JPH03129633A - 電子放出素子 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は電子放出素子に係り、特に、アバランシェ増幅
を用いた電子放出素子に関する。

［従来の技術］ 従来、アバランシェ増幅を用いた電子放出素子としては
、例えば米国特許第４２５９６７８号や同第４３０３９
３０号に記載されているような、ｐ型半導体層とｎ型半
導体層とを接合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している課題］ しかしながら、上述のごとき従来の電子放出素子には、
ｐｎ接合型のダイオード構造を用いているために、−数
的に素子のスイッチング特性がショットキー型ダイオー
ドと比べて極めて遅く、このため電子放出素子の直接変
調の周波数の上限が低く、従ってこの電子放出素子を用
いたアプリケーションが狭い範囲に限定されるという課
題があった。

また、上述のごとき従来の電子放出素子は電子放出部の
周囲にガードリング構造を有するが、このガードリング
構造を形成するためには多くの素子面積が必要であるた
め、素子の集積化、微細化が困難であるという課題もあ
った。

さらに、上述のごとき従来の電子放出素子は、ｐ型半導
体層上にｎ型ガードリング層、ｐ壁高濃度層およびｎ型
表面層を形成するためのプロセス工程が複雑であり、さ
らには極めて薄い注入層をつくるための技術的な困難性
が存在するため歩留りが低く、従って製造コストが高い
という課題もあった。

本発明は、上述のような課題に鑑みて試されたものであ
り、スイッチング特性に優れ、微細化が容易で、且つ、
安価に製造することが可能な電子放出素子を提供するこ
とを特徴とする。

［課題を解決するための手段コ 本発明の電子放出素子は、 第１導電型半導体基体と；当該第１導電型半導体基体上
に形成された、電子なだれ降伏を生じさせるような不純
物濃度を有する第１導電型半導体層と；当該第１導電型
半導体層に接合されたショットキー電極と：当該ショッ
トキー電極と前記第１導電型半導体層とに逆バイアス電
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
るための手段と；前記放出された電子を外部に引き出す
ための引き出し電極と：を有する電子放出素子であって
、 前記第１導電型半導体層が第１導電型の高濃度ドーピン
グ領域を有し、当該高濃度ドーピング領域と前記ショッ
トキー電極が接合していることを特徴とする。

上記特徴においては、前記第１導電型半導体基体が、Ｇ
ａＡｓまたはＳｉにより形成されてν＼ることが望まし
い。

上記特徴においては、前記第１導電型の高濃度ドーピン
グ領域の不純物濃度が２Ｘ１０”〜１０ｘ　１０　”ｃ
　ｍ−’であり、前記第一導電型半導体層の内前記第１
導電型の高濃度ドーピング領域以外の領域の不純物濃度
が２Ｘ１０′６〜１０ＸＩ１０Ｘｌ０１６であることが
望ましい。

上記特徴においては、前記ショットキー電極の厚みが、
０．１μｍ以下であることが望ましい。

上記特徴においては、前記ショットキー電極が、Ｇｄを
熱処理等でシリサイド化し、さらに、ＢａまたはＣｓを
一原子層付着させることにより形成されていることが望
ましい。

上記特徴においては、前記第１導電型高濃度ドーピング
領域が、ＦＩＢ　（フォーカストイオンビーム）によっ
て作成されることが望ましい。

［作用コ 本発明によれば、電子放出素子の構成をショットキー接
合型ダイオードと同様の構成とすることにより、少数−
キャリアの蓄積によるスイッチング時間の遅れを改善し
、直接変調の変調周波数を上げることを可能にしたもの
である。

また、本発明によれば、ＭＯＬＤ構造（ｍｅｔａｌ−ｏ
ｖｅｒｌａｐ　１ａｔ、ｅｒａｌｌｙ−ｄｉｆｆｕｓｅ
ｄの略、　５ｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ、１９７７、ｖｏｌ、２０．ｐｐ、４９６〜５０８
）を用いて高濃度ドーピング領域を形成することとによ
りエツジのブレークダウンの改善と電子放出部の限定を
行なったので、ガードリング構成を不用とすることがで
き、従って、電子放出素子の構成を極めて単純なものと
し、かつ、微細化することが可能となる。

さらに本発明では、ショットキー接合形成部分のイオン
注入を１回で済ますことが出来るため、プロセス等を極
めて簡略化し、信頼性、素子のバラツキ等のプロセス上
の問題点を軽減することが可能である。

次に、電子放出のメカニズムについて説明する。

ショットキーダイオードは、第３図のエネルギーバンド
図に示したような、ｐ型半導体と金属の接合部に形成さ
れるショットキーバリアφＢＰを利用したものである。

このショットキーダイオードに逆バイアスをかけると、
アバランシェ増幅が発生し、該アバランシェ増幅により
生成された電子の中でショットキー金属の仕事間数φＷ
Ｋよりも大きいエネルギーを持つ電子が金属を通り抜け
て真空中に放出される。

このようなメカニズムを実現するために、本発明では、
ショットキーダイオード形成におけるエツジ部のリーク
を防ぎ、特定の場所でアバランシェ増幅が生じるように
、半導体の構成、濃度、形状が最適化されており、この
ため、極めて効率良く電子を取り出すことが可能となっ
た。

［実施例］ （実施例１） 本発明の１実施例について、図を用いて説明する。

第１図（ａ）および第１図（ｂ）は、本実施例に係わる
半導体電子放出素子の概略的構成図であり、第１図（ａ
）は平面図、第１図（ｂ）はＡ−Ａ部におけるの断面図
である。

以下、本実施例について、製造工程に従って説明する。

■第１図（ａ）および第１図（ｂ）に示すように、ｐ型
半導体基板１（本実施例では、ＧａＡｓ（１００）を用
いた。）上に、３Ｘ１０”ｃｍ−’の不純物濃度を持つ
ｐ型半導体層２を、ＭＢＥ法によりエピタキシャル成長
させた。

■高濃度ｐ型半導体領域３をＦＩＢ（フォーカスイオン
ビーム）を用いて、直接マスクレスで、８ｅイオンを、
深さ約３０００λ、不純物濃度２ｘ　１０１〜ｔ　Ｑｘ
　ｔ　Ｏ”ｃｍ−’となるようにン主人し、アニールを
行なった。

■酸化膜をスパッタリング法により成膜し、弗酸系のエ
ツチング液で適当な形状にバターニングして、素子弁１
！ｌｌ！領域４を形成した。

■電極５を５０００Åの厚さに形成して適当なバターニ
ングを行ない、最後に形成されるショットキー電極と接
するようにした。

■絶縁層６を５ｉ０２のスパッタリング法で１μｍの厚
さに形成し、引き出し電極７としてＡＵを２０００Å蒸
着により形成した。

■リソグラフィーのレジストプロセスによって電極形状
にバターニングした後に、Ａｒのイオンよリングで電極
７を適当な形状にエツチングした。

■弗酸系のウェットエツチングにてＳｉｎ、層６をバタ
ーニングしてショットキー接合部を表に出した。

■ショットキー電極８としてのＧｄｌ’ｌｆｉを約１５
０大の厚さにＥＢ蒸着し、電子放出素子を完成させた。

この時のバリアハイドφＢＰは、０．６５Ｖで良好なシ
ョットキーダイオードとなった。

このようにして作製された電子放出素子において、電源
１２により、ｐ型半導体層２、ショットキー電極８およ
び電極５に逆バイアスをかけると、高濃度ｐ型半導体領
域３とショットキー電極８との界面でアバランシェ増幅
が発生し、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８を通り抜けて真空領域に
じみ出し、引き出し電極７による電界によって素子外部
へ放出された。

本実施例Ｃ係る電子放出素子では、ＭＯＬＤ構造を用い
て高濃度ｐ型半導体領域３を接合部内に設けることによ
り、エツジ部での不均一なブレークダウンを防止して、
極めて均−且つ微小な電子放出領域を形成することが出
来た。

また、ＭＯＬＤ構造を用いることにより従来必要であっ
たｐｎ接合ガードリングを取り除いたため、ダイオード
の回復時間が極めて早く、良好なスイッチング特性を得
ることができた。

なお、ショットキーｔｉ８の表面にＢａ、Ｃｓ等のアル
カリ金属を一原子層付着させることで、表面の仕事関数
を下げて電子をより多く取り出すことも可能である。

（実施例２） 以下、本発明の第２の実施例について、第２図を用いて
説明する。

本実施例は、本発明の電子放出素子を、素子間でのクロ
ストークを防ぐよう構成したものである。

■半絶縁性ＧａＡｓ基板１５上に、アンドープＧａＡｓ
層１４をＭＢＥにて３μｍの厚さにエピタキシャル戊辰
させた。

■ｐ型型室電層２、ＦＩＢによって、不純物濃度が１×
１０１６〜５×１０１６ｃｍ−３、深さ１μｍ程度に形
成されるように注入することにより形成した。同時に、
オーミックコンタクト層１３を不純物濃度５Ｘ１０１６
ｃｍ−’以上になるように、また、高濃度ｐ型半導体領
域３を不純物濃度２×１０”〜１０Ｘ　１０１７ｃｍ−
’以上になるように、それぞれＢｅをイオン注入するこ
とにより形成した。

■以後、前記実施例１とほぼ同様の工程により、電子放
出素子を完成させた。

このようにして作製された電子放出素子に対し、ｐ型半
導体のオーミック電極１ｏと電極５との間に逆バイアス
をかけることにより、電子放出素子を個々独立して制御
することができた。

（実施例３） 以下、本発明の第３の実施例について、第４図を用いて
説明する。

本実施例は、上記実施例２に示した半導体電子放出素子
をＸ方向およびＹ方向に配置してマトリクスを構成した
ものである。

製造工程は、上述の実施例２とほぼ同様とし、アンドー
プ層を用いずに直接基板上に形成した。

本実施例の電子放出素子においては、Ｙ方向（ｅ、ｆ、
ｇ、ｈ）の任意の１点とＸ方向の（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の
任意の１点との間に逆バイアスをかけることにより、マ
トリクス状の電子放出素子の任意の１点より電子を放出
することができる。

なお、本実施例では、素子の形状を円形としたが、どの
ような形状であってもよい。例えば、カラーデイスプレ
ィとして用いる時には、一画素サイズの中にＲ，Ｇ、Ｂ
の三色が入るように素子形状、素子間隔を適当に決めれ
ばよい。

（発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ショットキー型
半導体電子放出素子において、ＭＯＬＤ構造を構成して
濃度差を１桁以上とすることにより、ショットキー電極
の周囲で生じる高電界によるブレークダウンよりも高濃
度ドーピング領域でのブレークダウンの方が低い電圧で
生じさせることが可能となった。従って、従来必要とさ
れていたｐｎ接合によるガードリングを取り除くことが
可能となったので、製造プロセスを簡略化できるだけで
なく、スイッチング速度の高速化、変調周波数の向上を
実現することが可能となった。また、ガードリングを取
り除いたことにより、ガードリング形成に必要な面積が
不要となり、よりいっそうの小型化が可能となった。

さらに、本発明によれば、高濃度ｐ型半導体領域を設け
ることで、注入部での均一なアバランシェ増幅を生ぜし
めることが可能となり、均一性が良く、微小スポットの
電子ビームを得ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】 第１図（ａ）は本発明の第１の実施例に係わる半導体電
子放出素子を示す平面図、 第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示した半導体電子放出素
子のＡ−Ａ断面における概略的断面図、 第２図は本発明の第２の実施例に係わる電子放出素子を
示す概略的断面図、 第３図は本発明に係わる電子放出素子の動作原理を説明
するためのエネルギーバンド図、第４図は本発明の第３
の実施例に係わる電子放出素子を示す概略的上面図、 第５図は第４図に示した半導体電子放出素子のＡ−Ａ断
面における概略的断面図、 第６図は第４図に示した半導体電子放出素子のＢ−Ｂ断
面における概略的断面図である。 （符号の説明） １・・・基板、２・・・ｐ型半導体層、１３，３・・・
高濃度ｐ型半導体層、４・・・素子分離領域、５・・・
ショットキーのコンタクト用電極、６・・・絶縁層、７
・・・弓き出し電極、８・・・ショットキー電極、９・
・・空乏層、１０・・・オーミック電極、１１．１２・
・・電源、１４・・・エピタキシャル成長層。 第 図（Ａ） 第 図（Ｂ） ０ 第 図 日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型半導体基体と；当該第１導電型半導体
   基体上に形成された、電子なだれ降伏を生じさせるよう
   な不純物濃度を有する第１導電型半導体層と；当該第１
   導電型半導体層に接合されたショットキー電極と；当該
   ショットキー電極と前記第１導電型半導体層とに逆バイ
   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
   出させるための手段と；前記放出された電子を外部に引
   き出すための引き出し電極と；を有する電子放出素子で
   あって、 前記第１導電型半導体層が第１導電型の高濃度ドーピン
   グ領域を有し、当該高濃度ドーピング領域と前記ショッ
   トキー電極が接合していることを特徴とする電子放出素
   子。
2. （２）前記第１導電型半導体基体が、ＧａＡｓまたはＳ
   ｉにより形成されていることを特徴とする請求項１記載
   の電子放出素子。
3. （３）前記第１導電型の高濃度ドーピング領域の不純物
   濃度が２×１０＾１＾７〜１０×１０＾１＾７ｃｍ＾−
   ＾３であり、前記第一導電型半導体層の内前記第１導電
   型の高濃度ドーピング領域以外の領域の不純物濃度が２
   ×１０＾１＾６〜１０×１０＾１＾６ｃｍ＾−＾３であ
   ることを特徴とする請求項１または２記載の電子放出素
   子。
4. （４）前記ショットキー電極の厚みが０．１μｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１〜３記載の電子放出素子
   。
5. （５）前記ショットキー電極が、Ｇｄを熱処理等でシリ
   サイド化し、さらに、ＢａまたはＣｓを一原子層付着さ
   せることにより形成されていることを特徴とする請求項
   １〜４記載の電子放出素子。
6. （６）前記第１導電型高濃度ドーピング領域が、ＦＩＢ
   （フォーカスドイオンビーム）によって作成されたこと
   を特徴とする請求項１〜５記載の電子放出素子。