NL8403538A - Halfgeleiderkathode met verhoogde stabiliteit. - Google Patents

Description

**- * PHN 11.207 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Halfgeleiderkathode met verhoogde stabiliteit.

De uitvinding betreft een halfgeleider inrichting voor het opwekken van een elektronenstrocm met een kathode bevattende een half ge-leiderlichaam met aan een hoofdoppervlak tenminste een groep gebieden die in de bedrijfstoestand elektronen emitteren.

5 De uitvinding heeft bovendien betrekking op een weergeef- en op een opneeminrichting, voorzien van een dergelijke halfgeleider-inrichting.

Dergelijke inrichtingen zijn bekend uit de op 15 januari 1981 ter visie gelegde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470 van Aanvraag-10 ster.

Hierin wordt onder meer een vlakke weergeef inrichting getoond met een fluorescerend scherm dat geactiveerd wordt door elektronen afkomstig van een halfgeleiderinrichting met emissiegebieden die in een XY-matrix zijn georganiseerd en waarbij, afhankelijk van de aansturing/ IS van steeds andere groepen emissiegebieden, wisselende patronen van elektronenemissie en daardoor verschillende fluorescentiepatronen gegenereerd worden.

In het betreffende voorbeeld wordt gebruik gemaakt van halfge-leiderkathoden, waarvan de werking gebaseerd is op lawinevermenigvuldiging 20 van elektronen bij het in de sperrichting voorspannen van een pn-over gang.

De pn-overgang bezit ter plaatse van het emitterend oppervlak een verlaagde doorslagspanning en is daar van het oppervlak gescheiden door een n-type geleiden laag met een zodanige dikte en dotering dat bij de doorslagspanning de uitputtingszone zich niet tot aan het oppervlak 25 uitstrekt doch daarvan gescheiden blijft door een cppervlaktelaag die voldoende dun is an de gegenereerde elektronen döor te laten.

In de genoemde Octrooiaanvrage wordt eveneens een toepassing getoond waarbij een dergelijke halfgeleiderkathode wordt toegepast in een elektronenbuis, waarbij het emitterend oppervlak praktisch ringvormig is.

30 Bij het gebruik van een dergelijke halfgeleiderkathode in gebruikelijke kathodestraalbuizen wordt doorgaans niet, zoals in het daar getoonde voorbeeld, uitgegaan van een virutele bron maar komen de door de halfgeleider- . kathode geëmitteerde elektronen samen in een zogenaamde "cross-over". De 3403538 • .-v PHN 11.207 2 elektronen bewegen zich hierbij overigens hoofdzakelijk langs het oppervlak van de gegenereerde bundel, hetgeen, zoals in genoemde Octrooiaanvrage beschreven, elektronenoptisch van voordeel kan zijn.

Daarbij ligt in het algemeen de gewenste elektronenstroom vast, g afhankelijk van het type kathodestraalbuis waarin de halfgeleiderkathode wordt gebruikt. Elektronenstromen (bundelstromen) groter dan 100 ^uAmpère kunnen bijvoorbeeld worden opgewekt met behulp van halfgeleider-kathodes met een ringvormig emitterend oppervlak met een diameter groter dan circa 20 ^umeter. Door deze elektronenstroom, in samenhang met H) het totale emitterend oppervlak en de efficiency van de halfgeleiderkathode ligt dan de elektronenstroandichtheid vast.

Deze eleketronenstroomdichtheid kan daarbij zodanig laag worden dat hierdoor in de praktijk stabiliteitsproblemen optreden. Eventuele restgassen uit het vacuümsysteem (bijv. E^O, CO^, 0^) worden aan het 15 elektronenemitterend oppervlak geadsorbeerd en kunnen daar interacties aangaan met een monoatomaire laag cesium die doorgaans op dit oppervlak is aangebracht cm de uittreepotentiaal van de in het halfgeleiderlichaam gegenereerde elektronen te verlagen en met het oppervlak van het half-geleiderkristal. Onder invloed van de uit het halfgeleiderlichaam tredende 2Q elektronen kunnen daarbij ontstane verbindingen worden afgebroken en treedt afvoer van geadsorbeerde atomen op (desorptie). Eveneens vindt afvoer van geadsorbeerde atomen op door diffusie vanuit het emissiegebied onder invloed van elektrische velden (bijvoorbeeld de velden opgewekt door de instelstrocm). Om deze mechanismen voldoende invloed te doen hebben is 25 het echter dikwijls nodig de elektronenstroandichtheid te verhogen door de instelstroam in te stellen op een hogere waarde dan praktisch mogelijk of gewenst is.

De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel een inrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen met een verhoogde „„ stabiliteit.

30

Een inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk’ dat de groep gebieden ten behoeve van een gemeenschappelijke bedrijfs-instelling voor twee groepen overeenkomstige elementen gemeenschappelijke elektrische aansluitingen bevat.

35 De uitvinding berust op het inzicht dat de stabilitiet van een halfgeleiderkathcde met behulp van de maatregel volgens de uitvinding verhoogd wordt doordat een groep kleine emiss iegebieden homogeen over het oppervlak dat het oorspronkelijke emissiepatroon definieert kan 8^03 R 7 ö

v » W V tj Q

PHN 11.207 3 worden verdeeld waarbij het totale oppervlak van de emissiegebieden aanzienlijke kleiner is dan dat van het oorspronkelijke patroon. Dit geldt in principe al voor zeerkleine emissiepatronen met een oppervlak van ca. 1 en ook voor ringvormige patronen met een diameter vanaf 5 ca. 10 yUm bij een ringbreedte van ca. 0,5 ^um.

Met gemeenschappelijke elektrische aansluitingen wordt hierbij bedoeld dat zodanige maatregelen getroffen zijn dat voor alle tot êên groep behorende gebieden de instelling praktisch gelijk is, bijvoorbeeld door het gebruikmaken van gemeenschappelijke metallisaties voor overeen-10 komstige halfgeleiderzones of van hooggedoteerde begraven halfgeleider-zones die alle tot êên groep behorende halfgefeüerzones van eenzelfde type onderling doorverbinden. Indien gebruik gemaakt wordt van het type halfgeleiderkathode, zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage Nb. 7905470, waarbij bijvoorbeeld de groep elektronen emitterende ge-15 bieden ringvormig is of homogeen verdeeld is over een ringvormig gebied zijn dan alle p-type gebieden van de pn-overgangen elektrisch geleidend doorverbonden via de metallisatie aan de onderzijde van het halfgeleider-lichaam, terwijl de n-type gebieden onderling doorverbonden zijn via diepe n-d if fusies buiten de eigenlijke emitterende oppervlakken. De daar 20 getoonde versnellingseléktrode kan echter weer opgedeeld zijn in verschillende delen die op afzonderlijke potentialen gebracht kunnen worden. Deze elektrode kan echter ook geheel of gedeeltelijk weggelaten worden.

Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de groep gebieden volgens een ringvormig patroon ge-25 rangschikt is. Een dergelijke uitvoering is, zoals hierboven genoemd, uit elektronenoptische overwegingen zeer geschikt.

Ook andere rangschikkingen van de emitterende gebieden zijn mogelijk,bijvoorbeeld lijnvormige ten behoeve van weergeefinrichtingen of de activering van lasermateriaal zoals beschreven in de Nederlandse 3Q Octrooiaanvragen No. 8300631 en No. 8400632 van Aanvraagster.

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

Fig. 1 in bovenaanzicht een halfgeleiderinrichting vaolgens de uitvinding toont.

35 Fig. 2 een dwarsdoorsnede toont langs de lijn II-rll in Figuur 1.

Fig. 3 het segment 18 in Figuur 1 op vergrote schaal toont.

Fig. 4 een andere realisatie van een dergelijk segment toont.

Figuren 5,6 en 7 in bovenaanzicht andere halfgeleiderinrichting- 8403538 PHN 11.207 4 en volgens de uitvinding tonen.

Figuur 8 een dwarsdoorsnede toont langs de lijn VIII-VIII in

Figuur 7.

Figuur 9 een weergeef inrichting toont, vervaardigd met een 5 halfgeleiderinrichting volgens de uitvindig terwijl

Figuur 10 een opneeminrichting toont, die een halfgeleider-. inrichting volgens de uitvinding bevat en

Figuur 11 in bovenaanzicht nog weer een andere halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding toont.

10 De figuren zijn niet op schaal getekend waarbij ter wille van de duidelijkheid, in de dwarsdoorsneden in het bijzonder de afmetingen in de dikterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleiderzones van hetzelfde geleidingstype zijn in het algemeen in dezelfde richting gearceerd; in de figuren zijn overeenkomstige delen in de regel met dezelfde verwijld zingscijfers aangeduid.

De halfgeleiderinricltiig 1 van de Figuren 1 en 2 bevat een half geleider lichaam 2, bijvoorbeeld van silicium met aan een hoofdoppervlak 3 een aantal emissiegebieden 4 die in dit voorbeeld volgens een ringvormig patroon, in Figuur 1 aangegeven door de punt-streep-lijnen 2q 5 zijn gerangschikt. De eigenlijke emissiegebieden 4 bevinden zich ter plaatse van openingen 7 in een isolerende laag 22 van bijvoorbeeld siliciumoxyde.

De halfgeleiderinrichting bevat een pn-overgang 6 tussen een p-type substraat 8 en een n-type zone 9,11 bestaande uit een diepe 2g n-zone 9 en een ondiepe zone 11. Ter plaatse van de emissiegebieden 4 bevindt de pn-overgang zich tussen een geïmplanteerd p-type gebied 10 en de ondiepe zone die daar een zodanige dikte en dotering heeft dat bij de doorslagspanning van de pn-overgang 6 de uitputtingszone van de pn-overgang zich niet tot aan het oppervlak uitstrekt doch daar-3Q van gescheiden blijft door een oppervlaktelaag die dun genoeg is om de ten gevolge van doorslag gegenereerde elektronen door te laten. Ten gevolge van het hooggedoteerde p-type gebied 10 heeft de pn-overgang binnen de openingen 7 een lagere doorslagspanning zodat de elektronenemissie praktisch alleen in de gebieden 4 ter plaatse van de openingen 35 7 plaatsvindt. Verder is de inrichting nog voorzien van een elektrode 12.

Deze is in dit voorbeeld opgedeeld in een tweetal deelelektroden 12a, 12^ zodat men de gegenereerde elektroden kan af buigen. De elektrode 12 hoeft echter niet altijd aanwezig te zijn. Voor het contacteren van de n-type 8403538 PHN 11.207 5 zone 9 is een contactgat 14 in de oxydelaag 22 aangebracht ten behoeve van een contactmetallisatie 13, terwijl aan de onderzijde het substraat 8 via een hooggedoteerde p-type zone 15 en een contactmetallisatie 16 kan worden aangesloten. Binnen de openingen 7 is op het oppervlak 3 een 5 monolaag cesium aangehracht can de uittreepotentiaal van de elektronen te verlagen.

Voor een nadere beschrijving van structuur, werking en wijze van vervaardiging van halfgeleiderinrichting van de Figuren 1 en 2 zij verwezen naar de genoemde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. In een 10 daarin getoond uitvoeringsvoorbeeld wordt een ringvormig emissiepatroon verkregen met behulp van een ringvormige opening in het op het oppervlak gelegen oxyde, waarbinnen de doorslag van de pn-overgang verlaagd is ten opzichte van andere plaatsen. Een dergelijk ringvormig patroon is in fig.

1 aangegeven met de punt-streep-lijnen 5. De hiervoor gedefinieerde ring-15 vormige strook heeft een strookbreedte van ca. 3 micrometer terwijl de ring een diameter van ca. 200 micrometer bezit.

Volgens de uitvinding bevat de inrichting geen ringvormig emitterend gebied maar een aantal (ca. 25) afzonderlijke emissiegebieden 4 die in een ring met een doorsnede van ca. 200 micrometer zijn gerangschikt.

2(j De afzonderlijke emissiegebieden 4 zijn bij voorkeur cirkelvormig net een diameter van ca. 2 micrometer. Het totale emitterend oppervlak is 2 2 hiermee gereduceerd van ca. 1800 (^um) tot ca. 80 (^um) .

Bij een gelijkblijvend totale emissiestroom is nu de emissie-strocKdichtheid veel groter. Een dergelijke verhoogde emissiestroomdicht-25 beid draagt bij tot een snellere desorptie van aan de cesiumlaag 17 geadsorbeerde ionen, atomen en moleculen (H20, CO^, Q2). Tegelijkertijd is ten gevolge van de kleinere afmetingen van de emissiegebieden 4 de stroomdichtheid door de n-type gebieden 6,11 groter. De daarmee gepaard gaande hogere elektrische velden versnellen een eventuele diffusie van geadsor-30 beerde ionen uit het emissiegebied 4. De stabiliteit van de elektronenemissie wordt hiermee dan ook aanzienlijk verhoogd.

Figuur 3 toont in bovenaanzicht het segment 18 uit Figuur 1, waarbij alleen de emissiegebieden 4 en het door de puntstreeplijnen 5 aangegeven gebied worden getoond.

35 Figuur 4 toont een soortgelijk segment 18 waarbij voor de emissiegebieden 4 een doorsnede van ca. 1 micrometer is gekozen. Bij eenzelfde emissies troon neemt het aantal emissiegebieden omgekeerd evenredig toe met de diameter van de emissiegebieden. Bij een gelijkblijvend patroon P L· Μ λ 3 3 J . V v I· >/« v'

* V

PHN 11.207 6 5 met een diameter van ca. 200 micrometer bevat een inrichting met dergelijke kleine emissiegebieden ca. 50 emissiegebieden 4.

Meer in het algemeen is de winst in locale stroomdichtheid groter naarmate de diameter van de emissiegebieden 4 kleiner is; deze 5 diameter ligt bij voorkeur tussen 10 nanometer en 10 micrometer.

De emissiepatronen 4 kunnen hierbij ook uniform verdeeld zijn over een ringvormig patroon zoals getoond wordt in Figuur 5 waar een segment getoond wordt van een dergelijk patroon met een breedte van het gebied 5 van ca. 5 micrometer en een diameter van de emissie-10 gebieden 4 van ca. 1 micrometer.

Anderzijds kan de stabiliteit van een halfgeleiderkathode verhoogd worden door op soortgelijke wijze als hierboven voor een ringvormig patroon beschreven het totale emitterend oppervlak te verkleinen door een aantal kleinere emissiegebieden uniform over dit oppervlak 15 te verdelen.

Figuur 6 toont hoe bijvoorbeeld een gebied 5 met een oorspronkelijke diameter van ca. 1,5 micrometer kan worden opgedeeld in 3 emissiegebieden 4 met een diameter van ca. 0,5 micrometer.

Een dergeljke opdeling is bijzonder geschikt voor patronen met een 2o diameter van het gebied 5 die kleiner is dan ca. 10 micrometer. Voor grotere diameters (10-100^um) kan vaak met voordeel een inrichting soortgelijk aan die van Figuur 5 worden gekozen. Een inrichting volgens de uitvinding, waarbij deze maatregel is toegepast op een vierkant emissiegebied, aangegeven door de punt-streeplijn 5 wordt getoond 25 in de figuren 7,8. De verwijzingscijfers hebben hierbij dezelfde betekenis als in Figuur 1,2 waarbij wordt opgemerkt dat de elektrode 12 slechts schematisch is aangegeven, waarmee nogmaals opgemerkt wil zijn dat deze niet noodzakelijkerwijs altijd aanwezig hoeft te zijn.

De emissiegebieden 4 kunnen in plaats van cirkelvormig gerang-3Q schikt ook langs lijnvormige patronen gerangschikt zijn bijvoorbeeld ten behoeve van display-toepassingen of toepassingen zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8300631 en No. 8400632.

Figuur 7 toont schematisch in perspectief in aanzicht een vlakke weergeef inrichting die naast het halfgeleiderlichaam 2 een fluor-35 escerend scherm 23 bevat, dat geactiveerd wordt door de van het halfgeleiderlichaam afkomstige elektronenstroom T9. De afstand tussen het halfgeleiderlichaam en het fluorescerend scherm bedraagt bijvoorbeeld 5 millimeter, terwijl de ruimte waarin zij zich bevinden is geëvacueerd.

3403538 J. * PHN 11.207 7

Tussen het halfgeleiderlichaam 2 en het scherm 23 wordt een spanning aangelegd in de orde van 5 a 10 kV via de spanningsbron 24, hetgeen een dusdanig hoge veldsterkte teweegbrengt tussen het scherm en de inrichting dat het beeld van een kathode van dezelfde grootte-orde is als deze 5 kathode.

De emissiegebieden 4 zijn op het oppervlak van het halfgeleiderlichaam gerangschikt volgens lijnvormige patronen 5 die met behulp van, zonodig ook in het halfgeleiderlichaam 2 geïntegreerde, niet getekende hulpelektronika worden geactiveerd.

jq Hierbij worden steeds één of meer groepen die volgens lijn vormige patronen emitteren op identieke wijze aangestuurd zodat in het onderhave voorbeeld afhankelijk van de aansturing op het scherm 23 karakters worden weergegeven.

In Figuur 8 is schematisch een kathodestraalbuis afgebeeld bijvoorbeeld een opneembuis net een hermetisch afgesloten vacuüm-buis 20, die trechtervormig uitloopt, waarbij de eindwand aan zijn binnenzijde bedekt is met een fluorescerend scherm 21. De buis bevat voorts focusseringselektroden 25,26 en de afbuigelektroden 27,28. De elektronenbundel 19 wordt gegenereerd in één of meer kathoden, zoals boven be-2q schreven, die zich bevinden in een halfgeleiderlichaam 2, dat op een houder 29 is gemonteerd. Elektrische aansluitingen van de halfgeleider-inrichting worden via doorvoeren 30 naar buiten gevoerd.

Uiteraard is de uitvinding niet beperkt tot de hier getoonde voorbeelden maar zijn binnen het kader van de uitvinding voor de vak-25 man diverse variaties mogelijk.

Zo kunnen in de emissiegebieden volgens geheel andere principes elektronen worden gegenereerd dan door middel van lawinevermenig-vuldiging.- Hierbij valt te denken aan het principe van een NEA-kathode of de principes die ten grondslag liggen aan de kathoden zoals beschre-30 ven in de Britse octrooiaanvragen No. 8133501 en No. 8133502.

Daarnaast hoeven de emissiegebieden niet altijd rond of vierkant gekozen te worden maar kunnen zij diverse andere vormen bezitten, bijvoorbeeld rechthoekig of ellipsvormig, hetgeen met name in de inrichting van Figuur 1,2 gunstig is vanuit elektronenoptisch standpunt.

35 Een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding is bovendien bijzonder geschikt voor toepassing in een inrichting zoals beschreven in de tegelijkertijd met de onderhavige Octrooiaanvrage ingediende Octrooiaanvrage No. (PHN 11.206). Met name een inrichitng zoals getoond 8403538 PHN 11.207 8 in Figuur 5 is hiervoor zeer geschikt.

Afhankelijk van de mogelijkheden van de halfgeleidertechnolo-gie zal men de diameters van de emissiegebieden kleiner kiezen dan de in het voorbeeld van Figuur 6 genoemde 0,5 ^um. Eenerzijds kan het 5 gebied 5 dan opgedeeld worden in meer emissiegebieden 4, terwijl anderzijds bij gelijkblijvend aantal een kleinere diameter voor het gebied 5 kan worden gekozen.

Op dezelfde wijze als het ronde patroon van Figuur 6 in bepaalde gevallen met voordeel kan worden vervangen door een cirkelvormig 10 patroon kunnen de streepvormige patronen van Figuur 7 vervangen worden door echthoekige patronen, zoals weergegeven in Figuur 11.

Ook kunnen in de inrichting volgens Figuur 8 de emitterende gebieden 4 worden verkregen door een uniforme n-laag 11, die aansluit op een contactdiffusie 9, waarbij plaatselijk d.m.v. bijvoorbeeld een 15 booriirplantatie binnen de openingen 7 een verlaagde doorslagspanning is verkregen.

20 25 30 35 8403538

Claims (11)

1. Halfgeleider inrichting voor het opwekken van een elektronen-strocm met een kathode bevattende een half geleiderlichaam net aan een hoofdoppervlak tenminste een groep gebieden die in de bedrijfstoestand elektronen emitteren met het kenmerk dat de groep gebieden ten behoeve 5 van een gemeenschappelijke bedrijf sinstelling voor twee groepen overeenkomstige elementen gemeenschappelijke elektrische aansluitingen bevat.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 net het kenmerk dat'"éi^eS/eden praktisch homogeen verdeeld is over een deel van het 10 hoofdoppervlak.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat de groep gebieden volgens een ringvormig patroon gerangschikt is.

4. Halfgeleiderinrichting volgens één der vorige conclusies met het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam meerdere groepen gebieden 15 bevat die afzonderlijk instelbaar zijn.

5. Halfgeleiderinrichting volgens één der vorige conclusies met het kenmerk dat de gebieden een oppervlak van ten hoogste 100 2 (yUm) bezitten.

6. Halfgeleiderinrichting volgens een der vorige conclusies met 20 het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam een pn-overgang bevat tussen een aan het hoofdoppervlak grenzend n-type gebied en een p-type gebied, waarbij door het aanleggen van een spanning in de keerrichting over de pn-overgang in het halfgeleiderlichaam door lawinevermenigvuldiging elektronen worden gegenereerd die uit het halfgeleiderlichaam treden en 25 waarbij het oppervlak voorzien is van een elektrisch isolerende laag waarin meerdere openingen zijn aangebracht en de pn-overgang althans binnen de opening in hoofdzaak evenwijdig aan het hoofdoppervlak loopt en plaatselijk een lagere doorslagspanning dan het overige deel van de pn-overgang vertoont, waarbij het deel met lagere doorslagspanning 30 van het oppervlak is gescheiden door een n-type geleidende laag met een zodanige dikte en datering dat bij de doorslagspanning de uitputtings-zone van de pn-overgang zich niet tot aan het oppervlak uitstrékt doch daarvan gescheiden blijft door een oppervlaktelaag die voldoende dun is om de gegenereerde elektronen door te laten.

7. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 6 met het kenmerk dat op althans een gedeelte van de isolerende laag tenminste een elektrode is aangebracht.

8. Halfgeleiderinrichting volgens één der vorige conclusies met 8403558 PHN 11.207 10 het kenmerk dat het hoofdoppervlak ter plaatse van de dektronenemitterende gebieden bedekt zijn met een laag elektronenuittreepotentiaalverlagend materiaal.

9. Opneembuis voorzien van middelen om een elektronenbundel te 5 sturen, welke elektronenbundel een ladingsbeeld aftast, met het kenmerk, dat de elektronenbundel wordt opgewekt met een halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 8.

10. Weergeef inrichting voorzien van middelen om een elektronenbundel te sturen, welke elektronenbundel een afbeelding teweegbrengt, 10 met het kenmerk, dat de elektronenbundel wordt opgewekt met behulp van een halfgeleiderinrichting volgens êên der conclusies 1 tot en met 8.

11. Weergeef inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat deze weergeef inrichting een fluorescerend scherm bevat, dat zich in vacuüm op enkele millimeters van de halfgeleiderinrichting bevindt en 15 het scherm geactiveerd wordt door de van de halfgeleiderinrichting afkomstige elektronenbundel. 20 25 30 35 8403538