(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出光を吸収して光電子を励起し、当該光電子を真空中へ放出する光電陰極において、
被検出光を吸収することにより光電子を生成する半導体光吸収層と、
エネルギーギャップが前記半導体光吸収層よりも大きく、前記光電子が透過すると共に、前記半導体光吸収層上に形成される半導体電子放出層と、
前記半導体電子放出層の表面の一部に形成された第一の電極と、
前記半導体電子放出層の前記第一の電極が形成されていない露出表面上に形成された前記半導体電子放出層の仕事関数を低下させるための活性層と、
前記半導体光吸収層に電気的に接続された第二の電極とを備え、
前記半導体電子放出層は、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンドを主成分とする材料からなることを特徴とする光電陰極。
【請求項２】
前記半導体電子放出層は、ｐ型の導電型であることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項３】
前記第一の電極と前記半導体電子放出層とがショットキ接合していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光電陰極。
【請求項４】
前記第一の電極は、前記半導体電子放出層がほぼ均一に分布して露出する所定のパターン状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項記載の光電陰極。
【請求項５】
前記活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物又はアルカリ金属のフッ化物からなることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項記載の光電陰極。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項記載の光電陰極、陽極及び真空容器を少なくとも備えることを特徴とする電子管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出光を吸収して光電子を励起し、真空中へ放出する光電陰極及びこの光電陰極を備えた電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ダイヤモンドを材料とする光電陰極では、Ｂドープされた天然単結晶ダイヤモンドの（１１１）面において、原始的に清浄な表面では電子親和力が負となり、光子エネルギーが５．５ｅＶから９ｅＶの範囲で光電子放出の量子効率が２０％程度、１３ｅＶから３５ｅＶの範囲では４０〜７０％と比較的高い量子効率が得られることが知られている（Physical Review B,20,2,(1979)624)。
【０００３】
また、マイクロ波プラズマＣＶＤにより、高圧合成された単結晶ダイヤモンド（１００）基板上に単結晶ダイヤモンド膜を合成し、表面を水素終端することにより、単結晶ダイヤモンド膜の（１１１）面だけでなく（１００）面においても、電子親和力が負になることも知られている（Diamond and Related Material 4(1995)806,Jpn.J.Appl.Phys.33,(1994)6312)。
【０００４】
更に、単結晶ダイヤモンドのみならず多結晶ダイヤモンドにおいても、表面を水素終端することにより、比較的高い光電子放出の量子効率が得られることが知られている（Diamond Films and Technology 6(1996)359)。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のダイヤモンド光電陰極の光電子放出特性には、被検出光の吸収がダイヤモンドのエネルギーギャップ、即ち伝導帯と価電子帯との間で行われるので、ダイヤモンドのエネルギーギャップである５．５ｅＶより小さい光子エネルギーの被検出光、即ち２２５ｎｍ以上の波長領域に感度を有することができないという本質的な欠点があり、応用面で非常に大きな制約を受けることになる。
【０００６】
そこで、本発明は、２２５ｎｍよりも長い波長の被検出光を吸収し、真空中へ放出する光電陰極とこの光電陰極を備えた電子管と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】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、請求項１記載の発明に係る光電陰極は、被検出光を吸収して光電子を励起し、当該光電子を真空中へ放出する光電陰極において、被検出光を吸収することにより光電子を生成する半導体光吸収層と、エネルギーギャップが半導体光吸収層よりも大きく、光電子が透過すると共に、半導体光吸収層上に形成される半導体電子放出層と、半導体電子放出層の表面の一部に形成された第一の電極と、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていない露出表面上に形成された半導体電子放出層の仕事関数を低下させるための活性層と、半導体光吸収層に電気的に接続された第二の電極とを備え、半導体電子放出層は、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンドを主成分とする材料からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、半導体光吸収層のエネルギーギャップは半導体電子放出層のエネルギーギャップよりも小さいので、半導体電子放出層のみで構成された光電陰極よりも小さなエネルギーの被検出光、即ち、半導体電子放出層のみで構成された光電陰極が吸収できる光の波長よりも長い波長の被検出光に対して感度を有することが可能となる。
【０００９】
また、第一の電極と第二の電極の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光吸収層と半導体電子放出層内に電界が形成され、この電界により半導体光吸収層で励起された光電子を半導体電子放出層へ移送し、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていない露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための活性層を通して真空中へ効率良く光電子を放出させることができる。特に、半導体電子放出層は、電子親和力が負又は非常に小さな値となるダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンドを主成分とする材料からなるため、光電子は一層放出されやすくなる。
【００１０】
また、請求項１記載の光電陰極において、半導体電子放出層をｐ型の導電型としたり、第一の電極と半導体電子放出層とをショットキ接合させることが望ましい。
【００１１】
請求項４記載の発明に係る光電陰極は、第一の電極が、半導体電子放出層がほぼ均一に分布して露出する所定のパターン状に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明によれば、光電陰極内に均一に電界が形成されるため、効率良く光電子の放出を行うことができる。
【００１３】
請求項５記載の発明に係る光電陰極は、活性層が、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物又はアルカリ金属のフッ化物からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の発明によれば、半導体電子放出層の仕事関数を効率よく低下することができ、光電子を真空中へ放出し易くなる。
【００１５】
請求項６記載の発明に係る電子管は、請求項１〜請求項５の何れか一項記載の光電陰極、陽極及び真空容器を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の電子管によれば、紫外から可視域の被検出光を感度良く検出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光電陰極及びこの光電陰極を備えた電子管の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１〜図３を用いて、第１実施形態の光電陰極を説明する。図１は、本実施形態の光電陰極２の断面模式図である。図に示すように、光電陰極２は、半導体光吸収層４、半導体電子放出層６、活性層８、第一の電極１０，第二の電極１２から構成されている。
【００１９】
半導体光吸収層４は、ＳｉＣ単結晶半導体からなり、基板としての役割も有している。この場合、ＳｉＣのエネルギーギャップが約３ｅＶであるため、半導体光吸収層４は、波長約４１０ｎｍまでの被検出光を吸収することができる。尚、本実施形態では、半導体光吸収層４としてＳｉＣ単結晶半導体を用いたが、半導体光吸収層はＳｉＣに限られず、他の材料にて形成しても良い。従って、半導体光吸収層４に用いる材料のエネルギーギャップによって、検出可能な被検出光の波長範囲を調整できることも本願発明の特徴の一つである。
【００２０】
ＳｉＣ単結晶半導体からなる半導体光吸収層４の上には半導体電子放出層６が形成されている。本実施形態では、半導体電子放出層６は、厚さ約０．５μｍのｐ型の多結晶ダイヤモンドで形成されている。ダイヤモンドのエネルギーギャップは約５．５ｅＶなので、多結晶ダイヤモンドに外部から入射した被検出光のうち少なくとも波長が２２５ｎｍより長い光は、多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６を透過して半導体光吸収層４に到達することができる。また、本実施形態では、ｐ型のドーピングを施してあるが、これは必ずしも必要ではない。しかし、実験により、意図的なドーピングを行ってないものと比較して、ｐ型のドーピングを施したものは、約２倍の光電子放出量子効率を示すことが分かった。
【００２１】
多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６の上には、半導体電子放出層６とショットキ接合を形成する第一の電極１０としてＡｕが約５０〜１００オングストローム蒸着されている。この程度の薄い膜厚の場合、Ａｕは半導体電子放出層６上で島状の電極を形成する。従って、半透明の電極となるので、第一の電極１０に入射した被検出光は、効率良く当該第一の電極１０を透過することができる。ここで、Ａｕの膜厚が１００オングストロームよりも厚過ぎる場合は、第一の電極１０に入射した被検出光の透過率が減少するだけではなく、光電陰極２内で励起された光電子が真空中へ放出される際に第一の電極１０に捕獲される確率が増加し、結果として光電子放出量子効率が大幅に低下する。
【００２２】
また、第一の電極１０の他、多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６の上には、仕事関数を低下させるためのＣｓとＯからなる活性層８が形成されている。活性層８は、単原子程度の厚さであるため、活性層８に入射した被検出光は、殆ど活性層８を透過することができる。
【００２３】
尚、図１は、光電陰極２の概略図であり、実際の構造と厳密には異なる。例えば、実際の半導体電子放出層６、活性層８、第一の電極１０及び第二の電極１２は、半導体光吸収層４と比較すると非常に薄く形成されているため、これらは拡大して示されている。また、本願の他の図面についても同様である。
【００２４】
続いて、本実施形態の光電陰極２の作用を説明する。まず、図１を参照して、被検出光の入射から、光電子の励起までを説明する。光電陰極２に外部から入射した被検出光は、活性層８を透過し、半導体電子放出層６に到達する。波長が２２５ｎｍ以下の被検出光は、多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６で吸収される。一方、波長が２２５ｎｍより長い被検出光は、半導体電子放出層６を透過して半導体光吸収層４に到達することができる。半導体光吸収層４では、波長約４１０ｎｍ以下の被検出光が吸収され、半導体光吸収層４内の光電子が励起される。
【００２５】
次に、図２を参照して、半導体光吸収層４内で励起された光電子を半導体電子放出層６側へ移送する過程を説明する。図２は、図１の第一の電極１０と第二の電極１２との間に印加するバイアス電圧を変化させたときの分光感度特性を概略的に示したグラフである。
【００２６】
図２▲１▼の実線は、光電陰極２にバイアス電圧を印加しない場合の分光感度特性を示している。この場合は、光電陰極２内に電界が形成されないため、ＳｉＣ単結晶半導体からなる半導体光吸収層４で励起された光電子は、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６の界面を横切ることができない。そのため、ｐ型の多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層６内で励起された光電子のみが真空中へ放出される。従って、図のように、ダイヤモンドのエネルギーギャップ５．５ｅＶに相当する２２５ｎｍ程度までの光電感度しか有さない。
【００２７】
図２▲２▼の破線は、光電陰極２にバイアス電圧を印加した場合の分光感度特性を示している。この場合は、バイアス電圧の印加により、空乏層が半導体電子放出層６から半導体光吸収層４側へ延長され光電陰極２内に電界が形成される。そのため、半導体光吸収層４で励起された光電子の一部が、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６の界面を横切り真空中へ放出される。従って、図のように、バイアス電圧を光電陰極２に印加しない図２▲１▼のときよりも長波長側の光感度が
増加する。
【００２８】
図２▲３▼の破線は、図２▲２▼のときよりも更に高いバイアス電圧を印加した場合の分光感度特性を示している。この場合は、空乏層がさらに延長され、半導体光吸収層４で励起された光電子の殆どが、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６の界面を横切り、真空中へ放出される。従って、図のように、ＳｉＣのエネルギーギャップ３ｅＶに相当する約４１０ｎｍまでの光感度を有することができる。
【００２９】
以上より、第一の電極１０と第二の電極１２の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６内に電界が形成され、この電界により半導体光吸収層４で励起された光電子を半導体電子放出層６へ移送できることが分かる。更に、光電子は、半導体電子放出層６の第一の電極１０が形成されていない露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための活性層８を通して真空中へ効率良く放出される。
【００３０】
尚、本実施形態では、ＳｉＣ単結晶半導体からなる半導体光吸収層４を用いたが、ＳｉＣ単結晶半導体よりもエネルギーギャップの小さな半導体を用いた場合には、図３に示すように、光電子は、半導体光吸収層４と半導体電子放出層６の界面をトンネル効果で通り抜けることも可能である。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、図４を参照して、第２実施形態の光電陰極を説明する。図４は、本実施形態の光電陰極２２の断面模式図である。図に示すように、光電陰極２２は、半導体光吸収層２４、半導体電子放出層２６、活性層２８、第一の電極３０、第二の電極３２から構成されている。本実施形態の光電陰極２２と前述の第１実施形態の光電陰極２との構造上の違いは、第一の電極３０の形態の違いにある。従って、第一の電極３０以外の構造は第１実施形態と同様であるため、細かな構造の説明は省略する。
【００３２】
上述のように、第１実施形態では、半導体電子放出層６とショットキ接合を形成する第１の電極１０としてＡｕが約５０〜１００オングストローム蒸着されており、このＡｕは多結晶ダイヤモンド上で島状の電極を形成する。一方、本実施形態では、第一の電極３０は、半導体電子放出層２６とショットキ接合を形成するが、島状ではなく、いわゆるグリッド状に形成されている。そして、その膜厚は１０００オングストローム程度になっている。
【００３３】
次に、図５を参照して、本実施形態の光電陰極２２の作製方法について説明する。図５（ａ）〜（ｇ）は、光電陰極２２の作製工程図である。
【００３４】
まず、図５（ａ）に示す第１の工程で、半導体光吸収層２４となるＳｉＣ単結晶半導体基板上に、マイクロ波プラズマＣＶＤによって、半導体電子放出層２６となる多結晶ダイヤモンド膜を膜厚約０．５μｍで成膜する。原料には、メタン（ＣＨ4）と水素（Ｈ2）を用い、マイクロ波出力１ｋＷ、圧力５０Ｔｏｒｒ、成膜温度８００度で成膜した。この際、半導体電子放出層２６をｐ型の導電型とするために、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を導入してホウ素をドーピングしてある。
【００３５】
図５（ｂ）に示す第２の工程では、半導体電子放出層２６上に、第一の電極３０として厚さ約１０００オングストロームのＡｕを真空蒸着する。本実施形態では第一の電極３０としてＡｕを用いたが、第一の電極３０の材料はこれに限られず、半導体電子放出層２６と良好なショットキ接合を形成する他の材料でも良い。
【００３６】
図５（ｃ）に示す第３の工程では、第一の電極３０上に、フォトレジスト３４を塗布し、フォトリソグラフィー処理によりグリッド状のパターンを形成する。本実施形態では、線幅２μｍ、間隔１０μｍ×５０μｍの格子状のパターンを形成した。続いて、図５（ｄ）に示す第４の工程では、エッチングにより第一の電極３０のフォトレジスト３４で覆われていない部分を除去し、複数の窓３６を形成する。そして、このエッチングにより、Ａｕからなる第一の電極３０は、図５（ｄ）のようにグリッド状に形成される。
【００３７】
尚、第一の電極３０は、本実施形態のような格子状のものには限られない。但し、光電陰極２２内に均一に電界が形成されるように、また、第一の電極３０の各窓３６から露出する半導体電子放出層２６の面積がほぼ同じになることが望ましい。例えば、各第一の電極３０の形状及び寸法を等しくし、当該各第一の電極３０の中心位置を、互いに等間隔離隔しても良い。
【００３８】
図５（ｅ）に示す第５の工程では、パターニングされたフォトレジスト３４を除去し、半導体光吸収層２４となるＳｉＣ単結晶半導体基板の裏面に、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕによるオーミック電極を第二の電極３２として蒸着する。本実施形態では、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕによるオーミック電極を蒸着したが、電極の材料はこれに限られず、半導体光吸収層２４に良好なオーミック接合をする材料であれば良い。また、ＳｉＣＳｉＣ単結晶半導体基板の裏面全体に電極を形成したが、裏面全体に電極を形成しなくても、裏面の一部又は側面、或いはメサ型にエッチングされた表面に電極を形成しても良い。
【００３９】
図５（ｆ）に示す第６の工程では、第一の電極３０と第二の電極３２に、ワイヤボンディングのためのＡｌパッド３８を蒸着する。尚、ワイヤボンディングにＡｌパッドを必要としない材料を電極に用いた場合は、この第６の工程を省いても良い。
【００４０】
図５（ｇ）に示す最後の第７の工程では、上記の試料を電子管内に配置し、真空排気後、各窓３６内にＣｓとＯを塗布し、半導体電子放出層２６の仕事関数を低下させるための活性層２８を形成する。本実施形態では、活性層２８の材料としてＣｓＯを用いたが、活性層２８は半導体電子放出層２６の表面の仕事関数を低下させ、光電子を真空中へ放出させやすくする材料で形成すればよい。例えば、活性層２８として他のアルカリ金属であるＲｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉや、これらの酸化物又はフッ化物を用いてもよいし、水素終端させた活性層とすることもできる。
【００４１】
次に、図４を参照して、以上のように作製された光電陰極２２の作用を説明する。まず、被検出光の入射から、光電子の励起までを説明する。第１実施形態と同様に、光電陰極２２に外部から入射した被検出光は、活性層２８を透過し、半導体電子放出層２６に到達する。波長が２２５ｎｍ以下の被検出光は、多結晶ダイヤモンドからなる半導体電子放出層２６で吸収される。そして、波長が２２５ｎｍより長い被検出光は、半導体電子放出層２６を透過して半導体光吸収層２４に到達することができる。半導体光吸収層２４では、波長約４１０ｎｍ以下の被検出光が吸収され、半導体光吸収層２４内の光電子が励起される。
【００４２】
さらに、第一の電極３０と第二の電極３２の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光吸収層２４と半導体電子放出層２６内に電界が形成され、この電界により半導体光吸収層２４で励起された光電子を半導体電子放出層２６へ移送することができる。半導体電子放出層２６へ移送された光電子は、第一の電極３０の各窓３６内の半導体電子放出層２６上に形成された活性層８を通して真空中へ効率良く放出される。
【００４３】
尚、本実施形態では、マイクロ波プラズマＣＶＤによって、半導体電子放出層２６となる多結晶ダイヤモンド膜を成膜したが、成膜方法はこれに限られず、熱フィラメント法やレーザーアブレーション法等の他の成膜方法でも同様の効果が得られる。また、半導体電子放出層２６として、多結晶ダイヤモンド膜ではなく、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜、アモルファスカーボン膜等を用いても同様の効果が得られる。但し、実験により、半導体電子放出層２６として多結晶ダイヤモンド膜を形成する場合に、光電子放出効率が最も高くなることが分かった。また、ｐ型のドーピングは必ずしも必要ではないが、実験により、ｐ型のドーピングを行った場合の光電子放出効率は、ドーピングを行わない場合の光電子放出効率の約２倍になることが分かった。
【００４４】
（第３実施形態：電子管）
続いて、第３実施形態の電子管について説明する。本実施形態の電子管は、上述した第１実施形態又は第２実施形態の光電陰極を備えた光電子増倍管である。
【００４５】
図６は、第１実施形態の光電陰極２を備えた光電子増倍管４０の上部断面の模式図である。本実施形態の光電子増倍管４０は、ＭｇＦ2からなる入射窓４２、光電陰極２、第１ダイノード４４、第２ダイノード４６、第ｎダイノード４８、陽極５０及びこれらを真空雰囲気に保つための真空容器５２から形成される。
【００４６】
次に、この光電子増倍管４０の動作を説明する。紫外から可視域の被検出光ｈνは、ＭｇＦ2からなる入射窓４２を透過して、多結晶ダイヤモンド光電陰極２に入射する。光電陰極２では、被検出光により光電子が励起され、真空中に放出される。真空中へ放出された光電子は、光電陰極２に対して正の電圧が印加された第１ダイノード４４に入射し、２次電子が生成される。このとき１次電子に対して数倍の２次電子が生成され、再び真空中へ放出される。
【００４７】
第１ダイノード４４から放出された電子は、第１ダイノード４４に対して正の電圧が印加された第２ダイノード４６に入射し、２次電子が生成され、２次電子は再び真空中へ放出される。この２次電子放出がｎ回繰り返されて、増幅された光電子が陽極５０に到達する。尚、２次電子放出が１０回程度繰り返された場合、最終的に陽極５０では、光電陰極２から放出された光電子が約１００万倍程度にまで増幅されて信号として収集される。
【００４８】
本実施形態の光電子増倍管は、光電陰極２が前述のように高い量子効率を有し、また、可視領域にまで感度を有しているので、非常に光感度な紫外から可視域の検出器として利用することができる。尚、本実施形態では、入射光と光電子の放出される面が同じである、いわゆる反射型光電陰極を有するサイドオン型光電子増倍管を電子管の一例としたが、この他の透過型光電陰極を有するヘッドオン型光電子増倍管、画像増強管等の電子管でも同様の効果を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電陰極によれば、半導体光吸収層のエネルギーギャップは半導体電子放出層のエネルギーギャップよりも小さいので、半導体電子放出層のみで構成された光電陰極よりも小さなエネルギーの被検出光、即ち、半導体電子放出層のみで構成された光電陰極が吸収できる光の波長よりも長い波長の被検出光に対して感度を有することが可能となる。
【００５０】
また、第一の電極と第二の電極の間にバイアス電圧を印加することにより、半導体光吸収層と半導体電子放出層内に電界が形成され、この電界により半導体光吸収層で励起された光電子を半導体電子放出層へ移送し、半導体電子放出層の第一の電極が形成されていない露出表面上に形成された仕事関数を低下させるための活性層を通して真空中へ効率良く光電子を放出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の光電陰極の断面模式図である。
【図２】バイアス電圧を変化させたときの分光感度特性を示すグラフである。
【図３】トンネル効果を示す図である。
【図４】第２実施形態の光電陰極の断面模式図である。
【図５】第２実施形態の光電陰極２２の作製工程図である。
【図６】第３実施形態の光電子増倍管を示す断面図である。
【符号の説明】
２，２２…光電陰極、４，２４…半導体光吸収層、６，２６…半導体電子放出層、８，２８…活性層、１０，３０…第一の電極、１２，３２…第二の電極、４０…光電子増倍管。
【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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