JP2003123627A - 半導体−誘電体−金属の安定的な電子エミッタ - Google Patents
半導体−誘電体−金属の安定的な電子エミッタ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、ｐドープされた半
導体、誘電体層、および金属層を含む。この構造の変形
形態は、ｐ領域の下に、ｎ＋ドープされた領域を含む。
これらの構造により、安定した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、誘
電体層の両端の所定の電圧降下のもとで、有効な負の電
子親和力が、誘電体層に隣接したｐ領域の空乏層に蓄積
された準平衡状態の「冷」電子について実現されるから
である。これらの電子は、ｐ−Ｄ−Ｍ構造における電子
なだれまたはｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造における注入プロセ
スの結果として生成される。真空領域における比較的低
い電界を用いており、加速されたイオンからの汚染およ
び吸収による影響を受けないので、これらのエミッタは
安定的である。
供する。 【解決手段】冷陰極電子エミッタは、ｐドープされた半
導体、誘電体層、および金属層を含む。この構造の変形
形態は、ｐ領域の下に、ｎ＋ドープされた領域を含む。
これらの構造により、安定した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、誘
電体層の両端の所定の電圧降下のもとで、有効な負の電
子親和力が、誘電体層に隣接したｐ領域の空乏層に蓄積
された準平衡状態の「冷」電子について実現されるから
である。これらの電子は、ｐ−Ｄ−Ｍ構造における電子
なだれまたはｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造における注入プロセ
スの結果として生成される。真空領域における比較的低
い電界を用いており、加速されたイオンからの汚染およ
び吸収による影響を受けないので、これらのエミッタは
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】「INJECTION COLD EMITTER WITH NEGATIVE
ELECTRON AFFINITY BASED ON WIDE-GAP SEMICONDUCTOR
STRUCTURE WITH CONTROLLING BASE」というタイトルの
米国特許出願第０９／９７４，８１８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、このようなエミッタの寿命が非常に短
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、電子に対して三角のポテンシャル障壁
（図１Ａの破線参照）のように動作する。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、障壁を通る電
子トンネル効果の確率を表す。電流密度ｊ＝１〜１００
A/cm ２（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、ドーピングされ
たｐ型領域を含むことができる。該ｐ領域は、Ｓｉのよ
うな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、ｐ領域の下に基板を含むことができる。
実際には、該ｐ領域は、電子不足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】代替的に、電子エミッタは、基板の上に形
成されるｎ＋領域を含むことができ、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。その後、ｐ領域が、ｎ＋領域の上に
ｐドーピングされた半導体層をエピタキシャル成長させ
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。ｎ＋領域２２０およびｐ領域２３０の両方が存在す
るとき、ｐ領域内の正孔濃度は、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
される誘電体層を含むことができる。誘電体層の厚み
は、２〜３ｎｍより薄いのが好ましく、誘電体層の破壊
電界は、誘電体層において印加される電界より大きい。
該エミッタはさらに、誘電体層の上に形成される金属層
を含むことができる。金属層の厚みは、電子エネルギー
のの平均自由行程より薄いのが好ましい。電子エミッタ
はさらに、動作のためにｎ＋−ｐ接合部に適切なバイア
スがかけられるように、ｎ領域およびｐ領域への電極を
含むことができる。電子エミッタはさらに、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
含むことができ、このとき、ｐ電極は含んでも含まなく
てもよい。 【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、電子不足の
材料で基板を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。また、該方法は、たとえ
ば電子不足の材料でドーピングされた半導体をエピタキ
シャル成長させることにより、ｎ＋領域の上に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＋領域およびｐ領域の
両方が存在する場合には、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領域の上に誘電体層
を形成することと、該誘電体層の上に金属層を形成する
こととを含むことができる。金属層の厚みは、電子エネ
ルギーの平均自由行程よりも薄いのが好ましい。該方法
はさらに、ｎ電極とｐ電極とを形成することを含むこと
ができる。該方法はさらに、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電極は含んでもよく含ま
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、
高密度の電子を放出することができる。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、既知の材料（Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｕ等）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。 【００２０】 【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。 【００２１】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。 【００２２】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、ｐ領域２３０、誘電体層２４５および金属
層２４０が存在することに起因するｐ−Ｄ−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２Ａ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ｐ領域２３０とを含むことが
できる。ｐ領域２３０は、半導体から形成されることが
できる。その場合、Ｓｉが好ましい材料である。またｐ
領域２３０は、広いバンドギャップの半導体からも形成
されることもできる。このような半導体の例には、Ｇ
ｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、およびＩｎＧａＰが含
まれる。当業者であれば、適切な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。ｐ領域２３
０の正孔濃度は、およそ１０１６／ｃｍ３〜１０１９／
ｃｍ３であることが好ましい。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。 【００２３】実際には、基板２１０およびｐ領域２３０
は、たとえばＳｉのような同じ半導体から形成されるこ
とができる。その際、ｐ領域２３０は、電子不足（elec
tronpoor）の材料で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。電子不足の材料の例には、ホ
ウ素が含まれる。再び、当業者であれば、電子不足の他
の材料を用いることができることは理解されよう。 【００２４】冷陰極２００はさらに、ｐ領域２３０の上
に形成される誘電体層２４５を含むことができる。誘電
体層２４５は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等のような材料か
ら形成されることができる。当業者であれば、誘電体層
２４５のために他の材料が適していることもあることは
理解されよう。誘電体層２４５の厚み「ａ」は、条件
１．５ｎｍ≦ａ≦２ｎｍ（ナノメートル）を実質的に満
たすことが好ましい。また、誘電体層２４５の破壊電界
Ｆｂは、後に説明される理由により、条件Ｆｂ≧（１．
５〜２）＊１０７V/cm（ボルト／センチメートル）を実
質的に満たすことが好ましい。 【００２５】また冷陰極２００はさらに、誘電体層２４
５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、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、Ｇｄ、
Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄおよびそれらの合金が含まれる。
当業者であれば、金属層２４０として他の材料が適する
こともあり、この層２４０が厳密に金属に制限されなく
てもよいことを理解するであろう。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 pat
h）ｌε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」は、条件ｔ＜２〜５ｎｍを満たすこ
ととなる。 【００２６】電子冷陰極２００はさらに、ｐ領域２３０
の上に形成されるｐ電極２７０およびＭ電極２９０を含
むことができる。ｐ電極２７０は、ｐ領域２３０に電気
的に接続されることができ、Ｍ電極２９０は、金属層２
４０に電気的に接続されることができる。ｐ電極２７０
およびＭ電極２９０はそれぞれ、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等およびそれらの合金が含まれる。 【００２７】さらに、電子エミッタ２００は、ｐ電極２
７０およびＭ電極２９０をそれぞれ絶縁するための絶縁
体２５０を含むことができる。実際には、誘電体層２４
５および絶縁体２５０は、同じものであることができ、
または個別のものであってもよい。 【００２８】図２Ａの冷陰極２００の動作について、図
３Ａおよび図４Ａを参照して説明する。図３Ａは、図２
Ａに示される冷陰極２００の実施形態の線ＩＩ−ＩＩを
横切る、平衡状態の典型的なエネルギーバンド図を示
す。平衡状態では、ｐ領域２３０の伝導帯エネルギーＥ
Ｃの底は、値Ψだけ真空レベルＶａｃよりも下に存在
し、値Ψは、典型的には約３電子ボルト（ｅＶ）であ
る。伝導帯エネルギーＥＣが真空レベルＶａｃよりも下
にあるので、ＮＥＡは存在しない。 【００２９】有効なＮＥＡは、有限のバイアス電圧を印
加することにより実現されることができる。金属層２４
０上の電位が、ｐ領域２３０にかけられる電位に対して
正であるとき、図４Ａに示されるように、主な電圧降下
は誘電体層２４５の両端にわたって生じる。これが生じ
ると、伝導帯エネルギーＥＣの底は、真空エネルギーレ
ベルＶａｃに対して上方に移動する。 【００３０】あるバイアス電圧において、ＥＣの値がＶ
ａｃの値よりも高くなる。誘電体層２４５の厚み「ａ」
が十分に薄いとき、電子は誘電体層２４５を突き抜け、
金属層２４０を通過し、有効なＮＥＡを実現することが
できる。電子が誘電体層を突き抜けるためには、誘電体
層２４５の破壊電界（breakdown field）Ｆｂ（図示せ
ず）は、電界Ｆ０（同じく図示せず）より大きく、すな
わちＦｂ＞Ｆ０でなければならない。ここで、Ｆ０＝Ψ
／ａである。したがって、Ψ≒３ｅＶで、「ａ」が実質
的に条件１．５ｎｍ≦ａ≦２ｎｍを満たすならば、誘電
体層２４５の破壊電界Ｆｂは、実質的に条件１．５＊１
０７V/cm≦Ｆｂ≦２＊１０７V/cmを満たすこととなろ
う。 【００３１】半導体ｐ領域２３０における電界は、ＦＳ
＝Ｆ０（εＤ／εＳ）（図示せず）として表されること
ができる。ここで、εＤおよびεＳはそれぞれ、誘電体
層２４５および半導体ｐ領域２３０の誘電率を表す。上
記の条件が満たされる場合には、電界ＦＳは、すべての
ドーピングレベルにおいて半導体の破壊電界より大きく
なり、半導体ｐ領域２３０において電子なだれ降伏（av
alanche breakdown）が生じる。電子なだれ降伏中に生
成される電子は、電子のローカルな擬フェルミ準位（lo
cal quasi-Fermi level）が真空レベルＶａｃより高く
上昇するまで、誘電体層２４５に隣接する空乏領域に蓄
積される。電子のローカル擬フェルミ準位が真空レベル
Ｖａｃより高く上昇した時点で、電子放出が生じる。ト
ンネリングした電子はほとんど外部回路に流れ込むこと
はないので、冷陰極の効率は比較的高く、たとえば１０
％以上となることができる。 【００３２】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
形態として説明されることができ、概して、ｎ＋領域２
２０が存在することに起因するｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造と
して特徴付けられることができる。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２
００のほとんどの要素を含むが、ｐ導体２７０を有さ
ず、ｎ導体２６０を含む。簡略化するために、冷陰極２
００および２００−１の両方に共通な要素については詳
細には説明しない。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。 【００３３】冷陰極２００−１は、冷陰極２００のいく
つかの要素に加えて、基板２１０の上に形成されるｎ＋
領域２２０を含むことができる。ｎ＋領域２２０および
ｐ領域２３０は、Ｓｉのような同じ半導体から形成され
ることができる。代替的に、ｐ領域２３０は、その例を
前述したように、Ｓｉよりも広いバンドギャップの半導
体から形成されることができる。当業者であれば、他の
材料が適切な半導体として用いられることができるとい
うことは理解されよう。ｎ＋領域２２０内の電子濃度は
概ね１０１７〜１０１９／ｃｍ３か、またはそれ以上で
あることが好ましく、該電子濃度は、ｐ領域内の正孔濃
度よりも高いことが好ましい。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。また、ｎ＋領域２２０における電子濃度は、ｐ領域
２３０の正孔濃度よりも高いことが好ましい。 【００３４】実際には、基板２１０およびｎ＋領域２２
０は、同じ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 rich）の
材料で半導体基板２１０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、ヒ素
（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）および窒素
（Ｎ）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ということは理解されよ
う。 【００３５】冷陰極２００−１はさらに、ｎ＋領域２２
０に電気的に接続されるｎ導体２６０を含むことができ
る。 【００３６】ｐ領域２３０は、図２Ａに示されるように
基板２１０の直ぐ上に存在する代わりに、図２Ｂに示さ
れるように、ｎ＋領域２２０内に形成されることができ
ることに留意されたい。ｐ領域２３０は、たとえば、電
子不足の材料でｎ＋領域２２０をカウンター・ドーピン
グ（counter doping）することにより形成されることが
できる。そのような材料の一例にはホウ素が含まれる。
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。 【００３７】ｐ領域２３０内の正孔濃度に対するｎ＋領
域２２０内の電子濃度の比が１より大きいことについて
上に述べた。その比は１０以上の場合がある。しかし、
電子および正孔の濃度レベルと同様に、この比も応用形
態のタイプに応じて変更されることができる。さらに、
ＷはＬより小さくされることが好ましい。ここで、図２
Ｂ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
０．３〜１μｍである。 【００３８】ｎ＋領域２２０の少なくとも１つの役割に
ついて、図３Ｂおよび図４Ｂを参照して説明する。図３
Ｂは、線ＩＩ’−ＩＩ’に沿った図２Ｂ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。平衡状態では、ｐ領域２３０と誘電体層２４５と
の間のｐ−Ｄ境界部に空乏層が形成される。 【００３９】冷陰極２００−１の動作は、冷陰極２００
の動作に類似する。しかしながら、この場合、バイアス
の電位は、（Ｍ電極２９０を介した）金属層２４０上の
電位が、（ｎ電極２６０を介した）ｎ＋領域２２０上の
電位に対して正であるようになされる。そのようなバイ
アスを用いる場合、電子過剰のｎ＋領域２２０からの電
子は、図４Ｂに示されるように、ｐ領域２３０に注入さ
れる。ｐ領域２３０の厚みＷがｐ領域２３０における非
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、ローカル擬フェルミ準位が真空レベ
ルＶａｃより高く上昇するまで、図４Ｂに示される空乏
層内に蓄積される。空乏層では、正孔濃度が非常に小さ
いので、電子−正孔の再結合率も非常に小さい。結果と
して、電子放出が急激に増加し、放出電流は再結合電流
よりもはるかに大きくなる。これにより、非常に大きい
電流を放出することが可能となる。 【００４０】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
形態として説明されることができ、概して、ｎ＋領域２
２０が存在することに起因して、ｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造
として特徴付けることができる。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２０
０のすべての要素を含み、さらに、ｎ＋領域２２０と、
ｎ電極２６０と、Ｍ電極２９０を絶縁する第２の絶縁体
２８０とを含む。簡略化するために、冷陰極２００およ
び２００−２の両方に共通の要素について詳細には説明
しない。共通の要素の動作および特性が類似したもので
あることに留意するだけで十分である。 【００４１】冷陰極２００−２の一般的な動作は、冷陰
極２００および２００−１に類似しており、それゆえ詳
細に説明する必要はない。しかしながら、この場合に
は、電子放出は、ｎ＋−ｐ接合部に順方向バイアスをか
けることにより開始される。すなわち、（ｐ電極２７０
を介した）ｐ領域２３０上の電位は、ｎ＋領域２２０
（ｎ電極２６０を介して）に対して正である。Ｍ電極２
９０を用いて、電子放出の量を制御することができる。
放出電流は、Ｍ電極２９０を介して、金属層２４０上の
電位にバイアスをかけることにより制御されることがで
きる。これにより、冷陰極２００−２からの放出電流が
開閉される。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。 【００４２】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。 【００４３】本願発明は、以下の実施態様を含む。 （１）電子エミッタ（２００、２００−１、２００−
２）であって、ｐ領域（２３０）と、前記ｐ領域（２３
０）の上に形成される誘電体層（２４５）と、前記誘電
体層（２４５）の上に形成される金属層（２４０）とを
含む電子エミッタ。 （２）前記ｐ領域（２３０）の下にある基板（２１０）
をさらに含む、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （３）前記ｐ領域（２３０）は、半導体から形成され
る、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （４）基板（２１０）の上に形成されるｎ＋領域（２２
０）をさらに備え、前記ｐ領域（２３０）が前記ｎ＋領
域（２２０）内に形成されるようにする、上記（１）に
記載の電子エミッタ。 （５）前記ｎ＋領域（２２０）の電子濃度レベルは、前
記ｐ領域（２３０）の正孔濃度レベルより高い、上記
（４）に記載の電子エミッタ。 （６）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薄い、上記
（１）に記載の電子エミッタ。 （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、またはそれより薄い、上
記（１）に記載の電子エミッタ。 【００４４】（８）電子エミッタ（２００、２００−
１、２００−２）を製作する方法であって、ｐ領域（２
３０）を形成し、前記ｐ領域（２３０）の上に誘電体層
（２４５）を形成すること、前記誘電体層（２４５）の
上に金属層（２４０）を形成することを含む方法。 （９）前記ｐ領域（２３０）の上に基板（２１０）を形
成することをさらに含む、上記（８）に記載の方法。 （１０）基板（２１０）の上にｎ＋領域（２２０）を形
成して、該ｎ＋領域（２２０）内に前記ｐ領域（２３
０）が形成されるようにする、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】「INJECTION COLD EMITTER WITH NEGATIVE
ELECTRON AFFINITY BASED ON WIDE-GAP SEMICONDUCTOR
STRUCTURE WITH CONTROLLING BASE」というタイトルの
米国特許出願第０９／９７４，８１８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、このようなエミッタの寿命が非常に短
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、電子に対して三角のポテンシャル障壁
（図１Ａの破線参照）のように動作する。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、障壁を通る電
子トンネル効果の確率を表す。電流密度ｊ＝１〜１００
A/cm ２（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、ドーピングされ
たｐ型領域を含むことができる。該ｐ領域は、Ｓｉのよ
うな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、ｐ領域の下に基板を含むことができる。
実際には、該ｐ領域は、電子不足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】代替的に、電子エミッタは、基板の上に形
成されるｎ＋領域を含むことができ、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。その後、ｐ領域が、ｎ＋領域の上に
ｐドーピングされた半導体層をエピタキシャル成長させ
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。ｎ＋領域２２０およびｐ領域２３０の両方が存在す
るとき、ｐ領域内の正孔濃度は、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
される誘電体層を含むことができる。誘電体層の厚み
は、２〜３ｎｍより薄いのが好ましく、誘電体層の破壊
電界は、誘電体層において印加される電界より大きい。
該エミッタはさらに、誘電体層の上に形成される金属層
を含むことができる。金属層の厚みは、電子エネルギー
のの平均自由行程より薄いのが好ましい。電子エミッタ
はさらに、動作のためにｎ＋−ｐ接合部に適切なバイア
スがかけられるように、ｎ領域およびｐ領域への電極を
含むことができる。電子エミッタはさらに、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
含むことができ、このとき、ｐ電極は含んでも含まなく
てもよい。 【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、電子不足の
材料で基板を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。また、該方法は、たとえ
ば電子不足の材料でドーピングされた半導体をエピタキ
シャル成長させることにより、ｎ＋領域の上に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＋領域およびｐ領域の
両方が存在する場合には、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領域の上に誘電体層
を形成することと、該誘電体層の上に金属層を形成する
こととを含むことができる。金属層の厚みは、電子エネ
ルギーの平均自由行程よりも薄いのが好ましい。該方法
はさらに、ｎ電極とｐ電極とを形成することを含むこと
ができる。該方法はさらに、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電極は含んでもよく含ま
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、
高密度の電子を放出することができる。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、既知の材料（Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｕ等）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。 【００２０】 【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。 【００２１】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。 【００２２】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、ｐ領域２３０、誘電体層２４５および金属
層２４０が存在することに起因するｐ−Ｄ−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２Ａ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ｐ領域２３０とを含むことが
できる。ｐ領域２３０は、半導体から形成されることが
できる。その場合、Ｓｉが好ましい材料である。またｐ
領域２３０は、広いバンドギャップの半導体からも形成
されることもできる。このような半導体の例には、Ｇ
ｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、およびＩｎＧａＰが含
まれる。当業者であれば、適切な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。ｐ領域２３
０の正孔濃度は、およそ１０１６／ｃｍ３〜１０１９／
ｃｍ３であることが好ましい。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。 【００２３】実際には、基板２１０およびｐ領域２３０
は、たとえばＳｉのような同じ半導体から形成されるこ
とができる。その際、ｐ領域２３０は、電子不足（elec
tronpoor）の材料で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。電子不足の材料の例には、ホ
ウ素が含まれる。再び、当業者であれば、電子不足の他
の材料を用いることができることは理解されよう。 【００２４】冷陰極２００はさらに、ｐ領域２３０の上
に形成される誘電体層２４５を含むことができる。誘電
体層２４５は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等のような材料か
ら形成されることができる。当業者であれば、誘電体層
２４５のために他の材料が適していることもあることは
理解されよう。誘電体層２４５の厚み「ａ」は、条件
１．５ｎｍ≦ａ≦２ｎｍ（ナノメートル）を実質的に満
たすことが好ましい。また、誘電体層２４５の破壊電界
Ｆｂは、後に説明される理由により、条件Ｆｂ≧（１．
５〜２）＊１０７V/cm（ボルト／センチメートル）を実
質的に満たすことが好ましい。 【００２５】また冷陰極２００はさらに、誘電体層２４
５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、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、Ｇｄ、
Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄおよびそれらの合金が含まれる。
当業者であれば、金属層２４０として他の材料が適する
こともあり、この層２４０が厳密に金属に制限されなく
てもよいことを理解するであろう。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 pat
h）ｌε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」は、条件ｔ＜２〜５ｎｍを満たすこ
ととなる。 【００２６】電子冷陰極２００はさらに、ｐ領域２３０
の上に形成されるｐ電極２７０およびＭ電極２９０を含
むことができる。ｐ電極２７０は、ｐ領域２３０に電気
的に接続されることができ、Ｍ電極２９０は、金属層２
４０に電気的に接続されることができる。ｐ電極２７０
およびＭ電極２９０はそれぞれ、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等およびそれらの合金が含まれる。 【００２７】さらに、電子エミッタ２００は、ｐ電極２
７０およびＭ電極２９０をそれぞれ絶縁するための絶縁
体２５０を含むことができる。実際には、誘電体層２４
５および絶縁体２５０は、同じものであることができ、
または個別のものであってもよい。 【００２８】図２Ａの冷陰極２００の動作について、図
３Ａおよび図４Ａを参照して説明する。図３Ａは、図２
Ａに示される冷陰極２００の実施形態の線ＩＩ−ＩＩを
横切る、平衡状態の典型的なエネルギーバンド図を示
す。平衡状態では、ｐ領域２３０の伝導帯エネルギーＥ
Ｃの底は、値Ψだけ真空レベルＶａｃよりも下に存在
し、値Ψは、典型的には約３電子ボルト（ｅＶ）であ
る。伝導帯エネルギーＥＣが真空レベルＶａｃよりも下
にあるので、ＮＥＡは存在しない。 【００２９】有効なＮＥＡは、有限のバイアス電圧を印
加することにより実現されることができる。金属層２４
０上の電位が、ｐ領域２３０にかけられる電位に対して
正であるとき、図４Ａに示されるように、主な電圧降下
は誘電体層２４５の両端にわたって生じる。これが生じ
ると、伝導帯エネルギーＥＣの底は、真空エネルギーレ
ベルＶａｃに対して上方に移動する。 【００３０】あるバイアス電圧において、ＥＣの値がＶ
ａｃの値よりも高くなる。誘電体層２４５の厚み「ａ」
が十分に薄いとき、電子は誘電体層２４５を突き抜け、
金属層２４０を通過し、有効なＮＥＡを実現することが
できる。電子が誘電体層を突き抜けるためには、誘電体
層２４５の破壊電界（breakdown field）Ｆｂ（図示せ
ず）は、電界Ｆ０（同じく図示せず）より大きく、すな
わちＦｂ＞Ｆ０でなければならない。ここで、Ｆ０＝Ψ
／ａである。したがって、Ψ≒３ｅＶで、「ａ」が実質
的に条件１．５ｎｍ≦ａ≦２ｎｍを満たすならば、誘電
体層２４５の破壊電界Ｆｂは、実質的に条件１．５＊１
０７V/cm≦Ｆｂ≦２＊１０７V/cmを満たすこととなろ
う。 【００３１】半導体ｐ領域２３０における電界は、ＦＳ
＝Ｆ０（εＤ／εＳ）（図示せず）として表されること
ができる。ここで、εＤおよびεＳはそれぞれ、誘電体
層２４５および半導体ｐ領域２３０の誘電率を表す。上
記の条件が満たされる場合には、電界ＦＳは、すべての
ドーピングレベルにおいて半導体の破壊電界より大きく
なり、半導体ｐ領域２３０において電子なだれ降伏（av
alanche breakdown）が生じる。電子なだれ降伏中に生
成される電子は、電子のローカルな擬フェルミ準位（lo
cal quasi-Fermi level）が真空レベルＶａｃより高く
上昇するまで、誘電体層２４５に隣接する空乏領域に蓄
積される。電子のローカル擬フェルミ準位が真空レベル
Ｖａｃより高く上昇した時点で、電子放出が生じる。ト
ンネリングした電子はほとんど外部回路に流れ込むこと
はないので、冷陰極の効率は比較的高く、たとえば１０
％以上となることができる。 【００３２】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
形態として説明されることができ、概して、ｎ＋領域２
２０が存在することに起因するｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造と
して特徴付けられることができる。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２
００のほとんどの要素を含むが、ｐ導体２７０を有さ
ず、ｎ導体２６０を含む。簡略化するために、冷陰極２
００および２００−１の両方に共通な要素については詳
細には説明しない。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。 【００３３】冷陰極２００−１は、冷陰極２００のいく
つかの要素に加えて、基板２１０の上に形成されるｎ＋
領域２２０を含むことができる。ｎ＋領域２２０および
ｐ領域２３０は、Ｓｉのような同じ半導体から形成され
ることができる。代替的に、ｐ領域２３０は、その例を
前述したように、Ｓｉよりも広いバンドギャップの半導
体から形成されることができる。当業者であれば、他の
材料が適切な半導体として用いられることができるとい
うことは理解されよう。ｎ＋領域２２０内の電子濃度は
概ね１０１７〜１０１９／ｃｍ３か、またはそれ以上で
あることが好ましく、該電子濃度は、ｐ領域内の正孔濃
度よりも高いことが好ましい。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。また、ｎ＋領域２２０における電子濃度は、ｐ領域
２３０の正孔濃度よりも高いことが好ましい。 【００３４】実際には、基板２１０およびｎ＋領域２２
０は、同じ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 rich）の
材料で半導体基板２１０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、ヒ素
（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）および窒素
（Ｎ）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ということは理解されよ
う。 【００３５】冷陰極２００−１はさらに、ｎ＋領域２２
０に電気的に接続されるｎ導体２６０を含むことができ
る。 【００３６】ｐ領域２３０は、図２Ａに示されるように
基板２１０の直ぐ上に存在する代わりに、図２Ｂに示さ
れるように、ｎ＋領域２２０内に形成されることができ
ることに留意されたい。ｐ領域２３０は、たとえば、電
子不足の材料でｎ＋領域２２０をカウンター・ドーピン
グ（counter doping）することにより形成されることが
できる。そのような材料の一例にはホウ素が含まれる。
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。 【００３７】ｐ領域２３０内の正孔濃度に対するｎ＋領
域２２０内の電子濃度の比が１より大きいことについて
上に述べた。その比は１０以上の場合がある。しかし、
電子および正孔の濃度レベルと同様に、この比も応用形
態のタイプに応じて変更されることができる。さらに、
ＷはＬより小さくされることが好ましい。ここで、図２
Ｂ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
０．３〜１μｍである。 【００３８】ｎ＋領域２２０の少なくとも１つの役割に
ついて、図３Ｂおよび図４Ｂを参照して説明する。図３
Ｂは、線ＩＩ’−ＩＩ’に沿った図２Ｂ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。平衡状態では、ｐ領域２３０と誘電体層２４５と
の間のｐ−Ｄ境界部に空乏層が形成される。 【００３９】冷陰極２００−１の動作は、冷陰極２００
の動作に類似する。しかしながら、この場合、バイアス
の電位は、（Ｍ電極２９０を介した）金属層２４０上の
電位が、（ｎ電極２６０を介した）ｎ＋領域２２０上の
電位に対して正であるようになされる。そのようなバイ
アスを用いる場合、電子過剰のｎ＋領域２２０からの電
子は、図４Ｂに示されるように、ｐ領域２３０に注入さ
れる。ｐ領域２３０の厚みＷがｐ領域２３０における非
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、ローカル擬フェルミ準位が真空レベ
ルＶａｃより高く上昇するまで、図４Ｂに示される空乏
層内に蓄積される。空乏層では、正孔濃度が非常に小さ
いので、電子−正孔の再結合率も非常に小さい。結果と
して、電子放出が急激に増加し、放出電流は再結合電流
よりもはるかに大きくなる。これにより、非常に大きい
電流を放出することが可能となる。 【００４０】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
形態として説明されることができ、概して、ｎ＋領域２
２０が存在することに起因して、ｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造
として特徴付けることができる。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２０
０のすべての要素を含み、さらに、ｎ＋領域２２０と、
ｎ電極２６０と、Ｍ電極２９０を絶縁する第２の絶縁体
２８０とを含む。簡略化するために、冷陰極２００およ
び２００−２の両方に共通の要素について詳細には説明
しない。共通の要素の動作および特性が類似したもので
あることに留意するだけで十分である。 【００４１】冷陰極２００−２の一般的な動作は、冷陰
極２００および２００−１に類似しており、それゆえ詳
細に説明する必要はない。しかしながら、この場合に
は、電子放出は、ｎ＋−ｐ接合部に順方向バイアスをか
けることにより開始される。すなわち、（ｐ電極２７０
を介した）ｐ領域２３０上の電位は、ｎ＋領域２２０
（ｎ電極２６０を介して）に対して正である。Ｍ電極２
９０を用いて、電子放出の量を制御することができる。
放出電流は、Ｍ電極２９０を介して、金属層２４０上の
電位にバイアスをかけることにより制御されることがで
きる。これにより、冷陰極２００−２からの放出電流が
開閉される。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。 【００４２】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。 【００４３】本願発明は、以下の実施態様を含む。 （１）電子エミッタ（２００、２００−１、２００−
２）であって、ｐ領域（２３０）と、前記ｐ領域（２３
０）の上に形成される誘電体層（２４５）と、前記誘電
体層（２４５）の上に形成される金属層（２４０）とを
含む電子エミッタ。 （２）前記ｐ領域（２３０）の下にある基板（２１０）
をさらに含む、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （３）前記ｐ領域（２３０）は、半導体から形成され
る、上記（１）に記載の電子エミッタ。 （４）基板（２１０）の上に形成されるｎ＋領域（２２
０）をさらに備え、前記ｐ領域（２３０）が前記ｎ＋領
域（２２０）内に形成されるようにする、上記（１）に
記載の電子エミッタ。 （５）前記ｎ＋領域（２２０）の電子濃度レベルは、前
記ｐ領域（２３０）の正孔濃度レベルより高い、上記
（４）に記載の電子エミッタ。 （６）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薄い、上記
（１）に記載の電子エミッタ。 （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、またはそれより薄い、上
記（１）に記載の電子エミッタ。 【００４４】（８）電子エミッタ（２００、２００−
１、２００−２）を製作する方法であって、ｐ領域（２
３０）を形成し、前記ｐ領域（２３０）の上に誘電体層
（２４５）を形成すること、前記誘電体層（２４５）の
上に金属層（２４０）を形成することを含む方法。 （９）前記ｐ領域（２３０）の上に基板（２１０）を形
成することをさらに含む、上記（８）に記載の方法。 （１０）基板（２１０）の上にｎ＋領域（２２０）を形
成して、該ｎ＋領域（２２０）内に前記ｐ領域（２３
０）が形成されるようにする、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３Ａ】図２Ａに示されるｐ−Ｄ−Ｍ構造を備えた冷
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ｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造を備
えた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４Ａ】図２Ａに示される冷陰極の実施形態の線ＩＩ
−ＩＩを横切る、バイアスをかけられた状態の典型的な
エネルギーバンド図。 【図４Ｂ】図２Ｂに示される冷陰極の実施形態の線Ｉ
Ｉ’−ＩＩ’を横切る、バイアスをかけられた状態の典
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 ２４０ 金属層 ２４５ 誘電体層
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３Ａ】図２Ａに示されるｐ−Ｄ−Ｍ構造を備えた冷
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ｎ＋−ｐ−Ｄ−Ｍ構造を備
えた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４Ａ】図２Ａに示される冷陰極の実施形態の線ＩＩ
−ＩＩを横切る、バイアスをかけられた状態の典型的な
エネルギーバンド図。 【図４Ｂ】図２Ｂに示される冷陰極の実施形態の線Ｉ
Ｉ’−ＩＩ’を横切る、バイアスをかけられた状態の典
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 ２４０ 金属層 ２４５ 誘電体層
─────────────────────────────────────────────────────
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 CC06 HH02 HH03
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】ｐ領域と、 前記ｐ領域の上に形成される誘電体層と、 前記誘電体層の上に形成される金属層と、 を備える電子エミッタ。
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| US09/975,297 US6847045B2 (en) | 2001-10-12 | 2001-10-12 | High-current avalanche-tunneling and injection-tunneling semiconductor-dielectric-metal stable cold emitter, which emulates the negative electron affinity mechanism of emission |
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