DE3240441A1

DE3240441A1 - Halbleiteranordnung zum ausstrahlen von elektronen und anordnung mit einer derartigen halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3240441A1
Application number: DE19823240441
Authority: DE
Inventors: John Martin Whyteleafe Surrey Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-11-06
Filing date: 1982-11-02
Publication date: 1983-05-19
Also published as: NL8204240A; FR2516307B1; JPH0341931B2; ES517118A0; JPS5887733A; GB2109160B; FR2516307A1; GB2109160A; HK19386A; IT1153005B; CA1201818A; IT8224056A0; ES8402118A1; US4506284A

Description

324044t

PHB 32 829 *^ -,„.,,.„,.-, 30.9.1982

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Halbleiteranordnung zum Ausstrahlen von Elektronen und Anordnung mit einer derartigen Halbleiteranordnung

Die Erfindung bezieht sich, auf eine Halbleiteranordnung zum Ausstrahlen von Elektronen mit einem Halbleiterkörper mit einem η-leitenden ersten Gebiet und einem zweiten Gebiet des Körpers, getrennt durch eine mit einem pn-übergang versehenen, zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet liegende Sperre, sowie mit Elektrodenanschlüssen für das erste und zweite Gebiet zum Anlegen eines Potentialunterschiedes an die Sperre um das erste Gebiet gegenüber dem zweiten Gebiet positiv vorspannen zu können und dadurch eine Zufuhr heisser Elektronen zu bewirken, die aus dem zweiten Gebiet über die Sperre in das erste Gebiet injiziert werden und die von der Oberflächenzone des Körpers ausgestrahlt werden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung, die eine derartige Halbleiteranordnung aufweist.

Eine derartige Halbleiteranordnung wird als Elektronenquelle für Elektronenstrahlröhren, Bildauf η ahme anordnungen, Bildwiedergabeanordnungen oder in der Elektronenlithographie verwendet.

In der britischen Patentschrift Nr. 830 086 ist eine Halbleiteranordnung der obengenannten Art beschrieben.

In den wichtigsten Ausführungsformen, beschrieben in der britischen Patentschrift Nr. 83Ο Ο86 ist das zweite Gebiet p-leitend und die Sperre besteht aus nur einem einzigen pn-übergang zwischen dem p-leitenden zweiten Gebiet und dem η-leitenden ersten Gebiet. Dieser einzige pn-übergang wird in der Sperrichtung bis in den Lawinendurchbruch vorgespannt und zwar dadurch, dass zwischen die Elektrodenanschlüsse des ersten und des zweiten Gebietes ein ausreichend grosser Potentialunterschied angelegt wird. In allen beschriebenen Fällen ist die Oberflächenzone des Körpers, von woraus die heissen Elektronen ausgestrahlt werden, eine Oberfläche des n-leitenden

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ersten Gebietes. Dieses η-leitende Oberflächengebiet ist mit einem Material bedeckt, das die "Elektronenaustrittsarbeit verringert. Trotz dieser Bedeckung hat das n-leitende Oberflächengebiet eine sehr hohe effektive Elektronenaffinität und in der Praxis hat es sich herausgestellt, dass trotz der Tatsache, dass eine hohe kinetische Energie im Lawinendurchbruch erhalten wird, nur ein äusserst geringer Prozentsatz (meistens viel weniger als 1$) der heissen Elektronen in den freien Raum ausgestrahlt werden kann. Der grösste Teil der heissen Elektronen, die in das η-leitende erste Gebiet injiziert werden, erfährt eine quantenmechanische Reflexion an der Grenze des Körpers, die mit der Oberflächenzone zusammenfällt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis des Erfinders zugrunde, dass die Möglichkeit, dass heisse Elektronen von der Oberflächenzone des Halbleiterkörpers zu dem η-leitenden ersten Gebiet reflektiert werden, dadurch verringert werden kann, dass innerhalb des Körpers neben dieser Oberflächenzone ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird um die heissen Elektronen in Richtung der genannten Oberflächenzone zu beschleunigen und dadurch dass dieses Feld durch eine p-leitende Dosierungskonzentration in einem sehr dünnen Oberflächengebiet angebracht wird, dieses Feld in die Halbleiteranordnung eingebaut werden kann, wobei die Ausstrahlung der heissen Elektronen von der Oberflächenzone gefördert wird, ohne dass der Mechanismus zum Injizieren heisser Elektronen in das η-leitende erste Gebiet gestört wird und ohne dass die Streuung der heissen Elektronen auf ihrem Weg zu der Oberflächenzone weitgehend vergrössert wird.

Eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, dass der Körper an der Stelle der Oberflächenzone, von der aus die heissen Elektronen ausgestrahlt werden, ein p-leitendes Oberflächengebiet aufweist, um zwischen dem η-leitenden ersten Gebiet und der genannten Oberflächenzone in einem Abstand von der genannten Oberflächenzone ein Potentialmaximum zu bilden, wodurch in dem Halbleiterkörper ein Triftfeld erzeugt wird,

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das Elektronen in Richtung der genannten Oberflächenzone beschleunigt. "

In einer derartigen Halbleiteranordnung können die heissen Elektronen, die in das η-leitende erste Gebiet injiziert werden, das Potentialmaximum des p-leitende;n Oberflächengebietes ohne eine starke quantenmechanische Reflexion überschreiten, weil dieses Maximum innerhalb des Körpers liegt, und zwar dadurch, dass dieses Maximum in einem Abstand von dem Rand des Körpers, der der Oberflächenzone entspricht, liegt. Nachdem dieses Maximum überschritten ist, erfahren die heissen Elektronen den Beschleunigungseffekt des Triftfeldes in einer Richtung zu der Oberflächenzone. Obschon die heissen Elektronen nachdem sie durch das η-leitende erste Gebiet hindurchgegangen sind, eine breite Impulsstreuung infolge Streuung in dem ersten Gebiet erhalten können, vergrössert dieses beschleunigende Triftfeld auf diese ¥eise die Energie und die mittlere Komponente des Impulses in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche. Dadurch wird die Möglichkeit einer quantenmechanischen Reflexion an dem Rand des Körpers an der Stelle der Oberflächenzone verringert und die Ausstrahlung dieser Elektronen gefördert. Die Erfindung schafft auf diese Weise eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Ausstrahlung der heissen Elektronen von der Oberflächenzone, ohne den Mechanismus für das erste und das zweite Gebiet zum Injizieren der heissen Elektronen in das n-leitende Gebiet zu zerstören. Dadurch, dass die Dicken und die Dotierungskonzentrationen der jeweiligen Gebiete optimalisiert werden und dadurch, dass die Oberfläche mit einem Material, wie Zäsium, aktiviert wird um die Elektronenaustrittsarbeit zu verringern, können Elektronenquellen mit derartigen Triftfeldern in einem Oberflächengebiet einen Ausstrahlungswirkungsgrad aufweisen, der so hoch ist, dass mehr als 1$ der in das η-leitende erste Gebiet injizierten heissen Elektronen von der Oberflächenzone ausgestrahlt werden kann.

Es sind Elektronenquellen bekannt mit einem pn-Übergang, der in einem η-leitenden Halbleiterkörper durch

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ein an die oberfläche grenzendes p-leitendes Gebiet gebildet wird und der unter Vorspannung in der Durchlassrichtung dadurch betrieben wird, dass zwischen die Elektrodenanschlüsse für das p-leitende Gebiet und dem n-leitenden Teil des Körpers ein.Potentialunterschied angelegt wird. Derartige bekannte Elektronenquellen sind beispielsweise in der deutschen Patentschrift Nr. I5644öi beschrieben. Elektronen werden von dem η-leitenden Teil des Körpers über den in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Ubergang in das p-leitende Gebiet injiziert, welches Gebiet eine

Dicke aufweist, die kleiner ist als die Diffusionsrekombinationslänge der Elektronen in dem p-leitenden Material, V während dieses Gebiet mit einem Material bedeckt ist, das

die Elektronenaustrittsarbeit verringert. Diese Elektronen diffundieren durch das p-leitende Gebiet hindurch und einige von ihnen treten aus der bedeckten Oberflächenzone dieses Gebietes heraus.

Derartige Elektronenquellen mit einem in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Ubergang sind unter der Bezeichnung "Kathoden mit negativer Elektronenaffinität" bekannt, weil, durch eine geeignete Wahl der Kombination des Bedeckungsmaterials und des Halbleitermaterials die Elektronenaffinität des p-leitenden Gebietes auf wirksame Weise unterdrückt werden kann. Um eine grosse Erhöhung der Elektronenaffinität zu erhalten, muss in der Praxis das Halbleitermaterial jedoch einen grösseren Bandabstand aufweisen als Silizium. Auf diese Weise werden für diese Elektronenquellen Galliumarsenid, Galliumphosph.it und andere Materialien mit einem grösseren Bandabstand verwendet. Die injizierten Elektronen haben nur eine geringe kinetische Energie und der Ausstrahlungsstrom wird durch die Rekombination der Träger, die in dem p-leitenden Gebiet auftritt, beschränkt. Die Tatsache, dass die Dicke des p-leitenden Gebietes zum Verringern der Rekombinations-³^ effekte möglichst klein gemacht wird, wird erschwert durch die Notwendigkeit, einen guten Stromweg in dem p—leitenden Gebiet und einen einzelnen Elektrodenanschluss für Vorspannungszwecke anzubringen. Eine sehr hohe Dotierung für

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das p-leitende Gebiet ist unerwünscht um die Rekombinationseffekte in dem p—leitenden Gebiet auf ein Minimum zu beschränken und einen hohen Injizierwirkungsgrad an der Stelle des in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Ubergangs beizubehalten. Die injizierten Elektronen' bilden jedoch Minoritätsladungsträger in dem p-leitenden Gebiet, so dass die Schaltgeschwindigkeit dieser Elektronenquellen infolge der Speicherung von Minoritätsladungsträgern gering ist. Ausserdem geht die Verkleidung mit Material, das die Elektronenaustrittsarbeit verringert, im Betrieb der Elektronenquelle langsam verloren, wodurch die Lebensdauer der Quelle beschränkt wird.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Quellen mit negativer Elektronenaffinität schafft die vorliegende Erfindung eine Elektronenquelle, in der heisse Elektronen, die sich zu der Oberfläche, bewegen, mit einer hohen kinetischen Energie erzeugt werden, indem die Sperre zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet in entgegengesetzter Richtung vorgespannt wird, wobei für die Quelle ein guter Ausstrahlungswirkungsgrad erzielt werden kann, sogar beim Fehlen einer Oberflächensperre und mit Silizium als Halbleitermaterial. Die heissen Elektronen haben eine charakteristische Weglänge in bezug auf den Energieverlust, der viel grosser ist als die mittlere freie Weglänge in dem HaIbleitermaterial und können also praktisch verlustfrei durch das p-leitende erste Gebiet und das Oberflächengebiet mit einer Dicke in der Grössenordnung der mittleren freien Weglänge hindurchgehen. Die p-leitende Dotierungskonzentration in dem Oberflächengebiet ergibt eine günstige Feld- verteilung, die die Ausstrahlung von der Oberflächenzone fördert, wie obenstehend beschrieben ist, und dieses Qberflächengebiet einer Elektronenquelle nach der "Erfindung erfordert keinen einzelnen Elektrodenanschluss, wäbrend dieses Gebiet so dünn sein kann, dass es über die ganze Dicke wenigstens im Betrieb der Elektronenquelle erschöpft wird. Auf diese Weise können Elektronenquellen nach der Erfindung vernachlässigbare Effekte durch Speicherung von Minoritätsladungsträgern und dadurch eine grosse Schalt-

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geschwindigkeit aufweisen.

In Elektronenquellen nach der "Erfindung liegt die Dicke des Oberflächengebietes vorzugsweise in der Grössenordnung der mittleren freien Weglänge der Elektronen um den Effekt des Oberflächenfeldes beim Beschleunigen der heissen Elektronen in Richtung der Oberflächenzone möglichst gross zu machen. Dabei wird beispielsweise die Dicke des Oberflächengebietes höchstens 10 nm sein. Ein derartiges dünnes Oberflächengebiet kann über die gzne Dicke durch die Erschöpfungsschicht erschöpft werden, welche Schicht durch das genannte η-leitende erste Gebiet gebildet wird, sogar bei Vorspannung Null. Auf diese Weise kann ein sehr hohes Triftfeld erhalten werden und die Elektronenquelle kann eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit haben.

Wenn das η-leitende erste Gebiet mit einem Maximum in der Dotierungskonzentration versehen ist, welches Maximum in einem Abstand von der Oberfläche liegt, beispielsweise durch Implantation von n-leiteiiden Dotierungsionen, kann die p-leitende Dotierungskonzentration zwi- sehen der Oberfläche und dem Dotierungskonzentrationsmaximum des η-leitenden ersten Gebietes angebracht werden, ohne das Herstellungsverfahren oder die Konfiguration des ersten und des zweiten Gebietes, die die heissen Elektronen erzeugen, äusserst verwickelt zu machen. Ausserdem erfordert das Oberflächengebiet keinen einzelnen Elektrodenanschluss, so dass das Anbringen dieses p-leitenden Oberflächengebietes keine Komplikation der Konfiguration der Elektrodenanschlüsse zu verursachen braucht. Dies ist besonders günstig, wenn eine Matrix von Elektronenquellen in demselben Halbleiterkörper gebildet wird. So braucht die Struktur, die durch das Oberflächengebiet und das erste und das zweite Gebiet gebildet ist, nur zwei Elektrodenanschlüsse zu haben und zwar einen für das genannte erste Gebiet und den anderen für das genannte zweite Gebiet.

° Ausserdem kann der Elektrodenanschluss für das n—leitende erste Gebiet auch einen Teil des Oberflächengebietes kontaktieren. Eine derartige Kontaktierung des genannten Oberflächengebiets kann erhalten werden, wenn der Elektroden-

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anschluss für das η-leitende erste Gebiet als Maske beim Anbringen der p-leitenden Dotierungskonzentration benutzt wird. Dies ist günstig für eine einfache Herstellung der Struktur.

Die heissen Elektronen können in dem Körper durch Lawinendurchbruch oder durch Feldemission erzeugt werden» So kann das genannte zweite Gebiet vom p-Leitungstyp sein und die Sperre zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet kann durch den pn—Übergang gebildet werden, den das p— leitende zweite Gebiet und das η-leitende erste Gebiet bilden.

Nach der Erfindung kann die p-leitende Dotierungskonzentration, die das Triftfeld ergibt, auch in-einer Elektronenquelle angebracht werden,,die heisse Elektronen erzeugt, bei einer Betriebsspannung unterhalb des kritischen Pegels, der. für Lawinendurchbruch, wie beispielsweise in der mit der vorliegenden Patentanmeldung zusammenhängenden britischen Patentanmeldung Nr. 81 33 501 beschrieben ist, notwendig ist. So kann das genannte zweite Gebiet vom n-Leitungstyp sein und durch ein p-leitendes Sperrschichtgebiet von dem η-leitenden ersten Gebiet getrennt sein, welches Sperrschichtgebiet mit dem n-leitenden ersten sowie mit dem η-leitenden zweiten Gebiet einen pn—Übergang bildet.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung weist eine Anordnung mit einer Vakuumhülle, in der ein Vakuum aufrechterhalten werden kann und mit einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Halbleiteranordnung sich innerhalb der Hülle befindet und im Betrieb der Anordnung Elektronen in das Vakuum ausstrahlen kann. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise aus einer Elektronenstrahlröhre, einer BildaufnahmeanOrdnung, einer Bildwiedergabeanordnung oder einer elektronenlithographischen Anordnung zum Herstellen von Mikrominiaturfeststoffanordnungen bestehen. Dabei kann, abhängig von der Art der Apparatur, der Halbleiterkörper eine einzige Elektronenquelle oder eine Matrix derartiger Elektronenquellen.-enthalten.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer HaIbleiteranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Energiediagramm durch eine derartige Halbleiteranordnung,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil einer anderen HalbxeiteranOrdnung nach der Erfindung, Fig. k eine Elektronenstrahlröhre, die eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung enthält.

Es sei bemerkt, dass alle Figuren schematisch und nicht massgerecht dargestellt sind. Die Abmessungen und Verhältnisse einiger Teile dieser Figuren sind übertrieben gross oder klein dargestellt und zwar der Deutlichkeit und der Einfachheit der Zeichnung halber. Dieselben Bezugszeichen, die in einem bestimmten Ausführungsbeispiel benutzt werden, werden meistens auch zum Bezeichnen entsprechender oder ähnlicher Teile der anderen Ausführungsbeispiele benutzt.

Die Halbleiteranordnung nach Fig. 1 enthält einen Halbleiterkörper 10 aus einkristallinem Silizium mit einem η-leitenden ersten Gebiet 3> das von einem zweiten Gebiet 2 des Körpers 10 durch eine Sperrschicht 1 mit zwei pn-Ubergängen, die zwischen dem p—leitenden Gebiet 1 und dem ersten und zweiten Gebiet 3 bzw. 2 liegen, getrennt ist. In dem betreffenden Beispiel wird also die Sperrschicht durch ein Sperrschichtgebiet 1 mit einer p-leitenden Dotierungskonzentration gebildet, die die beiden pn-Ubergänge mit den η-leitenden Gebieten 2 bzw. 3 bilden. Die Elektronenquelle hat Elektrodenanschlüsse 12 und 13 für die Gebiete 2 bzw. 3· Diese Anschlüsse 12 und 13> die aus Metallschichten bestehen können, die mit den Gebieten 2 und 3 ohmsche Kontakte bilden, dienen zum Anlegen eines Potentialunterschiedes an das Sperrschichtgebiet 1 um das Gebiet 3 gegenüber dem Gebiet 2 positiv vorzuspannen und dadurch eine Zufuhr heisser Elektronen 2k zu bewirken, die aus dem Gebiet 2 über das Sperrschichtgebiet 1 in das

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Gebiet 3 injiziert und von einer Oberflächenzone 4 des Körpers 10 ausgestrahlt werden.

In der Elektronenquelle nach Fig. 1 bildet das p-leitende Sperrschichtgebiet pn-Ubergänge mit dem nleitenden Gebiet 2 sowie mit dem η-leitenden Gebiet 3 und hat eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration, dass es durch das Zusammentreffen der Erschöpfungsgebiete und dem Sperrschichtgebiet 1 erschöpft wird, mindestens wenn der Potentialunterschied V angelegt wird um die Zufuhr heisser Elektronen 24 mit ausreichender Energie zu bewirken, so dass das zwischen der Oberflächenzone 4 und dem freien Raum 20 vorhandene Elektronenaustrittspotential überschritten wird. Das Gebiet 1 kann jedoch selbst durch das Zusammentreffen der Erschöpfungsgebiete unter Vorspannung Null erschöpft sein. Elektronenquellen mit derartigen erschöpften Sperrschichtgebieten 1 sind in der genannten mit der vorliegenden Patentanmeldung zusammenhängenden britischen Patentanmeldung Nr. 81 33 501, auf die für weitere Information verwiesen wird, beschrieben.

Nach der Erfindung enthält der Körper 10 der Elektronenquelle nach Fig. T weiterhin ein Oberflächengebiet 5> das an die Oberflächenzone 4 grenzt, von woraus die heissen Elektronen 24 ausgestrahlt werden und die eine p-leitende Dotierungskonzentration enthält um zwischen dem n-leitenden ersten Gebiet 3 und der Oberflächenzone 4 ein Potentialmaximum zu bilden, das, wie in Fig. 2 dargestellt, in dem Halbleiterkörper in einem Abstand von der Oberflächenzone 4 liegt, wodurch ein Triftfeld I5 gebildet wird, das die Elektronen 24 in Richtung der genannten Oberflächenzone 4 beschleunigt. Auf diese Weise wird eine günstige Feldkonfiguration an der Stelle der Oberflächenzone 4 erhalten, wodurch die Ausstrahlung der heissen Elektronen in den freien Raum 20 gefördert wird.

In der Anordnung nach Fig. 1 befindet sich das Oberflächengebiet 5 bei einer Öffnung in der Elektrodenschicht 13, die eine ringförmige Konfiguration aufweist. Diese Elektrodenschicht I3 (die einen Anschluss mit dem Gebiet 3 bildet) kann auch das Oberflächengebiet 5_S bei-

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, spielsweise um den ganzen Umfang des Überganges zwischen den Gebieten 3 und 5 kontaktieren. Die Oberflächenzone 4 des Gebietes 5 ist mit einer sehr dünnen Schicht 14 aus einem Material, das die Austrittsarbeit verringert, beispielsweise Zäsium, bedeckt. Bei einer reinen unbedeckten Siliziumoberfläche k liegt die Oberflächensperrschicht zwischen 4 und 5 eV, aber diese wird auf etwa 2 eV verringert und zwar dadurch, dass die Bedeckung 1k auf bekannte Art und Weise angebracht wird.

Fig. 1 zeigt eine spezielle, gedrängte, eine geringe Kapazität aufweisende Struktur für die Elektronenquelle. Eine mit Offnungen versehene Isolierschicht 11 ist über v_ mindestens einen Teil der Dicke in dem Körper 10 zur

Bildung mindestens eines Teils 9 des Körpers 10, der seitlieh durch die versenkte isolierende Schicht 11 begrenzt ist, versenkt. Die Gebiete 1 und 3 werden in dem Teil 9 gebildet und werden rund herum durch die Isolierschicht begrenzt. Der Elektrodenanschluss 13 kann auf zuverlässige Weise an der oberen Fläche des Teils 9 angebracht werden, ohne dass das Sperrgebiet 1 kontaktiert wird, obschon dieser Anschluss das Oberflächengebiet 5 kontaktieren kann. Dieser Elektrodenanschluss 13 kann sich bis auf und über die Isolierschicht 11 erstrecken um ein vergrössertes Kontaktgebiet zu bilden, womit äussere Verbindungen (bei— spielsweise in Form von Drähten) verbunden sein können.

Die obere Fläche des Teils 9 bildet die Oberflächenzone h, von woraus die Elektronen 2k ausgestrahlt werden.

In der Elektronenquelle nach Fig. 1 kann das Gebiet dadurch gebildet werden, dass man auf einem Substrat 2a mit einem niedrigen spezifischen Widerstand eine n-leitende Epitaxialschicht (n ) mit einem hohen spezifischen Widerstand anwachsen lässt. Das Substrat 2a bildet einen niederohmigen Anschluss mit der Metallschicht 12, die sich über die ganze hintere Fläche des Substrates 2a erstrecken kann.

■" Ein derartiges Substrat eignet sich insbesondere für eine Anordnung mit nur einer Elektronenquelle in dem Körper Diese kann jedoch auch für Anordnungen verwendet werden mit einer Anzahl dieser Elektronenquellen in einem gemein-

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samen Gebiet 2 und einem gemeinsamen Elektrodenanschluss 12, aber mit einzelnen eigenen Elektrodenanschlüssen 13 für die jeweiligen Elektronenquellen mit einzelnen Gebieten 1 und 3.

Die Herstellung der Halbleiteranordnung nach Fig.1 wird nun beschrieben. Eine phosphordotierte Siliziumschicht mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 5 «fi-·cm (etwa 10 Phosphoratome/cm³) und einer Dicke von beispielsweise 5/um wird auf bekannte Weise einem

IQ phosphordotierten Siliziumsubstrat 2a mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 0,05.fi,.cm und mit einer Dicke von beispielsweise ZkO /um aufgewachsen. Die Isolierschicht 11 kann örtlich in der Hauptoberfläche der Epitaxialschicht unter Anwendung bekannter thermischer Oxydationstechniken bis auf eine ausreichende Tiefe von beispielsweise 0, .1 /um oder mehr unter der Siliziumoberfläche gebildet werden. Die besondere gewählte Tiefe wird durch die Höhe des Teils 9 bestimmt, die notwendig ist tun auf zuverlässige Art und Weise die Gebiet 1, 3. und 5 mit speziellen Dicken unterbringen zu können. Die Gebiete 1, 3 und 5 können dann in dem Teil 9 durch Ionenimplantation gebildet werden, Borionen in einer Dosis von beispielsweise

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2.10 cm und mit einer Energie von beispielsweise 4,5 keV werden zur Bildung des Gebietes T benutzt. Arsenionen in

1 U- — 2 einer Dosis von beispielsweise 5· 10 cm und mit einer Energie von 10 keV können zur Bildung des n-leitenden Gebietes 3 implantiert werden. Eine lokalisierte Implantation von Borionen in einer Dosis von beispielsweise 7>5·1Ο cm und mit einer Energie von beispielsweise 0,8 keV wird zur Bildung des p-leitenden Oberflächengebietes 5 benutzt. Diese zweite Borimplantation kann dadurch lokalisiert werden, dass zunächst die Elektrodenschicht 13 angebracht wird, die als Implantationsmaske wirksam ist. Dazu kann die Elektrodenschicht. 13 aus beispielsweise

^ η-leitendem polykristallinem Silizium bestehen. Nach Ausglühen der implantierten Gebiete bei beispielsweise 700°C im Vakuum wird die Metallschicht 12, die aus Aluminium bestehen kann, zur Bildung des Elektrodenanschlusses für

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das Substrat 2a angebracht, während die Oberflächenzone 4 auf bekannte Weise mit der Bedeckung 14 versehen wird.

Die für die Elektronenquelle erhaltenen Kennlinien hängen von der Dotierungskonzentratxon und der Dicke, die letzten Endes für jedes der Gebiete 1, 3 und 5 erhalten werden ab und diese letzteren sind ihrerseits wieder von den Implantat!onsschritten und von den Ausglühverhältnissen abhängig. In einer auf die obenstehend beschriebene Art und Weise hergestellten Elektronenquelle hat das Gebiet 3 abgeschätzt eine Tiefe von 25 nm und eine Dotierungskon-

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zentratxon von 5·10 cm , wobei das Maximum schätzungsweise auf etwa 12 nm der Oberfläche 4 liegt. Bei einer derart geringen Tiefe für das Gebiet 3 wird der Energieverlust für die Elektronen 24 in dem Gebiet 3 niedrig gehalten, wodurch die Möglichkeit einer Ausstrahlung der Elektronen von der Oberflächenzone 4 vergrÖssert wird. Die Elektronen, die nicht von der Oberflächenzone 4 ausgestrahlt werden, werden über den Elektrodenanschluss 13 abgeführt. Bei einer derart hohen Dotierungskonzentration weist das η-leitende Gebiet 3, trotz der geringen Dicke, einen elektrischen Widerstand auf, der niedrig genug ist für eine schnelle■Modulation des ausgestrahlten Elektronenstromes. Das Sperrgebiet 1 hat schätzungsweise eine Dicke von etwa 50 nm und eine Dotierungskonzentration von etwa 2.10 cm , was zu einer Potentialsperre von etwa 4 V für den Elektronenstrom von dem Gebiet 2 zu dem Gebiet 3 führt. Das erhaltene Sperrgebiet 1 ist über einen Teil der Dicke durch die Erschöpfungsgebiete nicht erschöpft, welche Gebiete mit den η-leitenden Gebieten 2 und 3 unter Vorspannung Null gebildet werden. Das Anlegen eines Potentialunterschiedes mindestens einer vorbestimmten minimalen Grosse ist notwendig um diese Erschöpfungsgebiete über die ganze Dicke des Gebietes 1 zu streuen. Das Oberflächengebiet 5 hat schätzungsweise eine Dicke von etwa 7,5 nm und eine Dotierungskonzentration von 5·10 cm , was zu einem Potentialmaximum von 0,7 eV führt, das in einem Abstand von etwa 5 nm von der Siliziumoberfläche 4 liegt und ein mittleres elektrisches Feld 15 von 2.10 V cm

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ergibt. Das erhaltene Oberflächengebiet 5 ist nahzu erschöpft, sogar unter Vorspannung Null. Eine derartige Elektronenquelle kann mit einer Spannung von etwa 4 V arbeiten.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Energie- und Potential diagramm von der Elektronenquelle in dem freien Raum, wobei die Vorspannung zwischen die ElektrodenanSchlüsse 12 und 13 angelegt ist und die Elektronenquelle als Kathode in einer Vakuumhülle vorgespannt ist. Das Sperrgebiet 1

IQ ist, wie dargestellt, durch die Erschöpfungsgebiete, die zu den pn-Ubergängen mit den η-leitenden Gebieten 2 und gehören, erschöpft. Die dünne Bedeckung 14 auf dem Oberflächengebiet 4 ist als Oberflächendipolschicht dargestellt, die die Elektronenaustrittsarbeit verringert. Die p-leitende Dotierungskonzentration des Oberflächengebietes 3 ergibt die günstige elektrische Feldkonfiguration neben der Oberflächenzone 4, wie in Fig. 2 dargestellt. Das Oberflächengebiet 5 verursacht ein Potentialmaximum, das in einem Abstand von der Oberflächenzone 4 liegt und ohne viel· Reflexion durch die heissen Elektronen überschritten werden kann, weil dieses Maximum in dem Körper liegt statt mit einem Rand des Körpers zusammenfällt. Nachdem die heissen Elektronen 24 das Maximum überschritten haben, erfahren sie das Triftfeld 15 einer Richtung zu der Oberflächenzone 4, wodurch ihre Ausstrahlung über diese Grenzfläche des Körpers und in dem Vakuumraum 20 gefördert wird.

Ein derartiges Oberflächengebiet 5 nach der Erfindung kann in vielen unterschiedlichen heissen Elektronenquellenstrukturen und in unterschiedlichen Elektronenquellentypen eingebaut werden, in denen ein unterschiedlicher Injektionsmechanismus verwendet wird. So kann ein derartiges Oberflächengebiet 5 in einer von dem Elektronenquellentyp nach den Fig. 1 und 2 abweichenden Form eingebaut werden, wobei die Isolierschicht 11 nicht in dem Körper 10 über die Tiefe der-Gebiet 1, 3 und 5 versenkt ist, sondern statt dessen die pn-Ubergänge zwischen den Gebieten 2 und 1 und zwischen den Gebieten 1 und 3 an die Oberfläche des Körpers 10 gebracht sind mit Hilfe eines p-leitenden tiefen ring-

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förmigen Grenzgebietes, das sogar im Betrieb der Quelle nicht völlig erschöpft ist. In diesem Fall kann das η-leitende Gebiet 3 über ein tiefes η-leitendes ringförmiges Grenzgebiet, das sich in dem p-leitenden Grenzgebiet befindet, kontaktiert werden. Eine derartige Abwandlung benutzt denselben Injiziermechanismus aus einem η-leitenden Gebiet 2 über ein p-leitendes Sperrgebiet 1 in die Gebiete 3 und 5·

Fig. 3 zeigt eine andere Art von heisser Elektronenquelle als eine andere Ausführungsform der betreffenden Erfindung. In diesem Fall ist die p-leitende Dotierungskonzentration, die das erschöpfte Oberflächengebiet 5 bildet, in einem η-leitenden ersten Gebiet 3 angebracht, das durch eine Sperrschicht, die durch nur einen pn-Ubergang 21 gebildet ist, von einem p-leitenden zweiten Gebiet 2 getrennt. Das Substrat 2a besteht aus hochdotiertem p-leitenden Silizium, worauf eine Epitaxialschicht 2 aus p-leitendem Silizium angewachsen ist, in dem das n-leitende Gebiet 3 und das Oberflächengebiet 5 gebildet sind, beispielsweise durch Ionenimplantation. Bevor die Gebiete 3 und 5 angebracht werden, wird ein tiefes η-leitendes Gebiet 23 in der Epitaxialschicht angebracht, beispielsweise durch Diffusion eines Dotierungsmaterials. Das nleitende Gebiet 23 ist ein ringförmiges Grenzgebiet, das den pn-übergang 21 (zwischen den Gebieten 2 und 3) auf die obere Fläche des Körpers 10 bringt und ein Kontaktgebiet für den Elektrodenanschluss 13 bildet. Der mittlere Teil des pn-Ubergangs 21, der durch das η-leitende Gebiet 3 gebildet wird, hat eine niedrigere¹ .Durchschlagspannung als die Anteile des genannten pn—Überganges, der durch das n- leitende Gebiet 23 gebildet wird.

Die Dotierungskonzentration der Gebiete 3 und 2 können auf bekannte ¥eise derart gewählt werden, dass Durchbruch des in entgegengesetzter Richtung vorgespannten

■" pn-Uberganges 21 durch Lawinenionisierung auftritt. Dadurch, dass zwischen die Anschlüsse 12 und 13 eine Spannung V einer geeigneten Grosse angelegt wird um das Gebiet 3 gegenüber dem Gebiet 2 positiv vorzuspannen,

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führt Durchbruch des mittleren Teils des Überganges 21 dazu, dass heisse Elektronen Zk zugeführt werden, die in das Gebiet 3 injiziert werden. Die infolge der p-leitenden Dotierungskonzentration des Oberflächengebietes 5 erhaltene Feldkonfiguration fördert die Ausstrahlung dieser heissen Elektronen Zk von der Oberflächenzone k entsprechend der vorliegenden Erfindung. So verursacht, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, das Gebiet 5 ' in der Elektronenquelle nach Fig. 3 ein Potentialmaximum, das in einem Abstand von. der Oberflächenzone k liegt um ein Triftfeld zum Beschleunigen der Elektronen Zk in Richtung der Oberflächenzone k zu erhalten. Ein derartiges Potentialmaximum kann auch verwendet werden in. den verschiedenen Durchbruch-Strukturen nach der Patentanmeldung 30259^5 der Anmelderin.

Die Elektronenquellen nach·den Fig. 1, 2 oder 3 nach der Erfindung können als kalte Kathoden in vielen Anordnungen mit einer Vakuumhülle eingebaut werden. Fig. k zeigt eine Ausführungsform einer derartigen Anordnung als Beispiel und zwar eine Elektronenstrahlröhre. Die Apparatur nach Fig. k enthält eine Vakuumröhre 33 j die sich trichterförmig verbreitert und eine Endwand aufweist, die auf der Innenseite mit einem Leuchtschirm 3k bedeckt ist. Die Röhre 33 ist hermetisch geschlossen um einen Vakuumraum 20 zu erhalten. In der Röhre 33 sind Fokussierelektroden 25, 26 und Ablenkelektroden ZJ, 28 vorgesehen. Der Elektronenstrahl Zk wird in einer oder mehreren Elektronenquellen nach der Erfindung erzeugt, die in dem Halbleiterkörper 10 vorhanden sind. Der Körper 10 ist auf einer Halterung 29 in der Röhre 33 angeordnet und zwischen den Metallschichten 12, 13 und den Endstiften 30, die durch den Boden der Röhre 33 hindurchgeführt sind, sind elektrische Verbindungen gebildet. Derartige Elektronenquellen nach der Erfindung können beispielsweise auch in Bildaufnahmeanordnungen vom Typ Vidicon eingebaut sein. Eine andere mögliche Anordnung ist eine Speicherröhre, in der ein Information darstellendes Ladungsmuster auf einar Auftreff-

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platte mit Hilfe eines modulierten Elektronenstromes aufgezeichnet wird, welcher Strom von der Elektronenquelle in dem Körper 10 erzeugt wird, wobei dieses Ladungsmuster daraufhin durch einen konstanten Elektronenstrahl ausgelesen 5

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wird, der vorzugsweise von derselben Elektronenquelle erzeugt wird. "

Eine bekannte Teclinologie, die bei der Herstellung integrierter Schaltungsanordnungen aus Silizium angewandt wird, kann zum Herstellen von Elektronenquellen nach, der Erfindung in Form einer Matrix in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angewandt werden. Dies wird erleichtert durch die einfache Struktur derartiger Quellen, wobei nur Elektrodenanschlüsse für die zwei Gebiete 3 und 2 erforderlich sind. So kann der Körper der' Anordnung aus einer zweidimensionalen Matrix derartiger Elektronenquellen bestehen, die je einzeln gesteuert werden können um die eigene einzelne Elektronenausstrahlung zu regeln. Die Masse des Körpers 10 kann aus leicht dotiertem Material, das einen dem Leitungstyp der Gebiete 2 entgegengesetzten Leitungstyp hat und worin, die Gebiete 2 als Inseln angebracht sind, bestehen. Die einzelnen Elektronenquellen können in einem XY-Kreuzstangensehaltsystem zusammengefügt sein. Die nleitenden Gebiete 3 in jeder X-Richtung der Matrix können einen gemeinsamen Elektrodenanschluss 13(i), 13(2), usw. aufweisen, der sich in der X-Richtung erstreckt. Die die Gebiete 2 bildenden Inseln können die Form von Streifen 2(1), 2(2), 2(3) usw. haben, die sich in der Y-Richtung der Matrix erstrecken um die Gebiete 2 der einzelnen Elektronenquellen in jeder Y-Richtung in einer gemeinsamen Insel zusammenzufügen. Jeder dieser Streifen 2(i), 2(2), 2(3) usw. kann einen Elektrodenanschluss 12(i), 12(2), 12(3) usw. haben. Einzelne Elektronenquellen der XY-Matrix können dadurch gesteuert werden, dass die Elektrodenanschlüsse 12(i), 12(2) usw. und 13(1), 13(2) usw. selektiert werden, an die die Betriebsspannungen V(y) und V(x) angelegt werden, um das Gebiet 3 gegenüber dem Gebiet 2 für die Elektronenausstrahlung über das Gebiet 5 positiv vorzuspannen. Vorspannungen unterschiedlicher Grosse können an diese unterschiedlichen Anschlüsse angelegt werden, so dass verschiedene Elektronenströme 24 ausgestrahlt werden können und zwar von unterschiedlichen Elektronenquellen, wodurch ein gewünschtes Elektronenstrom-

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muster der ganzen Matrix erzeugt wird.

Eine derartige Anordnung mit einer zweidimensionalen Matrix, eignet sich, insbesondere zum Gebrauch, als Elektronenquelle in einer Bildwiedergabeanordnung, die eine flachere Vakuumröhre 33 aufweisen kann als die Elektronenstrahlröhre nach Fig. 4. In einer derartigen flachen Anordnung kann das Bild an einem Leuchtschirm 2>h an nur einer Seite der Röhre gebildet werden, indem unterschiedliche Elektronenstro.mmuster der Matrix in dem Körper 10, welcher Körper auf der gegenüberliegenden Seite der Röhre angeordnet ist, erzeugt werden_f statt einen einzigen Elektraonenstrahl abzulenken, wie in einer Elektronenstrahlröhre. Eine derartige zweidimensionale Matrix eignet sich auch für Elektronenlithographie bei der Herstellung von HaIbleiteranordnungen, integrierten Schaltungen und anderen Mikrominiaturfeststoffanordnungen. Bei dieser Anwendung wird die Matrix als Elektronenquelle in der Kammer einer lithographischen Belichtungsanordnung angeordnet. Die Kammer ist mit einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in der Kammer für das Belichtungsverfahren verbunden. Die Verwendung einer halbleitenden zweidimensionalen Elektronenquellenmatrix für Bildwiedergabeanordnungen und für Elektronenlithographie wurde bereits in der britischen Patentanmeldung Nr. 7902455» die unter der Nummer GB 2013398 A veröffentlicht wurde, und auf die verwiesen wird, beschrieben.

Ein Oberflächengebiet 5 nach der Erfindung kann in den η-leitenden Gebieten von pn-Elektronenquellen vom 3-Elektrodentyp in einzelnen Quellen sowie in Matrizen angebracht werden, wie dies in GB 2013398A beschrieben worden ist. So kann eine erfindungsgemässe Elektronenquelle eine Beschleunigungselektrode aufweisen, die gegenüber der Halbleiteroberfläche isoliert ist und sich um den Rand des erschöpften Oberflächengebietes 5 an der Stelle der

•™ Zone 4 erstreckt, von woraus die heissen Elektronen 24 ausgestrahlt werden. In diesem Fall kann das n—leitende erste Gebiet 3 durch den. Elektrodenanschluss über ein tiefes η-leitendes Kontaktgebiet an einer Stelle, die

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%Λ

weit von der Oberflächenzone 4 entfernt ist, kontaktiert werden, von welcher Zone auch. die. heissen Elektronen Zk ausgestrahlt werden.

Viele andere Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung möglich. So kann der Halbleiterkörper 10 einer erfindungsgemassen Elektronenquelle statt aus einkristallinem Silizium auch aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen, beispielsweise aus einer III-V-Halbleiterverbin— dung oder aus wasserstoffgesättigtem amorphem Silizium, das auf einem Substrat aus Glas oder einem anderen geeigneten Material niedergeschlagen wird.

Claims

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μ- Λ λ

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PATENTANSPRÜCHE

Halbleiteranordnung zum Ausstrahlen von Elektronen mit einem Halbleiterkörper mit einem n—leitenden ersten Gebiet und einem zweiten Gebiet des Körpers, getrennt durch eine mit einem pn-Ubergang versehenen, zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet liegenden Sperre, sowie mit Elektrodenanschlüssen für das erste und das zweite Gebiet zum Anlegen eines Potentialunterschiedes an die Sperre um das erste Gebiet gegenüber dem zweiten Gebiet positiv vorspannen zu können und dadurch eine Zufuhr

IP heisser Elektronen zu bewirken, die aus dem zweiten Gebiet über die Sperre in das erste Gebiet injiziert werden und die von einer Oberflächenzone des Körpers ausgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper an der Stelle der Oberflächenzone von woraus die helssen Elektronen ausgestrahlt werden, ein p-leitendes Oberflächengebiet aufweist, um zwischen dem η-leitenden ersten Gebiet und der genannten Oberflächenzone in einem Abstand von der genannten Oberflächenzone ein Potentialmaximum bilden, wodurch in dem Halbleiterkörper ein Triftfeld erzeugt wird, das Elektronen in Richtung der genannten Oberflächenzone beschleunigt.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das p-leitende Oberflächengebiet eine derartige Dotierungskonzentration aufweist, dass es mindestens über einen Teil des Oberflächengebietes über die ganze Dicke durch das Erschöpfungsgebiet, das unter Vorspannung Null mit dem genannten ersten Gebiet gebildet wird, erschöpft wird.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Oberflächengebiet eine Dicke von höchstens 10 nm hat.

h. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

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durch, das Oberflächengebiet und das erste und das zweite Gebiet gebildete Struktur nur zwei Elektrodenansclilüsse aufweist für das erste Gebiet bzw. das zweite Gebiet.

5. Halbleiteranordnung nach, einem oder mehreren der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenanschluss für das η-leitende erste Gebiet zugleich einen Teil des Oberflächengebietes kontaktiert.

6. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gebiet η-leitend ist und von dem n-leitenden ersten Gebiet durch ein p-leitendes Sperrschichtgebiet getrennt ist, welches Gebiet mit dem η-leitenden ersten sowie dem η-leitenden zweiten Gebiet pn-Ubergänge bildet.

7. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der

Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gebiet p-leitend ist und dass die Sperrschicht durch den pn-Ubergang zwischen dem p-leitenden zweiten Gebiet und dem η-leitenden ersten Gebiet gebildet wird.

8. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Oberflächenzone des Oberflächengebietes mit einem Material bedeckt ist, das das Elektronenaustrittspotential verringert.

9. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper längs mindestens eines Teils der Oberflächenzone mit mindestens einer gegenüber dem Halbleiterkörper elektrisch isolierten Elektrode versehen ist.

10. Anordnung mit einer Vakuumhülle, in der ein Vakuum erzeugt werden kann und mit einer Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordnung sich innerhalb der Hülle befindet und im Betrieb der Anordnung Elektronen

im Vakuum ausstrahlen kann.
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