JP2002057322A - 電子デバイス - Google Patents
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Abstract
バイスを提供する。 【解決手段】 電子を供給するための電子供給層2をn
−GaN層により構成し、電子を表面側に移動させる電
子輸送層3をノンドープ(真性)でAl含有比xについ
て傾斜組成を有するAlx Ga1-x N(0≦x≦1)に
より構成し、表面層4を負の親和力(NEA)を有する
ノンドープのAlNにより構成している。さらに、表面
層4と表面電極6との間に、表面電極6への一部の電子
の移動に対する障壁として機能し、かつ、表面層4より
も大きい電子親和力を有するフィルタ層5を介在させ
る。これにより、リーク電流を抑制して、電子の放出効
率を高めることができる。
Description
は0に近い材料により構成される表面層を備え、電子放
出機能を有する電子デバイスの改良に関するものであ
る。
(W)等の高融点金属材料からなる陰極と、空間を隔て
て陰極に対向する陽極とを設け、陰極を高温に加熱する
ことにより、熱電子を固体から真空中に放出するという
熱陰極方式(電子銃方式)による構造となっていたが、
このような熱陰極方式に代わるものとして、本発明者達
が提案しているいわゆるNEA放出素子素子といわれる
ものがある。NEA電子放出素子とは、負の電子親和力
(Negative Electron Affinity:NEA)を有する半導体
材料又は絶縁体材料を用いた電子放出素子の意味であ
る。以下、電子放出素子として機能する電子デバイス
(以下、「NEA電子デバイス」という)の原理につい
て説明する。
ニウム(AlN)を用いた従来のNEA電子デバイスの
構成を示す斜視図である。図1に示すように、このNE
A電子デバイスは、電子を供給するための電子供給層1
01と、電子供給層101から供給される電子を固体表
面側に輸送するための電子輸送層102と、NEA材料
からなる表面層103と、電子供給層101から表面層
103に電子を移動させるように電圧を印加するための
表面電極104とを備えている。
aN(n−GaN)により構成し、電子供給層101か
ら表面層103まで電子を円滑に移動させる電子輸送層
102をノンドープでAl含有比xが連続的に変化する
傾斜組成を有するAlxGa1 -xN(xは0から1までほ
ぼ連続的に増加する変数)により構成し、表面層103
を真のNEA材料であるAlNにより構成し、表面電極
を白金(Pt)等の金属により構成した例を示してい
る。
な性質である電子親和力と、電子を円滑に輸送するため
に必要な電子輸送層の構造とについて説明する。
在する電子を真空中に取り出すのに要するエネルギー値
を示し、材料固有の値を持つ。以下に、”負の電子親和
力”(Negative Electron Affinity; NEA)という概念
について説明する。
負及び正である半導体材料のエネルギー状態をそれぞれ
表すエネルギーバンド図である。図2(b)に示すよう
に、半導体のフェルミ準位をEf、伝導帯端のエネルギ
ー準位をEc、価電子帯端のエネルギー準位をEv、バン
ドギャップをEgとし、真空準位をEvacとしたとき、一
般の半導体における電子親和力χは、χ=Evac−Ec>
0である。つまり、正の電子親和力を有する。それに対
し、半導体の種類によっては、図2(a)に示すよう
に、χ=Evac−Ec<0となる状態が存在する。つま
り、このような半導体材料、例えばAlNは負の電子親
和力を有することになる。
子親和力を有する半導体の場合、伝導帯端に存在する電
子を真空中に取り出すためには、χの大きさのエネルギ
ー障壁が存在するため、その分だけエネルギーを与える
必要がある。そのため通常、電子放出させるために加熱
によって電子にエネルギーを与えたり、高電界を印加し
てエネルギー障壁をトンネル透過させる必要がある。
親和力を有する半導体の場合には、表面の伝導帯端に存
在する電子にとってエネルギー障壁が存在しないので、
電子は容易に真空中に放出されることとなる。すなわ
ち、半導体表面に存在する電子を真空に取り出すための
余分なエネルギーを必要としない。
のような電子親和力が負あるいは実質的に0であるよう
な材料を用いることが、効率的な電子放出に有効である
と考えられるが、一般的に平衡状態においてNEA材料
の伝導帯に電子は存在していない。故に、何らかの方法
で電子放出が容易な材料から構成される表面層に効率的
に電子を供給する必要がある。
図1に示すように、電子が多数存在する電子供給層10
1(正の電子親和力)からNEA状態の表面層103
(負の電子親和力)に有効に電子を供給するために、電
子親和力値が徐々に小さくなるような中間層(電子輸送
層102)を介した構造が提案されている。
1、電子輸送層102、表面層103及び表面電極10
4とからなる図1の構成例において、電子供給層101
−表面電極104間に電圧を印加していない状態(平衡
状態)及び電圧Vの順バイアスを印加した時のエネルギ
ーバンド図である。上述のように、電子輸送層102
は、表面に向かって徐々に電子親和力χが小さくなるよ
うな材料から選択されている。
態では、電子供給層101の伝導帯には多数の電子が存
在しているが、表面層103の伝導帯端のエネルギーレ
ベルが高いため、電子が最表面に到達することはない。
一方、このような構造に順バイアス(表面電極側に正電
圧)を印加すると、図3(b)に示すようにエネルギー
バンドが曲がる。その結果、電子供給層101に存在す
る電子は濃度勾配及び電位勾配によって、表面層103
側への移動が生じる。つまり電子電流が流れる。また、
電子輸送層102であるAlxGa1-xNや表面層103
であるAlNはノンドープであることから、電子供給層
101から電子輸送層102、表面層103に注入され
た電子は、正孔等との再結合によって捕捉されることな
く移動することができる。また電子輸送層102での組
成傾斜を連続的に行なうことで、電子移動の障害となる
エネルギー障壁が伝導帯端には形成されないため、効率
的に電子を表面まで送るという点で有利である。
Ga1-xN層を電子輸送層102として適用することに
より、正の電子親和力であるn−GaN層から負の電子
親和力である表面層103(AlN層)まで、効率よく
移動させることが可能になる。そして、電子輸送層10
2及び表面層103に注入された電子は、表面層がNE
A状態であることから、容易に表面電極104を通過し
て真空中などの外部に放出させることができるようにな
る。
示す構造を利用したNEA電子デバイスにおいて、表面
電極104に所定の電圧を印加しても、期待した量の電
子が放出されないという現象が見られた。
果、電子輸送層102や表面層103を構成するAlx
Ga1-xN層に微細なクラックなどの欠陥が発生してい
ることがわかった。つまり、電子輸送層102のバンド
ギャップを大きく変化させるべく、AlxGa1-xN層の
組成を大きく変化させていくので、格子定数の変化など
に起因する応力が発生し、微少なクラックを生じさせて
いるものと思われる。そして、クラックなどの欠陥部を
流れる電子は、表面層のうちNEA状態にある部分には
供給されることなく、リーク電流として表面電極104
に流れる。その結果、表面電極104を通過して外部に
放出される電子の量が小さくなり、電子の放出効率が低
下するという不具合を招いたものと推定される。
けるクラックなどの欠陥に起因するリーク電流を抑制す
る手段を講ずることにより、電子放出効率の高い電子デ
バイスの提供を図ることにある。
は、電子供給層と、上記電子供給層上に設けられ、電子
供給層から表面層に向かう方向に電子親和力が小さくな
るように変調された電子輸送層と、上記電子輸送層上に
設けられ、電子親和力が負あるいは0に近い材料により
構成される表面層と、上記電子供給層から上記電子輸送
層を経て上記表面層の最表面まで電子を移動させるよう
に、上記電子供給層に対して電圧を印加するための表面
電極と、上記表面層と上記表面電極との間に設けられ
て、上記表面電極への一部の電子の移動に対する障壁と
して機能し、かつ、上記表面層と同等あるいはより大き
い電子親和力を有するフィルタ層とを備えている。
欠陥がある場合にも、表面層と表面電極との間に設けら
れたフィルタ層が表面層のうちNEA状態にある部分に
は到達しない電子の移動に対する障壁として機能するの
で、リーク電流が表面電極に流れるのが抑制される。し
かも、フィルタ層の電子親和力は表面層の電子親和力よ
りも大きいので、フィルタ層は表面層の伝導帯端と同等
あるいはそれ以上のエネルギーレベルを有する電子の移
動に対する障壁とはならない。したがって、フィルタ層
の存在によって、リーク電流のみが抑制され、表面電極
と電子供給層との間に印加される電圧に応じて表面層か
ら有効に電子が放出され、電子の放出効率が高められる
ことになる。
て上記電子供給層から上記表面層に向かう方向にほぼ連
続的に拡大するバンドギャップを有することにより、電
子輸送層における電子の移動がスムーズになるので好ま
しい。
最表面に近づくほどAlの割合が多くなるように変化す
るAlxGa1-xN(0≦x≦1)により構成されている
ことがより好ましい。
に接する一方の端部から表面層に接する他方の端部まで
上記xの値が0から0.65以上までほぼ連続的にAl
組成が増加していくように構成されていることが好まし
い。
物がドープされていないことが好ましい。
≦x≦1)により構成されていることにより、その表面
が容易に負の電子親和力状態を実現できるので、高い電
子放出効率を有する素子を得ることができるという点で
好ましい。
る絶縁体材料により構成されていることが好ましく、ま
た、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化シリコン(S
iO x)、及び窒化シリコン(SiNx)のうち少なくと
もいずれか1つを含んでいるか、窒化アルミニウム(A
lN),窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体
(AlxGa1-xN)(0.65≦x≦1)及びこれらの
酸化物のうち少なくともいずれか1つを含んでいること
が好ましい。
離間して設けられ、上記表面層から外部に放出された電
子を加速及び制御するための収集電極をさらに備えてい
ることにより、電圧印加によって上記電極層表面より放
出された電子流の加速/収集機構を一体化できるので好
ましい。すなわち、電子供給層−電極層間への電圧印加
により放出された電子を収集する収集電極層を一体構造
とすることにより、信号増幅やスイッチング動作が可能
な電子デバイスをコンパクトかつ高密度に作製すること
ができる。この素子は、上記のように電子放出が容易な
電子供給層/電子輸送層/表面層/電極層からなり、さ
らに放出電子を加速する構成となっているので、絶縁耐
圧が高い、内部損失が小さい、かつ低電圧駆動が可能で
あるといった利点を有している。
態に保つための密閉部材をさらに備えていることによ
り、電子が真空中で高速に加速されて収集電極に集めら
れる構造となり、高いスイッチング機能が得られる。
た絶縁体層をさらに備えていてもよい。
を電子輸送層の断面の一部に制限するための埋め込み層
をさらに備えていることにより、電流の集中により表面
層からの電子の放出効率を高めることができる。
記従来のNEA電子デバイスと同様に、負の電子親和力
(Negative Electron Affinity:NEA)を有する材料
を用いたNEA電子デバイスについて説明する。この負
の電子親和力の意味やNEA電子デバイスの原理につい
ては、上記従来の技術において説明した通りである。
本構成を示す斜視図である。本発明のNEA電子デバイ
スは、オーミック電極1と、電子を供給するための電子
供給層2と、電子供給層2から供給される電子を固体表
面側に輸送するための電子輸送層3と、NEA材料から
なる表面層4と、電子供給層2から表面層4に電子を移
動させるように電圧を印加するための表面電極6とを備
えている。この構造は、基本的には、図1に示す従来の
NEA電子放出素子の構造と同じである。
従来のNEA電子デバイスとは異なり、表面層4と表面
電極6との間に、電子の一部が表面電極6に流れるのを
阻止するためのフィルタ層5を備えている点である。
明する。上記電子供給層2は、例えばn型のGaN(n
−GaN)により構成され、電子供給層2から表面層4
まで電子を輸送する電子輸送層3はノンドープでAl含
有比xが連続的に変化する傾斜組成を有するAlxGa
1-xN(xは0から1までほぼ連続的に増加する変数)
により構成され、表面層4は真のNEA材料であるAl
Nにより構成され、表面電極6は白金(Pt)等の金属
により構成されている。また、上記フィルタ層5は、酸
化アルミニウム(アルミナ)(Al2O3)により構成さ
れている。また、表面電極6は、白金(Pt)等の金属
により構成されている。
子親和力の測定データを示す図である。この図におい
て、横軸はAlxGa1-xN中のAl含有比xを表してい
る。ただしAl含有比xとは、AlxGa1-xN中のGa
とAl含有量におけるAl割合を示し、AlxGa1-xN
全体におけるAl含有比のことではない。以下、同様と
する。この図より、x=0の時、すなわちGaNの電子
親和力は約3.3eVであり、正の電子親和力特性を示
すが、Al含有比xが増加するにつれて電子親和力値は
減少し、x>0.65の領域では電子親和力値はほぼ
0、あるいは負になることがわかる。したがって、x=
1のAlxGa1-xNであるAlNの電子親和力は負の状
態である。つまり、この電子デバイスのごとく、電子供
給層2をn型のGaN(n−GaN)により構成し、電
子輸送層3をノンドープでAl含有比xが連続的に変化
する傾斜組成を有するAlxGa1-xNにより構成し、表
面層4を真のNEA材料であるAlNにより構成するこ
とにより、電子供給層2から表面層4まで、バンドギャ
ップが順次拡大し、電子親和力が順次小さくなる構造を
容易に実現することができる。
子輸送層3、表面層4,フィルタ層5及び表面電極6と
からなる図4の構成例において、電子供給層2−表面電
極6間に電圧を印加していない状態(平衡状態)及び電
圧Vの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図で
ある。図6(a)に示すように、電子輸送層3は、表面
に向かって徐々に電子親和力χが小さくなるような材料
から選択されるが、その材料を巧く選択することによ
り、その材料の組成比を変化させることによって電子親
和力がほぼ連続的に小さくなる構造を実現することがで
きる。
n型にドープされたGaN層(キャリア密度:〜4×1
018個/cm3 )を、電子輸送層3としてドープしていな
い傾斜組成のAlxGa1-xN層(0≦x≦1)を、表面
層4としてAlN層を用いている。傾斜組成のAlxG
a1-xNからなる電子輸送層3は、電子供給層2である
GaNと接する部分ではx=0、つまりAlを含んでお
らず、表面層3であるAlNと接する部分ではx=1、
つまりGaを含んでいない構成としている。またその途
中はx値を徐々に増加させた、つまりAl含有量が表面
に向かって増加していくように組成を傾斜させている。
このような構造にすることにより、図6(a)に示すよ
うに、AlxGa1-xNからなる電子輸送層3の電子親和
力は、電子供給層2と接する部分では正であるが、表面
に向かうにつれてAl含有量の増加に伴って電子親和力
値は小さくなり、電子輸送層3内の表面層4と接する部
分ではAlNと同様に電子親和力が負となる。したがっ
て、電子輸送層3の電子親和力は電子供給層2から表面
層4に至るまでほぼ連続的に減少していることとなる。
Nを用いた場合、上記のような構成はバンドギャップの
連続的な拡大ともとらえることもできる。図7は、Al
xGa1-xN(0≦x≦1)のバンドギャップのAl含有
比依存性を示す図である。同図において、横軸はAl含
有比xを表しており、縦軸はその組成におけるバンドギ
ャップEg(eV)を表している。同図に示すように、
AlxGa1-xNのEg値は、xの増加に対して厳密には
直線ではないが、直線に近い関係で大きくなっていく。
つまり、電子輸送層3を構成するAlxGa1-xN層は、
電子供給層2を構成するGaN層と接する部分ではx=
0であってGaN層と同じバンドギャップ(Eg=3.
4eV)を有し、表面層4を構成するAlN層と接する
部分ではx=1であってAlN層と同じバンドギャップ
(Eg=6.2eV)を有している。また、AlxGa
1-xN層のうち両端部を除く領域においては、x値が徐
々に増加しているので、つまり、Al含有量が表面に向
かって徐々に増加していくように組成が傾斜しているの
で、電子輸送層3のバンドギャップは、電子供給層2か
ら表面層4に至るまでAl含有量の増加に伴ってほぼ連
続的に広がっていくこととなる。このような構成は、A
lxGa1-xN系半導体が混晶であることから、原料組成
を変化させたエピタキシャル成長により単結晶薄膜で実
現しうることが、本発明者達によって確認されている。
定値Δχだけ電子親和力が大きい絶縁性材料により構成
され、表面層4をAlNにより構成する場合には、フィ
ルタ層5を構成する材料として、酸化アルミニウム(A
l2O3)、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン
(SiNx),窒化アルミニウム(AlN),窒化ガリ
ウム−窒化アルミニウム混晶半導体(AlxGa1-xN)
(0.65≦x≦1),これらの酸化物などを用いるこ
とができる。
では、電子供給層2の伝導帯には多数の電子が存在して
いるが、表面層4の伝導帯端のエネルギーレベルが高い
ため、電子が最表面に到達することはない。一方、この
ような構造に順バイアス(表面電極側に正電圧)を印加
すると、図6(b)に示すようにエネルギーバンドが曲
がる。その結果、電子供給層2に存在する電子は濃度勾
配及び電位勾配によって電子輸送層3を経て表面層4に
輸送される。つまり、電子電流が流れる。また、電子輸
送層3を構成するAlxGa1-xN層や、表面層4を構成
するAlN層はノンドープであることから、電子供給層
2から電子輸送層3、表面層4に注入された電子は、正
孔等との再結合によって捕捉されることなく移動するこ
とができる。また、電子輸送層3での組成傾斜を連続的
に行なうことで、電子移動の障害となるエネルギー障壁
が伝導帯端には形成されないため、効率的に電子を表面
まで送るという点で有利である。
欠陥がある場合には、表面準位や欠陥準位などを介して
電子が流れるので、表面層4のうちNEA状態にある部
分を通過せずに表面電極6に流れ込むリーク電流が生じ
る(図6(b)の破線参照)。このような表面層4のう
ちNEA状態にある部分を通過しない電子は、真空中に
取り出すことができない。ここで、この電子デバイスに
おいては、表面層4と表面電極6との間に、絶縁性材料
からなるフィルタ層5が介在している。そして、フィル
タ層5はリーク電流に対する障壁として機能し、リーク
電流が表面電極6に流れるのを抑制する。しかも、フィ
ルタ層5の電子親和力は、表面層4の電子親和力よりも
所定値Δχだけ大きいので、つまり、フィルタ層5の伝
導帯端のエネルギーレベルは表面層4の伝導帯端のエネ
ルギーレベルよりも低いので、フィルタ層5は表面層4
の伝導帯端と同等あるいはそれ以上のエネルギーレベル
を有する電子の移動に対する障壁とはならない。つま
り、フィルタ層5の存在によって、リーク電流のみが抑
制され、表面電極6と電子供給層2(あるいはオーミッ
ク電極1)との間に印加される電圧に応じて表面層4か
ら有効に電子が放出され、電子の放出効率が高められる
ことになる。
一般に伝導帯に存在する電子はエネルギー分布を有して
いるため、たとえ表面層4の電子親和力値χが正であっ
ても十分に小さい場合には、効率的には低下するがある
程度の量の電子を低エネルギーで放出することは可能で
ある。そこで、本発明におけるNEA材料には、負の電
子親和力を有する材料(図6(a)に示すような真のN
EA材料)だけではなく、χ値が実質的に0といえる程
度に小さい正の電子親和力を有する材料(擬NEA材
料)をも含むものとする。
しては、ガリウム砒素(GaAs)やガリウム隣(Ga
P)、シリコン(Si)などの半導体表面に低仕事関数
材料であるセシウム(Cs)や酸化セシウム(Cs−
O)、セシウムアンチモン(Cs−Sb)、酸化ルビジ
ウム(Rb−O)等を薄くコートした構成が知られてい
る。これらの材料を用いた場合、表面層が安定性に乏し
いため、一般的には高真空下でないとNEA状態を維持
することができない。
しては、ワイドバンドギャップ材料であるダイヤモンド
などがあり、これを本発明のフィルタ層5を構成する材
料として用いることもできる。
3の組成が連続的に変化することで、電子親和力が連続
的に小さくなる(あるいはバンドギャップが連続的に大
きくなる)場合について説明したが、本発明の電子輸送
層3の構成は、かかる構成例に限定されるものではな
く、その組成がステップ状に変化した場合や多少不連続
に変化する場合においても、電子の移動に関して大きな
障害とならない程度であれば問題はない。つまり、電子
輸送層3全体として電子親和力が表面方向に向かって小
さくなるように、電子輸送層3を構成する材料の組成が
変化していくようであれば、本発明の効果を得ることが
できる。
び電子輸送層3を構成する材料としてAlxGa1-xNを
用いつつ、電子輸送層3の表面層4に隣接する側の端部
におけるAl含有比xを1より小さくした場合の構成に
ついて説明する。
AlxGa1-xN(0≦x≦y、かつy<1)を適用した
NEA電子デバイスの平衡状態と順バイアス印加時にお
けるエネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。
この構成においても、電子デバイスの幾何学的な構造
は、図4に示す構造と同じであるが、電子輸送層3を構
成する材料の組成が図4に示す構造とは異なっている。
電子供給層2(n−GaN)の上に電子輸送層3として
機能するノンドープのAlxGa1-xN層(0≦x≦y、
かつy<1)が形成され、さらにその上に、表面層4と
して機能するAlN層が積層されている。また、表面層
4の上に、酸化アルミニウムからなるフィルタ層5と、
白金(Pt)からなる表面電極6とが順次形成されてい
る。このような構造においては、図8(a)に示すよう
に、電子輸送層3と表面層4との界面にエネルギーレベ
ルの不連続が生じる。この伝導帯におけるエネルギー障
壁の値は、電子輸送層に適用するAlxGa1-xN層のA
l含有比y(xの最大値)によって決まるが、この値が
あまりに大きいと電子供給層2から注入される電子が効
率的に表面層3に移動させることができない。そこで、
本構成例においては、Al含有比yは、0.5≦y≦
0.8の範囲に設定されている。
同様に、表面層4よりも所定値Δχだけ電子親和力が大
きい絶縁性材料により構成され、表面層4をAlNによ
り構成する場合には、フィルタ層5を構成する材料とし
て、酸化アルミニウム(Al 2O3)、酸化シリコン(S
iOx)、窒化シリコン(SiNx)などを用いることが
できる。
給層−表面電極間に順バイアス(表面電極側に正電圧)
を印加すると、電子輸送層3及び表面層4のエネルギー
バンドは印加される電圧値に応じて曲がる。その結果、
図4に示す電子デバイスと同様に、電子供給層2に存在
する電子は濃度勾配及び電位勾配によって電子輸送層3
を経て表面層4に輸送される。つまり、電子電流が流れ
る。その際、表面層4を構成するAlN層の膜厚がある
程度薄く、かつ伝導帯端に形成される電子輸送層−表面
層間のエネルギー障壁の高さがある程度低いと、電子輸
送層−表面層界面に達した電子は表面層4による障壁を
乗り越えて最表面に移動することができる。すなわち、
電子親和力が負あるいは0に近い材料により構成される
表面層4より真空に取り出すことができる。このような
構成における表面層の膜厚は、電子輸送層3の膜厚やA
l含有比との兼ね合いもあり、限定はできないが概ね1
0nm以下である。
伝導帯に有する組成傾斜AlxGa1 -xN層を電子輸送層
3として用いた場合においても、正の電子親和力である
n−GaN層から負の電子親和力である表面層4まで、
効率よくかつ移動させることが可能になる。そして、こ
の構成においても、図4に示す構成と同様に、表面層4
と表面電極6との間に、表面層4の電子親和力よりも所
定値Δχだけ大きい電子親和力を有する絶縁性材料から
なるフィルタ層5が介在しているので、リ−ク電流のみ
が抑制され、表面電極6と電子供給層2(あるいはオ−
ミック電極1)との間に印加される電圧に応じて表面層
4から有効に電子が放出され、電子の放出効率が高めら
れることになる。
られる電子デバイスの各種実施形態について、以下に説
明する。
バイスの構造を示す断面図である。同図に示すように、
本実施形態のNEA電子デバイスは、サファイア基板1
1と、サファイア基板11の上に設けられた電子供給層
として機能するn−GaN層12と、n−GaN層12
の上に設けられ、Al組成比xが0から1までほぼ連続
的に変化する電子輸送層であり電子輸送層として機能す
るAlxGa1-xN層13と、AlxGa1-xN層13の上
に設けられた表面層として機能するAlN層14と、A
lN層14の上に設けられたフィルタ層として機能する
アルミナ層15(Al2O3)と、電極層16とを備えてい
る。さらにn−GaN層12上に形成されたオーミック
電極17と、絶縁体層18を介して電極層16と電気的
に接続する引出電極19とを備えている。ここで、Al
xGa1-xN層13は、n−GaN層12との接合面にお
いてはAl含有比xがほぼ0であり、AlN層14との
接合面においてはAl含有比がほぼ1である傾斜組成を
有している。本実施形態における電極層16は、例えば
ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)によ
り構成されていても良いし、他の金属でも良いが、その
膜厚は5〜10nm程度である。また、本実施形態にお
ける引出電極19は、オーミック電極17−電極層16
間に電圧を印加するための信号接続端子部分であり、そ
の膜厚は200nm程度である。その材質は、電極層1
6を構成する金属膜と同種の金属でも良いが、アルミナ
層15や、酸化膜,窒化膜等からなる絶縁体層18との
接着強度を考慮して選択しても良い。
ス表面から空間を隔てて対向して配置されており、適当
な正バイアス電圧を印加することにより本電子デバイス
から外部に取り出された電子21を加速/収集するもの
である。
示すNEA電子デバイスの基本構造例とほぼ同じ構造を
有しているので、既に説明したとおり、順方向バイアス
を印加することによって、n−GaN層12(電子供給
層)から供給される電子を制御性良くAlxGa1-xN層
13(電子輸送層)/AlN層14(表面層)/アルミ
ナ層15(フィルタ層)内を移動させて、電極層16の
表面から外部に効率よく放出させることができる。その
際、当然のことながら電極層16に流れ込んでしまう電
子が一部存在するが、電極層16の材質及びその膜厚並
びに面積を巧く設定することにより、電極層16を通し
て電子を外部に取り出すことができる。
層15が設けられているので、Al xGa1-xN層13や
AlN層14に存在するクラック等の欠陥を介して電子
が電極層16にリーク電流として流れるのを抑制するこ
とができ、電子の放出効率の向上を図ることができる。
NEA電子デバイスに、2〜10V程度の順方向バイア
スをオーミック電極−電極層間に印加した結果、印加電
圧に応じて電子21が放出され、アノ−ド電極20に1
02〜103(A/cm2)程度の放出電子電流が流れる
ことが、本発明者達によって確認されている。なお、ア
ノ−ド電極20は、電極層16よりも約1mm上方に配
置され、250Vのアノ−ド電圧が印加されている。
て機能するアルミナ層15は、AlN層/電極層の間に
のみ存在するが、この構造に限定されるものではない。
の全面上に形成した,第1の実施形態の変形例における
電子デバイスの構造を示す断面図である。この変形例の
構造によっても、第1の実施形態と同じ効果を発揮する
ことができる。
アルミナ(酸化アルミニウムAl2O3)より構成した
が、本発明のフィルタ層を構成する材料はこれに限定さ
れるものではなく、上述のように、フィルタ層が、窒化
アルミニウム(AlN)、Al含有量が多い窒化ガリウム
−窒化アルミニウム混晶半導体(AlxGa1-xN:0.
65≦x≦1)及びそれらの酸化物、酸化シリコン(S
iOx)、窒化シリコン(SiNx)等によって構成され
ていても、本実施形態と同じ効果を発揮することができ
る。
放出された電子21をアノ−ド20で捕捉しただけであ
るが、このアノ−ド電極20表面に蛍光体等を塗布して
おけば、この電子照射による発光が得られるため、この
発光を利用したディスプレィなどの表示素子を構成する
こともできる。
て、アノ−ド電極20はNEA電子デバイスとは空間的
に切り離された位置に配置されているが、本発明はこれ
らに限定されるものではなく、絶縁構造を用いてアノ−
ド電極20がNEA電子デバイスと一体化された構成も
可能である。
の製造方法について説明する。
VD法により、トリメチルガリウム(TMG)+アンモ
ニア(NH3)とを反応させて、GaNバッファ層(図
示せず)を形成した後、同様の反応ガスにシラン(Si
H4)を添加して電子供給層であるn−GaN層12を
形成する。次に、ド−プガスであるSiH4の供給を停
止した後、トリメチルアルミニウム(TMA)を導入し
て、Alの添加量を徐々に増大させながら、AlxGa
1-xN層13を形成し始め、途中からTMGの供給を徐
々に減少させていくことによって、上方に向かってAl
含有比がほぼ連続的に高くなっていくAlxGa1-xN層
13を形成する。そして、最終的にAl含有比xを1、
つまりGa含有比を0にすることで、表面層であるAl
N層14をAlxGa1-xN層13の上に形成する。この
時、高品質なAlxGa1-xN層13を成長させるため
に、反応温度も徐々に変化させる場合もある。このよう
な手法により、電子供給層であるn−GaN層12と、
電子輸送層であるAlxGa1-xN層13と、表面層であ
るAlN層14とを連続的に、かつ高品質に形成するこ
とができる。本実施形態においては、n−GaN層12
の厚みを4μmとし、AlxGa1-xN層の厚みを0.0
7μmとし、AlN層の厚みを0.01μmとした。
層13、及びAlN層15の形成方法は、上述の方法に
限定されるものではない。例えば、MOCVD法に代わ
ってMBE法などを用いることも可能である。また、傾
斜組成を有するAlxGa1-xN層を形成する他の方法と
しては、例えば、GaN層の上に薄いAl層をエピタキ
シャル成長させて、これを熱処理することによって下方
に行くほどAl含有比が小さく、表面に近いほどAl含
有比が大きいAlxGa1-xN層を形成することも可能で
ある。
にオーミック電極17を形成する。このとき、基板とし
て用いたサファイアは絶縁体であることから、サファイ
ア基板11の裏面に電極を設けることができない。そこ
で、n−GaN層12の一部を露出するために表面から
ある深さまでエッチングし、このエッチング処理によっ
て露出したn−GaN層12の領域上にオーミック電極
17(材質:Ti/Al/Pt/Au)を電子ビ−ム蒸
着法により形成した。
成し、AlN層14をその一部を開口させるようにパタ
−ニングした後、開口部に露出したAlN層14の上
に、アルミナ層15と、引出電極19とを形成する。そ
の材質は適宜選択されるが、絶縁体層18を構成する材
料としてSiO2等が好ましく、引出電極19を構成す
る材料としてTi,Al等が好ましく用いられる。本実
施形態では、SiO2膜の膜厚を100nmとし、Al
電極の膜厚を200nmとした。
電極層16を形成する。その材質についても適宜選択さ
れるが、Pt、Ni、Ti等が好適である。また形成方
法についても、限定されるものではないが、電子ビ−ム
蒸着法が一般的である。なお電極層16は電子放出部と
なるので、電子の放出効率を高めるため、できる限り薄
いことが好ましい。本実施形態では、電極層16の膜厚
を5nmとし、大きさをφ20μmとした。
14の上に絶縁体層18とは別に新たにフィルタ層15
を付加したが、絶縁体層18の一部をフィルタ層として
機能させても良い。
るNEA電子デバイスの構造を示す断面図である。同図
に示すように、本実施形態においては、絶縁体層として
用いている酸化シリコン膜の一部をエッチング処理して
薄くした領域をフィルタ層として機能させた。本構成例
においては、本来の絶縁体層の厚さを100nmとし、
フィルタ層として機能するエッチング部の膜厚を10n
mとした。このような構成においても、上記第1の実施
形態と同様に、オーミック電極−電極層間にバイアス電
圧を印加した結果、印加電圧に応じて電子21が放出さ
れ、アノ−ド電極20放出電子電流が流れることが本発
明者達によって確認されている。
ているが、AlxGa1 -xNはAl含有比xが0.65以
上の範囲であればNEA材料であるので、0.65≦x
≦1の範囲の組成を有するAlxGa1-xNを表面層に用
いても良い。
るNEA電子デバイスの構造を示す断面図である。同図
に示すように、本実施形態においては、サファイア基板
11の上に電子供給層であるn−GaN層12が設けら
れ、n−GaN層12の上にはAlxGa1-xN層13が
設けられている。ここで、本実施形態においては、Al
N層が設けられていない。その理由は、第1の実施形態
においては、NEA材料であるAlN層を表面層として
いるが、Al含有比xが0.65以上のAlxGa1-xN
であればAlNと同様にNEA材料となりうるので、
0.65≦x≦1の領域のAlxGa1-xNを表面層に適
用できるからである。すなわち、AlxGa1 -xN層13
の上部13aにおけるAl含有比xをx≧0.65とす
ることにより、AlxGa1-xN層13の上部13aを表
面層として機能させ、AlxGa1-xN層13の下部13
bを電子輸送層として機能させることができる。
1-xN層13のAl含有比xを電子供給層側から連続的
に変化させてAl0.9Ga0.1Nの組成に達した時点でエ
ピタキシャル成長を止めて得られる構造も適用できる
し、Al0.9Ga0.1Nの組成に達してから、さらに同じ
組成で数nm程度の厚さのAl0.9Ga0.1N層をエピタ
キシャル成長させて得られる構造であっても良い。
子親和力が必ずしも負に達していなくても、伝導帯に分
布する電子の相当量の部分が、真空準位よりも高いエネ
ルギ−レベルを持つような電子親和力値を持つ組成にな
っていればよい。つまり、真のNEA材料により構成さ
れていなくても、実質的にNEA状態が実現されるよう
な材料により構成されていればよい。
1-xN層の上部13aの上には、フィルタ層15及び電
極層16が設けられている。このフィルタ層15並びに
電極層16に用いる材質及びその構成は、上記各実施形
態で用いたものと同じにすることができる。
電子デバイスに対して順方向バイアス(電極層16に正
電圧)を印加することによって、n−GaN層12(電子
供給層)から供給される電子を制御性良く、AlxGa
1-xN層13の下部13b(電子輸送層)内を移動させ
て、AlxGa1-xN層13の上部13a(表面層)から
外部に効率よく放出させることができる。
xGa1-xN層(0.65≦x<1)の上部を表面層として
いるが、図12に示すAlxGa1-xN層の上部13aの
上に直接AlN層のようなNEA材料を堆積しても良い
(図示は省略する)。この構成の場合、図8に示す電子
デバイスの伝導帯にエネルギ−障壁が存在する構造と捉
えることもできるし、図6に示す電子デバイスにAlN
からなるフィルタ層を設けた構造と捉えることもでき
る。いずれの場合においても上記各実施形態と同様に、
効率的に電子を真空中に取り出すことができる。
デバイスの構造を示す断面図である。本実施形態におい
ては、上記第1の実施形態の電子デバイスの構造に加え
て、n−GaN層12とAlxGa1-xN層13との境界
付近に配置された埋込絶縁層22(あるいは、埋込p型
層)を備えている。本実施形態では、n−GaN層12
/AlxGa1-xN層13の境界付近に設けられた埋込絶
縁層22によって電子輸送層であるAlxGa1-xN層1
3を移動する電子流を狭窄して、表面電極である電極層
16に到達する電子密度を高めるものである。例えば、
開口径がφ5μmの埋込絶縁層22を挿入した場合に
は、電子流の集中効果により、2×103(A/cm2)
程度の電流密度が得られた。
は電子放出部として機能するので、電子の放出効率を高
めるため、できる限り薄いことが好ましい。
は、プロセスの容易性を考慮すると、本実施形態のごと
く、図13に示す位置に設けられていることが好ましい
が、場合によっては、AlxGa1-xN層13内やn−G
aN層12内に同様の機能を有する部材が設けられてい
てもよい。
第2〜第4の実施形態の電子デバイスにおいても、本実
施形態の埋込絶縁層22(あるいは、埋込p型層)と同
様の埋め込み絶縁層又は埋込p型層を設けることによ
り、本実施形態と同じ効果を発揮することができる。
いて作製したトランジスタ動作可能な電子デバイスの例
について説明する。
バイスの構造を示す断面図である。本実施形態の電子デ
バイス(真空トランジスタ)は、第1の実施形態(図9
に示すNEA電子デバイス)に類似した構造を利用して
いる。図14に示すように、本実施形態の電子デバイス
は、サファイア基板51と、サファイア基板51の上に
設けられた電子供給層として機能するn−GaN層52
と、n−GaN層52の上に設けられ、組成がほぼ連続
的に変化する,電子輸送層として機能するAl xGa1-x
N層53と、AlxGa1-xN層53の上に設けられ、表
面層として機能するAlN層54と、AlN層54の上
に設けられ、フィルタ層として機能するAl2O3層55
と、Al2O3層55の上に設けられた電極層56と、n
−GaN層52上に設けられたオーミック電極57と、
電極層56の上方に開口部を有する絶縁体層58と、電
極層56と電気的に接続される引出電極59と、収集電
極60とから構成されている。
て説明したNEA電子デバイスにおける絶縁体層58を
上方まで延ばし、収集電極60と接続することで、電子
62が走行する電子走行室61を密封したものである。
ここで、電極層56、絶縁体層58および収集電極60
により囲まれる電子走行室61は、内径が約50μm
で、圧力が約10-5Torr(約1.33mPa)程度の減
圧状態となっている。
スタ)は、電極層56とオーミック電極57の間に印加
された信号に対応して放出される電子62を、減圧され
た電子走行室61で加速して、収集電極60で受けるも
のであり、電子走行領域を真空としているため、絶縁性
が高く、内部損失が小さく、温度依存性も小さい増幅素
子又はスィッチング素子として機能する。
の実施形態に類似したNEA電子デバイスの構造を利用
したが、これに限定されるものではなく、上記第1の実
施形態の変形例や、第2〜第5の実施形態のうちいずれ
かの実施形態で説明したNEA電子デバイスを利用して
も、同じ効果を発揮することができる。
施形態における電子デバイスについて説明する。
スの構造を示す断面図である。本実施形態においては、
NEA電子デバイスを密閉容器内に収納した構造を有し
ている。
バイスは、上記第6の実施形態における図14に示す構
造とほぼ同様の構造に加えて、密閉用キャップ63と、
キャップ63及びNEA電子デバイスを取り付けるため
の治具64と、オ−ミック電極57、電極層56、収集
電極60と電気的に接続される端子65〜67とを備え
ている。ただし、本実施形態においては、電子走行室6
1は絶縁体層58、収集電極60などによって密閉され
ているわけではなく、絶縁体層58がブリッジ状に形成
されている。本実施形態においては、密閉部材がキャッ
プ63及び治具64によって構成され、内部の電子走行
室61が約10-5Torr(約1.33mPa)以下の高真
空に保たれている。
態と同様の効果を発揮することができる。特に、本実施
形態においては、電子走行室61の真空度(減圧度)を1
0-5Torr(約1.33mPa)以下にすることが容易で
あるという利点がある。
いて作製したトランジスタ動作可能な電子デバイスの例
について説明する。
バイスの構造を示す断面図である。本実施形態の電子デ
バイスは、第1の実施形態(図9に示すNEA電子デバ
イス)に類似した構造を利用している。図16に示すよ
うに、本実施形態の電子デバイスは、サファイア基板5
1と、サファイア基板51の上に設けられた電子供給層
として機能するn−GaN層52と、n−GaN層52
の上に設けられ、組成がほぼ連続的に変化する,電子輸
送層として機能するAlxGa1-xN層53と、AlxG
a1-xN層53の上に設けられ、表面層として機能する
AlN層54と、AlN層54の上に設けられ、フィル
タ層として機能するAl2O3層55と、Al2O3層55
の上に設けられた電極層56と、電極層56と電気的に
接続される引出電極59と、n−GaN層52上に設け
られたオ−ミック電極57と、電極層56及び引出電極
59を覆うシリコン酸化膜(SiO2膜)からなる絶縁
体層70と、絶縁体層70の上に設けられた収集電極6
0とから構成されている。また、オーミック電極57と
引出電極59との間に交流電圧を印加するための交流電
源68と、引出電極59と収集電極60との間に直流の
バイアスを印加するための直流電源69とが設けられて
いる。
る電子走行室61を絶縁体層70によって埋めた構造と
捉えることができる。
とオ−ミック電極57の間に印加された信号に対応して
絶縁体層70に注入される電子62を加速して、収集電
極60で受けるものであり、絶縁性が高く、内部損失が
小さく、温度依存性も小さい増幅素子又はスイッチング
素子として機能する。
子デバイスの各部、つまり、n−GaN層52、Alx
Ga1-xN層53、AlN層54、Al2O3層55、電
極層56、絶縁体層70及び収集電極60の電圧を印加
していない状態(平衡状態)及び電圧Vの順バイアスを
印加した時のエネルギーバンド図である。図17(a)
に示すように、本実施形態におけるNEA電子デバイス
の部分におけるバンド構造は、図6に示すバンド構造と
同じである。そして、本実施形態においては、Al2O3
層55の電子親和力はAlN層54の電子親和力よりも
所定値Δχ1だけ大きく、絶縁体層70の電子親和力は
AlN層54の電子親和力よりも所定値Δχ2だけ大き
い。
面電極側に正電圧)を印加すると、図17(b)に示す
ようにエネルギーバンドが曲がる。図6(b)において
説明したと同様の作用により、リーク電流のみが抑制さ
れ、電極層56とn−GaN層52(あるいはオーミッ
ク電極51)との間に印加される正の電圧に応じてAl
N層54から有効に電子が放出される。また、収集電極
60と電極層56十に印加される電圧に応じて、絶縁体
層70のバンドが曲げられるので、絶縁体層70の伝導
帯端の上方を電子が走行して、収集電極60に集められ
ることになる。よって、真空トランジスタと同様に、特
性の良好なスイッチング素子として機能することにな
る。
の実施形態に類似したNEA電子デバイスの構造を利用
したが、これに限定されるものではなく、上記第1の実
施形態の変形例や、第2〜第5の実施形態のうちいずれ
かの実施形態で説明したNEA電子デバイスを利用して
も、同じ効果を発揮することができる。
な構成例を示したが、それらの構成を複合化したような
構造を用いることで、それぞれの効果を兼ね備えること
も可能である。
ファイアを用いたため、エッチングによって表面からオ
ーミック電極を設けたが、SiCなどの導電性基板を用
いた場合、裏面よりオーミック電極を形成することがで
きるので、より簡便な構成/プロセスとすることができ
る。
をAlNまたはAlxGa1-xNにより構成したが、それ
以外のNEA材料であるダイヤモンド等によって表面層
を構成しても良い。
Ga1-xN層内にn型不純物をド−プして、n型半導体
として機能させても良い。
出部(表面層)は、1つの素子に複数個設けられていて
も良い。
においては、AlxGa1-xN層のAl含有比xが連続的
に変化する構造としたが、AlxGa1-xN層のAl含有
比xが、例えば階段状に変化するものがあってもよい。
子親和力又は負に近い電子親和力を有する材料により表
面層を構成すると共に、電子供給層から表面層に電子を
スム−ズに移動させるための電子輸送層とを設け、さら
に、表面層の上にリーク電流に対する障壁となるフィル
タ層とを設けたので、リーク電流を抑制して、真空準位
に近いエネルギーレベルの電子の放出による放出効率の
高い電子デバイスを得ることができる。
N)を用いた従来のNEA電子デバイスの構成を示す斜
視図である。
である半導体材料のエネルギー状態をそれぞれ表すエネ
ルギーバンド図である。
を印加していない状態(平衡状態)及び電圧Vの順バイ
アスを印加した時のエネルギーバンド図である。
斜視図である。
定データを示す図である。
電圧を印加していない状態(平衡状態)及び電圧Vの順
バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。
プのAl含有比依存性を示す図である。
a1-xN(0≦x≦y、かつy<1)を適用したNEA
電子デバイスの平衡状態と順バイアス印加時におけるエ
ネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。
バイスの構造を示す断面図である。
スの構造を示す断面図である。
デバイスの構造を示す断面図である。
デバイスの構造を示す断面図である。
デバイスの構造を示す断面図である。
スの構造を示す断面図である。
スの構造を示す断面図である。
スの構造を示す断面図である。
バイスの電圧を印加していない状態(平衡状態)及び電
圧Vの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図で
ある。
Claims (13)
- 【請求項1】 電子供給層と、 上記電子供給層上に設けられ、電子供給層から表面層に
向かう方向に電子親和力が小さくなるように変調された
電子輸送層と、 上記電子輸送層上に設けられ、電子親和力が負あるいは
0に近い材料により構成される表面層と、 上記電子供給層から上記電子輸送層を経て上記表面層の
最表面まで電子を移動させるように、上記電子供給層に
対して電圧を印加するための表面電極と、 上記表面層と上記表面電極との間に設けられて、上記表
面電極への一部の電子の移動に対する障壁として機能
し、かつ、上記表面層と同等あるいはより大きい電子親
和力を有するフィルタ層とを備えている電子デバイス。 - 【請求項2】 請求項1記載の電子デバイスにおいて、 上記電子輸送層は、少なくとも一部において上記電子供
給層から上記表面層に向う方向にほぼ連続的に拡大する
バンドギャップを有することを特徴とする電子デバイ
ス。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の電子デバイスに
おいて、 上記電子輸送層及び表面層を含む領域は、最表面に近づ
くほどAlの割合が多くなるように変化するAlxGa
1-xN(0≦x≦1)により構成されていることを特徴
とする電子デバイス。 - 【請求項4】 請求項3に記載の電子デバイスにおい
て、 上記電子輸送層は、電子供給層に接する一方の端部から
表面層に接する他方の端部まで上記xの値が0から0.
65以上までほぼ連続的にAl組成が増加していくよう
に構成されていることを特徴とする電子デバイス。 - 【請求項5】 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載
の電子デバイスにおいて、 上記電子輸送層は、キャリア用不純物がドープされてい
ないことを特徴とする電子デバイス。 - 【請求項6】 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載
の電子デバイスにおいて、 上記表面層は、AlxGa1-xN(0.65≦x≦1)に
より構成されていることを特徴とする電子デバイス。 - 【請求項7】 請求項1〜6のうちいずれか1つに記載
の電子デバイスにおいて、 上記フィルタ層は、正の電子親和力を有する絶縁体によ
り構成されていることを特徴とする電子デバイス。 - 【請求項8】 請求項1〜6のうちいずれか1つに記載
の電子デバイスにおいて、 上記フィルタ層は、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸
化シリコン(SiOx)、及び窒化シリコン(SiNx)
のうち少なくともいずれか1つを含んでいることを特徴
とする電子デバイス。 - 【請求項9】 請求項1〜6のうちいずれか1つに記載
の電子デバイスにおいて、 上記フィルタ層は、窒化アルミニウム(AlN),窒化
ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体(AlxGa1-x
N)(0.65≦x≦1)及びこれらの酸化物のうち少
なくともいずれか1つを含んでいることを特徴とする電
子デバイス。 - 【請求項10】 請求項1〜9のうちいずれか1つに記
載の電子デバイスにおいて、 上記表面電極の上方に、上記表面電極とは離間して設け
られ、上記表面層から外部に放出された電子を加速及び
制御するための収集電極をさらに備えていることを特徴
とする電子デバイス。 - 【請求項11】 請求項10に記載の電子デバイスにお
いて、 上記電極層と収集電極層との間を、減圧状態に保つため
の密閉部材をさらに備えていることを特徴とする電子デ
バイス。 - 【請求項12】 請求項10に記載の電子デバイスにお
いて、 上記電極層と収集電極層との間に設けられた絶縁体層を
さらに備えていることを特徴とする電子デバイス。 - 【請求項13】 請求項10〜12のうちいずれか1つ
に記載の電子デバイスにおいて、 上記電子輸送層における電子の流れる領域を電子輸送層
の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備え
ていることを特徴とする電子デバイス。
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JP2000243840A JP3758955B2 (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | 電子デバイス |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11758812B2 (en) | 2020-04-06 | 2023-09-12 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Power generation element, power generation module, power generation device, and power generation system |
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