JPH10223130A - 電子エミッタ - Google Patents
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Abstract
電子エミッタを提供することにある。 【解決手段】 電子エミッタはn型の領域21によりド
ープされたシリコン基板20を有する。基板20上にあ
るダイアモンド層24は、基板のn型領域からp型領域
を分離させる勾配付きのp型のドーパントプロファイル
を有する薄い絶縁領域28を有する領域27を形成する
ようにイオンを注入することによりドープされる。ダイ
アモンド層24の上側表面は、電極25の開口を介して
p型の領域に露出される。電圧は基板20の上側表面の
電極25と下側表面の電極23との間に印加され、電子
がn型の領域21から絶縁領域28を介して露出領域2
9から電子を放射するp型の領域27へとトンネリング
する。ランプ或いはディスプレイは複数のこのような電
子エミッタを含み、放射電子によりイオン化された減圧
したガスを含み、それ故に放射が生じ、その結果透明な
窓3上に発光層が生じ、その結果可視放射が生じる。
Description
板の上側表面上にダイアモンドの層を有する半導体基板
を含む種類の電子エミッタに関するものである。
ド或いは他のランプ或いはディスプレイのような種々デ
バイスに使用されている。電子エミッタは英国特許明細
書第2297862号に記載されているように、発光層
を直接の衝撃か或いはガスのイオン化により放射を生じ
る。
型の接続がボロンのような適当にドープされたダイアモ
ンドにより形成されるp−n異種接続を有する。電子放
射ダイアモンド接続の実施例は、米国特許明細書第54
10166号と米国特許明細書第5202571号の
“Diamond Junction Cold Cathode ”by Brandes et a
l.,Daimond and Related Merials 4(1995)586-590; “B
ackward Diode Characteristics of p-Type Diamond/n-
Type Silicon Hererojunction Diodes ”by Phetchakul
et al,Jpn J Appl.Phys.Vol.35(1996)pp.4247-4252.
各々に記載されている。P−n接続エミッタは、“Nega
tive electron affinity devices”by R.L.Bell Claren
don Press 1973. に記載されている。
されたダイアモンドの電子エミッタを提供することにあ
る。
れば、上述した種類の電子エミッタにおいて、前記ダイ
アモンド層がその上側表面に露出領域を有し、前記ダイ
アモンド層がp型ドーパント及びダイアモンド層の上側
表面から離間して増大する勾配を有するドーパントプロ
ファイルを有する露出領域より下方はドーパントされ、
p型のドープされた領域は、n型の領域の上側表面から
離間しているのでn型の領域からp型の領域を分離する
絶縁領域を形成し、前記エミッタは基板の下側表面上に
第1電気接点を有し、ダイアモンド層の上側表面に第2
電気接点を有するので、電圧がエミッタに亘り印加さ
れ、その結果電子がn型領域から絶縁領域を介してp型
の領域にトンネリングし、露出領域から電子が放射され
ることを特徴とする。
注入することができる。n型の領域は、リン、ひ素及び
アンチモンを含むグループから選択された材料によりド
ープすることができる。半導体基板の長さは約150μ
mとすることができ、ダイアモンド層の厚さは約1乃至
2μmとすることができる。p型にドーピングされたダ
イアモンド層はボロンイオンのようなものでイオン注入
することにより生ぜしめるのが好適である。絶縁領域の
厚さは約0.1μmとすることができる。
有する半導体基板とこの基板の上側表面にダイアモンド
層を含む電子エミッタと減圧したイオン化可能なガスを
含むデバイスにおいて、ダイアモンド層がその上側表面
に露出領域を有し、前記ダイアモンド層がp型のドーパ
ントにとダイアモンド層の上側表面から離間して増大す
る勾配を有するドーパントプロファイルとを有する露出
領域より下方ではドープされており、前記p型のドープ
された領域がn型の領域の上側表面から離間しているの
でその結果n型の領域からp型の領域を分離する絶縁領
域を形成し、前記エミッタが基板の下側表面には第1電
気接点を有し、ダイアモンド層の上側表面には第2電気
接点を有するので、電圧がエミッタに亘り印加され、そ
の結果電子がn型の領域から絶縁層を介してp型の領域
へとトンネリングし、露出領域から電子が放射され、そ
の結果ガスがイオン化することを特徴とする。
により生じる放射により発光すように、露出領域から離
間された発光層を含むことが好適である。
プは、複数の電子エミッタデバイス2(1個のみを図示
した)と透明な窓3とを含む外部シールユニット1を含
む。ユニット1は、250乃至500Torrの圧力下で、
Xeのような希ガスか、或いはAr−Xe、Ne−X
e、Ne−Ar−Xeのようなガス混合体で満たされて
いる。Xeがガス放電中で励起される際には、157n
mの放射(即ちVUV範囲)を生じる。窓3は、インジ
ウムと錫との酸化物の薄く透明な導電層4を有し、この
層は、下側表面ではアノードを形成し、この頂上では、
発光性の蛍光体の薄膜5を形成する。
ープされたシリコンのような半導体の基板20を有す
る。このドーパントは、例えばリン、ひ素或いはアンチ
モンとすることができる。他の領域22では、シリコン
に酸素が注入され、その結果シリコンの絶縁特性が改良
され、n型の領域21との分離を維持する。典型的に
は、このシリコン基板20の厚さを、約150μmとす
る。基板20の下側表面では、n型の領域21の下に、
アルミニウムのような金属層により形成された電気接点
23が存在する。
縁性のダイアモンド材料の層24を有する。この層24
は化学気相堆積(CVD)処理により形成されて約1乃
至2μm以下の厚さを有することが好適である。チタン
や金のような金属層の形態の電気接点25を、層24の
上側表面に堆積させる。この接点25は、直径が約2μ
mの中央開口26を有し、この開口はダイアモンド層2
4の上側表面に開放されている。
明な窓3を支持する。
域をドープしてp型の領域27を形成する。このp型の
領域27の幅は、開口26の幅よりも僅かに広いので、
その結果、接点層25はp型の領域の端部と重複する。
このドーピングは、約80keVよりも低い低エネルギー
の範囲でイオン注入(ボロンイオンを使用するような)
により成される。これにより、ドーピングにより影響を
受ける露出表面から離れた高ドーパント密度を有する勾
配付きのドーパントプロファイルが生じる。この勾配を
有するドーパントプロファイルは好適であるが、その理
由は、このプロファイルにより、p層の接点25の下方
でpダイアモンドエネルギーバンドを容易に曲げ、従っ
て接点に対してバリアの高さを確実に低下させることが
できるからである。又放射表面に向けてより効果的に電
子を移送ことを促進させることもできる。勾配を有する
ドーピング技術の詳細は、“Graded electron affinity
electron source”by Shaw et at.,J.Vac.Sci.Techno
l.B14(3),May/Jun 1996,pp2072-2075.により開示されて
いる。このドーピングは、ドーピング領域27がダイア
モンド層24の全深度に亘って延在するのではなく、ド
ープされた領域とn型のシリコン領域21の上側表面と
の間でドープされた領域の下方に約0.1μm以下の厚
さで、薄いドープされていない層28を残留するように
制御されている。接点25のピッチと露出したp型のダ
イアモンド27の開口の有効な大きさとにより電流密度
を制御する。ドープされた領域27の露出した上側表面
29は、H2 プラズマにさらすことにより不活性化され
るので、その結果表面は負の電子親和力(−χe )を示
す。
ニット1の外側の電源30に接続される。電圧が印加さ
れない場合には、ドープされていない絶縁層28のキャ
リアコンセントレーションは低いものとなる。しかしな
がら、直流の順方向バイアスがシリコンとダイアモンド
層20及び24との間のヘテロ接続間に印加される場
合、即ちp型の接点25がn型の接点23に対して正で
ある場合には、十分な電圧降下が層28に生じる。層2
8の厚さが薄いことにより、n型のシリコン領域21と
p型のダイアモンド領域27との間の絶縁境界面に亘っ
て急激なポテンシャルの降下が得られる。
での伝導帯Ec と価電子帯Ev とを示したものである。
絶縁層28は、導電帯の垂直方向断面領域の2個の垂直
方向点線間に示されている。層28の右側のスロープ
は、勾配付きのドーピングによるものである。表面上の
導電帯Ec は、ダイアモンドが正の仕事関数(+χe )
を有する場合に適合する真空層Evac よりは下方である
が、ダイアモンド表面に負の仕事関数(−χe )を付与
するように処理されている場合に適合する領域よりは上
方に存在する。この急勾配のポテンシャルにより、エネ
ルギーがフェルミレベルEF に近いn型のシリコン領域
21のドナレベルからp型のダイアモンド27の導電バ
ンド付近の絶縁層28を介してより効果的にトンネルで
きる。トンネルする電子のエネルギーは、Evac を超え
るので、電子は表面29から放射される。p型のダイア
モンド27の勾配付きのドーピングにより、p型のダイ
アモンドに注入された少数キャリアである電子が接続構
造を経て拡散し且つ真空/低圧ガスにトンネリングする
キャリアから期待されるよりも高いエネルギーを有して
表面29でダイアモンド/真空境界面にほぼ直線的に移
動することができる。この電子のほぼ直線的な移動は、
“Monte Carlo study of hot electron and ballistic
transport in diamond : Low electric filed region”
by Cutler et al.,J.Vac.Sci.Technol.B14(3),May/Jun
1996 p 2020 に記載されている。
きつけられる電子は、僅かにイオン化されたプラズマの
衝突によりユニット1のガスを励起する。この際に中性
の原子は、VUVを放射するプラズマ粒子により励起さ
れる。このVUVフォトンは、蛍光体層5に衝突し、そ
の結果赤、緑及び青の各色のスペクトルのうち、可視波
長で蛍光を発する。
使用する必要はないが、例えばディスプレイか或いは他
の電子デバイスに使用することができることが理解され
る。
付した図面と共に実施例により説明する。
るエミッタのエネルギーバンドモデルである。
Claims (10)
- 【請求項1】 n型の領域(21)と基板の上側表面の
ダイアモンドの層(24)とを有する半導体基板(2
0)を含む電子エミッタにおいて、前記ダイアモンド層
(24)がその上側表面に露出領域(29)を有し、前
記ダイアモンド層がp型ドーパント及びダイアモンド層
の上側表面から離間して増大する勾配付きのドーパント
プロファイルを有する露出領域より下方はドーパントさ
れ、p型のドープされた領域は(27)は、n型の領域
(21)の上側表面から離間しているのでn型の領域
(21)からp型の領域(27)を分離する絶縁領域
(28)を形成し、前記エミッタは基板(20)の下側
表面上に第1電気接点(23)を有し、ダイアモンド層
(24)の上側表面に第2電気接点(25)を有するの
で、電圧がエミッタに亘り印加され、その結果電子がn
型領域(21)から絶縁領域(28)を介してp型の領
域(27)にトンネリングし、露出領域(29)から電
子が放射されるように構成したことを特徴とする電子エ
ミッタ。 - 【請求項2】 前記半導体基板(20)のn型領域(2
1)の外側に酸素が注入されていることを特徴とす請求
項1に記載の電子エミッタ。 - 【請求項3】 前記n型の領域(21)をリン、ひ素及
びアンチモンを含むグループから選択した材料によりド
ープすることを特徴とする請求項1或いは2に記載の電
子エモッタ。 - 【請求項4】 前記半導体基板(20)の厚さをほぼ1
50μmとすることを特徴とする請求項1乃至3のいず
れか1項に記載の電子エミッタ。 - 【請求項5】 前記ダイアモンド層(24)の厚さをほ
ぼ1乃至2μmとすることを特徴とする請求項1乃至4
のいずれか1項に記載の電子エミッタ。 - 【請求項6】 前記p型にドープされたダイアモンド層
(24)がイオンの移植により生ぜじめられることを特
徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電子エ
ミッタ。 - 【請求項7】 前記イオン注入をボロンイオンにより行
うことを特徴とする請求項6に記載の電子エミッタ。 - 【請求項8】 前記絶縁領域(28)の厚さをほぼ0.
1μmとしたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれ
か1項に記載の電子エミッタ。 - 【請求項9】 前記n型の領域(21)を有する半導体
基板(20)とこの基板(20)の上側表面にダイアモ
ンド層(24)を含む電子エミッタと減圧したイオン化
可能なガスを含むデバイスにおいて、ダイアモンド層
(24)がその上側表面に露出領域(29)を有し、前
記ダイアモンド層(24)がp型のドーントとダイアモ
ンド層(24)の上側表面から離間して増大する勾配付
きのドーパントプロファイルとを有する露出領域(2
9)より下方ではドープされており、前記p型のドープ
された領域(27)がn型の領域(21)の上側表面か
ら離間しているのでその結果n型の領域(21)からp
型の領域(27)を離間させる絶縁領域を形成し、前記
エミッタが基板(20)の下側表面には第1電気接点
(23)を有し、ダイアモンド層(24)の上側表面に
は第2電気接点を有するので、電圧がエミッタに亘り印
加され、その結果電子がn型の領域(21)から絶縁層
(28)を介してp型の領域(27)へとトンネリング
し、露出領域(29)から電子が放射され、その結果ガ
スがイオン化するように構成したことを特徴とするデバ
イス。 - 【請求項10】 前記デバイスが露出部分(29)から
離間した発光性の層(5)を含み、この発光層(5)が
ガスのイオン化により生じた放射によって発光するよう
に形成したことを特徴とする請求項9に記載のデバイ
ス。
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