JPH05504652A - 改善された伝達電子３―５族半導体光電陰極 - 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】 改善された伝達；子■−Ｖ族半導体光電陰極。

ル肌＠貨孟 北咀ハ分野 この発明は、一般的に■−Ｖ族半導体素子（一方の物質は、元素の周期表の■族 に属しもう一方の物質は、元素の周期表のＶ族に属するのでこう呼ばれる。

）に、属し、更に、伝達；子■−Ｖ族半導体光電陰極の構造に関するものである 。

忙三Ｏ技度 半導体光；陰極は、当てられるいろいろな光の下で使用されている。典型的なト ランスミッション光；陰極において、光電陰極の正面に入射したフォトン（可視 光及び赤外光）に応答して光；陰極の背面から電子を放出する。この生産の効率 は、量子効果の測定よりなる。簡単なダイオードにおいて、真空中に放出または 脱出した電子は、電界によって加速され蛍光体・ターゲット・スクリーンに引き 付けられ、ぶつかる、蛍光体は、光電陰極上に入射した光とは違った波長を持っ た入射した電子に応じて生じた光を放出する。

フォトンの吸収は、光電陰極のフォトン吸収層の価電子帯の中に電子を、伝導帯 の下限の谷（ガンマ谷）まで持ち上げる原因となる。あてられた最新の光を使用 したもっとも効率の良い光電陰極は、はとんど独占的に電子のガンマ谷の遷移に 顆っているいわゆる負の電子親和力（ＮＥＡ）の光電陰極である。

ＮＥＡ光電陰極は、優れた悪友を持っているけれども、それらの長い波長の応答 は、約Ｌ　２ｅＶより小さいバンドギャップを持った（１０００ｎｍより長い波 長）半導体の電子の表面脱出の確率が非常に減少することによって約１１０００ ｎに制限される。真空−半導体の界面における仕事関数や表面障壁の効果は、真 空中に光学励起された電子の輸送がうまくいくことを制限する。長い波長の光を 陰極において表面障壁効果を処理するために、いろいろな外部にバイアスをかけ た光電１４極が数年来、研究されてきた。外部にバイアスをかけた光Ｔｈ陰極は 、主として、バルクのフォトン吸収活性化層におけるフェルミ準位に関して真空 エネルギー準位を低めることによって断たれた長い波長を伸ばすことが出来る。

多くのｐ−ｎｖ３会、ＭＯＳ、場の放出、ヘテロ結き、バイアスがかけられた光 電陰極が、提案され、実験的に研究されてきた。しかし実際的な興味として氾・ 要とされる低い暗電流と結び付いた片埋的に効率的な光電子放出を示したものは 、米国特許第３，９５８，１４３号（’１４３）、ベルによって特許を受けた伝 達電子（ＴＥ＞の発達以前には存在しなかった。ＮＢＡ光電陰極の制限の議論と ともに、ＴＥ光電陰極の完全な記述は、ベル“　１４３に載っている０本発明は 、ＴＩＥ光電陰極の付票に属する。

１９７４年、ベルらは、最初に、ＴＥ光子放出の機構を使用したバイアスをかけ たｐ−ＩｎＰ光を陰極を示した（　ｒ　Ｉ　ｎＰからの電子遷移光放出」、Ｒ１ し、ベル、Ｌ、Ｗ、ジエームズ及びＲ，Ｌ、ムーン、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅ ｔＬ、４月２５日（１９７４年））、光電子放出は、Ｉｎｐ、ＩｎＧａＡｓＰの 合金やＧａＡｓのような■−■族の半導体において、電子は、適度な電場を加え られることによってはと好い効率性をもって上位の伝導帯の谷まであがると：う 事実に基づいている。上位の谷までうまく遷移し、又は熱いガンマ電子となる光 が発生させた；子は、そのとき、真空中の仕事関数及び表面エネルギー障壁を越 えて放出するのに窩い確率を有するのに十分活動的である。この初期の高い実行 性を有する実験結果により、１６５０ｎｍから１１０００ｎの頭載におけるＴＥ 光電陰極は、広く調査されている：　“１−２μｍｍ域における場をかけた半導 体の光；子放出”Ｊ、Ｓ、エツジヤ−１Ｒ，Ｌ、ベル、Ｐ、Ｅ、グレゴリ−１Ｓ 。

Ｂ、バイダー、Ｔ、Ｊ、マローニー、Ｇ、Ａ、アンティバスＩ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｔ 　ｒ　ａ　ｒＩｓ、Ｅｌｅｃ、Ｄｅｖ、ＥＤ−２７，１２４４（１９８０）。

ＴＥ光電陰極において、電子は、更に、伝導帯のガンマ谷の下限のエネルギー準 位から、伝導帯における上位の衛星谷（Ｌ又はＸ）又はガンマ谷のより高いエネ ルギー準位に上げられ又は進む、そのＴＥ光電陰極の電子が進むのは、１０’Ｖ ／ｃｍかそれ以上の電場をかけることにより成し遂げられる（場の強さは、半導 体上のドーピングと電気のバイアスの関数となる）、ＴＥ光電陰極は、はとんど 独占的に、上位の衛星谷のＭＴ５に依存しているので、ＴＥ光１ｃ陰極は、電子 を脱出させるためのより高い閾値を充分に越えることができる。（この閾値は、 真空エネルギー準位と呼ばれている。）。

種々の使用しうる半導体の物質は、いろいろなバンドギャップ、すなわち価電子 帯と伝導帯のエネルギーの差含有している。−面から言えば、電子がより高いエ ネルギーに飛び上がれば上がる程、電子が真空中に脱出する確率が高くなるので 、より大きなバンドギャップを有する物質を選択するのが望ましいかもしれない 、しかしその一方大きなバンドギャップを有している半導体物質は、価電子帯か らより窩い伝導帯に飛び上がらせるの充分なエネルギーを持ったフォトンを必要 とする。入射するフォトンの波長は、典型的には、１０００　ｎ　ｍ以下である べきである。それゆえ、より良い電子放出は、制限されたフ第１−ンの波長に対 する感度をより高くすることで達成される。ＮＢＡ光１：陰極においてしばしば なされる妥協は、真空エネルギー準位のわずかに上にある単一の輸送伝導帯（た とえばガンマ谷）を置くことで、より長い波長のフォトンくたとえば赤外線）に 対する感度を良くする。なぜなら、電子のエネルギー準位は、ＮＥＡ光電陰極に おいて、真空エネルギー準位に近く、電子脱出の確率は、真空界面へのにおける ＦＪ−事関数又は表面障壁の小さな改善によって大きく改善されるからである。

真空中にの表面から脱出するためには、電子は、真空エネルギー準位を通過でき るほど充分活動的でなければならない、ＮＢＡ光電陰極において、バルク物質に おいて、伝導帯のガンマ谷での電子の効率的電子親和力は、半導体表面の仕事関 数やノ々ンドギャップによって決定される。バンドギャップ領域は、典型的には １００人の幅以上はないのでガンマ谷の電子は、はとんどもしくは全くエネルギ ーを失うことなしに熱い電子としてその領域を横切って進むことができる。この ようにバンドギャップが半導体表面の仕事関数より大きければ、電子は仕事関数 を越えて真空中に脱出するのに充分なエネルギーを有して表面に達する１ｉ′ｌ Ｉ率はより大きくなる。それ故、光；陰極の使用において、仕事関数を減少させ る低い仕事関数を持った金属や活性化層が好まれる（たとえば、ベルの米国特許 第３゜６４４．７７０号を参照）。

ＴＥ光電陰極において、電子はバイアスによって作られた空乏領域を通して輸送 されながら、輸送電子効果によって電子とより高いエネルギー準位に進める電界 を半導体中に発達させるために、バイアスがかけられる。を場によって電子に与 えられたエネルギーは、とりわけ、仕事関数より大きな、且つ電子が真空中に脱 出するのに充分なエネルギーを電子に持たせる働きをする。ベル”１４３に記述 されているとおり、簡単なショットキー障壁は、バイアス電圧をかけられるよう にするために銀を使用しており、半導体と活性化層の間に与えられる。金属と半 導体間のショットキー障壁の高さは、正孔電流が金属から半導体の中へ流れ込む のを妨げるのに充分な高さを必要とする。大きな正孔電流は、正孔電流に結合し た電子／正孔対が作られることにより雑音が発生することに加えて、厚い金属層 の中のＩＲ降下のために半導体に充分なバイアスをかけることを妨げるだろう、 従来の技術においては、半導体に均質にバイアスをかけられるように、そして真 空中に脱出しない電子のために帰還路を与えるために電子を放出するすべての表 面上に、金属が均質に付けられていた。しかしながら、そのような金属層は、電 子が最初に金属の中を通過するに違いなく、妨げられた電子が帰還電流に加わる ために、ある程度の電子の脱出を妨げる。ｉ！の表面にセシュウムと酸素の活性 化層を付けることによって、低い仕事関数を持つ表面が得られる特性及びその高 い伝導性のために、金属は、銀が選択される（そのような活性化層のもっとも低 い金属の仕事関数は、金を使用した場合、約１．ＯｅＶである。）、ＴＥ光電陰 極において、銀の使用は、ベルの提出した実施ｒＦＥ、様で、ベル′　１４３に おいて述べられている。

あるＴＥ半導体光電陰極は、半導体光吸収層と別の電子放出層がらなり、二つの 層の間では、ヘテロ結合が形成されている。他のＴＥ半導体光電陰極においては 、単一の層が、半導体光吸収層の電子放出層として使用されている０片方の場合 、良く知られているように、光電陰極の暗電流、即ち、光フォトンの欠乏で流れ 出た電流は、もしフォトン吸収層が、Ｐ型物質でｔｌｌＢ成されるなら最小とな るだろう。

もし脱出していない電子を一点に集まってしまったならば、余分な電子の付近表 面をバイアスをオフするのに充分な電荷が生じ、その後、脱出する電子は無くな るだろう、メタリゼイション層は、ガンマ谷から伝導帯で上の衛星谷に電子を効 率的に輸送するようにする光電陰極に均質にバイアスをかける方法を与えること に加えて、表面の電子に帰還路を与えるのに役立つ、しかしながら、もし素子を 年動状皿にした場合、十分伝導させるのに十分厚くし、かつまた、電子放出に大 きすぎる障害物にならないように十分薄くするようなメタリゼイション層でなけ ればならないという関係が生じてしまう、一般的には、銀は池の金属と比べて電 子を脱出させるためには“透明な”物質である。しかし半導体表面に堆積する場 合、銀は凝集し、より厚い層３つけることで克服しうるアイランランドを形成す る傾向にある。それ故、高い電子の透過性の媒体としての銀の利益は失われる。

銀の厚い層は、放出によって生産された電子の９０％近くの量が、銀の原子構造 と衝突し脱出するためのエネルギーをあまりにも降下させるという結果になる。

再び、これら脱出しない電子は、光を陰極の表面から離れて集められ誘導される 。

従来の技術のＴＥ光；陰極におけるもう一つの問題は、ＴＥ光電陰極の小領域に おいて生じたフォトンの大きな線束が、上げられた電子の大きな集団と形成する とき生じる。出来る限り厚いメタリゼイジョン層が一般的には望ましいが−非常 に厚いメタリゼイション層は、“ブルーミング、即ち入力したフオｌ−ンの大き な線束が小さな領域に閉じ込められてしまうが、より大きな領域が影響を受ける 、として良く知られた問題を次々に引き起こす原因となる比較的大きな抵抗を示 す、ブルーミングは、たいてい蛍光体のスクリーン上における白い班点により分 かるが、ＴＥ光電陰極のブルーミングは、ちょうど反対の効果をもたらす。

蛍光体のディスプレイスクリーン上の暗班点は、光電陰極が、光電陰極表面上の 電子の大きな集団によってバイアス−オフされるにつれて、成長する。放出され た電子の半分以上が、メタリゼイション層により帰還し広がることができるので 、大きなＩＲ（Ｅ流×抵抗）降下が、班点と素子との接触パッドの間で、すなわ ち、バイアス電圧がかけられた光；陰極の表面の点で、形成される。従来の技術 の素子は、帰還路上に電子の凝集を示し、電子が蓄積され初期に含まれている以 上に大きな領域を含むことなる。最悪の場きには、このａｌＳは、すべての光； 陰極の表面をわたって行われ、蓄積された電荷は完全に素子をバイアス−オフす る。この現象は、また“光学応答損失”として技術上良く知られている。

従来の技術のもう一つの実際上の欠点は、接触パッドと効率的な電子の透過に必 要とされる極度に１いショットキー障壁におけるチューブの組み立てにおいて信 頼性のある機械的接触を形成することが困難であることにある。接触パッド上の 電気的接触は、もし１い金属層が接触しているプローブによって貫通されている ならば、途切れるようになるだろう、金属層への貫通は、またシヨ・ソトキー障 壁を事実上変えるであろう容：８出来ない高い漏れ電流を結果的に生じさせる接 触領域における高い場の領域を生じさせることになるであろう。

後の熱を除去する漏れ電流は、生じたショットキー障壁に対して低いままである ので、アルミニュームが、半導体の表面に直接適用される比較的厚い接触パッド にとっては良き選択と言える熱が除去され温度が安定的であるという好ましい性 質をもっていることが、確められている１発明者らは、他の幾つかの金属を調査 し研究してきたが、良好なショットキー障壁を維持する一方、熱を除去し続ける 池の金属を発見しなかった。そのうえアルミニュームの熱を除去する能力が。

下記に述べるように半導体の表面上にリングラフィによってグリッド構造物を取 り付けることが出来るようにしたのである。熱を除去する過程の後に厚い接触パ ッドの蒸着を必要とする従来の技術は、完成されていた。このことは、光電陰極 の表面に正確に置かれた厚いＵＨＶ金属の堆積に更に乱薙さをもたらした。この アルミニュームの特異な性質は、熱の除去に関する熱サイクルの後さえＩｒ１Ｐ 上にショットキー障壁を維持し且つ最終の化学的洗浄（光電陰極の熱洗浄の前に 必要とされる）に関する化学的過程を無事切り抜ける能力も含むものである。

アルミニュームは、優れた熱的安定性と言う特性を示すので、光；陰極の活性化 の前の半導体表面の最終的な化学的洗浄及び熱の除去前にグリッド構造物にリソ グラフィ技術を使用してパターン形成出来る。グリッド構造物は、同時に光学応 答損失を阻止し、量子効率を改善する。

本尺叫＠気！ 本発明の目的は、ＴＥＩ［Ｉ−Ｖ半導像光１Ｃ陰極における量子効率を改善する ことである。

更に、他の目的は、光学応答の損失に関するブルーミングの領域を修正すること にある。この修正は、このような影響を受けた領域を必要最小限にし、光学応答 損失に屈服した光電陰極の領域の回復時間を改善するであろう。

更に、他の目的は、接触しているプローブによって貫通されない厚いショットキ ー障壁の金属層に相対的に厚い、熱的に安定な、そして信頷できる機械的接触を 形成することである。

更に、他の目的は、電流を帰還する高い表面の抵抗率のためにこれまで匣用でき なかった低い仕事関数のショットキー障壁の使用を可能にすることにある。

更に、他の目的は、半導体に均一なバイアスを与えるのに必要とされるメタリゼ イションの層の厚みを減じることによって、量子効率と光学応答を改善すること が出来る構造中に接触パッドとグリッドのメタリゼイション層が形成されること によって、接触パッドとグリッドのメタリゼイション層を熱の除去の前に付ける ことにある。

簡単に言えば、第１の好適実施例において、本発明は、口型の基板、口型の光吸 収層、電子放出層、その結果生じたベテロ結き、接触パッド、メタリゼイション 層、その結果生じたショットキー障壁、そして活性化層からなる。接触パッドは 、電子放出の表面の一方の面をアルミニュームで作られている。メタリゼイショ ン層は、グリッドの形状を形成し、アルミニュームで作られている。アルミニュ ームは、すべての放出領域に分布し、接触パッドの上に、追加の加えられたメタ リゼイション層及び活性ｆヒ層が置かれる。任官の追加的メタリゼイション層、 または使用されない時は活性化層は、半導体と共にショットキー障壁を形成する 。

本発明の第２の好適実施例は、光吸収と電子放出が単一の層で起こり、それ故挿 入されたヘテロ結合が存在しないと言う点を除いては最初の例と同じである。第 ３実施例は、ショットキー障壁が別な方法で生じる押入された絶縁している層に よって、接触パッドとグリッドメタリゼイション層の下にショットキー障壁を有 する必要性を無くするものである。

本発明の利点は、グリッドが光Ｓ陰極表面上により効率的な帰還路を提供するこ とである。それによって、光学応答損失が生じる領域による影響を阻止すること にある。

もう一つの利点は、銀や他の金属で均一に被覆で表面を覆うことにより生じたよ り大きな割合の損失と比較して、グリッドが、グリッドラインにより光電陰極の 表面の小さな割合しかふさがないということである。光；陰極の量子効率の大き な改善は、より高い出力の閾値とより悪友の良い入力の閾値よって可能となる。

本発明のもう一つの利点は、非常に薄いショットキー障壁の層が光電陰極の表面 上において均一なバイアス与えるために四則されるので、以前には、メタリゼイ ション層の厚みと、メタリゼイション層間のＩＲ降下を比較検討する必要性があ った点に選択肢を与えたことである。

本発明のもう一つの利点は、接触パッドにおけるアルミニュームが、断続する接 触の問題の原因を起こす“抵抗”を生じさせないことにある。熱除去の後、接触 パッドとグリッドにおけるショットキー障壁の高さは、十分受領しうる低い準位 で障壁を越えて正孔放出を保てる、約０，８２ｅＶに決められる。アルミニュー ムは、また化学的洗浄に良く残り、存在する物の上に堆積させるのが容易である 。

本発明のすべての目的及び利点は、種々の図面の図で説明されている提出された 実施那様の下記詳細な記述分読んだ後においては、通常の当業者にとって疑いも なく明白になるであろう。

置皿Ωｌ監欠誰盟 第１図は、ＴＥ［［−Ｖ半導体光Ｔ、陰極を含むチューブの略図である。

第２図は、本発明のＴＥＩ［［−Ｖ族半導体光；陰極の断面図である。

第３Ａ図と３Ｂ図は、ＴＥＩ［ｌ−Ｖ族半導体光電陰極のエネルギーバンドの線 図の略図であり、第３Ａ図は、光電陰極にかけられたバイアスが無い場合を示し 、第３Ｂ図は、かけられたバイアスが有る場合を示す。

第４Ａ図と４Ｂ図は、（１）本発明を含むのＴＥＩ［ｌ−Ｖ族半導体光；陰極の 部分の等角の投影図であり、（２）提出された実施態様におけるグリッドの環状 のスポークのデザインを評ｍ線図である。

第５Ａ図と５ＢＩ２１は、電位と距離の関係を示すグラフであり、（１）第５Ａ 図においては、従来の技術の光電陰極を示しく２）第５Ｂ図においては、本発明 を組み入れた充電陰極を示す。

好五大旌舅 第１図に引用するように、すべて真空１８の中にある、光電陰極１２、陽極１４ 、蛍光体のスクリーン１６より構成される排出チューブ１０からなる簡栄なダイ オード素子を示す、実際の内容としては、蛍光体のスクリーン１６と陽極１４は 、商業的に入手しつる蛍光体の上に堆積したアルミニューム層から作られるｔＡ 覆ユニットを形成する。フォトン２０は、電子２２を作り出す、電子２２は、真 空２２に入り、光の放出を引き起こす蛍光体のスクリーン１６に向かって陽極１ ４によって引き付けられる。

第２図は、第１図に示された光電陰ｆｆ１１２の第１項の奸皿尖施例の詳細図で ある。光電＃１Ｉｉ１２は、基板３２、フォトン吸収層３４、ヘテロ結合３６、 電子放出層３８、ショットキー［壁３９、第１の接触パッド４０．メタリゼイシ ョンＷ４１、グリッド４２、活性化、１ｌｉ１４４、そして接触パッド４５から 構成される。

ヘテロ結合３６は５、電子放出層３８と）オトン吸収層３４の間に作られる。フ ォトン４６は、価電子帯の電子５０から伝導帯の電子４８を作り出す層３４の中 に吸収される。接触パッド４０（＋）と接触パッド４５（−）の間に示されてい るようにかけられている、光；陰極１２上のバイアス電圧によって作られた電界 は、電子４８を、真空１８の中に脱出するより活動的な上の衛星谷の電子５４に 持ち上げる。接触パッド４０と４５、メタリゼイション層４１とグリッド４２に かけられたバイアス電圧は、ショットキー障壁３つから少なくともへテロ結き３ ６に広がる空乏地域を作り出す原因となる。

基板３２は、重要なフォトンには、本質的には透明であり、わずか１６ミルの厚 さである。■ΩＰに基づ＜ＴＥ光電陰極の場合、フォトン吸収［３４は、ｌＸ１ ０”ｃｒｎ−’からＩＸｌｏｃｍ−’にドープされた、ｐ型物貿であり、２００ ナノメーターから２．０００ナノメーターの厚さである。）オトン吸収＋１１３ ４が薄ければ薄いほど、反応時間は速くなるが、それを厚くすることによって、 光学的吸収によって増加した量が、拡散損失によって相殺されないとするならば 、より良い１子効率がもたらされ、入って来たフォトンのより多くが吸収される 。

より高いドーピングの水準は、吸収層が完全に使われていない場合には、暗電流 を改善する。′Ｃ，子吸収層３８は、Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−’以下のドーピング で、２００ナノメーターから１．０００ナノメーターの範囲の厚さで、口型又は 口型とすることができる。

本発明の第２の好適実施例においては、フォトン吸収層３４、ヘテロ結合３６、 電子放出層３８（第２図に総て記載）の機能を置き換えそれらを無くする単一の 半導体層があるだけである。第１と第２の好適実施例の原理上の差異は、素子の 製造が簡単なため第２の方が製造するのにより安くできることである。

本発明のもう一つの実施例において接触／＜ラド４０とグリッド４２の間に絶縁 された層（示されていない）が堆積されていることである。絶縁された層は、接 触パッド４０とグリッド４２を直接半導体上に成長させたとき、ショットキーｌ Ｉ］Ｉ壁３９を形成する第一の目的であった接触パッド４０とグリッド４２から 流れる正孔；流と妨げる。しかしながら、ショットキー障壁３９は、電子放出層 ３８とともに活性化層４４、メタリゼイション層４１の間の接触のある部分に依 然として存在する。この第３の実施例は、必要とされる絶縁層を堆積することに よって突き当たる製造上費用が増加し複雑になること、そして絶縁層の堆積及び パターンを形成した後に電子放出層上で必要とされる奇麗な表面を得る困難さの ために、発明者によってもっとも望ましくないと見られている。たとえそうであ っても、それにもかかわらず最初の二つの実施例の利点は、ここに述べられたの と同様の機構によって得られている。

各々の実施例において、本発明のグリッドの構造は、光を陰極１２の表面の数パ ーセントしか遮断しないし、それは、非常に薄いメタリゼイション層の使用が光 電陰極１２の他の領域を越えてショットキー障壁３９を形成できるようにする。

ショットキーＦａ　Ｒｍメタリゼイション層４１は、グリッド４２が放出されな い電子に大部分の帰還路を提供するために、非常に薄くすることができる。低い フ才）・７４６束入力を加える場合、セシューム／セシューム酸化物か、又は池 の低い仕事関数を有する活性化層４４は、メタリゼイション層４１なしで十分な 伝導性を有し、この目的に役立つ適当なショットキー障！ｉ３９を形成する。よ り高いフォトンの入力を加える場き、メタリゼイション層４１は、活性化層の下 に加えることができる。しかしながら°、この場合でさえ、層４１は、グリッド ４２なしで従来の技術の素子で必要とされるよりもっと薄くできる。幾つかの金 属の一つ、バラジュームも含まれるが、非常に薄い層にメタリゼイションＮ４１ として堆積でき、適当な伝導性を有し、層４１が光電陰極に規則正しいバイアス を与えるようにさせる十分なショットキー障壁を形成する。

第１図の光電陰極１２のエネルギーバンド概路線図は、第３Ａ図と第３Ｂ図に示 されている。バイアスされていない状形における光；陰極１２は、第３Ａ図に示 されている。第３ＡＩ］によれば、ｐ−Ｉｎｐ物質の基板３２があり、その上に フォトン吸収層３４が横たわり、次々に電子吸収層３８、メタリゼイション層４ １が横たわり、前述したすべての上に活性化層４４が横たわる０価電子帯１１０ は、１１４点においてメタリゼイション層４１、グリッド４２、活性化Ｎｉ４４ に接触し曲線１１２を形成する１曲線１１２は、（１）金属の存在（たとえば、 ４１．４２、及び４４）、（２）？Ｔ：子放出層３８内のドーピング、そして（ ３）電界によって引き起こされる１曲線１１２は、活性化層を横切って続いて行 く。

フェルミ準位１１６は、基板３２のバルク半導体物質より構成され、（１１ｉ電 子帯１１０より高い電子エネルギー状態である。フェルミ準位１１６の上に伝導 帯のより低い谷であるガンマ谷１１８がある。ガンマ谷１１８は、基板より小さ いバンドギャップを持っている）オトン吸収層３４の領域においてくぼみ１２０ を、電子放出層３８において背こぶ１２２を有する。背こぶ１２２は、フォトン 吸収層３４のガンマ谷１２０にのみ励起する電子が真空界面表面１３０に移動す ることを妨げる。第３図において、バイアスされた状態で第２図の光電陰極１２ を示したように、冑こぶ１２２は、バイアスの加速によって除去され、このよう に加速場が電子放出層３８をとして形成される。加速場は、より高いエネルギー 電子５４に；子４８を持ち上げるの役割を果たす。

価電子帯１１０とガンマ谷１１８間のエレクトロンボルト（ｅ　Ｖ　）でのエネ ルギーの差異を示す、基板３２における第一のバンドギャップ１２４は、フォト ン吸収層３４においてより小さな第２のバンドギャップ１２６に減少する。第３ のバンドギャップ１２８は、第２のバンドギャップ１２６より大きい、Ｌｆｆｉ 谷１３２とＸ型谷１３４は、伝導帯上の衛星谷を現す。

真空エネルギー障壁１３６は、真空エネルギー障壁１３６の準位より小さなエネ ルギーを持つ伝導帯から電子の放出を妨げる真空界面表面１３０に存在する。

第２図において、フォトン４６は基板３２を通ってフォトン吸収Ｎｌ３４の中に 通過し、価電子帯の電子５０をガンマ谷の電子４８になる原因となる原子（ここ では示されていないが）に吸収される。ガンマ谷の電子４８は、電場（ユニでは 示されていないが）によってＬ型谷（第３Ａ図及び第３Ｂ図における１３２）又 はＸ型谷（第３Ａ図及び第３Ｂ図における１３４）にエネルギーを与えられた電 子５４に持ち上げられる。＄子５４は、そのとき、真空準位（第３図における１ ３６）より高い位置にあり、真空界面（第３図における１３０）を通過して真空 １８に脱出する。

第４Ａ図において、光；陰極１２は、光電陰極の小領域にフォトン１４０の強力 な入射をうける（以下の議論を明快にするためにだけに、グリッド４２の形Ｇを むしろ隠してしまうので、第４Ａ図と第４Ｂ図において光電陰隋１２の表面に横 たわるメタリゼイションＪＩＷ４１と活性化層４４を示していない）、電子１４ ２の大部分は、放出され、この領域における電子放出層３８の表面において電圧 降下の原因となる。第５Ａ図と第５Ｂ図のグラフは、表面の電圧とグリッドライ ンからの距離を示したものであり、各々、銀のメタリゼイションのみの従来の技 術の光電陰極（ベル°　１４３のようなもの）及びアルミニュームグリッドを含 む本発明（第４Ａ図で現されている）を示している。

第５Ａ図（従来の技術）において、電圧の形１５０は光学応答損失点１５２によ って引き下げられる。電圧の形１５０の下っている部分によって現されているＩ Ｒ降下は、バイアス電圧１５４と交わった以降のすべての表面の点を、バイアス オフし、もはや真空中で電子放出を出来ないようにするようにしてしまう。

第５Ｂ図で示したように、本発明の場合に電圧の外形１６０の最小部分は光学応 答損失点１６４においてバイアス電圧１６２まで下がる。アルミニュームグリッ ドライン１６６（グリッド４２のラインと同様に）は、接触パッド４０よつもつ と近くにあり、従来の技術におけるメタリゼイジョン層より放出表面領域におい てはるかに伝導性がよい０周囲のグリッドラインを越えて広がる光学応答Ｗ失は 除去され、損失の大きさはグリッド間の距離１６８に制限される。

第４Ｂ図の図形の環状スポークグリッド４２はその外形に関し第４八めグリッド ４２と相異する。環状スポークグリッド４２は、外側のリング１４６と多数のス ポーク１４８からなる０機能は同じであるが、第４Ｂ図において、スポーク１４ ８は交差しておらず、すべて外側のリング１４６とつながっており、次々に接触 パッドとつながっていく、第４Ｂ図に現された環状スポークグリッド４２は、第 ４Ａ図に現された角型グリッドより、回転によって洗浄するための化学薬品をよ り迅速に乾燥できると発明者により考えられている。

本発明は、幾つかの実施例の各項において記述されているが、開示が制限として 解釈されないことは当然とするところである１種々のものは、疑いもなく上記開 示を読んだ後に当業者にとっては明白である。したがって、すべての変更や修正 を含むものとして解釈される添付の請求の範囲は真の発明の精神及び範囲内でに あるということを意図するものである。

ＦＩｏ、１ ＦＩＧ、５Ａ 要約書 真空中に脱出する電子を妨げる多数の障害物を移動させることによって量子効率 を改善し及び過度に明るいフォトン放出源によって生じた暗班点ブルーミングを 副脚するアルミニューム接触バンド（４０）とアルミニュームグリッド（４２） の構造からなる改善された伝達電子■−Ｖ族半導体光電陰極（１２）。

国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であって：フォトン束の入力に対応し て電子を放出するためのｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層；ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層 の露出した表面の上をおおって形成された網目グリッド；ならびに 半導体層とともにショットキー障壁及び半導体層の低い仕事関数を形成する活性 化層であって、半導体層の残った露出した表面の上に形成された活性化層；から 成るところの光電陰極。
2. ２．伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であって：フォトン束の入力に対応し て電子を放出するためのｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体物質からなるフォトン吸収層； 境界上にヘテロ結合を形成するようにフォトン吸収層の表面上に成長させたＩＩ Ｉ−Ｖ族半導体物質の電子放出層；電子放出層の露出した表面の最初の部分上に 、電子放出層の上をおおって形成される金属から成る接触パッド； 電子放出層の露出した表面をの上をおおって形成された網目グリッド；及び電子 放出層とともにショットキー障壁を形成し且つ電子放出層の仕事関数を低下させ ながら、電子放出層の残在し露出した表面上に形成された活性化層；から成ると ころの光電陰極。
3. ３．請求の範囲第１項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：更に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と綱目グリッドの組み合わせによって形成され た表面と活性化層の間に挿入されたメタリゼイション層を含むところの光電陰極 。
4. ４．請求の範囲第２項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：更に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と網目グリッドの組み合わせによって形成され た表面と活性化層の間に挿入されたメタリゼイション層を含むところの光電陰極 。
5. ５．請求の範囲第２項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：フォトン吸収層はＩｎＧａＡｓＰから成り；電子放出層はＩｎＰから成り； 及び 綱目グリッド及び接触パッドはアルミニュームから成る；ところの光電陰極。
6. ６．請求の範囲第２項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：綱目グリッドはアルミニュームで作られ、その形は円形で、外側のリムから 中央に向かって集中するが、接触せず、スポークがもう一つのスポークと交差す る前に終わるスポークを有し、それによって光電陰極を回転させることによって 化学薬品を確実に除去するところの光電陰極。
7. ７．請求の範囲第６項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：アルミニュームグリッドのラインの幅が通常３マイクロメーターであって、 グリッドライン間の開きが４０マイクロメーターと３５０マイクロメーターの範 囲にあるところの光電陰極。
8. ８．請求の範囲第６項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：アルミニューム網目グリッドは、その形が長方形又は正方形で、十字に交差 する水平及び垂直のグリッドラインを有するところの光電陰極。
9. ９．請求の範囲第８項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であっ て：アルミニュームグリッドのラインの幅が通常３マイクロメーターであって、 グリッドラインの開きが４０マイクロメーターほどの小ささと３５０マイクロメ ーターほどの大きさまであって； これにより、電子放出層のマスキングは極小化され、アルミニュームグリッドの 電子の集積は極大化される。； ところの光電陰極。
10. １０．伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であって：フォトン束入力に応答し て電子を放出するＩＩＩ−Ｖ族半導体物質の層；前記半導体層の上に横たわるシ ョットキー障壁；ＩＩＩ−Ｖ族半導体物質の層の周辺部分上に直接堆積させた比 較的厚いアルミニューム接触パッドで、ショットキー障壁層の部分を形成するア ルミニューム接触パッド；及び 電子を真空中から表面に脱出させるのに十分に活動的になるように、ＩＩＩ−Ｖ 族半導体物質の層において伝導帯のガンマ谷から伝導帯のＬ型谷に電子のエネル ギーを持ち上げるための手段、； から成るところの光電陰極。
11. １１．請求の範囲第１項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であ って： 網目グリッドは、ショットキー障壁形成を生じさせるｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層 の露出した表面の上に形成されるところの光電陰極。
12. １２．請求の範囲第２項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であ って： 接触パッドは、ショットキー障壁形成を生じさせる電子放出層上に直接形成され ； 網目グリッドは、ショットキー障壁の形成を生じさせる電子放出層の露出した表 面上に直接形成される； ところの光電陰極。
13. １３．請求の範囲第５項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極であ って： フォトン吸収層は、その厚みが２００ナノメーターから２，０００ナノメーター の範囲内で、ｐ型物質のドーピングが１×１０１７ｃｍ−３から１×１０１８ｃ ｍ−３の範囲内にあり； 電子放出層は、その厚みが２００ナノメーターから１，０００ナノメーターの範 囲内で、ｐ型又はｎ型物質のドーピングが１×１０１７ｃｍ−３以下である；と ころの光電陰極。
14. １４．請求の範囲第１３項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極で あって： 更に、上にフォトン吸収層が成長しているＩｎＰの基板で、厚みが通常１６ミル である前記基板を含むところの光電陰極。
15. １５．請求の範囲第１１項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極で あって： 網目グリッドは、熱的に安定したショットキー障壁を生じさせるアルミニューム から作られるところの光電陰極。
16. １６．請求の範囲第１２項に記載された伝達電子ＩＩＩ−Ｖ族半導体光電陰極で あって： 網目グリッドが、熱的に安定なショットキー障壁を生じさせるアルミニュームか ら成るところの光電陰極。