JPH0330230A - 電子流を発生する半導体デバイス - 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、少なくともｎ形半導体領域と第１９形半導体
領域とをそなえた半導体本体を有し、ｎ形領域にｐ形領
域に対し正のバイアスを与えることによって、表面にお
いて半導体本体より出る電子が該半導体本体に発生する
ようにした、電子流を発生する半導体デバイスに関する
ものである。

本発明はまたこのような半導体デバイスをそなえたビッ
クアップ管（ｐｉｃｋ　−　ｕｐ　ｔｕｂｅ）および表
示装置に関するものである。

（従来の技術） 冒頭に記載したタイプの半導体デバイスは、本願人の出
願に係るオランダ国特許出願第７９０５４７０号より知
られている。

この半導体デバイスは、とりわけ、加熱によって電子放
出がなされる通常の熱陰極に代って陰極線管に使用され
る。更にこの半導体デバイスは例えば電子顕微鏡用の装
置に用いられる。熱陰極は、加熱のための大きなエネル
ギ消費に加えて、放出が生じる前に十分に加熱せねばな
らないので直ちに動作に入れないという欠点がある。そ
の上、陰極材料は最終的には蒸発のため失われるので、
この陰極′は限られた寿命を有する。

実際に面倒な熱源をなくし、その他の欠点を軽減するた
めに、冷陰極の分野で研究がなられてきた。

前記のオランダ国特許出願より既知の冷陰極は、なだれ
降伏が起きるようにｐｎ接合が逆方向に作動された時の
半導体本体よりの電子の放出に基いたものである。電子
の成るものはこの時仕事関数を越えるに必要なだけの運
動エネルギを得ることができ、この場合これ等の電子は
表面で解放され、かくして電子流を供給する。

更に、前記のオランダ国特許出願に記載された陰極は、
加速またはゲート電極をそなえている。

このタイプの陰極では、その目的は、とりわけ、電子に
対する最小可及の仕事関数によって達せられることので
きる最大可及の効率を得ることである。仕事関数をでき
る限り小さくすることは、例えば陰極の表面に仕事関数
を減少する材料の層を設けることによって実現される。

セシウムは仕事関数を最も小さくするので、この目的に
対してセシウムを使用するのが好ましい。

けれどもこのセシウムの使用にも欠点がある。

例えば、セシウムは酸化ガス（水蒸気、酸素、ＣＯ２）
の存在（その周囲の）に対して極めて影響されやすい。

その上、セシウムはかなり揮発性で、例えば電子リソグ
ラフィや電子顕微鏡の場合のように陰極の付近に基板や
化合物が存する用途には有害であろう。蒸発したセシウ
ムはこの場合これ等の物体上に沈着することがある。

この問題を避けるために、本願人の出願に係るオランダ
国特許出願第８６００６７５号では、ｐ形領域とｎ形領
域の間に真性半導体層を設けることを提案している。

この実質的に真性な半導体層は半導体デバイスに、動作
状態において完全に空乏化され且つ最大の電場の強さが
実質的にそこを通る領域を導入する。その結果、電子は
早期に且つ高いボテンシャルエネルギで発生され、一方
真性部分に発生された電子はイオン化ドーパント原子の
僅かな拡散を受けるので有効自由通路長が増加される。

トンネル効果の結果この場合電子放出も可能なので、よ
り高い効率が得られる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、このような半導体陰極の効率を別のや
り方で増すことにある。

（課題を解決するための手段） 前記の目的を達戒するために、本発明は、ｐ形領域が最
大で４ナノメートルの厚さを有するようにしたものであ
る。この厚さは、２ナノメートルよりも小さいのが好ま
しい。

本発明は、とりわけ、量子効果（Ｑｕａｎｔｉｓａｔｉ
ｏｎｅｆｆｅｃｔ）がこのような薄い厚さ（ｌまたは数
原子層）にし、このため有効仕事関数が低減するという
認識に基いたものである。

本発明はまた、やはり効率に影響を及ぼすファクターｅ
−１′＾（λ：自由通路長）が、薄い厚さのたために著
しく大きくなるという認識に基いたちのである。

１または数原子層の厚さを有するこのような領域の使用
は、所謂“δ−ドーピングまたは“ブレーナ・ドーピン
グ（Ｐｌａｎａｒ　Ｄｏｐｉｎｇ）”構造を与えること
によって可能である。このようなｎ形（またはｐ形）層
は、この構造を与える特別な方法のために部分的に真性
な頂層を有することができる。本願発明において薄いｎ
形またはｐ形層という場合は、ｎ形またはｐ形層と薄い
真性層のこのような２重層もまた含まれる。この場合真
性層は最大で５、１０１６　ａｔｏｍｓ／ｃ−のドーピ
ングを有するν一形またはΠ−形層を意味するものと理
解され度い。

効果を更に大きくするために、薄いｎ形層は、本願人の
出願に係るオランダ国特許出願第８６００６７５号に記
載されたと同様に、薄いｎ形層も、真性半導体層によっ
てＰ形領域から故意に分離することもできる。

前述の量子効果は、薄いｎ形層が２つのｐ形領域の間に
存する場合にも生ずる。

したがって本発明の好ましい一実施例では、ｎ形領域は
第１ｐ形領域と第２Ｐ形領域の間に存する． この第２ｐ形領域もやはり最大で４ナノメートルの厚さ
を有するのが好ましい。このようなデバイスの付加的な
利点は、特に珪素に対し、伝導帯の底と表面から成る距
離における真空レベルとの間の距離がｎ形珪素よりもｐ
形珪素に対して小さいということである。第２ｐ形表面
領域は、例えばやはり“ブレーナ・ドーピング構造とし
て形威することにより最大で２ナノメートルを有するの
が好ましい。第１ｐ形領域の一部もこのようにして実現
することができる。

本発明の半導体デバイスの別の好ましい実施例では、表
面は少なくとも１つのアパーチャが設けられた絶縁層を
有し、一方少なくとも１つの加速電極がアパーチャの縁
において絶縁層上に配設され、半導体構造は、少なくと
もアパーチャ内に、該半導体構造の他に部分よりも低い
降伏電圧を有する。

前記のオランダ国特許出廓第７９０５４７０号に記載し
たと同様な利点（狭いエネルギスベクトルを有する電子
ビーム、レンズ作用）は、半導体構造にそのような加速
電極を設けることによって得ることができる。電子光学
作用のために、加速電極は分けることができ、若し必要
ならば、特別な電極を加速電極のまわりに配設すること
ができる。

本発明の陰極はピックアップ管に用いると有利であるが
、表示装置に対しても種々の用途がある。

例えば、１つの用途は、半導体デバイスよりの電子流に
よって付活されるけい光スクリーンを有する表示管であ
る。

（実施例） 以下に本発明を添付の図面を参照して実施例により更に
詳しく説明する。

図面は略図的なもので寸法比通りのものではなく、見易
くするために特に厚さ方向の寸法は著しく誇張してある
。同じ導電形の半導体領域は同じ向きの斜影で示してあ
り、各図面の対応する部分は同じ符号で示してある。

本発明の半導体デバイスの利点を、第１図乃至第３図を
参照し、前記のオランダ国特許出願第７９０５４７０号
の半導体デバイスと比較して説明する。

このオランダ国特許出願に記載された半導体デバイス（
第１ａ図）は、半導体本体１の主表面２に、ｐ形領域４
とｐｎ接合８を形或するｎ形領域３を有する。これ等の
領域３と４は、なだれ増倍が起きるように互いに逆方向
にバイアスされることができる。この時自由にされた電
子の一部は、半導体本体より放出されるのに必要なだけ
のエネルギを得ることができる。

本発明のデバイスの一実施例（第１ｂ図）では、ｎ形表
面領域３は最大で４ナノメートル（例えば２ナノメート
ル）の厚さを有する。例示のために、第′１図のデバイ
スに対してｐ形領域は使用中完全に空乏化されるものと
する。ｐ形領域は場合によってはｐ゛形領域を経て接触
される。

第２図は２つのデバイスの電場の変化を示す。

第１図のデバイスに対しては最大電場はｐｎ接合８の領
域に生じ、この電場は接合の両側で空乏領域の縁におい
て零の値に減少する（線ａ，ｂ），このような電場の変
化は、第１ａ図のデバイスに対しては第３ａ図の線で示
したような電子エネルギ線図を生じる。表面２から見る
と、電子仕事関数は、該仕事関数が空乏帯内でｐｎ接合
の領域において略々０．８ボルト　（珪素で）の値に増
加する迄最初は零である。

？ν Ｅ＝−■ ｄｘ が当嵌まり、電場Ｅはこの点より減少するので（第２図
の線ａ参照）、第３ａ図の曲線は、電子仕事関数が空乏
帯の縁から一定のままになる迄次第になだらかに増加す
る。

第１ｂ図のデバイスに対する同様な曲線は第３ａ図のそ
れと次の点で相違する。すなわち、ｎ形領域３の厚さが
薄いため仕事関数は表面より略々２ナノメートルで急峻
に増加する（第３ｂ図参照）真空に達することができる
ように、電子は少なくとも放出エネルギψに等しいエネ
ルギを有せねばならない。表面より距離Ｘにおいてこの
放出エネルギψに等しいかまたはそれ以上のポテンシャ
ルエネルギを有する電子に対しては放出の機会はＰ−Ａ
ｅ−κへで与えられる。この場合Ａは標準化定数（ｓｔ
ａｎｄｒｄｉｓｉｎｇ　ｃｏｎｓｔａｎｔ）で、λは有
効自由通路長である。

以上説明したデバイスの電子に対しては、丁度このポテ
ンシャルエネルギを有する電子のこの機会は夫々Ｐａ　
−　Ａｅ−　”’入ルおよびＰｂ＝Ａｅ−”’入しで与
えられる。

本発明のデバイスのｄ，は第１図のデバイスの厚さｄ．
に対して小さいのでｄ，＜ｄａであり、一方λ１ユλ，
なのでｐｂ＞ｐ，が戒立つ。

更に、層３の厚さが薄いために、第３ｂ図のエネルギ線
図にディスクリートなレベル６として示した量子効果が
生じる。この結果有効放出エネルギψ（伝導帯の底と真
空レベル間の距離）の減少が生じる。デバイスの全効率
はη一Ａｅ−ｘ／λ，ｅ−ｒ′灯できまるので、これは
効率の一層の増加をきたす。

効率は、Ｐ形領域４を前記のオランダ国特許出願第８６
００６７５号に記載されたと同様に真性半導体で代えれ
ば更に増すことができる。関係したエネルギ線図は第３
図に破線で示してある。この場合有効仕事関数は、量子
効果がレベル６のより好ましい分割を生じるので更に減
少される。

これ等の量子効果の影響は、薄いｎ形領域３がｐ形領域
４とｐ形表面領域７の間に存するようにした第４図のデ
バイスに非常に有利に利用することができる。ｎ形領域
３は僅か数原子層の厚さなので、量子効果はエネルギレ
ベルで生じ、　（擬）フエルミ準位はｎ形領域３の伝導
帯の底の上方に来る（第５ａ図）。なだれ増倍が生じる
ようにｐ形表面領域７に（したがってｎ形領域３に間接
的に）ｐ形領域４に対して正のバイアスが与えられると
、領域３内の電子仕事関数は、擬フエａル準位が（好ま
しくは高濃度にドープされた）ｐ形表面領域７の伝導帯
の底と一致する。

ｐｎ接合δのなだれ降伏の同時発生により生じた電子は
エネルギレベルを満たし、いわばｐ形表面領域を横切る
。電子の損失を最小にするために、薄い層厚（〉４ナノ
メートル）と高濃度のドーピングをこのｐ形領域しに対
して選ぶのが好ましい。

付加的な利点は、Ｐ形珪素内の電子に対する有効仕事関
数（第５ｂ図のψ′）がｎ形珪素内の電子の有効仕事関
数（第５ａ図のψ）よりも低いことである。

領域３と同様に、ｐ゛形表面領域７を、”δドーピング
または“プレーナ・ドーピング構造を生ずる技術すなわ
ち他の適当な技術（分子線エビタキシー）に加えて第１
ｂ図のデバイスのｎ形表面層３の製造のためにも用いら
れることのできる技術によって代りに設けることができ
る。この点に関し、ｐ形層４および／または場合により
中間真性層をこの技術によってつくるのが有利であろう
。

冒頭に記載したように、本発明の半導体陰極はその表面
２に絶縁層を有し、該絶縁層の上に、放出の目的でアパ
ーチャのまわりに加速電極を配設することができる。放
出領域および加速電極の可能な形は前記のオランダ国特
許出願第７９０５４７０号に詳しく説明されている。例
えば、アパーチャは、絶縁層の厚さと同じ大きさのオー
ダーのギャップ幅または直径を有するスリット状または
円形状とすることができる。半導体構造は通常このよう
なアパーチャの領域において低い降伏電圧を有する。

加速電極（例えば多結晶珪素の）は、例えば１つの部分
が円形ギャップの内側にそして他方の部分がその外側に
位置されるような種々の方法で分けることができる。更
に、所望に応じて、表面をセシウムまたはバリウムのよ
゛うな仕事関数減少材料で被覆することもできる。珪素
の代りにＡＩＩＩ−ＢＶ半導体材料（ガリウム砒素）を
選ぶことも可能である。

【図面の簡単な説明】 第１ａ図は既知の半導体デバイスの構造の略断面図、 第１ｂ図は本発明の半導体デバイスの構造の一実施例の
略断面図、 第２図は本発明の半導体デバイスと既知の半導体デバイ
スの電場の強さを比較した線図、第３ａ図は既知の半導
体デバイスのエネルギ線図、 第３ｂ図は本発明の半導体デバイスのエネルギ線図、 第４図は本発明の半導体デバイスの構造の別の実施例の
略断面図、 第５ａ図および５ｂ図は第４図の半導体デバイスに関す
るエネルギ線図である。 １・・・半導体本体 ２・・・主表面 ３・・・ｎ形領域 ４・・・ｐ形領域 ５・・・ｐ゛形領域 ７・・・ｐ形表面領域 ８・・・ｐｎ接合

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくともｎ形半導体領域と第１ｐ形半導体領域と
   をそなえた半導体本体を有し、ｎ形領域にｐ形領域に対
   し正のバイアスを与えることによって、表面において半
   導体本体より出る電子が該半導体本体に発生するように
   した、電子流を発生する半導体デバイスにおいて、ｎ形
   領域は最大で４ナノメートルの厚さを有することを特徴
   とする半導体デバイス。 ２、ｎ形領域の厚さは最大で２ナノメートルである請求
   項１記載の半導体デバイス。 ３、第１ｐ形領域とｎ形領域の間に実質的に真性な半導
   体領域が存在する請求項１または２記載の半導体デバイ
   ス。 ４、実質的に真性な半導体領域は５、１０＾１＾６ａｔ
   ｏｍｓ／ｃｍ＾３の最大不純物濃度を有するΠ−形また
   はν−形である請求項３記載の半導体デバイス。 ５、ｎ形領域は第１ｐ形半導体領域と第２ｐ形表面領域
   の間に存する請求項１乃至４の何れか１項記載の半導体
   デバイス。 ６、ｐ形表面領域は高濃度にドープされ、最大で４ナノ
   メートルの厚さを有する請求項５記載の半導体デバイス
   。 ７、ｐ形表面領域の厚さは最大で２ナノメートルである
   請求項６記載の半導体デバイス。８、第１ｐ形半導体領
   域は、少なくとも部分的に最大で４ナノメートルの厚さ
   に高濃度にドープされた請求項１乃至７の何れか１項記
   載の半導体デバイス。 ９、表面は、少なくとも１つのアパーチャが設けられた
   絶縁層を有し、一方少なくとも１つの加速電極がアパー
   チャの縁において絶縁層上に配設され、半導体構造は、
   少なくともアパーチャ内に、該半導体構造の他に部分よ
   りも低い降伏電圧を有する請求項１乃至８の何れか１項
   記載の半導体デバイス。 １０、アパーチャは、絶縁層の厚さと同じ大きさのオー
   ダのギャップの幅または直径を有するスリット状または
   円形状である請求項９記載の半導体デバイス。 １１、加速電極は２つまたはそれ以上のサブ電極より成
   る請求項９または１０の何れか１項記載の半導体デバイ
   ス。 １２、アパーチャは実質的に環状のギャップを構成し、
   １つのサブ電極は環状のギャップの範囲内にあり、１つ
   のサブ電極は環状のギャップの外側にある請求項１１記
   載の半導体デバイス。 １３、環状のギャップの、中心線は円を形成する請求項
   １２記載の半導体デバイス。 １４、加速電極のまわりを実質的に完全に取囲む第２電
   極が絶縁層上に設けられた請求項９記載の半導体デバイ
   ス。 １５、半導体本体の表面は、少なくとも放出面の領域に
   おいて、電子仕事関数減少材料で被覆された請求項１乃
   至１４の何れか１項記載の半導体デバイス。 １６、仕事関数減少材料はセシウムおよびバリウムの群
   よりの材料である半導体デバイス。 １７、半導体本体は珪素またはＡIII−ＢＶ族材料より
   成る請求項１記載の半導体デバイス。 １８、加速電極は多結晶珪素を有する請求項１乃至１７
   の何れか１項記載の半導体デバイス。 １９、電子ビームが請求項１乃至１８の何れか１項記載
   の半導体デバイスにより発生される、荷電イメージを操
   作する電子ビームを駆動する手段をそなえたピックアッ
   プ管。 ２０、電子ビームが請求項１乃至１８の何れか１項記載
   の半導体デバイスにより発生される、イメージを発生す
   る電子ビームを駆動する手段をそなえた表示装置。 ２１、表示デバイスは、半導体デバイスより数ミリメー
   トルにおいて真空中に存し且つ半導体デバイスより発生
   された電子ビームによって付活されるけい光スクリーン
   を有する請求項２０記載の表示デバイス。