透過型光電陰極およびそれを備える計測装置
【課題】単純な製造プロセスで実現でき、強度の異なる２種類の波長の光が入射されても広い波長領域に感度を有する光電陰極を提供すること。
【解決手段】この光電陰極１は、第１の波長の光と、第１の波長より長い第２の波長の光であって、第１の波長の光の強度より低い強度を有する光とを検出する透過型光電陰極であって、第１及び第２の波長の光が、光入射側の面１０ａに入射するＰ型の半導体基板１０と、第１及び第２の波長の光を吸収して光電子を生成するＰ型の光吸収層１２と、光電子を加速するＰ型の電子放出層１３と、電子放出層１３上に積層されたＮ型のコンタクト層１４と、半導体基板１０の光入射側の面１０ａ上及びコンタクト層１４上のそれぞれに形成された裏面電極１６及び表面電極１５とを備え、半導体基板１０上には光入射側の面１０ａに光吸収層１２に向けて伸びる凹部１８が形成されている。
【解決手段】この光電陰極１は、第１の波長の光と、第１の波長より長い第２の波長の光であって、第１の波長の光の強度より低い強度を有する光とを検出する透過型光電陰極であって、第１及び第２の波長の光が、光入射側の面１０ａに入射するＰ型の半導体基板１０と、第１及び第２の波長の光を吸収して光電子を生成するＰ型の光吸収層１２と、光電子を加速するＰ型の電子放出層１３と、電子放出層１３上に積層されたＮ型のコンタクト層１４と、半導体基板１０の光入射側の面１０ａ上及びコンタクト層１４上のそれぞれに形成された裏面電極１６及び表面電極１５とを備え、半導体基板１０上には光入射側の面１０ａに光吸収層１２に向けて伸びる凹部１８が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を光電子に変換する光電陰極に関するものであり、特に入射光が電子放出面の反対側から入射する透過型光電陰極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、入射光を検出するための電子管等に内蔵される光電陰極として、反射型光電陰極と透過型光電陰極が知られている。反射型光電陰極は入射光が電子放出面側から入射するタイプであり、透過型光電陰極は入射光が電子放出面の反対側、すなわち、光電陰極の基板側から入射するタイプである。このうち透過型光電陰極は、光電子増倍管やイメージインテンシファイヤ等に用いられてそれらの小型化に有利なばかりでなく、マイクロチャンネルプレート光電子増倍管（ＭＣＰＰＭＴ）などの時間応答性に優れた電子管にも採用されており有用である。
【０００３】
この透過型光電陰極の構造の一例としては、例えば、下記特許文献１に開示されている。また、透過型光電陰極の他の構造として、広い波長帯域の光に対して感度を有するようにするために、光電陰極を例えばガラス等の透明基板上に形成するものが知られている（下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２５５５８０号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の透過型光電陰極では、入射光が支持基板である半導体基板側から入射されるので、950nm以下等の短波長の入射光が半導体基板により吸収されることによりこの波長領域における感度が著しく低い傾向にあった。
【０００６】
これに対して、上記特許文献２に記載の光電陰極によれば、広い波長領域にわたった感度を実現することはできるが、複雑な製造プロセスが要求される。すなわち、光電陰極を作成する際に、光電陰極となるエピタキシャル半導体層を透明基板に熱圧着により接着し、半導体基板をエッチングにより選択的に除去するプロセスが必要となる。
【０００７】
また、強度の異なる２種類の波長の光を光電陰極に入射させて検出する際には、出力が飽和しないようにフィルターを挿入する必要があるが、その場合には微弱光の検出感度が低下してしまい支障が生じる場合があった。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、単純な製造プロセスで実現でき、強度の異なる２種類の波長の光が入射されても広い波長領域に感度を有する透過型光電陰極およびそれを備える計測装置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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の透過型光電陰極は、第１の波長の光と、第１の波長より長い第２の波長の光であって、第１の波長の光の強度より低い強度を有する光とを検出する透過型光電陰極であって、第１及び第２の波長の光が、光入射側の面に入射する第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に積層され、第１及び第２の波長の光を吸収して光電子を生成する第１導電型の光吸収層と、光吸収層上に積層され、光電子を加速する第１導電型の電子放出層と、電子放出層上に積層された第２導電型のコンタクト層と、半導体基板の光入射側の面上及びコンタクト層上のそれぞれに形成された第１及び第２の電極とを備え、半導体基板上には光入射側の面に光吸収層に向けて伸びる凹部が形成されている。
【００１０】
このような透過型光電陰極によれば、長波長で強度の低い第２の波長の光が半導体基板に入射した場合は、その光が半導体基板に吸収されることなく光吸収層に到達することにより、光吸収層で光電子が励起される。このようにして励起された光電子は、第１及び第２の電極間に印加された逆バイアス電圧により形成された内部電界によって加速されて電子放出層の表面に到達し、その表面に到達した光電子が外部に放出される。一方、短波長で強度の高い第１の波長の光が入射した場合は、その光は半導体基板で吸収されやすいが、半導体基板の凹部に入射した一部の第１の波長の光のみが半導体基板を通過して光吸収層に到達することで、光吸収層で光電子が励起され、その光電子が電子放出層の表面から外部に放出される。これにより、広い波長領域にわたって入射光を光電子に変換することができるとともに、比較的強度の高い短波長の光を減光することで短波長光の検出時の出力の飽和を防止することができる。また、凹部の大きさを調整することで分光感度特性を任意に設計することもできる。その結果、複雑な製造プロセスを必要とせずに広い波長感度を有する透過型光電陰極を実現することができる。
【００１１】
凹部の底部と光吸収層との距離は、第１の波長の１０倍以下である、ことが好適である。この場合、短波長の光に対する感度を効果的に向上させることができる。
【００１２】
また、凹部の底部と光吸収層との距離は、第１の波長以下である、ことも好適である。この場合、短波長の光に対する感度をより一層向上させることができる。
【００１３】
或いは、本発明の計測装置は、上述した透過型光電陰極を含み、第１の波長の光、及び第１の波長より長い第２の波長の光であって、第１の波長の光の強度より低い強度を有する光が入射され、第１及び第２の波長の光を電気信号に変換して出力する検出器と、検出器から出力された電気信号を基に、第１の波長の光と第２の波長の光との間の強度の時間変化の関係を測定する計測器と、を備える。
【００１４】
このような計測装置によれば、本発明の透過型光電陰極を含む検出器から短波長の第１の波長の光、及び長波長の第２の波長の光のそれぞれの検出信号が出力され、計測器によってそれらの検出信号を基に第１の波長の光と第２の波長の光との間の強度変化の関係が測定される。これにより、小規模な測定系によって、強度の異なる２波長の光の間の強度変化の関係を高精度に測定することができる。
【００１５】
第１の波長の光は計測対象の試料に照射する励起光であり、第２の波長の光は試料から励起光に応じて発せられた蛍光であり、計測器は、強度の時間変化の関係を計算することにより試料に関する蛍光寿命を測定する、ことも好適である。かかる構成を採れば、同じ検出器によって試料励起用の励起光と蛍光とを検出することにより、蛍光寿命を簡易かつ高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単純な製造プロセスで実現でき、強度の異なる２種類の波長の光が入射されても広い波長領域に感度を有する透過型光電陰極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の透過型光電陰極の製造過程を示す断面図である。
【図３】図１の透過型光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。
【図４】図１の透過型光電陰極を備える光電子増倍管の構成を示す断面図である。
【図５】図１の透過型光電陰極を備える画像増強管の構成を示す断面図である。
【図６】図１の透過型光電陰極が内蔵された光電子増倍管を光検出器として用いた蛍光寿命測定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】図６の演算装置によって集計された光電子パルスの頻度の時間変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態の透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図９】図８の透過型光電陰極の製造過程を示す断面図である。
【図１０】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る透過型光電陰極およびそれを用いた計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電陰極の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、光電陰極１は、半導体基板１０の上に、バッファ層１１、光吸収層１２、電子放出層１３、及びコンタクト層１４がこの順に積層されて成る。さらに、このコンタクト層１４の電子放出層１３とは反対側の面上には表面電極１５が形成され、半導体基板１０のバッファ層１１とは反対側の面１０ａ上の一部には裏面電極１６が形成されている。
【００２０】
半導体基板１０は、Ｐ型の導電型の半導体材料からなり、主として光電陰極１の機械的強度を維持する役割を有する。また、半導体基板１０の表面１０ａには、検出対象の２つの波長領域の入射光が入射される。例えば、半導体基板１０の構成材料としては、厚さが350μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InPが挙げられる。このような半導体基板１０は、約950nm以上の長波長の光は透過させるが、約950nm以下の短波長の光は吸収しやすいという性質を有する。
【００２１】
半導体基板１０上に積層されるバッファ層１１は、半導体基板１０と格子整合するＰ型の半導体材料、例えば、厚さが0.02〜0.5μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1018/cm3のZnドープP型InPから成る。
【００２２】
光吸収層１２は、入射光を吸収して光電子を励起して生成する層であり、バッファ層１１と格子整合するＰ型の半導体材料から成る。例えば、光吸収層１２の構成材料としては、厚さが2μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InGaAsP又はZnドープP型InGaAsが挙げられる。また、光吸収層１２は、そのエネルギーバンドギャップが半導体基板１０より小さくされており、光吸収層１２で発生した光電子が基板１０側に拡散することが防止されている。
【００２３】
電子放出層１３は、エネルギーバンドギャップが光吸収層１２よりも大きく、光吸収層１２で励起された光電子を加速して光吸収層１２とは反対側の表面から外部に放出する層である。この電子放出層１３は、光吸収層１２と格子整合するＰ型の半導体材料、例えば、厚さが0.5μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InPから成る。
【００２４】
コンタクト層１４は、電子放出層１３と表面電極１５との間に介在し電子放出層１３と表面電極１５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層であり、電子放出層１３と格子整合するＮ型の半導体材料から成る。このコンタクト層１４は、例えば、厚さが0.2μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜5×1018/cm3のSiドープN型InPまたはSドープN型InPから構成されている。なお、コンタクト層１４のエネルギーバンドギャップは電子放出層１３とほぼ同じに設定されている。このような組成のコンタクト層１４は、電子放出層１３上の一部の表面を覆うようにメッシュ状に形成されている。
【００２５】
表面電極１５は、コンタクト層１４上に形成されて電子放出層１３の表面をメッシュ状に覆う金属電極であり、コンタクト層１４とオーミック接触がなされている。また、裏面電極１６は、半導体基板１０のバッファ層１１とは反対側の面１０ａ、すなわち光入射側の面１０ａ上の一部に形成された金属電極である。これらの電極１５，１６は、例えばTi、Al、Ag、Au、Cr及びこれらの合金から成り、表面電極１５と裏面電極１６との間に逆バイアス電圧を印加して光電陰極１の内部に電界を形成するために設けられる。
【００２６】
また、電子放出層１３の面上のコンタクト層１４が形成されていない領域には、活性層１７が設けられている。この活性層１７は、放出される光電子に関する仕事関数を低下させるための層であり、例えば、Csなどのアルカリ金属、その酸化物、またはフッ化物を薄く塗布されることにより形成される。
【００２７】
さらに、半導体基板１０の光入射側の面１０ａの一部には、面１０ａからバッファ層１１に向けて直線状に伸びる１以上の凹部１８が形成されている。この凹部１８の数、開口面積、及び深さは、設計する分光感度特性に応じて適宜設定されるが、凹部１８の底部１８ａから光吸収層１２までの距離は、２つの入射光のうちの短波長側の入射光の波長をλとした場合、１０×λ以下であることが好適であり、λ以下であることがさらに好適である。これは、凹部１８から光吸収層１２までの距離が小さければ小さいほど光吸収層１２に到達する入射光が指数関数的に増加する一方、波長λ程度の距離で有れば十分な割合の入射光が光吸収層１２に到達できるからである。例えば、短波長側の入射光の波長λが600nmであって、凹部１８から光吸収層１２までの距離が、波長λの約0.83倍の0.5μmの場合、凹部１８に入射する光の約0.7％が光吸収層１２に到達することができ、波長λと同程度の距離で有れば十分に感度を持たせることができる。
【００２８】
次に、上述した光電陰極１の製造方法について説明する。図２は、光電陰極１の製造過程を示す断面図である。
【００２９】
まず、半導体基板１０を用意し、半導体基板１０上に有機金属気相成長法或いは分子線エピタキシー法によって所定の半導体ヘテロ構造がエピタキシャル成長により形成される。その結果、半導体基板１０上にバッファ層１１、光吸収層１２、電子放出層１３、及びコンタクト層１４が形成される（図２（ａ））。なお、各層を構成する半導体としては、InP、InGaAsP、又はInGaAsを用いた例を示したが、これらの半導体に限定されるものではなく、膜厚も特定値に限定されるものではない。
【００３０】
次に、半導体基板１０の光入射側の面１０ａにマスク２１が所定の膜厚で堆積され、そのマスク２１の一部がフォトリソグラフィー等により所定の開口を有するように加工される（図２（ｂ））。マスク２１の材料としては、SiN、SiO2、フォトレジスト、或いは金属等を用いることができる。
【００３１】
その後、半導体基板１０の面１０ａに、誘導結合プラズマ（ICP）エッチング装置を用いて凹部１８を加工する（図２（ｃ））。この加工による凹部１８の深さ、すなわち、凹部１８の底部１８ａと光吸収層１２との距離は、エッチング時間によって制御することができる。
【００３２】
そして、コンタクト層１４の全面に表面電極１５を蒸着し、その表面電極１５上にフォトレジスト２２を塗布し、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト２２をメッシュ状パターンに形成する（図２（ｄ））。
【００３３】
次に、ドライエッチングにより、表面電極１５及びコンタクト層１４をエッチング加工し、メッシュ状の表面電極１５及びコンタクト層１４を形成する（図２（ｅ））。
【００３４】
最後に、フォトレジスト２２を除去し、半導体基板１０の光入射側の面１０ａの一部に裏面電極１６を蒸着する（図２（ｆ））。この際、半導体基板１０の面１０ａには、反射防止膜を形成しても良い。
【００３５】
なお、上記の製造過程は、その順序が入れ替わっていても良い。例えば、全ての膜構造を形成後に最後に凹部１８を加工することもできる。
【００３６】
以上説明した光電陰極１の動作について説明する。光電陰極１の光入射側の面１０ａには、可視光領域の第１波長の入射光と、可視光領域より長波長（例えば、赤外光領域）であって、第１波長の入射光の強度よりも低い強度の第２波長の入射光とが、別々に入射される。
【００３７】
第１波長の入射光のうち凹部１８の形成領域以外の面１０ａに入射した入射光は、半導体基板１０によって吸収されて光吸収層１２には到達しない。その一方で、第１波長の入射光のうち凹部１８の開口に入射した入射光は、凹部１８を通過して光吸収層１２に到達し、その結果、光吸収層１２で光電子を励起させることができる。このように、第１の入射光はその一部が光吸収層１２に到達することになるので、凹部１８が形成された半導体基板１０は、第１波長の入射光に対するフィルタリングの役割を果たす。
【００３８】
これに対して、第２波長の入射光は、半導体基板１０を透過しやすいので、面１０ａに入射した光の大部分が光吸収層１２に到達して光電子を励起させることになる。
【００３９】
ここで、表面電極１５及び裏面電極１６との間にはバイアス電圧源１９が接続されることによって逆バイアス電圧が印加され、電子放出層１３と光吸収層１２の内部に光電子を加速する電界が形成されている。これにより、光吸収層１２で励起された光電子は、電子放出層１３の表面に加速されて到達する。そして、電子放出層１３の表面に活性層１７が設けられて仕事関数が小さくされることにより、光電子が電子放出層１３の表面から外部の真空中に放出される。つまり、光電陰極１は、光入射側の面１０ａに対して反対側の電子放出層１３の表面から光電子を放出する、いわゆる透過型の光電陰極である。
【００４０】
このように本実施形態の光電陰極１では、広い波長領域にわたって入射光を光電子に変換することができる。さらに、比較的強度の高い第１波長の光をフィルタリングして減光する一方で、比較的強度の低い第２波長の光を効率よく光電子に変換することで、短波長光検出時の出力の飽和を防止しつつ長波長光を感度良く検出することができる。特に、同一の光電陰極で２波長の光を検出することで、２波長の光の間の時間応答の関係を測定する場合に有利となる。また、光電陰極１では、凹部１８を加工するだけでその他の複雑な製造プロセスを必要としない。
【００４１】
図３には、光電陰極１の分光感度特性を示している。同図に示すように、半導体基板１０の面１０ａにおける凹部１８の存在しない領域の分光感度特性Ｓ１は、940nmから1650nmの範囲の長波長側のみ感度を有することを示している。これに対して、面１０ａにおける凹部１８の存在する領域の分光感度特性Ｓ２は、短波長から長波長までの広い波長領域に感度を有することを示している。従って、光電陰極１の全体の感度特性は、感度特性Ｓ１と感度特性Ｓ２とを足し合わせた特性となるので、広い波長範囲での感度を有する。
【００４２】
また、凹部１８の数や開口面積を調整することで分光感度特性を任意に設計することもできる。すなわち、分光感度特性Ｓ１と分光感度特性Ｓ２の面積比を調整することで分光感度特性を任意に設計することができる。
【００４３】
以下、本実施形態の光電陰極１の応用例について説明する。
【００４４】
図４は、光電陰極１を備える光電子増倍管３１の構成を示す断面図である。光電子増倍管３１は、真空容器３２内に光電陰極１、集束電極３３、ダイノード３４、及び陽極３５を備えて構成されている。光電陰極１から放出された光電子は、集束電極３３によって収束され、所定の電圧が印加された第１段目のダイノード３４ａに入射する。入射した光電子は２次電子増倍により２次電子を生成し、その２次電子は第１段目のダイノード３４ａから所定の電圧が印加された第２段目のダイノード３４ｂに向けて放出される。それに伴い、第２段目のダイノード３４ｂにおいて再び２次電子が放出される。このような２次電子放出を繰り返すことで、最終的には１００万倍程度に増倍された２次電子が陽極３５に集められて電流（電気信号）として陽極３５から取り出される。２次電子増倍は電子のみを増倍するので高速かつ雑音の非常に少ない増倍が実現され、光電子増倍管３１は高速かつ非常に高感度な光検出器として実現される。
【００４５】
また、図５は、光電陰極１を備える画像増強管４１の構成を示す断面図である。画像増強管４１は、光入射窓４２ａと出力窓４２ｂを有する真空容器４２内に光電陰極１及びマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）４３を備えて構成されている。光入射窓４２ａから入射した光に応じて光電陰極１から光電子が放出され、その光電子は所定の電圧が印加されたＭＣＰ４３の入射面４３ａに入射する。入射した光電子はＭＣＰ４３のチャンネル内で２次電子増倍により２次電子を生成し、ＭＣＰ４３の出射面４３ｂからその２次電子が放出される。ＭＣＰ４３の入射面４３ａと出射面４３ｂの間には所定の電圧が印加されており、１００万倍程度に増倍された２次電子が出射面４３ｂから放出される。出射面４３ｂから放出された光電子は、出力窓４２ｂの内側に形成され、所定の電圧を印加された蛍光面４４に入射する。その結果、蛍光面４４が外部に向けて発光する。このとき、ＭＣＰ４３は多数の小孔を有しているので、２次電子が２次元位置を保ったまま増倍される。これにより、入射光が光電陰極１に入射した際の位置情報を保ったままＭＣＰ４３でその検出結果を増倍して蛍光面４４を発光させるので、光電陰極１に入射した画像を１００万倍程度に増倍して外部に出力させることが可能な検出器が実現される。
【００４６】
また、光電陰極１は、その他の検出器にも適用可能であり、ダイノードや陽極の代わりに半導体のフォトダイオード等を用いて増倍を行う電子打ち込み型の電子管などへの適用も可能である。
【００４７】
図６は、光電陰極１が内蔵された光電子増倍管を光検出器として用いた蛍光寿命測定装置５１の構成を示すブロック図である。この蛍光寿命測定装置５１は、計測対象の試料Ａから発せられる長波長の蛍光と、試料Ａに照射する短波長の励起光との両方を測定対象としている。蛍光寿命測定装置５１では、励起光源５２から発せられた励起光パルスがビームスプリッタ５３及びレンズ５４を通って試料Ａに入射され、試料Ａにおいて蛍光が発光される。この場合の励起光パルスとしては、蛍光よりも短波長のレーザ光等が用いられる。発生した蛍光は、レンズ５５により集光されてから分光器５６に入射され、分光器５６で分光された蛍光が光電陰極１を含む光電子増倍管３１によって検出される。蛍光を検出する際には、このレンズ５５と分光器５６との間に励起光をカットするフィルター５７が挿入される。そして、光電子増倍管３１の出力である光電子パルス（電流パルス）は、ストップパルスとして時間波高値コンバータ（ＴＡＣ：Time-to-Amplitude Converter）５８に入力される。それと並行して、ビームスプリッタ５３及びＰＩＮフォトダイオード５９によって分光検出された励起光パルスの検出信号が、スタートパルスとしてＴＡＣ５８に入力される。このようにしてＴＡＣ５８により励起光パルスと光電子パルスの時間間隔が測定される。
【００４８】
さらに、蛍光寿命測定装置５１では、励起光自体の時間的広がりや光検出器である光電子増倍管３１の時間応答を評価するために、試料Ａを反射率の弱いミラーや拡散板に置き換えた状態で励起光パルス自体が測定される。具体的には、励起光の一部を分光器５６を通して光電子増倍管３１に入射させて、励起光パルスと光電子パルスの時間間隔が測定される。このときは、フィルター５７は取り除かれる。そして、試料Ａを置いた場合と試料Ａをミラー等に置き換えた場合のそれぞれに関して、ＴＡＣ５８に接続された演算装置６０を用いて光電子パルスの頻度の時間変化を集計することにより、光電子増倍管３１への入射光の強度変化を計測する。図７には、演算装置６０によって集計された光電子パルスの頻度の時間変化を示しており、特性Ｆ２が試料Ａを置き換えて励起光を測定した場合、特性Ｆ１が試料Ａを置いて蛍光を測定した場合を示している。そこで、演算装置６０において、特性Ｆ１の傾きより寿命τ１が、特性Ｆ２の傾きより寿命τ２が、それぞれ計算され、それらの関係から下記式；
τ２＝τ１２−τ２２
により、試料Ａから発せられる蛍光に関する蛍光寿命τが算出される。
【００４９】
このような蛍光寿命測定装置５１によれば、励起光と蛍光とを同じ光検出器で検出することにより、正確な装置の応答関数を求めることが可能である。従って、光検出器の応答速度の違いによる補正の必要がないため、正確に励起光パルスと蛍光パルスの時間間隔を測定することができる。その結果、蛍光寿命を簡易かつ高精度に測定することができる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る光電陰極１０１の概略構成を示す断面図である。同図に示す光電陰極１０１と第１実施形態にかかる光電陰極１との相違点は、半導体基板１０とバッファ層１１との間にエッチングストップ層１０２が形成されている点である。このエッチングストップ層１０２は、半導体基板１０と格子整合するＰ型の半導体材料、例えば、厚さが2μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InGaAsP又ZnドープP型InGaAsから成る。このようなエッチングストップ層１０２は、凹部１８の加工時にその深さを制御するために設けられている。
【００５１】
図９には、光電陰極１０１の製造過程を示している。光電陰極１０１の製造方法は、凹部１８の形成方法を除いた工程（図９（ａ）〜（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ））は、光電陰極１の工程（図２（ａ）〜（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ））と同様である。凹部１８の加工時には、ある程度の深さまでＩＣＰエッチングを行い、その後にウェット処理を含む選択エッチング技術を用いることにより正確な深さの凹部１８を実現する。例えば、半導体基板１０をある程度の深さまでＩＣＰエッチングにより凹部１８を加工し、その後、例えばHClにより、残った半導体基板１０の部分をウェットエッチングによりエッチングする。このとき、エッチングはエッチングストップ層１０２との界面で自動的に停止される。さらに、H2SO4系のウェットエッチングを施すことにより、エッチングはバッファ層１１とエッチングストップ層１０２との界面まで進んで自動的に停止する。このような加工方法により、半導体基板１０によって吸収される波長の入射光の一部が光吸収層１２に到達することが可能な凹部１８を正確に加工することができる。
【００５２】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光電陰極１の構成としては様々な変形例を採用することが可能である。
【００５３】
例えば、図１０に示す本発明の変形例である光電陰極２０１のように、電子放出層１３の表面の一部に、電子放出層１３とショットキー接触された表面電極２１５が直接形成されていてもよい。
【００５４】
また、図１１に示す本発明の変形例である光電陰極３０１のように、電子放出層１３の表面の一部に50〜150Å（オングストローム）程度の膜厚の薄膜状の表面電極３１５が形成されていてもよい。この表面電極３１５は、電子放出層１３の表面の一部を覆う島状の形状を成しており、電子放出層１３の露出面には光電陰極１と同様に活性層１７が形成されている。また、表面電極３１５は、電子放出層１３とショットキー接触がなされている。
【００５５】
また、図１２に示す本発明の変形例である光電陰極４０１のように、凹部１８がバッファ層１１と光吸収層１２との界面付近まで達する深さで加工されていてもよい。また、図１３に示す本発明の変形例である光電陰極５０１のように、バッファ層１１に相当する部分が半導体基板１０と同一の半導体材料によって構成されていてもよい。
【００５６】
さらに、表面電極３１５は、電子放出層１３上にメッシュ状に形成されているが、ストライプ形状、スパイラル形状等の電子放出層１３に均一に分布する他の形状で形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１…透過型光電陰極、１０…半導体基板、１０ａ…光入射側面、１１…バッファ層、１２…光吸収層、１３…電子放出層、１４…コンタクト層、１５，２１５，３１５…表面電極、１６…裏面電極、１７…活性層、１８…凹部、１８ａ…底部、３１…光電子増倍管、４１…画像増強管、５１…蛍光寿命測定装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を光電子に変換する光電陰極に関するものであり、特に入射光が電子放出面の反対側から入射する透過型光電陰極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、入射光を検出するための電子管等に内蔵される光電陰極として、反射型光電陰極と透過型光電陰極が知られている。反射型光電陰極は入射光が電子放出面側から入射するタイプであり、透過型光電陰極は入射光が電子放出面の反対側、すなわち、光電陰極の基板側から入射するタイプである。このうち透過型光電陰極は、光電子増倍管やイメージインテンシファイヤ等に用いられてそれらの小型化に有利なばかりでなく、マイクロチャンネルプレート光電子増倍管（ＭＣＰＰＭＴ）などの時間応答性に優れた電子管にも採用されており有用である。
【０００３】
この透過型光電陰極の構造の一例としては、例えば、下記特許文献１に開示されている。また、透過型光電陰極の他の構造として、広い波長帯域の光に対して感度を有するようにするために、光電陰極を例えばガラス等の透明基板上に形成するものが知られている（下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２５５５８０号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の透過型光電陰極では、入射光が支持基板である半導体基板側から入射されるので、950nm以下等の短波長の入射光が半導体基板により吸収されることによりこの波長領域における感度が著しく低い傾向にあった。
【０００６】
これに対して、上記特許文献２に記載の光電陰極によれば、広い波長領域にわたった感度を実現することはできるが、複雑な製造プロセスが要求される。すなわち、光電陰極を作成する際に、光電陰極となるエピタキシャル半導体層を透明基板に熱圧着により接着し、半導体基板をエッチングにより選択的に除去するプロセスが必要となる。
【０００７】
また、強度の異なる２種類の波長の光を光電陰極に入射させて検出する際には、出力が飽和しないようにフィルターを挿入する必要があるが、その場合には微弱光の検出感度が低下してしまい支障が生じる場合があった。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、単純な製造プロセスで実現でき、強度の異なる２種類の波長の光が入射されても広い波長領域に感度を有する透過型光電陰極およびそれを備える計測装置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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の透過型光電陰極は、第１の波長の光と、第１の波長より長い第２の波長の光であって、第１の波長の光の強度より低い強度を有する光とを検出する透過型光電陰極であって、第１及び第２の波長の光が、光入射側の面に入射する第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に積層され、第１及び第２の波長の光を吸収して光電子を生成する第１導電型の光吸収層と、光吸収層上に積層され、光電子を加速する第１導電型の電子放出層と、電子放出層上に積層された第２導電型のコンタクト層と、半導体基板の光入射側の面上及びコンタクト層上のそれぞれに形成された第１及び第２の電極とを備え、半導体基板上には光入射側の面に光吸収層に向けて伸びる凹部が形成されている。
【００１０】
このような透過型光電陰極によれば、長波長で強度の低い第２の波長の光が半導体基板に入射した場合は、その光が半導体基板に吸収されることなく光吸収層に到達することにより、光吸収層で光電子が励起される。このようにして励起された光電子は、第１及び第２の電極間に印加された逆バイアス電圧により形成された内部電界によって加速されて電子放出層の表面に到達し、その表面に到達した光電子が外部に放出される。一方、短波長で強度の高い第１の波長の光が入射した場合は、その光は半導体基板で吸収されやすいが、半導体基板の凹部に入射した一部の第１の波長の光のみが半導体基板を通過して光吸収層に到達することで、光吸収層で光電子が励起され、その光電子が電子放出層の表面から外部に放出される。これにより、広い波長領域にわたって入射光を光電子に変換することができるとともに、比較的強度の高い短波長の光を減光することで短波長光の検出時の出力の飽和を防止することができる。また、凹部の大きさを調整することで分光感度特性を任意に設計することもできる。その結果、複雑な製造プロセスを必要とせずに広い波長感度を有する透過型光電陰極を実現することができる。
【００１１】
凹部の底部と光吸収層との距離は、第１の波長の１０倍以下である、ことが好適である。この場合、短波長の光に対する感度を効果的に向上させることができる。
【００１２】
また、凹部の底部と光吸収層との距離は、第１の波長以下である、ことも好適である。この場合、短波長の光に対する感度をより一層向上させることができる。
【００１３】
或いは、本発明の計測装置は、上述した透過型光電陰極を含み、第１の波長の光、及び第１の波長より長い第２の波長の光であって、第１の波長の光の強度より低い強度を有する光が入射され、第１及び第２の波長の光を電気信号に変換して出力する検出器と、検出器から出力された電気信号を基に、第１の波長の光と第２の波長の光との間の強度の時間変化の関係を測定する計測器と、を備える。
【００１４】
このような計測装置によれば、本発明の透過型光電陰極を含む検出器から短波長の第１の波長の光、及び長波長の第２の波長の光のそれぞれの検出信号が出力され、計測器によってそれらの検出信号を基に第１の波長の光と第２の波長の光との間の強度変化の関係が測定される。これにより、小規模な測定系によって、強度の異なる２波長の光の間の強度変化の関係を高精度に測定することができる。
【００１５】
第１の波長の光は計測対象の試料に照射する励起光であり、第２の波長の光は試料から励起光に応じて発せられた蛍光であり、計測器は、強度の時間変化の関係を計算することにより試料に関する蛍光寿命を測定する、ことも好適である。かかる構成を採れば、同じ検出器によって試料励起用の励起光と蛍光とを検出することにより、蛍光寿命を簡易かつ高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単純な製造プロセスで実現でき、強度の異なる２種類の波長の光が入射されても広い波長領域に感度を有する透過型光電陰極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の透過型光電陰極の製造過程を示す断面図である。
【図３】図１の透過型光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。
【図４】図１の透過型光電陰極を備える光電子増倍管の構成を示す断面図である。
【図５】図１の透過型光電陰極を備える画像増強管の構成を示す断面図である。
【図６】図１の透過型光電陰極が内蔵された光電子増倍管を光検出器として用いた蛍光寿命測定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】図６の演算装置によって集計された光電子パルスの頻度の時間変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態の透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図９】図８の透過型光電陰極の製造過程を示す断面図である。
【図１０】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の変形例である透過型光電陰極の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る透過型光電陰極およびそれを用いた計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電陰極の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、光電陰極１は、半導体基板１０の上に、バッファ層１１、光吸収層１２、電子放出層１３、及びコンタクト層１４がこの順に積層されて成る。さらに、このコンタクト層１４の電子放出層１３とは反対側の面上には表面電極１５が形成され、半導体基板１０のバッファ層１１とは反対側の面１０ａ上の一部には裏面電極１６が形成されている。
【００２０】
半導体基板１０は、Ｐ型の導電型の半導体材料からなり、主として光電陰極１の機械的強度を維持する役割を有する。また、半導体基板１０の表面１０ａには、検出対象の２つの波長領域の入射光が入射される。例えば、半導体基板１０の構成材料としては、厚さが350μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InPが挙げられる。このような半導体基板１０は、約950nm以上の長波長の光は透過させるが、約950nm以下の短波長の光は吸収しやすいという性質を有する。
【００２１】
半導体基板１０上に積層されるバッファ層１１は、半導体基板１０と格子整合するＰ型の半導体材料、例えば、厚さが0.02〜0.5μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1018/cm3のZnドープP型InPから成る。
【００２２】
光吸収層１２は、入射光を吸収して光電子を励起して生成する層であり、バッファ層１１と格子整合するＰ型の半導体材料から成る。例えば、光吸収層１２の構成材料としては、厚さが2μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InGaAsP又はZnドープP型InGaAsが挙げられる。また、光吸収層１２は、そのエネルギーバンドギャップが半導体基板１０より小さくされており、光吸収層１２で発生した光電子が基板１０側に拡散することが防止されている。
【００２３】
電子放出層１３は、エネルギーバンドギャップが光吸収層１２よりも大きく、光吸収層１２で励起された光電子を加速して光吸収層１２とは反対側の表面から外部に放出する層である。この電子放出層１３は、光吸収層１２と格子整合するＰ型の半導体材料、例えば、厚さが0.5μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InPから成る。
【００２４】
コンタクト層１４は、電子放出層１３と表面電極１５との間に介在し電子放出層１３と表面電極１５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層であり、電子放出層１３と格子整合するＮ型の半導体材料から成る。このコンタクト層１４は、例えば、厚さが0.2μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜5×1018/cm3のSiドープN型InPまたはSドープN型InPから構成されている。なお、コンタクト層１４のエネルギーバンドギャップは電子放出層１３とほぼ同じに設定されている。このような組成のコンタクト層１４は、電子放出層１３上の一部の表面を覆うようにメッシュ状に形成されている。
【００２５】
表面電極１５は、コンタクト層１４上に形成されて電子放出層１３の表面をメッシュ状に覆う金属電極であり、コンタクト層１４とオーミック接触がなされている。また、裏面電極１６は、半導体基板１０のバッファ層１１とは反対側の面１０ａ、すなわち光入射側の面１０ａ上の一部に形成された金属電極である。これらの電極１５，１６は、例えばTi、Al、Ag、Au、Cr及びこれらの合金から成り、表面電極１５と裏面電極１６との間に逆バイアス電圧を印加して光電陰極１の内部に電界を形成するために設けられる。
【００２６】
また、電子放出層１３の面上のコンタクト層１４が形成されていない領域には、活性層１７が設けられている。この活性層１７は、放出される光電子に関する仕事関数を低下させるための層であり、例えば、Csなどのアルカリ金属、その酸化物、またはフッ化物を薄く塗布されることにより形成される。
【００２７】
さらに、半導体基板１０の光入射側の面１０ａの一部には、面１０ａからバッファ層１１に向けて直線状に伸びる１以上の凹部１８が形成されている。この凹部１８の数、開口面積、及び深さは、設計する分光感度特性に応じて適宜設定されるが、凹部１８の底部１８ａから光吸収層１２までの距離は、２つの入射光のうちの短波長側の入射光の波長をλとした場合、１０×λ以下であることが好適であり、λ以下であることがさらに好適である。これは、凹部１８から光吸収層１２までの距離が小さければ小さいほど光吸収層１２に到達する入射光が指数関数的に増加する一方、波長λ程度の距離で有れば十分な割合の入射光が光吸収層１２に到達できるからである。例えば、短波長側の入射光の波長λが600nmであって、凹部１８から光吸収層１２までの距離が、波長λの約0.83倍の0.5μmの場合、凹部１８に入射する光の約0.7％が光吸収層１２に到達することができ、波長λと同程度の距離で有れば十分に感度を持たせることができる。
【００２８】
次に、上述した光電陰極１の製造方法について説明する。図２は、光電陰極１の製造過程を示す断面図である。
【００２９】
まず、半導体基板１０を用意し、半導体基板１０上に有機金属気相成長法或いは分子線エピタキシー法によって所定の半導体ヘテロ構造がエピタキシャル成長により形成される。その結果、半導体基板１０上にバッファ層１１、光吸収層１２、電子放出層１３、及びコンタクト層１４が形成される（図２（ａ））。なお、各層を構成する半導体としては、InP、InGaAsP、又はInGaAsを用いた例を示したが、これらの半導体に限定されるものではなく、膜厚も特定値に限定されるものではない。
【００３０】
次に、半導体基板１０の光入射側の面１０ａにマスク２１が所定の膜厚で堆積され、そのマスク２１の一部がフォトリソグラフィー等により所定の開口を有するように加工される（図２（ｂ））。マスク２１の材料としては、SiN、SiO2、フォトレジスト、或いは金属等を用いることができる。
【００３１】
その後、半導体基板１０の面１０ａに、誘導結合プラズマ（ICP）エッチング装置を用いて凹部１８を加工する（図２（ｃ））。この加工による凹部１８の深さ、すなわち、凹部１８の底部１８ａと光吸収層１２との距離は、エッチング時間によって制御することができる。
【００３２】
そして、コンタクト層１４の全面に表面電極１５を蒸着し、その表面電極１５上にフォトレジスト２２を塗布し、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト２２をメッシュ状パターンに形成する（図２（ｄ））。
【００３３】
次に、ドライエッチングにより、表面電極１５及びコンタクト層１４をエッチング加工し、メッシュ状の表面電極１５及びコンタクト層１４を形成する（図２（ｅ））。
【００３４】
最後に、フォトレジスト２２を除去し、半導体基板１０の光入射側の面１０ａの一部に裏面電極１６を蒸着する（図２（ｆ））。この際、半導体基板１０の面１０ａには、反射防止膜を形成しても良い。
【００３５】
なお、上記の製造過程は、その順序が入れ替わっていても良い。例えば、全ての膜構造を形成後に最後に凹部１８を加工することもできる。
【００３６】
以上説明した光電陰極１の動作について説明する。光電陰極１の光入射側の面１０ａには、可視光領域の第１波長の入射光と、可視光領域より長波長（例えば、赤外光領域）であって、第１波長の入射光の強度よりも低い強度の第２波長の入射光とが、別々に入射される。
【００３７】
第１波長の入射光のうち凹部１８の形成領域以外の面１０ａに入射した入射光は、半導体基板１０によって吸収されて光吸収層１２には到達しない。その一方で、第１波長の入射光のうち凹部１８の開口に入射した入射光は、凹部１８を通過して光吸収層１２に到達し、その結果、光吸収層１２で光電子を励起させることができる。このように、第１の入射光はその一部が光吸収層１２に到達することになるので、凹部１８が形成された半導体基板１０は、第１波長の入射光に対するフィルタリングの役割を果たす。
【００３８】
これに対して、第２波長の入射光は、半導体基板１０を透過しやすいので、面１０ａに入射した光の大部分が光吸収層１２に到達して光電子を励起させることになる。
【００３９】
ここで、表面電極１５及び裏面電極１６との間にはバイアス電圧源１９が接続されることによって逆バイアス電圧が印加され、電子放出層１３と光吸収層１２の内部に光電子を加速する電界が形成されている。これにより、光吸収層１２で励起された光電子は、電子放出層１３の表面に加速されて到達する。そして、電子放出層１３の表面に活性層１７が設けられて仕事関数が小さくされることにより、光電子が電子放出層１３の表面から外部の真空中に放出される。つまり、光電陰極１は、光入射側の面１０ａに対して反対側の電子放出層１３の表面から光電子を放出する、いわゆる透過型の光電陰極である。
【００４０】
このように本実施形態の光電陰極１では、広い波長領域にわたって入射光を光電子に変換することができる。さらに、比較的強度の高い第１波長の光をフィルタリングして減光する一方で、比較的強度の低い第２波長の光を効率よく光電子に変換することで、短波長光検出時の出力の飽和を防止しつつ長波長光を感度良く検出することができる。特に、同一の光電陰極で２波長の光を検出することで、２波長の光の間の時間応答の関係を測定する場合に有利となる。また、光電陰極１では、凹部１８を加工するだけでその他の複雑な製造プロセスを必要としない。
【００４１】
図３には、光電陰極１の分光感度特性を示している。同図に示すように、半導体基板１０の面１０ａにおける凹部１８の存在しない領域の分光感度特性Ｓ１は、940nmから1650nmの範囲の長波長側のみ感度を有することを示している。これに対して、面１０ａにおける凹部１８の存在する領域の分光感度特性Ｓ２は、短波長から長波長までの広い波長領域に感度を有することを示している。従って、光電陰極１の全体の感度特性は、感度特性Ｓ１と感度特性Ｓ２とを足し合わせた特性となるので、広い波長範囲での感度を有する。
【００４２】
また、凹部１８の数や開口面積を調整することで分光感度特性を任意に設計することもできる。すなわち、分光感度特性Ｓ１と分光感度特性Ｓ２の面積比を調整することで分光感度特性を任意に設計することができる。
【００４３】
以下、本実施形態の光電陰極１の応用例について説明する。
【００４４】
図４は、光電陰極１を備える光電子増倍管３１の構成を示す断面図である。光電子増倍管３１は、真空容器３２内に光電陰極１、集束電極３３、ダイノード３４、及び陽極３５を備えて構成されている。光電陰極１から放出された光電子は、集束電極３３によって収束され、所定の電圧が印加された第１段目のダイノード３４ａに入射する。入射した光電子は２次電子増倍により２次電子を生成し、その２次電子は第１段目のダイノード３４ａから所定の電圧が印加された第２段目のダイノード３４ｂに向けて放出される。それに伴い、第２段目のダイノード３４ｂにおいて再び２次電子が放出される。このような２次電子放出を繰り返すことで、最終的には１００万倍程度に増倍された２次電子が陽極３５に集められて電流（電気信号）として陽極３５から取り出される。２次電子増倍は電子のみを増倍するので高速かつ雑音の非常に少ない増倍が実現され、光電子増倍管３１は高速かつ非常に高感度な光検出器として実現される。
【００４５】
また、図５は、光電陰極１を備える画像増強管４１の構成を示す断面図である。画像増強管４１は、光入射窓４２ａと出力窓４２ｂを有する真空容器４２内に光電陰極１及びマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）４３を備えて構成されている。光入射窓４２ａから入射した光に応じて光電陰極１から光電子が放出され、その光電子は所定の電圧が印加されたＭＣＰ４３の入射面４３ａに入射する。入射した光電子はＭＣＰ４３のチャンネル内で２次電子増倍により２次電子を生成し、ＭＣＰ４３の出射面４３ｂからその２次電子が放出される。ＭＣＰ４３の入射面４３ａと出射面４３ｂの間には所定の電圧が印加されており、１００万倍程度に増倍された２次電子が出射面４３ｂから放出される。出射面４３ｂから放出された光電子は、出力窓４２ｂの内側に形成され、所定の電圧を印加された蛍光面４４に入射する。その結果、蛍光面４４が外部に向けて発光する。このとき、ＭＣＰ４３は多数の小孔を有しているので、２次電子が２次元位置を保ったまま増倍される。これにより、入射光が光電陰極１に入射した際の位置情報を保ったままＭＣＰ４３でその検出結果を増倍して蛍光面４４を発光させるので、光電陰極１に入射した画像を１００万倍程度に増倍して外部に出力させることが可能な検出器が実現される。
【００４６】
また、光電陰極１は、その他の検出器にも適用可能であり、ダイノードや陽極の代わりに半導体のフォトダイオード等を用いて増倍を行う電子打ち込み型の電子管などへの適用も可能である。
【００４７】
図６は、光電陰極１が内蔵された光電子増倍管を光検出器として用いた蛍光寿命測定装置５１の構成を示すブロック図である。この蛍光寿命測定装置５１は、計測対象の試料Ａから発せられる長波長の蛍光と、試料Ａに照射する短波長の励起光との両方を測定対象としている。蛍光寿命測定装置５１では、励起光源５２から発せられた励起光パルスがビームスプリッタ５３及びレンズ５４を通って試料Ａに入射され、試料Ａにおいて蛍光が発光される。この場合の励起光パルスとしては、蛍光よりも短波長のレーザ光等が用いられる。発生した蛍光は、レンズ５５により集光されてから分光器５６に入射され、分光器５６で分光された蛍光が光電陰極１を含む光電子増倍管３１によって検出される。蛍光を検出する際には、このレンズ５５と分光器５６との間に励起光をカットするフィルター５７が挿入される。そして、光電子増倍管３１の出力である光電子パルス（電流パルス）は、ストップパルスとして時間波高値コンバータ（ＴＡＣ：Time-to-Amplitude Converter）５８に入力される。それと並行して、ビームスプリッタ５３及びＰＩＮフォトダイオード５９によって分光検出された励起光パルスの検出信号が、スタートパルスとしてＴＡＣ５８に入力される。このようにしてＴＡＣ５８により励起光パルスと光電子パルスの時間間隔が測定される。
【００４８】
さらに、蛍光寿命測定装置５１では、励起光自体の時間的広がりや光検出器である光電子増倍管３１の時間応答を評価するために、試料Ａを反射率の弱いミラーや拡散板に置き換えた状態で励起光パルス自体が測定される。具体的には、励起光の一部を分光器５６を通して光電子増倍管３１に入射させて、励起光パルスと光電子パルスの時間間隔が測定される。このときは、フィルター５７は取り除かれる。そして、試料Ａを置いた場合と試料Ａをミラー等に置き換えた場合のそれぞれに関して、ＴＡＣ５８に接続された演算装置６０を用いて光電子パルスの頻度の時間変化を集計することにより、光電子増倍管３１への入射光の強度変化を計測する。図７には、演算装置６０によって集計された光電子パルスの頻度の時間変化を示しており、特性Ｆ２が試料Ａを置き換えて励起光を測定した場合、特性Ｆ１が試料Ａを置いて蛍光を測定した場合を示している。そこで、演算装置６０において、特性Ｆ１の傾きより寿命τ１が、特性Ｆ２の傾きより寿命τ２が、それぞれ計算され、それらの関係から下記式；
τ２＝τ１２−τ２２
により、試料Ａから発せられる蛍光に関する蛍光寿命τが算出される。
【００４９】
このような蛍光寿命測定装置５１によれば、励起光と蛍光とを同じ光検出器で検出することにより、正確な装置の応答関数を求めることが可能である。従って、光検出器の応答速度の違いによる補正の必要がないため、正確に励起光パルスと蛍光パルスの時間間隔を測定することができる。その結果、蛍光寿命を簡易かつ高精度に測定することができる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る光電陰極１０１の概略構成を示す断面図である。同図に示す光電陰極１０１と第１実施形態にかかる光電陰極１との相違点は、半導体基板１０とバッファ層１１との間にエッチングストップ層１０２が形成されている点である。このエッチングストップ層１０２は、半導体基板１０と格子整合するＰ型の半導体材料、例えば、厚さが2μm、キャリア濃度又は原子濃度が1〜10×1016/cm3のZnドープP型InGaAsP又ZnドープP型InGaAsから成る。このようなエッチングストップ層１０２は、凹部１８の加工時にその深さを制御するために設けられている。
【００５１】
図９には、光電陰極１０１の製造過程を示している。光電陰極１０１の製造方法は、凹部１８の形成方法を除いた工程（図９（ａ）〜（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ））は、光電陰極１の工程（図２（ａ）〜（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ））と同様である。凹部１８の加工時には、ある程度の深さまでＩＣＰエッチングを行い、その後にウェット処理を含む選択エッチング技術を用いることにより正確な深さの凹部１８を実現する。例えば、半導体基板１０をある程度の深さまでＩＣＰエッチングにより凹部１８を加工し、その後、例えばHClにより、残った半導体基板１０の部分をウェットエッチングによりエッチングする。このとき、エッチングはエッチングストップ層１０２との界面で自動的に停止される。さらに、H2SO4系のウェットエッチングを施すことにより、エッチングはバッファ層１１とエッチングストップ層１０２との界面まで進んで自動的に停止する。このような加工方法により、半導体基板１０によって吸収される波長の入射光の一部が光吸収層１２に到達することが可能な凹部１８を正確に加工することができる。
【００５２】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光電陰極１の構成としては様々な変形例を採用することが可能である。
【００５３】
例えば、図１０に示す本発明の変形例である光電陰極２０１のように、電子放出層１３の表面の一部に、電子放出層１３とショットキー接触された表面電極２１５が直接形成されていてもよい。
【００５４】
また、図１１に示す本発明の変形例である光電陰極３０１のように、電子放出層１３の表面の一部に50〜150Å（オングストローム）程度の膜厚の薄膜状の表面電極３１５が形成されていてもよい。この表面電極３１５は、電子放出層１３の表面の一部を覆う島状の形状を成しており、電子放出層１３の露出面には光電陰極１と同様に活性層１７が形成されている。また、表面電極３１５は、電子放出層１３とショットキー接触がなされている。
【００５５】
また、図１２に示す本発明の変形例である光電陰極４０１のように、凹部１８がバッファ層１１と光吸収層１２との界面付近まで達する深さで加工されていてもよい。また、図１３に示す本発明の変形例である光電陰極５０１のように、バッファ層１１に相当する部分が半導体基板１０と同一の半導体材料によって構成されていてもよい。
【００５６】
さらに、表面電極３１５は、電子放出層１３上にメッシュ状に形成されているが、ストライプ形状、スパイラル形状等の電子放出層１３に均一に分布する他の形状で形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１…透過型光電陰極、１０…半導体基板、１０ａ…光入射側面、１１…バッファ層、１２…光吸収層、１３…電子放出層、１４…コンタクト層、１５，２１５，３１５…表面電極、１６…裏面電極、１７…活性層、１８…凹部、１８ａ…底部、３１…光電子増倍管、４１…画像増強管、５１…蛍光寿命測定装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長の光と、前記第１の波長より長い第２の波長の光であって、前記第１の波長の光の強度より低い強度を有する光とを検出する透過型光電陰極であって、
前記第１及び第２の波長の光が、光入射側の面に入射する第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に積層され、前記第１及び第２の波長の光を吸収して光電子を生成する第１導電型の光吸収層と、
前記光吸収層上に積層され、前記光電子を加速する第１導電型の電子放出層と、
前記電子放出層上に積層された第２導電型のコンタクト層と、
前記半導体基板の前記光入射側の面上及び前記コンタクト層上のそれぞれに形成された第１及び第２の電極とを備え、
前記半導体基板上には前記光入射側の面に前記光吸収層に向けて伸びる凹部が形成されている、
ことを特徴とする透過型光電陰極。
【請求項２】
前記凹部の底部と前記光吸収層との距離は、前記第１の波長の１０倍以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の透過型光電陰極。
【請求項３】
前記凹部の底部と前記光吸収層との距離は、前記第１の波長以下である、
ことを特徴とする請求項２記載の透過型光電陰極。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の透過型光電陰極を含み、第１の波長の光、及び前記第１の波長より長い第２の波長の光であって、前記第１の波長の光の強度より低い強度を有する光が入射され、前記第１及び第２の波長の光を電気信号に変換して出力する検出器と、
前記検出器から出力された電気信号を基に、前記第１の波長の光と第２の波長の光との間の強度の時間変化の関係を測定する計測器と、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項５】
前記第１の波長の光は計測対象の試料に照射する励起光であり、
前記第２の波長の光は前記試料から前記励起光に応じて発せられた蛍光であり、
前記計測器は、前記強度の時間変化の関係を計算することにより前記試料に関する蛍光寿命を測定する、
ことを特徴とする請求項４記載の計測装置。
【請求項１】
第１の波長の光と、前記第１の波長より長い第２の波長の光であって、前記第１の波長の光の強度より低い強度を有する光とを検出する透過型光電陰極であって、
前記第１及び第２の波長の光が、光入射側の面に入射する第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に積層され、前記第１及び第２の波長の光を吸収して光電子を生成する第１導電型の光吸収層と、
前記光吸収層上に積層され、前記光電子を加速する第１導電型の電子放出層と、
前記電子放出層上に積層された第２導電型のコンタクト層と、
前記半導体基板の前記光入射側の面上及び前記コンタクト層上のそれぞれに形成された第１及び第２の電極とを備え、
前記半導体基板上には前記光入射側の面に前記光吸収層に向けて伸びる凹部が形成されている、
ことを特徴とする透過型光電陰極。
【請求項２】
前記凹部の底部と前記光吸収層との距離は、前記第１の波長の１０倍以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の透過型光電陰極。
【請求項３】
前記凹部の底部と前記光吸収層との距離は、前記第１の波長以下である、
ことを特徴とする請求項２記載の透過型光電陰極。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の透過型光電陰極を含み、第１の波長の光、及び前記第１の波長より長い第２の波長の光であって、前記第１の波長の光の強度より低い強度を有する光が入射され、前記第１及び第２の波長の光を電気信号に変換して出力する検出器と、
前記検出器から出力された電気信号を基に、前記第１の波長の光と第２の波長の光との間の強度の時間変化の関係を測定する計測器と、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項５】
前記第１の波長の光は計測対象の試料に照射する励起光であり、
前記第２の波長の光は前記試料から前記励起光に応じて発せられた蛍光であり、
前記計測器は、前記強度の時間変化の関係を計算することにより前記試料に関する蛍光寿命を測定する、
ことを特徴とする請求項４記載の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１３８６８４（Ｐ２０１１−１３８６８４Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９７７８０（Ｐ２００９−２９７７８０）
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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