JP2935835B1 - トンネル冷陰極 - Google Patents
トンネル冷陰極Info
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Abstract
【要約】
【課題】 従来例に比較して信頼性が高く、真空中への
放射電流量の大きいトンネル冷陰極を提供する。 【解決手段】 電極１７を介して所定の負電圧Ｖｇ１が
印加された電子供給層である半導体基板１１と、障壁層
であるシリコン酸化膜１２と、接地された第１のゲート
電極層１３とが積層されてなり、電子供給層である半導
体基板１１において生じる電子が障壁層であるシリコン
酸化膜１２を量子力学的トンネル効果によってトンネル
し、第１のゲート電極層１３の真空準位よりも高いエネ
ルギーを持つ電子が真空中に放射されるトンネル冷陰極
である。ここで、第１のゲート電極層１３上に形成され
た電子加速層１５と、電子加速層１５上に形成され、引
き出し電極１９を介して所定の正電圧Ｖｇ２が印加され
た第２のゲート電極１６とをさらに備え、第２のゲート
電極１６の真空準位を第１のゲート電極１３の真空準位
よりも低く設定する。
放射電流量の大きいトンネル冷陰極を提供する。 【解決手段】 電極１７を介して所定の負電圧Ｖｇ１が
印加された電子供給層である半導体基板１１と、障壁層
であるシリコン酸化膜１２と、接地された第１のゲート
電極層１３とが積層されてなり、電子供給層である半導
体基板１１において生じる電子が障壁層であるシリコン
酸化膜１２を量子力学的トンネル効果によってトンネル
し、第１のゲート電極層１３の真空準位よりも高いエネ
ルギーを持つ電子が真空中に放射されるトンネル冷陰極
である。ここで、第１のゲート電極層１３上に形成され
た電子加速層１５と、電子加速層１５上に形成され、引
き出し電極１９を介して所定の正電圧Ｖｇ２が印加され
た第２のゲート電極１６とをさらに備え、第２のゲート
電極１６の真空準位を第１のゲート電極１３の真空準位
よりも低く設定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル冷陰極に
関する。
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、従来の熱陰極に代わり、金属や半
導体材料と半導体プロセス技術を用い、微小冷陰極を開
発し、従来にない薄型ディスプレイや超高周波デバイス
や耐環境デバイスの実現を目指す真空マイクロエレクト
ロニクスの研究が盛んに行われている。最近では、例え
ば、従来技術文献「阿部ほか，“Ｓｉ−ＭＯＳトンネル
陰極の電子放射特性”，電子情報通信学会技術報告，Ｅ
Ｄ９６−１４２，ｐｐ．４７−５４，１９９６」におい
て解説されているように、現在広く開発されている陰極
先端を尖らせた微小冷陰極とは異なる構造を有する平面
型冷陰極が提案されている。上記従来技術文献で示され
た冷陰極は、Ｓｉ−ＭＯＳトンネル陰極と呼ばれ、１０
ｎｍ以下の極薄ゲート酸化膜を量子力学的にトンネルす
る電子のうち、ゲート電極の真空準位より高エネルギー
を持つ電子を真空中に放射させるものである。この冷陰
極は現在広く開発されている微小冷陰極より、真空中へ
放射される電子による電流量が極めて安定であり、また
超高真空が必要でないなどの利点を有している。
導体材料と半導体プロセス技術を用い、微小冷陰極を開
発し、従来にない薄型ディスプレイや超高周波デバイス
や耐環境デバイスの実現を目指す真空マイクロエレクト
ロニクスの研究が盛んに行われている。最近では、例え
ば、従来技術文献「阿部ほか，“Ｓｉ−ＭＯＳトンネル
陰極の電子放射特性”，電子情報通信学会技術報告，Ｅ
Ｄ９６−１４２，ｐｐ．４７−５４，１９９６」におい
て解説されているように、現在広く開発されている陰極
先端を尖らせた微小冷陰極とは異なる構造を有する平面
型冷陰極が提案されている。上記従来技術文献で示され
た冷陰極は、Ｓｉ−ＭＯＳトンネル陰極と呼ばれ、１０
ｎｍ以下の極薄ゲート酸化膜を量子力学的にトンネルす
る電子のうち、ゲート電極の真空準位より高エネルギー
を持つ電子を真空中に放射させるものである。この冷陰
極は現在広く開発されている微小冷陰極より、真空中へ
放射される電子による電流量が極めて安定であり、また
超高真空が必要でないなどの利点を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＳｉ−ＭＯＳトンネル陰極では、極薄ゲート酸化膜を
量子力学的にトンネルする電子は多いものの、ゲート酸
化膜中で強い散乱を受け電子はエネルギーを失うため、
ゲート電極の真空準位に阻止され、真空中へ放射される
電子数が極めて少ない。通常、極薄ゲート酸化膜をトン
ネルする電子数の約１％程度しか真空中へ放射されない
という欠点がある。真空中へ放射される電子数を増すた
めには、ゲート電極の真空準位を下げることが有効で、
上記の従来技術文献ではゲート電極へのセシウム（Ｃ
ｓ）のコーティング（被覆）を行い、真空中への放射電
流量を増加させている。しかし、Ｃｓのコーティングは
信頼性に薄く、Ｃｓのコーティングの冷陰極は実用化に
適さない。
たＳｉ−ＭＯＳトンネル陰極では、極薄ゲート酸化膜を
量子力学的にトンネルする電子は多いものの、ゲート酸
化膜中で強い散乱を受け電子はエネルギーを失うため、
ゲート電極の真空準位に阻止され、真空中へ放射される
電子数が極めて少ない。通常、極薄ゲート酸化膜をトン
ネルする電子数の約１％程度しか真空中へ放射されない
という欠点がある。真空中へ放射される電子数を増すた
めには、ゲート電極の真空準位を下げることが有効で、
上記の従来技術文献ではゲート電極へのセシウム（Ｃ
ｓ）のコーティング（被覆）を行い、真空中への放射電
流量を増加させている。しかし、Ｃｓのコーティングは
信頼性に薄く、Ｃｓのコーティングの冷陰極は実用化に
適さない。
【０００４】本発明の目的は、以上の問題点を解決し
て、従来例に比較して信頼性が高く、真空中への放射電
流量の大きいトンネル冷陰極を提供することにある。
て、従来例に比較して信頼性が高く、真空中への放射電
流量の大きいトンネル冷陰極を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載のトンネル冷陰極は、所定の負電圧が印加された電子
供給層と、障壁層と、接地された第１のゲート電極層と
が積層されてなり、上記電子供給層において生じる電子
が上記障壁層を量子力学的トンネル効果によってトンネ
ルし、上記第１のゲート電極層の真空準位よりも高いエ
ネルギーを持つ電子が真空中に放射されるトンネル冷陰
極において、上記第１のゲート電極層上に形成された電
子加速層と、上記電子加速層上に形成され所定の正電圧
が印加された第２のゲート電極とをさらに備え、上記障
壁層をトンネルした電子が上記第１のゲート電極層、上
記電子加速層及び上記第２のゲート電極層を通過した
後、真空中に放射される構造を有し、上記第２のゲート
電極の真空準位を上記第１のゲート電極の真空準位より
も低く設定することにより、上記障壁層をトンネルした
電子のうち、上記第１のゲート電極の真空準位よりも低
いエネルギーを有する電子をも、上記電子加速層及び上
記第２のゲート電極層を介して真空中に放射させ、真空
中への放射電流量を増大させることを特徴とする。
載のトンネル冷陰極は、所定の負電圧が印加された電子
供給層と、障壁層と、接地された第１のゲート電極層と
が積層されてなり、上記電子供給層において生じる電子
が上記障壁層を量子力学的トンネル効果によってトンネ
ルし、上記第１のゲート電極層の真空準位よりも高いエ
ネルギーを持つ電子が真空中に放射されるトンネル冷陰
極において、上記第１のゲート電極層上に形成された電
子加速層と、上記電子加速層上に形成され所定の正電圧
が印加された第２のゲート電極とをさらに備え、上記障
壁層をトンネルした電子が上記第１のゲート電極層、上
記電子加速層及び上記第２のゲート電極層を通過した
後、真空中に放射される構造を有し、上記第２のゲート
電極の真空準位を上記第１のゲート電極の真空準位より
も低く設定することにより、上記障壁層をトンネルした
電子のうち、上記第１のゲート電極の真空準位よりも低
いエネルギーを有する電子をも、上記電子加速層及び上
記第２のゲート電極層を介して真空中に放射させ、真空
中への放射電流量を増大させることを特徴とする。
【０００６】また、請求項２記載のトンネル冷陰極は、
請求項１記載のトンネル冷陰極において、上記障壁層
は、量子構造層にてなり、上記量子力学的トンネル効果
は、共鳴トンネル効果であることを特徴とする。
請求項１記載のトンネル冷陰極において、上記障壁層
は、量子構造層にてなり、上記量子力学的トンネル効果
は、共鳴トンネル効果であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。
る実施形態について説明する。
【０００８】＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係る
第１の実施形態であるトンネル冷陰極１０の構造を示す
縦断面図である。この実施形態のトンネル冷陰極１０
は、直流電圧源４１により電極１７を介して所定の負電
圧Ｖｇ１が印加された電子供給層である半導体基板１１
と、障壁層であるシリコン酸化膜１２と、接地された第
１のゲート電極層１３とが積層されてなり、電子供給層
である半導体基板１１において生じる電子が障壁層であ
るシリコン酸化膜１２を量子力学的トンネル効果によっ
てトンネルし、第１のゲート電極層１３の真空準位より
も高いエネルギーを持つ電子が真空中に放射されるトン
ネル冷陰極において、（ａ）第１のゲート電極層１３上
に形成された電子加速層１５と、（ｂ）電子加速層１５
上に形成され、直流電圧源４２により引き出し電極１９
を介して所定の正電圧Ｖｇ２が印加された第２のゲート
電極１６と、をさらに備え、第２のゲート電極１６の真
空準位を第１のゲート電極１３の真空準位よりも低く設
定したことを特徴としている。ここで、トンネル冷陰極
１０はシリコンＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体）構造を
用いて実現している。なお、当該トンネル冷陰極１０
は、真空密封された容器（図示せず。）内に載置され
る。
第１の実施形態であるトンネル冷陰極１０の構造を示す
縦断面図である。この実施形態のトンネル冷陰極１０
は、直流電圧源４１により電極１７を介して所定の負電
圧Ｖｇ１が印加された電子供給層である半導体基板１１
と、障壁層であるシリコン酸化膜１２と、接地された第
１のゲート電極層１３とが積層されてなり、電子供給層
である半導体基板１１において生じる電子が障壁層であ
るシリコン酸化膜１２を量子力学的トンネル効果によっ
てトンネルし、第１のゲート電極層１３の真空準位より
も高いエネルギーを持つ電子が真空中に放射されるトン
ネル冷陰極において、（ａ）第１のゲート電極層１３上
に形成された電子加速層１５と、（ｂ）電子加速層１５
上に形成され、直流電圧源４２により引き出し電極１９
を介して所定の正電圧Ｖｇ２が印加された第２のゲート
電極１６と、をさらに備え、第２のゲート電極１６の真
空準位を第１のゲート電極１３の真空準位よりも低く設
定したことを特徴としている。ここで、トンネル冷陰極
１０はシリコンＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体）構造を
用いて実現している。なお、当該トンネル冷陰極１０
は、真空密封された容器（図示せず。）内に載置され
る。
【０００９】次いで、図２乃至図６を参照して、図１の
トンネル冷陰極１０の製造工程について説明する。ま
ず、図２において、まず、抵抗率が０．数Ωｃｍないし
数Ωｃｍのｎ型シリコン半導体基板１１上にゲート酸化
膜１２を形成し、その膜厚は６ｎｍないし１０ｎｍであ
る。次いで、ゲート酸化膜１２上に、第１のゲート電極
１３となるリンドープアモルファスシリコンを堆積し、
その膜厚は１０ｎｍないし５０ｎｍである。さらに、シ
リコン酸化膜１４を膜厚３００ｎｍないし１０００ｎｍ
だけ堆積し、図３に示すように、フォトリソグラフィ法
を用いてシリコン酸化膜１４をエッチングし、電子の放
射領域を製作する。その後、図４に示すように、電子加
速層１５としてノンドープアモルファスシリコンを膜厚
５０ｎｍないし１００ｎｍだけ堆積し、さらに、第２の
ゲート電極１６となるリンドープアモルファスシリコン
を膜厚１０ｎｍないし５０ｎｍだけ堆積する。次いで、
図５に示すように、電子加速層１５と第２のゲート電極
１６をパターニングし、アニーリングを行い全てのアモ
ルファスシリコン層をポリシリコン層に変換する。最後
に、図６に示すように、負電圧Ｖｇ１を印加するための
引き出し電極としてシリコン基板１１の裏面にＡｌ電極
１７を形成し、また、第１のゲート電極１３の引き出し
電極１８をＡｌで形成し、第２のゲート電極１６の引き
出し電極１９をＡｌで形成して、本実施形態のトンネル
冷陰極１０を得る。
トンネル冷陰極１０の製造工程について説明する。ま
ず、図２において、まず、抵抗率が０．数Ωｃｍないし
数Ωｃｍのｎ型シリコン半導体基板１１上にゲート酸化
膜１２を形成し、その膜厚は６ｎｍないし１０ｎｍであ
る。次いで、ゲート酸化膜１２上に、第１のゲート電極
１３となるリンドープアモルファスシリコンを堆積し、
その膜厚は１０ｎｍないし５０ｎｍである。さらに、シ
リコン酸化膜１４を膜厚３００ｎｍないし１０００ｎｍ
だけ堆積し、図３に示すように、フォトリソグラフィ法
を用いてシリコン酸化膜１４をエッチングし、電子の放
射領域を製作する。その後、図４に示すように、電子加
速層１５としてノンドープアモルファスシリコンを膜厚
５０ｎｍないし１００ｎｍだけ堆積し、さらに、第２の
ゲート電極１６となるリンドープアモルファスシリコン
を膜厚１０ｎｍないし５０ｎｍだけ堆積する。次いで、
図５に示すように、電子加速層１５と第２のゲート電極
１６をパターニングし、アニーリングを行い全てのアモ
ルファスシリコン層をポリシリコン層に変換する。最後
に、図６に示すように、負電圧Ｖｇ１を印加するための
引き出し電極としてシリコン基板１１の裏面にＡｌ電極
１７を形成し、また、第１のゲート電極１３の引き出し
電極１８をＡｌで形成し、第２のゲート電極１６の引き
出し電極１９をＡｌで形成して、本実施形態のトンネル
冷陰極１０を得る。
【００１０】図７は、図１のトンネル冷陰極１０の動作
を説明するためのエネルギーバンド図である。第１のゲ
ート電極１３を接地してアース電位にし、シリコン半導
体基板１１に例えばマイナス数ボルトの電圧Ｖｇ１を直
流電圧源４１から電極１７を介して印加する。ここで、
シリコン酸化膜１２の電界が１０6Ｖ／ｃｍ以上になる
と、シリコン基板１１の伝導帯Ｅｃの電子がゲート酸化
膜１２の三角ポテンシャルを量子力学的トンネル効果に
よってトンネルし、ゲート酸化膜１２の伝導帯Ｅｃに現
れる。ゲート酸化膜１２の伝導帯Ｅｃにトンネルした電
子はゲート酸化膜１２の伝導帯Ｅｃで強いフォノンの散
乱を受ける。そのため、ゲート酸化膜１２と第１のゲー
ト電極１３の界面ではエネルギーが広がった分布とな
る。
を説明するためのエネルギーバンド図である。第１のゲ
ート電極１３を接地してアース電位にし、シリコン半導
体基板１１に例えばマイナス数ボルトの電圧Ｖｇ１を直
流電圧源４１から電極１７を介して印加する。ここで、
シリコン酸化膜１２の電界が１０6Ｖ／ｃｍ以上になる
と、シリコン基板１１の伝導帯Ｅｃの電子がゲート酸化
膜１２の三角ポテンシャルを量子力学的トンネル効果に
よってトンネルし、ゲート酸化膜１２の伝導帯Ｅｃに現
れる。ゲート酸化膜１２の伝導帯Ｅｃにトンネルした電
子はゲート酸化膜１２の伝導帯Ｅｃで強いフォノンの散
乱を受ける。そのため、ゲート酸化膜１２と第１のゲー
ト電極１３の界面ではエネルギーが広がった分布とな
る。
【００１１】従来例のトンネル冷陰極では、第１のゲー
ト電極の真空準位が電子の真空中への放射を阻止するた
め、ゲート酸化膜の伝導帯にトンネルした電子の１％以
下しか真空中へ放射することができない。すなわち、第
１のゲート電極の真空準位より高いエネルギーを持つ電
子はゲート酸化膜の伝導帯にトンネルした全電子のうち
１％以下である。
ト電極の真空準位が電子の真空中への放射を阻止するた
め、ゲート酸化膜の伝導帯にトンネルした電子の１％以
下しか真空中へ放射することができない。すなわち、第
１のゲート電極の真空準位より高いエネルギーを持つ電
子はゲート酸化膜の伝導帯にトンネルした全電子のうち
１％以下である。
【００１２】一方、本発明に係る第１の実施形態のよう
に、電子加速層１５を介して第２のゲート電極１６を形
成し、第２のゲート電極１６に例えばプラス数ボルトの
正電圧Ｖｇ２を印加すると、第２のゲート電極１６の真
空準位を第１のゲート電極１３の真空準位より低エネル
ギーにすることができる。このことは、ゲート酸化膜１
２の伝導帯にトンネルした電子で第１のゲート電極１３
の真空準位より低エネルギーを持つ電子も真空中へ放射
できることを意味している。すなわち、本発明に係る第
１の実施形態により、真空中への放射電流量の大きいト
ンネル冷陰極１０を実現できる。また、Ｃｓのコーティ
ングを用いないので、従来例に比較して、信頼性が高い
という利点がある。
に、電子加速層１５を介して第２のゲート電極１６を形
成し、第２のゲート電極１６に例えばプラス数ボルトの
正電圧Ｖｇ２を印加すると、第２のゲート電極１６の真
空準位を第１のゲート電極１３の真空準位より低エネル
ギーにすることができる。このことは、ゲート酸化膜１
２の伝導帯にトンネルした電子で第１のゲート電極１３
の真空準位より低エネルギーを持つ電子も真空中へ放射
できることを意味している。すなわち、本発明に係る第
１の実施形態により、真空中への放射電流量の大きいト
ンネル冷陰極１０を実現できる。また、Ｃｓのコーティ
ングを用いないので、従来例に比較して、信頼性が高い
という利点がある。
【００１３】なお、半導体基板１１のシリコンはｎ型に
限らず、ｐ型でもよい。また、電子供給層はシリコン半
導体基板１１である必要はなく、金属でもよい。さら
に、ゲート酸化膜１２もシリコン酸化膜である必要はな
く、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5などでも実現できる。
限らず、ｐ型でもよい。また、電子供給層はシリコン半
導体基板１１である必要はなく、金属でもよい。さら
に、ゲート酸化膜１２もシリコン酸化膜である必要はな
く、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5などでも実現できる。
【００１４】＜第２の実施形態＞図８は、本発明に係る
第２の実施形態であるトンネル冷陰極２０の構造を示す
縦断面図である。図８乃至図１４において、図１乃至図
７と同様のものについては同一の符号を付している。こ
の第２の実施形態のトンネル冷陰極２０は、第１の実施
形態に比較して、図８に示すように、図１の障壁層は、
障壁層３１と量子井戸層３２と障壁層３３からなる量子
構造層３０にてなり、上記量子力学的トンネル効果は、
共鳴トンネル効果であることを特徴としている。
第２の実施形態であるトンネル冷陰極２０の構造を示す
縦断面図である。図８乃至図１４において、図１乃至図
７と同様のものについては同一の符号を付している。こ
の第２の実施形態のトンネル冷陰極２０は、第１の実施
形態に比較して、図８に示すように、図１の障壁層は、
障壁層３１と量子井戸層３２と障壁層３３からなる量子
構造層３０にてなり、上記量子力学的トンネル効果は、
共鳴トンネル効果であることを特徴としている。
【００１５】すなわち、第２の実施形態であるトンネル
冷陰極２０は、障壁層のトンネルに共鳴トンネル効果を
用いている。共鳴トンネル効果は量子構造層２０内の量
子化準位のエネルギーと電子供給層である半導体基板１
１の電子のエネルギーが一致した時、トンネル確率が増
大する効果で、一種のエネルギーフィルタとして働くた
め、共鳴トンネル効果によりトンネルした電子は極めて
狭いエネルギー分布を持っている。従って、第２の実施
形態であるトンネル冷陰極２０から、真空中へ放射され
る電子は１００ｍｅＶ以下のエネルギー分布を持つ。な
お、当該トンネル冷陰極２０は、真空密封された容器
（図示せず。）内に載置される。
冷陰極２０は、障壁層のトンネルに共鳴トンネル効果を
用いている。共鳴トンネル効果は量子構造層２０内の量
子化準位のエネルギーと電子供給層である半導体基板１
１の電子のエネルギーが一致した時、トンネル確率が増
大する効果で、一種のエネルギーフィルタとして働くた
め、共鳴トンネル効果によりトンネルした電子は極めて
狭いエネルギー分布を持っている。従って、第２の実施
形態であるトンネル冷陰極２０から、真空中へ放射され
る電子は１００ｍｅＶ以下のエネルギー分布を持つ。な
お、当該トンネル冷陰極２０は、真空密封された容器
（図示せず。）内に載置される。
【００１６】次いで、図９乃至図１４を参照して、図８
のトンネル冷陰極２０の製造工程について説明する。ま
ず、図９において、ドーパントとしてＳｉのドープ量が
１０18／ｃｍ3程度のｎ型ＧａＡｓ半導体基板１１上に
量子構造層３０を形成する。実際は、ｎ型ＧａＡｓ半導
体基板１１と量子構造層３０の間には、Ｓｉをドープし
たＧａＡｓバッファ層を堆積するが、図８乃至図１４で
は省略している。次いで、半導体基板１１上に量子構造
層３０を形成する。ここで、量子構造層３０は例えば、
膜厚２．８５ｎｍのＡｌＡｓ障壁層３１と、膜厚２．８
３ｎｍのＧａＡｓ井戸層３２と、膜厚２．８５ｎｍのＡ
ｌＡｓ障壁層３３とにより構成される。次いで、障壁層
３３上に、第１のゲート電極１３となるＳｉドープＧａ
Ａｓを堆積し、その膜厚は２０ｎｍないし１００ｎｍで
ある。さらに、シリコン酸化膜１４を膜厚３００ｎｍな
いし１０００ｎｍだけ堆積し、図１０に示すように、フ
ォトリソグラフィ法を用いシリコン酸化膜１４をエッチ
ングし、電子の放射領域を製作する。その後、図１１に
示すように、電子加速層１５としてノンドープＧａＡｓ
を膜厚１００ｎｍないし５００ｎｍだけ堆積し、さらに
第２のゲート電極１６となるＳｉドープＧａＡｓを膜厚
２０ｎｍないし１００ｎｍだけ堆積する。さらに、図１
２に示すように、電子加速層１５と第２のゲート電極１
６をパターニングし、最後に、図１３に示すように、負
電圧Ｖｇ１を印加するための引き出し電極としてＧａＡ
ｓ半導体基板１１の裏面にＩｎ電極１７を形成し、ま
た、第１のゲート電極１３の引き出し電極１８をＡｕで
形成し、正電圧Ｖｇ２を印加するための第２のゲート電
極１６の引き出し電極１９をＡｕで形成するこにより、
第２の実施形態のトンネル冷陰極２０を得る。
のトンネル冷陰極２０の製造工程について説明する。ま
ず、図９において、ドーパントとしてＳｉのドープ量が
１０18／ｃｍ3程度のｎ型ＧａＡｓ半導体基板１１上に
量子構造層３０を形成する。実際は、ｎ型ＧａＡｓ半導
体基板１１と量子構造層３０の間には、Ｓｉをドープし
たＧａＡｓバッファ層を堆積するが、図８乃至図１４で
は省略している。次いで、半導体基板１１上に量子構造
層３０を形成する。ここで、量子構造層３０は例えば、
膜厚２．８５ｎｍのＡｌＡｓ障壁層３１と、膜厚２．８
３ｎｍのＧａＡｓ井戸層３２と、膜厚２．８５ｎｍのＡ
ｌＡｓ障壁層３３とにより構成される。次いで、障壁層
３３上に、第１のゲート電極１３となるＳｉドープＧａ
Ａｓを堆積し、その膜厚は２０ｎｍないし１００ｎｍで
ある。さらに、シリコン酸化膜１４を膜厚３００ｎｍな
いし１０００ｎｍだけ堆積し、図１０に示すように、フ
ォトリソグラフィ法を用いシリコン酸化膜１４をエッチ
ングし、電子の放射領域を製作する。その後、図１１に
示すように、電子加速層１５としてノンドープＧａＡｓ
を膜厚１００ｎｍないし５００ｎｍだけ堆積し、さらに
第２のゲート電極１６となるＳｉドープＧａＡｓを膜厚
２０ｎｍないし１００ｎｍだけ堆積する。さらに、図１
２に示すように、電子加速層１５と第２のゲート電極１
６をパターニングし、最後に、図１３に示すように、負
電圧Ｖｇ１を印加するための引き出し電極としてＧａＡ
ｓ半導体基板１１の裏面にＩｎ電極１７を形成し、ま
た、第１のゲート電極１３の引き出し電極１８をＡｕで
形成し、正電圧Ｖｇ２を印加するための第２のゲート電
極１６の引き出し電極１９をＡｕで形成するこにより、
第２の実施形態のトンネル冷陰極２０を得る。
【００１７】図１４は、図８のトンネル冷陰極２０の動
作を説明するためのエネルギーバンド図である。第１の
ゲート電極１３をアース電位にし、ＧａＡｓ半導体基板
１１に例えばマイナス数ボルトの負電圧Ｖｇ１を印加す
る。量子構造層３０が、例えば、膜厚２．８５ｎｍのＡ
ｌＡｓ障壁層３１と、膜厚２．８３ｎｍのＧａＡｓ量子
井戸層３２と、膜厚２．８５ｎｍのＡｌＡｓ障壁層３３
とにより構成された場合、量子化準位はＧａＡｓ量子井
戸層３２の伝導帯Ｅｃの底から約２４０ｍｅＶ高エネル
ギー側に形成される。すなわち、ＧａＡｓ半導体基板１
１のフェルミレベル付近の電子のエネルギーと、この量
子化準位が同エネルギーになると、共鳴トンネル効果の
ため、ＧａＡｓ半導体基板１１において生成された電子
が量子構造層層３０をトンネルする。第２のゲート電極
１６に例えばプラス数ボルトの所定の正電圧を印加し、
共鳴トンネルしてきた電子のエネルギーより第２のゲー
ト電極１６の真空準位を下げれば、共鳴トンネル電子が
真空中へ放射される。
作を説明するためのエネルギーバンド図である。第１の
ゲート電極１３をアース電位にし、ＧａＡｓ半導体基板
１１に例えばマイナス数ボルトの負電圧Ｖｇ１を印加す
る。量子構造層３０が、例えば、膜厚２．８５ｎｍのＡ
ｌＡｓ障壁層３１と、膜厚２．８３ｎｍのＧａＡｓ量子
井戸層３２と、膜厚２．８５ｎｍのＡｌＡｓ障壁層３３
とにより構成された場合、量子化準位はＧａＡｓ量子井
戸層３２の伝導帯Ｅｃの底から約２４０ｍｅＶ高エネル
ギー側に形成される。すなわち、ＧａＡｓ半導体基板１
１のフェルミレベル付近の電子のエネルギーと、この量
子化準位が同エネルギーになると、共鳴トンネル効果の
ため、ＧａＡｓ半導体基板１１において生成された電子
が量子構造層層３０をトンネルする。第２のゲート電極
１６に例えばプラス数ボルトの所定の正電圧を印加し、
共鳴トンネルしてきた電子のエネルギーより第２のゲー
ト電極１６の真空準位を下げれば、共鳴トンネル電子が
真空中へ放射される。
【００１８】以上説明したように、第２の実施形態によ
れば、電子加速層１５を介して第２のゲート電極１６を
形成し、第２のゲート電極１６に例えばプラス数ボルト
の正電圧Ｖｇ２を印加すると、第２のゲート電極１６の
真空準位を第１のゲート電極１３の真空準位より低エネ
ルギーにすることができる。このことは、ゲート酸化膜
１２の伝導帯にトンネルした電子で第１のゲート電極１
３の真空準位より低エネルギーを持つ電子も真空中へ放
射できることを意味している。すなわち、本発明に係る
第２の実施形態により、真空中への放射電流量の大きい
トンネル冷陰極２０を実現できる。また、Ｃｓのコーテ
ィングを用いないので、従来例に比較して、信頼性が高
いという利点がある。
れば、電子加速層１５を介して第２のゲート電極１６を
形成し、第２のゲート電極１６に例えばプラス数ボルト
の正電圧Ｖｇ２を印加すると、第２のゲート電極１６の
真空準位を第１のゲート電極１３の真空準位より低エネ
ルギーにすることができる。このことは、ゲート酸化膜
１２の伝導帯にトンネルした電子で第１のゲート電極１
３の真空準位より低エネルギーを持つ電子も真空中へ放
射できることを意味している。すなわち、本発明に係る
第２の実施形態により、真空中への放射電流量の大きい
トンネル冷陰極２０を実現できる。また、Ｃｓのコーテ
ィングを用いないので、従来例に比較して、信頼性が高
いという利点がある。
【００１９】なお、量子構造層３０は本実施形態に限ら
ず、量子井戸層３２と障壁層３１とが複数周期で交互に
積層されなる量子構造を有する真性半導体ｉ層であって
もよい。また、量子井戸層３２と障壁層３１の材料も、
ＧａＡｓとＡｌＡｓに限らず、それぞれ、ＧａＡｓ及び
ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ及びＡｌ2Ｏ3であってもよい。ま
た、電子加速層１５もＧａＡｓに限らず、ＡｌＧａＡｓ
でもよい。
ず、量子井戸層３２と障壁層３１とが複数周期で交互に
積層されなる量子構造を有する真性半導体ｉ層であって
もよい。また、量子井戸層３２と障壁層３１の材料も、
ＧａＡｓとＡｌＡｓに限らず、それぞれ、ＧａＡｓ及び
ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ及びＡｌ2Ｏ3であってもよい。ま
た、電子加速層１５もＧａＡｓに限らず、ＡｌＧａＡｓ
でもよい。
【００２０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る請求項
１記載のトンネル冷陰極によれば、所定の負電圧が印加
された電子供給層と、障壁層と、接地された第１のゲー
ト電極層とが積層されてなり、上記電子供給層において
生じる電子が上記障壁層を量子力学的トンネル効果によ
ってトンネルし、上記第１のゲート電極層の真空準位よ
りも高いエネルギーを持つ電子が真空中に放射されるト
ンネル冷陰極において、上記第１のゲート電極層上に形
成された電子加速層と、上記電子加速層上に形成され所
定の正電圧が印加された第２のゲート電極とをさらに備
え、上記障壁層をトンネルした電子が上記第１のゲート
電極層、上記電子加速層及び上記第２のゲート電極層を
通過した後、真空中に放射される構造を有し、上記第２
のゲート電極の真空準位を上記第１のゲート電極の真空
準位よりも低く設定することにより、上記障壁層をトン
ネルした電子のうち、上記第１のゲート電極の真空準位
よりも低いエネルギーを有する電子をも、上記電子加速
層及び上記第２のゲート電極層を介して真空中に放射さ
せ、真空中への放射電流量を増大させる。従って、従来
例に比較して、真空中への放射電流量の大きいトンネル
冷陰極を実現できる。また、Ｃｓのコーティングを用い
ないので、従来例に比較して、信頼性が高いという利点
がある。
１記載のトンネル冷陰極によれば、所定の負電圧が印加
された電子供給層と、障壁層と、接地された第１のゲー
ト電極層とが積層されてなり、上記電子供給層において
生じる電子が上記障壁層を量子力学的トンネル効果によ
ってトンネルし、上記第１のゲート電極層の真空準位よ
りも高いエネルギーを持つ電子が真空中に放射されるト
ンネル冷陰極において、上記第１のゲート電極層上に形
成された電子加速層と、上記電子加速層上に形成され所
定の正電圧が印加された第２のゲート電極とをさらに備
え、上記障壁層をトンネルした電子が上記第１のゲート
電極層、上記電子加速層及び上記第２のゲート電極層を
通過した後、真空中に放射される構造を有し、上記第２
のゲート電極の真空準位を上記第１のゲート電極の真空
準位よりも低く設定することにより、上記障壁層をトン
ネルした電子のうち、上記第１のゲート電極の真空準位
よりも低いエネルギーを有する電子をも、上記電子加速
層及び上記第２のゲート電極層を介して真空中に放射さ
せ、真空中への放射電流量を増大させる。従って、従来
例に比較して、真空中への放射電流量の大きいトンネル
冷陰極を実現できる。また、Ｃｓのコーティングを用い
ないので、従来例に比較して、信頼性が高いという利点
がある。
【００２１】また、請求項２記載のトンネル冷陰極によ
れば、請求項１記載のトンネル冷陰極において、上記障
壁層は、量子構造層にてなり、上記量子力学的トンネル
効果は、共鳴トンネル効果である。従って、真空中への
放射電流量の大きいトンネル冷陰極２０を実現できる。
また、Ｃｓのコーティングを用いないので、従来例に比
較して、信頼性が高いという利点がある。
れば、請求項１記載のトンネル冷陰極において、上記障
壁層は、量子構造層にてなり、上記量子力学的トンネル
効果は、共鳴トンネル効果である。従って、真空中への
放射電流量の大きいトンネル冷陰極２０を実現できる。
また、Ｃｓのコーティングを用いないので、従来例に比
較して、信頼性が高いという利点がある。
【図１】 本発明に係る第１の実施形態であるトンネル
冷陰極１０の構造を示す縦断面図である。
冷陰極１０の構造を示す縦断面図である。
【図２】 図１のトンネル冷陰極１０の第１の製造工程
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図３】 図１のトンネル冷陰極１０の第２の製造工程
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図４】 図１のトンネル冷陰極１０の第３の製造工程
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図５】 図１のトンネル冷陰極１０の第４の製造工程
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図６】 図１のトンネル冷陰極１０の第５の製造工程
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図７】 図１のトンネル冷陰極１０の動作を説明する
ためのエネルギーバンド図である。
ためのエネルギーバンド図である。
【図８】 本発明に係る第２の実施形態であるトンネル
冷陰極２０の構造を示す縦断面図である。
冷陰極２０の構造を示す縦断面図である。
【図９】 図８のトンネル冷陰極２０の第１の製造工程
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図１０】 図８のトンネル冷陰極２０の第２の製造工
程を示す縦断面図である。
程を示す縦断面図である。
【図１１】 図８のトンネル冷陰極２０の第３の製造工
程を示す縦断面図である。
程を示す縦断面図である。
【図１２】 図８のトンネル冷陰極２０の第４の製造工
程を示す縦断面図である。
程を示す縦断面図である。
【図１３】 図８のトンネル冷陰極２０の第５の製造工
程を示す縦断面図である。
程を示す縦断面図である。
【図１４】 図８のトンネル冷陰極２０の動作を説明す
るためのエネルギーバンド図である。
るためのエネルギーバンド図である。
１０，２０…トンネル冷陰極、 １１…半導体基板、 １２…ゲート酸化膜、 １３…第１のゲート電極、 １４…シリコン酸化膜、 １５…電子加速層、 １６…第２のゲート電極、 １７…電極、 １８…引き出し電極、 １９…引き出し電極、 ３０…量子構造層、 ３１…障壁層、 ３２…量子井戸層、 ３３…障壁層、 ４１，４２…直流電圧源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 秀典 宮城県仙台市青葉区片平２−１−１ 東 北大学電気通信研究所内 (72)発明者 横尾 邦義 宮城県仙台市青葉区片平２−１−１ 東 北大学電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−10448（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−6687（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−342995（ＪＰ，Ａ) 武内義尚、御子柴宣夫共編，“トンネ ル現象の物理と応用”、培風館、昭和63 年12月15日、ｐ．88 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 1/30,9/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 所定の負電圧が印加された電子供給層
と、障壁層と、接地された第１のゲート電極層とが積層
されてなり、上記電子供給層において生じる電子が上記
障壁層を量子力学的トンネル効果によってトンネルし、
上記第１のゲート電極層の真空準位よりも高いエネルギ
ーを持つ電子が真空中に放射されるトンネル冷陰極にお
いて、 上記第１のゲート電極層上に形成された電子加速層と、 上記電子加速層上に形成され所定の正電圧が印加された
第２のゲート電極とをさらに備え、 上記障壁層をトンネルした電子が上記第１のゲート電極
層、上記電子加速層及び上記第２のゲート電極層を通過
した後、真空中に放射される構造を有し、 上記第２のゲート電極の真空準位を上記第１のゲート電
極の真空準位よりも低く設定することにより、上記障壁
層をトンネルした電子のうち、上記第１のゲート電極の
真空準位よりも低いエネルギーを有する電子をも、上記
電子加速層及び上記第２のゲート電極層を介して真空中
に放射させ、真空中への放射電流量を増大させることを
特徴とするトンネル冷陰極。 - 【請求項２】 請求項１記載のトンネル冷陰極におい
て、 上記障壁層は、量子構造層にてなり、 上記量子力学的トンネル効果は、共鳴トンネル効果であ
ることを特徴とするトンネル冷陰極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3740298A JP2935835B1 (ja) | 1998-02-19 | 1998-02-19 | トンネル冷陰極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3740298A JP2935835B1 (ja) | 1998-02-19 | 1998-02-19 | トンネル冷陰極 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2935835B1 true JP2935835B1 (ja) | 1999-08-16 |
| JPH11232998A JPH11232998A (ja) | 1999-08-27 |
Family
ID=12496546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3740298A Expired - Lifetime JP2935835B1 (ja) | 1998-02-19 | 1998-02-19 | トンネル冷陰極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2935835B1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4752050B2 (ja) * | 2004-08-27 | 2011-08-17 | 国立大学法人静岡大学 | 窒化物半導体電子放出素子 |
| JP2006147518A (ja) * | 2004-10-22 | 2006-06-08 | National Univ Corp Shizuoka Univ | 窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子 |
| CN104992890B (zh) * | 2015-05-15 | 2017-09-15 | 北京大学 | 一种电子发射体功函数可调的阴极及其阵列 |
-
1998
- 1998-02-19 JP JP3740298A patent/JP2935835B1/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 武内義尚、御子柴宣夫共編，"トンネル現象の物理と応用"、培風館、昭和６３年１２月１５日、ｐ．８８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11232998A (ja) | 1999-08-27 |
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