Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP039

CsTe 薄膜による GaAs フォトカソード NEA 活性化の研究
STUDY FOR ACTIVATION OF NEA-GaAs PHOTO-CATHODE WITH CsTe THIN FILM
根岸健太郎 ∗A) 、内田和秀 A) 、栗木雅夫 A)
Kentaro Negishi∗ A) , Kazuhide UchidaA) , Masao KurikiA)
A)
Hiroshima University / Advanced Science of Matter, Higashi-Hiroshima Japan

Abstract
NEA-GaAs photo-cathode can generate highly spin polarized electron and high current beam. On the other hand,
NEA-GaAs has a vulnerability issue. In this study, we evaporated CsTe semi-conductor thin film on GaAs surface andobtained a result which suggest NEA surface on GaAs wafer. This could be another technique for the NEA activation
with Cs-O/F.

1.

はじめにNEA-GaAs フォトカソードは、高い量子効率、高偏極電子ビーム生成、低エミッタンスビーム生成が可能であり、これらの特徴のため様々な加速器で利用が拡がる事が期待される。NEA とは、電子親和力が負の状態 (Negative Electron Affinity) のことであり、電子親和力は、伝導帯の束縛エネルギーの最小値と真空準位の差で定義される。また NEA-GaAs 表面は Cs の熱脱離 [1] 、残留ガス吸着 [2] 、イオンバックボンバードメント [3] などの効果により、フォトカソードとしての性能が劣化することが解っている。これにより次世代放射光源 (ERL,FEL 等) での大電流利用を考えた場合、運転時間を十分に確保できない等の実用上の問題を生じる可能性がある。これまでの研究からある程度の長寿命化の見通しが得られたものの、まだ次世代放射光源での利用に十分であるとは言えない。そこで本研究は、NEA-GaAs の高耐久化のために、従来の Cs-O による GaAs 表面修飾でNEA 活性化手法に替え、CsTe を使用し、高耐久 NEA表面を得ることを目的とした。
Cs-O による GaAs 表面修飾による NEA 活性化手法
は、GaAs に Cs を蒸着し、その後、酸素もしくはフッ化水素の暴露を行う。Cs 蒸着と酸素暴露を繰り返すことで量子効率が徐々に上昇し、最終的に GaAs バンドギャップ付近 (∼ 1.4 eV) で 0.5 − 1.5 % 程度の量子効率を得る。これに対し、他にも適切な準位構造をもった薄膜半導体を、p 型 GaAs 表面に薄膜形成することで、NEA 状態を得ることができると示唆されている。GaAs
表面に異種半導体で表面修飾した場合のエネルギー順位を Figure. 1 に示す。
半導体表面に別種の半導体を接合すると、両半導体間で熱平衡になるように電子の分布が決定される。つまり両半導体間でフェルミ準位が一致し、価電子帯と伝導帯の相対位置が、フェルミ準位を基準として決定される。そのため、適切なバンド構造を持つ半導体を選ぶことによって、NEA 状態を得ることができると考えられる。この時、接合する半導体が安定であれば、高耐久かつ NEA 状態を持つフォトカソードが実現できると考え∗ knegishi@hiroshima-u.ac.jp

Figure 1: Energy states.
られる。
以上のヘテロ接合モデル [4] をもとに高耐久 NEA フォ
トカソードを作成する場合、接合する半導体のバンド構造と耐久性を知る必要があるが、薄膜を蒸着することで接合を作成する場合、バルクと性質が異なることや、成長方法によっても構造が変化することから、理論的に作成されたフォトカソードの性能を予測することは難しい。
また GaAs 表面に Cs-Te を蒸着した場合 NEA 状態が得らる可能性が指摘されている [5] 。Cs2 Te 半導体は、比較的高耐久なフォトカソードとして知られており [6] 、様々な加速器で使われている。これらの事実から、我々は GaAs 基板上 Cs2 Te 薄膜修飾によって、フォトカソードが高耐久 NEA 表面を作る可能性があると予想し、実際にいくつかの成膜条件で GaAs 基板上に Cs-Te 薄膜を作成し、作成フォトカソードの性能を評価した。[7]

2.

実験方法

実験装置のセットアップについて説明する。実験装置
は一つの真空容器があり、真空ポンプ、蒸着源、GaAs基板、膜厚計が設置される。真空容内の略図を Figure 2に示す。
真空容器は SUS 製で、容器下方にイオンポンプ(0.16 m3 /s) と NEG ポンプ (0.31 m3 /s) が取り付けられている。ベース真空度は 1 × 10−8 Pa 程度であった。

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Figure 2: Cross sectional view of the vacuum chamberwhere the experiment was carried out.

Figure 3: The relation of Cs thickness and Te thickness inthe experiment. These data are in linear relation.

真空容器の背面にカソードロッドが取り付けられ、ロッドと真空容器とはセラミック管で絶縁されている。ロッドの先端に Mo 製の円筒が付いており、この上に GaAs
基板 (Zn 5 × 10+19 /cm3 ドープ, (100) 表面) を取り付ける。カソードからの電子放出量はカソードに流れる電流量として測定する。Mo 円筒の内部には加熱洗浄用のカートリッジヒーターと基板温度測定用の熱電対が取り付けられている。
側面にビューポートが取り付けられており、このビューポートを通して GaAs 基板へ光を入射する。真空容器上部に Cs と Te の蒸着源が設置されたロッドが導入されており、先端の SUS プレート上に、Cs ディスペンサー(SAES Getters Co.) と Te 小片が入った W バスケットが設置されている。蒸着源ロッドは可動ステージ上に設置され、蒸着時には GaAs 基板正面まで下げて、寿命測定
時には正面ビューポートから導入する光との干渉を防ぐため、ロッドを上げる。Cs と Te の蒸気は基板正面と90◦ 横方向に出ており、GaAs 基板上への成膜と同時に水晶振動子を使用し、膜厚計測も行う。
次に実験方法について説明する。最初に清浄表面を得るため、GaAs 表面を ∼ 480 ◦ C で数時間の加熱洗浄を行う。続いて Cs-Te の成膜を行う。成膜後の加熱洗浄で清浄表面が得られると仮定し、成膜は一つの GaAs 試料に対して繰り返し複数回行った。Cs 蒸着時に Xe ランプの光を回折格子型分光器で分光した光を導入し、GaAs基板にバイアス (−100 V) をかけ、光電流を測定することで、成膜と同時に QE 測定を行う。500 nm 以上の波長の長い光を導入する場合、分光の際の高次光の影響を防ぐため、フィルタ (SCF 52Y, シ グマ光機) を用い、500 nm 以下の光は遮断した。導入した光は、典型的には波長幅 ∼ 7 nm、スポットサイズ ∼ 4 mm2 の矩形、パワー ∼ 10 µW 程度。Cs 蒸着は膜厚に対する、波長350 nm を用いて測定した QE 飽和を観測した点を QE最大値であると仮定し、その時点で蒸着を終了する。

3.2

性能評価

Figure 4: QE spectrum of CsTe-GaAs for various thickness conditions as shown in the legend. The first digit is Te
thickness in Angstrom.

Figure 4 に様々な Te 厚により活性化したカソードのQE スペクトルを示した。Te 厚はオングストロームで表示した。薄い Te 厚 (0.8, 2.1, 5.6 Å)QE スペクトルでは、GaAs のバンドギャップ相当である 1.4 eV まで低エネルギー領域に伸びている。(8.2, 11, 26 Å) の Te 厚では低エネルギー領域で大きな QE の減少を観測した。Te 蒸着していない (Te 蒸着厚が 0 Å の)QE スペクトルでは薄く Te 蒸着したスペクトルと同様であるが、低エネルギー領域での QE 振る舞いが異なっている。薄い Te 厚のサンプルで、GaAs バンドギャップ程度のエネルギーの光によって光電効果を観測していることから、この結果は Cs-Te による NEA 活性化が現実していることを示
3 . 結果唆している。また、Cs2 Te の仕事関数相当である 3.5 eV
3.1 蒸着条件より高エネルギー領域で高い QE を観測している。このFigure 3 に Te 厚と Cs 厚の関係性を示した。Te 蒸着 ことは、基板表面に Cs2 Te 薄膜が生成され、フォトカ厚の関数として、Cs 蒸着時に QE 最大値になる Cs 蒸着 ソードとして機能していることを示唆している。
Figure 5 に Te 厚と QE の関係性を示した。QE は様々厚との関係性を観測した。ここに 1 次の相関が見て取れる。このことから、GaAs 基板上に Cs-Te の何らかの化 な波長の光で測定している。300 nm 波長での QE 測定合物が生成されていることを示していると考えられる。 は Te 厚とはほぼ独立であることが解る。一方、その他の- 522 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 5: QE as a function of Te thickness in Angstrom.
The data for different wavelength in nm are shown.

波長では Te 厚との依存性が見て取れる。Te 厚 5 − 10 Å
にかけて急な QE 変化が観測できる。これは、表面 Te
厚 < 5 Å 領域では NEA-GaAs カソードとして機能するが、表面 Te 厚 > 10 Å 領域では表面の Cs2 Te により減衰されている、と説明できる。同様に、Te 厚 > 10 Å の場合、350 nm 以上の波長で Cs2 Te カソードが QE ∼ 0である事が解る。
こ れ ら の 測 定 か ら 、こ の 実 験 で GaAs 基 板 上 にCs2 Te(もしくはそれ以外の Cs-Te 化合物) が生成され、実効的な仕事関数を低下させ、GaAs 表面に NEA 活性を現実する事ができたと思われる。Te 厚の薄さに関し、物理的な解釈は難しい。GaAs 上の厚さと膜厚計の測定値は吸着率の違いによって異なるので、実際の厚さが異なっている可能性がある。膜厚計の測定値を正しいと仮定すると、Te 原子の半径は 1.4 Å なので、表面修飾層の厚さは非常に薄い。Te 厚 < 5.6 Å で GaAs バンドギャップ付近で有限の QE が観測されるが、Te 厚 0.8 Åとは表面に単原子分の被覆に足りていないと解釈できる。しかし、Fig. 4, Fig. 5 から Te 厚 > 10 Å の場合、低エネルギー領域で QE ∼ 0 である事が解る。ここから、
Te 厚 > 10 Å で 1.4 eV の光を十分吸収もしくは反射させてしまう、または電子脱出長により、表面 Cs2 Te 層を通過できない事が考えられる。

3.3

寿命測定Figure 6: QE spectra temporal evolution is shown. QE (5.6Te thickness) was measured as a function of photon energy
in several times. Each spectra shown with the solid circle,square, diamond, triangle, and open cross were taken at 0hour, 15 hours, 66 hours, 87 hours, and 120 hours after theactivation, respectively.
る必要がある。

4.

まとめ

Cs2 Te 薄膜を有する GaAs の NEA 活性化を実験的に検討した。洗浄した GaAs 表面上に Te と Cs を吸着させた。最大 QE を与える Cs-Te 厚の比率は様々な Te 厚でほぼ一定だった。この結果は、Cs-Te の化合物が GaAsの上に形成したことを示唆している。Cs-Te により活性化された GaAs 表面で、GaAs バンドギャップ付近に有限の QE が観測された事から、NEA 表面が形成されたことが強く示唆される。CsTe-GaAs は 3.5 eV 以上の高エネルギーの光には CsTe カソードとして、2.5 eV 以下の低エネルギーの光には NEA-GaAs カソードとして働くことが解った。Cs-Te 厚によって低エネルギー領域 QEが減少することから、光が表面で強く吸収または反射されている可能性を示唆する。もし、GaAs 表面に NEAを作る透明な層を開発できれば、強固な NEA-GaAs カソードを作成できる可能性が有る。

参考文献[1] M. Kuriki et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics

Figure 6 に QE のスペクトルの時間発展を示した。サResearch Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors
and Associated Equipment 637, S87 (2011), The Internaンプルは Te 厚 5.6 Å のものである。QE スペクトルはtional Workshop on Ultra-short Electron amp; Photon Beams:
蒸着直後 (0 時間後)、15, 66, 87, 120 時間後で取得した。
Techniques and Applications.
寿命は QE が 1/e になる時間と定義し、2.0 eV の励起光
[2] N. Chanlek et al., Journal of Physics D: Applied Physics 47,
で ∼ 100 時間、3.5 eV の光で ∼ 1000 時間となった。こ055110 (2014).
れは一般的な Cs-O によって NEA 活性された GaAs カ[3] J. Grames et al., Ion back-bombardment of gaas photocathソードの寿命と比較し、特別に長くはない。また、寿命
odes inside dc high voltage electron guns, 2005, Proceedings[8]は真空度やガスの種類に強く依存するので 、この観of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, PAC05, WPAP045.
点から、理想的な実験環境ではなかったと言える。定量的な比較を行うために、真空の状況をより厳密に制御す [4] H. Sonnenberg, Applied Physics Letters 14, 289 (1969).

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Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP039[5] H. Sugiyama et al., Journal of Physics: Conference Series
298, 012014 (2011).
[6] R. A. Loch, High harmonic generation and ion acceleration
with high-intensity laser pulses, Master’s thesis, Universityof Twente, 2008.
[7] K. Uchida, GaAs フォトカソードの CsTe 薄膜による NEA活性化の研究, Master’s thesis, Hiroshima University, 2015.
[8] K. Uchida, 2013, Bachoulor thesis, Hiroshima University.

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