JPH05282991A

JPH05282991A - 光電子放射面

Info

Publication number: JPH05282991A
Application number: JP7431092A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Mizushima; 宜彦水島; Toru Hirohata; 徹廣畑; Tomoko Suzuki; 智子鈴木; Tsuneo Ihara; 常夫渭原; Minoru Aragaki; 実新垣
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】光によって正孔が発生し、これをトリガとし
て電子放出がされる光電子放射面が提供される。【構成】本発明によれば、入射された光によって内部
陽極に正孔が生成され、これが半導体に注入される。す
ると、これがトリガーとなって内部陰極から半導体に電
子が注入され、内部陽極表面から外部放出される。ここ
で、放出電子量は正孔の発生量によりコントロールさ
れ、しかも雪崩増倍されるので、簡単な構造で高感度の
光電子放射面を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は入射された光に感応し、
電子を外部の真空中に放出する光電子放射面に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、アルカリ金属やアンチモンで
構成された光電子放射面が知られ、光電子増倍管などに
利用されている。また、ＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物
半導体で構成した光電子放射面も知られている。これら
従来の光電子放射面は、いずれも入射光によって直接に
光電子を生成させ、これを外部の真空中に放出するよう
になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の光電子放射面
は、いずれも感度において不十分であり、このため感度
増大のために種々の工夫がなされている。その一例とし
て、電子増倍により光電子を増倍することが提案されて
いるが、この場合には、光電子放射面の直前に雪崩増倍
領域を設けることが必要となり、構造が複雑化する。

【０００４】本発明は、このような従来技術を鑑みてな
されたもので、従来の光電子放射面に対する発想を全く
転換させたものである。すなわち、入射光によって光電
子を直接に生成するものでなく、入射光によっていった
ん正孔を生成し、この正孔をトリガーとして放出すべき
電子を間接的に導き出し、外部の真空中に放出させるこ
とにより、従来技術の有していた欠点を克服するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、光に
感応し、外部陽極に向けて電子を放出する光電子放射面
において、内部陽極および内部陰極からなる一対の内部
電極が設定された半導体と、一対の内部電極間の半導体
中に所定の電界を印加する電界印加手段と、内部陽極と
半導体の界面に光を照射する光照射手段と、この光照射
により内部陽附近極で生成した正孔を半導体に注入し、
内部陰極から半導体への電子の注入を促進する内部陰極
手段と、内部陰極から注入された電子を内部陽極の表面
から外部に放出させる放出手段とを備え、放出された電
子が外部陽極に捕獲されるようにしたことを特徴とす
る。

【０００６】

【作用】本発明によれば、入射された光によって内部陽
極附近に正孔が生成され、これが半導体に注入される。
すると、これがトリガーとなって内部陰極から半導体に
電子が注入され、内部陽極表面から外部放出される。こ
こで、放出電子量は正孔の発生量によりコントロールさ
れ、しかも雪崩増倍されるので、簡単な構造で高感度の
光電子放射面を実現できる。

【０００７】

【実施例】以下、添付図面を参照しつつ、本発明を実施
例にもとづき詳細に説明する。

【０００８】図１は、本発明の光電子放射面の最も基本
となる実施例の構造図である。図示の通り、半導体
１₁、例えばＧａＡｓのウエハーの上下に一対の電極を
形成し、これらを内部陽極２₁と内部陰極２₂とする。
電極材料については後で触れるが、この例では内部陰極
２₂、内部陽極２₁ともに、オーム性接合を持つＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕとする。内部陽極２₁は電子放射の妨げ
にならないように、また内部陽極２₁と半導体１₁の界
面に効率よく光が照射できるように充分に薄膜化されて
いる。

【０００９】内部陽極２₁と半導体１₁との界面には、
その接合がオーム性接合であろうとショットキー性接合
であろうと、必ずポテンシャル障壁が形成されている。
この障壁の高さは、接合の種類や材料半導体の種類にも
よるが、概ね半導体１₁のバンドギャップエネルギーの
１／２ないしは２／３である。この値が、この光電子放
射面の限界波長を決める。半導体１₁がＧａＡｓの場合
には、室温でのバンドギャップエネルギーは１．４３ｅ
Ｖであり、限界波長は１３００ｎｍないし１７００ｎｍ
程度になる。

【００１０】外部から内部陽極２₁と半導体１₁の界面
に光（ｈν）を照射すると、照射された光により内部陽
極２₁内では正孔が励起される。この熱い正孔のエネル
ギーは、照射された光エネルギーと同じエネルギーを持
つ為、照射光の光子エネルギーが先の障壁よりもエネル
ギーが高ければ、熱い正孔は障壁を越えて半導体１₁中
へ注入される。この正孔注入は、また別の手段によるこ
ともできる。そして、これに対抗して内部陰極２₂から
電子が注入される。半導体１₁には、両面に設けられた
電極２₁，２₂と電源４₃により電界が印加されている
ため、注入された電子は内部陽極２₁まで運ばれ、その
一部は真空中に放射されて外部陽極２₃に捕獲される。

【００１１】更にこの電子放射を増大させるためには、
以下に示すように内部陽極２₁の直前に於て、高電界に
よる雪崩を起こさせることが良い。その為に必要な条件
は、半導体１₁が半絶縁性ＧａＡｓのように高抵抗半導
体であること、またバイアス電界は平均電界として０．
５ｋＶ／ｃｍ程度以上の電界である事である。電界強度
の上限は特に限定する必要はないが、低い平均電界で動
作することが本発明の特徴であることや、他の現象との
区別を明確にする事を考慮して、２．５ｋＶ／ｃｍ以下
とする。

【００１２】高抵抗半導体１₁に、この程度の高電界を
印加した時には、内部陽極２₁の近傍には電界の集中が
生じていることが、本発明者の研究により判明してい
る。内部陽極２₁付近に存在する高電界領域に過剰の電
子と正孔を注入すると、半導体１₁の抵抗率を低下させ
る。

【００１３】電極２₁，２₂間に一定のバイアス電圧が
印加されていると、半導体１₁中の抵抗率が減少し、そ
の領域の電界は減少する。内部陽極２₁付近の電界強度
は、逆にその分だけ電界が増加する。この様にして、内
部陽極２₁付近で注入電子による雪崩増倍が生じるよう
になる。結果として、内部陰極２₂から注入された電子
は、半導体１₁中の電界により内部陽極２₁へ運ばれ、
内部陽極２₁近傍で更に雪崩増倍され、また加速されて
ホット電子なる。

【００１４】内部陽極２₁表面は、Ｃｓ等のアルカリ金
属、或いはアルカリ酸化物の層３_１で覆われており、半
導体１_１から見た真空障壁を低下させている。従っ
て、内部陽極２₁へ運ばれた電子は容易に真空中に放射
され、外部陽極２₃に捕獲される。これが、本発明の光
電子放射面の基本的な動作である。

【００１５】以上の動作メカニズムを、エネルギーバン
ド図上で描くと図２の様になる。同図（ａ）は、光照射
により内部陽極２₁から正孔５₄が注入された直後のポ
テンシャル図である。すなわち、光（ｈν）によって内
部陽極２₁で電子５₁と正孔５₂のペアが発生し、正孔
５₄が半導体１₁に注入されている。

【００１６】同図（ｂ）は、注入により雪崩増倍が誘発
され多量の正孔が発生し、また内部陰極から電荷の中和
の為に電子が注入されている動作状態のポテンシャル図
を描いている。すなわち、雪崩増倍領域５₅で多数の電
子・正孔対が発生し、このうちの正孔が内部陰極２₂へ
流れる。これに対応して、内部陰極２₂から多数の電子
５₃が半導体１₁に流れ込んでいる。

【００１７】このさい、雪崩領域で正孔が発生し、これ
が上記したような陽極から陰極方向への正孔注入の役割
を果たすことによって、全体の増加した電流が流されて
いる。ここに、さらに光照射による追加電流が加わるこ
とで、さらに電流が増加するので、これが光電流利得と
なる。このように、正孔電流は、雪崩より発生するもの
と陽極より発生するものとがあり、共に陽極附近で発生
するので、区別がしにくい。本文では代表的に陽極から
注入するものとして記述した。

【００１８】以上の説明から分るように、半導体１₁に
電界を印加し、内部陽極２₁に光を照射することが本発
明光電子放射面の動作の基本である。また、先の実施例
では、内部陰極２₂からの電子注入に関しては、特に妨
げがないものとして扱った。しかし、内部陽極２₂と高
抵抗半導体１₁との界面に存在するポテンシャル障壁が
妨げになる場合がある。この場合において、光を内部陰
極２₂と半導体１₁の界面にも照射することが光電感度
の増加に助けとなる。すなわち、内部陰極２₂において
も内部陰極２₁と同様に内部光電子放射により電子の注
入を行ない、電子注入律速を取除けるからである。

【００１９】光照射の手段を工夫することにより、様々
なタイプの光電子放射面を構成できる。以下、これを図
３〜図６により説明する。

【００２０】例えば、上記の説明による光電子放射面の
構成では、半導体１₁は内部陽極２₁と内部陰極２₂と
のダイオード構成を成しているが、内部陽極２₁を２分
し、別のバイアスのもとで３極構成とし、光正孔注入用
の陽極２₄と、光電子放射用の内部陽極２₁とに分けて
動作させることもできる（図３）。図示の通り、内部陽
極２₁には電源４₃が接続され、正孔注入陽極２₄には
電源４₄が接続されている。

【００２１】電子放射の為の開口率を増加させるため
に、薄膜化されていた内部陽極２₁を、メッシュパター
ンなどの部分電極に変更することも良い。この場合に
は、内部陽極２₁が厚いと、電極開口部の極く周辺部分
の電極界面部分にしか光が照射されないために、やはり
内部陽極２₁薄膜化してやる必要がある。しかし、照射
する光として、半導体１₁のバンドギャップエネルギー
に相当する波長よりも長波長光の場合には、事情は全く
異なる。

【００２２】この場合の構造図が図４である。この場合
には、内部陰極電極２₁の合間より半導体１₁に照射さ
れた光ｈνは、高抵抗半導体１₁を透過するため裏面の
内部陰極電極２₂で反射され、内部陽極２₁と半導体１
₁の界面に光が照射されることになる。従って、この場
合には、内部陽極２₁は特に薄膜化されていなくてもよ
い。

【００２３】さらには、半導体１₁のウエハー側面から
照射してもよい。この例を図５に示す。一方の側面から
入射された光は他方の側面で反射され、内部陽極２₁と
半導体１₁の界面に照射される。この構成の場合には、
同一の半導体ウエハー上に構成された半導体レーザーか
らの光により電子放射を行なうデバイスに適する構造で
ある。

【００２４】さらには、内部陰極２₂側から光を照射す
ることも可能である。この場合には、内部陰極２₂が光
透過の為に薄膜化されているか、メッシュ電極状になっ
ている必要がある（図６）。

【００２５】本発明で用いる電極について述べておく。
先ず内部陰極２₂については、半導体１₁に正孔が注入
された時、これを中和する電子が容易に内部陰極２₂か
ら半導体１₁中へ注入されなればならない。この為、内
部陰極２₂の材料としては、電子ブロックにならないオ
ーム性接合材料が適する。この様な材料としては、Ａｕ
Ｇｅ，ＡｇＩｎＧｅ，ＡｕＳｎ等を主とする合金金属が
挙げられる。更にはＮ⁺薄層を介した金属電極でも良
い。

【００２６】更に、前述のように光を内部陰極２₂、内
部陽極２₁ともに照射を行なう場合においては、内部陰
極２₂を電子ブロッキング電極、すなわちショットキー
性電極にしても良い。この方が、暗電流が低く抑えられ
るからである。ショットキー性接合を持つ金属として
は、例えばＡｕ、Ａｌ、ＷＳｉ，ＴｉＰｔＡｕが挙げら
れる。

【００２７】内部陽極２₁については、別の観点から最
適な電極材料が決定される。内部陽極２₁から半導体１
₁への正孔注入の為に適する電極材料としてはショット
キー性電極材料が適す。この方が正孔に対するポテンシ
ャル障壁は低下するからである。しかし、このショット
キー性接合を用いた時には、半導体１₁から見た真空準
位、つまり電子親和力は増加するために、電子放射を妨
げることになる。オーム性接合を用いた場合には、正孔
の注入が幾分妨げられるが、電子放射の妨げにはならな
い。従って、内部陽極２₁の材料としては、どちらも使
用することができる。

【００２８】半導体１₁がｎ型半導体基板の場合には、
内部陰極２₂はオーム性電極であるため、内部陽極２₁
はｎ⁺型電極が好ましい。内部陽極２₁は、暗電流を少
なくするためにバイアスによって注入状態を制御できる
ようにされたｐｎ接合か、またはショットキー接合など
の種々のものを使用できる。また、光照射により正孔を
注入するときのポテンシャル障壁を低下させ、長波長側
の限界波長を延ばすために、このｐｎ接合をヘテロ接合
とすることもできる。

【００２９】図７にこの実施例の構造図を、図８にはエ
ネルギーバンド図を示す。半導体１₁上には、これとは
異なるバンドギャップエネルギーをもつ別の半導体１₂
が形成され、その上に内部陽極２₁が形成され、さらに
アルカリ金属あるいはその酸化物からなる吸着層３₁が
形成される。この構造において、光（ｈν）の入射によ
り内部陽極２₁で電子５₁とペアの正孔５₂が発生する
と、半導体１₁に注入される。すると、雪崩増倍領域５
₅で多数の電子・正孔ペアが発生し、正孔は内部陰極２
₂へ注入され、電子が内部陽極２₁から外部放出され
る。小さなエネルギーギャップを持つ半導体１₂の接合
を、内部陰極２₂側にも形成し、光による電子注入の助
けを、より長波長側まで持たすこともできる。

【００３０】先に述べたように、本発明の光電子放射面
の長波長限界は、内部陽極２₁と半導体１₁との間に形
成されるポテンシャル障壁の大きさにより決定される。
ポテンシャル障壁はバンドギャップエネルギーが小さい
ほど小さくなるために、半導体１₁としてはできるだ小
さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体を用いるこ
とがよい。この様な試みとしては、半導体１₁の全てを
小さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体で置き換
えることも良いが、図７の様に陽極の直前だけ別の半導
体１₂で置き換えることも良い。全体としては、大きな
バンドギャップエネルギーをもつ半導体１₁で構成され
るために、暗電流が低く抑えられることと、高抵抗の半
導体１₁が容易に利用できる等のメリットが大きいから
である。または、ショットキー障壁高を、金属と高抵抗
半導体との組合わせで選択することもでき、これらの選
択材料も本願特許の範囲に含まれるものである。

【００３１】次に半導体１₁の抵抗率について触れてお
く。本発明の光電子放射面の機構では、光照射により正
孔が注入され、その中和の為に電子が注入されて初めて
真空への電子放射が生じる。電荷の中和には、ある程度
の時間が必要で、誘電緩和時間と言われている。誘電緩
和時間τ＝εε₀／σで決定される。ここにε、ε₀は
半導体の比誘電率、真空の誘電率である。またσは、半
導体の導電率である。従って、半導体１₁が余りにも高
抵抗の場合には、この光電子放射面の応答速度は極めて
遅くなる。これを解決するには、キャリアの内部電極間
の走行時間を誘電緩和時間τよりも短くする必要があ
る。そのため内部電極間の間隔は８０μｍすることがよ
い。

【００３２】又、応答性を得るために導電率を高めるこ
とは、本発明で応用している陽極への電界集中手段を用
いることができなくなるため、意味を成さない。従っ
て、本発明の光電子放射面に用いる半導体１₁のキャリ
ア濃度は、１０¹⁴ｃｍ^-3以下であることが望ましい。応
答速度の問題を別とすれば、本発明で用いる高抵抗半導
体は、半絶縁化されたものでもよく、そのキャリア補償
の為に含まれている不純物の影響はないことが判明して
いる。キャリア補償により半絶縁化された半導体の例と
しては、Ｃｒ：ＧａＡｓ、ＣｒＯ：ＧａＡｓ、Ｆｅ：Ｉ
ｎＰ等が挙げられる。

【００３３】更に本発明の特徴として、２次元状に空間
分布を持つ光を照射した時、その空間分布を保存しなが
ら電子放射を行なうことができることが挙げられる。本
発明で用いられる半導体の抵抗率が高く、電界が平行に
印加されているために、半導体ウエハーの横方向への電
荷のやり取りは殆ど無いからである。

【００３４】この様に、本発明はこれまでのものとは全
く異なる光電子放射面であり、簡単な構造で、長波長に
対しても感度を有し、しかも雪崩増倍により高い感度を
有する光電子放射面である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、入射された光によって
内部陽極に正孔が生成され、これが半導体に注入され
る。すると、これがトリガーとなって内部陰極から半導
体に電子が注入され、内部陽極表面から外部放出され
る。ここで、放出電子量は正孔の発生量によりコントロ
ールされ、しかも雪崩増倍されるので、簡単な構造で高
感度を実現できる。

【００３６】このため、本発明の光電子放射面では、光
照射、特に赤外光によって発生した光電子を、効率良
く、しかも増倍させて電子放射を行なうことが出来る。
また、構造が簡単である事、２次元分布を保存できるこ
と等にも特徴がある。長波長領域に於ける良い光電子放
射面が実現されていない現在、本発明の光電子放射面の
応用範囲は広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る光電子放射面の構造図。

【図２】図１に対するエネルギーバンド図。

【図３】内部陽極を、正孔注入用陽極と電子放射用電極
とに二分した場合の、本発明の実施例に係る光電子放射
面の構造図。

【図４】内部陽極をメッシュ状にした実施例の光電子放
射面の構造図。

【図５】基板側壁から光照射を行なうようにした実施例
の光電子放射面の構造図。

【図６】内部陰極から光照射を行なうようにした実施例
の光電子放射面の構造図。

【図７】ヘテロ接合により限界波長を延す工夫を行なっ
た実施例の光電子放射面の構造図。

【図８】図７に対するエネルギーバンド図。

【符号の説明】

ｈν…照射光、Ｅ_c…伝導帯、Ｅ_v…価電子帯、Ｅ_vac
…真空準位、１₁…半導体基板、１₂…異なるバンドギ
ャップエネルギーをもつ半導体、２₁…内部陽極、２₂
…内部陰極、２₃…外部陽極、２₄…正孔注入専用内部
陽極、３₁…アルカリ金属、アルカリ酸化物の陽極表面
の吸着層、４₁…電流計、４₂…外部引き出し用電源、
４₃…半導体内部バイアス電源、４₄…正孔注入制御用
電源、５₁…励起電子、５₂…励起正孔、５₃…注入電
子、５₄…注入正孔、５₅…雪崩増倍領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渭原常夫静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者新垣実静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光に感応し、外部陽極に向けて電子を放
出する光電子放射面において、内部陽極および内部陰極からなる一対の内部電極が設定
された半導体と、前記一対の内部電極間の前記半導体中に所定の電界を印
加する電界印加手段と、前記内部陽極と前記半導体の界面に光を照射する光照射
手段と、この光照射により前記内部陽極附近で生成した正孔を前
記半導体に注入し、前記内部陰極から前記半導体への電
子の注入を促進する内部陰極手段と、前記内部陰極から前記半導体に注入された電子を前記内
部陽極の表面から外部に放出させる放出手段と、を備え、前記放出された電子が前記外部陽極に捕獲され
るようにしたことを特徴とする光電子放射面。
【請求項２】前記光照射手段が前記内部陽極と前記半
導体の界面および前記内部陰極と前記半導体の界面の双
方に光を照射するよう構成されていることを特徴とする
請求項１記載の光電子放射面。
【請求項３】前記半導体が、キャリア濃度が１０¹⁴ｃ
ｍ^-3以下の高抵抗半導体であることを特徴とする請求項
１または２記載の光電子放射面。
【請求項４】前記高抵抗半導体が、半絶縁性であるこ
とを特徴とする請求項３記載の光電子放射面。
【請求項５】前記高抵抗半導体が、ＧａＡｓまたはＩ
ｎＰを主体とする化合物半導体であることを特徴とする
請求項３記載の光電子放射面。
【請求項６】前記電界印加手段による電界が、０．５
ｋＶ／ｃｍ以上であって２．５ｋＶ／ｃｍ以下となるよ
う構成されていることを特徴とする請求項１または２記
載の光電子放射面。
【請求項７】前記内部陽極または前記内部陰極の少な
くとも一方が、オーム性電極であることを特徴とする請
求項１または２記載の光電子放射面。
【請求項８】前記内部陽極の直前の前記半導体に、障
壁接合が設けられその高さを調整できる接合材料が選ば
れていることを特徴とする請求項１または２記載の光電
子放射面。
【請求項９】前記接合が、半導体のヘテロ接合により
構成されていることを特徴とする請求項８記載の光電子
放射面。
【請求項１０】前記光照射手段による光が、前記半導
体のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも長
波長であることを特徴とする請求項１または２記載の光
電子放射面。
【請求項１１】前記光照射手段による光の照射と前記
放出手段による電子の放出とが、共に前記内部陽極にお
いてなされることを特徴とする請求項１または２記載の
光電子放射面。
【請求項１２】前記放出手段による電子の放出が、前
記光照射手段による光の照射面とは異なる面でなされて
いることを特徴とする請求項１または２記載の光電子放
射面。
【請求項１３】前記内部陽極の表面に、アルカリ金属
またはアルカリ金属の酸化物が堆積されていることを特
徴とする請求項１または２記載の光電子放射面。
【請求項１４】前記内部陽極が、前記光照射手段から
の光により正孔を生成させる第１の内部陽極と、その直
前に雪崩増倍領域を有して前記放出手段による電子放出
をさせる第２の内部陽極とを含んで構成されていること
を特徴とする請求項１または２記載の光電子放射面。
【請求項１５】前記内部陽極と内部陰極との間が８０
μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載
の光電子放射面。