JPS62219425A - 電子放射半導体装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は陰極線管における電子放射源、或いはリソグラ
フィー装置における感光剤への電子ビーム照射源等に用
いることのできる電子放射半導体装置に関わる。

〔発明の概要〕

本発明は、特定の半導体層の繰返し構造による電子走行
の散乱要因を抑制した電子走行層を設け、その重ね合せ
によるヘテロ接合面にほぼ沿う方向の電界を与えること
により、この方向から電子放射を行うようにする。

（従来の技術〕 一般に、テレビジョン受像管を始めとする各種陰極線管
等の電子放射源としては、通常、加熱によってカソード
材から熱電子を放出させる熱電子放射源が用いられる。

この場合、通電開始後、熱電子放射が開始されるまで成
る程度時間が掛ることから例えばテレビジョン受像機に
おいてスイッチをオンしてから画像が、映出する迄に時
間を要する。この時間の短縮化をはかるに熱電子放射源
のヒータに予備加熱のための通電を予め行って置くなど
の方法が採られるが、この場合は、電力の無駄が生じる
。

また、熱電子による場合、エネルギー的にも、多様な電
子群を形成するので、発射された熱電子には可成り幅広
い速度の差があり、これがためこの熱電子ビームに対す
るフォーカシング：などの電界による制御性は良好では
なく、電子ビームの照射面、例えば陰極線管における螢
光面での解像度の向上には自づと制限がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように熱電子放射源には、即応性の問題、電力
消費の問題、解像度の問題等が存在する。

本発明においては、熱電子放射によらない、いわゆるコ
ールド・エミ・・・フダ構成により、上述した諸問題の
解消をはかることができる新規な電子放射半導体装置を
提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕　゛ 本発明は、第１図或□いは第２図に示すように、例えば
Ｇａ・Ａｓ化合物半導体基板（１）上に電子走行層（２
）を設け、これの上に電子供給層（５）を設ける。

電子走行層（２）は、第１図に示すように、極薄半導体
層（３）とワイドギ・ヤップ半導体層（４）との繰返し
重ね合せ構造ををするか、或いは第２図に示すように、
超格子構造半導体１ｉ（１３）とワイドギャップ半導体
層（１４）との繰返し重ね合せ構造を有して成る。

そして、第１図のものにおいては、極薄半導体層（３）
とワイ・ドギャップ半導体層（４）とを後述する第１の
化合物半導体と第２の化合物半導体により構成し、第２
図のものにおいては、超格子構造半導体層（１３）を、
第３図に示すように少くとも後述する第１及び第２の化
合物半導体Ｎ膜Ｎ　（１３ａ　）及び（１３ｂ）の繰返
し重ね合せ構成とする。

上述した第１及び第２の化合物半導体は、第４図に示す
分散関係において夫々のＬＯ（ＩＱ型光学的）フォノン
ブランチ（３１ａ　）及び（３１ｂ）、各ＬＡ（縦型者
ＶＩ）フォノンブランチ（３２ａ）及び（３２ｂ）の振
動数が重なることのない化合物半導体によって構成する
。すなわち、第１及び第２の化合物半導体が、夫々Ａと
Ｂ、ＣとＤの各元素による化合物（ＡＨ）及び（ＣＤ）
から成る場合、各化合物の各構成元素のうち、夫々その
原子量の小さい方の元素同士の原子量に大きな差がある
材料を選定するものであり、例えば（八Ｂ）と（ＣＤ）
として、ＧａＡｓと＾ＩＰ、ＩｎＡｓとＡｌＡｓ、　Ｉ
ｎＡｓとＡｌＰを用いることができる。

そして、更に、その電子走行層（２）の電子を局在させ
る半導体層、すなわち第１図の構成では極薄半導体層（
３）、第２図の構成では超格子構造半導体層（１３）の
全厚ａをａ≦□を満たすようにする。ここでｑは電子を
局在させる化合物半導体層（３）または（１３ａ）にお
けるその運動量であって、このｑは ｑ＝ｍ　　ｖｓ　　　　　　　　・・・・（２）であり
、ｍ′は電子の有効質量、ＶＳはこの化合物半導体層の
構成材料のバルク中での電子の飽和速度である。このよ
うにすると、閉じ込められた運動量π／ａは、ｑに対し
□≧ｑなる関係を満す。又ここて屓（１３）を構成する
半導体薄膜層（１３ａ）及び（１３ｂ）の厚さを、８原
子層以下とする。また、電子走行層（２）のワイドギャ
ップ半導体層（４）、　　（１４）は、これのバルクと
しての性質を失うことのない程度の例えば３０人とする
ものの、これに挟まれた半導体層は第１図に示すよ・う
に極薄半導体Ｍ（３）若しくは第２図及び第３図に示す
超格子構造で半導体ｒ＠（１３）であることによって、
いずれの場合も、電子走行層（２）が基板面に対し縦型
の超格子構造とされるものであり、第２図及び第３図の
例は、いわば２Ｍ超格子構造によっているものである。

また、電子供給層（５）は、第１図の例では極薄半導体
層（３）のエネルギーバンドギャップ幅より、また、第
２図の例では超格子構造半導体層（１３）の有効エネル
ギーバンドギャップ幅よりその有効バンドギャップ幅が
大なる１の導電型、例えばｎ型の単層のワイドギャップ
化合物半導体層、或いは超格子構造半導体層より構成さ
れる。

電子走行層（２）中のヘテロ接合、すなわち第１図にお
ける極薄半導体層（３）とワイドギャップ半導体層（４
）との間のヘテロ接合面Ｊ％１、或いは第２図及び第３
図における超格子構造半導体層（１３）中の各ヘテロ接
合面Ｊｓとこれとワイドギャップ半導体層（１４）との
間のヘテロ接合面Ｊ１１とは、電子走行層（２）と電子
供給層（５）との間のヘテロ接合面Ｊに対しほぼ直交す
る方向に平行配列される。

そして、これら電子走行層（２）に沿い且つ各ヘテロ接
合面Ｊｓ及び九に沿う方向に電界を印加する電界印加手
段を設ける。この電界印加手段は、例えば電子供給層（
５）に対の電極（６）及び（７）を、電子走行層（２）
中のヘテロ接合面Ｊｓ及びＪ−の再延長端部に対向する
ように配列形成し、両電極（６）及び（７）間に例えば
直流型Ｈｓを接続する。一方の１極（６）は例えば電子
走行層（２）に達する深さにアロイし、他方の電極（７
）は電子走行Ｍ　（２）に至ることのないように電子供
給層（５）に被着する。

このような構成とすることによって、電子走行層（２）
の、バンドギャップ幅の人なる電子供給層（５）との界
面（接合Ｊ）側に、特に極薄半導体層（３）、或いは超
格子構造半導体層（１３）の一方の低バンドギャップの
半導体薄膜層における限定された領域に、したがって第
５図にコンダクションバンド側のバンドモデル図を示す
ように三角状のポテンシャルの谷による電子ガスＮ　（
８）がこれらＪｉｉ　（３）或いは（１３）の一方の低
バンドギャップの半導体の延長方向に沿う一方向に沿っ
てしたがって１次元的に形成されることになる。

〔作用〕

上述したように本発明によれば、一方向に沿っていわば
１次元的な電子ガス層（８）が形成されるものであるが
、第１及び第２の化合物半導体による超格子構造におい
て、ＬＯ及びＬＡ両フォノンの分散関係の重なりがない
ことによってこれらフォノンは伝搬することができず、
局在することになる。

このように本発明構成では、ＬＤフォノンを局在させた
ことによりキャリア走行域のキャリア移動度を高めるこ
とができる。

キャリア移動度μは、 μＸ□　　　　　　　　　　・・・・（３）（Ｗは電子
とＬＯフォノンとの散乱確率）であり、Ｗは、 （Ｍはマトリックスエレメント）であるので、超格子構
造によるマトリックスエレメントＭ”８Ｌと、超格子構
造によらない化合物半導体バルクのそれＭｌｆ）との比
に・ついてみると、例えば、ワークブック・オン・イン
ターナシラナル・コンファランス・オン・エレクトロニ
ック・プロパティーズ・オン・２−デイメンショナル・
システム（Ｎ、Ｓａｗａｋｉ。

Ｗｏｒｋｂｏｏｋ　　ｏｆ　　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ　　　　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　２−ｄｉｍ
ｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍｌＳ。

Ｋｙｏｔｏ、　１９８５．　Ｐ６３９）にあるように、
ＱＪ２＋Ｑｚ　　（Ｑｚ　＋　　　　）Ｍ　ＩＪＴＳＬ
　／ｐＪｉ　３Ｄ　ｍ　　□ｑＪ２＋　（ｑｚ±−）９ ・・・・（５） である。

こ＼に、Ｑｚは、超格子構造の接合面と直交する方向の
キャリアの運動量であり、ｑ上はそれに直交する方向の
運動量である。上述した本発明構成では、キャリアの走
行方向に半導体Ｋｍ層（３ａ）及び（３ｂ）の面方向に
選定したことにより、ｑｚ〜０であるので（５）式から ｑ　Ｊ２＋　（−）’ ・・・・（５）′ となる。

そして、本発明においては、ａを、（１）式のｑ　　　
　　　　ｑ　上 Ｑｚ２）０なのでｑ”＞ｑＬ２−ｅｑ≧ｑ↓ｌより小と
なり、（３）式及び（４）式から、移動度μが充分大き
くなることが分る。

そして、更に本発明構成では、上述したように電子を１
次元化することに特徴がある。すなわち、例えばジャパ
ニーズ・ジャーナル・オンアプライド・フィジックス１
９　Ｌ７３５　　（８０１）の榊　裕之氏による論文に
より、！！性敗乱１．すなわち、クーロン散乱、ＬＡフ
ォノン散乱が抑えられる。さうに、ＬＡフォノンでも、
大運動量のものは、エネルギーを持ち去るが、第４図に
示した曲線（３２ａ）及び（３２ｂ）で示す重なりのな
いＬＡフォノンブランチのものを組合せ用いることによ
って、大運動量のＬＡフォノンの疑領局在が生じること
によってＬＯフォノンに対するのと同様の議論によりピ
エゾエレクトリック散乱の抑制が得られる。

上述したように、本発明構成によれば、ＬＯフォノン散
乱、Ｌ＾フォノン散乱、その中でも特にピエゾエレクト
リック、クーロン散乱が抑制されることによって、、電
子の、移動度は飛躍的に向上すると共に上述したように
、、大運動量フォノン散乱が抑制されることによ、うて
、エネルギーバンドのバレー間敗勢が抑え、られること
により、これらによる電子の運動エネルギーの低下、運
動方向の無秩序化等を、回避でき電子は、恰も真空中を
走るが如く加速され、且つエネルギーを得る。つまり、
相対論的電子を半導体中に存在させることができる。

すなわち、半導体中の電子の有効質量ｍ８は、真空中の
質量−〇の約１／　１００であることから相対論的エネ
ルギーは、 ｍ”　　　ｃ　　２　−１０−２５ｏｃ２＝５ＫｅＶと
低下し、ＱｅＶイＣまでの加速が可能となってくる。こ
のとき光速に対する電子の速度の比βは、β−Ｐ／、乍
１−７２４．，２〜ｌ／ｆｉとなり、電子の速度は真空
中の光速にほぼ等しい速さを持つと考えられ、したがっ
て、電子は、半導体中で、１μｍ／ｃ＝１０−６／３Ｘ
ＩＯ”　　（ｍ／ｓ）　＝１０−１５ｓｅｃという超高
速が得られ、電場印加によって加速された高エネルギー
の電子が電子走行層（２）の端面から外部に放出される
ことになる。

〔実施例〕 第２図及び第３図を参照して、本発明装置の一例につい
て説明する。この場合、例えば半１ｆ！を練性のＧａＡ
ｓ単結晶基板（１）上に、前述した電子走行層（２）と
、これの上にワイドバンドギャンプのｎ型の半導体層（
５）による電子供給層（５）を気相成長する。

この電子供給層（５）は例えばＡｌｌ　ＧａＡｓ或いは
ＡｆＡｓの単層半導体層、或いは２種以上の混晶化合物
半導体の繰返し積層による超格子構造を採ることができ
る。

電子走行Ｎ（２）の超格子構造半導体層（１３）は、Ｇ
ａＡｓより成るバンドギャップの小さい第１の化合物半
導体薄膜層（１３ａ）と、これに比しバンドギャップの
大きいＡｌＡｓより成る第２の化合物半導体薄膜！（１
３ｂ）との繰返し積層構造をとる。第１の化合物半導体
薄膜層（１３ａ）は前記（１）式を満足する厚さに選定
する。

これら第１及び第２の化合物半導体薄膜層（１３ａ）及
び（１３ｂ）をＧａＡｓ１ｉとｕＡｓＪｉｉとするとき
各超格子構造半導体層（１３）は、各ＧａＡｓ層とＡｊ
ｔＡｓ層とを夫々１原子層としてこれらの５周期分の積
層構造とするとか、夫々２原子屓として３周期分の積層
構造とすることができる。

また、これら超格子構造半導体Ｗ１（１３）と重ね合せ
られてワイドギャップ半導体薄膜層（１４）は、３０Ａ
ａ度、すなわち１０原子層程度以上の厚さのＡｌＡｌ１
層によって構成し、超格子構造半導体層（３）との繰返
えし配置によって２重の超格子構造を構成するようにす
る。

そして、電子供給層（５）に、上述したように電極（６
）及び電極（７）を形成する。

このような構成によれば前述したように超格子構造半導
体層（１３）の、これの上の電子供給層（５）とのヘテ
ロ接合面Ｊ側に、電子ガス層が生じるが、この場合、電
子走行層（２）中に、ヘテロ接合面Ｊと交る方向にバン
ドギャップの大きい半導体薄膜層（１４）が存在してい
ることにより電子ガス層は一次元電子ガス層の構成とな
る。

また、この例では、電子走行層（２）をいわば２重超格
子構造とした場合であるが、第１図に示すように夫々８
原子層以下、望ましくは２原子層以下の複数の極薄半導
体層（３）が比較的厚いワイドギャップ半導体層（４）
間に挾み込まれた構造とすることもできる。

また、上述した例では、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの組合せ
による超格子構造とした場合であるが、そのほか、ＡＪ
ＰとＩｎＡｓとの組合せなど種々の変更をとり得る。

〔発明の効果〕

上述したように本発明によれば、ＬＱフォノン。

ＬＡフォノンによる電子の散乱を効果的に回避したこと
により印加電界により電子が効果的に加速され、か・つ
そのエネルギーが失われることなく高速をもって半導体
から飛び出させることができるものであり、更に、この
電子放出機構は熱電子放出によるものではないことから
、この電子放出は電源投入後直ちに開始され即応性にす
ぐれ、電力消費の問題の解消がはかられる。また放出さ
れる電子のエネルギー、速度は一様性が高いことがら、
電界による制御性の向上がはかられ、陰極線管、或いは
感光剤の硬化処理の電子ビーム源として用いて解像度の
高いビームスポットを得ることができるなど、実用上大
きな利益をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明による電子放射半導体装
置の各側の路線的拡大斜視図、第３図は第２図の要部の
拡大斜視図、第４図は運動量−振動数分散図、第５図は
バンドモデル図である。 （１）は基板、（２）は電子走行層、（５）は電子供給
層、（６）及び（７）は電極である。 ｔつ形りけ４−４４ふ縫ＩＩｔＲ−４列の拡大斜千屯国
第１図 ｔ）放射半尋朔（縫！の一４列−掠大金１１０　。 □ 第２図 第３図 第４図　　　　　第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子走行層と、 この電子走行層上に形成された電子供給層と、電界印加
   手段とを有し、 上記電子走行層は、極薄半導体層とワイドギャップ半導
   体層との繰返し重ね合せ構造を有し、上記電子走行層の
   上記極薄半導体層と上記ワイドギャップ半導体層とは分
   散関係において各ＬＯフォノンブランチ及びＬＡフォノ
   ンブランチの振動数の重なりがない化合物半導体より成
   り、上記極薄半導体層は、その厚さａが、 ａ■π／ｑ （但し、ｑはこの極薄半導体層における電子の運動量ｑ
   ＝ｍ＾＊ｖ＿ｓであり、ｍ＾＊は電子の有効質量、ｖ＿
   ｓはこの極薄半導体層の構成材料のバルク中での電子の
   飽和速度）に選定され、 上記電子供給層はワイドギャップの化合物半導体層から
   成り、 上記電子走行層中の上記極薄半導体層と上記ワイドギャ
   ップ半導体層との間のヘテロ接合面は、上記電子走行層
   と上記電子供給層との間のヘテロ接合面とほぼ直交する
   ように配置され、上記電界印加手段により上記電子走行
   層の面に沿い且つ該電子走行層中の上記ヘテロ接合面に
   沿う方向に電界を印加して電子走行を行わしめて該電子
   走行層の端面から電子放出を行わしめることを特徴とす
   る電子放射半導体装置。 ２、電子走行層と、 この電子走行層上に形成された電子供給層と、電界印加
   手段とを有し、 上記電子走行層は、超格子構造半導体層とワイドギャッ
   プ半導体層との繰返し重ね合せ構造を有し、 上記電子走行層の上記超格子構造の半導体層は、分散関
   係において各ＬＯフォノンブランチ及びＬＡフォノンブ
   ランチの振動数の重なりがない少くとも２種の化合物半
   導体薄膜層の繰返し構造を有し、 該超格子構造の半導体層の電子を局在させる化合物半導
   体薄膜層は、その厚さａが、 ａ■π／ｑ （但し、ｑはこの電子を局在させる化合物半導体薄膜層
   における電子の運動量ｑ＝ｍ＾＊ｖ＿ｓであり、ｍ＾＊
   は電子の有効質量、ｖ＿ｓは、この化合物半導体薄膜層
   の構成材料のバルク中での電子の飽和速度）に選定され
   、 上記電子供給層はワイドギャップの化合物半導体層から
   成り、 上記電子走行層中の上記超格子構造半導体層の各ヘテロ
   接合面及び該超格子構造半導体層と上記ワイドギャップ
   半導体層との間のヘテロ接合面とは、上記電子走行層と
   上記電子供給層との間のヘテロに接合面とほぼ直交する
   ように配置され、 上記電界印加手段により上記電子走行層の面に沿い且つ
   該電子走行層中の上記各ヘテロ接合面に沿う方向に電界
   を印加して電子走行を行わしめて該電子走行層の端面か
   ら電子放出を行わしめることを特徴とする電子放射半導
   体装置。