DE69807103T2

DE69807103T2 - Halbleitende photoelektrische oberfläche

Info

Publication number: DE69807103T2
Application number: DE69807103T
Authority: DE
Inventors: Tokuaki Nihashi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2018-09-12
Also published as: AU9002998A; DE69807103D1; EP1024513B1; EP1024513A1; EP1024513A4; WO1999016098A1; JPH1196896A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterphotokathode, insbesondere eine Halbleiterphotokathode der Gruppen III-V, welche unter Vakuum ein Photoelektron im Ansprechen auf ein auf sie einfallendes Photon emittiert.

Technischer Hintergrund

Es wird bevorzugt, dass eine Halbleiterphotokathode, die in einem Photomultiplier oder dergleichen verwendet wird, eine hohe Effizienz bei der photoelektrischen Emission aufweist. Als solche ist eine Halbleiterphotokathode, wie zum Beispiel eine in US-Patent Nr. 3,387,161 offenbart ist, bekannt. Diese Halbleiterphotokathode weist eine aktive Schicht auf, in der eine Oberfläche aus einem p-Halbleiter mit einer Dotiermaterialkonzentration von wenigstens 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ aber nicht größer als 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ mit einem Alkalimetall aktiviert wird. Als Folge einer solchen Konfiguration wird in der Oberfläche der Photokathode auf der Vakuumemissionsseite eine Abwärtskrümmung des Energiebandes gebildet, so dass die Vakuumniveaubarriere in der Oberfläche verringert wird, so dass es für die Photoelektronen einfacher gemacht wird, aus dieser auszutreten und dass es für die Photoelektronen, die innerhalb der aktiven Schicht in einem Abstand von der Oberfläche der Vakuumemissionsseite erzeugt wurden, einfacher gemacht wird, die Oberfläche auf der Emissionsseite zu erreichen. Dies liegt an der Tatsache, dass die Diffusionslänge ohne Absenken der Elektronenemissionswahrscheinlichkeit erhöht werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Wenn eine hohe Dotiermaterialkonzentration verwendet wird, besteht jedoch eine Neigung, dass in der Nähe eines Bandes eine Absorption auftritt, und zwar aufgrund eines Defektes oder dergleichen, der in einem Kristall erzeugt werden, wodurch die scharfkantige Eigenschaft in der optischen Absorptionscharakteristik verschlechtert wird. Auch aus der Sicht der Sonnenblindheit wird es vorzuziehen sein, wenn die Dotiermaterialkonzentration niedrig ist. Dies liegt an der Tatsache, dass die Abnahme der Kristallinität besser unterdrückt werden kann, wenn die Dotiermaterialkonzentration geringer ist. Nichts desto weniger wird, obwohl eine geringe Dotiermaterialkonzentration die Diffusionslänge erhöhen kann, die Wahrscheinlichkeit für die Elektronenemission abnehmen, wodurch die Quantenausbeute abnehmen wird. Daher war es bisher in herkömmlicher Weise schwierig, die Dotiermaterialkonzentration weiter zu verringern.
In Anbetracht der oben erwähnten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterphotokatode zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Quantenausbeute (QE) mit einer geringen Dotiermaterialkonzentration liefert.
Die Halbleiterphotokathode gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiterphotokathode zum Emittieren eines Photoelektrons unter Vakuum im Ansprechen auf ein einfallendes Photon, die eine aktive Schicht aus einer p-dotierten Halbleiterverbindung der Gruppen III-V umfasst, deren Oberfläche auf der Photoelektronemissionsseite mit einem Alkalimetall oder Alkalimetalloxid aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassungsschicht auf einer Oberfläche der aktiven Schicht vorgesehen ist und dass die aktive Schicht eine Energiebandlücke aufweist, die wenigstens zwei mal so groß ist, wie eine Arbeitsfunktion des Alkalimetall oder des Alkalimetalloxids, und die eine Oberflächendotiermaterialkonzentration von nicht mehr als 1 · 10&supmin;&sup7; cm³ auf der Seite der Photoelektronenemission aufweist.
Als Folge hiervon wird vermieden, dass die Kristallinität abnimmt, wodurch die Dispersionslänge zunimmt. Da die Kristallinität vorzuziehen ist, ist auch die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Elektronen, die die Oberfläche der Emissionsseite erreichen, und es kann verhindert werden, dass sich die Wahrscheinlichkeit der Elektrodenemission verschlechtert, wodurch die Quantenausbeute hoch gehalten werden kann. Außerdem werden Elektroden auf einfache Weise von der Oberfläche emittiert.
Eine Elektronenzuführungsschicht kann auf einer Seite der aktiven Schicht vorgesehen werden, die von der Seite der Photoelektronenemission verschieden ist.
Auch kann die Dotiermaterialkonzentration der aktiven Schicht 1 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder weniger in der Nähe der Oberfläche der Photoelektronenemission und 1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ auf deren Innenseite betragen.
Alternativ kann die Dotiermaterialkonzentration der aktiven Schicht von nahe der Oberfläche der Photoelektronenemission nach innen hin langsam ansteigen, so dass sie 1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ im tiefsten Abschnitt im Inneren wird.
Nach diesen Konfigurationen wird die Diffusionslänge länger, während das elektrische Feld innerhalb der Diffusionsschicht so konfiguriert wird, dass es die Elektronen in Richtung auf die Emissionsoberfläche bewegt, wodurch die Wahrscheinlichkeit verbessert wird, dass die Elektronen die Emissionsoberfläche erreichen.
Es wird weiter bevorzugt, dass die Dicke in einem Bereich, in dem die Dotiermaterialkonzentration im tiefsten Abschnitt im Inneren der aktiven Schicht 1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ beträgt, wenige nm oder weniger beträgt. In diesem Fall wird von den in der mit hoher Konzentration dotierten Schicht erzeugten Photoelektronen die Menge von Photoelektronen unterdrückt, die durch Wandern zu der Seite verschwinden, die der Oberfläche der Emissionsseite gegenüberliegt. Daher kann dies auf eine Transmissionsphotokathodenstruktur angewendet werden.
Alternativ kann auf der Oberfläche der aktiven Schicht eine Schottky-Elektrode gebildet werden, so dass eine externe Vorspannung an der aktiven Schicht angelegt wird. Als Konsequenz werden die innerhalb der aktiven Schicht erzeugten Photoelektronen durch die externe Vorspannung effizient zur Oberfläche der Emissionsseite geführt.
Die vorliegende Erfindung lässt sich besser aus der nachfolgend angegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verstehen. Diese sind nur zur Illustration angegeben und sollten daher nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend aufgefasst werden.
Weiter ergibt sich der Umfang der Anwendung für die vorliegenden Erfindung aus der nachfolgend angegebenen detaillierten Beschreibung. Es ist jedoch klar, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung andeuten, nur zur Illustration angegeben werden, und zahlreiche Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung werden sich den Fachleuten aus der detaillierten Beschreibung ergeben.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer photoelektrischen Röhre, die die Photokathode der vorliegenden Erfindung einsetzt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Dotiermaterialkonzentrationsverteilung in der aktiven Schicht der Photokathode von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Wellenlängecharakteristiken einer erfindungsgemäßen Photokathode und eines herkömmlichen Erzeugnisses vergleicht;
Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Dotiermaterialkonzentration und der Quantenausbeute (QE) zeigt.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Dotiermaterialkonzentrationsverteilung in der aktiven Schicht der Photokathode in der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Dotiermaterialkonzentrationsverteilung in der aktiven Schicht der Photokathode in der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 7 ist ein Diagramm, das noch ein weiteres Beispiel für die Dotiermaterialkonzentrationsverteilung in der aktiven Schicht der Photokathode in der vorliegenden Erfindung zeigt.

Bester Modus zur Ausführung der Erfindung

Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer photoelektrischen Röhre vom Transmissionstyp, die die erfindungsgemäße Halbleiterphotokathode einsetzt. Diese photoelektrische Röhre 10 wird durch Aufnehmen einer Photokathode 30, die die erfindungsgemäße Halbleiterphotokathode einsetzt, und einer Anode 40 in einen hermetischen Kolben (Vakuumkolben) 20 konstruiert, der unter Vakuum gehalten wird. Dieser Vakuumkolben 20 ist ein aus Glas bestehender hohler säulenartiger Kolben, und sein Inneres wird auf einem Druck von etwa 10&supmin;&sup8; Torr oder weniger gehalten. Die Photokathode 30 wird durch einen metallischen Elektrodenstift 51 mittels einer metallischen Halteplatte 31 mit einem Loch in deren Mitte und einem metallischen Haltesockel 50 gehalten. Andererseits ist die Anode 40 eine, wie ein rechteckiger Rahmen geformte metallische Elektrode, und sie wird durch einen metallischen Elektrodenstift 52 gehalten. Die Elektrodenstifte 51, 52 durchdringen jeweils den Bodenteil des Vakuumkolbens 20 und sind mit einer externen Energiequelle verbunden, so dass eine höhere Spannung an die Anode 40 angelegt wird, als die, die an die Photokathode 30 angelegt wird.
Ein Substrat 32 aus Saphir wird an der rechteckigen rahmenförmigen metallischen Halteplatte 31 befestigt, und eine Anpassungsschicht 33, eine aktive Schicht 34 und eine Oberflächenschicht 35 werden nacheinander darauf geschichtet, um die Photokathode 30 zu bilden.
Zum Beispiel besteht die Anpassungsschicht 33 aus amorphem AlN, welches epitaktisch auf dem Substrat 32 aufgewachsen ist. Diese Anpassungsschicht 33 weist eine Schichtdicke von etwa 10 mm auf und ist in der Gitterstruktur der aktiven Schicht 34 angepasst, so dass ein vorteilhaftes Aufwachsen des Kristalls der aktiven Schicht 34 ermöglicht. Sie ist auch vorgesehen, um zu verhindern, dass die in der aktiven Schicht 34 erzeugten Photoelektronen sich rückwärts bewegen.
Die aktive Schicht 34 besteht aus p-GaN, welches epitaktisch auf der Anpassungsschicht 33 aufgewachsen ist. Diese aktive Schicht 34 weist eine Dicke von 100 nm auf und ist mit Mg oder Zn oder Zink als p-Dotiermaterial dotiert. Ihre Konzentrationsverteilung ist in Fig. 2 gezeigt. Sie weist eine erste Schicht nahe der Oberfläche mit einer Dicke von 100 nm und eine zweite Schicht auf, die wenigstens innerhalb ihrer Eintrittsoberfläche ausgebildet ist und eine Dicke von 1 nm aufweist. In der ersten Schicht beträgt die Dotiermaterialkonzentration 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ in der Nähe ihrer Oberfläche und steigt in Richtung der zweiten Schicht an, so dass sie an der Grenze zur zweiten Schicht 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ erreicht. Die Dotiermaterialkonzentration der zweiten Schicht beträgt 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³, was höher ist, als die der ersten Schicht.
Zum Aufwachsen der Anpassungsschicht 33 und der aktiven Schicht 34 können verschiedene Kristallwuchsverfahren wie z. B. MOCVD, MBE, HWE und dergleichen verwendet werden.
Auf der Oberfläche der aktiven Schicht 34 wird die Oberflächenschicht 35, die aus einem Alkalimetall oder seinem Oxid, z. B. Cs oder CsO, durch Aufdampfen ausgebildet. Diese Oberflächenschicht 35 wird als monoatomare Schicht ausgebildet. Die Energiebandlücke für die Vakuumemission beträgt in der Oberflächenschicht 35 1.4 eV, wenn Cs als Alkalimetall verwendet wird, und 0.9 eV, wenn Cs0 eingesetzt wird, was somit die Hälfte oder weniger von der Energiebandlücke des GaN, 3.4 eV, in der aktiven Schicht ist.
Die Betriebsweise der Photoelektrischen Röhre wird jetzt erklärt. Wenn Licht auf die Photokathode 30 von der Seite des Substrats 32 einfällt, läuft das Licht durch das Loch der metallischen Halteplatte 31 und wird dann durch das Substrat 32 und die Anpassungsschicht 33 transmittiert, so dass es die aktive Schicht 34 erreicht. Photonen werden hauptsächlich durch die erste Schicht in der aktiven Schicht 34 absorbiert, wodurch Photoelektronen erzeugt werden. Die Bandlückenenergie innerhalb der aktiven Schicht 34 würde eine Form aufweisen, die im wesentlichen der Dotiermaterialkonzentration entspricht. Als Ergebnis bewegen sich die in der ersten Schicht erzeugten Photoelektronen innerhalb der ersten Schicht so, als würden sie eine Steigung herunterrutschen, so dass sie dadurch die Oberflächenschicht 35 erreichen. Da es bezüglich der Oberflächenschicht 35 eine große Bandlücke gibt, wobei die Oberflächenschicht 35 sehr dünn ist, werden die Photoelektronen unter Vakuum leicht emittiert. Die emittierten Photoelektronen erreichen die Anode 40 aufgrund des elektrischen Feldes zwischen der Photokathode 30 und der Anode 40 und werden als Strom detektiert. Zum Vergleichen der Leistungen einer herkömmlichen Photokathode und der erfindungsgemäßen Photokathode nach Fig. 1 hat der Erfinder ihre Wellenlängencharakteristiken verglichen. Fig. 3 zeigt die Ergebnisse im Vergleich zueinander. Hier wurde ein Produkt, in dem die aktive Schicht als eine Schicht mit einer Dotiermaterialkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ gebildet wurde, als herkömmliches Produkt zum Vergleich verwendet. Die unterbrochene Linie und die durchgezogene Linie zeigen die entsprechenden Wellenlängencharakteristiken der Quantenausbeuten bei der Photokathode des herkömmlichen Erzeugnisses und der vorliegenden Erfindung. Es wurde bestätigt, dass verglichen mit dem herkömmlichen Erzeugnis das erfindungsgemäße Erzeugnis eine höhere Quantenausbeute bei einer Wellenlänge von 350 nm oder kürzer und eine geringere Quantenausbeute bei einer Wellenlänge von 400 nm oder länger zeigt, wodurch die scharfkantige Eigenschaft verbessert wird und wodurch die Charakteristiken in einem Bereich kurzer Wellenlängen verbessert werden. Man nimmt an, dass dies an der Tatsache liegt, dass zusammen mit einer Erhöhung der Diffusionslänge die Wahrscheinlichkeit, dass die Photoelektronen die Oberfläche erreichen, aufgrund der Verbesserung in der Kristallinität verbessert wird, wodurch auch die Ausbeute bei der Emission von Photoelektronen von der Oberfläche verbessert wird.
Fig. 4 ist ein Graph, welcher die Quantenausbeute bei einer Wellenlänge von z. B. 254 nm für verschiedene Testprodukte mit unterschiedlichen Dotiermaterialkonzentration in ihren aktiven Schichten vergleicht. Obwohl die Quantenausbeute unter diesen Testprodukten deutlich variieren, wurde bestätigt, dass die Produkte insgesamt mit einer niedrigeren Dotiermaterialkonzentration (1 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder weniger) nach der vorliegenden Erfindung eine Quantenausbeute aufweisen, die gleich oder größer als die der herkömmlichen Produkte mit einer höheren Dotiermaterialkonzentration (1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³) ist.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt erklärt. Die Konzentrationsverteilung der aktiven Schicht 34 kann nicht nur so sein, wie in Fig. 2 gezeigt, sondern kann auch, wie in Fig. 5 gezeigt, durch erste und zweite Schichten gebildet werden, wobei ihre entsprechenden Konzentrationen sich stufenartig ändern. Als Folge einer solchen Konfiguration können Photoelektronen, die durch von einer der Emissionsoberfläche gegenüberliegenden Seite eintretenden Photonen erzeugt werden, effektiv zur Emissionsseite geleitet werden.
Die erfindungsgemäße Photokathode lässt sich auch auf eine Reflexionsphotokathode anwenden, die Photoelektronen von derselben Seite emittiert, auf die Photonen einfallen. In diesem Fall kann z. B. die Anpassungsschicht 33 aus amorphen AlN oder GaN gefertigt sein, die epitaktisch auf dem Substrat 32 aufgewachsen sind. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Konzentrationsverteilungen der aktiven Schicht in den Reflexionsphotokathoden, die den Transmissionsphotokathoden der Fig. 2 bzw. 5 entsprechen. In jedem Fall können die in der Schicht mit höherer Dotiermaterialkonzentration erzeugten Photoelektronen effizient zur Oberfläche auf der Emissionsseite geleitet werden.
Ihre Dotiermaterialkonzentration kann durch Kontrollieren der Zufuhr an Dotiermaterial einfach eingestellt werden. Obwohl ein Hochkonzentrationsbereich vorzugsweise in einem Abschnitt angeordnet wird, der von der Emissionsoberfläche beabstandet ist, ist dies nicht notwendig und braucht auch nicht vorgesehen zu werden.
Alternativ kann eine externe Vorspannung an der aktiven Schicht angelegt werden, so dass ein Gradient im Energiebandlückenniveau gebildet wird, wodurch die Photoelektronen auch zur emissionsseitigen Oberfläche gezwungen werden. In diesem Fall kann die Dotiermateri alkonzentration darin entweder gleichmäßig gestaltet sein oder mit einer vorbestimmten Verteilung wie oben beschrieben vorgesehen sein.
Obwohl die vorangegangene Erklärung sich auf Beispiele bezieht, bei denen GaN als aktive Schicht verwendet wird, können Ga, In, Al, B und dergleichen als Material der Gruppe III verwendet werden, während N, P, As und dergleichen als Material der Gruppe V verwendet werden können.
Auch können Cs, CsO und dergleichen als das Alkalimetall der Oberflächenschicht verwendet werden.
Nach der vorliegenden Erfindung, wie sie vorangehend erklärt wurde, stabilisiert die aktive Schicht mit einer geringen Dotiermaterialkonzentration die Kristallinität und erhöht die Diffusionslänge, wodurch eine Photokathode mit hoher Quantenausbeute und einer verbesserten scharfkantigen Eigenschaft erhalten werden kann.
Weiter werden Photoelektronen zuverlässig von der Oberfläche emittiert, da ein Halbleiter mit einem breiten Energieband in der aktiven Schicht verwendet wird.
Da die Dotiermaterialkonzentrationsverteilung der aktiven Schicht eingestellt wird, können auch die in der aktiven Schicht erzeugten Photoelektronen zuverlässig zur Oberfläche der Emissionsseite geleitet werden.
Aus den vorangegangenen Erklärungen der Erfindung ist offensichtlich, dass sie auf viele verschiedene Weisen variiert werden kann. Solche Variationen sollen nicht als Abkehr vom Umfang der Erfindung angesehen werden, und alle solchen Modifikationen, die für einen Fachmann offensichtlich wären, sollen im Umfang der nachfolgenden Ansprüche enthalten sein.

Industrielle Anwendbarkeit

Die erfindungsgemäße Photokathode lässt sich nicht nur in photoelektrischen Röhren verwenden, sondern ist auch in Photokathoden anwendbar, die verschiedene Arten der photoelektrischen Umwandlung ausführen.

Claims

1. Eine Halbleiterphotokathode (30) zum Emittieren eines Photoelektrons unter Vakuum im Ansprechen auf ein einfallendes Photon, umfassend:

eine aktive Schicht (34) aus einer p-dotierten Halbleiterverbindung der Gruppen III- V, deren Oberfläche auf der Seite der Photoelektronenemission mit einem Alkalimetall oder einem Alkalimetalloxid aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassungsschicht (33) auf einer Oberfläche der aktiven Schicht (34) vorgesehen ist und dass

die aktive Schicht (34) eine Energiebandlücke aufweist, die wenigstens zweimal so groß ist wie eine Arbeitsfunktion des Alkalimetalls oder Alkalimetalloxids, wobei wenigstens die Oberfläche der aktiven Schicht (34) auf der Seite der Photoelektronenemission eine Dotiermaterialkonzentration von nicht mehr als 1 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufweist.

2. Eine Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, die weiter eine Schicht mit hoher Dotiermaterialkonzentration auf einer Seite der aktiven Schicht (34) aufweist, die eine andere Seite ist als die Seite der Photoelektronenemission.

3. Eine Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, bei der die Dotiermaterialkonzentration der aktiven Schicht nicht mehr als 1 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ in der Nähe der Oberfläche der Photoelektronenemission und auf ihrer Innenseite 1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ beträgt.

4. Eine Halbleiterphotokathode nach Anspruch 3, bei der ein Bereich mit der Dotiermaterialkonzentration von 1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ auf der Innenseite der aktiven Schicht eine Dicke von wenigen nm oder weniger aufweist.

5. Eine Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, bei der die Dotiermaterialkonzentration der aktiven Schicht langsam von nahe der Oberfläche der Photoelektronenemission zur Innenseite hin ansteigt und im tiefsten Abschnitt auf der Innenseite 1 · bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ beträgt.

6. Eine Halbleiterphotokathode nach Anspruch 5, bei der ein Bereich mit der Dotiermaterialkonzentration von 1 · 10¹&sup8; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ auf der Innenseite der aktiven Schicht eine Dicke von wenigen nm oder weniger aufweist.

7. Eine Halbleiterphotokathode nach Anspruch 1, die weiter eine Schottky-Elektrode umfasst, die auf der Oberfläche der aktiven Schicht ausgebildet ist, wobei eine externe Vorspannung an der aktiven Schicht angelegt ist.