(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、前記バッファ層は第１及び第２アモルファス半導体層と、前記第１及び第２アモルファス半導体層間に介在する単結晶半導体層とを備えることを特徴とする半導体光電陰極。
【請求項２】
前記第１及び第２アモルファス半導体層及び前記単結晶半導体層は、ＧａＮ系又はＡｌＮ系化合物半導体からなり、前記基板はサファイアからなり、前記半導体光吸収層はＧａＮからなること特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。
【請求項３】
前記バッファ層は前記半導体光吸収層との間にＧａＡｌＮ層を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体光電陰極。
【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。光吸収層内に欠陥等の電子捕獲或いは再結合要因が存在すると、光吸収層内で発生した電子の寿命は低下し、その拡散長は短くなる。したがって、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、より結晶性の高い光吸収層を提供し、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、上記バッファ層は第１及び第２アモルファス半導体層と、第１及び第２アモルファス半導体層間に介在する単結晶半導体層とを備えることを特徴とする。
【０００５】
本半導体光電陰極においては、バッファ層が上記構成を具備しているため、その上に形成される半導体光吸収層の結晶性を改善することが可能である。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種を含む。
【０００６】
また、第１及び第２アモルファス半導体層及び単結晶半導体層は、ＧａＮ系又はＡｌＮ系化合物半導体からなり、基板はサファイアからなり、半導体光吸収層はＧａＮからなることが好ましく、この場合には、半導体光吸収層の結晶性を更に向上させることができる。なお、バッファ層は半導体光吸収層との間にＧａＡｌＮ層を更に備えることとしてもよい。
【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（２ａ〜２ｃ）、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。なお、半導体光吸収層３とアルカリ金属含有層５との間に従来から知られる高濃度或はこれとヘテロ接合を成す電子移送層等を設けてもよい。以下では、本光電陰極は、光がその表面側から入射するタイプ、すなわち、反射型半導体光電陰極であることとして説明する。
【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７参照）で収集される。
【００１０】
光吸収層３の結晶性は下地であるバッファ層２の結晶性に依存するため、この結晶性を改善することにより、量子効率を増加させることができる。
【００１１】
バッファ層２は、基板１上の第１アモルファス半導体層２ａ、第１アモルファス半導体層２ａ上の単結晶半導体層２ｂ、単結晶半導体層２ｂ上の第２アモルファス半導体層２ｃを備えている。
【００１２】
次に、これらの材料について説明する。第１の形態では、基板１としてサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、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、不純物濃度は深さ方向に一様であって、１×１０16〜１０19／ｃｍ3）、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。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。
【００１３】
また、第１の形態では、第１アモルファス半導体層２ａとしてＧａＮ（厚さ１０〜５０ｎｍ）、単結晶半導体層２ｂとしてＧａＮ（厚さ数μｍ）、第２アモルファス半導体層２ｃとしてＧａＮ（厚さ１０〜５０ｎｍ）を用いる。
【００１４】
第２の形態は、第１の形態において、ｐ型ＧａＮ半導体光吸収層３の不純物濃度が、表面側から深さ方向に増加して傾斜分布したものであり、その深さは表面から数１０〜１００ｎｍである。
【００１５】
第３の形態は、第１又は第２の形態において、第２アモルファス半導体層２ｃと光吸収層３との間に、組成が厚み方向に一定のｐ型ＧａＡｌＮ層又は組成が厚み方向に徐々に変化したｐ型ＧａＡｌＮグレーデッド層２ｄ（厚さ１０ｎｍ以上、ｐ型不純物は表面から１０ｎｍを超える領域に分布する）を有するものである。なお、この構造を図６に示す。
【００１６】
第４の形態は、第１乃至第３の形態のいずれか１つの形態における光吸収層３以外のＧａＮ層をＡｌＮ層に置き換えたものである。なお、第１乃至第３の形態のいずれか１つの形態において、一部のＧａＮ層、例えばアモルファス半導体層２ａの材料のみをＡｌＮ層に置き換えてもよい。なお、光吸収層３以外のＧａＮ層全てをＡｌＮ層で置き換えた場合には、透過型光電面として動作する。
【００１７】
以上、説明したように、上記半導体光電陰極は、基板１との間に介在するバッファ層２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３と、半導体光吸収層３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５とを備える半導体光電陰極において、上記バッファ層２は第１及び第２アモルファス半導体層２ａ，２ｃと、第１及び第２アモルファス半導体層２ａ，２ｃ間に介在する単結晶半導体層２ｂとを備える。本半導体光電陰極においては、バッファ層２が上記構成を具備しているため、その上に形成される半導体光吸収層３の結晶性を改善することが可能である。これにより、この中における電子の寿命を向上させ、その量子効率を増加させることができる。
【００１８】
また、上記半導体光電陰極においては、第１及び第２アモルファス半導体層２ａ，２ｃ及び単結晶半導体層２ｂは、ＧａＮ系又はＡｌＮ系化合物半導体からなり、基板１はサファイアからなり、半導体光吸収層３はＧａＮからなる。この場合には、半導体光吸収層３の結晶性を更に向上させることができる。
【００１９】
次に、上記実施の形態に係る半導体光電陰極の製造方法について説明する。
【００２０】
以下の説明において、半導体層の形成方法としては、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成長）法、又はＨＶＰＥ（ハロゲン系気相成長）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。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。
【００２１】
図２は半導体光電面第１中間体を示す断面図である。まず、基板１を用意し、基板１上に第１アモルファス半導体層２ａを形成する。成長温度は５００〜６００℃である。
【００２２】
図３は半導体光電面第２中間体を示す断面図である。しかる後、第１アモルファス半導体層２ａ上に単結晶半導体層２ｂを形成する。成長温度は７００〜１１００℃である。
【００２３】
図４は半導体光電面第３中間体を示す断面図である。次に、単結晶半導体層２ｂ上に第２アモルファス半導体層２ｃを形成する。成長温度は５００〜６００℃である。
【００２４】
図５は半導体光電面の第４中間体を示す断面図である。次に、半導体光吸収層３を第２アモルファス半導体層２ｃ上に形成する。最後に、この上にアルカリ金属含有層５を蒸着法等により形成し、これを活性化し、図１に示した半導体光電陰極が完成する。
【００２５】
以上、説明したように、上記実施の形態に係る光電陰極によれば、バッファ層２を用いることにより、結晶性の高い光吸収層３を提供することができるので、その量子効率を増加させることができる。
【００２６】
次に、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。
【００２７】
図７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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る光電陰極によれば、２つのアモルファス半導体層を有するバッファ層を利用することにより結晶性の高い半導体光吸収層を提供することができるので、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】半導体光電面中間体を示す断面図。
【図３】半導体光電面中間体を示す断面図。
【図４】半導体光電面中間体を示す断面図。
【図５】半導体光電面中間体を示す断面図。
【図６】実施の形態に係る別の半導体光電陰極の断面図。
【図７】光電管の斜視図。
【符号の説明】
２・・・バッファ層、２ａ・・・第１アモルファス半導体層、第２アモルファス半導体層２ｃ、２ｂ・・・単結晶半導体層、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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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