JPH02260349A - 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〕 本発明は深いレベルの不純物準位を有する半導体を用い
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、ＥＣは伝導帯
最上部エネルギーＥ　はフェルミエネルギー　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、表面学位と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、Ｃｓ０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１１　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ＩｎＧａＡｓ半導体６１とＩｎＰ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Ｃｓ０層の吸着によりて、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ょ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骨だけ短くなる。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
強度は極めて高くなる。従って、通常はツェナー降伏し
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はど
ツェナー降伏し易く、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、ツェナー降伏しな
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■−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、深いレベルの不純物準位
を含む半導体を用いた構造であって、照射光によって上
記半導体の深いレベルの不純物準位から伝導帯へ励起さ
れた光電子を、当該半導体の厚み方向に走行せしめたの
ち、当該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。

〔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
体を形成している半導体の不純物皇位の光励起にあるた
め、限界波長は用いる半導体のエネルギーギャップでは
なくて不純物準位で決まり、外部光電子放出を行わせる
機構を有する半導体は限界波長とは独立に選ぶことがで
き、長波長に感度を有する光電子放射面の形成を容易に
する。

〔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、高密度の深いレベルの不純物
準位を有する半導体に光照射がされた時、この不純物準
位から伝導帯へと励起された光電子を、外部電子放出さ
せる構造となっていることが特徴である。言い替えれば
、従来、長波長に感度を有する光検出器として、半導体
へ不純物をドープしこの不純物準位からの励起を利用し
た不純物光導電セルがあるが、これは内部光導電特性の
みを利用した検出器であり、本発明の光電子放射体は、
この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。その為に、光電子を電界加速
によって一方向へ運び、不純物準位からの光励起→電界
加速−外部電子放出と縦続接続させる構造を有している
ことに本発明の本質がある。

本発明の光電子放射体は、高密度の深いレベルの不純物
準位を含む半導体を用いている。深いレベルの不純物準
位から伝導帯へと励起するに足りるエネルギーを持った
光がこの半導体に照射されると、上記の不純物準位から
伝導帯へ励起され光電子となる。本発明で考える不純物
準位とは、いわゆる深い準位であって、キャリア補償型
になるようなもの、即ちエネルギーギャップの中間位置
にあるものを指すものとする。これに対し、浅い準位は
単なるドナー　アクセプターであって本発明の不純物準
位とは関係がない。

上記したように、深い不純物準位によってキャリア補償
した半導体では、フェルミ準位がギャップの中央即ち当
該不純物準位とほぼ一致するようになるので、準位はか
なりの部分が必ず占有されている。従って、光照射によ
って電子が励起されることになる。光電子励起断面積に
ついては、従来のように価電子帯からの励起よりは小さ
いのが欠点であったが、本発明においては励起断面積が
小さくても半導体の厚さを増すことにより、これを補う
ことができる。発生する光電子の飛程の問題については
、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いるので、これを
解決することができる。

また、表面は実質的に負の表面障壁を持つ構造になって
いるので、この電子は真空中へ外部光電子放出される。

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、不純物準位
から伝導帯へ光励起するに必要なエネルギー（すなわち
不純物準位との伝導帯とのエネルギー差）で決まる、と
いう特徴がある。そのため、従来、長波長に感度を有す
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、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。

表面障壁を低減させるには、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。また、光電子を発生させ
るための不純物準位を含む半導体には、それ自身に電界
加速する等の実質的に表面障壁を低減させる働きを持た
せても良いが、表面障壁を低減させる機構を有した別の
半導体との接合にしても良い。さらには、不純物準位を
含む半導体に光を入射するときの入射方向は本質的では
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、本発明に含まれるものであ
る。

次に、半導体の不純物準位からの励起を用いた光電子放
射体について、具体的に高密度の不純物準位としてＣ「
をドープされた半絶縁性Ｇａ　Ａｓを例にしてさらに詳
しく説明する。

第１図により、本発明の光電子放射面の第１実施例を説
明する。同図は、高密度の不純物準位を含む半導体の表
面をＣｓＯで活性することにより表面障壁を低下させ、
不純物準位から励起された光電子を、効率よく外部光電
子放出させる構造を有している光電子放射面のエネルギ
ーバンド図である。図において、符号１１は高密度不純
物準位を含む薄膜の半導体（例えば半絶縁性Ｇａ　Ａｓ
　）であり、その表面はＣｓＯなどの吸着層１２によっ
て表面障壁が低減されている。図中の点線は不純物準位
を示し、この準位の電子が光照射によって伝導帯Ｅ　の
最下部に励起され、厚み方向に運ばれた後に真空準位Ｅ
　へ放出される。なお、図中のＥ　は価電子帯最上部の
エネルギーである。

■ 第１図に示される光電子放射面は、実質的に負の表面障
壁を持つ半導体として、薄膜の半絶縁性の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
。半絶縁性Ｇａ　Ａｓ基板は、Ｇａ　Ａｓ単結晶を作成
するときに自然にできてしまう浅い準位を補償するため
に、多くの深い準位の不純物がドープされている。例え
ば、この第１図の例のようにＣｒがドープされている。

この場合には、Ｇｒの不純物は伝導帯の下部から０．６
４ｅＶのところに準位を作るため、光励起の限界波長は
１．９４μｍとなる。半絶縁性のＧａ　Ａｓには、Ｃｓ
　−０の吸着層が接合されているため深さ方向の表面側
に光電子を運ぶ電界が生じており、Ｃｓ−０から光電子
放射される。但し、半絶縁性Ｇａ　Ａｓ基板を用いてい
るために、ｐ−Ｇａ　Ａｓを用いた時よりも発生する電
界が弱く、表面障壁が幾分か残る。そのため、光電子放
射の限界波長は光励起の限界波長よりも短くなる。ここ
では、光の入射と外部光電子の放射される方向とが同じ
面である反射型の例を示したが、先述のように透過型の
光電子放射体としても良い。以下の例でも同様である。

次に、本発明のＴ５２実施例の光電子放射面について詳
しく説明する。

第２図は、高密度の不純物を含む半導体とその準位から
の光励起によって作られた光電子をホットエレクトロン
として電子放出させる構造を、同一の半導体に組み込ん
だ光電子放射面の例に於けるエネルギーバンド図である
。符号２１は高密度の不純物準位を含む高抵抗半導体基
板（例えば半絶縁性Ｇａ　Ａｓ半導体基板）であり、点
線の不純物準位から伝導帯Ｅ　へと励起された光電子は
、半導体基板２１中で加速されたホットエレクトロンと
なり、表面障壁を越えて真空準位Ｅ　へ電子放出される
。電極２２．２３は半導体基板２１へ加速電界を与える
ためのもので、このうち電子放出される表面側の電極２
３は薄膜状やメツシュ電極となっており、電子放射の妨
げなとならないような構造になっている。

上記のように第２図に示した例は、不純物準位から光電
子を発生させる為の半導体と、その光電子を厚み方向に
加速して表面表面障壁を越える構造にするための半導体
とを、同一の半絶縁性ＧａＡｓ半導体基板に形成させた
例である。半絶縁性基板を用いた場合には、半導体に充
分に高いバイアス電圧を印加することができるために、
この基板中で不純物準位から励起された光電子は、ここ
で電界加速されて表面に到達し、真空中へと外部光電子
放出される。用いる半絶縁性の基板によっては、高電界
加速中になだれ増幅され、光電子放射される電子の量を
増すこともできる。この電界は、同時に深い不純物準位
からの光励起を援助することになるので、光電子効率を
向上させるのにも有利である。この為に必要な電界強度
は１００Ｋ　Ｖ　／　ｃ　ｍ以上５００　Ｋ　Ｖ　／　
ｃ　ｍ程度であり、この第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。この第２実施例では表面にあ
る電極をＡｇやＡｇ、ＴＩ等のメツシュ電極としたが、
これは、電極中で光電子がエネルギーを失うことなく　
Ｇａ　Ａｓ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、上記電極をメツシュ状にする必要はない。また、
電極は金属に限られることもない。

次に、本発明の光電子放射面の第３実施例を説明する。

第３図は高密度の不純物準位を持つ半導体の不純物準位
から励起された光電子を加速してホットエレクトロンに
するために、不純物準位を持つ半導体に逆バイアス接合
を形成させた光電子放射面のエネルギーバンド図である
。同図において符号３１は高密度の不純物準位を持つ半
導体（例えば半絶縁性Ｇａ　Ａｓ　）基板である。基板
３１の表面にはｎ型半導体（例えばｎ形ＧａＡｓ）３Ｂ
が接合されており、ここに逆バイアス接合が形成されて
いる。図中の°点線は不純物準位を示しており、この準
位の電子が光照射に依って伝導帯Ｅ　へ励起され、この
光電子は逆バイアス接合にかがる電界によってホットエ
レクトロンとなり、表面障壁を越えて真空準位Ｅ　へ放
出される。電極３２゜３４半導体へバイアス電圧を与え
るためのもので、このうち電子放出される表面側の電極
３４は薄膜状やメツシュ電極となっており、電子放射の
妨げとならないような構造になっている。

第３図に示されている例は、実質的に負の表面障壁を持
つ半導体基板として、逆バイアス接合を持つ半導体を用
いた場合の例である。すなわち、逆バイアス接合はＣ「
の高密度不純物準位を含む半絶縁性ＧａＡｓ基板と、ｎ
形Ｇａ　Ａｓとによって構成した例である。Ｃ「の不純
物準位から光励起された光電子は、逆バイアス接合にか
かつ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
耐圧特性が悪く電子に充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
ルギーギヤ、ノブ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易になる。また、ツェナー降伏しな
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。従って、
冷却の必要が少な（なり室温でも使用しうる。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。

以上に示した実施例は、高密度不純物準位を含む半導体
として半絶縁性のＧａ　Ａｓを利用した例ばかりである
が、高密度不純物準位を含むものであればどんな半導体
でも良い。また、不純物準位から励起された光電子を効
率よく外部光電子放出させるための実質的に負の表面障
壁を与える方法の例は、これらの方法に限られずどんな
方法でも良い。本発明の本質は、不純物準位から励起さ
れた光電子を内部で加速したのちに外部電子放出させる
構造を有した光電子放射体である。

〔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く、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、Ｏ，Ｃｓ
からなるものしかない。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
微弱光検出にはなくてはならない存在となっているか、
赤外域では良い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が遅れている。現在、赤外域で使
用されているＩｎＳｂ。

ＰｂＳ等の内部光電型光検出器は、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
出には向かない。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、その中に含まれる微弱な光電
流を検出することは困難だからである。

また、光起電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。

増幅器で発生する雑音が多いからである。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７は子増倍を利用すること
が出来、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、従来は光検出器の
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
ができる。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
エネルギーパン 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、深いレベルの不純物準位を含む半導体を用いた構造
   であって、照射光によって前記半導体の深いレベルの不
   純物準位から伝導帯へ励起された光電子を、当該半導体
   の厚み方向に走行せしめたのち、当該半導体の表面から
   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、前記半導体としてＧａＡｓ、ＩｎＰまたはこれらの
   金属間化合物を用いたことを特徴とする請求項１記載の
   光電子放射体。 ３、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１記載の光電子放射体
   。 ４、前記深いレベルの不純物準位から伝導帯に励起され
   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。 ５、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
   ４記載の光電子放射体。 ６、前記半導体としてキャリア補償不純物準位を含む半
   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４記載の光電子放射体。 ７、前記光電子を加速する半導体の厚みを ０．１μｍ以下とした請求項６記載の光電子放射体。 ８、前記半導体の内部に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４記載の光電子放射体。