DE3752064T2

DE3752064T2 - Elektronenemittierendes Element

Info

Publication number: DE3752064T2
Application number: DE19873752064
Authority: DE
Inventors: Masahiko Okunuki; Akira Shimizu; Isamu Shimoda; Masao Sugata; Akira Suzuki; Takeo Tsukamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-09-11
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2007-09-11
Also published as: EP0259878B1; EP0259878A2; EP0259878A3; DE3752064D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronenemittierende Einrichtung.
Es sind bereits verschiedene elektronenemittierende Elemente bekannt, wie etwa ein Element, das einen Lawineneffekt eines PN&supmin;Übergangs ausnützt, und eines, das eine Elektroneninjektion in eine P-Schicht eines PN-Übergangs unter einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung anwendet, und eines, das einen dünnen Isolator besitzt, der zwischen Metalischichten (Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau) eingezwängt ist, und welche, die eine elektrische Feldemission oder eine oberflächenleitung verwenden.
Aus der Schrift H.-D., Junge "Lexikon Elektronik", 1. Ausgabe, 1978, Physik-Verlag, Weinheim (DE), Seiten 217 bis 218, Stichwort "Fotodiode", sind Photodioden, insbesondere PIN- und Lawinenphotodioden, bekannt.
Die Schrift EP-A-0 041 119 offenbart ein elektronenemittierendes Element mit einem Halbleiteraufbau und einer Elektronenbegren zungsbarriere, bei dem eine kleine Öffnung mit einer niedrigen Austrittsarbeit gebildet ist. Mittels einer Lichtbestrahlung oder einer elektrischen Injektion (Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden, die auf entgegengesetzten Seiten des Halbleiteraufbaus angeordnet sind) werden Elektron-Loch- Paare erzeugt. Eine Rekombination ist nur bei der kleinen Öffnung möglich. Aufgrund eines Konzentrationsgradienten, der aufgrund einer Elektronenemission durch die kleine Öffnung erzeugt wird, werden daher Elektronen in der Richtung der Öffnung beseitigt. Zum Auslösen einer Elektronenemission in einer bestimmten Richtung kann eine Gitterelektrode entgegengesetzt zur kleinen Öffnung angeordnet werden. Zwischen der Gitterelektrode und der oberen Elektrode wird dann ein elektrisches Feld angelegt.
Zusätzlich offenbart die Schrift US-A-3 872 489 ein elektronenemittierendes Element mit einem P-Typ-Halbleiter, der auf einen positiv vorgespannten Kontakt angeordnet ist. In diesem Fall wird eine Elektronenemission mittels eines angelegten elektrischen Feldes ausgelöst. Die Elektronen werden durch eine Öffnung bei der Elektrode emittiert. Die emittierten Elektronen können in Richtung eines positiven Potentials außerhalb des elektronenenittierenden Elements geführt werden.
Weiterhin offenbart die Schrift FR-A-1 460 237 ein elektronenemittierendes Element, bei dem auf einem durchlässigen Substrat eine dünne durchlässige Metallschicht gebildet ist. Auf dieser dünnen durchlässigen Metallschicht sind eine Isolierschicht und eine Metallschicht gebildet. Die zwei Metallschichten und die Isolierschicht bilden einen Metall-Isolator-Metall (MIM) -Aufbau. Zwischen den zwei Metallschichten wird eine Spannung angelegt. Aufgrund einer Lichtbestrahlung des durchlässigen Substrats werden Elektronen erzeugt, die den Metall-Isolator-Metall (MIM)Aufbau mittels des angelegten elektrischen Feldes durchtunneln können. Dieses elektronenemittierende Element kann innerhalb eines elektrostatischen Aufzeichnungssystems verwendet werden.
Die Schrift US-A-3 624 273 offenbart eine Anordnung aus elektronenemittierenden Elementen, die bei einem flachen Anzeigebildschirm verwendet werden. Die elektronenemittierenden Elemente können aus Dünnfilm-Einrichtungen, Festkörperstrukturen, thermisch emittierenden Kathodenstrukturen oder Feldemissions- Kathodenstrukturen bestehen. Aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden wird eine Elektronenemission ausgelöst. Aufgrund des Aufbaus der Anordnung ist es möglich, ein bestimmtes elektronenemittierendes Element mittels Auswählen der entsprechenden Elektroden auszuwählen. Eine Elektronenemission wird lediglich mittels Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden ausgeführt. Die elektronenemittierenden Elemente aktivieren Phosphorelenente des Anzeigebildschirms.
Aus der Schrift US-A-3 119 947 ist darüberhinaus ein elektronenemittierendes Element bekannt, das drei aneinander grenzende Schichten aus halbleitendem Material umfaßt, wobei benachbarte Schichten von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp zwei gleichrichtende ubergänge bilden. An die zwei Schichten des gleichen Leitfähigkeitstyps wird eine Spannung angelegt. Eine Elektronenemission wird mittels des angelegten elektrischen Feldes ausgelöst.
Weiterhin offenbart die Schrift FR-A-2 235 496 ein elektronenemittierendes Element einschließlich einem Heteroübergang. Elektronen werden aufgrund eines Anlegens einer Spannung emittiert. Es ist ebenfalls möglich, eine Elektronenemission mittels einer Lichtbestrahlung auszulösen. Die Elektronenemission wird aufgrund einer Schicht mit verringerter Austrittsarbeit, die auf der elektronenemittierenden Oberfläche vorgesehen ist, leichter.
Schließlich offenbart die Schrift GB-A-1 023 257 ein elektronenemittierendes Element, das ansprechend auf Lichtbestrahlung Elektronen emittiert. Bei diesem Element wird ein Metall- Isolator-Metall(MIM)-Aufbau verwendet. An den Metall-Isolator- Metall(MIM)-Aufbau wird eine Spannung angelegt und daher können die Elektronen den Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau durchtunneln. Aufgrund der Verwendung eines zwischen der Metallschicht des Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbaus und der Isolierschicht angeordneten Photoleiters wird eine Eiektronenemission nur möglich, wenn das elektronenemittierende Element mit Licht angestrahlt wird und daher der Widerstand der photoleitfähigen Schicht abnimmt.
Bei diesen bekannten Elementen, bei denen Elektronen hoher Energie elektrisch erzeugt und emittiert werden, kann jedoch die Elektronenemission lediglich elektrisch gesteuert werden, und es war nicht möglich, die Elektronenenission mit Licht zu korrelieren.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronenemittierendes Element zu bilden, das eine Steuerung einer Elektronenemission durch Licht erlaubt.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine elektronenemittierende Einrichtung gelöst, mit: einer Vielzahl von elektronenemittierenden Elementen und einer Vielzahl von dazu entsprechenden Verschlußelementen; wobei jedes aus der Vielzahl von elektronenemittierenden Elementen einen P-Typ-Halbleiterbereich und Elektroden, die auf beiden Enden des elektronenemittierenden Elements in der Richtung einer einfallenden Lichtstrahlung. gebildet sind, umfaßt; wobei zwischen den Elektroden eine Spannung zum Beschleunigen von Elektronen, die durch die Bestrahlung des P-Typ-Halbleiterbereichs mit Licht in das Leitungsband angeregt werden, anzulegen ist, um Elektronen von einer elektronenenittierenden Oberfläche an einem Ende der Enden des elektronenemittierenden Elements zu emittieren; und wobei jedes aus der Vielzahl von Verschlußelementen, die in der Lichtbestrahlungsrichtung vor einer Lichteinfallsoberfläche des ent sprechenden Halbleiterbereichs angeordnet sind, zum Ein-Aus- Steuern der Lichtbestrahlung des entsprechenden P-Typ-Halbleiterbereichs geeignet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von Beispielen, die keine Ausführungsbeispiele sind, in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines elektronenemittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet;
Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines elektronenenittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet;
Figur 3 eine schematische Ansicht eines Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet;
Figur 4A einen Teilgrundriß einer elektronenemittierenden Einrichtung, die kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 4B eine Querschnittsansicht davon entlang einer Linie B-B;
Figur 5 eine Teilguerschnittsansicht einer elektronenemittierenden Einrichtung, die ein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 6 eine schematische Ansicht mit einem allgemeinen Aufbau eines elektronenemittierenden Elements mit einem Metall- Isolator-Metall(MIM)-Aufbau, das kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 7 eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen elektronenenittierenden Elements mit einen Metall-Isolator- Metall(MIM)-Aufbau, das kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 8A eine schematische Querschnittsansicht des grundlegenden Aufbaus eines lichtanregbaren elektronenemittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 8B eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Vertiefung in der Metallschicht in Figur 8A;
Figur 9 eine schematische Ansicht mit dem Aufbau eines lichtanregbaren elektronenemittierenden Elements von Figur 8A;
Figur 10A eine schematische Ansicht eines elektronenemittieren den Elements, das kein Ausführungsbeispiel bildet, bei den eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung an einen PN-übergang angelegt wird und Elektronen in die P-Schicht injiziert werden;
Figur 10B eine graphische Darstellung, die die Strom-Spannungs-Charakteristik davon zeigt;
Figur 11 eine schematische Ansicht eines elektronenemittierenden Elements mit einem Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau, das kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 12 eine schematische Ansicht eines elektronenemittierenden Elements von einer Oberflächenleitungs-Art, das kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 13 eine schematische Querschnittsansicht mit dem Aufbau einer elektronenemittierenden Einrichtung, die keiri Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 14 eine schematische Ansicht mit einer weiteren elektronenemittierenden Einrichtung, die kein Ausführungsbeispiel bildet;
Figur 15 eine schematische Ansicht eines lichtschaltbaren elektronenemittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel bildet; und
Figur 16 eine schematische Ansicht eines lichtschaltbaren elektronenenittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel bildet.
Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektronenemittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet.
Auf beiden Enden eines P-Typ-Halbleitersubstrats 1 sind Metallelektroden 2, 3 angebracht und in der Metallelektrode 2 ist eine Elektronenenissionsöffnung gebildet. Auf den P-Typ-Halbleitersubstrat 1 in der Elektronenemissionsöffnung ist eine Schicht 4 aus einem Material, wie etwa Cs oder CsO, zum Verringern der Austrittsarbeit gebildet.
Bei einem derartigen Aufbau wird zwischen den Metallelektroden 2, 3 eine Treiberspannung angelegt, wobei die Metallelektrode 2 am positiven Pol liegt, und das P-Typ-Halbleitersubstrat 1 wird mit Licht hv bestrahlt. Falls hν ≥ Eg gilt, wobei Eg die Bandlükke des Halbleiters ist, werden die Elektronen in das Leitungsband angeregt, durch das elektrische Feld beschleunigt und von der Oberfläche des Materials 4 mit verringerter Austrittsarbeit emittiert. Es kann ein hoher Elektronenemissionswirkungsgrad erreicht werden, falls die praktische Austrittsarbeit durch das Material 4 mit verringerter Austrittsarbeit bis zu einem Niveau unter dem des Leitungsbands des Halbleiters, nämlich einem Zustand negativer Elektronenaffinität, verringert wird.
Da eine Elektronenemission beim Fehlen einer Lichtbestrahlung nicht auftritt, kann ebenfalls ein schneller Lichtschaltvorgang erreicht werden, bei dem die Elektronenemission durch die Ein- Aus-Steuerung von Licht ein- oder ausgeschaltet wird.
Figur 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Eine der auf dem P-Typ-Halbleitersubstrat 1 gebildeten Elektroden besteht aus einer durchlässigen Elektrode 5, zum Beispiel aus ITO, über die Licht eingeführt wird. Somit werden die Elektronen im P-Typ-Halbleitersubstrat 1 angeregt, wie vorstehend erläutert, zu der Metallelektrode 2 beschleunigt und von der Oberfläche der Schicht 4 mit dem Material mit verringerter Austrittsarbeit emittiert.
Es ist möglich, eine elektronenemittierende Einrichtung mit einer Anordnung aus vielen elektronenemittierenden Elementen leicht herzustellen, indem eine durchlässige Elektrode 5 auf einem Glassubstrat gebildet wird, dann viele P-Typ-Halbleitersubstrate 1 in Form von Inseln oder in gegenseitig isolierten Formen gebildet werden und Elektroden 2 mit Elektronenemissionsöffnungen und Schichten 4 aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit jeweils entsprechend den P-Typ-Halbleitersubstraten 1 gebildet werden.
Figur 3 ist eine schematische Ansicht von einem Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Bei diesem Beispiel sind die in Figur 2 gezeigten elektronenemittierenden Elemente auf einem durchlässigen Substrat gebildet und durch undurchlässige Isolierschichten 6 gegenseitig getrennt. Somit können die elektronenemittierenden Elemente durch die unabhängige Ein-Aus-Steuerung des Lichts, das in die elektronenemittierenden Elemente eintritt, unabhängig getrieben werden. Ebenfalls kann der Elektronenemissionswirkungsgrad durch Regeln der Energie des einfallenden Lichts gesteuert werden.
Wie vorangehend erläutert, ermöglicht das elektronenemittierende Element des vorliegenden Beispiels leicht eine Elektronenemissi onssteuerung durch Licht, wie etwa einen Lichtschaltvorgang. Ein äußerst einfacher Aufbau, der allein aus dem P-Typ- Halbleitersubstrat 1 und Elektroden 2, 5 besteht, ermöglicht ebenso eine einfache Herstellung selbst einer Anordnung mit vielen Elementen.
Nachfolgend wird als ein Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, eine elektronenemittierende Einrichtung erläutert, die viele elektronenemittierende Elemente besitzt und als ein Mustergenerator für eine Anzeigeeinrichtung anwendbar ist.
Als eine Elektronenguelle wurde eine thermische Elektronenemission von einer beheizten Kathode verwendet. Das elektronenemittierende Element, das eine derartige beheizte Kathode verwendet, war jedoch mit den Nachteilen eines hohen Energieverlustes beim Heizen, eines Bedarfs einer Heizeinrichtung und einer Unfähigkeit für sofortige Funktion nach Einschalten aufgrund einer zum Vor-Heizen erforderlichen beträchtlichen Zeitdauer verbunden.
Aus diesen Grund wurden verschiedene elektronenemittierende Elemente entwickelt und vorgeschlagen, die nicht auf ein Heizen beruhen.
Zum Beispiel sind bereits vorgeschlagen: ein Element, bei dem eine Umkehrvorspannung an einen PN-Übergang angelegt wird, um durch einen Lawinenelektronen-Ausbeuteeffekt Elektronen von dem elektronenemittierenden Element zu emittieren; ein MIM-Element mit einem Metallschicht-Isolator-Metallschicht-Aufbau, bei dem zwischen den zwei Metallschichten eine Spannung angelegt wird, um die Elektronen, die den Isolator durch einen Tunneleffekt durchquert haben, von der Metallschicht nach außen zu emittie ren; ein Oberflächenleitungselement (SCE), bei dem eine Spannung senkrecht an eine dünne Hochwiderstandsschicht angelegt wird, um die Elektronen von der Oberfläche der dünnen Schicht nach außen zu emittieren; und ein Feldeffekt(FE)-Element, bei dem eine Spannung an ein Metall aus einer Form zum Vereinfachen der Konzentration eines elektrischen Feldes angelegt wird, um ein lokales hochdichtes elektrisches Feld zu erzeugen, um dadurch die Elektronen von dem Metall zu emittieren.
Als eine Anwendung derartiger elektronenemittierender Elemente sind viele elektronenemittierende Elemente zweidimensional angeordnet und werden geeignet ein-aus-gesteuert, um die Elektronen in einem gewünschten Muster zu emittieren, und die emittierten Elektronen werden beschleunigt und zu einer fluoreszierenden Oberfläche hin abgelenkt, um eine Anzeige zu erhalten.
Bei derartigen elektronenemittierenden Elementen wird die Elektronenemission durch Anlegen einer einen Schwellenwert übersteigenden Spannung erzeugt. Falls somit eine Einrichtung für eine Musterelektronenemission durch eine Anordnung aus einer Vielzahl der elektronenemittierenden Elemente gebijidet wird, wird es erforderlich, einen Draht zur Spannungssteuerung für jedes elektronenemittierende Element anzubringen. Folglich wird die Dichte einer Anordnung aus den elektronenemittierenden Elementen niedriger, sodaß ein Muster mit hochdichten Bildelementen schwierig zu erreichen ist.
Das vorliegende Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, ist zum Auflösen derartiger Nachteile vorgesehen.
Figur 4A ist ein Teilgrundriß einer elektronenemittierenden Einrichtung, die ein Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, bildet, und Figur 48 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B.
Bei diesen Figuren sind ein Substrat 102, ein Metall-Isolator- Metall(MIM)-Aufbau 104 und ein Lichtverschluß 106 gezeigt.
Das Substrat 102 ist durchlässig und besteht beispielsweise aus Glas, Keramik oder einem Isolierkristall, wie etwa GaAs, GaSb, InAs, GaP oder Spinell (MgAl&sub2;O&sub4;).
Der Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau 104 besitzt eine erste Metallschicht 108, eine Isolatorschicht 110 und eine zweite Metallschicht 112. Die erste Metallschicht 108 besteht beispielsweise aus Aluminium, Berylhum, Molybdän, Platin, Tantal, Gold, Silber, Wolfram, Chrom, Mangan oder Nichrom. Die Metallschicht 108 sollte vorzugsweise so dünn wie möglich sein, zum Beispiel in einem Bereich von 0,001 bis 1 µm, damit die durch die Lichtbestrahlung von unten angeregten Elektronen wirksam zur Isolatorschicht 110 geführt werden.
Die Isolatorschicht 110 besteht zum Beispiel aus SiO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5;, Al&sub2;0&sub3;, BeO, SiC, SiOxNyHz, SiNxHy oder AlN. Die Dicke der Isolatorschicht 110 ist vorzugsweise gering, solange die Isolation nicht zerstört wird, aber wird unter Berücksichtigung des bei der Isolatorschicht 110 verwendeten Isoliermaterials und des bei der zweiten Metallschicht 112 verwendeten Metalls geeignet ausgewählt, um eine gewünschte Elektronenemissions-Charakteristik zu erreichen, zum Beispiel in einem Bereich von 1 bis 200 nm.
Die zweite Metallschicht 112 besteht zum Beispiel aus Gold, Platin, Aluminium oder Silber. Die zweite Metallschicht 112 ist unter Berücksichtigung des Elektronenemissionswirkungsgrads vorzugsweise so dünn wie möglich, zum Beispiel in einem Bereich von 10 bis 300 nm.
Wie in Figur 48 gezeigt, ist eine Energiequelle 114 zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Metallschicht 108 und der zweiten Metallschicht 112 gebildet, wobei die zweite Metallschicht 112 am positiven Pol liegt.
Der Verschluß 106 umfaßt: eine auf der Unterseite des Substrats 102 gebildete erste durchlässige Elektrode 116; eine durchlässige Platte 118, die entgegengesetzt zum Substrat 102 angeordnet ist; eine zweite durchlässige Elektrodenschicht 120, die auf der durchlässigen Platte 118 gebildet ist, um der ersten durchlässigen Elektrodenschicht 116 gegenüberzuliegen; und eine Flüssigkristallschicht 122, die zwischen dem Substrat 102 und der durchlässigen Platte 118 gebildet ist. Die ersten durchlässigen Elektroden 116 erstrecken sich in einer zur Linie B-B senkrechten Richtung und sind unter einer geeigneten Teilung parallel angeordnet. In ähnlicher Weise erstrecken sich die zweiten durchlässigen Elektroden 120 entlang der Linie B-B und sind unter einer geeigneten Teilung parallel angeordnet. Jede erste durchlässige Elektrode 116 ist mit einem Anschluß 124 zum Anlegen der Treiberspannung verbunden und jede zweite durchlässige Elektrode 120 ist mit einem ähnlichen Anschluß 125 verbunden.
Somit ist ein Einheitsbereich 126 zum Anlegen einer unabhängigen Spannung durch ein sogenanntes Matrixtreiben an der Kreuzungsposition von jeder ersten durchlässigen Elektrode 116 und jeder zweiten durchlässigen Elektrode 120 des Verschlusses 106 gebildet.
Jeder Einheitsbereich 126 bei dem vorstehend erläuterten Metall- Isolator-Metall (MIM) -Aufbau 104 entspricht einem elektronenemittierenden Element des vorliegenden Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, und jeder Einheitsbereich 126 des Verschlusses 106 entspricht einem Verschluβelement bei dem Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Wie in Figur 4B gezeigt, ist eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Verschlusses 106 durch die durchlässige Platte 118 gebildet.
Die elektronenemittierende Einrichtung des vorliegenden Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, wird in der folgenden Weise getrieben.
Bei dem Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau 104 wird durch die Energiequelle 114 zwischen der ersten Metallschicht 108 und der zweiten Metallschicht 112 eine Spannung angelegt. Die Spannung der Energiequelle 114 wird in Übereinstimmung mit den besonderen Parametern des Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbaus und der gewüschten Elektronenemissions-Charakteristik geeignet bestimmt, aber wird bei einem derartigen Pegel ausgewählt, daß die zweite Metallschicht 112 nicht allein durch die Spannung von der Energiequelle 114 Elektronen emittiert, zum Beispiel in einem Bereich von 3 bis 20 V.
Bei dem Verschluß 106 bleibt die Flüssigkristallschicht 122 in einem Einheitsbereich 126, der keiner Spannungsanlegung unterzogen wird, zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 120 durchlässig, wodurch das Licht von der Lichtquelle über das Substrat 102 zum Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau 104 übertragen wird. Folglich werden in dem Einheitsbereich 126 die Elektronen in der ersten Metallschicht 108 des Metall-Isolator- Metall(MIM)-Aufbaus 104 der Energie von Bestrahlungslicht ausgesetzt, durchqueren durch die mittels der Energiequelle 114 angelegten Spannung leicht die Isolatorschicht 110 und werden über die zweite Metallschicht 112 nach außen emittiert.
Andererseits wird die Flüssigkristallschicht 122 bei jedem Einheitsbereich 126 des Verschlusses 106, der keiner Spannungsanlegung zwischen der ersten durchlässigen Elektrode 116 und der zweiten durchlässigen Elektrode 120 unterzogen wird, lichtzerstreuend, sodaß das Licht von der Lichtquelle größtenteils gestreut wird und den Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau 104 über das Substrat 102 kaum erreicht. Daher findet keine Elektronenemission von dem Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau 104 bei einem derartigen Einheitsbereich 126 statt.
Wie vorstehend erläutert, erfordert die elektronenemittierende Einrichtung des Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, lediglich ein Anlegen einer gemeinsamen Spannung an alle elektronenemittierenden Elemente und die Elektronenemissiön kann durch eine Matrixspannungsanlegung an die Verschlußelemente 106 von gewünschten Einheitsbereichen 126 erhalten werden. Die an das elektronenemittierende Element angelegte Spannung kann kleiner oder größer gewählt werden, je nachdem, ob die Intensität der Lichtquelle kleiner oder größer wird.
Figur 5 ist eine Teilquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die einen ähnlichen Teil wie Figur 48 zeigt.
In Figur 5 sind ein PN-Übergang 130 und ein Lichtverschluß 132 gezeigt.
Der PN-Übergang 130 besitzt eine N-Typ-Halbleiterschicht 134, eine P-Typ-Halbleiterschicht 136, eine erste Elektrodenschicht 138 und eine zweite Elektrodenschicht 140. Die N-Typ- Halbleiterschicht 134 besitzt eine Dicke, die sich beispielsweise in einem Bereich von 0,001 bis 1 µm bewegt, während sich die Dicke der P-Typ-Halbleiterschicht 136 beispielsweise im Bereich von 0,001 bis 1 µm bewegt. Die erste Elektrode 138 ist in wesentlichen durchlässig. Eine derartige durchlässige Elektrode kann durch geeignete Answahl von Material und Dicke verwirklicht werden. Die erste Elektrode 138 besteht zum Beispiel aus ITO, SnO&sub2; oder ZnO und besitzt eine Dicke von beispielsweise 10 bis 300 nm. Die zweite Elektrode 140 bedeckt einen Teil der P-Typ- Halbleiterschicht 136, deren verbleibender Teil mit einem Alkalimetall, wie etwa Cs, oder einer anderen Verbindung überzogen ist, um eine Elektronenemission zu erleichtern.
Wie in Figur 5 gezeigt, ist eine Energiequelle 144 zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode 138 und der zweiten Elektrode 140 gebildet, wobei die zweite Elektrode 140 am positiven Pol liegt.
Der Verschluß 132 ist grundlegend der gleiche wie der Verschluß beim vorangehenden Beispiel von Figur 4A und umfaßt: zwei durchlässige Platten 146, 148, die einander entgegengesetzt angeordnet sind; eine erste Elektrodenschicht 150 und eine zweite Elektrodenschicht 152, die jeweils auf einander entgegengesetzten Seiten der durchlässigen Platten 146, 148 gebildet sind; eine Flüssigkristallschicht 154, die zwischen den durchlässigen Platten 146, 148 gebildet ist; und Spannungsanlegeanschlüsse, die mit den ersten und zweiten Elektroden 150, 152 verbunden sind.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Bereich, der mit einem Material 142, wie etwa Cs, überzogen ist, einem Einheitsbereich 156, der am Kreuzungspunkt von jeder ersten Elektrode 150 und jeder zweiten Elektrode 152 beim Verschluß 132 gebildet ist.
Die elektronenemittierende Einrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird in der gleichen Weise wie beim Beispiel von Figur 4A getrieben. Die an den PN-Übergang 130 angelegte Spannung wird bei einem derartigen Pegel ausgewählt, daß der PN&supmin;Übergang 130 beim Fehlen einer Lichtbestrahlung auf den Übergang keine Elektronen nach oben emittiert, sondern die Elektronen lediglich beim Vorhandensein einer Lichtbestrahlung emittiert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Elektronen von dem mit dem Material 142, wie etwa Cs, überzogenen Bereich emittiert.
Das vorangehende Ausführungsbeispiel bzw. das Beispiel verwenden einen Flüssigkristallverschluß, aber die Einrichtung der vorliegenden Erfindung kann weitere Verschlüsse, die elektrooptische Kristalle, wie etwa PLZT, Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) oder Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;), gebrauchen, verwenden.
Bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel bzw. den Beispielen wurde ein elektronen emittierendes Element offenbart, das eine negative Elektronenaffinität eines PN-Übergangs verwendet, aber bei der elektronenemittierenden Einrichtung der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls ein Element, bei dem eine Umkehrvorspannung an einen PN-Übergang angelegt und eine Lawinenelektronenausbeute durch Lichtbestrahlung angeregt wird, oder ein Element, bei dem eine P-Schicht bei einem NPP&spplus;-Aufbau lichtangeregt wird, verwendet werden.
Wie vorangehend erläutert, erfordern die vielen elektronenemittierenden Elemente bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich eine relativ niedrige gemeinsame Spannung, sodaß die elektronenemittierenden Elemente in einer einfachen Weise aufgebaut und unter einer hohen Dichte angeordnet werden können, um somit die Bildung eines Musters mit hochdichten Bildelementen zu ermöglichen.
Im folgenden wird ein Beispiel erläutert, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Figur 6 zeigt schematisch einen allgemeinen Aufbau eines elek tronenemittierenden Elements mit einem Metall-Isolator- Metall(MIM)-Aufbau (nachfolgend als elektronenemittierendes MIM- Element bezeichnet).
Das elektronenemittierende MIM-Element besteht aus einen Metall M1, einer darauf gebildeten dünnen Isolierschicht 1 und einem dünnen Metall M2. Bei Anlegen einer Spannung V, die größer ist als die Austrittsarbeit Φm des Metalls M2, zwischen den Metallen M1, M2 werden die Elektronen, die die Isolierschicht I durch den Tunneleffekt durchquert haben und eine größere Energie als den Vakuumpegel besitzen, von der Oberfläche des Metalls M2 emittiert.
Um bei einem derartigen elektronenemittierenden Element einen hohen Elektronenemissionswirkungsgrad zu erreichen, sollte die Isolierschicht I innerhalb eines Ausmaßes, innerhalb dem eine Isolation nicht zerstört wird, so dünn wie möglich gebildet werden, und das Metall M2 sollte innerhalb eines Ausmaßes, innerhalb dem ein genügender Stromfluß möglich ist, ebenfalls so dünn wie möglich gebildet werden.
Figur 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen elektronenemittierenden MIM-Elements, das kein Ausführungsbeispiel ist, wobei das Metall M2 bei einem elektronenemittierenden Bereich W dünner gebildet ist, um den Elektronenemissionswirkungsgrad zu verbessern.
Das vorliegende Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, ist gebildet, um eine Steuerung der Stärke einer Elektronenemission von einem derartigen elektronenemittierenden MIM-Element mittels Licht zu ermöglichen und einen einfachen Aufbau, der eine hohe Integration ermöglicht, zu verwirklichen.
Figur 8A ist eine schematische Teilquerschnittsansicht mit dem grundlegenden Aufbau eines lichtanregbaren elektronenemittierendem Elements, das kein Ausführungsbeispiel ist, und Figur 8B ist eine Querschnittsansicht einer Vertiefung in der Metallschicht.
Es wird nun auf Figur 8A verwiesen. Ein lichtdurchlässiges Substrat 201, wie etwa Glas, ist darauf mit einer durchlässigen Elektrode 202, die beispielsweise aus ITO besteht, gebildet, wobei auf einem Teil von dieser aufeinanderfolgend ein N-Typ- Halbleiterbereich 203, ein P-Typ-Halbleiterbereich 204 und ein leitfähiger Bereich 205, der aus Metall, wie etwa Aluminium, oder Halbleiter, wie etwa Silizium, besteht, gebildet sind. Die durchlässige Elektrode 202, der N-Typ-Halbleiterbereich 203, der
P-Typ-Halbleiterbereich 204 und der leitfähige Bereich 205 bilden einen lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereich.
Auf dem leitfähigen Bereich 205 und auf der Seite des lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereichs ist ein Isolierbereich 206, der im Falle des leitfähigen Bereichs 205 vorteilhaft aus SiO&sub2; besteht, gebildet, und der P-Typ-Halbleiterbereich 204 und der N-Typ-Halbleiterbereich 203 bestehen aus Silizium. Auf dem Isolierbereich 206 ist eine Metallschicht 207, die beispielsweise aus Aluminium, Gold oder Platin besteht und bei einem Bereich oberhalb des lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereichs eine Vertiefung 209 besitzt, gebildet. Bei der Vertiefung 209 ist ein Bereich 208 aus einem Material mit einer verringerten Austrittsarbeit, das beispielsweise aus einem Alkalimetall oder einem Alkalierdmetall, wie etwa Cs, besteht, gebildet. Der leitfähige Bereich 205, der Isolierbereich 206 und die Metallschicht 208 bilden ein elektronenemittierendes MIM-Element.
Bei dem vorliegenden Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, dient der leitfähige Bereich 205 als eine Elektrode des lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereichs und ebenfalls als die leitfähige Schicht des elektronenemittierenden MIM-Elements, um somit den gesamten Aufbau zu vereinfachen. Der Isolierbereich 206 dient als die Isolierschicht des elektronenemittierenden MIM-Elements und isoliert ebenfalls die Seitenflächen des lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereichs, um somit die Verschlechterung einer Charakteristik durch ein Stromleck zu verhindern. Beim vorliegenden Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, sind ebenso der lichtelektrische Umwandlungsübergangsbereich für die lichtelektrische Umwandlung und das elektronenemittierende MIM-Element zur Elektronenemission gegenseitig überlagert und vereinigt, um eine hohe Integration zu ermöglichen, und der Übergangsbereich ist lediglich unterhalb der Vertiefung zur Elektronenemission gebildet, um dadurch deren Wirkungsgrad zu verbessern. Daneben wird der Wirkungsgrad durch das Vorhandensein des Bereichs mit dem Material 208 mit verringerter Austrittsarbeit bei der Vertiefung 209 weiter verbessert. Es wird daher möglich gemacht, lichtanregbare elektronenemittierende Elemente mit vielen elektronenemittierenden Quellen, wie etwa einem Bildsensor, in integrierter Weise herzustellen.
Bei dem vorliegenden Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, mit dem vorstehend erläuterten Aufbau wird zwischen dem leitfähigen Bereich 205 und der Metallschicht 207 eine Spannung V angelegt, und der lichtelektrische Umwandlungsübergangsbereich wird über das lichtdurchlässige Substrat 201 mit Licht bestrahlt, um somit zwischen dem P-Typ-Halbleiterbereich 204 und dem N-Typ-Halbleiterbereich 203 eine lichtelektromotorische Kraft zu erzeugen, um die Elektronen in den leitfähigen Bereich 205, der das elektronenemittierende MIM-Element bildet, zu injizieren. Die Elektronen, die den Isolierbereich 206 durchquert haben, werden von der Vertiefung 209, bei der die Austrittsarbeit der Metallschicht 207 durch das Material 208 mit verringerter Austrittsarbeit verringert ist, emittiert. Auf diese Weise wird eine wirksame Elektronenemission bei einer niedrigeren Energie möglich gemacht.
Figur 9 ist eine schematische Ansicht mit einem genauen Aufbau der lichtanregbaren elektronenemittierenden Einrichtung, die kein Ausführungsbeispiel ist.
Wie in Figur 9 gezeigt, ist die Metallschicht 207 mit vielen Vertiefungen 209 gebildet, wobei für jede von diesen ein elektronenemittierender MIM-Bereich und ein Umwandlungsübergangsbereich gebildet sind. Die Teilung der Vertiefungen 209 kann in der Größenordnung von Mikrometer liegen.
Wie vorangehend erläutert, bestehen die Merkmale des lichtanregbaren elektronenemittierenden Elements des Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, in einem vereinigten Aufbau eines lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereichs und einem elektronenemittierenden MIM-Element, bei dem ein leitfähiger Bereich 205 gemeinsam als die Elektrode des lichtelektrischen Umwandlungsübergangsbereichs und die Elektrode des elektronenemittierenden MIM-Elements verwendet wird, und bei dem ein Isolierbereich 206 zur elektrischen Isolation gebildet wird, sodaß ein einfacher Aufbau, der eine hohe Integration ermöglicht, erhalten werden kann. Ebenso ist der lichtelektrische Umwandlungsübergangsbe reich lediglich unterhalb der Vertiefung 209 der Metallschicht 207, die den elektronenemittierenden Abschnitt des elektronenemittierenden MIM-Elements bildet, gebildet, um eine wirksame Elektronenemission zu erreichen. Somit wird es möglich gemacht, eine integrierte lichtanregbare elektronenemittierende Einrichtung herzustellen, die mit vielen lichtelektrischen Emissionselementen gebildet ist, wie etwa einem Bildsensor.
Die Vertiefung 209 kann mit einem Bereich aus einem Material 208 mit verringerter Austrittsarbeit zum Emittieren der Elektronen von der Metallschicht 207 unter einer niedrigeren Energie gebildet werden, um dadurch den Wirkungsgrad einer Elektronenemission zu verbessern.
Im folgenden wird ein Beispiel erläutert, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Figur 10A ist eine schematische Ansicht eines elektronenemittierenden Elements, bei dem eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung an einen PN-Übergang angelegt wird, um Elektronen in die P-Schicht zu injizieren, und Figur 10B ist eine schematische graphische Darstellung mit der Strom-Spannungs-Charakteristik davon.
In Figur 10A induziert eine an den PN-Übergang angelegte Vorspannung V in Vorwärtsrichtung einen Vorwärtsstrom 1, wie in Figur 10B gezeigt, wodurch ein Teil von Elektronen, die von der N&supmin;Schicht in die P-Schicht injiziert werden, von der Oberfläche der P-Schicht in das Vakuum emittiert wird. Die Oberfläche der P-Schicht ist beispielsweise mit Cs überzogen, um die Austrittsarbeit zu verringern, um dadurch die Menge der emittierten Elektronen zu erhöhen.
Figur 11 ist eine schematische Ansicht eines elektronenemittierenden MIM-Elements, das kein Ausführungsbeispiel ist, und Figur 12 ist eine schematische Ansicht eines elektronenemittierenden Oberflächenleitungselements, das kein Ausführungsbeispiel ist.
Das elektronenemittierende MIM-Element besitzt einen Schichtenaufbau, der aus einer Metallelektrode 306, einer Isolierschicht 307 und einer dünnen Metallelektrode 308 besteht, und die Elektronen werden durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 306 und 308 von der dünnen Metallelektrode 308 emittiert.
Das elektronenemittierende Oberflächenleitungselement besteht aus Elektroden 310, 311, die auf einem Isoliersubstrat 309 gebildet sind, und einem dazwischen gebildeten Hochwiderstands- Dünnfilm 312. Ein Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 310, 311 regt eine Elektronenemission von der Oberfläche des Hochwiderstands-Dünnfilms 312 an.
Bei derartigen bekannten Elementen jedoch, bei denen Elektronen hoher Energie elektrisch erzeugt und emittiert werden, kann die Elektronenemission nur elektrisch gesteuert werden, und es war nicht möglich, die Elektronenemission mit Licht zu korrelieren.
Das vorliegende Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, bezweckt ein elektronenemittierendes Element, das gekennzeichnet ist durch einen einfachen Aufbau, der eine Integration und eine Elektronenemissions steuerung durch Licht ermöglicht.
Im folgenden wird auf die Beschreibung in Verbindung mit Figur 2 hingewiesen, da der grundlegende Aufbau des vorliegenden Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, ähnlichdem in Figur 2 gezeigten ist.
Auf einer durchlässigen Elektrode 5, die beispielsweise aus ITO besteht, sind ein P-Typ-Halbleiterbereich 1 und eine Metallelektrode 2, die eine elektronenemittierende Öffnung besitzt, gebildet. Eine Schicht 4 aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit, wie etwa Cs oder CsO, ist auf der Oberfläche des P-Typ-Halbleiterbereichs 1 bei der Öffnung gebildet.
Bei einem elektronenemittierenden Element mit einem derartigen Aufbau wird der P-Typ-Halbleiterbereich 1 über die durchlässige Elektrode 5 mit Licht hv bestrahlt und zwischen der durchlässigen Elektrode 5 und der Metallelektrode 2 wird eine Spannung angelegt, wobei die Metallelektrode 2 am positiven Pol liegt. Falls hν ≥ Eg ist, wobei Eg die Bandlücke des Halbleiters ist, werden die Elektronen durch das Licht in das Leitungsband angeregt, durch das elektrische Feld beschleunigt und von der Oberfläche der Schicht 4 aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit emittiert. Das Vorhandensein der Schicht 4 aus dem Material mit verringerter Austrittsarbeit verringert die praktische Austrittsarbeit auf einen Pegel, der niedriger ist als das Leitungsband des P-Typ-Halbleiterbereichs 1, oder in einen Zustand negativer Elektronenaffinität (NEA), um dadurch einen hohen Elektronenemissionswirkungsgrad zu erreichen.
Selbst beim Vorhandensein von Lichtbestrahlung wird keine Elektronenemission angeregt, falls zwischen der durchlässigen Elektrode 5 und der Metallelektrode 2 keine Spannung angelegt wird, und es wird keine Elektronenemission angeregt, falls keine Lichtbestrahlung vorliegt, selbst wenn die Spannung vorhanden ist. Somit kann die Stärke einer Elektronenemission entweder durch die an dem P-Typ-Halbleiterbereich 1 angelegte Spannung oder durch die Lichtbestrahlung hv gesteuert werden.
Die Steuerung kann ebenfalls durch die Kombination aus der angelegten Spannung und der Lichtbestrahlung erreicht werden.
Figur 13 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, der elektronenemittierenden Einrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Bestandteile wie diejenigen in Figur 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Wie in Figur 13 gezeigt, sind auf einer durchlässigen Elektrode 5 viele P-Typ-Halbleiterbereiche 1, die durch undurchlässige Isolierbereiche 305 gegenseitig getrennt sind, gebildet. Dann werden darauf eine Metallelektrode 2 und Schichten 4 aus einem Material mit verringerter Anstrittsarbeit jeweils entsprechend den P-Typ-Halbleiterbereichen 1 gebildet.
Bei einer derartigen elektronenemittierenden Einrichtung wird zwischen der durchlässigen Elektrode 5 und der Metallelektrode 2 eine Spannung V angelegt, wobei die Metallelektrode 2 am positiven Pol liegt, und gewünschte P-Typ-Halbleiterbereiche 1 werden mit Licht bestrahlt, wodurch die Elektronen lediglich von den Schichten 4 aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit von somit bestrahlten P-Typ-Halbleiterbereichen 1 emittiert werden. Folglich kann jedes elektronenemittierende Element durch die Ein-Aus-Steuerung des in jeden P-Typ-Halbleiterbereich 1 eintretenden Lichts unabhängig gesteuert werden und es kann deshalb ein punktförmiges oder geradliniges elektronenemittierendes Element erhalten werden.
Durch Bestrahlen der P-Typ-Halbleiterbereiche 1 mit Gleichlicht, Teilen der Metallelektrode 2 entsprechend den P-Typ-Halbleiterbereichen 1 und Ein-Aus-Steuern der hinzu geführten Spannung kann ebenso die unabhängige Steuerung des elektronenemittieren den Elements erreicht werden. Die Ein-Aus-Steuerung kann ebenfalls durch die Kombination aus der angelegten Spannung und der Lichtbestrahlung erreicht werden.
Figur 14 ist eine schematische Ansicht mit der Funktion eines weiteren Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, der elektronenemittierenden Einrichtung der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der elektronenemittierenden Einrichtung ist der gleiche wie der in Figur 13 gezeigte und wird deshalb nicht im Einzelnen erläutert.
Bei dem vorliegenden Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, werden durchlässige Elektroden 301&sub1; bis 301&sub4; und Elektroden 303&sub1;
bis 303&sub4; gebildet, um einander zu kreuzen und eine Matrix zu bilden, und bei jedem Kreuzungspunkt wird ein P-Typ-Halbleiterbereich (nicht gezeigt) gebildet. Eine Spannung V kann an gewünschte P-Typ-Halbleiterbereiche angelegt werden, indem die Spannung über Steuertransistoren T21 bis T24 und T11 bis T14 an gewünschte durchlässige Elektroden 301&sub1; bis 301&sub4; und gewünschte Elektroden 303&sub1; bis 303&sub4; angelegt wird.
Wie bei dem vorangehenden Beispielen, die keine Ausführungsbeispiele sind, und wie bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 5 ist es möglich, durch die Ein-Aus-Steuerung einer Lichtbestrahlung der P-Typ-Halbleiterbereiche und möglicherweise der Ein-Aus- Steuerung der angelegten Spannung V ein elektronenemittierendes Element von geradliniger Form oder Flächenform zu erhalten.
Wie vorangehend im Einzelnen erläutert, kann die elektronenemittierende Einrichtung des vorliegenden Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, eine Elektronenemissionssteuerung durch Licht, wie etwa ein Lichtschalten, erreichen. Wegen eines äußerst einfachen Aufbaus, der allein aus einem P-Typ- Halbleiterbereich und Elektroden besteht und über die durchlässige Elektrode bestrahlt wird, wird eine einfache Herstellung und eine hohe Integration ermöglicht, und der Aufbau wird vorteilhaft bei einem elektronenemittierenden Vielfachelement mit vielen P-Typ-Halbleiterbereichen verwendet.
Genauer gesagt, eine geradlinige oder punktförmige elektronenemittierende Einrichtung kann durch Bilden von vielen vorstehend erläuterten P-Typ-Halbleiterbereichen auf einer gleichen durchlässigen Elektrode, gegenseitiges Isolieren der Halbleiterbereiche durch Isolierbereiche und Bilden einer Elektrode auf den Halbleiterbereichen erhalten werden, wobei die Elektronenemission von jedem Halbleiterbereich durch Ein-Aus-Steuerung der Elektrode oder von Bestrahlungslicht gesteuert werden kann. Ebenso kann durch Anordnen der durchlässigen Elektroden und der Elektroden in einer Matrixform, Bilden eines P-Typ-Halbleiterbereichs an jedem Kreuzungspunkt und gegenseitiges Isolieren der Halbleiterbereiche durch Isolierbereiche eine punktförmige, geradlinige oder flächige elektronenemittierende Einrichtung erhalten werden, wobei die Elektronenemission von jedem P-Typ- Halbleiterbereich durch die Ein-Aus-Steuerung der durchlässigen Elektroden und der Elektroden oder durch die Ein-Aus-Steuerung von Lichtbestrahlung gesteuert werden kann.
Es ist ebenfalls möglich, eine Vertiefung bei der Elektrode zu bilden und darin einen Bereich aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit zu bilden, um dadurch eine Elektronenemission bei einer niedrigeren Energie zu ermöglichen und somit den Wirkungsgrad einer Elektronenemission zu verbessern.
Im folgenden wird ein Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, erläutert. Bei diesem Beispiel ist ein lichtschaltbares elektronenemittierendes Element gebildet, bei dem die Menge von durch ein elektronenemittierendes MIM- Element emittierten Elektronen durch Licht gesteuert werden kann und das einen Schichtenaufbau und einen kompakten Entwurf ermöglicht.
Figur 15 ist eine schematische Ansicht eines lichtschaltbaren elektronenemittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet.
Wie in Figur 15 gezeigt, ist das lichtelektrische Umwandlungs übergangselement eine PIN-Photodiode, die aus einer P&spplus;-Schicht 401, einer I-Schicht 402 und einer N&spplus;-Schicht 403 besteht. Wegen des Vorhandenseins der I-Schicht 402 kann die PIN-Photodiode die Übergangskapazität und die Laufzeit von Ladungsträgern in der Verarmungsschicht verringern. Auf der PIN-Photodiode ist ein elektronenemittierendes Element gebildet, das aus einer leitfähigen Schicht 404, einer darauf gebildeten Isolierschicht 405 mit einer Dicke von 3 bis 10 nm und einer Metallschicht 406 mit einer Dicke von 1 bis 10 nm, die auf der Isolierschicht 405 gebildet ist, besteht.
Die leitfähige Schicht 404 besteht aus einem Metall, wie etwa Aluminium, oder einem Halbleiter, wie etwa Silizium. Die Isolierschicht 405 besteht vom Standpunkt der Herstellung her vorzugsweise aus Al&sub2;O&sub3;, falls die leitfähige Schicht 404 aus Aluminium besteht, oder besteht aus SiO&sub2;, falls die leitfähige Schicht 404 aus Silizium besteht. Die Metallschicht 406 besteht aus Aluminium, Gold oder Platin.
Bei einem lichtschaltbaren elektronenemittierenden Element, das, wie vorstehend erläutert, aus der PIN-Photodiode und dem elektronenemittierenden Element besteht, wird eine Umkehrvorspannung VR zwischen der P&spplus;-Schicht 401 und der N&spplus;-Schicht 403 angelegt, um den Ladungsträgererzeugungsbereich der I-Schicht 402 bei einem niedrigen Störstellenniveau zu halten, um den Verarmungsbereich zu erweitern und die Übergangskapazität zu verringern. Unter einer derartigen Bedingung werden die Ladungsträger größtenteils beim Verarmungsbereich erzeugt und bewegen sich durch ein elektrisches Feld in den Verarmungsbereich. Durch eine weitere Spannung V, die zwischen dem leitfähigen Bereich 404 und der Metallschicht 406 angelegt wird, werden die durch Lichtabsorption erzeugten Ladungsträgerelektronen in die leitfähige Schicht 404 injiziert, beschleunigt und entsprechend dem einfallenden Licht von der Metallschicht 406 emittiert.
Figur 16 ist eine schematische Ansicht eines lichtschaltbaren elektronenemittierenden Elements, das kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet, wobei das elektronenemittierende Element das gleiche ist wie das bei dem Beispiel von Figur 15 und deshalb nicht weiter erläutert wird.
Wie in Figur 16 gezeigt, ist das lichtelektrische Umwandlungsübergangselement bei dem vorliegenden Beispiel, das kein Ausführungsbeispiel ist, eine Lawinenphotodiode, die aus einer N&spplus;- Schicht 407, einer P&supmin;-Schicht 408, einer P-Schicht 409, einer P&supmin;- Schicht 410 und einer P&spplus;-Schicht 411 besteht. Zusätzlich zur schnellen Arbeitsweise einer PIN-Diode ist die Lawinenphotodiode durch eine innere Verstärkungswirkung gekennzeichnet, wobei die
von der N&spplus;-Schicht 407 injizierten Elektronen durch ein starkes elektrisches Feld in der P&supmin;-Schicht 408 beschleunigt werden, um einen Lawineneffekt zu bewirken, bei dem eine Elektronenvervielfachung erzeugt wird.
Auf der Lawinenphotodiode ist ein elektronenemittierendes Element gebildet, das vorstehend erwähnt wurde.
Bei einem lichtschaltbaren elektronenemittierenden Element, das aus einer derartigen Lawinenphotodiode und einem elektronenemittierenden Element besteht, wird zwischen der P&spplus;-Schicht 411 und der N&spplus;-Schicht 407 eine Umkehrvorspannung VR angelegt, um in dem Ladungsträgererzeugungsbereich der P&supmin;-Schicht 410 eine Verarmungsschicht zu bilden. Dann werden durch eine zwischen der leitfähigen Schicht 404 und der Metallschicht 406 angelegte Spannung V die Ladungsträgerelektronen, die durch Lichtabsorption erzeugt und durch einen Lawineneffekt in der P&supmin;-Schicht 408 vervielfacht werden, in die leitfähige Schicht 404 injiziert, und somit injizierte Elektronen werden beschleunigt und entsprechend dem einfallenden Licht von der Metallschicht 406 emittiert.
Wie vorangehend im Einzelnen erläutert, kann das lichtschaltbare elektronenemittierende Element des vorliegenden Beispiels, das kein Ausführungsbeispiel ist, entsprechend dem einfallenden Licht Elektronen emittieren, und es ist kompakt, da das lichtelektrische Umwandlungsübergangselement und das elektronenemittierende Element in einem Schichtenaufbau vereinigt werden können.
Als das Übergangselement kann ebenfalls eine PIN-Photodiode zum Verringern der Ubergangskapazität aufgrund des Vorhandenseins einer i-Schicht und zum Verringern der Laufzeit von Ladungsträgern in der Verarmungsschicht unter einer hohen Spannung verwendet werden. Somit kann ein schnell lichtschaltbares, elektronenemittierendes Element erhalten werden.
Als das Übergangselement kann ebenfalls eine Lawinenphotodiode verwendet werden, um zusätzlich zu der vorstehend erwähnten schnellen Arbeitsweise eine innere Verstärkung durch eine Elektronenvervielfachung über einen Lawineneffekt zu erreichen.

Claims

1. Elektronenemittierende Einrichtung, mit:

einer Vielzahl von elektronenemittierenden Elementen und einer Vielzahl von dazu entsprechenden Verschlußelementen (106; 132); wobei jedes aus der Vielzahl von elektronenemittierenden Elementen einen P-Typ-Halbleiterbereich (1; 136; 204) uhd Elektroden (2, 5; 138, 140; 202, 205), die auf beiden Enden des elektronenemittierenden Elements in der Richtung einer einfallenden Lichtstrahlung gebildet sind, umfaßt;

wobei zwischen den Elektroden (2, 5; 138, 140; 202, 205) eine Spannung zum Beschleunigen von Elektronen (e), die durch die Bestrahlung des P-Typ-Halbleiterbereichs (1; 136; 204) mit Licht (hν) in das Leitungsband angeregt werden, anzulegen ist, um Elektronen (e) von einer elektronenemittierenden Oberfläche (4; 142; 208) an einem Ende der Enden des elektronenemittierenden Ele ments zu emittieren; und

wobei jedes aus der Vielzahl von Verschlußelementen (106; 132), die in der Lichtbestrahlungsrichtung vor einer Lichteinfallsoberfläche des entsprechenden Halbleiterbereichs (1; 136; 204) angeordnet sind, zum Ein-Aus-Steuern der Lichtbestrahlung des entsprechenden P-Typ-Halbleiterbereichs (1; 136; 204) geeignet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

jedes der elektronenemittierenden Elemente in aufeinanderfolgen-

der Aufschichtung umfaßt:

ein lichtdurchlässiges Substrat (201);

eine durchlässige Elektrode (202), die auf dem lichtdurchlässigen Substrat (201) gebildet ist;

einen lichtelektrischen Umwandlungsübergangsaufbau, der durch Schichten von zumindest einem N-Typ-Halbleiterbereich (203) und dem P-Typ-Halbleiterbereich (204) gebildet ist;

eine Elektrodenschicht (205), die auf dem P-Typ-Halbleiterbereich (204) gebildet ist;

eine Isolierschicht (206), die auf der Elektrodenschicht (205) gebildet ist; und

eine Metallschicht (207), die auf der Isolierschicht (206), welche auf der Elektrodenschicht (205) angeordnet ist, angeordnet ist;

wobei die Elektrodenschicht (205), die Isolierschicht (206) und die Metallschicht (207) einen Metall-Isolator-Metall(MIM)-Aufbau bilden; und

wobei die Metallschicht (207) bei einem Abschnitt an einer Hauptseite von ihr entgegengesetzt der Isolierschicht (206) eine Vertiefung (209) besitzt und der Abschnitt in Lagegenauigkeit mit der Elektrodenschicht (205) angeordnet ist;

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit bei der Vertiefung (209) gebildet ist;

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem elektronenemittierenden Element die auf der Lichteinfallsseite gebildete Elektrode (5; 138; 202) durchlässig ist und eine Lichtbestrahlung über die durchlässige Elektrode (5; 138; 202) geleitet wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2; 140) an dem einen Ende des elektronenemittierenden Elements mit einer Vertiefung (209), bei der ein Bereich (4; 142) aus einem Material mit verringerter Austrittsarbeit gebildet ist, gebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vielzahl von elektronenemittierenden Elementen gemeinsam eine durchlässige Elektrode (5), die auf der Lichteinfallsseite gebildet ist, besitzt; und daß Isolationsbereiche (6; 206; 305) zwischen benachbarten P-Typ- Halbleiterbereichen (1; 204) gebildet sind.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässigen Elektroden (5; 138; 202) und die Elektrodenschichten (2; 140; 205), die auf dem P-Typ-Halbleiterbereich gebildet sind, angeordnet sind, um einander zu kreuzen, um eine Elektrodenmatrix zu bilden, und daß

die P-Typ-Halbleiterbereiche (1; 136; 204) an den Kreuzungspunkten der Elektroden (2, 5; 138, 140; 202, 205) gebildet sind, während Isolierbereiche (6; 206; 305) zwischen benachbarten PTyp-Halbleiterbereichen (1; 136; 204) gebildet sind.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2, 3, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtelektrische Umwandlungsübergangsaufbau eine PIN-Photodiode ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2, 3, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtelektrische Umwandlungsübergangsaufbau eine Lawinenphotodiode ist.