DE69223707T2

DE69223707T2 - Halbleiter-Elektronenemittierende Einrichtung

Info

Publication number: DE69223707T2
Application number: DE69223707T
Authority: DE
Inventors: Norio Kaneko; Masahiko Okunuki; Takeo Tsukamoto; Nobuo Watanabe
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2012-09-12
Also published as: US5760417A; DE69223707D1; EP0532019A1; EP0532019B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung, und insbesondere eine Halbleitereinrichtung zum Herbeiführen eines Lawinendurchbruchs, um dadurch Glühelektronen zu emittieren.
Unter den herkömmlichen Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtungen, die einen Lawinendurchbruchsmechanismus nutzen, sind beispielsweise die in den U. S. Patenten 4 259 678 und 4 303 930 beschriebenen Einrichtungen bekannt. In diesen elektronenemittierenden Halbleitereinrichtungen werden p- und n- dotierte Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat gebildet, und ein Casiumfilm oder dergleichen wird auf der Oberfläche der n- dotierten Halbleiterschicht aufgetragen, um die Austrittsarbeit der Oberfläche herabzusetzen, wodurch ein Elektronenemissionsabschnitt gebildet wird. Eine Rückwärtsvorspannung wird an die Enden eines pn- Übergangs angelegt, der durch die p- und n- dotierten Halbleiterschichten gebildet wird, um einen Lawinendurchbruch zur Erzeugung von Glühelektronen hervorzurufen; und die Glühelektronen werden vom Elektronenemissionsabschnitt an einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrats emittiert.
Wie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 01-220 328 (U. S. Patent 5 138 402) offenbart, wird eine Schottky- Sperrschicht durch einen p- dotierten Halbleiter und einem Metallmaterial oder einem p- dotierten Halbleiter und einer metallischen Komponente gebildet, und eine Rückwärtsvorspannung wird an die beiden Enden der Schottky- Sperrschicht angelegt, um so einen Lawinendurchbruch herbeizuführen, um Glühelektronen zu erzeugen, wodurch Elektronen aus einem Elektronenemissionsabschnitt in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Halbleitersubstrats emittiert werden.
Die oben erwähnte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung führt einen Lawinendurchbruch in einer hochdotierten, p- dotierten Halbleiterzone hervor, wodurch eine Verarmungsschicht mit der kleinsten Breite nach Anlegen der Rückwärtsvorspannung an die Enden der pn- Übergang oder der Schottky- Sperrschicht gebildet wird, und es werden Elektronen mit einer hohen Energie aus der Halbleiteroberfläche nach außen emittiert. Jedoch hat die verarmungsschicht um den pn- Übergang oder die Schottky- Sperrschicht einen Radius einer Krümmung, der von der Ladungsträgerkonzentration des Halbleiters und der angelegten Spannung bestimmt wird. Bei Anlegen von Spannungen, die geringer sind als beim Hervorrufen eines Lawinendurchbruchs in der geforderten hochkonzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone tritt ein Durchbruch oder ein Leckstrom um die Verarmungsschicht auf, wodurch sich die Eigenschaften der Einrichtung verschlechtern.
Bei der Elektronenemissionseinrichtung, die die pn- Übergang oder die Schottky- Sperrschicht verwendet, ruft die Ladungsträgerkonzentration des p- dotierten Halbleiters um die hochkonzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone einen Lawinendurchbruch hervor, der herabgesetzt werden kann, um den Radius der Krümmung eines Abschnitts um die verarmungsschicht zu vergrößern, um so dort einen Durchbruch bei einer geringen Spannung zu vermeiden. Da in diesem Falle der elektrische Widerstand zwischen einer Elektrode zur Ladungsträgerlieferung und einer hochkonzentrierten, p- dotierten, den Lawinendurchbruch hervorrufenden Halbleiterzone jedoch erhöht ist, wird nicht nur die Betriebsspannung der Einrichtung erhöht, sondern auch die Eigenschaften der Einrichtung verschlechtern sich, beispielsweise durch Erzeugung von Joule'scher Wärme.
Da es aus diesem Grund bei der herkömmlichen Einrichtung ungünstig ist, die Ladungsträgerkonzentration der p- dotierten Halbleiterzone um die hochkonzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone extrem zu erhöhen, wird eine Schutzringstruktur eines Halbleiters mit hoher n- Konzentration konzentrisch zur hochkonzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone gebildet. Somit wird die Verarmungsschicht nach außen von der Halbleiterzone des hochdotierten p- Typs zusammenhängend gebildet, um sich über die p- dotierte Halbleiterzone zu erstrecken, und um die hochkonzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone des den äußersten Radius der Krümmung zu erhöhen, wodurch ein Durchbruch oder ein Leckstrom um die Verarmungsschicht vermieden wird.
Bei der Einrichtungsstruktur der zuvor beschriebenen herkömmlichen Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung sind jedoch eine Ionenimplantation oder ein thermischer Diffusionsprozeß zur Bildung einer hochkonzentrierten, ringförmigen, n- dotierten Halbleiterzone erforderlich (Schutzringstruktur), und ein Prozeß zur Bildung einer Ohm'schen Kontaktelektrode zum Anlegen einer Spannung an den hochkonzentrieren, p- dotierten Halbleiterschutzring erforderlich, wodurch sich ein komplizierter Herstellprozeß ergibt.
Zur Bildung des Schutzrings und der Ohm'schen Kontaktelektrode hierfür ist eine große Fläche erforderlich, wodurch das Miniaturisieren der Einrichtung gestört ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung zu schaffen, die den Einrichtungsaufbau und den Herstellprozeß vereinfachen und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Einrichtung ermöglichen kann.
Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs durch Anlegen einer vorspannung in Rückwärtsrichtung an eine Schottky- Sperrschicht zwischen einem Metallfilm und einer ersten p- dotierten Halbleiterzone vorgesehen, wodurch extern emittierte Elektronen aus einer Halbleiteroberfläche emittiert werden, wobei ein p- dotiertes Halbleitersubstrat vorgesehen ist auf einer ersten Kontaktelektrode, eine zweite Kontaktelektrode ist elektrisch mit dem Metallfilm verbunden, und eine zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Lieferung von Ladungsträgern zur ersten p- dotierten Halbleiterzone ist vorgesehen zwischen dem p- dotierten Halbleitersubstrat und der ersten p- dotierten Halbleiterzone, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine dritte Halbleiterzone auf dem p- dotierten Halbleitersubstrat vorgesehen und um die erste und zweite p- dotierte Halbleiterzone gebildet ist.
Nach der vorliegenden Erfindung ist auch eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs durch Anlegen einer Vorspannung in Rückwärtsrichtung an einen pn- Übergang zwischen einer n- dotierten Halbleiterzone und einer ersten p- dotierten Halbleiterzone vorgesehen, wodurch Elektronen aus der Halbleiteroberfläche nach außen emittiert werden, wobei ein p- dotiertes Halbleitersubstrat auf der ersten Kontaktelektrode vorgesehen ist, eine zweite Kontaktelektrode elektrisch mit der n- dotierten Halbleiterzone verbunden ist, und eine zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Lieferung von Ladungsträgern an die erste p- dotierte Halbleiterzone zwischen dem ersten p- dotierten Halbleitersubstrat und der ersten p- dotierten Halbleiterzone vorgesehen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine dritte Halbleiterzone auf dem p- dotierten Halbleitersubstrat vorgesehen und um die erste und zweite p- dotierte Halbleiterzone gebildet ist.
Die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit dem Elektronenemissionsabschnitt unter Verwendung der Schottky- Sperrschicht des metallischen Films und dem p- dotierten Halbleiter oder die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit dem Elektronenemissionsabschnitt unter Verwendung des pn- Übergangs der n- und p- dotierten Halbleiter hat eine Struktur mit der ersten p- dotierten Halbleiterzone zur Bildung der Schottky- Sperrschicht oder des pn- Übergangs, und ruft den Lawinendurchbruch hervor, mit der zweiten p- dotierten Halbleiterzone zur Anlieferung von Ladungsträgern an die erste p- dotierte Halbleiterzone und die halbisolierende Zone, die um die erste p- dotierte Halbleiterzone vorgesehen ist. Wenn bei diesem Aufbau eine Betriebsspannung angelegt wird, tritt ein Lawinendurchbruch oder ein Leckstrom um die erste p- dotierte Halbleiterzone nicht auf, da ein Abschnitt um eine Verarmungszone in der ersten p- dotierten Halbleiterzone gebildet ist, der zusammenhängend mit und geschützt gegen die halbisolierende Zone ist, die um die erste p- dotierte Halbleiterzone vorgesehen ist und keine Ladungsträger besitzt (das heißt, verarmt ist). Da die zweite p- dotierte Halbleiterzone mit einer beliebigen Ladungsträgerkonzentration als Ladungsträger- Lieferweg für die erste p- dotierte Halbleiterzone gebildet ist, kann der Längswiderstand der Einrichtung mit einem willkürlichen Wert ausgewählt werden.
Bei einer Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung unter Verwendung einer Schottky- Sperrschicht eines Metallfilms und einem hochkonzentrierten, p- dotierten Halbleiter oder einer Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung unter Verwendung eines pn- übergangs hochkonzentrierter n- und p- dotierter Halbleiter wird eine hochkonzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone (erste Zone) gebildet, die einen Lawinendurchbruch hervorruft, eine p- dotierte Halbleiterzone (zweite Zone) zur Ladungsträgeranlieferung an die erste Zone kontaktieren, und eine p- dotierte Halbleiterzone (dritte Zone) zur Bildung der Schottky- Sperrschicht oder des pn- Übergangs um die erste Zone gebildet. Bei diesem Aufbau wird die erste bis dritte Zone mit nachstehender Beziehung ihrer Ladungsträgerkonzentrationen gebildet:
(erste Zone) > (zweite Zone) > (dritte Zone)
Nach Anlegen einer Betriebsspannung wird somit ein Abschnitt mit einer niedrigen Durchbruchsspannung (das heißt, mit einem kleinen Krümmungsradius) um eine Verarmungszone in der ersten Zone gebildet, geschützt durch eine Verarmungsschicht mit einer hohen Durchbruchsspannung (das heißt, mit einem großen Krümmungsradius) in der dritten Zone gebildet, die zusammenhängend um die erste Zone mit einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration gebildet wird. Wenn in diesem Falle die erste Zone vollständig von der dritten Zone umgeben ist, hat der Ladungsträger- Lieferungsweg an die erste Zone einen zu hohen Widerstand, und die Eigenschaften der Einrichtung werden verschlechtert, wie schon beschrieben. Da die zweite Zone mit der zuvor genannten Ladungsträgerkonzentration im Ladungsträger- Lieferungsweg zur ersten Zone gebildet ist, kann somit der Längswiderstand der Einrichtung mit einem geeigneten Wert gewählt werden. Folglich kann eine Elementstruktur realisiert werden, die keine zur Erzielung eines einfachen Herstellprozesses und einer kompakten Einrichtung ungeeignete hochkonzentrierte, n- dotierte Halbleiterschutzringstruktur erfordert.
Wenn die Ladungsträgerkonzentrationen der ersten bis dritten Zone auf das folgende Verhältnis eingestellt werden
(zweite Zone) ≥ (erste Zone) > (dritte Zone),
dann ist die hochkonzentrierte, n- dotierte Halbleiterschutzringstruktur nicht erforderlich, wie schon beschrieben. Wenn die Ladungsträgerkonzentration der zweiten Zone auf einen gleichen oder höheren Wert als derjenige der ersten Zone eingestellt wird, kann der Längswiderstand der Einrichtung weitestgehend verringert werden. Ein Produkt RC eines Widerstands R und einer Kapazität C kann folglich herabgesetzt werden, und es kann eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit hergestellt werden.
Des weiteren ist in einer Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung eine n- dotierte Halbleiterzone mit niedriger Ladungsträgerkonzentration um eine hochkonzentrierte erste p- dotierte Halbleiterzone gebildet, um einen Lawinendurchbruch hervorzurufen. Nach Anlegen einer Betriebsspannung treten somit weder der Durchbruch noch Leckstrom um die erste p- dotierte Halbleiterzone herum auf, da ein Abschnitt um eine in der ersten p- dotierten Halbleiterzone gebildete Verarmungsschicht zusammenhängend mit und geschützt gegen eine verarmungsschicht dort herum durch einen pn- Übergang gebildetist. Somit kann eine Einrichtungsstruktur realisiert werden, die keine zur Erzielung eines einfachen Herstellprozesses und einer kompakten Einrichtung störende, hochkonzentrierte, n- dotierte Halbleiterschutzringstruktur erfordert.
Wenn eine zweite p- dotierte Halbleiterzone als ein Ladungsträger- Lieferungsweg für die erste p- dotierte Halbleiterzone gebildet ist, kann der Langswiderstand der Einrichtung auf einen passenden Wert ausgewählt werden. Folglich kann die Arbeitsgeschwindigkeit der Einrichtung erhöht werden.
Andere Gegenstände, Merkmals und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung deutlich.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Sperrschichttyps nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Graph, der ein Beispiel eines Energiebandes der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps zeigt;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Verarmungszone zeigt, die in der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps gebildet ist;
Fig. 4 ist ein Graph, der ein Beispiel der Strom- Spannungs- Kennlinien der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Graph, der ein weiteres Beispiel der Strom- Spannungs- Kennlinien der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figuren 6A und 6B zeigen eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Fig. 6A eine Querschnittsansicht der Einrichtung und Fig. 6B eine Querschnittsansicht ist, die die Verarmungszone zeigt;
Figuren 7A und 7B zeigen eine Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 7A eine Aufsicht auf die Einrichtung ist und Fig. 7B eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIIb- XIIb von Fig. 7A;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps nach dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; Figuren 10A und 10B zeigen eine
Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern des Schottky- Sperrschichttyps nach dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 10A eine Ansicht der Einrichtung ist und Fig. 10B eine Querschnittsansicht entlang einer Linie Xb- Xb von Fig. 10A;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps nach dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps nach dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Figuren 13A und 13B zeigen eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps nach dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 13A eine Ansicht der Einrichtung ist und Fig. 13B eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XIIIb- XIIIb von Fig. 13A.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.

[Erstes Ausführungsbeispiel]

Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand Fig. 1 beschrieben.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist eine Einrichtung des Schottky- Sperrschichttyps mit dem nachstehenden Aufbau. Das heißt, eine zylindrische, hochkonzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 103 als eine erste p- dotierte Halbleiterzone und eine zylindrische p- dotierte Halbleiterzone 104 als zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Ladungsträgeranlieferung zur hochkonzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 103 sind im wesentlichen im Mittenabschnitt eines hochkonzentrieren, p- dotierten Halbleitersubstrats 101 angeordnet, um miteinander in Kontakt zu stehen. Eine halbisolierende Zone 102 ist konzentrisch nach außen um die hochkonzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 103 und die p- dotierte Halbleiterzone 104 angeordnet. Ein Metallfilm 107 ist zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit der hochkonzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 103 auf der Einrichtungsoberfläche gebildet.
Die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels umfaßt des weiteren eine Ohm'sche Kontaktelektrode 106 für das hochkonzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 101 und eine Drahtleitungs- Elektrodenschicht 108 für den Metallfilm 107, um so eine Rückwärts- Vorspannung an die Schottky- Sperrschicht anzulegen. Die Rückwärts- Vorspannung wird aus einer Stromversorgung 109 durch die Ohm'sche Kontaktelektrode 106 und den Metallfilm 107 angelegt.
Angemerkt sei, daß die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 108 den Metallfilm 107 durch einen Isolierfilm 105 berührt, der längs des Oberflächenendabschnitts der halbisolierenden Zone 102 gebildet ist, um so den Kurzschluß mit der zuvor erwähnten p- dotierten Halbleiterzone oder der halbisolierenden Zone zu vermeiden.
Ein Elektronenemissionsprozeß in der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps wird nachstehend anhand Fig. 2 beschrieben.
Wenn eine Rückwärts- Vorspannung an eine Schottky- Diode angelegt wird, die eine Schottky- Sperrschicht mit einem p- dotierten Halbleiter bildet, hat eine unterste Stufe EC des Leitfähigkeitsbands des p- dotierten Halbleiters ein höheres Energieniveau als ein Vakuumniveau EVAC einer metallischen Elektrode, die die Schottky- Sperrschicht bildet, und ein Lawinendurchbruch wird erzeugt. Elektronen, die durch den Lawinendurchbruch erzeugt werden, erhalten eine höhere Energie als die Gittertemperatur durch ein elektrisches Feld in einer Verarmungsschicht, die bei einer Halbleiter- Metall- Elektrodenschnittstelle gebildet wird, und werden vom p- dotierten Halbleiter zur Metallelektrode injiziert, die die Schottky- Sperrschicht bildet. Einige Elektroden haben eine größere Energie als die Austrittsarbeit der metallischen Elektrodenoberfläche, die die Schottky- Sperrschicht bildet, und werden in das Vakuum emittiert. Wie bei der herkömmlichen Einrichtung führt die Ausführung einer Behandlung mit niedriger Austrittsarbeit der Oberfläche eines Elektronenemissionsabschnitts zum Anstieg des Elektronenemissionsbetrages. Fig. 3 zeigt die Form einer Zone 111, in der ein Lawinendurchbruch auftritt, und eine Verarmungszone 110 in der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps dieses Ausführungsbeispiels.
Die Einzelheiten des Herstellprozesses der in Fig. 1 gezeigten Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung sind nachstehend beschrieben.
(1) Eine 0,6 µm dicke GaAs- Halbleiterschicht niedriger Konzentration des p- Typs mit einer Berylhum- (Be) Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger wurde auf einem p- dotierten Halbleitersubstrat 101 (GaAs) mit Zink (Zn)- dotierter hoher Konzentration des p- Typs mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ durch das Molekularstrahl Epitaxie (MBE)- Verfahren gezüchtet. Die in niedriger Konzentration p- dotierte GaAs- Halbleiterschicht bildet später die halbisolierende Zone 102.
(2) Auf 40 keV beschleunigte Ionen wurden in eine der p- dotierten Halbleiterzone 103 entsprechende Zone der niedrig konzentrieren, p- dotierten GaAs- Halbleiterschicht von der Oberfläche der niedrig konzentrieren, p- dotierten GaAs- Halbleiterschicht zu einer Tiefe von etwa 0,2 µm durch das Fokussierungsionenstrahl- (FIB)- Implantationsverfahren eingebracht, um so eine Verunreinigungskonzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen.
(3) Auf 160 keV beschleunigte Ionen wurden auch in eine der p- dotierten Halbleiterzone 104 entsprechende Zone der niedrig konzentrierten, p- dotierten GaAs- Halbleiterschicht durch das FIB- Implantationsverfahren eingebracht, bis sie das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 101 erreichten, um so eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen.
(4) Ein SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 0,1 µm, der als Kappenmaterial zum Tempern diente, wurde durch das Sputter- Verfahren auf die Oberfläche der niedrig konzentrieren, p- dotierten GaAs- Halbleiterschicht mit den Be- Ionen implantiert, wie schon beschrieben. Danach wurden die implantierten Abschnitte durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC für 10 Sekunden implantiert.
(5) Nachdem der SiO&sub2;- Film für das zuvor beschriebene Tempern beseitigt war, wurde ein umgekehrtes Muster einer der Halbisolierzone 102 entsprechenden Zone auf der niedrig konzentrieren, p- dotierten GaAs- Halbleiterschicht durch eine normale photolithographische Technik aufgetragen, und auf 200 keV, 80 keV und 20 keV beschleunigte Bor (B)- Ionen wurden implantiert, um eine einheitliche Konzentration (etwa 2 × 10¹&sup9; cm&supmin;³) aus wenigstens der Oberfläche gering konzentrierter p- dotierter GaAs- Halbleiterschicht zur Oberfläche des hoch konzentrieren, p- dotierten Halbleitersubstrats 101 zu erzielen, wodurch die Halbisolierzone 102 gebildet wurde.
(6) Eine 0,5 µm dicker SiO&sub2;- Film wurde als Isolierfilm 105 gebildet. Ein Gold (Au)- /Chrom(Cr)- Film wurde durch Vakuumauftragung auf die untere Oberfläche des hoch konzentrieren, p- dotierten Halbleitersubstrats 101 aufgetragen und bei einer Temperatur von 350 ºC für 5 Minuten getempert, wodurch die Ohm'sche Kontaktelektrode 106 gebildet wurde.
(7) Eine Öffnung zur Bildung der Schottky- Sperrschicht wurde im Isolierfilm 105 durch die normale photolithographische Technik gebildet. Danach wurde Wolfram (W) als Material zur Bildung der Schottky- Sperrschicht mit hoch konzentrierter p- dotierter Halbleiterzone 103 ausgewählt, bestehend aus dem p- dotierten GaAs- Halbleiter, und ein 8 nm dicker Metallfilm wurde in der Öffnung durch Elektronenstrahlauftragung und normale Photolithographie gebildet. Nach Bildung des Metallfilms 107 wird ein Elektronenemissionsabschnitt unter Verwendung der Schottky- Sperrschicht mit der hoch konzentrieren, p- dotierten Halbleiterzone 103 gebildet.
(8) Aluminium wurde durch Vakuumauftragung auf den Übergangsabschnitt zwischen den Isolierfilm 105 und den Metallfilm 107 aufgetragen, und die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 108 wurde durch normale photolithographische Technik gebildet.
Die auf diese Weise hergestellte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung wurde in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Vakuum von etwa 1 × 10&supmin;&sup7; Torr aufrechterhalten wurde, und eine Spannung von 7 V wurde aus der Stromversorgung 109 an die Ohm'sche Kontaktelektrode 106 und die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 108 angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von etwa 15 pA aus der Oberfläche des Metallfilms 107 auf der hoch konzentrieren, p- dotierten Halbleiterzone 103 beobachtet. Wenn die angelegte Spannung (Bauteilspannung) fortschreitend bis auf 10 Volt erhöht wurde, wie in Fig. 4 gezeigt, wurde der Elektronenemissionsbetrag (Emissionsstrom) auch fortschreitend auf 100 pA angehoben. Es wurde berücksichtigt, daß die Verarmungszone 110 (siehe Fig. 3) nach Anlegen der Bauteilspannung auf 0,04 µm aus der Schottky- Sperrschnittstelle mit dem Metallfilm 107 in der hoch konzentrieren, p- dotierten Halbleiterzone 103 aufgeweitet wurde. Da ein Abschnitt um die Verarmungszone 110 durch die verarmte halbisolierende Zone 102 geschützt ist, wird das elektrische Feld auf die Lawinenzone 111 (Fig. 3) der hoch konzentrieren, p- dotierten Halbleiterzone 103 in höchstem Maße konzentriert, und in dieser Zone kann ein Lawinendurchbruch in effizienter Weise auftreten.
Fig. 5 zeigt die elektrischen Eigenschaften, die erzielt werden, wenn die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung hergestellt wird, während nur die Verunreinigungskonzentration der p- dotierten Halbleiterzone 104 als zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Lieferung von Ladungsträgern zur hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 103 als erste p- dotierte Halbleiterzone auf 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ unter diesen zuvor genannten Herstellbedingungen geändert und in derselben schon beschriebenen Vakuumkammer plaziert wurde. Wenn eine Bauteilspannung von 5 V aus der Stromversorgung 109 an die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung angelegt wurde, konnte eine Elektronenemission (Emissionsstrom) von etwa 20 pA aus der Oberfläche des Metallfilms 107 auf die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 103 beobachtet werden. Wenn die Bauteilspannung fortschreitend auf 7 V erhöht wurde, wurde der Emissionstrom ebenfalls fortschreitend auf etwa 100 pA angehoben.
In diesem Ausführungsbeispiel kann eine weitere Elektrode auf der Drahtleitungs- Elektrodenschicht 108 durch einen Isolierfilm gebildet werden, um so eine Potentialdifferenz zwischen dieser Elektrode und der Drahtleitungs- Elektrodenschicht 108 einzustellen. Mit diesem Aufbau kann die Flugrichtung und die kinetische Energie der Elektronen geregelt werden, die aus dem Elektronenemissionsabschnitt emittiert werden.
Wenn auf diese Weise die Ladungsträgerkonzentration der p- dotierten Halbleiterzone 104 geändert wird, kann die Strom- Spannungs- Kennlinie der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung geregelt werden. Somit wird der Widerstand der p- dotierten Halbleiterzone 104 gesenkt, wodurch der Langswiderstand der Einrichtung sinkt, und die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht wird.
Im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird GaAs als Halbleitermaterial verwendet. Als weitere Halbleitermaterialien sind beispielsweise Si, Ge, GaP, AlAs, GaAsP, AlGaAs, SiC, BP, AlN, Diamant und dergteichen prinzipiell verwendbar, und insbesondere ist ein Material des indirekten Übergangstyps mit einem großen Energiebandabstand geeignet. Die halbisolierende Zone 102 kann unter Verwendung verschiedener eigenleitender Kristallstörstellen, einer Restverunreinigung und einer beabsichtigten hinzugefügten Kompensationsverunreinigung gebildet werden. Wenn die halbisolierende Zone 102 gebildet wird, ist ein undotierter Kristall ohne eine Dotierung verwendbar, da er halbisolierende Eigenschaften besitzt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die halbisolierende Zone 102 durch Implantation von B- Ionen gebildet. Wenn GaAs als Halbleitermaterial verwendet wird, können verschiedene andere Ionenquellen, wie beispielsweise Chrom (Cr), Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) oder dergleichen anstelle der B- Ionen verwendet werden, um die gleichen zuvor beschriebenen Ergebnisse zu erzielen.
Als Material der Ohm'schen Kontaktelektrode 106 können anstelle von Wolfram (W) allgemein bekannte Materialien wie Al, Au, LaB&sub6; und dergleichen verwendet werden, so lange diese eine Schottky- Sperrschicht mit dem p- dotierten Halbleitermaterial bilden können. In diesem Falle ist die Austrittsarbeit dieser Elektrodenoberfläche geringer und, wie schon beschrieben, wird die Elektronenemissionseffizienz erhöht. Wenn die Austrittsarbeit des ausgewählten Elektrodenmaterials groß ist, kann die Oberfläche daher mit einem Dünnfilm aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit beschichtet werden, wie beispielsweise Cs, wodurch die Elektronenemissionseffizienz verbessert wird.

[Zweites Ausführungsbeispiel]

Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 6A und 6B beschrieben.
Die Figuren 6A und 6B zeigen eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit pn- Übergang nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 6A ist eine Querschnittsansicht der Einrichtung, und Fig. 6B ist eine Querschnittsansicht, die die Gestalt einer Verarmungsschicht zeigt.
Die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist eine pn- Übergangseinrichtung mit dem folgenden Aufbau. Eine zylindrische, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 503 als eine erste p- dotierte Halbleiterzone und. eine p- dotierte Halbleiterzone 504 als zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Lieferung von Ladungsträgern an die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 503 auf dem im wesentlichen zentralen Abschnitt eines hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrats 501 gebildet, um miteinander in Kontakt zu stehen. Eine halbisolierende Zone 502 wird konzentrisch nach außen um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 503 und die p- dotierte Halbleiterzone 504 gebildet. Darüber hinaus wird eine hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509, die einen pn- Übergang mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 503 bildet, auf der Einrichtungsoberfläche erzeugt.
Des weiteren enthält die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels eine Ohm'sche Kontaktelektrode 506 für das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 501, eine Ohm'sche Kontaktelektrode 508 für die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509 und einen Schutzfilm 507 mit niedriger Austrittsarbeit, der auf der Oberfläche der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 509 gebildet ist, um so eine Rückwärts- Vorspannung an den pn- Übergangsabschnitt anzulegen. Die Rückwärts- Vorspannung wird aus einer Stromversorgung 510 durch die Ohm'schen Kontaktelektroden 506 und 508 angelegt.
Angemerkt sei, daß die Ohm'sche Kontaktelektrode 508 die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509 über einen Isolierfilm 505 berührt, der längs des Oberflächen- Endabschnitts der halbisolierenden Zone 502 gebildet ist, um so einen Kurzschluß mit der halbisolierenden Zone 502 zu vermeiden. In Fig. 6B ist die Gestalt am Ende einer Verarmungszone nach Anlegen der Rückwärts- Vorspannung durch 511 bezeichnet, und eine Zone, in der ein Lawinendurchbruch nach Anlegen der Rückwärts- Vorspannung auftritt, ist mit 512 bezeichnet.
Die Einzelheiten des Herstellprozesses der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps dieses Ausführungsbeispiels sind nachstehend beschrieben.
(1) Eine 0,6 µm dicke GaAs- Halbleiterschicht geringer Konzentration des n- Typs mit einer Si- Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger wurde auf einem Zn- dotierten, hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrat 501 (GaAs) mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ nach dem MBE- Verfahren gezüchtet. Diese niedrig konzentrierte, n- dotierte GaAs- Halbleiterschicht bildet später die Halbisolierzone 502.
(2) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden fortschreitend nach dem FIB- Implantationsverfahren in eine Zone implantiert, die der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 503 entspricht, von der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht aus der Oberfläche der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht zu einer Tiefe von 0,2 µm, um so eine Verunreinigungskonzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen.
(3) Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in eine Zone eingebracht, die der p- dotierten Halbleiterzone 504 entspricht, von der niedrig konzentrieren, p- dotierten GaAs- Halbleiterschicht, bis ein hoch konzentriertes, p- dotiertes Halbleitersubstrat 501 erreicht wurde, um so eine Verunreinigungskonzentration von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufzuweisen.
(4) Auf 10 keV beschleunigte Si- Ionen wurden durch ein normales Ionenimplantationsverfahren in eine der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 509 entsprechenden Zone von der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht zu einer Tiefe von 1,0 nm eingebracht, um so eine Verunreinigungskonzentration von etwa 1 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ zu erzielen. Durch einen Lawinendurchbruch erzeugte Elektronen durchlaufen die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509. Wenn aus diesem Grund diese Zone 509 zu dick ist, steigt ein Energieverlust der Elektronen an durch Streuung in dieser, und der Elektronenemissionsbetrag sinkt beachtlich. Somit ist es vorzuziehen, diese Ionenimplantation mit niedriger Beschleunigungsspannung auszuführen, oder die Oberfläche zu ätzen, damit diese eine Stärke von 10 nm oder weniger aufweist. Nach Bildung der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 509 wird ein Eiektronenemissionsabschnitt gebildet, der aus einem pn- Übergang mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 503 gebildet wird.
(5) Ein SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 0,1 µm, der als Temperungsschutzfilm dient, wurde durch ein übliches Sputter- Verfahren auf die Oberfläche der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht aufgetragen, die der obigen IIonenimplantation unterzogen wurde. Danach wurden die ionenimplantierten Abschnitte durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC für 10 Sekunden aktiviert.
(6) Nachdem der SiO&sub2;- Film für das zuvor beschriebene Tempern beseitigt war, wurde eine Ionenimplantationsmaske für einen anderen Bereich als die Halbisolierzone 502 durch ein übliches photolithographisches Verfahren erzeugt, und auf 180 keV, 140 keV und 30 keV beschleunigte H- Ionen wurden eingebracht, um eine im wesentlichen einheitliche Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ zwischen der Oberfläche der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht und des hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrats 501 zu haben, wodurch die Halbisolierzone 502 gebildet wird.
(7) Ein 0,5 µm dicker SiO&sub2;- Film wurde zur Bildung des Isolierfilms 505 erzeugt, und eine Öffnung mit einem Bereich gemäß der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 509 wurde im SiO&sub2;- Film durch ein normales photolithographisches Verfahren gebildet, wodurch die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509 belichtet wurde. Ein Au/Cr- Film als Ohm'sche Kontaktelektrode 506 für das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 501 und einen Au/Ge- Film als Ohm'sche Kontaktelektrode 508 für die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509 wurde durch Vakuum aufgetragen und photolithographisch geätzt. Danach wurde die sich ergebende Struktur in eine Legierung durch Hitzebehandlung und eine Temperatur von 350 ºC für 5 Minuten umgewandelt.
(8) Cäsium (Cs) als Material niedriger Austrittsarbeit wurde auf die belichtete, hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 509 so dünn wie eine einatomige Schicht im Ultrahochvakuum aufgetragen, wodurch der Deckfilm 507 mit niedriger Austrittsarbeit entstand.
Die auf diese Weise hergestellte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung wurde in eine Vakuumkammer plaziert, in der ein Vakuum von etwa 1 × 10&supmin;¹¹ Torr oder weniger beibehalten wurde, und eine Bauteilspannung von 6 V wurde von der Stromversorgung 510 über die Ohm'schen Kontaktelektroden 506 und 508 zugeführt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von etwa 0,1 µa beobachtet aus der Oberfläche des Deckfilms 507 (Cs) auf der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 503. Auf diese Weise kann nach diesem Ausführungsbeispiel eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps, die eine Elektronenemissionskennlinie aufweist, die derjenigen der herkömmlichen Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung aquivalent ist, und einen einfachen Herstellvorgang hat, gebildet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel kann eine weitere Elektrode auf der Ohm'schen Kontaktelektrode 508 durch einen Isolierfilm gebildet werden, um so eine Potentialdifferenz zwischen dieser Elektrode und der Ohm'schen Kontaktelektrode 508 wie im ersten Ausführungsbeispiel einzustellen. Mit diesem Aufbau kann die Flugrichtung und die kinetische Energie der emittierten Elektronen geregelt werden.

[Drittes Ausführungsbeispiel]

Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 7A und 7B beschrieben.
Figuren 7A und 7B zeigen eine Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern, die mit einer Vielzahl von Schottky- Sperrschicht- Elektronenemissionsabschnitten nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Fig. 7A ist eine Aufsicht der Einrichtung, und Fig. 7B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XIIb- XIIb von Fig. 7A.
Die Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern dieses Ausführungsbeispiels hat vier Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D, die denselben Aufbau wie die im ersten Ausführungsbeispiel haben, und in einer Matrix einer hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 602 angeordnet sind, die auf einem Halbleitersubstrat 601 gebildet sind.
Da die Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D dieselbe Struktur haben, wird nur der Elektronenemissionsabschnitt 600A nachstehend beschrieben.
Der Elektronenemissionsabschnitt 600A enthält eine hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 604A als erste p- dotierte Halbleiterzone, eine p- dotierte Halbleiterzone 605A als zweite p- dotierte Halbleiterzone, die die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 604A berührt, um Ladungsträger zur hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 604A zu liefern, eine halbisolierende Zone 603, die um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 604A und um die p- dotierte Halbleiterzone 605A gebildet ist, und eine Schottky- Elektrode 610A zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 604A.
Des weiteren sind eine Ohm'sche Kontaktelektrode 608 für die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 602 und eine Drahtleitungs- Elektrodenschicht 609A für die Schottky- Elektrode 610A gebildet, um eine Rückwärts- Vorspannung an die Schottky- Sperrschicht anzulegen. Die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 609A berührt die Schottky- Elektrode 610A auf einem Isolierfilm 607, der auf der halbisolierenden Zone 603 gebildet ist, um so Kurzschlüsse mit der zuvor beschriebenen p- dotierten Halbleiterzone oder der halbisolierenden Zone zu vermeiden.
Die Ohm'sche Kontaktelektrode 608 berührt die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 602 über eine hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 606. In diesem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 7A gezeigt ist, werden zwei Elektroden 608 gebildet. Diese Ohm'schen Kontaktelektroden 608 sind gemeinsam für die vier Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D.
Die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 609A kann gemeinschaftlich mit den Drahtleitungs- Elektrodenschichten 609B, 609C und 609D (609C und 609D sind nicht dargestellt) der verbleibenden Elektronenemissionsabschnitte 600B, 600C und 600 D verbunden werden. Da in diesem Falle die gemeinsamen Ohm'schen Kontaktelektroden 608 verwendet werden, werden die Elektronenemissionsoperationen der vier Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D gleichzeitig gesteuert. Wenn andererseits die Drahtleitungs- -J Elektrodenschichten 609A, 609B, 609C und 609D der Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D unabhängig gebildet werden, können die Elektronenemissionsoperationen in Einheiten der Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D ausgeführt werden. Die Drahtleitungs- Elektrodenschichten können in einer Matrix gebildet sein, so daß die Elektroden von einem Elektronenemissionsabschnitt gemäß einer Schnittstelle emittiert werden, wo ein Strom fließt. Die Einrichtungsoberfläche, die mit den vier Elektronenemissionsabschnitten 600A, 600B, 600C und 600D mit der oben beschriebenen Struktur gebildet ist, wird mit einem Gitter 612 bedeckt, das aus einem Metallfilm besteht, durch ein Stützglied 611 auf dem Isolierfilm 607 gebildet ist und aus einem Isoliermaterial besteht, mit Ausnahme der Ohm'schen Kontaktelektroden 608. Öffnungsabschnitte 613A, 613B, 613C und 613D sind auf dem Gitter 612 zu entsprechenden Positionen über den Elektronenemissionsabschnitten 600A, 600B, 600C und 600D gebildet. Elektronen, die aus den Elektronenabschnitten 600A, 600B, 600C und 600D emittiert werden, entladen sich extern durch die Öffnungsabschnitte 613A, 613B, 613C und 613D. Das Muster des Gitters kann willkürlich geändert werden, um mit den Drahtleitungs- Elektrodenschichten 609A, 609B, 609C und 609D verbunden zu sein, um die Flugrichtung der Elektronen zu regeln oder eine Potentialdifferenz zwischen dem Gitter und den Drahtleitungs- Elektrodenschichten einzustellen, um so die kinetische Energie zu steuern.
Die Einzelheiten des Herstellprozesses der Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern wird nachstehend beschrieben.
(1) Ein umgekehrtes Muster wurde auf einem undotierten halbisolierenden Halbleitersubstrat 601 (GaAs) mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹&sup4; cm&supmin;³ oder weniger durch eine normale photolithographische Technik gebildet. Danach wurden Be- Ionen in das Halbleitersubstrat eingebracht, um eine Verunreinigungskonzentration von 3 × 10¹&sup8; cm nach einem normalen Ionenimplantationsverfahren zu erzielen.
Die resultierende Struktur wurde bei einer Temperatur von 850 ºC für 10 Sekunden getempert, wodurch eine streifenförmige, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 602 in X- Richtung verlängert wurde.
(2) Eine 0,6 µm dicke, niedrig konzentrierte, n- dotierte GaAs- Halbleiterschicht mit einer Si- Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger wurde nach dem MBE- Verfahren gezüchtet.
(3) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in Zonen entsprechend den hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 604A, 604B, 604C und 604D der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht eingebracht, um so eine Verunreinigungskonzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen. Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in Zonen entsprechend den p- dotierten Halbleiterzonen 605A, 605B, 605C und 605D eingebracht, um so eine Verunreinigungskonzentration von 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu erreichen.
(4) Be- Ionen wurden nach dem FIB- Implantationsverfahren in eine Zone entsprechend der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 606 von der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht aus der Oberfläche der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht zur hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 604 eingebracht, um so eine Verunreinigungskonzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu haben.
Die FIB- Implantationsprozesse und der MEB- Züchtungsprozeß in den zuvor beschriebenen Prozessen (1) bis (4) können ausgeführt werden, ohne der Außenluft ausgesetzt zu werden, da die zugehörigen Geräte durch einen Vakuumtunnel miteinander verbunden sind.
Nach Abschluß dieser Prozesse wurden die hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 604A, 604B, 604C, 604D und 606 und die p- dotierten Halbleiterzonen 605A, 605B, 605C und 605D durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC für 10 Sekunden aktiviert.
(5) Eine Ionenimplantationsmaske wurde auf einer Zone gebildet, die eine andere ist als die zu der halbisolierenden Zone 603 gehörende, von der niedrig konzentrierten, n- dotierten GaAs- Halbleiterschicht durch ein normales photolithographisches Verfahren, und danach wurden H- Ionen auf 180 keV, 140 keV und 30 keV beschleunigt, implantiert auf der Oberfläche der niedrig konzentrierten, n- dotierten BaAs- Halbleiterschicht zu einer Tiefe der Oberfläche der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 602, um so annähernd eine einheitliche Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹&sup9;cm&supmin;³ zu haben, wodurch die halbisolierende Zone 603 gebildet wurde.
(6) Ein 0,2 µm dicker SiO&sub2;- Film wurde durch ein übliches Sputter- Verfahren auf die halbisolierende Zone 603 aufgetragen, die durch die zuvor beschriebene lonenimplantation erzeugt wurde. Um Schottky- Sperrschichten der Elektronenemissionsabschnitte 600A, 600B, 600C und 600D zu schaffen, wurden danach Öffnungen durch ein übliches photolithographisches Ätzverfahren gebildet, um Abschnitte der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 604A, 604B, 604C und 604D zu belichten. Zusätzlich wurde ein Abschnitt der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 606 in gleicher Weise belichtet, um so einen Ohm'schen Kontakt zu bilden. Ein Au/Cr- Film wurde auf die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 606 im Vakuum aufgetragen und wurde getempert bei einer Temperatur von 350 ºC für 5 Minuten, wodurch die Ohm'sche Kontaktelektrode 608 gebildet wurde.
(7) Aluminium (Al) wurde als Material zur Bildung von Drahtleitungs- Elektrodenschichten benutzt, und Wolfram (W) wurde als Material zur Bildung der Schottky- Sperrschichten benutzt. Ein 015 µm dicker Al- Film und ein 8 nm dicker W- Film wurden Elektronenstrahlauftragung aufgetragen und wurden photolithographisch geätzt, um die Drahtleitungs- Elektrodenschichten 609A, 609B, 609C und 609D zu bilden, und die Schottky- Eletroden 610A, 610B, 610C und 610D.
(8) Ein Stützglied 611, hergestellt aus einem Isoliermaterial, und das Gitter 612, ein SiO&sub2;- Film und ein Wolfram (W)- Film wurden nacheinander durch das Vakuumauftrageverfahren aufgetragen und wurden photolithographisch geätzt, um die Öffnungsabschnitte 613A, 613B, 613C und 613D zu bilden.
Durch die zuvor beschriebenen Prozesse (1) bis (8) wurde die Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern mit den vier Elektronenemissionsabschnitten 600A, 600B, 600C und 600D vollendet.
Gefolgt von den selben obigen Prozeduren wurde eine Elektronenemissionsvorrichtung mit mehreren Halbleitern, auf denen 20 (X- Richtung) x 10 (Y- Richtung) Elektronenemissionsabschnitte zu einer Matrix ausgerichtet, hergestellt, wurden in eine Vakuumkammer mit einem Vakuum von etwa 1 × 10&supmin;&sup7; Torr gebracht, und eine Rückwärts- Vorspannung von 7 V wurde an alle Elektronenemissionsabschnitte angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von insgesamt etwa 20 nA beobachtet. Es wurde bestätigt, daß bei einer anliegenden Rückwärts- Vorspannung an einer beliebigen Ohm'schen Kontaktelektrode 608 und einer beliebigen Drahtleitungs- Elektrodenschicht 609 eine Einrichtung an der Kreuzungsstelle Elektronen emittierte. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann nach diesem Ausführungsbeispiel eine Elektronenemissionseinrichtung geschaffen werden, die Elektronenemissionseigenschaften besitzt, die jenen der herkömmlichen Emissionseinrichtungen mit mehreren Halbleitern äquivalent sind und leicht hergestellt werden können.

[Viertes Ausführungsbeispiel]

Fig. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung einer Schottky- Sperrschicht nach dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in Fig. 8 Einrichtung enthält ein hoch konzentriertes, p- dotiertes Halbleitersubstrat 801, eine niedrig konzentrierte, p- dotierte Halbleiterschicht 802, eine hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone (erste Zone) 803 zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs, eine p- dotierte Halbleiterzone (zweite Zone) 804 zur Einstellung des Längswiderstandes der Einrichtung, einen Isolierfilm 805, eine Ohm'sche Kontaktelektrode 806 für den p- dotierten Halbleiter, eine Drahtleitungs- Elektrodenschicht 807, einen dünnen Metallfilm (Elektrode) 808 zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit dem p- dotierten Halbleiter und eine Stromversorgung 809.
Der Herstellprozeß der in Fig. 8 gezeigten Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung wird nachstehend beschrieben.
(1) Die 0,6 µm dicke, niedrig konzentrierte, p-dotierte GaAs- Halbleiterschicht 802 mit einer Beryllium (Be)- Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger wurde durch das Molekularstrahlepitaxie (MBE)- Verfahren auf dem Zink (Zn)- dotierten, hoch konzentrierten, p- dotierten GaAs- Halbleitersubstrat 801 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ gebildet.
(2) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das fokussierte Ionenstrahl (FIB)- Implantationsverfahren in die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 803 gebracht, um so eine Ladungsträgerkonzentration von 2 × 10 cm aus der Oberfläche der niedrig konzentrierten, p- dotierten Halbleiterschicht 802 bis zu einer Tiefe von etwa 0,2 µm zu bekommen.
(3) Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in die p- dotierte Halbleiterzone 804 eingebracht, so daß diese das hoch konzentrierte, p- dotierte GaAs- Halbleitersubstrat 801 erreichten, um eine Ladungsträgerkonzentration von 1 × 10¹&sup8;cm&supmin;³ zu haben.
(4) Ein SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 0,2 µm wurde durch ein Sputter- Verfahren als der Isolierfilm 805 aufgetragen, und danach wurden die ionenimplantierten Abschnitte durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC für 10 Sekunden aktiviert.
(5) Ein Gold (Au)/Chrom (Cr)- Film wurde auf die untere Oberfläche des hoch konzentrierten, p- dotierten GaAs- Halbleitersubstrats 801 im Vakuum aufgetragen und wurde bei einer Temperatur von 350 ºC für 5 Minuten getempert, wodurch die Ohm'sche Kontaktelektrode 806 gebildet wurde.
(6) Ein Aluminiumfilm wurde im Vakuum aufgetragen und wurde photolithographisch geätzt, um die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 807 und den Öffnungsabschnitt für den Isolierfilm 805 zu bilden.
(7) Wolfram (W) wurde als Material zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit dem p- dotierten GaAs- Halbleiter ausgewählt, und die 8 nm dicke Elektrode 806 wurde durch Elektronenstrahlauftragung und normale Lithographie gebildet.
Die auf diese Weise hergestellte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung (Fig. 8) wurde in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Vakuum von etwa 1 × 10&sup7; Torr aufrechterhalten wurde, und eine Spannung von 7 V wurde aus der Stromversorgung 809 angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von etwa 15 pA aus der W- Oberfläche auf der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 803 beobachtet. Wie in Fig. 4 wurde auch der Elektronenemissionsbetrag (Emissionsstrom) im wesentlichen auf etwa 100 pA angehoben, wenn die angelegte Spannung (Bauteilspannung) im wesentlichen auf 10 V erhöht wurde. Wenn berücksichtigt wird, daß eine Verarmungsschicht nach Anlegen der Betriebsspannung um etwa 0,04 µm aus der Schottky- Sperrschicht in der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 803 aufgeweitet wird. Es wurde auch bedacht, daß die Verarmungsschicht um 0,6 µm oder mehr aufgeweitet wird, das heißt, das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 801 in der niedrig konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 802, um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 803 zu erreichen. Ein elektrisches Feld ist in einem Abschnitt der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 803 höchst konzentriert, und folglich tritt in dieser Zone ein Lawinendurchbruch in effizienter Weise auf.
Die elektrischen Eigenschaften, die erzielt wurden, als die Einrichtung hergestellt wurde, während nur die Verunreinigungskonzentration der p- dotierten Halbleiterzone 804 auf 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ unter den zuvor geschriebenen Herstellbedingungen geändert wurde, und in dieselbe Vakuumkammer gebracht wurde, wie zuvor beschrieben, waren die gleichen wie die in Fig. 5 gezeigten. Wenn eine Spannung von 5 V aus der Stromversorgung 809 angelegt wurden, wurde eine Elektronenemission von etwa 20 pA aus der W- Oberfläche der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 803 beobachtet. Wenn die angelegte Spannung (Bauteilspannung) fortschreitend auf 7 V erhöht wurde, wurde der Emissionsstrom fortschreitend auf etwa 100 pA erhöht.
Wenn auf diese Weise die Ladungsträgerkonzentration der p- dotierten Halbleiterzone (zweite Zone) 804 geändert wurde, kann die Strom-Spannungs- Kennlinie der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung geregelt werden. Wenn der Widerstand der p- dotierten Halbleiterzone 804 herabgesetzt wird, kann der Längswiderstand der Einrichtung herabgesetzt werden, und die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht sich.
Als Halbleitermaterial sind im Prinzip beispielsweise Si, Ge, GaAs, GaP, AlAs, GaAsP, AlGaAs, SiC, BP, AlN, Diamant und dergleichen einsetzbar, und insbesondere ist ein Material des indirekten Übergangstyps mit einem breiten Energiebandabstand geeignet. Als Material der Elektrode 806 kann Al, Au, LaB&sub6; oder dergleichen anstelle von W verwendet werden, so lange das ausgewählte Material eine Schottky- Sperrschicht mit dem p- dotierteng Halbleiter bilden kann. Da die Austrittsarbeit dieser Elektrodenoberfläche geringer ist, wird die Elektronenemissionseffizienz erhöht. Wenn aus diesem Grund die Austrittsarbeit des ausgewählten Elektrodenmaterials groß ist, kann ein Dünnfilm aus einem Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit wie Cs auf der Oberfläche beschichtet werden, wodurch die Elektronenemissionseffizienz verbessert wird.

[Fünftes Ausführungsbeispiel]

Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung unter Verwendung eines pn- Übergangs nach einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in Fig. 9 gezeigte Einrichtung setzt sich zusammen aus einem hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrat 901, einer niedrig konzentrierten, p- dotierten Halbleiterschicht 902, einem hoch konzentrierten, p- dotierten Zonenhalbleiter (erste Zone) 903 zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs, einer p- dotierte Halbleiterzone (zweite Zone) 904 zum Einstellen des Langswiderstands der Einrichtung, einer dünnen, hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterschicht 905, einem Isolierfilm 906, einer Ohm'schen Kontaktelektrode 907 für den p- dotierten Halbleiter, einer Ohm'schen Kontaktelektrode 908 für den n- dotierten Halbleiter, einem Deckfilm 909 aus einem Material niedriger Austrittsarbeit und aus einer Stromversorgung 910.
Der Herstellprozeß der in Fig. 9 gezeigten Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung wird nachstehend beschrieben.
(1) Die 0,6 µm dicke, niedrig konzentrierte, p- dotierte GaAs- Halbleiterschicht 902 mit der Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger wurde nach dem MBE- Verfahren auf dem Zn- dotierten, hoch konzentrierten, p- dotierten GaAs- Halbleitersubstrat 901 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ gezüchtet.
(2) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden in die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 903 durch das FIB- Implantationsverfahren eingepflanzt, um so eine Trägerkonzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ aus der Oberfläche der niedrig konzentrierten, p- dotierten Halbleiterschicht 902 bis zu einer Tiefe 0,2 µm zu haben.
(3) Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden in die p- dotierte Halbleiterzone 904 durch das FIB- Implantationsverfahren eingepflanzt, so daß sie das hoch konzentrierte, p- dotierte GaAs- Halbleitersubstrat 902 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup7;cm&supmin;³ erreichten.
(4) Auf 10 keV beschleunigte Si- Ionen wurden zu einer Tiefe von 10 nm durch ein übliches Ionenimplantationsverfahren eingepflanzt, um eine Ladungsträgerdichte von 1×10¹&sup9; cm&supmin;³ zu erreichen, um so die dünne, hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterschicht 905 zu bilden. Durch einen Lawinendurchbruch erzeugte Elektronen in der unterliegenden, hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 903 durchlaufen die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 905. Wenn daher die Zone 905 zu dick ist, wird ein Energieverlust der Elektronen durch Streuung darin erhöht, und der Elektronenemissionsbetrag sinkt beträchtlich. Um die dünne, hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterschicht zu bilden, muß somit die Ionenimplantation mit einer niedrigen Beschleunigungsspannung ausgeführt werden, oder die Stärke muß auf 10 nm oder weniger durch Ätzen nach der Ionenimplantation herabgesetzt werden.
(5) Ein SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 0,2 µm wurde als Isolierfilm 906 durch ein übliches Sputter- Verfahren aufgetragen, und danach wurden die ionenimplantierten Abschnitte durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC für 10 Sekunden aktiviert.
(6) Ein Au/Cr- Film wurde im Vakuum als Ohm'sche Kontaktelektrode 907 auf die untere Oberfläche des Substrats 901 aufgetragen, und ein Au/Germanium (Ge)- Film wurde im Vakuum als Ohm'sche Kontaktelektrode 908 aufgetragen. Nach photolithographischer Ätzung dieser Filme wurden sie in eine Verbindung durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 ºC über 5 Minuten umgewandelt.
(7) Ein Cäsium (Cs)- Film als Material niedriger Austrittsarbeit wurde in einem Ultrahochvakuum aufgetragen, um eine Stärke zu haben, die so dunn wie eine einatomige Schicht ist, wodurch der Deckfilm 909 gebildet wurde.
Die auf diese Weise hergestellte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung (Fig. 9) wurde in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Vakuum von 1 × 10&supmin;¹¹ Torr oder weniger aufrechterhalten wird, und eine Spannung von 6 V wurde aus der Stromversorgung 910 an die Einrichtung angelegt. Als Ergebnis wurde eine Elektronenemission von etwa 0,1 µA aus der Cs- Oberfläche auf der hoch konzentrierten, p- dotierte Halbleiterzone 903 beobachtet. Nach der vorliegenden Erfindung kann eine Halbleiter- Elektronenemissionsvorrichtung des pn- Übergangs gebildet werden, die eine Elektronenemissionseigenschaft besitzt, die jenen der herkömmlichen Halbleiter- Elektronenemissionsvorrichtung aquivalent ist, die einen sehr einfachen Aufbau besitzt und leicht herstellbar ist.

[Sechstes Ausführungsbeispiel]

Die Figuren 10A und 10B zeigen teilweise eine Mehrelektronen- Emissionseinrichtung, auf der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtungen des Schottky- Sperrschichttyps in einer Matrix gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgerichtet sind. Fig. 10A ist eine Ansicht der Einrichtung, und Fig. 10B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie Xb- Xb von Fig. 10A. Wie in den Figuren 10A und 10B gezeigt, umfaßt die Einrichtung ein halbisolierendes Halbleitersubstrat 1001, eine streifenförmige, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1002, die in X- Richtung verlängert ist, eine niedrig konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1003, eine hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1004 zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs, eine p- dotierte Halbleiterzonen 1005, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1006, einen Isolierfilm 1007, Ohmlsche Kontaktelektroden 1008 für den p- dotierten Halbleiter, streifenförmige Drahtleitungs- Elektrodenschichten 1009, die in Y- Richtugng verlängert sind, Schottky- Elektroden 1010, Stützglieder 1011, die aus einem Isoliermaterial bestehen, und ein Gitter 1012, das aus einem Metallfilm gebildet ist.
Der Herstellprozeß der in den Figuren 10A und 10B gezeigten Elektronenemissionseinrichtung wird nachstehend beschrieben.
(1) Ein umgekehrtes Muster wurde auf dem undotierten, halbisolierenden GaAs- Halbleitersubstrat 1001 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹&sup4; cm&supmin;³ oder weniger durch eine übliche photolithographische Technik gebildet, und danach wurden Be- Ionen durch ein übliches Ionenimplantationsverfahren gezüchtet, um eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erreichen. Die sich ergebene Struktur wurde getempert bei einer Temperatur von 850 ºC über 10 Sekunden, wodurch die streifenförmige, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1002 mit Verlängerung in X- Richtung gebildet wurde.
(2) Die 0,6 µm dicke, niedrig konzentrierte, p- dotierte GaAs- Halbleiterschicht 1003 wurde mit einer Be- Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger durch das MBE- Verfahren gezüchtet.
(3) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden in die hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 1004 durch das FIB- Implantationsverfahren eingebracht, um eine Ladungsträgerkonzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erreichen. Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden in die p- dotierte Halbleiterzone 1005 durch das FIB- Implantationsverfahren eingebracht, um eine Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu erreichen.
(4) Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen und 40 keV, wurden in der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1006 durch das FIB- Implantationsverfahren gezüchtet, um so fast eine einheitliche Ladungsträgerkonzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ aus der Oberfläche der niedrig konzentrierten, p- dotierten Halbleiterschicht 1003 zur hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1002 zu haben.
Die FIB- Implantationsprozesse und der MBE- Züchtungsprozeß in den zuvor beschriebenen Prozessen (1) bis (4) wurden ausgeführt ohne der Außenluft ausgesetzt zu werden, da beteiligte Geräte durch einen Vakuumtunnel verbunden waren. Nach Abschluß dieser Implantationsprozesse wurden die Ionenimplantationsabschnitte 1004, 1005 und 1006 durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC über 10 Sekunden aktiviert.
(5) Ein 0,2 µm starker SiO&sub2;- Film wurde als Isolierfilm 1007 durch ein übliches Sputter- Verfahren aufgetragen, und danach wurden zugehörige Öffnungsabschnitte durch ein übliches photolithographisches Ätzverfahren gebildet.
(6) Ein Au/Cr- Film wurde im Vakuum auf die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1006 aufgetragen und wurde bei einer Temperatur von 350 ºC über 5 Minuten getempert, wodurch die Ohm'sche Kontaktelektrode 1008 gebildet wurde.
(7) Aluminium (Al) wurde als Material für die Bildung der Drahtleitungs- Elektrodenschichten benutzt, und W wurde als Material zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit dem p- dotierten GaAs- Halbleiter verwendet. Ein 0,5 µm dicker Al- Film und ein 8 nm dicker W- Film wurden durch Elektronenstrahlauftragung aufgebracht und wurden photolithographisch geätzt, um die Drahtleitungs- Elektrodenschichten 1009 und die Schottky- Elektroden 1010 zu bilden.
(8) Das Stützglied 1011 bestehend aus einem Isoliermaterial und das Gitter 1012, ein SiO&sub2;- Film und ein W- Film wurden nacheinander durch das Vakuumauftragungsverfahren aufgebracht und photolithographische geätzt.
Die Mehrhalbleiter- Elektronenemissionseinrichtung, auf der 20 (X- Richtung) × 10 (Y- Richtung) Elektronenemissionsabschnitte auf diese Weise hergestellt wurden, wurden zu einer Matrix ausgerichtet, die in eine Vakuumkammer plaziert wurde, in der ein Vakuum von etwa 1 × 10&supmin;&sup7; Torr aufrechterhalten wurde, und eine Rückwärts- Vorspannung von 7 V wurde an die gesamte Mehrfach- Elektronenemissionseinrichtung angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von insgesamt etwa 20 nA beobachtet. Es wurde bestätigt, daß bei Anlegen einer Spannung an eine beliebige Ohm'sche Kontaktelektrode 1008 und eine beliebige Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1009 nur eine Einrichtung an der Kreuzungsstelle Elektronen emittierte. Eine Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die Elektronenemissionseigenschaften besitzt, die jenen der herkömmlichen Mehrhalbleiter- Elektronenemissionseinrichtung äquivalent sind, kann auf diese Weise mit einem einfachen Aufbau und einem leichten Herstellprozeß hergestellt werden.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des Schottky- Sperrschichttyps nach dem siebenten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Halbleiter- Elektronenemissionsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist vom Typ der Schottky- Sperrschichteinrichtung mit dem nachstehenden Aufbau. Eine zylindrische, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1103 als erste p- dotierte Halbleiterzone und eine p- dotierte Halbleiterzone 1104 als zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Lieferung von Trägern an die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1103 werden gebildet im wesentlichen im mittleren Abschnitt eines hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrats 1101, um miteinander in Kontakt zu stehen. Eine niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1102 als eine n- dotierte Halbleiterzone wurden außen konzentrisch um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1103 und die p- dotierte Halbleiterzone 1104 gebildet. Eine Schottky- Elektrode 1108 als ein Metallfilm zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103 wird auf der Richtungsoberfläche gebildet.
Des weiteren ist die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels mit einer Ohm'schen Kontaktelektrode 1106 für das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 1101, und einer Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1107 für die Schottky- Elektrode 1108 ausgestattet, um so eine Rückwärts- Vorspannung an die Schottky- Sperrschicht anzulegen. Die Rückwärts- Vorspannung wird aus einer Stromversorgung 1109 geliefert.
Angemerkt sei, daß die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1104 die Schottky- Elektrode 1108 auf einem Isolierfilm 1105 berührt, der aus der niedrig konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1102 gebildet ist, um so einen Kurzschluß mit den zuvor beschriebenen, p- dotierten Halbleiterzonen zu vermeiden. In Fig. 11 ist die Gestalt einer Verarmungsschichtskante mit 1110 bezeichnet, die sich in einem Zustand befindet, bei dem die Rückwärts- Vorspannung angelegt ist.
Die Einzelheiten des Herstellprozesses der in Fig. 11 gezeigten Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung wird nachstehend beschrieben.
(1) Eine 0,6 µm dicke, niedrig konzentrierte, n- dotierte GaAs- Halbleiterschicht mit einer Silizium (Si)- Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ wurde auf dem Zink (Zn)- dotierten, hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrat 1101 (GaAs) mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ nach dem Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Verfahren gezüchtet. Diese niedrig konzentrierte, n- dotierte GaAs Halbleiterschicht bildet später die niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1102.
(2) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden in eine Zone gemäß der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103 durch das fokussierte Ionenstrahl (FIB)- Implantationsverfahren eingebracht, um so eine fast einheitliche Be- Konzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen.
(3) Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden in eine Zone entsprechend der p- dotierten Halbleiterzone 1104 durch das FIB- Implantationsverfahren eingebracht, so daß diese erreichten, daß das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 1101 eine Be- Konzentration von 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ erhielt.
(4) Nachdem ein SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 0,2 µm auf den Isolierfilm 1105 durch das Sputter- Verfahren aufgetragen worden ist, wurden die ionenimplantierten Abschnitte durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC über 10 Sekunden aktiviert.
(5) Ein Gold (Au)/Chrom (Cr)- Film wurde im Vakuum auf die untere Oberfläche des hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrats 1101 aufgetragen und bei einer Temperatur von 350 ºC über 5 Minuten getempert, wodurch die Ohm'sche Kontaktelektrode 1106 gebildet wird.
(6) Ein Aluminiumfilm wurde auf den Isolierfilm 1105 aufgetragen und photolithographisch geätzt, um die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1107 und einen Öffnungsabschnitt des Isolierfilms 1105 zu bilden.
(7) Wolfram (W) wurde als Material zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit der p- dotierten Halbleiterzone 1104 und der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103 ausgewählt, die jeweils aus dem p- dotierten GaAs- Halbleiter bestehen, und die 8 nm dicke Schottky Elektrode 1108 wurde im oben beschriebenen Öffnungsabschnitt durch Elektronenstrahlauftragung und normale Photolithographie gebildet.
Die auf diese Weise hergestellte Halbleiter- Elektronenstrahleinrichtung wurde in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Vakuum von etwa 1 × 10&supmin;&sup7; Torr aufrechterhalten wurde, und eine Spannung von 7 V wurde aus der Stromversorgung 1109 an die Ohm'sche Kontaktelektrode 1106 und die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1107 angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von etwa 15 pA aus der Oberfläche der Schottky- Elektrode 1108 auf der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103 beobachtet. Wenn die angelegte Spannung (Bauteilspannung) gleichmäßig fortschreitend auf 10 Volt erhöht wurde, stieg der Elektronenemissionsbetrag (Emissionstrom) ebenfalls fortschreitend auf etwa 100 pA an, wie in Fig. 4. Es wurde berücksichtigt, daß die Verarmungsschicht 1110 nach Anlegen der Bauteilspannung um etwa 0,04 µm von der Schottky- Sperrschnittstelle mit der Schottky- Elektrode 1108 in der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103 aufgeweitet wird. Da ein Abschnitt um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1103 durch eine starke Verarmungsschicht geschützt ist, die aus einem pn- Übergang gebildet ist, konzentriert sich ein elektrisches Feld hauptsächlich auf einen Abschnitt der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103, und in dieser Zone tritt ein Lawinendurchbruch in effizienter Weise auf.
Die elektrischen Eigenschaften, die man erhielt, wenn eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung hergestellt wurde, während nur die Be- Konzentration der p- dotierten Halbleiterzone 1104 als die zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Lieferung der Träger an die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1103 als die erste p- dotierte Halbleiterzone auf 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ unter den zuvor beschriebenen Herstellbedingungen geändert und in dieselbe Vakuumkammer gebracht wurde, wie zuvor beschrieben, waren die gleichen wie jene in Fig. 5. Wenn eine Bauteilspannung, von 5 V aus der Stromversorgung 1109 an die Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung angelegt wurde, beobachtete man eine Elektronenemission (Emissionsstrom) von etwa 20 pA aus der Oberfläche der Schottky- Elektrode 1108 auf der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1103. wenn die Bauteuspannung fortschreitend auf 7 V angehoben wurde, erhöhte sich der Emissionsstrom ebenfalls fortschreitend auf etwa 100 pA.
In diesem Ausführungsbeispiel kann eine weitere Elektrode auf der Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1107 durch einen Isolierfilm gebildet werden, um so eine Potentialdifferenz zwischen dieser Elektrode und der Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1107 hervorzurufen. Mit diesem Aufbau kann die Flugrichtung und die kinetische Energie der Elektronen geregelt werden, die aus dem Elektronenemissionsabschnitt emittiert werden.
Wenn auf diese Weise die Ladungsträgerkonzentration der p- dotierten Halbleiterzone 1104 geändert wird, kann die Strom- Spannungs- Kennlinie der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung geregelt werden. Wenn der Widerstand der p- dotierten Halbleiterzone 1104 kleiner wird, kann der Längswiderstand der Einrichtung verringert werden, und die Arbeitsgeschwindigkeit kann erhöht werden.
Im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird GaAs als Halbleitermaterial verwendet. Als andere Halbleitermaterialien sind beispielsweise Si, Ge, GaP, AlAs, GaAsP, AlGaAs, SiC, BP, AlN, Diamant und dergleichen prinzipiell verwendbar, und insbesondere ist ein Material des indirekten Übergangstyps mit einem breiten Energieband geeignet.
Als Material der Ohm'schen Kontaktelektrode 106 kann anstelle von Wolfram (W), Al, Au, LaB&sub6; und dergleichen verwendet werden, solange diese eine Schottky- Sperrschicht mit dem p- dotierten Halbleiter bilden können. Wie zuvor beschrieben, ist in diesem Falle die Austrittsarbeit der Elektrodenoberfläche kleiner, und die Elektronenemissionseffizienz steigt an. Wenn die Austrittsarbeit des ausgewählten Elektrodenmaterials groß ist, kann dessen Oberfläche daher mit einem Dünnfilm eines Materials mit einer geringen Austrittsarbeit, wie beispielsweise Cs beschichtet werden, wodurch die Elektronenemissionseffizienz verbessert wird.

[Achtes Ausführungsbeispiel]

Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps nach dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Halbleiter- Ektronenemissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist vom Typ mit pn- Übergang mit einem Elektronenemissionsabschnitt, der den nachstehenden Aufbau besitzt. Im Elektronenemissionsabschnitt sind eine zylindrische, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1203 als erste p- dotierte Halbleiterzone, und eine p- dotierte Halbleiterzone 1204 als zweite p- dotierte Halbleiterzone zur Trägerlieferung an die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1203 im wesentlichen im Mittelabschnitt auf einem hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrat 1201 gebildet, um miteinander in Kontakt zu stehen. Eine niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1202 als zweite n- dotierte Halbleiterzone ist außen konzentrisch um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1203 und die p- dotierte Halbleiterzone 1204 angeordnet. Zusätzlich ist eine hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1205 als eine erste n- dotierte Halbleiterzone zur Bildung eines pn- Übergangs mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1203 auf der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1203 gebildet.
Außerdem verfügt die Halbleiter- Emissionseinrichtung dieses Ausführungsbeispiels über eine Ohm'sche Kontaktelektrode 1207 für das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 1201, eine Ohm'sche Kontaktelektrode 1208 für die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1205, und über einen Deckfilm 1209 mit niedriger Austrittsarbeit, der auf der Oberfläche der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1205 gebildet ist, um so eine Rückwärts- Vorspannung an den pn- Übergangsabschnitt anzulegen. Die Umkehr- Vorspannung wird aus einer Stromversorgung 1210 geliefert.
Angemerkt sei, daß die Ohm'sche Kontaktelektrode 1208 die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1205 durch einen Isolierfilm 1206 berührt, der längs des Oberflächeneckabschnitts der niedrig konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1202 gebildet ist, um so den Kurzschluß mit der niedrig konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1202 zu vermeiden. In Fig. 12 wird die Gestalt einer Verarmungsschichtecke in einem Zustand, bei dem die Rückwärts- Vorspannung angelegt ist, mit 1211 bezeichnet.
Einzelheiten des Herstellprozesses der Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des, pn- Übergangstyps nach diesem Ausführungsbeispiel werden nachstehend beschrieben.
(1) Eine 0,6 µm dicke, niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterschicht mit einer Si- Konzentration von 5 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder weniger wurde durch das MBE- Verfahren auf dem Zn- dotierten, hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrat 1201 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ gezüchtet. Die niedrig konzentrierte, n- dotierte GaAs- Halbleiterschicht bildet später die niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1202.
(2) Auf 40 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in eine Zone eingebracht, die zu der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1203 gehört, um so fast einheitlich eine Be- Konzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen.
(3) Auf 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in eine Zone entsprechend der p- dotierten Halbleiterzone 1204 implantiert, so daß diese das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 1201 mit einer Be- Konzentration von 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ erreichten.
(4) Auf 10 keV beschleunigte Si- Ionen wurden in eine Zone entsprechend der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1205 in eine Tiefe von 10 nm durch ein übliches Ionenimplantationsverfahren eingebracht, um so eine Si- Konzentration von etwa 1 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ zu erreichen. Elektronen, die durch einen Lawinendurchbruch in der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1203 unter der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1205 erreichten, durchlaufen die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1205. Wenn die Zone 1205 zu dick ausfällt, wird somit ein Energieverlust durch Streuung ansteigen, und die Elektronenemissionseffizienz ist verschlechtert. Somit ist es vorzuziehen, die Stärke der Zone 1205 auf 10 nm oder weniger durch Ausführen der Ionenimplantation mit einer niedrigen Beschleunigungsspannung herabzusetzen oder durch Ätzen der Oberfläche nach der lonenimplantation. Nach Bildung der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1205 wird der Elektronenemissionsabschnitt bestehend aus einem pn- Übergang mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone gebildet.
(5) Ein SiO&sub2;- Film mit einer Stärke von etwa 0,2 µm wurde als Isolierfilm 1206 durch ein Sputter- Verfahren aufgetragen, und danach wurden die ionenimplantierten Abschnitte durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC über 10 Sekunden aktiviert.
(6) Ein Au/Cr- Film wurde im Vakuum auf die untere Oberfläche des hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleitersubstrats 1201 als Ohm'sche Kontaktelektrode 1207 für das hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleitersubstrat 1201 aufgetragen, und ein Au/Ge- Film wurde im Vakuum als Ohm'sche Kontaktelektrode 1208 für die hoch konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1205 aufgetragen. Diese Filme wurden photolithographisch geätzt, und wurden in eine Verbindung durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 ºC über 5 Minuten umgesetzt.
(7) Ein Cäsium (Cs)- Film wurde als Material niedriger Austrittsarbeit auf einem abstehenden Abschnitt der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1205 im Ultrahochvakuum aufgetragen, um die Stärke einer einatomigen Schicht zu erlangen, wodurch der Deckfilm 1209 mit niedriger Austrittsarbeit gebildet wurde.
Die auf diese Weise hergestellte Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung wurde in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Druck von etwa 1 × 10&supmin;¹¹ Torr oder weniger aufrechterhalten wurde, und eine Bauelementspannung von 6 Volt wurde aus der Stromversorgung 1210 an die Ohm'schen Kontaktelektroden 1207 und 1208 angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von etwa 0,1 µA aus der Oberfläche des Deckfilms 1209 (Cs) mit niedriger Austrittsarbeit auf der hoch konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1205 beobachtet. Eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung des pn- Übergangstyps wurde nach diesem Ausführungsbeispiel auf diese Weise geschaffen, bei dem die Elektronenemissionskennlinien zu jenen der herkömmlichen Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtungen äquivalent sind und die einen einfachen Herstellprozeß besitzen.
Wenn in diesem Ausführungsbeispiel eine Potentialdifferenz zwischen der Ohm'schen Kontaktelektrode 1208 und einer weiteren Elektrode geschaffen wird, kann die Flugrichtung und die kinetische Energie von Elektronen wie im siebenten Ausführungsbeispiel geregelt werden kann.
Fig 13 zeigt eine Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern des Schottky- Sperrschichttyps, auf der eine Vielzahl von Elektronenemissionsabschnitten nach einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet sind. Fig. 13A ist eine Aufsicht der Einrichtung, und Fig. 13B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIIIb-XIIIb von Fig. 13A.
In der Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern dieses Ausführungsbeispiels sind vier Elektronenemissionsabschnitte 1300A, 1300B, 1300C und 1300D in einer Matrix auf einer hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1302 auf einem Halbleitersubstrat 1301 gebildet.
Da die Elektronenemissionsabschnitte 1300A, 1300B, 1300C und 1300D denselben Aufbau haben, wird nachstehend der Elektronenemissionsabschnitt 1300A exemplarisch beschrieben.
Der Elektronenemissionsabschnitt 1300A hat dieselbe Struktur wie derjenige der Einrichtung des siebenten Ausführungsbeispiels Das heißt, der Abschnitt 1300A setzt sich zusammen aus einer hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1304A als erste p- dotierte Halbleiterzone, einer p- dotierten Halbleiterzone 1305A als zweite p- dotierte Halbleiterzone, die die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1304 kontaktiert, um Ladungstrager in die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1304A zu liefern, einer niedrig konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1303 als eine n- dotierte Halbleiterzone, die um die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1304A und die p- dotierte Halbleiterzone 1305A gebildet ist, und eine Schottky- Elektrode 1310A zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1304A.
Des weiteren wurden eine Ohm'sche Kontaktelektrode 1308 für die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1302 und eine Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1309A für die Schottky- Elektrode 1310A so gebildet, daß eine Rückwärts- Vorspannung an die Schottky- Sperrschicht angelegt ist. Die Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1309A liegt auf der Schottky- Elektrode 1310A auf einem Isolierfilm 1307 auf, der auf der niedrig konzentr{erten, n- dotierten Halbleiterzone 1303 gebildet ist, um so einen Kurzschluß mit den zuvor beschriebenen p- dotierten Halbleiterzonen zu vermeiden.
Die Ohm'sche Kontaktelektrode 1308 ist mit der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1303 durch eine hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1306 verbunden. In diesem in Fig. 13A gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Ohm'sche Kontaktelektroden 1308 gebildet. Die Ohm'schen Kontaktelektroden 1308 sind den vier Elektronenemissionsabschnitten 1300A, 1300B, 1300C und 1300D gemeinsam.
Die Schottky- Elektrode 1310A kann gemeinschaftlich mit den Schottky- Elektroden 1310B, 1310C und 1310D (1310C und 1310D sind nicht dargestellt) der restlichen Elektronenemissionsabschnitte 1300B, 1300C und 1300D verbunden sein. Da in diesem Falle die Ohm' schen Kontaktelektroden 1308 gemeinschaftlich verbunden sind, werden die Elektronenemissionsoperationen der vier Elektronenemissionsabschnitte 1300A, 1300B, 1300C und 1300D gemeinsam gesteuert. Wenn die Schottky- Elektroden 1310A, 1310B, 1310C und 1310D der Elektronenemissionsabschnitte 1300A, 1300B, 1300C und 1300D unabhängig gebildet werden, können die Elektronenemissionsabschnitte 1300A, 1300B, 1300C und 1300D unabhängig voneinander gesteuert werden.
Die mit den vier Elektronenemissionsabschnitten 1300A, 1300B, 1300C und 1300D gebildete Einrichtungsoberfläche mit dem zuvor beschriebenen Aufbau ist mit einem Gitter 1312 bedeckt, das aus einem Metallfilm durch ein Stützglied 1311 besteht, das auf dem Isolierfilm 1307 gebildet ist und aus einem Isoliermaterial besteht, mit Ausnahme der Ohm'schen Kontaktelektroden 1308. Öffnungsabschnitte 1313A, 1313B, 1313C und 1313D sind auf dem Gitter 1312 zu jeweiligen Positionen über den Elektronenemissionsabschnitten 1300A, 1300B, 1300C und 1300D gebildet. Elektronen, die aus den Elektronenemissionsabschnitten 1300A, 1300B, 1300C und 1300D emittiert werden, werden extern durch die Öffnungsabschnitte 1313A, 1313B, 1313C und 1313D entladen.
Die Einzelheiten des Herstellprozesses dieser Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern dieses Ausführungsbeispiels wird nachstehend beschrieben.
(1) Ein umgekehrtes Muster wird auf dem undotierten, halbisolierenden Halbleitersubstrat 1301 (GaAs) mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 10¹&sup4; cm&supmin;³ oder weniger durch eine übliche photolithographische Technik gebildet, und danach wurde eine übliche Ionenimplantation ausgeführt, um eine Be- Konzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erzielen.
Die sich ergebende Struktur wurde bei einer Temperatur von 850 ºC über 10 Sekunden getempert, wodurch die streifenförmige, hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1302, die in X- Richtung verlängert ist, gebildet wurde.
(2) Ein 0,6 µm dicker GaAs- Film wurde nach dem MBE- Verfahren als niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1302 mit einer Si- Konzentration von 1 × 10¹&sup5; cm&supmin;³ gezüchtet.
(3) Auf 40 keV und 160 keV beschleunigte Be- Ionen wurden jeweils nach dem FIB- Implantationsverfahren in Zonen gemäß den hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 1304A, 1304B, 1304C und 1304D eingeführt, um eine Be- Konzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ und in Zonen gemäß den p- dotierten Halbleiterzonen 1305A, 1305B, 1305C und 1305D auf eine Konzentration von 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu haben.
(4) Be- Ionen wurden durch das FIB- Implantationsverfahren in eine Zone gemäß der hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1306A eingepflanzt, um so fast eine gleichförmige Be- Konzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ aus der niedrig konzentrierten, n- dotierten Halbleiterzone 1301 zu hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1302 zu haben.
Die FIB- Implantationsprozesse und der MBE- Züchtungsprozeß in den zuvor beschriebenen Prozessen (1) bis (4) wurden ausgeführt, ohne der Außenluft ausgesetzt zu sein, da die beteiligten Geräte miteinander durch einen Vakuumtunnel verbunden waren.
Des weiteren wurden die hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 1304A, 1304B, 1304C und 1304D, die p- dotierten Halbleiterzonen 1305A, 1305B, 1305C und 1305D und die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone 1306 durch Tempern bei einer Temperatur von 850 ºC über 10 Sekunden aktiviert.
(5) Ein 0,2 µm dicker SiO&sub2;- Film als Isolierfilm 1307 wurde durch ein übliches Sputter- Verfahren auf die niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone 1303 aufgetragen, die der zuvor beschriebenen Ionenimplantation unterzogen wurde.
Danach wurden zugehörige Öffnungen im SiO&sub2;- Film durch übliches photolithographisches Ätzen gebildet.
(6) Ein Au/Cr- Film wurde im Vakuum auf die hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzone 1306 geschichtet, und wurde getempert bei einer Temperatur von 350 ºC über 5 Minuten, wodurch die Ohm'schen Kontaktelektroden 1308 gebildet wurden.
(7) Ein 0,5 µm dicker Aluminium (Al)-Film als Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1309A, 1309B, 1309C und 1309D und ein 8 nm dicker Wolfram (W)- Film als ein Material zur Bildung von Schottky- Sperrschichten mit den hoch konzentrierten, p- dotierten Halbleiterzonen 1304A, 1304B, 1304C und 1304D wurden durch Elektronenstrahlauftragung aufgebracht und wurden photolithographisch geätzt, um die Drahtleitungs- Elektrodenschichten 1309A, 1309B, 1309C und 1309D und die Schottky- Elektroden 1310A, 1310B, 1310C und 1310D zu bilden.
(8) Aus Isoliermaterial gebildete Stützglieder 1311 und das Gitter 1312, ein SiO&sub2;- Film und ein Wolfram (W)- Film wurden nacheinander durch das Vakuumauftragungsverfahren aufgetragen und wurden photolithographisch geätzt, um die Öffnungsabschnitte 1313A, 1313B, 1313C und 1313D zu bilden.
Mit den zuvor beschriebenen Prozessen (1) bis (8) war die Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern mit den vier Elektronenemissionsabschnitten 1300A, 1300B, 1300C und 1300D abgeschlossen.
Gefolgt von denselben Prozeduren wie oben, wurde eine Elektronenemissionseinrichtung mit mehreren Halbleitern hergestellt, auf der 20 (X- Richtung) × 10 (Y- Richtung) Elektronenemissionsabschnitte zu einer Matrix ausgerichtet waren, in einer Vakuumkammer plaziert, in der ein Vakuum von etwa 1 × 10&supmin;&sup7; Torr aufrechterhalten wurde, und eine Rückwärts- Vorspannung von 7 V wurde an alle Elektronenemissionsabschnitte angelegt. Im Ergebnis wurde eine Elektronenemission von insgesamt etwa 20 nA beobachtet. Es wurde bestätigt, daß bei einer Rückwärts- Vorspannung, angelegt an eine beliebige Ohm'sche Kontaktelektrode 1308 und eine beliebige Drahtleitungs- Elektrodenschicht 1309, eine Einrichtung an der Schnittstelle Elektronen emittierte. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann eine Elektronenemissionsvorrichtung hergestellt werden, die Elektronenemissionseigenschaften besitzt, die jenen herkömmlicher Elektronenemissionseinrichtungen mit mehreren Halbleitern aquivalent ist, die leicht herstellbar ist.
Mit den zuvor beschriebenen Anordnungen stellt die vorliegende Erfindung folgende Wirkungen bereit.
(1) Da die halbisolierende Zone um die erste p- dotierte Halbleiterzone gebildet ist, die die Schottky- Sperrschicht oder den pn- Übergang im Elektronenemissionsabschnitt bildet, wird die Verarmungszone in der ersten p- dotierten Halbleiterzone gebildet, die übergangslos verbunden und durch die Halbisolierzone geschützt ist. Eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit einem sehr einfachen Aufbau, die, anders als bei der herkömmlichen Vorrichtung, keine Schutzringstruktur erfordert, kann somit bereitgestellt werden.
(2) Da die Struktur der Einrichtung vereinfacht ist, wie schon beschrieben, kann die Größe der Einrichtung reduziert und der Herstellprozeß vereinfacht werden.
(3) Da die Verarmungszone durch die Halbisolierzone geschützt ist, tritt ein Lawinendurchbruch in effizienter Weise nur in der ersten p- dotierten Halbleiterzone auf, wodurch die Elektronenemissionseffizienz verbessert wird.
(4) Wenn die Trägerkonzentrationen der zweiten p- dotierten Halbleiterzone zur Trägerlieferung für die erste p- dotierte Halbleiterzone gleich oder höher als diejenige der ersten p- dotierten Halbleiterzone eingestellt wird, kann der Längswiderstand der Einrichtung weitestgehend verringert werden, und eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit kann realisiert werden.
Die hoch konzentrierte, p- dotierte Halbleiterzone (erste Zone) zur Herbeiführun4 eines Lawinendurchbruchs berührt die p- dotierte Halbleiterzone (zweite Zone) zur Lieferung von Ladungsträgern zur ersten Zone, und die p- dotierte Halbleiterzone (dritte Zone) zur Bildung einer Schottky- Sperrschicht oder pn- Übergang wird um die erste Zone gebildet. Wenn die Einrichtung mit diesem Aufbau hergestellt wird, und die zuvor angegebenen Ladungsträgerkonzentrationen in diesen Zonen aufweist, kann ein sehr einfacher Einrichtungsaufbau realisiert werden, der keine hoch konzentrierte, n- dotierte Stuktur des Halbleiterschutzrings benötigt, der bei der herkömmlichen Einrichtung erforderlich ist. Nach Verwirklichung der einfachen Struktur der Einrichtung kann deren Größe reduziert werden, und der Herstellprozeß der Einrichtung kann vereinfacht werden.
Wenn die niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterzone außerhalb der ersten p- dotierten Halbleiterzone mit einer hohen Ladungsträgerkonzentration gebildet ist, kann die Verarmungsschicht eine Gestalt haben, mit der ein elektrisches Feld sehr einfach auf die erste p- dotierte Halbleiterzone konzentriert wird. Da mit diesem Aufbau ein Lawinendurchbruch nur in der ersten p- dotierten Halbleiterzone auftritt, können ein nach dem Stand der Technik gebildeter Schutzringaufbau und eine Ohm'sche Kontaktelektrode folglich fortfallen. Im Ergebnis kann die Größe der Einrichtung reduziert werden, und der Herstellprozeß sowie der Aufbau der Einrichtung kann vereinfacht werden.
Wenn die Ladungsträgerkonzentration der zweiten p- dotierten Halbleiterzone zur Lieferung der Ladungsträger für die erste p- dotierte Halbleiterzone erhöht wird, kann der Längswiderstand der Einrichtung verringert werden. Folglich kann eine Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit bereitgestellt werden.

Claims

1. Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs durch Anlegen einer Vorspannung in Rückwärtsrichtung an eine Schottky- Sperrschicht zwischen einem Metallfilm (107; 808; 1108) und einer ersten p- dotierten Halbleiterzone (103; 803; 1103), wodurch extern emittierte Elektronen (e) aus einer Halbleiteroberfläche emittiert werden, wobei

ein p- dotiertes Halbleitersubstrat (101; 801; 1101) vorgesehen ist auf einer ersten Kontaktelektrode (106; 806; 1106), eine zweite Kontaktelektrode (108; 807; 1107) ist elektrisch mit dem Metallfilm (107; 808; 1108) verbunden, und eine zweite p- dotierte Halbleiterzone (104; 804; 1104) zur Lieferung von Ladungsträgern zur ersten p- dotierten Halbleiterzone ist vorgesehen zwischen dem p- dotierten Halbleitersubstrat (101; 801; 1101) und der ersten p- dotierten Halbleiterzone (103; 803; 1103), dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Halbleiterzone (102; 802; 1102) auf dem p- dotierten Halbleitersubstrat (101; 801; 1101) vorgesehen und um die erste und zweite p- dotierte Halbleiterzone (103; 803; 1103 und 104; 804; 1104) gebildet ist.

2. Halbleiter- Elektronenemissionseinrichtung zur Herbeiführung eines Lawinendurchbruchs durch Anlegen einer Vorspannung in Rückwärtsrichtung an einen pn- Übergang zwischen einer n- dotierten Halbleiterzone (509; 905; 1205) und einer ersten p- dotierten Halbleiterzone (503; 903; 1203), wodurch Elektronen (e) aus der Halbleiteroberfläche nach außen emittiert werden, wobei

ein p- dotiertes Halbleitersubstrat (501; 901; 1201) auf der ersten Kontaktelektrode (506; 907; 1207) vorgesehen ist, eine zweite Kontaktelektrode (508; 908; 1208) elektrisch mit der ndotierten Halbleiterzone (509; 907; 1207) verbunden ist, und

eine zweite p- dotierte Halbleiterzone (504; 904; 1204) zur Lieferung von Ladungsträgern an die erste p- dotierte Halbleiterzone (503; 903; 1203) zwischen dem ersten p- dotierten Halbleitersubstrat (501, 901; 1201) und der ersten p- dotierten Halbleiterzone (503; 903; 1203) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,

daß eine dritte Halbleiterzone (502; 902; 1202) auf dem p- dotierten Halbleitersubstrat (501; 901; 1201) vorgesehen und um die erste und zweite p- dotierte Halbleiterzone (503; 903; 1203 und 504; 904; 1204) gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterzone eine halbisolierende Zone (102; 502) ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterzone eine niedrig konzentrierte, p- dotierte Halbleiterschicht (802; 902) ist.

s. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterzone eine niedrig konzentrierte, n- dotierte Halbleiterschicht (1102; 1202) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung des weiteren mit einem Deckfilm (507; 909; 1209) mit niedriger Austrittsarbeit auf der n- dotierten Halbleiterzone (509; 907; 1207) ausgestattet ist.