專利名稱：半導(dǎo)體光電陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電陰極。
背景技術(shù)：
先有的半導(dǎo)體光電陰極登載在美國(guó)專利3958143號(hào)、5047821號(hào)、5680007號(hào)、6002141號(hào)中。這樣的半導(dǎo)體光電陰極具有由吸收紅外線的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的光吸收層，通過電子遷移層(電子放出層)將由于吸收紅外線而發(fā)生的載流子中的電子向真空中放出。

發(fā)明內(nèi)容
但是，這些器件的特性還不充分，要求進(jìn)一步加以改進(jìn)。本發(fā)明就是鑒于上述問題而提出的，目的旨在提供可以提高該特性的半導(dǎo)體光電陰極。
本發(fā)明的半導(dǎo)體光電陰極具有由吸收紅外線的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的光吸收層，響應(yīng)紅外線入射而放出電子，其特征在于上述光吸收層形成在能帶間隙比該光吸收層寬的電子遷移層與半導(dǎo)體基板之間，上述光吸收層的厚度大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。
光吸收層的紅外線吸收系數(shù)增高時(shí)，紅外線的光電變換效率提高，另外，光吸收層越厚，總吸收量就越多，通過紅外線入射而發(fā)生的電子在厚度方向分布，在該電子濃度分布中，紅外線越行進(jìn)，電子濃度越低。
另一方面，光吸收層的雜質(zhì)濃度設(shè)定為低濃度，所以，有效的耗盡層寬度增寬，在光吸收層內(nèi)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度減小。在光吸收層內(nèi)發(fā)生的電子由于電場(chǎng)的作用和擴(kuò)散而向電子遷移層方向移動(dòng)。電子也向半導(dǎo)體基板方向發(fā)生擴(kuò)散。
在先有的半導(dǎo)體光電陰極中，光吸收層內(nèi)的電子移動(dòng)速度由小的電場(chǎng)和擴(kuò)散規(guī)定，所以，如果在比較慢的隨著當(dāng)前的紅外線脈沖的入射而發(fā)生的電子群的大部分通過光吸收層之前，入射了下次的紅外線脈沖，就不能將由于雙方的紅外線脈沖的入射而發(fā)生的電子群分離。換言之，在光吸收層內(nèi)，與時(shí)間上接近的2個(gè)紅外線脈沖對(duì)應(yīng)地在厚度方向具有2個(gè)電子濃度分布，如果該電子濃度分布相互重合得比較大時(shí)，就不能分辨脈沖的時(shí)間。
在特定的技術(shù)領(lǐng)域、半導(dǎo)體材料的熒光壽命測(cè)定和使用近紅外線的CT掃描的領(lǐng)域中，現(xiàn)在要求數(shù)ps數(shù)量級(jí)的時(shí)間分辨率，但是，在現(xiàn)有的紅外線領(lǐng)域，具有這樣的時(shí)間分辨率的光電陰極還是未知的。
在本發(fā)明中，通過將光吸收層的厚度限制在0.19μm以下，在紅外線領(lǐng)域，可以使半導(dǎo)體光電陰極的時(shí)間分辨率達(dá)到7.5ps以下，通過使光吸收層的厚度大于、等于0.02μm，可以做到具有噪音電平以上的靈敏度。
即，由于光吸收層對(duì)紅外線的吸收，在光吸收層內(nèi)部發(fā)生的瞬間的電子濃度分布沿厚度方向按指數(shù)函數(shù)關(guān)系減少，在1個(gè)電子群的電子濃度分布中電子濃度比較低的位置，該位置的電子因與相鄰的電子群相互重疊而時(shí)間分辨率降低。另外，由于電子群移動(dòng)中的擴(kuò)散使得電子群的分布寬度增加，所以，相互重疊的區(qū)域也增加，從而時(shí)間分辨率進(jìn)一步降低。
在光吸收層厚時(shí)，發(fā)生這樣的時(shí)間分辨率降低的現(xiàn)象。如果如上述那樣限制光吸收層的厚度，1個(gè)電子群中電子濃度低的部分就被切斷了，所以，上述相互重疊的區(qū)域減少，由于電子通過光吸收層所需要的移動(dòng)時(shí)間縮短，可以抑制通過擴(kuò)散而相互重疊的區(qū)域。此外，通過減薄光吸收層，還可以提高光吸收層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，所以，由于這些相互協(xié)同的作用，可以顯著地提高紅外線的時(shí)間分辨率。
例如，光吸收層的厚度設(shè)定為紅外線的波長(zhǎng)的量級(jí)，厚度為1.3μm時(shí)，時(shí)間分辨率為40ps(微微秒)，厚度為0.19μm時(shí)，時(shí)間分辨率為7.5ps，厚度為0.02μm時(shí)，時(shí)間分辨率可以達(dá)到1ps以下。此外，在光吸收層的厚度為0.02μm這樣的非常薄的膜厚時(shí)，紅外靈敏度也很高，該靈敏度與先有的在該波長(zhǎng)區(qū)域具有唯一靈敏度的Ag-O-Cs光電陰極相比，可以得到3位數(shù)以上的高的靈敏度。
另外，電子遷移層必須賦予電子以指定的速度，所以，設(shè)定了其厚度的最低值，而對(duì)于上述光吸收層，設(shè)定的厚度比電子遷移層的還要小。
此外，半導(dǎo)體基板是InP、光吸收層是InGaAsP、電子遷移層是InP。
另外，在光吸收層與電子遷移層之間設(shè)置組成逐漸變化的過渡層時(shí)，就將該厚度的50％的部分作為光吸收層處理。


圖1是實(shí)施例1的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。
圖2是實(shí)施例2的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。
圖3是實(shí)施例3的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。
圖4是實(shí)施例4的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。
圖5是光電倍增管PMT的剖面模式圖。
圖6是圖像增強(qiáng)管II的剖面模式圖。
圖7是條紋高速攝影裝置的框圖。
圖8是表示光電陰極PC的分光靈敏度特性的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面，說明實(shí)施例的半導(dǎo)體光電陰極。對(duì)于相同的元件標(biāo)以相同的符號(hào)，并省略重復(fù)的說明。
實(shí)施例1.
圖1是實(shí)施例1的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。首先，說明半導(dǎo)體光電陰極PC的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例的半導(dǎo)體光電陰極PC與圖中未示出的陽極相對(duì)地配置在真空中，至少具有在半導(dǎo)體基板1上順序?qū)盈B的光吸收層2、電子遷移層3、接觸層4和電極層5。接觸層4和電極層5形成網(wǎng)格(格子)狀，至少在該網(wǎng)格的開口內(nèi)電子遷移層3的露出表面上形成活性層6。
這里，作為接觸層4和電極層5的圖形，以使用格子狀的圖形為例進(jìn)行說明，但只要是使電子遷移層3為基本上均勻地分布而露出的圖形就行，可以應(yīng)用各種各樣的圖形。
另外，在半導(dǎo)體基板1的光入射側(cè)的面上，設(shè)置了背面電極7，電壓加到電極層5與背面電極7之間，把電子引導(dǎo)向電極層5方向。即，電極層5的電位設(shè)定為相對(duì)地高于背面電極7的電位。
在加電壓時(shí)，紅外線從半導(dǎo)體基板1那一側(cè)向光吸收層2內(nèi)入射時(shí)，在光吸收層2內(nèi)發(fā)生空穴·電子對(duì)(載流子)，由于擴(kuò)散和在由上述電壓引起的光吸收層2內(nèi)的內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，電子向電極層5方向移動(dòng)，空穴向背面電極7方向移動(dòng)。半導(dǎo)體基板1由對(duì)入射光透明的材料構(gòu)成。即，半導(dǎo)體基板1的能帶間隙比根據(jù)入射光的波長(zhǎng)規(guī)定的能帶間隙大，因此，也比光吸收層2的能帶間隙大。
光吸收層2中的雜質(zhì)濃度設(shè)定為等于或低于電子遷移層3內(nèi)的雜質(zhì)濃度。
在光吸收層2內(nèi)發(fā)生的電子由于擴(kuò)散和內(nèi)部電場(chǎng)的作用，流入電子遷移層3內(nèi)。發(fā)生的電子通過電子遷移層3獲得能量而被加速。電子遷移層3的能帶間隙大于光吸收層2的能帶間隙。
在半導(dǎo)體中形成的電場(chǎng)強(qiáng)度與施主或受主雜質(zhì)濃度有關(guān)，耗盡層從電子遷移層3的表面?zhèn)认蛏畈繑U(kuò)展，所以，為了有效地進(jìn)行加速，電子遷移層3的雜質(zhì)濃度最好與光吸收層2的雜質(zhì)濃度相等或比其高一些。
電子遷移層3內(nèi)的電子在其內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，向活性層6方向即半導(dǎo)體光電陰極PC的表面方向移動(dòng)。
活性層6由降低功函數(shù)的材料例如Cs-O等構(gòu)成。半導(dǎo)體光電陰極的表面與圖中未示出的陽極相對(duì)，所以，在活性層6內(nèi)移動(dòng)的電子在該光電陰極PC與陽極間的電位差的作用下發(fā)射到真空中。在本例中，以Cs和O構(gòu)成的活性層6為例進(jìn)行了說明，但是，只要有降低功函數(shù)的效果，不論什么樣的材料構(gòu)成活性層6都行。但是，通過實(shí)驗(yàn)可知，最好使用堿金屬及其氧化物或氟化物。在沒有活性層6時(shí)，有時(shí)也有電子發(fā)射。
上述半導(dǎo)體基板1、光吸收層2、電子遷移層3和接觸層4由化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，這些導(dǎo)電型/材料/雜質(zhì)濃度的適用范圍列表如下。
表1半導(dǎo)體基板1p型/InP/ 大于等于1×1015cm-3小于等于1×1017cm-3光吸收層2p型/InGaAsP/ 大于等于1×1015cm-3小于等于1×1017cm-3電子遷移層3p型/InP/ 大于等于1×1015cm-3小于等于1×1017cm-3接觸層4n型/InP/ 大于等于1×1017cm-3InP的能帶間隙比InGaAsP的能帶間隙寬。另外，電極層5的電極材料只要是與接觸層4純電阻接觸的就行，不論什么樣的材料都可以。
另外，由于本發(fā)明的半導(dǎo)體光電陰極具有從反面?zhèn)热肷浔粰z測(cè)光的所謂的透過型結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體基板1的雜質(zhì)濃度如上述那樣設(shè)定以便抑制雜質(zhì)吸收引起的損耗。
電子遷移層3和接觸層4構(gòu)成PN結(jié)，耗盡層從結(jié)界面向各半導(dǎo)體層內(nèi)擴(kuò)展，為了使耗盡層通過加上偏壓擴(kuò)展到光吸收層2或半導(dǎo)體基板1，所以，將光吸收層2和電子遷移層3的雜質(zhì)濃度設(shè)定為小于等于1×1017cm-3。
另一方面，為了使耗盡層通過加偏壓有效地延長(zhǎng)到光吸收層2側(cè)，將接觸層4的雜質(zhì)濃度設(shè)定為大于等于1×1017cm-3。
設(shè)上述半導(dǎo)體基板1、光吸收層2、電子遷移層3和接觸層4的厚度分別為t1、t2、t3、tc，則它們的厚度/厚度的適用范圍如下。
表2t1350μm/200μm～500μmt20.1μm/大于等于0.02μm、小于等于0.19μmt30.5μm/0.2μm～0.8μmtc0.2μm/0.1μm～0.5μm這里，半導(dǎo)體基板1和電子遷移層3的能帶間隙寬、對(duì)入射的紅外線是透明的，所以，在位于比光吸收層2更外側(cè)的區(qū)域中，不發(fā)生載流子。
在本實(shí)施例中，如上所述，光吸收層2的厚度設(shè)定為大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。即，通過將光吸收層2的厚度限制在0.19μm以下，實(shí)現(xiàn)紅外線的時(shí)間分辨率小于等于7.5ps，通過設(shè)定為大于等于0.023μm，可以具有噪音電平以上的靈敏度。
詳細(xì)而言，在光吸收層2厚的情況下，會(huì)發(fā)生時(shí)間分辨率降低的現(xiàn)象。如果像上述那樣限制光吸收層2的厚度，隨著紅外線入射，在厚度方向分布而發(fā)生的1個(gè)電子群的電子濃度低的部分就會(huì)被寬能帶間隙的電子遷移層3大幅度地切掉，所以，電子濃度分布的相互重疊的區(qū)域減少，由于電子的通過所需要的移動(dòng)時(shí)間的縮短，可以抑制由于電子的擴(kuò)散引起的相互重疊的區(qū)域的擴(kuò)大，此外，通過減薄光吸收層，可以提高光吸收層2內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而由于它們的相同作用，可以顯著地提高紅外線的時(shí)間分辨率。
光吸收層2的厚度為紅外線的波長(zhǎng)的量級(jí)，厚度為1.3μm時(shí)的時(shí)間分辨率為40ps，厚度為0.19μm時(shí)的時(shí)間分辨率為7.5ps，厚度為0.02μm時(shí)的時(shí)間分辨率可以達(dá)到1ps以下。該值顯著地小于將光吸收層2的厚度設(shè)定為2μm左右時(shí)的先有技術(shù)的情況。此外，即使在光吸收層的厚度為0.02μm這樣非常薄的膜厚中，紅外靈敏度也很高，該靈敏度與先有技術(shù)的在該波長(zhǎng)區(qū)域唯一具有靈敏度的Ag-O-Cs光電陰極相比，可以得到3位數(shù)以上的高的靈敏度。
下面，說明上述半導(dǎo)體光電陰極PC的制造方法。半導(dǎo)體光電陰極PC通過順序進(jìn)行以下的①～⑨的工序而形成。
①準(zhǔn)備半導(dǎo)體基板1，將其兩面研磨。也可以預(yù)先準(zhǔn)備兩面進(jìn)行了研磨的半導(dǎo)體基板1.
②在半導(dǎo)體基板1上，通過汽相生長(zhǎng)而形成光吸收層2。半導(dǎo)體基板1是InP、光吸收層2是InGaAsP時(shí)，作為光吸收層2的形成方法，可以使用眾所周知的化學(xué)汽相生長(zhǎng)法或分子線外延法。
③在光吸收層2上，通過外延成長(zhǎng)而形成電子遷移層3。光吸收層2是InGaAs、電子遷移層3是InP時(shí)，作為電子遷移層3的形成方法，可以使用眾所周知的化學(xué)的汽相生長(zhǎng)法或分子束外延法。
④在電子遷移層3上，通過外延成長(zhǎng)而形成接觸層4。電子遷移層3是InP、接觸層4是InP時(shí)，接觸層4除了導(dǎo)電類型不同外，可以使用與電子遷移層3相同的方法形成。
⑤在接觸層4上，利用真空蒸發(fā)法形成電極層5。電極層5根據(jù)需要進(jìn)行熱處理，以使之與接觸層4實(shí)現(xiàn)純電阻接觸。
⑥在電極層5上，涂布光刻膠，使用光刻技術(shù)在電極層5和接觸層4上形成圖形。即，光刻膠上曝光形成網(wǎng)格狀的光學(xué)圖形，對(duì)該光刻膠通過蝕刻實(shí)現(xiàn)圖形化，將圖形化的光刻膠作為掩模對(duì)電極層5和接觸層4進(jìn)行蝕刻，使電子遷移層3的表面的各區(qū)域在整個(gè)面上大致均勻地露出。
⑦在半導(dǎo)體基板1的一部分上形成背面電極7。該形成使用真空蒸發(fā)法。
⑧將通過上述工序而得到的光電陰極的中間體在真空中加熱，對(duì)其表面進(jìn)行清潔處理。
⑨為了降低功函數(shù)，在上述網(wǎng)格的開口內(nèi)形成含有Cs、O的活性層6，這樣，就完成了圖1所示的半導(dǎo)體光電陰極PC。
實(shí)施例2.
圖2是實(shí)施例2的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。實(shí)施例2的半導(dǎo)體光電陰極PC與實(shí)施例1的不同之處是省略了圖1所示的接觸層4的形成，電極層5和電子遷移層3直接進(jìn)行肖脫基接觸。這時(shí)的電極材料只要是與電子遷移層3進(jìn)行肖脫基接觸的，不論什么樣的材料都可以。根據(jù)以后的蝕刻等工藝而進(jìn)行選擇即可。其他結(jié)構(gòu)，包括各層的厚度等都與實(shí)施例1的光電陰極相同。
另外，在制造方法中，不同的地方是，在電子遷移層3形成(工序③)之后，不進(jìn)行接觸層4的形成(工序④)，而在電子遷移層3上直接進(jìn)行真空蒸發(fā)電極材料而形成電極層5(工序⑤)，因此，在網(wǎng)格的形成(工序⑥)中，僅對(duì)電極層5進(jìn)行蝕刻處理，其他工序與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3.
圖3是實(shí)施例3的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。實(shí)施例3的半導(dǎo)體光電陰極PC與實(shí)施例2的不同之處，是圖2所示的電極層5形成在電子遷移層3整個(gè)露出的表面上，并且，電極層5的厚度薄，在該薄的電極層5上形成活性層6。這時(shí)的電極材料只要是與電子遷移層3進(jìn)行肖脫基接觸的，不論什么樣的材料都可以。其他結(jié)構(gòu)包括各層的厚度都與實(shí)施例1的光電陰極相同。
電極層5的厚度對(duì)光電陰極的光電變換量子效率有重大的影響。即，在厚度比特定的膜厚薄時(shí)，電極層5的面電阻就增大，特別是入射光強(qiáng)度比較高時(shí)，或者在低溫下工作時(shí)，有時(shí)將招致光電變換量子效率降低。另外，電極層5太厚時(shí)，電子通過電極層5的概率將降低，所以，將招致光電變換量子效率降低。
因此，電極層5的平均厚度最好大于等于3nm、小于等于15nm。這里用平均厚度表示，是因?yàn)檫@么薄的薄膜不一定是平坦的膜。這時(shí)的電極材料只要是與電子遷移層3進(jìn)行肖脫基接觸的就行，不論什么樣的材料都可以。
另外，在制造方法中，與實(shí)施例2不同的地方是，在電子遷移層3形成(工序③)之后，在電子遷移層3上直接真空蒸發(fā)電極材料，形成薄的電極層5(工序⑤)，不進(jìn)行圖形化處理(工序⑥)，因此，在電極層5上形成活性層(工序⑨)，其他工序與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例4.
圖4是實(shí)施例4的半導(dǎo)體光電陰極PC的縱剖面圖。實(shí)施例4的半導(dǎo)體光電陰極PC與實(shí)施例1的不同之處，是在光吸收層2與電子遷移層3之間存在組成逐漸變化的過渡層2g。
該過渡層2g將其厚度tg的50％的部分作為光吸收層2處理。即，在該半導(dǎo)體光電陰極PC中，光吸收層2的厚度為(t2+tg/2)，將該厚度設(shè)定為大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。其他結(jié)構(gòu)包括各層的厚度都與實(shí)施例1相同。
另外，在制造方法中，與實(shí)施例1不同的地方是，在光吸收層2形成(工序②)之后、電子遷移層3形成(工序③)之前，在光吸收層2上形成過渡層2g，因此，在電子遷移層3的形成(工序③)中，電子遷移層3是在過渡層2g上形成，其他工序與實(shí)施例1相同。過渡層2g的形成，通過調(diào)整原料的供給量而實(shí)現(xiàn)組成的逐漸變化，在光吸收層2是InGaAsP、電子遷移層3是InP時(shí)，可以邊調(diào)整晶格邊逐漸地減少Ga和As的供給量。
光電倍增管.
下面，說明應(yīng)用上述實(shí)施例所述的半導(dǎo)體光電陰極PC中的某一種的光電倍增管。
圖5是具有上述某一個(gè)半導(dǎo)體光電陰極PC的光電倍增管PMT的剖面模式圖。光電倍增管PMT具有光電陰極PC、收斂電極(聚焦電極)12、作為二次電子倍增部而動(dòng)作的第1級(jí)倍增極131、第2倍增極132、…第n倍增極13n、收集經(jīng)過二次電子倍增的電子的陽極14和收容它們的真空容器15。
真空容器15具有構(gòu)成真空容器15的一部分的光入射窗151和容器本體152，在容器本體152的下部，設(shè)置了多個(gè)底座引線16。多個(gè)底座引線16用于將偏置電壓供給光電陰極PC、收斂電極12和各倍增極13n，并將陽極14收集的電子取出。
下面，使用圖5說明上述光電倍增管PMT的動(dòng)作。下面的說明，參照?qǐng)D1～圖4說明1位數(shù)的符號(hào)表示的要素。透過光入射窗151的被檢測(cè)光即紅外線，大部分被光電陰極PC的光吸收層2吸收，其中被激勵(lì)的光電子e從活性層6的露出表面向真空容器15的內(nèi)部方向發(fā)射出。
如上所述，光電陰極PC的光吸收層2的厚度設(shè)定為大于等于0.02μm、小于等于0.19μm，所以，在光電陰極PC內(nèi)光電子的時(shí)間上的擴(kuò)展非常小。發(fā)射到真空容器15中的光電子e由收斂電極12修正光電子的軌道，高效率地入射到第1級(jí)倍增極131上。光電子e被加速后入射到第1級(jí)倍增極131上時(shí)，與該入射相應(yīng)地，第一級(jí)倍增極131向下一級(jí)的倍增極132發(fā)射二次電子。
發(fā)射出的二次電子的數(shù)比入射到第一級(jí)倍增極131上的一次電子的數(shù)多，該倍增的二次電子向真空容器15中發(fā)射，入射到第2級(jí)倍增極132上。第2級(jí)倍增極132和第1級(jí)倍增極131時(shí)一樣，向真空中發(fā)射二次電子。通過反復(fù)倍增操作，在位于最后級(jí)倍增極的附近的陽極14上，就收集了從光電陰極PC發(fā)射的光電子的100萬倍的電子，該電子就以信號(hào)電流(負(fù))的形式從底座引線16取出到容器外部。
本例的光電倍增管PMT，光電陰極PC內(nèi)光電子的時(shí)間延遲非常小，響應(yīng)性和靈敏度優(yōu)異。
在上述說明中，說明了具有多級(jí)倍增極的光電倍增管PMT，但是，可以應(yīng)用上述光電陰極PC的光電倍增管的結(jié)構(gòu)不限于上述結(jié)構(gòu)。例如，上述光電陰極PC也可以把微通道板(MCP)用于二次電子倍增部的所謂MCP-PMT。這時(shí)的結(jié)構(gòu)，熒光體以外的部分與后面所述的圖像增強(qiáng)管大致相同，所以，此處省略說明。
圖像增強(qiáng)管.
下面，說明應(yīng)用上述實(shí)施例所述的半導(dǎo)體光電陰極PC中的某一種的光圖像增強(qiáng)管。
圖6是具有上述半導(dǎo)體光電陰極PC中的某一個(gè)的圖像增強(qiáng)管II的剖面模式圖。圖像增強(qiáng)管II具有光電陰極PC、起二次電子倍增部的功能的MCP23、用于將從MCP23發(fā)射出的二次電子變換為光的熒光體24和收容這些部件的真空容器25。
真空容器25具有形成其一部分的光入射窗251、側(cè)管部252、和用于將熒光體24發(fā)生的光向圖像增強(qiáng)管II的外部取出的輸出窗253。此外，圖像增強(qiáng)管還具有將適當(dāng)?shù)钠秒妷汗┙o光電陰極PC、MCP23、熒光體24的電極26。
下面，說明圖像增強(qiáng)管的動(dòng)作。透過光入射窗251的作為被檢測(cè)光的紅外線，大部分被光電陰極PC的光吸收層2吸收，與該吸收相應(yīng)地，在光電陰極PC內(nèi)激勵(lì)起光電子，該光電子從活性層6的露出表面向真空中發(fā)射。
如上所述，由于光電陰極PC的光吸收層2的厚度設(shè)定為大于等于0.02μm、小于等于0.19μm，所以，在光電陰極PC內(nèi)光電子在時(shí)間上的擴(kuò)展非常小。發(fā)射到真空中的光電子被加速后入射到MCP23上，在MCP23中發(fā)生二次電子。約1kV的電壓加在MCP23的輸入側(cè)電極231和輸出側(cè)電極232之間，入射到MCP23上的光電子約倍增1×105倍，作為二次電子再次從MCP23向真空中發(fā)射出。
數(shù)千V的電壓被加到設(shè)置在熒光體24上的電極26上，從MCP23發(fā)射出的二次電子以加速的狀態(tài)入射到熒光體24上，熒光體24與該入射相應(yīng)地發(fā)光。熒光體24發(fā)生的光通過輸出窗253取出到圖像增強(qiáng)管II的外部。
在本例中，在光電陰極PC內(nèi)光電子的時(shí)間延遲非常小，從而可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性和靈敏度優(yōu)異的圖像增強(qiáng)管。
在本例中，說明了使用熒光體24的圖像增強(qiáng)管II。如果將熒光體24置換為陽極，則圖像增強(qiáng)管II就成為MCP-PMT。
另外，在本例中，說明了僅使用1塊MCP23的情況，但是，也可以將多個(gè)MCP串聯(lián)組合，增加倍增率。
條紋高速攝影裝置.
下面，說明使用具有上述光電陰極PC的條紋管54的條紋高速攝影裝置。
圖7是條紋高速攝影裝置的框圖。
條紋管54具有上述某一個(gè)實(shí)施例中的光電陰極PC，光電陰極PC對(duì)入射的光進(jìn)行光電變換。在條紋管54的氣密容器72的入射面上，設(shè)置了上述光電陰極PC，在另一面形成了熒光面73。在光電陰極PC上，在與掃描方向垂直的方向形成長(zhǎng)的網(wǎng)格電極68，如圖所示的那樣順序排列了收斂電極74、光圈電極75、偏轉(zhuǎn)電極71和MCP69。
色素激光器(振蕩器)51以重復(fù)頻率80～200MHz發(fā)射激光脈沖。該激光脈沖的波長(zhǎng)在紅外區(qū)，脈沖寬度為5ps。色素激光器51的輸出光由半透明鏡(光束分離器)52分離為2個(gè)系統(tǒng)。
由半透明鏡52分離的脈沖激光的一方經(jīng)過由光程長(zhǎng)可變裝置53a、反射鏡53b、縫隙透鏡53c、縫隙53d、聚光鏡53e構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，入射到條紋管54的光電陰極PC上。
由半透明鏡52分離出的脈沖激光的另一方由反射鏡55a、55b發(fā)射后，入射到光電變換元件(PIN光電二極管)56上。光電變換元件56也可以采用雪崩光電二極管。PIN光電二極管56的響應(yīng)速度快，所以，與脈沖激光的入射相應(yīng)地輸出脈沖電流。PIN光電二極管56的輸出供給調(diào)諧放大器57，調(diào)諧放大器57以80～200MHz范圍的重復(fù)頻率為中心頻率而動(dòng)作。
該中心頻率設(shè)定為與色素激光器51的振蕩頻率數(shù)相等，調(diào)諧放大器57輸出與PIN光電二極管56的輸出脈沖的重復(fù)頻率同步的第1正弦波。半透明鏡52、反射鏡55a及55b、光電變換元件56和調(diào)諧放大器57構(gòu)成第1正弦波振蕩器。第1正弦波振蕩器發(fā)生與輸入到條紋管54的光電陰極PC的高速重復(fù)脈沖光同步的第1正弦波。
頻率計(jì)數(shù)器58計(jì)數(shù)并顯示調(diào)諧放大器57輸出的第1正弦波的頻率。
另外，正弦波振蕩器59形成發(fā)生與第1正弦波頻率略不同的第2正弦波的第2正弦波振蕩器。正弦波振蕩器59可以在80～200MHz的頻率范圍內(nèi)輸出任意頻率的正弦波?；祛l電路60將第1正弦波振蕩器的輸出(f1)與第2正弦波振蕩器的輸出(f2)混合。低通濾波器(LPF)61從混頻電路60的輸出中取出低頻成分，LPF61和電平檢測(cè)器62構(gòu)成相位檢測(cè)器。
相位檢測(cè)器檢測(cè)在與第1正弦波振蕩器的輸出間發(fā)生一定的相位關(guān)系的時(shí)刻，并發(fā)生檢測(cè)輸出。
在色素激光器51以100MHz的重復(fù)頻率輸出紅外脈沖光時(shí)，從調(diào)諧放大器57輸出頻率100MHz的第1正弦波。在頻率計(jì)數(shù)器58上顯示「100MHz」。用戶讀取頻率計(jì)數(shù)器58的顯示，調(diào)整該正弦波振蕩器59，使正弦波振蕩器59輸出100+Δf(MHz)的第2正弦波。其中，Δf＜＜100。
混頻電路60將第1正弦波振蕩器的輸出即調(diào)諧放大器57輸出的第1正弦波f1(100MHz)與第2正弦波振蕩器59輸出的第2正弦波f2(100+ΔfMHz)混合，輸出f＝f1×f2的合成波。
這里，合成波的頻率f以下式表示。即，f=f1×f2]]>=Asin(2×108Π)t×Bsin(2×108Π+2ΠΔf)t]]>=A×B2·[cos(2ΠΔf)-cos(4×108Π+2ΠΔf)]t]]>LPF61通過僅比高的頻率低Δf的低的頻率區(qū)域的成分。因此，LPF61使混頻電路60的輸出波僅通過f’＝(A×B/2)cos2πΔft的成分。LPF61的輸出端與構(gòu)成電平檢測(cè)器62的比較器63的一邊的輸入端子63a連接，正弦波f’輸入比較器63的輸入端子63a。
電勢(shì)計(jì)64的滑動(dòng)軸與比較器63的另一邊的輸入端子63b連接。比較器63在輸入到一邊的輸入端子63a的電壓大于輸入到另一邊的輸入端子63b的電壓時(shí)輸出脈沖。比較器63的輸出端子63c與單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65的輸入端子連接。該單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65在比較器63的輸出脈沖的上升邊起動(dòng)，經(jīng)過一定時(shí)間后下降。
門脈沖發(fā)生器66與單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65的輸出端子連接。門脈沖發(fā)生器66在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65的輸出處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)輸出門電壓。門脈沖發(fā)生器66的輸出電位通過電容器67供給與光電陰極PC電氣連接的歐姆電極OE和MCP69的輸出電極69b。
在本例中，-800V的電位供給歐姆電極OE，+900V的電位供給輸出電極69b。MCP69的輸入電極69a和光圈電極75的電位為0V(接地)。
另一方面，作為正弦波振蕩器59的輸出的第2正弦波由驅(qū)動(dòng)放大器70放大后，加到條紋管54的偏轉(zhuǎn)電極71上。加到偏轉(zhuǎn)電極71上的正弦波的振幅是575V，振幅中心是0V。換言之，加到偏轉(zhuǎn)電極71的一邊的電位的最大值/最小值間的電位差是1150V。
這里，偏轉(zhuǎn)電極71和MCP69間的距離和它們的尺寸設(shè)定為與所加的+100V～-100V的電壓對(duì)應(yīng)地僅使由偏轉(zhuǎn)電極71進(jìn)行的掃描而偏轉(zhuǎn)的光電子入射到MCP69上。
另外，電源76的兩端通過電阻值非常大的電阻77、78、79而短路，通過取出各電阻間的電位，將4000V的電位供給光電陰極PC的歐姆電極OE，將-4500V的電位供給收斂電極74。電源80將比MCP69的輸出電極69b高的300V的電位供給熒光面73。
未從門脈沖發(fā)生器66加上門電壓時(shí)，光電陰極PC就不發(fā)射光電子，所以，也不從MCP69發(fā)射倍增電子，從而熒光面73保持為暗狀態(tài)。
從門脈沖發(fā)生器66加上門電壓時(shí)，光電陰極PC內(nèi)的光電子被網(wǎng)格電極68的電位加速，向氣密容器72內(nèi)的真空中發(fā)射。
發(fā)射出的光電子由收斂電極74形成的電子透鏡收斂到光圈電極75的開口內(nèi)，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電極71的2塊電極板間的區(qū)域。這里，在電壓加到偏轉(zhuǎn)電極71上時(shí)，光電子就發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
在本例中，偏轉(zhuǎn)電壓從+100V變化為-100V時(shí)，光電子向MCP69入射的入射位置設(shè)計(jì)為從圖的上端移動(dòng)到下端。入射到MCP69上的光電子經(jīng)過倍增后入射到熒光面73上，形成條紋像。
下面，說明制作實(shí)施例1所述的半導(dǎo)體光電陰極PC并將其組裝到圖7所示的條紋高速攝影裝置中時(shí)得到的光電陰極的設(shè)計(jì)分辨率。這里，由于預(yù)先判明條紋管本身具有的設(shè)計(jì)分辨率和輸入脈沖光的時(shí)間幅度，故修正了光電陰極的時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)。
入射光為紅外線，光吸收層2的厚度為紅外線的波長(zhǎng)的量級(jí)，厚度為1.3μm時(shí)，時(shí)間分辨率為40ps。光吸收層2的厚度為0.19μm時(shí)，時(shí)間分辨率為7.5ps，厚度為0.02μm時(shí)，時(shí)間分辨率小于等于1ps。
圖8是表示光電陰極PC的光吸收層2的厚度t2為0.02μm時(shí)的光電陰極PC的分光靈敏度特性的曲線圖。在光吸收層2的厚度t2為0.02μm這樣非常薄的膜厚中，波長(zhǎng)在950nm～1050nm范圍的紅外靈敏度大于等于0.1mA/W。而且，該靈敏度與先有技術(shù)的在該波長(zhǎng)區(qū)具有唯一靈敏度的Ag-O-Cs光電陰極相比，靈敏度高到3位數(shù)以上。光吸收層2的厚度t2比0.02μm薄時(shí)，光電靈敏度將降低到噪音電平以下，所以，難于進(jìn)行測(cè)定。
如上所述，通過將光吸收層2的厚度t2設(shè)定為大于等于0.02μm、小于等于0.19μm的范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)以往所不能想象的響應(yīng)的高速化和靈敏度的提高。
在使用圖4所示的過渡層2g時(shí)，僅僅是增加了光電子橫切光吸收層2與電子遷移層3間的雜質(zhì)界面的概率，所以，可以獲得同樣的效果，可以進(jìn)行微微秒數(shù)量級(jí)的時(shí)間分辨率測(cè)定。
此外，在圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，鑒于上述原理，可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的高速化和靈敏度的提高。另外，光吸收層2的材料可以使用InGaAsP以外的材料，只要是對(duì)紅外線具有基礎(chǔ)吸收端的材料就行。
本發(fā)明可以應(yīng)用于半導(dǎo)體光電陰極。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體光電陰極，具有由吸收紅外線的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的光吸收層，響應(yīng)紅外線的輸入而發(fā)射出電子，其特征在于上述光吸收層形成在能帶間隙比該光吸收層的寬的電子遷移層與半導(dǎo)體基板之間，上述光吸收層的厚度大于等于0.02μm、小于等于0.19μm。
2.按權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光電陰極，其特征在于上述光吸收層比上述電子遷移層薄。
3.按權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光電陰極，其特征在于上述半導(dǎo)體基板是InP、上述光吸收層是InGaAsP、上述電子遷移層是InP。
全文摘要
在光吸收層2厚時(shí)，將發(fā)生時(shí)間分辨率降低的現(xiàn)象，如果限制光吸收層2的厚度，則1個(gè)電子群中電子濃度低的部分將被切斷，所以，相鄰的電子濃度分布重疊的區(qū)域減少，由于縮短了電子通過所需要的移動(dòng)時(shí)間，可以抑制通過擴(kuò)散而相互重疊的區(qū)域，此外，由于還提高了電場(chǎng)強(qiáng)度，所以，通過它們的相互協(xié)同的作用，可以顯著地提高紅外線的時(shí)間分辨率。光吸收層的厚度為紅外線的波長(zhǎng)量級(jí)，厚度為1.3μm時(shí)，時(shí)間分辨率為40ps，厚度為0.19μm時(shí)，時(shí)間分辨率為7.5ps。
文檔編號(hào)H01J29/38GK1481569SQ01820827
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2001年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月18日
發(fā)明者新垣實(shí), 廣畑徹, 菅博文, 森邦芳 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社