JPH0855565A

JPH0855565A - 量子細線電子線源

Info

Publication number: JPH0855565A
Application number: JP18923694A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Okamoto; 政邦岡本; Hiroyuki Shinada; 博之品田; Taku Oshima; 卓大嶋; Hidetoshi Nishiyama; 英利西山; Kozo Katayama; 弘造片山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】【目的】電流−電圧特性の直線性の極めて高い電子線源
を提供する。【構成】導電体の針１１の表面に、順に、酸化薄膜１
２，量子細線１３，ゲート電極１４および負電子親和力
膜１５を備える。【効果】電流−電圧特性の直線性の極めて高い電子線源
が得られ、高性能の信号増幅装置，高分解能の顕微鏡や
高分解能の電子分光装置，電子線回折装置を形成するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号増幅装置，電子顕微
鏡，電子分光装置，電子回折装置、等に用いられる電子
線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放出型の電子線源あるいは微少真空
管の製造方法とその構造が特表平2−507579号公報に示
されている。また、半導体中の量子細線の基礎実験は、
フィジカル・レビュー・レター第６０巻（１９８８年）
８４８ページに報告されている。さらに、負電子親和力
構造に関しては、特開平5−128999 号公報に詳しく開示
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の電界放出型の電
子線源あるいは微少真空管は、いずれも、トンネル放出
により直接に電流を得ていたため、電流はゲート電圧に
対して指数関数的に変化していた。ゆえに、従来の電子
線源を電流増幅素子として用いる場合、入力に対して出
力の信号が歪むという欠点があった。

【０００４】また、このような電子線源を長時間使用し
た場合、電子線源先端部分の形状変化のため、ビルドア
ップとよばれる急激に電流が増加する現象がみられ、電
流安定性が悪くなるという欠点もあった。

【０００５】これらは、固体から電子を放出させるため
に、印加電場で真空のポテンシャルエネルギを下げるこ
とにより得られるトンネル放出過程を用いていたことが
主な原因であり、この原理を用いる限り避けられない問
題であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１（ａ)，
(ｂ）に示されるように、通常の電子線源の先端部分１
１に、絶縁体膜１２を介して量子細線１３と負電子親和
力構造１５を順に形成し、伝導体１４を設け、量子細線
電子線源を構成することにより、電流−電圧特性の直線
性の極めて高い電子線源を得る。

【０００７】

【作用】まず、量子細線構造によれば、一般に電流−電
圧特性の直線性が極めて高くなることを説明する。ここ
で、電流とは放出電子による電流であり、また、電圧と
は電子線源先端部１１と伝導体１４の間に印加された電
圧のことである。

【０００８】以下で議論する電流−電圧特性の直線性は
電子線源の材質，種類等には依らないので、ここでは電
子線源として半導体によるものを考える。この場合、図
１の構造の量子細線では、電子放出方向（ｚ方向とす
る）のエネルギは典型的に図２のようになる。電圧ＶＧ
の大きさにより、ＶＧ＝０の場合を図２（ａ）に、ま
た、ＶＧ＞０の場合を図２（ｂ）に示した。

【０００９】領域１３は量子細線である。この部分の特
徴は、ｚ方向に垂直な方向（ｘ，ｙ方向とする）のサイ
ズが５ｎｍ〜１００ｎｍ程度、すなわち、電子のド・ブ
ロイ波長程度に短く設計されているため電子の定在波が
たち、結果的に量子準位が形成されることである。この
量子準位はｘ方向とｙ方向の二方向に対して形成され、
ｚ方向に対しては電子は束縛されず自由平面波状態とな
る。ゆえに一電子のエネルギＥ(ｎｘ，ｎｙ，ｋｚ)はｘ
方向の量子数ｎｘとｙ方向の量子数ｎｙ、及びｚ方向の
波数ｋｚを用いて、数１と書ける。

【００１０】

【数１】

【００１１】ｚ方向には自由粒子となるため、エネルギ
Ｅｚは波数ｋｚの二次関数となる。このような量子細線
に電圧ＶＧを印加すると図２（ｂ）のようにｘおよびｙ
方向に形成された量子準位ｎｅ＝１，ｎｅ＝２、等(エ
ネルギをＥ(ｎｅ)とする)は電子線源先端部のエネルギ
と比較して印加電圧ＶＧに比例して相対的にずれる。そ
の結果、ｚ方向に放出される電流が変化する。

【００１２】量子細線の電子の出口には図１に示してあ
るように負電子親和力構造を設けてあるので、図２の対
応した部分からも判るようにエネルギ障壁が無くなり、
電子はｚ方向に容易に放出される。ゆえに、電子放出に
よる電流は、量子細線の電子構造を反映したものとな
る。エネルギ構造は数１で定義されるものである。ゆえ
に量子準位ｎｅからの放出電流Ｉ(ｎｅ，ＶＧ)は、数２
となる。

【００１３】

【数２】

【００１４】ただし、Ｉ(ｎｅ，ＶＧ)が負になる場合は
電流が流れないのでＩ(ｎｅ，ＶＧ)＝０とする。また、
ＥＦは電子線源先端部のフェルミエネルギである。

【００１５】全ての量子準位ｎｅからの電流の寄与Ｉ
(ＶＧ)は、これら（ｎｅ）の和であり、数３となる。

【００１６】

【数３】

【００１７】数３の電流−電圧特性は、図３（ａ）に示
したような折れ線となる。図の中で、折れ曲がりの電圧
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は量子準位のエネルギＥ(１)，Ｅ
(２)，Ｅ(３)を用いて、数４乃至数６で与えられる。

【００１８】

【数４】

【００１９】

【数５】

【００２０】

【数６】

【００２１】電流を電圧で微分したコンダクタンスＧ
(ＶＧ)は、数７となり、電圧特性は図３（ｂ）に示した
ように階段状になる。

【００２２】

【数７】

【００２３】ここで、関数θ(ｘ)は、ｘ＜０のとき０，
ｘ＞０のとき１となるヘビサイド関数である。

【００２４】本発明による量子細線電子線源において電
流−電圧特性の直線性が良いという理由は、図３（ａ）
の折れ線特性のことを指している。すなわち、図３
（ａ）において、例えば、数８の、電流が直線的となる
電圧領域で、電圧ＶＧに信号を乗せれば、出力として歪
みの無い放出電流を得ることができる。また、この電圧
領域と同様に電流が直線的となる電圧領域でも同じ効果
がある。このように、電子線源先端部に量子細線構造を
設けることにより、入力ゲート電圧ＶＧに対して、線型
に変化するような出力の電流を得ることができる。

【００２５】

【数８】

【００２６】次に、ビルドアップという現象と、それが
本発明による量子細線電子線源により回避できることを
説明する。電子線源を長時間使用した場合、電子線源の
先端部分が加熱されて形状変化する。その表面変化のた
め、電子の放出状態が変化する。トンネル放出過程によ
り電子放出が行われているような従来の電子線源の場
合、放出電流は印加電圧に対して指数関数的に変化す
る。

【００２７】表面形状が変化すると表面付近の電場が変
化するが、その結果、放出電流は電場の変化に対して指
数関数的に敏感に変化していた。この現象がビルドアッ
プである。本発明による電子線源では、出力電流Ｊはゲ
ート電圧ＶＧにより制御され、その変化は一次関数的で
あるので、表面変化に対して出力電流の変化は鈍感とな
りビルドアップが抑えられる。

【００２８】この手段を採ることにより、電流−電圧特
性の直線性の極めて高い電子線源を得る。その結果、本
電子線源を微少真空管として電流増幅に用いる場合、入
力信号に対して歪みの全く無い出力信号を得ることがで
きる。具体的には、負荷抵抗をＲとする場合、入力電圧
ＶＧに対して、出力電圧Ｖｏｕｔは、数９となる。

【００２９】

【数９】

【００３０】また、電子顕微鏡，電子分光装置，電子回
折装置、等に用いる場合、電流の急激な変動が起こらな
いので、電流安定性の極めて高い電子線源を得ることが
できる。

【００３１】

【実施例】図４に、本発明の実施例の一つを示す。Ｇａ
Ａｓ(１１１)面基板４１上にMBE法によって１２ｎｍの
ＡｌＧａＡｓ膜４２を単結晶成長させた（ａ）。次に、
２０ｎｍのＧａＡｓ膜４３を同様の方法で単結晶成長さ
せた（ｂ）。その上に、２００ｎｍのＳｉＯ₂層をＣＶ
Ｄ法により堆積し、その表面の所望の領域に直径１００
μｍ程度のフォトレジスト膜を形成した。そのフォトレ
ジスト膜をマスクとしてＨＦ−ＮＨ₄ＯＦ混合水溶液に
よりＳｉＯ₂層をエッチングした。

【００３２】このようにして成形されたＳｉＯ₂層をマ
スクとして６０℃に保ったＨ₂ＳＯ₄−Ｈ₂Ｏ₂混合水溶液
でＧａＡｓ膜４３をエッチングした（ｃ）。この時、細
い部分の幅を２０ｎｍとなるようにした。その上から、
ＭＢＥ法によりＡｌＧａＡｓ膜４４を単結晶成長させた
（ｄ）。

【００３３】次に伝導領域４５を局所的に作るため、Ｓ
ｉをイオン打ち込みと活性化アニールによりドープし
た。次に、Ａｌ蒸着を行い、フォトマスクを用いてＣＣ
ｌ₄プラズマによりエッチングし、電極４６と電極４７
を形成した（ｅ）。最後に、蒸着によりＣｓ膜、および
ＣＶＤ法によりＣｓ₂Ｏ膜を所望の領域４８に順に形成
し、（ｆ）に示した量子細線電子線源を得た。ただし、
ここではＧａＡｓ膜４３から形成される量子細線部分の
サイズを、５０ｎｍ×５０ｎｍとした。

【００３４】本電子線源に、電極４６とゲート電極４７
との間に電圧ＶＧを印加することにより、図３に示した
電流電圧特性を得た。折れ曲がり電圧は、順に、Ｖ１＝
０.１１２Ｖ，Ｖ２＝０.２８０Ｖ，Ｖ３＝０.５０４Ｖ
であった。対応した電流値は、Ｉ１＝１３.０μＡ，Ｉ
２＝３０.４μＡであった。例えば、Ｖ２＜ＶＧ＜Ｖ３
の電圧領域で動作させることにより電圧に比例して出力
電流を制御することができた。また、図３中の別の線型
領域を用いても同様の効果が認められた。

【００３５】本系の負荷抵抗値（数７）はＲ＝１ＭΩと
したが、その結果、ゲート電圧値Ｖ２，Ｖ３に対応した
出力電圧は順に、１３.０Ｖ，３０.４ＶとなりＶ２＜Ｖ
Ｇ＜Ｖ３の電圧領域で約７７倍の電圧増幅率を得た。な
お、本系では、電子注入部４３にポテンシャル障壁１２
が存在しないのでビルドアップによる電圧変動は存在し
なかった。

【００３６】

【発明の効果】本発明による電子線源は、化合物半導体
基板上に化合物半導体ヘテロ構造を用いた量子細線構造
を有し、量子細線構造中の量子準位からみて電子親和力
を負にするためのＣｓ層及びＣｓ₂Ｏ層とを備えた陰極
部分を含む。この構成を採ることにより、印加電圧に比
例した電流を得ることができるので、歪みの無い信号増
幅装置の基本素子として用いることができる。また、電
流変動が小さく抑えられるので、電子顕微鏡，電子分光
装置，電子回折装置、等への適用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための電子線源素子の
説明図。

【図２】図１の電子放出方向のエネルギバンドダイヤグ
ラム。

【図３】図１の電子線源の電流−電圧特性図。

【図４】本発明の一実施例の電子線源の作製工程の説明
図。

【符号の説明】

１１…電子線源先端部、１２…絶縁体、１３…量子細線
本体、１４…伝導体、１５…負電子親和力構造、１６…
放出電子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西山英利東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者片山弘造東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線源の電子放出方向に、順に、幅が伝
導電子のド・ブロイ波長程度である量子細線構造，前記
伝導電子の量子準位からみて電子親和力を負にするため
の層構造を有し、さらに前記量子細線構造から絶縁膜を
介して量子細線のエネルギを制御するためのゲート電極
を有することを特徴とする量子細線電子線源。
【請求項２】請求項１において、前記電子線源および前
記量子細線は化合物半導体であり、エピタキシャル成長
により作製する量子細線電子線源。