DE8502305U1

DE8502305U1 - Halbleiteranordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahles

Info

Publication number: DE8502305U1
Application number: DE8502305U
Authority: DE
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1984-02-01
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1985-09-19
Also published as: JPS60180040A; NL8400297A; ATE35480T1; EP0150885A2; US4766340A; CA1234411A; EP0150885A3; EP0150885B1; DE3563577D1; SG51890G; HK84091A

Description

PHN.10.918 " 1 9.1.1985

"Halbleiteranordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahles¹¹.

ι Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-

;;_s anordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahles mit min—

Ί "destens einer Kathode mit einem Halbleiterkörper, der an

ι einer Hauptoberfläche mit einer elektrisch isolierenden

5 Schicht mit mindestens einer Öffnung versehen ist, wobei

auf der isolierenden Schicht an dem Rand der Öffnung mindestens eine Beschleunigungselektrode vorgesehen ist und ; der Halbleiterkörper innerhalb der Öffnung einen PN-Über-

^v gang aufweist.

W Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf eine

Aufnahmeröhre und eine Wiedergabeanornung mit einer der- ^! artigen Halbleiteranordnung.

Halbleiteranordnungen der eingangs erwähnten Art sind aus der -^ ooe. p_E.._{0S 30} 25 945 bekannt.

Sie werden u.a. in Kathodenstrahlenröhren veru

(I wendet, in denen sie die herkömmliche thermische Kathode,

wobei Elektrodenemission duxch Erhitzung erzeugt wird, ersetzen. Ausserdem werden sie bei-spielsweise in Apparatur für Elektronenmikroskopie verwendet. Ausser dem hohen ' Energieverbrauch zur Erhitzung weisen thermische Kathoden

den Nachteil auf, dass sie nicht unmittelbar betriebsbereit sind, veil sie zunächst in ausreichendem Masse angeheizt werden müssen, bevor Emission auftritt. Ausserdem geht durch Verdampfung auf die Dauer dar Kathodenmaterial verloren, so dass diese Kathoden eine beschränkte Lebensdauer haben.

Damit die in der Praxis umständliche Erhitzungs-

: quelle vermieden wird und auch die anderen Nachteile ausge-

'; Behaltet werden, wurde nach einer kalten Kathode de sucht.

Die aus der genannten Patentanmeldung? bekannten kalten Kathoden basieren auf dem Austreten von Elektronen aus dem Halbleiterkörper, wenn ein PN-Übergang derart in

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Kehrrichtung betrieben wird, dass Lawiiienmultiplizierung ; auftritt. Dabei können manche Elektronen soviel kinetische Energie erhalten wie zum Überschreiten des Elektronenaus- I trittspotentials notwendig ist) diese Elektronen werden dann )

B an der Oberfläche frei und liefern auf diese Weise einen Elektronenstrom.

Bei dieser Art von Kathoden ist man danach be- , strebt, einen höchst möglichen Wirkungsgrad durch ein möglichst niedriges Auetrittspotential für die Elektronen zu erreichen. Letzteres wird beispielsweise durch Anbringung ■ einer Schicht austrittspotentialverringernden Materials auf der Oberfläche der Kathode bewirkt. Vorzugsweise wird dazu Zäsium gewählt, weil dieses Material eine maximale Verringerung des Elektronenaustrittspotontials herbeiführt.

IS Die Verwendung von Zuβium weist jedoch auch

eine Anzahl Nachteile auf. So ist Zäsium äusserst empfindlicht für das Vorhandensein (in der Gebrauchsumgebung) oxydierender Gase (Wasserdampf, Sauerstoff). Ausserdem ist Zäsium relativ flüchtig, was sich nachteilig auswirken kann in denjenigen Anwendungsbereichen, in denen sich Substrate oder Präparate in der Nähe der Kathode befinden, wie dies beispielsweise bei Elektronenlithographie oder Elektronenmikroskopie der Fall sein kann. Das verdampfte Zäsium kann dann auf den genannten Gegenständen nieder schlagen.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Halbleiteranordnung der eingangserwähnten Art zu schaffen, wobei kein austrittspotentia!verringerndes Material verwendet zu werden braucht, so dass die obengenannten Pro bleme nicht auftreten.

Ausserdem hat die Erfindung zur Aufgabe, kalte Kathoden der genannten Art zu schaffen, die, wenn die Verwendung von Zäsium oder eines anderen elektronenaustritts-

potentialverringerndes Werkstoffes keine oder vernachlässigte

bar wenig Probleme mit sich bringt, einen viel höheren

Wirkungsgrad aufweisen als die bisher bekannten Werkstoffe.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dies erreicht werden kann, indem für den Halbleiter- :

II·* « »

(ο

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körper an der Stelle, wo die Elektronenemission auftritt, eine besondere Geometrie gewählt wird.

Bine erfindungegemässe Halbleiteranordnung weist dazu das Kennzeichen auf, dass innerhalb der öffnung der

β Halbleiterkörper mindestens einen herausragenden Teil aufweist, dessen Querschnitt parallel zu der Hauptoberfläche ge s ehen, abnimmt.

Bin derartiger herausragender Teil kann bei- «pielHwaise nahezu kegelformic oder an dem Ende teilweise abgerundet sein.

Damit wird erreicht, dass in der Nähe des Endes der herausragenden Teile in dem Gebrauchszustand sehr hohe elektrische Felder auftreten. Die dadurch auftretende Verringerung des Auetrittspotentials durch den Schottky-Effekt ist durch die gewählte Form viel grosser als bei flachen Halbleiterkathoden.

Einerseits wird dadurch das Austrittspotential in ausreichendem Masse verringert, so dass bei wegen Isolierung zulässigen Spannungen (bis etwa 100 V auf der leitenden Schicht) der Wirkungsgrad beispielsweise einer Siliziumkathode so hoch ist, dass kein austrittspotentialverringerndes Material, wie beispielsweise Zäsium, verwendet zu werden braucht.

Andererseits kann für das austrittspotentialverringernde Material nun ein anderer Stoff gewählt werden, der zwar eine geringere Verringerung des Austrittspotentials ergibt, aber weniger flüchtig ist oder weniger empfindlich für chemische Reaktionen mit Restgasen in dem Vakuumsystem, wie beispielsweise Gallium oder Lanthan.

Zum Schluss können auf diese Weise Halbleiterkathoden, insbesondere Siliziumkathoden bedeckt mit Zäsium erhalten werden, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Derartige Kathoden können verwendet werden, wenn das Vorhandensein von Zäsium für vorhandene Präparate oder Substrate

unschädlich ist.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der PN-Übergang zwischen einem innerhalb

I · · β t *

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der öffnung an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzenden N-leitenden Oberflächengebiet und einem P-leitenden Gebiet liegt, wobei durch Anlegen einer Spannung in der Kehrrichtung an den PN-Übergang in dem Halbleiterkörper Elektronen erzeugt werden, die aus dem Halbleiterkörper heraustreten, wobei in einem Teil des herausragenden Teils die Durchbruchspannung verringert ist.

Die gewünschte Verringerung der Durchbruchspannung kann dadurch erhalten werden, dass beispielsweise an der Stelle des herausragenden Teils ein zusätzliches P-leitendes Gebiet vorgesehen wird. Die Vorteile derartiger kalter Kathoden mit einer örtlich verringerten Durchbruchspannung sind in der genannten **n- ' „.«1J^₆ N-.730^170 boDohriobOÄf _DE._{0S 50} 25 94.5 fcesohriefcen.

Es sei bemerkt, dass das Potential an der Beschleunigungselektrode aus mehreren Gründen ein bestimmtes Maximum nicht überschreiten darf. An erster Stolle kann, abhängig von der Dicke des dar-unter liegenden isolierenden Materials (beispielsweise Siliziumoxid), eine derartige Feldstärke auftreten, dass Durchbruch dieses isolierenden Materials auftritt. Ausserdem kann bei sehr hohen Feldstärken (etwa 3·10 V/m) am Ende des herausragenden Teils der Emitter als Feldemitter wirksam werden. Die Emissionseigenschaften werden dann durch das Potential an der Beschleunigungselektrode völlig bestimmt, so dass die Spannung an dem in der Kehrrichtung gespannten PN-Übergang darauf keinen Einfluss mehr hat. Namentlich bei der Verwendung mehrerer Kathoden, beispielsweise in einer Bildwidergabeanordnung und bei Elektronenlithographie ist es erwünscht, diese ein-

zein Ein- und Abschalten zu können. Aus diesem Grund und um Beschädigungen an der Halbleiteranordnung zu vermeiden wird in der Praxis die Feldstärke vorzugsweise auf beispielsweise 2.10^ V/m beschränkt.

Erfindungsgemässe Kathoden können, wie beschrieben, in einer Aufnahmeröhre verwendet werden, während es auch für eine Wiedergabeanordnung mit einer Halbleiterkathode nach der Erfindung mehrere Anwendungsbereiche gibt. Einer davon ist beispielsweise eine Wiedergaberöhre, die einen

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Leuchtschirm aufweist, der durch den von der Halbleiter-ίπ anordnung herrührenden Elektronenstrom betrieben wj.rd. (■·" Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrle-( ben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemässen Halbleiteraliordnung,

Fig. 2 und 3 schematische Schnitte durch dio ! Halbleiteranordnung gemäss der Linie IX-II in Fig. 1,

Fig. 4-11 einen schematischen Schnitt durch

die Halbleiteranordnung der Fig. 2 und 3 iⁿ aufsinanderfol-J genden Herstellungsstufen,

j Fig. 12 eine Abwandlung der Halbleiteranordnung

nach Fig. 8,

Fig. 13 eine Abwandlung der Halbleiteranordnung nach Fig. 10.

Fig. "\k eine schematische schaubildliche Darstellung eines Teils einer Wiedergabeanordnung, worin eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung verwendet wird, Fig. 15 eine schematische Darstellung einer derartigen Wiedergabeanordnung für Wiedergabezwecke,

Fig. 16 eine schematische Darstellung einer

derartigen Wiedergabeanordnung zum Gebrauch in Elektronenlithographie .

Die Figuren sind schematisch und nicht massgerecht dargestellt, wobei deutlichkeitshalber in den Schnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung stark übertrieben sind. Halbleiterzonen mit demselben Leitungstyp sind im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile meistens mit denselben Bezugszeichen angegeben.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht und Fig. 2 und 3 im Schnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 1 eine Halbleiteranordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahles. Diese enthält dazu einen Halbleiterkörper 1, in diesem Beispiel aus Silizium. Der Halbleiterkörper weist ein an eine Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers grenzendes N-leitendes Gebiet 3 auf,

ait-*.

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das mit einem P-leitenden Gebiet k den PN-Übergang 5 bildet. Dadurch., dass an den PN-Übergang eine Spannung in Kehrrichtung angelegt wird, werden durch Lawinenmultiplizierung Elektronen erzeugt, die aus dem Halbleiterkörper heraustreten. Dies ist mittels des Pfeiles 6 in Pig. 2, 3 dargestellt.

Die Oberfläche 2 ist mit einer elektrisch iso-

lierenden Schicht 7 aus beispielsweise Siliziumoxid verse-

·· hen, worin in diesem Beispiel eine kreisförmige Öffnung 8

vorgesehen ist. Weiterhin ist auf der isolierenden Schicht 7 an dem Rand der Öffnung 8 eine Beschleunigungselektrode vorgesehen, die in diesem Beispiel aus polykristallinem Silizium besteht.

Der PN-Übergang Z hat in dem herausragenden Teil 10 innerhalb der Öffnung 8 eine niedrigere Durchbruch spannung als der übrige Teil des PN-Überganges. In diesem Beispiel wird die örtliche Verringerung der Durchbruchspannung u.a. dadurch erhalten, dass die Erschöpfungszone bei der Durchbruchspannung schmäler ist als an anderen Stellen des PN-Uberganges 5· Der Teil des PN-Überganges 5 mx* ver ringerter Durchbruchspannung ist durch die N-leitende Schicht 3 von der Oberfläche 2 getrennt. Diese Schicht hat eine derartige Dicke und Dotierung, dass bei der Durchbruchspannung die Erschöpfungszone des PN-Uberganges 5 sich nicht bis an die Oberfläche 2 erstreckt. Dadurch gibt es nach wie vor eine Oberflächenschicht, die die Leitung des nicht-emittierten Teils des Lawinenstromes versorgt. Die Oberflächeschicht ist ausreichend dünn um einen Teil der durch Lawinenmultiplizierung erzeugten Elektronen durchzulassen, wobei die Elektronen aus dem Halbleiterkörper 1 heraus- treten und den Strahl 6 bilden.

Die Einschnürung der Erschöpfungszone und damit die örtliche Verringerung der Durchbruchspannung des PN-Übergangs 5 wird in dem betreffenden Beispiel dadurch erhalten, dass innerhalb der Öffnung 8 ein höher dotiertes P-leitendes Gebiet 12 vorgesehen wird, das mit dem N-leitenden Gebiet 3 einen PN-Übergang bilden.

Die Halbleiteranordnung ist weiterhin noch mit einer Anschlusselektrode I3 versehen, die über ein Kontakt-

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loch 11 mit der N-leitenden Kontaktzone 19 verbunden ist, die mit der N-leitenden Zone 3 verbunden ist. Die P-leitende Zone ist in diesem Beispiel auf der Unterseite mittels der Metallisierungsschicht 15 kontaktiert. Diese Kontaktie-S rung erfolgt vorzugsweise über eine hochdotierte P-leitende Xontaktzone 16.

Xn dem Beispiel nach Fig. 1 und 2 ist die

Donorkonzentration in dem N-leitenden Gebiet 3 an der

19 /3 Oberfläche beispielsweise 10 ^Atome/cm , während die *»kzeptorkonzentration in dem P-leitenden Gebiet k viel niedriger ist, beispielsweise 10 Atome/cm . Das höher dotierte P-leitende Gebiet 12 innerhalb der Öffnung 8 hat an der Stelle P des PN-Uberganges eine Akzeptorkonzentration von

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beispielsweise 10 Atomen/cm . Dadurch ist an der Stelle dieses Gebietes 12 die Erschöpfungszone des PN-Uberganges 5 eingeschnurrt, was zu einer verringerten Durchbrachspannung führt. Dadurch wird die Lawinenmultiplizierung zunächst an dieser Stelle auftreten.

Der Halbleiterkörper enthält nach der Erfindung innerhalb der Öffnung 8 den herausragenden Teil 10, der in dem betreffenden Beispiel nahezu kegelförmig ist. Beim Anlegen einer Spannung in der Kehrrichtung an den PN-Ubergang 5 in der Anordnung nach Fig. 1, 2 und 3 entsteht auf beiden Seiten dieses Überganges eine Erschöpfungszone, d.h.

ein Gebiet, in dem sich nahezu keine beweglichen Ladungsträger befinden. Ausserhalb dieser Erschöpfungszone ist Leitfähigkeit durchaus möglich, so dass nahezu die ganze Spannung an dieser Erschöpfungszone vorhanden ist. Das damit einhergehende elektrische Feld kann nun so hoch werden, dass Lawinenmultiplizierung auftritt. Dabei werden Elektronen frei, die durch das vorhandene Feld derart beschleunigt werden, dass sie beim Zusammentreffen mit Siliziumatomen Elektronlochpaare bilden. Die dadurch gebildeten Elektronen werden ihrerseits wieder durch das elektrische Feld beschleu nigt und können abermals Elektronlochpaare bilden. Die Energie der Elektronen kann so hoch sein, dass die Elektronen eine ausreichende Energie aufweisen um aus dem Material

Il II»

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Herauszutreten. Dadurch entsteht ein Elektronenstrom, in Fig. 2, 3 auf schematische Weise durch den Pfeil 6 angegeben.

Mit Hilfe der Beschleunigungselektrode 9> die . auf einer isolierenden Schicht 7 am Rand einer Öffnung 8 liegt, können die frei gewordenen Elektronen dadurch, dass für die Beschleunigungselektrcde ein positives Potential gewählt wird, beschleunigt werden und zwar in einer Richtung nahezu senkrecht zu der Hauptoberfläche 2. Es handelt sich dabei meistens um eine zusätzliche Beschleunigung in dieser Richtung, weil eine derartige Halbleiterstruktur (Kathode) in der Praxis einen Teil einer Anordnung bildet, in der gegebenenfalls in gewissem Abstand bereits eine positive Anode oder eine andere Elektrode, wie beispielsweise ein Steuergitter, vorhanden ist.

Dadurch, dass nach der Erfindung die Halbleiter oberfläche innerhalb der Öffnung 8 eine sehr besondere Form hat, namentlich, wenn in diesem Beispiel, der kegelförmige Teil eine sehr scharfe Spitze aufweist, kann in der Nähe dieser Spitze ein sehr starkes elektrisches Feld erzeugt werden und zwar mit Hilfe von Spannungen an der Elektrode 9, die das weitere Funktionieren der Kathode nicht; beeinträchtigen.

Das starke elektrische Feld führt nähmlich zu

einer Potentialverringerung Lp das sogenannte Schottky-Effekt), wofür gilt» A ψ = \/

19 Darin ist: es Elementarladung 1,6.10 Coulomb

f s Dielektrizitätskonstante des Vakuums ⁰ 8.85.10-12Fm-I

Ei elektrisches Feld in V/m.

Bei einem elektrischen Feld von 1,6.10 V/m

führt der Schottky-Effekt bei Silizium zu einer Austrittspotentialverringerung um etwa 1,5 V (von 4,5 V auf 3 v). Dies ergibt eine derartige Wirkungsgradverbesserung, dass eine derartige Kathode nötigenfalls ohne eine Schicht "\k aus austrittspotentialverringerndem Material verwendet werden kann. Auch können nun statt des flüchtigen Zäsiums

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für die austrittspotentialverringernde Schicht 14 andere Materialien wie Barium, Gallium oder Lanthan verwendet werden, die zwar eine geringere Verringerung des Austrittspotential ergeben, aber für Umgebungsverhältnisse weniger ₅ empfindlich sind als Zäsium.

j · Die genannte Feldstärke ist gleichzeitig nie-

j drig genug um zu vermeiden, dass sogenannte Feldemission

auftritt. Bei einer Feldstärke von etwa 3.10⁹ V/m ist das χ elektrische Feld so stark, dass die Elektronenemission

% ]Q fast ausschlissslieh dtarch das äussere elektrische Feld <_ bestimmt wird und der Beitrag zu der Lawinenmu^fciplizie-

', rung nahezu vernachlässigbar ist. Auch das Steuern der

Emission durch das Ein- oder Abschalten des PN-Übergaiiges

§ ist dann nicht länger möglich.

In bestimmten Fällen, beispielsweise in einer Vakuumröhre, in der die Kathode angeordnet ist, kann eine austrittspotentialverringernde Schicht Ik aus Zäsium verwendet werden, weil diese dort keinen nachteiligen Einfluss hat.
Das Austrittspotential einer Siliziumkathode

nach der Erfindung wird dann auf beispielsweise einige Zehn- |! tel Volt verringert, was einer derartigen Kathode einen

sehr hohen Wirkungsgrad erteilt.

Die Spitze des herausragenden Teiles 10, die in dem betreffenden Beispiel nahezu kegelförmig ist, kann auch abgerundet sein. Xn diesem Fall hat der zugeordnete

Krümmungsradius der Spitze vorzugsweise einen Wert zwischen 0,01 -und 1 /um. Dies bietet den Vorteil, dass derartige Kathoden auf mehr reproduzierbare Art und Weise hergestellt werden können.

Die Anordnung nach den Figuren 1, 2 und 3 lässt sich wie fol^t herstellen (siehe die Figuren k bis It)*

, Ausgegangen wird von einem %100/ -orientier-

ten hochdotierten P-leitenden Substrat 16, auf dem auf epitaxialem Weg eine 8 ,um dicke P-leitende Epitaxi alschicht

15/3

k mit einer Akzeptorkonzentration von 10 Atomen/cm angewachsen wird. Das Ganze wird daraufhin mit einer aus einer 30 niu dicken Schicht aus Oxid 17 und einer etwa 70 tun

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dicken Schicht Nitrid 18 bestehenden Doppelschicht bedeckt (siehe Fig. k) .

Mit Hilfe einet¹ ersten Photolackmaske wird das Nitrid 18 im Muster geätzt, ebenso wie das darunter liegende Oxid 17· Mit den restlichen Teilen der Doppelschicht 17· 18 als Maske wird eine Phosphordotierung durchgeführt (beispielsweise durch Diffusion). Dadurch werden hochdotierte N-leitende Gebiete 19 erhalten, die auch dazu dienen, den Reihenwiderstand der schlussendlichen Kathode zu verringern. Nach dem Anbringen der N-leitenden Gebiete 19 werden diese an ihrer Oberfläche durch thermische Oxidation mit einer Oxidschicht 20 versehen (sie Fig. 5).

Das Ganze wird daraufhin mit einer aus der Dampfphase (CVD-Techniken) angebrachten Nitridschicht 21 mit einer Dicke von etwa 70 nm bedeckt. Eine zweite Photolackmaske 22, die gewünschtenfalls auf der Nitridschicht 21 angebracht werden kann, schützt nötigenfalls die darunter liegende Oberfläche vor den folgenden Bearbeitungen, damit hier in einer späteren Stufe Anschlusskontakte oder Schaltungselemente verwirklicht werden können.

Daraufhin wird das Nitrid 18, 21 über eine

Dicke von etwa 80 nm durch reaktives lonenätzen oder durch Plasma-Ätzen geätzt. Das Nitrid 20 wird dabei völlig entfernt, während das Nitrid 18 teilweise beibehalten wird. Mit diesem Nitrid 18 als Maske wird nun das darunter liegenden Oxid 20 durch nasses Ätzen entfernt. Durch Unterätzung wird dabei auch ein Teil des Oxids 17 unter dem Nitrid entfernt (siehe Fig. 7).

In dem freigelegten Silizium werden daraufhin durch preferentielles Ätzen, beispielsweise in einem Bad auf Basis von Kaliumhydroxid, Vertiefungen 25 geätzt bis zu einer Tiefe von etwa 3/um. Durch das preferentielle Ätzen und durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Oxidnitriddoppelmaske 17» 18 führt diese Behandlung dazu, dass in den Vertiefungen 25 an der Stelle dieser Doppelmaske herausragende Teile 10 gebildet werden (siehe Fig. 8).

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U.a. für das schlussendliche N-leitende Gebiet 3 vird daraufhin eine Arsenimplantation mit einer derartigen Energie durchgeführt, dass die Arsenionen durch das Nitrid 28 und das Oxid 17 hindurchdringen. Dadurch wird ausserhalb der Gobiete 19 das N-leitende Gebiet 23 gebildet, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, während innerhalb der Gebiete 19 der Reihenwiderstand durch diese Implantation (Strichlinie 29) weiter verringert wird.

Daraufhin werden durch Depositionstechniken bei verringertem Druck (LPCVD-Techniken) nacheinander eine Oxidschicht 26 mit einer Dicke von etwa 1 /van und eine etwa 1 /um dicke Schicht 28 aus polykristallinem Silizium angebracht. Diese Dicken sind in dem betreffenden Fall derart gewählt worden, dass die Vertiefungen 25 durch das Oxid 26 und das polykristalline Silizium 28 völlig aufgefüllt werden (siehe Fig. 1O). Damit das Polykristalline Silizium gut leitend gemacht wird, wird dies beispielsweise mit Bor dotiert.

Über die ganze Anordnung wird daraufhin verdünnter positiver Photolack mit einer derartigen Viskosität angebracht, dass dieser Lack sich nahezu gleichmässig über die Anordnung verteilt. Dieser Photolack wird dann ohne Belichtung entwickelt und löst dabei allmählich auf. Dies wird fortgesetzt bis das polykristalline Silizium 28 frei wird. Durch die Wahl der Lackart und der Dicke der Lackschicht (die restliche Lackschicht 29 ist dicker als die entfernte Schicht 30) lässt sich erreichen, dass zunächst das polykristalline Silizium 28 über dem Nitrid 18 freigelegt wird. Sobald dies freiliegt, wird das polykristalline Silizium 28 geätzt, beispielsweise über eine Dicke von 1 /um. Da die restliche Photolackschicht vor dieser Atzbehandlung schützt, wird nur auf der Oberseite das polykristalline Silizium 28 entfernt und das Oxid 26 freigelegt. Dieses freigelegte Oxid 26 wird daraufhin soweit geätzt, dass

^⁵ die herausragenden Teile 10 zum grossen Teil oder völlig freigelegt werden. Dadurch, dass dabei die restlichen Teile des Nitrids 18 stark unterätzt werden, werden sie von der Halbleiteranordnung gelöst und können daraufhin durch

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Ultraschall entfernt werden. Das restliche Oxid 26 bildet die Isolierschicht 7» wie dies in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Mit der polykristallinen Elektrode 9 als Maske

wird daraufhin durch Borimplantation das P-leitende Gebiet δ 12 in der Spitze des herausragenden Teils 10 angebracht.

Über dieselbe Maske wird danach mit einer Arsenimplantation die Oberfläche des herausragenden Teils 10 N-leitend dotiert, womit die Oberflächenzone 3 beendet ist (Fig. 11).

Im Grunde ist damit die erfindungsgemässe HaIbleiteranordnung fertig. Wenn die Ätzbehandlung des polykristallinen Siliziums 28 weiter fortgesetzt wird, erhält dieses polykristalline Silizium das Profil, wie dies in Fig. 3 dargestellt* ist.

Die Halbleiteranordnung wird letzten Endes noch '⁵ mit Anschlussleitern I3 und I5 versehen. Dazu wird die Isolierschicht 7 » die ausserhalb des Gebietes der Vertiefung 25 die Oxidschicht 20 und die Nitridschicht 21 aufweist, mit einem Kontaktloch 11 versehen (siehe Fig. 1), durch das der Anschlussleiter 13 das N-leitende Gebiet I9 kontaktiert. Auf

der Unterseite wird die Halbleiteranordnung mit einer Metallisierung 15 versehen.

Wie obenstehend bereits beschrieben, kann die elektronememittierende Oberfläche gewünschtenfalls noch mit einer Schicht 14 aus austrittpotentialverringerndem

Material, beispielsweise Barium oder Lanthan, die weniger flüchtig sind als Zäsium bedeckt werden.

Damit ist die Anordnung nach den Fig. 1 bis 3 erhalten. Ausser der Verwendung einfacher Kathoden können auch eine Anzahl Kathoden nach der Erfindung in einer x-y-

Matrix integriert werden, wobei beispielsweise die N-leitenden Gebiete durch die X-Linien und die isolierten P-leitenden Gebiete durch die Y-Linien angesteuert werden. Mit Hilfe der Steuerelektronik, beispielsweise Schieberegister,

deren Inhalt bestimmt, welche der X-Linien bzw.. der Y-35

Linien angesteuert werden, kann man nun ein bestimmtes Muster von Kathoden emittieren lassen, während beispielsweise über andere Reg-ister zusammen mit Digit al-Analog-

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ν Wandlern das Potential der Bösehleunigungselektroden singe=

,;· stellt werden kann. Damit können flache Wiedergabennord-

nungen verwirklicht werden, wobei in einem evakuierten

' Raum sich in einigen Millimetern der Halbleiteranordnung

_s entfernt ein Leuchtschirm befindet, der durch den von der Halbleiteranordnung herrührenden Elektronenstrom aktiviert wird.

Fig. 14 zeigt auf schematische Weise schaubildlich eine Ansicht einer derartigen flachen WiedergabeaniQ nrdnung. die ausser der Halbleiteranordnung 42 einen Leuchtschirm 43 enthält, der durch den von der Halbleiteranordnung herrührenden Elektronenstrom aktiviert wird. Der Ab-

! stand zwischen der Halbleiteranordnung und dem Leuchtschirm

beträgt beispielsweise 5 mm, während der Raum, in dem sie sich befinden, evakuiert ist. Zwischen die Halbleiteranordnung 42 und den Schirm 43 wird eine Spannung in der Grössenordnung von 5 bis 10 kV über die Spannungsquelle 44 angelegt, was eine derart hohe Feldstärke zwischen dem Schirm und der Anordnung bewirkt, dass das Bild einer Kathode derselben Grössenordnung ist wie diese Kathode.

Fig. 15 zeigt auf schematische Weise eine derartige Wiedergabeanordnung, wobei in einem evakuierten Raum 45 die Halbleiteranordnung 42 in etwa 5 mm Abstand von dem Leuchtschirm 43 angeordnet ist, der einen Teil der Endwand 46 dieses Raumes bildet. Die Anordnung 42 ist auf einer Halterung 39 angeordnet, auf der gewünschtenfalls andere integrierte Schaltungen 47 für die Steuerelektronik ι angeordnet sind; der Raum 45 ist mit Durchführungen 4o für

aussere Anschlüsse versehen.

Fig. 16 zeigt auf schematische Weise einen ähnlichen Vakuumraum 45. Darin befindet sich ein auf schematische Weise angegebenes System 50 von Elektronenlinsen. In der Endwand 46 ist beispielsweise eine Siliziumscheibe 48 vorgesehen, die mit einer Photoresistschicht 49 bedeckt ist. Das in der Anordnung 42 erzeugte Muster wird über das Linsensystem 50 nötigenfalls verkleinert auf der Photoresistschicht 49 abgebildet.

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Mit einer derartigen Anordnung können also Muster auf einer Photoresistschicht abgebildet werden. Dies bietet grosse Vorteile weil dadurch die üblichen Photomasken fortfallen können und die gewünschten Muster

über die Steuerelektronik auf einfache Weise erzeugt und nötigenfalls korrigiert werden können.

Es dürfts einleuchten, dass sich die Erfindung nicht auf die obengenannten Beispiele beschränkt. So wird, namentlich wenn die Kathode in eine integrierte Schaltungs-

anordnung aufgenommen ist, das P-leitende Gebiet k nicht

über eine Metallisierungsschicht auf der Unterseite des -Halbleiterkörpers mit einem Anschlussleiter verbunden wer- | den, sondern über eine diffundierte P-leitende Zone. Auch ρ braucht das P-leitende Gebiet nicht unbedingterweise eine *; (Epitaxial)-Schicht mit einheitlicher Dotierung zu sein, J

sondern dies kann auch eine diffundierte Zone sein. g

S Auch kann statt Silizium ein anderes Halblei- Üjj

termaterial gewählt werden, insofern darin ähnliche Geome-

{■ trien verwirklicht werden können. ' '

Aucb in der Art und Weise der Herstellung sind % viele Abwandlungen möglich. So zeigt Fig. 12 eine Abwand- 't lung der Zwischenstufe nach Fig. 8, wobei durch etwas an- | dere Abmessungen der Vertiefung 25 und ein anderes Ausmass [_ an Unterätzung das Gebiet 19 sich bis in den herausragenden Teil 10 erweitert. Fig. 13 zeigt eine Abwandlung der Fig.

10, wobei dadurch, dass die Schichten 26 und 28 eine gerin- '. gere Tiefe haben der Hohlraum unter dem Nitrid 18 nicht, wie in Fig. 10, völlig gefüllt wird. Auch kann beim reaktiven Ätzen das polycristalline Silizium 28, namentlich bei

'

mehreren Kathoden in nur einer Halbleiteranordnung, dieses

polykristalline Silizium örtlich gegen das Ätzmittel abgeschirmt werden. Ausserdem kann ein derartiges Ätzmittel verwendet werden, dass der herausragende Teil 10 Fazetten erhält (pyramidenförmig). Auch der herausragende Teil 10 kann sich über eine gewisse Länge erstrecken (streifenförmig), J wobei er im Querschnitt gesehen abgerundet ist.

Claims

PHN.10.918 15 9.1.1985 PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiteranordnung zum Erzeugen mindestens eines ElektronenstrabJ.es mit mindestens einer Kathode mit einem Halbleiterkörper, der an einer Haupt oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht mit mindestens einer Öffnung versehen ist, wobei auf der isolierenden Schicht an dem Rand der Öffnung mindestens eine Beschleunigungselektrode angeordnet ist und der Halbleiterkörper innerhalb der Öffnung einen PN-Übergang aufweist, dadurch ge-" kennzeichnet, dass innerhalb der Öffnung der Halbleiter körper mindestens einen herausragenden Teil aufweist, des sen Querschnitt parallel zu der Hauptoberfläche von der Hauptoberi'läche gesehen abnimmt.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der herausragende Teil nahezu kegel förmig oder pyramidenförmig ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der herausragende Teil mindestens in der Nähe des Endes abgerundet ist.

k. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das abgerundete Ende einen Krümmungsradius zwischen 0,01 und 1yum aufweist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der herausragende Teil in der Nähe der Hauptoberfläche nahezu streifenförmig ist und in einem Schnitt senkrecht zu der Längsrichtung des Streifens gesehen der herausragende Teil mindestens in der Nähe des Endes abgerundet ist.

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