DE2112841A1 - Kaltkatodenstruktur - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel Dipl-Ing. Wolfgang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1

Parkslraße 13 6486

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA Kaltkato den s truktür

Die Erfindung "betrifft Katodenstrukturen und insbesondere solche, bei denen Elektronen in ein Vakuum emittiert werden, ohne daß merkliche Wärmemengen erzeugt werden.

Die modernsten Vakuumröhren bedienen sich thermoionischer oder heißer Katoden als Elektronenquelle. Diese Katoden verbrauchen jedoch eine beträchtliche Leistung zum Erhitzen der Katode und erzeugen daher eine beträchtliche Wärmemenge und bzw. oder Lichtmenge, was oft zu Störungen beim Betrieb der Röhre führt. Außerdem kann der Elektronenfluß wegen der starken V/ärmenacheilung (heat lag) nicht bequem an der Katode gesteuert werden, weswegen eine besondere Steuergitterelektrode erforderlich ist, um den Elektronenfluß zur Anode zu steuern. Das Steuergitter besitzt jedoch keine hohe Empfindlichkeit und gestattet nicht die volle Ausnutzung des Stromausstoßes aus der Katode. Ein weiterer Nachteil der heißen Katoden ist ihre beschränkte Lebensdauer.

Um die Schwierigkeiten der thermoionischen Katodengeräte zu überwinden, wurde bereits eine Anzahl Kaltkatodengeräte entwickelt. Geräte mit einer kalten Katode emittieren Elektronen ohne einen bedeutenden Temperaturanstieg. Drei derartiger Geräte sind die Feldemissionskatode, die Tunnelkatode und die

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Halbleiterkatode. Die Feldemissionskatode wird hauptsächlich für spezielle Anwendungszwecke verv/endet; ihre Verwendbarkeit ist durch ihre Instabilität und das Erfordernis sehr hoher Spannungen beschränkt. Die Tunneldiode bedient sich des Durchtunnelns von Elektroden durch ein dünnes Dielektrikum, um die für die Emittierung von Elektroden in das Vakuum erforderliche Energie zu gewinnen. Obgleich man diesem Gerät viel Forschungsarbeit gewidmet hat, ist seine Wirtschaftlichkeit immer noch sehr viel geringer als die der heißen Katode.

Die Halbleiterkatode bedient sich der eingebauten Spannung eines PN-Überganges oder einer Schottky-Barriere, um die Energie der Elektronen so weit zu erhöhen, daß die Vakuumbarriere überwunden wird. Da diese eingebaute Spannung (built-in voltage) gewöhnlich lediglich einige wenige Elektronenvolt beträgt, ist eine Oberflächenbehandlung erforderlich, um die Vakuumbarriere zu erniedrigen. Eine Einrichtung hierfür ist in "Applied Physics Letters" 13 (1968) von Williams und Wronski und eine ähnliche Einrichtung in der USA-Patentschrift 3 150 282 beschrieben. Diese Vorrichtungen weisen jedoch sehr geringe Heizmaße (emission efficiencies), d.h. ein niedriges Verhältnis zwischen dem Strom der emittierten Elektronen zu dem zwischen den Elektroden des Halbleiters fließenden Strom auf.

In den beiden erwähnten Vorrichtungen besteht eine Hauptursache für ihre Unwirksamkeit in dem Verlust von Elektronen (vermöge von Rekombination) in der p-Seite des PN-Übergangs oder in der Metallelektrode im Falle der Schottky-Barrierenvorrichtung. Zwar kann die Schottky-Barrierenmetallelektrode sehr dünn hergestellt werden (unter 100 A dick), um diese Wirkung auf ein Miniraum herabzudrücken, doch sind derartige Folien leicht diskontinuierlich, nicht homogen und stellen keine wirksame Struktur zur Emission von Elektronen dar.

Ein Ziel der Erfindung ist daher eine verbesserte Elektrodenstruktur für eine Halbleiterkaltkatode, so daß hohe Wirksamkeiten für die Elektronenemission erzielt werden.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine neue Struktur für eine kalte Halbleiterkatode, die sich nach den üblichen Halbleiterherstellungsverfahren leicht herstellen läßt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist schließlich eine Halbleiterkatodenstruktur, die Elektroden in ein Vakuum mit größerer Wirksamkeit emittiert, als dies die bisher bekannten Vorrichtungen tun.

Gegenstand der Erfindung ist eine Katodenstruktur, bestehend aus einem halbleitenden Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem heterogenen Leiternetz, das über einer Fläche des Halbleitersubstrates liegt und an der Grenzfläche zu dem M Halbleitersubstrat eine Barriere bildet.

Eine Durchführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur besteht aus einem η-leitenden Halbleiterplättchen, auf dessen einer Hauptfläche das erfindungsgemäße Leiternetzwerk eine Potentialenergiebarriere, wie beispielsweise eine Schottky-Barriere, mit dem Halbleiterplättchen bildet. Die Emission von Elektronen aus der Oberfläche des Halbleiters in ein Vakuum wird durch die Ausbildung der Elektrode in Form eines heterogenen Netzwerks von Leitern mit offenen Räumen dazwischen verstärkt, so daß die Elektronen aus den offenen Stellen zwischen dem Leiternetzwerk leichter austreten. Bei einer weiteren ä Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur wird eine noch höhere Wirksamkeit der Emission erzielt, indem das Halb— leiterplättchen in den Bereichen, die unter den Leitern liegen, dotiert wird, so daß ein an die Oberfläche angrenzender Bereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp unter, den Leitern erzeugt und auf diese V/eise eine erhöhte Energiebarriere, die den Elektronenfluß zu den Leitern reduziert, geschaffen wird. Wieder in einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur werden noch höhere Wirksamkeiten für die Elektronenemission erzielt, indem das genannte heterogene Netzwerk über einem Halbleitersubstrat mit einem an die Oberfläche angrenzen-

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den Bereich entgegengesetzter Leitfähigkeit in den offenen Räumen zwischen den Leitern verwendet wird, wobei die Dotierung in den Bereichen unter den Leitern erhöht ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, worin

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur;

Fig. 2 ein Teilquerschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte . Struktur längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 ein Energiediagramm einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Katodenstruktur gemäß Figuren 1 und 2;

Fig. 4 ein Teilquerschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur;

Fig. 5 ein Energiediagramm der in Vorwärtsrichtung betriebenen Katodenstruktur gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Teilquerschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur;

Fig..7 ein Energiediagramm der vorwärtsbetriebenen Katodenstruktur gemäß Fig. 6 und

Fig. 8 noch eine weitere. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenst'ruktur

Fig. 1 stellt beispielsweise eine kalte Halbleiterkatode 10 dar, die ein Halbleitersubstrat oder -plättchen 12 vom n-Leitfähigkeitstyp mit großer Bandlücke aufweist, v/ie beispielsweise einen Halbleiteraus Zinksulfid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Siliciumcarbid oder einem anderen Material mit Bandlücken von über etwa 1₈2 Elektronenvolt. Das Substrat 12 ist mit einer Me-

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tallkontaktplatte 14 mit geringem spezifischem Widerstand versehen, die beispielsweise aus Gold oder Silber besteht und von der Oberfläche des Substrates 12 durch eine Schicht aus dielektrischem Material 16, wie beispielsweise aufgedampftem Siliciumnitrid, Siliciumdioxid, Magnesiumfluorid oder einem anderen als Dielektrikum bei der Halbleiterherstellung gewöhnlich verwendeten Material, isoliert ist. Über der Oberfläche des Halbleitersubstrates 12 liegt ein heterogenes Netzwerk von Leitern 18 mit Lücken 20 dazwischen. Die Leiter 18 können beispielsweise aus feinen Streifen aus Metall mit hoher Austrittsarbeit, wie beispielsweise Palladium, Silber, Gold oder Platin bestehen und sind in der Weise geformt, (beispielsweise durch Aufdamp-' fen), daß ein elektrischer Kontakt mit der Metallplatte 14 und der Oberfläche des Halbleitersubstrates 12 hergestellt wird.

Fig. 2 stellt einen Teilquerschnitt der kalten Katode gemäß Fig. 1 dar und erläutert das heterogene Netzwerk von Leitern 18 und Lücken 20, wobei Elektronen aus den Lücken 20 zwischen den Leitern emittiert werden, genauer. Außerdem zeigt Fig.'2 das Vorhandensein einer Oberflächenschicht 26 mit niedriger Austrittsarbeit, beispielsweise aus Caesium, die vorzugsweise über der Oberfläche der Leiter und der Lücken dazwischen abgeschieden ist. *''

Die Emission von Elektronen aus der kalten Katode 10 wird dadurch erreicht, daß man ein Potentialgefälle zwischen dem Halbleitersubstrat 12 und den Leitern 18 herstellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird dies leicht dadurch erzielt, indem man eine Spannungsquelle 22, wie beispielsweise eine Batterie, mit ihrem positiven Ende an der metallischen Kontaktplatte 14 und mit ihrem negativen Ende an dem Halbleitersubstrat 12 anschließt. Beim Betrieb einer derartigen Vorrichtung ist die kalte Katode 10 vorzugsweise in einer evakuierten Hülle, wie beispielsweise einer herkömmlichen Vakuumröhre, eingeschlossen, wobei sich eine Kollektorelektrode im Abstand von der Katode zum Sammeln der von dieser emittierten Elektronen befindet. Wie in Fig. 2

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gezeigt, werden nach Anlegen einer vorwärtsgerichteten Spannung Elektronen von der Oberfläche des Halbleiters 12 mit hoher Wirksamkeit in die Lücken 20 emittiert.

Die Art und Weise, in der Elektronen von den kalten Katodenstrukturen, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt sind, emittiert werden, kann man besonders deutlich an Hand von Fig. 3 erkennen, die ein Potentialenergiediagramm für die genannten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Katodenstrukturen darstellt. Genauer gesagt, ist Fig. 3 ein Querschnittsdiagramm, bei dem auf der Ordinate das Energieniveau und auf der Abszisse der Weg durch die Katode aufgetragen sind, so daß Fig. 3 die Potentialbarriere veranschaulicht, die an der Grenzfläche zwischen Halbleiter 12 und dem heterogenen Netzwerk, zwischen denen eine Betriebsvorspannung angelegt ist, existiert. Die gestrichelte Linie E„ veranschaulicht das Fermi-Niveau des Halbleiters. Die Kurve A zeigt die Potentialbarriere im Halbleiter 12, wo diese an einen der Leiter 18 angrenzt, während die Kurve B die entsprechende Potentialbarriere in dem Halbleiter zeigt, wo dieser an die Lücken 20 angrenzt und wo die Schicht 26 mit niedriger Austrittsarbeit mit dem Halbleiter 12 in Berührung steht. Aufgrund des Unterschiedes in der Austrittsarbeit zwischen der Schicht 26 und den Leitern 18 ist die durch Kurve A veranschaulichte Barriere höher als diejenige gemäß Kurve B. Aufgrund dieser Tatsache fließt sehr wenig Strom zu den Leitern 18, da fast der gesamte Strom in den Lücken 20 zwischen den Leitern fließt. An diesem Punkt verläßt ein großer Anteil der Elektronen die Oberfläche des Halbleiters und tritt in das Vakuum ein, da die Schicht 26 mit niedriger Austrittsarbeit die Oberflächenbarriere erniedrigt, so daß die Spitze der Barriere gemäß Kurve B höher als das Vakuumenergieniveau E_y ist, das gleich der Energie eines Elektrons im Ruhezustand im Vakuum außerhalb der Halbleiteroberfläche ist. Mit anderen Worten hat der Halbleiter zufolge des Aufbringens der Schicht mit niedriger Austrittsarbeit eine negative Elektronenaffinität angenommen.

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Einige Elektronen, die die Halbleiteroberflache erreichen, werden nicht in das Vakuum emittiert und müssen zu den Leitern 18 zurückgeführt werden, so daß ein Ladungsaufbau an der Oberfläche des Halbleiters verhindert wird. Die Leitfähigkeit hierfür kann durch Oberflächenzustände des Halbleiters 12 oder durch die üchicht 26 mit niedriger Austrittsarbeit gewährleistet werden. In den Fällen, in denen hohe Elektronenstromdichten erforderlich sind, kann es zweckmäßig sein, eine dünne Metallschicht (metal film) zwischen der Oberfläche des Halbleiters und der Schicht 26 mit niedriger Austrittsarbeit zu verwenden, um die Möglichkeit eines Ladungsaufbaus weiter zu verringern.

Eine typische kalte Katode gemäß der Erfindung kann aus einem Halbleitersubstrat 12 aus η-leitendem Zinksulfid, einem Dielektrikum 16 aus aufgedampftem Magnesiumfluorid, einer Metallplatte 1 4 aus aufgedampftem Silber, aus Leitern 18 aus aufgedampftem Palladium sowie aus einer Schicht 26 mit niedriger Austrittsarbeit aus alternierenden Schichten aus Caesium und Sauerstoff, vorzugsweise mit einem Überschuß an Caesium, aufgebaut sein.

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Teilquerschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur, die im Aufbau ähnlich wie die in Fig. 1 erläuterte ist, mit der Abweichung, daß Bereiche 28 mit entgegengesetzter Leitfähigkeit im Halbleitersubstrat 12 unter den Leitern 18 erzeugt sind. Diese Bereiche mit entgegengesetzter Leitfähigkeit können sehr leicht dadurch hergestellt werden, daß die Leiter 18 in geeigneter Weise aus einem Material ausgewählt werden, das bei Diffusionstemperaturen in den Halbleiter2 eindiffundiert und als Akzeptordotierungsmittel im Halbleitersubstrat 12 wirkt.

Die Wirkung der Bereiche 28 mit entgegengesetzter Leitfähigkeit besteht darin, daß die von den Leitern 18 geleitete Strommenge noch weiter herabgesetzt und dadurch die Wirksamkeit der Elektronenemission erhöht wird. Die Verhältnisse sind im Energieaiagramra von Fig. 5 näher veranschaulicht, worin Kurve C die

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die große Barriere bedeutet, die in dem Halbleitersubstrat 12 vor jedem Leiter erzeugt wird, und Kurve B die kleinere Barriere in den Lücken bedeutet, über die der emittierte Elektronenstrom fließt, analog Fig. 3.

Eine noch größere Emissionswirksamkeit kann erzielt v/erden, wenn man eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur verwendet, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Hierbei ist zusätzlich zu dem Bereich 28 mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, wie er oben beschrieben wurde, ein weiterer Bereich 30 von ebenfalls entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in dem an die Oberfläche angrenzenden Bereich des Halbleitersubstrates 12 vorgesehen. Dieser zusätzliche Bereich 30 ist vorzugsweise zwischen 10 und 300 A* dick und bedeckt die an die Oberfläche angrenzenden offenen Stellen oder Lücken 20 des Halbleitersubstrates 12, Diese Bereiche können hergestellt werden, indem man das Verfahren der Ionenimplantation von Verunreinigungsatomen in das Halbleitersubstrat 12 in typischer Weise anwendet.

Der Betrieb der in Fig. 6 veranschaulichten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur wird an Hand des Energiediagramms von Fig» 7 erläutert. Im einzelnen stellt Kurve D die Wirkungen des Bereiches 30 mit entgegengesetzter Leitfähigkeit auf der Höhe der Oberflächenbarriere dar. Man erkennt, daß die Elektronen, die in das Vakuum eintreten, eine höhere Energie besitzen als die aus der Ausführungsform gemäß Fig. 4 in das Vakuum eintretenden Elektronen. Die Höhe der Oberflächenbarriere gemäß Kurve D ist immer noch niedriger als die Barriere gemäß Kurve Es jedoch sehr viel höher als die gemäß Kurve B von Fig. 5. Der Effekt der erhöhten Barrierenhöhe liegt darin? daß an der Oberfläche des Halbleiters eine größere negative Elektronenaffinität erzeugt und dadurch der Anteil der in das Vakuum emittierten Elektronen erhöht wird.

Fig. 8 erläutert eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur mit Eigenschaften, die den im Zusammen.-

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hang mit den Figuren 4 bis 7 beschriebenen praktisch gleich sind, die jedoch nach anderen Fabrikationsmethoden hergestellt wird. Beispielsweise wird gemäß Fig. 8 eine kalte Katodenstruktur 32 dadurch hergestellt, daß man auf eine η-leitende Halbleiterscheibe 34 entweder durch Epitaxie oder Diffusion einen p-leitenden Bereich 36 aufbringt, der vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 100/U besitzt. Durch fotolithografische Maskierungsund Ätztechniken werden in dem p-leitenden Bereich mindestens eine und vorzugsweise mehrere kleine Öffnungen 38 hergestellt. Durch die Auswahl des Ätzmittels, das nur das p-leitende Halbleitermaterial angreift, kann das Ätzen in dem Raumladungsbereich (space-charge region) des PN-Übergangs abgestoppt werden. Alternativ können Ätzmittel und Ätzzeit so gewählt werden, daß bis zum η-leitenden Bereich hindurch geätzt wird. Im ersten Fall erhält man eine Katodenstruktur mit -Eigenschaften, die denen im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen ähneln. Im letzten Fall gelangt man zu Strukturen mit Eigenschaften, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 beschrieben wurden; jedoch durch Gegendotieren des exponierten η-leitenden Halbleitersubstrates mit p-leitenden Verunreinigungen gelangt man auch zu den Eigenschaften, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschrieben wurden. In der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform besitzt der die Öffnungen 38 umgebende p-leitende Bereich 36 die gleiche Funktion wie die Leiter 18.

Nach Auswahl des gewünschten Aufbaus werden die n- und p-leitenden Bereiche mit ohmschen Kontakten 40 bzw. 42 versehen und das Substrat in einen evakuierten Raum gebracht, wo nach entsprechender Säuberung die Oberfläche des p-leitenden Bereiche*s und die durch die Öffnungen hindurchexponierten Halbleiterbereiche mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit, wie Caesium, bedeckt werden. Durch Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung mit Hilfe einer Spannungsquelle 44 werden Elektronen in das Vakuum emittiert. Die Betriebsweise dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katodenstruktur hängt, wie oben beschrieben, von der gewählten Anordnung (configuration) ab.

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Aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Katodenstruktur ergibt sich leicht, daß kalte Katoden, die nach den erwähnten erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut sind, eine hohe Elektronenemissionswirksamkeit aufweisen, da nur wenige Elektronen in dem heterogenen Netzwerk von Leitern eingefangen werden. Katoden, die nach der erfindungsgemäßen Lehre hergestellt werden, haben ein weites Anwendungsgebiet in der Elektronik; beispielsweise können sie, um nur einige wenige Verwendungszwecke zu nennen, in Katodenstrahlröhren, Bildschirmgeräten (display devices), Mikrowellengeneratoren, Verstärkern und Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden.

Selbstverständlich können auch viele Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann das heterogene Netzwerk von Leitern und Lücken verschiedene andere Konfigurationen annehmen als die erwähnten; es kann beispielsweise gitterförmig, kreuzförmig, filigranartig oder vernetzt sein. Wenngleich für das Halbleitermaterial angegeben wurde, daß es eine Bandlücke oberhalb etwa 1,2 Elektronenvolt besitzt, so kann man sich doch vorstellen, daß aufgrund technologischer Verbesserungen dieser Wert erniedrigt werden kann. Demzufolge ist die Erfindung nicht auf Halbleiter beschränkt, die Bandlücken über etwa 1,2 Elektronenvolt besitzen, sondern umfaßt auch solche Halbleiter, die eine Bandlücke besitzen, die größer ist als die Austrittsarbeit an der Oberfläche des Halbleiters zum Vakuum hin.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   Kaltkatodenstruktur,
   dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem halbleitenden Substrat (12,34) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem heterogenen Leiternetzwerk (18, 36) besteht, das über einer Fläche des Halbleitersubstrates liegt und an der Grenzfläche zum dem Halbleitersubstrat eine Barriere bildet.
2. 2. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk aus Leitern aus einem Material mit hoher Austrittsarbeit besteht.
3. 3. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie unter den Leitern (18) in dem Halbleitersubstrat (12) einen Bereich (28) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist.
4. 4. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (12,34) ein Material aus Zinksulfid, Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Siliciumcarbid ist.
5. 5. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Verursachung der Emission von Elektronen aus den Lücken oder offenen Stellen (20,38) in dem Netzwerk aus Leitern (18,36) aufweist.
6. 6. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das heterogene Netzwerk von Leitern mit Lücken dazwischen aus einem über dem Halbleitersubstrat (34) liegenden Bereich (36) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit mindestens einer Öffnung (38) darin besteht.

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7. 7. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter eine Bandlücke aufweist, die. mindestens gleich der Austrittsarbeit an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Vakuum ist.
8. 8. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Bereich (28,30) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in dem an die Oberfläche angrenzenden Teil des Halbleitersubstrats (12) aufweist, der sich in den Bereichen (28) unter den Leitern (18) tiefer in das Halbleitersubstrat hinein erstreckt .
9. 9. Kaltkatodenstruktur gemäß Anspruch 1 oder 8, d a du rch gekennzeichnet, daß über dem heterogenen Netzwerk ein Material (26) niedriger Austrittsarbeit angeordnet ist.

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