NL8204240A - Halfgeleiderinrichting voor het emitteren van elektronen en inrichting voorzien van een dergelijke halfgeleiderinrichting. - Google Patents

Description

; 1 : *ff v. ': > .

- < '" ' ': " EHB 32.829 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabcieken te Eindhoven.

"Halfgeleiderinrichting voor het emitteren van elektronen en inrichting • voorzien van een dergelijke half geleider inrichting".

De ultvinriing heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting *r ' i .

voor het emigfcerenvan elektronen, bevattende een halfgeleiderlichaam met een n-type e@|ste gehied en eon tweede gebied van het lichaam, geschei-den door een van een pn-cvergang,voorziene tussen het eerste en het twee-5 de gehied gelegen barriere alsmede elektrode-aansluitingen voor het eerste en het tweede gebied voor het aanleggen van een potentiaalverschil over de barriere, cm het eerste gebied positief ten opzichte van het tweede gebied te kunnen voorspannan en daardoor een toevoer van hete elektronen te bewerks telligen, die vanuit het tweede gebied over de barriere in 10 het eerste gebied worden geinjecteerd en die vanaf een oppervlaktezone van het lichaam worden geemitteerd. Voorts heeft de uitvinding be trekking op een inrichting, die een dergelijke halfgeleiderinrichting be vat.

Een dergelijke halfgeleiderinrichting wordt toegepast als elek-tronenbron voor kathodestraalbuizen, beeldqpnameinrichtingen, beeldweer-15 geefinrichtingen of elektronaslithografie.

In het Britse octrooischrift No. 830.086 is een halfgeleiderinrichting van de hierboven genoerrde soart beschreven.

In de belangrijkste uitvoeringen beschreven in het Britse octrooischrift No. 830.086 heeft het tweede gebied het p-geleidingstype en be-20 staat de barriere uit een enkele pn-overgang, tussen het p-type tweede gebied en het n-type eerste gabled. Deze enkele pn-overgang wordt in de sperrichting tot in lawinedoorslag voorgespannen, door een voldoende groot potentiaalverschil tussen de olektrodeaansluitingen van het eerste en het tweede gebied aan te leggen. In alle beschreven gevallen is de oppervlak-25 tezone van het lichaam, vanwaar de hete elektronen worden geemitteerd, een cppervlak van het n-type eerste gebied. Dit n-type qppervlaktegebied is bedekt'met een materiaal, dat de elektronenuittreepotentiaal verlaagt. Ondanks deze bedekkihg heeft het n-type oppervlaktegebied een zeer hoge effectieve elektronenaffiniteit en in de praktijk is gebleken, dat ondanks 30 het feit, dat een hoge kinetische energie in lawinedoorslag wordt verkre-gen, slechts een zeer laag percentage (meestal veel minder dan 1%) van de hete elektronen in de vrije ruimte kan worden geanitteerd. Het grootste deel van de hete elektronen, die in het n-type eerste gebied worden gein- 8204240 k i H3B 32.829 2 jecteerd, ondergaat quantmMnschanische reflectie aan de grens van het lichaam, die samenvalt met de oppervlaktezone,

De anderhavige uitvinding berust op het inzicht. van de uitvin-der, dat de kans dat hete elektronen vanaf de oppervlaktezone van het 5 halfgeleiderlichaam naar het n-type eerste gebied warden gereflecteerd, kan worden verrainderd, door binnen het lichaam naast deze oppervlaktezone een sterk elektrisch veld te vormen, cm de hete elektronen in de richting van de genoemde oppervlaktezone te versnellen, en dit veld, door een p-type doteringsconcentratie in een zeer don oppervlaktegebied aan te breng-10 en, kan worden ingebouwd in de halfgeleiderinrichting waarbij de emissie van de hete elektronen vanaf de oppervlaktezone wordt bevorderd, zonder het mechanisme voor het injecteren van hete elektronen in het n-type eerste gebied te verstoren en zonder de verstrooiing van hete elektronen op hun weg naar de oppervlaktezone in sterke mate te vergroten.

15 Een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat het lichaam ter plaatse van de oppervlaktezone, vanwaar de hete elektronen warden geemitteerd, een p—type oppervlaktegebied bevat teneinde tussen het n-type eerste gebied en de genoemde oppervlaktezone op afstand van de genoemde oppervlaktezone een potentiaalmaximum te 20 vormen, waardoor in het halfgeleiderlichaam een driftveld wordt gevormd, dat elektronen in de richting van de genoemde oppervlaktezone versnelt.

In een dergelijke halfgeleiderinrichting kunnen de hete elektronen, die in het n-type eerste gebied worden geinjecteerd, het potentiaalmaximum van. het p-type oppervlaktegebied overschrijden zander een sterke 25 quantumtechnische reflectie, cmdat dit maximum binnen het lichaam ligt, doordat het. qp afstand van de rand van het lichaam, die overeenkcmt met de oppervlaktezone, is gesitueerd. Na dit maximum te hebben overschreden, ondergaan de hete elektronen het versnellende effect van het driftveld in een richting naar de oppervlaktezone toe. Hoewel de hete elektronen, na 30 het n-type eerste gebied te hebben doorlopen, een hrede impulsspreiding kunnen verkrijgen als gevolg van verstrooiing in het eerste gebied, ver-groot dit versnellende driftveld de energie en de gemiddelde component van de inpuls in de richting loodrecht op het oppervlak. Daardoor wordt de kans cp quantummechanische reflectie aan de rand van het lichaam, ter 35 plaatse van de oppervlaktezone, verkleind en de emissie van deze elektronen bevorderd. De uitvinding verschaft zodoende een verbetering van het rendement van de emissie van de hete elektronen vanaf de oppervlaktezone, zonder het mechanisme voor het eerste en het tweede gebied voor het in- 8204240 -- .T : '.......·. ...........................ip................·;.......!|ρ.....|ί|!ρ»ί'...........................η-......vv'-^y.- * * ι ΡΗΒ 32.829 3 jecteren van de bets elektronen in het n-type eerste gebied te verstoren.

Dooar de diktes en de doi^ingsconc^itraties van de diverse gebieden te optimaliseren en doc# het oppearvlak te activeren met een materiaal, zoals caesium, cm de elektxoneimdttreepotentiaal te verlagen, kunnen elektronen-5 bronnen met dergelijke driftvelden in een cppervlaktegebied emissierende-mental, die zo hoog zijn, dat meer dan 1% van de in het n-type eerste gebied geinjecteerde hete elektronen vanaf de oppervlaktezone kan warden geeraitteerd.

Elektronenbronnen zijn bekend, met een pn-overgang die wordt ge-10 vormd In een n-type halfgeleicterlichaam door een aan het oppervlak gren-zend gebied van het p-gele.i.d1 ngstype en die wordt bedreven onder voor-spanning in de dociclaatr ichting, door een potentiaalverschil aan te leg-gen tnssen de elefctrodeaansluitingen voor het p-type gebied en het n-type deel van het lichaam. Dergelijke bekende elektronenbronnen zijn b.v. be-15 schreven in het Britme octrooischrift No. 1.147,883 . Elektro- nen worden vaiaf het n-type deel van het lichaam gexnjecteerd over de in doorlaatrichting voorgespannen pn-overgang in het p-type gebied, dat een dikte heeft, die kleiner is dan de diffus iereccmbinatielengte van de elek-tronen in het p-type materiaal, terwijl dit gebied is bedekt met een ma-20 teriaal, dat de elektranenuittreepotentiaal verlaagt. Deze elektronen dif-funderen door het p-type gebied heen en enkele ervan treden nit de bedekte oppervlaktezone van dit gebied naar buiten.

Dergelijke elektronenbronnen met een in doorlaatrichting voorgespannen pn-overgang zijn bekend onder de aanduiding "katoden met negatie-25 ve elektronenaffiniteit", cmdat, door een geschikte keuze van de ccmbina-tie van het bedekkingsmateriaajL en het halfgeleidermateriaal, de elektronenaff initeit van het p-type gebied effectief kan worden onderdrukt. Ten-einde een grote verhoging van de elektronenaffiniteit te verkrijgen, moet in de praktijk het halfgeleidafcmateriaal echter een grotere bandafstand 30 hebben dan die van silicium. Zodoende worden voor deze elektronenbronnen galliumarsenide, galliumfosfide en andere materialen met een grotere bandafstand toegepast. De geinjecteerde elektronen hebben slechts een geringe kinetische energie en de emissiestrocm wordt beperkt door de reccmbinatie van dragers, die qptreedt in het p-type gebied. Het zo klein mogelijk ma-35 ken van de dikte van het p-type gebied voor het verminderen van reccmbi-natie-effecten wordt beraoeilijkt door de noodzaak, een goede stroomweg in het p-type gebied en een afzcnderlijke elektrodeaansluiting voor voorspan-ningsdoeleinden aan te brengen. Een zeer hoge dotering voor het p-type 8204240 » * EHB 32.829 4 gebied is ongewenst, cm de reccmbinatie-effecten in het p-type gebied tot een minimum te beperken en een hoog inj ectierendement ter plaatse van de in doorlaatrichting voorgespannen pn-overgang te handhaven, De geinjec-teerde elektronen vonten echter minderheidsladingsdragers in het p-type 5 gebied, zodat de schakelsnelheid van deze elektronenbronnen gering is als gevolg van opslag van minderheidsladingsdragers. Bovendien gaat de bekle-ding van materiaal, dat de elektronenuittreearbeid verlaagt, langzaam ver-loren tijdens bedrijf van de elektronenbron, waardoor de levensduur van de bron wordt beperkt.

10 In tegenstelling tot deze bekende bronnen met negatieve elektro- nenaffiniteit verschaft de onderhavige uitvinding een elektronenbron, waarin hete elektronen, die zich naar het oppervlak bewegen, worden opge-wekt met een hoge kinetische energie, door de barridre tussen het eerste en tweede gebied in de tegenwaartse richting voor te spannen, waarbij 15 voor deze bron een goed emis s ierendement kan warden verkregen, zelfs bij aanwezigheid van een oppervlaktebarriere en met silicium als halfgelei-dermateriaal. De hete elektronen hebben een karakteristieke lengte met betrekking tot energieverlies, die veel groter is dan hun gemiddelde vrije weglengte in het halfgeleidermateriaal en kunnen dus praktisch zonder 20 verlies het p-type eerste gebied en het oppervlaktegebied net een dikte in de orde van grootte van de gemiddelde vrije weglengte doorlopen. De p-type doterinsconcentratie in het oppervlaktegebied levert een gunstige veldverdeling op, die de emissie vanaf de qppervlaktezone bevordert, zo-als hierboven is beschreven, en dit oppervlaktegebied van een elektronen-25 bron volgens de uitvinding vereist geen afzonderlijke elektrodeaanslui-ting terwijl het zo dun kan zijn, dat het over zijn gehele dikte althans tijdens bedrijf van de elektronenbron wordt uitgeput. Zodoende kunnen elektronenbronnen volgens de uitvinding verwaarloosbare effecten: t.g.v. opslag van minderheidsladingsdragers vertonen en daardoor een grote scha-30 kelsnelheid bezitten.

In elektronenbronnen volgens de uitvinding ligt de dikte van het oppervlaktegebied bij voorkeur in de orde van grootte van de gemiddelde vrije weglengte van de elektronen^ cm het effect van het oppervlakteveld bij het versnellen van de hete elektronen in de richting van de oppervlak-35 tezone zo groot mogelijk te maken. Hierbij zal b.v. de dikte van het oppervlaktegebied hoogstens 10 nm zijn. Een dergelijk dun oppervlaktegebied kan over zijn gehele dikte warden gedepleerd door de uitputtingslaag, die wordt gevormd met het genoemde n-type eerste gebied, zelfs bij voorspan- 8204240 .....F—* ........................... .

S~ « PHB 32.829 5 - ning nul. (¾) deze wijze kan em zeer hoog drlftveld warden verkregen en kan ook de ei^ti^nenhran een zeer boge schakelsnelheid bezitten.

Wanner het n-type eerste gabled is voorzien van een maximum in de doteringsopseentratie, dat op afstand van het qppervlak is gelegen, 5 b.v. door iirplantatie van n-type doterings ionen, kan de p-type doterings-conoentratie fcussen het oppervlak en het doteringsconcentratiemaximum van het n**type eerste gebied warden aangebracht, zonder het vervaardigings-proces of de configuratie van het eerste en het tweede gebied, die de hete elektronen cpwekken, erg ingewikkeld te maken. Bovendien vereist het 10 qppervlaktegsbied geen afzonderlijke elektrodeaansluiting, zodat het aan-hrengen van dit p-type cppervlaktegebied geen canplicatie behoeft te ver-oorzaken van de configuratie van elektrodeaansluitingen. Dit is bij zonder gunstig, wanneer een matrix van elektronenbronnen wordt gevormd in het-zelfde halfgeleiderlichaam. Zo behoeft de structuur, gevormd door het 15 cppervlaktegebied en het eerste en het tweede gebied, slechts tvree elektrodeaansluitingen te hebben, en wel 4en voor het genoemde eerste gebied en de andere voor het genoemde tweede gebied. Bovendien kan de elektrodeaansluiting voor het n-type eerste gebied ook een deel van het oppervlak-tegebied contacteren. Een dergelijke contactering van het genoemde opper-20 vlaktegebied kanwarden verkregen, wanneer de elektrodeaansluiting voor het n—type eerste gebied als masker wordt gehruikt tijdens het aanbreng-en van de p-type doterin^conomtratie. Dit is gunstig, voor een een-voudige vervaardiging van de structuur.

De hete’ elektronen kunnen warden opgewekt in het lichaam door 25 lawinedoorslag of door veldendssie. Zo kan het genoemde tweede gebied van het p-geleidingstype zijn en de barriere tussen het eerste en het tweede gebie^ kan worden gevcptd door de pn-overgang, die het p-type tweede gebied met hart n-type eerste gebied varmt.

Volgens de uitvirding kan de p-type doteringsconcentratie, die 30 het driftveld oplevert, ook warden aangebracht in een elektronenbron, die hete elektronen apwakt hij een bedrijfsspanning beneden het kritische niveau, dat nodig is voor lawinedoorslag, zoals b.v. is beschreven in de met de cnderhavige aanvrage semenhangende Britse octrooiaanvrage No. 8133501. Zo kan het genoemde tweede gebied van het n- 35 geleldingstype zijn en geschelden zijn van het n-type eerste gebied door een sperlaaggebied van het p-type, die met zcwel het n-type eerste als het n-type tweede gebied pn-overgangen vormt.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding heeft een inrichting 8204240 * ΈΉΒ 32.829 6 met een vacuumcmhulling, waarin een vacuum kan worden gehandhaafd, en met een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding het kenmerk, dat de half-geleiderinrichting zich binnen de cmhulling bevindt en tijdens het bedrij-ven van de inrichting elektronen in het vacuum kan emitteren, 5 Een dergelijke inrichting kan b.v. bestaan uit een katodestraal- buis, een beeldcpnameinr ichting, een beeldweergeefinrichting of een elek-tronenlithografische inrichting voor het vervaardigen van micrcminiatuur-vastestof-inrichtingen. Hierbij kan, afhankelijk van de soort apparatuur het halfgeleiderlichaam een enkele elektronenbron of een matrix van zulke 10 elektronenbronnen be vat ten.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening waarin

Pig. 1 een dwarsdoorsnede toont van een deel van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding, 15 Fig. 2 een energiediagram weergeeft door een dergelijke halfge leiderinrichting ,

Fig. 3 een dwarsdoorsnede toont van een deel van een andere halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding, en

Fig. 4 een katodestraalbuis, die een halfgeleiderinrichting vol-20 gens de uitvinding be vat.

Opgemerkt wardt, dat alle figuren schematisch zijn en niet op schaal zijn getekend. De onderlinge afinetingen en verhoudingen van enige delen van deze figuren zijn overdreven groot of verkleind weergegeven ter wille van de duidelijkheid en eenvoud van de tekeningen. Dezelfde refe-25 rentiecijfers, die in een bepaald uitvoeringsvoorbeeld warden gebruikt, worden als regel ook gebruikt voor het aanduiden van overeenkonstige of soortgelijke delen van de andere uitvoeringsvoorbeelden.

De halfgeleiderinrichting volgens Fig. 1 be vat een halfgeleiderlichaam 10 van eenkristallijn silicium met een n-type eerste gebied 3, 30 dat van een tweede gebied 2 van het lichaam 10 is gescheiden door een sperlaag 1 met twee pn-overgangen, die zijn gelegen tussen het p-type gebied 1 en respektievelijk het eerste en het tweede gebied 3 en 2.

In het onderhavige voorbeeld wordt dus de barriere gevorrrd door een sper-laaggebied 1 met een p-type doteringsconcentratie, die de beide pn-over-35 gangen met de n-type gebieden 2 resp. 3 vormt. De elektronenbron bezit elektrode-aansluitingen 12 en 13 voor de gebieden 2 resp. 3. Deze aan-sluitingen 12 en 13, die kunnen bestaan uit metaallagen, die ohmse con-tacten vormen met de gebieden 2 en 3, dienen voor het aanleggen van een .8204240 EBB'32.829' 7 potentiaalverschil over het sperlaaggebied 1, cm het gebied 3 positief ten cpzichte van hetcjebied 2 voor te spannen en daardoor een toevoer van bate elektrcnen 24 te bewerks talligen, die vanuit het gebied 2 over het sperlaaggebie^ 1 in het gebied 3 warden geinjecteerd en die vanaf een 5 oppervlaktezone 4 van het lich|am 10 warden geemitteerd.

In de elektranenhron volgens Fig. 1 vormt het sperlaaggebied 1 van het p-type pn-overgangen m|rt zowel het n-type gebied 2 als het n-type gebied 3 en heeft een zodanige dikte en doteringsconcentratie, dat het word gedepleerd door het samerikcmen van de uitputtingsgebieden in het 10 sperlaaggebied 1,- terrains te warmeer het potentiaalverschil V wordt aange-legd, cm de toevoer van hete elektronen 24 met een voldoende energie te bewerkstelligen, dat de tussen de oppervlaktezone 4 en de vrije ruimte 20 aanwezige elektronenulttreepotentiaal wordt overschreden. Het gebied 1 kan echter zelfs zijn gedepleerd door het samenkcmen van de uitputtinsge-15 bieden onder voorspanning nul. Elektronenbronnen met dergelijke uitgeputte sperlaaggebieden 1 zijn beschreven in de genoemde met de onderhavige aan-vrage samenhangende Britse octrooiaanvrage 813350^ waamaar voor verdere infannatie wordt verwezen.

Volgens de uitvinding hevat het lichaam 10 van de elektronenbron 20 volgens Fig. 1 verder een oppervlaktegebied 5, dat grenst aan de oppervlaktezone 4, vanwaar de hete elektronen 24 warden geemitteerd en die een p-type doteringsconcentratie bevat voor de vanning tussen het n-type eerste gebied 3 en de oppervlaktezone 4 van een potentiaalmaximum, dat, zoals in Fig. 2 is weergegeven, in het halfgeleiderlichaam op afstand van 25 de oppervlaktezone 4 is gelegen, waardoor een driftveld 15 wordt gevonrd dat de elektronen 24 in de richting van de genoemde oppervlaktezone 4 versnelt. Op deze wijze wordt fen gunstige veldverdeling ter plaatse van de oppervlaktezone 4 verkregen, waardoor de emissie van de hete elektronen 24 in de vrije ruimte 20 wordt bevorderd.

30 In de inrichting volgens Fig. 1 bevindt zich het oppervlaktege bied 5 bij een opening in de elektrodelaag 13, die een ringvormige confi-guratie bezit. Deze elektrodelaag 13 (die een aansluiting met het gebied 3 vormt) ten ook het oppervlaktegebied 5, b.v. rondcm de gehele cmtrek van de overgang tussen de gebieden 3 en' 5, contacteren. De cppervlakte-35 zone 4 van het gebied 5 is bedekt met een zeer dunne laag 14 van een mater iaal, dat de uittreearbeid verlaagt, b.v. caesium. Bij een schoon on-bedekt siliciurrpppervlak 4 ligt de qppervlaktebarridre tussen 4 en 5 eV, maar deze wordt verlaagd tot ca. 2 eV, door de bedekking 14 op bekende 'g2tl«24$i ; EHB 32.829 8 wijze aan te brengen.

Fig. 1 toont een speciale, ccmpacte, een lage capaciteit bezit-tende structuur voor de elektronenhron. Een van openingen voorziene iso-lerende laag 11 is over tenminste een deel van zijn dikte in het lichaam 5 10 verzonken ter vorming van tenminste een deel 9 van het lichaam 10, dat zijdelings wordt begrensd door de verzonken isolerende laag 11. De gebie-den 1 en 3 warden gevarmd in het deel 9 en warden rondcm begrensd door de isolerende laag 11. De elektrodeaansluiting 13 kan op betrouwbare wijze warden aangebracht aan het bovenvlak van het deel 9, zonder het barriere-10 gebied 1 te contacteren, hoewel deze aansluiting het oppervlaktegebied 5 kan contacteren. Deze elektrodeaans lui ting 13 kan zich tot op en over de isolerende laag 11 uitstrekken, cm een vergroot contactgebied te vormen, waarmee exteme verbindingen (b.v. in de vorm van draden) kunnen zijn verbonden. Het bovenvlak van het deel 9 vormt de cppervlaktezone 4, van-15 waar de elektronen 24 warden gssnitteerd.

In de elektronenhron volgens Fig. T kan het gebied 2 warden ge-vormd door een n-type epitaxiale laag (n ) met een hoge soortelijke weer-stand op een substraat 2a met een lage soortelijke weerstand aan te groei-en. Het substraat 2a vormt een laagobmige aansluiting met de metaallaag 20 12, die zich over het gehele achtervlak van het substraat 2a kan uitstrekken. Een dergelijk substraat is bijzonder geschikt voor een inrichting met slechts een elektronenbron in het lichaam 10. Deze kan echter ook warden toegepast voor inrichtingen met een aantal van deze elektronenbronnen in een gemeenschappelijk lichaam 10 met een gemeenschappelijk gebied 2 en 25 een gemeenschappelijke elektrodeaansluiting 12, maar met afzonderlijke eigen elektrodeaansluitingen 13 voor de afzonderlijke elektronenbronnen met afzonderlijke gebieden 1 en 3.

De vervaardiging van de halfgeleiderinrichting volgens Fig. 1 wordt thans bescbreven. Een met fosfor gedoteerde siliciumlaag met een 15 3 30 soortelijke weerstand van b.v. 5Λ.αη (ca 10 fosforatomen/cm ) en een dikte van b.v. 5^,um word epitaxiaal qp bekende wijze cp een met fosfor gedoteerd siliciumsubstraat 2a met een soortelijke weerstand van b.v. 0,05Λ.αη en een dikte van b.v. 240^um gegroeid. De isolerende laag 11 kan plaatselijk in het hoofdoppervlak van de epitaxiale laag warden gevormd 35 order toepassing van bekende thermische oxidatietechnieken tot een vol-doende diepte van b.v. 0,1^um of meer onder het siliciumoppervlak. De bij-zondere gekozen diepte wordt bepaald door de hoogte van het deel 9, die nodig is cm qp betrouwbare wijze gebieden 1, 3 en 5 met speciale diktes 820^240 HHB 32,829 9 te kunnen ondertrengen. De gebieden 1,3 en 5 kunnen dan in het deel 9 warden gevormd door ioneniirplantatie. Boorionen in een dosis van b.v.

14 -2 2.10 on en met een energie van b.v. 4,5 keV warden gebruikt voor het 14 -2 vormen van het gebied 1. Arseaoionen in een dosis van b.v. 5.10 cm 5 en met een energie van 10 keV kunnen warden geimplanteerd voor het vormen van het n-type gebied 3. Een gelokaliseerde implantatie van boorionen in

een dosis van b.v. 7,5 . 10 csa en net een energie van b.v. 0,8 keV

wordt gebruikt voor het vormen van het p-type oppervlaktegebied 5. Deze tweede bφrimplan1ptie kan warden gelokaliseerd, door eerst de elektrode- 10 laag 13 aan te hrengen, die als implantatiemasker werkt. Daartoe kan de elektrodelaag 13 bestaan uit b.v. n-type polykristallijn silicium. Na het uitgloeien van de ge&planteerde gebieden bij b.v. 700°C in vacuum wordt de metaaliaag 12, die uit aluminium kan bestaan, aangebracht ter vanning van de elektrodeaaisluiting voor het substraat 2a, terwijl de oppervlak- 15 tezcne 4 qp bekende wijze wordt voorzien van de bedekking 14.

De voor de elektronenbron verkregen karak teris tieken hangen af van de doteringsaancentratie eh de dikte, die uiteindelijk voor elk van de gebieden 1, 3 en 5 warden verkregen, en deze laatste hangen op hun beurt af van de implantablestappen en van de uitgloeicmstandigheden. In 20 een op de hierboven beschreven wijze vervaardigde elektronenbron heeft het gebied 3 naar schatting eafe diepte van 25 nm en een doteringsconcen-20 -3 tratie van 5.10 an , waarbij het maximum naar schatting op ca. 12 nm van het cppervlak 4 ligt. Bij een zo geringe diepte voor het gebied 3 wordt het energieverlies voor de elektronen 24 in het gebied 3 laag ge-25 houden, waardoor de. kans op endssie van de elektronen vanaf de oppervlak-tezone 4 wordt vergroot. Die elektronen, die niet vanaf de oppervlakte-zone 4 warden ge%itteerd, warden afgevoerd via de elektrodeaansluiting 13. Bij een m hoepe dbteringsaoncentratie vertoont het n-type gebied 3, cndanks zijn geringe dikte, een elektrische weerstand, die voldoende laag 30 is voor een snelle modulatie van de geemitteerde elektronenstroan. Het barriJregehis^ 1. heeft naar sc|iatting een dikte van ca. 50 nm en een do-

"" -|Q

teringscoacentratle van ca. 2.10 cm , wat een potentiaalbarriere van ca. 4 V voor de elektronenstrocrri van het gebied 2 naar het gebied 3 tot gevolg heeft. Het verkregen barrieregebied 1 is niet gedepleerd over een 35 deel van zijn dikte door de uitputtingsgebieden, die worden gevorad met de n-type gebieden 2 en 3 order voorspanning nul. Het aanleggen van een potentiaalverschil van tenminste een vooraf bepaalde minimale grootte is nodig, am· deze uitputtingsgebieden aver de gehele dikte van het gebied 1 8204240 EHB 32.829 10 te spreiden. Het oppervlaktegebied 5 heeft naar s chatting een dikte van 19 -3 ca. 7,5 nm en een doteringsconcentratie van 5.10 cm , wat een potentiaal- maximum van 0,7 eV tot gevolg heeft, dat qp een afstand van ca. 5 nm van het siliciumoppervlak 4 is gelegen, en een gemiddeld elektrisch veld 15 6 “1 5 van 2.10 V cm tot gevolg heeft. Het verkregen oppervlaktegebied 5 is nagenoeg gedepleerd, zelfs onder voorspanning nul. Een dergelijke elek-tronenhron kan werken met een spanning van ca. 4 V.

Fig. 2 geeft een schematisch energie- en potentiaaldiagram door de elektronenbron in de vrije ruintte weer, waarbij de voorspanning is aan-10 gelegd tussen de elektrodeaansluitingen 12 en 13 en de elektronenbron is voorgespannen als een katode in een vacuumcmhulling. Het barrieregebied 1 is, zoals weergegeven, gedepleerd door de uitputtingsgebieden behorende bij de pn-overgangen met de n-type gebieden 2 en 3.· De dunne bedekking 14 op het oppervlaktegebied 4 is als een oppervlaktedipoollaag weergege-15 ven, die de elektronenuittreearbeid verlaagt. De p-type doteringsconcentratie van het oppervlaktegebied 3 levert de gunstige elektrische veld-configuratie naast de oppervlaktezone 4 op, zoals weergegeven in Fig. 2.

Het oppervlaktegebied 5 veroorzaakt een potentiaalmaxiinum, dat qp afstand van de oppervlaktezone 4 ligt en zonder veel reflectie door de hete elek-20 tronen kan warden overschreden, cmdat dit maximum in het lichaam ligt in plaats van met een rand van het lichaam samen te vallen. Nadat ze het maximum hebben overschreden, ondergaan de hete elektronen 24 het drift-veld 15 in een richting naar de oppervlaktezone 4 toe, waardoor hun emis-sie over dit grensvlak van het lichaam en. ih de vacuumruimte 20 wordt be-25 vorderd.

Een dergelijk oppervlaktegebied 5 volgens de uitvinding kan in veel verschillende hete elektronenbronstructuren en in verschillende elektronenbrontypen warden ingebouwd, waarin een verschillend injectie-mechanisme wordt toegepast. Zo kan een dergelijk oppervlaktegebied 5 30 worden ingebouwd in een van het type elektronenbron volgens Figuren 1 en 2 afwijkende vorm, waarbij de isolerende laag 11 niet in het lichaam 10 over de diepte van de gebieden 1,3 en 5 verzonken is, maar in plaats daarvan de pn-overgangen tussen de gebieden 2 en 1 en tussen de gebieden 1 en 3 naar het bovenvlak van het lichaam 10 zijn gebracht iret behulp 35 van een p-type diep ringvormig grensgebied, dat zelfs tijdens bedrijf van de bron niet volledig is uitgeput. In dit geval kan het n-type gebied 3 worden gecontacteerd via een diep n-type ringvormig grensgebied, dat zich in het p-type grensgebied bevindt. Een dergelijke variant maakt gebruik 8204240 PHB 32.829 11 van hetzelfdq injecrtLemechanisHie vanuit een n—type gebied 2 over een p-iype barriersgebied t in de gtfoieden 3 en 5. 1

Fig. 3 toont een and®: type hete elektronenbron als een andere uitvoeringsvcoi van de anderhavige uitvinding. In dit geval is de p-type 5 doteringsaanc^tratie, die het uitgeputte oppervlaktegebied 5 vorrrrt, aangebracht in een n-type eerste gebied 3, dat is gescheiden van een p-type tweede gebied ? door een barridre, die is gevontd door een pn-overgang 21. Het suhstraat ?a bestaat uit booggedoteerd p-type silicium, waarop een epitaxiale laag 2 van p-type silicium is aangegroeid, waarin het n-type 10 gebied 3 en bet oppervlaktegebied 5 zijn gevontd, b.v. door ionenimplan-tatie. Vocrdat de gebieden 3 eh 5 wordsn aangebracht, wordt een diep n-type gebied 23 in de epitaxiale laag aangebracht, b.v. door diffusie van een doter ingsmateriaal. Het n-type gebied 23 is een·.. ringvormig grensgebied, dat de pn-overgang 21 (tussen de gebieden 2 en 3) naar het bovenvlak van 15 het lichaara TO brengt en een qontactgebied vorrttfc voor de elektrodeaanslui-r ting 13. Het middendeel van dm pn-overgang 21, dat wordt gevontd door het n-type gebied 3, heeft een lacpre doorslagspanning dan de randdelen van de genoenrie pn-overgang, gevonrd door het n-type gebied 23.

De doteringsGoncentraties van de gebieden 3 en 2 kunnen cp be-20 kende wijze zodanig warden gekozen, dat doors lag van de in tegenwaartse richting voorgespannen pn-overgang 21 cptreedt door lawineionisatie. Door een spanning V van een geschikte grootte aan te leggen tussen de aanslui-tingen 12 en 13, cm het gebied 3 positief ten opzichte van het gebied 2 voor te spannen, heeft doors lag van het midderdeel van de overgang 21 tot 25 gevolg, dat hete elektronen 24 warden toegevoerd, die in het gebied 3 warden geinjecteerd. De als gevolg van de p-type doteringsconcentratie van het oppervlaktegebied 5 verkregen veldconfiguratie bevordert de emissie van deze hete elektronen 24 vanaf de cppervlaktezone 4 volgens de onderhavige uitvinding. Zo veroorzaakt, zoals in de voorafgaande uitvoerings-30 varmen is beschreven, het gebied 5 in de elektronenbron volgens Fig. 3 een potentiaalmaximum, dat op afstand is gelegen van de oppervlaktezone 4, cm een driftveld voor het versnellen van de elektronen 24 in de rich-ting van cppervlaktezone 4 te verkrijgen. Ook andere koude kathoden die cp lawinedoorbraak berusten, zoals die beschreven in de Nederlandse Oc-35 trooiaanvrage 7905470 kunnen van een dergelijke veldconfiguratie warden voorzien.

De elektronenhrannen volgens Figuren 1,2 of 3 volgens de uitvinding kunnen als koude katoden in vele inrichtingen net een vacuumcmhulling 8204240 * PHB 32.829 12 worden ingebouwd. Fig. 4 toont een uitvoeringsvorm van een dergelijke in-richting bij wijze van voorbeeld, en wel een katodestraalbuis. De appa-ratuur volgens Fig. 4 be vat een vacuumbuis 33, die zich trechtervormig verwijdt en een eindwand bezit, die aan zijn binnenzijde is bedekt met 5 een fluorescerend scherm 34. De buis 33 is hermetisch afgesloten, am een vacuumruimte 20 te verkrijgen. In de buis 33 zijn focusseerelektroden 25, 26 en afbuigelektroden 27, 28 opgenanen. De elektronenbundel 24 word opgewekt in een of meer elektronenhronnen volgens de uitvinding, die in het halfgeleiderlichaam 10 aanwezig zijn. Het lichaam 10 is*aangebracht cp een 10 houder 29 in de buis 33 en elektrische verbindingen zijn gevormd tussen de metaallagen 12,13 en eindpennen 30, die door de bodem van de bois 33 zijn gevoerd. Dergelijke elektronenhronnen volgens de uitvinding kunnen bij voorbeeld ook zijn ingebouwd in beeldcpnameinrichtingen van het type Vidicon. Een andere mogelijka inrichting is een geheugenbuis, waarin een 15 informatie voorstellend ladingspatroon wordt opgetekend op een trefplaat met behulp van een gemoduleerde elektronenstrocm, die wordt opgewekt door de elektronenhron in het lichaam 10, waarbij dit ladingspatroon vervolgens door een constante elektronenbundel wordt uitgelezen, die bij voorkeur wordt opgewekt door dezelfde elektronenhron.

20 Een bekende technologie, die wordt toegepast bij de vervaardi- ging van geintegreerde schakelingen van silicium, kan worden gebruikt voor de vervaardiging van elektronenhronnen volgens de uitvinding in de vorm van een matrix in een gemeenschappelijk halfgeleiderlichaam. Dit wordt vergemakkelijkt door de eenvoudige structuur van dergelijke hron-25 nen, waarbij slechts elektrodeaansluitingen voor de twee gebieden 3 en 2 zijn vereist. Zo kan het lichaam van de inrichting bestaan uit een twee-dimensionale matrix van dergelijke elektronenhronnen, die elk afzonderlijk kunnen worden gestuurd, cm hun eigen afzonderlijke elektronenemissie te regelen. De massa van het lichaam 10 kan bestaan uit licht gedoteerd ma-30 teriaal, dat een aan dat van de gebieden 2 tegengesteld geleidingstype heeft en waarin de gebieden 2 als eilanden zijn aangebracht. De afzonderlijke elektronenhronnen kunnen in een kruisstangschakelsysteem zijn samengevoegd. De n-type gebieden 3 in elke X-richting van de matrix kunnen een gemeenschappelijke elektrodeaansluiting 13(1), 13(2), enz. bezit-35 ten, die zich in de X-richting uitstrekt. De de gebieden 2 vormende eilanden kunnen de vorm hebben van stroken 2(1), 2(2), 2(3) enz., die zich in de Y-richting van de matrix uitstrekken, cm de gebieden 2 van de afzonderlijke elektronenhronnen in elke Y-richting in een gemeenschappelijk 8204240 PHB 32.829 13 eiland samen te voeg®i. Elk van deze stroken 2(1), 2(2), 2(3) enz. kan een elektrodeaansluiting 12(1) , 12(2), 12(3) enz. bezitten. Afzonderlijke elektronenbrcnnen van de Χϊ-matrix kunnen warden gestuurd, door de elek-trod^ansjad-l^g^ 12(1) r 12(2) eraz. en 13(1), 13(2) enz. te selecteren, 5 waaraan de bedrij fsspanningen V(Y) en V(X) warden aangelegd, on het gebied 3 positief voor te spannan ten cpzichte van het gebied 2 voor de elektronenemissie via het gebiid 5. Voarspanningen van verschillende grootte kunnen warden aangelegd aan deze verschillende aansluitingen, zo-dat verschillende elektranenstromen 24 kunnen warden geeraitteerd door 10 verschillende eletetranenbronnen, waardoor een gewenst elektronenstroara-patroon van de gehele matrixlla^ qpgewekt.

Een dergelijke inrichting, bevattende een twee-dimensionale matrix, is bijzonder geschikt voor toepassing als elektronenbron in een beeldweergeef inrichting, die een plattere vacuumbuis 33 kan bevatten dan 15 die van de katodestraalbuis volgens Fig. 4. In een dergelijke platte in-richting kan het beeld warden gevonrd qp een fluorescerend scherm 34 aan een zijde van de buis, door verschillende elektronenstroorrpatronen van de matrix in het lichaam 10, die aan de tegenovergestelde zijde van de buis is aangebracht, cp te wekken in plaats van £en enkele elektronenbundel af 20 te buigen, zoals in een katodestraalbuis. Een dergelijke twse-dimensiona-le matrix is ock geschikt voor elektrormlithograf ie bij de vervaardiging van halfgeleiderinrichtingen, geintegreerde schakelingen en andere micro-miniainiur-vastestofiiirichtingen Bij. deze toepassing wordt de matrix als elektronehbrcp aangefcracht in de kamer van een lithograf ische belichtings-25 inrichting. De kamer is verbonden met een vacuumpctnp voor het tot stand brengen van een vacuum in de kamer voor het belichtingsproces. De toepassing van een halfgeleidende tweedimensionale elektronenbronnenmatrix voor beeldweergeefinrichtingen en voor elektranenlithografie is reeds be-schreven in de Britse octrooiaanvrage 7902455, die is openbaar gemaakt 30 onder rammer GB 2013398A en waamaar wOrdt verwezen.

Een oppervlaktegebied 5 volgens de uitvinding kan warden aangebracht in de n-type gebieden vtn pn-elektronenbronnen van het 3-elektro-dentype, zowel in afzanderlijke bronnen als in matrices, zoals beschreven in GB 2013398A. Zo kan een elektronenbron volgens de uitvinding een ver-35 snellingselektrode bevatten, die van het halfgeleideroppervlak is geiso-leerd en zich random de rand van het uitgeputte oppervlaktegebied 5 ter plaatse van de zone 4 uitstrekt, vanwaar de hete elektronen 24 worden ge-eamitteerd. In dit geval kan het n-type eerste gebied 3 worden gecontacteerd 8204240

It PHB 32.829 14 door zijn elektrodeaansluiting via een diep n-type contactgebied (¾) een plaats, die ver van de oppervlaktezone 4 is verwijderd, vanwaar de hete elektronen 24 warden geemitteerd.

Vele andere varianten zijn binnen het kader van de uitvinding 5 mogelijk. Zo kan het halfgeleiderlichaam 10 van een elektronenhron volgens de uitvinding b.v. in plaats van uit £enkristallijn silicium uit een an-der halfgeleidermateriaal bestaan, b.v. een UI-V-halfgeleiderverbinding of gehydrogeneerd amorf silicium, dat wordt neergeslagen op een substraat van glas of een ander geschikt materiaal.

10 15 20 25 30 35 8204240

Claims (10)

1. Halfgeleiderinrichting voar het emitteren van elektronen, bevat-tende een halfgeleiderlichaam met een n—type eerste gebied en een tweede gebied van bat lichaam, gescheiden door een van een pn-overgang, voorziene tussen bet eerste en het tweede gebied gelegen barriere alsmede elektrode- 5 aansluitingen voar het eerste en het tweede gebied voor het aanleggen van een pcrtentiaalverachil over da barriere/ am het eerste gebied positief ten apzichte van het tweede gebied te kunnen vocrspannen en daardoor een toe-voer van hete elektronen te bewerkstelligen, die vanuit het tweede gebied over de tarri&re in bet eerste gebied worden geinjecteerd en die vanaf een 10 cppervlaktezcne van het lichaam worden geSnitteerd, met het kenmerk, dat het lichaam ter plaatse van d4 qppervlaktezone, vanwaar de hete elektronen worden ge&nitteerd, een p-type oppervlaktegebied bevat teneinde tussen let n-type eerste gebied en de genoemde oppervlaktezone qp afstand van de genoemde cppervlaktezone een potentiaa lmaxirrum te vorraen, waardoor in het 15 halfgeleiderlichaam een driftveld wcrdt gevormd/ dat elektronen in de richting van de genoemde cppervlaktezone versnelt.

2. Halfgeleid@rinric±iting volgens ccnclusie 1, met het kenmerk, dat het p-type cppervlaktegebied een zodanige doteringsconcentratie bezit dat het terminate over een dsel van het oppervlaktegebied over zijn gehele 20 dikte wordt gedepleerd door het uitputtingsgebied dat onder voorspanning rail wcrdt gevormd met het genoande eerste gebied.

3. Halfgeleiderinrichting volgens ccnclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het genoande cppgrvlaktegafcied een dikte van ten hoogste 10 nm heeft.

4. Halfgeleiderinriditing volgens een of meer van de voorafgaande 25 ccnclusies, met het kenmerk, dat de door het oppervlaktegebied en het eerste en het tweede gebied gevanrde structuur slechts twee elektrodeaan-sluitingen bevat voar respectievelijk het eerste gebied en het tweede gebied.

5. Halfgeleiderinrichting volgens e&i of meer van de voorafgaande 30 conclusies, met het kenmerk, dat de elektrodeaansluiting voar het n-type eerste gebied tevens een deel van het oppervlaktegebied contacteert.

6. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het tweede gebied het n-geleidingstype bezit en van het n-type eerste gebied is gescheiden door een p-type ge- 35 bied die pn-overgangen vormt met zowel het n-type eerste als het n-type tweede gibiedi

7. Halfgeleiderinrichting volgens e£n of meer van de conclusies 1 tot 5, mat het kenmerk, dat het tweede gebied het p-geleidingstype bezit 8204240 •X PHB 32.829 16 en de barriere wordt gevorrtd door de pn-overgang, tussen het p-type twee-de gebied en het n-type eerste gebied.

8. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de genoemde oppervlaktezone van het op- 5 pervlaktegebied is bedekt met een materiaal, die de elektronenuittreepo-tentiaal verlaagt.

9. Halfgeleiderinrichting volgens een der vorige conclusies, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam langs tenminste een deel van de oppervlaktezone voorzien is van tenminste een ten opzichte van het half- 10 geleiderlichaam elektrisch geisoleerde elektrode.

10. Inrichting met een vacuumcmhulling waarin een vacuum kan worden aangebracht en een halfgeleiderinrichting volgens een der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de halfgeleiderinrichting zich binnen de cm-hulling bevindt en tijdens het bedrijven van de inrichting elektronen in 15 het vacuum kan emitteren. 20 25 30 35 8204240