JPH0533486B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光電面または２次電子増倍管等に適
用される電子放射用陰極に関する。

（従来の技術） ヒ化ガリウムやヒ化インジユウム・ガリウムな
どに代表される−属化合物半導体やシリコン
に代表される属半導体を材料とする半導体結晶
ウエーハは、その表面をアルカリ金属、もしく
は、アルカリ金属と酸素で活性すると、大きな光
電子または２次電子放射効率を与えるため、光電
陰極または電子増倍管等の電子放射用陰極に賞用
されている。

光電子放射現象と２次電子放射現象の違いは、
電子放射をおこさせるものが入射光によるもので
あるか、入射電子によるものであるかであり、基
本的に多くの共通性を持つている。

そこで、主に光電子放射用陰極を例にして電子
放出の機構を説明する。

光電子放射現象は、以下に述べる３過程を経て
行われる。

(1) 光電子放射用陰極での光吸収による陰極内の
電子の励起過程、 (2) 励起電子の放射面への移動過程、 (3) 放射面からのこの電子の脱出過程、 なお前述の(1)の過程により励起された電子のう
ち放射面からあまり遠い所で発生した励起電子は
移動過程で放射面に達する前にそのエネルギーを
失い光電子放出に寄与できない。

すなわち脱出距離より遠い場所で発生した励起
電子は放射面に達せず光電子放射に寄与しない。

したがつて、光電子放射効率すなわち量子効率
を大きくするには、陰極での光吸収を大きくし、
かつこれを放射面から見て脱出距離以内でおこさ
せることが必要である。

第７図は、従来の光電子または２次電子放射用
陰極の例を示す斜視図である。

第８図は、前記光電子または２次電子放射用陰
極における光電子放射の機構を説明する拡大断面
図である。

従来の光電子放射用陰極に用いられている半導
体結晶ウエーハは、第７図に示されるような平板
状の形状をしている。

第８図に示すように、検出すべき光である入射
光１がこのような形状の光電子放射用陰極の表面
６に入射した場合について考える。

入射光の一部はこの表面で反射され反射光２と
なり再び光電子放射用陰極に入ることなく散逸す
る。そのため、この反射光２は光電子放射に寄与
しない。

また、光電子放射用陰極５内に侵入した光３
は、陰極内の電子４ａおよび４ｂを励起する。

入射面を光電子の放出面としているため脱出距
離（＝拡散長）より深い場所で発生した励起電子
４ｂは光電子放出に寄与できない。

２次電子放射用陰極においても、同様に入射１
次電子の一部は陰極の表面で反射され２次電子放
射に寄与しない。

また脱出距離より深い場所で発生した励起電子
は２次電子放出に寄与できない。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のような理由から、従来の光電子または２
次電子放射用陰極では、表面で反射する入射光ま
たは１次電子が存在すること、および脱出距離よ
り深い場所で発生した励起電子が表面に到達する
ことができず電子放出に寄与できない構造となつ
ており、これらが量子効率を低下させている。

本発明の目的は、前記量子効率を低下させる原
因となつていた部分を電子放出に寄与させるよう
にして量子効率を改善した光電子または２次電子
放射用陰極を提供することにある。

（問題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による光電
子または２次電子放射用陰極は、光あるいは１次
電子の入射面に多数の凸条を設け、前記凸条の幅
をほぼ内部で発生させられた電子の拡散長にして
構成されている。

そして前記入射面はアルカリ金属、もしくはア
ルカリ金属と酸素で活性化されている。

このような形状により、半導体結晶ウエーハ表
面に入射した光もしくは１次電子に対する反射率
を実効的に小さくし、また入射面とは異なる面か
らも、励起発生した光電子または２次電子を放出
可能にしてある。

前記光電子放射用陰極は、反射形の光電陰極と
して、また２次電子放射用陰極は、光電子増倍管
もしくは電子増倍管のダイノードとして使用され
る。

（実施例） 以下図面等を参照して本発明をさらに詳しく説
明する。

第１図は本発明による光電子放出用陰極の実施
例を示す斜視図である。

半導体結晶ウエーハ（GaAs）の光入射面に第
１図に示すように多数の溝を設ける。

この実施例の溝の幅の深さは略3μm、頂面の幅
は1μmである。

このような加工は、通常の半導体加工技術、ホ
トリソグラフイあるいはイオンミリング等の加工
技術により可能である。

または平板状の半導体結晶ウエーハの上にエピ
タキシヤル成長法により半導体結晶を部分的に成
長させ、このような形状にすることもできる。

このような形状の光電子放射用陰極に斜に入射
する光は、第２図の１ａで代表される光電子放射
用陰極の上面６ａに当たるものと、１ｂで代表さ
れる光電子放射用陰極の側面６ｂまたは底面６ｃ
に当たるものに類別される。

光電子放射用陰極の側面６ｂに入射した光１ｂ
は、光電子放射用陰極５内に侵入する光３と側面
６ｂで反射する光２とにわかれる。

光電子放射用陰極５内に侵入した光３は、陰極
内の電子４ａおよび４ｂを励起する。

側面６ｂからみて脱出距離より遠い場所で発生
した励起電子４ｂは、その電子からみて脱出距離
内にある側面６ｄより放射され光電子放射に寄与
する。反射光２は底面６ｃに入射し、その一部は
前述の過程により光電子放射をおこす。

底面６ｃで反射された光は、側面６ｅに再度入
射し、その一部は前述の過程により光電子放射を
おこす。

こうして側面６ｂに入射した光に対する量子効
率は従来技術のそれよりも大きくなる。

底面６ｃに直接入射する光についても、その反
射光は複数回光電子放射面に入射し量子効率が従
来技術に比べ大きくなる。

上面１ａに入射する光１により励起された電子
は、上面ばかりでなく側面６ｅおよび側面６ｆか
らも放射可能であるので、この光に対してもその
量子効率は従来技術に比べ大きくなる。

２次電子放射用陰極においても、半導体結晶ウ
エーハの電子入射面を例えば第１図に示すような
多数の溝を持つ形状にすれば、入射１次電子のう
ち陰極表面で反射されたものも再び２次電子放射
用陰極に入射し２次電子放射に寄与する。

また入射面とは異なる面からも、励起発生した
２次電子を放出可能にし２次電子放射効率を大き
くする。

第３図は前記光電子放射用陰極を反射形の光電
子放出陰極として利用した光電管の実施例を示す
断面図である。

真空容器であるガラス外筒７のなかに、入射面
側を溝状に加工してあるヒ化ガリウム（GaAs）
ウエーハの光電子放射用陰極５、ニツケル金属か
らなる陽極８および導入線９から構成されてい
る。使用されたヒ化ガリウムウエーハは１×
10¹⁹／cm³のキヤリヤ密度をもつ亜鉛ドープのＰ形
ヒ化ガリウムウエーハである。

その電子の脱出距離は1μm程度あるので、溝を
形成する凸部の幅は、脱出距離と同程度の1μm程
度で、溝の深さおよび底部の幅はいずれも3μmの
形状となるようイオンミリングにより作成した。

また、前記加工してあるヒ化ガリウムウエーハ
の表面を、通常のNEA光電面活性で使用される、
アルカリ金属または、アルカリ金属と酸素により
活性化した。

検出すべき光である入射光１は、光電子放射用
陰極５に入射し光電子放射をおこし光電子流とな
り陽極８で捕集される。

表面に前記加工を行わないヒ化ガリウム
（GaAs）ウエーハでアルカリ金属または、アル
カリ金属と酸素により活性化した光電子放射用陰
極５を用い、他は前記実施例光電管と同一の形状
をもつ光電管（従来例）を用いて前記実施例光電
管と比較する。

第４図に、従来例と前記実施例光電管の光電子
放射用陰極の量子効率を比較して示す。

図示の曲線１０は従来例の分光量子効率を示す
曲線、曲線１１は実施例の分光量子効率を示す曲
線である。

このグラフから、実施例の光電子放射用陰極の
量子効率は全波長域にわたり３割程度改善されて
いることが理解できる。

第５図は前記光電子放射用陰極をダイノードと
して利用した光電子増倍管の実施例を示す断面図
である。

真空容器を形成するガラス外筒７の窓部の内側
に透過形のアンチモンセシウム光電陰極１２が形
成されている。

光電子入射面側を溝状に加工してあるリン化ガ
リウム（GaP）ウエーハの２次電子放射用陰極１
３、ニツケル金属からなる陽極８、導入線９ａ，
９ｂおよびおよび電極１４を設けてある。

前記リン化ガリウムウエーハ１３は１×10¹⁹／
cm³のキヤリヤ密度をもつ亜鉛ドープのＰ形リン化
ガリウムウエーハである。

また、この表面は、アルカリ金属またはアルカ
リ金属および酸素で活性化した。

その電子の脱出距離は前述と同様に1μm程度あ
るから、溝を形成する凸部の幅は、脱出距離と同
程度の1μm程度で、溝の深さおよび底部の幅はい
ずれも3μmの形状とし、前記実施例と同様にイオ
ンミリングにより作成した。

検出すべき光である入射光１は、光電面１２で
光電子１５に変換される。この光電子は加速集束
されて２次電子放射用陰極１３に入射し、ここで
増倍され陽極８で捕集される。

表面に前記加工を行わないリン化ガリウム
（GaP）ウエーハを用い、他は前記実施例光電子
増倍管と同一である光電子増倍管（従来例）を用
いて前記実施例光電子増倍管と比較する。

第６図に、従来例と前記実施例光電子増倍管の
２次電子放出効率を比較して示す。

図示の曲線１６は従来例の２次電子放出効率を
示す。曲線１７は実施例の光電子増倍管の２次電
子放出効率を示す。

このグラフから、２次電子放射効率が著しく改
善されていることが理解できる。

以上詳しく説明した実施例につき、本発明の範
囲内で種々の変形を施すことができる。前記実施
例では溝状の凹凸を設ける例を示したが、円柱状
の突起を無数に設けるようにすることもできる。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明による光電
子または２次電子放射用陰極は、光あるいは１次
電子が入射する面に小さい凹凸を設けその凸部の
幅が拡散長程度にして構成されている。

したがつて、半導体結晶ウエーハ表面に入射し
た光、もしくは１次電子に対する反射率を実効的
に小さくし、また入射面とは異なる面からも、励
起発生した光電子または２次電子を放出すること
ができ、電子放射効率を著しく改善することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電子または２次電子
放射用陰極の実施例を示す斜視図である。第２図
は、前記光電子または２次電子放射用陰極におけ
る光電子放射の機構を説明する拡大断面図であ
る。第３図は、前記実施例陰極を用いた光電管の
実施例を示す断面図である。第４図は、従来の光
電子放射用陰極の量子効率と、本発明により改善
された光電子放射用陰極の量子効率を示す分光感
度曲線を示すグラフである。第５図は、前記実施
例陰極を用いた光電子増倍管の実施例を示す断面
図である。第６図は、従来の２次電子放射用陰極
の２次電子放射効率と、本発明による電極を用い
た２次電子放射用陰極の２次電子放射効率を比較
して示したグラフである。第７図は、従来の光電
子または２次電子放射用陰極の例を示す斜視図で
ある。第８図は、前記光電子または２次電子放射
用陰極における光電子放射の機構を説明する拡大
断面図である。 １……入射光、２……反射光、３……陰極内に
侵入した光、４……電子、５……陰極、６……陰
極表面、７……真空容器、８……陽極、９……導
入線、１０……従来技術による光電子放射用陰極
の量子効率、１１……本発明による光電子放射用
陰極の量子効率、１２……アンチモンセシウム光
電面、１３……２次電子放射用陰極、１４……電
極、１６……従来技術による２次電子放射用陰極
の２次電子放射効率、１７……本発明による２次
電子放射用陰極の２次電子放射効率。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光あるいは１次電子の入射面に多数の凸条を
   設け、 前記凸条の幅をほぼ内部で発生させられた電子
   の拡散長として構成した光電子または２次電子放
   射用陰極。 ２ 前記入射面はアルカリ金属で活性化されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の光電子または２次
   電子放射用陰極。 ３ 前記光電子または２次電子放射用陰極は反射
   形の光電陰極として使用される特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の光電子または２次電子放
   射用陰極。 ４ 前記光電子または２次電子放射用陰極は光電
   子増倍管もしくは電子増倍管のダイノードとして
   使用される特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の光電子または２次電子放射用陰極。