EP2735016A1 - Dispositif semi-conducteur d'emission d'electrons dans le vide - Google Patents

Dispositif semi-conducteur d'emission d'electrons dans le vide

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Publication number
EP2735016A1
EP2735016A1 EP12735920.6A EP12735920A EP2735016A1 EP 2735016 A1 EP2735016 A1 EP 2735016A1 EP 12735920 A EP12735920 A EP 12735920A EP 2735016 A1 EP2735016 A1 EP 2735016A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
type
layers
semiconductor device
stack
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12735920.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Claude Jacquet
Raphael Aubry
Marie-Antoinette Poisson
Sylvain Delage
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Thales SA
Alcatel Lucent SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA, Alcatel Lucent SAS filed Critical Thales SA
Publication of EP2735016A1 publication Critical patent/EP2735016A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/308—Semiconductor cathodes, e.g. cathodes with PN junction layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/04—Cathodes

Definitions

  • the invention relates to so-called cold electron sources using a semiconductor diode.
  • thermoelectronic cathodes used the thermoelectronic emission obtained by heating electron sources called thermionic cathodes, at temperatures in the region of 1000 ° C. Due to the physical principle used, these cathodes are limited in terms of electron current emitted and lifetime and furthermore have the disadvantage of having a fairly long time, of the order of one minute, for the obtaining the stabilized emission of electrons at the time of their heating, or of their ignition.
  • thermionic emission source electron tubes for example, in the case of TOP traveling wave power tubes, solutions using electron emission using sources cold semiconductors were studied to replace thermionic emission. These types of cold source emissions exploit the avalanche ionization type internal emission or the tunnel effect field emission to emit or extract electrons from the semiconductor material.
  • the electron emission is obtained from a diode PN Silicon or Gallium arsenide directly polarized, the area P being placed on the surface which is covered a layer of cesium oxide.
  • the role of this cesium layer is twofold:
  • Cesium oxide is, however, chemically unstable and it is necessary to operate the diode under high vacuum to increase its service life. Even under these conditions, the oxide layer degrades too rapidly for the device to be used in the tubes.
  • the maximum energy that the electrons can acquire is limited to the curvature of the bands in the vicinity of the surface and is at best of the order of the width of the forbidden band of the materials used (typically less than 2eV). The energy acquired by the electrons during the crossing of this zone is therefore less than the electronic affinity of these materials which is of the order of 4eV.
  • the majority of electrons can not acquire sufficient energy to be emitted in a vacuum and only a small fraction, the most energetic of the electronic distribution, out of the material, resulting in a low emission efficiency.
  • a metal of low electronic affinity replaces the cesium oxide layer.
  • the realized structure is used in diode mode, the electrical contacts being taken on the doped part N of the diode and on the metal of low electronic affinity.
  • the gain in emission obtained by lowering the electron affinity using the material placed on the surface is annihilated by the energy losses induced by the collisions of the hot electrons with the network of the metal through.
  • a second solution uses a PN diode made of silicon or gallium arsenide which is reverse biased beyond its avalanche breakdown voltage, the N zone being placed on the surface.
  • the current is obtained by avalanche multiplication and only the electrons having an energy higher than the electronic affinity of the material are emitted in vacuum.
  • a fourth solution uses a NPN GaN bipolar transistor or the contact of the collector layer placed on the surface is pierced so as to allow the emission of electrons in a vacuum.
  • the direct-polarized base-emitter junction allows the supply of electrons
  • the reverse-biased base-collector junction provides the electrons with the energy needed to extract the semiconductor.
  • the impossibility of obtaining a high concentration of holes at ambient temperature for P-doped GaN results in a high value of the access resistance of the base. This results in the appearance of a lateral depolarization phenomenon of the base-collector junction resulting in a concentration of the current at the periphery of the component.
  • the effective emitting surface is thus greatly reduced and represents only a small fraction of the total surface of the transistor, which results in a low efficiency of the emission.
  • the invention proposes a semiconductor device for emitting electrons in a vacuum comprising a stack of q semiconductor layers, q being a higher number or equal to 2, of type N and P according to the sequence N / (P) / N forming a juxtaposition of two NP junctions head to tail, the semiconductor layers being made of semiconductor materials belonging to the family of 111-N, two adjacent layers of the stack forming an interface, the stack having two ends at one of its ends, at least one EMT emitter ohmic contact on a free surface of a first layer L1 of the stack and, at the other end, at least one collector electrical contact socket COL (which will preferably be of the Schottky type) on a part of another free surface of an L5 exit layer in contact with the vacuum for the emission of electrons by an emissive zone of said L5 exit layer, characterized in that the semiconductor materials conductors of the layers of the near-vacuum stack, where the electrons reach a high energy
  • the stack comprises between its two ends, the first N-type L1 layer, a P-type L3 layer, an N-type L4 layer, and the output layer.
  • L5 of the N type on the L4 layer the positive bias potential being applied to the electrical collector contact of the L5 output layer, the reference potential being applied to the electrical contact of the first L1 layer.
  • the negative fixed charge in the stack is further obtained by doping the L3 layer with acceptor-type impurities.
  • the negative fixed charge is obtained furthermore between the L4 layer and the first L1 layer partly by doping the L3 layer partly with acceptor-type impurities and partly by piezoelectric effect by the choice.
  • said layer having a composition of the Al x Ga-i- x N or ⁇ - ⁇ . ⁇ type and the L3, L4 and L5 layers having an Al y Ga-type composition.
  • the stack comprises a semiconductor layer L2 between the first layer L1 and the layer L3 of the P type, the adjacent layers L2 and L3 have a difference in composition such that a piezoelectric charge of negative sign appears at the interface of these layers.
  • the composition of the semiconductor material of the layer L2 is different from the composition of the material of the layer L1 so that a positive piezoelectric charge appears at the interface between these two layers.
  • the stack comprises, the first N-type layer L1, the N-type output layer L5 and, between the first layer L1 and the output layer L5, a layer L4 type N, the negative charge being obtained between the L4 layer and the first layer L1 by piezoelectric effect only.
  • the stack comprises, the first N-type layer L1, the N-type output layer L5 and, between the first layer L1 and the output layer L5, a layer P type L2 and N type L4 layer, with a doping of less than 17 cm -3 , the negative charge being induced by at the interface between said adjacent layers by the choice of the chemical composition of the L1 to L4 layers, said layers will have a composition of the Al x Ga-i- x N or Al x ln -X N type for the L1 layers and L2 and the type Al y Ga-i-yN or ln y Al y N to the L3 and L4 layers with x greater than 0 and less than or equal to 1 and y greater than or equal to 0 and less than 1 and as x> y.
  • the stack comprises, the first N-type layer L1, the N-type output layer L5 and, between the first layer L1 and the output layer L5, a layer N-type L2 and N-type L4 layer, the negative charge being induced by piezoelectric effect at the interface between two layers.
  • the stack comprises a semiconductor layer L2 of any type having a thickness of less than 200 nm adjacent to the first layer L1.
  • the N-type L5 output layer is doped between 18 cm -3 and 20 cm- 3 and is of thickness t less than or equal to 50 nm.
  • the N-type or P-type semiconductor layer L4 adjacent to the L5 output layer has a doping of less than 17 cm -3 and is of lower thickness or equal to 100nm.
  • the p-type doped L3 semiconductor layer between some 18 cm -3 and some 20 cm- 3 disposed between the L5 output layer and the first L1 layer has a thickness of less than 200 nm.
  • the stack comprises a semiconductor layer L2 between the first layer L1 and the layer L3 of any type having a thickness of less than 200 nm adjacent to the layer L1.
  • the first N-type doped layer L1 between some 18 cm -3 and some 20 cm -3 is of any thickness.
  • the composition of the semiconductor materials of the adjacent layers L1 and L4 is chosen so as to have a difference in composition such that a piezoelectric charge of negative sign appears at the interface between these layers L1 and L4.
  • the semiconductor materials of adjacent layers L2 and L4 exhibit a composition difference such that a piezoelectric charge of negative sign appears at the interface of these layers.
  • the layers L1 and / or L2 are chosen from among the semiconductor materials:
  • the layers L1 and / or L2 being in ln 7 AI 83 N, the other layers of the stack are made of GaN so that the mesh parameters of these layers are identical.
  • the L3 layer is doped between some 18 cm -3 and some 20 cm -3 at a thickness of less than 200 nm.
  • the stack is made from a substrate selected from gallium nitride or GaN, silicon carbide or SiC, silicon or Si, Sapphire or Al 2 O 3. .
  • the emitter ohmic contact socket on the first layer L1 is on a peripheral zone of said layer L1, to receive the polarization potential.
  • the emitter ohmic contact socket on the L1 layer is disposed peripherally to form a closed contour.
  • the emitter-ohmic contact socket on the first layer L1 comprises two contact portions disposed peripherally and facing one another.
  • the two emitter ohmic contact parts are separated by 1 to 10 ⁇ m from the collector mesa formed by the layers L2 to L5.
  • the emitter ohmic contacting plug is on the rear face of the first layer L1, on an area of said first layer L1 in line with the emissive zone.
  • the collecting electrical contact on the output layer L5 is a Schottky contact socket disposed on a peripheral area of said output layer L5, to receive the bias voltage.
  • the collecting electrical contact on the output layer L5 is disposed peripherally to form a closed contour.
  • the output layer L5 comprises two collector electrical contact points disposed at the periphery of said layer and facing one another at a distance of between 1 ⁇ and 10 ⁇ .
  • the first layer L1 and the output layer L5 each comprise a multitude of parallel contacts taken together and separated by a distance between ⁇ ⁇ ⁇ 100 ⁇ .
  • a main purpose of the vacuum electron emission device according to the invention is to obtain a higher electron current emitted than that of electron emission devices of the state of the art.
  • the proposed structure consists of a stack of N / (P) / N type semiconductor layers, made of semiconductor materials belonging to the family of III-N, in which the zone P is not electrically connected. and is obtained partially or wholly, by doping with acceptor-type impurities (L3 layer) or by piezoelectric effect.
  • This effect will be obtained by a suitable choice of the chemical compositions of the materials constituting the layers of the stack so that by spontaneous piezoelectric effect and / or stress appears a negative fixed charge between any of the interfaces located between two adjacent layers of stacking.
  • the stack thus produced is formed of the juxtaposition of two junctions mounted head to tail, some examples of possible stacks are described later.
  • the application of a positive voltage on one of the electrodes of the diode makes it possible to directly bias the junction whose contact is set to the reference potential (for example a mass M) and conversely the one whose contact is made to the positive voltage. If the density of negative charges is sufficient, the internal electric field induced by the applied positive voltage may be sufficiently intense to provide a fraction of the electrons circulating in the device the energy necessary for their emission in vacuum. This fraction will be all the more important that the chosen material will have a large bandgap.
  • the specific properties of the compounds of the Al x Ga-i- x N family of materials, lrixGa- ⁇ - ⁇ , Al x ln -X N or (ln y AI -y ) x Ga-i-xN make them particularly interesting for this type of device.
  • the method selected for heating the electron gas in the emission device according to the invention is indeed much more effective than that used for thermionic cathodes because it is selective. In contrast to these thermionic devices, not all the material is heated but only the free carriers via the internal electric field induced by the diode being energized. Electronic temperatures of several tens of thousands of degrees are thus possible in wide-bandgap materials such as those belonging to the family of I l-N. The temperature of the lattice, determined by Joule's law, then remains lower than that of the electron gas by several orders of magnitude. In this sense we speak of cold cathode, the network being, relatively to electrons emitted in the vacuum, much colder.
  • NPN structure is dictated by the material. P-type doping of this family of semiconductors is indeed much more difficult to achieve than type N doping which itself is well controlled.
  • the access resistance of N-doped layers is thus of several orders of magnitude smaller than that of P-doped layers.
  • the polarization of the device through exclusively N-doped layers made possible with this type of stack according to the invention, improves the distribution of the current in the component and makes it possible to obtain a much more intense and spatially homogeneous emission than if one of the electrical contacts was taken on a doped layer P. A gain of 3 to 4 orders of magnitude on the current emitted is expected with this way to proceed.
  • the N-doped layer located on the surface of the stack will have to be fine and strongly doped.
  • this layer should have a thickness of less than 50 nm and a doping greater than a few 18 cm- 3, and the thickness and doping thereof should ideally be chosen so that, when the component is polarized in emission, the the undenatured part of this layer is thin enough to minimize the cooling of the electrons passing through it but sufficiently thick to avoid the lateral depolarization of the diode polarized in reverse.To allow the emission of hot electrons the electrical contact of the doped layer N located on the surface is pierced.
  • FIGS. 8 to 12 show different operations of the electron-emitting device according to the invention.
  • FIG. 13 shows a configuration of the transmission device according to the invention producing a conduction band discontinuity
  • FIG. 14a shows a sectional view of a variant of the transmission device according to the invention.
  • FIG. 14b shows a view, on the side of an output layer, of the device of FIG. 14a.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a first embodiment of the electron-emitting device according to the invention.
  • a substrate (2) with nucleation layers (4) comprises a stack of semiconductor layers:
  • the layers L3, L4 and L5 partially cover the layer L1 so as to leave a free surface (90) on this layer L1 for an EMT emitter ohmic plug 94 intended to receive a reference potential, for example the potential of a mass M .
  • the output layer L5 comprises an external surface (100) in contact with the vacuum comprising on a part of the external surface a collector electrical socket COL 104 for the application of a positive Vce bias with respect to the reference potential M.
  • another part of the outer surface 100 of the layer L5 is an emitting surface 108 of the output layer L5 by which the emission of the electrons in vacuum takes place.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a second embodiment of the electron-emitting device according to the invention.
  • a negative fixed charge ( ⁇ -) is obtained partly by doping the layer L3 with acceptor type impurities and by part by piezoelectric effect obtained at the interface between the layers L1 and L3 by a suitable choice of the chemical composition of said layers.
  • Figure 3 shows a sectional view of a third embodiment of the electron-emitting device according to the invention.
  • a layer L2 having a doping of P or N type less than a few 17 cm -3 and of thickness t less than 50 nm.
  • a negative charge ⁇ - is obtained by piezoelectric effect at the interface between the P-doped L3 layer and the L2 layer.
  • the layer L2 has a composition difference with the layer L1 such that a positive charge ⁇ + by piezoelectric effect appears in the interface between the layer L2 and the first layer L1.
  • the various materials of these layers L1 and L2 are selected from the following chemical compounds: In y Al 1-yl N, or rAl x Gay. x N, or of rin x Gai- x N or of r (ln y AI 1 -y ) x Ga -x N
  • Figure 4 shows a sectional view of a fourth embodiment of the electron-emitting device according to the invention.
  • the stack comprises between the first N-type layer L1 and the N-type L5 output layer a L4 layer whose N or P type doping is less than 17 cm -3 .
  • Layers L1 and L4 show at the interface between these layers a negative charge ( ⁇ -) by a piezoelectric effect thus forming the two N / (P) / N junctions in the head-to-tail manner, the layer L1 having, for example, a composition of the type al x Ga i-x N and the layer L4 has such a composition of the type al y Ga y N i-x is greater than 0 and less than or equal to 1 and y greater than or equal to 0 and less than 1 and such that x> y.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a fifth embodiment of the electron-emitting device according to the invention.
  • a layer L2 doped with P-type impurity is inserted at a level below 5 10 17 cm -3 and of a thickness
  • the chemical composition of the layers L1 and L2 is such that a negative charge ( ⁇ -) induced by the piezoelectric effect appears at the interface between the two layers L2 and L4.
  • the layers L1 and L2 have for example a composition of the Al x Ga i-x N and L4 and L5 layers have for example a composition of the type Al y Ga-i -y N with x greater than 0 and less than or equal at 1 and with y greater than or equal to 0 and less than 1 and such that x> y.
  • Figure 6 shows a sectional view of a sixth embodiment of the electron-emitting device according to the invention.
  • the chemical composition of the layer L1 of the structure proposed in FIG. 5 is such that a positive charge ( ⁇ + ) induced by the piezoelectric effect appears at the interface between the layers L1 and L2. and the L2 layer is doped with N or P type impurity at a level of less than or equal to 5 17 cm -3 .
  • the structure of the electron-emitting device according to the invention is similar to a bipolar transistor structure with collector and emitter. It thus uses the same manufacturing techniques, well known to those skilled in the art, for this type of component, with the difference that the contact (collector) contact on the output layer L5 of the stack in contact with the empty must only partially cover its surface. This contact, ohmic plug, is confined to the edges of the layer, so as to provide an effective surface of electron emission in the surrounding environment is the vacuum.
  • FIG. 7 shows a sectional view of a first variant of the transmission device according to the invention.
  • the EMT emitter contacting point is then made at the end of the device on the free face of the first layer L1.
  • the surface of the output layer L5 comprises, in this variant, a multitude of COL collector taps. Subsequently, the various operating modes of the vacuum electron emission device according to the invention are described.
  • Figures 8 to 12 show different operations of the electron-emitting device according to the invention, as well as the conduction bands in the thickness of the layers of the stack at equilibrium and under the bias voltage.
  • Two modes of operation of the device are possible, by breakdown or drilling of the diode (or junction) PN polarized in reverse.
  • the mode of operation will depend on the density of negative charges contained, for example in layer L3, and present at the interface between this layer L3 and the adjacent layers.
  • For GaN operation in breakdown mode will be obtained for a negative charge density greater than about 2 to 3x10 13 / cm 2 . This charge density will depend on the material used, the doping of the layers forming the junction and the thickness of the undoped layer inserted therein.
  • FIG. 8 shows a configuration comprising layers L1, L3, L4, L5 operating in breakdown mode
  • FIG. 9 shows the same configuration having a thinner layer thickness L3 operating in piercing mode.
  • FIG. 10 shows another configuration (see also FIG. 3) comprising a stack of layers L1, L2, L3, L4, L5 operating in breakdown mode.
  • the same configuration shown in FIG. 11 with a thinner layer thickness L3 can be operated in breakdown mode or in piercing mode depending on the value of the piezoelectric load.
  • FIG. 12 shows another configuration comprising layers L1, L2, L4 L5 (see also FIG. 6) with layers L2 and L4 of small thickness operating in drilling or breakdown mode.
  • FIG. 13 shows a configuration of the transmission device according to the invention producing a conduction band discontinuity.
  • the chemical composition of the L1 layer differs from that of the L3 to L5 layers so as to produce a conduction band gap between the L1 and L3 layers. This discontinuity is used to give the electrons a surplus of energy
  • the chemical composition of the L1 layers will be chosen from the Al x Ga-
  • the electronic emission by the device according to the invention will occur when the electric field prevailing within the reverse-biased junction will be greater than the avalanche ionization field, the floating P-doped layer may be partially or totally deserted as shown schematically in Figures 8 and 10 and in Figures 9, 1 1 and 13 respectively.
  • the piercing mode (see FIGS. 9, 11 and 13) will be obtained for a density of negative charges ⁇ -less than about 2 to 3 ⁇ 10 13 / cm 2 for GaN and will also depend on the materials, dopings and thickness used. Ideally in this mode of operation the junction will be polarized at the threshold of its breakdown voltage by avalanche.
  • the layer L3 will have a thickness of less than 10 nm and doping greater than about 18 cm -3 .
  • the energy is selectively supplied to the electrons by means of an internal electric field.
  • This way of proceeding thus makes it possible to avoid the application of an intense external electric field or to heat the cathode to obtain an emission of electrons. Coupled with the use of semiconductors with large bandwidth this implementation allows to bring the electrons to energies higher than the electronic affinity of these materials which frees us from the need to use specific materials to lower the work function such as Cs 2 0 or LaB 6, for example.
  • FIG. 14a shows a sectional view of a variant of the transmission device according to the invention.
  • FIG. 14b shows a view, on the side of an output layer, of the device of FIG. 14a.
  • the stack of semiconductor layers comprises a single EMT emitter ohmic contact on a free surface of the first layer L1 of the stack and, at the other end, a single COL collector electrical contact on a portion of another free surface of an L5 outlet layer in contact with the vacuum.
  • contact making configurations are not limiting and can be carried out either by two contact parts, or by contacts on the contour of the layers, or by a multitude of Schottky contacts arranged in parallel on the output layer L5.
  • FIGS. 14a and 14b show one of the possible contact configurations of a stack comprising a first layer L1 having a single EMT 200 emitter ohmic contact and partially covering the layer L1 a stack of layers L3, L4 and the L5 output layer. .
  • Electrical contacts COL 204 are regularly arranged on the surface of the layer L5 and are electrically connected by a single electrical contact of the collector 206. The electronic emission will take place between each consecutive contact 204. The distance between two contacts 204 disposed on the surface is between 1 and 100 ⁇ .
  • the solution proposed by the device for emitting electrons in the vacuum according to the invention allows compared to thermionic cathodes to cover at a lower cost the power range from 10 to 100W.
  • the emission device according to the invention allows the realization of cold cathodes having response times of several orders of magnitude faster.

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide comportant un empilement de q couches semi-conductrices (10, 20, 30, 40, 50), q étant un nombre supérieur à 2, de type N et P selon la séquence N/(P)/N formant une juxtaposition de deux jonctions en tête-bêche, les couches semi-conductrices étant réalisées en matériaux semi-conducteurs appartenant à la famille des lll-N, deux couches adjacentes de l'empilement formant une interface. Les matériaux semi-conducteurs des couches de l'empilement proches du vide, où les électrons atteignent une énergie élevée, ont une largeur de bande interdite Eg dont la valeur satisfait l'inégalité suivante : Eg > c/2, où c est l'affinité électronique du matériau semi-conducteur, la couche semi-conductrice de type P étant obtenue partiellement ou en totalité, soit par dopage en impuretés de type accepteur, soit par effet piézoélectrique de façon à faire apparaître une charge fixe négative (s-) dans l'une quelconque des interfaces entre les couches de l'empilement, un potentiel de polarisation positif appliqué à l'empilement de couches semi-conductrices fournissant, à une fraction des électrons circulant dans ledit empilement, l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide par une zone émissive d'une couche de sortie L5 (50). Applications: cathodes froides pour tubes électroniques.

Description

DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR
D'EMISSION D'ELECTRONS DANS LE VIDE
L'invention concerne les sources d'électrons dites froides utilisant une diode à semi-conducteurs.
Les sources d'électrons aujourd'hui intégrées dans les tubes amplificateurs hyperfréquences de puissance utilisent l'émission thermoélectronique obtenue en chauffant des sources d'électrons appelées cathodes thermoïoniques, à des températures voisines de 1000°C. Du fait du principe physique utilisé, ces cathodes sont limitées en terme de courant d'électrons émis et de durée de vie et comportent en outre, l'inconvénient de présenter un temps assez long, de l'ordre de la minute, pour l'obtention de l'émission stabilisée d'électrons au moment de leur chauffe, ou de leur allumage.
Pour contourner ces limitations et améliorer les performances des tubes électroniques à source d'émission thermoïonique, par exemple, dans le cas de tubes de puissance à ondes progressives d'acronyme TOP, des solutions utilisant une émission d'électrons à l'aide de sources froides à semi-conducteurs ont été étudiées pour remplacer l'émission thermoïonique. Ces types d'émissions par des sources froides exploitent l'émission interne de type ionisation par avalanche ou l'émission de champ de type effet tunnel pour émettre ou extraire des électrons du matériau semi-conducteur.
Dans une première solution pour la réalisation de sources froides d'électrons, l'émission d'électrons est obtenue à partir d'une diode PN en Silicium ou en Arséniure de Gallium polarisée en directe, la zone P étant placée en surface laquelle est recouverte d'une couche d'oxyde de Césium. Le rôle de cette couche de Césium est double :
- créer une zone de désertion par le dipôle induit en surface par cet oxyde où les électrons gagnent de l'énergie dans le champ électrique y régnant,
- abaisser le travail de sortie du matériau afin de faciliter l'émission des électrons dans le vide. L'oxyde de Césium est cependant chimiquement instable et il est nécessaire de faire fonctionner la diode sous un vide poussé pour augmenter sa durée de vie. Même dans ces conditions la couche d'oxyde se dégrade trop rapidement pour que le dispositif puisse être utilisé dans les tubes. De plus l'énergie maximale que les électrons peuvent acquérir est limitée à la courbure des bandes au voisinage de la surface et est au mieux de l'ordre de la largeur de la bande interdite des matériaux utilisés (typiquement inférieure à 2eV). L'énergie acquise par les électrons lors de la traversée de cette zone est donc inférieure à l'affinité électronique de ces matériaux qui est de l'ordre de 4eV. La majorité des électrons ne peut donc pas acquérir une énergie suffisante pour être émis dans le vide et seule une petite fraction, la plus énergétique de la distribution électronique, sort du matériau, d'où une faible efficacité d'émission.
Dans une variante de cette première solution, un métal de faible affinité électronique (LaB6 par exemple) remplace la couche d'oxyde de Césium. La structure réalisée est utilisée en mode diode, les contacts électriques étant pris sur la partie dopée N de la diode et sur le métal de faible affinité électronique. Cependant le gain en émission obtenu en abaissant l'affinité électronique à l'aide du matériau placé en surface est annihilé par les pertes énergétiques induites par les collisions des électrons chauds avec le réseau du métal traversé.
Une deuxième solution utilise une diode PN en Silicium ou en Arséniure de Gallium que l'on polarise en inverse au delà de sa tension de claquage par avalanche, la zone N étant placée en surface. Dans cette approche le courant est obtenu par multiplication par avalanche et seuls les électrons ayant une énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau sont émis dans le vide.
Compte tenu des semi-conducteurs utilisés, de tels dispositifs ont une très faible efficacité d'émission. Pour augmenter l'émission d'électrons, une couche d'oxyde de Césium est également déposée sur la surface émissive mais comme dans la première solution l'instabilité de cet oxyde limite la durée de vie de ces dispositifs. Une troisième voie pour la réalisation de sources froide d'électrons exploite l'émission de champ. Dans cette solution les électrons sont extraits du matériau par effet tunnel à l'aide d'un champ électrique externe intense généré par effet de pointe, soit à partir de cônes en Molybdène comme dans les cathodes de Spindt, soit à partir de nanotubes de carbone. Ces deux solutions n'ont cependant pas débouchées sur des applications, les cathodes de Spindt subissant une dégradation accélérée sous l'effet du bombardement ionique généré par le champ électrique intense régnant au sommet des cônes, les nanotubes de carbones n'émettant pas une densité de courant suffisante (densité de courant effective émise de l'ordre de 1 A/cm2).
Une quatrième solution utilise un transistor bipolaire NPN GaN ou le contact de la couche de collecteur placé en surface est percé de manière à permettre l'émission des électrons dans le vide. La jonction base-émetteur polarisée en direct permet l'apport d'électrons, la jonction base-collecteur polarisée en inverse permet de fournir aux électrons l'énergie nécessaire à leur extraction du semi-conducteur. L'impossibilité d'obtenir une forte concentration de trous à température ambiante pour du GaN dopée P a pour conséquence une forte valeur de la résistance d'accès de la base. Cela se traduit par l'apparition d'un phénomène de dépolarisation latérale de la jonction base-collecteur entraînant une concentration du courant en périphérie du composant. La surface émissive effective est ainsi fortement réduite et ne représente plus qu'une petite fraction de la surface totale du transistor ce qui se entraîne une faible efficacité de l'émission.
Aucune des solutions décrites précédemment n'ont permis à ce jour de réaliser une source d'électron qui soit simultanément suffisamment fiable et intense pour concurrencer les cathodes thermoïoniques utilisées aujourd'hui dans les tubes de puissance.
Pour pallier les inconvénients des sources froides de l'état de l'art, l'invention propose un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide comportant un empilement de q couches semi-conductrices, q étant un nombre supérieur ou égal à 2, de type N et P selon la séquence N/(P)/N formant une juxtaposition de deux jonctions NP en tête-bêche, les couches semi-conductrices étant réalisées en matériaux semi-conducteurs appartenant à la famille des lll-N, deux couches adjacente de l'empilement formant une interface, l'empilement comportant deux extrémités, à une de ses extrémités au moins une prise de contact ohmique émetteur EMT sur une surface libre d'une première couche L1 de l'empilement et, à l'autre extrémité, au moins une prise de contact électrique collecteur COL (qui sera préférentiellement du type Schottky) sur une partie d'une autre surface libre d'une couche de sortie L5 en contact avec le vide pour l'émission des électrons par une zone émissive de ladite couche de sortie L5, caractérisé en ce que les matériaux semi-conducteurs des couches de l'empilement proches du vide, où les électrons atteignent une énergie élevée, ont une largeur de bande interdite Eg dont la valeur satisfait l'inégalité suivante : Eg > c/2, où c est l'affinité électronique du matériau semi-conducteur, la couche semi-conductrice de type P étant obtenue partiellement ou en totalité par effet piézoélectrique de façon à faire apparaître une charge fixe négative dans l'une quelconque des interfaces entre les couches de l'empilement, l'effet piézoélectrique est de type spontané et/ou de contrainte, le dispositif comportant des moyens de polarisation pour appliquer un potentiel de polarisation positif sur l'une des prise de contact par rapport à un potentiel de référence appliqué à l'autre prise de contact de manière à polariser en direct la jonction mise au potentiel de référence et en inverse celle mise au potentiel de polarisation positif, le champ électrique interne induit par le potentiel de polarisation positif appliqué à l'empilement de couches semi- conductrices fournissant, à une fraction des électrons circulant dans ledit empilement, l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide par la zone émissive de la couche de sortie L5.
Dans un mode de réalisation particulier du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte entre ses deux extrémités, la première couche L1 de type N, une couche L3 de type P, une couche L4 de type N et la couche de sortie L5 de type N sur la couche L4, le potentiel de polarisation positif étant appliqué au contact électrique collecteur de la couche de sortie L5, le potentiel de référence étant appliqué au contact électrique de la première couche L1 . Dans un mode particulier de réalisation, la charge fixe négative dans l'empilement est en outre obtenue par dopage de la couche L3 avec des impuretés de type accepteur.
Dans un autre mode de réalisation particulier, la charge fixe négative est obtenue en outre entre la couche L4 et la première couche L1 en partie par dopage de la couche L3 en partie avec des impuretés de type accepteur et en partie par effet piézoélectrique par le choix de la composition chimique de la couche L1 , ladite couche ayant une composition du type AlxGa-i-xN ou ΑΙχΙη-ι.χΝ et les couches L3, L4 et L5 ayant une composition du type AlyGa-|. yN ou Alyln -yN avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 entre la première couche L1 et la couche L3 de type P, les couches adjacentes L2 et L3 présentent une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface de ces couches. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la composition du matériau semi-conducteur de la couche L2 est différente de la composition du matériau de la couche L1 de façon qu'une charge piézoélectrique positive apparaisse à l'interface entre ces deux couches. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L4 de type N, la charge négative étant obtenue entre la couche L4 et la première couche L1 par effet piézoélectrique uniquement.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L2 de type P et une couche L4 de type N, avec un dopage inférieur à 5 1 017cm"3 , la charge négative étant induite par effet piézoélectrique à l'interface entre ces dites couches adjacentes par le choix de la composition chimique des couche L1 à L4, lesdites couches auront une composition du type AlxGa-i-xN ou Alxln -XN pour les couches L1 et L2 et du type AlyGa-i-yN ou Alyln -yN pour les couches L3 et L4 avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L2 de type N et une couche L4 de type N, la charge négative étant induite par effet piézoélectrique à l'interface entre deux couches.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 de type quelconque ayant une épaisseur inférieure à 200nm adjacente à la première couche L1 .
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche de sortie L5 de type N est dopée entre 1 018cm"3 et 1 020cm"3 et est d'épaisseur t inférieure ou égale à 50nm.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche semi-conductrice L4 de type N ou P adjacente à la couche de sortie L5 a un dopage inférieur à 5 1 017cm"3 et est d'épaisseur inférieure ou égale à 100nm.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche semi-conductrice L3 dopée de type P entre quelques 1018cm"3 et quelques 1 020cm"3 disposée entre la couche de sortie L5 et la première couche L1 a une épaisseur inférieure à 200nm.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 entre la première couche L1 et la couche L3 de type quelconque ayant une épaisseur inférieure à 200nm adjacente à la couche L1 . Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la première couche L1 dopée de type N entre quelques 1 018cm"3 et quelques 1020cm"3 est d'épaisseur quelconque.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la composition des matériaux semi-conducteurs des couches adjacentes L1 et L4 est choisie de façon à présenter une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface entre ces couches L1 et L4.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les matériaux semi-conducteurs des couches adjacentes L2 et L4 présentent une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface de ces couches.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les couches L1 et/ou L2 sont choisies parmi les matériaux semi-conducteurs :
AlxGa1 -xN, lnxGa1 -xN, Alxln1 -XN ou (lnyAI1 -y)xGa1 -xN
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les couches L1 et/ou L2 étant en ln 7AI83N, les autres couches de l'empilement sont en GaN de manière à ce que les paramètres de mailles de ces couches soient identiques.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche L3 étant dopée entre quelques 1018cm"3 et quelques 1020cm"3 à une épaisseur inférieure à 200nm. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilage est réalisé à partir d'un substrat choisi parmi les, nitrure de Gallium ou GaN, carbure de silicium ou SiC, silicium ou Si, Sapphire ou Al203. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur sur la première couche L1 est sur une zone périphérique de la dite couche L1 , pour recevoir le potentiel de polarisation.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur sur la couche L1 , est disposée en périphérie pour former un contour fermé. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur sur la première couche L1 comporte deux parties de contact disposées en périphérie et en regard l'une de l'autre.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les deux parties de contact ohmique émetteur sont distantes de 1 à 10μιτι du mésa de collecteur constitué par les couches L2 à L5.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur est sur la face arrière de la première couche L1 , sur une zone de ladite première couche L1 à l'aplomb de la zone émissive.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact électrique collecteur sur la couche de sortie L5 est une prise de contact Schottky disposée sur une zone périphérique de ladite couche L5 de sortie, pour recevoir la tension de polarisation.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact électrique collecteur sur la couche de sortie L5, est disposée en périphérie pour former un contour fermé.
Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche de sortie L5 comporte deux prises de contact électrique collecteur disposées en périphérie de ladite couche et en regard l'une de l'autre à une distance comprise entre 1 μιτι et 10Ομιτι. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la première couche L1 et la couche de sortie L5 comportent chacune une multitude de prises de contacts parallèles entre elles et séparés d'une distance comprise entre Ι μιτι βΐ 100μιτι.
Un principal but du dispositif d'émission d'électrons dans le vide selon l'invention est d'obtenir un courant d'électrons émis plus important que celui des dispositifs d'émission d'électrons de l'état de l'art.
D'autres buts sont d'améliorer la durée de vie et réduire l'encombrement des dispositifs d'émission d'électrons dans le vide.
La structure proposée est constituée d'un empilement de couches semi-conductrices du type N/(P)/N, réalisée en matériaux semi-conducteurs appartenant à la famille des lll-N, dans laquelle la zone P n'est pas connectée électriquement et est obtenue partiellement ou en totalité, par dopage en impuretés de type accepteur (couche L3) ou par effet piézoélectrique. Cet effet sera obtenu par un choix adéquat des compositions chimiques des matériaux constituant les couches de l'empilement de sorte que par effet piézoélectrique spontanée et/ou de contrainte apparaisse une charge fixe négative entre l'une quelconques des interfaces situées entre deux couches adjacentes de l'empilement.
L'empilement ainsi réalisé est formé de la juxtaposition de deux jonctions montées tête-bêche dont quelques exemples d'empilements possibles sont décrits par la suite. L'application d'une tension positive sur l'une des électrodes de la diode permet de polariser en direct la jonction dont le contact est mis au potentiel de référence (par exemple une masse M) et en inverse celle dont le contact est mis à la tension positive. Si la densité de charges négatives est suffisante, le champ électrique interne induit par la tension positive appliquée peut être suffisamment intense pour fournir à une fraction des électrons circulant dans le dispositif l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide. Cette fraction sera d'autant plus importante que le matériau choisi aura une grande largeur de bande interdite. A ce titre les propriétés spécifiques des composés de la famille de matériaux AlxGa-i-xN, lrixGa-ι-χΝ, Alxln -XN ou (lnyAI -y)xGa-i-xN les rendent particulièrement intéressant pour ce type de dispositif.
Pour AlxGa-ι-χΝ par exemple nous avons :
I - présence de niveaux énergétiques supérieurs à l'électron-volt, 2 - largeur de bande interdite comprise entre 3.4 et 6.2 eV environ lorsque x varie de 0 à 1 .
II résulte de ces propriétés, que les électrons, sous l'effet du champ électrique, auront une énergie moyenne élevée et qu'une fraction significative de ces électrons sera présente à des énergies supérieures à l'affinité électronique du matériau. L'émission électronique pourra alors être obtenue sans qu'il soit nécessaire de déposer sur la surface émissive un matériau à faible affinité électronique.
Outre le fait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser de tels matériaux un deuxième avantage résulte de la mise en œuvre que nous avons privilégiée. Le procédé sélectionné pour chauffer le gaz d'électrons dans le dispositif d'émission selon l'invention est en effet beaucoup plus efficace que celui utilisé pour les cathodes thermoïoniques car il est sélectif. Contrairement à ces dispositifs thermoïoniques on ne chauffe pas l'ensemble du matériau mais seulement les porteurs libres via le champ électrique interne induit par la mise sous tension de la diode. Des températures électroniques de plusieurs dizaines de milliers de degrés sont ainsi possibles dans des matériaux à grande largeur de bande interdite tel que ceux appartenant à la famille des l l l-N. La température du réseau, déterminée par la loi de Joule, reste alors inférieure à celle du gaz d'électrons de plusieurs ordres de grandeur. En ce sens on parle de cathode froide, le réseau étant, relativement aux électrons émis dans le vide, beaucoup plus froid.
Le choix de la structure NPN est, quant a lui, dicté par le matériau. Le dopage du type P de cette famille de semi-conducteurs est en effet beaucoup plus difficile à réaliser que le dopage du type N qui, lui, est bien maîtrisé. La résistance d'accès de couches dopées N est ainsi de plusieurs ordres de grandeurs plus petite que celle de couches dopées P. La polarisation du dispositif au travers de couches dopées N exclusivement, rendu possible avec ce type d'empilement selon l'invention, améliore la répartition du courant dans le composant et permet d'obtenir une émission beaucoup plus intense et homogène spatialement que si un des contacts électrique était pris sur une couche dopée P. Un gain de 3 à 4 ordres de grandeurs sur le courant émis est attendu avec cette façon de procéder.
Un choix judicieux des compositions chimiques des matériaux constituant les deux jonctions de la diode permettra de plus de fournir aux électrons un apport d'énergie supplémentaire. Cet apport sera égal à la discontinuité des bandes de conduction qui apparaît à l'interface de ces deux jonctions comme dans des structures du type AlxGa-i-xN/GaN ou Alxln-|. xN/GaN par exemple (voir figure 13).
Afin d'optimiser l'émission électronique, la couche dopée N située en surface de l'empilement devra être fine et fortement dopée. Typiquement cette couche devra avoir une épaisseur inférieure à 50nm et un dopage supérieur à quelques 1018cm"3. Idéalement on choisit l'épaisseur et le dopage de celle-ci de manière à ce que, lorsque le composant est polarisée en émission, la partie non désertée de cette couche soit suffisamment mince pour minimiser le refroidissement des électrons qui la traverse mais suffisamment épaisse pour éviter la dépolarisation latérale de la diode polarisée en inverse. Pour permettre l'émission des électrons chauds le contact électrique de la couche dopée N située en surface est percée.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations en référence aux dessins indexés dans lesquels :
- les figures 1 à 7, montrent des vues simplifiées en coupe de différentes réalisations du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention ;
- les figures 8 à 12 montrent différents fonctionnements du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention ;
- la figure 13 montre une configuration du dispositif d'émission selon l'invention produisant une discontinuité de bande de conduction ;
- la figure 14a montre une vue en coupe d'une variante du dispositif d'émission selon l'invention ;
- la figure 14b montre une vue, du côté d'une couche de sortie, du dispositif de la figure 14a. La figure 1 montre une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.
Dans ce premier mode, un substrat (2) avec des couches de nucléation (4) comporte un empilement de couches semi-conductrices :
- une première couche L1 (10) de type N dopée entre 1018cm"3 et 1020cm"3 et d'épaisseur t comprise entre 0.1 μιτι et 3μιτι,
- sur la première couche L1 , une couche L3 (30) de type P dopée entre 1018cm"3 et 1020cm"3 et d'épaisseur comprise entre 5nm et 10Onm,
- sur la couche L3, une couche L4 (40) ayant un dopage de type P ou N inférieur à quelques 1018cm"3 et d'épaisseur t comprise entre Onm et 100nm,
- une couche de sortie L5 (50) au dessus de la couche L4 de type N dopée entre 1018cm"3 et 1020cm"3 et d'épaisseur comprise entre 5nm et 50nm.
Les couches L3, L4 et L5 recouvrent partiellement la couche L1 de façon à laisser une surface libre (90) sur cette couche L1 pour une prise ohmique émetteur EMT 94 destinée à recevoir un potentiel de référence, par exemple le potentiel d'une masse M.
La couche de sortie L5 comporte une surface externe (100) en contact avec le vide comportant sur une partie de la surface externe une prise électrique collecteur COL 104 pour l'application d'une polarisation Vce positive par rapport au potentiel de référence M. Une autre partie de la surface externe 100 de la couche L5 est une surface émissive 108 de la couche de sortie L5 par laquelle s'effectue l'émission des électrons dans le vide.
Dans la réalisation de la figure 1 la charge fixe négative σ- est obtenue en dopant la couche L3 avec des impuretés de type accepteur. La figure 2 montre une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.
Dans ce deuxième mode, comportant l'empilement des couches L1 , L3, L4, L5 de la figure 1 , une charge fixe négative (σ-) est obtenue en partie par dopage de la couche L3 avec des impuretés de type accepteur et en partie par effet piézoélectrique obtenu à l'interface entre les couches L1 et L3 par un choix adéquat de la composition chimique desdites couches.
La figure 3 montre une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.
Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 3 on ajoute à l'empilement présenté sur la figure 1 une couche L2 ayant un dopage de type P ou N inférieur à quelques 1017cm"3 et d'épaisseur t inférieure à 50nm.
Dans ce mode de la figure 3 une charge négative σ- est obtenue par effet piézoélectrique à l'interface entre la couche L3 dopée P et la couche L2. La couche L2 présente une différence de composition avec la couche L1 telle qu'une charge positive σ+ par effet piézoélectrique apparaisse dans l'interface entre la couche L2 et la première couche L1 . Par exemple les matériaux différents de ces couches L1 et L2 sont choisis parmi les composés chimiques suivant : lnyAI1 -yN, ou de rAlxGai.xN, ou de rinxGai-xN ou de r(lnyAI1 -y)xGa -xN
La figure 4 montre une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.
Dans ce quatrième mode l'empilage comporte entre la première couche L1 de type N et la couche de sortie L5 de type N une couche L4 dont le dopage de type N ou P est inférieur 5 1017cm"3. La différence de composition des couches L1 et L4 fait apparaître à l'interface entre ces dites couches une charge négative (σ-) par effet piézoélectrique formant ainsi les deux jonctions N/(P)/N en tête bêche. La couche L1 aura par exemple une composition du type AlxGa-i-xN et la couche L4 aura par exemple une composition du type AlyGa-i-yN avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.
La figure 5 montre une vue en coupe d'un cinquième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.
Dans ce cinquième mode de réalisation on insère entre les couches L1 et L4 de la structure décrite sur la figure 4 une couche L2 dopée en impureté de type P à un niveau inférieur à 5 1017cm"3 et d'une épaisseur inférieure ou égale à 50nm.. La composition chimique des couches L1 et L2 est telle qu'une charge négative (σ-) induite par effet piézoélectrique apparaît à l'interface entre les deux couches L2 et L4. Les couches L1 et L2 auront par exemple une composition du type AlxGa-i-xN et les couches L4 et L5 auront par exemple une composition du type AlyGa-i -yN avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.
La figure 6 montre une vue en coupe d'un sixième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.
Dans le cas de ce sixième mode de réalisation la composition chimique de la couche L1 de la structure proposée sur la figure 5 est telle que il apparaît à l'interface entre les couches L1 et L2 une charge positive (σ+) induite par effet piézoélectrique et la couche L2 est dopée en impureté de type N ou P à un niveau inférieur ou égal à 5 1017cm"3.
La structure du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention est similaire à une structure de transistor bipolaire à collecteur et à émetteur. Elle utilise ainsi les mêmes techniques de fabrication, bien connues de l'homme du métier, pour ce type de composant, à la différence que la prise de contact (de collecteur) sur la couche de sortie L5 de l'empilement en contact avec le vide ne doit recouvrir que partiellement sa surface. Cette prise de contact, ou prise ohmique, est confinée sur les bords de la couche, de façon à offrir une surface effective d'émission d'électrons dans le milieu environnant soit le vide.
La figure 7 montre une vue en coupe d'une première variante du dispositif d'émission selon l'invention.
Dans cette première variante toutes les couches de l'empilement ont la même surface de recouvrement, la prise de contact émetteur EMT est alors réalisée à l'extrémité du dispositif sur la face libre de la première couche L1 . La surface de la couche de sortie L5 comporte, dans cette variante, une multitude de prises de contact collecteur COL. Par la suite sont décrits les différents modes de fonctionnement du dispositif d'émission d'électrons dans le vide selon l'invention.
Les figures 8 à 12 montrent différents fonctionnements du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention, ainsi que les bandes de conduction dans l'épaisseur des couches de l'empilement à l'équilibre et sous la tension de polarisation.
Deux modes de fonctionnement du dispositif sont envisageables, par claquage ou par perçage de la diode (ou jonction) PN polarisée en inverse. Le mode de fonctionnement dépendra de la densité de charges négatives contenues, par exemple dans la couche L3, et présentes à l'interface entre cette couche L3 et les couches adjacentes. Pour le GaN le fonctionnement en mode claquage sera obtenu pour une densité de charges négatives supérieure à environ 2 à 3x1013/cm2. Cette densité de charges dépendra du matériau utilisé, des dopages des couches formant la jonction et de l'épaisseur de la couche non dopée inséré au sein de celle-ci.
La figure 8 montre une configuration comportant les couches L1 , L3, L4, L5 fonctionnant en mode claquage, la figure 9 montre la même configuration ayant une épaisseur de couche L3 plus fine fonctionnant en mode perçage.
La figure 10 montre une autre configuration (voir aussi figure 3) comportant un empilement de couches L1 , L2, L3, L4, L5 fonctionnant en mode claquage.
La même configuration représentée à la figure 1 1 ayant une épaisseur de couche L3 plus fine pourra fonctionner en mode claquage ou en mode perçage selon la valeur de la charge piézoélectrique.
La figure 12 montre une autre configuration comportant les couches L1 , L2, L4 L5 (voir aussi figure 6) avec des couches L2 et L4 de faible épaisseur fonctionnant en mode perçage ou claquage.
La figure 13 montre une configuration du dispositif d'émission selon l'invention produisant une discontinuité de bande de conduction. Dans ce mode de réalisation la composition chimique de la couche L1 diffère de celles des couches L3 à L5 de manière à produire une discontinuité de bande de conduction entre les couches L1 et L3. Cette discontinuité est utilisée pour donner aux électrons un surplus d'énergie La composition chimique de la couches L1 sera choisie dans la famille de composée AlxGa-|. XN ou ΑΙχΙη-ι.χΝ par exemple avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 , et celle des couches L2 à L5 sera choisie dans la famille de composée AlyGa-|. yN ou Alyln -yN par exemple avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et sera telle que x > y.
L'émission électronique par le dispositif selon l'invention se produira lorsque le champ électrique régnant au sein de la jonction polarisée en inverse sera supérieur au champ d'ionisation par avalanche, la couche dopée P, flottante, pouvant être partiellement ou totalement désertée comme indiquée schématiquement sur les figures 8 et 1 0 et sur les figures 9, 1 1 et 13 respectivement. Le mode perçage (voir figures 9, 1 1 et 1 3) sera obtenu pour une densité de charges négatives σ- inférieure à environ 2 à 3x1 013/cm2 pour du GaN et dépendra également des matériaux, dopages et épaisseur utilisés. Idéalement dans ce mode de fonctionnement on polarisera la jonction au seuil de sa tension de claquage par avalanche. Cette mise en œuvre nécessitera un contrôle précis de la densité de charges négatives (donc du dopage et de l'épaisseur de la couche L3 ainsi que de la charge fixe obtenue par effet piézoélectrique. Typiquement la couche L3 aura une épaisseur inférieure à 1 0Onm et un dopage supérieur à quelques 1 018cm"3.
Dans cette solution selon l'invention, l'énergie est fournie sélectivement aux électrons à l'aide d'un champ électrique interne. Cette manière de procéder permet ainsi d'éviter l'application d'un champ électrique externe intense ou de chauffer la cathode pour obtenir une émission d'électrons. Couplée à l'emploi de semi-conducteurs à grande largeur de bande interdite cette mise en œuvre permet d'amener les électrons à des énergies supérieures à l'affinité électronique de ces matériaux ce qui nous libère de la nécessité d'utiliser des matériaux spécifiques pour abaisser le travail de sortie tel que le Cs20 ou le LaB6 par exemple. Cette solution permet donc de dépasser les limitations des solutions existantes (cathodes thermoïoniques), s'affranchit des imperfections des solutions à l'étude (cathodes de Spindt, nanotubes) et laisse envisager la réalisation de sources d'électrons qui soient simultanément plus intenses, ayant une fiabilité accrue ainsi qu'un temps de réponse beaucoup plus rapide que celles de l'état de l'art.
La figure 14a montre une vue en coupe d'une variante du dispositif d'émission selon l'invention. La figure 14b montre une vue, du côté d'une couche de sortie, du dispositif de la figure 14a.
Dans les dispositifs d'émission d'électrons des figures 1 à 6, l'empilement de couches semi conductrices comporte une seule prise de contact ohmique émetteur EMT sur une surface libre de la première couche L1 de l'empilement et, à l'autre extrémité, une seule prise de contact électrique collecteur COL sur une partie d'une autre surface libre d'une couche de sortie L5 en contact avec le vide.
Ces configurations de prise de contact ne sont pas limitatives et peuvent être réalisées, soit par deux parties de contact, soit par des contacts sur le contour des couches, soit par une multitude de contacts Schottky disposés en parallèle sur la couche de sortie L5.
Les figures 14a et 14b montrent une des configurations de contacts possibles d'un empilement comportant une première couche L1 ayant une seule prise de contact ohmique émetteur EMT 200 et recouvrant partiellement la couche L1 un empilage de couches L3, L4 et la couche de sortie L5.
Des contacts électriques COL 204 sont disposés régulièrement sur la surface de la couche L5 et sont reliés électriquement par un unique contact électrique de collecteur 206. L'émission électronique aura lieu entre chaque contact consécutif 204. La distance entre deux contacts 204 disposés sur la surface est comprise entre 1 et 100μιτι.
La solution proposée par le dispositif d'émission d'électrons dans le vide selon l'invention permet par rapport aux cathodes thermoïoniques de couvrir à un coût moindre la gamme de puissances de 10 à 100W. En outre, le dispositif d'émission selon l'invention permet la réalisation des cathodes froides présentant des temps e réponse de plusieurs ordres de grandeur plus rapides.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide comportant un empilement de q couches semi-conductrices (10, 20, 30, 40, 50), q étant un nombre supérieur ou égal à 2, de type N et P selon la séquence N/(P)/N formant une juxtaposition de deux jonctions NP en tête- bêche, les couches semi-conductrices étant réalisées en matériaux semiconducteurs appartenant à la famille des lll-N, deux couches adjacente de l'empilement formant une interface, l'empilement comportant deux extrémités, à une de ses extrémités au moins une prise de contact ohmique émetteur EMT sur une surface libre d'une première couche L1 (10) de l'empilement et, à l'autre extrémité, au moins une prise de contact électrique collecteur COL sur une partie d'une autre surface libre d'une couche de sortie L5 (50) en contact avec le vide pour l'émission des électrons par une zone émissive de ladite couche de sortie L5 (50), caractérisé en ce que les matériaux semi-conducteurs des couches de l'empilement proches du vide, où les électrons atteignent une énergie élevée, ont une largeur de bande interdite Eg dont la valeur satisfait l'inégalité suivante : Eg > c/2, où c est l'affinité électronique du matériau semi-conducteur, la couche semi- conductrice de type P étant obtenue partiellement ou en totalité par effet piézoélectrique de façon à faire apparaître une charge fixe négative (σ-) dans l'une quelconque des interfaces entre les couches de l'empilement, l'effet piézoélectrique étant de type spontané et/ou de contrainte, ledit dispositif comportant des moyens de polarisation (1 10) pour appliquer un potentiel de polarisation (Vce) positif sur l'une des prise de contact par rapport à un potentiel de référence (M) appliqué à l'autre prise de contact de manière à polariser en direct la jonction mise au potentiel de référence (M) et en inverse celle mise au potentiel (Vce) de polarisation positif, le champ électrique interne induit par le potentiel de polarisation positif appliqué à l'empilement de couches semi-conductrices fournissant, à une fraction des électrons circulant dans ledit empilement, l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide par la zone émissive de la couche de sortie L5 (50).
2. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'empilement comporte entre ses deux extrémités, la première couche L1 (10) de type N, une couche L3 (30) de type P, une couche L4 (40) de type N ou P et la couche de sortie L5 (50) de type N sur la couche L4 (40), le potentiel de polarisation positif (Vcs) étant appliqué au contact électrique du collecteur de la couche de sortie L5, le potentiel de référence (VcO) étant appliqué au contact électrique de à la première couche L1 .
3. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charge fixe négative (σ-) dans l'empilement est en outre obtenue par dopage de la couche L3 avec des impuretés de type accepteur.
4. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charge fixe négative est en outre obtenue entre la couche L4 et la première couche L1 en partie par dopage de la couche L3 avec des impuretés de type accepteur et en partie par effet piézoélectrique par le choix de la composition chimique de la couche L1 , ladite couche ayant une composition du type AlxGa-i-xN ou Alxln -XN et les couches L3, L4 et L5 ayant une composition du type AlyGa-i -yN ou Alyln -yN avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.
5. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 entre la première couche L1 et la couche L3 de type P, les couches adjacentes L2 et L3 présentant une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface de ces couches.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la composition du matériau semi-conducteur de la couche L2 est différente de la composition du matériau de la couche L1 de façon qu'une charge piézoélectrique positive (σ+) apparaisse à l'interface entre ces deux couches.
7. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L4 de type N, la charge négative (σ-) étant obtenue entre la couche L4 et la première couche L1 par effet piézoélectrique.
8. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L2 de type P et une couche L4 de type N, avec un dopage inférieur à 5 1 017cm"3 , la charge négative étant induite par effet piézoélectrique à l'interface entre ces dites couches adjacentes par le choix de la composition chimique des couche L1 à L4, lesdites couches auront une composition du type AlxGa-i-xN ou Alxln -XN pour les couches L1 et L2 et du type AlyGa-i-yN ou Alyln -yN pour les couches L3 et L4 avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.
9. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L2 de type N et une couche L4 de type N, la charge négative étant induite par effet piézoélectrique à l'interface entre deux couches.
1 0. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 de type quelconque ayant une épaisseur inférieure à 200nm adjacente à la première couche L1 .
1 1 . Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de sortie L5 de type N est dopée entre 1018cm"3 et 1 020cm"3 et est d'épaisseur t inférieure ou égale à 50nm.
1 2. Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 1 1 , caractérisé en ce que la couche semi-conductrice L4 de type N ou P adjacente à la couche de sortie L5 a un dopage inférieur à 5 1017cm"3 et est d'épaisseur inférieure ou égale à 10Onm.
13. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche semi-conductrice L3 dopée de type P entre quelques
1018cm"3 et quelques 1020cm"3 disposée entre la couche de sortie L5 et la première couche L1 a une épaisseur inférieure à 200nm.
14. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 entre la première couche L1 et la couche L3 de type quelconque ayant une épaisseur inférieure à 200nm adjacente à la couche L1 .
15. Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en la première couche L1 dopée de type N entre quelques 1018cm"3 et quelques 1020cm"3 est d'épaisseur quelconque.
16. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la composition des matériaux semi-conducteurs des couches adjacentes L1 et L4 est choisie de façon à présenter une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface entre ces couches L1 et L4.
17. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les matériaux semi-conducteurs des couches adjacentes L2 et L4 présentent une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface de ces couches.
18. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 5, caractérisé en que les couches L1 et/ou L2 sont choisies parmi les matériaux semiconducteurs :
AlxGa1 -xN, lnxGa1 -xN, Alxln1 -XN ou ( yA -y^Ga^N
19. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches L1 et/ou L2 étant en ln 7AI83N, les autres couches de l'empilement sont en GaN de manière à ce que les paramètres de mailles de ces couches soient identiques.
20. Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 19 , caractérisé en ce que la couche L3 étant dopée entre quelques 1018cm"3 et quelques 1020cm"3 à une épaisseur inférieure à 200nm.
21 . Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'empilage est réalisé à partir d'un substrat choisi parmi les, nitrure de Gallium ou GaN, carbure de silicium ou SiC, silicium ou Si, Sapphire ou Al203.
22. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la prise de contact ohmique émetteur sur la première couche L1 est sur une zone périphérique de la dite couche L1 , pour recevoir le potentiel de polarisation.
23. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la prise de contact ohmique émetteur sur la couche L1 , est disposée en périphérie pour former un contour fermé.
24. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la prise de contact ohmique émetteur sur la première couche L1 comporte deux parties de contact disposées en périphérie et en regard l'une de l'autre.
25. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 24, caractérisé en ce que les deux parties de contact ohmique émetteur sont distantes de 1 à 10μιτι du mésa de collecteur constitué par les couches L2 à L5.
26. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la prise de contact ohmique émetteur est sur la face arrière de la première couche L1 , sur une zone de ladite première couche L1 à l'aplomb de la zone émissive.
27. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la prise de contact électrique collecteur sur la couche de sortie L5 est une prise de contact Schottky disposée sur une zone périphérique de ladite couche L5 de sortie, pour recevoir la tension de polarisation (Vcs).
28. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la prise de contact électrique collecteur sur la couche de sortie L5, est disposée en périphérie pour former un contour fermé.
29. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche de sortie L5 comporte deux prises de contact électrique collecteur disposées en périphérie de ladite couche et en regard l'une de l'autre à une distance comprise entre 1 μιτι et 100μιτι.
30. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première couche L1 et la couche de sortie L5 comportent chacune une multitude de prises de contacts parallèles entre elles et séparés d'une distance comprise entre 1 μιτι et 10Ομιτι.
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