JPH01220328A - 半導体電子放出素子及び半導体電子放出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体電子放出素子に係り、特にアバランシェ
増幅を起こさせ、ホット化した電子を放出させる半導体
電子放出素子に関する。

〔従来の技術］ 従来、半導体電子放出素子のうち、アバランシェ増幅を
用いたものは、米国特許第４２５９８７８号および米国
特許第４３０３１３０号に記載されているように、ｐ型
半導体層とｎ型半導体層が接するように形成して、ダイ
オード構造とし、このダイオードの両端に逆バイアス電
圧をかけてアバランシェ増幅を起して電子をホット化し
、セシウム等を付着させて表面の仕事関数を低下させた
ｎ型半導体層表面より電子が放出されるように構成され
たものが知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来例では、電子放出部の仕事関数を低下させるた
めに、電子放出部表面にセシウム及びセシウム−酸素化
合物を形成させているが、上記セシウム材料は化学的に
極めて活性なため、（１）超高真空（〜ｌＯ″″’　ｔ
ａｒｒ以上）で使用しなければ安定な動作をしない、（
２）寿命が真空度によって変化する。（３）効率が真空
度によって変化をする等の問題点があった。またｐｎ界
面で生成されたホットエレクトロンは、ｎ型半導体層を
通過するときに散乱によりエネルギーを失うために、ｎ
型半導体層は極めて薄く作成（２００Å以下）する必要
がある。このため、極めて薄いｎ９半導体層を均一、高
濃度、かつ低欠陥で作成するには半導体製造プロセス上
の問題点が多数存在し、素子を安定に作製することは困
難であった。

［ｆｉ’ｆ点を解決するための手段］ 本発明の半導体電子放出素子は、ショットキー電極が接
合されたｐ型半導体の不純物濃度をアバランシェ降伏を
生じさせるような濃度範囲とし、前記ショットキー電極
と前記ｐ型半導体とに逆バイアス電圧を印加して、前記
ショットキー電極から電子を放出させたことを特徴とす
る。

［作用］ 本発明はＰ型半導体にショットキー電極を接合してショ
ットキーダイオードを形成し、前記ｐ型半導体の不純物
濃度をアバランシェ降伏を生じさせるような濃度範囲と
して、かかるショットキーダイオードに逆バイアス電圧
を印加させ、アバランシェ増幅を起こすことにより、シ
ョットキー電極の表面から電子を安定して放出させるも
のである。

なお・前記ショットキー電極を低仕事関数材料とすれば
、電子放出面の仕事関数が低下するために、電子を安定
して放出させることが可能となる。

以下、本発明の半導体電子放出素子の作用についてエネ
ルギーバンド図を用いて説明する。

第４図は、本発明の半導体電子放出素子における半導体
表面のエネルギーバンド図である。

なお、ここでは、ショットキー電極の構成材料として低
仕事関数材料を用いた場合について説明する。

第４図に示すように、ｐ型半導体（図中、ｐはｐ型半導
体部分を示す）および低仕事関数材料（図中、Ｔは低仕
事関数材料部分を示す）との接合のｎｎを一逆バイアス
することによって、真空準位ＥＶＡＣをｐ５５半導の伝
導帯ＥＣより低いエネルギー準位とすることができ、大
きなエネルギー差ΔＥを得ることができる。この状態で
７バランシ工増幅を起こすことにより、ｐ型半導体にお
いては少数キャリアであった電子を多数生成することが
可能となり、電子の放出効率を高めることが出来る。ま
た空乏層内の電界が電子にエネルギーを与えるために、
電子がホット化されて格子系の温度よりも運動エネルギ
ーが大きくなり１表面の仕事関数よりも大きなポテンシ
ャルを持つ電子が、散乱によってエネルギーを大きく失
すずに表面から飛び出すことが可能となる。

本発明の半導体電子放出素子に用いる半導体材料として
は、Ｓｉ、　Ｇｅ、　ＧａＡｓ、　ＧａＰ、　ＧａＡＩ
Ｐ、　ＧａＡｓＰ。

ＧａＡｌＡｓ、　ＳｉＣ，ＢＰなどがあるが、ｐ型半導
体を形成出来るものであればどのような半導体材料であ
ってもよい０間接型半導体でバンドギヤー２プＥが大き
い方が電子放出の効率が良い。

使用する半導体の不純物濃度はアバランシェ降伏が生じ
る濃度範囲であり、この場合、トンネル効果が降伏特性
を支配する限界の濃度で使用することで電子のホット化
に寄与する最大の効率が得られる。従ってトンネル降伏
が生じる濃度以下にドーピングしなければならない。

本発明の半導体電子放出素子に用いるショットキー電極
材料は、ｐ型半導体に対して明確にショットキー特性を
示す材料でなければならない、一般に仕事関数φ讐にと
ｎ！２半導体に対するショットキーバリア八イトφＢｍ
との間には直線関係が成り立っているＣＪｚｅ、　２７
４ｐ　　７Ｂ（ｂ）　ＪＯＨＮＷＩＬＥＬ　＆　５ＯＮ
Ｓ）、　ＳｉではφＢｎ＝　０．２３５φＩＩＩｋ−０
，５５と表わされ、他の半導体の同様に仕事関数が小さ
くなるにつれてφＢｎは低下する。また一般にｐ型半導
体に対するシ璽ットキーバリアφＢＦとφＢｎとの間に
は、 一φＢ！Ｉとなる。前述の式から計算されるように。

仕事関数の低い材料を用いることでｐｇ！１半導体に対
して良好なショットキーダイオードを作製することが出
来る。このような低仕事関数材料としてはＩＡ、２Ａ、
３Ａ族及びランタノイド系の金属や、ＩＡ、２Ａ、３Ａ
族及びランタノイド系のシリサイド、ＩＡ、２Ａ、３Ａ
族及びランタノイド系のホウ化物、ＩＡ、２Ａ、３Ａ族
及びランタノイド系の炭化物などがあり、これらの材料
の仕事関数は１．５〜４ｖであり、すべてｐ型半導体に
対して良好なショットキー電極材料となる。

以上述べた半導体材料及び半導体濃度、ショットキー電
極材料を用いることで良好なショットキー型の半導体電
子放出素子が作製出来る。

［実施例］ 以下１本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図（Ａ）　（Ｂ）は１本発明の半導体電子放出素子
の第一実施例の概略的構成図であり、第１図（轟）は平
面図、第１図（Ｂ）はＡ−Ａ部の断面図である。

第１図（＾）（Ｂ）に示すように、ｐ型半導体基板１（
本実施例では５ｔ（１００））上に３Ｘ１０１６（ｃｍ
−３）の不純物濃度を持つｐｙ！！半導体層（以下、ｐ
層と記す）をＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて
形成し、フォトリソグラフィーのレジストプロセスによ
り所定の位置のフォトレジストを開口して、Ｐイオンを
打ち込み、これを７ニールしてｎ型半導体領域３を形成
し、同様にレジストプロセスにより所定の位置のフォト
レジストを開口して、Ｂイオンを打ち込み、これを７ニ
ールしてｐ型半導体領域４を形成する。

次に、ショットキー電極５となる低仕事関数材料トＩ、
ＣＧｄ　（φＷｋ＝３．Ｉ　Ｖ）を１００人蒸着し、３
５０℃、１０分熱処理を行ない、　Ｇｄ５ｉｚとした。

この時のバリア八イトφＨＰは０．７ｖで良好なショッ
トキーダイオードとなる。さらに５ｉ０２及びポリシリ
コンを堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いて電子
放出用の開口部を形成し選択エツチングにより、ショッ
トキー電極５上に５ｉＯ２Ｊ！６を介して、引き出し電
極７を形成した。８はｐ型半導体基板１の他方にＡ文を
蒸着したオーミックコンタクト用の電極である。９はシ
ョットキー電極５と電極８との間に逆バイアス電圧Ｖｄ
を印加するための電源であり、１０はショットキー電極
５と引き出し電極７との間に電圧Ｖｇを印加するための
電源である。

上記構成において、逆バイアス電圧Ｖｄをショットキー
ダイオードにかけることにより、ｐ型半導体望城４とシ
ョットキー電極５との界面で７バランシ工増幅が生じ、
生成されたホットエレクトロンは極めて薄く形成された
ショットキー電極５を通り抜けて真空領域にしみ出し、
引き出し電極７による電界によって素子外部へ引き出さ
れる０以上述べたように本実施例によれば、逆バイアス
電圧によってΔＥを増大させるため、低仕事関数材料と
してＣｓやＣｇ−０等に限定されることなく、前述の広
い範囲の材料を選択することが可能となり、より安定し
た材料を用いることができる。また電子放出表面が低仕
事関数材料のショットキー電極となるため表面電極形成
のプロセスが簡略化され、信頼性と安定性のよい半導体
電子放出素子の作製が可能となった。

第２図は１本発明の半導体電子放出素子の第二実施例の
概略的構成図である。

本実施例は、前述した第一実施例の半導体電子放出素子
における素子間でのクロストークを防ぐように構成した
ものである。

なお本実施例では、電子放出の効率が高くなるようにＡ
皇０．５Ｇａ０．５Ａｇ（Ｅｇが約１．８）が使用され
ている。

第２図に示すように、半絶縁性のＧａＡｇ（１００）基
板１２ａにＢｅを１０１８（ｃｍ−３）　　ドープしな
がら、　　Ａｌｌ　Ｏ，５ＧａＯ，５ＡｇのＰＧ層１３
をエピタキシャル成長させ１次いでＢｅを１０１６（ｃ
層″″３）ドープしながらＡｌｌ　Ｇ、５Ｇａ０．５Ａ
ｓの２層２をエビタキャル成長させる。

次いでＦＩＢ　（フォーカストイオンビーム）にて、ｐ
◆争層１１の不純物濃度が１０”（ｃ■−３）になるよ
うにＢｅを約１８０　ｋｅＶで深い層に打ち込み、ｐ層
４の不純物濃度が５Ｘ１０１７（ｃ層−３）になるよう
にＢｅを約４０ｋｅＶで比較的薄い層に打ち込む、さら
にｎ層３の不純物濃度が１０１８（ｃｍ−３）になるよ
うにＳｉを約８０　ｋｅＶで打ち込む、また、プロトン
又はホウ素イオンを２００ｋｓＶ以上の加速電圧で打ち
込んで、素子分離領域１２ｂを形成した。

次に８００℃、３０分でアルシン＋Ｎ２　＋Ｈ２気流中
で７ニールを行い、適当なマスキングを行なった後に、
ＢａＢＢ　（φＷｋ＝　３．４ｅＶ）を約１００人蒸着
し、温度６００℃で３０分アニールすることによりショ
ットキー電極５を形成した。第１図（Ａ）　（Ｂ）に示
した第一実施例の場合と同様に引き出し電極７を形成し
、最後に表面酸化処理を行なって、ＢａＢＢの表面の１
／３を酸化してＢａｄ（φｌ１ｋ＝　１．１１）を形成
した。この時のパリ７ノ＼イトφＯｐは０．９ｖで良好
なショットキー特性を示し、Ｓｉよりも高い電流密度を
とることが可能な半導体電子放出素子となった・ 以上述べた本実施例によれば、素子間を絶縁することで
、基板上に多数の半導体電子放出素子を作製した場合に
素子間のクロストークを減少し、個々の素子を独立駆動
させることが可能となる。

また半導体にワイドギャップ化合物半導体を用い表面に
ホウ化物を用いることで、極めて密着性良好で、仕事関
数の低く、ショットキーのバリアが大きい良好なショッ
トキー電極を形成し、電子放出効率を増大させることが
出来る。

第３図（Ａ）　（Ｂ）は、上記第二実施例の半導体電子
放出素子をライン状に多数形成した場合の概略的構成図
であり、第３図（Ａ）は平面図、第３図（Ｂ）はＣ−Ｃ
ａ１ｌの断面図である。

なお、第３図（Ａ）中のＢ−８部の断面図は第２図に示
した第二実施例の断面図と同一である。また、半導体電
子放出素子の構成は第二実施例と同様であるので詳細説
明は略すものとする。

第３（Ａ）（Ｂ）に示すように、半絶縁性ノＧａＡｓ（
１０Ｇ）基板１２ａにＰＧ層４ａ〜４ｈ、ショツトキー
電極５ａ〜５ｈ、素子 オン打ち込みにより作成した。

上記構成において、電子放出部にはｌライン状に４ａ〜
４ｈで示されるように多数の半導体電子放出素子が形成
されており、５ａ〜５ｈで示されるように、多数の電極
に個々に逆バイアスをかけることで１個々の電子源を独
立に制御することが可能である。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように１本発明による半導体電子放
出素子によれば，ｐ型半導体にショットキー電極を接合
させてショットキーダイオードを形成し、該ダイオード
の接合部を逆バイアスすることにより，真空準位Ｅ’１
ｌＡＣをｐ型半導体の伝導帯ＥＣより低いエネルギー準
位とすることができ、従来より大きなエネルギー差ΔＥ
を容易に得ることが出来る．さらにアバランシェ増幅を
起こさせることにより，ｐ５！半導体中で少数キャリア
である電子を多数発生し放出電流を増大し、さらに薄い
空乏層に高電界をかけて電子をホット化することで，容
易に電子を真空中に引き出すことが出来る。

またセシウム等と比較して仕事関数φ社の大きな材料を
ショットキー電極材料として利用できるため、表面材料
の選択範囲が従来より大幅に広くなり、安定した材料を
用いて大きな電−子放出効率を達成することができる。

また、半導体電子放出素子の作製において，従来からの
半導体形成技術及び薄膜形成技術を利用することが出来
るため，確立した技術を用いて安価に高精度に本発明素
子を作成できるなどの利点が存在する。

本発明の半導体電子放出素子は，デイスプレィ、ＥＢ描
画装置，真空管に好適に用いられ、また電子線プリンタ
ー、メモリー等にも適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（＾）（Ｂ）は、本発明の半導体電子放出素子の
第一実施例の概略的構成図である。 第２図は１本発明の半導体電子放出素子の第二実施例の
概略的構成図である。 第３図（Ａ）　（Ｂ）は、上記第二実施例の半導体電子
放出素子をライン状に多数形成した場合の概略的構成図
である。 第４図は、本発明の半導体電子放出素子における半導体
表面のエネルギーバンド図である。 ｔａｐ型半導体基板、２，１１，１３．：Ｐ型半導体層
、３：ｎ型半導体領域、 ４．４ａ〜４ｈ：ｐ型半導体領域、 ５．５ａ〜５ｈニジヨツトキー電極、 ６　：　５ｉ０２　　層、７：引き出し電極。 ８ニオ−ミックコンタクト用の電極、 ９．１０：電源、１２　ａ　：　ＧａＡｓ　　基板。 １２ｂ：素子分離領域。 代理人　　弁理士　山　下　積　平 第１図 （Ｂ） 第２図 第４図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ショットキー電極が接合されたｐ型半導体の不純
   物濃度をアバランシェ降伏を生じさせるような濃度範囲
   とし、 前記ショットキー電極と前記ｐ型半導体とに逆バイアス
   電圧を印加して、前記ショットキー電極から電子を放出
   させた半導体電子放出素子。
2. （２）前記ショットキー電極が低仕事関数材料からなる
   請求項１記載の半導体電子放出素子。
3. （３）前記ｐ型半導体の不純物をマスクレスイオン注入
   で注入した請求項１記載の半導体電子放出素子。