JPH0760635B2

JPH0760635B2 - 光電子放射体

Info

Publication number: JPH0760635B2
Application number: JP5433289A
Authority: JP
Inventors: 宜彦水島; 徹廣畑; 雅治宮崎; 常夫渭原; 実新垣; 賢一杉本; 弘一郎大庭; 利弘鈴木
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1989-03-07
Publication date: 1995-06-28
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH02234323A

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２図ない
し第４図のものが知られている。

第２図はGaAs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GaAs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、E_Cは伝導帯最上部エネルギー、E_Fはフェ
ルミエネルギー、E_Vは価電子帯最下部エネルギー、E₀は
真空準位である。これによれば、表面準位とCs−Ｏ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３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４図は第３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InGaAs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
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２図に示される様なCs−Ｏ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−Ｏ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３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
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４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せれているのは、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III−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ハンド間遷移
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
光によって前記一方の導体物質から前記他方の半導体中
に内部光電子放出された光電子を、当該他方の半導体の
厚み方向に電界加速して走行せしめることによってホッ
トエレクトロンとして当該他方の半導体表面から外部光
電子放出させるよう構成され、当該他方の半導体として
は、半絶縁性の半導体であって、その全体を貫通するト
ンネル効果を起こすことのない充分な厚さの基板を用い
ることにより、半導体吸収端エネルギーよりも赤外光に
感度を有するようになされ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
成を容易にすることとなる。

〔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
接合させたショットキーフォトタイオードがあるが、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→外部
電子放出と継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。この光電子放射体の場合
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
光電子を外部放射させる事にある。

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図に示した本願発明の実施例は、半導体として半絶
縁性の半導体基板（例えば半絶縁性のGaAs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１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面のエネルギー
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GaAs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
アス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。理想的には薄くても
よいが、いっぽう加速のための厚みも存在する必要があ
り、トンネル効果を起こすような極端な薄さであっては
ならない。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、波長:1200n
m）。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、100KV/cm〜500KV/cm程度であり、第１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。
金属22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、半導体エネルギーギャップのほぼ３分の１の高さに
なるためである。従って、この場合には、障壁の高さ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準位ではなく、
金属と半導体の電子親和力の差によって決まるようにす
る材料処理の方法もあり、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面で
ある反射型の例を示したが、先述のように金属を半透明
体の薄層にするなどして、透過型の光電子放射体として
も良い。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
なく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ない。また、電
極はAlやAg等の金属に限られることもない。

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。更に
は、上記具体例ではGaAsのようなIII−Ｖ族半導体を挙
げたが、本願の本質からみてどんな材料でもよい。例え
ばIII−Ｖ族の三次四元化合物混晶でもよい。ただし、I
II−Ｖ族を用いる場合には、別のメリットも生じる。Γ
−Ｌ遷移によって、エネルギーのより高いレベルからの
光電子放出となる事に加えて、キャリアの寿命を延ばす
ことが可能となり、より効率よい光電子放射が可能とな
るメリットである。このことは、本願発明者の発見に因
って可能となったものであり、それを通常のフォトダイ
オード等に適用することは、別発明として出願したが、
この性質は、III−Ｖ族に特有な一般的性質であり、こ
のことを、本願のような内部光電子放射された光電子を
更に外部電子放出させる際に於ける有効なキャリア伝搬
手段として利用することは、当然考えられることであ
る。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,O,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
InSb,PbS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、光起電力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倍増管に
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図は本発明の実施例のエネルギーバンド図、第２図
ないし第４図は従来例のエネルギーバンド図である。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者杉本賢一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)発明者大庭弘一郎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)発明者鈴木利弘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 (56)参考文献特公昭44−7677（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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中に内部光電子放出
された光電子を、当該他方の半導体の厚み方向に電界加
速して走行せしめることによってホットエレクトロンと
して当該他方の半導体表面から外部光電子放出されるよ
う構成され、当該他方の半導体としては、半絶縁性の半
導体であって、その全体を貫通するトンネル効果を起こ
すことのない充分な厚さの基板を用いることにより、半
導体吸収端エネルギーよりも赤外光に感度を有するよう
になされた光電子放射体。
【請求項２】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。
【請求項３】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１記載の光電子放射体。