專利名稱：透射型光電陰極和電子管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吸收待檢測(cè)光，激發(fā)光電子，放射出到外部的光電陰極及具備光電陰極的電子管。
背景技術(shù)：
以往已知有用于檢測(cè)規(guī)定波長(zhǎng)的待檢測(cè)光的光電陰極及具備這種陰極的電子管。光電陰極具有吸收規(guī)定波長(zhǎng)的光線、放射出光電子的光吸收層，可通過(guò)待檢測(cè)光入射光吸收層、該待檢測(cè)光變換為光電子，來(lái)檢測(cè)出待檢測(cè)光。光吸收層可采用各種半導(dǎo)體材料，而日本特開(kāi)平10-149761號(hào)公報(bào)則公開(kāi)了多晶金剛石作為對(duì)于紫外光有較高光電變換量子效率的材料。
近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體的高度集成，半導(dǎo)體集成電路的精細(xì)化也迅速發(fā)展。當(dāng)前，光刻技術(shù)被認(rèn)為是有希望的微細(xì)半導(dǎo)體集成電路的制造方法，對(duì)其光源的研究，正在從ArF準(zhǔn)分子激光向F2激光等短波長(zhǎng)方向發(fā)展。而且隨著這種利用紫外光等短波長(zhǎng)光技術(shù)的發(fā)展，要求有監(jiān)視紫外光用的光檢測(cè)器。

發(fā)明內(nèi)容
以往作為紫外光等光檢測(cè)器所用的Si光敏二極管等內(nèi)部光電效應(yīng)元件，存在著因強(qiáng)紫外光入射造成p/n結(jié)和肖特基結(jié)變差，工作不穩(wěn)定這種問(wèn)題。
另一方面，使用光電陰極的電子管等外部光電效應(yīng)元件，通常不具有上述p/n結(jié)或肖特基結(jié)，因此不存在這些變差的問(wèn)題。而且光電陰極存在這樣兩種類型，即使待檢測(cè)光入射的入射面與放射出光電子的出射面為同一面的反射型和上述入射面與出射面不同的透射型。
由本申請(qǐng)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)可知，用金剛石構(gòu)成的反射型的光電陰極隨強(qiáng)紫外光的入射致使其表面狀態(tài)發(fā)生變化，因此可觀察到光電子的發(fā)射效率隨功函數(shù)的變化而降低。
另一方面，由金剛石構(gòu)成的透射型光電陰極的情況下，隨待檢測(cè)光入射產(chǎn)生的光電子必須從相反側(cè)的出射面發(fā)出，需要比較薄的金剛石薄膜。由本發(fā)明人的金剛石薄膜的光電子發(fā)射試驗(yàn)可知，金剛石薄膜內(nèi)的光電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度為0.05微米左右。而且，為了高效率地發(fā)射光電子，需要將金剛石薄膜的膜厚做成與擴(kuò)散長(zhǎng)度為相同量級(jí)。但實(shí)際上難以將膜厚這樣薄的金剛石薄膜形成于對(duì)紫外光透明的基板、例如MgF2、藍(lán)寶石、石英基板上，很難實(shí)現(xiàn)金剛石構(gòu)成的透射型光電陰極。因此，不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紫外光等短波長(zhǎng)光具有充分靈敏度的透射型光電陰極。
本發(fā)明正是要消除上述問(wèn)題，其目的在于，提供一種對(duì)紫外光等短波長(zhǎng)光具有充分靈敏度，同時(shí)能夠高效率發(fā)出光電變換生成的光電子的透射型光電陰極以及采用這種光電陰極的電子管。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的透射型光電陰極，是放射出由所入射的待檢測(cè)光激發(fā)的光電子的光電陰極，其特征在于，具備由金剛石或以金剛石為主要成分的材料形成，其中一面形成讓待檢測(cè)光入射的入射面，另一面形成發(fā)出光電子的出射面的光吸收層；以及對(duì)光吸收層，在入射面和出射面兩者之間施加規(guī)定電壓的電壓施加裝置。
通過(guò)形成為光吸收層其中一面為入射面、另一面為出射面的透射型光電陰極，可以避免出射面的表面狀態(tài)隨強(qiáng)紫外光的入射而變化，防止光電子的發(fā)射效率降低。而且，由于光吸收層由金剛石或以金剛石為主要成分的材料制成，能夠提高紫外光等短波長(zhǎng)的待檢測(cè)光變換為光電子的效率。此外，通過(guò)電壓施加裝置在光吸收層內(nèi)部形成電場(chǎng)，能夠使得光電子容易達(dá)到出射面，以高效率放射出光電子。
又，透射型光電陰極最好是具備增強(qiáng)光吸收層機(jī)械強(qiáng)度的支持結(jié)構(gòu)。以此可以增強(qiáng)做得比較薄的光吸收層的機(jī)械強(qiáng)度。
又，光吸收層最好是由多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成。多晶金剛石由于在薄膜內(nèi)部存在晶粒界面，能夠以高于單晶金剛石的效率放射出電子。而且多晶金剛石比單晶金剛石容易形成，因此制造成本低。
又，在光吸收層由多晶金剛石構(gòu)成的情況下，其晶粒界面最好是經(jīng)過(guò)氧終端處理。這樣一來(lái)，這些面就可以得到穩(wěn)定，其電氣特性能夠持久保持下去。
又，最好是光吸收層的出射面經(jīng)過(guò)氧終端處理。這樣一來(lái)，出射面就可以得到穩(wěn)定，其電氣特性能夠持久保持下去。或者，最好是光吸收層的出射面經(jīng)過(guò)氫終端處理。這樣就能夠降低出射面的功函數(shù)，使到達(dá)出射面的光電子容易放射出到透射型光電陰極的外部。
又，最好是光吸收層的出射面上形成使光吸收層的功函數(shù)降低用的活性層。以此可以使到達(dá)光吸收層出射面的光電子更容易放射出到透射型光電陰極的外部。該活性層如果采用堿金屬、堿金屬的氧化物、或堿金屬的氟化物構(gòu)成，則能夠使上述效果更好。
又，本發(fā)明的電子管最好是具備上述透射型光電陰極；直接或間接收集透射型光電陰極所放射出的光電子用的陽(yáng)極；以及容納透射型光電陰極和陽(yáng)極的容器。采用這樣的透射型光電陰極的電子管，就能夠以高量子效率檢測(cè)出紫外光等短波長(zhǎng)的待檢測(cè)光。
又，電子管也可以具備對(duì)透射型光電陰極所放射出的光電子進(jìn)行二次電子倍增的電子倍增裝置。利用這樣的電子管，能夠得到將微弱的待檢測(cè)光作為大信號(hào)電流檢測(cè)的光電倍增管。借助于此，能夠以高信噪比、高精度檢測(cè)出紫外光等。
又，陽(yáng)極最好是由隨電子入射而發(fā)光的熒光體構(gòu)成。利用這樣的電子管，能夠得到可高精度還原待檢測(cè)光的圖像的顯像管。
又，最好是電子管具備隨電子入射而發(fā)光的熒光體，使與所述待檢測(cè)光在所述透射型光電陰極上的入射位置相對(duì)應(yīng)位置的熒光體發(fā)光，以顯示圖像。通過(guò)將電子管這樣用作圖像顯示元件，能夠使具有位置信息的光信號(hào)入射，以高于以往的高亮度、低功耗顯示靜止圖像或活動(dòng)影像。


圖1是表示本發(fā)明透射型光電陰極的第1實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖；圖2是圖1所示透射型光電陰極的立體圖；圖3是圖1所示透射型光電陰極的，表示量子效率與入射光的波長(zhǎng)的關(guān)系的分光靈敏度特性曲線；圖4A～圖4E是圖1所示透射型光電陰極的制造工序圖；圖5是透射型光電陰極的第2實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖；圖6是透射型光電陰極的第3實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖；圖7A是透射型光電陰極的第4實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖，圖7B為其底面圖；圖8是作為本發(fā)明電子管的第1實(shí)施方式示意性表示光電倍增管一實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖9是作為電子管的第2實(shí)施方式示意性表示光電倍增管的另一實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖10是作為電子管的第3實(shí)施方式示意性表示圖像增強(qiáng)管(像增強(qiáng)器)結(jié)構(gòu)的剖面圖；
圖11是電子管的第4實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的透射型光電陰極及電子管的最佳實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。還有，

中，對(duì)相同的結(jié)構(gòu)要素使用相同的標(biāo)號(hào)，省略其重復(fù)說(shuō)明。又，附圖的尺寸比例不一定與所說(shuō)明的組成一致。
圖1是表示本發(fā)明透射型光電陰極的第1實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖。而圖2是圖1所示的透射型光電陰極的立體圖。
圖1所示的透射型光電陰極由光吸收層1、支持框21、第1電極31、以及第2電極32構(gòu)成。該透射型光電陰極是隨用紫外光等待檢測(cè)光的入射在光吸收層內(nèi)部激發(fā)光電子，使該光電子向外部放射出的光電陰極。而且具有光吸收層1的一個(gè)面(圖1中的上表面)為入射待檢測(cè)光的入射面、相反的另一個(gè)面(圖1中的下表面)是放射出光電子的出射面這種透射型結(jié)構(gòu)。
光吸收層1由金剛石或以金剛石為主要成分的材料構(gòu)成的金剛石膜形成。該光吸收層1最好是形成得其厚度比待檢測(cè)光的入射深度足夠的厚。又，光吸收層1最好是出射面經(jīng)過(guò)終端處理，成為氧終端或氫終端。
支持框21是增強(qiáng)做得比較薄的光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度的支持結(jié)構(gòu)。該支持框21由Si等材料構(gòu)成，設(shè)置于光吸收層1的出射面上的外緣部。
第1電極31是與光吸收層1的入射面相對(duì)設(shè)置的入射面?zhèn)入姌O。在本實(shí)施方式中，如圖2所示，在光吸收層1的入射面上形成格子狀的第1電極31。又，第2電極32是與光吸收層1的出射面相對(duì)設(shè)置的出射面?zhèn)入姌O。在本實(shí)施方式中，第2電極32形成于支持框21的光吸收層1一側(cè)相反側(cè)的整個(gè)面上。第1電極31和第2電極32設(shè)置作為在光吸收層1的入射面和出射面之間施加電壓、在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)的電壓施加裝置。
又，光吸收層1的出射面上形成使出射面的功函數(shù)降低用的活性層11。
在上述透射型光電陰極的結(jié)構(gòu)中，一旦待檢測(cè)光從光吸收層1的入射面入射，在光吸收層1的內(nèi)部就有與待檢測(cè)光的光量相應(yīng)數(shù)量的光電子產(chǎn)生。又，在光吸收層1的內(nèi)部，由連接于第1電極31和第2電極32之間的電源33施加規(guī)定的電壓，以此形成出射面?zhèn)葹檎?、入射面?zhèn)葹樨?fù)的電場(chǎng)。利用該電場(chǎng)，光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的電子在出射面方向上得到加速，到達(dá)出射面之后，通過(guò)活性層11向透射型光電陰極外部放射出。
本實(shí)施方式的透射型光電陰極可以得到以下所示的效果。還有，所謂量子效率，是相對(duì)于待檢測(cè)光的入射，在光吸收層1內(nèi)部變換的光電子從透射型光電陰極的出射面放射出到外部的效率。
圖1所示的透射型光電陰極具有光吸收層1的一個(gè)面為入射面、另一個(gè)面為出射面這種透射型結(jié)構(gòu)。這樣，不是采用以待檢測(cè)光入射的入射面作為光電子放射出的出射面的反射型，而是通過(guò)形成為透射型的結(jié)構(gòu)，可以防止強(qiáng)紫外光等待檢測(cè)光的入射引起的出射面的表面狀態(tài)變化。這樣，能夠抑制出射面上的功函數(shù)的變化，因此，能夠防止光電子發(fā)射效率的降低。
又，光吸收層1采用金剛石或以金剛石為主要成分的材料構(gòu)成。金剛石作為光電陰極的材料，比以往使用的CsI等材料具有更高的相對(duì)于紫外光的光電變換效率。具有這樣性質(zhì)的金剛石或以金剛石為主要成分的材料用于光吸收層1，光吸收層1能夠相對(duì)于入射的紫外光等短波長(zhǎng)的待檢測(cè)光以高效率變換為光電子。
又，在光吸收層1的入射面?zhèn)仍O(shè)置第1電極31，在出射面?zhèn)仍O(shè)置第2電極32，在光吸收層1的內(nèi)部形成電場(chǎng)。借助于此，可以使光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子高效率地到達(dá)出射面，能夠提高光電子向透射型光電陰極外部放射出的效率。通常，為了使光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子向光吸收層外部放射出，需要使光吸收層1的厚度形成為與光電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相當(dāng)量級(jí)。但是，將這樣的厚度的光吸收層1形成為金剛石和以金剛石為主要成分的金剛石膜是困難的。本實(shí)施方式的透射型光電陰極中，在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)，通過(guò)使光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子向出射面方向加速，在光吸收層1的厚度比例如數(shù)微米左右這種擴(kuò)散長(zhǎng)度大的情況下也能夠高效率地放射出光電子。
這里，作為光吸收層1的材料，最好是采用多晶金剛石或多晶金剛石為主要成分的材料。多晶金剛石由于是由顆粒狀結(jié)晶構(gòu)成的，因此在內(nèi)部具有作為粒狀結(jié)晶表面的晶粒界面。而且，在光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子從其擴(kuò)散的全部方向上存在的晶粒界面放射出。因此，光電子從激發(fā)到放射出的移動(dòng)距離縮短，放射出的光電子數(shù)目增加。其結(jié)果是，能夠得到更高的量子效率。又，多晶金剛石與單晶金剛石相比更加便宜而且能夠大量生產(chǎn)，因此采用單晶金剛石作為光吸收層1的材料能夠抑制透光型光電陰極的制造成本。
又，在光吸收層1的出射面上的外沿部，作為支持結(jié)構(gòu)設(shè)置有支持框21。光吸收層1為了使內(nèi)部發(fā)生的光電子放射出而做得比較薄，因此，有時(shí)候機(jī)械強(qiáng)度不夠充分。這樣，在需要增強(qiáng)光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度的情況下，只要將支持框21那樣的支持結(jié)構(gòu)設(shè)置于出射面上的外沿部等適當(dāng)?shù)奈恢蒙霞纯?。借助于此，可以增?qiáng)光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度。
又，光吸收層1的出射面最好經(jīng)過(guò)氧終端處理。通過(guò)對(duì)光吸收層1的出射面用氧進(jìn)行終端處理，光吸收層1的出射面得到穩(wěn)定，能夠持久保持其電氣特性?；蛘咭部梢杂脷鋵?duì)光吸收層1的出射面進(jìn)行終端處理。在經(jīng)過(guò)氫終端處理的情況下，可以降低光吸收層1的出射面的功函數(shù)，可以使到達(dá)出射面的光電子容易放射出到透射型光電陰極外部。
又，光吸收層1由多晶金剛石或多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成時(shí)，光吸收層1的多晶金剛石的表面和晶粒界面最好是經(jīng)過(guò)氧終端處理。這些面通過(guò)用氧進(jìn)行終端處理，光吸收層1的出射面得以穩(wěn)定，能夠持久保持電氣特性。
還有，圖1所示的透射型光電陰極，由于具有透射型結(jié)構(gòu)，紫外光等待檢測(cè)光不向出射面入射，上述終端處理形成的表面狀態(tài)不發(fā)生變化。這樣，就能夠通過(guò)終端處理來(lái)維持較高的光電子發(fā)射效率。
又，在光吸收層1的出射面上，最好是形成具有使金剛石的功函數(shù)降低的性質(zhì)的活性層11。通過(guò)使光吸收層1的出射面的功函數(shù)降低，能夠使到達(dá)光吸收層的出射面的光電子更容易從光吸收層1的出射面放射出。又，該活性層利用堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬氟化物等形成，能夠得到良好的上述效果。
這里，圖3是圖1所示的透射型光電陰極的，表示量子效率與入射光的波長(zhǎng)的關(guān)系的分光靈敏度特性曲線。在圖3中，縱軸表示量子效率(％)，橫軸表示待檢測(cè)光的波長(zhǎng)(nm)。通過(guò)將透射型光電陰極做成上述結(jié)構(gòu)，對(duì)真空紫外區(qū)域的光實(shí)現(xiàn)高量子效率。
下面對(duì)圖1所示的透射型光電陰極的制造方法和具體結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子進(jìn)行總體說(shuō)明。圖4A～圖4E是圖1所示的透射型光電陰極的制造工序圖。
在Si構(gòu)成的基板20的一個(gè)面上，以約5微米的厚度堆積多晶金剛石形成的光吸收層1(圖4A)。作為這樣的形成薄的多晶金剛石層的方法，可以使用利用熱燈絲或微波等離子體的化學(xué)氣相沉積法(CVD法)或激光燒蝕法等的合成方法。而且，基板20的材料不限于Si，也可以采用鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬、石英、藍(lán)寶石等材料。
接著，在基板20的另一面上利用蒸鍍方法形成第2電極32(圖4B)。然后從基板20的另一面上利用適當(dāng)尺寸的掩模蝕刻除去第2電極32和基板20的一部分，使光吸收層1部分露出(圖4C)。蝕刻利用HF+HNO3溶液或KOH溶液進(jìn)行，一旦基板20受到蝕刻使光吸收層1露出，蝕刻就自動(dòng)停止?；?0中未被蝕刻除去的部分，作為支持框21具有增強(qiáng)光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度的功能。
而且，在光吸收層1的，與由于蝕刻而露出的面(出射面)的相反一側(cè)的面(入射面)上，利用光刻技術(shù)和提離(lift-off)技術(shù)形成適當(dāng)尺寸的格子狀的第1電極31(圖4D)。然后將其保持于真空中，在對(duì)光吸收層1的出射面進(jìn)行凈化之后，對(duì)出射面等進(jìn)行氧終端處理或氫終端處理。
最后，在光吸收層1的出射面上涂布?jí)A金屬、堿金屬氧化物、堿金屬氟化物等具有使金剛石表面功函數(shù)降低的性質(zhì)的材料，形成活性層11(圖4E)。
利用上述制造工序，可以制造第1實(shí)施方式的透射型光電陰極。但是，透射型光電陰極的制造方法以及具體結(jié)構(gòu)不限于本實(shí)施方式，可以使用各種方法和結(jié)構(gòu)。
圖5是表示透射型光電陰極的第2實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖。
圖5所示的透射型光電陰極由光吸收層1、活性層11、支持框21、第1電極膜31a、輔助電極34、以及第2電極32構(gòu)成。其中，光吸收層1、活性層11、支持框21、以及第2電極32的結(jié)構(gòu)與圖1所示的透射型光電陰極相同。
第1電極膜31a以薄膜狀形成于光吸收層1的入射面上。第1電極膜31a做得極薄(厚度30～150□左右)，以避免第1電極膜31a吸收由待檢測(cè)光發(fā)生的光電子。又，為了與形成為薄膜狀的第1電極膜31a實(shí)現(xiàn)電氣連接，在第1電極膜31a上形成有輔助電極34。
本實(shí)施方式的透射型光電陰極，具有光吸收層1的一個(gè)面為入射面、另一個(gè)面為出射面的透射型結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)，可以防止出射面的表面狀態(tài)發(fā)生變化，可以防止光電子的放射出效率降低。又，由于光吸收層1采用金剛石或以金剛石為主要成分的材料形成，因此，能夠相對(duì)于紫外光等短波長(zhǎng)的待檢測(cè)光的入射以高效率變換為光電子。
又，在光吸收層1的入射面?zhèn)仍O(shè)置第1電極膜31a，在出射面?zhèn)仍O(shè)置第2電極32，在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)。通過(guò)在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)，使光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子向出射面方向加速，以此能夠使光電子高效率放射出到透射型光電陰極外部。
又，第1電極膜31a以薄膜狀形成于光吸收層1的入射面上。構(gòu)成電壓施加裝置的電極中，與光吸收層1連接的電極如圖1所示的第1電極31那樣形成，這樣，就能夠使透射型光電陰極適宜動(dòng)作，但是，在需要使制造工序更加簡(jiǎn)便時(shí)可以利用蒸鍍等方法形成如圖5所示的薄膜狀。這樣形成，能夠以簡(jiǎn)便的制造工序設(shè)置使透射型光電陰極的量子效率提高用的電壓施加裝置。
圖6是表示透射型光電陰極的第3實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖面圖。
圖6所示的透射型光電陰極由光吸收層1、活性層11、支持框22、第1電極35、以及第2電極36所構(gòu)成。其中，光吸收層1和活性層11的結(jié)構(gòu)與圖1所示的透射型光電陰極相同。
支持框22是對(duì)做得比較薄的光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)的支持結(jié)構(gòu)。該支持框22設(shè)置于光吸收層1的入射面上的外沿部。
第1電極35是與光吸收層1的入射面相對(duì)設(shè)置的入射面?zhèn)入姌O。在本實(shí)施方式中，在支持框22的光吸收層1一側(cè)相反側(cè)的整個(gè)面上形成有第1電極35。又，第2電極36是相對(duì)于光吸收層1的出射面設(shè)置的出射面?zhèn)入姌O。在本實(shí)施方式中，第2電極36以格子狀形成于光吸收層1的出射面。上述第1電極35和第2電極36設(shè)置作為在光吸收層1的入射面和出射面之間施加電壓、在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)的電壓施加裝置。
本實(shí)施方式的透射型光電陰極，具有光吸收層的1個(gè)面為入射面、另一個(gè)面為出射面的透射型結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)，可以防止出射面的表面狀態(tài)發(fā)生變化，可以防止光電子的放射出效率降低。又，光吸收層1采用金剛石或以金剛石為主要成分的材料形成，借助于此，光吸收層1可以相對(duì)于紫外光等短波長(zhǎng)的待檢測(cè)光的入射以高效率變換為光電子。
又，在光吸收層1的入射面?zhèn)仍O(shè)置第1電極35，在出射面?zhèn)仍O(shè)置第2電極36，在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)。通過(guò)在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)，并且使在光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子向出射面方向加速，可以使光電子高效率放射出到透射型光電陰極外部。
又，在光吸收層1的入射面的外沿部設(shè)置支持框22作為支持結(jié)構(gòu)。在需要增強(qiáng)做得薄的光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度的情況下，除了如圖1所示將支持結(jié)構(gòu)設(shè)置于出射面上外，像本實(shí)施方式這樣設(shè)置于入射面上也可以適當(dāng)增強(qiáng)光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度。
圖7A、圖7B表示透射型光電陰極的第4實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。圖7A是透射型光電陰極的側(cè)面剖面圖，圖7B是從第2電極32一側(cè)觀看透射型光電陰極時(shí)的底面圖。
圖7A所示的透射型電陰極由光吸收層1、活性層11、支持框23、第1電極31、以及第2電極32構(gòu)成。其中，光吸收層1、活性層11以及第1電極31的結(jié)構(gòu)與圖1所示的透射型光電陰極相同。
支持框23以圖7B所示的格子狀設(shè)置于光吸收層1的出射面上。該支持框23形成為各格子框內(nèi)的形狀和面積均勻分布的狀態(tài)。又，這樣設(shè)置為格子狀的支持框23的，與光吸收層1一側(cè)相反的一側(cè)的整個(gè)面上形成有第2電極32。
本實(shí)施方式的透射型光電陰極，具有光吸收層1的一個(gè)面為入射面、而另一個(gè)面為出射面的透射型結(jié)構(gòu)。借助于此，可以防止出射面的表面狀態(tài)發(fā)生變化，能夠防止光電子的放射出效率降低。又，由于光吸收層1采用金剛石或以金剛石為主要成分的材料形成，因而，光吸收層1能夠相對(duì)于紫外光等短波長(zhǎng)的待檢測(cè)光的入射以高效率變換為光電子。
又，在光吸收層1的入射面?zhèn)仍O(shè)置第1電極31，在出射面?zhèn)仍O(shè)置第2電極32，在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)。通過(guò)在光吸收層1內(nèi)部形成電場(chǎng)，并且使在光吸收層1內(nèi)部發(fā)生的光電子向出射面方向加速，可以使光電子高效率放射出到透射型光電陰極外部。
又，將增強(qiáng)光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度用的支持框23設(shè)置為格子狀。在光吸收層1具有比較小的面積的情況下，可用圖1所示形狀的支持結(jié)構(gòu)充分增強(qiáng)其強(qiáng)度。但由于光吸收層1的面積大等原因，需要進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的情況下，設(shè)置本實(shí)施方式這種形狀的支持結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)光吸收層1的機(jī)械強(qiáng)度。這時(shí)，只要將支持框23設(shè)置為各格子框內(nèi)的形狀和面積均勻，便能夠進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。還有，支持結(jié)構(gòu)的形狀不限于上述格子狀，可以是各種各樣的形狀。
還有，在透射型光電陰極的第3和第4實(shí)施方式中，第2電極36和第1電極31是形成為格子形狀的，但是也可以形成為第2實(shí)施方式的第1電極膜31a那樣的薄膜狀。作為光吸收層1的表面上設(shè)置的電極的形狀來(lái)說(shuō)，可以適當(dāng)選擇為格子狀、薄膜狀、或其他形狀。
以上詳細(xì)說(shuō)明的透射型光電陰極，可以用于光電倍增管或圖像增強(qiáng)管等電子管。以下敘述有關(guān)這種電子管的實(shí)施方式。還有，下面對(duì)設(shè)置于透射型光電陰極的電壓施加裝置等省略圖示。
圖8是作為本發(fā)明的電子管的第1實(shí)施方式，示意性表示光電倍增管的一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖8所示的光電倍增管，由將待檢測(cè)光變換為光電子放射出的透射型光電陰極4、對(duì)光電子進(jìn)行二次電子倍增的電子倍增裝置5、收集所倍增的二次電子用的陽(yáng)極6、以及以真空狀態(tài)包容它們的容器即真空容器7所構(gòu)成。這些結(jié)構(gòu)要素從待檢測(cè)光入射的一側(cè)開(kāi)始依照透射型光電陰極4、電子倍增裝置5、陽(yáng)極6的順序，保持規(guī)定的間隔配置于真空容器7的內(nèi)部。
透射型光電陰極4使用的是由金剛石或以金剛石為主要成分的材料構(gòu)成的上述透射型光電陰極。而且在透射型光電陰極4的出射面?zhèn)龋臻_(kāi)規(guī)定的距離設(shè)置有電子倍增裝置5。電子倍增裝置5使用微通道板(Micro-Channel Plate；以下簡(jiǎn)稱“MCP”)51。MCP51具有多個(gè)內(nèi)壁為二次電子發(fā)射體的筒狀的通道(Channel)集束的結(jié)構(gòu)。該通道的電子束入射的入射端與發(fā)射二次電子的出射端之間加上規(guī)定的電壓，形成電場(chǎng)。于是，入射通道內(nèi)的光電子在反復(fù)沖擊二次電子發(fā)射體的同時(shí)實(shí)現(xiàn)倍增，作為二次電子放射出。
又，從MCP51的射出端起空開(kāi)規(guī)定的距離設(shè)置陽(yáng)極6。陽(yáng)極6收集從MCP射出的二次電子，以此間接收集從透射型光電陰極4放射出的光電子。
又，透射型光電陰極4、電子倍增裝置5、陽(yáng)極6置于真空狀態(tài)下的密封容器、即真空容器7中。真空容器7中，在待檢測(cè)光入射的與透射型光電陰極4相對(duì)的面上設(shè)置有入射窗71。借助于此，入射的光中，規(guī)定波長(zhǎng)的待檢測(cè)光高效率入射到透射型光電陰極4。又在透射型光電陰極4、MCP51的輸入端和輸出端、以及陽(yáng)極6上，分段加上電壓，使透射型光電陰極4一側(cè)為負(fù)電位，陽(yáng)極6一側(cè)為正電位，來(lái)形成電場(chǎng)。
在上述結(jié)構(gòu)中，一旦待檢測(cè)光通過(guò)入射窗71入射到透射型光電陰極4的入射面，透射型光電陰極4中就有光電子生成，從出射面放射出到真空容器7內(nèi)部的真空中。MCP51的輸入端加上相對(duì)于透射型光電陰極4為正的電壓，形成電場(chǎng)，向真空中入射的光電子入射到MCP51。然后，在MCP51的通道內(nèi)部，通過(guò)使光電子倍增，形成二次電子，然后再度放射出到真空中。這時(shí)，通過(guò)MCP的二次電子，倍增到例如光電子的約100萬(wàn)倍的程度。陽(yáng)極6加上相對(duì)于MCP51的輸出端為正的電壓，形成電場(chǎng)，從MCP51射出的二次電子被陽(yáng)極所收集，作為所入射的待檢測(cè)光的檢測(cè)信號(hào)取出到光電倍增管外部。
在圖8所示的光電倍增管中，上述結(jié)構(gòu)和動(dòng)作得到以下所述的結(jié)果。也就是通過(guò)利用具有上述結(jié)構(gòu)的透射型光電陰極4，能夠?qū)崿F(xiàn)可以高量子效率檢測(cè)紫外光等待檢測(cè)光的光電倍增管。
又，在待檢測(cè)光線微弱等情況下，如果采用圖8所示的電子倍增裝置，就能夠得到倍增的大電流的檢測(cè)信號(hào)，因此能夠以高信噪比、高精度地檢測(cè)出待檢測(cè)光。
圖9是作為電子管的第2實(shí)施方式，示意性表示光電倍增管的其他實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖9所示的光電倍增管由透射型光電陰極4、電子倍增裝置5、陽(yáng)極6及真空容器7構(gòu)成。其中，透射型光電陰極4、陽(yáng)極6及真空容器7的結(jié)構(gòu)與圖8所示的光電倍增管相同。
作為電子倍增裝置5，采用多個(gè)MCP51(圖9中為3個(gè))。各MCP51分別具有多個(gè)內(nèi)壁為二次電子發(fā)射體的筒狀的通道經(jīng)過(guò)集束的結(jié)構(gòu)。通道的入射端與出射端之間加上規(guī)定的電壓，形成電場(chǎng)。而且，這樣的多個(gè)MCP51以規(guī)定的間隔排列為彼此的輸出端與輸入端互相相對(duì)。又在離開(kāi)最遠(yuǎn)離透射型光電陰極4的位置上的MCP51的輸出端空開(kāi)規(guī)定的距離，設(shè)置有陽(yáng)極6。陽(yáng)極6收集該MCP51放射出的二次電子。
在上述結(jié)構(gòu)中，一旦待檢測(cè)光通過(guò)入射窗71入射到透射型光電陰極4的入射面，透射型光電陰極4中便有光電子生成，從出射面放射出到真空容器7內(nèi)部的真空中。放射出到真空中的光電子，作為初次電子入射到離透射型光電陰極最近的位置上的MCP51，經(jīng)過(guò)倍增，作為二次電子放射出。而且通過(guò)其后排列的多個(gè)MCP51反復(fù)倍增。最后，經(jīng)過(guò)倍增的二次電子被陽(yáng)極6所收集，作為所入射的待檢測(cè)光的檢測(cè)信號(hào)取出到光電倍增管外部。
圖9所示的光電倍增管中，上述結(jié)構(gòu)和動(dòng)作可得到以下所述的結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)利用具有上述結(jié)構(gòu)的透射型光電陰極4，能夠?qū)崿F(xiàn)可以高量子效率檢測(cè)紫外光等待檢測(cè)光的光電倍增管。
又，采用多個(gè)MCP51作為電子倍增裝置5，可以用更高的二次電子倍增率得到大檢測(cè)信號(hào)，因此能夠以更高的信噪比、高精度檢測(cè)待檢測(cè)光。
還有，在上述光電倍增管的各實(shí)施方式中，采用的是透射型光電陰極4與MCP51、陽(yáng)極6相對(duì)的所謂接近型的結(jié)構(gòu)，但是，也可以采用在例如透射型光電陰極4與電子倍增裝置5之間具備靜電透鏡使電子聚焦的所謂靜電聚焦型結(jié)構(gòu)。又，作為采用透射型光電陰極的電子管，除了上述光電倍增管外，也可以采用不具備電子倍增裝置5的，也就是從透射型光電陰極4放射出的光電子直接為陽(yáng)極收集的結(jié)構(gòu)。
又，具備收集光電子或二次電子用的陽(yáng)極6，但是也可以具備光電二極管等半導(dǎo)體元件來(lái)取代陽(yáng)極6。作為將光電子或二次電子直接射入這種半導(dǎo)體元件中的所謂電子射入型光電倍增管通過(guò)使之動(dòng)作，能夠使所述光電倍增管的各實(shí)施方式順利實(shí)施。
圖10是作為電子管的第3實(shí)施方式，示意性表示圖像增強(qiáng)管(像增強(qiáng)器)的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖10所示的圖像增強(qiáng)管由透射型光電陰極4、電子倍增裝置5、陽(yáng)極6a以及真空容器7構(gòu)成。其中透射型光電陰極4、電子倍增裝置5、以及真空容器7的結(jié)構(gòu)與圖8所示的光電倍增管大致相同。
陽(yáng)極6a具有收集MCP51所放射出的二次電子的功能，從MCP51的輸出端空開(kāi)規(guī)定的距離設(shè)置。又，該陽(yáng)極6a由隨電子入射而發(fā)光的熒光體所構(gòu)成。
在上述構(gòu)成中，構(gòu)成圖像的待檢測(cè)光一旦透射入射窗71入射到透射型光電陰極，透射型光電陰極4的內(nèi)部便有光電子生成并放射出到真空容器7的內(nèi)部。然后，所放射出的光電子入射到MCP51。這時(shí)，MCP51的輸入端加上相對(duì)于透射型光電陰極4為正的電壓，形成有電場(chǎng)。光電子與該電場(chǎng)平行行進(jìn)，因此，在保持入射圖像增強(qiáng)管時(shí)的二維信息的情況下入射到MCP51。入射到MCP51的光電子經(jīng)過(guò)倍增后作為二次電子放射出，被熒光體構(gòu)成的陽(yáng)極6a所收集。這時(shí)，MCP51的輸出端加上相對(duì)于輸入端為正的電壓，而陽(yáng)極6a加上相對(duì)于MCP51為正的電壓。利用這些電壓形成有電場(chǎng)，二次電子在保持光電子所具有的二維信息的情況下被陽(yáng)極6a所收集，從而熒光體構(gòu)成的陽(yáng)極6a發(fā)光。通過(guò)所述的動(dòng)作，入射到圖像增強(qiáng)管的待檢測(cè)光的圖像得以增強(qiáng)，從熒光體所構(gòu)成的陽(yáng)極6a輸出。
圖10所示的圖像增強(qiáng)管中，利用上述結(jié)構(gòu)和動(dòng)作得到以下所述效果。也就是說(shuō)，采用具有上述結(jié)構(gòu)的透射型光電陰極4，以此可以得到具有高量子效率的圖像增強(qiáng)管。
又，相應(yīng)于入射到透射型光電陰極4的待檢測(cè)光的光量，以高量子效率得到的光電子，進(jìn)一步得到倍增之后入射到熒光體，可得到高亮度的圖像。借助于此，即便是所入射的圖像微弱的情況下，也能夠高精度地使圖像倍增。
又，雖然在上述圖像增強(qiáng)管中，采用熒光體作為隨光電子或二次電子發(fā)光的手段，但是只要該手段是能夠?qū)㈦娮幼兂蓤D像的手段即可。例如，取代熒光體，具備電荷耦合元件(CCD)等攝像元件，通過(guò)將電子或二次電子直接射入攝像元件使其圖像化，也能夠得到同樣的效果。
圖11是電子管的第4實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。
圖11所示的電子管由透射型光電陰極4、陽(yáng)極6b以及真空容器7構(gòu)成。上述透射型光電陰極4、陽(yáng)極6b、以及真空容器7的結(jié)構(gòu)與圖10所示的圖像增強(qiáng)管相同，但是，本實(shí)施方式的電子管采用沒(méi)有電子倍增裝置的結(jié)構(gòu)。本電子管通過(guò)使與入射到透射型光電陰極的待檢測(cè)光的入射位置相對(duì)應(yīng)位置上的熒光體發(fā)光，可以作為顯示圖像的圖像顯示元件使用。以下說(shuō)明作為圖像顯示元件的電子管的動(dòng)作。
作為圖像信號(hào)的待檢測(cè)光(l1、m1、n1)一旦透射入射窗71入射到透射型光電陰極4的規(guī)定位置，透射型光電陰極4的內(nèi)部便有與待檢測(cè)光的入射位置對(duì)應(yīng)的光電子(e1、e2、e3)生成，放射出到真空容器7內(nèi)部。放射出到真空中的光電子，由于透射型光電陰極4與陽(yáng)極6b之間加有高電壓而被加速直進(jìn)，被收集于熒光體構(gòu)成的陽(yáng)極6b。也就是說(shuō)，在與入射位置不同的待檢測(cè)光l1、m1、n1相對(duì)應(yīng)的位置上，熒光體分別放射出光l2、m2、n2。
圖11所示的電子管中，利用上述結(jié)構(gòu)和動(dòng)作得到以下所述效果。也就是采用具有上述結(jié)構(gòu)的透射型光電陰極4，以此可以實(shí)現(xiàn)具有高量子效率的電子管。由于這樣的原因，利用相對(duì)于入射到透射型光電陰極4的圖像信號(hào)的光量以高量子效率得到的光電子，能夠得到高亮度的圖像，因此，能夠以高亮度、低電耗顯示靜止圖像或移動(dòng)圖像。又，如果采用能夠提供XY地址等二維位置信息的等離子體光等紫外光作為輸入到電子管的圖像信號(hào)，則能夠?qū)崿F(xiàn)一種與現(xiàn)有等離子體顯示器那樣直接利用等離子體使熒光體發(fā)光相比更加高亮度、低電耗的圖像顯示裝置。
又，在第3實(shí)施方式的圖像增強(qiáng)管和第4實(shí)施方式的圖像顯示元件中，在需要得到更高輝度的圖像時(shí)，為了得到更多的二次電子倍增率，可以采用任意個(gè)數(shù)的MCP51。這樣，能夠使入射的圖像進(jìn)一步增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高輝度。
本發(fā)明的透射型光電陰極和電子管，不限于上述實(shí)施方式，可以有各種各樣的變形。例如在透射型光電陰極的各實(shí)施方式中，在光吸收層1有充分的機(jī)械強(qiáng)度等情況下，也可以采用不具有增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度用的支持框21～23的結(jié)構(gòu)。還有，在光吸收層1能夠以足夠高的效率發(fā)射出光電子等情況下，也可以采用不設(shè)置使光吸收層1的出射面的功函數(shù)降低的活性層11的結(jié)構(gòu)。
又，在電子管的各實(shí)施方式中，在真空容器7相對(duì)于大氣壓沒(méi)有足夠的強(qiáng)度的情況下，也可以在真空容器7內(nèi)部設(shè)置墊塊等增強(qiáng)手段。又，作為電子倍增裝置，雖然采用MCP51，但是電子倍增裝置也不限于此，也可以采用一級(jí)或多級(jí)的倍增電極等。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明可使用作為例如半導(dǎo)體集成元件制造工序中采用光刻技術(shù)時(shí)的光監(jiān)視裝置。
權(quán)利要求
1.一種透射型光電陰極，放射出由所入射的待檢測(cè)光激發(fā)的光電子，其特征在于，具備由金剛石或以金剛石為主要成分的材料形成的光吸收層，其中一面形成讓所述待檢測(cè)光入射的入射面，另一面形成放射出所述光電子的出射面；以及在所述入射面和所述出射面之間對(duì)所述光吸收層施加規(guī)定電壓的電壓施加裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的透射型光電陰極，其特征在于，具備增強(qiáng)所述光吸收層機(jī)械強(qiáng)度的支持結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的透射型光電陰極，其特征在于，所述光吸收層由多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的透射型光電陰極，其特征在于，所述光吸收層的所述多晶金剛石的晶粒界面經(jīng)過(guò)氧終端化處理。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的透射型光電陰極，其特征在于，所述光吸收層的所述出射面經(jīng)過(guò)氫終端化處理。
6.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的透射型光電陰極，其特征在于，所述光吸收層的所述出射面經(jīng)過(guò)氧終端處理。
7.如權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)所述的透射型光電陰極，其特征在于，所述光吸收層的所述出射面上形成使所述光吸收層的功函數(shù)降低用的活性層。
8.如權(quán)利要求7所述的透射型光電陰極，其特征在于，所述光吸收層的所述活性層由堿金屬、堿金屬的氧化物、或堿金屬的氟化物構(gòu)成。
9.一種電子管，其特征在于，具備權(quán)利要求1～8中任一項(xiàng)所述的透射型光電陰極；直接或間接收集所述透射型光電陰極所放射出的所述光電子用的陽(yáng)極；以及容納所述透射型光電陰極和所述陽(yáng)極的容器。
10.如權(quán)利要求9所述的電子管，其特征在于，具備對(duì)所述透射型光電陰極所放射出的所述光電子進(jìn)行二次電子倍增的電子倍增裝置。
11.如權(quán)利要求9或10所述的電子管，其特征在于，所述陽(yáng)極由隨電子入射而發(fā)光的熒光體所構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求9或10所述的電子管，其特征在于，具備隨電子入射而發(fā)光的熒光體，使與所述待檢測(cè)光在所述透射型光電陰極上的入射位置相對(duì)應(yīng)的位置的所述熒光體發(fā)光來(lái)顯示圖像。
全文摘要
本發(fā)明的透射型光電陰極包括以下構(gòu)成由金剛石或以金剛石為主要成分的材料形成的光吸收層(1)、增強(qiáng)光吸收層(1)機(jī)械強(qiáng)度的支持框(21)、與光吸收層(1)的入射面相對(duì)設(shè)置的第1電極(31)、以及與光吸收層(1)的出射面相對(duì)設(shè)置的第2電極(32)。而且，在光吸收層(1)的入射面和出射面之間施加電壓在光吸收層(1)內(nèi)部形成有電場(chǎng)，一旦待檢測(cè)光入射在光吸收層(1)內(nèi)部有光電子產(chǎn)生，光電子就因光吸收層(1)內(nèi)部所形成的電場(chǎng)而在出射面方向上得到加速，從而放射出到透射型光電陰極的外部。
文檔編號(hào)H01J1/02GK1628364SQ03803429
公開(kāi)日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2003年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月22日
發(fā)明者新垣實(shí), 內(nèi)山昌一, 菅博文 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社