することにより、基板方位を引き継いだ結晶方位を有するダイヤモンド膜を合成することが可能である。これは一般に、ヘテロエピタキシャル成長とよばれる。例えば、シリコン（１００）面上、炭化珪素（１００）面上、又はイリジウム（１００）面上にダイヤモンド（１００）面、白金（１１１）面上にダイヤモンド（１１１）面が夫々ヘテロエピタキシャル成長することを確認している。ヘテロエピタキシャル成長で合成したダイヤモンド膜は、結晶方位が一定になるだけでなく、結晶欠陥が著しく減少する上に、隣りの結晶粒子との結晶方位が同じにあるため結晶粒界も消失する。結晶欠陥及び結晶粒界の消失は即ち、光電子放出効率を向上させる。このようなヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜は、光電陰極全面に亘り成膜されていることが最も望ましいが、部分的にヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜でない場合であっても構わない。
【００３４】
ダイヤモンド膜を金属表面に形成して光電陰極の受光部とした場合は、金属表面からの反射光を利用して実効的な量子効率の向上を行なうため、ダイヤモンドの作用は粒子表面に限定され、ダイヤモンドの形状、配向性、ドーパントの種類又は濃度依存性を小さくすることができる。従って、膜厚は５μｍ以下として十分であるが、表面に結晶欠陥又は粒界の密度が特に高い部分が現れることを避けるため、膜厚は０．１μｍ以上であることが必要である。
【００３５】
量子効率の向上のためには、上述のような高品質のダイヤモンド膜を用いることの他に、尖塔状又はピラミッド状に突起が集合した構造にしてもよい。
【００３６】
このような突起は、結晶面を斜めに成長するような合成条件にして成膜する方法の他に種々の方法が考え得るが、例えば、ダイヤモンド膜合成後にエッチングにより形成してもよい。
【００３７】
上述のように、ダイヤモンド成膜用基板には、シリコン又は炭化珪素等の半導体、白金、イリジウム、モリブデン又はタングステン等の高融点金属が一般的に用いられており、これらの基板は導電性を有するために反射型光電陰極を製作する場合に有用である。一方、透光性材料を基板としてダイヤモンドを成膜することも可能である。例えば、合成石英、フッ化カルシウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化硼素又はそれらの混合化合物等の波長が２５０ｎｍ以下の紫外線を透過する材料を基板とすることにより、基板側から紫外線を受光することが可能となり、受電電極をメッシュ状でなく面状にして受電効率を向上させることができる。
【００３８】
ここでいう、光電陰極に使用するダイヤモンド膜は、量子効率の波長依存性を重視しない場合、完全に連続膜である必要はなく、ピンホール又はダイヤモンドの孤立粒子が散在するものであっても効果を妨げるものではない。反面、量子効率の波長依存性を重視する場合、ダイヤモンド膜にピンホール等の基板が露出した部分がないものを用いる必要がある。なぜなら、基板からも電子放出する可能性が生じるため、ダイヤモンドに固有の波長依存性又は波長選択性が損なわれるからである。
【００３９】
また、現在のところ原因は不明であるが、石英を基板としてダイヤモンドを成長させると、双晶又は結晶欠陥が比較的少ないダイヤモンドが得られる傾向がある。従って、紫外線照射等でダイヤモンド内に発生した電子が双晶境界又は結晶欠陥を介して消滅することが抑制され、量子効率が向上する。
【００４０】
ダイヤモンド光電陰極は、バンドギャップエネルギに近い波長が２５０ｎｍ以下の光に感度を有することが特徴であるため、この特徴を利用するためにはダイヤモンド膜を成膜する窓材に透過する材料を使用すればよい。例えば、石英、フッ化カルシウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム又は窒化硼素等を基板兼窓材として使用して光電陰極としての効果を確認している。
【００４１】
透過型光電陰極では、基板兼窓材として導電性を有する材料を使用することにより、その基板はダイヤモンド光電陰極へ電子を供給する電極としても作用する。一方、ダイヤモンド膜が十分な電荷密度を有するものを使用すれば、必ずしも基板兼窓材は導電性を有する必要はない。この場合のダイヤモンド膜の電荷密度は、室温で１０16ｃｍ3以上あれば十分である。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４３】
第１実施例
図１は、第１実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図２は、第１実施例に係る反射型光電管の構造を示す断面図である。図１に示すように、第１実施例の反射型光電陰極１は、導電性を有する低抵抗シリコン基板２上に、マイクロ波ＣＶＤ法により硼素をドープした多結晶ダイヤモンド膜３を合成して製作した。そして、この反射型光電陰極１を使用して、図２に示すように、反射型光電管４を製作した。この反射型光電管４は、反射型光電陰極１の低抵抗シリコン基板２の裏面にインジウムを介して金属電極８に接触させた。反射型光電陰極１に対向して金属受電面５を配置し、この金属受電面５を金属電極９に接続した。これらを石英ガラス管６に挿入した後、管内を１０-7Ｔｏｒｒ以下の真空にして封着ガラス７により封止して製作した。
【００４４】
次に、金属受電面５に対して負電圧（０．００１〜１ＫＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を光電陰極１に対して照射したところ、光電陰極１から電子放出が確認された。更に、光電陰極１の製作条件を変えて反射型光電管４を製作し、量子効率の測定した。
【００４５】
図３は、縦軸に、量子効率、横軸にダイヤモンド膜厚をとり、ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示している。図４は、縦軸に、量子効率、横軸に、硼素原子濃度をとり、ダイヤモンド膜中の硼素原子濃度依存性を示している。ダイヤモンド膜厚が、１０μｍ以下、特に膜厚が３乃至５μｍの範囲に最適値が存在し、また、硼素原子濃度が、１０16乃至１０18／ｃｍ3の範囲に最適値が存在していた。夫々の範囲で量子効率が実用レベルの１５％以上に達することが分かった。
【００４６】
第２実施例
図５は、第２実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図５に示すように、第２実施例の反射型光電陰極１は、表面に（１００）面が配向した導電性の低抵抗シリコン（１００）基板２ａの上に、マイクロ波ＣＶＤ法により硼素をドープした（１００）配向性ダイヤモンド膜３ａを合成して製作した。この反射型光電陰極１を使用して、第１実施例と同様に図２に示すような反射型光電管４を製作した。
【００４７】
次に、金属受電面５に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を反射型光電陰極１に対して照射したところ、反射型光電陰極１から電子放出が確認された。更に、反射型光電陰極１の製作条件を変えて反射型光電管４を製作し、量子効率の測定した。
【００４８】
図６は、縦軸に、量子効率、横軸に（１００）配向性ダイヤモンド膜厚をとり、（１００）配向性ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示している。図７は、縦軸に、量子効率、横軸に、硼素原子濃度をとり、（１００）配向性ダイヤモンド膜中の硼素原子濃度依存性を示している。（１００）配向性ダイヤモンドの膜厚が、１乃至２０μｍの範囲に最適値が存在し、また、硼素原子濃度が、１０16乃至１０18／ｃｍ3の範囲に最適値が存在していた。夫々の範囲で量子効率が実用レベルの１５％以上に達することが分かった。
【００４９】
第３実施例
図８は、第３実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図８に示すように、第３実施例の反射型光電陰極１は、表面に（１１１）面が配向した導電性の低抵抗シリコン（１１１）基板２ｂの上に、マイクロ波ＣＶＤ法により硼素をドープした（１１１）配向性ダイヤモンド膜３ｂを合成して製作した。この反射型光電陰極１を使用して、第１実施例と同様に図２に示すような反射型光電管４を製作した。
【００５０】
次に、受電面に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を反射型光電陰極１に対して照射したところ、反射型光電陰極１から電子放出が確認された。更に、反射型光電陰極１の製作条件を変えて反射型光電管４を製作し、量子効率の測定した。
【００５１】
図９は、縦軸に、量子効率、横軸に（１１１）配向性ダイヤモンド膜厚をとり、（１１１）配向性ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示している。図１０は、縦軸に、量子効率、横軸に、硼素原子濃度をとり、（１１１）配向性ダイヤモンド膜中の硼素原子濃度依存性を示している。（１１１）配向性ダイヤモンド膜の膜厚が、１０乃至４０μｍ以下の範囲に最適値が存在し、また、硼素原子濃度が、１０１８乃至１０２１／ｃｍ3の範囲に最適値が存在していた。夫々の範囲で量子効率が実用レベルの１５％以上に達することが分かった。
【００５２】
第４実施例
図１１は、第４実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図５に示すように、第４実施例の反射型光電陰極１は、表面に（１００）面が配向した導電性を有する低抵抗シリコン（１００）基板２ｃの上に、マイクロ波ＣＶＤ法により窒素をドープした（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜３ｃを合成して製作した。この反射型光電陰極１を使用して、第１実施例と同様に図２に示すような反射型光電管４を製作した。
【００５３】
次に、金属受電面に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を反射型光電陰極１に対して照射したところ、反射型光電陰極１から電子放出が確認された。更に、反射型光電陰極１の製作条件を変えて反射型光電管４を製作し、量子効率の測定した。
【００５４】
図１２は、縦軸に、量子効率、横軸に（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜厚をとり、（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の膜厚依存性を示している。図１３は、縦軸に、量子効率、横軸に、窒素原子濃度をとり、（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜中の窒素原子濃度依存性を示している。（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の膜厚が、１０乃至４０μｍ以下の範囲に最適値が存在し、また、窒素原子濃度が、１０19乃至１０22／ｃｍ3の範囲に最適値が存在していた。夫々の範囲で量子効率が実用レベルの１５％以上に達することが分かった。
【００５５】
第５実施例
図１４は、第５実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図５に示すように、第５実施例の反射型光電陰極１は、表面に（１１１）面が配向した白金（１１１）基板２ｄの上に、マイクロ波ＣＶＤ法により燐をドープした（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜３ｄを合成して製作した。この反射型光電陰極１を使用して、第１実施例と同様に図２に示すような反射型光電管４を製作した。
【００５６】
次に、金属受電面５に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を反射型光電陰極１に対して照射したところ、反射型光電陰極１から電子放出が確認された。更に、反射型光電陰極１の製作条件を変えて反射型光電管４を製作し、量子効率の測定した。
【００５７】
図１５は、縦軸に、量子効率、横軸に（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜厚をとり、（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の膜厚依存性を示している。図１６は、縦軸に、量子効率、横軸に、燐原子濃度をとり、（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜中の燐原子濃度依存性を示している。（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の膜厚が、１０乃至４０μｍ以下の範囲に最適値が存在し、また、燐原子濃度が、１０18乃至１０21／ｃｍ3の範囲に最適値が存在していた。夫々の範囲で量子効率が実用レベルの１５％以上に達することが分かった。
【００５８】
第６実施例
図１７は、第６実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図１７に示すように、第６実施例の反射型光電陰極１は、表面に（１００）面が配向したイリジウム（１００）基板２ｅの上に、マイクロ波ＣＶＤ法により硼素をドープした（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜３ｅを合成して製作した。なお、この（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンドは、平均膜厚が２μｍ、硼素原子濃度が５×１０17／ｃｍ3、平均結晶粒子密度が１×１０8／ｃｍ2のピラミッド状の表面形態であった。この反射型光電陰極１を使用して、第１実施例と同様に図２に示すような反射型光電管４を製作した。
【００５９】
次に、金属受電面５に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を反射型光電陰極１に対して照射したところ、反射型光電陰極１から電子放出が確認され、量子効率が２０％と測定された。
【００６０】
第７実施例
図１８は、第７実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。図１７に示すように、第７実施例の反射型光電陰極１は、多結晶モリブデン基板２ｆの上に、マイクロ波ＣＶＤ法により硼素をドープした多結晶ダイヤモンド膜３ｆを合成して製作した。この反射型光電陰極１を使用して、第１実施例と同様に図２に示すような反射型光電管４を製作した。
【００６１】
次に、反射型受電面１に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ波長が２００ｎｍの紫外線を反射型光電陰極１に対して照射したところ、反射型光電陰極１から電子放出が確認された。更に、反射型光電陰極１の製作条件を変えて反射型光電管４を製作し、量子効率の測定した。
【００６２】
図１９は、縦軸に、量子効率、横軸に多結晶ダイヤモンド膜厚をとり、多結晶ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。特許請求の範囲に記載されている請求項１２又は１３のように、多結晶ダイヤモンドの膜厚が、５μｍ以下の場合（不連続膜を含む）には、量子効率が実用レベルの１５％以上に達することが分かった。
【００６３】
第８実施例
図２０は、第８実施例に係る透過型光電陰極を示す断面図である。図２１は、第８実施例に係る透過型光電管を示す断面図である。図２０に示すように、第８実施例の透過型光電陰極１０は、波長１８０乃至２５０ｎｍの光透過率９５％以上を有する合成石英で直径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの円盤型に形成した合成石英基板１１上に、マイクロ波ＣＶＤ法により硼素をドープした硼素ドープダイヤモンド膜１２を合成して製作した。この硼素ドープダイヤモンド１２は、膜厚が１．８μｍ、平均結晶粒子密度が１×１０7／ｃｍ2であった。また、硼素原子濃度は５×１０18／ｃｍ3、キャリア濃度は５×１０16／ｃｍ3であった。この透過型光電陰極１０を使用して、図２１に示すように、透過型光電管１３を製作した。この透過型光電管１３は、透過型光電陰極１０の外周部に枠型金属電極を接触させ、透過型光電陰極１０に対向して金属受電面１４を配置し、これらを石英ガラス管１５に挿入した後、石英ガラス管１５内を１０-7Ｔｏｒｒ以下の真空にして、封着ガラス１６で封止した。透過型光電陰極１０と金属受電面１４とは、夫々リードピン１７、１８で石英ガラス管１５の外部と接続可能に形成されている。
【００６４】
次に、金属受電面１４に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ石英基板１１側から波長が２００ｎｍの紫外線を透過型光電陰極１０に対して照射したところ、透過型光電陰極１０から電子放出が確認され、量子効率が２０％と測定された。
【００６５】
第９実施例
図２２は、第９実施例に係る透過型光電管を示す断面図である。図２２に示すように、第８実施例の透過型光電管１３は、第８実施例と同一条件で成膜した透過型光電陰極１０を使用し、この透過型光電陰極１０の外周部に枠型金属電極を接触させ、透過型光電陰極１０に対して金属受電面１４を配置し、これらを石英ガラス管１５に挿入した後、石英ガラス管１５内を１０-7Ｔｏｒｒ以下の真空にして、封着ガラス１６で封止した。
【００６６】
次に、金属受電面１４に対して負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつ合成石英基板１１側から波長が２００ｎｍの紫外線を透過型光電陰極１０に対して照射したところ、透過型光電陰極１０から電子放出が確認され、量子効率が２０％と測定された。
【００６７】
第１０実施例
図２３は、第１０実施例に係る透過型光電管を示す断面図である。図２３に示すように、第１０実施例の透過型光電管１３は、第８実施例と同一条件で成膜した透過型光電陰極１０を使用し、この透過型光電陰極１０の外周部に枠型金属電極を接触させ、透過型光電陰極１０に対向する金属受電面１４としてメッシュ型金属１９を配置し、これらをフッ化カルシウム窓２０を有する容器２１に挿入した。これらを容器２１に挿入した後、容器２１内を１０-7Ｔｏｒｒ以下の真空にして、封着ガラス１６で封止した。
【００６８】
次に、メッシュ型電極１９に対して透過型光電陰極１０に負電圧（０．００１〜１ｋＶ）を印加しつつメッシュ型電極１９側から波長が２００ｎｍの紫外線を透過型光電陰極１０に対して照射したところ、透過型光電陰極１０から電子放出が確認され、量子効率が２０％と測定された。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明においては、表面をセシウム等のアルカリ金属で表面を被覆しなくとも量子効率の十分に大きい実用的な光電陰極を形成することができる。また、ダイヤモンドで形成した光電陰極は耐熱性、化学的安定性に優れており、光電陰極の実用範囲の拡大、新規応用分野の開拓が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図２】第１実施例に係る反射型光電管の構造を示す断面図である。
【図３】ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図４】ダイヤモンド膜中の硼素原子濃度依存性を示すグラフ図である。
【図５】第２実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図６】（１００）配向性ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図７】（１００）配向性ダイヤモンド膜中の硼素原子濃度依存性を示すグラフ図である。
【図８】第３実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図９】（１１１）配向性ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図１０】（１１１）配向性ダイヤモンド膜中の硼素原子濃度依存性を示すグラフ図である。
【図１１】第４実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図１２】（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図１３】（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜中の窒素原子濃度依存性を示すグラフ図である。
【図１４】第５実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図１５】（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図１６】（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜中の燐原子濃度依存性を示すグラフ図である。
【図１７】第６実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図１８】第７実施例に係る反射型光電陰極を示す断面図である。
【図１９】図１９は、多結晶ダイヤモンド膜の膜厚依存性を示すグラフ図である。
【図２０】第８実施例に係る透過型光電陰極を示す断面図である
【図２１】第８実施例に係る透過型光電管を示す断面図である。
【図２２】第９実施例に係る透過型光電管を示す断面図である。
【図２３】第１０実施例に係る透過型光電管を示す断面図である。
【符号の説明】
１；反射型光電陰極
２；低抵抗シリコン基板
２ａ；低抵抗シリコン（１００）基板
２ｂ；低抵抗シリコン（１１１）基板
２ｃ；低抵抗炭化珪素（１００）基板
２ｄ；白金（１１１）基板
２ｅ；イリジウム（１００）基板
２ｆ；モリブデン基板
３；多結晶ダイヤモンド膜
３ａ；（１００）配向性ダイヤモンド膜
３ｂ；（１１１）配向性ダイヤモンド膜
３ｃ；（１００）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜
３ｄ；（１１１）配向性ヘテロエピタキシャルダイヤモンド膜
３ｅ；（１００）配向性ダイヤモンド
３ｆ；多結晶ダイヤモンド
４；反射型光電管
５；金属受電面
６；石英ガラス管
７；封着ガラス
８、９；金属電極
１０；透過型光電陰極
１１；合成石英基板
１２；硼素ドープダイヤモンド膜
１３；透過型光電管
１４；受電電極
１５；石英ガラス管
１６；封着ガラス
１７、１８；リードピン
１９；メッシュ金属電極
２０；フッ化カルシウム窓
２１；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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【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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