DE2430687C3 - Kaltemissionshalbleitervorrichtung - Google Patents

Description

auftritt. Hinzu kommt, daß Galliumarsenid, das bei der bekannten Elektronenquelle verwendet wird, ein Direktübergangshalbleiter ist, der von Haus aus eine relativ hohe Elektronenrekombinationswahrscheinlichkeit aufweist, so daß die mittlere freie Weglänge der Elektronen besonders klein ist und daher die p-Schicht sehr dünn gemacht werden muß, was die genannten Nachteile verschärft.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kaltemissionshalbleitervorrichtung (Elektronenquelle) verfügbar zu machen, die eine möglichst hohe Elektronenemission zuläßt und zu diesem Zweck sowohl einen möglichst guten Elektroneninjektionswirkungsgrad aufweist als auch eine relativ große mittlere freie Weglänge der Elektronen, so daß die Dicke der Elektronen emittierenden Schicht vergrößert und der innere Widerstand verringert werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch I gekennzeichnet und in den Unteransprüchon vorteilhaft weitergebildet.

Sehr wesentlich sind bei der erfindur^sgemäßen Elektronenquelle ein pn-HeteroÜbergang, wobei der effektive Bandabstand in der Elektronen emittierenden p-Zone kleiner als in der elektroneninjizierenden η-Zone ist, sowie die Verwendung eines Indirektübergangshalbleitermaterials für die p-Zone. Dadurch, daß der effektive Bandabstand in der p-Zone kleiner als in der η-Zone ist, wird die Poteniialbarriere für Löcher, die von der p-Zone in die η-Zone gelangen wollen, erhöht, so daß die Löchcrinjeklion in die η-Zone verringert und damit der Elektroneninjektionswirkungsgrad erhöht wird. Dadurch, daß für die p-Zone nicht entartet dotiertes Halbleitermaterial verwendet wird (das Fermipotential liegt in der p-Zone oberhalb der Valenzbandoberkante, d. h., die p-Zone ist nicht entartet dotiert), steht den injizierten Elektronen eine wesentlich geringere Anzahl von Löchern und damit potentiellen Rekombinationszentren gegenüber als bei der bekannten Injekti.jnsclcktronenqucllc, so daß schon aus diesem Grund die Zahl der zur Emission gelangenden Elektronen größer als beim bekannten Bauelement ist, wenn eine gleiche Schichtdicke für die p-Zone angenommen wird. Da jedoch für die p-Zone außerdem ein Indireklübergangshalbleitermaterial verwendet wird, bei dem die Rckombinatio.iswahrschcinlichkeit zwischen injizierten Elektronen und Löchern wesentlich kleiner ist als bei einem Direktübergangshalblciter. beispielsweise Galliumarsenid, wie es für die bekannte Elektronenquelle verwendet wird, wird eine recht große mittlere freie Weglänge der Elektronen gewährleistet, so daß bd gleicher Schichtdicke wie bei der bekannten Elektronenquelle eine größere Anzahl der ohnehin zahlreicher injizierten Elektronen zur Emission gelangt. Wenn man davon ausgeht, daß sowohl bei einer Elektronenquelle mit dem bekannten Aufbau und Material als auch bei der erfindungsgemäßen Elektronenquelle die Dicke der p-Zonc kleiner als die jeweilige mittlere freie Weglänge der Elektronen gemacht wird, kann die erfindungsgemäßc Elektronenquelle aufgrund ihrer wesentlich größeren mittleren freien Weglänge der Elektronen eine wesentlich dickere p-Zone aufweisen, so daß der Widerstand zwischen pn-übergang und Elektroden viel kleiner sein kann, so daß eine wesentlich stärkere Elektroneninjektion in die p-Zone und damit eine wesentlich höhere Elektronenemission aus der Oberfläche der p-Zon ■ ürmöglicht ist.

Als Bauelementmaterialien sind beispielsweise geeig

net: AIP, ZnS, ZnSe, ZnTe, AIAs, AISb, GaAs, GaP, Al(X)Ga(I -x)P, AIx Ga(I -*)As, Ga(A)AI(I-A)Sb. InAs, wobei .ν eine positive Zahl ist, die kleiner als 1 ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1 als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ein Bauelementmodell, ein Energiediagramm und ein Diagramm der Dotierstoffkonzentration,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem in der F i g. 1 dargestellten, jedoch mit der Ausnahme, daß die Dotierstoffkonzentration des p-leitenden Materials verändert ist,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem in der Fig. 1 gezeigten, jedoch mit der Ausnahme, daß der Energiebandabstand im p-leitenden Material abgestuft ist,

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem in der F i g. I dargestellten, jedoch mit der Ausnahme, daß eine andere Schicht, die an die er ..: Zone angrenzt, hinzugefügt ist.

F i g. 5 ein Gefäß zum Aktivieren der Emissionsoberfläche des Bauelements und

F i g. 6A, 6B. 6C. 6D, 7A, 7B, 7C. 7D und 8A, 8b. 8C. 8D drei e-findungsgemäße Ausführungsbeispiele mit physikalisch alternativen Schichtanordnungen.

Bei den neuen Kaltemissionshalbleiterbauelementen wird ein HeteroÜbergang gebildet, indem man zwei oder mehr Halbleiterkristalle verwendet. Diese Kristalle sind beispielsweise AIP, GaP und AI(At)Ga(I-A)P, welch letzteres ein Mischkristall von AIP und GaP mit χ kleiner 1 ist. Sogar wenn die Dotierstoffkonzentration der p-leitenden Zone hoch ist, können Elektronen mit gutem Wirkungsgrad in diese Zone injiziert werden. Darüber hinaus wird der durch Rekombination der injizierten Elektronen bewirkte Verlust wesentlich kleiner, weil die p-leitende Zone ein Indirektübergangshalbleiter ist. Auch die mittlere freie Weglänge der Elektronen steigt an. Für diesen Fall kann die Dicke der p-leitenden Zone zunehmen und es kann der Widers^:and in Richtung der breiten Erstreckung vermindert werden. Ferner wird gleichzeitig der Serienwiderstand und auch der Energieverlust kleiner. Wenn die Kathode aus GaP und AIP, deren thermische Leitfähigkeit unter den Ill-V-Verbindungshalbleitern besonders hoch ist, hergestellt wird, kann die Injektionsdichte erhöht werden. Daß heißt, daß es leicht ist, Elektronenemissionsoberflächcn mit Elektronenaffinitäten 0 oder im negativen Bereich zu erhallen und die Elektronenaustrilts- oder Emissionswahrscheiniichkeil sehr hoch werden zu lassen, weil die thermische Leitfähigkeit von GaP !,1 Watt/cm "Kelvin und die von AIP 0,9 Watt/cm ° Kelvin beträgt und damit wesentlich größer als die des früher verwendeten GaAs mit 0,54 Watt/cm "Kelvin und AIAs mit 0 08 Watt/cm "Kelvin is", und weil die effektiven Energiebandabstände von GaP, AIP und Al(^)Ga(I-A)P 2 Elektronenvoll oder mehr betragen und ihre Elektronenaffinitäten klein sind, wenn ihre Oberflächen mi' Caesium oder Caesium und Sauerstoff aktiviert werden.

In Fig. I ist ein Kristall 20 mit einem np-Überzug 0 zwischen einer ersten Zone 1 aus n-lcif;ndem Material mit großem effektiven Energiebandabstand und einet zweiten Zone 2 aus p-leitendem Material eines Indirektübergang.i'i'albleiiers mit einem kleineren effektiven Energiebandabstand dargestellt. Die Oberfläche 3 hat eine negative Elektronenaffinität und wird durch Reinigen der Oberfläche der zweiten Zone 2 und

Aktivieren derselben mit Caesium oder Caesium und Sauerstoff hergerichtet. EgX bzw. EgI sind die effektiven Energiebandabstände der beiden Zonen und Nd bzw. Na geben die Donatoren- bzw. Akzeptorenkonzentrationsverteilung wieder. Die Ernergie- und Dotierstoffkonzentrationsdingramme sind Fachleuten bekannt und brauchen hier nicht beschrieben zu werden. In den vorliegenden Diagrammen sind fcdie Energie am unteren Rand des Leitungsbandes. Ev die Energie am oberen Rand des Valenzelektroncnbandes. In bzw. Ep die Quasi-Fermi-Niveaus für die Elektronen und Löcher und Wdic Durchlaßspannung.

Wenn der mit einem solchen Hetcroübergang gebildete Kristall 20 in ein Vakuumgefäß eingebracht und eine Durchlaßspnnnung W angelegt wird, werden Elektronen von der ersten Zone I in Richtung des Pfeils 12 in die zweite Zone 2 injiziert. Weil die /write Zone ein Indircktübcrgangshalbleiter ist, kann der Verlust an injizierten Elektronen im wesentlichen ignoriert werden. Folglich erreicht der größere Teil der Elektronen durch Diffusion oder Drift die Oberflache 3 und wird in Richtung des Pfeils 13 in das Vakuum emittiert. Weil ferner der effektive Energiebandabstand Eg 1 der ersten Zone 1 größer als der EnergiebandabMand Eg 2 der zweiten Zone 2 im. wird eine Energieschwelle vom Betrage der Encrgicdiffcrcn/ gebildet, die den Löchern entgegenwirkt und dafür sorgt, daß die Löcherinjekiion in die erste Zone vernachlässigbar klein wird. Aufgrund dessen ist der Wirkungsgrad in Bezug auf die Injektion von Elektronen in die zweite Zone nahezu 100%. Der Wirkungsgrad der Kaltclektronenemission η ist das Produkt dieses Injektionswirkungsgrades \ mal dem Eaktor β für die injizierten Elektronen, die die Oberfläche 3 erreichen, mal dem Eaktor ;■ für die Elektronen, die ins Vakuum emittiert werden. Weil die hier vorgeschlagene Kathode alle diese letzteren Eaktoren in der oben beschriebenen Weise ausreichend groß macht, wird ein sehr hoher Elekironenemissionswirkungsgrad η erreicht.

Ferner sind in der F i g. 1 die Dotierstoffkonzentration iva und der tnergieoandaDstana hgl der zweiten Zone mit konstantem Verlauf dargestellt, und es kommen die injizierten Elektronen nur durch Diffusion an der Oberfläche 3 an. Folglich muß die zweite Zone 2 weniger dick als die mittlere freie Weglänge der Elektronen sein, damit der Transportfaktor β höher wird.

Es ist möglich, die Transportgeschwindigkeit bzw. den Transportfaktor β größer zu machen, indem außerdem ein elektrisches Driftfeld angewendet wird. In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Akzeptorkonzentration Na in der zweiten Zone 2 vom Übergang 0 zur Oberfläche 3 hin allmählich abnimmt. Folglich tritt wegen der abfallenden Dotierstoffkonzentration in der zweiten Zone 2 ein Leitungsbandgefälle auf, und der Transportfaktor β der Elktronen wird durch dieses elektrische Driftfeld deutlich vergrößert. Weil jedoch die Dotierctoffkonzentration der Oberfläche 3 abfällt, kann es Schwierigkeiten geben, die Elektronenaffinität der bezeichneten Oberfläche zu 0 oder negativ werden zu lassen.

Bei dem in der Fig.3 dargestellten Ausführungsbei spiel wird diese Schwierigkeit vermieden und der effektive Energiebandabstand der zweiten Zone 2 wird vom Obergang 0 zur Oberfläche 3 hin schmaler. Folglich fällt das Leitungsband der zweiten Zone 2 ab und werden die Elektronen vom elektrischen Driftfeld transportiert. Außerdem ist es möglich, die Dotierstoff konzentrationsänderung gemäß Fig. 2 und die Verschmälerung der Bandbreite gemäß Fig. 3 kombiniert anzuwenden, um ein elektrisches Driftfeld wie beschrieben zu erhalten, oder die Elektronen unter günstigen

') faktormäßigen Bedingungen zu transportieren, indem beispielsweise von einer äußeren Quelle aus ein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt wird. Auch wenn die Elektronen wie im Falle der F i g. I allein durch Diffusion transportiert werden, ist ihre Ansprech-

Hi geschwindigkeit durch ihre Diffusionsgeschwindigkeit eingeschränkt. I olglich tritt auch tier Nebeneffekt auf. daß die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird, indem, wie oben beschrieben, ein elektrisches Drififeld angewendet wird, um die Transportgeschwiiuligkeil der

ι Ί Elektronen großer /u machen.

Der Hetcroübergang in der vorgeschlagenen Kathode macht es erforderlich, daß in der l'lbergangsgrcn/llache so wenig wie möglich Kristallfehler auftreten, l'olglich ist es notwendig, die Gitterkonstanien mög

:o liehst gut aneinander anzupassen und Unterschiede /wischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten klein werden /u lassen. Der lleteroübergang kann in Monokristallen gebildet werden, indem man diese mit einer Lösung von Feststoff- bzw. Halbleitermaterialien

.'■> in aller, gewünschten Mengenverhältnissen behandelt. Es ist ferner wichtig, daß die l.lektronenaffinitat der Oberfläche der /weiten Zone 2 durch geeignete Aktivierung 0 oder negativ gemacht wird. Außerdem sollte der Indirektübergangshalbleiter aus einem Male

w rial mit einem HeteroÜbergang bestehen. Darüber hinaus sollte die thermische Leitfähigkeit hoch sein. Geeignete Materialien, die diesen Bedingungen genügen, sind beispielsweise AIP. GnP und AI(\)G.i(1 \)V. Was nun zunächst die Gitterkonslanten von AIP

Γ. (0.54625 mn) und GaP (0.54495 mn) angeht, so ist die Gitterfchlanpassung euren·, klein. Diese I ehlanpassung in den Heteroübergängen wird noch kleiner, wenn Mischkristalle AI(\)Ga(1 - \)P verwendet werden. Es ist auch leicht. Mischkristalle irgendeiner gewünschten

in Zusammensetzung darzustellen und durch eine aktivierenue rccnaiiuiuiig rjcKiioiiciiai muiincn /u ciickmcii. die 0 oder negativ sind. Es ist ferner möglich, die geringfügige Fehlanpassung der Gitterkonstanten vollkommen zu überwinden, indem wenigstens in einem der

4". GaP- und AIP-Materialien ein Teil der Gruppe-Ill-Gitterplätze durch andere Atome der Gruppe III bzw. ein Teil der Gruppe-V-Gitterpläize durch andere Atome der Gruppe V besetzt wird oder indem Dotierstoffe in geeigneten Mengen zugegeben werden. Zum Be^;'Diel

in kann die Gitterkonstante vergrößert werden, indem man einen Teil der Gitterplätze der Galliumaiomc in GaP durch Indiumatome mit größeren Kovalenzradien ersetzt. Dieselbe Wirkung kann auch erreicht werden, indem man einen Teil der Gitterplätze der Phosphor atome beispielsweise durch As bzw. Sb ersetzt, oder indem man Dotierstoffe wie etwa Cd und Te mit großen Kovalenzionenradien zugibt.

Als nächstes sol! das Kathodenherstellungsverfahren beschrieben werden. Zur Bildung des Überganges wird

bo ein η-leitendes GaP-Substrat mit geeigneter Orientierung wie etwa (111). (100) oder (110) und einer Dotierstoffkonzentration von 10^lf> bis 10¹⁹ Atome/cm³ vorbereitet. Eine dieser Oberflächen wird spiegelglatt poliert und die beschädigte Oberflächenschicht che misch entfernt Auf diesem Substrat wird mittels einer Gas- oder Flüssigphasenepitaxie eine Schicht aus η-leitendem Al(^r)Ga(I-A)P gezüchtet, um eine erste Zone 1 zu bilden. In diesem Falle wird die Dotierstoff-

konzentration unter Berücksichtigung des Injektionswirkungsgrades der Elektronen auf einen passenden Wert zwischen IO^l(lund IO¹⁹Alome/cm^Jeingestellt.

Dann wird auf dieser n-lcilcnden Schicht bis zu einer Dicke, die kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen ist, eine Schicht aus p-lcitcndcm GaP oder AKj)Ga(I -J)P gezüchtet, wobei y kleiner als x, der effektive Energiebandabsland kleiner als der der η-leitenden Schicht ist und die Dolierstoffkonzenlralion K)" In·. K)¹'' Atome/cm¹ beträgt, um eine /weite /one 2 /11 bilden.

In I i g. 4 ist ein in der zuvor erwähnten Weise erhaltener HeteroÜbergang dargestellt. Die in diesem /iiSiiMimcnhang abgebildete Zone Γ ist eine n-lcitcndc (ial'-Basis. auf der eine erste epitaktisch gezüchtete n-lcilcndc AI(x)Ga(l - x)P-Zone I und eine /weite p-leitendc (JaP- oiler A 1(.K)Ga(I - >)PZone 2 gebildet wurde. Auch in der F"ig.4 sind Nd' b/w. l:g Y die Donalorenkonzentration und der F^ncrgicbandabstand der Basis Y. Dm zu verhindern. daU Löcher in der durch den Pfeil 21 dargestellten Richtung in die /.one I' injiziert werden, isl es wichtig, daU die erste Zone I geeignet dick gemacht wird. z. B. mehrere zehn nm click oder dicker. Dadurch wird verhindert, daü die Löcher etwa aufgrund des Tunneleffektcs von der zweiten Zone 2 in die Zone Γ durchbrechen. Wenn man ein GaP-Subslral mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet und das Substrat I' und die erste Zone I dünn macht, dann wirkt sich das ebenfalls günstig auf die Wärmeleitung aus. jo

Bei der Herstellung kann ein .Schiebeverfahren unter Verwendung eines Bootes benutzt werden. Zunächst wird eine Lösung mit dem Mengenverhältnis von 5,0 g (in. 0.2mg Tc. 90mg GaP und 2.4 mg Al bei einer Temperatur von 950°C in einer Wasscrstoffalmosphärc Ji mit der (I I IJ-B-Obcrfläehc des GaP-Substrates in Berührung gebracht, in das 10" Atomc/cm¹ cindotiert worden sind. Dann wird die n-lcilcndc erste Zone 1 (z. B. die in der F⁷ig. 1 dargestellte) gebildet, indem die Temperatur unter diesen Bedingungen auf 9JO¹C perdiffusion des Zn der AI(X)Ga(I -jr)P-Schicht in die GaP-Schichl erfolgt. Weil der Diffusionskoeffizienl von Tc kleiner als der von Zn ist. kann die Diffusion von Tc unberücksichtigt bleiben bzw. vernachlässigt werden.

Nach erfolgtem Aufzüchten einer n-leitenden AI(J)Ga(I-Jt)P-SdIiChI mit Hilfe des oben erwähnten Schiebeverfahrens und nach erfolgtem Aufzüchten einer p-leitcnden AKj)Ga(I -j)P-Schicht (dabei ist y kleiner als x) mit Ga-GaP-AI-Zn-Lösung in kleiner Menge liegt, wenn die Wachslumsphasc beginnt, AIP in reichlicher Zusammensetzung vor, weil der Ausscigcrungskocffizicni von Al groß isl. Weil jedoch die Lösungsmenge klein isl. wird dieser Anteil mil fortschreitendem Wachstum allmählich immer kleiner, und der Lnergiebiindabsland ändert sich in der in der I" i g. J dargestellten Weise.

Als nächstes wird der entsprechend der obigen Beschreibung erhaltene Krislall in die gewünschte äußere l-'orm gebracht. Das n-lcitcndc GaP der Subslralseiie und das p-lcilcndc (JaP der Elektronenemissionsoberflächenscile oder die Oberfläche der AKj)Ga(I - j')P-Schicht werden mechanisch spiegelglatt poliert und eine beschädigte Oberflächenschicht wird durch Ätzen entfcrni. Auf dieses Kristallsubstrat werden Metalle geeigneter form wie in Zone Γ und der zweiten Zone 2 (F-'ig. 4) niedergeschlagen und einer llii/cbchandlung unterzogen, um Ohmschc Kontaktelektroden 5 und 6 zu bilden, wie sie auch in den I' i g. 5. 6.7 und 8 nebst deren Unlcrfigurcn dargestellt sind.

Der solchermaßen erhaltene Kristall wird in ein Vakuumgefäß 7 (F i g. 5) eingebracht und die Elektroden 5 und 6 sowie die Anode 4 werden an Leitungen angeschlossen. Das Gefäß 7 isl mit einem Zweigrohr versehen, das eine Caesiumqucllc 10 mit einer Mischung aus Cacsiumchromat und .Siliziumpulver enthält und in eine Nickelkapscl eingefügt ist. An das Gefäß 7 sehließt sich ferner ein Rohr 8 an, das über einen Abdcckvcrschluß 9 mit einem Silberrohr It verbunden ist. Das Gefäß 7 kann bis zu einem Druck in der Größenordnung von 10 "mbar evakuiert werden, wobei etwa auf den

1 A I/ .Λ/"¹../ I

0.3 und bei einer Dotierstoffkonzentration von J χ 10" Atomc/cm' bis zu einer Dicke von etwa 10 Mikrometern gezüchtet wird. Nach dieser Behandlung wird das Boot verschoben und seine Oberfläche in einer Wasserstoffatmosphäre mit einer Lösung in den Mengenverhältnissen 5,0 g Ga, 84 mg GaP und 5 mg Zn in Berührung gebracht. Die Temperatur wird auf 920⁰C erniedrigt. Das Boot wird wiederum verschoben und die Legierung abgetrennt. Durch diese Behandlung wird eine p-leitende zweite Zone 2 mit einer Dotierstoffkonzentration von I0'⁸ Atomen/cm³ und einer Dicke von etwa 5 Mikrometern gebildet.

Es ist ferner möglich, in dieser zweiten Zone 2 eine Dotierstoffkonzentrationsverteilung zu erhalten, wie sie z. B. in der F i g. 2 dargestellt ist, indem man während des Aufwachsens der zweiten Zone 2 jeweils geeignete Mengen von n-Ieitendem Dotierstoff Te und p-Ieitendem Dotierstoff Zn zusetzt. In diesem Falle wird, während die AI(x)Ga — (1 — x)P-Schicht aufwächst, der η-leitende Dotierstoff Te der überwiegende bzw. vorherrschende Dotierstoff, und es wird der Dotierstoff Zn der dann gezüchteten GaP-Schicht auf eine geringere Dotierstoffkonzentration von etwa IO¹⁷ Atomen/cm³ gesetzt Der in dieser Weise gezüchtete Kristall wird dann 30 Minuten bis 5 Stunden lang in Phosphordampf von etwa 1 Atmosphäre gehalten und mit 800 bis 900⁰C hitzebehandelt, damit eine Festkör entladcn bzw. abgeführt werden kann. Wenn ein ausreichend hohes Vakuum erreicht worden ist. wird die Caesiumquelle 10 erwärmt und Caesium erzeugt. Das Zweigrohr wird nach Bedarf mit Trockeneis oder flüssigem Stickstoff gekühlt, und das Caesium in dem Zweigrohr kondensiert. Die Elektronenemissionsoberfläche wird gereinigt, indem der Kristall unter diesen Bedingungen einige Minuten lang auf 500 bis 700" C erhitzt wird oder indem die Oberfläche mit Ionen bombardiert wird und dadurch einige Atomschichten entfernt werden. Auf diese Reinigungsbehandlung hin wird die Elektronenemissionsoberfläche mit weißem Licht bestrahlt. Zwischen der Elektrode 6 und der Anode 4 wird eine Spannung von mehreren zehn Volt angelegt und das Zweigrohr wird allmählich erhitzt, damit dem Gefäß 7 Caesium zugeführt wird. Nach dieser Aktivierungsbehandlung wird ein fotoelektrischer Strom beobachtet, der sein Maximum erreicht, wenn das Caesium in der Größenordnung einer einatomigen Schicht an der Elektronenemissionsoberfläche adsorbiert ist. Wenn folglich beobachtet wird, daß dieser fotoelektrische Strom einen maximalen Wert erreicht hat, wird das Zweigrohr wiederum abgekühlt und die Caesiumzufuhr gestoppt.

Es ist auch möglich, eine Spannung an die Elektroden 5 und 6 anzulegen und die Kaltelektronenemission ohne Bestrahlung zu messen. Sobald das Caesium auf diese

Weise zugeführt worden ist, wird das Silberrohr It erhitzt und dem Gefäß 7 Sauerstoff in luft zugeführt. Während der Sauerstoffzufuhr wird die fotoelektrische Empfindlichkeit oder Kaltelektronenemission überwacht, um sicherzustellen, daß der Sauerstoffdruck innerhalb des Gefäßes einen Druck von 13· 10' mbar nicht überschreitet. Wegen der Sauerstoffzufuhr fällt die Empfindlichkeit zeitweilig auf etwa ein Zehntel ab, steigt aber wieder an, wenn erneut Caesium eingeleitet wird. Wenn diese Vorgänge wiederholt werden und dabei der maximale Elektronenstrom erreicht worden isl, ist die Aktivierung abgeschlossen. Außerdem isl es möglich, als G'acsiumqucllc eine Cacsiumioncnkanonc /u verwenden. Wenn man sich auf dieses Verfahren stützt, kann man ferner eine Quaniifizierungsbehandlung durchführen. Nachdem die oben erwähnte Behandlung abgeschlossen worden ist, werden das Zweigrohr und das Gasablaßrohr geöffnet.

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nen, die unter den in die /weile Zone injizierten Elektronen die Elektrode erreichen, durch Rckombinalion oder sonstwie verloren gehen und nicht nach außen emittiert werden, ist es notwendig, das besondere Augenmerk auf Anordnung und Anbringung der Elektroden zu richten. Das heißt, es isl für manche Zwecke wichtig, die Elektroden 6 um mehr als die mittlere freie Weglänge der Elektronen vom Obergang 0 zu trennen. In Verbindung damit ist es ferner zweckmäßig, eine Sperre für die injizierten Elektronen zu bilden und ein inverses elektrisches f-'cld anzulegen. In Ausführung dessen können der Verlauf der Dotierstoffkonzcntralion und/oder der Energiebandabstand vorgegeben werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 6Λ, 6U, 6C und bD wird zuerst eine n-lcitcnde AI(A)Ga(A-- I)P-Zone I, wie sie in der Fig.6B dargestellt ist. auf einer n-leitcnden GaP-Basis Γ. wie sie in der Fig.6Λ dargestellt ist, gebildet. Dann wird eine Isolierschicht JO beispielsweise aus SiOj oder AI₂Oi gebildet, um. wie es die F i g. 6C wiedergibt, ausgewählte Teile der Zone I zu überdecken. Darauf wird eine zweite Zone 2 aus p-leitendem GaP urhildi ι und damit pin I Wvraana 0 definiert. Folglich wird das Gebiet der Elcktroncninjcktion auf den durch die Pfeile 12 wiedergegebenen Teil, den die Isolierschicht 30 nicht überdeckt, eingeschränkt. Wenn man den Abstand zwischen der Elektrode 6 und dem Übergang 0 genügend groß macht, können die injizierten Elektronen mit gutem Wirkungsgrad emittiert werden. Anstelle der Isolierschicht 30 können auch Kristalle hohen Widerstandes wie etwa GaP oder AI(x)Ga(l — x)P aufwachsen gelassen werden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Zone 1' ist die Elektrode S angeordnet Die zweite Zone 2 weist eine Emissionsoberfläche 3 auf. In der angesprochenen F i g. 6 und den restlichen F i g. 7 und 8 sind gleichartige Komponenten mit der gleichen Bezugsziffer bezeichnet. Es können für gleichartige Schichten dieselben Verbindungen oder Mischkristalle verwendet werden.

In einem anderen Ausführungsbeispicl. das in den Fig.7A, 7B. 7C und 7D wiedergegeben ist, wird zuerst eine Oxidschicht 30' wie etwa S1O2, wie sie in der F i g. 7B dargestellt ist, auf einer n-leitenden GaP-Basis Γ, wie sie in der Fig.7A dargestellt ist, gebildet und dient dann während des Diffusionsverfahrens als Maske. D. h, daß die Schicht 3C nach Eindiffundieren eines p-leitenden Dotierstc-ffes wie etwa Zn, um eine p-leitende Zone 31 entsprechend der Fig.7B TM bilden, entfernt wird. Die Zone 1 (Fig.7C)

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wird gebildet, indem auf der Zone Γ und der Schicht 31 eine n-leilende A\(x)Ga(\ -x)P-Schicht gezüchtet wird. Die Zone 2 aus p-lcitendem GaP wird dann entsprechend der Fig. 7D auf diese Zone 1 aufgebracht, um einen Übergang und eine Emissionsoberfläche 3 zu definieren, von der Elektronen 13 emittiert werden können. In diesem Falle arbeitet die auf den Rändern zwischen der Zone 31 und der Zone I sowie der Zone 31 und der Zone 1' gebildete Verarmungsschicht als Isolierschicht und erhöht zusammen mit ihrer einschränkenden Wirkung auf die niektroneninjeklionszone, die nicht von der Isolierschicht Jl bedeckt ist, tlen effektiven Abstand zwischen der aktiven Zone und der Elektrode 6.

Die F i g. 8A bis 8D zeigen ein weiteres Ausführtingsbcispicl. bei dem zunächst ein Mischkrislullsubsirat t aus p-leitendem AI(/)Gii(l —z)P-Matcrial (Fig. 8A) vorbereitet bzw hergestellt wird, wobei /eine positive Zahl kleiner als i ist. iiann werden entsprechend tier Darstellung in Fig. 8B p-leitende GaP-Schichtcn 2" in geeignclen Positionen auf einer Oberfläche der Schicht 2' gezüchtet. Die Zone 2 wird auf der anderen Oberfläche der bezeichneten Schicht gebildet, in dem eine p-lcilendc GaP-Schicht gezüchtet wird. Anschließend wird auf der Zone 2 (entsprechend der Fig.8C) eine n-lcilendc AI(A)Ga(I—x)P-Schicht als Zone 1 und dann eine η-leitende GaP-Schicht als Zone Γ gezüchtet. Ein Teil dieses Krislalles, der durch unterbrochene Linien dargeslcllt ist, wird mit einer Atzlösung, /. IJ. Flußsäiire, entfernt und eine Isolierschicht 30, etwa aus SiO₂. wird auf ausgewählten Teilen der Schicht I' angeordnet, um die Injckiionszone zu beschränken. Dann werden entsprechend der Darstellung in Fig. 81) die Elektroden 5 und 6 vorgesehen. Ferner kann die Isolierschicht .30 in der oben beschriebenen Weise durch eine GaP-Schicht mit hohem Widerstand oder eine Schicht aus anderem Material ersetzt werden. Weil die Isolierschicht einer solchen Kathode den Elektroneninjcktionsbereich einschränken kann und außerdem die Zone 2' einen breiteren Energiebandabstand als die Zone 2 aufweist, können die in die Zone 2 injizierten nnnn οΓΓοΙ*!,»» /l>tr"kn nnkin/titr

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Elektrode 6 einzutreten. Weil die Zone I und die Zone Γ daruberhinaus dünn ausgebildet sind, ist in Richtung auf die Elektrode 5 ein kleiner thermischer Widerstand möglich.

Um einen Temperaturanstieg zu verhindern, isl es wichtig, daß der Ohmschc Kontaktwiderstand der Elektrode klein wird. Für die einzelnen oben bcschricbcnen Beispiele gilt, daß dieser Widerstandswert genügend klein gemacht werden kann, weil die Zonen Γ und 2' aus GaP gebildet sind. Doch ist es auch möglich. Elektroden direkt an der Zone I und der Zone 2 und nicht an den anderen Zonen vorzusehen. Ferner kann, um die Wärmeableitung zu verbessern, die Kathode mit einer Basis aus beispielsweise Diamant oder saucrslofffreiem Kupfer guter thermischer Leitung, die als Wärmesenke wirken, in Berührung gebracht werden.

Wie bereits oben ausgeführt wurde, verhindert die neue Kaltkathode eine Rekombination der in die Zone 2 injizierten Elektronen und kann diese mit gutem Wirkungsgrad emittieren. Die Kathode wirkt auch gut wärmeleitend, während sie gleichzeitig eine durch Einschränken der Elektronenemissionszone gebildete Punktelektronenquelle ist. Außerdem kann für den Fall, daß versucht wird, den Elektronenstrom mit einer Elektronenlinse auf einen Punkt zu fokussieren, wegen des sehr engen Streubereiches der Anfangsgeschwin-

ligkeit der von der Halbleiterkiil'.kathode emittierten Elektronen ein sehr guter Brennpunkt eingestellt verden. Ferner gibt es noch andere hervorstechende Effekte wie etwa den, daß es möglich ist, unter Verzicht luf eine impulsförmige Betriebsweise Elektronen hoher Jichte im Gleichstrombelrieb zu emittieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kaltemissionshalbleitervorrichtung aus Gallium-Aluminiumphosphid

mit einem pn-Übergang zwischen einer ersten, η-leitenden und einer zweiten, p-leitenden Zone, von denen die eine epitaktisch auf der anderen aufgewachsen ist und von denen die p-Zone auf der dem pn-Übergang entgegengesetzten Oberfläche eine eine Elektronenemission ermöglichende Elektronenaffinität aufweist,

mit einer mit der η-Zone verbundenen ersten und einer mit der p-Zone verbundenen zweiten Elektrode,

und mit einer Einrichtung zur Potentialbeaufschlagung der Elektroden derart, daß der Übergang eine Vorspannung erfährt, die zu einer Elektroneninjektion aus der η-Zone in die p-Zone führt, so daß Elektronen von der Oberfläche der p-Zone emittiert werden,dadurch gekennzeichnet,
daß die GaHiurn-Alurniniumphosphidschichten der n- und der p-Zone verschiedene Aluminium- und Galliumanteile aufweisen,

daß die Kristallgitter der p- und der n-Zone aneinander angepaßt sind,

daß die p-Zone aus einem Indirektübergangshalblciter besteht,

daß die η-Zone einen größeren Bandabstand aufweist als di? p-Zone,

daß die Dicke der p-Zone kleiner ist als die mittlere freie Wegl?nge der Elektronen in dieser Zone und
daß der Abstand der zweiten Elektrode vom pn-Übergang größer ist .ils die mittlere freie Weglänge der Elektronen in der p-Zone.

2. Vorrichtung nach Anspri. η 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen erster Zone (1) und erster Elektrode (5) eine dritte, n-leitcnde GaP-Zone (V) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leilendc Zone (2) epitaktisch auf der n-leitendcn Zone (1) aufgewachsen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die dem pn-Übergang (0) entgegengesetzte Oberfläche (3) der p-leitendcn Zone (2) mittels Caesium oder Caesium und Sauerstoff aktiviert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Encrgiebandabsland 2,26 Elektronenvolt für GaP bis 2.45 Elektronenvolt für AIP beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Doticrstoffkonzcntration der zweiten Zone (2) vom pn-Übergang aus zur Oberfläche hin allmählich abnimmt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (30) oder eine Schicht hohen Widerstandes (31) auf ausgewählten Teilen auf einer Seite des Übergangs vorgesehen ist, um eine Konzentration des Elektronenflusses auf Gebiete des Übergangs zu bewirken, die durch die Isolierschicht oder Schicht hohen Widerstandes nicht wirksam bedeckt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die den Übergang bildenden Materialien hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten im wesentlichen aneinander angepaßt sind.

Die Erfindung betrifft eine Kaltemissionshalbleitervorrichtung aus Gallium-Aluminiumphosphid
mit einem pn-übergang zwischen einer ersten, n-leitenden und einer zweiten, p-leitenden Zone, von denen die eine epitaktisch auf der anderen aufgewachsen ist und von denen die p-Zone auf der dem pn-Übergang entgegengesetzten Oberfläche eine eine Elektronenemission ermöglichende Elektronenaffinität aufweist,
mit einer mit der n-Zcne verbundenen ersten und einer

ίο mit der p-Zone verbundenen zweiten Elektrode,

und mit einer Einrichtung zur Potentialbeaufschlagung der Elektroden derart, daß der Übergang eine Vorspannung erfährt, die zu einer Elektroneninjektion aus der η-Zone in die p-Zone führt, so daß Elektronen von der Oberfläche der p-Zone emittiert werden.

Eine Kaltemissionshalbleitervorrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 17 64406 bekannt. Die bekannte Kaltemissionshaibleitervorrichtung soll als Halbleiterelektronenquelle dienen, die keine äußere Vorspannungsquelle erfordert. Zu diesem Zweck ist eine n-Ieiiende Halbleiterschicht vorgesehen, die bis zur Entartung mit Akzeptoren dotiert ist, so daß das Ferminiveau im Hauptteil des Halbleiterkörpers etwas unterhalb der oberen Grenze des Valenzbandes liegt.

Ji Eine Entartungsdotierung bzw. ein Ferminiveau innerhalb des Valenzbandes bedeutet, daß bereits bei Raumtemperatur eine sehr große Anzahl von Löchern als bewegliche Ladungsträger verfügbar sind. Bei der bekannten Halbleilerelektronenquclle besteht eine als

in Substrat dienende η-Zone aus Galliumarsenid, und die p-Zonc ist epitaktisch auf diesem η-Substrat aufgewachsen. Dadurch, daß eine elektronenemiitierende p-Zone mit entarteter Akzeptordotierung vorgesehen ist, wird eine große Anzahl von Löchern in die η-Zone injiziert.

»■'· Dies führt dazu, daß ein beträchtlicher Teil der Elektronen, die eigentlich in die p-Zonc injiziert werden sollen, bereits in der η-Zone oder in der Übergangssperrschicht rekombinieren und für die Elektronenemission verlorengehen. Aufgrund di?-,cr entarteten p-Do-

■II) licrung wird also der Wirkungsgrad der Elektroncninjcktion in die p-Zone stark verschlechtert. Die trotzdem in die p-Zone injizierten Elektronen werden jedoch erneut durch die hohe Löcherkonzentration beeinträchtigt, da die Rckombinalionswahrscheinlichkeit zwischen

4^r> in die p-Zone injizierten Elektronen und dem in sehr großer Anzahl vorhandenen Löchern sehr groß ist. Dadurch wird der Elektronenemissionswirkungsgrad noch einmal verschlechtert. Aufgrund dieser hohen Löcherkonzcntrarion ist die Diffusionsweglänge der

>n injizierten Elektronen, d. h.. der von den Elektronen bis zur Rekombination zurückgelegte Weg. relativ klein. Um eine Emission möglichst vieler der in die p-Zone injizierten Elektronen zu ermöglichen, muß die Dicke der p-Schicht kleiner sein als die mittlere freie

« Weglänge der Elektronen. Da aber bei der bekannten Elektronenquelle aufgrund der hohen Rekombinationswahrscheinlichkeit die mittlere freie Weglänge der Elektronen sehr klein ist, muß die emittierende p-Zonc sehr dünn gemacht werden. Da Potentialzuführungs-

W) elektroden bei solchen Elcktroncnquellen nur im Seitcnraridbercich vorgesehen werden können, entweder mit Hilfe cindiffundierter Kontaktzonen oder mittels Randclektrodcn tritt ein erheblicher innerer Widerstand für den Injektionskreis auf, was wiederum

⁶"> den Injektionswirkungsgrad verschlechtert und andererseits zu einer erhöhten Wärmebildung führt, so daß eine relativ starke Beschränkung der Elektroneninjektionsstärke und damit der Elektronenemission