JP2002057322A - 電子デバイス - Google Patents

電子デバイス

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JP2002057322A
JP2002057322A JP2000243840A JP2000243840A JP2002057322A JP 2002057322 A JP2002057322 A JP 2002057322A JP 2000243840 A JP2000243840 A JP 2000243840A JP 2000243840 A JP2000243840 A JP 2000243840A JP 2002057322 A JP2002057322 A JP 2002057322A
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リークの少ない，電子放出特性のよい電子デ
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

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子親和力が負又
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。
【０００２】
【従来の技術】以前は、電子放出素子は、タングステン
（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。
【０００３】図１は、ＮＥＡ材料の例として窒化アルミ
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。
【０００４】この例では、電子供給層１０１をｎ型のＧ
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。
【０００５】以下、この素子の基本的特性にとって重要
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。
【０００６】 電子親和力（Electron Affinity） 半導体材料における”電子親和力”とは、伝導帯端に存
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。
【０００７】図２（ａ）、（ｂ）は、電子親和力の値が
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。
【０００８】ここで、図２（ｂ）に示すように、正の電
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。
【０００９】一方、図２（ａ）に示すように、負の電子
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。
【００１０】 電子輸送層 電子デバイスにおいて電子が放出される表面層に、上記
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。
【００１１】その一構成例として、本発明者達により、
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。
【００１２】図３（ａ），（ｂ）は、電子供給層１０
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。
【００１３】ここで、図３（ａ）に示したような平衡状
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。
【００１４】以上のように、組成傾斜が施されたＡｌx
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。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記図１に
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。
【００１６】そこで、この現象の原因の究明を図った結
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。
【００１７】本発明の目的は、電子輸送層や表面層にお
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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の電子デバイス
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。
【００１９】これにより、電子輸送層にクラックなどの
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。
【００２０】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。
【００２１】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ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）により構成されている
ことがより好ましい。
【００２２】その場合、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が好まし
い。
【００２３】また、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が好ましい。
【００２４】上記表面層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．６５
≦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。
【００２５】上記フィルタ層は、正の電子親和力を有す
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。
【００２６】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。
【００２７】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。
【００２８】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てもよい。
【００２９】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。
【００３０】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態においても、上
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。
【００３１】図４は、本発明のＮＥＡ電子デバイスの基
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。
【００３２】ここで、本発明の電子デバイスの特徴は、
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。
【００３３】次に、上記各部を構成する材料について説
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。
【００３４】図５は、ＡｌxＧａ1-xＮ系半導体材料の電
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。
【００３５】図６（ａ），（ｂ）は、電子供給層２、電
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。
【００３６】本構成例においては、電子供給層２として
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。
【００３７】電子輸送層３として組成傾斜ＡｌxＧａ1-x
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。
【００３８】また、フィルタ層５は、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（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。
【００３９】さて、図６（ａ）に示したような平衡状態
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。
【００４０】ところが、電子輸送層３にクラックなどの
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。
【００４１】なお、図２（ａ），（ｂ）に示すように、
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。
【００４２】なお、これまで知られているＮＥＡ材料と
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。
【００４３】また、表面吸着層を用いないＮＥＡ材料と
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。
【００４４】また、上記構成例においては、電子輸送層
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。
【００４５】次に、上述の構成例と同様に、表面層４及
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。
【００４６】図８（ａ），（ｂ）は、電子輸送層として
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。
【００４７】図８（ａ）に示すように、本構成例では、
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。
【００４８】また、フィルタ層５は、第１の実施形態と
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。
【００４９】そして、図８（ｂ）に示すように、電子供
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。
【００５０】以上のように、不連続なエネルギー障壁を
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。
【００５１】以下に、本発明の基本的構造を応用して得
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。
【００５２】−第１の実施形態− 図９は、本発明の第１の実施形態における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。
【００５３】また、アノ−ド電極２０は、本電子デバイ
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。
【００５４】本実施形態の素子構造においては、図４に
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。
【００５５】また、フィルタ層として機能するアルミナ
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。
【００５６】このような第１の実施形態の構造を有する
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。
【００５７】また、本実施形態におけるフィルタ層とし
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。
【００５８】図１０は、アルミナ層１５をＡｌＮ層１４
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。
【００５９】また、本実施形態において、フィルタ層は
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。
【００６０】上記実施形態及びその変形例においては、
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。
【００６１】なお、本実施形態及びその変形例におい
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。
【００６２】ここで、本実施形態のＮＥＡ電子デバイス
の製造方法について説明する。
【００６３】まず、サファイア基板１１の上に、ＭＯＣ
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。
【００６４】なお、ｎ−ＧａＮ層１２、ＡｌxＧａ1-xＮ
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。
【００６５】次に、電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２
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。
【００６６】次に、ＡｌＮ層１４上に絶縁体層１８を形
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。
【００６７】さらに、表面層であるＡｌＮ層１４の上に
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。
【００６８】−第２の実施形態− 上記第１の実施形態及びその変形例においては、表面層
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。
【００６９】図１１は、本発明の第２の実施形態におけ
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。
【００７０】−第３の実施形態− 上記各実施形態においては、ＡｌＮ層１４を表面層とし
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。
【００７１】図１２は、本発明の第３の実施形態におけ
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。
【００７２】例えば、本実施形態としては、ＡｌxＧａ
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。
【００７３】さらに、既に説明したように、表面層の電
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。
【００７４】そして、表面層として機能するＡｌxＧａ
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。
【００７５】上記各実施形態と同様に、本構成のＮＥＡ
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。
【００７６】−第４の実施形態− 上記第３の実施形態においては、ＮＥＡ状態であるＡｌ
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。
【００７７】−第５の実施形態− 図１３は、本発明の第５の実施形態におけるＮＥＡ電子
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。
【００７８】なお、本実施形態においても、電極層１６
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。
【００７９】また、埋込絶縁層２２（又は埋込ｐ型層）
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。
【００８０】さらに、上記第１の実施形態の変形例や、
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。
【００８１】−第６の実施形態− 本実施形態においては、上記のＮＥＡ電子デバイスを用
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。
【００８２】図１４は、第６の実施形態における電子デ
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。
【００８３】以上の構造は、上記第１の実施形態におい
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。
【００８４】本実施形態の電子デバイス（真空トランジ
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。
【００８５】なお、本実施形態の電子デバイスは、第１
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。
【００８６】−第７の実施形態− 次に、上記第６の実施形態の変形例ともいえる第７の実
施形態における電子デバイスについて説明する。
【００８７】図１５は、本実施形態における電子デバイ
スの構造を示す断面図である。本実施形態においては、
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。
【００８８】図１５に示すように、本実施形態の電子デ
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。
【００８９】本実施形態によっても、上記第６の実施形
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。
【００９０】−第８の実施形態− 本実施形態においても、上記のＮＥＡ電子デバイスを用
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。
【００９１】図１６は、第８の実施形態における電子デ
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。
【００９２】以上の構造は、上記第７の実施形態におけ
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。
【００９３】本実施形態の電子デバイスは、電極層５６
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。
【００９４】図１７（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電
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。
【００９５】そして、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。
【００９６】なお、本実施形態の電子デバイスは、第１
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。
【００９７】−その他の実施形態− 上記第１〜第８の実施形態における構造において、様々
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。
【００９８】また、上記各実施形態において、基板はサ
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。
【００９９】また、上記各実施形態においては、表面層
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。
【０１００】上記第１〜第８の実施形態におけるＡｌx
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。
【０１０１】上記第１〜第８の実施形態における電子放
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。
【０１０２】上記ＡｌxＧａ1-xＮ層を利用した実施形態
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。
【０１０３】
【発明の効果】本発明の電子デバイスによれば、負の電
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＮＥＡ材料の例として窒化アルミニウム（Ａｌ
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。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、電子親和力の値が負及び正
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３】（ａ），（ｂ）は、従来の電子デバイスの電圧
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。
【図４】本発明のＮＥＡ電子デバイスの基本構成を示す
斜視図である。
【図５】ＡｌxＧａ1-xＮ系半導体材料の電子親和力の測
定データを示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、本発明の基本構成における
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。
【図７】ＡｌxＧａ1-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。
【図８】（ａ），（ｂ）は、電子輸送層としてＡｌxＧ
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。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるＮＥＡ電子デ
バイスの構造を示す断面図である。
【図１０】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。
【図１１】本発明の第２の実施形態におけるＮＥＡ電子
デバイスの構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態におけるＮＥＡ電子
デバイスの構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態におけるＮＥＡ電子
デバイスの構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態における電子デバイ
スの構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態における電子デバイ
スの構造を示す断面図である。
【図１６】本発明の第８の実施形態における電子デバイ
スの構造を示す断面図である。
【図１７】（ａ），（ｂ）は、第８の実施形態の電子デ
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。
【符号の説明】
１ オーミック電極 ２ 電子供給層 ３ 電子輸送層 ４ 表面層 ５ フィルタ層 ６ 電極層 １１ サファイア基板 １２ 電子供給層 １３ 電子輸送層 １４ 表面層 １５ フィルタ層 １６ 表面電極 １７ オ−ミック電極 １８ 絶縁体層 １９ 引出電極 ２０ アノ−ド電極 ２１ 電子 ２２ 埋込絶縁層 ５１ サファイア基板 ５２ ｎ−ＧａＮ層(電子供給層) ５３ ＡｌxＧａ1-xＮ層(電子輸送層) ５４ ＡｌＮ層(表面層) ５５ Ａｌ2Ｏ3層(フィルタ層) ５６ 電極層 ５７ オ−ミック電極 ５８ 絶縁体層 ５９ 引出電極 ６０ 収集電極 ６１ 電子走行室 ６２ 電子 ６３ キャップ ６４ ジグ ６５〜６７ 端子 ６８ 交流電源 ６９ 直流電源

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
  11. 【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。
  12. 【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。
  13. 【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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