JP2003123626A - ワイドギャップの半導体構造に基づく負の電子親和力を備えた注入冷陰極 - Google Patents
ワイドギャップの半導体構造に基づく負の電子親和力を備えた注入冷陰極Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高電流放出と安定性とを合わせ持つ冷陰極を提
供する。 【解決手段】冷陰極電子エミッタは、高濃度にｎ＋ドー
ピングされたワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）の半導
体、ｐドーピングされたＷＢＧ領域、および低い仕事関
数を持つ金属層を含む。この構造の変形形態は、ｐ領域
と金属層の間に、高濃度にｐ＋ドーピングされた領域を
含む。これらの構造により、安定した（耐久性のある）
動作で高電流が放出されることを可能にする。高電流密
度が可能となるのは、ｐドーピング領域およびｐ＋ドー
ピングされた領域が、低い仕事関数の金属に接したとき
に、負の電子親和力の材料として動作するからである。
ｎ＋−ｐ−Ｍおよびｎ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造を備えた注
入エミッタは、比較的低い電界を使用し、加速されたイ
オンからの汚染および（または）吸収による影響を受け
ないので、安定的である。
供する。 【解決手段】冷陰極電子エミッタは、高濃度にｎ＋ドー
ピングされたワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）の半導
体、ｐドーピングされたＷＢＧ領域、および低い仕事関
数を持つ金属層を含む。この構造の変形形態は、ｐ領域
と金属層の間に、高濃度にｐ＋ドーピングされた領域を
含む。これらの構造により、安定した（耐久性のある）
動作で高電流が放出されることを可能にする。高電流密
度が可能となるのは、ｐドーピング領域およびｐ＋ドー
ピングされた領域が、低い仕事関数の金属に接したとき
に、負の電子親和力の材料として動作するからである。
ｎ＋−ｐ−Ｍおよびｎ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造を備えた注
入エミッタは、比較的低い電界を使用し、加速されたイ
オンからの汚染および（または）吸収による影響を受け
ないので、安定的である。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に電子エミッ
タに関し、より具体的には、ｐ−ｎ陰極タイプの冷電子
エミッタに関する。 【０００２】「HIGH-CURRENT AVALANCHE-TUNNELING AND
INJECTION-TUNNELING SEMICONDUCTOR-DIELECTRIC-META
L STABLE COLD EMITTER WHICH EMULATES THE NEGATIVE
ELECTRON AFFINITY MECHANISM OF EMISSION」というタ
イトルの米国特許出願第０９／９７５，２９７号は、同
じ出願人による特許出願であり、いくつかの共通の開示
を含み、本発明に関連する場合がある。 【０００３】 【従来の技術】今日、数多くの形態の電子放出技術が存
在する。電流によって加熱される熱陰極からの熱放出の
結果として電子が生成される熱陰極管（ＣＲＴ）は、テ
レビ（ＴＶ）およびコンピュータモニタのような数多く
の表示装置に普及している。また電子放出は、Ｘ線装置
および電子顕微鏡のような装置においても重要な役割を
果たす。集積回路およびフラットディスプレイ装置のた
めに、ミニチュア冷陰極が用いられる場合がある。さら
に、高い電流密度で放出された電子を用いて、ある材料
をスパッタリングしたり、溶融したりすることもでき
る。 【０００４】一般に、２つのタイプの電子エミッタ、す
なわち「熱」陰極および「冷」陰極が存在する。「熱」
陰極は、電流によって加熱された表面からの熱電子放出
に基づく。冷陰極は、２つの異なるタイプ、すなわちタ
イプＡおよびＢに細分されることができる。タイプＡの
エミッタは、電界放出効果（電界放出陰極）に基づく。
タイプＢのエミッタは、注入または電子なだれ降伏プロ
セスによって生成される非平衡状態の電子の放出を用い
るｐ−ｎ陰極である。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】いずれのタイプのエミ
ッタとも短所を有し、それにより実際には実用的ではな
い。タイプＡのエミッタ（電界放出タイプ）の場合、主
な短所の１つは、寿命が非常に短いことである。たとえ
ば、タイプＡのエミッタは数時間しか動作せず、場合に
よっては分単位の短い時間しか動作しないことさえあ
る。冷電界放出陰極（タイプＡ）では、電子は、強い電
界によって金属電極の表面から真空中に抽出される。電
界陰極は、記録装置および他の応用形態において必要と
される大きな放出電流では、その寿命が短い。 【０００６】図１Ａを参照して、タイプＡのエミッタの
動作を説明する。図１Ａは、金属の仕事関数の概念を例
示する、金属製表面の場合の典型的なエネルギー準位図
を示す。図に示されるように、材料、この例では金属が
左側にあり、真空領域は右側にある。ＥＦは金属のフェ
ルミ準位を表す。金属の仕事関数ΦＭは、金属のフェル
ミ準位から真空中に１つの電子を移動させるのに必要と
されるエネルギーである。したがって、仕事関数Φ
Ｍは、ＶａｃとＥＦとの差である。金属の場合の仕事関
数ΦＭは、典型的には４〜５電子ボルト（ｅＶ）であ
る。 【０００７】非常に強い外部電界においては、エネルギ
ー準位は変化し、電子には、三角のポテンシャル障壁
（図１Ａの破線参照）のように見える。外部電界Ｆが増
加すると、障壁の幅は減少し、電子のトンネル効果の起
こる確率が急激に増加する。そのような障壁の透過性は
以下のように表される。 【０００８】 【数１】 【０００９】ここで、Ｆは電界であり、ｑおよびｍは、
電子の電荷および質量である。透過性は、電子トンネル
効果の確率を表す。電流密度ｊ＝１〜１００A/cm２（ア
ンペア／平方センチメートル）の場合に、対応する電界
はＦ＞１０７V/cmとなる。 【００１０】そのような強い電界では、実際の装置内の
真空領域において常に存在するイオンが、約１マイクロ
メートルまたはそれ以上の真空領域において、１０３ｅ
Ｖ以上のエネルギーを取得する。そのような強いエネル
ギーを有するイオンがエミッタ表面に衝突すると、エミ
ッタ表面がイオンを吸収し、腐食することとなる。イオ
ン吸収および腐食は、一般に、タイプＡのエミッタの寿
命を数時間の動作時間に、場合によっては数分間に制限
する。同様の強度の電界を用いるシステム内の陰極への
損傷は詳細に研究されており、非常に目覚しいものがあ
る。 【００１１】タイプＢのエミッタ（注入／電子なだれタ
イプ）の場合、主な短所のうちの１つは、効率が非常に
悪いことである。言い換えると、回路内の全電流に対す
る放出電流の比が非常に小さく、通常は１％よりもかな
り小さい。ＴｉＯ２や多孔質Ｓｉ、または電子なだれ降
伏を含む、ｐ−ｎ接合または半導体−金属（Ｓ−Ｍ）接
合のいずれかに基づくタイプＢの陰極は、ｐ−ｎ接合ま
たはＳ−Ｍ接合に「内部」バイアスをかける必要があ
る。 【００１２】代替的に、Ｓｉから冷陰極を製造するため
に電気的破壊プロセスを用いることが示唆されている。
これらのタイプの電子なだれエミッタは、電子なだれの
状況において非常に強い電界によって加速された非常に
熱い電子（約数電子ボルトのエネルギーを有する）の放
出に基づく。結果として、これらも、熱電子の放出電流
密度が非常に小さいという短所を有する。 【００１３】負の電子親和力（ＮＥＡ）の効果を用いる
ために、半導体表面上にセシウム（Ｃｓ）を堆積させる
ことにより、電流密度を増加させようとする試みが行わ
れている。図１ＢはＮＥＡの概念を示す。図に示される
ように、材料、この例ではｐ型半導体が左側にあり、真
空領域が右側にある。ＥＣは金属の伝導帯を表す。ＮＥ
Ａ効果は、伝導帯ＥＣの底が真空レベルＶａｃよりも高
い位置にあるときの状況に相当することに留意された
い。このタイプの１つの初期のｐ−ｎ陰極は、シリコン
またはガリウム砒素の電子なだれ領域と、放出が起こる
セシウム金属層とを組み合わせたもの（ＧａＡｓ／Ｃｓ
またはＧａＰ／Ｃｓ構造）である。しかしながら、Ｃｓ
は非常に反応が速く、揮発性の元素である。したがっ
て、Ｃｓを用いるＧａＡｓおよびＧａＰエミッタは、高
い電流密度においては安定でない。 【００１４】要するに、高電流放出と安定性とを合わせ
持つ冷陰極は、従来の設計では実現することができなか
った。 【００１５】 【課題を解決するための手段】本発明の１つの側面によ
ると、冷電子エミッタの一実施形態は、高濃度にドーピ
ングされたｎ型領域（ｎ＋領域）を含むことができる。
該ｎ＋領域は、広いバンドギャップ（以下、ワイドバン
ドギャップまたはワイドギャップ、と呼ぶことがある）
の半導体から形成されることができる。また、該冷電子
エミッタは、ｎ＋領域の下に基板を含むことができる。
実際には、該ｎ＋領域は、電子過剰の材料で基板をドー
ピングすることにより形成されることができる。 【００１６】さらに、電子エミッタは、ｎ＋領域内また
は該ｎ＋領域の上に形成されるｐ領域を含むことができ
る。該ｐ領域は、電子不足の材料でｎ＋領域をカウンタ
−・ドーピングすることにより形成されることができ
る。ｐ領域の厚みは、ｐ領域における電子の拡散長より
薄いのが好ましい。また、ｐ領域内の正孔濃度レベル
は、ｎ＋領域内の電子濃度より低いのが好ましい。 【００１７】電子エミッタはさらに、ｐ領域の上に形成
される金属層を含むことができる。金属層の仕事関数
は、ｐ領域のエネルギーギャップよりも低いのが好まし
い。さらに、金属層の厚みは、電子エネルギーの平均自
由行程より薄のが好ましい。電子エミッタは、さらに、
たとえばｐ領域をデルタ・ドーピングすることによっ
て、該ｐ領域内に形成される高濃度にドーピングされた
ｐ領域（＋ｐ領域）を含むことができる。電子エミッタ
は、さらに、ｎ電極およびｐ電極を含んで、ｎ＋−ｐ接
合が、たとえばデバイスから放出される電流の量を制御
する動作のために、順方向にバイアスされるようにする
ことができる。 【００１８】本発明の他の側面によると、電子エミッタ
を製作する方法の一実施形態は、たとえば、電子過剰の
材料で、ワイドバンドギャップの基板をドーピングする
ことにより、ｎ＋領域を形成することを含むことができ
る。また、該方法は、たとえば電子不足の材料でｎ＋領
域をカウンター・ドーピングすることにより、ｎ＋領域
内にｐ領域を形成することを含むことができる。ｐ領域
の厚みは、ｐ領域内の電子の拡散長よりも薄いのが好ま
しい。また、ｐ領域内の正孔濃度レベルは、ｎ＋領域の
電子濃度より低いのが好ましい。該方法はさらに、ｐ領
域の上に金属層を形成することを含むことができる。金
属層の仕事関数は、ｐ領域のエネルギーギャップより低
いのが好ましく、金属層の厚みは、電子エネルギーの平
均自由行程ほどの大きさか、または該平均自由行程より
も薄いのが好ましい。該方法はさらに、たとえばｐ領域
をデルタ・ドーピングすることにより、ｐ＋領域を形成
することを含むことができる。さらに、該方法は、ｎ電
極およびｐ電極を形成することを含んで、ｎ＋−ｐ接合
が動作において順方向にバイアスされるようにすること
ができる。さらに該方法は、電流エミッタから放出され
る電流の量を制御するために、Ｍ電極を形成することを
含むことができ、このとき、ｐ電極を形成することを伴
ってもよいし、伴わなくてもよい。 【００１９】本発明の上記の実施形態は、所定の態様を
達成することができる。たとえば、該電子エミッタは、
高密度の放出電子電流を生成することができる。また、
エミッタの寿命を比較的長くすることができる。さら
に、該エミッタは、既知のワイドギャップ材料とその制
作方法とに基づくことができ、それゆえ、現在の技術水
準に存在するもの以外の設備投資は、ほとんど、あるい
は全く必要とされない。さらに、該デバイスは真空領域
において強い電界を必要としないので、結果として動作
が安定し、電界エミッタの有害な影響、すなわち陰極表
面の腐食およびエミッタ表面におけるイオン吸収等を回
避することができる。したがって、安定性および高電流
密度を１つのデバイス内で組み合わせることができる。
真空領域において強い電界を用いる必要が無いというこ
とは、パッケージングを非常に簡略化することができ、
これは、高度の真空を必要としない。 【００２０】要するに、従来のデバイスと異なり、本発
明の少なくともいくつかの実施形態により、大きな放出
電流と大きな効率を備えた耐久性のある冷エミッタが可
能となる。 【００２１】 【発明の実施の形態】本発明の特徴は、図面とともに以
下に記載される説明から、当業者には明らかになるであ
ろう。 【００２２】簡略化してわかりやすくするため、本発明
の原理は、主にその典型的な実施形態を参照することに
より説明される。以下の説明では、本発明を完全に理解
してもらうために、多数の特定の細部が説明される。し
かしながら、本発明がこれらの特定の細部に限定される
ことなく実施されることができることは、当業者には明
らかであろう。状況によっては、本発明を無用に不明瞭
にしないように、既知の方法および構造を詳細には記載
していない場合がある。 【００２３】図２Ａは、本発明の１つの側面に従う、冷
陰極（コールドエミッタ（cold emitter））２００の第
１の実施形態の典型的な断面図を示す。冷陰極２００
は、概して、ｎ＋領域２２０、ｐ領域２３０、および金
属層２４０が存在することに起因するｎ＋−ｐ−Ｍ構造
を有するものとして特徴付けられることができる。図２
Ａに示されるように、冷陰極２００は、基板２１０と、
該基板２１０の上に形成されるｎ＋領域２２０とを含む
ことができる。ｎ＋領域２２０は、ワイドバンドギャッ
プ（ＷＢＧ(wide band gap)）の半導体から形成される
ことができる。ＷＢＧ半導体の例には、ＧａＰ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、およびダイアモンドのようなカーボ
ン、アモルファスＳｉ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｚｎ
Ｏ、ＩｎＰ等が含まれる。当業者であれば、適切なＷＢ
Ｇ半導体として他の材料を用いることができることは理
解されよう。ｎ＋領域２２０の電子濃度は、１０１７／
ｃｍ３より大きいのが好ましく、１０１９／ｃｍ３より
大きいのが最も望ましい。しかしながら、応用形態のタ
イプに応じて、濃度レベルを調整することができる。 【００２４】実際には、基板２１０およびｎ＋領域２２
０は、同じＷＢＧ半導体から形成されることができる。
その際、ｎ＋領域２２０は、電子過剰（electron ric
h）の材料でＷＢＧ半導体をドーピングすることにより
形成されることができる。電子過剰の材料の例には、窒
素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、およびアンチモ
ン（Ｓｂ）が含まれる。再び、当業者であれば、電子過
剰の他の材料を用いることができることは理解されよ
う。 【００２５】冷陰極２００はさらに、ｎ＋領域２２０内
またはｎ＋領域２２０の上に形成されるｐ領域２３０を
含むことができる。ｐ領域２３０は、たとえば電子不足
（electron poor）の材料でｎ＋領域２２０をカウンタ
ー・ドーピング（counter doping）することによって形
成されることができる。そのような材料の一例には、ホ
ウ素が含まれる。当業者であれば、他の電子不足の材料
を用いてもよいことを理解されよう。ｐ領域２３０は、
ｎ＋領域２２０とは全く異なる材料から形成されること
もできる。ｎ＋領域２２０は、ｐ領域２３０よりも広い
バンドギャップの材料から形成されることが好ましい。 【００２６】ｐ領域２３０における正孔濃度ｐｐレベル
は、実質的に１０１６〜１０１８／ｃｍ３の範囲にある
ことが好ましく、約１０１８／ｃｍ３であるのが最も望
ましい。この範囲は、応用形態のタイプに依存して大き
く変化することがある。正孔濃度が、ｎ＋領域における
電子濃度よりも低い、すなわちｐｐ＜ｎｎであるのが好
ましい。この比も、応用形態のタイプに依存して変化す
ることができる。また、ＷはＬより小さくされることが
好ましい。ここで、図２Ａに示されるように、Ｗはｐ領
域２３０の厚みを表し、Ｌはｐ領域２３０における非平
衡状態の電子の拡散長（diffusion length）を表す。拡
散長Ｌは典型的には約０．３μｍである。 【００２７】冷陰極２００はさらに、ｐ領域２３０の上
に形成される金属層２４０を含むことができる。金属層
２４０は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗのような標準的な電極材料か
ら形成されることができ、また仕事関数の小さい材料か
ら形成されることができる。仕事関数の小さい材料の例
には、ＬａＢ６、ＣｅＢ６、Ａｕ、Ａｌ、Ｇｄ、Ｅｕ、
ＥｕＯおよびそれらの合金が含まれる。金属層２４０の
厚みｔは、電子エネルギーの平均自由行程（mean free
path）ｌε程度か、またはそれよりも薄いことが好まし
い。典型的には、ｌεは２〜５ナノメートル（ｎｍ）の
範囲にある。こうして、その厚み「ｔ」の範囲は、ｔ＜
２〜５ｎｍとなる。 【００２８】金属層２４０のための材料の選択は、ｎ＋
領域２２０とｐ領域２３０との間のｎ＋−ｐ接触電圧差
に依存する。図３Ａを参照すると、図２Ａの冷陰極の第
１の実施形態２００の平衡状態における典型的なエネル
ギーバンド図が示されており、金属層２４０のための材
料の選択のための基準を以下に説明する。ｎ＋−ｐ接触
電圧差がＶｎｐとして表されるとすると、接合部におけ
る拡散電位（built-inpotential）は、ｑＶｎｐ≒Ｅｇ
で表すことができる（図３Ａを参照）。ここで、ｑ＞０
は電気素量を表し、Ｅｇは、図３Ａに示されるようなｐ
領域２３０の伝導帯エネルギーＥＣと価電子帯エネルギ
ーＥＶとの間のエネルギーギャップを表す。 【００２９】金属層２４０の仕事関数ΦＭは、ΦＭ＜ｑ
Ｖｎｐ≒Ｅｇとなることが≒好ましい。たとえば、ダイ
ヤモンドのＥｇは約５．４７ｅＶである。したがって、
ｐ領域２３０のための主材料としてダイヤモンドが用い
られる場合には、金の仕事関数ΦＭが４．７５ｅＶであ
るので、金属層２４０として金を用いることができる。
ＬａＢ６およびＣｅＢ６のような実質的に２．５ｅＶ付
近の仕事関数を有するものの場合、さらに小さいＥｇを
有する他の材料を用いることもできる。当業者であれ
ば、金属層２４０として他の材料も適している場合があ
り、また層２４０が厳密には金属に限定されないという
ことは理解されよう。 【００３０】図２Ａを再び参照すると、冷陰極２００は
さらに、ｎ＋領域２２０の上に形成されるｎ電極２６０
とｐ電極２７０とを備えることができる。ｎ電極２６０
はｎ＋領域２２０に電気的に接続されることができ、ｐ
電極２７０はｐ領域２３０に電気的に接続されることが
できる。ｎ電極２６０およびｐ電極２７０は、金属また
は他の導電性材料から形成されることができる。導電性
材料の例には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐ
ｄ等およびそれらの合金が含まれる。さらに、電子エミ
ッタ２００は、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０をそれ
ぞれ絶縁するために、誘電体２５０を含むことができ
る。 【００３１】図３Ａは、図２Ａの第１の実施形態の冷陰
極２００の線ＩＩ−ＩＩに沿った、平衡状態における典
型的なエネルギーバンド図を示す。図に示されるよう
に、図３Ａの左側は線ＩＩ−ＩＩの底部分（ｎ＋領域２
２０）に対応し、右側部分は上部分（真空）に対応す
る。 【００３２】上記のように、金属層２４０の仕事関数Φ
Ｍは、ｐ領域２３０のエネルギーギャップより小さい、
すなわちＥｇ≒ｑＶｎｐ＞ΦＭであることが好ましい。
この条件下で、ｐ領域２３０接合部におけるエネルギー
レベルは、図３Ａに示されるように、金属層２４０の仕
事関数ΦＭを上回る。こうして、ｐ領域２３０の電子の
エネルギーが真空レベルＶａｃより上にあるので、冷陰
極２００は、負の電子親和力Φ＜０を有するかのように
動作する。 【００３３】冷陰極２００の動作について、図２Ａ、図
３Ａおよび図４を参照しながら説明する。平衡状態で
は、電子放出は起こらない。これは、平衡状態の電子は
ｐ領域内には存在せず、図３Ａに示されるように、ｐ領
域２３０と金属層２４０との間のｐ−Ｍ境界部に空乏境
界層が形成されるからである。ｐ−Ｍ境界部付近、すな
わち空乏境界層では、電子はエネルギーを失い、よって
電子は金属層２４０から真空中に放出されない。これ
は、図３Ａに示されるように、境界部において、伝導帯
エネルギーＥＣが真空Ｖａｃのエネルギーレベルより下
になるような、ｐ−Ｍ境界部付近の伝導帯エネルギーＥ
Ｃの低下に起因する。 【００３４】理想的には、空乏境界層は存在せず、この
ことは、ｐ−Ｍ境界部付近の破線によって示されてい
る。ｐ−Ｍ境界部に空乏境界層が無いと、冷陰極２００
はＮＥＡ特性を有し、このことは、ｐ領域２３０内の電
子のエネルギーがＶａｃより高くなるため、ｐ領域２３
０に注入される電子が冷陰極２００から放出されるよう
になることを意味する。 【００３５】冷陰極２００は、ｎ＋領域２２０とｐ領域
２３０との間の境界部にあるｎ＋−ｐ接合部に順方向バ
イアスがかけられる、すなわちｎ＋領域２２０に対して
ｐ領域２３０上に正の電位が存在する場合に動作する。
バイアスの電位は、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０を
介してそれぞれ印加されることができる。ｎ＋−ｐ接合
部が順方向にバイアスされると、電子過剰のｎ＋領域２
２０からの電子がｐ領域２３０に注入される。ｐ領域２
３０の厚みＷがｐ領域２３０内の非平衡状態の電子の拡
散長Ｌより薄いとき、該電子はｐ領域２３０を横切り、
空乏境界層内に蓄積される。 【００３６】これはトランジスタの作用に類似してお
り、（ｐ領域２３０に取り付けられる）ベース電極を流
れる電流は、注入される電子の正孔との再結合率によっ
て決定される。注入された電子は空乏層内に蓄積され
る。該空乏層における正孔濃度が非常に小さいため、そ
の再結合率も非常に小さい。結果として、図４に示され
るように、電子のローカルな擬フェルミ準位（local qu
asi-Fermi level）ＥＦが真空レベルＶａｃより上に上
昇するまで、該電子は空乏境界層内に蓄積される。それ
に応じて、注入された電子の放出が急激に増加する。こ
の場合、放出電流は、ベースにおける再結合電流よりも
はるかに大きくなる（通常の半導体トランジスタに類
似）。これにより、非常に大きな電流を放出することが
可能となる。放出された電子は、真空における電界によ
って陽極（アノード）に向けて加速される（図示せ
ず）。 【００３７】図２Ｂは、本発明の１つの側面に従う、第
２の実施形態の冷陰極２００−１の典型的な断面図を示
す。冷陰極２００−１は、図２Ａの冷陰極２００の変形
形態として説明することができ、概して、ｐ領域２３０
と金属層２４０との間にｐ＋領域２３５が存在すること
に起因するｎ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造として特徴付けるこ
とができる。図２Ｂに示されるように、冷陰極２００−
１は、図２Ａに示される冷陰極２００のすべての要素を
含む。簡略化のため、冷陰極２００および２００−１の
両方に共通な要素については詳細に説明しない。共通の
要素の動作および特性が同様のものでありうることに留
意するだけで十分である。 【００３８】冷陰極放出器２００−１は、冷陰極２００
の要素に加えて、ｐ領域２３０内に形成されるｐ＋領域
２３５を含むことができる。高濃度にドーピングされた
ｐ＋領域２３５は非常に薄いものであることができ、こ
れは、電子不足の材料でｐ領域２３０をデルタ・ドーピ
ング（delta doping）することにより形成されることが
できる。デルタ・ドーピングは、非常に薄い層に、高濃
度のドーパントを生成する。ｐ＋領域２３５における正
孔濃度レベルは、１００ｎｍ未満の厚みの層において、
約１０２０〜１０２１／ｃｍ３であることが好ましい。
また、厚みＷ（ｐ領域２３０およびｐ＋領域２３５が組
み合わせられたこの時点における厚み）は、非平衡状態
の電子の拡散長より薄いのが好ましい。ｐ電極２７０
は、ｐ領域２３０に加えてｐ＋領域２３５と電気的に接
触していてもよいことに留意されたい。 【００３９】ｐ＋領域２３５の少なくとも１つの役割に
ついて、図３Ｂを参照して説明する。図３Ｂは、図３Ａ
の冷陰極２００−１の平衡状態における典型的なエネル
ギーバンド図を示す。図２Ａに示されるような冷陰極２
００（第１の実施形態）に関しては、ｐ領域２３０と金
属層２４０との間のｐ−Ｍ境界部に空乏境界層が形成さ
れること、かつｐ−Ｍ境界部付近において電子がエネル
ギーを失うことについて前述した。 【００４０】ｐ＋領域２３５の存在により、境界部にお
けるバンドの曲がり（傾き）が低減され、ＮＥＡを備え
た理想的なエミッタにより近い状態でエミッタ２００−
１を駆動することができる。図３Ｂに示されるように、
エミッタ２００−１の場合の伝導帯レベルエネルギーＥ
Ｃの低下は、エミッタ２００の場合の低下より小さい
（図３Ａと比較した場合）。バンドの曲がりが低減され
ると、ｐ＋−Ｍ境界部に隣接して蓄積される、注入され
た電子のローカル擬フェルミ準位が理想的な位置の近く
まで移動し、これにより、電子放出の条件が改善され
る。 【００４１】冷陰極２００−１の動作は、図４に示され
る冷陰極２００の動作に類似している。言い換えると、
冷陰極２００−１は、ｎ＋領域２２０とｐ領域２３０
（およびｐ＋領域２３５）との間の境界部にあるｎ＋−
ｐ接合部に順方向バイアスがかけられたときに動作す
る。この場合、ｐ＋領域２３５が存在することに起因し
て、必要とされる順方向バイアスが小さくなり、それに
応じて、平衡状態の空乏境界層も小さくなる。 【００４２】図２Ｃは、本発明の１つの側面に従う、第
３の実施形態の冷陰極放出器２００−２の典型的な断面
図を示す。冷陰極２００−２も、図２Ａの冷陰極２００
の変形形態として説明することができ、概して、冷陰極
２００のようなｎ＋−ｐ−Ｍ構造として特徴付けること
ができる。 【００４３】図２Ｃに示されるように、冷陰極２００−
２は、図２Ａに示される冷陰極２００のすべての要素を
含むことができるが、冷陰極２００−２はｐ電極２７０
を含まず、金属層２４０の上に形成される、金属層２４
０と電気的に接触するＭ電極２９０を含むことができる
点で異なる。簡略化のため、冷陰極２００および２００
−２の両方に共通の要素については詳細に説明しない。
共通の要素の動作および特性が同様のものであることに
留意するだけで十分である。 【００４４】Ｍ電極２９０が果たすことのできる少なく
とも１つの役割は以下のように説明される。冷陰極２０
０（および２００−１）に関し、エミッタは、ｎ＋−ｐ
接合部に順方向バイアスがかけられたときに動作する。
このバイアスは、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０（図
２Ａおよび図２Ｂを参照）にそれぞれ適切な電位を印加
することにより与えられた。冷陰極２００−２の場合、
ｎ電極２６０およびＭ電極２９０にそれぞれ適切な電位
をかけることにより、ｎ＋−ｐ接合部に順方向バイアス
をかけることができる。冷陰極２００−２の利点の１つ
は、たとえば冷陰極放出器２００と比較すると、該デバ
イスをより容易に製作することができるということであ
る。 【００４５】冷陰極２００−２の動作は、冷陰極２００
および２００−１に類似しており、よって詳細に説明す
る必要はない。 【００４６】図２Ｄは、本発明の１つの側面に従う、第
４の実施形態の冷陰極２００−３の典型的な断面図を示
す。冷陰極２００−１および２００−２と同様に、冷陰
極２００−３は、図２Ａの冷陰極２００の変形形態とし
て説明することができる。冷陰極２００−３は、概し
て、ｎ＋−ｐ−Ｍ構造として特徴付けることができる。
図２Ｄに示されるように、冷陰極２００−３は、図２Ａ
に示される冷陰極２００のすべての要素を含む。簡略化
のため、冷陰極２００および２００−３の両方に共通の
要素については詳細に説明しない。共通の要素の動作お
よび特性が同様のものであるということに留意するだけ
で十分である。 【００４７】冷陰極２００−３は、冷陰極２００の要素
に加えて、金属層２４０の上に形成される、金属層２４
０と電気的に接触するＭ電極２９０と、Ｍ電極２９０を
絶縁する第２の絶縁層２８０とを含む。この場合、ｎ＋
−ｐ接合部の順方向バイアスは、冷陰極２００で前述し
たように、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０にそれぞれ
電位を印加することにより与えられることができる。 【００４８】冷陰極２００−３の全般的な動作は、冷陰
極２００および２００−１に類似しており、よって詳細
に説明する必要はない。しかしながら、Ｍ電極２９０に
より、冷陰極２００−３の動作において付加的な制御性
が追加される。この場合、金属層２４０を用いて、放出
電流の量を制御することができる。これは、個別に制御
されるエミッタを備えたアレイを必要とする応用形態に
おいて非常に有利である。放出電流は、Ｍ電極２９０を
介して金属層２４０上の電位をバイアスすることによっ
て制御されることができる。これは、冷陰極２００−３
からの放出電流を開閉する。 【００４９】第２、第３および第４の実施形態で記載さ
れた個々の変形形態（それぞれ、冷陰極２００−１、２
００−２および２００−３）は、個々の変形形態の利益
を得るために１つのデバイスにおいて組み合わされるこ
とができる。例として、図２Ｅおよび図２Ｆは、本発明
の他の側面に従う、第５および第６の実施形態の冷陰極
２００−１２および２００−１３の典型的な断面図を示
す。 【００５０】図２Ｅは、冷陰極２００−１および２００
−２（それぞれ、第２および第３の実施形態）の組み合
わせの例を示す。図に示されるように、冷陰極２００−
１と同様に、冷陰極２００−１２はｐ＋領域２３５を含
み、それゆえ全体として、ｎ ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造を有
するものとして特徴付けることができる。また冷陰極２
００−２と同様に、冷陰極２００−１２はｐ電極２７０
を持たないが、Ｍ電極２９０を含む。 【００５１】冷陰極２００−１２によって、金属層２４
０を介してｐ領域２３０に電位を印加することが可能と
なる。また、ｐ＋領域２３５が存在することに起因し
て、必要とされる順方向バイアスを比較的小さくするこ
とができる。 【００５２】図２Ｆは、冷陰極２００−１および２００
−３（それぞれ、第２および第４の実施形態）の組み合
わせの例を示す。図に示されるように、冷陰極２００−
１と同様に、冷陰極２００−１２はｐ＋領域２３５を含
み、それゆえ全体として、ｎ ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造を有
するものとして特徴付けることができる。また冷陰極２
００−３と同様に、冷陰極２００−１３は、Ｍ電極２９
０および第２の絶縁体２８０を含む。 【００５３】冷陰極２００−１３によって、Ｍ電極２９
０に適切なバイアスをかけることにより、電流の量を制
御することが可能となる。また、ｐ＋領域２３５が存在
することに起因して、ＮＥＡのための条件を達成するの
がさらに容易になる。 【００５４】本明細書に記載および図示されているの
は、そのいくつかの変形形態とともに、本発明の好まし
い実施形態である。本明細書において用いられる用語、
説明および図面は、単なる例示として記載されており、
限定することを意味しない。当業者であれば、特許請求
の範囲およびその均等物によって規定されることが意図
される本発明の精神および範囲内で、数多くの変形形態
が実現可能であり、他に指示されなければ、すべての用
語がその最も幅広い妥当な意味を有することが意図され
ることは理解されよう。 【００５５】本発明は、以下の実施態様を含む。 （１）電子エミッタ（２００、２００−１、２００−
２、２００−３、２００−１２、２００−１３）であっ
て、ｎ＋領域（２２０）と、前記ｎ＋領域（２２０）内
または該ｎ＋領域の上に形成されるｐ領域（２３０）
と、前記ｐ領域（２３０）の上に形成される金属層（２
４０）と、を備える電子エミッタ。 （２）前記ｎ＋領域（２２０）の下に基板（２１０）を
さらに備える、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （３）前記ｎ＋領域（２２０）は、広いバンドギャップ
の半導体から形成される、上記（１）に記載の電子エミ
ッタ。 （４）前記ｎ＋領域（２２０）の電子濃度レベルｎ
ｎは、前記ｐ領域（２３０）の正孔濃度レベルｐｐより
も大きい、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （５）前記ｐ領域（２３０）の厚みは、該ｐ領域（２３
０）における非平衡状態の電子の拡散長よりも薄い、上
記（１）に記載の電子エミッタ。 【００５６】（６）真空エネルギーレベルは、前記デバ
イス内に形成される前記ｐ領域（２３０）における半導
体のエネルギーギャップ内に収まる、上記（１）に記載
の電子エミッタ。 【００５７】（７）前記金属層（２４０）の厚みは、電
子エネルギーの平均自由行程と概ね同じか、またはそれ
よりも薄い、上記（１）に記載の電子エミッタ。 【００５８】（８）電子エミッタ（２００、２００−
１、２００−２、２００−３、２００−１２、２００−
１３）を製作する方法であって、ｎ＋領域を形成し、該
ｎ＋領域を基板（２２０）として用いること、前記ｎ＋
領域（２２０）内または該ｎ＋領域の上に、ｐ領域（２
３０）を形成すること、前記ｐ領域（２３０）の上に金
属層（２４０）を形成することと、を含む方法。 （９）前記ｎ＋領域（２２０）のために基板（２１０）
を形成すること、をさらに含む、上記（８）に記載の方
法。 （１０）前記ｐ領域（２３０）内であって前記金属層
（２４０）の下に、ｐ＋領域（２３５）を形成するこ
と、をさらに含む、上記（８）に記載の方法。
タに関し、より具体的には、ｐ−ｎ陰極タイプの冷電子
エミッタに関する。 【０００２】「HIGH-CURRENT AVALANCHE-TUNNELING AND
INJECTION-TUNNELING SEMICONDUCTOR-DIELECTRIC-META
L STABLE COLD EMITTER WHICH EMULATES THE NEGATIVE
ELECTRON AFFINITY MECHANISM OF EMISSION」というタ
イトルの米国特許出願第０９／９７５，２９７号は、同
じ出願人による特許出願であり、いくつかの共通の開示
を含み、本発明に関連する場合がある。 【０００３】 【従来の技術】今日、数多くの形態の電子放出技術が存
在する。電流によって加熱される熱陰極からの熱放出の
結果として電子が生成される熱陰極管（ＣＲＴ）は、テ
レビ（ＴＶ）およびコンピュータモニタのような数多く
の表示装置に普及している。また電子放出は、Ｘ線装置
および電子顕微鏡のような装置においても重要な役割を
果たす。集積回路およびフラットディスプレイ装置のた
めに、ミニチュア冷陰極が用いられる場合がある。さら
に、高い電流密度で放出された電子を用いて、ある材料
をスパッタリングしたり、溶融したりすることもでき
る。 【０００４】一般に、２つのタイプの電子エミッタ、す
なわち「熱」陰極および「冷」陰極が存在する。「熱」
陰極は、電流によって加熱された表面からの熱電子放出
に基づく。冷陰極は、２つの異なるタイプ、すなわちタ
イプＡおよびＢに細分されることができる。タイプＡの
エミッタは、電界放出効果（電界放出陰極）に基づく。
タイプＢのエミッタは、注入または電子なだれ降伏プロ
セスによって生成される非平衡状態の電子の放出を用い
るｐ−ｎ陰極である。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】いずれのタイプのエミ
ッタとも短所を有し、それにより実際には実用的ではな
い。タイプＡのエミッタ（電界放出タイプ）の場合、主
な短所の１つは、寿命が非常に短いことである。たとえ
ば、タイプＡのエミッタは数時間しか動作せず、場合に
よっては分単位の短い時間しか動作しないことさえあ
る。冷電界放出陰極（タイプＡ）では、電子は、強い電
界によって金属電極の表面から真空中に抽出される。電
界陰極は、記録装置および他の応用形態において必要と
される大きな放出電流では、その寿命が短い。 【０００６】図１Ａを参照して、タイプＡのエミッタの
動作を説明する。図１Ａは、金属の仕事関数の概念を例
示する、金属製表面の場合の典型的なエネルギー準位図
を示す。図に示されるように、材料、この例では金属が
左側にあり、真空領域は右側にある。ＥＦは金属のフェ
ルミ準位を表す。金属の仕事関数ΦＭは、金属のフェル
ミ準位から真空中に１つの電子を移動させるのに必要と
されるエネルギーである。したがって、仕事関数Φ
Ｍは、ＶａｃとＥＦとの差である。金属の場合の仕事関
数ΦＭは、典型的には４〜５電子ボルト（ｅＶ）であ
る。 【０００７】非常に強い外部電界においては、エネルギ
ー準位は変化し、電子には、三角のポテンシャル障壁
（図１Ａの破線参照）のように見える。外部電界Ｆが増
加すると、障壁の幅は減少し、電子のトンネル効果の起
こる確率が急激に増加する。そのような障壁の透過性は
以下のように表される。 【０００８】 【数１】 【０００９】ここで、Ｆは電界であり、ｑおよびｍは、
電子の電荷および質量である。透過性は、電子トンネル
効果の確率を表す。電流密度ｊ＝１〜１００A/cm２（ア
ンペア／平方センチメートル）の場合に、対応する電界
はＦ＞１０７V/cmとなる。 【００１０】そのような強い電界では、実際の装置内の
真空領域において常に存在するイオンが、約１マイクロ
メートルまたはそれ以上の真空領域において、１０３ｅ
Ｖ以上のエネルギーを取得する。そのような強いエネル
ギーを有するイオンがエミッタ表面に衝突すると、エミ
ッタ表面がイオンを吸収し、腐食することとなる。イオ
ン吸収および腐食は、一般に、タイプＡのエミッタの寿
命を数時間の動作時間に、場合によっては数分間に制限
する。同様の強度の電界を用いるシステム内の陰極への
損傷は詳細に研究されており、非常に目覚しいものがあ
る。 【００１１】タイプＢのエミッタ（注入／電子なだれタ
イプ）の場合、主な短所のうちの１つは、効率が非常に
悪いことである。言い換えると、回路内の全電流に対す
る放出電流の比が非常に小さく、通常は１％よりもかな
り小さい。ＴｉＯ２や多孔質Ｓｉ、または電子なだれ降
伏を含む、ｐ−ｎ接合または半導体−金属（Ｓ−Ｍ）接
合のいずれかに基づくタイプＢの陰極は、ｐ−ｎ接合ま
たはＳ−Ｍ接合に「内部」バイアスをかける必要があ
る。 【００１２】代替的に、Ｓｉから冷陰極を製造するため
に電気的破壊プロセスを用いることが示唆されている。
これらのタイプの電子なだれエミッタは、電子なだれの
状況において非常に強い電界によって加速された非常に
熱い電子（約数電子ボルトのエネルギーを有する）の放
出に基づく。結果として、これらも、熱電子の放出電流
密度が非常に小さいという短所を有する。 【００１３】負の電子親和力（ＮＥＡ）の効果を用いる
ために、半導体表面上にセシウム（Ｃｓ）を堆積させる
ことにより、電流密度を増加させようとする試みが行わ
れている。図１ＢはＮＥＡの概念を示す。図に示される
ように、材料、この例ではｐ型半導体が左側にあり、真
空領域が右側にある。ＥＣは金属の伝導帯を表す。ＮＥ
Ａ効果は、伝導帯ＥＣの底が真空レベルＶａｃよりも高
い位置にあるときの状況に相当することに留意された
い。このタイプの１つの初期のｐ−ｎ陰極は、シリコン
またはガリウム砒素の電子なだれ領域と、放出が起こる
セシウム金属層とを組み合わせたもの（ＧａＡｓ／Ｃｓ
またはＧａＰ／Ｃｓ構造）である。しかしながら、Ｃｓ
は非常に反応が速く、揮発性の元素である。したがっ
て、Ｃｓを用いるＧａＡｓおよびＧａＰエミッタは、高
い電流密度においては安定でない。 【００１４】要するに、高電流放出と安定性とを合わせ
持つ冷陰極は、従来の設計では実現することができなか
った。 【００１５】 【課題を解決するための手段】本発明の１つの側面によ
ると、冷電子エミッタの一実施形態は、高濃度にドーピ
ングされたｎ型領域（ｎ＋領域）を含むことができる。
該ｎ＋領域は、広いバンドギャップ（以下、ワイドバン
ドギャップまたはワイドギャップ、と呼ぶことがある）
の半導体から形成されることができる。また、該冷電子
エミッタは、ｎ＋領域の下に基板を含むことができる。
実際には、該ｎ＋領域は、電子過剰の材料で基板をドー
ピングすることにより形成されることができる。 【００１６】さらに、電子エミッタは、ｎ＋領域内また
は該ｎ＋領域の上に形成されるｐ領域を含むことができ
る。該ｐ領域は、電子不足の材料でｎ＋領域をカウンタ
−・ドーピングすることにより形成されることができ
る。ｐ領域の厚みは、ｐ領域における電子の拡散長より
薄いのが好ましい。また、ｐ領域内の正孔濃度レベル
は、ｎ＋領域内の電子濃度より低いのが好ましい。 【００１７】電子エミッタはさらに、ｐ領域の上に形成
される金属層を含むことができる。金属層の仕事関数
は、ｐ領域のエネルギーギャップよりも低いのが好まし
い。さらに、金属層の厚みは、電子エネルギーの平均自
由行程より薄のが好ましい。電子エミッタは、さらに、
たとえばｐ領域をデルタ・ドーピングすることによっ
て、該ｐ領域内に形成される高濃度にドーピングされた
ｐ領域（＋ｐ領域）を含むことができる。電子エミッタ
は、さらに、ｎ電極およびｐ電極を含んで、ｎ＋−ｐ接
合が、たとえばデバイスから放出される電流の量を制御
する動作のために、順方向にバイアスされるようにする
ことができる。 【００１８】本発明の他の側面によると、電子エミッタ
を製作する方法の一実施形態は、たとえば、電子過剰の
材料で、ワイドバンドギャップの基板をドーピングする
ことにより、ｎ＋領域を形成することを含むことができ
る。また、該方法は、たとえば電子不足の材料でｎ＋領
域をカウンター・ドーピングすることにより、ｎ＋領域
内にｐ領域を形成することを含むことができる。ｐ領域
の厚みは、ｐ領域内の電子の拡散長よりも薄いのが好ま
しい。また、ｐ領域内の正孔濃度レベルは、ｎ＋領域の
電子濃度より低いのが好ましい。該方法はさらに、ｐ領
域の上に金属層を形成することを含むことができる。金
属層の仕事関数は、ｐ領域のエネルギーギャップより低
いのが好ましく、金属層の厚みは、電子エネルギーの平
均自由行程ほどの大きさか、または該平均自由行程より
も薄いのが好ましい。該方法はさらに、たとえばｐ領域
をデルタ・ドーピングすることにより、ｐ＋領域を形成
することを含むことができる。さらに、該方法は、ｎ電
極およびｐ電極を形成することを含んで、ｎ＋−ｐ接合
が動作において順方向にバイアスされるようにすること
ができる。さらに該方法は、電流エミッタから放出され
る電流の量を制御するために、Ｍ電極を形成することを
含むことができ、このとき、ｐ電極を形成することを伴
ってもよいし、伴わなくてもよい。 【００１９】本発明の上記の実施形態は、所定の態様を
達成することができる。たとえば、該電子エミッタは、
高密度の放出電子電流を生成することができる。また、
エミッタの寿命を比較的長くすることができる。さら
に、該エミッタは、既知のワイドギャップ材料とその制
作方法とに基づくことができ、それゆえ、現在の技術水
準に存在するもの以外の設備投資は、ほとんど、あるい
は全く必要とされない。さらに、該デバイスは真空領域
において強い電界を必要としないので、結果として動作
が安定し、電界エミッタの有害な影響、すなわち陰極表
面の腐食およびエミッタ表面におけるイオン吸収等を回
避することができる。したがって、安定性および高電流
密度を１つのデバイス内で組み合わせることができる。
真空領域において強い電界を用いる必要が無いというこ
とは、パッケージングを非常に簡略化することができ、
これは、高度の真空を必要としない。 【００２０】要するに、従来のデバイスと異なり、本発
明の少なくともいくつかの実施形態により、大きな放出
電流と大きな効率を備えた耐久性のある冷エミッタが可
能となる。 【００２１】 【発明の実施の形態】本発明の特徴は、図面とともに以
下に記載される説明から、当業者には明らかになるであ
ろう。 【００２２】簡略化してわかりやすくするため、本発明
の原理は、主にその典型的な実施形態を参照することに
より説明される。以下の説明では、本発明を完全に理解
してもらうために、多数の特定の細部が説明される。し
かしながら、本発明がこれらの特定の細部に限定される
ことなく実施されることができることは、当業者には明
らかであろう。状況によっては、本発明を無用に不明瞭
にしないように、既知の方法および構造を詳細には記載
していない場合がある。 【００２３】図２Ａは、本発明の１つの側面に従う、冷
陰極（コールドエミッタ（cold emitter））２００の第
１の実施形態の典型的な断面図を示す。冷陰極２００
は、概して、ｎ＋領域２２０、ｐ領域２３０、および金
属層２４０が存在することに起因するｎ＋−ｐ−Ｍ構造
を有するものとして特徴付けられることができる。図２
Ａに示されるように、冷陰極２００は、基板２１０と、
該基板２１０の上に形成されるｎ＋領域２２０とを含む
ことができる。ｎ＋領域２２０は、ワイドバンドギャッ
プ（ＷＢＧ(wide band gap)）の半導体から形成される
ことができる。ＷＢＧ半導体の例には、ＧａＰ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、およびダイアモンドのようなカーボ
ン、アモルファスＳｉ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｚｎ
Ｏ、ＩｎＰ等が含まれる。当業者であれば、適切なＷＢ
Ｇ半導体として他の材料を用いることができることは理
解されよう。ｎ＋領域２２０の電子濃度は、１０１７／
ｃｍ３より大きいのが好ましく、１０１９／ｃｍ３より
大きいのが最も望ましい。しかしながら、応用形態のタ
イプに応じて、濃度レベルを調整することができる。 【００２４】実際には、基板２１０およびｎ＋領域２２
０は、同じＷＢＧ半導体から形成されることができる。
その際、ｎ＋領域２２０は、電子過剰（electron ric
h）の材料でＷＢＧ半導体をドーピングすることにより
形成されることができる。電子過剰の材料の例には、窒
素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、およびアンチモ
ン（Ｓｂ）が含まれる。再び、当業者であれば、電子過
剰の他の材料を用いることができることは理解されよ
う。 【００２５】冷陰極２００はさらに、ｎ＋領域２２０内
またはｎ＋領域２２０の上に形成されるｐ領域２３０を
含むことができる。ｐ領域２３０は、たとえば電子不足
（electron poor）の材料でｎ＋領域２２０をカウンタ
ー・ドーピング（counter doping）することによって形
成されることができる。そのような材料の一例には、ホ
ウ素が含まれる。当業者であれば、他の電子不足の材料
を用いてもよいことを理解されよう。ｐ領域２３０は、
ｎ＋領域２２０とは全く異なる材料から形成されること
もできる。ｎ＋領域２２０は、ｐ領域２３０よりも広い
バンドギャップの材料から形成されることが好ましい。 【００２６】ｐ領域２３０における正孔濃度ｐｐレベル
は、実質的に１０１６〜１０１８／ｃｍ３の範囲にある
ことが好ましく、約１０１８／ｃｍ３であるのが最も望
ましい。この範囲は、応用形態のタイプに依存して大き
く変化することがある。正孔濃度が、ｎ＋領域における
電子濃度よりも低い、すなわちｐｐ＜ｎｎであるのが好
ましい。この比も、応用形態のタイプに依存して変化す
ることができる。また、ＷはＬより小さくされることが
好ましい。ここで、図２Ａに示されるように、Ｗはｐ領
域２３０の厚みを表し、Ｌはｐ領域２３０における非平
衡状態の電子の拡散長（diffusion length）を表す。拡
散長Ｌは典型的には約０．３μｍである。 【００２７】冷陰極２００はさらに、ｐ領域２３０の上
に形成される金属層２４０を含むことができる。金属層
２４０は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗのような標準的な電極材料か
ら形成されることができ、また仕事関数の小さい材料か
ら形成されることができる。仕事関数の小さい材料の例
には、ＬａＢ６、ＣｅＢ６、Ａｕ、Ａｌ、Ｇｄ、Ｅｕ、
ＥｕＯおよびそれらの合金が含まれる。金属層２４０の
厚みｔは、電子エネルギーの平均自由行程（mean free
path）ｌε程度か、またはそれよりも薄いことが好まし
い。典型的には、ｌεは２〜５ナノメートル（ｎｍ）の
範囲にある。こうして、その厚み「ｔ」の範囲は、ｔ＜
２〜５ｎｍとなる。 【００２８】金属層２４０のための材料の選択は、ｎ＋
領域２２０とｐ領域２３０との間のｎ＋−ｐ接触電圧差
に依存する。図３Ａを参照すると、図２Ａの冷陰極の第
１の実施形態２００の平衡状態における典型的なエネル
ギーバンド図が示されており、金属層２４０のための材
料の選択のための基準を以下に説明する。ｎ＋−ｐ接触
電圧差がＶｎｐとして表されるとすると、接合部におけ
る拡散電位（built-inpotential）は、ｑＶｎｐ≒Ｅｇ
で表すことができる（図３Ａを参照）。ここで、ｑ＞０
は電気素量を表し、Ｅｇは、図３Ａに示されるようなｐ
領域２３０の伝導帯エネルギーＥＣと価電子帯エネルギ
ーＥＶとの間のエネルギーギャップを表す。 【００２９】金属層２４０の仕事関数ΦＭは、ΦＭ＜ｑ
Ｖｎｐ≒Ｅｇとなることが≒好ましい。たとえば、ダイ
ヤモンドのＥｇは約５．４７ｅＶである。したがって、
ｐ領域２３０のための主材料としてダイヤモンドが用い
られる場合には、金の仕事関数ΦＭが４．７５ｅＶであ
るので、金属層２４０として金を用いることができる。
ＬａＢ６およびＣｅＢ６のような実質的に２．５ｅＶ付
近の仕事関数を有するものの場合、さらに小さいＥｇを
有する他の材料を用いることもできる。当業者であれ
ば、金属層２４０として他の材料も適している場合があ
り、また層２４０が厳密には金属に限定されないという
ことは理解されよう。 【００３０】図２Ａを再び参照すると、冷陰極２００は
さらに、ｎ＋領域２２０の上に形成されるｎ電極２６０
とｐ電極２７０とを備えることができる。ｎ電極２６０
はｎ＋領域２２０に電気的に接続されることができ、ｐ
電極２７０はｐ領域２３０に電気的に接続されることが
できる。ｎ電極２６０およびｐ電極２７０は、金属また
は他の導電性材料から形成されることができる。導電性
材料の例には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐ
ｄ等およびそれらの合金が含まれる。さらに、電子エミ
ッタ２００は、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０をそれ
ぞれ絶縁するために、誘電体２５０を含むことができ
る。 【００３１】図３Ａは、図２Ａの第１の実施形態の冷陰
極２００の線ＩＩ−ＩＩに沿った、平衡状態における典
型的なエネルギーバンド図を示す。図に示されるよう
に、図３Ａの左側は線ＩＩ−ＩＩの底部分（ｎ＋領域２
２０）に対応し、右側部分は上部分（真空）に対応す
る。 【００３２】上記のように、金属層２４０の仕事関数Φ
Ｍは、ｐ領域２３０のエネルギーギャップより小さい、
すなわちＥｇ≒ｑＶｎｐ＞ΦＭであることが好ましい。
この条件下で、ｐ領域２３０接合部におけるエネルギー
レベルは、図３Ａに示されるように、金属層２４０の仕
事関数ΦＭを上回る。こうして、ｐ領域２３０の電子の
エネルギーが真空レベルＶａｃより上にあるので、冷陰
極２００は、負の電子親和力Φ＜０を有するかのように
動作する。 【００３３】冷陰極２００の動作について、図２Ａ、図
３Ａおよび図４を参照しながら説明する。平衡状態で
は、電子放出は起こらない。これは、平衡状態の電子は
ｐ領域内には存在せず、図３Ａに示されるように、ｐ領
域２３０と金属層２４０との間のｐ−Ｍ境界部に空乏境
界層が形成されるからである。ｐ−Ｍ境界部付近、すな
わち空乏境界層では、電子はエネルギーを失い、よって
電子は金属層２４０から真空中に放出されない。これ
は、図３Ａに示されるように、境界部において、伝導帯
エネルギーＥＣが真空Ｖａｃのエネルギーレベルより下
になるような、ｐ−Ｍ境界部付近の伝導帯エネルギーＥ
Ｃの低下に起因する。 【００３４】理想的には、空乏境界層は存在せず、この
ことは、ｐ−Ｍ境界部付近の破線によって示されてい
る。ｐ−Ｍ境界部に空乏境界層が無いと、冷陰極２００
はＮＥＡ特性を有し、このことは、ｐ領域２３０内の電
子のエネルギーがＶａｃより高くなるため、ｐ領域２３
０に注入される電子が冷陰極２００から放出されるよう
になることを意味する。 【００３５】冷陰極２００は、ｎ＋領域２２０とｐ領域
２３０との間の境界部にあるｎ＋−ｐ接合部に順方向バ
イアスがかけられる、すなわちｎ＋領域２２０に対して
ｐ領域２３０上に正の電位が存在する場合に動作する。
バイアスの電位は、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０を
介してそれぞれ印加されることができる。ｎ＋−ｐ接合
部が順方向にバイアスされると、電子過剰のｎ＋領域２
２０からの電子がｐ領域２３０に注入される。ｐ領域２
３０の厚みＷがｐ領域２３０内の非平衡状態の電子の拡
散長Ｌより薄いとき、該電子はｐ領域２３０を横切り、
空乏境界層内に蓄積される。 【００３６】これはトランジスタの作用に類似してお
り、（ｐ領域２３０に取り付けられる）ベース電極を流
れる電流は、注入される電子の正孔との再結合率によっ
て決定される。注入された電子は空乏層内に蓄積され
る。該空乏層における正孔濃度が非常に小さいため、そ
の再結合率も非常に小さい。結果として、図４に示され
るように、電子のローカルな擬フェルミ準位（local qu
asi-Fermi level）ＥＦが真空レベルＶａｃより上に上
昇するまで、該電子は空乏境界層内に蓄積される。それ
に応じて、注入された電子の放出が急激に増加する。こ
の場合、放出電流は、ベースにおける再結合電流よりも
はるかに大きくなる（通常の半導体トランジスタに類
似）。これにより、非常に大きな電流を放出することが
可能となる。放出された電子は、真空における電界によ
って陽極（アノード）に向けて加速される（図示せ
ず）。 【００３７】図２Ｂは、本発明の１つの側面に従う、第
２の実施形態の冷陰極２００−１の典型的な断面図を示
す。冷陰極２００−１は、図２Ａの冷陰極２００の変形
形態として説明することができ、概して、ｐ領域２３０
と金属層２４０との間にｐ＋領域２３５が存在すること
に起因するｎ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造として特徴付けるこ
とができる。図２Ｂに示されるように、冷陰極２００−
１は、図２Ａに示される冷陰極２００のすべての要素を
含む。簡略化のため、冷陰極２００および２００−１の
両方に共通な要素については詳細に説明しない。共通の
要素の動作および特性が同様のものでありうることに留
意するだけで十分である。 【００３８】冷陰極放出器２００−１は、冷陰極２００
の要素に加えて、ｐ領域２３０内に形成されるｐ＋領域
２３５を含むことができる。高濃度にドーピングされた
ｐ＋領域２３５は非常に薄いものであることができ、こ
れは、電子不足の材料でｐ領域２３０をデルタ・ドーピ
ング（delta doping）することにより形成されることが
できる。デルタ・ドーピングは、非常に薄い層に、高濃
度のドーパントを生成する。ｐ＋領域２３５における正
孔濃度レベルは、１００ｎｍ未満の厚みの層において、
約１０２０〜１０２１／ｃｍ３であることが好ましい。
また、厚みＷ（ｐ領域２３０およびｐ＋領域２３５が組
み合わせられたこの時点における厚み）は、非平衡状態
の電子の拡散長より薄いのが好ましい。ｐ電極２７０
は、ｐ領域２３０に加えてｐ＋領域２３５と電気的に接
触していてもよいことに留意されたい。 【００３９】ｐ＋領域２３５の少なくとも１つの役割に
ついて、図３Ｂを参照して説明する。図３Ｂは、図３Ａ
の冷陰極２００−１の平衡状態における典型的なエネル
ギーバンド図を示す。図２Ａに示されるような冷陰極２
００（第１の実施形態）に関しては、ｐ領域２３０と金
属層２４０との間のｐ−Ｍ境界部に空乏境界層が形成さ
れること、かつｐ−Ｍ境界部付近において電子がエネル
ギーを失うことについて前述した。 【００４０】ｐ＋領域２３５の存在により、境界部にお
けるバンドの曲がり（傾き）が低減され、ＮＥＡを備え
た理想的なエミッタにより近い状態でエミッタ２００−
１を駆動することができる。図３Ｂに示されるように、
エミッタ２００−１の場合の伝導帯レベルエネルギーＥ
Ｃの低下は、エミッタ２００の場合の低下より小さい
（図３Ａと比較した場合）。バンドの曲がりが低減され
ると、ｐ＋−Ｍ境界部に隣接して蓄積される、注入され
た電子のローカル擬フェルミ準位が理想的な位置の近く
まで移動し、これにより、電子放出の条件が改善され
る。 【００４１】冷陰極２００−１の動作は、図４に示され
る冷陰極２００の動作に類似している。言い換えると、
冷陰極２００−１は、ｎ＋領域２２０とｐ領域２３０
（およびｐ＋領域２３５）との間の境界部にあるｎ＋−
ｐ接合部に順方向バイアスがかけられたときに動作す
る。この場合、ｐ＋領域２３５が存在することに起因し
て、必要とされる順方向バイアスが小さくなり、それに
応じて、平衡状態の空乏境界層も小さくなる。 【００４２】図２Ｃは、本発明の１つの側面に従う、第
３の実施形態の冷陰極放出器２００−２の典型的な断面
図を示す。冷陰極２００−２も、図２Ａの冷陰極２００
の変形形態として説明することができ、概して、冷陰極
２００のようなｎ＋−ｐ−Ｍ構造として特徴付けること
ができる。 【００４３】図２Ｃに示されるように、冷陰極２００−
２は、図２Ａに示される冷陰極２００のすべての要素を
含むことができるが、冷陰極２００−２はｐ電極２７０
を含まず、金属層２４０の上に形成される、金属層２４
０と電気的に接触するＭ電極２９０を含むことができる
点で異なる。簡略化のため、冷陰極２００および２００
−２の両方に共通の要素については詳細に説明しない。
共通の要素の動作および特性が同様のものであることに
留意するだけで十分である。 【００４４】Ｍ電極２９０が果たすことのできる少なく
とも１つの役割は以下のように説明される。冷陰極２０
０（および２００−１）に関し、エミッタは、ｎ＋−ｐ
接合部に順方向バイアスがかけられたときに動作する。
このバイアスは、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０（図
２Ａおよび図２Ｂを参照）にそれぞれ適切な電位を印加
することにより与えられた。冷陰極２００−２の場合、
ｎ電極２６０およびＭ電極２９０にそれぞれ適切な電位
をかけることにより、ｎ＋−ｐ接合部に順方向バイアス
をかけることができる。冷陰極２００−２の利点の１つ
は、たとえば冷陰極放出器２００と比較すると、該デバ
イスをより容易に製作することができるということであ
る。 【００４５】冷陰極２００−２の動作は、冷陰極２００
および２００−１に類似しており、よって詳細に説明す
る必要はない。 【００４６】図２Ｄは、本発明の１つの側面に従う、第
４の実施形態の冷陰極２００−３の典型的な断面図を示
す。冷陰極２００−１および２００−２と同様に、冷陰
極２００−３は、図２Ａの冷陰極２００の変形形態とし
て説明することができる。冷陰極２００−３は、概し
て、ｎ＋−ｐ−Ｍ構造として特徴付けることができる。
図２Ｄに示されるように、冷陰極２００−３は、図２Ａ
に示される冷陰極２００のすべての要素を含む。簡略化
のため、冷陰極２００および２００−３の両方に共通の
要素については詳細に説明しない。共通の要素の動作お
よび特性が同様のものであるということに留意するだけ
で十分である。 【００４７】冷陰極２００−３は、冷陰極２００の要素
に加えて、金属層２４０の上に形成される、金属層２４
０と電気的に接触するＭ電極２９０と、Ｍ電極２９０を
絶縁する第２の絶縁層２８０とを含む。この場合、ｎ＋
−ｐ接合部の順方向バイアスは、冷陰極２００で前述し
たように、ｎ電極２６０およびｐ電極２７０にそれぞれ
電位を印加することにより与えられることができる。 【００４８】冷陰極２００−３の全般的な動作は、冷陰
極２００および２００−１に類似しており、よって詳細
に説明する必要はない。しかしながら、Ｍ電極２９０に
より、冷陰極２００−３の動作において付加的な制御性
が追加される。この場合、金属層２４０を用いて、放出
電流の量を制御することができる。これは、個別に制御
されるエミッタを備えたアレイを必要とする応用形態に
おいて非常に有利である。放出電流は、Ｍ電極２９０を
介して金属層２４０上の電位をバイアスすることによっ
て制御されることができる。これは、冷陰極２００−３
からの放出電流を開閉する。 【００４９】第２、第３および第４の実施形態で記載さ
れた個々の変形形態（それぞれ、冷陰極２００−１、２
００−２および２００−３）は、個々の変形形態の利益
を得るために１つのデバイスにおいて組み合わされるこ
とができる。例として、図２Ｅおよび図２Ｆは、本発明
の他の側面に従う、第５および第６の実施形態の冷陰極
２００−１２および２００−１３の典型的な断面図を示
す。 【００５０】図２Ｅは、冷陰極２００−１および２００
−２（それぞれ、第２および第３の実施形態）の組み合
わせの例を示す。図に示されるように、冷陰極２００−
１と同様に、冷陰極２００−１２はｐ＋領域２３５を含
み、それゆえ全体として、ｎ ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造を有
するものとして特徴付けることができる。また冷陰極２
００−２と同様に、冷陰極２００−１２はｐ電極２７０
を持たないが、Ｍ電極２９０を含む。 【００５１】冷陰極２００−１２によって、金属層２４
０を介してｐ領域２３０に電位を印加することが可能と
なる。また、ｐ＋領域２３５が存在することに起因し
て、必要とされる順方向バイアスを比較的小さくするこ
とができる。 【００５２】図２Ｆは、冷陰極２００−１および２００
−３（それぞれ、第２および第４の実施形態）の組み合
わせの例を示す。図に示されるように、冷陰極２００−
１と同様に、冷陰極２００−１２はｐ＋領域２３５を含
み、それゆえ全体として、ｎ ＋−ｐ−ｐ＋−Ｍ構造を有
するものとして特徴付けることができる。また冷陰極２
００−３と同様に、冷陰極２００−１３は、Ｍ電極２９
０および第２の絶縁体２８０を含む。 【００５３】冷陰極２００−１３によって、Ｍ電極２９
０に適切なバイアスをかけることにより、電流の量を制
御することが可能となる。また、ｐ＋領域２３５が存在
することに起因して、ＮＥＡのための条件を達成するの
がさらに容易になる。 【００５４】本明細書に記載および図示されているの
は、そのいくつかの変形形態とともに、本発明の好まし
い実施形態である。本明細書において用いられる用語、
説明および図面は、単なる例示として記載されており、
限定することを意味しない。当業者であれば、特許請求
の範囲およびその均等物によって規定されることが意図
される本発明の精神および範囲内で、数多くの変形形態
が実現可能であり、他に指示されなければ、すべての用
語がその最も幅広い妥当な意味を有することが意図され
ることは理解されよう。 【００５５】本発明は、以下の実施態様を含む。 （１）電子エミッタ（２００、２００−１、２００−
２、２００−３、２００−１２、２００−１３）であっ
て、ｎ＋領域（２２０）と、前記ｎ＋領域（２２０）内
または該ｎ＋領域の上に形成されるｐ領域（２３０）
と、前記ｐ領域（２３０）の上に形成される金属層（２
４０）と、を備える電子エミッタ。 （２）前記ｎ＋領域（２２０）の下に基板（２１０）を
さらに備える、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （３）前記ｎ＋領域（２２０）は、広いバンドギャップ
の半導体から形成される、上記（１）に記載の電子エミ
ッタ。 （４）前記ｎ＋領域（２２０）の電子濃度レベルｎ
ｎは、前記ｐ領域（２３０）の正孔濃度レベルｐｐより
も大きい、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （５）前記ｐ領域（２３０）の厚みは、該ｐ領域（２３
０）における非平衡状態の電子の拡散長よりも薄い、上
記（１）に記載の電子エミッタ。 【００５６】（６）真空エネルギーレベルは、前記デバ
イス内に形成される前記ｐ領域（２３０）における半導
体のエネルギーギャップ内に収まる、上記（１）に記載
の電子エミッタ。 【００５７】（７）前記金属層（２４０）の厚みは、電
子エネルギーの平均自由行程と概ね同じか、またはそれ
よりも薄い、上記（１）に記載の電子エミッタ。 【００５８】（８）電子エミッタ（２００、２００−
１、２００−２、２００−３、２００−１２、２００−
１３）を製作する方法であって、ｎ＋領域を形成し、該
ｎ＋領域を基板（２２０）として用いること、前記ｎ＋
領域（２２０）内または該ｎ＋領域の上に、ｐ領域（２
３０）を形成すること、前記ｐ領域（２３０）の上に金
属層（２４０）を形成することと、を含む方法。 （９）前記ｎ＋領域（２２０）のために基板（２１０）
を形成すること、をさらに含む、上記（８）に記載の方
法。 （１０）前記ｐ領域（２３０）内であって前記金属層
（２４０）の下に、ｐ＋領域（２３５）を形成するこ
と、をさらに含む、上記（８）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】材料の仕事関数の概念を例示する、材料表面
の典型的なエネルギー順位図のグラフ。 【図１Ｂ】材料の負の電子親和力の概念を例示するエネ
ルギー順位図のグラフ。 【図２Ａ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｂ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｃ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｄ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｅ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｆ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図３Ａ】図２Ａに示される冷陰極の実施形態の線ＩＩ
−ＩＩを横切る、平衡状態における典型的なエネルギー
バンド図。 【図３Ｂ】図２Ｂに示される冷陰極の実施形態の線Ｉ
Ｉ’−ＩＩ’を横切る、平衡状態における典型的なエネ
ルギーバンド図。 【図４】図２Ａ〜図２Ｆの冷陰極のバイアス下での典型
的なエネルギーバンド図。 【符号の説明】 ２２０ ｎ＋領域 ２３０ ｐ領域 ２３５ ｐ＋領域 ２４０ 金属層
の典型的なエネルギー順位図のグラフ。 【図１Ｂ】材料の負の電子親和力の概念を例示するエネ
ルギー順位図のグラフ。 【図２Ａ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｂ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｃ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｄ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｅ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図２Ｆ】本発明の一態様に従う、冷陰極の種々の実施
形態の断面図。 【図３Ａ】図２Ａに示される冷陰極の実施形態の線ＩＩ
−ＩＩを横切る、平衡状態における典型的なエネルギー
バンド図。 【図３Ｂ】図２Ｂに示される冷陰極の実施形態の線Ｉ
Ｉ’−ＩＩ’を横切る、平衡状態における典型的なエネ
ルギーバンド図。 【図４】図２Ａ〜図２Ｆの冷陰極のバイアス下での典型
的なエネルギーバンド図。 【符号の説明】 ２２０ ｎ＋領域 ２３０ ｐ領域 ２３５ ｐ＋領域 ２４０ 金属層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 アレキサンダー・エム・ブラトコヴスキ
アメリカ合衆国94040カリフォルニア州、
マウンテン・ヴュー、ローレル・ウェイ
127
(72)発明者 ヘンリク・ビレッキ
アメリカ合衆国94303カリフォルニア州、
パロ・アルト、ロス・ロード 3001
Ｆターム(参考） 5C135 DD12 DD13 GG09 HH02 HH03
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】ｎ＋領域と、 前記ｎ＋領域内または該ｎ＋領域の上に形成されるｐ領
域と、 前記ｐ領域の上に形成される金属層と、 を含む電子エミッタ。
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