JPH02234323A - 光電子放射体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は導電物質と半導体を接合させた構造の光電子放
射体に関するものである。

〔従来の技術〕

小さいエネルギーギャップを持ち、低い仕事関数を有す
る物質は発見されていない。その為、従来の長波長光に
感度を有する光電子放射体としては、例えば第４図ない
し第６図のものが知られている。

第４図はＧａ　Ａｓに対してＣｓＯ活性を行ったＮＥＡ
タイプの光電子放射面のエネルギーバンド図を示してい
る。同図において、符号４１はＰ形Ｇａ　Ａｓ半導体基
板を示し、符号４２はその表面に吸着によって接合され
たＣｓＯ化合物層を示している。ここで、Ｅｏは伝導帯
最上部エネルギーＥＦはフエルミエネルギー　Ｅｖは価
電子帯最下部エネルギー　Ｅｏは真空準位である。これ
によれば、表面準位とＣｓ　−０化合物層との接合によ
り、仕事関数の低下を図ることができる。

第５図はＧｅでＰＮ接合を形成し、ＣｓＯ活性を行った
タイプの光電子放射面のエネルギーバンド図である。図
示の通り、Ｐ形Ｇｅ半導体５１とＮ形Ｇｅ半導体５２は
ＰＮ接合されており、Ｐ型Ｇｅ半導体５１の接合の反対
側には電極（図示せず）が形成されている。また、Ｎ型
Ｇｅ半導体５２の接合と反対側（光電子放射面としては
表面側）には、電子放射あるいは光入射の妨げにならな
い程度の部分電極（図示せず）が形成されている。さら
に、Ｎ型Ｇｅ半導体５２の表面は、ＣｓＯ層の吸着によ
ってさらに表面障壁の低減が図られている。空乏層５３
は上記の接合およびバイアスによって形成される。これ
によれば、ＰＮ接合（或はショットキー接合）と逆バイ
アスとの作用により、実質的な仕事関数の低下を図るこ
とができる。

第６図は第５図のタイプよりもさらに長波長の光検出を
狙ったもので、同図はＩｎ　Ｇａ　ＡｓとＩｎＰを接合
させ、ＣｓＯ活性をした金属との間のショットキー接合
によって表面障壁の低下を図った光電子放射面のエネル
ギーバンド図である。

同図において、Ｐ形１ｎ　Ｇａ　Ａｓ半導体６１とＩｎ
Ｐ半導体６２は接合されており、半導体６１の接合とは
反対側には電極（図示せず）が形成されている。また、
半導体６２の接合の反対側には（光電子放射面としては
表面側）には、電子放射あるいは光入射の妨げにならな
い程度の部分電極（図示せず）が形成されている。さら
に、半導体６２の表面はＣｓＯ層の吸着によって、さら
に表面障壁の低減が図られている。上記の接合およびバ
イアスによって空乏層６３が形成される。これによれば
、小さなエネルギーギャップを持つ物質と大きなエネル
ギーギャップを持つ物質を、伝導帯に障壁がなるべく形
成されないように接合させ、さらに表面の障壁をバイア
スなどによって低下させることができる。

これら研究、実用化されているタイプの光電子放射体は
、いずれも半導体のバンド間遷移によって光電子を作り
、その光電子を様々な工夫によって低電子親和力の物質
中へと移行させ、外部電子放出させることを特徴として
いる。

ところで、光電子の発生を半導体のバンド間遷移による
のではなく、半導体と金属とのショットキー接合によっ
てできる障壁で実現している光検出器もある。ここでは
、ショットキー障壁を内部光電子放射することによって
光電子または正孔を作っており、長波長光に感度を有す
る検出器であるが、この検出器はいわゆるフォトダイオ
ードであって、この光電子を外部放射させた従来例は存
在しない。

〔発明が解決しようとする課題〕

先に述べたように、従来の光電子放射面では、光電子放
出の限界波長は半導体のエネルギーギャップで決まる波
長より長くならない。しかも、表面障壁が存在する場合
には、限界波長は表面の障壁分だけ短くなる。従って、
長波長光に感度を有する光電子放射面を構成しようとす
れば、小さなエネルギーギャップを持つ半導体を用いて
、先に述べたような方法で実質的な表面障壁を低下させ
る必要がある。

しかしながら、第４図に示される様なＣｓ　−０層を用
いて実質的な表面障壁を低減させたものでは、半導体は
極めて清浄な表面でなくてはならず、またＣｓ　−０層
との間で伝導帯にエネルギー障壁を設けることなく接合
させる必要がある。この技術は極めて高度であり、利用
できる半導体も極めて限られている。

第５図に示されるタイプの光電子放射面を形成するため
には、そのＰＮ接合は極めて高い耐圧特性が必要となる
。何故なら、光電子がＰＮ接合で得たエネルギーを保っ
て半導体表面から放出される為には、表面のＮ層と空乏
化した層との厚みは、光電子の平均自由行程以下でなく
てはならない。

すると、その薄い空乏化した層に、表面障壁を越えるだ
けの逆バイアス電圧を印加しなくてはならず、この電界
強度は極めて高《なる。従って、通常はツエナー降伏し
てしまい、逆バイアス電圧を印加できなくなってしまう
。また、一般にエネルギーギャップの小さな半導体ほど
ツエナー降伏し易く、長波長の光電子放射面をこの方法
で実現することを妨げている。また、ツエナー降伏しな
いまでも逆方向飽和電流の増加は、そのまま暗電流の増
加となるので、エネルギーギャップの小さなものでＰＮ
接合を形成した場合はこれが問題となる。この様に、こ
のタイプの光電子放射面を形成するのは難しく、実用的
でない。

第６図に示されるタイプの光電子放射面では、伝導帯に
障壁を作ることなく接合させることがポイントになる。

障壁があるとそれ以上のエネルギーを光電子が持つ必要
があるため、限界波長はその分だけ短くなる。一般に、
この障壁はかなり大きくなり、限界波長を赤外まで延ば
した組合せはほとんど存在しない。また、異種半導体接
合の界面には、一般に再結合中心ができ易く、光電子を
効率よく伝えることができない。従って、このタイプの
光電子放射面として実現されているのは、性質の極めて
よく似た半導体同士である。ここに示した例のように、
比較的性質の異なる接合の場合もあるが感度は低く、他
の多くは■一ｖ属半導体に同系列の３元４元素半導体を
接合させた場合などである。この場合、混晶比も限られ
ており、極めて高度技術を要するなど、多くの問題点が
ある。

これらの問題点は、光電子の発生を半導体バンド間遷移
に依っているため、エネルギーギャップの小さな半導体
を用いる必要があることと、表面障壁を下げることとを
、同時に行う必要があることに起因している。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光電子放射体は、一方の導電物質と他方の
半導体との間で半導体接合を有する構造であって、照射
光によって一方の導体物質から他方の半導体へ内部光電
子放出された光電子を、当該他方の半導体の厚み方向に
走行せしめたのち、当該他方の半導体の表面から外部光
電子放出させるように構成したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の光電子放射体では、光電子の発生は光電子放射
体内部に仕組まれた半導体接合での内部電子放出により
なされるために、外部光電子放出を行わせる機構を構成
する半導体はエネルギーギャップとは独立に選ぶことが
でき、従って長波長光に感度を有する光電子放射面の形
成を容昌にすることとなる。

〔実施例〕

まず、具体的な実施例の説明に先立ち、本発明の基本的
内容を説明する。

本発明の光電子放射体は、半導体接合における内部光電
子放出によって発生した光電子を、外部電子放出させる
構造としたことが特徴である。言い替えれば、従来、長
波長光に感度を有する光検出器として金属と半導体とを
接合させた冫ヨットキーフォトダイオードがあるが、こ
れは内部光電子放出のみを利用した検出器である。これ
に対し、本発明の光電子放射体は、この内部光電子放出
された光電子を、さらに外部電子放出させる構造になっ
ていることを特徴としている。その為、電子を電界加速
によって一方向へ運び、内部電子放出→電界加速一外部
電子放出と縦続接続させる構造を有する点にその本質が
ある。

本発明の光電子放射体は、半導体接合を有する構造をな
しており、界面にはエネルギー障壁が形成されている。

一方の導体物質に障壁よりもエネルギーの高い光が照射
されると、一方の導体物質の電子が、障壁を越えて他方
の半導体へと内部光電子放出される。光電子を受け入れ
た他方の半導体には、光電子を半導体の厚み方向に加速
して表面へと一方向に運ぶ為の電界が存在しており、表
面は実質的に負の表面障壁を持つ構造になっているため
に、この光電子は真空中へと外部光電子放出される。従
って、この場合には、光電子放射面の限界波長は、従来
のような、半導体のエネルギーギャップではなくて、半
導体接合の障壁の高さで決まる、という特徴がある。つ
まり、従来、長波長光に感度を有する光電子放射体を設
計しようとすれば、エネルギーギャップの小さな半導体
を必ず使う必要があったが、この光電子放射体ではその
必要がなく、障壁の高さ、すなわち、限界波長と表面障
壁の低減とを独立に考えることが可能である。また、障
壁の高さは、半導体接合の組合せを変えることにより変
化させることが可能である。

表面障壁を低下させるには、従来から知られている様々
な手法を用いることができる。この先電子放射体の場合
には、従来の手法における材料面での技術的困難性から
解放される。また、光電子を発生させるための半導体接
合は、半導体同士であっても良いが、半導体と金属のい
わゆるショットキー接合でも良い。さらには、接合に光
を入射するときに光を入れる方向は本質的ではなく、光
入射面と同じ面に外部光電子放出させるタイプ（いわゆ
る反射型）と、反対の面に外部光電子放出させるタイプ
（いわゆる透過型）のいずれも可能であるので、これら
の構造上の変形は、本発明の範囲に含まれるものである
。さらには、内部電子放射された光電子を誘導電流とし
て表面へ導き、表面の低電子親和層を利用して外部放出
してもよい。この発明の主旨は、内部電子放射された光
電子を外部放ｎ・Ｉさせる事にある。

次に、半導体と金属とをショットキー接合させた場合に
ついて、具体例を挙げてさらに詳しく本発明を説明する
。

第１図に示される第１実施例の光電子放射面は、実質的
に負の表面障壁を持つ半導体として、薄膜のｐ形Ｇａ　
Ａｓ半導体にＣｓ　−０を吸着させたものを用いたもの
である。すなわち第１図は、金属の上に薄膜の半導体を
形成し、表面をＣｓＯで活性することにより表面障壁を
低下させ、金属から半導体へ内部光電子放出された電子
を、効率よく外部光電子放出させる＄１”ｆｆ　造を有
した光電子放射面のエネルギーバンド図である。同図に
おいて、薄膜のｐ形半導体１２は例えばＧａ　Ａｓであ
り、その表面にはＣｓＯなどの吸着層］１によって表面
障壁が低減されている。また、裏面には金属１３が接合
されており、ここに内部光電子放出で越えるべき障壁を
形成している。

このｐ形半導体薄膜１１にＣｓ　−０を吸着させて実質
的に負の表面障壁を形成することは、ＧａＡｓ半導体で
は実現されており、そのエネルギーギャップで決まる波
長８　７　０　ｎｍまでの光に感度を有する光電子放射
面が得られている。金属１３の材料については、特に限
定はされない。なぜなら通常、特別な処理無しに半導体
と金属とを接合させれば、界面準位のためにできる障壁
の高さは金属には依らず、半導体のエネルギーギャップ
のほほ３分の１の高さになるためてある。従って、この
場合には、障壁の高さはＧａ　Ａｓのエネルギーギャッ
プ−１．４ｅＶの３分の１、すなわち０．４７ｅＶ程度
となり、限界波長は２．６４μｍになる。金属との接合
によって生じる障壁の高さを界面亭位ではなく、金属と
半導体との電子親和力の差によって決まるようにする材
月処理の方法もあり、この場合には、障壁の高さが所望
の高さになるような金属を選ぶことになる。ここでは、
光の入射と外部光電子放射される方向とが同じ而である
反射型の例を示したが、先述のように金属を半透明体の
薄層にするなとして、透過型の光電子放射体としても良
い。この点については、以下の例でも同様である。

第２図に示した第２実施例は、半導体として半絶縁性の
半導体基板（例えば半絶縁性のＧａ　Ａｓ基板）を用い
、表面にメッシュ状の電極を形成した場合の例である。

すなわち第２図は、金属とバイアスされた半絶縁性の半
導体が接合させることにより、金属から半導体へ内部光
電子放射された電子に半絶縁性半導体中の強電界によっ
て表面障壁以上のエネルギーを与え、効率良く外部光電
子放出させる構造とした光電子放射而のエネルギーバン
ド図である。同図において、強電界が印加された半絶縁
性半導体基板２１は例えばＧａ　Ａｓであり、金属２２
と接合されており、ここに内部光電子放出で越えるべき
障壁を形成している。また、表面には電極２３があり、
半絶縁性基板２１にバイアスを与えている。電極２３は
薄膜状やメッシュ状になっており、外部光電子放射の妨
げとならない。

半絶縁性基板を用いた場合に、半導体に十分に高いバイ
アイ電圧を印加することができるために裏面の金属２２
から内部光電子放出された電子（ｅ　　）は、ここで電
界加速されてホットエレクトロンとなり、表面にある障
壁を越えるだけのエネルギーを得て、真空中へ外部光電
子放出される。

この場合、ホットエレクトロンの平均走行距離よりも半
導体基板２１の通過に必要な距離の方が長いと、光電子
は消滅するため無駄となる。理想的には、０．１μｍ程
度以下の厚みが必要となるが、４００μｍ程度の厚い場
合でも充分に実用に耐える感度が得られている（感度：
　０．１ｍＡ／Ｗ，波艮：１２００ｎｍ）。利用する半
絶縁性の基板２１によっては、高電界による加速中にな
だれ増幅させることで光電子放射される電子の量を増加
することもできる。この為に必要な電界強度は、１　０
　０　Ｋ　Ｖ　／　ｃ　ｍ　〜５　０　０　Ｋ　Ｖ　／
　ｃ　ｍ程度であり、第２図の様に単一構造でこの電界
を発生させても良いが、必要な箇所に局所的電界を作る
ための別の接合を附加しても良い。この構造の光電子放
射面の限界波長も、先の例に挙げた光電子放射面の場合
と全く同じ原理で決まる。この例では表面にある電極を
メッシュ電極としたが、これは、電極中で光電子がエネ
ルギーを失うことな＜ＧａＡｓ基板２１にバイアス電圧
を印加するためであり、電子がエネルギーを失うことな
く透過できるほどに薄い場合には、特にメッシュ状にす
る必要は！．ｉい。また、電極はＡｆＩやＡｇ等の金属
に限られることもない。

第３図に示されている第３実施例は、実質的に負の表面
障壁を持つ半導体基板として、逆バイアスされたＰＮ接
合を持つ半導゛体を用いた場合の例である。すなわち第
３図は、金属とＰＮ接合された半導体とが互いに接合さ
れており、金属から半導体一・内部光電子放出された電
子にＰＮ接合中の強電界によって表面障壁以上のエネル
ギーを与え、効率よく外部光電子放出させる構造の光電
子放射面のエネルギーバンド図である。同図において、
逆バイアスされたｐｎ接合半導体３１は例えばＧａ　Ａ
ｓである。半導体３１の裏面には金属３２として例えば
Ａｕが接合されており、ここに内部光電子放出によって
越えるべき障壁が形成されている。

裏面の金属３２から内部光電子放射された電子は、逆バ
イアスにかかっているポテンシャルを得て、表面障壁を
越えて光電子放出される。先にも述べたように、一般に
小さなエネルギーギャップを持つ半導体を用いた場合に
は、接合の耐圧性が悪く電子に十分なエネルギーを与え
ることができないが、この光電子放射面の場合には小さ
なエネルギーギャップを持つ半導体を利用する必要もな
いために、耐圧がよい接合が得られ、表面障壁を越えて
電子を放出することが容晶になる。また、ツエナー降伏
しないまでも逆飽和電流の増加は、そのまま暗電流の増
加となるので、エネルギーギャップの小さなものでＰＮ
接合を形成した場合に比べて、本発明の光電子放射体は
暗電流の少ないものを形成できる利点がある。今、ここ
では、ＰＮ接合の例を示したが、接合はショットキー接
合で作っても同じであることは言うまでもない。限界波
長についても、先述の例と同じように決まることも言う
までもない。

以上に示した具体例は、金属と接合される半導体に実質
的に負の表面障壁を与える方法の例であり、従って本発
明はこれらの方法に限らず、どんな方法でも良い。本発
明の本質は、内部光電子放出されてきた電子を内部で加
速したのち、外部電子放出させる構造とした点にある。

［発明の効果］ 従来の手法による光電子放射面では、赤外域の感度を有
するものは作成が難しい。実験室レベルではかなり長波
長まで感度を有するものが報告されているが、実用にな
っているもので１μｍよりも長波長に感度があるのは、
Ｓ−１光電子放射面と呼ばれているＡｇ，０，Ｃｓから
成るものしかない。しかも、この感度も他の光電子放射
面が可視域に持つ感度と比べれば、極度に小さい。光電
子放射面を利用した光電子増倍管は、ノイズが少なく微
弱光検出には不可欠の存在となっているが、赤外域では
良好な光電子放射面が無いために、微弱光を用いた様々
な研究や実用化が遅れている。

現在、赤外域で使用されているＩｎ　Ｓｂ，Ｐｂ　Ｓ等
の内部光電型検出器は、その量子効率は１に近く感度の
高い検出器であるが、微弱光レベルでの光検出には適さ
ない。なぜならば、これらの内部光電型の検出器の多く
は、光導電型の動作で使用されており、暗電流が極めて
多い。そのため、出力信号中に含まれる微弱な光電流を
検出することは、極めて困難だからである。また、光起
電カ効果を利用した光検出器に於いても、取り出される
微弱な信号を取扱が容易な信号レベルにまで低雑音で外
部増幅することは難しい。なぜなら、増幅器で発生する
雑音が多いがらである。

それに比べて、本発明の光電子放出体を光電子増倍管に
応用すれば、検出効率こそ内部光電形検出器に比べて低
くなりがちであるが、極めて低雑音の２次電子増倍を利
用することができ、従って微弱光検出が可能となる。そ
のために、この発明によって、現在は可視域に限られて
いる微弱光域での様々な研究、デバイスを、そのまま赤
外域にまで拡げることができる。例えば、物性研究に於
いては、赤外域でのルミネッセンスを用いた不純物レベ
ルの研究などは、従来では発光検出器の感度が低く困難
であったが、それが可能となる。あるいは、撮像系との
組合せによって赤外域での微弱光カメラが出来る。微弱
光レベルでの熱物体の観察や、赤外線照射による暗視が
可能となる。さらには、電子放射で光を捕らえて、この
電子を偏向させることを利用するストリークカメラに応
用すれば、赤外域での最も速い光検出器が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１ないし第３実施例の
エネルギーバンド図、第４図ないし第６図は従来例のエ
ネルギーバンド図である。 特許出願人　　浜松ホトニクス株式会社代理人弁理士　
　　長谷川　　芳　　樹第ｌ実庚イ列 第１図 Ｍ２実ジテ驚ライタ１］ 第 図 ３ｌ！３莢友Ｉ列 第３図 ％Ｉｆ疋来例 第 図 手 続 争市正書 ′ｌ（件の表示 平成１ 発明の名称 年 特許願 第５４３３２号 光 電 子 放 射 体 補正をする者 小件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方の導電物質と他方の半導体との間で半導体接合
   を有する構造であって、照射光によって前記一方の導体
   物質から前記他方の半導体へ内部光電子放出された光電
   子を、当該他方の半導体の厚み方向に走行せしめたのち
   、当該他方の半導体の表面から外部光電子放出させるよ
   う構成されていることを特徴とする光電子放射体。 ２、前記他方の半導体中に内部光電子放出された光電子
   を、内部の厚み方向に電界加速し、ホットエレクトロン
   として外部光電子放出させるよう構成されていることを
   特徴とする請求項１記載の光電子放射体。 ３、内部電界強度を１００ＫＶ／ｃｍ以上として雪崩増
   倍を生起させるようになされたことを特徴とする請求項
   １記載の光電子放射体。 ４、外部光電子放出のための表面処理として、一種また
   は複数種類のアルカリあるいは、アルカリ酸化物をもっ
   て処理したことを特徴とする請求項２記載の光電子放射
   体。 ５、前記他方の半導体として半絶縁性または高抵抗の半
   導体基板を用いたことを特徴とする請求項２記載の光電
   子放射体。 ６、前記他方の半導体の厚みを０．１μｍ以下として高
   感度に構成した請求項５記載の光電子放射体。 ７、逆バイアス接合を設け、これを電界加速の一部とし
   て利用するように構成したことを特徴とする請求項２記
   載の光電子放射体。