JPS6345733A - 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４，２６９．６７１１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、
Ｓｉ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＾ｊ！　ｗＧａ＜＋−ｘ、Ｐ
　（０≦Ｘ≦１）からなるｐｎ接合領域を設け、そのｐ
ｎ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
成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ｌロー６程
度であるのに対し、放出効率を１Ｏ−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属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第１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第２領域と
のヘテロ接合構成を、Ｓｉ基板上に設けたＧａＡｓエピ
タキシャル膜の上になし、前記第１領域から前記第２領
域に対して電子を注入すると共に、前記第２領域の端面
から電子を放出するものである。

［作　用］ Ｓｉ基板上にＡｆｌＧａＡｓ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第１領域から狭いバン
ドギャップを有する第２領域に電子を注入し、その電子
を第２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、Ｓｉ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基板１上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ
ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅａ＋１ｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ）法を用いて、Ａ１２層２およびＡ
４ＧａＰ層３を成長させ、続いてＧａＰとＧａＡｓＰ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ｎ０型ＧａＡｓ層７、Ｎ型ＡＪｌｚＧａ（１
−ｘｔＡＳ層８（０＜ｘ≦１）を成長させる。このＮ型
＾ＪＺｘＧａ（ｔ−ｘ）Ａｓ層８の電子ビーム発生領域
以外は、不活性層を形成するために、酸素をイオン注入
する。

Ｎ型ＡｉｘＧａｎ−、）Ａｓ層８の上には、ｐ型ＧａＡ
ｓ層１０を設ける。また、このｐ型ＧａＡｓ層ｌＯの表
面には仕事関数砥下材１２を拡散もしくは付着する。

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Ｎ型Ａｊ！ｘＧａｔ＋−ｘＨＡｓ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ＡＩＬｘ
Ｇａ　（、−ウＨＡｓ層に酸素を注入して形成した不活
性層である。

１０は、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型頭域であることを表す
。なお、ｐ型ＧａＡｓ層の代わりに、　Ａ４を加えてｐ
型ＡｌｓＧａ（ｕ−ｚ＋Ａｓ層（０≦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。

また、１２は層１０の表面に付着もしくは拡散させた酸
化セシウム（Ｃｓ−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、Ｂｉ、Ｓｅ、Ａｓ、
Ｐ、Ｔｅ、Ｓｔ、Ｏの中の少なくとも１つを含む材料を
付着させることも可能である。

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−Ｚｎ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ｐ１型領域を形成した後に電極を形成し
てもよい。あるいはまた、ｐ型ＧａＡｓ表面にｐ＋型Ｇ
ａＡｓ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−ＡｌｙＧａ　、、−、）Ａｓ系によるＮｐ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。

上述した実施例の層８は、先に述べたとおり、層１０へ
の電流注入効率を上げるために、ワイドバンドギャップ
材であるＡｎ　、Ｇａ　（、−０Ａｓ層を用いている。

ここでＡ１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、層８のドープ量は高ドープ（５Ｘ　１０”〜１　
ｘ　１０”ｃｍ−３）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、
フェルミ準位が伝導帯の上に位置する。

なお、上記層８の膜厚は、第２図ではＭＢＥ装置もしく
はＭＯＣＶＤ装置により１５００人としたが、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。

電極１３はｎ０型ＧａＡｓ層７上に設けられているため
、このｎ＋型ＧａＡｓ層７を高ドープとして電圧降下を
減らすようにしである。

次に層ｌＯについて説明する。先に述べたとおり、層ｌ
Ｏ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Ｇ
ａＡｓ層へのドープ量は低抵抗化のために５　Ｘ　１０
”ｃｍ−３とし、かつ上記領域での散乱を少なくとする
ために層１０の膜厚を３００人にする。

また、層８のバンドギャップと層１０のバンドギャップ
は異なるため、その境赤面では第２図に示す如く、スパ
イクが形成される。いま、層８としてＡλａ、　３Ｇａ
ｏ、　７ＡＳを用い、層ｌＯとしてｐ型ＧａＡｓを用い
ると、そのスパイクの高さ△Ｅ、は０．３１８ｅＶとな
る。

層ｌＯの表面には酸化セシウム（Ｃｓ−０）が拡散ざれ
ているため、ベース層表面の仕事関数は、　１．４ｅＶ
と低くなっている。

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、層８と層１０間に順方向バ
イアス電圧としてＶＥｌｌを、外部加速用電極１５と層
１０との間に電圧Ｖａ（外部電極側がプラス）を印加し
たときのエネルギーバンド図である。いま、層８と層１
０間に電圧ｖＥＢとして１．４５Ｖを印加すると、層８
における擬似フェルミ準位Ｅ、が層１０の伝導帯に近づ
く。

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。

Ｃｓ−０を拡散したｐ型ＧａＡｓ層１０の仕事関数はＬ
４ｅＶであり、ｐ型ＧａＡｓの電子親和力は４．０７ｅ
Ｖであることから、ｐ型ＧａＡｓのバンドは表面近傍で
下の方に曲がる。しかし、層１０に注入されたキャリア
はホット化されているため、第３図に示す如く、層１０
の表面近傍の谷に落ちずに、真空中に放出される。その
理由は、ｐ型ＧａＡｓのバンドギャップは１．４２４ｅ
Ｖ　、真空準位は１．４ｅＶであるため、真空準位の方
が低くなるからである。また、真空準位は外部加速用電
極１５と層ｌＯとの間の印加電圧Ｖａより、第３図に示
す如く下の方に曲がり、放出された電子はこの電界によ
り加速される。

第４図は本発明を適用した第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
領域に、非ドープＡＪ！　ｏ、　３Ｇａ＋）、７ＡＳに
よるバリア層と、非ドープＧａＡｓによるウェル（ｗｅ
ｌｌ）層と、非ドープＡＪＺ　０．３ＧＢ０．７ＡＳ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におい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、層
１０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、層８と層１０の間に
電圧ＶＥＲを順方向に印加し、層８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層ｌＯを通過
する。

また、層８のドープ量をＩ　Ｘ　１０”ｃｍ−’程度に
すると、層８の擬似フェルミ準位Ｅ２と伝導帯のエネル
ギーＥＣとの差は　△Ｅ　＝　Ｅ、−Ｅｃｙ　Ｏ，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１０を高ドープ
状態（１ｘ　１０１１０ｌ９’）　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２重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ΔＥ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流れ込まなくな
る。よって、層１０の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２実施例では、層８領域と層１０領域とのヘテ
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、層８領域と層１０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、Ｓｔ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ＺＳｌ系）であっても良い。さらに、ＩＩ
Ｉ　−Ｖ炭化合物半導体のひとつであるＧａＡｓを用い
たが、かかる材将に限定されることなく、例えばＳｉＣ
／Ｓｉ系材料等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。

■　２つの化合物半導体間のバンドギャップが体へ注入
されるキャリア量が増大する。

また、ホット化されたキャリアは半導体中を伝播せず直
接外部へ放出されるので、散乱を受けることがない。

その結果、電子放出効率が格段に向上する。

■　ＭＢＥ装置ηＣＶＤ装置などを用いて、各層を数ｌ
θ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Ｓｔを用いることができ
るので、発熱の問題が少なくて済む。

■　動作部である膜構成が単純なため、作製が容易であ
る。

■　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。

ヘテロ界面に起因して生じるスパイク、あるいはｐ型領
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・・・ＡｆＬＰ層、 ３−・−Ａｊｉ　ＧａＰ層、 ４　・−ＧａＰ／ＧａＡｓＰ超格子、 ５　・ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ超格子、 ６・・・ＧａＡｓ層、 ７　・・・ｎ＋型ＧａＡｓ層、 ８−Ｎ型＾１１．　ｇＧａ（＋−１１１ＡＳ層、９・・
・Ｎ型＾λ、Ｇａ（Ｉ−ｘ＋Ａｓ酸素注入不活性層、１
Ｇ−ｐ型ＧａＡｓ層、 １１”・ｎ型ＧａＡｓ層。 １２・・・Ｃｓ−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第１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
   する第２領域とのヘテロ接合構成を、Ｓｉ基板上に設け
   たＧａＡｓエピタキシャル膜の上になし、 前記第１領域から前記第２領域に対して電子を注入する
   と共に、前記第２領域の端面から電子を放出するように
   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）を形成して前記第１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
   て前記第２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）前記第２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）前記第２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Ａ
   ｌ＿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。