JPH07111865B2 - 固体電子ビ−ム発生装置 - Google Patents

固体電子ビ−ム発生装置

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JPH07111865B2
JPH07111865B2 JP18939786A JP18939786A JPH07111865B2 JP H07111865 B2 JPH07111865 B2 JP H07111865B2 JP 18939786 A JP18939786 A JP 18939786A JP 18939786 A JP18939786 A JP 18939786A JP H07111865 B2 JPH07111865 B2 JP H07111865B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、固体電子ビーム発生装置に関するものであ
る。
[従来の技術] 従来から知られている固体電子ビーム発生装置のひとつ
として、例えば米国特許4,259,678号に開示された装置
がある。この米国特許に開示された装置は、Si半導体基
板上にpn接合を形成し、当該pn接合に逆電圧を印加し、
アバランシェ効果により熱平衡状態よりも高いエネルギ
ーをもった電子(以後、ホットエレクトロンを呼ぶ)を
生成し、ホットエレクトロンの有する運動エネルギーを
利用して真空中に電子ビームを取り出すものである。
しかしながら、かかる装置にあっては、アバランシェ効
果により生じるホットエレクトロンのうち、真空準位よ
りも高いエネルギーをもつ割合が少ないため、取り出さ
れる電流量が小さいという問題点があった。
従来から知られている第2の固体電子ビーム発生装置
は、特公昭54−30274号公報に開示されているように、G
aP半導体基板上にAlxGa(1-x)P(0≦x≦1)からなるp
n接合領域を設け、そのpn接合領域に順方向電圧を印加
し、n領域からp領域に注入された電子を外部に取り出
すものである。
ところが、かかる装置にあっては先に述べた米国特許の
場合に比べてキャリア量を大きくすることができるとい
う利点を有する反面、ホットエレクトロンを形成する領
域がないため、真空中への電子の放出効率が低く、且つ
GaP基板には結晶欠陥が多く良好なpn接合領域が形成で
きないという欠点がみられる。
また、上述した2つの従来技術より先に知られている米
国特許3,119,947号には、Si半導体基板上にnpn領域を形
成し、両者のn型領域間に電圧を印加させて電子を放出
させる装置が提案されている。かかるnpn型の装置によ
れば、第1の従来技術として述べた装置(pn接合を利用
した装置)の放出効率が10-6程度であるのに対し、放出
効率を10-4程度まで向上させることが考えられる。
しかしながら、上記p型領域と電子放出面側のn型領域
は数100Åと薄く、かつ、均一に設ける必要があるた
め、その作製が難しく現実的でないという問題点をもっ
ていた。
[発明が解決しようとする問題点] よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、簡易な構成に
より製作工程を容易にすると共に、電子放出効率を十分
に高めた固体電子ビーム発生装置を提供することにあ
る。
[問題点を解決するための手段] かかる目的を達成するために、本発明では、第1のバン
ドギャップを有する第1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有する第2領域と
によりヘテロ接合をなす際に、所定材料の混晶比が厚さ
方向に徐々に変化している傾斜層を前記第1領域と前記
第2領域との間に挿入し、前記第1領域から前記第2領
域に対して電子を注入すると共に、前記第2領域の電子
放出面から電子を放出するものである。
[作用] 広いバンドギャップを有する第1領域から傾斜層を介し
て狭いバンドギャップを有する第2領域に電子を注入
し、その電子を第2領域の端面から直接放出させる。
[実施例] 以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
第1図は、n型(もしくはn+型)GaAs基板を用いた本発
明の第1実施例を示す断面構成図である。本図におい
て、1はn型(もしくはn+型)GaAs基板、2はキャリア
供給源として作用するN型AlxGa1-xAs層である。ここ
で、xはAlの混晶比を表し、0<x≦1の値を有する。
また、大文字の“N"は、バンドギャップが広いN型領域
であることを表す。3は、このN型AlxGa(1-x)As層に酸
素を注入して形成した不活性層である。
4はAlxGa(1-x)Asの組成比を徐々に少なくしていきGaAs
まで連続的に変化させた傾斜(graded)層である。
5は、p型GaAs層である。ここで、小文字の“p"は、バ
ンドギャップが狭いp型領域であることを表す。なお、
p型GaAs層の代わりに、Alを加えてp型AlzGa(1-z)As層
(0≦z<x)とすることにより、バンドギャップの大
きさを制御することも可能である。
8はp型GaAs層5の表面に付着または拡散させた酸化セ
シウム(Cs−O)層であり、電子放出面として作用す
る。このCs−O層の替わりに、Cs等のアルカリ金属と、
Cu,Ag,Au,Sb,Bi,Se,As,P,Te,Si,Oの中の少なくともひと
つを含む材料を付着もしくは拡散させることも可能であ
る。
9はSiO2等により形成された保護層(絶縁層)、10およ
び11はバイアス電圧を印加するための電極、13は放出さ
れた電子を加速するための外部加速用電極である。
14は電極11とのオーミック接触を行うためのp+型GaAs層
である。
本実施例はn型GaAs基板上に、MBE(Moleculer Beam Ep
itaxy)装置もしくはMOCVD(Metalorganic Chemical Va
pour Deposition)装置等によりN型AlGaAs層2を形成
した後、イオン注入装置により酸素イオン注入不活性層
3を作製し、再び傾斜層4,p型GaAs層5のエピタキシャ
ル成長を順次行う。その後、SiO2層(保護層)9および
各電極10,11の形成、ならびにCs−Oの拡散処理を行
い、本実施例の作製を完了する。
n型GaAs用電極10としては、Au−Ge,Au−Ge−Ni等を、
またp型GaAs用電極11としては、Au−Sn,Ag−Zn,Au−B
e,Au−Zn等を用いるのが好適である。
次に、第2図に示すエネルギーバンド図を用いて、本実
施例の動作原理を説明する。
第2図において、実線は熱平衡時のエネルギーレベル
[eV]、点線はバイアス印加時のエネルギーレベル[e
V]を示す。層2には、層5へのキャリア注入効率を上
げるために、広いバンドギャップ材であるAlxGa(1-x)As
を用いる。本実施例において、Alの混晶比xは、良質な
ヘテロ接合が得られるようにすると共に、L−バンドお
よびX−バンドの影響も考慮してX=0.3と設定した
が、この値に限定されるものではない。
さらに、層2のドープ量は高ドープ(5×1017〜1×10
19cm-3)として、多くのキャリアが層5に注入されるよ
うにしてある。このような程度のドープ量になると、縮
退状態になり、フェルミ準位が伝導帯の上に位置する。
電極10はn型GaAs基板1の裏面に設けてあるので、高ド
ープを行って基板での電圧降下を極力低下させるように
するのが好適である。
層2と層5との間には傾斜層4が挿入されているので、
Alの混晶比xが徐々に減少し、層5との境界ではx=0
になる。このような傾斜層4を挿入することにより、層
2と層5とのヘテロ界面には、第2図に示す如く、スパ
イク等が発生しない。このように、スパイクなどの障壁
が生じないため、層5へ数多くのキャリアが注入され、
キャリア注入効率が向上する。
層5としては、狭いバンドギャップ材であるp型GaAs層
を用いる。この層5へのドープ量は低抵抗化のため5×
1018cm-3とし、且つ、層5での散乱を少なくするために
層の膜厚を300Åにする。
p型GaAs層5の上にはCs−Oが拡散(もしくは付着)さ
れているため、層5の表面の仕事関数は、1.4eV程度と
低くなっている。先に述べたとおり、この表面層として
は、{Cs等のアルカリ金属+(Sb,Bi,Se,As,P,Te,Cu,A
g,Au,Si,O)}等を含む材料も使用することができる。
次に、本実施例にバイアス電圧を印加した時の状態を説
明する(第2図の破線参照)。
電極10と電極11の間には順方向バイアス電圧を印加し、
さらに外部加速用電極13には電極11に対して正のバイア
ス電圧を印加する。すると、Cs−Oを拡散したp型GaAs
の仕事関数は1.4eVであり、p型GaAsの電子親和力は4.0
7eVであるため、第2図に示す如く、p型GaAs層5のバ
ンドは表面近傍で下の方に曲がる。
このp型GaAs層5は高ドープ状態にあるため、価電子帯
とフェルミ準位とはほぼ一致する。しかも、GaAsのバン
ドギャップは1.428eVであって、Cs−Oを拡散した層の
仕事関数1.4eVよりも大きくなっている。従って、N型A
lGaAs層2からp型GaAs層5に注入された低エネルギー
のキャリア(電子)は、第2図に示す如く表面に形成さ
れた谷Vに落ち込むが、傾斜層を設けたことにより層5
へ注入されるキャリアの絶対量は多くなり、放出される
電流量も大となる。
また、外部加速用電極13によって外部電界が加えられる
と、第2図に示すように真空準位は下の方に曲がり、放
出された電子はこの電界によりさらに加速される。
第3図は、半絶縁性基板を用いた第2実施例を示す断面
構成図である。この第2実施例は、第1図に示して第1
実施例と同様の素子をイオン注入技術より作製したもの
である。
第3図において、21は半絶縁性GaAs基板、22は電極10と
のオーミック接触を得るためのn+GaAs層、2はN型AlxG
a(1-x)As(0<x≦1)層、4は層2から離れるに従っ
てAlの混晶比を徐々に減少させた傾斜層、5はp型GaAs
層、8は仕事関数を低下させるためにCs−O等を拡散も
しくは付着させた層である。
本実施例では、半絶縁性GaAs基板21上に、n+GaAs層22,N
型AlxGa(1-x)As層2,傾斜層4,p型GaAs層5を形成した
後、p型GaAs用電極形成部にBeをイオン注入したp+領域
23,層2と層5との間の絶縁および素子間分離のために
Bをイオン注入した領域24を形成する。その後、SiO2
護層9を形成し、電極11を作製する。その他の電極10に
ついては、n+型GaAs層22に到達するまで穴を掘り、そこ
にAu−Ge/Au等の電極を形成する。
最後に外部加速用電極13の付設と、Cs−Oの拡散を行
い、本実施例の作製を完了する。かかる第2実施例は、
先に述べた第1実施例と異なり、p型GaAs層5(第1図
参照)までのエッチングなど難しいプロセスが不要とな
るばかりでなく、素子表面が平坦になる等の利点を有す
る。
第2実施例の動作原理等は第1実施例と同様なので、説
明は省略する。
このような、プレーナ型のデバイス構成とすることによ
り、複数のデバイスを同一平面上に配列する所謂マルチ
化に際しても、適切に対応することができる。
なお、これまで述べてきた第1実施例ないし第5実施例
ではIII−V属化合物半導体のひとつであるGaAsを用い
て構成したが、かかる材料に限定されることなく、例え
ばInGaAsP/InP系材料を用いることも可能である。これ
ら材料を用いた場合の実施例を、次の第1表にまとめて
示す。
[発明の効果] 以上詳述したとおり、本発明によれば、次に列挙する効
果を得ることができる。
2つの化合物間のバンドギャップが異なる構成と
し、且つ両化合物間に傾斜層を介挿させてあるので、一
方の化合物半導体から他方の化合物半導体に注入される
キャリア量が増大する。
その結果、電子放出量が格段に向上する。
MEB装置やMOCVD装置などを用いて、各層を数10Å程
度のエピタキシャル膜とすることができるので、良質か
つ均一な層構成を容易になすことができる。
また、各層の膜厚を薄くできることから、駆動電圧を小
さくすることができる。
膜構成が単純なため、作製が容易である。
半導体材料を用いて電子ビーム発生装置(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
電子ビーム発生装置を配列したり、他の機能を有するデ
バイスと結合することが容易に行われる。その結果とし
て、半導体素子の集積度を上げることが可能となる。
また、本発明の実施例によれば、上記発明の効果に加え
て、次の効果を得ることができる。
イオン注入技術を用いて本発明を実施した場合には、
エッチングなどのプロセスが不要になる,素子の表面
が平坦になる,同一基板上にその他のデバイスを形成
して、集積度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1実施例を示す断面構成図、 第2図は第1実施例のエネルギー状態を示すエネルギー
バンド図、 第3図は本発明の第2実施例を示す断面構成図である。 1……n型GaAs基板、 2……N型AlxGa(1-x)As層、 3……N型AlxGa(1-x)As酸素注入不活性層、 4……傾斜層、 5……p型GaAs層、 8……Cs−O拡散層、 9……SiO2絶縁層、 10……電極、 11……電極、 13……外部加速用電極。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1のバンドギャップを有する第1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
    ャップを有する第2領域とによりヘテロ接合をなす際
    に、所定材料の混晶比が厚さ方向に徐々に変化している
    傾斜層を前記第1領域と前記第2領域との間に挿入し、 前記第1領域から前記第2領域に対して電子を注入する
    と共に、前記第2領域の電子放出面から電子を放出する
    ようにしたことを特徴とする固体電子ビーム発生装置。
  2. 【請求項2】n型もしくはn+型GaAs基板または絶縁性Ga
    As基板上に第1のバンドギャップを有するN型AlxGa
    (1-x)As層(ここで、0<x≦1)を形成して前記第1
    領域とし、 第2のバンドギャップを有するp型AlzGa(1-z)As層(こ
    こで、0≦z<x)を形成して前記第2領域としたこと
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の固体電子ビー
    ム発生装置。
  3. 【請求項3】前記第2領域の電子放出面にアルカリ金属
    成分を有する材料を拡散もしくは付着させたことを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の固体電子ビーム発生
    装置。
  4. 【請求項4】前記傾斜層として、AlxGa(1-x)Asの混晶比
    xを徐々に変化させた層を用いることを特徴とする特許
    請求の範囲第2項記載の固体電子ビーム発生装置。
  5. 【請求項5】前記N型AlxGa(1-x)As層(ここで、0<x
    ≦1)の所定領域に酸素を注入して不活性領域を形成し
    たことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の固体電
    子ビーム発生装置。
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