DE2120579B2 - Kaltkathode - Google Patents

Description

Halblehe'r vom P-Typ-durch Diffusion eines Ak- bat Schwierigkeiten sind erTäu-

zeptors in Galhum-Arsenid-Phosphid gebildet ist »° L"? sei^cul""'f. _;f ,Annlied Phvsics Letter«« unildaßdieMetallschichtaufdemHalbleitervom ^^^Α^^^^ΑΪ P-Typ im Vakuum aufgebracht ist f_em genannien Aufsatz wird eine spezielle Wärme-

3 Kaltkathode nach Anspruch 1 ode-2da- «**#££" „ _reinigenden Halbleiieroberfläche durch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (14) ,V. . \ ⁸κϊ; τ.,γ Kontrolle die En-reieverteilnno

dünner als der Halbleiter vom P-Typ und dicker *5 g^^^JS^SÄSSSÄ als die Beschichtung ist und diese aus einer mole- ^^^gfi _{ergibt sich) da}ß die Intend kularen Monoschicht besteht. derwSebehandlung begrenzt ist, da sonst die Aus-

beute an infraroter und sichtbarer Strahlung vermin-30 dert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

eine Kaltkathode mit einem Halbleiter-PN-Übergang zu schaffen, weiche mit gutem Wirkungsgrad bei einer relativ geringen, mit anderen Halbleiterschaltungen

Die Erfindung betrifft eine Kaltkathode mit einem 35 kompatiblen Spannung betrieben werden kann und Halbleitermaterial vom N-Typ und einem Halbleiter- bei deren Herstellung kein erhöhter Reinheitsgrad des material vom P-Typ, die einen PN-Übergang bilden, Halbleiters vom P-Typ erforderlich ist.
mit einer Beschichtung aus einem die Austrittsarbeit Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß bei einer

herabsetzenden Material und mit einer Einrichtung, Kaltkathode der eingangs genanm^en Gattung dadurch die an den PN-Übergang eine Spannung in Durchlaß- 4o gelöst, daß die die Austn tsarbeit herabsetzende Berichtung anlegt. Derartige Kaltkathoden haben die schichtung auf eine Metallschicht aufgebracht ist, die Vorteile, daß sie kein Heizelement und keine Auf- auf dem Halbleitermaterial vom P-Typ in engem warnzeit benötigen und eine längere Lebensdauer Kontakt aufliegt Eine derartige Kaltkathode mit emer _haben ^B Metallschicht auf dem Halbleiter vom P-Typ erfor-

Es ist eine Schottky-Sperrschicht-Kaltkathode be- 45 dert keinen Halbleiter mit einer P-leitenden Fläche kannt, bei welcher ein Halbleiter vom N-Typ mit negativer Elektronen-Affinitat und die damit verbuneiner Metallschicht eine Flächensperrschicht bildet denen erhöhten Reinheitserforderaisse Die auf der (US-PS 3150 282). Die auf den Halbleiter vom P-leitenden Fläche aufgebrachte Metallschicht ergibt N-Typ aufgebrachte Metallschicht hat dabei die eine nicht verunreinigte Haftflache fur die die AusFunktion, die Energie der bewegten Elektronen aus- 5<> trittsarbeit absenkende Beschichtung, weiche m dem reichend anzuheben, so daß sie ins Vakuum emittiert gleichen Vakuum direkt nach der Metallisation aufwerden können. Die Metallschicht ist mit einem Ma- gebracht werden kann. Auch kann die Metallschicht teria', beispielsweise Caesium, beschichtet, welches gleichzeitig als Elektrode verwendet werden,
die Metall/Vakuumaustrittsarbeit herabsetzt. Auf der Durch diese Anordnung kann der hohe Wirkungsanderen Seite des Halbleik-rs ist ein nichtgleichrich- 55 grad eines ideal sauberen PN-Übergang naherungstender Metallkontakt vorgesehen. Bei dieser Anord- weise erreicht werden. Die Elektronen bewegen sich nung muß eine relativ hohe Spannung angelegt wer- frei von der Halbleiterschicht des P-Typs in die Meden, damit wenigstens einige »heiße« Elektronen die tallschicht, da die zwischen beiden Schichten ausge-Sperrschicht überwinden. Da diese »heißen« Elektro- bildete Sperrschicht lediglich die Locher, nicht aber nen eine Minorität der in der Anordnung bewegten 6o die Elektronen verzögert. Die vorzugsweise dünnere Elektronen darstellen und einige der über die Sperr- Teilschicht wird von den meisten Elektronen mit im schicht gelangenden Elektronen verlorengehen, be- wesentlichen derjenigen Energie durchquert, die sie vor sie ins Vakuum emittiert werden, ist der Wir- im Halbleiter vom P-Typ hatte. Da die Elektronen kungsprad gering. im PN-Übergang nur eine geringe Potentialdifferenz

Wetterhin ist eine Kaltkathode mit einem PN- «5 zu durchlaufen haben, ist auch keine solch hohe Übergang auf einem einzigen Halbleiterkristall be- Spannung erforderlich wie bei der bekannten KaItkannt, bei welcher der Halbleiter vom P-Typ, bei- kathode mit der Sperrschicht vom N-Typ.
soielsweise GaAs, mit einem die Austrittsarbeit herab- Die vorstehend angegebene Kaltkathode nach der

Erfindung kann vorzugsweise dadurch ausgestaltet werden, daß der Halbleiter vom N-Typ aus monokristallinem Gailium-Arsenid-Phosphid (GaAs_1-1P_x) mit 0 < χ < 1 besteht und der Halbleiter vom P-Typ durch Diffusion eines Akzeptors in Gallkyn-Arsenid-Phosphid gebildet ist und die Metallschicht auf dem Halbleiter vom P-Typ im Vakuum aufgebracht ist. Obwohl Gallium-Arsenid-Phosphid bevorzugt wird, können im Prinzip auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden, sofern deren Bandlückenenergie größer als die Metall-Vakuum-Austrittsarbeit der (Caesium-JBeschichtung ist und sofern sie sich zur Dotierung als P-Leitfahigkeitstyp und N-Leitfähigkeitstyp eignen.

Vorzugsweise wird die Metallschicht dünner als die Halbleiterschicht vom P-Typ und dicker als die Beschichtung ausgebildet und diese als molekulare Monoschicht hergestellt.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es stellt dar

F i g. 1 eine vergrößerte Teilschnittansicht einer Kaltkathodenanordnung nach der Erfindung,

F i g. 2 qualitativ die Energieniveaus über den schematisch angedeuteten Schichten einer Kaltkathode, welche Elektronen in Pfeilrichtung, also nach rechts, ins Vakuum emittiert.

Gemäß F i g. 1 ist eine Kontaktschicht 30 vorgesehen, auf welcher eine Halbleiterschicht 10 vom N-Typ ausgebildet ist. In den zentralen Teil der Halbleiterschicht 10 ist eine Halbleiterschicht 12 vom P-Typ eindiffundiert. Im oberen Randbereich sind die Halbleiterschichten 10 und 12 durch eine Isolierschicht 32 abgedeckt. Im Abstand von der Isolierschicht 32 ist die Oberfläche der Halbleiterschicht 12 durch einen Metallkörper 34 bedeckt. Über dem freien Abschnitt der Halbleiterschicht 12 und dem Metallkörper 14 ist eine durchgehende Metallschicht 14 und über dieser eine Beschichtung 16 aufgebracht.

Die Kontaktschicht 30 dient als negative Elektrode und besteht typischerweise aus einer Gold-Zinn-Legierung und ergibt mit der Halbleiterschicht 10 einen ohinschen Kontakt.

Die Isolierschicht 32 besteht üblicherweise aus Siliziumnitrid (SiN₁) und dient als Diffusionsmaske für Zn.

Der Metallkörper 34 besteht üblicherweise aus Gold und ist fingerartig ausgebildet, um eine gleichmäßige Stromverteilung in der Metallschicht 14 und der Halbleiterschicht 12 zu erreichen. Er bildet einen nichtgleichrichtenden Kontakt mit der Halbleiterschicht 12 und ergibt auch eine Kontaktfläche für den Anschluß eines nicht dargestellten Drahtes oder die Herstellung eines Tasterkontaktes, um der Diode ein positives Potential zuzuführen.

Die Schichten 10, 12, 14 und 16 werden teilweise auch unter Bezugnahme auf die in F i g. 2 qualitativ angegebenen Energieniveaus erläutert. Dabei bilden die Schichten 10, 12 und 14 eine PN-Diode, welche durch die die Austrittsarbeit herabsetzende Beschichtung 16 Elektronen ins Vakuum 18 emittieren kann, wenn sie in Vorwärtsrichtung mit Spannung beaufschlagt wird.

Die Halbleiterschicht 10¹ vom N-Typ kann aus monokristallinem Gallium-Arsenid-Phosphid, GaAs₁. ,P_x mit 0<jc<1, beispielsweise χ = 0,3, bestehen.

Die Halbleiterschicht 12 ist durch Diffusion des S Akzeptors Zn in einer Tiefe 24 von etwa 1,5 Mikron mit einer durchschnittlichen Konzentration von 5 · 108 _cm-3 gebildet Die Tiefe der Zn-Diffusion ist bewußt kleiner als die Diffusionslänge der Elektronen in dem Halbleitermaterial bemessen, so daß die

ίο meisten der in die Halbleiterschicht 12 eintretenden Elektronen in die Metallschicht 14 injiziert werden.

Die Metallschicht 14 bildet mit der Halbleiterschicht 12 eine Schottky-Sperrschicht der Höhe Φ$· Die Dicke 26 der aus Ag bestehenden Metallschicht 14 betfägt etwa 300 A° und ist damit kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Material.

Die der Halbleiterschicht 12 abgewandte Oberfläche der Metallschicht 14 ist mit einer monomolekularen Beschichtung 16 aus Caesium oder Bariumoxid versehen, um die Austrittsarbeit Φ_Μν für die aus dem Vakuum austretenden Elektronen herabzusetzen.

Um eine Oberflächenverunreinigung zu vermeiden, wird die Beschichtung 16 auf der Metallschicht 14

as aufgebracht, kurz nachdem die Metallschicht abgelagert worden ibt. Dies erfolgt in derselben Vakuumkammer bei einem Vakuum von 10~¹⁰ Torr, ohne daß die Metallschicht 14 der Atmosphäre ausgesetzt wird. In F i g. 2 sind das Energieniveau 11 am oberen Rand des Valenzbandes, das Energieniveau 13 am unteren Rand des Leitungsbandes, das Fermi-Niveau 15, die Bandlückenenergie E_g zwischen den Energieniveaus 13 und 11, die Höhe Φ₅ der Schottky-Sperrschicht und die Austrittsarbeit Φ_Μν der Metallschicht 14 mit der Caesium-Beschichtung 16 dargestellt.

In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Bandlückenenergie in der Größenordnung von 1,8 bis 1,9 eV, und die Austrittsarbeit beträgt etwa 1,5 eV. Da ein Elektron in die Metallschicht 14 ungefähr mit der Bandlückenenergie Ε, gegenüber dem Fermi-Niveau eintritt und in der Metallschicht 14 sehr wenig Energie verliert, wird es in das Vakuum 18 typischerweise mit 0,3 eV, d. h. der Differenz zwischen E_g und Φ_Μν emittiert.

Wenn eine derartige Kaltkathode beispielsweise in einem System mit einem Vakuum von weniger als 10~^I0Torr verwendet wird, ist es notwendig, eine Dampfquelle der reaktiven Bestandteile der Beschichtung 16 in dem System vorzusehen, um irgendwelche Atome der Beschichtung 16 zu ersetzen, die sich mit Sauerstoff-Streuatomen in dem System verbinden können. Falls die Beschichtung 16 aus Caesium besteht, so wäre es erforderlich, einen kleinen Betrag freien Caesiums in das System einzubringen, um die Monoschicht auf dem Metall 14 aufrechtzuerhalten. Die Metallschicht 14 kann beispielsweise auch aus Gold und die die Austrittsarbeit herabsetzende Beschichtung aus Barium-Oxid (BaO) bestehen, um die MetoU-Vakuum-Austrittsarbeit auf einen Wert herabzusetzen, der unterhalb der Bandlückenenergie des Halbleiters liegt, d. h. ungefähr der Energie der Elektronen, die in der Metallschicht injiziert werden, wenn der PN-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

setzenden Material (beispielsweise Caesium) be- „ schichtet ist (DT-OS 15 64401 oder Proceedings of Patentansprüche: SffiERJiand 54, Nr. 1, 1906, S. 61). Gegenüber t . , der vorstehend beschriebenen Kaltkathode mit der

1. Kaltkathode mit einem Halbleitermaterial "^J._{chicht vom} N-Typ hat diese Anordnung einen vom N-Typ und einem Halbleitermaterial vom 5 *>P£™ _wirkunesgrad und kann in Durchla&ich-P-Typ, die einen PN-Übergang bilden mit einer Eroberen ^ ^g_616n Spannung betrieben wer-Beschichtung aus einem die Austrittsarbeit nerao- s ^ ^₆ gj^tronen eine wesentlich niedrigere setzenden Material und mit einer Einrichtung, die n. nannune zu überwinden haben. Der Herstellung an den PN-Übergang eine Spannung in Durchlaß- ^^technischen Maßstab stehen jedoch beträchtrichtung anlegt, dadurch gekennzeicü- &■ technologische Schwierigkeiten entgegen, da net, daß die die Austrittsarbeit berabseöende jene ^l~ * verunreinigungen der Fläche des Beschichtung (16) auf einer Metallschicht (14) ϊ™^L ^s _{om P}._{TyP) we}lche mit dem die Austrittsaufgebracht ist, die auf dem Halbleitermaterial S hSbsetzenden Material beschichtet wird, das vom P-Typ in engem Kontakt aufliegt. Emissionsvermögen wesentlich herabsetzen. Es ist

2. Kaltkathode nach Anspruch 1, dadurch ge- »5 Jf^¹J_n aufwendiger Reinigun^vnro^a ^λ-kennzeichnet, daß der Halbleiter vom N-Typ J™ ^Tschicht nahe der

' Ilen, weiche eine negative