CN1813329A - 金刚石电子发射器及使用其的电子束源 - Google Patents

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Abstract

提供了一种比传统器件更小的、能够在更低电压下、更有效地进行操作的电子发射器件。该器件包括用于向阴极照射光线的光发射器件，其中至少阴极的电子发射面是由金刚石做成的。通过按照这种方式组成器件，可以使抽出电子的电压比传统器件降低很大余量，并因此获得能够以低电压进行操作的小器件。优选地，将光发射器件与阴极形成一个单元，同样优选地，光发射器件和电极是由金刚石做成的。此外，优选地，阴极的电子发射面是n－或p－型金刚石半导体。

Description

金刚石电子发射器及使用其的电子束源
技术领域
本发明涉及一种金刚石电子发射器件，其广泛应用于高频放大设备、微波振荡设备、光发射器件、电子束光刻设备等，以及一种使用所述金刚石电子发射器件的电子束源。
背景技术
最近，针对电子发射器件，除了热阴极以外，提出了使用钼或碳纳米管等的冷阴极。此外，因为其负电子亲合性，金刚石阴极也获得注意。
提出了各种形式的金刚石冷阴极。例如，在公开WO93/15522中说明了一种pn结类型，以及在Journal of Vacuum Science andTechnology B14(1996)2050中说明了以金刚石涂覆的金属阴极。在pn结类型中，如图8所示，在p-型金刚石82上层叠n-型金刚石81层，以及电极80位于n-型金刚石81上，其中将偏置电压施加到电极上以发射电子。此外，在日本未审专利公开No.平8-264111和公开WO98/44529中提出了在Si模子中形成并使之锋利的金刚石阴极。
上述的金刚石阴极利用强电场来将电子拉进真空中。然而，通过电子的光激励也可能从阴极发射电子。例如，在日本未审专利申请No.平10-149761、日本未审专利申请No.平11-166860、日本未审专利公开No.2000-357449等中提出了这种想法。这些可通过测量所发射的电子而用于光电检测器。
发明内容
在上述专利公开中公开的器件不能将电子从器件拉进真空，除非施加了极强的电场或很高的操作电压。在作为潜在冷阴极的斯宾特(Spindt)型冷阴极中，通过将电极设置于多个尖锐发射器上，可以降低操作电压，但是需要更低的电压来提高操作效率并减少驱动功率消耗。
本发明的目的是解决这些问题并提供一种更小的、在更低电压下进行操作的高效的电子发射器件，以及一种使用这种电子发射器件的电子束源。
本发明中的金刚石电子发射器件具有向阴极照射光线的光发射器件，以及阴极的至少一个电子发射面是由金刚石做成的。因为这种器件具有光发射器件，如图4所示，可由光线将电子激发到比高于真空能级25的金刚石导带21更高的能级。因此，可以极大地降低抽出电子所需的电压，并因此可以获得能够在较低电压下进行操作的较小电子发射器件。
优选地，光发射器件由金刚石组成。因为在金刚石中带隙较大，激发出具有较高能量的电子，并因此可以增加操作效率。
优选地，阴极的电子发射面是n-型半导体。因为n-型金刚石的杂质能级接近导带，即使利用具有较低能量的光来激发，电子仍被激发到导带并发生电子发射，产生更高的效率。
阴极的电子发射面可以是p-型金刚石半导体。即使能带在金刚石表面弯曲，仍然降低了表面附近的电势，并且能够容易地发射被激发到导带的电子。此外，优选地，p-型金刚石半导体包括晶体缺陷或sp2成分。晶体缺陷包括空晶格缺陷、由于杂质/空晶格对而产生的缺陷、位错缺陷、晶粒边界、双晶体等。Sp2成分是石墨、非结晶碳、富勒烯(fullerene)等。
金刚石光发射器件不仅发射如自由激子发光等高能量光，而且发射如能带A等低能量光。如果存在晶体缺陷或sp2成分，在金刚石的带隙中增加了能级，并且更低能量的光也用于电子激发。因此，增加了电子发射量。
优选地，阴极电子发射面是氢封端的。如果是氢封端的，作为电子发射面的金刚石表面的电子亲和性变成负的，并且更容易将由导带激发的电子释放到真空中。
此外，阴极电子发射面可以是氧封端的。特别地，当电子发射面是n-型半导体并且是氢封端的时，在表面上产生的正空穴减少了作为阴极的载流子的电子，并且阴极阻抗变高。然而，如果表面是氧封端的，则不会出现这种现象，并且阴极阻抗变低。
此外，优选地，光发射器件是金刚石的pn结。因为由pn结金刚石组成的光发射器件发射如5.27eV的自由激子发射等短波长光，利于电子发射。此外，使用与阴极相同的材料，很容易使光发射器件和阴极形成为一个单元。
此外，光发射器件可以是肖特基结或金刚石和金属的MIS(金属绝缘体半导体)结构。因为由肖特基结或MIS结构发射的光是短波长的，可以激发在更深能级中的电子并且激发后的电子能量较高。因此，电子激发概率较高并有利于电子发射。
优选地，阴极的电子发射面具有尖锐的突出。因为电场集中在尖锐突出的尖端上，可以降低操作电压。
优选地，从光发射单元发射的光波能量包括5.0～5.4eV。该波长主要从金刚石的自由激子产生。使用该波长，可以将电子从更深的能级激发到导带，例如通过从作为p-型杂质的硼的能级中激发，可以获得高效率的电子发射。
此外，优选地，从光发射器件发射的光波能量是2.0eV或更高。2.0eV或更高的波长包括由金刚石的缺陷等产生的能带A，以及2.0eV或更高的光可以激活在导带附近的能级。例如，可以激发n-型氮掺杂金刚石的杂质能级，并且可以获得从n-型金刚石阴极的有效发射。在传统光电阴极中，由具有比带隙更多能量的光来激发价带中的电子，但是根据本发明的组成，由具有比金刚石带隙更小能量的光来激发是可能的。因此，优选地，来自光发射器件的光将金刚石杂质能级中的电子激发到导带。
此外，优选地，来自光发射器件的光将金刚石带隙能级中的电子激发到导带。特别地，在p-型金刚石阴极的情况下，优选地，来自光发射器件的光将由于下面任意成分而形成的能级中的电子激发到导带：石墨、非结晶碳、富勒烯(fullerene)、晶格缺陷、位错缺陷和晶粒边界缺陷。对于电子束源使用这种激发可以增加电子发射量，因为即使具有比金刚石带隙还小能量的光波也能够将电子激发到导带。
此外，优选地，n-型金刚石包括杂质，氮、磷、硫或锂中的至少一种元素、或硼与这些元素中的任意一种。使用这种杂质增加了载流子电子，导致了由光发射器件激发的电子的增加，并因此是增加电子发射的优选方式。
光发射器件不局限于金刚石。例如，可以使用如氮化物半导体等III-V族半导体。例如，可以使用GaN、AIN、cBN等。特别地，cBN具有6.3eV的宽带隙和高发射能量，并且其晶体结构类似于金刚石。因此，其适于形成如异质外延结构等层叠结构。
优选地，将光发射器件和阴极形成为一个单元。通过使其形成为一个单元，可以使电子发射面和光发射器件之间的距离较短，光的损失很小，因此提高了光电转换效率，而且可以使由金刚石电子发射器件组成的电子束源变得更小。特别地，如果光发射器件是金刚石，易于使阴极和光发射器件成为一体。
此外，本发明提供了一种由金刚石电子发射器件组成的电子束源，其中用于照射阴极的光发射器件和阴极都位于电子枪内，至少所述阴极的电子发射面是金刚石的。通过这样组成，提供了一种能够以更低的电压进行操作的小电子束源。
优选地，通过向离开阴极一定距离的阳极而不是阴极施加正电压来操作本发明的、至少电子发射面是金刚石的电子束源。
此外，控制阴极发射电子流的控制电极位于阴极和阳极之间。使用该控制电极，可以自由地控制发射电子量。
通过以下结合附图的描述，本发明的上述及其它目的、特点和优点将变得显而易见，图中类似的参考数字表示相同的元件。
附图说明
图1是本发明的金刚石电子发射器件的横截面图；
图2是图1的金刚石电子发射器件的能带图；
图3是本发明的其它金刚石电子发射器件的横截面图；
图4是图3的金刚石电子发射器件的能带图；
图5是本发明的其它金刚石电子发射器件的横截面图；
图6是本发明的其它金刚石电子发射器件的横截面图；；
图7是图6的金刚石电子发射器件的能带图；
图8是传统金刚石电子发射器件的横截面图。
具体实施方式
第一实施例
通过微波等离子体CVD方法在通过高温和高压方法合成的p-型金刚石单晶体的(100)面上合成n-型硫掺杂金刚石。合成条件如下：p-型金刚石的温度是825摄氏度，甲烷/氢浓度比是1.0％，以及硫化氢/甲烷浓度比是1000ppm。将n-型硫掺杂金刚石合成到10微米厚。
接下来，通过在n-型硫掺杂金刚石上进行溅射来形成1微米厚的Al膜。通过光刻和湿蚀刻方法使Al膜变到5微米的点，然后通过RIE方法来蚀刻硫掺杂金刚石，使硫掺杂金刚石1形成如图1所示的突出形式。这之后通过在400摄氏度下在空气中退火30分钟，使硫掺杂金刚石氧封端(terminated)。
接下来，在硫掺杂金刚石1的平坦部分以及在形成p-型金刚石2的硫掺杂金刚石的相对表面上形成电极5和6。该过程如下：将Ar离子注入到要形成电极的金刚石表面，并且将金刚石变为石墨，然后在300摄氏度下进行加热的同时，蒸发Ti/Au以形成欧姆电极5、6。
将具有在其上形成了这些电极的突出部分的金刚石放置在真空室(未示出)内，并且将阳极7放置在距离突出的尖端100微米的地方。
首先，当在电极5和阳极7之间施加增加的电压时，从1kV开始检测到来自金刚石的突出部分的电子发射。接下来，当在电极5和6之间施加10V时，确认了来自pn结层的光发射hv。该光的波长范围很广但是针对自由激子发射和以430nm为中心的能带A发射的主要波长是235nm。
此外，当在保持来自pn结层的光发射的同时，向电极5和7施加增加的电压时，从650V开始检测到电子发射。因此，确认了利用光发射降低了电子发射开始的电压。
如图2所示，利用光发射hv将占据n-型金刚石l的杂质能级23的电子激发到高于真空能级25的导带21，并将电子发射开始的阈值电压降低了很大余量。还增加了此时在阳极检测到的电子发射流。
第二实施例
通过微波等离子体CVD方法在通过高温和高压方法合成的Ib-型金刚石单晶体10的(111)面上合成n-型磷掺杂金刚石。合成条件如下：Ib-型金刚石的温度是870摄氏度，甲烷/氢浓度比是0.05％，以及磷化氢/甲烷浓度比是10000ppm。将n-型磷掺杂金刚石合成到10微米厚。
使用相同的微波等离子体CVD方法在n-型金刚石上合成p-型硼掺杂金刚石。合成条件如下：Ib-型金刚石的温度是830摄氏度，甲烷/氢浓度比是6.0％，以及乙硼烷/甲烷浓度比是167ppm。将n-型磷掺杂金刚石合成到10微米厚。在p-型硼掺杂金刚石中存在如双晶体等多种晶格缺陷。
接下来，按照类似于第一实施例的方式，在p-型金刚石上形成点状Al膜，并且通过RIE方法来蚀刻p-型金刚石，并将其处理为具有如图3所示的突出的形状。然后通过在CVD设备中850摄氏度下执行氢等离子体处理10分钟，对p-型金刚石进行氢封端。此外，如第一实施例所述，利用Ti/Au来形成欧姆电极5和6。
接下来，如第一实施例所述，将该器件与阳极7一起放置在真空室中，二者相距100微米。按照如第一实施例所述的类似方式，在电极5和阳极7之间施加增加的电压，并且从1.5kV开始检测到来自p-型金刚石的突出部分的放电。接下来，当在电极5和6之间施加10V时，确认了来自pn结层的光发射hv。该光波长范围很广但是针对自由激子发射和以430nm为中心的能带A发射的主要波长是235nm。
接下来，当在保持来自pn结层的光发射的同时，向电极5和7施加增加的电压时，从800V开始检测到电子发射。因此，确认了利用光发射降低了电子发射开始的电压。
如图4所示，利用光发射hv将占据杂质能级24和由于p-型金刚石2的晶格缺陷26而产生的能级的电子激发到高于真空能级25的导带21，并将电子发射开始的阈值电压降低了很大余量。还增加了此时在阳极检测到的电子发射流。
第三实施例
通过微波等离子体CVD方法在通过高温和高压方法合成的Ib-型金刚石单晶体10的(100)面上合成p-型硼掺杂金刚石。合成条件如下：Ib-型金刚石的温度是830摄氏度，甲烷/氢浓度比是6.0％，以及乙硼烷/甲烷浓度比是167ppm。将p-型硼掺杂金刚石合成到10微米厚。
接下来，按照类似于第一实施例的方式，在p-型金刚石上形成点状Al膜，并且通过RIE方法来蚀刻p-型金刚石，并将其处理为具有如图5所示的突出的形状。此外，如第一实施例所述，利用Ti/Au来形成欧姆电极5。此外，通过在突出部分周围蒸发W来形成肖特基电极4。此外，通过蒸发由SiO2和Mo构成的绝缘体9，在硼掺杂金刚石的外围形成控制电极8。
接下来，如第一实施例所述，将该器件与阳极7一起放置在真空室中，二者相距100微米。如第一实施例所述，当在电极5和阳极7之间以及电极5和8之间施加增加的电压时，分别在1kV和300V处检测到来自p-型金刚石的突出部分的放电。接下来，通过在电极5和4之间施加10V，检测到来自肖特基结层的光发射。该光发射的波长覆盖了包括自由激子发射和能带A发射的较宽范围。
接下来，当在保持来自pn结层的光发射的同时，向电极5和7施加增加的电压时，从600V开始检测到电子发射。因此，利用光发射，将占据p-型金刚石的杂质能级的电子激发到高于真空能级的导带，并将电子发射开始的阈值电压降低了很大余量。还增加了此时在阳极检测到的电子发射流。
此外，当电极5和8之间的电压变化时，电子发射流成线性比例变化。此外，电子发射流正比于光发射而变化，通过改变电极5和4之间的电压来改变光发射。
第四实施例
如第三实施例所述，在Ib-型金刚石单晶体10的(100)面上合成p-型硼掺杂金刚石2，到10微米厚，并且将p-型金刚石处理成具有如图6所示的突出的形状。在如第二实施例所述，使p-型金刚石的表面氢封端之后，由Ti/Au形成欧姆电极5。
分离地准备使用硼掺杂金刚石和磷掺杂金刚石的pn结的金刚石LED。将该器件与金刚石LED 60和阳极7一起放置在真空室中。金刚石LED位于p-型金刚石的突出部分的四周，并且阳极位于距离突出部分的尖端100微米处。
如第一实施例所述，当在电极5和阳极7之间施加增加的电压时，从lkV开始检测到来自p-型金刚石的突出部分的电子发射。接下来，将30V施加到金刚石LED，并引起了光发射。该光发射包括多种发射，主要的一个是自由激子发射和作为子能带的能带A发射。当在保持LED光发射的同时，在电极5和阳极6之间施加增加的电压时，从650V开始检测到放电，确认降低了电子发射开始的阈值电压。
图7示出了金刚石的能带图。该图示出了导带21和价带22。通过5.27eV自由激子光发射将占据p-型金刚石杂质能级的电子激发到高于真空能级的导带，并且氢封端表面表现出负电子亲和性。因此，易于从该器件中发射电子。电子发射流随LED光发射的变化成线性变化。
第五实施例
在使用金刚石粉末刮擦硅晶片之后，使用热灯丝CVD方法来合成p-型硼掺杂金刚石。合成的条件如下：硅晶片的温度是800摄氏度，热灯丝温度是2100摄氏度，压强是13.3kPa，甲烷/氢浓度比是2.0％，利用氩气鼓泡来处理溶解在丙酮中的硼酸三甲酯，以使硼/氢浓度比是0.1％。p-型金刚石展示了p-型电导性，并因为它是多晶体，包括如晶粒界面、位错等缺陷。
接下来，在抛光该p-型硼掺杂金刚石表面之后，如第一实施例所示，形成点状Al膜。通过RTE方法来蚀刻Al膜，并将p-型硼掺杂金刚石处理成突出形状。再次放置于热灯丝CVD设备中，并且利用氢等离子体在850摄氏度下处理10分钟，以对p-型金刚石的表面进行氢封端。此外，如第一实施例所述，用Ti/Au来形成欧姆电极。
如图6所示，如第四实施例所述，分离地准备使用pn结的金刚石LED，并将该金刚石LEDO、阳极7和具有突出形状的p-型金刚石2放置于真空室中。金刚石LED位于p-型金刚石的突出部分的四周，并且阳极位于距离突出部分的尖端100微米处。
如第一实施例所述，当在电极5和阳极7之间施加增加的电压时，从l.5kV开始检测到来自p-型金刚石的突出部分的电子发射。接下来，将30V施加到金刚石LED，并引起了光发射。该光发射包括多种发射，主要的一个是自由激子发射和作为子能带的能带A发射。当在保持LED光发射的同时，在电极5和阳极6之间施加增加的电压时，从600V开始检测到放电，确认降低了电子发射开始的阈值电压。
第六实施例
在使用金刚石粉末刮擦硅晶片之后，使用热灯丝CVD方法来合成p-型硼掺杂金刚石。合成的条件如下：硅晶片的温度是800摄氏度，热灯丝温度是2100摄氏度，压强是13.3kPa，甲烷/氢浓度比是2.0％，利用氩气鼓泡来处理溶解在丙酮中的硼酸三甲酯，以使硼/氢浓度比是0.1％。将p-型硼掺杂金刚石合成到20微米厚。p-型金刚石展示了p-型电导性，并因为它是多晶体，包括如晶粒界面、位错等缺陷。
接下来，在抛光该p-型硼掺杂金刚石表面之后，如第一实施例所示，形成点状Al膜。通过RIE方法来蚀刻Al膜，并将p-型硼掺杂金刚石处理成突出形状。再次放置于热灯丝CVD设备中，并且利用氢等离子体在850摄氏度下处理10分钟，以对p-型金刚石的表面进行氢封端。此外，如第一实施例所述，用Ti/Au来形成欧姆电极。
如图6所示，分离地准备使用氮化铝pn结的LED，并且将该LED60、阳极7以及具有突出形状的p-型金刚石2放置于真空室中。金刚石LED位于p-型金刚石的突出部分的四周，并且阳极位于距离突出部分的尖端100微米处。
如第一实施例所述，当在电极5和阳极7之间施加增加的电压时，从1.5kV开始检测到来自p-型金刚石的突出部分的电子发射。当在保持LED光发射的同时，在电极5和阳极6之间施加增加的电压时，从500V开始检测到放电，确认降低了电子发射开始的阈值电压。
工业应用性
因为本发明的金刚石电子发射器件包括用于激发电子的光发射器件，可以获得具有较低操作电压的优越电子发射特性的较小电子发射器件。因为光发射器件和金刚石阴极位于电子枪内，可以获得较小并且具有非常有效的电子发射特性的电子束源。因此，使用本发明的电子发射器件，本发明能够提供比传统器件更有效的电子束应用设备，如微波振荡器、高频放大器件、电子束光刻设备等。

Claims (19)

1、一种金刚石电子发射器件，包括用于向阴极照射光线的光发射器件，其中至少所述阴极的电子发射面是由金刚石做成的。
2、根据权利要求1所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述光发射器件是由金刚石做成的。
3、根据权利要求1或2所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述阴极的所述电子发射面是n-型金刚石半导体。
4、根据权利要求1或2所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述阴极的所述电子发射面是p-型金刚石半导体。
5、根据权利要求4所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述p-型金刚石半导体包括晶体缺陷或sp2成分。
6、根据权利要求1到5之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述阴极的所述电子发射面是氢封端的。
7、根据权利要求1到5之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述阴极的所述电子发射面是氧封端的。
8、根据权利要求1到7之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述光发射器件是由金刚石的pn结、肖特基结或MIS结构组成的。
9、根据权利要求1到8之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述阴极的所述电子发射面包括尖锐的突出部分。
10、根据权利要求1到9之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，从所述光发射器件发射出的光的波长能量包括5.0～5.4eV。
11、根据权利要求1到10之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，从所述光发射器件发射出的光的波长能量等于或大于2.0eV。
12、根据权利要求1到11之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，来自所述光发射器件的光将杂质能级中的电子激发到导带。
13、根据权利要求1到11之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，来自所述光发射器件的光将带隙能级中的电子激发到导带。
14、根据权利要求1到11之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，来自所述光发射器件的光将由于下面任意p-型金刚石成分而形成的能级中的电子激发到导带：石墨、非结晶碳、类金刚石碳、富勒烯、晶格缺陷、位错缺陷或晶粒边界缺陷。
15、根据权利要求3所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，所述n-型金刚石包括氮、磷、硫和锂中的至少一种元素、或所述元素和硼中的任意一种作为杂质。
16、根据权利要求1到15之一所述的金刚石电子发射器件，其特征在于，将所述光发射器件与所述阴极形成为一个单元。
17、一种使用金刚石电子发射器件的电子束源，其中用于照射阴极的光发射器件和至少其电子发射面是金刚石的阴极都位于电子枪中。
18、根据权利要求17所述的使用金刚石电子发射器件的电子束源，其特征在于：
阳极与所述阴极分离开一定距离，在所述阴极中至少电子发射面是金刚石的；以及
将相对所述阴极为正的电压施加到所述阳极上。
19、根据权利要求18所述的使用金刚石电子发射器件的电子束源，其特征在于，控制电极位于所述阴极和所述阳极之间以调整来自所述阴极的发射电子流。
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