JPH03266333A - Solid-state electron emitting device - Google Patents

Solid-state electron emitting device

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Publication number
JPH03266333A
JPH03266333A JP2063970A JP6397090A JPH03266333A JP H03266333 A JPH03266333 A JP H03266333A JP 2063970 A JP2063970 A JP 2063970A JP 6397090 A JP6397090 A JP 6397090A JP H03266333 A JPH03266333 A JP H03266333A
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JP
Japan
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base
region
electrons
electron emitting
base region
Prior art date
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Pending
Application number
JP2063970A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeo Tsukamoto
健夫 塚本
Nobuo Watanabe
信男 渡辺
Masahiko Okunuki
昌彦 奥貫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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  • Bipolar Transistors (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve electron emitting efficiency by forming a heterojunction with different band gaps in a base region and injecting electrons to the base region from an emitter region and at the same time applying reverse bias to the base region and a collector region. CONSTITUTION:When a reverse bias is applied between a base and an emitter with an electric power source 10, electrons in the emitter layer 2 are injected into a first base region 3. The electrons cross a heterojunction between a second base region 4 and the region 3 while running on the base. At that time, the discontinuity ALPHAEC of the bands of the heterojunction is about 0.3eV and owing to the energy level difference, the electrons injected into the base become thermal electrons. The thermal electrons are accelerated further by the electric field between the base 4 and the collector 5 and spring out to vacuum. The collector layer 5 is thinned and Cs, etc., is deposited on the surface so as to make the work function of the surface small and increase the electron emitting amount.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、NPN型トランジスタ構成の固体電子放出装
置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a solid-state electron emitting device having an NPN transistor configuration.

[従来の技術] 従来の固体電子放出装置としては、J、 Vac。[Conventional technology] As a conventional solid-state electron emitting device, J. Vac.

Scv、 TechnoR,B4(1)、 1986.
 P2O3で紹介されているような装置がある。この中
のNPN型トランジスタ構成のエネルギーバンド図は第
4図に示すようになっている。この構成はエミッタから
電子をベース領域に注入し、極めて薄いベースを通過し
た電子の一部が、ベースとコレクタ間の電界で熱電子と
なって運動エネルギーを増大することにより真空中に放
出されるようにしたものである。
Scv, TechnoR, B4(1), 1986.
There is a device like the one introduced in P2O3. The energy band diagram of the NPN type transistor structure among these is as shown in FIG. In this configuration, electrons are injected from the emitter into the base region, and some of the electrons that pass through the extremely thin base become hot electrons in the electric field between the base and collector, increasing their kinetic energy and being emitted into the vacuum. This is how it was done.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来例では、ベースとコレクタ間の
電界だけでは電子に与える運動エネルギーが十分に与え
られないため、結局真空中に取り出すことは困難であっ
た。また、上記の問題を解決したものとして第5図に示
すようなエネルギーバンド図となっているものがある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the conventional example described above, the electric field between the base and the collector alone does not provide sufficient kinetic energy to the electrons, so it is difficult to extract the electrons into a vacuum. Furthermore, as a solution to the above problem, there is an energy band diagram as shown in FIG.

かかる手段は、エミッタとベース間に異なるバンドギャ
ップを持つ半導体を接合してヘテロ接合を形成すること
で、接合部にできるバンドの不連続幅ΔEcを用いて電
子に運動エネルギーを与えようとするものであった。し
かしながら、この構成によるとヘテロ接合がエミッタと
ベースの間の空乏層内に形成されるため、ΔEcが空乏
層外で形成される△Ecよりも小さ(なり、電子の放出
効率が小さいという欠点があった。
This method attempts to give kinetic energy to electrons by using the band discontinuity width ΔEc created at the junction by joining semiconductors with different band gaps between the emitter and base to form a heterojunction. Met. However, according to this configuration, since the heterojunction is formed within the depletion layer between the emitter and the base, ΔEc is smaller than ΔEc formed outside the depletion layer, which has the disadvantage of low electron emission efficiency. there were.

すなわち、本発明の目的とするところは、上述のような
問題点を解消した固体電子放出装置を提供することにあ
る。
That is, an object of the present invention is to provide a solid-state electron emitting device that solves the above-mentioned problems.

[課題を解決するための手段及び作用コ本発明の特徴と
するところは、第1のバンドギャップを有するエミッタ
領域と、前記第1のバンドギャップを有するベース領域
と、前記第1のバンドギャップより狭い第2のバンドギ
ャップを持つベース領域が同一のベース領域内でヘテロ
接合を形成し、その上に電子放出面を有するコレクタ領
域を設け、前記エミッタ領域から前記ベース領域に対し
て電子を注入すると共に、前記ベース領域及び前記コレ
クタ領域に逆バイアスを印加して電子を前記電子放出面
から放出するように構成した固体電子放出装置としてい
る点にある。
[Means and effects for solving the problem] The present invention is characterized by an emitter region having a first band gap, a base region having the first band gap, and a base region having a first band gap. A base region having a narrow second bandgap forms a heterojunction within the same base region, and a collector region having an electron emitting surface is provided thereon, and electrons are injected from the emitter region into the base region. In addition, the solid state electron emitting device is configured to emit electrons from the electron emitting surface by applying a reverse bias to the base region and the collector region.

また、前記第1のバンドギャップ(第1のベース領域)
と第2のバンドギャップ(第2のベース領域)の組み合
せとして、 AfxGa (+−xl As (ここで0≦x≦1)
とGaAs+1xGa N −xi P  (ここで0
≦x≦1)とSi、 GaAsとGe、  SiとGe
、  InAsとGaSb、  ZnSeとGaAs、
  ZnSeとGe、 CdSとInPのいずれかを用
いた固体電子放出装置に特徴がある。
Further, the first band gap (first base region)
and the second band gap (second base region), AfxGa (+-xl As (where 0≦x≦1)
and GaAs+1xGa N -xi P (where 0
≦x≦1) and Si, GaAs and Ge, Si and Ge
, InAs and GaSb, ZnSe and GaAs,
A solid state electron emitting device using either ZnSe and Ge or CdS and InP is distinctive.

また、前記コレクタ領域の電子放出面に、アルカリ金属
成分を有する材料を付着させた固体電子放出装置、 さらには、前記ベース領域内に、周囲よりも濃度が高い
領域を設けた固体電子放出装置をも特徴とするものであ
る。
Further, a solid-state electron-emitting device in which a material having an alkali metal component is attached to the electron-emitting surface of the collector region, and a solid-state electron-emitting device in which a region with a higher concentration than the surrounding area is provided in the base region. It is also characterized by

すなわち本発明は、NPN トランジスタ構成において
、ベース層に相当するP型半導体領域に、異なるバンド
ギャップを持つP型半導体のへテロ接合を設け、エミッ
タとベース領域内のエミッタ側に大きなバンドギャップ
を持つ半導体が構成されるようにしたものである。
That is, in the present invention, in an NPN transistor configuration, a heterojunction of P-type semiconductors with different band gaps is provided in a P-type semiconductor region corresponding to the base layer, and a heterojunction of P-type semiconductors with different band gaps is provided between the emitter and the emitter side in the base region. It is made up of a semiconductor.

この作用について第2図のエネルギーバンド図にて説明
する。本構成によると、第2図に示されるように伝導帯
のバンド不連続ΔEcは、確実に電子のエネルギーポテ
ンシャルが一番高い位置で形成されるため、熱電子を最
も高いポテンシャルエネルギーの所で生成することがで
きる。さらに、最大のバンド不連続△Ecを形成するこ
とが可能となり、このため従来より大きな運動エネルギ
ーを電子に与えて、大きな電子放出効率が得られるよう
になった。
This effect will be explained using the energy band diagram in FIG. According to this configuration, as shown in Fig. 2, the band discontinuity ΔEc in the conduction band is reliably formed at the position where the energy potential of electrons is the highest, so thermoelectrons are generated at the position where the potential energy is highest. can do. Furthermore, it has become possible to form the maximum band discontinuity ΔEc, and for this reason, it has become possible to impart greater kinetic energy to electrons than in the past, resulting in greater electron emission efficiency.

[実施例] 以下、実施例にて本発明を具体的に詳述する。[Example] Hereinafter, the present invention will be specifically explained in detail with reference to Examples.

見立■ユ 第1図は、N型GaAs基板を用いた本発明の一実施例
を示す断面構成図である。本図中、2はエミッタとして
作用するN型AρxGa + −XAS層である。
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram showing an embodiment of the present invention using an N-type GaAs substrate. In this figure, 2 is an N-type AρxGa + -XAS layer that acts as an emitter.

ここで、Xは混晶の組成を表す定数であり、0≦x≦1
の値を有する。3はエミッタと同一の半導体で構成され
る第1のベース層、4はGaAs半導体で構成される第
2のベース層、5は第2ベースと同一の半導体で構成さ
れるコレクタ層であり、このコレクタ層には、電子の放
出効率を上げるためにCs (セシウム)やCs−0(
セシウム−酸素)あるいはBa等を付着させてもよい。
Here, X is a constant representing the composition of the mixed crystal, and 0≦x≦1
has the value of 3 is a first base layer made of the same semiconductor as the emitter, 4 is a second base layer made of GaAs semiconductor, and 5 is a collector layer made of the same semiconductor as the second base. The collector layer contains Cs (cesium) and Cs-0 (
Cesium-oxygen) or Ba may also be attached.

6はN型半導体に対するオーミックコンタクト電極、7
はP型半導体に対するオーミックコンタクト電極である
6 is an ohmic contact electrode for the N-type semiconductor, 7
is an ohmic contact electrode for a P-type semiconductor.

8はP型のBe (ベリリウム)のイオン注入領域でベ
ースへのコンタクトを形成している。9.lOはバイア
ス用の電源である。2〜5の各層は、MBEによるエピ
タキシャル成長にて形成し、以下のようなキャリア濃度
及び厚みとした。すなわち、エミツタ層2は5 X 1
0110l7”、第1のベース層3はI X 1011
0l9”、第2のベース層4は2 x 10”cm−3
コレクタ層5は3 X 1018cm−3とし、各層の
厚みはエミツタ層2は7 X 10−’cm、第1のベ
ース層3は5 X 10−’cm、第2のベース層4は
8 X 10−’cm、コレクタ層5は5 X 10−
’cmとした。尚、成長方法や各層のキャリア濃度及び
層の厚さは、上記の方法や数値に限定されるものではな
い。
8 is a P-type Be (beryllium) ion implantation region forming a contact to the base. 9. IO is a bias power supply. Each of layers 2 to 5 was formed by epitaxial growth using MBE, and had the following carrier concentration and thickness. That is, the emitter layer 2 is 5×1
0110l7'', the first base layer 3 is I x 1011
0l9", the second base layer 4 is 2 x 10"cm-3
The collector layer 5 is 3 x 1018 cm-3, the thickness of each layer is 7 x 10-' cm for the emitter layer 2, 5 x 10-' cm for the first base layer 3, and 8 x 10-' cm for the second base layer 4. -'cm, collector layer 5 is 5 x 10-
'cm' Note that the growth method, the carrier concentration of each layer, and the layer thickness are not limited to the above methods and values.

次に、作用について第2図のバイアス印加時のエネルギ
ーバンド図をもとに説明する。ベースとエミッタ間に順
バイアスを電源10により印加すると、エミツタ層の電
子が第1のベース領域へと注入される。注入された電子
は、ベースを走行する間に第2のベース領域と第1のベ
ース領域との間のへテロ接合を横切る。この時、ヘテロ
接合によるバンド不連続の大きさΔEcは、厳密に決め
られないがAj’o3Gao、 7ASとGaAsでは
ΔECは0.3eV程度あり、このエネルギー差により
、注入されたベース内の電子が熱電子となる。かかる熱
電子は、ベース・コレクタ間の電界によりさらに加速さ
れて、運動エネルギーが十分に与えられ真空中に飛び出
すことが可能となる。ここで、コレクタ層5の形成に際
しては、大きなエネルギーを持った電子が散乱等によっ
てそのエネルギーを失なわないように、極力かかるコレ
クタ層5の厚みを薄くするよう構成し、さらに表面にC
s (セシウム)等を付けて表面の仕事関数を低下させ
、多くの電子が放出されるようにした。
Next, the effect will be explained based on the energy band diagram when bias is applied in FIG. 2. When a forward bias is applied between the base and the emitter by the power supply 10, electrons in the emitter layer are injected into the first base region. The injected electrons cross the heterojunction between the second base region and the first base region while traveling through the base. At this time, the magnitude of band discontinuity ΔEc due to the heterojunction cannot be determined strictly, but ΔEC is about 0.3 eV for Aj'o3Gao, 7AS and GaAs, and this energy difference causes the electrons in the injected base to It becomes a thermoelectron. These thermoelectrons are further accelerated by the electric field between the base and the collector, and given enough kinetic energy, they can fly out into the vacuum. Here, when forming the collector layer 5, the thickness of the collector layer 5 is made as thin as possible so that electrons with large energy do not lose their energy due to scattering, etc., and the surface is coated with carbon dioxide.
By adding s (cesium), etc., the work function of the surface was lowered, and more electrons were emitted.

1五■ユ 第3図は、本発明の第2の実施例を示すものである。15 ■ Yu FIG. 3 shows a second embodiment of the invention.

第1のベース3と第2のベース4のキャリア濃度がI 
X 10”(cm−”)である以外は、第1図に示す実
施例1と同様な層構成、層厚さ、及びキャリア濃度とな
っている。この構成において、Beイオンを打ち込でP
+領域12を形成した。これにより、空乏層11を図中
のように形成することで領域12のベース・コレクタ間
に形成される電界が他のベース領域に形成される電界よ
りも高くなるようにした。これにより、電子放出が領域
12だけに限定されるようになり、電子を特定の領域か
ら放出されるような構成とすることができた。また、本
装置を全て同一平面上に作製することが可能となり、本
装置を多数集積化したり、他のデバイスと組み合せるこ
とが容易になった。
The carrier concentration of the first base 3 and the second base 4 is I
The layer structure, layer thickness, and carrier concentration are the same as in Example 1 shown in FIG. 1, except that X 10''(cm-''). In this configuration, Be ions are implanted into P
+ region 12 was formed. By forming the depletion layer 11 as shown in the figure, the electric field formed between the base and collector of the region 12 is made higher than the electric field formed in other base regions. As a result, electron emission is now limited to only the region 12, making it possible to create a configuration in which electrons are emitted from a specific region. Furthermore, it has become possible to manufacture all of the present devices on the same plane, making it easy to integrate a large number of the present devices and to combine them with other devices.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明の固体電子放出装置によれば
、次に列挙する効果を得ることができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the solid-state electron emitting device of the present invention, the following effects can be obtained.

■、 NPN型トランジスタ構成のベース領域に、バン
ドギャップが異なる構成(第1のベースのバンドギャッ
プが第2のベースのバンドギャップよりも犬)としであ
るので、バンドギャップがベース、エミッターで均一な
ものや、ベースとエミッタに異なるバンドギャップを用
いるものに比べて、注入されるキャリア量が増大し、ベ
ースに注入された電子に大きな運動エネルギーを与えて
熱電子とすることができる。その結果、電子放出効率が
格段に向上する。
■The base region of the NPN transistor has a structure with different band gaps (the band gap of the first base is smaller than the band gap of the second base), so the band gap is uniform between the base and emitter. The amount of carriers injected increases compared to the case where the base and the emitter have different band gaps, and the electrons injected into the base can be given a large amount of kinetic energy to become hot electrons. As a result, electron emission efficiency is significantly improved.

■、半導体材料を用いて電子放出装置(デバイス)を製
作することができるので、同一基板上に複数の電子放出
装置を集積したり、他の機能を有するデバイスとの結合
が容易に行われ得る。
■Since electron-emitting devices can be manufactured using semiconductor materials, it is possible to integrate multiple electron-emitting devices on the same substrate or easily combine them with devices with other functions. .

その結果、新しい機能を持つ集積化デバイスを実現でき
る。
As a result, integrated devices with new functions can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の第1の実施例を示す装置の断面構成
図である。 第2図は、第1の実施例にバイアスを印加したときのエ
ネルギーバンド図である。 第3図は、本発明の第2の実施例を示す装置の断面構成
図である。 第4,5図は、従来例におけるエネルギーバンド図であ
る。 ■・・・N型GaAs基板 2 ・N型ApXGa + + −xl Asエミツタ
層3 ・P型Aj!xGa N −XI As第1のベ
ース層4・・・P型GaAs第2のベース層 5・・・N型GaAsコレクタ層 6.7・・・オーミックコンタクト電極8.12・・・
Beイオン注入層 9.10・・・電源(バイアス) 11・・・空乏層
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of an apparatus showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an energy band diagram when a bias is applied to the first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of an apparatus showing a second embodiment of the present invention. 4 and 5 are energy band diagrams in the conventional example. ■...N-type GaAs substrate 2 ・N-type ApXGa + + -xl As emitter layer 3 ・P-type Aj! xGa N -XI As first base layer 4...P-type GaAs second base layer 5...N-type GaAs collector layer 6.7...Ohmic contact electrode 8.12...
Be ion implantation layer 9.10... Power supply (bias) 11... Depletion layer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)第1のバンドギャップを有するエミッタ領域と、
該第1のバンドギャップを有するベース領域と、該第1
のバンドギャップより狭い第2のバンドギャップを持つ
ベース領域が同一のベース領域内でヘテロ接合を形成し
、その上に電子放出面を有するコレクタ領域を設け、前
記エミッタ領域から前記ベース領域に対して電子を注入
すると共に、前記ベース領域及び前記コレクタ領域に逆
バイアスを印加して電子を前記電子放出面から放出する
ようにした構成を特徴とする固体電子放出装置。
(1) an emitter region having a first bandgap;
a base region having the first bandgap; and a base region having the first bandgap.
A base region having a second bandgap narrower than the bandgap of A solid-state electron emitting device characterized by a structure in which electrons are injected and a reverse bias is applied to the base region and the collector region to emit electrons from the electron emitting surface.
(2)前記第1のバンドギャップと第2のバンドギャッ
プの組み合せとして、 AlxGa_(_1_−_x_)As(ここで0≦x≦
1)とGaAs、AlxGa_(_1_−_x_)P(
ここで0≦x≦1)とSi、GaAsとGe、SiとG
e、InAsとGaSb、ZnSeとGaAs、ZnS
eとGe、CdSとInP、のいずれかを用いたことを
特徴とする請求項(1)記載の固体電子放出装置。
(2) As a combination of the first band gap and the second band gap, AlxGa_(_1_-_x_)As (where 0≦x≦
1) and GaAs, AlxGa_(_1_−_x_)P(
Here, 0≦x≦1) and Si, GaAs and Ge, Si and G
e, InAs and GaSb, ZnSe and GaAs, ZnS
The solid-state electron emitting device according to claim 1, characterized in that one of e and Ge, and CdS and InP is used.
(3)前記コレクタ領域の電子放出面に、アルカリ金属
成分を有する材料を付着させたことを特徴とする請求項
(1)記載の固体電子放出装置。
(3) The solid-state electron emitting device according to claim (1), wherein a material having an alkali metal component is attached to the electron emitting surface of the collector region.
(4)前記ベース領域内に、周囲よりも濃度が高い領域
を設けたことを特徴とする請求項(1)記載の固体電子
放出装置。
(4) The solid-state electron emitting device according to claim (1), wherein a region having a higher concentration than the surrounding area is provided in the base region.
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