FR2854984A1

FR2854984A1 - Cathode ray tube/flat screen semiconductor electron transmitter having n/p type layers forming junctions providing surface control zone/electron vacuum transmission

Info

Publication number: FR2854984A1
Application number: FR0305907A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Jacquet; Sylvain Delage; Didier Floriot
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-11-19
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: FR2854984B1; WO2004102602A1

Abstract

The semiconductor electron transmitter has n type (6) and p type (7) layers and an output layer (8) of an n type semiconductor. There is a surface with a control zone contacting the vacuum forming injection and inverse polarisation. A second junction transmits electrons in the vacuum.

Description

DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR D'EMISSION D'ELECTRONS DANS LE VIDESEMICONDUCTOR DEVICE FOR ELECTRON EMISSION IN THE EMPTY

La présente invention concerne un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide. The present invention relates to a semiconductor device for emitting electrons in a vacuum.

L'invention concerne ainsi le domaine des sources d'électrons, qui sont utilisées pour former des faisceaux électroniques dans divers systèmes 5 électroniques ou optoélectroniques tels que par exemple les tubes à rayons cathodiques, les écrans plats, les systèmes de lithographie électronique, les amplificateurs hyperfréquence tel que les klystrons... The invention thus relates to the field of electron sources, which are used to form electron beams in various electronic or optoelectronic systems such as, for example, cathode ray tubes, flat screens, electronic lithography systems, amplifiers microwave such as klystrons ...

D'une manière simplifiée, et comme représenté schématiquement sur la figure 1, une source 1 d'électrons comporte une cathode 2 et une anode 10 3, situées à distance l'une de l'autre, et entre lesquelles règne un vide 4 plus ou moins poussé. Une source de polarisation 5 permet de placer l'anode et la cathode à un potentiel relatif donné, créant un champ électrique externe Fe. In a simplified manner, and as shown diagrammatically in FIG. 1, a source 1 of electrons comprises a cathode 2 and anode 10 3, situated at a distance from one another, and between which there is a vacuum 4 more or less pushed. A polarization source 5 makes it possible to place the anode and the cathode at a given relative potential, creating an external electric field Fe.

La cathode est le dispositif d'émission des électrons. Sa structure doit 15 lui permettre d'assurer la fonction d'injecteur d'électrons, et d'émetteur d'électrons dans le vide, hors du matériau de la cathode, en vue d'obtenir, vers l'anode, un flux constant d'électrons. L'anode 3 extrait les électrons de la cathode par l'intermédiaire du champ électrique Fe. The cathode is the device for emitting electrons. Its structure must enable it to perform the function of electron injector, and emitter of electrons in a vacuum, out of the material of the cathode, in order to obtain, towards the anode, a constant flow electron. The anode 3 extracts the electrons from the cathode via the electric field Fe.

Dans l'invention, on s'intéresse à un dispositif semi-conducteur 20 d'émission d'électrons. In the invention, there is an interest in a semiconductor device 20 for emitting electrons.

Des dispositifs semi-conducteurs d'émission d'électrons sont connus, qui utilisent une jonction semi-conductrice. Une jonction semi-conductrice comprend, empilées, une couche de matériau semi-conducteur de type n et une couche de matériau semi-conducteur de type p. On connaît un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons qui utilise une jonction semi-conductrice polarisée en inverse. Sa structure est du type: zone p/ zone n/ vide. La surface d'émission est ainsi formée par la surface de la zone de type n soumise au vide. L'effet physique utilisé est la multiplication des électrons par avalanche. Sous l'effet du champ électrique 30 interne induit, des électrons sont arrachés au réseau et émis dans le vide. En pratique, le rendement d'un tel dispositif semiconducteur est faible, de quelques pour cents seulement. En outre le champ électrique interne, qui dépend de la tension de polarisation appliquée, contrôle à la fois l'injection et l'émission des électrons, c'est à dire la génération des électrons par effet d'avalanche de la jonction, et l'accélération continue des électrons pour les monter en énergie, sous l'effet du champ électrique interne. Si on veut 5 augmenter le nombre d'électrons émis dans le vide, il faut augmenter le champ électrique interne, ce qui entraîne un échauffement important de la cathode, et réduit sa durée de vie. Semiconductor electron emitting devices are known which utilize a semiconductor junction. A semiconductor junction comprises, stacked, a layer of n-type semiconductor material and a layer of p-type semiconductor material. An electron-emitting semiconductor device is known which uses a reverse-biased semiconductor junction. Its structure is of the type: zone p / zone n / empty. The emission surface is thus formed by the surface of the n-type zone subjected to vacuum. The physical effect used is the multiplication of electrons by avalanche. Under the effect of the induced internal electric field, electrons are torn from the network and emitted in a vacuum. In practice, the efficiency of such a semiconductor device is low, only a few percent. In addition, the internal electric field, which depends on the applied bias voltage, controls both the injection and the emission of the electrons, ie the generation of the electrons by the avalanche effect of the junction, and the continuous acceleration of the electrons to increase them in energy, under the effect of the internal electric field. If it is desired to increase the number of electrons emitted in the vacuum, the internal electric field must be increased, which leads to a significant heating of the cathode, and reduces its life.

On connaît aussi un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons qui utilise une jonction semi-conductrice polarisée en direct, utilisant comme 10 mécanisme d'injection, la diffusion des électrons. La disposition est alors comme suit: zone n+ / zone p / vide. La surface d'émission est ainsi formée par la surface de la zone de type p, soumise au vide. Cette structure exploite la courbure des bandes de conduction. La surface d'émission doit présenter un état d'affinité électronique apparente négative, qui permet aux électrons excités, ayant acquis une énergie suffisante, et arrivant à l'interface zone p / vide, de sortir du matériau. A semiconductor electron-emitting device is also known which uses a direct polarized semiconductor junction, using the electron scattering as an injection mechanism. The layout is then as follows: zone n + / zone p / empty. The emission surface is thus formed by the surface of the p-type zone, subjected to vacuum. This structure exploits the curvature of the conduction bands. The emitting surface must have a negative apparent electronic affinity state, which allows the excited electrons, having acquired sufficient energy, and arriving at the p / empty zone interface, to exit the material.

Un état d'affinité apparente négative peut s'obtenir de façon bien connue, par un traitement de surface par du césium et de l'oxygène. On obtient une couche d'oxyde de césium qui recouvre la surface d'émission. 20 Cette couche d'oxyde induit en outre une zone déplétée en surface, dans laquelle les électrons gagnent de l'énergie sous l'effet du champ électrique qui y règne. L'émission des électrons dans le vide est facilitée. A state of apparent negative affinity can be obtained in a well-known manner by a surface treatment with cesium and oxygen. A layer of cesium oxide is obtained which covers the emission surface. This oxide layer also induces a surface depleted zone in which the electrons gain energy under the effect of the electric field which prevails therein. Emission of electrons in a vacuum is facilitated.

Cependant, I'oxyde de césium est très instable. La couche d'oxyde de césium disparaît donc peu à peu, ce qui limite la durée de vie du dispositif 25 d'émission. On est ainsi obligé de faire fonctionner ce dispositif sous un vide poussé, ce qui est un frein à son utilisation. En outre, même sous vide poussé, la couche d'oxyde disparaît au bout de quelques dizaines de milliers d'heures. Or la durée de vie usuelle des systèmes électroniques ou électrooptiques utilisant des sources d'électrons, est de l'ordre de plusieurs 30 centaines de milliers d'heures. However, cesium oxide is very unstable. The cesium oxide layer therefore disappears gradually, which limits the life of the emission device. It is thus necessary to operate this device under a high vacuum, which is a brake on its use. In addition, even under high vacuum, the oxide layer disappears after a few tens of thousands of hours. However, the usual lifetime of electronic or electro-optical systems using electron sources is of the order of several hundreds of thousands of hours.

On peut remplacer la couche d'oxyde de césium par une couche de métal à faible affinité électronique, tel que LaB6 par exemple. Mais une telle couche de métal en surface réduit considérablement l'efficacité du dispositif (réduction du nombre d'électrons émis), à cause des collisions avec les 35 électrons libres qui sont en densité élevée dans le métal. The cesium oxide layer can be replaced by a metal layer with low electron affinity, such as LaB6 for example. But such a layer of metal at the surface considerably reduces the efficiency of the device (reduction of the number of electrons emitted), because of collisions with the free electrons which are in high density in the metal.

Enfin, avec une telle structure, on ne contrôle que le flux d'électrons injecté et pas le flux d'électrons émis, qui dépend principalement de la courbure des bandes de conduction en surface, caractéristique du matériau utilisé. Finally, with such a structure, it controls only the injected electron flux and not the emitted electron flux, which depends mainly on the curvature of the surface conduction bands, characteristic of the material used.

On connaît un autre type de structure de dispositif semi-conducteur, qui exploite l'effet tunnel (ou Fowler-Nordheim). Elle appartient au domaine des cathodes dites à émission de champ. Dans cette structure, la zone émissive du dispositif se présente par exemple sous la forme d'un cône ou d'une pointe. Une grille disposée à proximité immédiate de la zone émissive, 10 en général tout autour, sur laquelle on applique une tension élevée, de l'ordre de 100 volts par exemple, permet de créer un champ électrique externe intense à la surface de la zone émissive. Ce champ électrique externe permet aux électrons de quitter le matériau par effet tunnel. En pratique, ces structures se présentent sous la forme d'une matrice, 15 comprenant un grand nombre de ces cathodes. On parle alors de structure FEA, pour "Field Emission Array". Another type of semiconductor device structure is known, which exploits the tunnel effect (or Fowler-Nordheim). It belongs to the field of so-called field emission cathodes. In this structure, the emissive zone of the device is for example in the form of a cone or a tip. A grid disposed in the immediate vicinity of the emissive zone, generally around it, on which a high voltage is applied, of the order of 100 volts, for example, makes it possible to create an intense external electric field on the surface of the emissive zone. . This external electric field allows the electrons to leave the material by tunnel effect. In practice, these structures are in the form of a matrix, including a large number of these cathodes. This is called FEA structure, for "Field Emission Array".

Cependant, dans ces structures, le champ électrique externe très intense contrôle à la fois l'injection d'électrons et l'émission d'électrons. However, in these structures, the very intense external electric field controls both the injection of electrons and the emission of electrons.

L'utilisation d'un champ électrique externe intense conduit en outre à une 20 dégradation accélérée de la surface émissive, si le vide n'est pas assez poussé (ionisation des atomes de gaz résiduel). Enfin, du fait de la géométrie particulière en pointe ou en cône de la zone émissive, la densité effective de courant maximal fournit par une telle cathode n'est pas très élevé (de l'ordre de 10 ampères par cm2). On doit ainsi prévoir des matrices comprenant en 25 fonction de l'application, une centaine à quelques dizaines de milliers de cathodes de ce type, pour fournir un courant d'électrons suffisant (10000 pointes fournissent 180 mA). En outre, ces matrices utilisent des technologies de fabrication très spécialisées. The use of an intense external electric field also leads to accelerated degradation of the emitting surface, if the vacuum is not sufficiently high (ionization of the residual gas atoms). Finally, because of the particular geometry in tip or cone of the emissive zone, the maximum effective current density provided by such a cathode is not very high (of the order of 10 amperes per cm 2). It is thus necessary to provide matrices comprising, depending on the application, from one hundred to a few tens of thousands of cathodes of this type, to provide a sufficient electron current (10,000 tips provide 180 mA). In addition, these dies use very specialized manufacturing technologies.

Un objet de l'invention est un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons, ayant un rendement et une durée de vie sensiblement plus élevés que les dispositifs actuels. An object of the invention is an electron-emitting semiconductor device, having a significantly higher efficiency and life expectancy than current devices.

L'idée à la base de l'invention est d'utiliser des matériaux dont les propriétés sont favorables à une émission efficace des électrons dans le 35 vide, dans une structure qui permette de commander indépendamment et à volonté l'injection d'électrons et leur émission dans le vide. L'utilisation de matériaux aux propriétés particulières et la séparation des deux commandes injection/émission permet d'atteindre une densité de courant et une durée de vie significativement plus élevées par rapport aux solutions antérieures. The idea underlying the invention is to use materials whose properties are favorable to an efficient emission of electrons in the vacuum, in a structure that allows to control independently and at will the injection of electrons and their emission in the void. The use of materials with particular properties and the separation of the two injection / emission controls makes it possible to achieve a significantly higher current density and a longer life compared with previous solutions.

Un autre objet de l'invention est un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons, obtenu en utilisant les technologies usuelles de fabrication de composants microélectroniques, et ne nécessitant pas l'utilisation d'un vide poussé. Another object of the invention is a semiconductor device for electron emission, obtained by using the usual technologies for manufacturing microelectronic components, and not requiring the use of a high vacuum.

Un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons selon l'invention 10 est basé sur une structure semi-conductrice similaire au transistor bipolaire de type vertical, comprenant un empilement de couches semiconductrices n/p/n, dans lequel les couches supportant le champ électrique permettant de faire passer les électrons des niveaux de basse énergie vers les niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique X du matériau sont réalisées 15 dans un matériau parmi les matériaux semi- conducteur dont la largeur de An electron-emitting semiconductor device according to the invention 10 is based on a semiconductor structure similar to the vertical type bipolar transistor, comprising a n / p / n semiconductor layer stack, in which the layers supporting the An electric field for passing electrons from low energy levels to energy levels greater than the electronic affinity X of the material is made from one of the semiconductor materials whose

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bande interdite Eg satisfait l'inégalité Eg > -, o X représente l'affinité électronique du matériau. forbidden band Eg satisfies the inequality Eg> -, where X represents the electronic affinity of the material.

Telle que revendiquée, l'invention concerne un dispositif semiconducteur d'émission d'électrons dans le vide comprenant un empilement 20 de couches semi-conductrices, caractérisé en ce que l'empilement comprend une première couche semi-conductrice de type n, une deuxième couche semiconductrice de type p qui forme une première jonction semi-conductrice avec la première couche, et une couche de sortie semi-conductrice de type n, qui forme une deuxième jonction semi-conductrice avec la deuxième 25 couche, et dont une zone en surface est en contact avec le vide, ledit dispositif comprenant des moyens de polarisation en direct de la première jonction pour former un injecteur d'électrons et des moyens de polarisation en inverse de la deuxième jonction pour former un émetteur d'électrons dans le vide, et en ce que dans ledit empilement, au moins les couches depuis la 30 deuxième couche jusqu'à la couche de sortie incluses sont réalisées chacune dans un matériau semi-conducteur sélectionné ayant une bande interdite Eg dont la largeur satisfait l'inégalité suivante: Eg>-, o X est l'affinité électronique dudit matériau. As claimed, the invention relates to a semiconductor device for emitting electrons in a vacuum comprising a stack 20 of semiconductor layers, characterized in that the stack comprises a first n-type semiconductor layer, a second p-type semiconductor layer which forms a first semiconductor junction with the first layer, and an n-type semiconductor output layer, which forms a second semiconductor junction with the second layer, and a surface area of which is in contact with the vacuum, said device comprising means for direct polarization of the first junction to form an electron injector and means for biasing the reverse of the second junction to form an electron emitter in a vacuum, and in that in said stack, at least the layers from the second layer to the included output layer are each made of a semi-conductive material a selected band having a forbidden band Eg whose width satisfies the following inequality: Eg> -, where X is the electronic affinity of said material.

De préférence, l'empilement comprend une quatrième couche semiconductrice intrinsèque, disposée en sandwich entre la deuxième couche et la couche de sortie. Preferably, the stack comprises a fourth intrinsic semiconductor layer, sandwiched between the second layer and the output layer.

Une cinquième couche semi-conductrice de type n est avantageusement insérée entre la première et la deuxième couche. A fifth n-type semiconductor layer is advantageously inserted between the first and the second layer.

Le matériau semi-conducteur sélectionné est avantageusement un composé de la famille 111-N. The selected semiconductor material is advantageously a compound of the 111-N family.

La première jonction polarisée en direct forme un injecteur d'électrons contrôlé (par la tension de polarisation). La deuxième jonction est polarisée 10 en inverse, pour exciter le gaz d'électrons vers des niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique du matériau, ce qui est rendu possible par les propriétés particulières de ce matériau. Une fraction significative de ce gaz d'électrons chauds de la couche de sortie (troisième couche) peut alors être émise dans le vide. Un champ électrique appliqué en externe, au niveau 15 de la surface supérieure, émissive, de la structure, permet d'évacuer, d'aspirer, le flux d'électrons émis. Un champ de faible intensité est seulement nécessaire, en comparaison des champs habituellement utilisés dans les dispositifs de l'état de la technique. The first live-polarized junction forms a controlled electron injector (by the bias voltage). The second junction is reverse biased to excite the electron gas towards energy levels higher than the electronic affinity of the material, which is made possible by the particular properties of this material. A significant fraction of this hot electrons gas from the output layer (third layer) can then be emitted in vacuum. An externally applied electric field at the emissive upper surface of the structure allows the flow of emitted electrons to be evacuated and sucked up. A low intensity field is only necessary, in comparison with the fields usually used in state-of-the-art devices.

On forme ainsi un dispositif d'émission dont l'injection et l'émission 20 sont contrôlées de manière séparée, et dont le ou les matériaux qui forment la structure autorisent une forte densité de courant d'électrons en sortie. An emission device is thus formed whose injection and emission are controlled separately, and whose material or materials which form the structure allow a high electron current density at the output.

Ce dispositif d'émission offre avantageusement une surface d'émission planaire qui permet d'envisager des densités de courant effectives de l'ordre de quelques kA/cm2. Par densité de courant effective, il 25 faut comprendre la surface totale occupée par un dispositif, c'est à dire tenant compte des amenées de courant. En comparaison, cette densité de courant est de l'ordre de 10 A/cm2 dans le cas d'une matrice de micropointes (cathodes à effet de champ). This emission device advantageously provides a planar emission surface which makes it possible to envisage effective current densities of the order of a few kA / cm 2. By effective current density, it is necessary to understand the total area occupied by a device, ie taking account of the current leads. In comparison, this current density is of the order of 10 A / cm 2 in the case of a matrix of microtips (field effect cathodes).

Le dispositif d'émission selon l'invention utilise des technologies de 30 fabrication usuelles, bien maîtrisées. Les matériaux sélectionnés n'obligent pas à utiliser une couche superficielle de matériau à affinité électronique faible ou négative (mais une telle couche peut être prévue), ce qui rend ce dispositif particulièrement stable et fiable (grande durée de vie attendue). The emission device according to the invention uses conventional manufacturing technologies that are well controlled. The selected materials do not require the use of a surface layer of low or negative electronic affinity material (but such a layer may be provided), which makes this device particularly stable and reliable (long expected life).

Enfin, il nécessite des tensions de polarisation peu élevées, de l'ordre 35 de la dizaine de volts, ce qui renforce encore les aspects de fiabilités. Finally, it requires low polarization voltages, of the order of ten volts, which further strengthens reliability aspects.

L'invention concerne aussi une source d'électrons utilisant un tel dispositif d'émission. The invention also relates to an electron source using such a transmission device.

D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à 5 la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 déjà décrite représente schématiquement une source d'émission d'électrons; - la figure 2a est une représentation d'une structure d'un 10 dispositif d'émission selon l'invention, et la figure 2b, une vue de dessus, dans une topologie de type ruban; - la figure 3 illustre le dispositif d'émission des figures précédentes, selon une coupe transversale; - les figures 4a et 4b représentent d'autres exemples de 15 topologie d'une structure de dispositif d'émission selon l'invention; - la figure 5 représente le diagramme des bandes d'énergie (E) et le champ électrique (F) dans un dispositif d'émission d'électrons selon l'invention; - la figure 6 montre schématiquement une structure en réseau de dispositif d'émission selon l'invention; - les figure 7a à 7c montrent schématiquement l'occupation des différents niveaux d'énergie au moment de l'émission électronique dans le vide selon le champ électrique appliqué 25 dans un dispositif d'émission selon l'invention et - les figures 8a et 8b montrent la répartition des électrons en énergie et le taux d'ionisation dans un matériau du type utilisé dans un dispositif d'émission selon l'invention. Other advantages and features will appear more clearly on reading the description which follows, given by way of indication and not limitation of the invention and with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 already described schematically represents a source of electron emission; FIG. 2a is a representation of a structure of a transmitting device according to the invention, and FIG. 2b is a view from above, in a ribbon type topology; FIG. 3 illustrates the transmission device of the preceding figures, in cross section; FIGS. 4a and 4b show other examples of the topology of a transmission device structure according to the invention; FIG. 5 represents the energy band diagram (E) and the electric field (F) in an electron emission device according to the invention; FIG. 6 schematically shows an emission device network structure according to the invention; FIGS. 7a to 7c show schematically the occupation of the different energy levels at the time of the electronic emission in vacuum according to the electric field applied in a transmission device according to the invention and FIGS. 8a and 8b show the distribution of electrons in energy and the ionization rate in a material of the type used in a transmission device according to the invention.

Les figures 2a et 2b représentent un mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur d'émission selon l'invention. La figure 3 illustre une source d'électrons comprenant un tel dispositif placé à distance d'une anode A. La structure du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention est 35 similaire à une structure de transistor bipolaire à collecteur (ou émetteur) en haut. Elle utilise ainsi les mêmes techniques de fabrication bien connues de l'homme du métier, utilisées pour ce type de composant, à la différence que la prise de contact sur la couche supérieure "en haut", en contact avec le vide, ne recouvre pas toute la surface, mais est confinée sur les bords, de 5 façon à offrir une surface effective d'émission d'électrons la plus grande autorisée par la technologie. Figures 2a and 2b show an embodiment of a semiconductor emission device according to the invention. FIG. 3 illustrates an electron source comprising such a device placed at a distance from an anode A. The structure of the electron emission device according to the invention is similar to a bipolar transistor structure with a collector (or emitter ) up. It thus uses the same manufacturing techniques well known to those skilled in the art, used for this type of component, with the difference that the contact on the upper layer "up", in contact with the vacuum, does not cover the entire surface, but is confined to the edges, so as to provide the largest effective electron emission surface area allowed by the technology.

Plus précisément, si on se reporte aux figures 2a, 2b et 3, cette structure comprend principalement un empilement de couches semiconductrices n/p/n. Les couches 7 et 8 supportant le champ électrique 10 permettant de faire passer les électrons des niveaux de basse énergie vers les niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique X du matériau sont réalisées dans un matériau parmi les matériaux semiconducteur qui ont la propriété d'être à grand gap Eg (largeur de la bande interdite), satisfaisant More precisely, with reference to FIGS. 2a, 2b and 3, this structure mainly comprises a stack of n / p / n semiconductor layers. The layers 7 and 8 supporting the electric field 10 for passing the electrons from the low energy levels to the energy levels higher than the electronic affinity X of the material are made of a material among the semiconductor materials which have the property of to be with a large gap Eg (width of the forbidden band), satisfying

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l'inégalité Eg>-, o y représente l'affinité électronique du matériau. Un des paramètres de l'efficacité (rendement) du dispositif d'émission selon Avec ces matériaux à grands gaps, on dispose alors d'un dispositif efficace, avec une structure simple à réaliser et à utiliser, présentant des caractéristiques de fonctionnement stable dans le temps, et pouvant émettre dans le vide une densité de courant effective de deux ordres de grandeur 20 supérieure à celle des solutions existantes. the inequality Eg> -, where y represents the electronic affinity of the material. One of the parameters of the efficiency (efficiency) of the emission device according to these materials with large gaps, there is then an effective device, with a simple structure to achieve and use, having stable operating characteristics in the time, and can emit in vacuum a current density effective two orders of magnitude greater than existing solutions.

Plus précisément, la structure comporte une première couche 6 de type n, une deuxième couche 7 de type p, et une troisième couche, la couche de sortie 8, de type n. La zone 10 en surface de la couche de sortie 8 25 qui est en contact avec le vide, forme la surface effective d'émission des électrons. Elle est encadrée par les prises de contact ohmiques CI, Cl', par lesquelles une tension de polarisation sera appliquée. La zone 10 est indiquée en rayé sur les figures. Des prises de contact C2, C2', sont aussi prévues, pour appliquer une tension de polarisation sur la couche 7 ainsi que 30 des prises de contact C3, C3', pour polariser la couche 6. Dans l'exemple, ces prises de contact se présentent sous la forme de rubans, par exemple réalisés en Ti/Pt/Au. More specifically, the structure comprises a n-type first layer 6, a second p-type layer 7, and a third layer, the n-type output layer 8. The area 10 at the surface of the outlet layer 8 which is in contact with the vacuum forms the effective emission surface of the electrons. It is framed by ohmic contact points CI, Cl ', through which a bias voltage will be applied. Zone 10 is indicated in stripes in the figures. Contacts C2, C2 'are also provided for applying a bias voltage on the layer 7 as well as contact points C3, C3' for biasing the layer 6. In the example, these contact points are in the form of ribbons, for example made of Ti / Pt / Au.

Le dopage des différentes couches est de préférence défini comme suit: la couche supérieure 8 dont la surface externe forme la surface d'émission des électrons dans le vide, est une couche mince, d'épaisseur inférieure ou égale o à 2000 A, et fortement dopée "n+", typiquement avec un dopage supérieur à quelques 1018/cm3, de manière à pouvoir générer un champ électrique interne suffisamment intense pour que les électrons puissent sortir du 5 matériau, c'est à dire sans qu'ils perdent trop d'énergie dans cette zone. On rappelle que l'intensité du champ est directement proportionnelle au nombre de charges positives et négatives (F=- q.ND xepN =-q.NA xepN), O ePNd 80.880. The doping of the different layers is preferably defined as follows: the upper layer 8, the outer surface of which forms the emission surface of the electrons in the vacuum, is a thin layer, of thickness less than or equal to 2000 A, and strongly doped "n +", typically with a doping greater than a few 1018 / cm3, so as to generate an internal electric field sufficiently intense that the electrons can leave the material, that is to say without them lose too much energy in this area. It is recalled that the intensity of the field is directly proportional to the number of positive and negative charges (F = - q.ND xepN = -q.NA xepN), OePNd 80.880.

(respectivement epNa) est l'épaisseur de la couche n+ (respectivement de la couche p). (respectively epNa) is the thickness of the layer n + (respectively of the layer p).

L'application d'une tension inverse déplète la zone 8, de préférence, entièrement. Pour maximiser le nombre d'électrons émis à l'extérieur du dispositif, l'épaisseur et le dopage de la couche de sortie 8 doivent être ajustés de manière à ce que celle-ci soit quasi-entiérement déplétée lorsque l'énergie des électrons avoisine (par valeur inférieure) l'énergie d'ionisation du réseau. Les pertes d'énergies associées à la création de paires electrontrou lors du passage des électrons à travers cette couche sont ainsi limitées. The application of a reverse voltage depletes the zone 8, preferably entirely. To maximize the number of electrons emitted outside the device, the thickness and doping of the output layer 8 must be adjusted so that it is almost entirely depleted when the electron energy is around (by lower value) the ionization energy of the network. The energy losses associated with the creation of electrontrou pairs during the passage of electrons through this layer are thus limited.

La structure de couches décrite forme deux jonctions p/n disposées tête bêche, tel qu'indiqué en pointillé sur la figure: une première jonction J1 20 à l'interface des couches 6 et 7 et une deuxième jonction J2 à l'interface des couches 7 et 8. Selon l'invention, les trois couches reçoivent chacune une tension de polarisation en sorte que la jonction J1 soit polarisée en direct et la jonction J2 en inverse. Une tension de polarisation est appliquée sur chaque couche via des prises de contact ohmiques pour polariser le 25 dispositif de manière adaptée. Dans l'exemple illustré, en considérant la couche 8 comme le collecteur c, la couche 7 comme la base b et la couche 6 comme l'émetteur e d'un transistor bipolaire de type collecteur en haut, on a une polarisation du transistor de type émetteur commun: la couche 6 est portée à un potentiel de référence Vss, typiquement la masse. La couche 7 30 est portée à un potentiel Vi>Vss. La couche de sortie 8 est portée à un potentiel Ve>Vi. On pourrait aussi bien avoir une polarisation du type base commune. Les potentiels Ve et Vi sont déterminés pour polariser de manière adaptée la jonction J1 qui forme l'injecteur et la jonction J2 qui forme l'émetteur dans la structure du dispositif. The layer structure described forms two p / n junctions arranged head-to-tail, as indicated in dotted lines in the figure: a first junction J1 at the interface of the layers 6 and 7 and a second junction J2 at the interface of the layers 7 and 8. According to the invention, the three layers each receive a bias voltage so that the junction J1 is forward biased and the junction J2 in reverse. A bias voltage is applied to each layer via ohmic contact sockets to bias the device appropriately. In the example illustrated, considering the layer 8 as the collector c, the layer 7 as the base b and the layer 6 as the emitter e of a bipolar transistor of the collector type at the top, there is a polarization of the transistor of common emitter type: the layer 6 is brought to a reference potential Vss, typically the mass. Layer 7 is brought to a potential Vi> Vss. The output layer 8 is brought to a potential Ve> Vi. One could as well have a polarization of the common base type. The potentials Ve and Vi are determined to appropriately bias the junction J1 which forms the injector and the junction J2 which forms the emitter in the structure of the device.

On a vu que la zone 10 de la couche 8 qui forme la surface effective d'émission dans le vide est encadrée par les rubans de contact C1, C1' prévus sur cette couche. Dans l'exemple, deux prises de contact sont prévues, en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de la zone 10. Ceci 5 permet avantageusement de régler l'orientation du champ électrique interne de manière à obtenir la densité de courant d'électrons optimale pour la structure considérée. Si on se reporte à la figure 3, on peut ainsi appliquer une tension Ved sur la prise de contact C1 de gauche, qui peut être différente de la tension Veg appliquée sur la prise de contact Cl de droite. Ainsi, selon 10 les valeurs Ved et Veg, on peut orienter le champ en sorte qu'il soit perpendiculaire à la surface émissive 10 de la couche de sortie, c'est à dire selon la direction z dans l'exemple représenté (figures 3 et 5): les tensions Ved et Veg sont alors choisies égales. On peut aussi orienter le champ en sorte qu'il soit parallèle à la surface émissive ou qu'il suive toute autre 15 orientation entre ces deux extrêmes, en différentiant de manière adaptée ces deux tensions Ved et Veg. It has been seen that the zone 10 of the layer 8 which forms the effective emitting surface in the vacuum is framed by the contact strips C1, C1 'provided on this layer. In the example, two contact points are provided, facing each other, on either side of the zone 10. This advantageously makes it possible to adjust the orientation of the internal electric field so as to obtain the electron current density optimal for the considered structure. Referring to FIG. 3, it is thus possible to apply a voltage Ved to the left contact point C1, which may be different from the voltage Veg applied to the right contact point C1. Thus, according to the values Ved and Veg, the field can be oriented so that it is perpendicular to the emissive surface of the output layer, ie in the direction z in the example shown (FIG. and 5): the voltages Ved and Veg are then chosen equal. It is also possible to orient the field so that it is parallel to the emitting surface or that it follows any other orientation between these two extremes, differentiating in a suitable manner these two voltages Ved and Veg.

On pourrait aussi n'avoir qu'une seule prise de contact. Dans ce cas, la prise de contact peut couvrir tout le périmètre de la couche 8, formant ainsi un contour fermé. Cela permet d'obtenir un potentiel bien uniforme sur 20 toute la surface. Un tel exemple de réalisation est représenté sur la figure 4a, pour une topologie dite à grille hexagonale. Sur la figure 4b, on a représenté un autre exemple de réalisation, avec deux prises de contact pour la couche de sortie 8, pour une topologie dit à grille ronde. We could also have only one contact. In this case, the contacting can cover the entire perimeter of the layer 8, thus forming a closed contour. This provides a very uniform potential over the entire surface. Such an exemplary embodiment is shown in FIG. 4a for a so-called hexagonal grid topology. In Figure 4b, there is shown another embodiment, with two contacts for the output layer 8, for a so-called round grid topology.

Dans le cas o la structure retenue comprendrait deux prises de 25 contact C1, C1', sur la couche de sortie 8, on devra de préférence prévoir que la distance maximale entre les deux prises de contacts soit comprise entre 1 et 10 pm. De façon optimale, cette distance maximale sera de 2 micromètres. En effet, on s'est aperçu qu'au-delà de 10 micromètres, le courant devenait faible au centre de la zone 10 comprise entre les deux 30 prises de contact, ce qui réduisait l'efficacité de l'émission vers l'extérieur. In the case where the structure selected comprises two contact points C1, C1 ', on the output layer 8, it should preferably be provided that the maximum distance between the two contacts is between 1 and 10 pm. Optimally, this maximum distance will be 2 micrometers. Indeed, it was found that beyond 10 micrometers, the current became weak in the center of zone 10 between the two contacts, which reduced the effectiveness of the emission to the outside .

Dans la structure de couches 6/7/8 décrite, le champ électrique atteint sa valeur maximale dans une zone étroite centrée autour de la jonction J2. In the layer structure 6/7/8 described, the electric field reaches its maximum value in a narrow zone centered around the junction J2.

L'optimisation du courant émis dans le vide s'avère délicate car la valeur 35 maximale du champ électrique et l'extension de la zone o il est appliqué ne sont pas indépendantes. Il est difficile d'amener au voisinage de la surface un grand nombre d'électrons ayant une énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau sans que ceux-ci ne perdent cette énergie en ionisant le réseau ou en traversant la couche 8. The optimization of the current emitted in the vacuum proves tricky because the maximum value of the electric field and the extension of the zone where it is applied are not independent. It is difficult to bring close to the surface a large number of electrons having an energy greater than the electronic affinity of the material without them losing this energy by ionizing the network or by passing through the layer 8.

Dans un perfectionnement de l'invention, on améliore l'efficacité du dispositif par une structure favorisant le peuplement des niveaux d'énergies élevés en insérant une couche 11 peu ou pas dopée, entre la couche 7 et la couche 8 de l'empilement (figures 2a et 3). Cette couche 11 a pour but de contrôler séparément la valeur maximale du champ électrique dans la zone 10 de montée en énergie des électrons et l'extension de cette zone. In an improvement of the invention, the efficiency of the device is improved by a structure that promotes the high energy levels by inserting a layer 11 with little or no doping, between the layer 7 and the layer 8 of the stack ( Figures 2a and 3). The purpose of this layer 11 is to separately control the maximum value of the electric field in the zone 10 of energy rise of the electrons and the extension of this zone.

On peut optimiser cette structure 6/7/11/8 dans le but de dépléter totalement la couche de sortie 8 tout en ayant une fraction importante d'électrons d'énergie suffisante pour être émis dans le vide. Cette optimisation résulte d'un compromis entre le dopage des zones 7 et 8 et 15 l'épaisseur des couches 8 et 11 d'application du champ électrique. This structure can be optimized 6/7/11/8 in order to completely deplete the output layer 8 while having a large fraction of electrons of sufficient energy to be emitted in a vacuum. This optimization results from a compromise between the doping of zones 7 and 8 and the thickness of layers 8 and 11 for applying the electric field.

Ce perfectionnement de l'invention pour favoriser l'acquisition d'une énergie totale élevée, consiste donc à épaissir la zone dans laquelle le champ électrique s'applique, par l'insertion de la couche 11. Cette couche 11 est une couche semi-conductrice intrinsèque, dite encore couche non 20 intentionnellement dopée ou encore couche compensée et notée n- ou nid sur les figures. Dans le cas idéal o cette couche 11 n'est pas dopée, le champ électrique aura une valeur constante dans cette zone 11, égale à la valeur maximale, comme représenté en pointillé sur la figure 5. En pratique cette zone 1 1 est toujours un peu dopée, du fait du processus de fabrication 25 de la structure, avec un dopage typiquement inférieur à quelques 1016/cm3. This improvement of the invention to promote the acquisition of a high total energy, therefore consists in thickening the zone in which the electric field is applied, by the insertion of the layer 11. This layer 11 is a semiconductor layer. intrinsic conductor, also called non-intentionally doped layer or compensated layer and noted n- or nest in the figures. In the ideal case where this layer 11 is not doped, the electric field will have a constant value in this zone 11, equal to the maximum value, as shown in dashed lines in FIG. 5. In practice this zone 1 1 is always a little doped, because of the process of manufacture of the structure, with a doping typically less than a few 1016 / cm3.

La valeur du champ décroît donc légèrement dans cette zone, en pente douce (dans le cas d'un dopage résiduel homogène de type n), comme représenté sur la figure 5. Cette couche de semi-conducteur intrinsèque 11 permet de disposer d'un paramètre supplémentaire dans l'optimisation de la 30 valeur du champ électrique nécessaire à l'extraction des électrons du matériau. The value of the field therefore decreases slightly in this zone, with a gentle slope (in the case of homogeneous residual doping of type n), as represented in FIG. 5. This intrinsic semiconductor layer 11 makes it possible to have a additional parameter in the optimization of the value of the electric field necessary for the extraction of electrons from the material.

En d'autres termes, dans cette structure 6/7/11/8, on peut choisir un dopage des couches 7 et 8 moins élevé que dans le cas de la structure 6/7/8 décrite précédemment. On obtient un champ d'intensité plus faible mais 35 s'exerçant sur une zone 11 plus longue (d'extension contrôlable) permettant de fournir aux électrons l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide, tout en limitant le nombre de collisions ionisantes. Ces collisions seront moins nombreuses car le nombre de paires électron-trou générées par avalanche est beaucoup plus sensible à l'intensité du champ qu'à son extension. In other words, in this structure 6/7/11/8, one can choose a lower doping layers 7 and 8 than in the case of the structure 6/7/8 described above. A field of lower intensity is obtained, but it is exerted on a longer zone 11 (of controllable extension) making it possible to supply the electrons with the energy necessary for their emission in a vacuum, while limiting the number of ionizing collisions. . These collisions will be less numerous because the number of electron-hole pairs generated by avalanche is much more sensitive to the intensity of the field than to its extension.

La figure 5 représente les diagrammes des bandes de conduction, de valence, et le champ électrique dans une structure selon l'invention 6/7/11/8. FIG. 5 represents the diagrams of the conduction bands, valence, and the electric field in a structure according to the invention 6/7/11/8.

Elle illustre, de façon schématique, le passage d'un flux d'électrons thermalisés (à la température du réseau) injecté par la jonction J1 polarisée 10 en direct, à un flux d'électrons chauds, à la sortie de la jonction J2 polarisée en inverse, I'énergie maximale étant atteinte en sortie de la couche 11 et à l'entrée de la couche 8. It illustrates, in a schematic way, the passage of a flow of electrons thermalised (at the temperature of the network) injected by the junction J1 polarized in direct, to a flow of hot electrons, at the exit of the junction J2 polarized in reverse, the maximum energy being reached at the outlet of the layer 11 and at the entrance of the layer 8.

L'insertion de la couche intermédiaire 11 permet ainsi de mieux contrôler la valeur et l'extension du champ électrique. 15 Pour limiter le risque de dispersion des électrons sous les prises de contact, notamment sous les prises de contact d'émetteur C1, C1' réalisées sur la couche de sortie 8 de la structure, un perfectionnement de l'invention consiste à prévoir dans les couches inférieures de l'empilement, des 20 caissons d'isolation électrique (ou zones aveugles) disposés sous ces contacts. Un canal d'écoulement 16 du flux d'électrons est ainsi défini qui débouche à la surface 10 et qui correspond au volume interne délimité par les prises de contact et les caissons d'isolation. The insertion of the intermediate layer 11 thus makes it possible to better control the value and the extension of the electric field. In order to limit the risk of dispersion of the electrons under the contacts, in particular under the emitter contacts C1, C1 'made on the output layer 8 of the structure, an improvement of the invention consists in providing in the lower layers of the stack, electrical insulation boxes (or blind areas) disposed under these contacts. A flow channel 16 of the electron flow is thus defined which opens at the surface 10 and which corresponds to the internal volume delimited by the contact points and the isolation boxes.

On peut notamment prévoir de tels caissons 12 et 12' par implantation 25 ionique, par exemple d'Hélium, dans la couche 11, sous les prises de contact ohmiques C1 et C1'. La dimension de ces caissons est déterminée pour que leur flanc interne 13, 13' soit à l'aplomb du flanc interne de la prise de contact correspondante C1, ou CI', ou légèrement en débord D. Ainsi, on empêche que des électrons se dirigent vers les prises de contact ohmiques, qu'ils ne 30 pourraient pas traverser. In particular, such boxes 12 and 12 'can be provided by ion implantation, for example of helium, in the layer 11, under the ohmic contact sockets C1 and C1'. The size of these caissons is determined so that their internal flank 13, 13 'is in line with the internal flank of the corresponding contact point C1, or CI', or slightly overflowing D. Thus, it prevents the electrons to the ohmic contacts that they could not cross.

Dans une autre amélioration, une couche 9 de semi-conductrice de type n est prévue, disposée en sandwich entre la couche 6 et la couche 7. In another improvement, a layer 9 of n-type semiconductor is provided, sandwiched between layer 6 and layer 7.

Le dopage de cette couche 9 est choisi plus faible que celui des couches 6, 7 et 8. Cette couche 9 permet notamment de réaliser d'autres zones aveugles 35 ou caissons d'isolation 14 et 14' par une implantation sélective de celle-ci. The doping of this layer 9 is chosen lower than that of the layers 6, 7 and 8. This layer 9 makes it possible in particular to make other blind zones 35 or isolation boxes 14 and 14 'by a selective implantation thereof. .

Le flanc interne 15, 15' de ces caissons 14, 14' coïncide ou est légèrement en débord avec le flanc interne des caissons 13, 13' de la zone 11. The internal flank 15, 15 'of these boxes 14, 14' coincides or is slightly overflowing with the internal side of the boxes 13, 13 'of the zone 11.

Un canal 16 d'écoulement du flux d'électrons est ainsi formé dans le volume de la structure, qui permet de recueillir un nombre optimal d'électrons en sortie. A flow channel 16 of the electron flow is thus formed in the volume of the structure, which makes it possible to collect an optimal number of electrons at the output.

Ces caissons d'isolation électrique peuvent être obtenus de manière connue, par exemple par implantation ionique d'atomes (Hélium) qui viennent casser localement la structure cristalline du matériau. Cette implantation ionique se fait sous plus ou moins haute énergie, selon la 10 profondeur de la couche dans laquelle on veut réaliser ces caissons. These electrical insulation boxes can be obtained in a known manner, for example by ion implantation of atoms (helium) which locally break the crystalline structure of the material. This ion implantation is done under more or less high energy, depending on the depth of the layer in which we want to make these boxes.

Un des paramètres de l'efficacité (rendement) d'un dispositif d'émission selon l'invention, est l'utilisation de matériaux semi-conducteurs à grand gap Eg (largeur de la bande interdite), définis dans l'invention comme satisfaisant l'inégalité ( suivante: Eg >%, o x représente l'affinité électronique du matériau. Ces matériaux sélectionnés sont utilisés au moins pour les couches supportant le champ électrique qui va permettre de faire passer les électrons de niveaux de basse énergie vers des niveaux d'énergie supérieure à l'affinité 20 électronique du matériau. Ce sont les couches de l'empilement comprises entre la couche 7 et la couche de sortie 8 incluses, c'est à dire, les couches 7/8 ou 7/8/11, selon le type de structure retenue. Les autres couches de l'empilement peuvent être réalisées dans ces mêmes matériaux sélectionnés, mais pas nécessairement. On dispose alors d'une structure 25 simple à réaliser et à utiliser, présentant des caractéristiques de fonctionnement stable dans le temps, et pouvant émettre dans le vide une densité de courant effective de deux ordres de grandeur supérieure à celle des solutions existantes. L'utilisation dans la structure de l'invention de ces matériaux semi30 One of the parameters of the efficiency (efficiency) of an emission device according to the invention is the use of large-gap semiconductor materials Eg (width of the forbidden band), defined in the invention as satisfactory. the inequality (following: Eg>%, ox represents the electronic affinity of the material) These selected materials are used at least for the layers supporting the electric field which will allow to pass the electrons of low energy levels towards levels of higher than the electronic affinity of the material, these are the layers of the stack included between the layer 7 and the output layer 8, that is, the layers 7/8 or 7/8/11 depending on the type of structure chosen, the other layers of the stack may be made of these same selected materials, but not necessarily, and a simple structure to be made and used having characteristics of It is stable in time and can emit an effective current density two orders of magnitude greater than that of existing solutions. The use in the structure of the invention of these materials semi30

conducteurs particuliers, du type à grand gap, est en effet particulièrement favorable. Particular drivers, of the large gap type, are in fact particularly favorable.

Des matériaux tel que le SiC ou le ZnSe satisfont cette relation et peuvent être utilisés pour réaliser une structure du type à homojonction selon l'invention. Cette propriété des matériaux (Eg >-) a comme effet direct utilisé dans l'invention, qu'une part significative des électrons sera présente à des énergies supérieures à l'affinité électronique du matériau, favorisant l'émission d'électrons dans le vide. Materials such as SiC or ZnSe satisfy this relationship and can be used to provide a homojunction type structure according to the invention. This property of the materials (Eg> -) has the direct effect used in the invention, that a significant part of the electrons will be present at energies higher than the electronic affinity of the material, favoring the emission of electrons in the vacuum .

Ainsi, par la structure de l'invention, combinée à l'utilisation dans cette structure de matériaux semi-conducteurs satisfaisant l'inégalité ( on obtient un dispositif semi-conducteur efficace d'émission d'électrons dans le vide. Thus, by the structure of the invention, combined with the use in this structure of semiconductor materials satisfying the inequality (one obtains an effective semiconductor device for emitting electrons in vacuum.

De préférence, parmi les matériaux satisfaisant l'inégalité O(, on choisit ceux appartenant à la famille III-N (nitrure d'élément de la colonne III de la 10 classification périodique des éléments de Mendeleïev) . Preferably, among the O + satisfying materials, those belonging to the III-N family (element nitride of column III of the periodic table of Mendeleyev elements) are selected.

Par exemple, on peut citer comme matériaux de cette famille: GaN, AIN, InN (alliages binaires), AIxGa1_xN, InxGa.xN, InxAll-.xN, (alliages ternaires), (InyAl1-y)xGa1xN (alliage quaternaire). For example, there may be mentioned as materials of this family: GaN, AlN, InN (binary alloys), AlxGa1_xN, InxGa.xN, InxAll-.xN, (ternary alloys), (InyAl1-y) xGa1xN (quaternary alloy).

Ces matériaux offrent une très bonne stabilité chimique et une bonne 15 conductivité thermique (150 à 200 W C-lcml' à 20 C). These materials offer very good chemical stability and good thermal conductivity (150 to 200 W C -1 cm -1 at 20 C).

En outre, ces matériaux semi-conducteurs présentent les propriétés physiques suivantes: -propriété 1: Existence dans la bande de conduction de vallées 20 satellites situées à plus d'un électron-volt (eV) au-dessus du minimum de la vallée centrale, se peuplant en électrons sous de faible champ électrique. L'énergie moyenne des électrons sera par conséquent élevée. Pour le GaN par exemple, l'écart d'énergie Evs entre le minimum de la vallée 25 centrale r (figures 7a,7b,7c) et les minima des vallées satellites est voisin de deux électrons-volts. Le champ nécessaire pour amener des électrons dans les vallées satellites est de quelques centaines de kV/cm seulement, ce qui est une valeur très inférieure au champ de claquage de ce matériau GaN, qui est de l'ordre de plusieurs MV/cm. In addition, these semiconductor materials have the following physical properties: -property 1: Existence in the conduction band of satellite valleys located at more than one electronvolt (eV) above the minimum of the central valley, populating in electrons under a weak electric field. The average energy of the electrons will therefore be high. For GaN, for example, the energy gap Evs between the minimum of the central valley r (FIGS. 7a, 7b, 7c) and the minima of the satellite valleys is close to two electrons-volts. The field necessary to bring electrons into the satellite valleys is only a few hundred kV / cm, which is a much lower value than the breakdown field of this GaN material, which is of the order of several MV / cm.

On rappelle que l'affinité électronique X est l'énergie minimale à fournir aux électrons situés au bas de la bande de conduction pour les extraire du matériau. It is recalled that the electronic affinity X is the minimum energy to be supplied to the electrons located at the bottom of the conduction band to extract them from the material.

L'affinité électronique effective X.eff des électrons peuplant les vallées satellites est égale à x-Evs, de l'ordre de 2 eV: c'est l'énergie qui reste à fournir à ces électrons pour qu'ils quittent le matériau. Le niveau de population de ces niveaux satellites dépendant de l'intensité du champ électrique appliqué au dispositif, on peut dire que l'affinité électronique du matériau est modulé par le champ électrique appliqué et que sa valeur 5 dépend de l'intensité de ce champ. Ainsi, la propriété 1 permet de réduire significativement l'affinité électronique du ou des matériaux de la structure, par l'application d'un champ électrique adapté. The effective electron affinity X.eff of the electrons populating the satellite valleys is equal to x-evs, of the order of 2 eV: it is the energy that remains to be supplied to these electrons so that they leave the material. Since the population level of these satellite levels depends on the intensity of the electric field applied to the device, it can be said that the electronic affinity of the material is modulated by the applied electric field and that its value depends on the intensity of this field. . Thus, property 1 makes it possible to significantly reduce the electronic affinity of the material or materials of the structure, by applying a suitable electric field.

Les figures 7a et 7b illustrent cet aspect. Elles représentent schématiquement l'occupation des niveaux d'énergies et la modulation de 10 I'affinité électronique en fonction du champ électrique appliqué pour un matériau sélectionné selon l'invention. Figures 7a and 7b illustrate this aspect. They schematically represent the occupation of the energy levels and the modulation of the electronic affinity as a function of the applied electric field for a material selected according to the invention.

La figure 7a illustre le cas dans lequel aucun champ électrique n'est appliqué au semi-conducteur. Seule la vallée centrale F de plus basse énergie est occupée par les électrons. Figure 7a illustrates the case in which no electric field is applied to the semiconductor. Only the lower energy central valley F is occupied by the electrons.

La figure 7b montre que pour un champ électrique de valeur modérée, des électrons occupent aussi les premières vallées satellites. L'énergie restant à fournir aux électrons pour les extraire du matériau est alors réduite de la quantité Evs. Le champ électrique appliqué aura donc permis de réduire l'affinité électronique de ces électrons. Figure 7b shows that for a moderate electric field, electrons also occupy the first satellite valleys. The energy remaining to be supplied to the electrons to extract them from the material is then reduced by the amount Evs. The applied electric field has therefore reduced the electron affinity of these electrons.

La figure 7c montre que lorsque le champ électrique devient plus intense, des électrons occupent les vallées d'énergies situées au-dessus de l'affinité électronique %. L'énergie d'ionisation Ejonls étant supérieure à l'affinité électronique du matériau X, il existera une valeur du champ pour laquelle les électrons les plus énergétiques vérifieront la relation % < E6 < Eionis. Il y aura 25 alors émission d'électrons dans le vide sans génération de paires électrontrou. L'efficacité du dispositif sera ainsi optimale. Figure 7c shows that as the electric field becomes more intense, electrons occupy the energy valleys above electron affinity. Since the ionization energy Ejonls is greater than the electronic affinity of the material X, there will be a value of the field for which the most energetic electrons will verify the relation% <E6 <Eionis. There will then be electron emission in the vacuum without generation of electrontrou pairs. The effectiveness of the device will be optimal.

- propriété 2: Une bande interdite Eg de valeur comparable à l'affinité électronique: la largeur de la bande interdite va de 0.8 30 jusqu'à 6.2 eV selon la composition du matériau, I'affinité électronique en l'absence de champ électrique évoluant quant à elle entre 3 et 4 eV. property 2: A forbidden band Eg whose value is comparable to electronic affinity: the width of the forbidden band ranges from 0.8 to 6.2 eV depending on the composition of the material, the electronic affinity in the absence of an evolving electric field as for her between 3 and 4 eV.

Cette propriété permet une émission d'électrons dans le vide sans que 35 cette émission ne s'accompagne d'un courant d'avalanche excessif. This property allows electron emission in vacuum without this emission being accompanied by excessive avalanche current.

L'efficacité d'émission, définie comme le rapport entre le courant émis et le courant total circulant dans le dispositif, sera par conséquent optimale. En effet l'énergie d'ionisation E1onis, qui est proportionnelle à la largeur Eg de la bande interdite, pourra être supérieure à l'affinité électronique X du matériau. The emission efficiency, defined as the ratio between the emitted current and the total current flowing in the device, will therefore be optimal. Indeed, the ionization energy E1onis, which is proportional to the width Eg of the forbidden band, may be greater than the electronic affinity X of the material.

La figure 8a montre la distribution n(E-) des électrons en fonction de leur 5 énergie E-, dans un matériau GaN soumis à un champ électrique F. L'énergie d'ionisation Eio.is est approximativement égale à 1.3 x Eg = 4. 5 eV, valeur qui est bien supérieure à l'affinité % de ce matériau (= 4 eV). Figure 8a shows the n (E-) distribution of electrons as a function of their E- energy, in a GaN material subjected to an electric field F. The ionization energy Eio.is is approximately equal to 1.3 x Eg = 4. 5 eV, which is much higher than the% affinity of this material (= 4 eV).

L'application d'un champ électrique interne permet ainsi de rendre négative l'affinité électronique pour une fraction des électrons d'énergie E- supérieure e à l'affinité électronique % . Il existe une valeur optimale Fopt du champ électrique appliqué, telle que l'énergie Eé des électrons les plus énergétiques vérifie la relation % < Eé < Eionis, rendant ainsi possible leur émission dans le vide (X < Eè) sans générer de paires électron-trou (Eê < Eionis). On a alors une efficacité 15 optimale. The application of an internal electric field thus makes it possible to make the electronic affinity negative for a fraction of the electrons of energy E greater than the electronic affinity%. There is an optimum value Fopt of the applied electric field, such that the energy Ee of the most energetic electrons satisfies the relation% <Ee <Eionis, thus making it possible their emission in the vacuum (X <Ee) without generating electron pairs. hole (Eê <Eionis). We then have an optimal efficiency.

-propriété 3: la structure de bande du matériau est telle que l'on a des valeurs élevées du taux de collisions électron-phonon Tph et de l'énergie ho des phonons polaires optiques 20 échangée au cours de l'interaction des électrons avec le réseau. property 3: the band structure of the material is such that one has high values of the electron-phonon collision rate Tph and the energy ho of the polar polar phonons exchanged during the interaction of the electrons with the network.

Pour le GaN, hA est de l'ordre de 0.092 eV (ce qui est 2,5 fois plus élevée que pour l'AsGa, qui n'est pas un matériau vérifiant l'inégalité () ). For GaN, hA is of the order of 0.092 eV (which is 2.5 times higher than for the AsGa, which is not a material verifying the inequality ()).

Cette propriété associée à un accroissement relativement lent du taux de collisions ionisantes Tj en fonction de l'énergie des électrons va favoriser l'existence d'électrons à des énergies élevées. A des énergies plus de deux fois supérieures à la largeur de la bande interdite, ce taux -cr n'est que de 1013 collisions par seconde pour le GaN. This property associated with a relatively slow increase in the rate of ionizing collisions Tj as a function of the electron energy will favor the existence of electrons at high energies. At energies more than twice the width of the forbidden band, this -cr rate is only 1013 collisions per second for GaN.

En effet, comme représenté sur les figures 8a et 8b pour le GaN, la distribution énergétique n(Ee) des électrons d'un matériau semiconducteur soumis à un intense champ électrique résulte de la manière dont ces électrons échangent leur énergie avec le réseau cristallin. Aux énergies qui nous intéressent, supérieure à X, les deux processus de collisions avec des 35 phonons et de collisions ionisantes sont en compétition. Soit les électrons perdent leur énergie via les collisions avec les phonons. Soit ils perdent cette énergie via l'excitation de paires électron-trous. Cependant, ces deux processus ne sont pas équivalents. Indeed, as shown in Figures 8a and 8b for GaN, the energy distribution n (Ee) electrons of a semiconductor material subjected to an intense electric field results from the way in which these electrons exchange their energy with the crystal lattice. At energies of interest to us, greater than X, the two processes of phonon collisions and ionizing collisions are in competition. Either the electrons lose their energy via collisions with the phonons. Either they lose this energy via the excitation of electron-hole pairs. However, these two processes are not equivalent.

Le processus d'ionisation a pour effet de tronquer la distribution des 5 électrons aux hautes énergies, puisque lors d'une collision ionisante, l'électron incident perd une énergie de l'ordre de la largeur de bande interdite Eg, tout en générant des électrons secondaires de faible énergie. The ionization process has the effect of truncating the electron distribution at high energies, since during an ionizing collision, the incident electron loses an energy of the order of the forbidden bandwidth Eg, while generating secondary electrons of low energy.

Les collisions avec les phonons ont une action opposée. Elles favorisent la présence des électrons à de plus hautes énergies, en relaxant 10 leur énergie (l'énergie des électrons). Collisions with phonons have an opposite action. They favor the presence of electrons at higher energies, by relaxing their energy (the energy of the electrons).

De l'équilibre entre ces deux processus résulte la distribution des électrons en énergie. Sur la figure 8b, l'équilibre est atteint au point de croisement des deux courbes du taux de collisions avec les phonons 1rph et du taux de collisions ionisantes Tj selon l'énergie des électrons. The balance between these two processes results in the distribution of electrons in energy. In FIG. 8b, the equilibrium is reached at the point of intersection of the two curves of the collision rate with the phonons 1rph and the rate of ionizing collisions Tj according to the energy of the electrons.

Ainsi un couplage électron-phonon efficace, en offrant aux électrons une voie parallèle au phénomène d'avalanche pour relaxer leur énergie, est favorable à la présence d'un plus grand nombre d'électrons au-delà de l'énergie d'ionisation Eionis du semi-conducteur. L'énergie Eeq pour laquelle les pertes induites par ces deux processus sont équivalentes est donnée par ho) la relation r"M[Eeq]=TphononX-. Au-delà de cette énergie Eeq le nombre d'électrons diminue rapidement car ils subissent de plus en plus de collisions ionisantes au cours desquelles ils perdent la majeure partie de leur l'énergie. Thus an effective electron-phonon coupling, by offering electrons a parallel path to the avalanche phenomenon to relax their energy, is favorable to the presence of a larger number of electrons beyond the Eionis ionization energy. semiconductor. The energy Eeq for which the losses induced by these two processes are equivalent is given by ho) the relation r "M [Eeq] = TphononX- Beyond this energy Eeq the number of electrons decreases rapidly because they undergo more and more ionizing collisions in which they lose most of their energy.

La sélection de matériaux semi-conducteur selon l'invention permet ainsi de maximiser le nombre d'électrons émis dans le vide et l'efficacité 25 d'émission, car rml[Ee,q] est grand (le taux de perte d'énergie avec les phonons est important) et l'énergie Eeq associée à -i est la plus élevée possible (le nombre de paires électron-trou créées par seconde augmente lentement avec l'énergie des électrons incident). The selection of semiconductor materials according to the invention thus makes it possible to maximize the number of electrons emitted in the vacuum and the emission efficiency, because rml [Ee, q] is large (the rate of energy loss with the phonons is important) and the energy Eeq associated with -i is the highest possible (the number of electron-hole pairs created per second increases slowly with the energy of the incident electrons).

On parle alors de "claquage mou ", car la valeur Eonis ne constitue pas 30 une limite infranchissable, l'énergie des électrons pouvant largement dépasser cette valeur. Dans le cas du GaN par exemple, l'énergie maximale est égale à 9 eV soit deux fois l'énergie d'ionisation du réseau Eonis Dans le cas contraire on parle de "claquage dur", l'énergie des électrons ne peut pas alors dépasser l'énergie E0ons, les électrons d'énergie supérieure à cette valeur, relaxant immédiatement leur énergie par la création de paires électron - trou. This is called "soft breakdown" because the Eonis value does not constitute an insurmountable limit, the energy of the electrons can greatly exceed this value. In the case of GaN, for example, the maximum energy is equal to 9 eV, ie twice the ionization energy of the Eonis network. In the opposite case, it is called "hard breakdown", the energy of the electrons can not then be to exceed the energy E0ons, the electrons of energy higher than this value, immediately relaxing their energy by the creation of electron-hole pairs.

A titre d'exemple, des calculs numériques théoriques réalisés pour le GaN, et tenant compte de la structure de bande du matériau, montrent que le 5 nombre de collisions ionisantes pour des électrons d'énergie de 6.4 et de 7.3 eV est de l'ordre de 10 12 et de 1 03 collisions par seconde respectivement. La probabilité, associée à ces énergies, pour qu'un électron génère une paire électron - trou avant que son énergie ne soit relaxée sous Efonis, soit en interagissant avec les phonons soit en ionisant le réseau, n'est seulement 10 que de 1 et 10 % respectivement et il faut que les électrons atteignent des énergies de l'ordre de 9 à 10 eV pour que cette probabilité soit de 100 %. By way of example, theoretical numerical calculations carried out for GaN, and taking into account the band structure of the material, show that the number of ionizing collisions for energy electrons of 6.4 and 7.3 eV is equal to order of 10 12 and 1 03 collisions per second respectively. The probability, associated with these energies, for an electron to generate an electron - hole pair before its energy is relaxed under Efonis, either by interacting with the phonons or by ionizing the lattice, is only 1 and 1. 10% respectively and it is necessary that the electrons reach energies of the order of 9 to 10 eV so that this probability is of 100%.

C'est l'énergie maximale Eim au-delà de laquelle le nombre d'électron sera négligeable. Les valeurs des libres parcours moyens électroniques associées à ces taux de collisions sont de l'ordre du millier à quelques milliers 15 d'Angstrôms et de la centaine à quelques centaines d'Angstrôms respectivement. Par conséquent si ces électrons se trouvent à une distance de la surface inférieure à ce libre parcours moyen alors ils auront une grande probabilité de sortir du matériau. This is the maximum energy Eim beyond which the number of electrons will be negligible. The values of the electronic mean free paths associated with these collision rates are of the order of thousands to a few thousand Angstroms and from the hundred to a few hundred Angstroms respectively. Therefore if these electrons are at a distance from the surface below this average free path then they will have a high probability of coming out of the material.

Ainsi cette troisième propriété favorise la présence d'électrons à des 20 énergies élevées, et assouplie les contraintes de fabrication et de mise en oeuvre du dispositif. Thus this third property promotes the presence of electrons at high energies, and eases the constraints of manufacture and implementation of the device.

Il résulte de l'ensemble de ces propriétés que soumis à un champ électrique de faible intensité (typiquement de l'ordre de quelques centaines 25 de kiloVolts/cm), l'énergie moyenne des électrons sera grande, en raison de l'existence de vallées satellites d'énergie élevée, (propriété 1), qu'une fraction significative des électrons pourra avoir une énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau mais inférieure à son énergie d'ionisation (propriété 2), et que l'émission se fera sans que celle-ci ne s'accompagne 30 d'un courant d'avalanche significatif, garantissant une efficacité d'émission optimale (propriété 3). Par ces propriétés, un électron peut atteindre plusieurs positions dans la bande de conduction, et notamment être stocké dans une vallée d'énergie élevée (dans les premières vallées satellites sous faible champfigure 7b) avant d'être transféré vers une vallée d'énergie 35 supérieure à l'affinité électronique du matériau lorsque le champ électrique devient plus intense (figure 7c). L'application d'un champ électrique interne au semi-conducteur permet ainsi de moduler l'affinité électronique de ces dispositifs, la rendant négative pour une fraction significative d'électrons leur permettant par ce moyen de sortir du semi-conducteur avec une efficacité d'émission optimale. It results from all these properties that subjected to a low intensity electric field (typically of the order of a few hundred kiloVolts / cm), the average energy of the electrons will be large, because of the existence of high energy satellite valleys, (property 1), a significant fraction of the electrons may have an energy greater than the electronic affinity of the material but less than its ionization energy (property 2), and that the emission will without it being accompanied by a significant avalanche current, guaranteeing an optimal emission efficiency (property 3). By these properties, an electron can reach several positions in the conduction band, and in particular be stored in a high energy valley (in the first satellite valleys under weak fieldfigure 7b) before being transferred to a valley of energy. greater than the electronic affinity of the material when the electric field becomes more intense (Figure 7c). The application of an internal electric field to the semiconductor thus makes it possible to modulate the electronic affinity of these devices, rendering it negative for a significant fraction of electrons, thereby enabling them to exit the semiconductor with a high efficiency. optimal emission.

Ainsi, le dispositif d'émission d'électrons dans le vide avec une structure n/p/n ou n/p/nid/n ou n/n-/p/nid/n basée sur un ou des matériaux de la famille III-N est particulièrement avantageux, sur le plan du procédé technologique de fabrication et d'utilisation du dispositif. Il permet en outre 10 d'augmenter significativement le courant électronique émis dans le vide et la durée de vie du dispositif. Thus, the device for emitting electrons in a vacuum with a structure n / p / n or n / p / nid / n or n / n- / p / nid / n based on one or more materials of the family III -N is particularly advantageous, in terms of the technological process of manufacture and use of the device. It furthermore makes it possible to significantly increase the electronic current emitted in the vacuum and the service life of the device.

Si on se place dans une structure utilisant un alliage binaire ou ternaire des nitrures de la colonne III, une structure de couches d'un dispositif d'émission d'électrons conforme à l'invention sera 15 préférentiellement du type: (6/7/8) - n±XxY1.xN / p-XyY1.yN / n+ -XtY1-tN ou (6/9/7/8) _ n±XxY1.xN / n--XuY1.uN/ p-XyYlyN / n+ -XtY1ltN ou (6/7/11/8) _ n±XxY1_xN / p-XyY1.yN / nid-XzY1.zN / n+ -XtY1-tN ou (6/9/7/11/8) _ n±XxY1_xN / n--XuY1-uN / p-XyYlyN / nid-XzY1lzN / n+ - XtY1-tN 20 avec 0 < u < 1,0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1 et 0 < t < 1 et (X,Y)_ (In,AI), (AI,Ga), (In,Ga). If a structure using a binary or ternary alloy of the nitrides of column III is used, a layer structure of an electron-emitting device according to the invention will preferably be of the type: (6/7 / 8) - n ± XxY1.xN / p-XyY1.yN / n + -XtY1-tN or (6/9/7/8) _ n ± XxY1.xN / n - XuY1.uN / p-XyYlyN / n + - XtY1ltN or (6/7/11/8) _ n ± XxY1_xN / p-XyY1.yN / nid-XzY1.zN / n + -XtY1-tN or (6/9/7/11/8) _ n ± XxY1_xN / n - XuY1-uN / p-XyYlyN / nid-XzY1lzN / n + - XtY1-tN with 0 <u <1.0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1 and 0 <t < 1 and (X, Y) (In, Al), (Al, Ga), (In, Ga).

Dans le cas d'une structure à homojonction, on utilisera par exemple uniquement du GaN (Y=Ga, x=0), ou de l'AIxGa1lxN. 25 Dans le cas d'une structure à hétéro-jonction, on aura par exemple les structures suivantes: couche 8: n+ InxGa1.-xN couchell: n ' InxGa1-xN ou AlIGa1_N ou InvAllN couche 7: p InzGa1zN AIzGa1zN InzAl1zN couche 9: n InzGa1zN ou AltGa1tN AIzGa1zN ou InzAl1.zN ou IntAI1_tN IntAll-tN couche 6: n+ InuGa1- uN ou AluGa1.N ou InuAl1-uN Avec x, y, z, t, u [0- 0,4], et z' <z, x' <x. In the case of a homojunction structure, for example, only GaN (Y = Ga, x = 0), or AIxGa1lxN will be used. In the case of a hetero-junction structure, there will be for example the following structures: layer 8: n + InxGa1.-xN couchell: n 'InxGa1-xN or AlIGa1_N or InvAllN layer 7: p InzGa1zN AIzGa1zN InzAl1zN layer 9: n InzGa1zN or AltGa1tN AIzGa1zN or InzAl1.zN or IntAI1_tN IntAll-tN layer 6: n + InuGa1- uN or AluGa1.N or InuAl1-uN With x, y, z, t, u [0-0.4], and z ' <z, x '<x.

couche 8: n+ AIxGa1_,xN coucher 1: n' AIxGa,.xN ou InyAIl1,N couche 7: p InzGal.zN AIzGal.zN InzAl.zN couche 9: n- InzGa.z.N ou AltGa.tN AIzGalzN ou InzAl.zN ou IntAll.tN IntAlltN couche 6: n+ InuGa1-uN ou AlGa_, N ou InAIluN Avec x, y, z, t, u E [o - 0,4], et z' < z, x' <x. layer 8: n + AIxGa1_, xN bed 1: n 'AIxGa, .xN or InyAIl1, N layer 7: p InzGal.zN AIzGal.zN InzAl.zN layer 9: n- InzGa.zN or AltGa.tN AIzGalzN or InzAl.zN or IntAll.tN IntAlltN layer 6: n + InuGa1-uN or AlGa_, N or InAIluN With x, y, z, t, u E [o - 0.4], and z '<z, x' <x.

Dans les exemples de structure 6/9/7/11/8 à double hétéro-jonction 5 donnés ci-dessus, on cherche à exploiter l'écart d'énergie AEc résultant de la différence d'affinité électronique entre les deux matériaux constituant les couches 8 et 11. Les électrons bénéficient ainsi d'un apport d'énergie supplémentaire égal à AEc, lors de leur passage de la couche 11 dans la couche 8. Cet apport favorise l'émission des électrons dans le vide puisqu'il 10 se produit au voisinage immédiat de la surface. A cet effet, les matériaux ont été choisis de sorte que le matériau de la couche 11 ( n' ou nid) ait une affinité électronique plus faible que celui de la couche de sortie 8. Par exemple, dans le cas d'une structure du type (9/6/7/11/8) (GaN/AI0.3Ga0. 7N/GaNI AIO.3Ga0.7N /GaN), AEc est de l'ordre de 0.4 à 0.5 eV. 15 On notera que cet effet peut aussi être obtenu dans le cas des structures de type 6/7/8 ou 6/9/7/8, le changement de d'affinité électronique s'appliquant alors entre la couche 8 de sortie et la couche précédente dans l'empilement, c'est à dire la couche 7 (base). In the examples of structure 6/9/7/11/8 with double heterojunction 5 given above, it is sought to exploit the energy difference AEc resulting from the difference in electronic affinity between the two materials constituting the layers 8 and 11. The electrons thus benefit from an additional energy supply equal to AEc, during their passage from the layer 11 into the layer 8. This contribution promotes the emission of electrons in a vacuum since it is produced in the immediate vicinity of the surface. For this purpose, the materials have been chosen so that the material of the layer 11 (n 'or nest) has a lower electronic affinity than that of the exit layer 8. For example, in the case of a structure of the type (9/6/7/11/8) (GaN / Al0.3Ga0.7N / GaNI AIO.3Ga0.7N / GaN), AEc is of the order of 0.4 to 0.5 eV. It should be noted that this effect can also be obtained in the case of structures of the 6/7/8 or 6/9/7/8 type, the change of electronic affinity then applying between the output layer 8 and the previous layer in the stack, ie the layer 7 (base).

Ainsi, une partie de l'énergie nécessaire à l'émission des électrons 20 dans le vide est fournie par le champ électrique présent dans la couche 1 1 et le complément est apporté de façon adiabatique aux électrons (c'est à dire sans échange d'énergie avec le réseau) dés leur entrée dans la couche de sortie 8. Thus, a part of the energy required for the emission of electrons 20 in vacuo is provided by the electric field present in the layer 11 and the complement is provided adiabatically to the electrons (that is to say without exchange of electrons). energy with the network) as soon as they enter the output layer 8.

Dans le cas o la discontinuité AEc entre deux couches de 25 I'empilement est négative, la situation peut être défavorable au passage des électrons dans la structure, notamment au niveau de la jonction J1 entre les couches (6) et (7) ou (9) et (7), le courant passant dans une couche dans laquelle l'affinité électronique est plus petite que dans la couche précédemment traversée. In the case where the discontinuity AEc between two layers of the stack is negative, the situation may be unfavorable to the passage of electrons in the structure, especially at the junction J1 between the layers (6) and (7) or ( 9) and (7), the current flowing in a layer in which the electronic affinity is smaller than in the previously crossed layer.

On peut alors prévoir un gradient de composition entre les couches concernées de manière à réduire voir à annuler cette discontinuité. It is then possible to provide a composition gradient between the layers concerned so as to reduce or cancel this discontinuity.

La figure 3 illustre une source d'électrons, comprenant un dispositif 5 d'émission conforme à l'invention, formant une cathode froide K, située à distance d'une anode A. L'anode est polarisée à un potentiel d'anode Va référencé par rapport au potentiel de référence de la structure, Vss dans l'exemple. Ce potentiel d'anode Va est en pratique déterminée par rapport au potentiel Ve de la surface d'émission 10, pour créer un faible champ 10 électrique Fext orienté depuis l'anode vers la surface d'émission 10. Ce champ électrique permet l'évacuation du flux d'électrons émis hors de la cathode, vers l'anode. FIG. 3 illustrates an electron source, comprising a transmission device 5 according to the invention, forming a cold cathode K situated at a distance from an anode A. The anode is polarized at an anode potential Va referenced with respect to the reference potential of the structure, Vss in the example. This anode potential Va is in practice determined with respect to the potential Ve of the emission surface 10, to create a weak electric field Fext oriented from the anode towards the emission surface 10. This electric field enables the evacuation of the electron flow emitted out of the cathode towards the anode.

Dans un exemple pratique, on aura Ve=5 à 50 volts (valeurs déterminées en fonction de l'épaisseur et du dopage des couches 7/11/8), 15 Va=0 à 100 volts, Vi=3 à 4 volts. La valeur du champ électrique externe est donné par Fext=Va d Les diagrammes des bandes d'énergie (bande de conduction Ec et niveau du vide Ev) d'une structure de source d'électrons conforme à l'invention, ainsi que le champ électrique F dans cette structure sont 20 représentés sur la figure 5, lorsque la structure est non polarisée (traits continus) et polarisée (traits pointillés), dans le cas d'une structure du type à homojonction. In a practical example, Ve = 5 to 50 volts (values determined according to the thickness and doping of layers 7/11/8), Va = 0 to 100 volts, Vi = 3 to 4 volts. The value of the external electric field is given by Fext = Va d The diagrams of the energy bands (conduction band Ec and vacuum level Ev) of an electron source structure according to the invention, as well as the field Electrical F in this structure are shown in Figure 5, when the structure is unpolarized (solid lines) and polarized (dashed lines), in the case of a homojunction type structure.

La première jonction J1 constitue la zone d'injection des électrons. The first junction J1 constitutes the electron injection zone.

Lorsqu'elle est polarisée en directe sous la tension Vi, les électrons 25 thermalisés (ie, à la température du réseau) diffusent dans la base (couche 7). When it is forward biased at the voltage Vi, the thermalised electrons (ie, at the network temperature) diffuse into the base (layer 7).

La deuxième jonction J2 constitue la zone de montée en énergie des électrons, pour permettre l'émission d'électrons dans le vide. Lorsque cette jonction est polarisée en inverse sous la tension Ve, elle est le siège d'un 30 champ électrique interne intense, qui permet d'exciter une part significative des électrons vers des niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique 7X du matériau. The second junction J2 is the energy rise zone of the electrons, to allow the emission of electrons in the vacuum. When this junction is reverse biased under the voltage Ve, it is the seat of an intense internal electric field, which makes it possible to excite a significant part of the electrons towards energy levels higher than the electronic affinity 7X of the material. .

La tension Ve est en pratique déterminée pour qu'une fraction significative des électrons puisse être émise dans le vide. Cette tension Ve 35 ne doit pas être trop élevée, pour éviter l'ionisation du réseau (création de paires électrons - trous par effet d'avalanche). Les électrons ainsi émis à l'extérieur du matériau sont alors évacués à l'aide d'un champ électrique externe, de faible intensité. Ce champ électrique peut être généré par tout moyen connu de l'homme de l'art. Par exemple, il peut être créé comme 5 illustré sur les figures 3 et 5, en plaçant une anode A convenablement polarisée à une tension Va>Ve, au- dessus de la zone émissive 10. The voltage Ve is in practice determined so that a significant fraction of the electrons can be emitted in vacuum. This voltage Ve 35 must not be too high, to avoid the ionization of the network (creation of electron pairs - holes by avalanche effect). The electrons thus emitted outside the material are then evacuated using an external electric field of low intensity. This electric field can be generated by any means known to those skilled in the art. For example, it can be created as illustrated in FIGS. 3 and 5, by placing an appropriately polarized anode A at a voltage Va> Ve, above the emissive zone 10.

Une grille de commande (non représentée) peut aussi être prévue, disposée à distance entre la cathode et l'anode, par exemple pour des applications de type amplification de puissance (klystrons). Un dispositif de 10 modulation de la tension appliquée sur ladite grille est alors prévu, permettant une amplification de puissance haute fréquence. A control gate (not shown) may also be provided, disposed remotely between the cathode and the anode, for example for power amplification type applications (klystrons). A device for modulating the voltage applied to said gate is then provided, allowing high frequency power amplification.

Pour obtenir les meilleurs résultats en terme de densité de courant d'électrons émis, les différents éléments de la structure du dispositif 15 d'émission selon l'invention peuvent être optimisés. To obtain the best results in terms of current density of emitted electrons, the various elements of the structure of the transmission device according to the invention can be optimized.

Notamment, on prévoit de préférence de régler l'épaisseur et le dopage des différentes couches, pour que chacune soit optimale vis à vis de la fonction qu'elle assume dans la structure. In particular, it is preferably provided to adjust the thickness and doping of the different layers, so that each is optimal with respect to the function it assumes in the structure.

Un aspect de l'optimisation concerne la couche 8 fortement dopée n+ 20 de la jonction J2 émettrice. De préférence, on règle l'épaisseur et le dopage de cette couche 8, en fonction des tensions de polarisation Ve, Vi appliquées à la structure, et qui déterminent le champ en interne comme illustré sur les courbes de la figure 5, de manière à ce que cette couche 8 se retrouve partiellement ou, de préférence, comme représenté sur la figure 5, 25 totalement déplétée en surface. De cette façon, on minimise l'énergie perdue par les électrons lors de la traversée de cette couche, le champ électrique compensant partiellement ou totalement les pertes liées aux collisions électrons- phonons. De préférence, le dopage de cette couche 8 de la structure sera choisi supérieur à quelques 1018/cm3, et son épaisseur 30 inférieure à 1000 Angstroms. One aspect of the optimization relates to the highly n + 20 doped layer 8 of the J2 junction emitter. Preferably, the thickness and the doping of this layer 8 are adjusted as a function of the biasing voltages Ve, Vi applied to the structure and which determine the field internally as illustrated in the curves of FIG. this layer 8 is partially or, preferably, as shown in FIG. 5, completely depleted at the surface. In this way, the energy lost by the electrons during the crossing of this layer is minimized, the electric field partially or totally compensating the losses related to the electron-phonon collisions. Preferably, the doping of this layer 8 of the structure will be chosen greater than a few 1018 / cm3, and its thickness less than 1000 Angstroms.

L'épaisseur de la couche 11 non intentionnellement dopée sera de préférence comprise entre 50 à 1000 Angstrôms, définie par rapport à l'intensité du champ électrique que l'on souhaite appliquer. The thickness of the unintentionally doped layer 11 will preferably be between 50 and 1000 Angstroms, defined with respect to the intensity of the electric field that it is desired to apply.

Le dopage de la couche 7 de type p (base) sera de préférence choisi 35 supérieur à quelques 1018/cm3, et son épaisseur comprise entre 100 et quelques milliers d'Angstrôms, selon la valeur du dopage, qui fixe la valeur maximale du champ électrique. The doping of the p-type (base) layer 7 will preferably be greater than a few 1018 / cm3, and its thickness between 100 and a few thousand Angstroms, depending on the doping value, which sets the maximum value of the field. electric.

Le dopage de la couche 9 de type n de la jonction J1 fournissant les électrons est inférieur au dopage des couches 6, 7 et 8 pour permettre 5 I'implantation des zones aveugles ou caissons d'isolation, selon un perfectionnement de la structure de l'invention représenté sur la figure 3 et déjà décrit. Il est choisi de préférence supérieur à quelques 1016/cm3, et son épaisseur supérieure à 100 Angstrôms. The doping of the n-type layer 9 of the J1 junction supplying the electrons is less than the doping of the layers 6, 7 and 8 to allow the implantation of the blind zones or isolation boxes, according to an improvement in the structure of the the invention shown in Figure 3 and already described. It is preferably chosen to be greater than a few 1016 / cm3 and its thickness greater than 100 Angstroms.

La figure 6 représente de façon schématique un composant semiconducteur comprenant une matrice émettrice M constituée de dispositifs semiconducteurs K d'émission d'électrons selon l'invention, disposés selon un réseau de lignes et de colonnes. Un tel composant peut notamment être utilisé dans les écrans plats. Les dispositifs sont isolés les un des autres, par 15 exemple, par des caissons d'isolation (non représentés). Des lignes de contrôle L et W et M permettent d'amener les tensions de polarisation nécessaires, respectivement Vi, Ve et Vss. Ces lignes sont réalisées de manière connue par l'homme de l'art. Dans le cas o la tension de polarisation de la couche supérieure 8 est différenciée gauche/droite (Ved, 20 Veg) des lignes de conduction supplémentaires (non représentées) sont prévues. Un dispositif de contrôle (driver) peut être intégré au composant semi-conducteur. Il peut être conçu pour permettre le contrôle de chaque dispositif K individuellement. FIG. 6 schematically represents a semiconductor component comprising an emitter matrix M made up of electron-emitting semiconductor devices K according to the invention, arranged in a network of rows and columns. Such a component can in particular be used in flat screens. The devices are isolated from each other, for example, by isolation boxes (not shown). Control lines L and W and M make it possible to bring the necessary bias voltages, respectively Vi, Ve and Vss. These lines are made in a manner known to those skilled in the art. In the case where the bias voltage of the upper layer 8 is differentiated left / right (Ved, Veg) additional conduction lines (not shown) are provided. A control device (driver) can be integrated in the semiconductor component. It can be designed to allow control of each K device individually.

L'invention qui vient d'être décrite permet de s'affranchir du problème de l'apport des électrons et de le découpler de celui de l'émission. Grâce à l'utilisation de matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que définis dans l'invention qui permet de réduire et de rendre négative, par l'intermédiaire de la tension Ve, I'affinité électronique d'une fraction significative des électrons, 30 il ne nécessite pas d'abaisser le travail de sortie des électrons par l'adjonction de matériaux à faible affinité électronique (tel que l'oxyde de césium ou LaB6) ni d'appliquer un champ électrique externe intense pour extraire les électrons du matériau. On notera que, si elle n'est pas nécessaire, on peut cependant envisager de déposer une telle couche 35 d'oxyde sur la surface d'émission 10, pour améliorer encore le rendement. The invention that has just been described makes it possible to overcome the problem of the contribution of the electrons and to decouple it from that of the emission. By using large-gap semiconductor materials as defined in the invention which makes it possible to reduce and render negative, via the voltage Ve, the electronic affinity of a significant fraction of the electrons, It does not require lowering the electron output work by adding low electron affinity materials (such as cesium or LaB6) or applying an intense external electric field to extract the electrons from the material . Note that, if it is not necessary, however, it is possible to consider depositing such an oxide layer on the emission surface 10, to further improve the efficiency.

Enfin, le dispositif de l'invention ayant une surface d'émission planaire laisse envisager des densités de courant effective de l'ordre de quelques kAicm2. Finally, the device of the invention having a planar emission surface allows effective current densities of the order of a few kAicm2 to be envisaged.

La structure du dispositif d'émission de l'invention associée aux matériaux particuliers sélectionnés permet donc de s'affranchir des 5 principaux inconvénients qui ont limité les performances des solutions mises en oeuvre jusqu'à présent. Elle est en outre très facile à produire puisque basée sur des procédés de fabrication associés au transistor bipolaire vertical. Enfin, elle est aisément mise en oeuvre car ne nécessite pas un vide poussé, ni de fort champ électrique externe. Une application possible d'une 10 telle structure est le remplacement des cathodes thermoïoniques utilisées dans les tubes à ondes progressives. The structure of the transmission device of the invention associated with the particular materials selected thus makes it possible to overcome the main disadvantages which have limited the performance of the solutions implemented so far. It is also very easy to produce since it is based on manufacturing processes associated with the vertical bipolar transistor. Finally, it is easily implemented because it does not require a high vacuum or a strong external electric field. One possible application of such a structure is the replacement of thermionic cathodes used in traveling wave tubes.

Claims

1-semiconductor device for emitting electrons in a vacuum comprising a stack of semiconductor layers, characterized in that the stack comprises a first n-type semiconductor layer (6), a second semiconductor layer; p-type driver (7) which forms a first semiconductor junction (J1) with the first layer, and an n-type semiconductor output layer (8) which forms a second semiconductor junction (J2 ) with the second layer, and a surface area (10) of which is in contact with the vacuum, said device comprising means for direct polarization of the first junction (J1) to form an electron injector and polarization means in reverse of the second junction (J2) to form an electron emitter in vacuum, and in that said stack, at least the layers from the second layer to the included output layer are each made in one semiconductor material ay a band gap Eg whose width satisfies the following inequality: Eg> -, where X is the electronic affinity of said material.

2- Device according to claim 1, characterized in that the stack comprises a fourth intrinsic semiconductor layer (11), sandwiched between the second layer (7) and the output layer (8) forming the second junction (J2 ).

3- Device according to claim 1 or 2, characterized in that the stack comprises a fifth n-type semiconductor layer (9) sandwiched between the first layer (6) and the second layer (7) forming the first junction (J 1).

4- Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that one selects as semiconductor material of the type Eg> X-, a material of the family III-N.

5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the second junction (J2) is a hetero-junction, the material of the output layer (8) being chosen with an electronic affinity greater than that of the layer. previous stack (11). 6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first junction (J1) is a heterojunction, the material of the second layer (7) being chosen with an electronic affinity lower than that of the layer, and in that it comprises a concentration gradient between these two layers.

7- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one ohmic contact is provided on the third layer (8), arranged on a peripheral zone, to receive a bias voltage (Ve) .

8- Device according to claim 7, characterized in that said output layer (8) comprises a single contact placed peripherally to form a closed contour.

9- Device according to claim 7, characterized in that said output layer (8) comprises two contact points (C1, Cl ') 30 disposed peripherally and facing one another.

10-Device according to claim 9, characterized in that said contacts are separated from 1 to 10 microns.

11-Device according to claim 9 or 10, characterized in that the biasing means of the second junction (J2) are configured to apply on each of the contacts a respective bias voltage value determining an orientation of the internal electric field (Fint) through the transmitter junction (J2).

12-Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises an isolation box 10 (12, 12 ') under each engagement (Ci, C1') of said third layer (8), made in a lower layer of the stack, the inner side (13) of said box being substantially in line with the inner side of the corresponding contact, or slight overhang (D). 13-Device according to claim 2 and 12, comprising a fourth intermediate layer (11), characterized in that said isolation box (12, 12 ') is formed in said fourth layer (11).

14-Device according to claim 12 or 13, characterized in that it comprises an additional isolation box (14, 14 '), under each box (12, 12') of insulation provided under a contact, said additional box being made in the fifth layer (9) of the first junction (J1), and the inner side (15) of said additional box (14) being substantially in line with the inner side of the corresponding insulation box (12). ), or in slight overflow (D).

15. The device as claimed in claim 1, wherein the fifth semiconductor layer has an impurity doping greater than first layer (6), the second layer (7) and the output layer (8), and a thickness of 100 Angstroms and more.

16-Device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the second layer (7) has an impurity doping of conductivity type p greater than 1018 / cm3.

17-Device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the output layer (8) has an impurity doping of the conductivity type n greater than 1018 / cm3 and a thickness less than or equal to 2000 Angstroms .

18-Device according to any one of claims 1 to 6, in combination with claim 2, characterized in that the fourth layer (11) has a thickness between 50 and 1000 Angstroms.

19-Device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the output layer (8) comprises at the surface a material with negative electronic affinity.

A semiconductor component comprising a plurality of semiconductor devices as claimed in any one of the preceding claims arranged in a network of 25 rows and columns.

21-Electron source, comprising at least one cathode (K) arranged at a distance (dA) from an anode (A), characterized in that the cathode is formed of a semiconductor device 30 according to any one of the preceding claims.

22-Electron source according to claim 21, characterized in that an electric field (Fext) is applied between the anode and the cathode of low intensity.

23. An electron source according to claim 21 or 22, characterized in that it further comprises a gate (G) disposed at a distance between the cathode and the anode, and a device for modulating the voltage applied to said grid, to achieve high frequency power amplification.

An electronic or optoelectronic device comprising an electron source according to any one of claims 21 to 23.