DE2120579C3 - Kaltkathode - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

eine Kaltkathode mit einem Halbleiter-PN-Übergang zu schaffen, welche 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 erfindungsgemäß bei einer

herabsetzenden Material und mit einer Einrichtung, Kaltkathode der eingangs genannten Gattung dadurch die an den PN-Übergang eine Spannung in Durchlaß- 4» gelöst, daß die die Austrittsarbeit 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 wärmzeit benötigen und eine längere Lebensdauer Kontakt aufliegt. Eine derartige Kaltkathode mit einer haben. Metallschicht auf dem Halbleiter vom P-Typ erfor-

Es ist eine Schottky-Sperrschicht-Kaltkathode be- 45 dert keinen Halbleiter mit einer P-lehenden Räche kannt, bei welcher ein Halbleiter vom N-Typ mit negativer Elektronen-Affinität und die damit verbuneiner Metallschicht eine Flächensperrschicht bildet denen erhöhten Reinheitserfordernisse. Die auf der (US-PS 3150282). Die auf den Halbleiter vom P-leitenden Fläche aufgebrachte Metallschicht ergibt N-Typ aufgebrachte Metallschicht hat dabei die eine nicht verunreinigte Haftfläche für die die AusFunktion, die Energie der bewegten Elektronen aus- 5° trittsarbeit absenkende Beschichtung, welche in 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 terial, beispielsweise Caesium, beschichtet, welches gleichzeitig als Elektrode verwendet werden, die Metall/Vakuumaustrittsarbeit herabsetzt Auf der Durch diese Anordnung kann der hohe 'Wirkungsanderen Seite des Halbleiters ist ein nichtgleichrich- 55 grad eines ideal sauberen PN-Übergangs näherungstender 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 Löcher, nicht aber nen eine Minorität der in der Anordnung bewegten 6° 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 kungsgrad gering. im PN-Übergang nur eine geringe Potentialdifferenz

Weiterhin ist eine Kaltkathode mit einem PN- 65 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. snielsweise GaAs, mit einem die Austrittsarbeit herab- Die vorstehend angegebene Kaltkathode nach der

Erfindung kann vorzugsweise daijurch ausgestaltet werden, daß der Halbleiter v;m N-Typ aus monokristallinem Gallium-Arsenid-Phosphid (GaAs_i__xP_x) mit 0 <x< 1 besteht und der Halbleiter vom P-Typ durch Diffusion eines Akzeptors in Galliuin-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-)Beschichtung ist und sofern sie sich zur Dotierung als P-Leitfähigkeitstyp 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

Fig. 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 Fig. 1 ist eine Kontaktschicht30 vorgesehen, auf welcher eine Halbleiterschicht 10 vom N-Typ ausgebildet ist. In den zentralen Teil der Halbleiterschicht 10 ist eine Halbleiterscbicht 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 Halbleiterscbicht 10 einen ohmschen Kontakt.

Dv Isolierschicht 32 besteht üblicherweise aus Siliziumnitrid (SiN_x) 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 nnt 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 10 vom N-Typ kann aus monokristallinem Gallium-Arsenid-Phosphid, GaAs₁ __XP_X mit 0<*<1, beispielsweise χ = 0,3, bestehen.

Die Halbleiterschicht 12 ist durch Diffusion des Akzeptors Zn in einer Tiefe 24 von etwa 1,5 Mikron nut einer durchschnittlichen Konzentration von 5 · 10⁸cm~^s 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 Φ₅. Die Dicke 26 der aus Ag bestehenden Metallschicht 14 beträgt 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 ist. Dies erfolgt in derselben Vakuumkammer bei einem Vakuum von 1O^-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_t zwischen den Energieniveaus 13 und 11, die Höhe <f_s 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. E₁. 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 E₁, und Φ_Μν emittiert.

Wenn eine derartige Kaltkathode beispielsweise in einem System mit einem Vakuum von weniger als 1O^-10 Torr 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 Metall-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 (3)

setzenden Material (beispielsweise Caesium) be- Patentansprüdie· schichtet ist (DT-OS 1564401 oder Proceedings of . Äe ΪΕΕΕ, Band 54riir. 1, Ϊ966, S. 61). Gegenüber

1. Kaltkathode mit einem Halbleitermaterial der vorstehend beschriebene.,^Kaltkathode mit der vom N-Typ und einem Halbleitermaterial vom 5 Sperrschicht vom N-Typ hat diese Anordmmg einen P-Typ, die eken PN-Übergang büden, mit einer größeren Wirkungsgrad und kann in Durchlaßnch-Beschichtung aus einem die Amtrittsarbeit herab- tung mit emer niedrigeren Spannung betaeben wertetzenden Material und mit einer Einrichtung, die den, da die Elektronen eine wesenüichniedngere an den PN-Übergang eine Spannung in Durchlaß- Sperrspannung zu überwinden^^OerHerstellung richtung anlegt, dadurch gekennzeich- *° im großtechnischen Maßstab stehen jedoch betrachtoet, daß die die Austrittsarbeit herabsetzende üche technologische Schwierigkeiten entgegen, da Beschichtung (16) auf einer Metallschicht (14) sch«¹¹ geringste Verunreuugungen der Flache des aufgebracht ist, die auf dem Halblriteimaterial Halbleitersvom PrTyp, welche mit dem die Austrittsvom P-Typ ia engem Kontakt aufliegt " a*¹»»¹ herabsetzenden Matenal beschichtet wird, das

2. Kaltkathode nach Anspruch 1, dadurch ge- '5 Emissionsvermögen wesentlich herabsetzen. Es ist kennzeichnet, daß der Halbleiter vom N-Typ nämlich ein aufwendiger Reinigungsvorgang erforderaus monokristallinem GaUium-Arsenid-Phosphid, üch, um eine P-Schicht nahe dein PN-Übergang her-GaAS(^_x)P₁ mit 0<x<l besteht, daß der zustellen, welche eine negative Elektronen-Affinität Halbleiter vom P-Typ durch Diffusion eines Ak- hat __ zeptors in Gallium-Arsenid-Phosphid gebildet ist *> Diese technologischen Schwierigkeiten sind erläu- und daß die Metallschicht auf dem Halbleiter vom tert in der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, P-Typ im Vakuum aufgebracht ist Band 14, Nr. 7, S. 216 und Nr. 9, S. 275. In dem zu-

3. Kaltkathode nach Anspruch 1 oder 2, da- letzt genannten Aufsatz wird eine spezielle Wärmedurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (14) behandlung der zu reinigenden Halbleiteroberfläche dünner als der Halbleiter vom P-Typ und dicker »5 erläutert, wobei zur Kontrolle die Energieverteilung als die Beschichtung ist und diese aus einer mole- im UV-Bereich vor und nach dem Reinigur jpvorgang kularen Monoschicht besteht verglichen wird. Dabei ergibt sich, daß die Intensität

der Wärmebehandlung begrenzt ist, da sonst die Ausbeute an infraroter und sichtbarer Strahlung vermin-30 dertwird.