JPH04363836A - 電界放射型電子銃とその製造方法 - Google Patents
電界放射型電子銃とその製造方法Info
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- JPH04363836A JPH04363836A JP3137718A JP13771891A JPH04363836A JP H04363836 A JPH04363836 A JP H04363836A JP 3137718 A JP3137718 A JP 3137718A JP 13771891 A JP13771891 A JP 13771891A JP H04363836 A JPH04363836 A JP H04363836A
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Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電界放射型電子銃に関す
る。詳しくは、共鳴トンネル効果を利用した、エネルギ
ー選択性を有する電界放射型電子銃に関する。
る。詳しくは、共鳴トンネル効果を利用した、エネルギ
ー選択性を有する電界放射型電子銃に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子ビームを発生させる電子銃としては
、フィラメントを高温に加熱して熱電子を発生させるも
のや、電界の助けを借りて電子を引き出すもの等がある
。
、フィラメントを高温に加熱して熱電子を発生させるも
のや、電界の助けを借りて電子を引き出すもの等がある
。
【０００３】電子エネルギのエネルギー分布が小さいす
なわち、狭い急峻なピークのエネルギ分布の出力を有す
る電子銃を提供することは半導体装置の製造技術におけ
る電子ビーム露光においても、また電子線を用いたスペ
クトル解析技術においても極めて重要な課題である。
なわち、狭い急峻なピークのエネルギ分布の出力を有す
る電子銃を提供することは半導体装置の製造技術におけ
る電子ビーム露光においても、また電子線を用いたスペ
クトル解析技術においても極めて重要な課題である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術に
よる電子銃においては、電子放出の機構が熱電子放出に
よるものであっても、電界放出によるものであっても、
１０ｅＶ程度のエネルギー分布の拡がりは避けられなか
った。
よる電子銃においては、電子放出の機構が熱電子放出に
よるものであっても、電界放出によるものであっても、
１０ｅＶ程度のエネルギー分布の拡がりは避けられなか
った。
【０００５】そこで、従来の電子銃においては、電子の
進行を妨げる電界ポテンシャルを与えることにより低エ
ネルギーの電子をカットしたり、あるいは電界や磁場を
用いて電子を偏向させ、所定軌道を描いた電子のみを取
り出すことにより、エネルギーの選別を行なっていた。
進行を妨げる電界ポテンシャルを与えることにより低エ
ネルギーの電子をカットしたり、あるいは電界や磁場を
用いて電子を偏向させ、所定軌道を描いた電子のみを取
り出すことにより、エネルギーの選別を行なっていた。
【０００６】しかし、電界ポテンシャルによる方法では
原理的にエネルギー分布を小さくすることは難しく、ま
た電界や磁界を用いたエネルギー選別器では装置の構造
自体が大きくなってしまい、その使用範囲がきわめて制
限されてしまう。
原理的にエネルギー分布を小さくすることは難しく、ま
た電界や磁界を用いたエネルギー選別器では装置の構造
自体が大きくなってしまい、その使用範囲がきわめて制
限されてしまう。
【０００７】本発明の目的は、構造が簡単でエネルギー
分布の極めて小さな電界放射型電子銃とその製造方法を
提供することにある。
分布の極めて小さな電界放射型電子銃とその製造方法を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明による電界放射型電子銃は、電界が集中するこ
とにより電子を放出する突起部を有する電子放射源基部
と、前記電子放射源基部の前記突起部に対向して配置さ
れ、半導体量子井戸層とその両側に配置された半導体障
壁層を含む共鳴トンネル障壁部とを有する。
の本発明による電界放射型電子銃は、電界が集中するこ
とにより電子を放出する突起部を有する電子放射源基部
と、前記電子放射源基部の前記突起部に対向して配置さ
れ、半導体量子井戸層とその両側に配置された半導体障
壁層を含む共鳴トンネル障壁部とを有する。
【０００９】さらに、本発明による電界放射型電子銃の
製造方法は、第１の半導体基板上にバンドギャップの異
なる第１の半導体と第２の半導体の積層からなる超格子
層と、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の一部を除
去して所定形状の窓をあけ、前記超格子層を露出する工
程と、第２の半導体基板をエッチングして針状の突起部
を形成する工程と、前記第２の半導体基板の突起部先端
と前記窓により露出した超格子層とが対向する位置で前
記第２の半導体基板と前記絶縁膜とを接着する工程と、
前記第１の半導体基板をエッチングにより除去する工程
とを有する。
製造方法は、第１の半導体基板上にバンドギャップの異
なる第１の半導体と第２の半導体の積層からなる超格子
層と、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の一部を除
去して所定形状の窓をあけ、前記超格子層を露出する工
程と、第２の半導体基板をエッチングして針状の突起部
を形成する工程と、前記第２の半導体基板の突起部先端
と前記窓により露出した超格子層とが対向する位置で前
記第２の半導体基板と前記絶縁膜とを接着する工程と、
前記第１の半導体基板をエッチングにより除去する工程
とを有する。
【００１０】
【作用】上記の電界放射型電子銃では、電子放射源の突
起部から放出された電子は共鳴トンネル障壁を通過する
際、その共鳴準位によって電子のエネルギが選択される
ので、極めて小さなエネルギ分布の電子ビームが出力さ
れる。
起部から放出された電子は共鳴トンネル障壁を通過する
際、その共鳴準位によって電子のエネルギが選択される
ので、極めて小さなエネルギ分布の電子ビームが出力さ
れる。
【００１１】
【実施例】図１に、本発明の実施例による電界放射型電
子銃の断面構造を示す。なお、簡単のため電界を印加す
るための電極や電圧発生源等は図示していない。
子銃の断面構造を示す。なお、簡単のため電界を印加す
るための電極や電圧発生源等は図示していない。
【００１２】図１において、１は電子銃のカソード部と
なるＳｉ基板であり、その表面の一部に円錐状で先鋭な
形状をした突起部２が形成されている。突起部２の先端
はその面積が極めて小さくなっっているため、図示しな
い電極により電圧が印加されると、突起先端部に電界が
集中し高い電界密度となって、先端部より電子が放出さ
れる。３は電子銃のエネルギ選択手段となる共鳴トンネ
ル障壁構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子層である。 ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとはバンドギャップが異なり、
ＧａＡｓが量子井戸層を、ＡｌＧａＡｓが電位障壁層を
形成する。超格子層３は、たとえば厚さ数ｎｍ程度の超
薄膜を数〜数十周期程度積層したきわめて薄い薄膜であ
るため、機械的強度を得るために、ＳｉＯ２ 層４とＧ
ａＡｓ層５とからなり、ほぼ円筒状の開口部６を有する
スペーサにより保持される。ＳｉＯ２ 層４はＳｉ基板
１と接着材７で接着固定されている。なお、スペーサは
同時にＳｉ基板１と超格子層３とを絶縁している。
なるＳｉ基板であり、その表面の一部に円錐状で先鋭な
形状をした突起部２が形成されている。突起部２の先端
はその面積が極めて小さくなっっているため、図示しな
い電極により電圧が印加されると、突起先端部に電界が
集中し高い電界密度となって、先端部より電子が放出さ
れる。３は電子銃のエネルギ選択手段となる共鳴トンネ
ル障壁構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子層である。 ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとはバンドギャップが異なり、
ＧａＡｓが量子井戸層を、ＡｌＧａＡｓが電位障壁層を
形成する。超格子層３は、たとえば厚さ数ｎｍ程度の超
薄膜を数〜数十周期程度積層したきわめて薄い薄膜であ
るため、機械的強度を得るために、ＳｉＯ２ 層４とＧ
ａＡｓ層５とからなり、ほぼ円筒状の開口部６を有する
スペーサにより保持される。ＳｉＯ２ 層４はＳｉ基板
１と接着材７で接着固定されている。なお、スペーサは
同時にＳｉ基板１と超格子層３とを絶縁している。
【００１３】突起部２の先端から放射した電子は超格子
層３を通過する際に、図２で示す２重障壁間の量子井戸
構造による共鳴エネルギ準位に合ったもののみが取り出
される。すなわち、透過電子のエネルギ選択が生じる。 これは光学におけるファブリーペロー共振器による波長
選択性と同様なものである。この共鳴準位によってエネ
ルギー分布の広がりが数十ｍｅＶとなる。
層３を通過する際に、図２で示す２重障壁間の量子井戸
構造による共鳴エネルギ準位に合ったもののみが取り出
される。すなわち、透過電子のエネルギ選択が生じる。 これは光学におけるファブリーペロー共振器による波長
選択性と同様なものである。この共鳴準位によってエネ
ルギー分布の広がりが数十ｍｅＶとなる。
【００１４】なお、本実施例では、共鳴トンネル障壁層
３は機械的強度を得るためにＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ
層とを交互にたとえば１０層程度積層した厚みの超格子
層としたが、機械強度が得られれば、原理的には図２で
示したような２層のＡｌＧａＡｓ層の電位障壁層の間に
一層のＧａＡｓからなる量子井戸層を挟んだもので構成
できるし、他の構造で同様な共鳴トンネル障壁層ができ
ればそれでもよい。
３は機械的強度を得るためにＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ
層とを交互にたとえば１０層程度積層した厚みの超格子
層としたが、機械強度が得られれば、原理的には図２で
示したような２層のＡｌＧａＡｓ層の電位障壁層の間に
一層のＧａＡｓからなる量子井戸層を挟んだもので構成
できるし、他の構造で同様な共鳴トンネル障壁層ができ
ればそれでもよい。
【００１５】次に、本発明の実施例による電界放射型電
子銃の製造方法を図３〜図９を参照して説明する。
子銃の製造方法を図３〜図９を参照して説明する。
【００１６】まず、図３に示す工程では、ＧａＡｓ基板
８の上にＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いてＡｌ
ＧａＡｓ層９を約０．５μｍ、ＧａＡｓ層１０を約２０
０ｎｍをエピタキシャルに成長し、その上にＧａＡｓと
ＡｌＧａＡｓの各層をそれぞれ約５ｎｍの厚みで交互に
計１０層程度重ねた超格子層３を形成し、さらにＧａＡ
ｓ層５を５００ｎｍ積層し、その表面をさらに１μｍ厚
のＳｉＯ２ 層４で保護する。
８の上にＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いてＡｌ
ＧａＡｓ層９を約０．５μｍ、ＧａＡｓ層１０を約２０
０ｎｍをエピタキシャルに成長し、その上にＧａＡｓと
ＡｌＧａＡｓの各層をそれぞれ約５ｎｍの厚みで交互に
計１０層程度重ねた超格子層３を形成し、さらにＧａＡ
ｓ層５を５００ｎｍ積層し、その表面をさらに１μｍ厚
のＳｉＯ２ 層４で保護する。
【００１７】原理的にはＧａＡｓ基板８の上に直接Ａｌ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子層３を形成し、後にＧａＡ
ｓ基板８を除去すればよいが、そうすると基板エッチン
グの工程の制御が極めて困難となるので、エッチングス
トッパ層、スペーサ層を挿入してある。
ＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子層３を形成し、後にＧａＡ
ｓ基板８を除去すればよいが、そうすると基板エッチン
グの工程の制御が極めて困難となるので、エッチングス
トッパ層、スペーサ層を挿入してある。
【００１８】次に、図４で示す工程で、フォトリソグラ
フィー工程によりＳｉＯ２ 層４の一部に直径約５００
μｍの窓６をあける。
フィー工程によりＳｉＯ２ 層４の一部に直径約５００
μｍの窓６をあける。
【００１９】次に、図５で示す工程で、ＣＣｌ２ Ｆ２
ガスを用いた反応性イオンエッチングによって窓６に
より露出したＧａＡｓ層５の部分を選択的に除去し、窓
６を形成する。なお、このＣＣｌ２ Ｆ２ガスを用いた
反応性イオンエッチングではＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの
エッチング比が約２００であるため、表面のＧａＡｓ層
５のみがけずられ、超格子層３のＡｌＧａＡｓ層でエッ
チングは終了する。
ガスを用いた反応性イオンエッチングによって窓６に
より露出したＧａＡｓ層５の部分を選択的に除去し、窓
６を形成する。なお、このＣＣｌ２ Ｆ２ガスを用いた
反応性イオンエッチングではＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの
エッチング比が約２００であるため、表面のＧａＡｓ層
５のみがけずられ、超格子層３のＡｌＧａＡｓ層でエッ
チングは終了する。
【００２０】次に、ｎ型のＳｉ基板１を用意する。図６
に示すように、このＳｉ基板１上にレジストマスク１１
を形成し、ウェットエッチングを行なって、Ｓｉ基板１
の表面に、先端部の直径がたとえば２０ｎｍで、高さが
たとえば８００ｎｍの円錐状の突起部２を形成する。な
お、図示しないが、電圧を与えるために、Ｓｉ基板１の
裏面にはオーミック電極を形成しておく。
に示すように、このＳｉ基板１上にレジストマスク１１
を形成し、ウェットエッチングを行なって、Ｓｉ基板１
の表面に、先端部の直径がたとえば２０ｎｍで、高さが
たとえば８００ｎｍの円錐状の突起部２を形成する。な
お、図示しないが、電圧を与えるために、Ｓｉ基板１の
裏面にはオーミック電極を形成しておく。
【００２１】次に、図７で示す工程で、先に図５の工程
で作った積層構造体の窓６にＳｉ基板１の突起部２を位
置合わせしてＳｉＯ２ 層４とＳｉ基板１とを接着材７
で接着固定する。
で作った積層構造体の窓６にＳｉ基板１の突起部２を位
置合わせしてＳｉＯ２ 層４とＳｉ基板１とを接着材７
で接着固定する。
【００２２】次に、ＧａＡｓ層８をＣＣｌ２ Ｆ２ ガ
スを用いてＡｌＧａＡｓ層９との界面までエッチングし
て除去し、図８に示す構造を得る。
スを用いてＡｌＧａＡｓ層９との界面までエッチングし
て除去し、図８に示す構造を得る。
【００２３】次に、ＡｌＧａＡｓ層９をウエットエチン
グにより除去し、図１０に示す構造を得る。
グにより除去し、図１０に示す構造を得る。
【００２４】最後に、ＧａＡｓ層１０を再びＣＣｌ２
Ｆ２ ガスを用いてエッチングして除去し、超格子層３
を露出する。このようにして、図１に示すような構造を
得る。
Ｆ２ ガスを用いてエッチングして除去し、超格子層３
を露出する。このようにして、図１に示すような構造を
得る。
【００２５】以上の工程により図１で示したような構造
のエネルギ選択性を有する共鳴トンネル障壁を有する電
界放射型電子銃が得られる。
のエネルギ選択性を有する共鳴トンネル障壁を有する電
界放射型電子銃が得られる。
【００２６】なお、本発明の実施例では超格子層として
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層を用いたが、共鳴トンネル障
壁構造を有するものであれば、他の材料で構成してもよ
い。
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層を用いたが、共鳴トンネル障
壁構造を有するものであれば、他の材料で構成してもよ
い。
【００２７】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、電子放射源の突起部か
ら放出された電子は共鳴トンネル障壁を通過する際、そ
の共鳴準位によって電子のエネルギが選択されるので、
極めて小さなエネルギ分布の電子ビームが出力される。
ら放出された電子は共鳴トンネル障壁を通過する際、そ
の共鳴準位によって電子のエネルギが選択されるので、
極めて小さなエネルギ分布の電子ビームが出力される。
【図１】本発明の実施例による電界放射型電子銃の実施
例の断面構造を示す図である。
例の断面構造を示す図である。
【図２】共鳴トンネル障壁のエネルギ選択作用を説明す
る図である。
る図である。
【図３】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
【図４】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
【図５】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
【図６】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
【図７】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
【図８】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
【図９】本発明の実施例による電界放射型電子銃の製造
方法における一工程を説明する図である。
方法における一工程を説明する図である。
１・・・・Ｓｉ基板
２・・・・突起部
３・・・・超格子層（共鳴トンネル障壁）４・・・・Ｓ
ｉＯ２ 層 ５・・・・ＧａＡｓ層 ６・・・・窓 ７・・・・接着材 ８・・・・ＧａＡｓ基板 ９・・・・ＡｌＧａＡｓ層 １０・・・ＧａＡｓ層
ｉＯ２ 層 ５・・・・ＧａＡｓ層 ６・・・・窓 ７・・・・接着材 ８・・・・ＧａＡｓ基板 ９・・・・ＡｌＧａＡｓ層 １０・・・ＧａＡｓ層
Claims (2)
- 【請求項１】 電界が集中することにより電子を放出
する突起部（２）を有する電子放射源基部（１）と、前
記電子放射源基部の前記突起部（１）に対向して配置さ
れ、半導体量子井戸層とその両側に配置された半導体障
壁層を含む共鳴トンネル障壁部（３）とを有する電界放
射型電子銃。 - 【請求項２】 第１の半導体基板（８、９、１０）上
にバンドギャップの異なる第１の半導体と第２の半導体
の積層からなる超格子層（３）と、絶縁膜（４）を形成
する工程と、 前記絶縁膜（４）の一部を除去して所
定形状の窓（６）をあけ、前記超格子層（３）を露出す
る工程と、第２の半導体基板（１）をエッチングして針
状の突起部（２）を形成する工程と、前記第２の半導体
基板（１）の突起部先端と前記窓により露出した超格子
層（３）とが対向する位置で前記第２の半導体基板（１
）と前記絶縁膜（４）とを接着する工程と、前記第１の
半導体基板（８、９、１０）をエッチングにより除去す
る工程とからなる電界放射型電子銃の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3137718A JPH04363836A (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | 電界放射型電子銃とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3137718A JPH04363836A (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | 電界放射型電子銃とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04363836A true JPH04363836A (ja) | 1992-12-16 |
Family
ID=15205204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3137718A Pending JPH04363836A (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | 電界放射型電子銃とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04363836A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000054301A1 (en) * | 1999-03-08 | 2000-09-14 | Motorola, Inc. | Method of providing uniform emission current |
-
1991
- 1991-06-10 JP JP3137718A patent/JPH04363836A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000054301A1 (en) * | 1999-03-08 | 2000-09-14 | Motorola, Inc. | Method of providing uniform emission current |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20001031 |