JPS61131330A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS61131330A
JPS61131330A JP60259922A JP25992285A JPS61131330A JP S61131330 A JPS61131330 A JP S61131330A JP 60259922 A JP60259922 A JP 60259922A JP 25992285 A JP25992285 A JP 25992285A JP S61131330 A JPS61131330 A JP S61131330A
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/30Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/308Semiconductor cathodes, e.g. cathodes with PN junction layers

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  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (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。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、動作状態で電子の放射のためにほぼ同じ動
作調整がなされるすくなくとも領域の1群を、主要な表
面に備えた半導体基体を有するカソードを具えた、電子
電流を発生する半導体装置に関するものである。
本発明はさらにかかる半導体装置を備えた表示装置と撮
像装置に関するものである。
かかる装置は1981年1月15日の公報に公開された
オランダ特許出願第7905470号に公知である。
この出願ではなかんずくフラット表示装置が、放射領域
を有する半導体装置から発生する電子によって活性化さ
れる螢光スクリーンを備えて図示されており、その放射
領域はxyマトリックスに組織され、そこでは各時間異
なった群の放射領域の駆動に依存して、電子放射の交流
パターンそれ故に異なった螢光パターンが発生する。
関連する例では、半導体カソードが使用されその動作は
pn接合が逆方向バイアスされた時の電子のなだれ増倍
に基づいている。そのpn接合は放射表面の面で削減さ
れたブレークダウン電圧を有し、その位置で、ブレーク
ダウン電圧でその空乏区域が表面まで延在せず、発生す
る電子を通過させるに十分薄い表面層でそこから分離さ
れて残るような厚みと不純物濃度とを有している、n形
導電層によって表面から分離されている。
前記特許出願はまた、かかる半導体カソードが電子管に
使用され、その放射表面がほぼ環状である応用を開示し
ている。通常の陰極線管へのかかる半導体カソードの使
用では、そこに示される実施態様におけるごとく一般に
仮想源からはスタートせず、半導体カソードによって放
射される電子はいわゆるクロスオーバーで一緒になる。
電子はそれで発生するビームの表面にそって主として動
き、それは前記特許出願にも記載したごとく電子光学的
観点から有利であろう。
一般に所望の電子電流は半導体カソードが使用される陰
極線管のタイプにより固定されている。
例えば、はぼ20μ−を超える直径を有する環状放射表
面を有する半導体カソードによっては、100μ八以上
の電子電流(ビー1、電流)が発生可能である。全放射
表面と半導体カソードの効率に関係するこの電子電流に
よって電子電流密度が決まる。
この電子電流密度は実際には安定度が生じる程度に低め
られる。真空系でのどの残留ガス(例えばH2O、Co
□、02)も電子放射表面に吸着され、もともと半導体
基体で発生する電子の、仕事関数を削減するためにこの
表面に置かれたセシウムの単一原子層と原位置で、そし
て半導体結晶と相互に影響し合う。半導体基体から放射
される電子の影響で、その時形成された化合物は分解さ
れ吸着さた原子は排除される(吸着が解かれる)。吸着
された原子は電界の影響で(例えば調整電流により発生
する電界)放射領域から拡散によってまた排除される。
これらの機構が確実に十分影響力を有するよう、実際に
可能でありまたは所望である値より高い値まで調整電流
を調整して電子電流密度を増加することが屡々要求され
る。
本発明の目的は、より安定度の高い冒頭に述べた種類の
装置を提供せんとするものである。
この目的を達成するために、本発明装置は、その領域の
群が共通の動作調整のため、前記領域のすくなくとも2
つの対応する要素に共通な電気的接続を有することを特
徴とするものである。
本発明は、半導体カソードの安定度が小さい放射領域の
群が、もとの放射パターンで決められる表面にわたって
均一に分配され、放射領域の全表面積力もとのパターン
のそれより著しく小さいという本発明の手段で増大する
という認識に基づいている。原理的にこれはすでに約1
μm2の表面積を有する非常に小さなパターンや約0.
5μmの環状幅の約10μIの直径を有する環状パター
ンにまた適用されている。
“共通な電気的接続”とは、例えば1つの群に属する同
じ形のすべての半導体区域を、内部接続する対応する半
導体区域用の共通のメタライゼーションや、高不純物濃
度が埋め込まれた半導体区域の使用で、1つの群に属す
るすべての領域を実際に等しく調整するような手段が、
取られるという意味であるとここでは理解すべきである
。オランダ国特許出願第7905470号明細書に記載
されている半導体カソードの形、例えば電子放射領域の
群が環状または環状領域に均一に分配されているような
ものが使用されると、pn接合のすべてのp形領域はそ
の時半導体基体のより低い側でのメタライゼーションを
介して電気的な導電方法で内部接続され、また一方n形
領域は放射表面の外側の深いn拡散を介して内部接続さ
れる。しかしながら、そこに示される加速電極は別々の
電位がかけられるいくつかの部分に順次に分割されても
よい。
またこの電極は別に全くまたは部分的に省略されてもよ
い。
本発明に係わる好適な実施態様は、前記領域の群が環状
パターンに従って配列されることを特徴とするものであ
る。かかる実施態様は前述のごとく電子光学的考察から
とくに適切である。放射領域の他の配列もまた可能で、
オランダ国特許出願第8300631号や第84006
32号明細書記載の表示装置またはレーザー材料の活性
化のための線形配列がある。
前記手段によれば、高い局所的電流密度が得られ、それ
は原理的にカソードの所望の安定度につながる。にもか
かわらず、より効果的な電流密度はできるだけ高いこと
が、逆方向バイアスされたpn接合の前記カソードには
特に望まれる。これはなかんずくいわゆる充填率(放射
領域の表面積の総和の全表面積に対する商)ができるだ
け高(なければならないことを意味する。
しかしながらこの形のカソードでは、充填率が増加する
と、主要な表面に接するn形領域でのシリーズ抵抗によ
る電流供給の問題がおこる。これは、順次に電位差に起
因する高電流を伴って、種々の電子放射領域でのpn接
合の調整を不均一とする。さらに、n形領域での抵抗に
起因してカソードは実際には低いダイオード電流を呈す
る(カソードの構造、特にp形領域のシリーズ抵抗によ
って決まる最大許容電流の10から20%程度)。
さらに、n形表面領域での高い電流密度は高い電界を発
生し、セシウムを移転させ、その結果再び放射の不安定
度と不均質が生じる。
これらの問題が主要な表面ではすくなくとも解決される
、本発明に係わる半導体装置の特別な実施態様は、前記
半導体基体がその主要な表面に接するn形領域とp形領
域間にpn接合を有し、一方そのpn接合に逆方向電圧
がかかると、なだれ増倍によって前記半導体基体に電子
が発生し、それら電子が半導体基体から放射され、前記
pn接合が前記主要な表面に主として平行に電子放射領
域の面ですくなくとも延在し、前記pn接合の他の部分
よりより低いブレークダウン電圧を局所的に有し、より
低いブレークダウン電圧を有するその部分が、ブレーク
ダウン電圧で前記pn接合の空乏区域がその表面まで延
在せず、発生する電子を通過させるに十分薄い表面層で
そこから分離されて残るような厚みと不純物濃度有する
、n形厚電層によってその表面から分離され、かつその
n形領域が電気的導電材料の層で被覆され、その導電層
はそのn形領域に接触し前記電子放射領域の面で開口部
が備えられることを特徴とするものである。
かくて、n形領域に平行な低抵抗電流路が得られ、それ
でかかるカソードは前述の問題のない高効率電流密度で
動作することができる。
高充填率の得られるかかる半導体装置の好適な実施態様
は、前記電子放射領域が実際上ストリップ状であること
を特徴とするものである。
以上いくつかの実施態様と図面を参照し、本発明の詳細
な説明する。
添付図面にはスケールが記入されてないが、説明を明確
にするため断面特に厚み方向の大きさは著しく誇張され
ている。同じ導電形の半導体区域は一般に同一方向のハ
ツチがつけられ、図面中対応する部分には同じ参照番号
がつけられている。
第1図ならびに第2図の半導体装置lは半導体基体2、
例えばシリコンを具え、その主要な表面3に複数の放射
領域4を有し、これらはこの実施態様では第1図に1点
鎖線5で示される環状パターンにそい配列されている。
実際の放射領域4は例えば酸化シリコンの絶縁層22の
開口部7の面に位置している。
半導体装置はp形基板8と、深いn形区域9および浅い
区域11からなるn形区域9.11との間にpn接合を
具えている。放射領域4の面ではpn接合はイオン注入
さたp形領域10と浅い区域11との間に形成され、区
域llはその位置で、pn接合6のブレークダウン電圧
においてpn接合の空乏区域がその表面まで延在せず、
ブレークダウンで発生する電子を通過させるに十分薄い
表面層でそこから分離されて残るような厚みと不純物濃
度とを有している。高い不純物濃度のp形領域10の故
に、そのpn接合は電子放射が開口部7の面の領域4で
のみほぼおこるような、より低いブレークダウン電圧を
開口部7内に有する。さらに装置には電極12がある。
この電極はこの実施態様では2つの分割電極12a 、
 12bに分割され、それで発生電子は偏向される。し
かし電極12は必ずしも存在する必要はない、n形区域
9に接触するために接触孔14が接触メタライゼーシッ
ン13のために絶縁層22に設けられ、一方より低い側
で基板8は高い不純物濃度のp形区域15と接触メタラ
イゼーション16とを介して接続される。開口部7内で
はセシウムの単一層が電子の仕事関数を削減するため表
面3に適用される。
第1図および第2図図示の半導体装置の構造、動作およ
び製作方法のさらに詳細な説明は、前記オランダ国特許
出願第7905470号明細書を参照されたい。そこに
示される実施態様では、環状放射パターンは表面にある
酸化物に環状の開口部を設け、そこでのpn接合のブレ
ークダウン電圧が他の部分に比し削減されている手段で
得られる。かかる環状パターンは第1図に1点鎖線5で
示されている。この目的のために規定される環状ストリ
ップはストリップ巾約3μmでリングの直径は約200
μmである。
本発明によれば装置は環状の放射領域ではなく、複数の
(約25)分離放射領域4が約200 prtrの直径
を有するリングに配列されている。分離放射領域4は好
適には円で約2μmの直径を有する。かくて全放射面積
は約1800μm2から80μll+2に削減される。
全体の放射電流が変化しないとすれば、放射電流密度は
かなり大きくなる。かかる放射電流密度の増加は、セシ
ウム層17に吸着さているイオン、原子ならびに分子(
LO、Cot 、 Oz)をより急速に開放する。同時
に放射領域4がより小さいのでそのn形領域6,11を
よぎる電流密度はより高い。
それに関連したより高い電界が放射領域4からの吸着イ
オンの拡散を促進させる。かくて電子放射の安定度は著
しく増大する。
第3図は第1図の部分1日の平面図で、放射領域4と一
点鎖線5で示される領域のみが示されている。
第4図は同じ部分18を示し、約1μ鋼の断面が放射領
域4として選択されている。同じ放射電流では、放射領
域の数は放射領域の直径に逆比例して増加する。約20
0 praの直径を有する変わらないパターン5ではか
かる小さな放射領域を具えた装置は約50の放射領域4
を具えている。
一般に、局所的電流密度の利得は、放射領域4の直径が
小さくなるほど大きくなり、この直径は好適には!0n
a+と110l1+の間の存在する。
放射パターンはまた第5図に示されるように環状パター
ンにわたって一様に分配されてもよく、第5図ではかか
るパターンの部分が約5μ曽の領域5の巾と約1μ割の
放射領域4の直径で表わされている。
他方半導体カソードの安定度は、環状パターンに関し上
述したと同じ方法で、数多のより小さな放射領域をこの
表面に一様に分配することによって全放射面積を削減す
れば増大する。
第6図は、例えば約1.5μmのもとの直径を有する領
域5が約0.5μmの直径を存する3つの放射領域4に
如何に分割されるかを示している。
かかる分割は約10μmよりより小さな領域5の直径を
有するパターンに特に適切である。より大きな直径(1
0−100μm)で第5図に示されたと同じ装置はしば
しばを利に使用される。この方法が一点鎖線5で示され
る正方形の放射領域に使用された本発明に係る装置が第
7.8図に示される。この場合の参照番号は第1,2図
と同じ意味を有し、一方電極12は輪郭のみで示されて
いるのは注目すべきことで、これはこの電極が必ずしも
常に存在しなくてもよいということを再度示している。
環状の形態に配置される代りに、放射領域4はまた線形
パターンに従って、例えば表示装置への適用またはオラ
ンダ国特許出願第8300631号および第84006
32号明細書に記載のごとき応用のために配列される。
第9図と第10図に示される半導体装置1は、主要な表
面3にこの実施態様ではストリップ状で、一点鎖線5に
よって第9図に示される円形パターンのなかに位置する
複数の放射領域を有する、例えばシリコンの半導体基体
2を具えている。放射領域は例えばタンタルのような導
電材料の層13中の開口部7の面に位置している。
半導体装置はp形基板8と、深いn形区域9と浅い区域
11からなるn形区域9,11との間にpn接合6を有
している。放射領域の面で、pn接合はイオン注入され
たp形領域10と浅い区域11との間に位置し、区域1
1はその位置で、pn接合6のブレークダウン電圧にお
いてpn接合の空乏区域がその表面まで延在せず、ブレ
ークダウンで発生する電子を通過させるに十分薄い表面
層でそこから分離されて、残るような厚みと不純物濃度
とを有している。
高い不純物濃度のp形領域10の故に、そのpn接合は
電子放射が開口部7の面の領域でのみ実際にはおこるよ
うなより低いブレークダウン電圧を開口部7内に有して
いる。
開口部7の内部に、例えばセシウムのような仕事関数を
削減する材料の単一層が表面3に付けられる。
この実施態様では、n形区域9,11は絶縁層22の接
触孔14を介して導電層13の手段で接触され、層22
はn形区域9,11の外側で表面3を覆っている。電流
供給が主として層13を介して起こるということから、
有効電流密度は著しく増大する。層13の電位差はまた
小さくそれで例えばセシウムを輸送するような強い電界
は発生しない。
より低い側では、基板8は高不純物濃度p形区域15と
接触メタライゼーション16とを介して接続される。
第9図のストリップ状の開口部7は巾が約1μmで相対
距離約1μmで置かれる。第9図に示される形態では、
充填率約50%が得られる。
導電層13に関しては、材料は好適には例えばタンタル
のようなシリコン中で拡散しないまたはほぼしないもの
が選択される。
第9および第10図図示の装置は簡単な方法例えばイオ
ン注入のp形区域9.11をまず用意することによって
製作される。
次に金属パターン13が例えばリフト−オフ技術の手段
で用意される。一方このようにして得られたメタルパタ
ーンをマスクとして、次にp形区域lOがイオン注入の
手段で開口部7の面に用意され、その結果pn接合6の
ブレークダウン電圧がその位置で減少される。第9およ
び第10図図示の半導体装置の構造と動作に関するより
詳細な説明は、前記オランダ国特許出願第790547
0号を参照されたい。
開口部7はストリップ状ではなく環状に選んでもよく、
この場合放射表面は全表面にわたってほぼ均一に分配さ
れる。カソードの安定度は開口部7の幅それ放電子放射
領域が削減されると増大する。
第11図は半導体基体2の他に、半導体基体から発生ず
に電子電流19により活性される螢光スクリーン23を
具えた、フラット表示装置の立面的斜視図を線図的に示
す。半導体基体と螢光スクリーン間距離は例えば5で、
それらが置かれる空間は排気されている。5からl0K
V程度の電圧が半導体基体とスクリーン23間に電圧源
24を介して印加され、カソードの画像がこのカソード
と同程度であるような高電界をスクリーンと半導体装置
間にかける。
放射領域4は線形パターン5に従う半導体基体の表面に
備えられ、それは補助的な電子システム(図示されず)
、必要なら半導体基体2に集積化された手段で活性化さ
れる。
線形パターンに従う放射をする1つまたは複数の群は、
同じ方法で各時間駆動され、それでこの実施態様では駆
動に従って文字がスクリーン23上に表示される。
第12図は陰極線管例えばハーメチックシールされた真
空管20で、そのテーパが漏斗状で、端部の壁がその内
面に螢光スクリーン21で被覆された撮像管を線図的に
示す。この真空管はさらにフォーカス電極25 、26
と偏向電極27 、28を具えている。電子ビーム19
は上述のような1つまたは複数のカソードで発生し、そ
れらカソードは半導体基体2の上にあり、ホールダ−2
9にマウントされている。半導体装置の電気的接続はリ
ードスル一部材30を介して外部と接触される。
勿論本発明は、ここに示された実施態様には限定されず
、いくつかの変形が本発明の範囲内で当業者にとり可能
である。
例えば電子はなだれ増倍とは全く異なった原理により放
射領域で発生さてもよい。NE^カソードの原理または
英国特許出願第8133501号ならびに第81335
02号明細書に基づく原理からなっていてもよい。
さらに放射領域は必ずしも環状または正方形に選択され
る必要はなく、色々な他の形例えば矩形または長楕円形
でもよく、特に第1,2図図示の装置は電子光学的観点
からはすぐれている。
半導体技術の可能性から、放射領域の直径は第6図示の
実施態様で述べた0、5μmの値よりより小さく選択で
きよう。それで一方では領域5はより多くの放射領域に
分割されてもよいし、他方同数の放射領域でより小さな
直径が領域5用に選択されでもよい。
第6図の丸いパターンがある場合には環状パターンで有
利に起き替えられるのと同じ方法で、第7図のストリッ
プ状パターンは第9図示のごとき矩形状パターンで起き
換えられてもよい。
さらに第8図の装置で、放射領域4は接触拡散9に接す
る一様なn形層11で得られてもよいし、削減されたブ
レークダウン電圧は例えばボロン注入の手段で開口部7
のなかに局所的に得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明半導体装置の平面図、第2図は、第1
図線n−trでの断面図、第3図は、第1図の部分18
の拡大図、第4図は、かかる部分の他の実施例を示す図
、第5.6および7図は、本発明に係わる他の半導体装
置の平面図、 第8図は第7図の線Vl−VTでの断面図、第9図は、
充填率の高い本発明に係わる半導体装置の平面図、 第10図は、第9図の線X−Xでの断面図、第11図は
、本発明に係わる半導体装置で作られた表示装置を示し
、 第12図は、本発明に係わる半導体装置を具えた撮像装
置を示し、 第13図は、本発明に係わるさらに他の半導体装置を示
す図である。 1・・・半導体装置    2・・・半導体基体3・・
・主要な表面    4・・・放射領域5・・・1点鎖
線領域   6・・・pn接合7・・・開口部    
  8・・・p形基板9・・・深いn形区域   10
・・・イオン注入p形領域11・・・浅いn形区域  
 12・・・電極12a、 12b・・・分割電極  
13・・・接触メタライゼーション14・・・接触孔 
     15・・・高不純物濃度のp形区域16・・
・接触メタライゼーション 17・・・セシウム層    18・・・第1図の部分
19・・・電子電流     20・・・ハーメチック
シール真空管21・・・螢光スクリーン  22・・・
絶縁層23・・・螢光スクリーン  24・・・電圧源
25、26・・・フォーカス電極 27、28・・・偏向電極   29・・・ホールダー
30・・・リードスル一部材 代理人弁理士 杉  村  暁  秀 同   弁理士 、杉   村   興   作111
:f C1 扁−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、動作状態で電子の放射のためにほぼ同じ動作調整が
    なされるすくなくとも領域の1群を、主要な表面に有す
    る半導体基体を具えたカソードの手段で、電子電流を発
    生する半導体装置において、その領域の群が、共通の動
    作調整のため、前記領域のすくなくとも2つの対応する
    要素に共通な電気的接続を有することを特徴とする半導
    体装置。 2、前記領域の群が、前記主要な表面の1部にわたって
    ほぼ均一に分配されることを特徴とする、特許請求の範
    囲第1項に記載の半導体装置。 3、前記領域の群が、環状パターンに従って配列される
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第1項または第2項
    に記載の半導体装置。 4、前記半導体基体が、分離して調整可能な領域の複数
    の群を具えたことを特徴とする、特許請求の範囲第1項
    から第3項のいずれかに記載の半導体装置。 5、前記領域がせいぜい100μm^2の表面面積を有
    することを特徴とする、特許請求の範囲第1項から第4
    項のいずれかに記載の半導体装置。 6、前記半導体基体がその主要な表面に接するn形領域
    とp形領域間にpn接合を有し、そのpn接合に逆方向
    電圧がかかると、なだれ増倍によって前記半導体基体に
    電子が発生し、それが半導体基体から放射され、その表
    面には電気的絶縁層が備えられ、その層にはいくつかの
    開口部があり、前記pn接合がすくなくともその開口部
    のなかに前記主要な表面にほぼ平行して延在し、前記p
    n接合の他の部分よりより低いブレークダウン電圧を局
    所的に有し、より低いブレークダウン電圧を有するその
    部分はn形導電層によって表面から分離され、そのn形
    層はブレークダウン電圧で前記pn接合の空乏区域がそ
    の表面まで延在せず、発生する電子を通過させるに十分
    薄い表面層でそこから分離されて残るような厚みと不純
    物濃度とを有している、ことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項から第5項のいずれかに記載の半導体装置。 7、すくなくとも1つの電極が前記絶縁層のすくなくと
    も1部に備えられることを特徴とする特許請求の範囲第
    6項に記載の半導体装置。 8、前記半導体基体がその主要な表面に接するn形領域
    とp形領域間にpn接合を有し、一方そのpn接合に逆
    方向電圧がかかると、なだれ増倍によって前記半導体基
    体に電子が発生し、それら電子が半導体基体から放射さ
    れ、前記pn接合が前記主要な表面に主として平行に電
    子放射領域の面ですくなくとも延在し、前記pn接合の
    他の部分よりより低いブレークダウン電圧を局所的に有
    し、より低いブレークダウン電圧を有するその部分が、
    ブレークダウン電圧で前記pn接合の空乏区域がその表
    面まで延在せず、発生する電子を通過させるに十分薄い
    表面層でそこから分離されて残るような厚みと不純物濃
    度を有する、n形導電層によってその表面から分離され
    、かつそのn形領域が電気的導電材料の層で被覆され、
    その導電層はそのn形領域に接触し、前記電子放射領域
    の面で開口部が備えられることを特徴とする、特許請求
    の範囲第1項から第5項のいずれかに記載の半導体装置
    。 9、前記電子放射領域がほぼストリップ状であることを
    特徴とする特許請求の範囲第8項に記載の半導体装置。 10、前記電子放射領域がほぼ円形の表面領域に分配さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第8項または
    第9項に記載の半導体装置。 11、前記主要な表面が前記電子放射領域の面で電子仕
    事関数を削減する材料の層が被覆されることを特徴とす
    る、特許請求の範囲第1項から第10項のいずれかに記
    載の半導体装置。 12、電子ビームが特許請求の範囲第1項から第11項
    のいずれかに記載の半導体装置から生産されることを特
    徴とする、電荷画像を走査する前記電子ビームを制御す
    る手段を備えた撮像管。 13、電子ビームが特許請求の範囲第1項から第11項
    のいずれかに記載の半導体装置の手段により生産される
    ことを特徴とする、画像を生産する前記電子ビームを制
    御する手段を備えた表示装置。 14、真空中で前記半導体装置から数mmの距離にある
    螢光スクリーンを有し、そのスクリーンが前記半導体装
    置から発生する電子ビームによって活性化されることを
    特徴とする、特許請求の範囲第13項に記載の表示装置
JP25992285A 1984-11-21 1985-11-21 半導体装置 Expired - Lifetime JPH0777116B2 (ja)

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