光陰極半導体素子
【課題】超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供する。
【解決手段】光陰極半導体素子１０１は、第１半導体からなる井戸層１０３と、当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層１０４と、が複数交互に積層した超格子構造１０２を備え、当該井戸層１０３および当該障壁層１０４のそれぞれの厚さは、当該超格子構造１０２の電子のエネルギー状態において伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅と、当該ミニバンド内のエネルギー状態密度と、が所望の大きさとなる厚さを下限とするように構成する。
【解決手段】光陰極半導体素子１０１は、第１半導体からなる井戸層１０３と、当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層１０４と、が複数交互に積層した超格子構造１０２を備え、当該井戸層１０３および当該障壁層１０４のそれぞれの厚さは、当該超格子構造１０２の電子のエネルギー状態において伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅と、当該ミニバンド内のエネルギー状態密度と、が所望の大きさとなる厚さを下限とするように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体にレーザ光を照射した際に電子が放出される光電子放出現象を利用した光陰極半導体素子を、加速器、電子顕微鏡、逆光電子分光法などの電子源として利用する技術が提案されている。
【０００３】
このような技術については、後に掲げる特許文献１、非特許文献１、２に、その技術が開示されている。
【０００４】
ここで、非特許文献１には、超格子構造（「多重量子井戸構造」と呼ばれることもある。）に関する技術が開示されている。
【０００５】
すなわち、異なるバンドギャップを持つ２種以上の材料を用いて、バンドギャップの小さい材料の薄膜を、大きい材料の薄膜でサンドイッチにした構造を量子井戸構造と呼ぶ。
【０００６】
量子井戸構造においては、電子やホールが閉じ込められるバンドギャップの小さい材料の層を「井戸層」と呼び、電子やホールに対して壁の役割をするバンドギャップの大きい材料の層を「バリア層」あるいは「障壁層」と呼ぶ。
【０００７】
多重量子井戸構造とは、井戸層を複数持つ量子井戸構造のことであり、井戸層が１つのものは単一量子井戸構造と呼ばれる。
【０００８】
量子井戸構造における電子のエネルギー準位を見ると、伝導帯および価電子帯という通常の半導体と同様に考えられる「バンド」が構成されるものの、伝導帯内および価電子帯内に「ミニバンド」あるいは「サブバンド」と呼ばれる離散化された準位がさらに生じる。
【０００９】
そして、ミニバンド間において電子が遷移可能となる。
【００１０】
また、特許文献１では、励起レーザが照射されることにより偏極電子線を発生する第２半導体（ストレインドＧａＡｓ半導体）の裏側に半導体多層膜反射鏡を設け、その半導体多層膜反射鏡と第２半導体の表面との間で励起レーザを多重反射させて、第２半導体の膜厚を厚くすることなく、その第２半導体で吸収される光エネルギー量が増加するため、偏極率を損なうことなく量子効率を向上させる技術が開示されている。
【００１１】
一方、特許文献２では、大きなスピン偏極度と高い量子効率を兼ね合わせた半導体スピン偏極電子源を実現するため、基板上に基板より電子親和力の小さなブロック層とスピン偏極電子の発生領域として、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有し電子波長程度以下の厚さの歪ウェル層と、歪ウェル層よりも価電子帯エネルギーが低く伝導帯の電子がトンネル効果で透過できる厚さのバリア層との交互積層からなる格子緩和のないｐ型伝導の短周期歪超格子構造と、バンドの曲がりを吸収する表面層を設け、歪ウェル層に圧縮応力が加わることにより、超格子構造で生じる価電子帯の重い正孔と軽い正孔のバンドのエネルギー差をさらに広げる技術が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特許第３１５４５６９号公報
【特許文献２】特許第２６０６１３１号公報
【非特許文献１】千葉大学工学部 電子機械工学科 吉川研究室ウェブサイト（http://www.semi.te.chiba-u.jp/mqw.htm，２００８年５月現在）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、このような超格子構造を利用することで、大電流の可能な輝度性能が極めて高い電子ビームを出力できる光陰極半導体素子を実現したい、との要望は強い。
【００１４】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の観点に係る光陰極半導体素子は、第１半導体からなる井戸層と、当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、が複数交互に積層した超格子構造を備え、以下のように構成する。
【００１６】
すなわち、当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、当該超格子構造の電子のエネルギー状態において伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅が所望の大きさとなる厚さを下限とする。
【００１７】
また、本発明の光陰極半導体素子において、当該伝導帯に生ずるミニバンドのエネルギー状態密度が所望の大きさとなる厚さを下限とすることとしても良い。
【００１８】
また、本発明の光陰極半導体素子において、当該超格子構造の一方の端面（以下「電子放出面」という。）は、当該複数の井戸層の一つ（以下「表面側井戸層」という。）であり、当該表面側井戸層に接する第３半導体からなる表面層をさらに備え、当該超格子構造のエネルギー状態において当該価電子帯のミニバンドのうち、最上のミニバンドに属する電子が当該伝導帯のミニバンドのうち、最下のミニバンドに励起される波長の光が当該超格子構造に照射されると、当該最下のミニバンドからエネルギー状態が単一化された電子ビームが放出されるように構成することができる。
【００１９】
この際に、当該光は、当該表面層を介して当該電子放出面に入射されるようにするのが典型的であるが、表面層の反対側や側面から入射されるようにする態様を採用することもできる。
【００２０】
また、本発明の光陰極半導体素子において、当該超格子構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、当該複数の井戸層の他の一つ（以下「基板側井戸層」という。）、もしくは、当該複数の障壁層の一つ（以下「基板側障壁層」という。）であり、当該基板面に接する第４半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層に接する第５半導体からなる基板層と、をさらに備えるように構成することができる。
【００２１】
また、本発明の光陰極半導体素子は、以下のように構成することができる。
【００２２】
すなわち、当該表面層は、ｐ型ドーピング量１×１０18ｃｍ-3以上のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第３半導体からなる。
【００２３】
一方、当該複数の障壁層のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第２半導体からなる。
【００２４】
さらに、当該複数の井戸層のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜４ｎｍの第１半導体からなる。
【００２５】
そして、当該バッファ層は、ｐ型ドーピング量５×１０19ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ１μｍ以上の第４半導体からなる。
【００２６】
一方、当該基板層は、ＧａＡｓ半導体からなる。
【００２７】
さらに、当該超格子構造の厚さは、２μｍ〜３μｍである。
【００２８】
そして、当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【実施例１】
【００３１】
図１は、本実施形態に係る光陰極半導体素子の構成を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。
【００３２】
本実施形態に係る光陰極半導体素子１０１は、超格子構造１０２を備える。
【００３３】
ここで、超格子構造１０２は、第１半導体からなる井戸層１０３と、第２半導体からなる障壁層１０４と、の２つの層が複数交互に積層して形成される。
【００３４】
ここで、第２半導体は、第１半導体よりバンドギャップが大きい。
【００３５】
本実施形態では、超格子構造１０２の積層構造の一方の端面を「電子放出面」として利用し、電子放出面に光が入射すると、電子が放出される、という態様を採用する。そこで、超格子構造１０２の積層構造の一方の端面を、以下「入射面」と呼ぶこととする。本実施形態では、入射面は、井戸層１０３である。この井戸層１０３を、表面側井戸層１０３ａと呼ぶ。
【００３６】
なお、電子放出面として、障壁層１０４を採用することも可能えある。
【００３７】
表面側井戸層１０３ａの外部に露出する面には、第３半導体からなる表面層１０５が配置されている。
【００３８】
表面層１０５は、高いｐ型ドーピング濃度により、電子親和力を小さくしてバンドベンディングを生じさせるための層である。
【００３９】
なお、光を照射する際には、本図に示す表面層１０５の位置へ照射するのではなく、側面や反対側の面から照射するように構成することも可能である。
【００４０】
一方、超格子構造１０２の積層構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、本図に示す例では、井戸層１０３である。この井戸層１０３を、基板面側井戸層１０３ｂと呼ぶ。なお、超格子構造１０２の基板面側の層は、障壁層１０４とすることも可能である。
【００４１】
基板面側井戸層１０３ｂは、超格子構造１０２よりも小さいバンドギャップの第４半導体からなるバッファ層１０６を挟んで、第５半導体からなる基板層１０７に担持される。
【００４２】
ここで、本実施形態における各層は、以下のような構成により形成される。
【００４３】
すなわち、当該表面層１０５は、ｐ型ドーピング量１×１０18ｃｍ-3以上のＧａＡｓ半導体結晶である第３半導体からなり、その厚さをＡとする。
【００４４】
一方、当該複数の障壁層１０４のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶である第２半導体からなり、その厚さをLbとする。
【００４５】
さらに、当該複数の井戸層１０３のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＧａＡｓ半導体結晶である第１半導体からなり、その厚さをLwとする。
【００４６】
そして、当該バッファ層１０６は、ｐ型ドーピング量５×１０19ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶である第４半導体からなり、その厚さをBとする。
【００４７】
一方、当該基板層１０７は、ＧａＡｓ半導体からなる。
【００４８】
さらに、当該超格子構造１０２の厚さを、Sとする。
【００４９】
そして、当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる。
【００５０】
このような構成による超格子構造１０２を形成するための結晶成長方法には、各種の手法を採用することができるが、たとえば、[特許文献２]に開示される技術と同様に、分子線エピタキシー法などを利用することができる。
【００５１】
図２は、このような超格子構造１０２を形成したときの、バンド構造の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
【００５２】
本図に示すように、井戸層１０３と障壁層１０４とが交互に積層されることで、伝導帯２０１と価電子帯２０２は、櫛状の形状を有することになる。
【００５３】
井戸層１０３では、伝導帯２０１と価電子帯２０２は近付き、障壁層１０４では、伝導帯２０１と価電子帯２０２は遠ざかる。
【００５４】
伝導帯２０１と価電子帯２０２との間の距離をバンドギャップと呼ぶが、超格子構造１０２の中でバンド構造が櫛形となるためには、井戸層１０３を形成する第１半導体のバンドギャップと、障壁層１０４を形成する第２半導体のバンドギャップと、を比較したときに、第２半導体の方が第１半導体よりもバンドギャップが大きいようにする必要がある。
【００５５】
このような超格子構造１０２は、多量子井戸構造とも呼ばれ、電子や正孔は、バンドギャップの小さい材料の層、すなわち、井戸層１０３に閉じ込められることになる。
【００５６】
このような櫛形のバンド構造が生じるほか、伝導帯２０１の中にミニバンド２１１が発生するとともに、価電子帯２０２の中にも、ミニバンド２１２が生じている。
【００５７】
本実施形態では、表面層１０５は、負の親和力（ＮＥＡ；Negative Electron Affinity）表面処理を施したバルク結晶構造のガリウムヒ素半導体と本実施形態は、ＮＥＡ−ＧａＡｓ光陰極半導体素子の一種として考えることができる。
【００５８】
ＮＥＡ表面処理により、電子状態にバンドギャップが存在すれば、真空準位が伝導帯２０１のミニバンド２１１の下限より低い位置に存在する場合があり得る。この場合、価電子帯２０２から伝導帯２０１へ励起された電子は、そのまま何の障害もなく真空準位へ遷移することができる。つまり、室温或いはそれより低い温度による励起で、表面から伝導帯２０１に励起された電子が真空中へ放出されていく。
【００５９】
本実施形態においては、光が入射することで、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２から伝導帯２０１の中に生じたミニバンド２１１に励起された電子が、ＮＥＡ表面を通過して、電子ビームとして出力される。
【００６０】
量子効率を高くするためには、吸収係数を大きくする必要がある。そのために、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の電子のエネルギー状態密度を高くし、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の下限と、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２と上限と、の間のバンドギャップを大きくする必要がある。たとえば、ＧａＡｓ半導体を利用する場合には、バンドギャップは、１.４２ｅＶより大きくすることが望ましい。
【００６１】
なお、入射される光の波長は、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の下限と、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２と上限と、の間のバンドギャップに対応する波長とし、本実施形態ではレーザ光を用いる。
【００６２】
また、初期エミッタンスを小さくするためには、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を小さくする必要がある。たとえば、室温エネルギーを２６ｍｅＶ未満とすることが望ましい。このようにすると、出力される電子ビームのエネルギー状態を単一化することができる。
【００６３】
したがって、これらの値が所望の値となるように、井戸層１０３の厚さLwと、障壁層１０４の厚さLbと、を、設定する必要がある。
【００６４】
本実施形態においては、パラメータLw，Lbを種々変更してクローニヒ・ペニーモデルでシミュレーション計算を行うことにより、好適なLw，Lbの範囲を求めることとする。
【００６５】
図３および図４は、障壁層１０４の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層１０３の厚さLwに対するバンドギャップを示したグラフと、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を示したグラフである。
【００６６】
図５および図６は、井戸層１０３の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層１０４の厚さLbに対するバンドギャップを示したグラフと伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を示したグラフである。
【００６７】
これらのシミュレーション結果を参照すると、以下のような諸元が判明する。
【００６８】
すなわち、高い量子効率を実現する高いエネルギー状態密度と大きなバンドギャップを得るためには、Lwは4nm以下とすることが望ましい。また、バンドギャップを大きくするには、障壁層１０４の厚さLbを狭くするよりも、井戸層１０３の厚さLwを狭くする方が効率的である。また、障壁層１０４の厚さLbは、最大でも６ｎｍ程度とするのが望ましい。
【００６９】
すなわち、量子効率を実現するための所望のバンドギャップ幅が与えられると、シミュレーション計算によって、Lw，Lbの上限を求めることができるのである。
【００７０】
一方、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を、小さい初期エミッタンスを実現する室温エネルギーよりも狭くするためには、井戸層１０３の厚さLwおよび障壁層１０４の厚さLbは、最小でも３ｎｍ程度とするのが望ましい。
【００７１】
すなわち、所望の初期エミッタンスが与えられると、シミュレーション計算によって、Lw，Lbの下限を求めることができるのである。
【００７２】
このようにして、超格子構造１０２に含まれる井戸層１０３の厚さLwおよび障壁層１０４の厚さLbの範囲が定められる。
【００７３】
一方、これらの厚さの総和である超格子構造１０２の厚さは、光陰極半導体素子１０１のサイズや製造コストなどによって適宜変更が可能であるが、典型的には、２μｍ〜３μｍ程度とする。
【００７４】
表面層１０５の厚さＡは、入射した光のほとんどが超格子構造１０２に到達できる程度の厚さである。また、表面層１０５は、バンドギャップの半分程度だけ電子親和力を小さくするような高いｐ型ドーピング濃度とする必要がある。典型的には厚さ３ｎｍ〜６ｎｍであり、ｐ型ドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3である。
【００７５】
またバッファ層１０６の厚さＢは、基板層１０７で生じた電子の超格子構造１０２への流れ込みが生じない程度の厚さとする必要があり、典型的には、１μｍ以上である。
【００７６】
基板層１０７の厚さは、製造される光陰極半導体素子１０１のサイズや製造コストなどによって適宜変更が可能である。
【００７７】
図７は、従来および本実施形態の光陰極半導体素子における励起エネルギーに対する状態密度の様子を表すグラフである。以下、本図を参照して説明する。
【００７８】
本図に示すように、従来考えられていた理論値（点線）においては、励起エネルギーが大きくなると、緩やかにエネルギー状態密度も増加していく。
【００７９】
一方、本実施形態の光陰極半導体素子１０１（実線）においては、状態密度が階段状の形状をなしており、ミニバンドにおいて電子のエネルギー状態が単一になっていることがわかる。
【００８０】
また、階段状部分の高さが従来の理論値に比べて大きいこともわかる。これは、生成される電子の量が増幅されており、電子ビームの量子効率が高いことを意味するものである。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
上記のように、本発明によれば、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本実施形態に係る光陰極半導体素子の構成を示す断面図である。
【図２】超格子構造に対するバンド構造の様子を示す説明図である。
【図３】障壁層の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層の厚さLwに対するバンドギャップを示したグラフである。
【図４】障壁層の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層の厚さLwに対する伝導帯の中のミニバンドの幅を示したグラフである。
【図５】井戸層の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層の厚さLbに対するバンドギャップを示したグラフである。
【図６】井戸層の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層の厚さLbに対する伝導帯の中のミニバンド幅を示したグラフである。
【図７】従来および本実施形態の光陰極半導体素子における励起エネルギーに対する状態密度の様子を表すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
１０１ 光陰極半導体素子
１０２ 超格子構造
１０３ 井戸層
１０４ 障壁層
１０５ 表面層
１０６ バッファ層
１０７ 基板層
２０１ 伝導帯
２０２ 価電子帯
２１１ 伝導帯の中のミニバンド
２１２ 価電子帯の中のミニバンド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体にレーザ光を照射した際に電子が放出される光電子放出現象を利用した光陰極半導体素子を、加速器、電子顕微鏡、逆光電子分光法などの電子源として利用する技術が提案されている。
【０００３】
このような技術については、後に掲げる特許文献１、非特許文献１、２に、その技術が開示されている。
【０００４】
ここで、非特許文献１には、超格子構造（「多重量子井戸構造」と呼ばれることもある。）に関する技術が開示されている。
【０００５】
すなわち、異なるバンドギャップを持つ２種以上の材料を用いて、バンドギャップの小さい材料の薄膜を、大きい材料の薄膜でサンドイッチにした構造を量子井戸構造と呼ぶ。
【０００６】
量子井戸構造においては、電子やホールが閉じ込められるバンドギャップの小さい材料の層を「井戸層」と呼び、電子やホールに対して壁の役割をするバンドギャップの大きい材料の層を「バリア層」あるいは「障壁層」と呼ぶ。
【０００７】
多重量子井戸構造とは、井戸層を複数持つ量子井戸構造のことであり、井戸層が１つのものは単一量子井戸構造と呼ばれる。
【０００８】
量子井戸構造における電子のエネルギー準位を見ると、伝導帯および価電子帯という通常の半導体と同様に考えられる「バンド」が構成されるものの、伝導帯内および価電子帯内に「ミニバンド」あるいは「サブバンド」と呼ばれる離散化された準位がさらに生じる。
【０００９】
そして、ミニバンド間において電子が遷移可能となる。
【００１０】
また、特許文献１では、励起レーザが照射されることにより偏極電子線を発生する第２半導体（ストレインドＧａＡｓ半導体）の裏側に半導体多層膜反射鏡を設け、その半導体多層膜反射鏡と第２半導体の表面との間で励起レーザを多重反射させて、第２半導体の膜厚を厚くすることなく、その第２半導体で吸収される光エネルギー量が増加するため、偏極率を損なうことなく量子効率を向上させる技術が開示されている。
【００１１】
一方、特許文献２では、大きなスピン偏極度と高い量子効率を兼ね合わせた半導体スピン偏極電子源を実現するため、基板上に基板より電子親和力の小さなブロック層とスピン偏極電子の発生領域として、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有し電子波長程度以下の厚さの歪ウェル層と、歪ウェル層よりも価電子帯エネルギーが低く伝導帯の電子がトンネル効果で透過できる厚さのバリア層との交互積層からなる格子緩和のないｐ型伝導の短周期歪超格子構造と、バンドの曲がりを吸収する表面層を設け、歪ウェル層に圧縮応力が加わることにより、超格子構造で生じる価電子帯の重い正孔と軽い正孔のバンドのエネルギー差をさらに広げる技術が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特許第３１５４５６９号公報
【特許文献２】特許第２６０６１３１号公報
【非特許文献１】千葉大学工学部 電子機械工学科 吉川研究室ウェブサイト（http://www.semi.te.chiba-u.jp/mqw.htm，２００８年５月現在）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、このような超格子構造を利用することで、大電流の可能な輝度性能が極めて高い電子ビームを出力できる光陰極半導体素子を実現したい、との要望は強い。
【００１４】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の観点に係る光陰極半導体素子は、第１半導体からなる井戸層と、当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、が複数交互に積層した超格子構造を備え、以下のように構成する。
【００１６】
すなわち、当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、当該超格子構造の電子のエネルギー状態において伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅が所望の大きさとなる厚さを下限とする。
【００１７】
また、本発明の光陰極半導体素子において、当該伝導帯に生ずるミニバンドのエネルギー状態密度が所望の大きさとなる厚さを下限とすることとしても良い。
【００１８】
また、本発明の光陰極半導体素子において、当該超格子構造の一方の端面（以下「電子放出面」という。）は、当該複数の井戸層の一つ（以下「表面側井戸層」という。）であり、当該表面側井戸層に接する第３半導体からなる表面層をさらに備え、当該超格子構造のエネルギー状態において当該価電子帯のミニバンドのうち、最上のミニバンドに属する電子が当該伝導帯のミニバンドのうち、最下のミニバンドに励起される波長の光が当該超格子構造に照射されると、当該最下のミニバンドからエネルギー状態が単一化された電子ビームが放出されるように構成することができる。
【００１９】
この際に、当該光は、当該表面層を介して当該電子放出面に入射されるようにするのが典型的であるが、表面層の反対側や側面から入射されるようにする態様を採用することもできる。
【００２０】
また、本発明の光陰極半導体素子において、当該超格子構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、当該複数の井戸層の他の一つ（以下「基板側井戸層」という。）、もしくは、当該複数の障壁層の一つ（以下「基板側障壁層」という。）であり、当該基板面に接する第４半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層に接する第５半導体からなる基板層と、をさらに備えるように構成することができる。
【００２１】
また、本発明の光陰極半導体素子は、以下のように構成することができる。
【００２２】
すなわち、当該表面層は、ｐ型ドーピング量１×１０18ｃｍ-3以上のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第３半導体からなる。
【００２３】
一方、当該複数の障壁層のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第２半導体からなる。
【００２４】
さらに、当該複数の井戸層のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜４ｎｍの第１半導体からなる。
【００２５】
そして、当該バッファ層は、ｐ型ドーピング量５×１０19ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ１μｍ以上の第４半導体からなる。
【００２６】
一方、当該基板層は、ＧａＡｓ半導体からなる。
【００２７】
さらに、当該超格子構造の厚さは、２μｍ〜３μｍである。
【００２８】
そして、当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【実施例１】
【００３１】
図１は、本実施形態に係る光陰極半導体素子の構成を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。
【００３２】
本実施形態に係る光陰極半導体素子１０１は、超格子構造１０２を備える。
【００３３】
ここで、超格子構造１０２は、第１半導体からなる井戸層１０３と、第２半導体からなる障壁層１０４と、の２つの層が複数交互に積層して形成される。
【００３４】
ここで、第２半導体は、第１半導体よりバンドギャップが大きい。
【００３５】
本実施形態では、超格子構造１０２の積層構造の一方の端面を「電子放出面」として利用し、電子放出面に光が入射すると、電子が放出される、という態様を採用する。そこで、超格子構造１０２の積層構造の一方の端面を、以下「入射面」と呼ぶこととする。本実施形態では、入射面は、井戸層１０３である。この井戸層１０３を、表面側井戸層１０３ａと呼ぶ。
【００３６】
なお、電子放出面として、障壁層１０４を採用することも可能えある。
【００３７】
表面側井戸層１０３ａの外部に露出する面には、第３半導体からなる表面層１０５が配置されている。
【００３８】
表面層１０５は、高いｐ型ドーピング濃度により、電子親和力を小さくしてバンドベンディングを生じさせるための層である。
【００３９】
なお、光を照射する際には、本図に示す表面層１０５の位置へ照射するのではなく、側面や反対側の面から照射するように構成することも可能である。
【００４０】
一方、超格子構造１０２の積層構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、本図に示す例では、井戸層１０３である。この井戸層１０３を、基板面側井戸層１０３ｂと呼ぶ。なお、超格子構造１０２の基板面側の層は、障壁層１０４とすることも可能である。
【００４１】
基板面側井戸層１０３ｂは、超格子構造１０２よりも小さいバンドギャップの第４半導体からなるバッファ層１０６を挟んで、第５半導体からなる基板層１０７に担持される。
【００４２】
ここで、本実施形態における各層は、以下のような構成により形成される。
【００４３】
すなわち、当該表面層１０５は、ｐ型ドーピング量１×１０18ｃｍ-3以上のＧａＡｓ半導体結晶である第３半導体からなり、その厚さをＡとする。
【００４４】
一方、当該複数の障壁層１０４のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶である第２半導体からなり、その厚さをLbとする。
【００４５】
さらに、当該複数の井戸層１０３のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＧａＡｓ半導体結晶である第１半導体からなり、その厚さをLwとする。
【００４６】
そして、当該バッファ層１０６は、ｐ型ドーピング量５×１０19ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶である第４半導体からなり、その厚さをBとする。
【００４７】
一方、当該基板層１０７は、ＧａＡｓ半導体からなる。
【００４８】
さらに、当該超格子構造１０２の厚さを、Sとする。
【００４９】
そして、当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる。
【００５０】
このような構成による超格子構造１０２を形成するための結晶成長方法には、各種の手法を採用することができるが、たとえば、[特許文献２]に開示される技術と同様に、分子線エピタキシー法などを利用することができる。
【００５１】
図２は、このような超格子構造１０２を形成したときの、バンド構造の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
【００５２】
本図に示すように、井戸層１０３と障壁層１０４とが交互に積層されることで、伝導帯２０１と価電子帯２０２は、櫛状の形状を有することになる。
【００５３】
井戸層１０３では、伝導帯２０１と価電子帯２０２は近付き、障壁層１０４では、伝導帯２０１と価電子帯２０２は遠ざかる。
【００５４】
伝導帯２０１と価電子帯２０２との間の距離をバンドギャップと呼ぶが、超格子構造１０２の中でバンド構造が櫛形となるためには、井戸層１０３を形成する第１半導体のバンドギャップと、障壁層１０４を形成する第２半導体のバンドギャップと、を比較したときに、第２半導体の方が第１半導体よりもバンドギャップが大きいようにする必要がある。
【００５５】
このような超格子構造１０２は、多量子井戸構造とも呼ばれ、電子や正孔は、バンドギャップの小さい材料の層、すなわち、井戸層１０３に閉じ込められることになる。
【００５６】
このような櫛形のバンド構造が生じるほか、伝導帯２０１の中にミニバンド２１１が発生するとともに、価電子帯２０２の中にも、ミニバンド２１２が生じている。
【００５７】
本実施形態では、表面層１０５は、負の親和力（ＮＥＡ；Negative Electron Affinity）表面処理を施したバルク結晶構造のガリウムヒ素半導体と本実施形態は、ＮＥＡ−ＧａＡｓ光陰極半導体素子の一種として考えることができる。
【００５８】
ＮＥＡ表面処理により、電子状態にバンドギャップが存在すれば、真空準位が伝導帯２０１のミニバンド２１１の下限より低い位置に存在する場合があり得る。この場合、価電子帯２０２から伝導帯２０１へ励起された電子は、そのまま何の障害もなく真空準位へ遷移することができる。つまり、室温或いはそれより低い温度による励起で、表面から伝導帯２０１に励起された電子が真空中へ放出されていく。
【００５９】
本実施形態においては、光が入射することで、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２から伝導帯２０１の中に生じたミニバンド２１１に励起された電子が、ＮＥＡ表面を通過して、電子ビームとして出力される。
【００６０】
量子効率を高くするためには、吸収係数を大きくする必要がある。そのために、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の電子のエネルギー状態密度を高くし、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の下限と、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２と上限と、の間のバンドギャップを大きくする必要がある。たとえば、ＧａＡｓ半導体を利用する場合には、バンドギャップは、１.４２ｅＶより大きくすることが望ましい。
【００６１】
なお、入射される光の波長は、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の下限と、価電子帯２０２の中のミニバンド２１２と上限と、の間のバンドギャップに対応する波長とし、本実施形態ではレーザ光を用いる。
【００６２】
また、初期エミッタンスを小さくするためには、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を小さくする必要がある。たとえば、室温エネルギーを２６ｍｅＶ未満とすることが望ましい。このようにすると、出力される電子ビームのエネルギー状態を単一化することができる。
【００６３】
したがって、これらの値が所望の値となるように、井戸層１０３の厚さLwと、障壁層１０４の厚さLbと、を、設定する必要がある。
【００６４】
本実施形態においては、パラメータLw，Lbを種々変更してクローニヒ・ペニーモデルでシミュレーション計算を行うことにより、好適なLw，Lbの範囲を求めることとする。
【００６５】
図３および図４は、障壁層１０４の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層１０３の厚さLwに対するバンドギャップを示したグラフと、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を示したグラフである。
【００６６】
図５および図６は、井戸層１０３の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層１０４の厚さLbに対するバンドギャップを示したグラフと伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を示したグラフである。
【００６７】
これらのシミュレーション結果を参照すると、以下のような諸元が判明する。
【００６８】
すなわち、高い量子効率を実現する高いエネルギー状態密度と大きなバンドギャップを得るためには、Lwは4nm以下とすることが望ましい。また、バンドギャップを大きくするには、障壁層１０４の厚さLbを狭くするよりも、井戸層１０３の厚さLwを狭くする方が効率的である。また、障壁層１０４の厚さLbは、最大でも６ｎｍ程度とするのが望ましい。
【００６９】
すなわち、量子効率を実現するための所望のバンドギャップ幅が与えられると、シミュレーション計算によって、Lw，Lbの上限を求めることができるのである。
【００７０】
一方、伝導帯２０１の中のミニバンド２１１の幅を、小さい初期エミッタンスを実現する室温エネルギーよりも狭くするためには、井戸層１０３の厚さLwおよび障壁層１０４の厚さLbは、最小でも３ｎｍ程度とするのが望ましい。
【００７１】
すなわち、所望の初期エミッタンスが与えられると、シミュレーション計算によって、Lw，Lbの下限を求めることができるのである。
【００７２】
このようにして、超格子構造１０２に含まれる井戸層１０３の厚さLwおよび障壁層１０４の厚さLbの範囲が定められる。
【００７３】
一方、これらの厚さの総和である超格子構造１０２の厚さは、光陰極半導体素子１０１のサイズや製造コストなどによって適宜変更が可能であるが、典型的には、２μｍ〜３μｍ程度とする。
【００７４】
表面層１０５の厚さＡは、入射した光のほとんどが超格子構造１０２に到達できる程度の厚さである。また、表面層１０５は、バンドギャップの半分程度だけ電子親和力を小さくするような高いｐ型ドーピング濃度とする必要がある。典型的には厚さ３ｎｍ〜６ｎｍであり、ｐ型ドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3である。
【００７５】
またバッファ層１０６の厚さＢは、基板層１０７で生じた電子の超格子構造１０２への流れ込みが生じない程度の厚さとする必要があり、典型的には、１μｍ以上である。
【００７６】
基板層１０７の厚さは、製造される光陰極半導体素子１０１のサイズや製造コストなどによって適宜変更が可能である。
【００７７】
図７は、従来および本実施形態の光陰極半導体素子における励起エネルギーに対する状態密度の様子を表すグラフである。以下、本図を参照して説明する。
【００７８】
本図に示すように、従来考えられていた理論値（点線）においては、励起エネルギーが大きくなると、緩やかにエネルギー状態密度も増加していく。
【００７９】
一方、本実施形態の光陰極半導体素子１０１（実線）においては、状態密度が階段状の形状をなしており、ミニバンドにおいて電子のエネルギー状態が単一になっていることがわかる。
【００８０】
また、階段状部分の高さが従来の理論値に比べて大きいこともわかる。これは、生成される電子の量が増幅されており、電子ビームの量子効率が高いことを意味するものである。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
上記のように、本発明によれば、超格子構造を利用して電子のエネルギー状態を単色化させ、量子効率を向上させることで、所望の超高輝度性能を達成するのに好適な光陰極半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本実施形態に係る光陰極半導体素子の構成を示す断面図である。
【図２】超格子構造に対するバンド構造の様子を示す説明図である。
【図３】障壁層の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層の厚さLwに対するバンドギャップを示したグラフである。
【図４】障壁層の厚さLbとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、井戸層の厚さLwに対する伝導帯の中のミニバンドの幅を示したグラフである。
【図５】井戸層の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層の厚さLbに対するバンドギャップを示したグラフである。
【図６】井戸層の厚さLwとして２ｎｍと６ｎｍの２通りを採用した場合の、障壁層の厚さLbに対する伝導帯の中のミニバンド幅を示したグラフである。
【図７】従来および本実施形態の光陰極半導体素子における励起エネルギーに対する状態密度の様子を表すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
１０１ 光陰極半導体素子
１０２ 超格子構造
１０３ 井戸層
１０４ 障壁層
１０５ 表面層
１０６ バッファ層
１０７ 基板層
２０１ 伝導帯
２０２ 価電子帯
２１１ 伝導帯の中のミニバンド
２１２ 価電子帯の中のミニバンド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体からなる井戸層と、
当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、
が複数交互に積層した超格子構造を備え、
当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、
当該超格子構造の電子のエネルギー状態において、伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、
当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅が所望の大きさとなる厚さを下限とする
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項２】
第１半導体からなる井戸層と、
当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、
が複数交互に積層した超格子構造を備え、
当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、
当該超格子構造の電子のエネルギー状態において、伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、
当該伝導帯に生ずるミニバンドのエネルギー状態密度が所望の大きさとなる厚さを下限とする
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光陰極半導体素子であって、
当該超格子構造の一方の端面（以下「電子放出面」という。）は、当該複数の井戸層の一つ（以下「表面側井戸層」という。）であり、
当該表面側井戸層に接する第３半導体からなる表面層
をさらに備え、
当該超格子構造のエネルギー状態において当該価電子帯のミニバンドのうち、最上のミニバンドに属する電子が当該伝導帯のミニバンドのうち、最下のミニバンドに励起される波長の光が当該超格子構造に照射されると、当該最下のミニバンドからエネルギー状態が単一化された電子ビームが放出される
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項４】
請求項３に記載の光陰極半導体素子であって、
前記光は、前記表面層を介して、前記電子放出面に照射される
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項５】
請求項４に記載の光陰極半導体素子であって、
当該超格子構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、当該複数の井戸層の他の一つ（以下「基板側井戸層」という。）、もしくは、当該複数の障壁層の一つ（以下「基板側障壁層」という。）であり、
当該基板面に接する第４半導体からなるバッファ層と、
当該バッファ層に接する第５半導体からなる基板層と、
をさらに備えることを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項６】
請求項５に記載の光陰極半導体素子であって、
当該表面層は、ｐ型ドーピング量１×１０18ｃｍ-3以上のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第３半導体からなり、
当該複数の障壁層のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第２半導体からなり
当該複数の井戸層のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜４ｎｍの第１半導体からなり、
当該バッファ層は、ｐ型ドーピング量５×１０19ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ１μｍ以上の第４半導体からなり、
当該基板層は、ＧａＡｓ半導体からなり、
当該超格子構造の厚さは、２μｍ〜３μｍであり、
当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項１】
第１半導体からなる井戸層と、
当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、
が複数交互に積層した超格子構造を備え、
当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、
当該超格子構造の電子のエネルギー状態において、伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、
当該伝導帯に生ずるミニバンドのバンド幅が所望の大きさとなる厚さを下限とする
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項２】
第１半導体からなる井戸層と、
当該第１半導体よりバンドギャップが大きい第２半導体からなる障壁層と、
が複数交互に積層した超格子構造を備え、
当該井戸層および当該障壁層のそれぞれの厚さは、
当該超格子構造の電子のエネルギー状態において、伝導帯に生ずるミニバンドの下限と、価電子帯に生ずるミニバンドの上限と、の間のバンドギャップが所望の大きさとなる厚さを上限とし、
当該伝導帯に生ずるミニバンドのエネルギー状態密度が所望の大きさとなる厚さを下限とする
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光陰極半導体素子であって、
当該超格子構造の一方の端面（以下「電子放出面」という。）は、当該複数の井戸層の一つ（以下「表面側井戸層」という。）であり、
当該表面側井戸層に接する第３半導体からなる表面層
をさらに備え、
当該超格子構造のエネルギー状態において当該価電子帯のミニバンドのうち、最上のミニバンドに属する電子が当該伝導帯のミニバンドのうち、最下のミニバンドに励起される波長の光が当該超格子構造に照射されると、当該最下のミニバンドからエネルギー状態が単一化された電子ビームが放出される
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項４】
請求項３に記載の光陰極半導体素子であって、
前記光は、前記表面層を介して、前記電子放出面に照射される
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項５】
請求項４に記載の光陰極半導体素子であって、
当該超格子構造の他方の端面（以下「基板面」という。）は、当該複数の井戸層の他の一つ（以下「基板側井戸層」という。）、もしくは、当該複数の障壁層の一つ（以下「基板側障壁層」という。）であり、
当該基板面に接する第４半導体からなるバッファ層と、
当該バッファ層に接する第５半導体からなる基板層と、
をさらに備えることを特徴とする光陰極半導体素子。
【請求項６】
請求項５に記載の光陰極半導体素子であって、
当該表面層は、ｐ型ドーピング量１×１０18ｃｍ-3以上のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第３半導体からなり、
当該複数の障壁層のそれぞれは、Ｇａに対するＡｌの組成比０.２５〜０.３、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜６ｎｍの第２半導体からなり
当該複数の井戸層のそれぞれは、ｐ型ドーピング量５×１０18ｃｍ-3以下のＧａＡｓ半導体結晶による厚さ３ｎｍ〜４ｎｍの第１半導体からなり、
当該バッファ層は、ｐ型ドーピング量５×１０19ｃｍ-3以下のＡｌＧａＡｓ半導体結晶による厚さ１μｍ以上の第４半導体からなり、
当該基板層は、ＧａＡｓ半導体からなり、
当該超格子構造の厚さは、２μｍ〜３μｍであり、
当該ｐ型ドーピングには、Ｂｅを用いる
ことを特徴とする光陰極半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１０８７２２（Ｐ２０１０−１０８７２２Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７８８６７（Ｐ２００８−２７８８６７）
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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