FR2516307A1 - Dispositif semiconducteur pour l'emission d'electrons et dispositif muni d'un tel dispositif semiconducteur - Google Patents

Abstract

UNE SOURCE D'ELECTRONS COMPORTE UN CORPS CONSTITUE PAR DU SILICIUM PRESENTANT UNE PREMIERE REGION DE TYPE N(3) SEPAREE PAR UNE BARRIERE D'UNE DEUXIEME REGION DE TYPEN OU DE TYPEP(2). LA BARRIERE PEUT ETRE UNE JONCTION PN ENTRE LA REGION DE TYPEP(1). DES CONNEXIONS D'ELECTRODE POUR LES PREMIERE ET DEUXIEME REGIONS (3 ET 2) PERMETTENT D'APPLIQUER UNE DIFFERENCE DE POTENTIEL AFIN DE POLARISER POSITIVEMENT LA REGION(3) PAR RAPPORT A LA DEUXIEME REGION(2) ET DE PROVOQUER AINSI UNE AMENEE D'ELECTRONS CHAUDS(24), QUI SONT EMIS DANS L'ESPACE LIBRE(20) A PARTIR D'UNE ZONE SUPERFICIELLE(4), UNE REGION SUPERFICIELLE(5), QUI PEUT ETRE EPUISEE MEME SOUS LA TENSION DE POLARISATION ZERO, CONFINE A LA ZONE SUPERFICIELLE(4) ET COMPORTE UNE CONCENTRATION DE DOPAGE DE TYPEP, QUI SERT A FORMER UN MAXIMUM DE POTENTIEL A QUELQUE DISTANCE DE LA ZONE SUPERFICIELLE(4) POUR ENGENDRER UN CHAMP D'ACCELERATION VOISIN(15) SUSCEPTIBLE D'ACCELERER LES ELECTRONS (24).

Description

"Dispositif semiconducteur pour l'émission d'électrons et dispositif muni

d'un tel dispositif semiconducteur" L'invention concerne un dispositif semiconducteur pour l'émission d'électrons, muni d'un corps semiconducteur présentant

une première région de type N et une deuxième région du corps, sé-

parées par une barrière munie d'une jonction pn et prévue entre les première et deuxième régions, ainsi que de connexions d'électrode

pour les première et deuxième régions afin d'appliquer une différen-

ce de potentiel dans la barrière, pour polariser la première région positivement par rapport à la deuxième région et provoquer ainsi une amenée d'électrons chauds qui sont injectés à partir de la deuxième région par l'intermédiaire de la barrière dans la première région et qui sont émis à partir d'une zone superficielle du corps De plus,

l'invention est relative à un dispositif comportant un tel disposi-

tif semiconducteur.

Un tel dispositif semiconducteur est appliqué comme sour-

ce d'électrons pour des tubes à rayons cathodiques, des dispositifs de prise de vues, des dispositifs reproducteurs d'image ou pour la

lithographie électronique.

Le brevet britannique No 830 086 décrit un dispositif semiconducteur du genre mentionné ci-dessus Dans les réalisations

principales décrites dans le brevet brittanique N O 830 086, la deu-

xième région présente le type de conduction p et la barrière est

constituée par une seule jonction pn entre la deuxième région de ty-

pe p et la première région de type n Cette jonction pn simple est

polarisée dans le sens de blocage jusqu'à claquage par effet d'ava-

lanche par application d'une différence de potentiel suffisamment

élevée entre les connexions d'électrode des première et deuxième ré-

gions Dans tous les cas décrits, la zone superficielle du corps à partir de laquelle sont émis les électrons chauds est une surface de la première région de type n Cette région superficielle de type N est recouverte de matériau réducteur du potentiel de sortie des électrons Malgré ce recouvrement, la région superficielle de type n présente une affinité électronique effective très élevée et en pratique, on a constaté que malgré le fait qu'une énergie cinétique élevée s'obtient en claquage par avalanche, seul un très faible pourcentage (le plus souvent inférieur à 1 %) des électrons peut être

émis dans l'espace libre La majeure partie des électrons chauds in-

jectés dans la première région de type N subit une réflexion quan-

tique mécanique à la limite du corps, qui coïncide avec la zone su-

perficielle. La présente invention est basée sur l'idée de l'inventeur

que le risque de réflexion des électrons chauds à partir de la zo-

ne superficielle du corps semiconducteur vers la première région de type N peut être réduit par formation, dans ledit corps à côté de

cette zone superficielle, d'un champ électrique intense pour accé-

lérer les électrons chauds dans la direction de ladite zone super-

ficielle, et que l'application d'une concentration de dopage de ty-

pe p dans une zone superficielle très mince permet d'appliquer ce

champ dans le dispositif semiconducteur de façon à augmenter 1 'é-

mission des électrons chauds à partir de la zone superficielle sans perturber les mécanismes servant à l'injection d'électrons chauds dans la première région de type N et sans augmenter notablement la

dispersion d'électrons chauds sur le trajet vers la zone superfi-

cielle. Un dispositif semiconducteur conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'à l'endroit de la zone superficielle à partir de laquelle sont émis les électrons chauds, le corps comporte une

région superficielle de type p afin de former un maximum de poten-

tiel entre la première région de type N et ladite zone superficiel-

le à quelque distance de ladite zone superficielle, de façon qu'un

champ d'accélération se forme dans le corps semiconducteur et assu-

re l'accélération des électrons dans la direction de ladite zone

superficielle.

Dans un tel dispositif semiconducteur, les électrons chauds injectés dans la première région de type N ont des chances de dépasser le maximum de potentiel de la région superficielle de type p sans réflexion quantique mécanique intense, du fait que ce

maximum se situe dans le corps, parce qu'il est situé à quelque dis-

tance du bord du corps correspondant à la zone superficielle Après avoir dépassé ce maximum, les électrons chauds subissent l'effet accélérateur du champ d'accélération dans la direction de la zone superficielle Bien que après avoir traversé la première région de

type n, les électrons chauds puissent présenter une large disper-

sion d'impulsions par suite de la dispersion dans la première ré-

gion, ce champ d'accélération augmente ainsi l'énergie et la com-

posante moyen ne de l'impulsion dans la direction perpendiculaire

à la surface De ce fait, le risque de réflexions quantiques méca-

niques au bord du corps à l'endroit de la zone superficielle est

réduit et l'émission de ces électrons facilitée L'invention four-

nit ainsi une augmentation du rendement de l'émission des électrons

chauds à partir de la zone superficielle sans en perturber le mé-

canisme pour la première région et la deuxième région pour l'injec-

tion des électrons chauds dans la première région de type n Par l'optimalisation des épaisseurs et des concentrations de dopage des diverses régions et l'activation de la surface au moyen d'un matériau, comme le césium, pour réduire le potentiel de sortie des

électrons, les sources d'électrons présentant de tels champs d'ac-

célération peuvent présenter, dans une région superficielle, des rendements d'émission élevés, tels que plus de 1 % des électrons chauds injectés dans la première région de type N peuvent être émis

à partir de la zone superficielle.

Il existe des sources d'électrons présentant une jonction pn, qui est formée dans un corps semiconducteur de type N par une région de type p confinant à la surface et qui fonctionne sous une

tension de polarisation en sens direct par application d'une dif-

férence de potentiel entre les connexions d'électrodes pour la ré-

gion de type p et la partie de type N du corps De telles sources

d'électrons connues sont décrites entre autres dans le brevet bri-

tannique No 1 147 883 Les électrons sont injectés à partir de la partie de type N du corps au trames d'une jonction pn polarisée en sens direct dans la région de type p, présentant une épaisseur, qui

est inférieure à la longueur de recombinaison de diffusion des éle-

ctrons dans le matériau de type p, alors que cette région est recou-

verte d'un matériau réducteur du potentiel de sortie des électrons.

Ces électrons diffusent à travers la région de type p et quelques-

uns sortent de la zone superficielle recouverte de cette région vers l'extérieur. De telles sources d'électrons présentant une jonction pn polarisée en sens direct sont connues sous la dénomination "cathode à affinité électronique négative", du fait qu'un choix approprié de

la combinaison du matériau de recouvrement et du matériau semicon-

ducteur permet de supprimer efficacement l'affinité électronique de la région de type p Toutefois, en vue d'obtenir une augmentation notable de l'affinité électronique, le matériau semiconducteur doit présenter en pratique un plus grand écartement de bande que celui du

silicium Ainsi, on applique pour ces sources d'électrons de l'arsé-

niure de gallium, du phosphore de gallium et autres matériaux à plus grand écartement de bande Les électrons injectés ne présentent qul une faible énergie cinétique et le courant d'émission est limité par la recombinaison de porteurs se produisant dans la région de type p.

La réduction maximale de l'épaisseur de la région de type p pour ré-

duire les effets de recombinaison est compliquée par la nécessité d'appliquer un bon trajet de courant dans la région de type p et une

connexion d'électrodes séparée pour des buts de polarisation Un do-

page très élevé pour la région de type p est indésirable pour limi-

ter les effets de recombinaison dans la région de type p au minimum et pour maintenir un rendement d'injection élevé à l'endroit de la

jonction pn polarisée en sens direct Toutefois, les électrons in-

jectés constituent des porteurs de charge minoritaires dans la ré-

gion de type p, de sorte que la vitesse de commutation de ces sour-

ces d'électrons est faible par suite de l'emmagasinage de porteurs

de charge minoritaires De plus, le revêtement du matériau réduc-

teur du travail de sortie des électrons se perd lentement pendant le fonctionnement de la source d'électrons, ce qui limite la durée de

vie de la source.

Contrairement à ces sources connues présentant une affi-

nité électronique négative, la présente invention fournit une sour-

ce d'électrons dans laquelle des électrons chauds se déplaçant vers

la surface sont engendrés à énergie cinétique élevée par polarisa-

tion de la barrière entre la première région et la deuxième région en sens opposé, cas dans lequel un bon rendement d'émission peut

s'obtenir pour cette source, même en présence d'une barrière super-

ficielle et dans le cas d'utilisation de silicium comme matériau se-

miconducteur Par rapport à la perte d'énergie les électrons chauds présentent une longueur caractéristique qui dépasse notablement leur longueur de trajet libre moyenne dans le matériau semiconducteur et peuvent donc traverser pratiquement sans pertes la première région de type p et la région superficielle d'une épaisseur de l'ordre de grandeur de la longueur de trajet libre moyenne La concentration

de dopage de type p dans la région superficielle fournit une répar-

tition de champ avantageuse qui facilite l'émission à partir de la

zone superficielle de la façon décrite ci-dessus et cette région su-

perficielle d'une source d'électrons conforme à l'invention ne re-

quiert pas de connexions d'électrode séparées, alors qu'elle peut être si mince qu'elle est épuisée sur toute son épaisseur, ou moins lors du fonctionnement de la source d'électrons Ainsi, les sources

d'électrons conformes à l'invention peuvent présenter des effets né-

gligeables par rapport à l'emmagasinage de porteurs de charge mino-

ritaires et présenter ainsi une vitesse de commutation élevée.

Dans les sources d'électrons conformes à l'invention, l'é-

paisseur de la région superficielle se situe de préférence dans l'or dre de grandeur de la longueur du trajet libre moyen des électrons afin d'augmenter autant que possible l'effet du champ superficiel pendant l'accélération des électrons chauds dans la direction de la

zone superficielle C'est ainsi que l'épaisseur de la région super-

ficielle sera au maximum de 10 nm Une telle région superficielle

mince peut être appauvrie sur toute son épaisseur par la couche d'é-

puisement, qui est formée par ladite première région de type n, même dans le cas d'une tension de polarisation égale à zéro Ainsi, on obtient un champ d'accélération très élevé et la source d'électrons

peut présenter également une vitesse de commutation très élevée.

Lorsque la première région de type N présente un maximum

de la concentration de dopage situé à quelque distance de la surfa-

ce, par exemple par implantation d'ions de dopage de type n, la con-

centration de dopage de type p peut être appliquée entre la surface et le maximum de concentration de dopage de la première région de

type N sans compliquer le processus de réalisation ou la configura-

tion de la première région et de la deuxième région engendrant les électrons chauds De plus, la région superficielle ne requiert pas de connexions d'électrodes séparées, de sorte que l'application de cette région superficielle de type p ne complique pas nécessairement

la configuration des connexions d'électrodes Cela est particulière-

ment avantageux lorsqu'une matrice de sources d'électrons est formée

dans le m&me corps semiconducteur C'est ainsi que la structure for-

mée par la région superficielle et la première région et la deuxième

région ne doivent présenter que deux connexions d'électrodes, notam-

ment une pour ladite première région et l'autre pour ladite deuxième région De plus, la connexion d'électrodes pour la première région

de type N peut être en contact également avec une partie de la ré-

gion superficielle Un tel contact avec ladite région superficielle

peut s'obtenir lorsque la connexion d'électrode pour la première ré-

gion de type N est utilisée comme masque pendant l'application de la concentration de dopage de type p Cela est avantageux, entre autres

pour une réalisation simple de la structure.

Les électrons chauds peuvent être engendrés dans le corps par claquage par avalanche ou par émission de champ C'est ainsi que

ladite deuxième région peut être de type de conduction p et la bar-

rière entre la première région et la deuxième région peut être for-

mée par la jonction pn que forme la deuxième région de type p avec

la première région de type n.

Conformément à l'invention, la concentration de dopage de

type p engendrant le champ d'accélération peut également être appli-

quée dans une source d'électrons susceptible d'engendrer des élec-

trons chauds dans le cas d'une tension de fonctionnement située au dessous du niveau critique nécessaire pour provoquer le claquage par

avalanche, conme décrit par exemple dans la demande de brevet bri-

tannique N O 81 33 501 déposée en même temps que le dépôt de priorité correspondant à la présente demande C'est ainsi que ladite deuxième

région peut être de type de conduction N et être séparée de la pre-

mière région du type N par une région à couche de blocage du type p, qui forme des jonctions pn, tant avec la première région de type n

qu'avec la deuxième région de type n.

Selon un deuxième aspect de l'invention, un dispositif 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'en veloppe et peut émettre des électrons dans le vide, lors du fonctionnement du dispositif Un tel dispositif peut être constitué par un tube à rayons cathodiques, un dispositif de prise de vues,

un dis positif reproducteur d'images ou un dispositif de lithogra-

phie électronique pour la réalisation des dispositifs solides mi-

crominiatures Suivant le genre d'appareil, le corps semiconducteur

peut contenir une seule source d'électrons ou une matrice de sour-

ces d'électrons.

La description ci-après, en se référant aux dessins an-

nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien

comprendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 montre en section transversale une partie

d'un dispositif semiconducteur conforme à l'invention.

La figure 2 représente un diagramme d'énergie à travers

un tel dispositif semiconducteur.

La figure 3 montre en section transversale une partie d'un autre dispositif semiconducteur conforme à l'invention et

La figure 4 représente un tube à rayons cathodiques con-

tenant un dispositif semiconducteur conforme à l'invention.

Il a y lieu de noter que toutes les figures sont repré-

sentées de façon schématique et non à échelle Les dimensions et

rapports relatifs de quelques parties de ces figures sont représen-

tés d'une façon exagérée dans les deux sens pour la clarté et la simplicité des dessins Les mêmes chiffres de référence utilisés dans un certain exemple de réalisation sont en général également utilisés pour désigner des pièces correspondantes ou analogues des

autres exemples de réalisation.

Le dispositif semiconducteur selon la figure 1 comporte un corps semiconducteur 10 en silicium monocristallin présentant

une première région de type N 3 qui est séparée d'une deuxième ré-

gion 2 du corps 10 par une barrière 1 présentant deux jonctions pn qui se situent entre la région de type p 1 et les première et deuxième régions 2, 3 respectivement Dans le présent exemple, la barrière est donc constituée par une région à couche de blocage 1 présentant une concentration de dopage de type p qui constitue les

deux jonctions pn avec les régions de type N 2, 3 respectivement.

La source d'électrons présente des connexions d'électrode 12 et 13 pour les régions 2, 3 respectivement Ces connexions 12 et 13, qui peuvent être constituées par des couches métalliques constituant des contacts ohmiques avec les régions 2 et 3, servent à appliquer une différence de potentiel dans la région à couche de blocage 1, afin de polariser la région 3 positivement par rapport à la région 2 et de provoquer ainsi une amenée d'électrons chauds 24, qui sont injectés à partir de la région 2 par l'intermédiaire de la région à couche de blocage 1 dans la région 3 et qui sont émis à partir

d'une zone superficielle 4 du corps 10.

Dans la source d'électrons selon la figure 1, la région à

couche de blocage du type p forme des jonctions pn avec tant la ré-

gion de type N qu'avec la région 3 de type N et présente une épais-

seur et une concentration de dopage telles qu'elle est appauvrie par la rencontre des régions d'épuisement dans la région à couche de blocage 1, au moins dans le cas d'application de la différence de potentiel V afin de provoquer l'amenée d'électrons chauds 24 à énergie suffisante de façon à dépasser le potentiel de sortie des

électrons entre la zone superficielle 4 et l'espace libre 20 Toute-

fois, la région 1 peut être appauvrie par le rencontre des régions

d'épuisement sous la tension de polarisation zéro Les sources d'é-

lectrons présentant de telles régions à couche de blocage épuisées 1 sont décrites dans ladite demande de brevet britannique N' 81 33 501 déposée en même temps que le dépôt de priorité correspondant à la présente demande, à laquelle il y a lieu de se référer pour de plus

amples informations.

Conformément à l'invention, le corps 10 de la source d'é-

lectrons selon la figure 1 comporte une région superficielle 5, qui confine à la zone superficielle 4 à partir de laquelle les électrons chauds 24 sont émis et qui contient une concentration de dopage de type p pour la formation, entre la première région 3 de type N et la zone superficielle 4, d'un maximum de potentiel qui, comme il a été représenté sur la figure 2, se situe à quelque distance, dans le corps semiconducteur, de la zone superficielle 4, de façon à former un champ d'accélération 15 assurant l'accélération des électrons 24 dans la direction de ladite zone superficielle 4 Ainsi, on obtient

une répartition de champ avantageuse à l'endroit de la zone superfi-

cielle 4 facilitant l'émission des électrons chauds dans l'espace

libre 20.

Dans le dispositif selon la figure 1, la région superfi-

cielle 5 se trouve près d'une ouverture ménagée dans la couche d'é-

lectrode 13 présentant une configuration annulaire Cette couche d'électrode 13 (qui constitue une connexion avec la région 3) peut

également être en contact avec la région superficielle 5, par exem-

ple autour de toute la périphérie de la jonction entre les régions 3 et 5 La zone superficielle 4 de la région 5 est recouverte d'une couche très mince 14 en un matériau réducteur du travail de sortie,

par exemple du césium Dans le cas d'une surface de silicium décou-

verte propre, la barrière superficielle se situe entre 4 et 5 e V, mais cette valeur est réduite jusqu'à environ 2 e V par application

connue du recouvrement 14.

La figure 1 présente une structure spéciale compacte pré-

sentant une faible capacité pour la source d'électrons Une couche isolante 11, qui est munie d'ouvertures, est enfoncée sur au moins une partie de son épaisseur dans le corps 10 afin de former au moins

une partie 9 du corps 10, qui est latéralement délimitée par la cou-

che isolante enfoncée 11 Les régions 1 et 3 sont formées dans la

partie 9 et sont délimitées tout autour par la couche isolante 11.

La connexion d'électrode 13 peut être appliquée de façon fiable à la

surface supérieure de la partie 9 sans être en contact avec la ré-

gion de barrière 1, bien que cette connexion puisse être en contact avec la région superficielle 5 Cette connexion d'électrode 13 peut s'étendre jusqu'à et sur la couche isolante 11 afin de former une région de contact agrandie, à laquelle peuvent être connectées des

connexions externes (par exemple sous forme de fils) La face supé-

rieure de la partie 9 constitue les zones superficielles 4 à partir

de laquelle sont émis les électrons 24.

Dans la source d'électrons selon la figure 1, la région 2 peut être formée par croissance d'une couche épitaxiale de type n

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à résistivité élevée sur un substrat 2 a présentant une résistivité

faible Le substrat 2 a constitue une connexion à basse valeur ohmi-

que avec la couche métallique 12 qui peut s'étendre sur toute la fa-

ce arrière du substrat 2 a Un tel substrat convient particulièrement à un dispositif ne présentant qu'une seule source d'électrons dans

le corps 10 Toutefois, il peut également être appliqué aux disposi-

tifs munis de plusieurs sources d'électrons dans un corps commun 10

présentant une région commune 2 et une connexion d'électrode commu-

nes 12 mais des connexions d'électrode propres séparées 13 pour les

sources d'électrons séparés avec les régions séparées 1 et 3.

La réalisation du dispositif semiconducteur selon la fi-

gure 1 sera décrite ci-après Une couche en silicium dopée à l'aide de phosphore et présentant une résistivité de 5 ohms cm par exemple (environ 1015 atomes de phosphore/cm 3) et une épaisseur de 5 um par exemple, est formée par croissance épitaxiale connue sur un substrat

en silicium 2 a dopé à l'aide de phosphore et présentant une résisti-

vité de 0,05 ohm cm par exemple et une épaisseur de 240/um par exem-

ple La couche isolante 11 peut être formée dans la surface princi-

pale de la couche épitaxiale à l'aide de techniques d'oxydation ther-

mique connues jusqu'à une profondeur suffisante d'au moins 0,1/um

au-dessous de la surface du silicium La profondeur choisie spécia-

le est déterminée par la hauteur de la partie 9, qui est nécessai-

re pour incorporer de façon fiable des régions 1, 3 et 5 présentant des épaisseurs spéciales Les régions 1, 3 et 5 peuvent être formées

dans la partie 9 par implantation d'ions Des ions bore avec une do-

se de 2 1014 cm 2 par exemple et à énergie de 4,5 ke V, par exemple sont utilisés pour la formation de la région 1 Des ions arsenic

avec une dose de 5 1014 cm 2 par exemple et à énergie de 10 ke V peu-

vent être implantés pour la formation de la région 3 de type n Une implantation localisée d'ions bore avec une dose de 7,5 1013 cm 2 par exemple et à énergie de 0,8 ke V par exemple est utilisée pour la

formation de la région superficielle 5 de type p Cette deuxième im-

plantation de bore peut être localisée par application de la couche

d'électrode 13 qui fait office de masque d'implantation A cet ef-

fet, la couche d'électrode 13 peut être constituée par du silicium polycristallin de type N par exemple Après le recuit des régions implantées à environ 7000 C sous vide, la couche-métallique 12, qui

peut être en aluminuim, est appliquée pour la formation de la con-

nexion d'électrode pour le substrat 2 a, alors que la zone superfi-

cielle 4 est munie de façon connue du recouvrement 14.

Les caractéristiques obtenues pour la source d'électrons

sont tributaires de la concentration de dopage et de l'épaisseur ob-

tenues en fin de compte pour chacune des régions 1, 3 et 5 et ces dernières sont tributaires, à leur tour, des étapes d'implantation et des conditions de recuit Dans une source d'électrons réalisée de la façon décrite ci-dessus, la région 3 présente une profondeur évaluée de 25 nnm et une concentration de dopage de 5 1020 cm& 3, le

maximum étant situé à une distance d'environ 12 nm de la surface 4.

Dans le cas d'une si faible épaisseur de la région 3, la perte en

énergie pour les électrons 25 reste faible dans la région 3, de sor-

te que les chances d'émission des électrons à partir de la zone su-

perficielle 4 sont augmentées Les électrons qui ne peuvent pas être

émis à partir de la zone superficielle 4 sont évacués par l'intermé-

diaire de la connexion d'électrodes 13 Dans le cas d'une concentra-

tion de dopage si élevée, la région 3 de type N présente, malgré sa faible épaisseur, une résistivité qui est suffisamment basse pour

une modulation rapide du courant d'électrons émis La région de bar-

rière 1 présente une épaisseur évaluée d'environ 50 nm et une con-

centration de dopage d'environ 2 1018 cm 73, ce qui se traduit par une barrière de potentiel d'environ 4 V pour le courant d'électrons circulant de la région 2 vers la région 3 La région de barrière ainsi obtenue 1 n'est pas appauvrie sur une partie de son épaisseur par les régions d'épuisement, qui sont formées avec les régions 2, 3 de type N sous la tension de polarisation zéro L'application d'une

différence de potentiel d'au moins une grandeur minimale préalable-

ment déterminée est nécessaire pour étaler ces régions d'épuisement

* sur toute l'épaisseur de la région 1 La surface superficielle 5 pré-

sente une épaisseur d'environ 7, 5 nm et une concentration de dopage de 5 1019, ce qui se traduit par un maximum de potentiel de 0,7

ke V, qui se situe à une distance d'environ 5 nm de la surface de si-

6 -1 licium 4 et se traduit par un champ électrique moyen de 2 10 cm 1 La région superficielle ainsi obtenue 5 est pratiquement appauvrie,

même sous la tension de polarisation zéro Une telle source d'élec-

trons peut fonctionner sous une tension d'environ 4 V.

La figure 2 représente un diagramme d'énergie et de poten-

tiel schématique de la source d'électrons dans l'espace libre, la

tension de polarisation étant appliquée entre les connexions d'élec-

trode 12 et 13 et la source d'électrons étant polarisée comme cathode dans une enveloppe à vide Comme le représente le dessin, la région

de barrière 1 est appauvrie par les régions d'épuisement correspon-

dant aux jonctions pn 2 et 3 avec les régions de type n Le recou- vrement mince 14 sur la région superficielle 4 est représenté comme une

couche bipolaire superficielle, qui réduit le travail de sortie

des électrons La concentration de dopage de type p de la région su-

perficielle 4 fournit la configuration de champ électrique avantageu-

se, à c 8 té de la zone superficielle 4, comme le représente la figure 2 La région superficielle 5 provoque au maximum le potentiel qui se

situe à quelque distance de la zone superficielle 4 et peut être dé-

passé sans beaucoup de réflexions par les électrons chauds, du fait que ce maximum se situe dans le corps et ne coîncide pas avec un bord dudit corps Après avoir dépassé le maximum, les électrons chauds 24

subissent le champ d'accélération 15 dans la direction de la zone su-

perficielle 4, du sorte que leur émission à cette interface du corps

et de l'espace sous vide 20 est augmentée.

Une telle région superficielle 5 conforme à l'invention

peut être incorporée dans de nombreuses structures de sources d'élec-

trons chauds et dans divers genres de sources d'électrons, utilisant un mécanisme d'injection différent C'est ainsi qu'une telle région

superficielle peut être incorporée dans une forme différant du gen-

re de source d'électrons selon les figures 1 et 2, la couche isolan-

te 11 n'étant pas enfoncée dans le corps 10 sur la profondeur des

régions 1, 3 et 5 mais, par contre, les jonctions pn entre les ré-

gions 2 et 1 et entre les régions 1 et 3 sont portées à la surface

supérieure du corps 10 à l'aide d'une région limite annulaire profon-

de de type p, qui n'est pas complètement épuisée pendant le fonction-

nement de la source Dans ce cas, la région 3 de type N peut être connectée par l'intermédiaire d'une région limite annulaire profonde de type n, qui se situe dans la région limite p Une telle variante utilise le même mécanisme d'injection à partir d'une région 2 de type N sur une région de barrière de type p 1 dans les régions 3 et 5. La figure 3 montre un autre genre de sources d'électrons

chauds comme une autre forme de réalisation de la présente inven-

tion Dans ce cas, la concentration de dopage de type p constituant la région superficielle épuisée 5, est appliquée dans une première

région 3 de type n, qui est séparée d'une deuxième région 2 de ty-

pe p par une barrière formée par une jonction pn 21 Le substrat est constitué par du silicium de type p à dopage élevé, sur lequel est formée par croissance une couche épitaxiale 2 du silicium de

type p, dans laquelle sont formées la région de type N 3 et la ré-

gion superficielle 5, par exemple par implantation d'ions Avant la formation des régions 3 et 5, une région de type N profonde 23 est formée dans la couche épitaxiale, par exemple par diffusion

d'un matériau de dopage La région de type N 23 est une région li-

mite annulaire amenant la jonction pn 21 (entre les régions 2 et 3) à la face supérieure du corps 10 et constituant une région de contact pour la connexion d'électrode 13 La partie centrale de la jonction pn 21, qui est formée par la région 3 de type n, présente

une plus basse tension de claquage que les bords marginaux de ladi-

te jonction pn formée par la région 23 de type n.

Les concentrations de dopage des régions 3 et 2 peuvent être choisies de telle façon connue qu'il en résulte le claquage de la jonction pn 21 polarisée en sens opposé par suite d'ionisation

par avalanche L'application d'une tension V d'une grandeur appro-

priée entre les connexions 12 et 13 afin de polariser la région 3 positivement par rapport à la région 2, entraine le claquage de la partie centrale de la jonction 21 et a pour effet que des électrons

chauds 24 sont amenés et injectés dans la région 3 La configura-

tion de champ obtenue par suite de la concentration de dopage de ty-

pe p de la région superficielle 5 facilite l'émission de ces élec-

trons chauds 24 à partir de la zone superficielle 4 conforme à la présente invention C'est ainsi, que comme il a été décrit pour la

forme de réalisation précédente, la région 5 dans la source d'élec-

trons selon la figure 3 provoque un maximum de potentiel qui se si-

tue à quelque distance de la zone superficielle 4 afin d'obtenir un

champ d'accélération pour accélérer les électrons 24 dans la direc-

tion de la zone superficielle 4 Un tel maximum de potentiel peut

être utilisé aussi dans des sources d'électrons chauds selon la de-

mande de brevet no 2 461 350 de la Demanderesse.

Les sources d'électrons selon les figures 1, 2 et 3 con-

formes à l'invention peuvent être incorporées comme cathode froide

dans de nombreux dispositifs présentant une enveloppe à vide La fi-

gure 4 montre une forme de réalisation d'un tel dispositif à titre d'exemple, notamment un tube à rayons cathodiques L'appareil selon

la figure 4 comporte un tube à vide 33 qui s'évase en forme d'enton-

noir et qui présente une paroi terminale, dont la face intérieure

est recouverte d'un écran luminescent 34 Le tube 33 est fermé her-

métiquement afin d'obtenir une enceinte à vide 20 Dans le tube 33 sont prévues des électrodes de focalisation 25, 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 dispo-

sée dans le corps semiconducteur 10 Le corps 10 est appliqué sur un

support 29 dans le tube 33 et des connexions électriques sont for-

mées entre les couches métalliques 12, 13 et les broches terminales traversant le fond du boîtier 33 De telles sources d'électrons conformes à l'invention peuvent également être incorporées dans les dispositifs de prise de vues du genre Vidicon Un au tre dispositif

possible est un tube à mémoire, dans lequel est enregistrée une con-

figuration de charge représentant une information dans une cible à

l'aide d'un courant d'électrons modulé qui est engendré par la sour-

ce d'électrons dans le corps 10, cette configuration de charge étant lue ensuite à l'aide d'un faisceau d'électrons constant qui est de

préférence engendré par la même source d'électrons.

Une technologique connue utilisée pour la réalisation d'un circuit intégré en silicium peut être utilisée pour la réalisation

de sources d'électrons conformes à l'invention, sous forme d'une ma-

trice dans un corps semiconducteur commun Cela est facilité par la structure simple de telles sources, ne requérant que des connexions d'électrodes pour les deux régions 3 et 2 C'est ainsi que le corps du dispositif peut être constitué par une matrice bidimensionnelle de telles sources d'électrons qui peuvent être commandées chacune séparément afin de régler leur propre émission d'électrons La masse du corps 10 peut être constituée par un matériau faiblement dopé qui présente un type de conduction opposé à celui des régions 2 et dans

lequel sont appliquées les régions 2 sous forme d'îlots Les sour-

ces d'électrons séparées peuvent être réunies dans un système de bar-

res croisées XY# Les régions 3 de type N dans chaque direction X de la matrice peuvent présenter une connexion d'électrode commune 13 ( 1), 13 ( 2) etc, qui s'étend dans la direction X Les ilots constituant les régions 2 peuvent être sous forme des bandes 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc qui s'étendent dans la direction Y de la matrice afin de réunir les régions 2 des sources d'électrons séparées dans chaque direction Y dans un ilot commun Chacune de ces bandes 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc. peut présenter une connexion d'électrode 12 ( 1), 12 ( 2), 12 ( 3) etc.

Les sources d'électrons séparées de la matrice XY peuvent être com-

mandées par sélection des connexions d'électrodes 12 ( 1), 12 ( 2) etc. et 13 ( 1), 13 ( 2) etc, les tensions de fonctionnement V(Y) et V(X) étant appliquées pour polariser positivement la région 3 par rapport à la région 2 pour l'émission d'électrons par l'intermédiaire de la

région 5 Des tensions de polarisation de grandeurs différentes peu-

vent être appliquées à ces diverses connexions de façon que divers courants d'électrons 24 puissent être émis par plusieurs sources d'électrons, le tout de façon à obtenir une configuration de courant

d'électrons requise de toute la matrice.

Un tel dispositif, comportant une matrice bidimensionnel-

le convient notamment à l'application comme source d'électrons dans

un dispositif reproducteur d'images, qui peut contenir un tube à vi-

de plus plat que celui du tube à rayons cathodiques selon la figure 4 Dans un tel dispositif applati, l'image peut être formée sur un écran luminescent 34 d'un côté du tube, par création de différentes configurations de courant d'électrons de la matrice dans le corps , qui est appliquée du côté opposé du tube, et non par déviaton

d'un seul faisceau d'électrons, comme dans un tube à rayons catho-

diques Une telle matrice bidimensionnelle convient également à la

lithographie électronique pour la réalisation d'un dispositif semi-

conducteur, un circuit intégré et autres dispositifs solides micro-

miniatures Pour cette application, la matrice est appliquée comme

251630-7

source d'électrons dans la chambre d'un dispositif d'exposition lithographique La chambre communique avec une pompe à vide afin

d'établir un vide dans la chambre du processus d'exposition L'ap-

plication d'une matrice de sources d'électrons bidimensionnelle semiconductrice pour des dispositifs reproducteurs d'image et pour la lithographie électronique est déjà décrite dans la demande de brevet britannique N' 7902455, qui est publiée sous le numéro GB

2023398 A auquel il y a lieu de se réferer.

Une région superficielle 5 conforme à l'invention peut être appliquée dans la région de type N de sources d'électrons pn du genre à trois électrodes tant dans les sources séparées que dans des matrices, comme le décrit GB 2023398 A C'est ainsi qu'une source d'électrons conforme à l'invention peut contenir

une électrode d'accélération qui est isolée de la surface semicon-

ductrice et qui s'étend autour du bord de la région superficielle épuisée 5 à l'endroit de la zone 4, à partir de laquelle sont émis les électrons 24 Dans ce cas, la première région de type N 3 peut être connectée par sa connection d'électrode par l'intermédiaire

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

gné de la zone superficielle 4 à partir de laquelle sont émis les

électrons chauds 24.

De nombreuses autres variantes sont possibles sans sor-

tir du cadre de la présente invention C'est ainsi que le corps semiconducteur 10 d'une source d'électrons conforme à l'invention peut êre constitué, non seulement par du silicium monocristallin, mais également par un autre matériau semiconducteur, par exemple un composé semiconducteur III-V ou du silicium amorphe hydrogéné,

qui est déposé sur un substat en verre ou un autre matériau appro-

prié.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 Dispositif semiconducteur pour l'émission d'électrons, muni d'un corps semiconducteur ( 10) présentant une première région de type n ( 3) et une deuxième région ( 2) du corps, séparées par une barrière munie d'une jonction pn et prévue entre les première et deuxième

régions, ainsi que de connexions d'électrode ( 12,13) pour les premi-

ère et deuxième régions afin d'appliquer une différence de potentiel dans la barrière, pour polariser la première région ( 3) positivement par rapport à la deuxième ( 2) région et provoquer ainsi une amenée d'électrons chauds qui sont injectés à partir de la deuxième région par l'intermédiaire de la barrière dans la première région ( 3) et qui

sont émis à partir d'une zone superficielle ( 4) du corps ( 10), ca-

ractérisé en ce qu'à l'endroit de la zone superficielle ( 14) à partir de laquelle sont émis les électrons chauds, le corps comporte une

région superficielle de type ( 5) p afin de former un maximum de po-

tentiel entre la première région ( 3) de type N et ladite zone super-

ficielle ( 4) à quelque distance de ladite zone superficielle, de fa-

çon qu'un champ d'accélération se forme dans le corps semiconducteur et assure l'accélération des électrons dans la direction de ladite

zone superficielle ( 4).

2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que la région superficielle ( 5) de type p présente une concentration de dopage telle qu'elle est appauvrie, au moins sur une partie de la région superficielle ( 5), sur toute son épaisseur par la région d'épuisement formée sous la tension de polarisation zéro avec

ladite première région ( 3).

3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite région superficielle ( 5) présente une

épaisseur d'au maximum 10 nm.

4 Dispositif semiconducteur selon l'une quelquonque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que la structure formée par la région superficielle ( 5) et les première ( 3) et deuxième 18 - régions ( 2) ne présentent que deux connexions d'électrode, ( 12,13) respectivement pour la première région ( 3) et pour la deuxième région ( 2). Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que la connexion d'élec-

trode ( 12) pour la première région de type N ( 3) est également en

contact avec une partie de la région superficielle ( 5).

6 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième région ( 2) présente un type de conduction N et est séparée de la première région de type N ( 3) par une couche de blocage de type p ( 1), qui constitue des jonctions pn tant avec-la première région de type N ( 3)

qu'avec la deuxième région de type N ( 2).

7 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des re-

vendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième région ( 2) pré-

sente un type de conduction p et la barrière est formée par la jonction pn entre la deuxième région ( 2) de type p et la première

région ( 3) de type n.

8 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone superfi-

cielle ( 4) de la région superficielle ( 5) est recouverte d'un maté-

riau ( 14) réducteur de potentiel de sortie des électrons.

9 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des re-

revendications précédentes, caractérisé en ce que sur au moins une

partie de la zone superficielle ( 4), le corps semiconducteur ( 10) est muni d'au moins une électrode isolée électriquement par rapport au

corps semiconducteur.

Dispositif comportant une enveloppe à vide ( 33) dans la-

quelle peut être établi un vide et un dispositif semiconducteur selon

l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce

que le dispositif semiconducteur se trouve dans l'enveloppe ( 33) et peut émettre des électrons dans le vide lors du fonctionnement du dispositif.