DE19802435B4

DE19802435B4 - Elektronenemittervorrichtung mit exponierter Diamantschicht

Info

Publication number: DE19802435B4
Application number: DE19802435A
Authority: DE
Inventors: Neil Anthony Winchcombe Cheltenham Fox; Wang Nang Martletts Limpley Stoke Wang
Original assignee: GE Aviation UK
Current assignee: WANG, WANG NANG, WILTSHIRE, GB; GE Aviation UK
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2018-01-24
Also published as: FR2759201A1; US5952772A; JP3857798B2; DE19802435A1; FR2759201B1; GB9702348D0; JPH10223130A

Abstract

Elektronenemittervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat (20) mit einem n-dotierten Bereich (21) und einer Diamantschicht (24) an der oberen Oberfläche des Substrats (20), einem ersten elektrischen Kontakt (23) an der unteren Oberfläche des Substrats (20) und einem zweiten elektrischen Kontakt (25) an der oberen Oberfläche der Diamantschicht (24), wobei der zweite elektrische Kontakt (25) eine Ausnehmung (26) aufweist, so dass die Diamantschicht (24) an ihrer oberen Oberfläche einen exponierten Bereich (29) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (24) unterhalb dieses exponierten Bereichs (29) mit einem p-Dopanten dotiert ist und ein ungleichförmiges Dotierprofil aufweist, welches von der oberen Oberfläche der Diamantschicht (24) weg zunimmt, dass der p-dotierte Bereich (27) der Diamantschicht (24) im Abstand zur oberen Oberfläche des n-dotierten Bereichs (21) zur Bildung eines Isolierbereichs (28), der den p-dotierten Bereich (27) vom n-dotierten Bereich (21) trennt, verläuft, wobei beim Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (23) und dem zweiten elektrischen Kontakt...

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenemittervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektronenemittervorrichtungen werden in zahlreichen Anwendungsfällen verwendet, beispielsweise bei Kaltkathodenröhren oder anderen Lampen oder bei Anzeigevorrichtungen. Sie erzeugen Strahlung durch direktes Bombardement einer Fluoreszenzschicht oder durch Ionisation eines Gases, wie beispielsweise beschrieben in der GB 22 97 862 A .
Eine Form einer Elektronenemittervorrichtung weist einen p-n Heteroübergang auf, wo beispielsweise der p-Übergang gebildet wird durch einen geeignet dotierten Diamanten, wobei die Dotierung beispielsweise durch Bor erfolgt. Beispiele von elektronenemittierenden Diamantübergängen sind beschrieben in der US 54 101 66 A , US 52 02 571 A , „Diamond Junction Cold Cathode” von Brandes et al., Diamond and Related Materials 4 (1995) 586–590, „Backward Diode Characteristics of p-Type Diamond/n-Type Silicon Heterojunction Diodes” von Phetchakul et al., Jpn J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996), Seiten 4247–4252. P-n Übergangsemitter sind beschrieben in „Negative electron affinity devices” von R. L. Bell, Clarendon Press 1973.
Weitere bekannte Elektronenemittervorrichtungen gehen aus der US 5 132 749 A , US 5 202 571 A , US 4 801 994 und EP 0 532 019 A1 hervor.
So offenbart die US 5 132 749 A ein Diamanthalbleiterbauelement, bei dem eine nicht oder schwach dotierte Diamantschicht mit hohem Widerstand epitaxisch zwischen die n-Diamantschicht und die p-Diamantschicht einer pn-Sperrschichtdiode oder zwischen eine Metallschicht und eine dotierten Diamantschicht einer Schottkydiode aufgewachsen ist. Diese Zwischenschicht erhöht die Durchbruchspannung und verringert den rückwärts fließenden Sperrstrom.
Die US 5 202 571 A offenbart eine Elektronenemittervorrichtung mit einer p-Halbleiterschicht auf einem Halbleitersubstrat, wobei erstere aus einer Diamantschicht besteht. Derartige Elektronenemittervorrichtung werden in Anzeigevorrichtungen, Elektronenstrahlvorrichtungen, Vakuumröhren etc. verwendet. Die dortige Elektronenemittervorrichtung soll eine geringere lokale Hitzeerzeugung ermöglichen.
Die US 4 801 994 betrifft ein Halbleiterbauelement zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Kathode aus einem Halbleiterkörper mit einem n-Oberflächenbereich und einem p-Bereich, wobei Elektronen, die den Halbleiterkörper verlassen, in diesem dadurch erzeugt werden können, indem dem n-Oberflächenbereich eine positive Vorspannung in Bezug auf den p-Bereich gegeben wird. Bei dem dortigen Halbleiterbauelement soll nicht immer ein Material verwendet werden müssen, mit dem die Austrittsenergie verringert wird. Hierzu ist in dem Halbleiterbauelement ein im wesentlichen intrinsischer Bereich zwischen dem n-Oberflächenbereich und dem p-Bereich vorgesehen.
Die EP 0 532 019 A1 betrifft eine Halbleiter-Elektronenemittervorrichtung zum Erzeugen eines Lawinendurchbruchs, um thermische Elektronen zu emittieren. Um eine möglichst kompakten Halbleiter-Elektronenemittervorrichtung mit vereinfachter Struktur und vereinfachtem Herstellungsprozess bereitzustellen, und um einen sehr schnellen Vorrichtungsbetrieb zu ermöglichen, sieht die dortige Halbleiter-Elektronenemittervorrichtung u. a. vor, eine Schottky-Sperrschicht mit einer halbisolierenden Halbleiterschichtschicht vorzusehen.
Es besteht die Aufgabe, derartige Diamantelektronenemittervorrichtungen zu verbessern.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Elektronenemittervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Gemäß der Erfindung weist die Diamantschicht einen exponierten Bereich an ihrer oberen Oberfläche auf. Die Diamantschicht ist unterhalb des exponierten Bereichs mit einem p-Dopant dotiert und weist dort ein sich veränderndes Dotierprofil auf, welches weg von der oberen Oberfläche der Diamantschicht zunimmt. Der p-dotierte Bereich befindet sich im Abstand zur oberen Oberfläche des n-dotierten Bereichs und bildet einen Isolierbereich, der den p-dotierten Bereich vom n-dotierten Bereich trennt. Die Emittervorrichtung weist einen ersten elektrischen Kontakt an der unteren Oberfläche des Substrats auf sowie einen zweiten elektrischen Kontakt an der oberen Oberfläche der Diamantschicht, so dass eine Spannung über die Emittervorrichtung angelegt werden kann, die einen Tunnelvorgang der Elektronen vom n-leitenden Bereich durch den Isolierbereich in den p-dotierten Bereich und eine Emission von Elektronen vom exponierten Bereich bewirkt.
Das Halbleitersubstrat kann außerhalb des n-dotierten Bereichs mit Sauerstoff implantiert sein. Der n-dotierte Bereich kann mit einem Material dotiert sein, welches von der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Phosphor, Arsen und Antimon. Das Halbleitersubstrat kann näherungsweise 150 μm dick sein und die Diamantschicht weist bevorzugt eine Dicke von näherungweise 1–2 μm auf. Die p-Dotierung der Diamantschicht wird bevorzugt durch Ionenimplantation durchgeführt, wie beispielsweise mit Borionen. Der Isolierbereich kann etwa 0,1 μm dick sein.
Eine derartige Elektronenemittervorrichtung kann Bestandteil eines Gerätes sein, in welchem ionisierbares Gas bei vermindertem Druck enthalten ist. Die Vorrichtung umfaßt bevorzugt eine im Abstand zum exponierten Bereich angeordnete Fluoreszenzschicht, welche zum Fluoreszieren durch die Strahlung angeregt wird, die durch Ionisation des Gases erzeugt wird.
Eine Lampe mit einer Elektronenemittervorrichtung wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Teil der Lampe und
2 das Energieband des in der Lampe verwendeten Emitters bei Vorwärtsrichtungsbetrieb.
Gemäß 1 weist die außen dicht verschlossene Lampe verschiedene Elektronenemittervorrichtungen 2 auf, von denen in 1 lediglich eine dargestellt ist. Außerdem ist ein transparentes Fenster 3 vorhanden. Die Einheit 1 ist gefüllt mit einem inerten Gas wie beispielsweise Xe oder einer Gasmischung wie beispielsweise Ar-Xe, Ne-Xe, Ne-Ar-Xe bei einem Druck zwischen 33,3–66,7 kPa (250–500 Torr). Xe erzeugt intensive Schauer von Strahlung bei 157 nm (das heißt VUV-Bereich), wenn durch eine Gasentladung angeregt. Das Fenster 3 besitzt eine dünne, transparente leitende Schicht 4 aus Indium-Zinn-Oxid, welche eine Anode bildet, die an der unteren Oberfläche des Fensters angeordnet ist und auf welche ein dünner Film 5 von fluoreszierendem Phosphor angeordnet ist.
Die Elektronenemittervorrichtung 2 weist ein Halbleitersubstrat 20, beispielsweise aus Silicium auf, das n-dotierte Bereiche 21 besitzt. Der Dopant kann beispielsweise aus Phosphor, Arsen oder Antimon bestehen. In die anderen Bereiche 22 des Siliciums ist Sauerstoff implantiert, um die Isoliereigenschaften zu verbessern und um eine Isolation der n-dotierten Bereiche 21 zu gewährleisten. Typischerweise ist das Siliciumsubstrat 20 etwa 150 μm dick. An der unteren Oberfläche des Substrats 20 unterhalb des n-dotierten Bereichs 21 ist ein elektrischer Kontakt 23 vorgesehen, der durch eine Metallschicht beispielsweise aus Aluminium gebildet wird.
An seiner oberen Oberfläche besitzt das Substrat 20 eine Schicht 24 aus isolierendem Diamantmaterial. Die Schicht 24 wird bevorzugt durch chemischen Dampfniederschlag erzeugt und besitzt eine Dicke von etwa 1–2 μm oder weniger. Auf der oberen Oberfläche der Schicht 24 ist ein elektrischer Kontakt 25 in Form einer Metallschicht, wie beispielsweise aus Titan oder Gold niedergeschlagen. Der Kontakt 25 weist eine zentrale Ausnehmung 26 von etwa 2 μm im Durchmesser auf, welche die obere Oberfläche der Diamantschicht 24 freigibt.
Auf der Kontaktschicht 25 sind isolierende Abstandshalter 6 angeordnet, die das transparente Fenster 3 tragen.
Der Bereich der Diamantschicht 24 unterhalb der Ausnehmung 26 ist ein p-dotierter Bereich 27. Die Abmessungen des p-dotierten Bereichs 27 sind geringfügig größer als diejenigen der Ausnehmung 26, so dass die Kontaktschicht 25 die Kanten des p-dotierten Bereichs überlappt. Die Dotierung wird durch Ionenimplantation (beispielsweise unter Verwendung von Borionen) bei geringen Energien und weniger als 80 keV durchgeführt. Dies resultiert in einem nicht konstanten Dotierprofil, bei welchem die höchste Dotierdichte weg von der exponierten Fläche vorhanden ist, durch welche die Dotierung bewirkt wird. Das nicht gleichmäßige Dotierprofil wird bevorzugt, da es das Abwärtsbiegen der p-Diamantenergiebänder in Richtung des Kontakts 25 auf der p-Schicht erleichert, womit für den Kontakt eine verminderte Barrierenhöhe sichergestellt wird. Es begünstigt auch einen effektiveren Elektronentransport zur Emissionsoberfläche. Details solcher Dotiertechniken sind beschrieben in „Graded electron affinity electron source” von Shaw et al., J. Vac. Sci. Technol. B 14(3), Mai/Juni 1996, Seiten 2072–2075. Die Dotierung wird so gesteuert, dass der dotierte Bereich 27 sich nicht über die gesamte Tiefe der Diamantschicht 24 erstreckt, so dass eine dünne undotierte Schicht 28 bestehen bleibt, die etwa 0,1 μm dick ist, und zwar unterhalb des dotierten Bereichs, zwischen dieser und der oberen Oberfläche der n-dotierten Siliciumschicht 21. Die Teilung der Kontakte 25 und die effektive Größe der Ausnehmung des exponierten p-dotierten Diamanten 27 steuern die Stromdichte. Die exponierte obere Oberfläche 29 des dotierten Bereichs 27 ist durch Aussetzen eines H₂-Plasmas passiviert, so dass diese Oberfläche eine negative Elektronenaffinität (–χ_e) aufweist.
Die Kontakte 23 und 25 und die Anodenschicht 4 sind außerhalb der Einheit 1 an eine Spannungsquelle 30 angeschlossen. Liegt keine Spannung an, dann weist die undotierte Isolierschicht 28 eine geringe Trägerkonzentration auf. Wird jedoch einen Vorwärtsbetrieb erzeugende Gleichspannung an den Heteroübergang zwischen den Silicium- und Diamantschichten 20 und 24 angelegt, dass heißt der p-Kontakt 25 ist positiv in Bezug auf den n-Kontakt 23, dann tritt in der Schicht 28 ein signifikanter Spannungsabfall auf. In Folge der geringen Dicke der Schicht 28 resultiert dies in einem starken Spannungsabfall hinweg über die isolierende Schnittstelle zwischen dem n-dotierten Siliciumbereich 21 und dem p-dotierten Diamantbereich 27.
2 illustriert das Leitfähigkeits-Energieband E_c und das Valenzenergieband E_v beim Betrieb in Vorwärtsrichtung. Die Isolierschicht 28 wird dargestellt durch die zwei vertikalen gestrichelten Linien im Bereich der vertikalen Abschnitte der Leitfähigkeitsbänder. Die schräge Rampe rechts von der Schicht 28 ist das Resultat der ungleichförmigen Dotierung. Das Leitfähigkeitsband E_c an der Oberfläche liegt unter der Vakuumschicht E_vac das angelegt werden würde, wenn der Diamant eine positive Austrittsarbeit (+χ_e) aufweist, jedoch oberhalb derjenigen im vorliegenden Fall, wo die Diamantenoberfläche so behandelt wurde, um ihr eine negative Austrittsarbeit (–χ_e) zu geben. Das steil fallende Potential erregt Elektronen von den Donatorpotentialen in dem n-dotierten Siliciumbereich 21, deren Energien nahe dem Fermi-Energieniveau E_F liegen, um effizienter durch die Isolationsschicht 28 über das Leitfähigkeitsband des p-Diamanten 27 zu tunneln. Die Energie der tunnelnden Elektronen übersteigt E_vac, so dass die Elekronen von der Oberfläche 29 emittiert werden. Die ungleichmäßige Dotierung des p-Diamanten 27 kann es den in den p-Diamanten injizierten Elektronenminoritätsträgern ermöglichen, ballistisch zur Diamant-Vakuum Schnittstelle an der Oberfläche 29 mit höherer Energie zu wandern, als dies von Trägern erwartet werden würde, welche durch die Übergangsstruktur und die Tunnelung in das Vakuum-Niederdruckgas erwartet werden würde. Der ballistische Transport von Elektronen ist beschrieben in „Monte Carlo study of hot electron and ballistic transport in diamond: Low electric filed region” von Cutler et al., J. Vac. Sci. Technol. B 14(3), Mai/Juni 1996 Seite 2020.
Die von der Oberfläche 29 emittierten Elektronen, welche gegen die Anodenschicht 4 angezogen werden, erregen das Gas in der Einheit 1 durch Kollision in einem schwach ionisierten Plasma. Neutrale Atome werden dann durch die Plasmapartikel zur Strahlung von VUV angeregt. Die VUV Photonen treffen auf die Phosphorschicht 5 auf und bewirken dort ein Fluoreszieren im sichtbaren Wellenbereich, entweder in Rot, Grün oder Blau.
Der Elektronenemitter gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur für Lampen verwendbar, sondern kann beispielsweise auch eingesetzt werden bei Anzeigevorrichtungen oder anderen Geräten.

Claims

Elektronenemittervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat (20) mit einem n-dotierten Bereich (21) und einer Diamantschicht (24) an der oberen Oberfläche des Substrats (20), einem ersten elektrischen Kontakt (23) an der unteren Oberfläche des Substrats (20) und einem zweiten elektrischen Kontakt (25) an der oberen Oberfläche der Diamantschicht (24), wobei der zweite elektrische Kontakt (25) eine Ausnehmung (26) aufweist, so dass die Diamantschicht (24) an ihrer oberen Oberfläche einen exponierten Bereich (29) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (24) unterhalb dieses exponierten Bereichs (29) mit einem p-Dopanten dotiert ist und ein ungleichförmiges Dotierprofil aufweist, welches von der oberen Oberfläche der Diamantschicht (24) weg zunimmt, dass der p-dotierte Bereich (27) der Diamantschicht (24) im Abstand zur oberen Oberfläche des n-dotierten Bereichs (21) zur Bildung eines Isolierbereichs (28), der den p-dotierten Bereich (27) vom n-dotierten Bereich (21) trennt, verläuft, wobei beim Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (23) und dem zweiten elektrischen Kontakt (25) eine Tunnelung von Elektronen vom n-dotierten Bereich (21) durch den Isolierbereich (28) in den p-dotierten Bereich (27) und eine Emission der Elektronen vom exponierten Bereich (29) bewirkt wird.
Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Halbleitersubstrat (20) außerhalb des n-dotierten Bereichs (21) Sauerstoff implantiert ist.
Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der n-dotierte Bereich (21) mit einem Material dotiert ist, welches aus der Gruppe Phosphor, Arsen und Antimon ausgewählt ist.
Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (20) 150 μm dick ist.
Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (24) 1–2 μm dick ist.
Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die p-Dotierung der Diamantschicht (24) durch Ionenimplantation erfolgt ist.
Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation mit Borionen erfolgt ist.
Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierbereich (28) 0,1 μm dick ist.
Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand zum exponierten Bereich (29) eine Fluoreszensschicht (5) angeordnet ist.