JP4939033B2

JP4939033B2 - 光電陰極

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Publication number: JP4939033B2
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Inventors: 和利中嶋; 実新垣; 智子望月; 徹廣畑
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Description

本発明は、半導体光電陰極に関する。

光電陰極は、光検出器などの測定装置に用いられており、例えば、特許文献１に記載された透過型光電陰極が用いられる。この透過型光電陰極は近赤外光に対して感度を有すると共に、ＩｎＧａＡｓ系材料からなる光吸収層の光入射側にはＩｎＡｌＧａＡｓからなる窓層が設けられている。

光電陰極では、光検出器を用いた高速現象の解析等に障害となる面抵抗を下げるために、光吸収層の光入射側に透明導電膜を設けることが知られている（特許文献２参照）。また、光検出器に用いられる光電陰極において、光入射側にメッシュ電極や島状電極を設けて、バイアス電圧が印加することが知られている（特許文献３参照）。

一方、光検出器の用途例には、光によって試料を励起し、試料が発する蛍光の強度について時間変化を測定する蛍光寿命分析がある。この蛍光寿命分析に用いる光検出器は、光電陰極が組み込まれた光電子増倍管、画像増強管及びストリーク管といった電子管を備えている。光検出器を用いる一般的な蛍光寿命分析では、試料を励起する光として短い波長のパルス光（例えば、可視レーザ光）を用いて、そのパルス光よりも長い波長の蛍光（例えば、赤外蛍光）が測定される。
特開平９−１９９０７５号公報特公平４−３０７０６号公報特許第２９０２７０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光電陰極は、光電子を励起することができる入射光の波長帯域が狭いために、赤外蛍光の波長に対しては十分な感度を有するものの、紫外域を含む可視レーザ光の波長対して感度を有するものではなかった。また、特許文献２及び３に記載された発明は、光電陰極の感度について波長帯域を広げることには効果がなかった。そのため、従来は、被検出光の波長に応じて光電陰極を使い分ける必要があり、励起光用と蛍光用に別々の光検出器を用意していた。

そこで、本発明は、広い波長帯域の光に対してフラットな感度を有する半導体光電陰極の提供を目的とする。

本発明者は、バイアス電圧を与えて動作させる半導体光電陰極を主な対象として、積層構造並びに光吸収層など各層の形状及び材料を検討した。その結果、従来の半導体光電陰極では、光の入射に応答して光電子を励起する光吸収層に到達する前に、光吸収層よりも光入射側にある層（例えば窓層）によって、感度を有する波長帯域の光（特に、可視から紫外域の光）が遮蔽されてしまうということに着目し、本発明を着想するに至った。

本発明の半導体光電陰極は、透明基板と、透明基板上に形成され、透明基板を透過した光が通過可能な第１の電極と、第１の電極上に形成され、光の入射に応答して光電子を励起する光吸収層と、第１の電極と光吸収層との間に介在し、光吸収層よりもエネルギーバンドギャップが広く、光吸収層と格子整合する半導体材料で構成されると共に、厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の半導体材料から構成される窓層と、光吸収層上に形成され、光吸収層と格子整合する半導体材料で構成されると共に、光吸収層で励起された光電子を表面から外部へ放出する電子放出層と、電子放出層上に形成された第２の電極と、を備える。

本発明の半導体光電陰極によれば、光吸収層の半導体材料と格子整合する窓層が光入射側に形成されるが、その厚さはごく薄くされている。そのため、バイアス電圧が印加された状態で、紫外域から近赤外域までにわたる広い波長帯域において、透明基板を透過した光は、第１の電極を通過した後に窓層でほとんど遮蔽されることなく、光吸収層に入射して光電子が励起される。そして、励起された光電子は、電子放出層を介して、外部に放出される。従って、広い波長帯域の光に対して感度を有する半導体光電陰極が得られる。

また、上記半導体光電陰極において、第１の電極は、厚さが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の金属材料層としてもよい。このように構成することで、第１の電極を金属材料とした場合であっても、製造上の制御が可能な厚さを持たせつつ、広い波長帯域において光を通過させることができる。

また、第１の電極は、厚さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の金属材料層としてもよい。このように構成することで、第１の電極を金属材料した場合に、半導体光電陰極に対してバイアス電圧を均質に印加させつつ、より広い波長帯域において光を光吸収層に向けて通過させることができる。

また、第１の電極は、開口を有する金属材料としてもよい。このように構成することで、第１の電極を金属材料層した場合であっても、開口を介して光を光吸収層に向けて通過させることができる。

また、第１の電極は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２からなる群より選ばれる少なくとも１種の透明導電性材料としてもよい。第１の電極に光を透過させる透明導電性材料を用いることで、電極としての機能を持たせながら、透明基板を透過した光を光吸収層に向けて通過させることができる。

また、上記半導体光電陰極において、窓層の厚さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下としてもよい。窓層の厚さをこのようにすることで、一様な層を形成することが容易な厚さを有しながらもバイアス電圧を良好に印加することが可能となると共に、広い波長帯域において光を良好に透過させることができる。

また、上記半導体光電陰極は、電子放出層と第２の電極との間に介在し、電子放出層と格子整合する半導体材料で構成されるコンタクト層を更に備えるようにしてもよい。コンタクト層を設けることで、電子放出層と第２の電極との間の接触抵抗を低下させることができるため、バイアス電圧を効果的に印加することができる。

また、上記半導体光電陰極は、透明基板と第１の電極との間に介在する絶縁膜を更に備えるようにしてもよい。このように絶縁膜を設けることで、透明基板と半導体材料との密着性を高めるという効果がある。

また、上記半導体光電陰極は、透明基板と第１の電極との間に介在する反射防止膜を更に備えるようにしてもよい。反射防止膜を設けることで、光吸収層に入射する光について所望の波長の反射率が低減され、光電子を放出する効率を高めることができる。

本発明によれば、バイアス電圧が印加された状態で、紫外域から近赤外域までの広い波長帯域にわたる光を光吸収層に入射させて光電子を励起することができる。そのため、広い波長帯域に対してフラットな感度を有する半導体光電陰極が得られる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体光電陰極について、添付の図面に基づき説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る透過型の半導体光電陰極１の平面図であり、図２は図１におけるII-II線に沿った断面図である。

半導体光電陰極１は、透明基板１１と、中間膜１２と、第１の電極１３と、窓層１４と、光吸収層１５と、電子放出層１６と、コンタクト層１７と、第２の電極１８と、を備える。なお、窓層１４、光吸収層１５、電子放出層１６及びコンタクト層１７は、光電変換を担う半導体多層膜として構成されている。

透明基板１１は、短波長感度端が制約されない材料で構成されており、紫外域から近赤外域までにわたる広い波長帯域において入射光ｈνを透過する。このような透明基板１１の材料としては、例えばガラスや石英が用いられる。なお、透明基板１１は、半導体光電陰極１の機械的強度を維持する部分であり、電子管に組み込まれる際には真空容器の一部となる場合もある。

第１の電極１３は、透明基板１１上に形成され、厚さがごく薄い金属材料層として構成されており、透明基板１１を透過した光が通過可能な光入射側の電極として構成されている。この第１の電極１３は、例えば、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などの材料で構成され、厚さは５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。一例として、第１の電極１３は厚さ１０ｎｍのタングステンとすることができる。

第１の電極１３をこのように構成することで、電極として製造上の制御が可能な厚さを持たせつつ、広い波長帯域において第１の電極１３に到達した光を光吸収層１５に向けて通過させることができる。また、半導体光電陰極に対してバイアス電圧を均質に印加させつつ、紫外域から近赤外域までにわたる広い波長帯域において光を良好に通過させることができる。特に、厚さを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とした場合には、より均質な膜質と低い面抵抗を両立させることができることにより、高い透過率を維持しながら均質なバイアス電界を形成できるという効果がある。

窓層１４は、第１の電極１３上に形成され、厚さがごく薄い半導体材料からなる層として構成されている。この窓層１４は、後述する光吸収層１５の半導体材料と格子整合するｐ型半導体材料（例えばＩｎＰ）から構成されており、窓層として入射光ｈνを透過する機能だけでなく、バイアス電圧を印加するための機能を有するｐ側のコンタクト層とされている。さらに、後述するように窓層１４は光吸収層１５よりもエネルギーバンドギャップが広く、これにより光吸収層で発生した光電子を透明基板側に拡散してしまうのを防ぐ機能をも有する。なお、ここで、或る結晶が窓層の半導体材料と格子整合するとは、窓層がＩｎＰから構成される場合、当該結晶の格子定数とＩｎＰの格子定数との差が、ＩｎＰの格子定数に対して±０．５％以内である場合をいう。

窓層１４の厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましく、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることがより好ましい。一例として、窓層１４は厚さ５０ｎｍのｐ型ＩｎＰとすることができる。窓層１４をこのように構成することで、一様な層を形成することが容易な厚さを有しながらもバイアス電圧を良好に印加することが可能になると共に、紫外域から近赤外域までにわたる広い波長帯域において光を良好に透過させることができる。特に、窓層１４の厚さを２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とした場合には、入射光ｈνを効率良く透過させ、かつ光吸収層１５で励起された光電子の第１の電極への拡散をブロックし、光電子を電子放出層１６側へ効率良く移送するという効果がある。また、窓層１４のキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。この場合は、光吸収層１５に均一なバイアス電圧を印加できるという効果がある。なお、窓層１４の材料としては、ｐ型ＩｎＰ以外に、光吸収層１５に格子整合し、そのエネルギーギャップが光吸収層１５よりも大きい半導体を用いることができる。

光吸収層１５は、入射光ｈνに応答して光電子を励起する層であり、窓層１４上に形成されている。この光吸収層１５は、窓層１４よりもエネルギーバンドギャップが狭く、窓層１４と格子整合する半導体材料（例えば、高抵抗であるｐ型ＩｎＧａＡｓ）で構成されている。光吸収層１５は、厚さを２０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とし、キャリア濃度を１×１０^１５ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることができる。また、光吸収層１５の材料としては、ｐ型ＩｎＧａＡｓ以外にｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。

電子放出層１６は、エネルギーバンドギャップが光吸収層１５よりも広く、光吸収層１５で励起された光電子を表面から外部へ放出する層であり、光吸収層１５上に形成されている。この電子放出層１６は、光吸収層１５と格子整合する半導体材料（例えばｐ型ＩｎＰ）で構成されている。また、電子放出層１６には、幅１０００ｎｍ程度の開口部１６Ｔがストライプ状に設けられており、外部に電子を放出させることができるようにされている。図１及び図２に示される半導体光電陰極１では、開口部１６Ｔをストライプ状に形成し、形状をコンタクト層１７及び第２の電極１８においても同一形状の開口を形成した場合を示している。なお、図１では、開口部１６Ｔをストライプ状に設けた場合を示しているが、メッシュ状に設けてもよく、均一な形状の開口を有していれば、その形状は問わない。

電子放出層１６は、厚さを５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とし、電子放出層１６のキャリア濃度を５×１０^１５ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることができる。また、開口部１６Ｔの線幅は１００ｎｍ以上１０００００ｎｍ以下とし、開口部１６Ｔのピッチは１００ｎｍ以上１０００００ｎｍ以下とすることができる。電子放出層１６の材料としては、ｐ型ＩｎＰ以外に、光吸収層１５に格子整合し、そのエネルギーギャップが光吸収層１５よりも大きい半導体を用いることができる。

コンタクト層１７は、電子放出層１６と第２の電極１８との間に介在し、電子放出層１６と格子整合する半導体材料で構成される。このコンタクト層１７は、電子放出層１６と第２の電極１８との間の接触抵抗を低下させて、バイアス電圧を効果的に印加するための付加的な層であり、例えばｎ型ＩｎＰから構成される。なお、光吸収層１５及び電子放出層１６にｐ型半導体材料を用いて、コンタクト層１７としてｎ型半導体材料を用いた場合には、コンタクト層１７はｎ側のコンタクト層となる。コンタクト層１７は、厚さを５０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下とし、キャリア濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下とすることができる。また、コンタクト層１７の材料としては、ｎ型ＩｎＰ以外に、光吸収層１５に格子整合し、そのエネルギーギャップが光吸収層１５よりも大きい半導体を用いることができる。

第２の電極１８は、電子放出層１６上に形成された層であり、例えばＴｉから構成される。この第２の電極１８を設けることで、光吸収層１５及び電子放出層１６に対してバイアス電圧を印加することができる。なお、本実施形態では、第２の電極１８は、コンタクト層１７上に形成され、光電子放出側の電極として構成されている。第２の電極１８は、厚さを５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。なお、第２の電極１８の材料としては、Ｔｉ以外にＡｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ及びこれらの合金などを用いることができる。

（半導体光電陰極の動作）
次に、半導体光電陰極１の動作について説明する。外部より逆方向のバイアス電圧を印加するため、図２に示されるように、バイアス電源５０の高電位端子側は第２の電極１８と接続され、低電位端子側は第１の電極１３と接続される。

このように接続された半導体光電陰極１において、バイアス電圧が印加された状態で、入射光が透明基板１１側から入射すると、一部は第１の電極１３及び窓層１４で反射若しくは吸収されるものの、残りは光吸収層１５に到達する。そして、光吸収層１５で光電変換されることで生じた電子が、電子放出層１６の表面から外部に放出される。

（半導体光電陰極の製造方法）
ここで、本実施形態に係る半導体光電陰極の製造方法について説明する。図３及び図４は、半導体光電陰極１の製造過程を示す断面図である。

まず、ＩｎＰ基板４２を用意する。そして、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって、ＩｎＰ基板４２上に、ＩｎＧａＡｓからなるエッチングストップ層４１、コンタクト層１７（例えばｎ型ＩｎＰ）、電子放出層１６（例えばｐ型ＩｎＰ）、光吸収層１５（例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ）及び窓層１４（例えばｐ型ＩｎＰ）を順次結晶成長させる。引き続き、窓層１４上に第１の電極１３（例えばタングステン）を真空蒸着する（図３（ａ））。

次に、プラズマＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）によって、中間膜１２（例えば二酸化シリコン膜）を堆積した後、このウエハーを熱圧着により透明基板１１（例えばガラス）と接着させる（図３（ｂ））。

透明基板１１と一体化したウエハーを加熱した塩酸に浸してエッチングすることにより、ＩｎＰ基板４２をすべて除去する。このエッチング工程は、エッチングストップ層４１により、自動的に停止する（図３（ｃ））。

その後、硫酸系エッチャントによって、エッチングストップ層４１をエッチングすることで、コンタクト層１７を表面とし、透明基板１１を裏面とする基板を作製する（図４（ａ））。

次に、第２の電極１８を真空蒸着し、フォトリソグラフィーとＲＩＥドライエッチング（反応性イオンエッチング）により、電子放出層１６、コンタクト層１７及び第２の電極１８に対してストライプ状のパターンを形成する。これにより、電子放出層１６において半導体光電陰極１の外部に電子を放出させるための電子放出部が形成される（図４（ｂ））。

最後に、フォトリソグラフィーと、塩酸及び硫酸型エッチャントを用いた化学エッチングにより、第１の電極１３を露出させると、図２に示される半導体光電陰極１が作製される（図４（ｃ））。

（半導体光電陰極の特性）
図５は、第１実施形態に係る半導体光電陰極の特性データを示す。図５に示されるように、本実施形態に係る半導体光電陰極によれば、３５０ｎｍの紫外域から１６５０ｎｍの広い波長帯域にわたって感度の変動幅が少ないフラットな傾向が得られた。特に、４５０ｎｍから１６００ｎｍにわたる波長域では、より高い感度で変動幅が少ないフラットな傾向が得られた。

次に、以上の構成を備える本実施形態に係る半導体光電陰極の効果について説明する。本実施形態の半導体光電陰極１によれば、光吸収層１５を形成するために、光吸収層１５の半導体材料と格子整合する窓層１４が光吸収層１５に形成されるが、窓層１４の厚さはごく薄くされている。そのため、バイアス電圧が印加された状態で、紫外域から近赤外域までにわたる広い波長帯域において、透明基板を透過した光は、第１の電極を通過した後に窓層で遮蔽されることなく、光吸収層に入射して光電子が励起される。従って、広い波長帯域の光に対してフラットな感度を有する半導体光電陰極が得られる。

換言すれば、半導体光電陰極１によれば、バイアス電圧を印加した状態で、７８０ｎｍを超える近赤外域の光だけでなく、可視光域や３５０ｎｍから４５０ｎｍの紫外域の光を光吸収層１５に到達させることができる。これにより、１つの半導体光電陰極に、紫外域から近赤外域までにわたる広い波長帯域に対する感度を持たせることができるため、光電子増倍管、画像増強管及びストリーク管といった電子管に組み込む際に、被検出光の波長に応じて光電陰極を使い分ける必要がなくなる。従って、励起光用と蛍光用に別々の光検出器を用意していたことに起因する精度の低下が改善されるだけでなく、測定装置の構造を簡単にすることが可能となり、小型化や低コスト化を図ることができる。

具体的には、時間分解蛍光測定においては、励起光パルス（一般には蛍光波長よりも短波長）と蛍光を同時に計測可能となるため、測定精度の向上だけでなく装置の小型化、低コスト化も実現できる。また、小型でメンテナンスフリーの冷却器と組み合わせることにより、広い波長帯域に対応できる光検出器を製造することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る透過型の半導体光電陰極を説明する。

図６は、第２実施形態に係る透過型の半導体光電陰極２の断面図である。なお、半導体光電陰極２の平面図は図１と同様の図となるため、図１において対応する要素に対応する符号を付すことで説明を省略する。

本実施形態と第１実施形態との違いは、光入射側に設けられた第１の電極２３であり、他の要素は第１実施形態と同一である。本実施形態では、第１の電極２３は、開口２３Ｂを有する金属材料層として構成されているという点において、第１実施形態と異なる。具体的には、図７の平面図に示されるように、第１の電極２３に複数の開口２３Ｂを設けることで、第１の電極２３はストライプ状にパターニングされる。

第１の電極２３を構成する金属材料は特に限定されないが、第１実施形態に係る第１の電極１３と同様に、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などの材料から第１の電極２３を構成することができる。また、第１の電極２３の厚さは特に限定されないが、金属材料としてタングステンを用いた場合には、厚さ１００ｎｍとすることができる。

このように構成した半導体光電陰極２は、第１実施形態の場合と同様に、バイアス電源５０を用いてバイアス電圧を印加して動作させることができる。本実施形態では、ストライプ状に開口２３Ｂが複数設けられているため、透明基板１１に入射した光は線部２３Ａ及び縁部２３Ｃではほぼ１００％遮光されるが、開口２３Ｂでは遮光されることなく通過する。従って、透明基板を透過した光を光吸収層１５に向けて通過させることができる。

本実施形態において、開口２３Ｂの数は特に限定されないが、透明基板を透過した光を効率良く通過させるためには、線部２３Ａの線幅をｗ_１、開口２３Ｂを設けるピッチ幅をｗ_２としたとき、下記の式で表される開口率βを可能な限り大きくすることが好ましい。
（式）β＝｛１−（ｗ_１／ｗ_２）｝×１００
一例として、線部２３Ａの線幅ｗ_１を５０００ｎｍとして、開口２３Ｂのピッチｗ_２を１０００００ｎｍとすることができる。この場合、開口率βは９５％となる。

また、開口２３Ｂは、線幅ｗ_１を５００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下、ピッチｗ_２を５００ｎｍ以上５０００００ｎｍ以下とすることが好ましい。線幅ｗ_１及びピッチｗ_２をこのような範囲とすることで、半導体光電陰極に対して、効果的にバイアス電圧を印加することができるとともに、フォトリソグラフィーを用いて再現性良く形成することができる。なお、図７では、複数の開口２３Ｂをストライプ状に配列した場合を示しているが、複数の開口をメッシュ状や同心円状など異なる態様の配列としてもよい。

なお、本実施形態に係る半導体光電陰極２の製造方法は、第１実施形態に係る半導体光電陰極１の製造方法とほぼ同様である。しかしながら、図３（ａ）に示される窓層１４上に第１の電極１３を真空蒸着する工程の後に、フォトリソグラフィー工程とＲＩＥドライエッチングにより複数の開口２３Ｂを形成する工程が加わる点で第１実施形態の場合と異なる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る透過型の半導体光電陰極を説明する。なお、本実施形態に係る半導体光電陰極の平面図及び断面図は第１実施形態の半導体光電陰極１と同一となるため、対応する要素に対応する符号を付すことで説明を省略する。

本実施形態と第１実施形態との違いは、半導体光電陰極３において光入射側に設けられた第１の電極３３であり（図２参照）、他の要素は第１実施形態と同一である。具体的には、本実施形態では、第１の電極３３が透明導電性材料から構成されているという点において、第１実施形態と異なる。第１の電極３３を構成する透明導電性材料としては、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２からなる群より選ばれる少なくとも１種の材料とすることができる。なお、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２は、いずれも酸化物透明半導体である。また、第１の電極３３の厚さは、１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好ましく、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることがより好ましい。

このように構成した半導体光電陰極３は、第１実施形態の場合と同様に、バイアス電源５０を用いてバイアス電圧を印加して動作させることができる。本実施形態では、第１の電極３３は透明導電性材料から構成されているため、電極としての機能を持ちながら、光を透過させる性質を有する。従って、透明基板を透過した光を光吸収層１５に向けて通過させることができる。

なお、本実施形態に係る半導体光電陰極２の製造方法は、第１実施形態に係る半導体光電陰極１の製造方法とほぼ同様である。しかしながら、図３（ａ）に示される窓層１４上に第１の電極１３を真空蒸着する工程において、金属材料からなる第１の電極１３の代わりに透明導電性材料からなる第１の電極３３を形成する点で第１実施形態の場合と異なる。

本発明の実施形態に係る半導体光電陰極の平面図である。図１におけるII-II線に沿った半導体光電陰極の断面図である。半導体光電陰極の製造過程を示す断面図である。半導体光電陰極の製造過程を示す断面図である。本発明の実施形態に係る半導体光電陰極の特性データを示す図である。本発明の他の実施形態に係る半導体光電陰極の断面図である。本発明の他の実施形態に係る半導体光電陰極における第１の電極の平面図である。

符号の説明

１，２，３…半導体光電陰極、１１…透明基板、１２…中間膜、１３，２３，３３…第１の電極、１４…窓層、１５…光吸収層、１６…電子放出層、１６Ｔ…開口部、１７…コンタクト層、１８…第２の電極、２１…基板、２３Ａ…線部、２３Ｂ…開口、２３Ｃ…縁部、４１…エッチングストップ層、４２…ＩｎＰ基板、５０…バイアス電源。

Claims

透明基板と、
前記透明基板上に形成され、前記透明基板を透過した光が通過可能な第１の電極と、
前記第１の電極に接するように前記第１の電極上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成され、光の入射に応答して光電子を励起する光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され、前記光吸収層と格子整合する半導体材料で構成されると共に、前記光吸収層で励起された光電子を表面から外部へ放出する電子放出層と、
前記電子放出層上に形成された第２の電極とを備え、
前記窓層は、前記光吸収層よりもエネルギーバンドギャップが広く、前記光吸収層と格子整合する半導体材料で構成されると共に、厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の半導体材料から構成されていることを特徴とする半導体光電陰極。
前記第１の電極は、厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の金属材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。
前記第１の電極は、厚さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の金属材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。
前記第１の電極は、開口を有する金属材料層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。
前記第１の電極は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２からなる群より選ばれる少なくとも１種の透明導電性材料からなる層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電陰極。
前記窓層の厚さが２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体光電陰極。
前記電子放出層と前記第２の電極との間に介在し、前記電子放出層と格子整合する半導体材料で構成されるコンタクト層を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体光電陰極。
前記透明基板と前記第１の電極との間に介在する絶縁膜を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体光電陰極。
前記透明基板と前記第１の電極との間に介在する反射防止膜を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体光電陰極。