JP3654480B2 - Field emission photo-current converter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小針状電子放射源の鋭い針先に高電界を発生させ、これに光を照射して電子を放出させ、光を電流に変換する電界放射型光ー電流変換器に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
光ー電流変換器として最も広く用いられているものはフォトマルチプライヤであり、また、Charge Coupling Device(CCD)と呼ばれる電荷結合素子である。フォトマルチプライヤの利点は極めて微弱な光にも応答し、増幅率が大きいことであり、難点は応答速度がマイクロセカンド程度と遅く、変換電流量がマイクロアンペアと小さく、さらに光の強度と電流量との相関関係にバラツキがあり、暗電流とノイズが高いことである。
また、CCDは直接光を電流量に変換するのではなく、光を一度電荷に変換し、その後読み取り段階で電流に変換できる。従って、光の強度と電流量の相関関係は極めて高いという利点があるが、変換過程が2段階であるため応答速度が遅く、その機構も複雑である。
【0003】
本発明は上記課題を解決するためのもので、高速応答が可能で、かつ変換電流量が大きく、低ノイズ化を図ることができる電界放射型光ー電流変換器を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の電界放射型光ー電流変換器は、絶縁性又は半絶縁性の薄膜を表面に形成し、密集配列した微小針状電子放射源と、該微小針状電子放射源に近接して対向配置した電流収集電極と、該電流収集電極に接続された電流測定手段とを備え、微小針状電子放射源と電流収集電極間に電圧を印加して微小針状電子放射源先端部に高電界を発生させ、該微小針状電子放射源先端部に光を照射してその表面より電子を放射させ、放射した電子を電流収集電極を通して流し、電流収集電極を流れる光の強度に応じた電流を電流測定手段で測定するようにしたことを特徴とする。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
電界放射とは鋭い針先に高電界を発生させ、それにより針先の表面内に閉じ込められている電子に対するポテンシャル障壁を縮小させ、電子を表面より放出させる現象をいう。金属の針では放射電流量は針先の電界強度により大きく増減するが、半導体、特に絶縁性に近い半導体では針先に光を照射すると、光電導率が瞬間的に増大し、電流量が大きく増大する。この原理を本発明では光ー電流変換器に応用する。
【0006】
図1は本発明の電界放射型光ー電流変換器の基本構造の説明図である。
図1において、電子放出面を形成する導電性基板1には絶縁性または半絶縁性の微小針状電子放射源2が密集配列され、これに向き合って電流収集電極3が配置される。微小針状電子放射源2は通常の電界放射顕微鏡のような単一の針として構成しても良いが、変換器に用いる場合は、変換効率をあげるために、微細な針を密集形成させる。各微小針の大きさは変換効率、変換応答速度により様々であるが、高さ数μm〜数百μmが望ましい。そして、各針の間隔も針の高さに応じて数μm〜数百μmと広くなる。針先は鋭ければ鋭い方が望ましく、先端の曲率半径が0.1μm以下になるまで研磨すると低電圧(1000V以下)で電界放射電流量が得られるようになる。
【0007】
電流収集電極3は微小針状電子放射源2の先端より数μm離れた位置に配置される。なお、導電性基板1と電流収集電極3の間には高電圧電源4が接続され、電流収集電極3を流れる電流は電流計5で測定される。
【0008】
次に動作を説明すると、まず高電圧電源4により電子放出面の微小針状電子放射源2と電流収集電極3との距離や、微小針状電子放射源2の曲率半径に応じて数百V〜数KV程度の電圧を印加し、電界放射電流が流れる状態にする。その後、光を微小針状電子放射源に照射する。すると、光の強度に対応して放射電流が変化して電流収集電極3を通して流れる電流が変化し、光を電流に変換することができる。
【0009】
図2は本発明の光ー電流変換器の他の例を示す図である。
【0010】
この例は、図1に示した変換器に対してさらに変換感度を向上させるために微小針状電子放射源2に対向して引出し電極10を設け、さらに電流収集電極3の前方にマイクロチャンネルプレート12を配置したものである。引出し電極10は微小針状電子放射源2の先端を囲むように円錐状の孔が形成された突起状の微小電極からなり、微小針状電子放射源2と引出し電極10とのアライメントに圧電素子11を使用しており、圧電素子11に電圧を印加することにより、電流収集電極3に最も電流が流れるように位置合わせを行う。この引出し電極10は白金等の金属の薄板を微小なポンチにより機械的に孔を開けることにより作成する方法やマイクロリソグラフィ技術を応用する方法、あるいは電鋳法等により作成する。なお、マイクロチャンネルプレート12と電流収集電極3との間は高電圧電源13を挿入する。このマイクロチャンネルプレート12により微小電流が増倍されるので、電流量は増大するが、構造が複雑となるので、このマイクロチャンネルプレートに代えて電流収集電極3と電流計5との間に増幅器を挿入するようにしても良い。
【0011】
また、電流収集電極3は透明度の高いサファイアかガラスで作成し、ネサ膜(酸化スズ等の膜)のような電導性の薄膜で覆う。この場合ネサ膜の光透過特性により変換器が応答する光の波長範囲が変わる。従って、ネサ膜をフィルターとすると、特定波長に応答する変換器を構成することができる。
【0012】
図3は光ー電流変換器の変換感度を向上させるようにした他の例を示す図である。
この例は、導電性基板1の上に絶縁体を介して各微小針状電子放射源2の先端を取り囲むような孔が開けられた引出し電極板21を設けたもので、絶縁体20は微小針状電子放射源2が貫通する孔が開けられている。微小針状電子放射源2と引出し電極板21との間には所定の引出し電圧が印加される。
このような構成とすることにより、電子放出に必要な電圧を下げることが可能である。
【0013】
なお、上記各例において、密集配列微小針状電子放射源、引出し電極、電流収集電極の作成は微細加工が求められるので、近年進展が目ざましい真空マイクロエレクトロニクスやマイクロリソグラフィーの技術を応用して作製する。
【0014】
なお、電子放射源については、金属は光電導の効果がなく、絶縁性または半絶縁性の材料を用いる。シリコンは微細加工技術が進んでいるので、最良の材料と考えられるが、電子放射面が不安定なので、望ましくない。放射面が安定で電子放出効果が優れているものはダイヤモンドである。しかし、ダイヤモンドの微細な針を作製することは困難である。
そこで、図4に示すようにシリコンまたは金属で密集配列微細針状放射源2を作製し、その表面にダイヤモンド、または半絶縁性か絶縁性で光電導性の下地金属の炭化、酸化、窒化物の薄膜2aを形成し、安定な電子源とすることが可能である。
【0015】
この場合、微細針状電子放射源先端の放射領域の炭化膜、窒化膜、酸化膜、ダイヤモンド膜等の電導性、厚さ、組成、構造により光ー電流変換特性が変わる。特に注目したいのは応答する光の波長範囲と応答時間である。
【0016】
図5は光照射時間と応答する放射電流の波形を示したもので、光照射時間幅はナノ秒からフェムト秒であり、この光パルスに応答する変換器では絶縁性薄膜材料の光ー電流変換の即応性と膜の厚みが均一で、数ナノメートルであることが求められる。
【0017】
光パルスと放射電流との時間差は光ー電流変換器および計測器内の時間遅れであり、光照射量が弱く、照射時間幅が狭いと放射電流が減衰し、検出されなくなる。また、光の波長にも依存する。従って、特定の波長パルス幅のみ応答する光ー電流変換器を作ることも可能である。
【0018】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、絶縁性または半絶縁性の薄膜を表面に形成した微小針状電子放射源の鋭い針先に高電界を発生させ、この針先に光を照射することにより光の強度に応じた電流を対向する電流収集電極から取り出すことができ、光ー電極変換器に応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 電界放射型光ー電流変換器の基本構造の説明図である。
【図2】 光ー電流変換器の他の例を示す図である。
【図3】 光ー電流変換器の変換感度を向上させるようにした他の例を示す図である。
【図4】 微細針状放射源を作製方法を説明する図である。
【図5】 光照射時間と応答する放射電流の波形を示す図である。
【符号の説明】
1…導電性基板、2…微小針状電子放射源、3…電流収集電極、4…高電圧電源、5…電流計、10…引出し電極、11…圧電素子、12…マイクロチャンネルプレート、13…高電圧電源、20…絶縁体、21…引出し電極板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission light-to-current converter that generates a high electric field at a sharp needle tip of a micro needle-shaped electron radiation source, irradiates light on the needle, emits electrons, and converts light into current. .
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
The most widely used light-current converter is a photomultiplier, and a charge coupled device called a charge coupling device (CCD). The advantage of the photomultiplier is that it responds to extremely weak light and has a high amplification factor. The disadvantages are that the response speed is as low as microseconds, the conversion current is as small as microamperes, and the light intensity and current are also low. There is a variation in the correlation between and dark current and noise are high.
Also, the CCD does not directly convert light into an amount of current, but can convert light into electric charge once and then convert it into electric current at the reading stage. Accordingly, there is an advantage that the correlation between the light intensity and the amount of current is extremely high, but since the conversion process is in two stages, the response speed is slow and the mechanism is complicated.
[0003]
The present invention is also of the order to solve the above problems, and objectives can be high-speed response, and conversion current amount is large, to provide a field emission light over current converter capable of achieving low noise To do.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The field emission type photo-current converter of the present invention has an insulating or semi-insulating thin film formed on the surface thereof, and closely arranged micro needle-shaped electron radiation sources, and is opposed to the micro needle-shaped electron radiation source in the vicinity. A current measuring electrode connected to the current collecting electrode, and applying a voltage between the micro needle electron emission source and the current collecting electrode to generate a high electric field at the tip of the micro needle electron emission source. Irradiate light to the tip of the microneedle-shaped electron emission source to emit electrons from the surface, flow the emitted electrons through the current collection electrode, and generate a current corresponding to the intensity of the light flowing through the current collection electrode. It is characterized in that it is measured by a current measuring means.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
Field emission refers to a phenomenon in which a high electric field is generated at a sharp needle tip, thereby reducing a potential barrier against electrons confined in the surface of the needle tip and releasing electrons from the surface. In metal needles, the amount of radiated current greatly increases or decreases depending on the electric field strength at the needle tip. However, in semiconductors, especially semiconductors that are close to insulating, when the needle tip is irradiated with light, the photoelectric conductivity increases momentarily and the amount of current increases. Increase. This principle is applied to the light-current converter in the present invention.
[0006]
FIG. 1 is an explanatory view of a basic structure of a field emission type photo-current converter of the present invention.
In FIG. 1, insulating or semi-insulating microneedle
[0007]
The
[0008]
Next, the operation will be described. First, the high
[0009]
FIG. 2 is a diagram showing another example of the light-current converter of the present invention.
[0010]
In this example, in order to further improve the conversion sensitivity with respect to the converter shown in FIG. 1, an
[0011]
The current collecting
[0012]
FIG. 3 is a diagram showing another example in which the conversion sensitivity of the photo-current converter is improved.
In this example, an
With such a configuration, it is possible to reduce the voltage necessary for electron emission.
[0013]
In each of the above examples, since the fabrication of the densely arrayed microneedle-shaped electron emission source, the extraction electrode, and the current collection electrode requires microfabrication, it is manufactured by applying vacuum microelectronics and microlithography technologies that have made remarkable progress in recent years. .
[0014]
For the electron emission source, metal has no photoconductive effect, and an insulating or semi-insulating material is used. Silicon is considered the best material because of advanced microfabrication techniques, but is not desirable because the electron emitting surface is unstable. Diamond has a stable emission surface and an excellent electron emission effect. However, it is difficult to produce fine diamond needles.
Therefore, as shown in FIG. 4, a densely arranged fine needle-shaped
[0015]
In this case, the light-current conversion characteristics vary depending on the conductivity, thickness, composition, and structure of the carbonized film, nitride film, oxide film, diamond film, etc. at the emission region at the tip of the fine needle-shaped electron radiation source. Of particular interest is the wavelength range of response light and the response time.
[0016]
FIG. 5 shows the light irradiation time and the waveform of the radiation current that responds. The light irradiation time width ranges from nanoseconds to femtoseconds. In the converter that responds to this light pulse, the light-current conversion of the insulating thin film material is performed. And the thickness of the film is required to be uniform and several nanometers.
[0017]
The time difference between the light pulse and the radiation current is a time delay in the light-current converter and the measuring device. When the light irradiation amount is weak and the irradiation time width is narrow, the radiation current is attenuated and cannot be detected. It also depends on the wavelength of light. Therefore, it is possible to make a photo-current converter that responds only to a specific wavelength pulse width.
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high electric field is generated at the sharp needle tip of a fine needle-shaped electron radiation source having an insulating or semi-insulating thin film formed on the surface, and light is applied to the needle tip. A current corresponding to the intensity of light can be taken out from the opposing current collecting electrodes, and can be applied to a photo-electrode converter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic structure of a field emission type photo-current converter.
FIG. 2 is a diagram showing another example of the photo-current converter.
FIG. 3 is a diagram showing another example in which the conversion sensitivity of the photocurrent converter is improved.
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of manufacturing a fine needle-shaped radiation source.
FIG. 5 is a diagram showing a light irradiation time and a waveform of a radiation current that responds.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Conductive board | substrate, 2 ... Micro needle-shaped electron emission source, 3 ... Current collection electrode, 4 ... High voltage power supply, 5 ... Ammeter, 10 ... Extraction electrode, 11 ... Piezoelectric element, 12 ... Microchannel plate, 13 ... High voltage power source, 20 ... insulator, 21 ... extraction electrode plate.
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