DE3025945C2

DE3025945C2 - Kaltkathodenstruktur mit mindestens einer Kaltkathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und Verwendung der Kaltkathodenstruktur

Info

Publication number: DE3025945C2
Application number: DE3025945A
Authority: DE
Inventors: Gerardus Gegorius Petrus van Eindhoven Gorkom; Arthur Marie Eugene Hoeberechts
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-07-13
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1987-01-02
Also published as: FR2461350B1; US4303930A; SE446417B; ES493310A0; GB2054959B; SE8009140L; IT8023378A0; ATA365480A; NL184589C; NL184589B; SE443061B; BE884289A; ES495230A0; ES8105117A1; SE8005070L; US4370797A; DE3025945A1; GB2054959A; AT383441B; CH652235A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathodenstruktur entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer derartigen Kaltkathodenstruktur in einer speziellen Bildwiedergabevorrichtung.
Die Verwendung von Kaltkathoden in Bildwiedergabevorrichtungen ist an sich aus der GB-PS 13 03 659 bekannt.
Eine Kaltkathodenstruktur dieser Art ist aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 29 02 746 bekannt.
Kaltkathoden werden u. a. in Kathodenstrahlröhren verwendet, in denen sie die übliche thermische Kathode, bei der Elektronenemission durch Erhitzung erzeugt wird, ersetzen.
Bei der Verwendung von Kaltkathoden der genannten Arten in z. B. Aufnahmeröhren oder kleinen Wiedergaberöhren werden die ausgelösten Elektronen mit Hilfe von Steuergittern beschleunigt, und der so erhaltene Elektronenstrahl wird häufig mit Hilfe einer Elektronenoptik in einem Punkt konzentriert. Dieser Punkt, ein sogenannter Strahlknoten ("Cross-over"), wirkt als eine reelle Quelle für den eigentlichen Elektronenstrahl, der dann z. B. mit Hilfe elektromagnetischer Mittel, wie Ablenkspulen, abgelenkt wird, um z. B. in einer Aufnahmeröhre eine photoleitende Schicht abzutasten, die Bildinformation enthält.
An der Stelle des obengenannten Strahlknotens finden gegenseitige Wechselwirkungen zwischen den ausgelösten Elektronen statt. Die Verteilung der Elektronenenergie wird dadurch derart beeinträchtigt, daß die zugehörige Elektronentemperatur erhöht wird und die Streuung der Energieverteilung der Elektronen größer wird. Dies übt auf die sogenannte Abnahmekurve des Strahls einen nachteiligen Einfluß aus, in dem Sinne, daß in der Aufnahmeröhre Nachwirkungseffekte auftreten.
Bei den bekannten Kaltkathoden weisen die erzeugten Elektronen eine Energieverteilung auf, die namentlich für den Gebrauch in einer Aufnahmeröhre nicht optimal ist. Die ausgelösten Elektronen weisen nämlich keine genau definierte Elektronentemperatur auf; die Energieverteilung der emittierten Elektronen weist jedoch neben einer scharfen Spitze, die von dem Strom durch den PN- Übergang und der Spannung an der Beschleunigungselektrode abhängig ist, eine zweite breite Verteilung von Energiewerten auf. Eine derartige unscharfe Energieverteilung beeinflußt die oben genannte Abnahmekurve des Strahls in ungünstigem Sinne.
Die Form der Energieverteilung läßt sich vermutlich als aus zwei Verteilungen aufgebaut erklären. Die breite Verteilung wird dabei dadurch erhalten, daß Elektronen heraustreten, die bereits im Verarmungsgebiet genügend Energie erhalten, um die Elektronenaustrittsarbeit zu überschreiten, und dadurch an verschiedenen Punkten der Oberfläche mit verschiedenen Potentialen heraustreten. Dagegen wird die schmalze Spitze im wesentlichen dadurch erhalten, daß Elektronen heraustreten, die die ganze Verarmungszone durchlaufen haben und aus dem leitenden Teil der N-leitenden Zone heraustreten, die an der Oberfläche ein nahezu konstantes Potential aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kaltkathodenstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß die austretenden Elektronen eine Energieverteilung mit möglichst geringer Streuung besitzen.
Aus der DE-PS 10 37 026 ist es bekannt, bei einer Kaltkathodenstruktur ohne elektrisch isolierende Schicht und Beschleunigungselektrode mit einem parallel zur Oberfläche des Halbleiterkörpers, die mit einem die Elektronenaustrittsarbeit verringernden Material bedeckt ist, verlaufenden PN-Übergang die Dicke der N-leitenden Schicht etwa 0,01 bis 10 µm dick zu wählen.
Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß dies dadurch erreicht werden kann, daß das elektrische Feld in der unmittelbaren Umgebung des PN-Übergangs beeinflußt wird, wobei die Energieverteilung der Elektronen dadurch beeinflußt werden kann, daß der PN-Übergang auf geeignete Weise angebracht wird.
Die genannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß in bei einer Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung die Verarmungszone nicht an die Oberfläche gelangt, fällt in der Energieverteilung der von einer derartigen Anordnung emittierten Elektronen die genannte "breite Spitze" weg.
Es sei bemerkt, daß im Aufsatz "Hot-Electron Emission from Shallow PN-Juntions in Silicon" von D. J. Bartelink, J. L. Moll und N. I. Meyer, veröffentlicht in "Physical Review", Band 130, Nr. 3, vom 1. Mai 1963, S. 972-985 Meßergebnisse der Energieverteilung von Elektronen gezeigt werden, die von einem gesperrten PN-Übergang parallel zu der Oberfläche durch Lawinenvervielfachung erzeugt werden und aus einem Siliciumkörper heraustreten. Die darin gezeigten Meßergebnisse stellen eine Energieverteilung dar, die sich über ein viel breiteres Gebiet als bei den Messungen an Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung erstreckt (die gemessenen Energieverteilungen weisen Halbwertsbreiten von etwa 1,4 eV bzw. etwa 0,5 eV auf, die Elektronentemperaturen von 0,5 eV bzw. 0,2 eV entsprechen).
Von einem möglichen Beitrag von Elektronen, die aus der Verarmungszone heraustreten, ist im genannten Aufsatz nicht die Rede.
In der verwendeten Anordnung ist jedoch von einer Beschleunigungselektrode keine Rede; auch weist der PN-Übergang nicht örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung auf.
Die Durchschlagspannung kann auf verschiedene Weise örtlich herabgesetzt werden. So können an der (den) gewünschten Stelle(n) Gitterbeschädigungen, z. B. durch Beschuß mit beschleunigten Teilchen, z. B. Protonen, herbeigeführt werden. Auch kann an der Stelle der Öffnung eine V-förmige Nut oder Grube in dem Halbleiterkörper gebildet werden, wodurch Konzentration der Feldlinien und demzufolge eine niedrigere Durchschlagspannung auftritt.
Vorzugsweise wird die Herabsetzung der Durchschlagspannung aber durch einen zusätzlichen Dotierungsschritt erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Durchschlagspannung örtlich durch eine örtlich höher dotierte Zone des P- leitenden Gebietes herabgesetzt, die wenigstens im Betriebszustand bis in die Verarmungszone reicht.
An der Stelle des höher dotierten P-leitenden Gebietes tritt nun eine Verschmälerung der Verarmungszone und dadurch eine Herabsetzung der Durchschlagspannung auf.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung beträgt die Breite des höher dotierten P-leitenden Gebietes höchstens 5 µm. Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß Stromkonzentration ("current-crowding") auftritt.
Die Kaltkathodenstruktur ist u. a. für die obengenannte Anwendung in Aufnahmeröhren vorzugsweise derart ausgeführt, daß die Öffnung die Form eines im wesentlichen ringförmigen Spaltes aufweist, wobei die Beschleunigungselektrode aus zwei oder mehr Teilelektroden aufgebaut ist und eine Teilelektrode innerhalb des ringförmigen Spaltes und eine Teilelektrode außerhalb des ringförmigen Spaltes liegt.
Der ringförmige Spalt braucht nicht immer kreisförmig zu sein, sondern kann z. B. auch ellipsenförmig und unter Umständen sogar quadratisch oder rechteckig sein.
Auch braucht die Öffnung nicht immer als ein Spalt ausgebildet zu werden. Namentlich in Wiedergabeanwendungen sind runde und auch quadratische oder rechteckige Öffnungen besonders geeignet.
Eine Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung kann, wie beschrieben wurde, mit Vorteil in einer Aufnahmeröhre verwendet werden, während auch für eine Wiedergabevorrichtung mit einer Halbleiterkathodenstruktur nach der Erfindung verschiedene Anwendungsmöglichkeiten bestehen. Eine derselben ist z. B. eine Wiedergaberöhre, die einen Leuchtschirm enthält, der von dem von der Kaltkathodenstruktur stammenden Elektronenstrom aktiviert wird.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung,
Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch die Kaltkathodenstruktur längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Darstellung der Energieverteilung der von einer Ausführungsform der Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung erzeugten Elektronen,
Fig. 4 schematisch eine übliche Kathodenstrahlröhre,
Fig. 5 schematisch eine Kathodenstrahlröhre, in der eine Ausführungsform der Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 6 schematisch im Querschnitt eine übliche Kaltkathodenstruktur, die für vergleichende Messungen mit einer Beschleunigungselektrode versehen ist,
Fig. 7 eine qualitative Darstellung der Energieverteilung der von einer Kaltkathodenstruktur nach Fig. 6 erzeugten Elektronen,
Fig. 8 bis 10 schematisch im Querschnitt die Kaltkathodenstruktur nach Fig. 2 in aufeinanderfolgenden Stufen ihrer Herstellung,
Fig. 11 schematisch einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung,
Fig. 12 bis 14 schematische im Querschnitt die Kaltkathodenstruktur nach Fig. 11 in aufeinanderfolgenden Stufen ihrer Herstellung,
Fig. 15 schematisch einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung,
Fig. 16 schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung,
Fig. 17 schematisch im Querschnitt die Kaltkathodenstruktur nach Fig. 15 während einer Stufe ihrer Herstellung,
Fig. 18 schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung,
Fig. 19 schematisch eine Draufsicht auf eine Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung zur Anwendung in einer Wiedergabevorrichtung,
Fig. 20 schematisch einen Querschnitt durch die Kaltkathodenstruktur nach Fig. 19 längs der Linie XX-XX,
Fig. 21 schematisch einen Querschnitt durch die Kaltkathodenstruktur nach Fig. 19 längs der Linie XXI-XXI,
Fig. 22 schematisch und perspektivisch einen Teil einer Wiedergabevorrichtung, in der eine Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 23 schematisch eine derartige Wiedergabevorrichtung für Wiedergabezwecke, und
Fig. 24 schematisch eine derartige Wiedergabevorrichtung zur Anwendung in der Elektronenstrahllithographie.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber in den Querschnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung übertrieben groß dargestellt sind. Halbleiterzonen vom gleichen Leitungstyp sind im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile in der Regel mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht und Fig. 2 im Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 eine Anordnung, die für die Erzeugung eines Elektronenstrahls eingerichtet ist. Diese Anordnung enthält dazu eine Kathode mit einem Halbleiterkörper 1, der im vorliegenden Beispiel aus Silicium besteht. Der Halbleiterkörper enthält im vorliegenden Beispiel ein an eine Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers grenzendes N-leitendes Gebiet 3, das mit einem P-leitenden Gebiet 4 den PN-Übergang 5 bildet. Durch das Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung über dem PN-Übergang werden durch Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt, die aus dem Halbleiterkörper heraustreten. Dies ist durch den Pfeil 6 in Fig. 2 dargestellt.
In der Praxis ist der Wirkungsgrad einer Anordnung dieser Art, namentlich bei Anwendung von Silicium als Halbleitermaterial, derart niedrig, daß von einer brauchbaren Kathode nicht die Rede ist. Diesem Nachteil kann durch die Anwendung von Siliciumcarbid entgegengekommen werden, aber dies ist in technologischer Hinsicht ungünstig, weil die bei der Herstellung integrierter Schaltungen angewandte Technologie dazu nicht geeignet ist.
Die Oberfläche 2 ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht 7 aus z. B. Siliciumoxid versehen, in der mindestens eine Öffnung 8 vorgesehen ist. Innerhalb der Öffnung 8 verläuft der PN- Übergang 5 nahezu parallel zu der Oberfläche 2. Weiter ist auf der Isolierschicht 7 auf dem Rande der Öffnung 8 eine Beschleunigungselektrode 9 erzeugt, die im vorliegenden Beispiel aus polykristallinem Silicium besteht. Polykristalline Beschleunigungselektroden aus Silicium an sich sind aus der DE-OS 27 16 992 bekannt.
Der PN-Übergang 5 weist innerhalb der Öffnung 8 örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung als der übrige Teil des PN-Übergangs auf. Im vorliegenden Beispiel wird die örtliche Herabsetzung der Durchschlagspannung dadurch erhalten, daß innerhalb der Öffnung 8 die Verarmungszone 10 bei der Durchschlagspannung schmäler als an anderen Punkten des PN-Übergangs 5 ist. Der Teil des PN-Übergangs 5 mit herabgesetzter Durchschlagspannung ist von der Oberfläche 2 durch die N- leitende Schicht 3 getrennt. Diese Schicht weist eine derartige Dicke und eine derartige Dotierung auf, daß sich bei der Durchschlagspannung die Verarmungszone 10 des PN-Übergangs 5 nicht bis zu der Oberfläche 2 erstreckt. Dadurch bleibt eine Oberflächenschicht 11 vorhanden, die die Leitung des nicht emittierten Teiles des Lawinenstroms besorgt. Die Oberflächenschicht 11 ist dünn genug, um einen Teil der durch Lawinenvervielfachung erzeugten Elektronen durchzulassen, wobei diese Elektronen aus dem Halbleiterkörper 1 heraustreten und den Strahl 6 bilden.
Die Einschnürung der Verarmungszone 10 und damit die örtliche Herabsetzung der Durchschlagspannung des PN-Übergangs 5 wird im vorliegenden Beispiel dadurch erhalten, daß innerhalb der Öffnung 8 ein höher dotiertes P-leitendes Gebiet 12 erzeugt wird, das mit dem N- leitenden Gebiet 3 einen PN-Übergang bildet.
Die Anordnung ist weiter noch mit einer Anschlußelektrode 13 versehen, die über ein Kontaktloch mit der N-leitenden Kontaktzone 14 verbunden ist, die mit der N-leitenden Zone 3 verbunden ist. Die P-leitende Zone ist im vorliegenden Beispiel auf der Unterseite mittels der Metallisierungsschicht 15 kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt vorzugsweise über eine hochdotierte P-leitende Kontaktzone 16.
Im Beispiel nach Fig. 1 und 2 ist die Donatorkonzentration im N-leitenden Gebiet 3 an der Oberfläche z. B. 5 · 10¹⁸ Atome/cm³, während die Akzeptorkonzentration im P-leitenden Gebiet 4 viel niedriger ist und z. B. 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt. Das höher dotierte P-leitende Gebiet 12 innerhalb der Öffnung 8 weist an der Stelle des PN-Übergangs eine Akzeptorkonzentration von z. B. 3 · 10¹&sup7; Atomen/cm³ auf. Ddurch ist an der Stelle dieses Gebietes 12 die Verarmungszone 10 des PN-Übergangs 5 eingeschnürt, was eine herabgesetzte Durchschlagspannung ergibt. Dadurch wird die Lawinenvervielfachung zuerst an dieser Stelle auftreten.
Die Dicke des N-leitenden Gebietes 3 beträgt im vorliegenden Beispiel 0,02 µm. Bei der genannten Donatorkonzentration können eine genügende Anzahl von Donatoren ionisiert werden, um die Feldstärke (etwa 6 · 10⁵ V/cm), bei der Lawinenvervielfachung auftreten wird, zu erreichen, während dennoch eine Oberflächenschicht 11vorhanden bleibt, wodurch einerseits die Leitung zu dem PN-Übergang 5 stattfinden kann, während diese Schicht andererseits dünn genug ist, um einen Teil der erzeugten Elektronen durchzulassen. Bei einer Dicke von 0,2 µm wird die N-leitende Schicht im allgemeinen einen derartigen hemmenden Einfluß auf die erzeugten Elektronen ausüben, daß der Wirkungsgrad der Kathode derart stark verringert wird, daß diese Kathode nicht mehr brauchbar ist.
Beim Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung über dem PN-Übergang 5 in der in Fig. 1 und 2 angegebenen Richtung wird zu beiden Seiten dieses Übergangs eine Verarmungszone gebildet, d. h. ein Gebiet, in dem sich praktisch keine beweglichen Ladungsträger befinden. Außerhalb dieser Verarmungszone ist Leitung gut möglich, so daß nahezu die ganze Spannung über dieser Verarmungszone steht. Das damit einhergehende elektrische Feld kann nun derart hoch werden, daß Lawinenvervielfachung auftritt. Dabei werden Elektronen ausgelöst, die vom vorhandenen Feld derart beschleunigt werden, daß sie beim Zusammenstoß mit Siliciumatomen Elektron-Loch- Paare bilden. Die dadurch erhaltenen Elektronen werden ihrerseits wieder vom elektrischen Feld beschleunigt und können aufs neue Elektron-Loch-Paare bilden. Die Energie der Elektronen kann derart hoch sein, daß die Elektronen genügend Energie aufweisen, um aus dem Material herauszutreten. Dadurch wird ein Elektronenstrom erhalten, der in Fig. 2 schematisch mit dem Pfeil 6 angegeben ist.
Dadurch, daß eine Beschleunigungselektrode 9 angebracht wird, die auf einer Isolierschicht 7 am Rande einer Öffnung 8 liegt, können die ausgelösten Elektronen, indem die Beschleunigungselektrode 9 an ein positives Potential angelegt wird, in einer Richtung nahezu senkrecht zu der Oberfläche 2 beschleunigt werden. Es handelt sich hier in der Regel um eine zusätzliche Beschleunigung in dieser Richtung, weil eine derartige Halbleiterstruktur (Kathode) in der Praxis einen Teil einer Anordnung bildet, in der gegebenenfalls in einiger Entfernung bereits eine positive Anode oder andere Elektrode, wie z. B. ein Steuergitter, vorhanden ist.
Elektronenemission findet im vorliegenden Beispiel gemäß einem praktisch ringförmigen Spalt statt. Obgleich dies durch den schematischen Charakter der Zeichnung nicht deutlich ersichtlich ist, wird die Unterbrechung des Spaltes für den Anschluß 9 b in bezug auf den Gesamtumfang sehr klein sein, so daß dies für praktische Anwendungen nicht bedenklich ist. Die Beschleunigungselektrode besteht hier aus zwei Teilen 9 a und 9 b. Dadurch, daß diese Teile an je ein verschiedenes Potential angelegt werden, kann bewirkt werden, daß der heraustretende Strahl divergiert oder konvergiert und z. B. auf dem empfindlichen Teil einer Auftreffplatte in einer Aufnahmeröhre abgebildet wird.
Die Öffnung 8 weist im vorliegenden Beispiel die Form eines schmalen Spaltes auf, dessen Breite in derselben Größenordnung wie die Dicke der Isolierschicht 7 liegt. So ist die Breite des Spaltes z. B. 4 µm und die Dicke der Oxidschicht 1 µm. Dadurch, daß diese Abmessungen so gewählt werden und die Beschleunigungselektrode 9 in der unmittelbaren Nähe und vorzugsweise rings um diese Öffnung angeordnet wird, wird über dem Spalt eine Äquipotentialfläche erhalten, was der Beschleunigung der Elektronen zugute kommt.
Die elektrisch isolierende Schicht 7 besteht im vorliegenden Beispiel aus Siliciumoxid, während die Beschleunigungselektrode 9, gleich wie die Elektrode 13, aus polykristallinem Silicium besteht. Für die Isolierschicht kann aber jedes geeignete andere Material, wie z. B. eine Siliciumnitrid-Siliciumoxid-Doppelschicht, gewählt werden, während für die Elektroden jedes andere in der Halbleitertechnologie übliche Material, wie z. B. Aluminium, verwendet werden kann.
Die Breite des P-leitenden Gebietes 12 beträgt im vorliegenden Beispiel 3 µm. Diese Breite ist vorzugsweise kleiner als 5 µm, weil sonst am Rande dieses Gebietes entlang Stromkonzentration ("Current crowding") auftritt.
Infolge einer Spannung an der Beschleunigungselektrode tritt Herabsetzung der Elektronenaustrittsarbeit auf (Schottky-Effekt), wodurch die obengenannte Emission vergrößert wird. Die Emission von Elektronen kann außerdem noch dadurch vergrößert werden, daß die Halbleiteroberfläche 2 innerhalb der Öffnung 8 mit einem die Austrittsarbeit herabsetzenden Material, z. B. mit einer Schicht 31 aus einem Barium oder Cäsium enthaltenden Material, überzogen wird.
Fig. 3 zeigt die Energieverteilung, wie sie an einer Kathode nach Fig. 1 gemessen ist.
Dabei ist die Anzahl den Halbleiterkörper mit einer bestimmten Energie verlassender Elektronen über dieser Energie aufgetragen. Als Abszisse ist die Energie E in eV aufgetragen, während als Ordinate die Anzahl emittierter Elektronen N(E) in beliebigen Einheiten aufgetragen ist. Der Absolutwert von N(E) ist u. a. von dem Lawinenstrom und der Spannung an der Beschleunigungselektrode abhängig.
Dadurch, daß der PN-Übergang nahezu parallel zu der Oberfläche verläuft und die Verarmungszone 10 nicht bis zu der Oberfläche vordringt, werden nur Elektronen ausgelöst, die die ganze Verarmungszone durchlaufen haben. Die zugehörige Energieverteilung weist eine schmale Spitze 18 auf. Eine derartige Energieverteilung ist namentlich für die Anwendung der Kathode in Aufnahmerohren sehr günstig.
In Fig. 4 ist schematisch eine Aufnahmeröhre 51, z. B. eine Fernsehaufnahmeröhre, vom üblichen Typ mit z. B. einer thermischen Kathode 54 dargestellt. Die Aufnahmeröhre enthält in einem luftdicht verschlossenen Vakuumkolben 33 eine photoleitende Auftreffplatte 34 aus z. B. Antimontrisulfid, wobei die Schicht dieser Auftreffplatte vom Elektronenstrahl 6 abgetastet wird, und ein Schirmgitter 39.
Die Aufnahmeröhre enthält auf übliche Weise Elektroden 35, 36 zur Beschleunigung von Elektronen und zum Fokussieren des Elektronenstrahls. Weiter sind übliche Mittel vorhanden, mit deren Hilfe der Elektronenstrahl abgelenkt wird, so daß die Auftreffplatte 34 abgetastet werden kann. Diese Mittel bestehen z. B. aus einem Spulensystem 37. Ein aufzunehmendes Bild wird mit Hilfe der Linse 38 auf die Auftreffplatte 34 projiziert, wobei die Endwand 52 für Strahlung durchlässig ist.
Die andere Endwand 53 ist für elektrische Anschlüsse mit Durchführungen 40 versehen.
Die aus der Kathode 54 ausgelösten Elektronen werden zunächst im Punkt 41 mit Hilfe der Elektroden 35, 36 fokussiert, wonach dieser Punkt mit Hilfe des Spulensystem 37 auf der photoleitenden Schicht 34 abgebildet wird. Bei der Fokussierung der Elektronen im Punkt 41 ("Cross-over") tritt gegenseitige Wechselwirkung auf, was zur Folge hat, daß der Elektronenstrahl ein breiteres Energiespektrum erhält, wodurch die genannten Nachwirkungseffekte auftreten.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Aufnahmeröhre 51 mit einer Halbleiterkathode 1 nach der Erfindung. Die Aufnahmeröhre enthält weiter in einem luftdicht verschlossenen Vakuumkolben 33 eine photoleitende Auftreffplatte 34, wobei die Schicht dieser Auftreffplatte vom Elektronenstrahl 6 abgetastet wird, während die Aufnahmerohre weiter mit einem Spulensystem 37 zur Ablenkung des Strahls und mit einem Schirmgitter 39 versehen ist. Ein aufzunehmendes Bild wird mit Hilfe der Linse 38 auf die Auftreffplatte 34 projiziert, wobei die Endwand 52 für Strahlung durchlässig ist. Für elektrische Anschlüsse ist die Endwand 53 mit Durchführungen 40 versehen. Im vorliegenden Beispiel ist die Halbleiterkathode nach den Fig. 1 und 2 auf der Endwand 53 der Aufnahmeröhre 51 montiert.
Dadurch, daß die Kathode Elektronen mit einer sehr geringen Streuung in der Energie emittiert, ist eine derartige Kathode besonders gut zur Anwendung in einer derartigen Aufnahmeröhre (oder in einer kurzen Wiedergaberöhre) geeignet; dies im Gegensatz zu z. B. Halbleiterelektroden, bei denen die Verarmungszone des emittierenden PN-Übergangs an der Oberfläche freigelegt wird, wobei diese Halbleiterelektroden Elektronen mit einer großen Streuung in der Energie emittieren. Dadurch, daß die Elektronen nicht zuerst in einem sogenannten "Cross-over" konzentriert werden, bleibt die Energieverteilung schmal.
Dadurch, daß die Teilelektrode 9 a an eine höhere positive Spannung als die Teilelektrode 9 b angelegt wird, verlassen im vorliegenden Beispiel die Elektronen 6 die Kathode entlang einer Kegelstumpfoberfläche, wobei die Elektronen gleichsam aus der virtuellen Quelle 32 heraustreten. Dadurch kann eine kürzere Aufnahmeröhre 51 erhalten werden, während andererseits eine dynamische Fokussierung dadurch möglich ist, daß abhängig von der abzutastenden Stelle auf der Auftreffplatte 34 mit Hilfe der Spannungen an den Teilelektroden 9 a, 9 b die Lage der virtuellen Quelle 32 geändert wird.
Die Tatsache, daß die Elektronen nun gleichsam die Kathode entlang einer Kegel(strumpf)oberfläche verlassen und sich dadurch entlang der Oberfläche des Strahls bewegen, ergibt außerdem elektronenoptische Vorteile in bezug auf die übliche Aufnahmeröhre nach Fig. 4, bei der sich die Elektronen über den ganzen Querschnitt des Strahls bewegen. Bekanntlich beeinflußt das Spulensystem 37 nämlich die Elektronen, die sich entlang der Achse des Strahls bewegen, auf andere Weise als die Elektronen, die sich entlang der Oberfläche des Strahls bewegen.
Fokussierung auf die photoempfindliche Schicht 34 ist auch durch direkte Steuerung der Kathode möglich. Dadurch sind die Fokussierungselektroden überflüssig. Dies bedeutet, daß einerseits keine Verbreiterung des Energiespektrums im Fokussierungspunkt ("Cross-over") stattfindet, während man andererseits mit weniger Hilfselektroden in der Kathodenstrahlröhre und mit einer kürzeren Kathodenstrahlröhre auskommen kann.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung 1 mit einer Kathode, bei der sich die Verarmungszone bis zu der Oberfläche 2 erstreckt, wie dies z. B. in der britischen Patentschrift 13 03 659 beschrieben ist. Der PN- Übergang 5 wird hier zwischen einem N-leitenden Substrat 3 und einem P-leitenden Gebiet 4 gebildet, die außerhalb der Zeichnung mit Kontakten versehen sind, um den PN- Übergang 5 in der Sperrichtung vorzuspannen. Dadurch wird wieder Lawinenvervielfachung im PN-Übergang 5 erzeugt, wobei Elektronen aus dem Halbleiterkörper heraustreten können, was mit dem Pfeil 6 angegeben ist. Die heraustretenden Elektronen können in einer derartigen Anordnung auch wieder mittels einer Beschleunigungselektrode 9 beschleunigt werden, die auf dem Rande einer Öffnung 8 in einer Isolierschicht 7 angeordnet ist, wobei über diese Öffnung die Oberfläche 2 freigelegt wird. An diese Oberfläche, die erwünschtenfalls wieder mit einer Schicht 31 aus einem die Austrittsarbeit herabsetzenden Material versehen werden kann, grenzen im vorliegenden Beispiel der PN- Übergang 5 sowie die Verarmungszone 10.
Die Energieverteilung der aus dem Halbleiterkörper heraustretenden Elektronen als Funktion der Energie E weist im vorliegenden Falle nicht die Form eines schmalen Bandes auf. Bei Messungen an einer Kathode nach Fig. 6, wobei die Verarmungszone 10 an die Oberfläche 2 gelangt, stellt sich heraus, daß die Energieverteilung durch die Kurve 17 in Fig. 7 dargestellt werden kann. Neben einer schmalen Spitze 20, die von dem Strom durch den PN-Übergang und der Spannung an der Beschleunigungselektrode abhängig ist, weist diese Energieverteilung ein breites Band 19 auf. Dies läßt sich möglicherweise dadurch erklären, daß eine Anzahl von Elektronen beim Durchlaufen der Verarmungszone bereits genügend Energie empfangen, um herauszutreten, bevor sie die Verarmungszone völlig durchlaufen haben. Diese Elektronen werden dadurch an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche 2 innerhalb der Verarmungszone 10 ausgelöst. Da über dieser Verarmungszone nahezu die ganze Sperrspannung steht, tritt in diesem Teil ein Spannungsgradient entlang der Oberfläche 2 auf. Elektronen, die heraustreten, verlassen dadurch die Oberfläche 2 mit verschiedenen Anfangspotentialen und erhalten dadurch verschiedene Energien. Die schmale Spitze 20 wird nach dieser Erklärung durch Elektronen gebildet, die die Verarmungszone völlig oder nahezu völlig durchlaufen haben, und verlassen die Oberfläche mit als Anfangspotential dem Potential des N-leitenden Gebietes.
Die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 kann auf folgende Weise hergestellt werden (Fig. 8 bis 10).
Es wird von einem Halbleiterkörper 1 aus Silicium mit einem an eine Oberfläche 2 grenzenden N-leitenden Gebiet (14, 26) ausgegangen, das mit einem daran grenzenden P-leitenden Gebiet 4 einen PN-Übergang 5 bildet. Dieser Halbleiterkörper kann z. B. wie folgt erhalten werden: Auf einem P-leitenden Siliciumsubstrat 16 mit im vorliegenden Beispiel einem spezifischen Widerstand von 0,001 Ω · cm wird durch epitaktisches Anwachsen eine epitaktische Schicht 4 mit einer Dicke von 10 µm und einem spezifischen Widerstand von 10 Ω · cm abgelagert. Dann wird durch Diffusion von z. B. Phosphor die N-leitende Kontaktzone 14 im Halbleiterkörper bis zu einer Tiefe von etwa 2 µm erzeugt. Die Oberflächenkonzentration der Zone 14 beträgt z. B. 10¹⁹ Atome/cm³. Die N-leitende Oberflächenzone 26 wird bis zu einer geringeren Tiefe als die Kontaktzone 14 z. B. mittels einer Arsenimplantation erzeugt. Dabei werden Arsenionen mit einer Energie von etwa 50 kV und einer Dosis von etwa 10¹⁴ Ionen/cm² bis zu einer Tiefe von z. B. 0,2 µm implantiert.
Auf bekannte Weise wird die Oberfläche 2 danach mit einer Isolierschicht 7 aus z. B. Siliciumoxid z. B. durch thermische Oxidation überzogen. Auf dieser Schicht 7 mit einer Dicke von z. B. 1 µm wird anschließend eine elektrisch leitende Schicht 9, z. B. eine Schicht aus polykristallinem Silicium, erzeugt. Diese Schicht 9 wird dann mit einer Maskierungsschicht 21 aus z. B. Siliciumnitrid überzogen.
In dieser Maskierungsschicht wird mit Hilfe photolithographischer Ätztechniken eine Öffnung 22 definiert, wonach über diese Öffnung zunächst eine Öffnung in die leitende Schicht 9 aus polykristallinem Silicium z. B. mit Hilfe von Plasmaätzen geätzt und dann eine Öffnung in die Isolierschicht 7 z. B. mit einer Lösung von Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid in Wasser geätzt wird. Damit ist die Konfiguration nach Fig. 8 erhalten.
Die Öffnung im polykristallinen Silicium 9 wird anschließend mit Hilfe von Unterätzung bis zu dem Rand 23 vergrößert; die vom Rande 23 begrenzte Öffnung wird dadurch größer als der durch Ätzung der Isolierschicht 7 freigelegte Teil der Oberfläche 2. Das für die Unterätzung verwendete Ätzmittel (z. B. ein Gemisch von Fluorwasserstoff- Säure und Salpetersäure und Essigsäure) greift zu gleicher Zeit die N-leitende Oberflächenzone 26 an. Diese Ätzbehandlung wird fortgesetzt, bis die Oberflächenzone 26 an der Stelle der Öffnung 22 über ihre ganze Dicke entfernt ist. Dadurch, daß auch in lateraler Richtung das verwendete Ätzmittel das polykristalline Silicium schneller als das einkristalline Silicium angreift, ist die Öffnung in der Schicht 9 aus polykristallinem Silicium größer als die Öffnung 27 in dem einkristallinen Silicium (Fig. 9). Dann werden z. B. Borionen mit einer Energie von 20 kV und einer Dosis von 8 · 10¹² Ionen/cm² implantiert, wobei die Maskierungsschicht 21 in Vereinigung mit der Isolierschicht 7 als Implantationsmaske dient. Nach der Implantation wird das Bor nötigenfalls weiterdiffundiert, was das P- leitende Gebiet 24 ergibt, das eine erhöhte Dotierung (eine Oberflächendotierungskonzentration von 10 ¹⁷ bis 10¹⁸ Atomen/cm³) in bezug auf die epitaktische Schicht 4 aufweist. Damit ist die Anordnung nach Fig. 9 erhalten.
Nachdem die Maskierungsschicht 21 entfernt ist, wird die Oxidschicht 7 in einer Lösung von Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid in Wasser mit der Schicht 9aus polykristallinem Silicium als Ätzmaske geätzt. Danach wird die freigelegte einkristalline Siliciumoberfläche, ebenso wie das polykristalline Silicium, mit einer Oxidhaut 25 mit einer Dicke von etwa 0,2 µm z. B. durch thermische Oxidation versehen. Diese Oxidhaut hat nicht nur eine schützende Wirkung, sondern hat auch während einer folgenden Implantation von Donatoren zum Zweck, die Implantation derart zu beeinflussen, daß nach der Implantation und einem darauffolgenden Ausglühschritt die Höchstkonzentration der implantierten Donatoren etwa mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers zusammenfällt. Dadurch wird eine befriedigende Leitung entlang der Oberfläche erhalten.
Die Donatoren werden z. B. durch eine Arsenimplantation bis zu einer die des P-leitenden Gebietes 24 unterschreitenden Tiefe, z. B. 0,02 µm, mit einer Energie von 40 kV und einer Dosis von 3 · 10¹³ Ionen/cm² angebracht. Durch diese Implantation wird das N-leitende Gebiet 3 gebildet. Die Oberflächenzone des P-leitenden Gebietes 24 wird dadurch umdotiert; der verbleibende Teil bildet das in Fig. 2 dargestellte P-leitende Gebiet 12. Damit ist die Anordnung nach Fig. 10 erhalten.
Nach dem bereits erwähnten Ausglühschritt wird die Oxidhaut 25 z. B. durch Ätzen entfernt. An nicht in dem Querschnitt angegebenen Stellen sind Kontaktlöcher in der Isolierschicht zum Kontaktieren der N-leitenden Zone 14 z. B. vor der Erzeugung der leitenden Schicht 9 angebracht. Die leitende Schicht 9 wird während der obengenannten Ätzung des polykristallinen Siliciums in Muster geätzt, wobei die Beschleunigungselektroden 9 a, 9 b und die Anschlußelektrode 13 erhalten werden.
Nachdem die Anordnung auf der Unterseite mit einer Metallisierungsschicht 15 versehen ist, ist die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 erhalten. Auf den Elektroden 9, 13 und 15 werden schließlich Anschlußleiter angebracht. Auf der Oberfläche 2 kann eine Schicht 31 aus einem die Austrittsarbeit herabsetzenden Material, z. B. Barium oder Cäsium, angebracht werden.
Fig. 11 zeigt schematisch im Querschnitt eine andere Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung in derselben Draufsicht wie Fig. 1. Der Querschnitt ist wieder längs der Linie II-II gezeichnet. Diese Anordnung enthält wieder eine Kathode mit einem Halbleiterkörper 1, z. B. aus Silicium, mit einem PN-Übergang 5 zwischen einem an die Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1 grenzenden N-leitenden Gebiet 3 und einem P-leitenden Gebiet 4. Durch das Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung über dem PN- Übergang werden wieder Elektronen erzeugt, die aus dem Halbleiterkörper heraustreten können, was mit dem Pfeil 6 angegeben ist.
Die Oberfläche 2 ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht 7 aus z. B. Siliciumoxid versehen, in der mindestens eine Öffnung 8 angebracht ist. Innerhalb der Öffnung 8 verläuft der PN-Übergang 5 nahezu parallel zu der Oberfläche 2. Weiter ist auf der Isolierschicht 7 auf dem Rande der Öffnung 8 eine Beschleunigungselektrode 9 erzeugt, die im vorliegenden Beispiel aus polykristallinem Silicium besteht.
Der PN-Übergang 5 weist innerhalb der Öffnung 8 örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung als der übrige Teil des PN-Übergangs auf. Im vorliegenden Beispiel wird die örtliche Herabsetzung der Durchschlagspannung dadurch erhalten, daß innerhalb der Öffnung 8 die Verarmungszone 10 bei der Durchschlagspannung schmäler als an anderen Punkten des PN-Übergangs 5 ist. Der Teil des PN-Übergangs 5 mit herabgesetzter Durchschlagspannung ist von der Oberfläche 2 durch die N- leitende Schicht 3 getrennt. Diese Schicht weist eine derartige Dicke und eine derartige Dotierung auf, daß sich bei der Durchschlagspannung die Verarmungszone 10 des PN-Übergangs 5 nicht bis zu der Oberfläche 2 erstreckt. Dadurch bleibt eine Oberflächenschicht 11 vorhanden, die die Leitung des Lawinenstroms besorgt. Die Oberflächenschicht 11 ist dünn genug, um einen Teil der durch Lawinenvervielfachung erzeugten Elektronen durchzulassen, welche Elektronen aus dem Halbleiterkörper 1 heraustreten und den Strahl 6 bilden.
Die Einschnürung der Verarmungszone 10 und damit die örtliche Herabsetzung der Durchschlagspannung des PN-Übergangs 5 wird auch hier dadurch erhalten, daß innerhalb der Öffnung 8 ein höher dotiertes P-leitendes Gebiet 12 erzeugt wird, das mit dem N-leitenden Gebiet 3 einen PN-Übergang bildet.
Die Anordnung ist weiter noch mit einer Anschlußelektrode 13 versehen, die über ein Kontaktloch mit der N-leitenden Kontaktzone 14 verbunden ist, die mit der N-leitenden Zone 3 verbunden ist. Die P-leitende Zone ist im vorliegenden Beispiel auf der Unterseite mittels der Metallisierungsschicht 15 kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt vorzugsweise über eine hoch dotierte P- leitende Kontaktzone 16.
Im Beispiel nach Fig. 11 ist die Donatorkonzentration im N-leitenden Gebiet 3 z. B. 5 · 10¹⁸ Atome/cm³ während die Akzeptorkonzentration im P-leitenden Gebiet 4 viel niedriger ist und z. B. 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt.
Das höher dotierte P-leitende Gebiet 12 innerhalb der Öffnung 8 weist am PN-Übergang eine Akzeptorkonzentration von z. B. 2 · 10¹⁷ Atomen/cm³ auf. Dadurch ist an der Stelle dieses Gebietes 12 die Verarmungszone 10 des PN- Übergangs 5 eingeschnürt, was eine herabgesetzte Durchschlagspannung ergibt. Dadurch wird die Lawinenvervielfachung zuerst an dieser Stelle auftreten.
Die Dicke des N-leitenden Gebietes 3 beträgt im vorliegenden Beispiel wieder 0,02 µm. Bei der genannte Donatorkonzentration können eine genügende Anzahl von Donatoren ionisiert werden, um die Feldstärke (etwa 6 · 10⁵ V/cm), bei der Lawinenvervielfachung auftreten wird, zu erreichen, während dennoch eine Oberflächenschicht 11 vorhanden bleibt, wodurch einerseits die Leitung zu dem PN-Übergang 5 stattfinden kann, während diese Schicht andererseits dünn genug ist, um einen Teil der erzeugten Elektronen durchzulassen.
Die Anordnung nach Fig. 11 kann auf folgende Weise hergestellt werden (Fig. 12 bis 14).
Es wird von einem Halbleiterkörper 1 mit einem an eine Oberfläche 2 grenzenden N-leitenden Gebiet 14 ausgegangen, das mit einem daran grenzenden P-leitenden Gebiet 4 einen PN-Übergang 5 bildet. Dieser Halbleiterkörper kann z. B. dadurch erhalten sein, daß auf einem P- leitenden Siliciumsubstrat 16 mit im vorliegenden Beispiel einem spezifischen Widerstand von 0,001 Ω · cm eine P-leitende epitaktische Schicht mit einer Dicke von 10 µm und einem spezifischen Widerstand von 10 Ω · cm angewachsen wird. Das N-leitende Gebiet 14 ist mit Hilfe von Diffusion von z. B. Phosphor bis zu einer Tiefe von etwa 2 µm in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Die Dotierungskonzentration des N-leitenden Gebietes 14 beträgt an der Oberfläche z. B. 2 · 10¹⁹ Atome/cm³.
Auf bekannte Weise wird die Oberfläche 2 dann mit einer Isolierschicht 7, z. B. aus Siliciumoxid, z. B. durch thermische Oxidation überzogen. Auf dieser Schicht 7 mit einer Dicke von z. B. 1 µm wird anschließend eine elektrisch leitende Schicht 9, z. B. eine Schicht aus polykristallinem Silicium, erzeugt. Diese Schicht 9 wird dann mit einer Maskierungsschicht 21 aus z. B. Siliciumnitrid überzogen.
In dieser Maskierungsschicht 21 wird mittels photolithographischer Ätztechniken ein Fenster 22 für den nachfolgenden Ätzschritt definiert. Das Fenster 22 ist derart bemessen, daß es, in Projektion gesehen, zwischen den Teilen des N-leitenden Gebietes 14 liegt. Dann wird die unterliegende Schicht 9 aus polykristallinem Silicium über das Fenster 22 z. B. durch Plasmaätzen geätzt. Damit ist die Konfiguration nach Fig. 12 erhalten.
Die Ätzung des polykristallinen Siliciums wird fortgesetzt, bis die Öffnung größer als der darunter an die Oberfläche 2 grenzende Teil des P-leitenden Gebietes 4 ist, der von den Teilen des N-leitenden Gebietes 14 begrenzt wird; mit anderen Worten: die Ätzung wird fortgesetzt, bis, in Projektion gesehen, der Rand 23 der Öffnung im polykristallinen Silicium über dem N-leitenden Gebiet 14 liegt.
Anschließend wird über die Öffnung 22 die Oxidschicht 7 z. B. mit einer Lösung von Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid in Wasser geätzt. Während dieser Ätzung wirkt die Schicht 9 aus polykristallinem Silicium als Maske, so daß endgültig die Öffnung 8 erhalten wird (Fig. 13).
Danach wird durch eine Borimplantation innerhalb der Öffnung das Gebiet 24 abgelagert, das eine erhöhte Akzeptordotierung in bezug auf das P-leitende Gebiet 4 aufweist. Die Implantationsenergie wird dabei derart niedrig (z. B. 10 kV bei einer Dosis von 10¹³ Ionen/cm²) gewählt, daß das Nitrid als Maske dienen kann. Nach der Ablagerung wird das Bor gegebenenfalls weiterdiffundiert, was eine Oberflächenkonzentration von 10¹⁷ bis 10¹⁸ Atomen/cm³ ergibt (Fig. 13).
Anschließend wird ein leichter Oxidationsschritt durchgeführt, so daß sowohl die Halbleiteroberfläche als auch der Rand 23 der Öffnung in der polykristallinen Siliciumschicht 9 mit einer Oxidhaut 25 überzogen sind. Die Oxidhaut weist wieder eine Dicke von etwa 0,02 µm auf (Fig. 14).
Nachdem die Maskierungsschicht 21 entfernt ist, folgt eine Implantation von Donatoren, z. B. eine Arsenimplantation bis zu einer Tiefe von 0,02 µm, wobei die Schicht 9 als Maske dient. Diese Implantation wird z. B. mit einer Energie von 40 kV und einer Dosis von 3 · 10¹³ Ionen/cm² durchgeführt. Dadurch, daß die Implantation bis zu einer die des P-leitenden Gebietes 24 unterschreitenden Tiefe durchgeführt wird, wird letzteres teilweise undotiert; der verbleibende Teil bildet die in Fig. 11 dargestellte P-leitende Zone 12. Nachdem die Oxidhaut 25 entfernt und gegebenenfalls wieder eine Schicht 31 aus die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzendem Material angebracht ist, ist die Anordnung nach Fig. 11 erhalten
Die örtliche Verschmälerung der Verarmungszone und damit eine herabgesetzte Durchschlagspannung kann auch auf ganz andere Weise erhalten werden. Fig. 15 zeigt z. B. einen Querschnitt durch eine Anordnung, bei der der emittierende Teil des PN-Übergangs zwischen einem hoch dotierten N-leitenden Gebiet 3 und einem P-leitenden Gebiet 4 gebildet wird, das an der Stelle des PN-Übergangs ein P-leitendes Gebiet 4 a enthält, das von einem P-leitenden Gebiet 4 b mit einer niedrigeren Akzeptorkonzentration umgeben ist. Der Übergang zwischen dem P-leitenden Gebiet 4 a und dem N-leitenden Gebiet 3 weist dadurch eine niedrigere Durchschlagspannung auf und liegt völlig innerhalb einer Öffnung 8 in einer Isolierschicht 7, wobei auf dieser Isolierschicht wieder eine Beschleunigungselektrode 9 erzeugt ist. An der Stelle der Öffnung 8 verläuft der PN-Übergang 5 praktisch parallel zu der Oberfläche 2, während das N-leitende Gebiet 3 eine derartige Dicke und eine derartige Dotierungskonzentration aufweist, daß bei Durchschlag eine leitende Oberflächenschicht 11 vorhanden ist. Innerhalb der Öffnung ist die Oberfläche 2 nötigenfalls wieder mit einer Schicht 31 aus einem die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Material versehen. Das N-leitende Gebiet 3 ist über die N-leitende Zone 14 wieder mit einer Anschlußelektrode verbunden, während das P-leitende Gebiet 4 wieder über eine Metallisierung 15 auf der Unterseite kontaktiert werden kann.
Fig. 16 zeigt im Querschnitt eine Anordnung, bei der der PN-Übergang 5 zwischen einem P-leitenden Gebiet 4 und einem N-leitenden Gebiet 3, 28 verläuft, wobei das N-leitende Gebiet 3 wieder eine hoch dotierte Oberflächenzone ist, während das Gebiet 28 eine viel niedrigere Dotierungskonzentration aufweist.
Der PN-Übergang 5 verläuft dabei nur parallel zu der Oberfläche 2 in dem Gebiet, in dem dieser PN- Übergang zwischen dem P-leitenden Gebiet 4 und der hoch dotierten N-leitenden Oberflächenzone 3 gebildet wird. Die N-leitende Oberflächenzone weist wieder eine derartige Dicke und eine derartige Dotierungskonzentration auf, daß Leitung entlang der Oberfläche in der Schicht 11 möglich bleibt. Dadurch, daß die Donatorkonzentration des N-leitenden Gebietes 3 viel höher als die des N-leitenden Gebietes 28 ist, tritt am Übergang zwischen den Gebieten 3 und 4 eine Verschmälerung der Verarmungszone und dadurch eine Herabsetzung der Durchschlagspannung auf. Dieses Gebiet liegt wieder innerhalb der Öffnung 8 in der Isolierschicht 7, die ihrerseits wieder mit einer Beschleunigungselektrode 9 überzogen ist.
Fig. 17 zeigt im Querschnitt die Anordnung nach Fig. 16 während einer Stufe ihrer Herstellung. Die Anordnung wird z. B. dadurch hergestellt, daß von einem P-leitenden Halbleiterkörper 1 mit einer Akzeptorkonzentration von 10¹⁷ bis 10¹⁸ Atomen/cm³ ausgegangen wird. An der Stelle der anzubringenden Öffnung wird die Oberfläche 2 auf photolithographischem Wege mit einer Maske 29, z. B. aus Siliciumoxid, versehen. Dann wird ein Diffusionsschritt mit Donatoren, z. B. Phosphoratomen, mit einer derartigen Konzentration durchgeführt, daß im Gebiet 4 b die absolute Konzentration von Donatoratomen etwas niedriger als die der Akzeptoratome ist, so daß hier ein niedrig dotiertes P-leitendes Gebiet 4 b neben dem höher dotierten Gebiet 4 a erhalten wird. Dann wird aufs neue ein Diffusionsschritt mit z. B. Phosphoratomen bis zu einer die vorhergehende Tiefe unterschreitenden Tiefe durchgeführt. Dadurch wird das N-leitende Gebiet 14 mit einer Oberflächenkonzentration von z. B. 10¹⁹ Atomen/cm³ erhalten. Damit ist die Konfiguration nach Fig. 17 erhalten.
Nach Entfernung der Oxidmaske 29 werden auf der Oberfläche 2 wieder eine Isolierschicht 7 bzw. eine leitende Schicht 9 angebracht, in die eine Öffnung 8 geätzt wird. Danach wird mit der leitenden Schicht 9 oder der Isolierschicht 7 als Maske mit Hilfe von Ionenimplantation eine dünne N-leitende Schicht 3 angebracht. Die Implantation findet gegebenenfalls durch eine dünne Oxidschicht hindurch statt.
Nachdem die Oberfläche 2 innerhalb der Öffnung 8 gegebenenfalls wieder mit einer Schicht 31 aus einem die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Material versehen und die Anordnung mit Anschlußelektroden und einer Metallisierung 15 versehen ist, ist die Anordnung nach Fig. 15 erhalten.
Wenn der erste Phosphordiffusionsschritt derart durchgeführt wird, daß die absolute Konzentration von Phosphoratomen nach der Diffusion etwas höher als die Akzeptorkonzentration ist, wird die Anordnung nach Fig. 16 mit einer hochohmigen N-leitenden Zone 26 statt der hochohmigen P-leitenden Zone 4 b erhalten
Fig. 18 zeigt im Querschnitt eine Kaltkathodenstruktur nach der Erfindung, bei der die Durchschlagspannung des PN-Übergangs 5 örtlich dadurch herabgesetzt ist, daß in der Oberfläche 2 eine V-förmige Vertiefung angebracht wird. Durch diese Form tritt infolge der Konzentration elektrischer Feldlinien der Durchschlag früher in der Spitze 30 des V als anderswo in dem Halbleiterkörper auf.
In der Aufnahmeröhre nach Fig. 5 kann die leitende Schicht 34 durch einen Leuchtschirm ersetzt werden, so daß diese Röhre für Wiedergabezwecke angewendet werden kann.
Bei derartigen Anwendungen kann mit Vorteil eine runde, rechteckige oder ellipsenförmige oder quadratische Öffnung in der Isolierschicht der Halbleiteranordnung angebracht werden. Das runde, rechteckige, ellipsenförmige oder quadratische Emissionsmuster wird dann z. B. in einer Höhe von Vidikontyp auf allgemein bekannte Weise auf einem Leuchtschirm abgebildet.
Fig. 19 zeigt in Draufsicht und Fig. 20 und 21 zeigen im Querschnitt längs der Linien XX-XX und XXI-XXI eine Anordnung für einer derartige Anwendung.
Fig. 19 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Siliciumscheibe 42, in der drei Kathoden gebildet sind, die in Fig. 19 mit den Buchstaben A, B, C bezeichnet sind.
Die Lawinenvervielfachung tritt in drei verschiedenen PN-Übergangen 5 a, 5 b, 5 c zwischen hoch dotierten N-leitenden Gebieten 3 a, 3 b, 3 c und einem gemeinsamen P-leitenden Gebiet 4 auf, das zum Erhalten einer herabgesetzten Durchschlagspannung an den Stellen der Kathoden A, B und C mit höher dotierten P-leitenden Gebieten 12 a, 12 b, 12 c versehen ist, die an die respektiven PN-Übergänge grenzen. Die Oberfläche 2 ist mit einer Isolierschicht 7 überzogen, auf der rings um die rechteckigen Öffnungen 8 a, 8 b, 8 c Beschleunigungselektroden 9 a und 9 b angeordnet sind. Das gemeinsame P-leitende Gebiet ist über eine niederohmige P-leitende Kontaktzone 16 auf der Unterseite mittels der Metallisierungsschicht 15 kontaktiert. Die N-leitenden Kontaktzonen sind über Kontaktlöcher mit den Anschlußelektroden 13 a, 13 b, 13 c verbunden. Die Beschleunigungselektroden 9 a und 9 b sind kammförmig gestaltet, wobei die Zähne des Kammes interdigital angeordnet sind, wobei abwechselnd zwischen zwei Zähnen eine Öffnung 8 mit einer rechteckigen Form liegt. In den Öffnungen 8 a, 8 b, 8 c ist die Oberfläche 2 gegebenenfalls wieder mit einer Schicht 31 aus einem die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Material überzogen.
Eine derartige Anordnung eignet sich besonders gut zur Anwendung in einer Farbwiedergabevorrichtung, wobei den Anschlüssen 13 a, 13 b und 13 c der roten, grünen bzw. blauen Information entsprechende Signale zugeführt werden. Dadurch, daß die Elektroden 9 a und 9 b an je ein verschiedenes Potential angelegt werden, werden die drei Signale an drei benachbarten Stellen auf dem Leuchtschirm abgebildet.
Auch können eine Anzahl der Kathoden nach der Erfindung mit z. B. einer runden Öffnung, die von einer Beschleunigungselektrode umgeben ist, in einer XY-Matrix integriert werden, wobei z. B. die N-leitenden Gebiete von den X-Leitungen und die P-leitenden Gebiete von den Y-Leitungen angesteuert werden. Mit Hilfe einer Steuerelektronik, z. B. mit Hilfe von Schieberegistern, deren Inhalt bestimmt, welche der X-Leitungen bzw. Y-Leitungen angesteuert werden, kann nun ein bestimmtes Muster von Kathoden zur Emission gebracht werden, während z. B. über andere Register in Vereinigung mit Digital/Analog- Umsetzern das Potential der Beschleunigungselektroden eingestellt werden kann. Damit können flache Wiedergabevorrichtungen hergestellt werden, wobei sich in einem evakuierten Raum in einem Abstand von einigen Millimetern von der Halbleiteranordnung ein Leuchtschirm befindet, der von dem von der Halbleiteranordnung herrührenden Elektronenstrom aktiviert wird.
Fig. 22 zeigt schematisch und perspektivisch eine Ansicht einer derartigen flachen Wiedergabevorrichtung, die neben der Kathodenanordnung 42 einen Leuchtschirm 43 enthält, der von dem Elektronenstrom aktiviert wird. Der Abstand zwischen der Anordnung und dem Leuchtschirm beträgt z. B. 5 mm, während der Raum, in dem sie sich befinden, evakuiert ist. Zwischen der Anordnung 42 und dem Schirm 43 wird eine Spannung in der Größenordnung von 5 bis 10 kV über die Spannungsquelle 44 angelegt, was eine derart hohe Feldstärke zwischen dem Schirm und der Anordnung hervorruft, daß die Abbildung einer Kathode in derselben Größenordnung wie diese Kathode liegt.
Fig. 23 zeigt schematisch eine derartige Wiedergabevorrichtung, bei der in einem evakuierten Raum 45 die Kathodenanordnung 42 in einem Abstand von etwa 5 mm von dem Leuchtschirm 43 angeordnet ist, der einen Teil der Endwand 46 dieses Raumes bildet. Die Anordnung 42 ist auf einem Halter 39 montiert, auf dem erwünschtenfalls andere integrierte Schaltungen 47 für die Steuerelektronik angeordnet sind; der Raum 45 ist mit Durchführungen 40 für äußere Anschlüsse versehen.
Fig. 24 zeigt schematisch einen ähnlichen Vakuumraum 45. Darin befindet sich ein schematisch dargestelltes System 50 von Elektronenlinsen. In der Endwand 46 ist z. B. eine Siliciumscheibe 48 angebracht, die mit einer Photoresistschicht 49 überzogen ist. Das in der Anordnung 42 erzeugte Muster wird über das Linsensystem 50, nötigenfalls verkleinert, auf der Photoresistschicht 49 abgebildet.
Mit einer derartigen Vorrichtung können also Muster auf einer Photoresistschicht abgebildet werden. Dies ergibt große Vorteile, weil dadurch die gebräuchlichen Photomasken entfallen können und die gewünschten Muster über die Steuerelektronik auf einfache Weise erzeugt und nötigenfalls korrigiert werden können.
Namentlich wenn die Kathode in eine integrierte Schaltung aufgenommen ist, wird das P-leitende Gebiet 4 nicht über eine auf der Unterseite des Halbleiterkörpers, sondern über eine diffundierte P-leitende Zone mit einem Anschlußleiter verbunden werden. Auch braucht das P- leitende Gebiet nicht notwendigerweise eine (epitaktische) Schicht mit gleichmäßiger Dotierung zu sein, sondern dieses Gebiet kann auch eine diffundierte Zone sein.
Wie bereits bemerkt wurde, sind namentlich bei Wiedergabeanwendungen für die Öffnung verschiedene Formen, z. B. eine runde oder quadratische Form, möglich. Dadurch, daß dabei die Beschleunigungselektrode in z. B. vier Teilelektroden aufgeteilt wird, an die verschiedene Spannungen angelegt werden können, kann der heraustretende Elektronenstrahl in verschiedenen Richtungen abgelenkt werden.
In einer Konfiguration gleich der nach Fig. 19 kann mit Hilfe eines anderen Metallisierungsmusters, wenn dies für die Anwendung erwünscht ist, bewirkt worden, daß die heraustretenden Strahlen nicht parallel zueinander abgelenkt, sondern in einem Punkt zusammengefügt und mit anderen Mitteln abgelenkt werden.
Auch für die Verfahren sind verschiedene Abwandlungen möglich. Statt durch eine Ionenimplantation, wie in den hier beschriebenen Beispielen, können die Gebiete 12 und 3 auch durch eine Ablagerung senkrecht zu der Oberfläche und darauffolgendes Eindiffundieren angebracht werden. In diesem Falle wird die Oxidhaut 25 vor der Ablagerung entfernt oder gar nicht angebracht.

Claims

1. Kaltkathodenstruktur mit mindestens einer Kaltkathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (6) mit folgenden Merkmalen:

a) die Kaltkathode weist einen Halbleiterkörper (1) mit einem PN-Übergang (5) zwischen einer an eine Oberfläche (2) des Halbleiterkörpers (1) grenzenden N-leitenden Schicht (3) und einer P-leitenden Schicht (4) auf,

b) der Halbleiterkörper (1) ist so ausgebildet, daß durch das Anlegen einer Spannung über dem PN-Übergang (5) in Sperrichtung in dem Halbleiterkörper (1) durch Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt werden, die an der Oberfläche (2) des Halbleiterkörpers (1) austreten,

c) auf der Oberfläche (2) des Halbleiterkörpers (1) ist eine elektrisch isolierende Schicht (7) angeordnet, in der mindenstens eine Öffnung (8) vorgesehen ist,

d) auf der elektrisch isolierenden Schicht (7) ist am Rande der Öffnung (8) mindestens eine Beschleunigungselektrode (9) angeordnet,

e) der PN-Übergang (5) verläuft wenigstens innerhalb der Öffnung (8) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche (2) des Halbleiterkörpers (1),

f) innerhalb der Öffnung (8) weist der PN-Übergang örtlich eine niedrigere Durchschlagspannung auf als der übrige Teil des PN-Übergangs (5),

gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

g) die N-leitende Schicht (3) weist eine solche Dicke und Dotierung auf, daß sich bei der Durchschlagspannung die Verarmungszone (10) des PN-Übergangs (5) nicht bis zur Oberfläche (2) des Halbleiterkörpers (1) erstreckt, sondern von dieser durch eine Oberflächenschicht (11) getrennt ist, die aber genügend dick ist, um die erzeugten Elektronen durchzulassen.

2. Kaltkathodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagspannung örtlich durch eine örtlich höher dotierte Zone (12) der P-leitenden Schicht (4) herabgesetzt wird, wobei diese Zone (12) wenigstens im Betriebszustand bis in die Verarmungszone (10) reicht.

3. Kaltkathodenstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die höher dotierte P-leitende Zone (12) an den PN- Übergang grenzt.

4. Kaltkathodenstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der höher dotierten P-leitenden Zone (12) höchstens 5 µm beträgt.

5. Kaltkathodenstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der N-leitenden Schicht (3) mindestens 0,01 µm und höchstens 0,2 µm beträgt.

6. Kaltkathodenstruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei die Beschleunigungselektrode (9) aus zwei oder mehreren Teilelektroden aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (8) einen praktisch ringförmigen Spalt bildet, wobei eine Teilelektrode (9 b) innerhalb des ringförmigen Spaltes und eine andere Teilelektrode (9 c) außerhalb des ringförmigen Spaltes liegt.

7. Kaltkathodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie des ringförmigen Spaltes (8) einen Kreis bildet.

8. Verwendung der Kaltkathodenstruktur nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 in einer Bildwiedergabevorrichtung, die einen Leuchtschirm (43) enthält, der sich in einem Vakuum in einem Abstand von einigen Millimetern von der Kaltkathodenstruktur (42) befindet und auf den die von der Kaltkathodenstruktur emittierten Elektronen auftreffen.