JP4752050B2 - 窒化物半導体電子放出素子 - Google Patents
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Description
Siを用いた電界放出電子素子はSi集積回路技術を基盤として開発されているが、通常の電界放出素子の場合、素子の外部から電界を加え電子放出を促すため、電子の放出には高電圧を必要とし、高い電界密度を得るために素子構造が複雑となる欠点を有している。
より具体的には、絶縁性基板(1)上にGaN層(2)を有し、前記GaN層(2)の表面に接合して設けたn型のAl x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)(3)に接合されて、1nmから10nmの厚さの中間層であるAlN層(4)を有し、前記AlN層(4)に接合された20nmから100nmの厚さの表面露出部を有するGaN層(5)を積層させた構造を持ち、且つ、GaN層(5)の表面に電子取り出し用の正電極(6)を備え、前記、n型のAl x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)(3)に接して負電極(7)を備えることを特徴とする窒化物半導体電子放出素子である。
なお、このような窒化物半導体電子放出素子において、中間層であるAlN層をn型の、n型のAlxGa (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)よりもAl組成が大きい、n型のAl y Ga (1-y) N層(ただし、y>x)とした窒化物半導体電子放出素子、さらには、n型のAl x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)を、前記x=0であるGaN層とした窒化物半導体電子放出素子などの変形例もまた、本発明の優れた効果を得ることが可能である。
本発明の窒化物半導体電子放出素子は、従来の電界放出型の電子放出源に比べ、低い駆動電圧で動作し構造も単純なため、他の電子素子とのマッチングが良く集積化も容易である。本発明を用いて、将来の低電圧動作電子線励起ディスプレイや電子線励起発光素子・照明機器の電子源として利用できる。したがって、この素子は将来のフラットパネルディスプレイや照明用電子放出源として有用である。
図1は、本発明の窒化物半導体電子放出素子の一態様を示す概略断面図である。
窒化物半導体電子放出素子は、絶縁性基板(1)上に、GaN層(2)、n型のAl x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)(3)、厚さ1nm〜10nmの中間層としてのAlN層(4)、及び、厚さ20nm〜100nmの表面露出部を有するGaN層(4)を、接合することで順次積層させた構造を有している。
なお、各層の厚さと組成比は最良の形態として例示する。
本態様では、サファイア基板上(1)へ、n型のAl x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)(3)のためのバッファー層としてキャリヤ濃度2×1018cm-3のn型GaN層(2)を、厚さ約1000nmとなるように形成し、さらに、その上にキャリヤ濃度1018cm-3のn型Al x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)(3)として、Al0.2Ga0.8Nからなる厚さ1000nmの層を形成し、その上に中間層としてのAlN層(4)を5nmとキャリヤ濃度2×1018cm-3のn型GaN層(5)を30nm成長させる。
各層の形成方法は任意であり、公知の方法、例えば、原子層エピタキシャル成長、CVD法などを用いることができる。
なお、正電極の形状は、必ずしもストライプ状でなくてもよく、電極形状は、円環状、格子状、3角形などの多角形であってもよい。
本発明における絶縁性基板とは、完全な絶縁性を有するもののみならず、電子放出素子の使用目的に応じた高抵抗の基板、例えば、500Ω・cm以上の高抵抗基板、半絶縁性基板をも包含するものとする。従って、本態様では、絶縁性基板として、サファイア基板(1)を用いているが、これに代えて、500Ω・cm以上の高抵抗であってほぼ絶縁性のSi結晶基板、半絶縁性のGaAs基板や絶縁性のSiO2結晶基板などを用いることもできる。
ここで、素子表面は+C面(Ga面)となっており、サファイア基板側が−C面(N面)となっている。
n型AlGaN(3)(またはAl x Ga (1-x) Nにおいてx=0であるn型GaN(3))とn型GaN(5)は、キャリヤ濃度が1×1017cm-3よりも大きな低抵抗としなければない。
AlN(4)は、n型AlGaN(3)(またはn型GaN(3))、n型GaN(5)よりもキャリヤ濃度が小さい高抵抗としなければならない。
また、他の変形例として、n型のAl x Ga (1-x) N層(ただし、0≦x<0.5)(3)に代えて前記x=0であるGaN層を用いる態様が挙げられ、この構成によっても、本発明の優れた効果が得られる。
以上のように製作された電子放出素子を単一の素子とした多数個を集積して、ディスプレイ用の電子放出源に用いるための実施例を述べる。この際、多数個を集積するために格子状、ハニカム状などに単一の素子を配置した集合体として集積する。格子状に配置した場合は、各単一素子に電圧を印加するために、サファイア基板(1)にあらかじめ予め電極材料として、GaNとほぼ同一の格子定数を持つ材料であるZrB2(ホウ化ジルコニウム)を、ストライプ状に形成して電圧印加の負電極(17)とする。さらに、集積化を行うこの実施例では高抵抗のAlGaN(13)またはGaN(13)を形成する。
図4は、ディスプレイ用電子放出源の一態様を示す配置図であり、本発明の単一素子(電子放出素子)(18)の配置位置が示されている。各単一素子(18)に電圧を印加するために、ストライプ状の正電極(16)、ストライプ状の負電極(17)が設けられている。
(2)GaN層(バッファ層)
(3)AlGaN層 または GaN層
(4)AlN層
(5)GaN層(表面層)
(6)正電極(表面)
(7)負電極
(13)高抵抗AlGaN層または高抵抗GaN層
(16)ストライプ状の正電極
(17)ストライプ状の負電極
(18)ディスプレイ用電子放出源としての本発明の電子放出素子
Claims (3)
- 絶縁性基板上に、GaN層、n型のAlxGa(1-x)N層(ただし、0≦x<0.5)、厚さ1nm〜10nmの中間層としてのAlN層、及び、厚さ20nm〜100nmの表面露出部を有するGaN層を、接合することで順次積層させた構造を有し、該GaN層の表面に電子取り出し用の正電極を備え、且つ、該n型のAlxGa(1-x)N層(ただし、0≦x<0.5)に接して負電極を備えることを特徴とする窒化物半導体電子放出素子。
- 前記中間層としてのAlN層に代えて、n型のAlxGa(1-x)N層(ただし、0≦x<0.5)よりもAl組成が大きいAlyGa(1−y)N層(ただし、y>x)を中間層として有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体電子放出素子。
- 前記n型のAlxGa(1-x)N層(ただし、0≦x<0.5)が、x=0であるGaN層であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体電子放出素子。
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