JPS62229731A - 電子ビ−ム発生用半導体デバイス - 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】 本発明は、ｎ−形表面領域とｐ−形領域とをもった半導
体物体を有する陰極を含んでなり、該陰極においてｐ−
形領域に関する正の偏りをｎ−形表面領域に与えること
により半導体物体を離れる電子が該物体内で発生し得る
、電子電流発生用の半導体デバイスに関する。

本発明はまたかかる半導体デバイスを具えたピックアッ
プチューブおよび表示装置にも関する。

字部に述べたタイプの半導体デバイスは本出願人名義の
オランダ特許願第７９０５４７０号により公知である。

それらは就中、陰極線管に用いられ、その中で、電子放
出が加熱によって生ずる従来の熱電子陰極を代替する。

加うるに、それらは例えば電子顕微鏡用装置に使用され
る。熱電子陰極は、加熱のための高エネルギー消費に加
えて、充分に加熱しなければ放出が生じないので、直ち
に操作の準備が整わないという欠点がある。更に、陰極
材料は蒸発によって結局は無くなるので、これら陰極の
寿命は限られている。

実用上面倒な加熱源を回避し、またその他の欠点を軽減
するために、冷陰極の分野に右いて研究を行なった。

上記特許出願によって公知の冷陰極は、ｐｎ接合がなだ
れ増倍を生ずるような方法で逆方向に働いた場合の半導
体物体からの電子放出に基く。その際、若干の電子は電
子仕事関数を超過するに要する程多くの運動エネルギー
を得ることができ、これらの電子は次いで表面上で開放
され、かくして電子電流を供給する。

このタイプの陰極における狙いは、可能な限り最大の効
率を有することにあり、それは電子に対する可能な限り
最小の仕事関数によって達成し得る。後者は、例えば材
料層を陰極表面上に設けて、仕事関数を減少せしめるこ
とによって実現される。

セシウムは電子仕事関数を最大限に減少させるので、こ
の目的に用いるのに好ましい。

しかしながら、セシウムの使用には欠点があり得る。就
中、セシウムは酸化性ガス（水蒸気、酸素、ＣＯ□）の
（環境における）存在に極めて敏感である。そのうえ、
セシウムは可成り揮発性であり、それは例えば電子リト
グラフィや電子検鏡の場合のように、基体や化合物が陰
極近傍に存在する状態で使用する際には有害であろう。

その場合、蒸発したセシウムは上記対象物に沈着しよう
。

本発明の目的は、就中、仕事関数を減少せしめる材料を
必ずしも使用する必要がなく従って上述の問題が生じな
いような、字部に記載したタイプの半導体デバイスを提
供するにある。

本発明の他の目的は、仕事関数を減少せしめるセシウム
または他の材料を用いても全く問題がないかまたは無視
し得る程僅かな問題しかない、非常に効率の高い前述の
タイプの冷陰極を提供するにある。

本発明の半導体デバイスはこの目的のために、実質的に
真性な半導体領域がｎ−形表面領域とｐ−形領域との間
に介在し、真性半導体材料とｐ−形領域との間の遷移帯
域における真性半導体材料のバンドギャップが、真性半
導体材料とｎ−形表面領域との間の遷移帯域におけるそ
れよりも小さいことを特徴とする特 バンドギャップを充分小さく選択することによって、ｐ
−形領域と遷移材料との間の遷移においては顕著に、電
子が価電子帯から充分に強い電界を有する伝導帯へトン
ネルすることができる。これらの電子は仕事関数を超え
るのに充分な電位エネルギーを有する。表面におけるバ
ンドギャップはより大きいので、トンネル効果はそこで
は殆ど生じない（またそれ故に如何なる電子の発生も殆
ど起こらない）。これは真性半導体材料が、バンドギャ
ップの相違する少なくとも二種の異なった半導体材料よ
りなることで顕著に達成される。

実質的に真性とは、本書においては、不純物濃度が５・
１０６原子／ｃｍ’以下の軽度なｐ−形またはｎ−形ド
ーピングを有する領域の意と解するものとする。

本発明を、若干の具体例と添付図面とを参照してここに
さらに詳述する。

第１図は、電子ビームを発生するに適合した本発明半導
体デバイスを断面で示す。この目的のために、このデバ
イスは半導体物体１を有する陰極を含んでなる。この具
体例においては、半導体物体ｌは主表面２に厚さ約１５
ナノメートルのｎ”　−表面領域３を有し、この領域３
は実質的に真性な半導体層によってｐ゛−形基板４から
分離されている。この具体例においては、実質的に真性
な半導体層は、厚さがそれぞれ約２５ナノメートルと約
５ナノメートルの分層５と６とに分割されている。

ｎ“−形表面領域３、ｐ−形基板４および分層６はこの
具体例にふいては砒化ガリウム（ＧａＡｓ）よりなる一
方、分層５はバンドギャップがより大きい領域例えば砒
化アルミニウムガリウム（Ａ１ｘＧａ＋−ｘ　Ａｓ　　
但しＸ＝０．４）よりなる。作用状態において電子が発
生し、電子ビーム７を生ずる。

電圧を印加してこの作用状態となすために、デバイスは
それぞれｎ゛−形領域３とｐ゛一基板４とに接する金属
接点８と９とを具える。放出は接続電極８中の開口１０
に限られる。何故ならば領域１１は電気的に不活性化さ
れているからである。

第２図は、第１図の■−■線断面を概略的に示し、一方
策３図は、■、のオーダーの電圧が接点８．９（第１図
参照）を横切って電圧源１２を経て印加されるとともに
表面領域３が基板４に関して正にかたよっている場合の
、結合した電子エネルギー線図を示す。電圧■、は充分
に高く、真性部分５，６に充分高い値（例えば　１０”
Ｖ／ａｍ）の電界強度を発生するので、ＧａＡｓ領域６
内で電子はトンネル効果（第３図の矢印１３で表わした
）によって価電子帯から伝導帯に到達する。トンネル電
流密度は半導体材料のバンドギャップのより大きい値に
おいて可成り減少するから、かかるトンネル電流は実質
的にＧａＡｓ領域６に生成されるだけである。領域５お
よび６の厚さと電圧■、との選択された値のために、領
域６における電子の電位エネルギーは電子放出エネルギ
ー　よりも大きい。

に関するエネルギー差は、グリッドとの相互作用によっ
てエネルギー損失が生じた後に、電子の可成りの部分が
半導体物体から放出され得るに充分なエネルギーを有す
る如き値である。

上記電界強度において電子発生はまたなだれ増倍よって
も起こり得るが、それは材料と寸法とを適宜に選択する
ことによって小さくなる。イオン化エネルギーは、Ａｌ
１ｘ　Ｇａ＋−Ｘ　Ａｓにおいては高いが、一方小さい
寸法のために、電子は高電界が存在しても、このイオン
化によって発生する電子のエネルギーが電子放出エネル
ギー　を超える領域において余分のイオン化を実現する
のに充分な電位エネルギーを殆ど取得し得ない。

第１図のデバイスは次のようにして製造することができ
る。亜鉛でドープし不純物濃度が約２・１０１９原子／
ｃＩＩＩ３である砒化ガリウムの（１００）配向したｐ
゛一基板を最初に作る。エピタキシャル蒸着技法、例え
ば、ＭＢＥ　（分子線エピタキν−）またはＭＯＶＰＥ
　（金属有機気相エピタキν−）によって、同様に砒化
ガリウムの実質的に真性の層をその上に約５ナノメート
ルの厚さで相次いで設ける。同様にＡｊ’ｘ　Ｇａ、−
ＸＡｓ層をその上に厚さ約２５ナノメートルで設ける。

層５と６とは最大不純物濃度１０１６原子／ｃｍ’まで
の軽度のドープ（π−またはν−形）をしてもよいが、
好ましくはずっと少なくてよい。

またｎ゛−形表面領域３もエピタキシャル蒸着技法によ
って約１５ナノメートルの厚さと約４・１０Ｉ９原子／
ｃｍ３の不純物濃度とを以って設ける。イオン射突によ
って半導体材料は領域１１の範囲において基板４まで電
気的に不活性とされ、その後この組立品に接続接点８と
９とを設ける。接続接点８を設けるために、デバイスは
代りに、接続するための導電体を間に延設した開口を有
する絶縁層、例えば酸化物層を設けてもよい。その場合
には、所望ならば電気的不活性領域１３を省いてもよい
。

領域１１を電気的に不活性にする代りに、これらの範囲
に空洞を食刻し、次いで酸化物で満たすことにより、必
要ならば接続導電体８を延設し得る平らな表面を得るこ
とができる。

効率をさらに増大するために、デバイスは開口１０内の
表面２にバリウムまたはセシウムの如き仕事関数減少物
質の層を設けることができる。

第４図は本発明の半導体陰極ｌを具えたピックアップチ
ューブ２１の概要を示す。ピックアップチューブはまた
密封真空管２３中に光導電性クーゲットプレート２４を
含んでなり、そのプレートは電子ビーム７で走査される
と同時にピックアップチューブはまたビーム偏向用コイ
ルシステム２７とスクリーングリッド２９とを具える。

ピックアップすべき像はレンズ２８の助けによってター
ゲットプレート２４上に投映され、端壁２２は放射線透
過性である。

電気的接続の目的で、端壁２５にリード線２６を貫設す
る。この具体例においては、第１図の半導体陰極がピッ
クアップチューブ２１の端壁２５上に装設される。

同様に表示管、就中、蛍光スクリーンが端壁２２の範囲
に存在するものを実現することができる。

本発明は勿論上述の具体例に限定されない。横列接続を
構成し、次いで半導体物体の表面に接触する横列配置の
ｐ゛−形帯域を以ってｐ゛一基板４を置換えたマトリッ
クス状に、第１図の構造を多数配設してもよく、また一
方縦列接続は平行配置した接続ビン８を介して実現され
る。

真性半導体材料のバンドギャップの変化は、また八ｊｉ
！　ｘ　Ｇａ＋−Ｘ　Ａｓ、但しＸは表面方向に徐々に
増大するもの、を用いて取得することができる。二つ以
上のタイプの半導体材料の使用も可能である。

加うるに、種々の他の材料、例えば、Ａ３Ｂ５材料の他
の組合わせの如きものを選ぶこともできる。

これらの半導体材料の代りに、Ａ、Ｂ、のタイプの材料
もまた選ぶことができる。

最後に、製造方法における種々の変化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明半導体デバイスの概要断面図、第２図
は、第１図の■−■線概要断面図、第３図は、結合した
電子エネルギー線図を概略的に示し、 第４図は、本発明半導体デバイスを具えた陰極線管を示
す。 ■・・・半導体物質　　　　２・・・主表面３・・・ｎ
＋−形表面領域　４・・・ｐ＋−形基板５．６・・・分
層　　　　　７・・・電子ビーム８．９・・・金属接点
　　　１０・・・開口１１・・・領域　　　　　　　１
２・・・電圧源１３・・・矢印 ２１・・・ピックアップチューブ ２２・・・端壁　　　　　　　２３・・・真空管２４・
・・ターゲットプレート ２５・・・端壁　　　　　　　２６・・・リード線２７
・・・コイルシステム　　２８・・・レンズ２９・・・
スクリーングリッド 特許出願人　　　エヌ・ベー・フィリップス・フルーイ
ランペンファブリケン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ｎ−形表面領域とｐ−形領域とを有する半導体物体
   を含んでなる陰極により電子ビームを発生するための半
   導体デバイスであって、ｐ−形領域に関する正の偏りを
   ｎ−形表面領域に与えることにより半導体物体を離れる
   電子が該物体内で発生し得る半導体デバイスにおいて、
   実質的に真性な半導体領域がｎ−形表面領域とｐ−形領
   域との間に介在し、真性半導体材料とｐ−形領域との間
   の遷移帯域における真性半導体材料のバンドギャップが
   、真性半導体材料とｎ−形表面領域との間の遷移帯域に
   おけるそれよりも小さいことを特徴とする電子ビーム発
   生用半導体デバイス。 ２、真性半導体領域が、バンドギャップの相違する少な
   くとも二種の異なった半導体材料を有する特許請求の範
   囲第１項記載の半導体デバイス。 ３、実質的に真性な半導体領域が、最大不純物濃度、５
   ・１０＾６原子／ｃｍ＾３のπ−形またはν−形である
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の半導体デバイ
   ス。 ４、バンドギャップが小さい方の半導体材料にＧａＡｓ
   を選択し、他方の半導体材料にＡｌＧａＡｓを選択する
   特許請求の範囲第２項記載の半導体デバイス。 ５、電気的絶縁性または不活性の層が表面に存在し、該
   層は半導体表面の部分を開放する少なくとも一個の開口
   を備えており、該開口を通って電子を半導体物体より放
   出し得る前記特許請求の範囲各項の何れか一項に記載の
   半導体デバイス。 ６、ｎ−形表面領域が、電気的に絶縁性または不活性の
   層を横切って延びる接続電極の助けによって主表面上で
   接触する特許請求の範囲第５項記載の半導体デバイス。 ７、放出領域がマトリックス形状に配列され、ｎ−形表
   面領域が、縦列接続を構成する接続電極を介して接触さ
   れるとともに、横列接続は縦列接続の方向に垂直な方向
   に延びる低抵抗性埋設帯域を介して実現される前記特許
   請求の範囲各項の何れか一項に記載の半導体デバイス。 ８、電子ビームを送り出す手段を具え、該電子ビームが
   電荷の像を走査するピックアップチューブにおいて、上
   記電子ビームが前記特許請求の範囲第１項乃至第７項の
   何れか一項に記載の半導体デバイスによって発生せしめ
   られることを特徴とするピックアップチューブ。 ９、電子ビームを送り出す手段を具え、該電子ビームが
   像を生成する表示デバイスにおいて、上記電子ビームが
   前記特許請求の範囲第１項乃至第７項の何れか一項に記
   載の半導体デバイスによって発生せしめられることを特
   徴とする表示デバイス。