JPS6345732A - 固体電子ビ−ム発生装置 - 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、固体電子ビーム発生装置に関するものである
。

［従来の技術］ 従来から知られている固体電子ビーム発生装置のひとつ
として、例えば米国特許４．２５９．６７８号に開示さ
れた装置がある。この米国特許に開示された装置は、Ｓ
ｉ半導体基板上にｐｎ接合を形成し、当該ｐｎ接合に逆
電圧を印加し、アバランシェ効果により熱平衡状態より
も高いエネルギーをもった電子（以後、ホットエレクト
ロンを呼ぶ）を生成し、ホットエレクトロンの有する運
動エネルギーを利用して真空中に電子ビームを取り出す
ものである。

しかしながら、かかる装置にあっては、アバランシェ効
果により生じるホットエレクトロンのうち、真空準位よ
りも高いエネルギーをもつ割合が少ないため、取り出さ
れる電流量が小さいという問題点があった。

従来から知られている第２の固体電子ビーム発生装置は
、特公昭５４−３０２７４号公報に開示されているよう
に、ＧａＰ半導体基板上にＡｊ２　、Ｇａ　（１−＋ｃ
）　Ｐ　（０≦Ｘ≦１）からなるｐｎ接合領域を設け、
そのｐｎ接合領域に順方向電圧を印加し、ｎ領域からｐ
領域に注入された電子を外部に取り出すものである。

ところが、かかる装置にあっては先に述べた米国特許の
場合に比べてキャリア量を大きくすることができるとい
う利点を有する反面、ホットエレクトロンを形成する領
域がないため、真空中への電子の放出効率が低く、且つ
ＧａＰ基板には結晶欠陥が多く良好なｐｎ接合領域が形
誓できないという欠点がみられる。

また、上述した２つの従来技術より先に知られている米
国特許３，１１９，９４７号には、Ｓｉ半導体基板上に
ｎｐｎ領域を形成し、両者のｎ型領域間に電圧を印加さ
せて電子を放出させる装置が提案されている。かかるｎ
ｐｎ型の装置によれば、第１の従来技術として述べた装
置（ｐｎ接合を利用した装置）の放出効率が１Ｏ−６程
度であるのに対し、放出効率を１０−４程度まで向上さ
せることが考えられる。

しかしながら、上記ｐ型領域と電子放出面側のｎ型領域
は数１００人と薄く、かつ、均一に設ける必要があるた
め、その作製が難しく現実的でないという問題点をもっ
ていた。

［発明が解決しようとする問題点］ よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、簡易な構成に
より製作工程を容易にすると共に、電子放出効率を十分
に高めた固体電子ビーム発生装置を提供することにある
。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明では、第１のバン
ドギャップを有するエミッタ領域と、前記第１のバンド
ギャップより狭い第２のバンドギャップを有するベース
領域と、電子放出面を有するコレクタ領域とにより成る
ヘテロバイポーラ半導体を、Ｓｉ基板上に設けたＧａＡ
ｓエピタキシャル膜の上に形成し、前記エミッタ領域か
ら前記ベース領域に対して電子を注入すると共に、前記
ベース領域および前記コレクタ領域間に逆バイアス電圧
を印加して当該電子を前記電子放出面から放出するもの
である。

［作　用］ Ｓｉ基板上にＡＪ２　ＧａＡｓ系膜を成長させることに
より、広いバンドギャップを有するエミッタ領域から狭
いバンドギャップを有するベース領域に電子を注入し、
さらにコレクタ領域に生じている電界で加速して十分大
なる運動エネルギーを電子に与え、その電子をコレクタ
領域の端面から放出させる。Ｓｔ基板は熱抵抗が小さい
ため、電流密度の高い電子ビーム発生装置が実現できる
。また、Ｓｔの集積回路と電子ビーム発生装置との結合
も容易になる。

〔実施例］ 以下、実施例に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す断面構成図である。

本実施例では、Ｓｉ基基板上上ＭＯＣＶＤ　（Ｍｅｔａ
ｌ−ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ
　Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ）？去を用いて、ＡＬＰ層２およ
びへλＧａＰ層３を成長させ、続いてＧａＰとＧａＡｓ
Ｐの超格子層４　＋’　ＧａＡｓＰとＧａＡｓの超格子
層５を設け、その上にＧａＡｓ層６を成長させる。更に
、ＧａＡｓ層６の上にｎ＋型ＧａＡｓ層７．Ｎ型ＡＪ２
　、Ｇａｎ−ｘ＋Ａｓ層８（０＜ｘ≦１）を成長させる
。このＮ型ＡＪ２ｘＧａ（、−，１１Ａｓ層８の電子ビ
ーム発生部以外は、不活性層を形成するために、０をイ
オン注入装置で打ち込む。

Ｎ型Ａｎ　、Ｇａ（、−ｘ１Ａｓ層８の上には、ｐ型Ｇ
ａＡｓ層１０、ｎ型ＧａＡｓ層１１を設ける。また、こ
のｎ型ＧａＡｓ層１１の表面には仕事関数低下材（例え
ば酸化セシウム（Ｃｓ−０））１２を拡散、シ＜は付着
する。

上述した構成を更に詳述にすると次のとおりである。

８はエミッタとして作用するＮ型 ＡＪＺｘＧａｕ−ＸＩＡＳ層である。ここで、Ｘは混晶
の組成を表す定数であり、Ｏ＜ｘ≦１の値を有する。

また、大文字の“Ｎ”は、バンドギャップが広いＮ型領
域であることを表す。９は、このＮ型＾ｆＸＧａＴＩ−
ｘ）Ａｓ層に酸素を注入して形成した不活性層である。

１０は、ベースとして作用するｐ型ＧａＡｓ層である。

ここで、小文字のｐ”は、バンドギャップが狭いｐ型領
域であることを表す。なお、ｐ型ＧａＡｓ層の代わりに
、　＾１を加えてｐ型ＡＩＬ２Ｇａ　１１−２１八Ｓ層
（Ｏ≦ｚ＜ｘ）とすることにより、バンドギャップの大
きさを制御することも可能である。

１１は、コレクタとして作用するｎ型ＧａＡｓである。

ここで、小文字の”ｎ”は、先に述べた“ｐ”と同じく
、バンドギャップが狭いｎ型領域であることを表す。な
お、ｎ型ＧａＡｓ層の替わりに、ｎ型Ａｊ！　ｔｅａ＋
ｔ−ｔ＋Ａｓ層（０≦ｔ≦１）を用いることも可能であ
る。

これまでの説明から明らかなとおり、本発明に係る固体
電子ビーム発生装置はへテロバイポーラ型トランジスタ
と類似の層構成を有するものである。

また、１ｚはコレクタ層１１の表面に付着又は拡散させ
たＣ５−０層であり、電子放出面として作用する。この
Ｃｓ−０層の替わりに、Ｃｓ等のアルカリ金属と、Ｃｕ
、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｄｉ、Ｓｅ、Ａｓ、Ｐ、Ｔｅ、Ｓ
ｔ、Ｏの中の少なくとも１つを含む材料を付着もしくは
拡散させることも可能である。

１３はエミッタ用電極、１４はベース用電極、１５はコ
レクタ用電極である。

ｎ型、Ｎ型半導体用電極としては、Ａｕ−Ｇｅ。

Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ等を、またｐ型半導体用電極としては
Ａｕ−５ｎ　、Ａｇ−Ｚｎ　、Ａｕ−Ｂｅ　、Ａｕ−Ｚ
ｎ等を使用すれば良い。

第１図において、ｐ型ＧａＡｓの電極は直接ｐ型ＧａＡ
ｓ表面に形成されているが、電極形成部の下にＢｅイオ
ンをドープしてｐ０型領域を形成した後に電極を形成し
てよい。あるいは、ｐ型ＧａＡｓ表面にｐ０型ＧａＡｓ
層を成長させ、その上に電極を形成しても良い。

以上のように、本発明の第１実施例では、Ｓｉ基板上に
ＧａＡｓ−＾ｉ、Ｇａ＋−１１Ａｓ系によるＮｐｎ形の
エピタキシャル膜を成長させである。

次に、第２図および第３図を参照して本実施例の動作を
説明する。

第２図は熱平衡時のエネルギーバンド図、第３図はバイ
アス電圧印加時のエネルギーバンド図である。

上述した実施例のエミツタ層８は、先に述べたとおり、
ベース層１０への電流注入効率を上げるために、広いバ
ンドギャップ材であるＡ１１　ｘＧａ　（１−ＸＩＡｓ
層を用いている。ここでｌの混晶比Ｘについては、良質
なペテロ接合を可能にすると共に、Ｌ−バンド、Ｘ−バ
ンドの影響を考慮して、Ｘ＝０．３に設定した場合を示
しているが、この値に限定されるものではない。

また、エミツタ層８のドープ量は高ドープ（５ｘ　１０
１７〜１　ｘ　１０”ｃｍ−’）　　とし、多くのキャ
リアがベース領域に注入されるようにしである。ただし
、電子ビーム発生領域以外は酸素イオン注入等により不
活性化しである。このような程度のドープ量になると、
縮退状態となり、フニルミ準位が伝導帯の上に位置する
。

なお、上記エミツタ層８の膜厚は、第２図では１５００
人としたが、上記エミツタ層とｎＩ型ＧａＡｓ層７の領
域に設ける電極１３との接触が良好なオーミック形とな
り、かつベース層ｌＯに注入するキャリア量が多くとれ
るものであれば如何なる膜厚でもよい。

次にベース層について説明する。先に述べたとおり、ベ
ース層１０への電流注入効率を向上するために、狭いバ
ンドギャップ材であるｐ型ＧａＡｓ層を用いている。こ
のｐ型ＧａＡｓ層へのドープ量は低抵抗化のために５　
Ｘ　ｔｏ”ａｍ−３とし、かつベース領域での散乱を少
なくとするためにベース層１０の膜厚を３００人にする
。

また、エミツタ層８のバンドギャップとベース層１０の
バンドギャップは異なるため、その境界面では第２図に
示す如く、スパイクが形成される。

いま、エミツタ層としてＡ１゜、　３Ｇａ、、　、Ａｓ
を用い、ベース層としてＧａＡｓを用いると、そのスパ
イクの高さ△Ｅｅは０．３１８ｅＶとなる。

コレクタ層１１の表面には酸化セシウム（Ｃｓ−０）が
拡散されているため、コレクタ層表面の仕事関数は、１
．４ｅＶと低くなフている。また、コレクタ層１１のド
ープ量は、コレクタ用電極１８との接触をオーミックと
し、且つ低抵抗にするために、高ドープ（１ｘ　１０”
ｃｍ−’）にする。本実施例ではコレクタ層８の膜厚を
１０００人としたが、何らこの値に限定されるものでは
ない。すなわち、コレクタ用電極１８とのオーミック接
触が良好に行なわれれば、コレクタ層１１の膜厚はさら
に薄いものが望ましい。コレクタ層１１は、ＭＢＥ（Ｍ
ｏｌｅｃｕｌｅｒ　ＢｅａｎＥｐｉｔａｘｙ）装置もし
くはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　ＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置
を用いて成長させられるので、良質で均一な膜が形成さ
れる。

次に、第３図を参照して、本実施例にバイアス電圧を印
加した時の状態を説明する。この第３図は、第１図示の
素子が熱平衡状態にある時エミッタベース間に順方同バ
イアス電圧としてｖｉａを、ベースコレクタ間に逆方向
バイアス電圧としてＶａｃを印加したときのエネルギー
バンド図である。いま、エミッタベース間電圧ｖ０とし
て１．４５Ｖを印加すると、エミツタ層８における擬似
フェルミ準位ＥＰがベース層１０の伝導帯に近づく。

ベース層１０に注入されたキャリアは第３図に示すスパ
イクにより（すなわち、熱的に越えるか、トンネル効果
により）ホットエレクトロンになる。その後、上記ホッ
トエレクトロンはペースコレクタ間のバイアス電圧’／
ＢＣによって生じる電界により、さらに加速されて運動
エネルギーが十分に大となる。

なお、ベース層ｌＯを通過する電子のもつエネルギーは
真空準位に比べて約０．７ｅＶ高い所に位置しているた
め、コレクタ層１１で、散乱を受けてエネルギーを失う
にも拘らず、多くの割合の電子が真空中に放出される。

また、Ｃｓ−０を拡散させたコレクタ層表面の電子放出
効率外の領域にＳｉｎ、絶縁層および外部加速用電極（
いずれも図示せず）を設けて外部電界を印加することに
より、第３図中に破線で示す如く、真空準位は△φ、た
け低下し、電子放出効率がより向上する。

第４図は本発明を通用した第２実施例を示す断面図、第
５図は本実施例が熱平衡状態にある時のエネルギーバン
ド図、第６図は本実施例にバイアス電圧を印加した時の
エネルギーバンド図である。

第４図に示した第２実施例が第１図に示した第１実施例
と異なる点は、ｐ型ＧａＡｓ層１０によって形成される
ベース領域に、非ドープＡｊ！　ｏ、　５Ｇａｏ、　ｔ
Ａｓによるバリア層と、非ドープＡＪｌｓＧａ（１−、
ＩＡｓ　（０≦Ｓ＜ｙ）によるウェル（胃ｅｌｌ）層と
、非ドープ＾１゜、３Ｇａｏ、ｙＡｓによるバリア層と
からなる共鳴トンネル部３０を設け、共鳴トンネル準位
を形成したことにある。その他の構成は、第１図と同じ
である。従って、本実施例の基本的な動作は第１図〜第
３図に関して説明した第１実施例と同様であるので、−
数的な動作説明は省略する。

共鳴トンネル部３０としてバリア層の膜厚を３０人、ウ
ェル層の膜厚を２０人とすると、第１共鳴準位は、ベー
ス領域における伝導帯の上０．１１ｅＶの所に形成され
る。そこで第６図に示すように、エミッタベース間電圧
ｖＥ♂を順方向に印加し、エミッタ領域の擬似フェルミ
準位と上述の共鳴トンネル準位とを一致させると、共鳴
トンネル準位を経由してホットエレクトロンがベース層
１０を通過する。

また、エミツタ層８のドープ量をＩ　Ｘ　１０１１０ｌ
６’程度にすると、エミツタ層の擬似フェルミ準位Ｅ。

と伝導帯のエネルギーＥＣとの差は　△Ｅ　＝　Ｅ、−
Ｅ。

ａ＜０．０１［ｅＶ］となり、共鳴トンネル準位のエネ
ルギーの幅△Ｅと一致する。さらに、ｐ型ＧａＡｓ層（
ベース層）　１Ｇを高ドープ状態（１ｘ　１０”ｃｍ”
”）としであるため、バリア層およびウェル層のエネル
ギーバンドが平らになり、対称型の２１バリア構造が形
成される。よって、共鳴トンネル部３０を透過する電子
の割合は大きくなる。

本実施例では、共鳴トンネル準位のエネルギー幅△Ｅに
よりホットエレクトロンのエネルギー幅が制限されるた
め、低いエネルギーを持ったキャリアがベース層および
コレクタ層に流れ込まなくなる。よって、コレクタ領域
表面の準位に落ち込んでいくキャリア（すなわち、低い
エネルギーの電子）が少なくなり、デバイスの劣化が少
なくなるという利点も得られる。

なお、第４図ないし第６図に関して述べた第２実施例で
は、エミッタ領域とベース領域とのへテロ界面接合を急
峻にしてスパイクを形成させであるが、共鳴トンネル準
位を形成する２重バリア構造部でもホットエレクトロン
が生じるので、必ずしもこのスパイクは必要でない。こ
の場合には、エミッタ領域とベース領域との界面の組成
を連続的に変化させた傾斜（ｇｒａｄｅｄ）層を設けれ
ば良い。

なお、これまで述べてきた第１実施例および第２実施例
では超格子層を用いたバッファ層を利用するものについ
て説明したが、Ｓｉ基板上に低温成長させた超薄膜バッ
ファ層を利用するもの（ＧａＡｓ／ＧａＡｓバッファ層
　（＜２００人）／Ｓｉ系）であっても良い。さらに、
ＩＩＩ　−Ｖ灰化合物半導体のひとつであるＧａＡｓを
用いたが、かかる材料に限定されることなく、例えば５
ｉＣ７Ｓｉ系材料などを用いることも可能である。これ
ら材料を用いた場合の実施例を、次の第１表にまとめて
示す。

第１表 ［発明の効果］ 以上詳述したとおり、本発明によれば、次に列挙する効
果を得ることができる。

■　エミッタ・ベース間のバンドギャップが異なる構成
（Ｎｐｎ構成）としであるので、バンドギャップが均一
なものに比べて注入されるキャリア量が増大する。

さらに、ベースに注入されたキャリアは電界により加速
されるので、運動エネルギーを増大させすることができ
る。

その結果、電子放出効率が格段に向上する。

■　ＭＢＥ装置などを用いて、エミッタ領域およびベー
ス領域を数ｌθ人程度のエピタキシャル膜とすることが
できるので、良質かつ均一な層構成を容易になすことが
できる。

また、各層の膜厚を薄くできることから、駆動電圧を小
さくすることができる。

■　基板として熱抵抗の小さいＳｉを用いることができ
るので、発熱の問題が少なくて済む。

■　Ｓｉ基板を用いて電子ビーム発生装置（デバイス）
を製作することができるので、同一基板上に複数の電子
ビーム発生装置を配列したり、他の機能を有するデバイ
スと結合することが容易に行われる。その結果として、
半導体素子の集積度を上げることが可能となる。

また、本発明の実施例によれば、上記発明の効果に加え
て、次の効果を得ることができる。

エミッタ領域とベース領域とのへテロ界面に起因して生
じるスパイク、あるいはベース領域内に設けた共鳴トン
ネル部により、電子をホット化して電子放出効率を更に
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す断面構成図、 第２図は第１実施例が熱平衡状態にあるときのエネルギ
ーバンド図、 第３図は第１実施例にバイアス電圧を印加したときのエ
ネルギーバンド図、 第４図は本発明の第２実施例を示す断面構成図、 第５図は第２実施例が熱平衡状態にあるときのエネルギ
ーバンド図、 第６図は第２実施例にバイアス電圧を印加したときのエ
ネルギーバンド図である。 １・・・Ｓｉ基板、 ２・−ＡｊｌＰ層、 ３・・・ＡＡ　ＧａＰ層、 ４−　ＧａＰ／ＧａＡｓＰ超格子、 ５　・・−ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ超格子、６・・・Ｇａ
Ａｓ層、 ７−−・ｎ　”型ＧａＡｓ層、 ８　・Ｎ型ＡＪｌ＊Ｇａｔ＋−、Ａｓ層（エミッタ）、
９　・Ｎ型ＡＪＺｘＧａｎ−ｘ＋Ａｓ酸素注入不活性層
、１０−ｐ型ＧａＡｓ層（ベース）、 １１・・−ｎ型ＧａＡｓ　（コレクタ）、１２・・・Ｃ
ｓ−０拡散層。 手続補正書 昭和６２年１０月２１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第１のバンドギャップを有するエミッタ領域と、前
   記第１のバンドギャップより狭い第２のバンドギャップ
   を有するベース領域と、電子放出面を有するコレクタ領
   域とにより成るヘテロバイポーラ半導体を、Ｓｉ基板上
   に設けたＧａＡｓエピタキシャル膜の上に形成し、 前記エミッタ領域から前記ベース領域に対して電子を注
   入すると共に、前記ベース領域および前記コレクタ領域
   間に逆バイアス電圧を印加して当該電子を前記電子放出
   面から放出するようにしたことを特徴とする固体電子ビ
   ーム発生装置。 ２）Ｓｉ基板上に第１のバンドギャップを有するＮ型Ａ
   ｌ＿ｘＧａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ａｓ層（ここで、０＜
   ｘ≦１）を形成して前記エミッタ領域とし、 第２のバンドギャップを有するｐ型Ａｌ＿ｚＧａ＿（＿
   １＿−＿ｚ＿）Ａｓ層（ここで、０≦ｚ＜ｘ）を形成し
   て前記ベース領域とし、 ｎ型Ａｌ＿ｔＧａ＿（＿１＿−＿ｔ＿）Ａｓ層（ここで
   、０≦ｔ≦１）を前記コレクタ領域としたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の固体電子ビーム発生装
   置。 ３）前記コレクタ領域の電子放出面にアルカリ金属成分
   を有する材料を拡散もしくは付着させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の固体電子ビーム発生装置
   。 ４）前記ベース領域を構成するｐ型Ａｌ＿ｚＧａ＿（＿
   １＿−＿ｚ＿）Ａｓ層（ここで、０≦ｚ＜ｘ）に、非ド
   ープＡｌ＿ｙＧａ＿（＿１＿−＿ｙ＿）Ａｓ層と非ドー
   プＡｌ＿ｓＧａ＿（＿１＿−＿ｓ＿）Ａｓ層と非ドープ
   Ａｌ＿ｙＧａ＿（＿１＿−＿ｙ＿）Ａｓ層（ここで、０
   ≦ｓ＜ｙ≦１）とから成る共鳴トンネル部を設けたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体電子ビー
   ム発生装置。 ５）前記Ｎ型Ａｌ＿ｘＧａ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ａｓ層
   （ここで、０＜ｘ≦１）の所定領域に酸素を注入して不
   活性領域を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の固体電子ビーム発生装置。