JPH0760635B2 - Photoelectron emitter - Google Patents
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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。The present invention relates to a photoelectron radiator having a structure in which a conductive material and a semiconductor are joined.
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。Materials with a small energy gap and a low work function have not been discovered. Therefore, as a conventional photoelectron radiator having sensitivity to long-wavelength light, for example, those shown in FIGS. 2 to 4 are known.
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、ECは伝導帯最上部エネルギー、EFはフェ
ルミエネルギー、EV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。Figure 2 shows the energy band diagram of the NEA type photoemissive surface with CsO activity on GaAs. In the figure, reference numeral 41 indicates a P-type GaAs semiconductor substrate, and reference numeral 42 indicates a CsO compound layer bonded to its surface by adsorption. Here, E C is the top energy of the conduction band, E F is the Fermi energy, E V is the bottom energy of the valence band, and E 0 is the vacuum level. According to this, the work function can be lowered due to the junction between the surface level and the Cs-O compound layer.
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。FIG. 3 is an energy band diagram of a photoelectron emission surface of a type in which a PN junction is formed with Ge and CsO activation is performed. As illustrated, the P-type Ge semiconductor 51 and the N-type Ge semiconductor 52 are PN-junctioned, and an electrode (not shown) is formed on the opposite side of the P-type Ge semiconductor 51 from the junction. Further, a partial electrode (not shown) is formed on the side opposite to the junction of the N-type Ge semiconductor 52 (the surface side as a photoelectron emission surface) so as not to interfere with electron emission or light incidence. Further, the surface barrier of the N-type Ge semiconductor 52 is further reduced by the adsorption of the CsO layer. The depletion layer 53 is formed by the above junction and bias. According to this, the work function can be substantially reduced by the action of the PN junction (or Schottky junction) and the reverse bias.
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。Figure 4 is aimed at detection of light of a wavelength longer than that of the type shown in Figure 3. In the figure, the surface barrier is lowered by the Schottky junction between the InGaAs and InP junctions and the CsO activated metal. FIG. 3 is an energy band diagram of a photoelectron emission surface aiming at FIG.
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。In the figure, the P-type InGaAs semiconductor 61 and the InP semiconductor 62 are joined, and an electrode (not shown) is formed on the side opposite to the junction of the semiconductor 61. Further, a partial electrode (not shown) is formed on the opposite side of the junction of the semiconductor 62 (on the surface side as a photoelectron emission surface) so as not to interfere with electron emission or light incidence. Furthermore, the surface of the semiconductor 62 is
The adsorption of the CsO layer further reduces the surface barrier. A depletion layer 63 is formed by the above junction and bias. According to this, a substance with a small energy gap and a substance with a large energy gap
Bond it so that the barrier is not formed in the conduction band as much as possible,
Further, the barrier on the surface can be lowered by bias or the like.
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。Photoelectron emitters of the type that have been put to practical use in these studies are to make photoelectrons by band-to-band transition of semiconductors, transfer the photoelectrons into a substance with low electron affinity by various means, and emit external electrons. Is characterized by.
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。Some photodetectors realize the generation of photoelectrons not by the band-to-band transition of a semiconductor but by a barrier formed by a Schottky junction between a semiconductor and a metal. Here, a photoelectron or a hole is created by radiating internal photoelectrons to the Schottky barrier, and this is a detector having sensitivity to long-wavelength light. There is no conventional example that emits radiation.
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。As described above, in the conventional photoelectron emitting surface, the limit wavelength of photoelectron emission is not longer than the wavelength determined by the energy gap of the semiconductor. Moreover, when the surface barrier is present, the limit wavelength is shortened by the surface barrier. Therefore,
In order to construct a photoelectron emitting surface sensitive to long-wavelength light, it is necessary to use a semiconductor having a small energy gap to lower the substantial surface barrier by the method described above.
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。However, in the case where the Cs-O layer as shown in FIG. 2 is used to reduce the substantial surface barrier, the semiconductor must have an extremely clean surface, and the Cs-O layer and the Cs-O layer must be very clean. Therefore, it is necessary to join without providing an energy barrier in the conduction band. This technology is extremely advanced, and available semiconductors are extremely limited.
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。In order to form the photoelectron emitting surface of the type shown in FIG. 3, the PN junction thereof needs to have an extremely high breakdown voltage characteristic.
This is because in order for the photoelectrons to be emitted from the semiconductor surface while retaining the energy obtained at the PN junction, the thickness of the N layer on the surface and the depleted layer must be less than the mean free path of the photoelectrons. Then, a reverse bias voltage that exceeds the surface barrier must be applied to the thin depleted layer, and the electric field strength becomes extremely high. Therefore, the Zener breakdown usually occurs and the reverse bias voltage cannot be applied. In general, a semiconductor having a smaller energy gap is more likely to undergo Zener breakdown, which hinders the realization of a long-wavelength photoemission surface by this method. In addition, even if the Zener breakdown does not occur, the increase in the reverse saturation current directly increases the dark current, so this is a problem when the PN junction is formed with a small energy gap. Thus, it is difficult and impractical to form this type of photoemissive surface.
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。In the photoelectron emitting surface of the type shown in FIG. 4, the point is to make a junction without forming a barrier in the conduction band.
If there is a barrier, the photoelectron needs to have more energy than that, so the limiting wavelength is shortened accordingly. In general,
This barrier becomes quite large, and there are almost no combinations that extend the limiting wavelength to the infrared. In addition, recombination centers are generally likely to be formed at the interface of the heterogeneous semiconductor junction, and photoelectrons cannot be efficiently transmitted. Therefore, what is realized as a photoelectron emitting surface of this type is semiconductors having very similar properties. As in the example shown here, there are cases where the junctions have relatively different properties, but the sensitivity is low, and most of the others are cases where a ternary and four-element semiconductor of the same series is joined to a III-V semiconductor. . In this case, the mixed crystal ratio is limited, and there are many problems such as requiring extremely high technology.
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。These problems result from the fact that the generation of photoelectrons depends on the transition between semiconductor hands, and therefore it is necessary to use a semiconductor with a small energy gap and to lower the surface barrier at the same time. ing.
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。The photoelectron radiator according to the present invention has a structure having a semiconductor junction between one conductive material and the other semiconductor, and internal photoelectrons are emitted from the one conductive material into the other semiconductor by irradiation light. The photoelectrons are configured to be emitted as external electrons from the surface of the other semiconductor as hot electrons by accelerating and traveling in the thickness direction of the other semiconductor, and the other semiconductor is a semi-insulating semiconductor. By using a substrate having a sufficient thickness that does not cause a tunnel effect penetrating the whole, it is more sensitive to infrared light than semiconductor absorption edge energy.
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。In the photoelectron emitter of the present invention, photoelectrons are generated by internal electron emission at the semiconductor junction arranged inside the photoelectron emitter, so that the semiconductor constituting the mechanism for causing external photoelectron emission is independent of the energy gap. Therefore, it facilitates the formation of a photoelectron emitting surface sensitive to long-wavelength light.
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。First, the basic contents of the present invention will be described prior to the description of specific embodiments.
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。A feature of the photoelectron radiator of the present invention is that photoelectrons generated by internal photoelectron emission at a semiconductor junction are made to emit external electrons. In other words, conventionally, there is a Schottky photo diode in which a metal and a semiconductor are joined as a photodetector having sensitivity to long-wavelength light, but this is a detector using only internal photoelectron emission. On the other hand, the photoelectron radiator of the present invention is characterized in that the photoelectrons emitted from the internal photoelectrons are further emitted to the external electrons. Therefore, the essence is that it has a structure in which electrons are carried in one direction by electric field acceleration and are continuously connected to internal electron emission → electric field acceleration → external electron emission.
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。The photoelectron radiator of the present invention has a structure having a semiconductor junction, and an energy barrier is formed at the interface.
When one of the conductor materials is irradiated with light having a higher energy than the barrier, the electrons of the one conductor material cross the barrier and are internally photoelectron-emitted to the other semiconductor. The other semiconductor that has received photoelectrons has an electric field that accelerates the photoelectrons in the thickness direction of the semiconductor and carries them to the surface in one direction, and the surface has a structure with a substantially negative surface barrier. Therefore, the photoelectrons are emitted into the vacuum as external photoelectrons. Therefore, in this case, the limit wavelength of the photoelectron emission surface is determined by the height of the barrier of the semiconductor junction, not by the conventional energy gap of the semiconductor. In other words, conventionally, in order to design a photoelectron radiator having sensitivity to long-wavelength light, it was necessary to always use a semiconductor with a small energy gap, but this photoelectron radiator does not need to do so, and the height of the barrier is That is, it is possible to independently consider the limiting wavelength and the reduction of the surface barrier. Also, the height of the barrier can be changed by changing the combination of semiconductor junctions.
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。Various conventionally known techniques can be used to lower the surface barrier. In the case of this photoelectron emitter, the technical difficulties in terms of material in the conventional method are freed. The semiconductor junction for generating photoelectrons may be semiconductors, but may be a so-called Schottky junction between semiconductor and metal. Furthermore, the direction in which the light is incident when the light is incident on the junction is not essential, and a type that emits external photoelectrons on the same surface as the light incident surface (a so-called reflection type) and a type that emits external photoelectrons on the opposite surface ( Any of these so-called transmissive types is possible, and these structural modifications are included in the scope of the present invention. Further, the photoelectrons emitted from the internal electrons may be guided to the surface as an induced current and may be emitted to the outside by utilizing the low electron affinity layer on the surface. The gist of the present invention is to externally emit photoelectrons emitted as internal electrons.
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。Next, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples in the case where a semiconductor and a metal are Schottky bonded.
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。The embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is an example in which a semi-insulating semiconductor substrate (for example, a semi-insulating GaAs substrate) is used as a semiconductor and a mesh electrode is formed on the surface. That is, FIG. 1 shows that when a metal and a biased semi-insulating semiconductor are joined together, electrons emitted from the metal to the semiconductor by internal photoelectrons are given energy above the surface barrier by a strong electric field in the semi-insulating semiconductor, FIG. 3 is an energy band diagram of a photoelectron emission surface configured to efficiently emit external photoelectrons. In the figure, the semi-insulating semiconductor substrate 21 to which a strong electric field is applied is, for example, GaAs, and is joined to the metal 22 to form a barrier to be exceeded by internal photoelectron emission. Further, an electrode 23 is provided on the surface, and a bias is applied to the semi-insulating substrate 21. The electrode 23 has a thin film shape or a mesh shape and does not interfere with external photoelectron emission.
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。When using a semi-insulating substrate, a semiconductor to a sufficiently high bias voltage internal photoemission electrons from the back surface of the metal 22 in order to be able to apply a (e -) is now being field acceleration hot electron Then, the photoelectron is emitted into the vacuum by getting enough energy to overcome the barrier on the surface. In this case, if the distance required to pass the semiconductor substrate 21 is longer than the average travel distance of hot electrons,
The photoelectrons are wasted because they disappear. Ideally, it may be thin, but on the other hand it must also have a thickness for acceleration, and it should not be so thin as to cause a tunnel effect. Even if the thickness is as thick as 400 μm, the sensitivity is enough to withstand practical use. (Sensitivity: 0.1mA / W, Wavelength: 1200n
m). Depending on the semi-insulating substrate 21 used, it is also possible to increase the amount of electrons emitted by photoelectron by avalanche amplification during acceleration by a high electric field. The electric field strength required for this purpose is about 100 KV / cm to 500 KV / cm, and it is possible to generate this electric field with a single structure as shown in Fig. 1, but in order to create a local electric field at the required location. Other joints may be added.
The material of the metal 22 is not particularly limited. This is because normally, if a semiconductor and a metal are bonded together without any special treatment, the height of the barrier formed by the interface state is almost one third of the semiconductor energy gap, regardless of the metal. This is because. Therefore, in this case, the barrier height Ga
Energy gap of As = 1/3 of 1.4eV, that is,
It becomes about 0.47 eV, and the limiting wavelength becomes 2.64 μm. The height of the barrier caused by bonding with a metal is defined as
There is also a method of material treatment that is determined by the difference in electron affinity between a metal and a semiconductor. In this case, a metal is selected so that the height of the barrier becomes a desired height. Here, an example of the reflection type in which the incident light and the direction in which the external photoelectrons are emitted is the same has been shown, but as described above, the transmission type photoelectrons can be formed by using a thin layer of a semitransparent metal. It may be used as a radiator. In this example, the electrode on the surface is a mesh electrode, but this is to apply a bias voltage to the GaAs substrate 21 without photoelectrons losing energy in the electrode,
If the electrons are thin enough to pass through without losing energy, there is no need to make a mesh. Further, the electrodes are not limited to metals such as Al and Ag.
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。The embodiments described above are examples of methods of providing a substantially negative surface barrier to a semiconductor joined to a metal, and therefore the present invention is not limited to these methods, and any method may be used. Furthermore, although the III-V group semiconductor such as GaAs is mentioned in the above-mentioned specific examples, any material may be used in view of the essence of the present application. For example, a mixed crystal of a III-V group tertiary quaternary compound may be used. However, I
Another advantage arises when using the II-V group. Γ
The −L transition has a merit that, in addition to emission of photoelectrons from a higher level of energy, the life of carriers can be extended and more efficient photoelectron emission can be performed. This was made possible by the discovery of the inventor of the present application, and applying it to a normal photodiode or the like was filed as a separate invention,
This property is a general property peculiar to the III-V group, and it should be used as an effective carrier propagating means in further emitting external photoelectrons emitted from internal photoelectrons as in the present application. Is naturally conceivable. The essence of the present invention resides in a structure in which the electrons, which have been internally photoelectron-emitted, are internally accelerated and then externally emitted.
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。It is difficult to create a photoelectron emitting surface having a sensitivity in the infrared region by the conventional method. At the laboratory level, it has been reported that it has a sensitivity up to a considerably long wavelength, but a practical one has a sensitivity to a wavelength longer than 1 μm.
It only consists of Ag, O, Cs called S-1 photoemission surface. Moreover, this sensitivity is extremely low as compared with the sensitivity of other photoelectron emitting surfaces in the visible range. A photomultiplier tube using a photoelectron emission surface is indispensable for weak light detection because it has less noise, but since there is no good photoelectron emission surface in the infrared region, various studies using weak light have been performed. And the commercialization is delayed. Currently used in the infrared region
The internal photoelectric type detector such as InSb and PbS is a detector having a quantum efficiency close to 1 and high sensitivity, but is not suitable for photodetection at a weak light level. This is because many of these internal photoelectric type detectors are used in photoconductive type operation, and dark current is extremely large. Therefore, it is extremely difficult to detect the weak photocurrent contained in the output signal.
Further, even in a photodetector using the photovoltaic effect, it is difficult to externally amplify a weak signal that is taken out to a signal level that is easy to handle with low noise. This is because much noise is generated in the amplifier.
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。On the other hand, if the photoelectron emitter of the present invention is applied to a photomultiplier tube, the detection efficiency tends to be lower than that of the internal photoelectric detector, but the secondary electron multiplication with extremely low noise is used. Therefore, weak light can be detected. Therefore, according to the present invention, various researches and devices in the weak light region, which are currently limited to the visible region, can be extended to the infrared region as they are. For example, in the study of physical properties, it has been possible to study the impurity level using luminescence in the infrared region, although the sensitivity of the luminescence detector was conventionally low and difficult. Alternatively, a weak light camera in the infrared region can be obtained by combining with an image pickup system. It is possible to observe a hot object at a weak light level and to perform night vision by irradiating infrared rays. Furthermore, if it is applied to a streak camera that uses light emitted by electron emission to deflect the electrons, the fastest photodetector in the infrared region can be realized.
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。FIG. 1 is an energy band diagram of an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are energy band diagrams of a conventional example.
───────────────────────────────────────────────────── 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) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tsuneo Uchihara 1 1126 Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. Co., Ltd. (72) Kenichi Sugimoto 1 1126, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Koichiro Ohba 1 126, Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture Hamamatsu Photonics Co., Ltd. ( 72) Inventor Toshihiro Suzuki 1 126-1, Nomachi, Hamamatsu-shi, Shizuoka Prefecture Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (56) References Japanese Patent Publication Sho 44-7677 (JP, B1)
Claims (3)
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。1. A structure having a semiconductor junction between one conductive material and the other semiconductor, wherein photoelectrons internally emitted from the one conductive material into the other semiconductor by irradiation light are It is configured such that external photoelectrons are emitted from the surface of the other semiconductor as hot electrons by accelerating the electric field in the thickness direction of the other semiconductor to allow the semiconductor to run, and the other semiconductor is a semi-insulating semiconductor, A photoelectron emitter which is made more sensitive to infrared light than semiconductor absorption edge energy by using a substrate having a sufficient thickness that does not cause a tunnel effect penetrating the whole.
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。2. The photoelectron radiator according to claim 1, wherein an avalanche multiplication is caused by setting the internal electric field strength to 100 KV / cm or more.
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。3. A photoelectron emitter according to claim 1, wherein a reverse bias junction is provided and is used as a part of electric field acceleration.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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1989
- 1989-03-07 JP JP5433289A patent/JPH0760635B2/en not_active Expired - Fee Related
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