專利名稱：光電陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個光照射下發(fā)射光電子的光電陰極(光電子發(fā)射表面)。
背景技術(shù)：
一個光電陰極由在半導(dǎo)體上形成的光吸收層和電子發(fā)射層構(gòu)成的，而如何在這些光吸收層和電子發(fā)射層之間施加電場的方法已經(jīng)在某些文檔中被揭示，例如，日本專利第2923462號(參考1)。這種光電陰極包含一個由InP構(gòu)成的襯底，在襯底的上層形成一個由2μm厚的InGaAs構(gòu)成的光吸收層，同時在光吸收層之上形成一個0.7μm厚的P型InP電子發(fā)射層。接下來，由一N型InP層和一個為N型InP層提供電勢的鈦金屬層組成的網(wǎng)狀電極形成在P型InP電子發(fā)射層上。
在N型InP層和P型InP電子發(fā)射層之間以及后者和光吸收層之間形成一個P-N結(jié)。電場通過電源、電線和由AuZn組成的電極施加在光吸收層和電子發(fā)射層之間。在這個光電陰極里，網(wǎng)狀電極有2μm寬度和4μm的電極間距。氧化銫涂在P型InP電子發(fā)射層表面的裸露部分，以降低P型InP電子發(fā)射層表面的逸出功。該光電陰極被真空密封在一個開有光線入射窗的容器內(nèi)。接著，光電陰極發(fā)射出的電子到達(dá)一個集電極。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人詳細(xì)研究過傳統(tǒng)的光電陰極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在以下的問題。那就是，在傳統(tǒng)的光電陰極中，它需要實現(xiàn)一個好的輻射靈敏度(光電靈敏度)，且同時要防止信號中的信噪比降低。然而，參考1中所揭示的光電陰極在低溫時存在一個問題。一般而言，由于光電陰極發(fā)射表面的暗電子發(fā)射主要是由熱電子發(fā)射引起的，因此光電陰極溫度的降低會使信噪比提高。
然而，光電陰極溫度的降低也會導(dǎo)致輻射靈敏度的降低。圖1所示的是一傳統(tǒng)光電陰極的輻射靈敏度隨溫度變化的曲線圖。在圖1中，曲線G100表示溫度為-100℃時的輻射靈敏度，曲線G110表示溫度為-80℃時的輻射靈敏度，曲線G120表示溫度為-120℃時的輻射靈敏度，曲線G130表示溫度為-140℃時的輻射靈敏度，曲線G140表示溫度為-160℃時的輻射靈敏度。從圖1中可以看到，隨著光電陰極溫度的降低，光電陰極的輻射靈敏度也從長波一側(cè)開始迅速降低。也就是說，光電陰極溫度的降低會引起輻射靈敏度的降低由此使光電陰極的冷卻受到限制，由于這個問題的存在因此也就阻止了信噪比的提高。
本發(fā)明的設(shè)計正是為了解決上述問題。本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種光電陰極，該光電陰極能在低溫時抑制輻射靈敏度的降低，從而使信噪比能夠提高。
為了解決上述問題，本發(fā)明人做了大量的研究努力，并且通過調(diào)整光電陰極的各種參數(shù)來進(jìn)行后面提到的實驗。最終，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了這樣一些固有參數(shù)的范圍，當(dāng)光電陰極的這些固有參數(shù)設(shè)置在這些范圍內(nèi)時，即使在很低的溫度下輻射靈敏度的降低也能得到抑制。這些實驗使本發(fā)明得以完成。
如本發(fā)明所述的光電陰極是一個光照射下發(fā)射電子的光電陰極，包含一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底、一個第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層、一個第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層、一個第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層、一個表面電極、一個活躍層、一個背面電極。該半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面以及與第一表面相對的一個第二表面。該第一半導(dǎo)體層位于半導(dǎo)體襯底的第一表面之上。第二半導(dǎo)體層也位于該半導(dǎo)體襯底的第一表面之上。該第三半導(dǎo)體層位于第二半導(dǎo)體層之上，且具有一個形狀導(dǎo)致第二半導(dǎo)體層的表面的局部是裸露的。表面電極位于第三半導(dǎo)體層之上?；钴S層的作用是降低第二半導(dǎo)體層的逸出功，它位于第二半導(dǎo)體層表面的裸露部分之上。背面電極位于半導(dǎo)體襯底的第二表層之上。尤其是，在光電陰極中，第三半導(dǎo)體層中相互面對面地將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L是大于等于0.2μm(＝0.2*10-6m)，且小于等于2μm(＝2*10-6m)。換句話說，從第三半導(dǎo)體層到第二半導(dǎo)體層表面裸露部分的中心的最短距離L是大于或者等于0.1μm(＝0.1*10-6m)，并且小于或者等于1μm(＝1*10-6m)。
如上所述，如本發(fā)明所述的光電陰極里，該第三半導(dǎo)體層相互面對地且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L被設(shè)置為等于或者大于0.2μm，且等于或者小于2μm。就如后面在本發(fā)明實施例的實驗說明中所描述的那樣，這樣就使輻射靈敏度的降低在低溫時得到了抑制。因此，即使由于光電陰極冷卻而引起溫度下降時，輻射靈敏度的下降仍能在很大的程度上得以避免。這就使光電陰極信噪比得以提高。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，施加在表面電極和背面電極上的電壓值V被該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L整除，其結(jié)果是等于或者大于2(V/μm)。換句話來說，V/L的值等于或者大于4(V/μm)。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，第二半導(dǎo)體層的厚度D(m)、該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L(m)、第二半導(dǎo)體層的載流子密度N(m3)和施加于表面電極和背面電極之間的電壓V(V)滿足以下的關(guān)系式(1)D2+L2≤3.0(1+V)×109/N...(1)。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，第二半導(dǎo)體層的厚度D(m)、該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L(m)和施加于表面電極和背面電極之間的電壓V(V)滿足以下的關(guān)系式(2)D2+L2≤6.0(1+V)×10-13...(2)。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L(m)、第二半導(dǎo)體層的載流子密度N(m3)和施加于表面電極和背面電極之間的電壓V(V)滿足以下的關(guān)系式(3)L2≤3.0(1+V)×109/N...(3)。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L(m)和施加于表面電極和背面電極之間的電壓V(V)滿足以下的關(guān)系式(4)L2≤6.0(1+V)×10-13...(4)。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，第二半導(dǎo)體層的厚度D(m)、該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L(m)和第二半導(dǎo)體層的載流子密度N(m3)滿足以下的關(guān)系式(5)D2+L2≤3.3×1010/N...(5)。
本發(fā)明可以用這樣的方法實現(xiàn)，第二半導(dǎo)體層的厚度D(m)和該第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L(m)滿足以下的關(guān)系式(6)D2+L2≤6.6×10-12...(6)。
通過下文給出的詳細(xì)描述和附圖本發(fā)明將得到更充分的理解，下文的詳述和附圖僅僅作為舉例說明而并非是對本發(fā)明的限定。
通過下文給出的詳細(xì)描述，本發(fā)明更大的適用范圍將會是顯而易見的。然而，應(yīng)該理解的是，在說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例時，這些詳細(xì)描述和具體的例子僅僅是作為例證，因為根據(jù)本發(fā)明的詳細(xì)描述，在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)進(jìn)行的各種改變和修改對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言都是顯而易見的。


圖1所示的是一個隨溫度而變化的傳統(tǒng)光電陰極的輻射靈敏度(光電子靈敏度)的曲線圖；圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明實施例所述的一個完整光電陰極的透視圖；圖3所示的是圖1所示光電陰極的橫截面圖；圖4所示的是根據(jù)本發(fā)明的一個隨溫度而變化的光電陰極輻射靈敏度(光電子靈敏度)的曲線圖；圖5所示的是施加于光電陰極的電壓和光電子發(fā)射靈敏度(-160℃的靈敏度/-80℃的靈敏度)比值的曲線圖；圖6所示的是在波長1500nm時所舉例子在-80℃時的靈敏度與-160℃時靈敏度比值的列表；圖7所示的是施加在光電陰極上的電壓和暗電流之間關(guān)系的曲線圖；圖8所示的是電極間距和偏置電壓之間關(guān)系的列表；和圖9所示的是，分別使用傳統(tǒng)光電陰極和本發(fā)明所述光電陰極，光電倍增管能檢測到的最小檢測光功率——光電陰極溫度的一個函數(shù)——的比較結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合圖2-9對發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖2所示的是本發(fā)明所述光電陰極的一個實施例的立體圖，圖3是圖1所示光電陰極的橫截面圖。
如圖1所示，本實施例所述的一個光電陰極1包含一個由P型InP組成的且具有1018cm-3或更高的載流子密度的基片11。一個光吸收層12構(gòu)建在基片11的上層之上。該光吸收層12由P型InGaAs組成，且具有1016cm-3的載流子密度和2μm的厚度。
一個用于加速光電子朝向發(fā)射表面運(yùn)動的電子發(fā)射層13構(gòu)建在光吸收層12的上層之上。該電子發(fā)射層由P型InP組成，且具有1016cm-3的載流子密度和0.7μm的厚度。一個接觸層14構(gòu)建在電子發(fā)射層13的上層之上。該接觸層14是條紋狀以使每根柵欄互相平行排列。柵欄的寬度(線寬)是1.4μm，同時柵欄之間的距離(線距)是1.4μm。一個由鈦金屬組成的表面電極15構(gòu)建在接觸層14的表面之上。該表面電極15具有0.3μm的厚度。
該電子發(fā)射層13的一部分通過條狀的接觸層14之間的空隙裸露在外。該接觸層14運(yùn)用光刻技術(shù)形成條狀圖案。通過接觸層14柵欄之間的空隙而裸露的電子發(fā)射層13的表面被覆蓋了由氧化銫組成的一個活躍層17，從而能夠使逸出功降低。一個由AuZn組成的且具有0.03μm厚度的背面電極16構(gòu)成在基片11的背部表面之上。
該表面電極15和背面電極16分別通過由接觸金屬線組成的電線21和21連接到電源22，從而施加一個5V或其他諸如此類的偏置電壓到該電極15和16之間。圖2所示的表面電極15似乎是直接與電線21相連，然而在實際的構(gòu)造中，表面電極15的一部分?jǐn)U展到直徑大約1mm，從而使電線21與這部分相連接。電壓V被分配到所有條狀表面電極15。
根據(jù)本實施例描述的具有上述結(jié)構(gòu)的光電陰極1中，經(jīng)過電子發(fā)射層13入射到光吸收層12上的光線被光吸收層12所吸收并產(chǎn)生光電子。由于在光吸收層12與電子發(fā)射層13之間以及電子發(fā)射層13和接觸層14之間形成一個p-n結(jié)，因此施加在電子發(fā)射層13的電極之間的偏置電壓形成的電場就把光電子移動到電子發(fā)射層13，這樣光電子從電子發(fā)射層13的表面被發(fā)射到真空，發(fā)射層表面的活躍層17可以降低逸出功。
在光電陰極1中，為了擴(kuò)大具有強(qiáng)電場的區(qū)域，電子發(fā)射層13的載流子密度被設(shè)置為遠(yuǎn)低于接觸層14的載流子密度。這樣，電子發(fā)射層13的電阻就高了。當(dāng)光電陰極1的溫度降低時，電子發(fā)射層13的電阻就進(jìn)一步增加。當(dāng)電子從電子發(fā)射層13的表面發(fā)射出來時，并非所有的電子都能被發(fā)射出。被發(fā)射的電子大約只有1/10。沒有發(fā)射出而殘留在電子發(fā)射層13中的電子將通過電子發(fā)射層13的裸露表面被引導(dǎo)到接觸層14和表面電極15使得被放電。然而，如果電子殘留在電子發(fā)射層13中，那么從電子發(fā)射層13進(jìn)行的電子發(fā)射將會被抑制，從而使光電子的輻射靈敏度降低。為了避免輻射靈敏度的降低，未被發(fā)射的電子需要很容易地被引導(dǎo)到接觸層14。
關(guān)于這一點(diǎn)，在本實施例所述的光電陰極1中，構(gòu)建在電子發(fā)射層13的上層之上的條狀接觸層14的線距被設(shè)置為1.4μm。因此，光電陰極1裸露表面的中心與接觸層14中相互面對著的且夾著裸露表面的部分之間的最小間距為0.7μm。也就是，光電陰極1的裸露表面上的任意一點(diǎn)和接觸層14之間的距離等于或者小于0.7μm。這樣做的好處在于，即使當(dāng)光電陰極1的溫度下降時，在電子發(fā)射層13中未被發(fā)射出的光電子可以很容易地被引導(dǎo)到接觸層14。這樣就很方便地阻止了光電子殘留在電子發(fā)射層13中，也因此阻止了輻射靈敏度的降低。
同樣地，即使當(dāng)光電陰極1的溫度下降時，輻射靈敏度的降低也能被避免。因此，通過降低光電陰極1的溫度，信噪比就能被提高而輻射靈敏度并不降低。
在對本實施例進(jìn)一步研究時，發(fā)明人進(jìn)行了一些實驗，從而發(fā)現(xiàn)一些條件，即使如本實施例前述的那樣光電陰極的溫度降低時，這些條件也可以使輻射靈敏度不發(fā)生降低。下面會詳細(xì)描述這些實驗。
(例子)本發(fā)明所述的光電陰極將作為例子在下面進(jìn)行描述。發(fā)明人進(jìn)行以下的一些實驗從而發(fā)現(xiàn)了一些條件可以使輻射靈敏度不發(fā)生降低，即使在光電陰極的溫度被降低時。
構(gòu)造了幾個光電陰極的例子，其中每個光電陰極中條狀接觸層里的柵欄之間的距離2L(電極間距)分別為4.0μm、2.5μm、1.8μm或1.4μm。在這些光電陰極的例子中，1.4μm的光電陰極例子的隨溫度變化的輻射靈敏度(光電子靈敏度)如圖4所示。在圖4中，曲線G410表示在-80℃時的輻射靈敏度，曲線G420表示在-100℃時的輻射靈敏度，曲線G430表示在-120℃時的輻射靈敏度，曲線G440表示在-140℃時的輻射靈敏度，曲線G450表示在-160℃時的輻射靈敏度。從圖4中可以看到，接近于長波范圍附近的靈敏度中，例如，在1500nm附近，-160℃時的輻射靈敏度與-80℃時的輻射靈敏度相比沒有大幅下降。這表明與前述的接觸層?xùn)艡谥g距離2L為4.0μm的例子相比，在低溫時輻射靈敏度降低得到了改善。
接下來，針對那些由具有前述距離2L值的接觸層所構(gòu)成的光電陰極的例子，在波長為1500nm處將-160℃時的輻射靈敏度與-80℃時的輻射靈敏度進(jìn)行比較。-160℃時的輻射靈敏度與-80℃時的輻射靈敏度的比較結(jié)果如圖5和6所示。這里，圖5所示的是施加在光電陰極的電壓和光電子發(fā)射靈敏度比值(-160℃時的靈敏度/-80℃時的靈敏度)對應(yīng)關(guān)系的曲線圖；圖6所示的是在波長1500nm時例子1-7在-80℃時的靈敏度與-160℃時靈敏度比值的列表。在圖5中，曲線G510表示的是圖6所列電極距離為4μm的例1的發(fā)射比；曲線G520表示的是圖6所列電極距離為2.5μm的例2的發(fā)射比；曲線G530表示的是圖6所列電極距離為2.5μm的例3的發(fā)射比；曲線G540表示的是圖6所列電極距離為1.8μm的例4的發(fā)射比；曲線G550表示的是圖6所列電極距離為1.8μm的例5的發(fā)射比；曲線G560表示的是圖6所列電極距離為1.4μm的例6的發(fā)射比；曲線G570表示的是圖6所列電極距離為1.4μm的例7的發(fā)射比。另外，圖6所示的是施加在光電陰極的電壓和光電子發(fā)射靈敏度比值(-160℃的靈敏度/-80℃的靈敏度)的對應(yīng)關(guān)系(施加在光電陰極上的電壓和暗電流之間的關(guān)系的曲線圖)從圖5和圖6中可以看到，隨著接觸層中的柵欄之間的間距2L(電極距離)減小，甚至于一個較低的施加給晶體的偏置電壓V也能使-160℃時的靈敏度達(dá)到-80℃時靈敏度的水準(zhǔn)。當(dāng)施加在晶體的偏置電壓V增加時，如圖7所示暗電流的發(fā)射會增強(qiáng)從而降低了信噪比。因此，應(yīng)該避免施加的電壓等于或者高于8V。這樣，當(dāng)-160℃時靈敏度為-80℃時靈敏度的1/10的這個點(diǎn)被看作極限時，接觸層里的柵欄之間的距離2L需為2μm或者更小。此外，為了簡化光電陰極的結(jié)構(gòu)并考慮到半導(dǎo)體光刻技術(shù)的精度，接觸層里的柵欄間的間距2L需要等于或者大于0.2μm。柵欄間的間距2L應(yīng)該在0.2μm和2μm之間的論斷表明電子發(fā)射層(第二半導(dǎo)體層)的裸露表面的中心和接觸層之間的距離L大于等于0.1μm且小于等于1μm。
此外，當(dāng)-160℃時靈敏度為-80℃時靈敏度的1/10這個點(diǎn)被看作極限時，施加在晶體上的偏置電壓V的值如圖8所示。
當(dāng)觀察圖3所示的偏置電壓和接觸層里柵欄間的間距2L的比值，會發(fā)現(xiàn)“偏置電壓(V)/柵欄間距2L(μm)＞＝2”的關(guān)系是低溫時靈敏度降低得到抑制而沒有增加暗電流的條件。因此，當(dāng)施加在光電陰極里的電壓(V)除以電子發(fā)射層(第二半導(dǎo)體層)的裸露表面中心到接觸層之間間距2L(μm)后得到的值等于或者大于4時，光電陰極靈敏度的降低能被避免。
以下討論的是在光電陰極中引起靈敏度降低的原因。在晶體中，當(dāng)偏置電壓施加到光電陰極時一個耗盡層將會從接觸層內(nèi)部和電子發(fā)射層之間的接觸面延伸到電子發(fā)射層的內(nèi)部，并且進(jìn)一步延伸到光吸收層的內(nèi)部。這種延伸同時出現(xiàn)在垂直和水平方向上。耗盡層內(nèi)部處于一種類似于真空的狀態(tài)。這樣，耗盡層里的光電子將被迅速傳送到表面。與此相反的是，在非耗盡區(qū)，由于冷卻導(dǎo)致半導(dǎo)體的電阻升高使電子被留下從而形成了一層空間電荷，并因此阻止隨后的光電子發(fā)射。因而，預(yù)計在耗盡層的擴(kuò)展和變冷卻引起的靈敏度下降之間存在一個特定的關(guān)系式。這樣，利用電子發(fā)射層13的厚度D(m)接觸層里的柵欄間距2L(m)，由如下等式(1-1)來定義參數(shù)R(m)R＝(D2+L2)1/2...(1-1).
同樣，基于固體物理學(xué)，利用特定介質(zhì)的介電常數(shù)ε，真空的介電常數(shù)ε0(F/m)，基本電荷q(C)，載流子密度N(m3)，平帶電壓Vf(V)和偏置電壓V(V)，可以由以下等式(1-2)來表示耗盡層的范圍W(m)W＝(2εε0(V f+V)qN)1/2...(1-2).
通過上述等式(1-1)和(1-2)表述可以獲得參數(shù)R(m)和損耗層范圍W(m)之間的關(guān)系式。這里，在求取損耗層的范圍W(m)的等式(1-2)中，使用了用于使-160℃時靈敏度到達(dá)-80℃時靈敏度的1/10或者更高時所必須的偏置電壓V(V)的值。這個結(jié)果如圖8所示。
從圖8可以看到，R/W≤1.5的近似關(guān)系式是保證靈敏度不降低的條件。是半導(dǎo)體材料對應(yīng)的一個特定值，約等于12。平帶電壓Vf(V)大約是1(V)。這樣，根據(jù)等式(1-1)和(1-2)，不引起靈敏度下降的條件可以通過下述關(guān)系式獲得D2+L2≤3.0(1+V)×109/N...(1)。
一個比較低的載流子密度可以使耗盡層更容易擴(kuò)散。然而，在實踐中載流子密度大約在等于或者低于N＝5E21(m3)時就很難被控制。因此，可以將載流子密度N＝5E21(m3)代入等式(1)，所以下述的關(guān)系式(2)可以作為條件使用D2+L2≤6.0(1+V)×10-13...(2)。
更進(jìn)一步，電子發(fā)射層13的厚度D(m)可以被假設(shè)為無限接近0。即使在這種情況下，不引起靈敏度下降的條件仍能被滿足。因此，電子發(fā)射層的厚度D＝0(10-6m)可以代入等式(1)，所以下述關(guān)系式(3)可以被當(dāng)作條件使用L2≤3.0(1+V)×109/N...(3)。
同一情況下，可以考慮載流子密度N(m3)的限制。即載流子密度N＝5E21(m3)可以被代入等式(3)，這樣下述的關(guān)系式(4)就可以被作為條件使用L2≤6.0(1+V)×10-13...(4)。
施加于晶體的過高的偏置電壓V(V)會引起暗電流的上升，且會使器件不能正常工作。這樣，偏置電壓V＝10(V)可以被認(rèn)為是上限。使用這個上限，將V＝10(V)代入到等式(1)，所以下述關(guān)系式(5)可以被作為條件使用D2+L2≤3.3×1010/N...(5)。
還是在這種情況下，可以考慮限定載流子密度，即載流子密度N＝5E21(m3)可以被代入等式(5)，所以下述關(guān)系式(6)可以被作為條件使用D2+L2≤6.6×10-12...(6)。
當(dāng)該光電陰極的構(gòu)造使得(1)-(6)之中的任一條件可以滿足時，光電陰極的冷卻就能夠抑制熱電子發(fā)射，從而使信噪比提高而該光電陰極的輻射靈敏度不會降低。這樣對更弱的光也能進(jìn)行檢測。圖9所示的是分別使用如曲線G910所示的以前工藝的光電陰極和如曲線G920所示的本發(fā)明所述的光電陰極的光電倍增管的最小檢測光功率——光電陰極的溫度函數(shù)的比較結(jié)果。從圖9中可以看到，本發(fā)明所述的光電陰極大幅度提高了檢測性能。
以上描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明并不僅僅局限于這些實施例。例如，本實施例的描述接觸層呈條狀。但是，接觸層也可以是網(wǎng)(格子)狀或者螺旋狀。
還有一點(diǎn)，本實施例描述的光電陰極的材料是一個InP/InGaAs的化合物半導(dǎo)體。但是，除了InP/InGaAsP化合物半導(dǎo)體，這些材料還可以是CdTe、GaSb、InP、GaAsP、GaAlAsSb或者在美國專利第3958143中披露的InGaAsSb；以及由這些材料中的一些成分形成的異性結(jié)構(gòu)；由Ge/GaAs、Si/GaP或者GaAs/InGaAs組成的異性結(jié)構(gòu)；或者是半導(dǎo)體多膜層材料，例如公開號為Hei-5-234501的日本專利所揭示的一個GaAs/AlGaAs多膜層。
另外，本實施例描述的表面電極和背面電極由一種AuGe/Ni/Au的合金材料組成。然而，本發(fā)明并不局限于此。任何與半導(dǎo)體基座有好的電阻性接觸的材料都可以被使用。即使當(dāng)光電子發(fā)射層也使用這樣一種材料構(gòu)成，也能得到與上述實施例相似的效果。
綜上所述，依據(jù)本發(fā)明所述，低溫時輻射靈敏度的降低可以被抑制從而使信噪比得以提高。
通過所述的發(fā)明，顯而易見的是可以用各種各樣方法實現(xiàn)本發(fā)明。這種變化均被認(rèn)為是沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍，并且所有這些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的改變均被認(rèn)為包含在接下來的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所說半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述的第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述的第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L等于或者大于0.2μm，且等于或者小于2μm。
2.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述的第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述的第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底第二表面之上的背面電極；其中，施加在所述表面電極和所述背面電極之間的電壓值V除以所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距2L，結(jié)果等于或者大于2(V/μm)。
3.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，當(dāng)所述第二半導(dǎo)體層的厚度為D，所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距為2L，所述第二半導(dǎo)體層的載流子密度為N，且施加在所述表面電極和所述背面電極之間的電壓是V時，所述光電陰極滿足以下關(guān)系式D2+L2≤3.0(1+V)×109/N。
4.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，當(dāng)所述第二半導(dǎo)體層的厚度為D，所說第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距為2L，且施加在所述表面電極和所述背面電極之間的電壓是V時，所述光電陰極滿足以下關(guān)系式D2+L2≤6.0(1+V)×10-13。
5.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，當(dāng)所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距為2L，所述第二半導(dǎo)體層的載流子密度為N，且施加在所說表面電極和所述背面電極之間的電壓是V時，所述光電陰極滿足以下關(guān)系式L2≤3.0(1+V)×109/N。
6.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，當(dāng)所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距為2L，且施加在所述表面電極和所述背面電極之間的電壓是V時，所述光電陰極滿足以下關(guān)系式L2≤6.0(1+V)×10-13。
7.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，當(dāng)所述第二半導(dǎo)體層的厚度為D，所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距為2L，且所述第二半導(dǎo)體層的載流子密度為N時，所述光電陰極滿足以下關(guān)系式D2+L2≤3.3×1010/N。
8.一種光照射后會發(fā)射電子的光電陰極，其特征在于，包括一個第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有一個第一表面和一個與第一表面相對的第二表面；一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面之上的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第一半導(dǎo)體層之上的第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層之上的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，所述第三半導(dǎo)體層具有一個形狀導(dǎo)致所述第二半導(dǎo)體層的表面的一部分裸露；一個構(gòu)建在所述第三半導(dǎo)體層之上的表面電極；一個構(gòu)建在所述第二半導(dǎo)體層的表面裸露部分之上的活躍層，目的是降低所述第二半導(dǎo)體層的逸出功；和一個構(gòu)建在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面之上的背面電極；其中，當(dāng)所述第二半導(dǎo)體層的厚度為D，且所述第三半導(dǎo)體層相互面對的且將第二半導(dǎo)體層表面裸露部分夾在中間的部分之間的最小間距為2L時，所述光電陰極滿足以下關(guān)系式D2+L2≤6.6×10-12。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個具有這樣一種結(jié)構(gòu)的光電陰極，它能夠使低溫時輻射靈敏度的下降得到抑制，從而改善信噪比。在該光電陰極中，一個光吸收層形成在襯底的上層。一個電子發(fā)射層形成在該光吸收層的上層。一個條紋狀的接觸層形成在該電子發(fā)射層的上層。由金屬組成的一個表面電極形成在該接觸層的表面。該接觸層里的柵欄間距被調(diào)整為等于或大于0.2μm，且等于或小于2μm。
文檔編號H01J43/08GK1501424SQ200310116390
公開日2004年6月2日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者廣, 廣畑徹, 子, 新垣實, 望月智子, 美, 山田正美 申請人:浜松光子學(xué)株式會社