FR2516306A1 - Dispositif semi-conducteur servant a l'emission d'electrons et dispositif muni d'un tel dispositif semi-conducteur - Google Patents

Abstract

UNE SOURCE D'ELECTRONS AVEC UNE STRUCTURE NPN, FORMEE DANS UN CORPS SEMI-CONDUCTEUR 10 PAR UNE PREMIERE REGION DE TYPE P 1, UNE DEUXIEME REGION DE TYPE N 2 ET UNE TROISIEME REGION DE TYPE N 3. DES ELECTRONS 24 SONT ENGENDRES DANS LA STRUCTURE POUR L'EMISSION DANS L'ESPACE LIBRE 20 A PARTIR D'UNE REGION SUPERFICIELLE 4 DU CORPS 10. LA STRUCTURE NPN 2, 1, 3 PRESENTE DES CONNEXIONS D'ELECTRODE 12 ET 13 UNIQUEMENT DESTINEES AUX DEUXIEME ET TROISIEME REGIONS DE TYPE N 2 ET 3. LA PREMIERE REGION 1 CONSTITUE UNE REGION A COUCHE DE BLOCAGE QUI LIMITE LE COURANT D'ELECTRONS DE LA DEUXIEME REGION 2 VERS LA TROISIEME REGION 3 ET CONSTITUE DES REGIONS D'APPAUVRISSEMENT AVEC TANT LA DEUXIEME REGION DE TYPE N QUE LA TROISIEME REGION DE TYPE N 2 ET 3 ET EST APPAUVRIE PAR LA RENCONTRE DE CES REGIONS D'APPAUVRISSEMENT.

Description

"Dispositif semiconducteur sevant à l'émission d'électrons et dispositif

muni d'un tel dispositif semiconducteur " L'invention concerne un dispositif semiconducteur servant à l'émission d'électrons comportant un corps semiconducteur présentant, dans le corps semiconducteur une structure npn formée par une première

région de type p située entre une deuxième région de type N et une troi-

sième région de type n, les électrons pouvant être engendrés dans ladite structure npn et étant émis à partir d'une région superficielle du corps semiconducteur après avoir traversé, à partir de la deuxième région, la

première région et la troisième région De plus, l'invention est relati-

ve à un dispositif comportant un tel dispositif semiconducteur comme par exemple les tubes à rayons cathodiques, les dispositifs de prise de vues, les dispositifs reproducteurs d'image ou les dispositifs pour la

lithographie électronique.

Le brevet britannique No 830 086 décrit une source d'élec-

trons comportant un corps semiconducteur présentant une structure npn formée dans le corps semiconducteur par une première région de type p

entre une deuxième région de type N et une troisième région de type n.

Les électrons sont engendrés dans ladite structure npn afin d'être émis dans l'espace libre à partir d'une région superficielle dans ledit corps, après avoir traversé, à partir de la deuxième région, la première

région et la troisième région Cette structure npn (dont un exemple spé-

cifique est représenté sur la figure 3 de ladite demande de brevet 830 086) offre l'avantage que la source d'électrons peut fonctionner à

un niveau de tension situé au-dessous des niveaux nécessaires pour assu-

rer le claquage par avalanche du semiconducteur Des exemples d'autres sources d'électrons présentant une structure pn simple mais fonctionnant

en claquage par avalanche sont également décrits dans la demande de bre-

vet britannique 830 086.

Chaque région de la structure npn décrite dans la demande de brevet britannique 830 086 comporte une électrode qui est connectée à une source de tension pour le fonctionnement de la structure d'une façon analogue à celle d'un transistor La première jonction pn, qui est formée entre la deuxième région et la première région est polarisée comme jonction d'émetteur dans le sens direct La deuxième jonction pn entre la première région de type p et la troisième région de type N est polarisée comme une jonction de collecteur dans le sens indirect En l'absence d'injection d'éventuels électrons à partir de la première jonction pn, la deuxième jonction pn ne présente qu'un faible courant de saturation Les électrons injectés dans la région de type p diffusent

par l'intermédiaire de la région de type p et sont accéléres à des éner-

gies élevées par la chute de tension dans la deuxième jonction pn Du

fait qu'une troisième région de type N très mince est recouverte de ma-

tériau réducteur de travail de sortie des électrons, quelques électrons

s'échappent vers l'espace libre avant de perdre leur énergie à la gril-

le La grandeur d'une telle émission d'électrons s'établit par variation

de la tension de la source de tension appliquée dans la première jonc-

tion pn entre la deuxième région et la première jonction.

Toutefois, une telle source d'électrons npn comme décrite dans

la demande de brevet britannique 830 086 présente plusieurs désavanta-

ges Les électrons injectés dans la région de type p et les trous injec-

tés dans la deuxième région de type N constituent des porteurs de charge minoritaires qui, par suite d'emmagasinage de charge, provoquent des retards dans la vitesse de commutation du dispositif égaux à ceux se

produisant dans les transistors npn De ce fait, il en résulte une limi-

tation de la vitesse à laquelle la source d'électrons peut être commutée

pour modifier le courant d'électrons émis par le dispositif.

En pratique, seule une petite partie des électrons accéléres sort de la région superficielle (malgré le recouvrement de la troisième région mince) Une partie notablement plus grande d'électrons non émis est évacuée comme courant par la connexion d'électrode de la troisième région Il est désirable de disposer d'une troisième région très mince pour augmenter autant que possible le nombre d'électrons sortant de la région superficielle Dans la demande de brevet britannique 830 086, on obtient une gamme d'épaisseur comprise entre 0,01 et 10 /um Toutefois, afin de pouvoir fonctionner comme structure de transistor npn à commande de base du courant de collecteur, la troisième région de type N du dispositif décrit dans la demande de brevet britannique 830 086 ne peut pas présenter un dopage très élevé comparativement à la première région et à la deuxième région sans détériorer l'effet d'émetteur du transistor Ainsi, en pratique, lorsque l'épaisseur de la troisième

région est notablement inférieure à environ l/um, cette région présen-

te une résistance électrique élevée De ce fait, la vitesse à laquelle la source d'électrons peut être commutée est limitée surtout par la

constante de temps RC, qui est provoquée par cette résistance de collec-

teur élevée et la capacité de jonction correspondante De plus, du fait que la deuxième région de type N doit présenter un dopage élevé pour

assurer un bon effet d'émetteur du transistor, la jonction pn entre cet-

te région et la première région de type p doit présenter une capacité élevée qui doit être chargée par l'intermédiaire de la résistance de base de la structure de transistor, de sorte que la vitesse de réaction

de la source d'électrons est limitée davantage.

Les connexions d'électrode pour chaque région de la structure

npn sont indispensables pour le fonctionnement du dispositif comme dé-

crit dans la demande de brevet britannique N O 830 086 L'exigence de la présence de trois connexions d'électrode séparées rend la structure de

la source d'électrons et sa réalisation fiable compliquée, surtout lors-

qu'il est désirable de réaliser une matrice bidimensionnelle de tels

dispositifs dans un corps semiconducteur commun De telles matrices bi-

dimensionnelles sont désirables pour les dispositifs de prise de vues,

les dispositifs reproducteurs d'image et la lithographie électronique.

De plus, afin de munir la région de type p intermédiaire d'une région de contact suffisamment étendue pour la connexion d'électrode, il est en

général nécessaire que la région de type p s'étende sur une région su-

perficielle suivant la troisième région de type n, mais de ce fait, la région de la jonction pn et la capacité correspondante sont augmentées, de sorte que la vitesse de réaction de la source d'électrons est réduite davantage.

Selon un premier aspect de la présente invention, un disposi-

tif conforme à l'invention est caractérisé en ce que la structure npn

présente des connexions d'électrode pour les deuxième et troisième ré-

gions de type N et que la première région de type p constitue une couche de bloquage susceptible de limiter le courant d'électrons de la deuxième région de type N vers la troisième région de type N jusqu'à ce qu'une

différence de potentiel suffisamnent élevée soit appliquée entre lesdi-

tes connexions afin de polariser la troisième région positivement par rapport à la deuxième région et de provoquer une amenée d'électrons chauds, qui sont injectés à énergie suffisante dans la troisième région de type n, pour dépasser le potentiel de sortie des électrons de ladite région superficielle du corps semiconducteur, et dans ce cas, afin de provoquer ladite amenée d'électrons chauds, la couche de bloquage de type p présente une épaisseur et une concentration de dopage telles que, lors de l'application de ladite différence de potentiel, au moins une partie de la couche de bloquage soit appauvrie sur toute son épaisseur par la réunion de régions d'épuisement correspondant aux jonctions pn entre la première région de type p et les deuxième et troisième régions

de type n.

Un tel dispositif présente une structure simple et fournit une

source d'électrons à vitesse de réaction élevée, ce qui permet une va-

riation rapide du courant d'électrons émis, alors qu'une matrice de tel-

les sources d'électrons peut être réalisée de façon simple dans un corps

semiconducteur commun.

Du fait que la couche de bloquage de type p est entièrement appauvrie par la rencontre de régions d'épuisement, au moins lorsque l'amenée d'électrons chauds est provoquée, la source d'électrons fait

office de dispositif unipolaire présentant des porteurs de charge majo-

ritaires lorsque ceux-ci fonctionnent autour de ces niveaux de tension, de façon à éviter des retards par suite d'emmagasinage des porteurs de charge minoritaires Du fait que la première région épuisée se comporte comme une barrière pour la charge d'espace négative entre les deuxième et troisième régions de type N (au lieu de fonctionner comme région de base de transistor bipolaire), la troisième région de type N peut présenter une concentration de dopage plus élevée que la première région de type p et au moins la partie de la deuxième région de type N située à côté de la première région Cette troisième région peut présenter un dopage très élevé, par exemple au moins 1019 atomes de dopage/cm 3 voire être dégénérée, de sorte que sa résistance électrique peut être très faible Cela importe pour l'évacuation d'électrons injectées dans

la troisième région, mais non émis à partir de la région superficielle.

Le dopage très élevé de la troisième région importe également pour permettre de réduire autant que possible la distance comprise entre les régions superficielles et le point d'émission des électrons chauds dans la troisième région afin de rendre le rendement de la source d'électrons aussi élevé que possible Comparativement, la deuxième région de type n peut présenter un dopage faible, de sorte que la capacité de la jonction entre la première région et la deuxième région est rendue aussi petite que possible La présence d'une connexion d'électrode pour la première région intermédiaire permet également de disposer les première, deuxième et troisième régions dans une structure de couches simple à capacité faible correspondante, de sorte que la vitesse de réaction de la source

d'électrons est améliorée davantage.

Une structure fiable et particulièrement compacte présentant

une capacité faible, s'obtient lorsqu'une couche isolante munie d'ouver-

tures est enfoncée sur au moins une partie de son épaisseur dans le corps afin de former une partie du corps qui est latéralement délimitée

par la couche isolante enfoncée, alors qu'au moins les première, troi-

sième régions sont formées dans ladite partie et délimitées tout autour par la couche isolante enfoncée De telles structures partielles peuvent

également être formées, les unes à côté des autres, dans un corps semi-

conducteur commun, en vue d'obtenir une matrice bidimensionnelle avanta-

geuse de sources d'électrons présentant une configuration particulière-

ment simple d'interconnexions, comme il sera décrit ci-après.

De plus, la barrière de potentiel, formée entre la deuxième région de type N et la troisième de type N peut être établie par choix approprié de la concentration de dopage et de l'épaisseur de la première région intermédiaire de façon que les électrons chauds soient injectés dans la troisième région avec exactement la même énergie pour circuler vers la région superficielle et dépasser le potentiel de sortie des

électrons dans cette région De ce fait, une émission d'électrons effi-

cace peut être atteinte avec une différence de potentiel appliquée ne

dépassant pas notablement le minimum nécessaire pour dépasser le poten-

tiel de sortie, ce qui permet de réduire au minimum la perte en puissan-

ce électrique à la source d'électrons D'une façon générale, pour le

même but, il est désirable de réduire le potentiel de sortie des élec-

trons, par exemple par recouvrement de la région superficielle o sont émis les électrons d'un matériau susceptible de réduire le potentiel de

sortie des électrons.

Selon un deuxième aspect de la présente invention, un disposi-

tif présentant une enveloppe à vide dans laquelle peut être maintenu un vide, et un dispositif semiconducteur conforme à l'invention, est caractérisé en ce que le dispositif semiconducteur se trouve dans

l'enveloppe et peut émettre des électrons dans le vide pendant le fonc-

tionnement du dispositif Un tel dispositif peut être constitué par exemple par un tube à rayons cathodiques, un dispositif de prise de vues, un dispositif reproducteur d'image ou un appareil de lithographie

électronique servant à la réalisation de dispositifs solides miniatures.

La description ci-après, en se référant aus dessins annexés,

le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre com-

ment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 est une section transversale d'une partie d'un

dispositif semiconducteur conforme à l'invention.

La figure 2 représente un diagramme d'énergie à travers un tel

dispositif avec et sans tension de polarisation.

La figure 3 montre une section transversale d'une partie d'un

autre dispositif semiconducteur conforme à l'invention.

La figure 4 montre un tube à rayons cathodiques conforme à

l'invention muni d'une source d'électrons conforme à l'invention.

La figure 5 représente partiellement en section transversale

et partiellement en perspective une partie d'un autre dispositif semi-

conducteur conforme à l'invention, et la figure 6 représente partiellement en section transversale et partiellement en perspective une partie d'un corps du dispositif semiconducteur selon la figure 5, perpendiculairement à la section

transversale et la vue en perspective de la figure 5.

Il y a lieu de noter que toutes les figures sont représentées de façon schématique et non à échelle Les dimensions relatives et les

rapports de quelques parties de ces figures sont représentés sur le des-

sin d'une façon exagérée dans les deux sens D'une façon générale, les

chiffres de référence utilisées dans une forme de réalisation sont éga-

lement utilisées pour les pièces correspondantes ou analogues dans les

autres formes de réalisation.

La figure 1 montre une source d'électrons présentant un corps semiconducteur monocristallin en silicium 10, dans lequel est formée une structure npn par une première région de type p 1 entre une deuxième région 2 de type N et une troisième région 3 de type n Des électrons sont engendrés dans cette structure npn afin d'être émis dans l'espace libre 20 à partir d'une région superficielle 4 du corps 10, après avoir traversé, à partir de la deuxième région 2, les première et

troisième régions 1,3, comme l'indique la figure 1 par les flèches 24.

Conformément à la présente invention, la structure npn 2-1-3 ne présente des connexions d'électrode que pour la deuxième région 2 de type N et la troisième région 3 de type n Ces connexions d'électrode

peuvent être formées par des couches métalliques 12 et 13 qui consti-

tuent des contacts ohmiques avec les régions 2, 3, respectivement Il n'existe pas de connexions d'électrode pour la région intermédiaire de type p 1, qui constitue une barrière limitant le courant d'électrons 24 de la région 2 vers la région 3 jusqu'à ce qu'il se produise, entre les connexions d'électrode 12 et 13, une différence de potentiel telle que la région 3 soit polarisée suffisamment positivement par rapport à la deuxième région et qu'une amenée d'électrons chauds 24 soit provoquée et les électrons injectées à énergie suffisante dans la région 3 afin de

dépasser le potentiel de sortie d'électrons entre la région superficiel-

le 4 et l'espace libre 20 La région à couche de bloquage 1 constitue des jonctions pn tant avec la région 2 de type N qu'avec la région 3 de type N et présente une épaisseur et une concentration de dopage telles qu'elle soit appauvrie par la réunion des régions d'épuisement de ces

jonction pn dans la région 1.

Comme le représente la figure 1, une couche isolante munie d'ouvertures 11 est enfoncée sur une partie de son épaisseur dans le

corps 10 afin de former au moins une partie 9 du corps 10 qui est laté-

ralement délimitée par la couche isolante enfoncée 11 Les régions 1 et 3 sont formées dans la partie 9 et sont délimitées tout autour par la couche isolante 11 De ce fait, on obtient une structure très compacte présentant une faible capacité sur laquelle est appliquée, d'une façon

fiable, la connexion d'électrodes 13 à la surface supérieure de la par-

tie 9 sans être en contact avec la région 1 de type p De plus, la cou-

che métallique constituant la connexion d'électrode 13 peut s'étendre

sur et de façon à dépasser la couche isolante 11 afin de former une ré-

gion de contact agrandie à laquelle peuvent être connectées des conne-

xions externes (par exemple sous forme de fils) La face supérieure de la partie 9 constitue la région superficielle 4 à partir de laquelle

sont émis les électrons 24 Lorsque la couche métallique 13 est suffi-

samment mince, elle peut s'étendre sur la région superficielle 4 Toute-

fois, la région 13 est de préférence plus épaisse et assure le contact entre la région 3 et les bords de la partie 9, comme le représente la

figure 1.

Dans le dispositif selon la figure 1, la région 2 peut être * formée par croissance d'une couche épitaxiale de type N présentant une résistivité élevée sur un substrat 2 a de type N dont la résistivité est faible Le substrat 2 a constitue une connexion à basse valeur ohmique

avec la couche métallique 12 qui peut s'étendre sur toute la face arriè-

re du substrat 2 a Une telle formation du substrat convient notamment à un dispositif ne comportant qu'une seule source d'électrons dans le corps 10 Toutefois, elle convient également au dispositif comportant plusieurs sources d'électrons dans un corps commun 10, présentant une

région commune 2 et une connexion d'électrode commune 12, mais présen-

tant des connexions d'électrode propres séparées 13 pour les sources

d'électrons séparées présentant des régions séparées 1 et 3.

La réalisation du dispositif selon la figure 1 sera décrite

ci-après Une couche en silicium dopée à l'aide de phosphore et présen-

tant une résistivité de par exemple 5 ohm/cm (environ 1015 atomes de phosphore/cm 3) et une épaisseur de 5 um par exemple est formée de façonconnue par croissance épitaxiale sur un substrat en silicium dopé à l'aide de phosphore 2 a présentant une résistivité de 0,05 ohm cm et une épaisseur de 240 Oum par exemple La couche isolante 11 peut être formée localement dans la surface principale de la couche épitaxiale avec application des techniques d'oxydation thermique connues jusqu'à

une profondeur suffisante, par exemple 0,1/um ou une valeur plus éle-

vée, au-dessous de la surface de silicium La profondeur choisie spécia-

le est déterminée par l'épaisseur de la partie 9, qui est nécessaire pour loger de façon fiable les régions 1 et 3 présentant des épaisseurs spéciales Ainsi, les régions 1 et 3 peuvent être formées dans la partie

9 par implantation d'ions Des ions bore dans une dose de par exemple 2.

1014 cme 2 et à énergie de 4,5 ke V, par exemple peuvent être utilisés

pour la formation de la région 1, alors que des ions arsenic sont utili-

sés dans une dose de 5 1014 cm et à énergie de 10 ke V pour la for-

mation de la région de type N 3 Après recuit des régions implantées, les

couches métalliques 13 et 12, qui peuvent être en aluminium, sont appli-

quées pour la formation des connexions d'électrode Ainsi, il est possi-

ble d'obtenir une source d'électrons présentant une durée de réaction d'environ 5 nanosecondes ou une valeur moins élevée, de sorte à

permettre une modulation rapide du courant d'électrons émis, par commu-

tation de la tension appliquée à l'électrode 13 autour d'un niveau d'en-

viron 4 V Cette vitesse de fonctionnement très élevée s'obtient du fait que la région 1 est appauvrie pendant l'amenée d'électrons chauds 24, la structure npn dans la partie 9 présente une capacité correspondante très

basse et la région 3 de type N une concentration de dopage élevée.

La concentration de dopage et l'épaisseur obtenues en fin de compte pour la région 3 de type N sont tributaires de l'espèce spéciale,

de l'énergie et de la dose des ions utilisés et des conditions de re-

cuit Une région 3 présentant une épaisseur évaluée de 0,025 um et une évauéede 120 c-3

concentration de dopage active évaluée de 5 10 cm peut être for-

mée par recuit desdits ions arsenic implantés à concentration de 5.1140 cm 2 et à énergie de 10 ke V à 7000 C dans le vide Le choix d'une si petite épaisseur pour la région 3 permet de réduire la perte en

énergie pour les électrons 24 dans la région 3, ce qui augmente la pro-

babilité que les électrons soient émis à partir de la région superfi-

cielle 4 Les électrons, qui ne sont pas émis à partir de la région su-

perficielle 4, sont évacués par l'intermédiaire de la connexion d'élec-

trode 13 Grâce au choix d'une concentration de dopage si élevée, la région 3 de type N présente, malgré sa faible épaisseur, une résistivité qui est suffisament faible pour obtenir une modulation rapide du courant

d'électrons émis.

La concentration de dopage active et l'épaisseur de la région à couche de bloquage 1 sont également tributaires de l'énergie d'implantation et de la dose d'implantation des ions et des conditions de recuit et peuvent être choisies de façon à établir la hauteur requise de la barrière de potentiel pour les électrons entre les régions 2 et 3 et la couche de bloquage 1 n'est alors appauvrie que dans le cas d'application d'une différence de potentiel d'une grandeur préalablement déterminée Un recuit sous vide effectué après ladite implantation des ions bore avec une concentration de 2 1014 cm 2 et à énergie de 4 5 ke V à 7000 C, permet de donner à la région à couche de bloquage résultante 1 une épaisseur d'environ 0,05 um et une concentration de dopage d'environ 2 1018 cm 3, de façon à obtenir une barrière de potentiel d'environ 4 V pour un courant d'électrons circulant dans la région 2 vers la région 3 La région à couche de blocage résultante n'est pas appauvrie sur une partie de son épaisseur par les régions d'appauvrissement formées sans polarisation des jonctions pn entre la région 1 de type p et les régions 2 et 3 de type n L'application d'une différence de potentiel d'au moins une grandeur minimale préalablement déterminée est nécessaire pour répartir ces régions d'appauvrissement sur toute l'épaisseur de la région 1 La grandeur de la différence de

potentiel nécessaire pour appauvrir entièrement la région 1 par pénétra-

tion de ces régions d'appauvrissement est ainsi déterminée par la con-

centration de dopage et l'épaisseur de la région 1 Jusqu'au moment o

la région 1 est appauvrie sur toute son épaisseur, la partie non appau-

vrie de la région 1 empêche l'injection d'électrons chauds 24 dans la région 3, alors que la tension de polarisation appliquée provoque une augmentation de l'énergie des électrons à injecter Ainsi, dans le cas d'injection, l'énergie des électrons injectés 24 peut être notablement supérieure au potentiel de sortie des électrons, ce qui permet d'obtenir un rendement d'émission élevé dans la région superficielle 4, situation

qui est représentée sur la figure 2.

La ligne a sur la figure 2 représente le diagramme de l'éner-

gie d'électrons et de potentiel d'électrons pour la source d'électrons

se trouvant en équilibre thermique sans tension de polarisation La li-

gne b sur la figure Z représente le diagramme correspondant, une diffé-

rence de potentiel étant appliquée entre les régions 2 et 3 et suffisant tout juste pour assurer l'appauvrissement de toute la région 1 Comme il

ressort d'une comparaison des lignes a et b sur la figure 2, il en ré-

suite que le potentiel de la barrière superficielle entre la région 3 et l'espace libre 2 est décalé vers un niveau plus bas (plus positif) par rapport à la région 2, de sorte que dans le cas d'injection d'électrons en quantité suffisante (ligne b), l'énergie des électrons injectés 24 est augmentée d'un montant correspondant La différence de potentiel nécessaire pour assurer l'appauvrissement complet de la région 1 peut

être par exemple de 4 V, suivant l'épaisseur et la concentration de dopa-

ge de la région 1 Une augmentation de la tension de polarisation appli-

quée jusqu'au dessus de cette valeur minimale permet de réduire la hau-

teur de la barrière entre les régions 2 et 3, de sorte que le courant

d'électrons dans la région 3 est augmenté.

il La hauteur de la barrière entre les régions 2 et 3 peut être choisie de façon que les électrons 24 injectés dans la région de type n 3 présentent exactement l'énergie requise afin de traverser la région 3 et de dépasser le potentiel de sortie d'électrons dans la région 4 Ces potentiels de sortie des électrons se situent entre 4 et 5 e V dans le

cas d'une surface de silicium découverte propre Comme l'indique la fi-

gure 1, la région superficielle 4 peut cependant être recouverte de fa-

çon connue d'une couche très mince 14 en un matériau réducteur du tra-

vail de sortie, par exemple du baryum ou du césium Dans ce cas, le po-

tentiel de sortie des électrons est réduit à environ 2 e V Un tel recou-

vrement de césium 14 est incorporé dans l'exemple spécial de la source

d'électrons selon la figure 1 comme décrite ci-dessus, la région à cou-

che de bloquage 1 étant appauvrie par pénétration ("punch-through")pré-

sente une hauteur de barrière d'environ 4 V Après l'application d'une différence de potentiel d'environ 4 V dans ce dispositif, des électrons chauds 24 sont injectés par la région de barrière 1 et émis avec un bon

rendement à partir de la région superficielle 4 dans l'espace libre 20.

Au lieu d'une structure "pénétration", il est également pos-

sible de réaliser une région de barrière l qui est même appauvrie dans le cas d'une tension de polarisation égale à zéro par la rencontre des régions d'appauvrissement dans la région 1 dans le cas de tension de polarisation zéro Cela peut être atteint dans la structure selon la figure 1 par augmentation de l'épaisseur de la région 1 et de la concentration de dopage de la région voisine 2 De telles couches de bloquage appauvriesdans le cas de tension de polarisation zéro sont déjà connues pour des diodes à porteurs de charge majoritaires, des transistors à électrons chauds et des transistors à trous chauds connus du brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 149 174 auquel il y a lieu de se reférer pour l'information concernant les conditions à satisfaire pour maintenir la région de barrière 1 pratiquement appauvrie dans le cas d'une tension de polarisation zéro et obtenir une certaine hauteur de barrière Dans une réalisation spéciale d'un dispositif conforme à l'invention, une région à couche de bloquage 1, qui est appauvrie sous la tension zéro et qui présente une hauteur de barrière d'environ 3 V, est obtenue par une concentration de dopage de type N de la couche épitaxiale 2, à l'aide de 2 1017 atomes de phosphore/cm 3

et d'une épaisseur de la région 1 de 0,125/uum, alors que la concentra-

tion de dopage de la région 1 est de 2,5 1017 cm 3 Comparativement aux diodes de qualité supérieure décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 149 174, ce choix d'épaisseurs et de concentrations de dopage permet de réduire l'aptitude de la région à couche de bloquage 1

à augmenter l'énergie des électrons 24 injectés dans la région 3.

Comparativement aux sources d'électrons présentant des régions "de pénétration" 1, comme on a décrit à l'aide de la figure 2, une telle source d'électrons présentant une région 1 appauvrie sans tension de

polarisation offre l'avantage que cette région ne contient guère de por-

teurs de charge minoritaires (trous) même si la tension appliquée V est

commutée à un niveau très bas (au moins pratiquement égal à O V) Toute-

fois, de tels niveaux de tension très bas ne sont pas nécessaires pour mettre hors service une source d'électrons conforme à l'invention, du fait que cela peut être atteint par réduction de la tension appliquée

jusque tout juste au-dessous du niveau nécessaire pour provoquer l'émis-

sion des électrons 24, tension qui, comme l'on a décrit ci-dessus, se situe entre 3 et 4 V De plus, la concentration de dopage augmentée de

la couche épitaxiale d'une telle source d'électrons présentant une ré-

gion à couche de bloquage complètement appauvrie 1 se traduit par une augmentation de la capacité de la jonction entre les régions 1 et 2, alors que par suite de l'épaisseur accrue de la région 1, la distance comprise entre la région superficielle 4 et le point d'émission des électrons chauds 24 à l'endroit de la région à couche de bloquage est

augmentée Ainsi, il est en général plus avantageux d'utiliser une ré-

gion à couche de bloquage "de pénétration" (punch-through) 1 qu'une région à couche de bloquage 1 appauvrie sous la tension de polarisation zero.

La configuration selon la figure 1 comportant une couche iso-

lante enfoncée 11 et une partie semiconductrice 9 permet la réalisation

d'une très simple structure de régions npn présentant des capacités cor-

respondantes très faibles Une autre configuration d'une source d'élec-

trons conforme à l'invention est représentée sur la figure 3, o la couche isolante 11 n'est pas enfoncée dans le corps 10 sur la profondeur des régions 1 et 3 et les jonctions pn entre les régions 2 et 1 et les régions 1 et 3 s'étendent jusqu'à la surface à l'aide de régions

annulaires profondes 21, 23 de type de conduction p, N respectivement.

Même lorsque l'amenée d'électrons émis chauds 24 à partir de la région

superficielle 4 est provoquée, la région de type p 21 n'est pas complé-

tement appauvrie sur une partie de son épaisseur entre la région 23 de type N et la couche épitaxiale 2 de type n La région 23 de type N sert de région de contact à l'électrode métallique 13 Les régions 21 et 23 sont formées dans des étapes de dopage séparées avant l'implantation des

régions 1 et 3.

Les structures de dispositif selon les figures 1, 2 ou 3 con-

formes à l'invention peuvent être incorporées comme sources d'électrons

dans de nombreuses espèces d'appareils présentant une enveloppe à vide.

La figure 4 montre un tel appareil à titre d'exemple, notamment un tube a rayons cathodiques Cet appareil conforme à l'invention comporte un tube à vide 33, qui s'évase en forme d'entonnoir et qui présente une

paroi terminale, dont la face intérieure est revêtue d'un écran lumines-

cent 34 Le tube 33 est fermé hermétiquement pour former une enceinte à vide 20 Dans le tube 33 sont disposées des électrodes de focalisation , 26 et des électrodes de déviation 27, 28 Le faisceau d'électrons 24 est engendré dans au moins une source d'électrons conforme à l'invention qui est prévue dans le corps semiconducteur 10 Le corps 10 est appliqué sur un support 29 dans le bottier 33 et des connexions électriques sont formées entre les couches métalliques 12 et 13 et les broches terminales

qui traversent le fond du tube 33 De telles sources d'électrons con-

formes à l'invention peuvent également être incorporées dans des dispo-

sitifs de prise de vues du genre Vidicon Un autre appareil possible est

un tube à mémoire dans lequel est enregistrée une configuration de char-

ges représentant une information sur une cible à l'aide d'un courant d'électrons modulé qui est engendré par la source d'électrons du corps , cette configuration de charge étant ensuite lue par un faisceau d'électrons constant qui est de préférence engendré par la même source d'électrons.

La technologie connue appliquée pour la réalisation des cir-

cuits integrés en silicium, peut également être utilisée pour la réali-

sation d'une source d'électrons conforme à l'invention comme une matrice dans un corps semiconducteur commun Cela est facilité par la structure

npn simple de telles sources ne présentant que des connexions d'électro-

des pour les deux régions 3 et 2 de type n Les figures 5 et 6 montrent un exemple d'une matrice bidimensionnelle de telles sources d'électrons, qui peuvent être commandées chacune séparément afin de régler l'émission d'électrons séparés A une surface principale, le corps 10 du dispositif

selon les figures 5 et 6 présente une matrice bidimensionnelle de par-

* ties isolées 9, qui présentent chacune une structure d'émetteurs d'élec-

trons npn semblable à la structure représentée sur la figure-1 Or, la masse du corps 10 est constituée par du matériau à faible dopage de type p, dans lequel sont réalisées les deuxièmes régions 2 comme des ilots de type n Les sources d'électrons séparées sont réunies dans un système de barres croisées XY Les régions 3 de type N des parties 9 dans chaque direction X de la matrice présentent une connexion d'électrodes commune 13 ( 1), 13 ( 2), etc qui s'étendent dans la direction X pour assurer le contact entre les régions 3 et la surface des parties 9 Les îlots de type n, qui constituent les régions 2, sont sous forme de bandes 2 ( 1), 2 ( 2) , 2 ( 3) etc, qui s'étendent dans la direction Y de la matrice afin

d'interconnecter, dans un ilot commun, les régions 2 de type N des sour-

ces d'électrons séparées dans chaque direction Y Chacune de ces bandes de type N 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc présente une connexion d'électrode

12 (t), 12 ( 2), ( 12 ( 3) etc qui assure le contact de sa bande par l'inter-

médiaire d'une région de contact à dopage élevée, dont l'une 22 ( 2) est représentée sur la figure 6 Ces régions de contact peuvent être formées dans leurs parties séparées propres délimitées par de l'oxyde par le

même traitement de dopage que celui appliqué pour la formation de ré-

gions 3 de type n Ces parties séparées 9 présentant des régions de con-

tact sont protégées par un masque contre le traitement de dopage utilisé

pour la formation des régions 1 de type p Des sources d'électrons sépa-

rées de la matrice XY peuvent être excitées par sélection des connexions

d'électrode 12 ( 1), 12 ( 2) etc et 13 ( 1), 13 ( 2) etc, auxquelles sont ap-

pliquées les tensions de fonctionnement V(Y) et V(X), afin de polariser positivement la région 3 par rapport à la région 2 pour l'émission d'électrons Il est possible d'appliquer divers grandeurs de la tension

de polarisation V(X 1), V(X 2), V(Y 1), V(Y 2) etc aux diverses con-

nexions, de sorte que des courants d'électrons différents 24 peuvent être émis par diverses sources d'électrons de façon qu'une configuration

de courant d'électrons requise soit engendrée par toute la matrice.

Une telle matrice bidimensionnelle est particulièrement effi-

cace lorsqu'elle fait office de source d'électrons dans un dispositif reproducteur pouvant contenir un tube à vide 33 qui est plus plat que celui du tube à rayons cathodiques selon la figure 4 A la place d'une déviation par un seul faisceau d'électrons, comme dans le cas d'un tube à rayons cathodiques, dans un tel dispositif plat peut être formée une image sur un écran luminescent 34 d'un coté du tube, par création de diverses configurations de courants d'électrons à l'aide de la matrice

dans le corps 10 appliquée du côté opposé du tube.

Une telle matrice bidimensionnelle est également efficace pour

la lithographie électronique pendant la réalisation de dispositifs semi-

conducteurs, circuits intégrés et autres dispositifs solides microminia-

tures Dans cette application, la matrice est appliquée comme source

d'électrons dans une chambre d'un appareil d'exposition lithographique.

La chambre communique avec une pompe à vide pour l'établissement d'un vide dans la chambre destinée au processus d'exposition Le corps du dispositif solide à réaliser est introduit dans la chambre et sa surface est munie d'un vernis protecteur sensible aux électrons, qui est ensuite

exposé à une configuration de courant d'électrons provenant d'une matri-

ce de sources d'électrons, par exemple un système de lentilles électro-

niques Ensuite, le corps du dispositif solide est sorti de la chambre et traité ultérieurement de façon connue L'application d'une matrice de

sources d'électrons bidimensionnelles semiconductrices pour des disposi-

tifs reproducteurs d'image et pour la lithographie électronique est déjà décrite dans la demande de brevet britannique 7902455, publiée sous le

numéro 2013398 A, qui est mentionnée en référence.

Pour plus de clarté, les dessins ne montrent pas le revêtement 14 comme présent dans la structure des figures 5 et 6 Un tel revêtement 14 peut cependant être appliqué sur la région superficelle 4 de chacune des parties de sources d'électrons npn du dispositif selon les figures,5

et 6 Bien que les figures 5 et 6 montrent à titre d'exemple des ouver-

tures pratiquement carrées dans les connexions d'électrode 13 à l'en-

droit des régions superficielles d'émetteur 4, elles peuvent également présenter une autre forme, par exemple, une forme circulaire Surtout dans le cas de grandes matrices bidimensionnelles, une région enterrée de type N fortement conductrice (n+) peut être présente le long du

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fond de chaque bande de type N 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc, afin de réduire la

résistance série.

Beaucoup d'autres variantes sont possibles sans sortir du ca-

dre de la présente invention C'est ainsi que, bien que les structures npn 2-1-3 ne doivent présenter des connexions d'électrode que pour les deuxième et troisième régions 2, 3 de type N respectivement (donc pas de connexions d'électrode pour la région intermédiaire 1), le corps 10

d'une source d'électrons conforme à l'invention doit présenter des élec-

trodes additionnelles qui ne sont pas connectées à la structure npn 2-1-3 C'est ainsi qu'une source d'électrons conforme à l'invention peut présenter en outre une électrode accélératrice, qui est isolée de la

surface semiconductrice et qui s'étend autour du bord de la région su-

perficielle 4 dans la troisième région 3 de type n, à partir de laquelle sont émis les électrons chauds 24 Dans ce cas, la troisième région 3 de

type N peut être conectée par sa connexion d'électrode 13 par l'intermé-

diaire d'une région de contact de type N profonde à un endroit assez

éloigné de la région superficielle 4 à partir duquel sont émis les élec-

trons chauds 24 L'application de l'électrode accélératrice isolée pour un autre genre de source d'électrons hors du cadre de l'invention est déjà décrite dans ladite demande de brevet britannique N O 2013398 A, mentionnée en référence Il est également possible que, pour des buts de déviation une telle électrode isolée soit en outre divisée en au moins

deux électrodes isolées séparées prévues autour de la région superfi-

cielle 4.

Outre par un seul corps monocristallin en silicium, le corps semiconducteur 10 d'une source d'électrons conforme à l'invention peut

également être constitué par un autre matériau semiconducteur, par exem-

ple un composé semiconducteur III-V ou en silicium amorphe polycristal-

lin hydrogéné déposé sur un substrat en verre ou un autre matériau ap-

proprié.

Dans les formes de réalisation décrites jusqu'à présent à l'aide des figures 1, 2, 3, 5 et 6, la troisième région 3 de type n constitue la région superficielle 4, d'o les électrons 24 sont émis dans l'espace libre La troisième région 3 de type N située dans une source d'électrons peut cependant être séparée, sans sortir du cadre de

la présente invention, par au moins une autre région présentant une con-

centration de dopage de type p provoquant une crête de potentiel dans le corps afin de former, à côté de la région superficielle 4, un champ

électrique facilitant l'émission des électrons 24 au delà de la limi-

te du corps 10 à l'endroit de la région 4 Des sources d'électrons

présentant des régions de champ électriques contenant de telles con-

centrations de dopage sont dejà décrites dans la demande de brevet britannique 8133502 déposée en même temps que le dépôt de priorité

correspondant à la présente demande de brevet.

18-

Claims (10)

REVENDICATIONS

1 Dispositif semiconducteur servant à l'émission d'électrons,

comportant un corps semiconducteur ( 10) présentant, dans le corps semi-

conducteur, une structure npn formée par une première région ( 1) de type p située entre une deuxième région ( 2) de type N et une troisième région ( 3) de type n, les électrons pouvant être engendrés dans ladite structure npn et étant émis à partir d'une région superficielle ( 4) du

corps semiconducteur après-avoir traversé, à partir de la deuxième ré-

gion, la première région et la troisième région, caractérisé en ce que la structure npn présente des connexions d'électrode ( 12, 13) pour les

deuxième ( 2) et troisième ( 3) régions de type n, et que la première ré-

gion ( 1) de type p constitue une couche de blocage susceptible de limi-

ter le courant d'électrons de la deuxième région ( 2) de type N vers la troisième région ( 3) de type N jusqu'à ce qu'une différence de potentiel suffisamment élevée soit appliquée entre lesdites connexions ( 12, 13) afin de polariser la troisième région ( 3) positivement par rapport à la deuxième région ( 2) et de provoquer une amenée d'électrons chaudsqui sont injectés à énergie suffisante dans la troisième région ( 3) de type n pour dépasser le potentiel de sortie des électrons de ladite région

superficielle ( 4) du corps semiconducteur, et dans ce cas, afin de pro-

voquer ladite amenée d'électrons chauds, la couche de bloquage ( 1) de type p présente une épaisseur et une concentration de dopage telles que, lors de l'application de ladite différence de potentiel, au moins

une partie de la couche de bloquage soit appauvrie sur toute son épais-

seur par la réunion de régions d'épuisement correspondant aux jonctions

pn entre la première région ( 1) de type p et les deuxième ( 2) et troi-

sième ( 3) régions de type n -

2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que ladite troisième région ( 3) de type N présente une con-

centration de dopage déterminant le type de conduction supérieure à

celle de la première région ( 1) de type p et à celle d'au moins là par-

tie de la deuxième région ( 2) de type N située à côté de la première région.

3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, ca-

ractérisé en ce qu'au moins la partie de la deuxième région ( 2) de type N située à côté de la première région présente une concentration de dopage déterminant le type de conduction qui est inférieure à celle

de la première région ( 1).

4 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce qu'une couche isolante ( 11) munie d'ouvertures est enfoncée sur au moins une partie de son épaisseur dans

ledit corps ( 10) et au moins une partie du corps est délimité latérale-

ment par la couche isolante ( 11) enfoncée, la première région ( 1) et la troisième région ( 3) étant formées dans ladite partie et délimitées tout

autour par la couche isolante ( 11) enfoncée.

Dispositif semiconducteur selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que la face supérieure de la partie ( 9) délimitée par la cou-

che isolante ( 11) enfoncée constitue ladite région superficielle ( 4) à

partir de laquelle sont émis les électrons et qu'une connexion ( 13) d'é-

lectrode assure le contact entre ladite troisième région ( 3) de type n et ladite face supérieure de La partie mésa et s'étend jusque sur ladite

couche isolante ( 11) enfoncée.

6 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une surface princi-

pale dudit corps présente une matrice bidimensionnelle desdites struc-

tures npn, que les troisièmes régions ( 3) de type N présentent une con-

nexion d'électrode ( 13) commune dans une direction de la matrice s'éten-

dant dans ladite direction et que les deuxièmes régions ( 2) de type n constituent une bande de type N commune dans une direction transversale

de la matrice et s'étendent dans ladite direction transversale.

7 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce que ladite couche de blocage ( 1) n'est pas appauvrie sans tension de polarisàtioni sururie partie dessin épaisseur par les régions d'appauvrissement des jonctions pn entre la

région à couche de blocage ( 1) et les deuxième ( 2) et troisième ( 3) ré-

gions de type n, l'application d'une différence de potentiel d'au moins une grandeur minimale préalablement déterminée entre lesdites connexions ( 12, 13) d'électrode étant nécessaire pour répartir lesdites régions d'appauvrissement sur toute l'épaisseur de ladite région à couche de blocage ( 1) et provoquer ainsi ladite amenée d'électrons chauds à une énergie suffisante pour dépasser le potentiel de sortie des électrons

de ladite région superficielle ( 4).

8 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur et la concentration

de dopage de la région à couche de blocage ( 1) sont telles que les cou-

ches d'appauvrissement formées sous la tension de polarisation zéro

avec tant ladite deuxième région ( 2) de type N que ladite troisième ré-

gion ( 3) de type N sont au moins en contact dans ladite région à couche

de blocage ( 1).

9 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce que ladite région superficielle ( 4) du corps est revêtue de matériau ( 14) réducteur du travail de sortie

des électrons.

10 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce que suivant au moins une partie

de la périphérie de la troisième partie ( 3) de type n, le corps semicon-

ducteur ( 10) est muni d'au moins une électrode isolée électriquement

par rapport au corps semiconducteur.

11 Dispositif comportant une enveloppe à vide ( 35) dans laquelle peut être appliquée un vide et un dispositif semiconducteur selon l'une

des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif se-

irdconducteur se trouve dans l'enveloppe et peut émettre des électrons

dans le vide pendant le fonctionnement du dispositif.