NL8901590A - Halfgeleiderinrichting voor het opwekken van een elektronenstroom. - Google Patents

Description

De uitvinding betreft een halfgeleiderinrichting voor het opwekken van een elektronenstroom met een kathode bevattende een halfgeleiderlichaam met ten minste een n-type halfgeleidergebied en een eerste p-type halfgeleidergebied, waarbij door het n-type-gebied een positieve voorspanning te geven ten opzichte van het p-type-gebied in het halfgeleiderlichaam elektronen kunnen worden opgewekt die het halfgeleiderlichaam verlaten.

Daarnaast betreft de uitvinding een opneembuis en een weergeefinrichting voorzien van een dergelijke halfgeleiderinrichting.

Halfgeleiderinrichtingen van de in de aanhef genoemde soort zijn beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470 (PHN 9532) van Aanvraagster.

Zij worden onder meer gebruikt in kathodestraalbuizen, waarin zij de conventionele thermische kathode, waarbij elektronenemissie door verhitting wordt opgewekt, vervangen. Daarnaast worden zij toegepast in bijvoorbeeld apparatuur voor elektronenmicroscopie. Naast het hoge energieverbruik ten behoeve van de verhitting hebben thermische kathoden het nadeel dat zij niet direct bedrijfsklaar zijn omdat zij eerst voldoende opgewarmd moeten worden voordat emissie optreedt. Daarnaast gaat door verdamping op den duur het kathodemateriaal verloren zodat deze kathoden een beperkte levensduur hebben.

Om de in de praktijk lastige verhittingsbron te vermijden en om ook aan de andere bezwaren tegemoet te komen heeft men gezocht naar een koude kathode.

De in de genoemde octrooiaanvrage beschreven koude kathoden zijn gebaseerd op het uittreden van elektronen uit het halfgeleiderlichaam wanneer een pn-overgang zodanig in de keerrichting wordt bedreven dat lawinevermenigvuldiging optreedt. Hierbij kunnen sommige elektronen zoveel kinetische energie verkrijgen als nodig is om de elektronenuittree-potentiaal te overschrijden; deze elektronen komen

Jam <·<*« «I AAM UaJ. amw A4A*«1 a 1* A U 1 AWAMAM η Ί <ΐιιη Λ Λ VI Λ Ί Λ Ir 4- ΊΛΛν» Λ VI 4· VI Λ ΛΜ

De daar beschreven kathoden zijn bovendien voorzien van een versnellings- of poortelektrode.

In dit type kathoden streeft men naar een zo hoog mogelijke rendement, o.a. te bereiken door een zo laag mogelijke uittree-potentiaal voor de elektronen. Dit laatste wordt bijvoorbeeld bewerkstelligd door het aanbrengen van een laag uittree-potentiaalverlagend materiaal op het oppervlak van de kathode. Bij voorkeur wordt hiervoor cesium gekozen omdat dit een maximale verlaging van de elektronen-uittreepotentiaal veroorzaakt.

Het gebruik van cesium kan echter nadelen hebben. Zo is cesium erg gevoelig voor de aanwezigheid (in de gebruiksomgeving) van oxyderende gassen (waterdamp, zuurstof, CC^). Bovendien is cesium tamelijk vluchtig hetgeen nadelig kan zijn bij die toepassingen waarbij zich substraten of preparaten in de nabijheid van de kathode bevinden, zoals bijvoorbeeld het geval kan zijn bij elektronenlithografie of elektronenmicroscopie. Het verdampte cesium kan dan op de genoemde voorwerpen neerslaan.

Om te trachten deze problemen te voorkomen, wordt in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8600675 (PHN 11.670) van Aanvraagster voorgesteld een intrinsieke halfgeleiderlaag aan te brengen tussen het p-type gebied en het n-type gebied.

Door de praktisch intrinsieke laag wordt in de halfgeleiderinrichting een gebied geïntroduceerd dat in de bedrijfstoestand volledig gedepleerd is en waarbij in praktisch dit gehele gebied een maximale veldsterkte heerst. Hierdoor vindt de generatie van elektronen eerder plaats en met een hogere potentiële energie, terwijl de gegenereerde elektronen in het intrinsieke gedeelte een geringe verstrooiing aan geïoniseerde doopstofatomen ondergaan, waardoor de effectieve vrije weglengte vergroot wordt.

Doordat bovendien elektronenemissie mogelijk blijkt ten gevolge van het tunneleffect wordt een hoger rendement bereikt.

De onderhavige uitvinding stelt zich onder meer ten doel het rendement van een dergelijke halfgeleiderkathode op een andere wijze te verhogen.

Een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat het n-type gebied een dikte bezit van ten hoogste 4 nanometer. Bij voorkeur is deze dikte kleiner dan 2 nanometer.

De uitvinding berust onder meer op het inzicht dat bij een dergelijke geringe dikte ( een of enkele atomaire lagen) kwantisatieeffecten optreden waardoor de effectieve uittreepotentiaal verlaagd wordt.

Daarnaast berust zij op het inzicht dat door een kleinere dikte d de factor e~(λ: vrije weglengte) die mede het rendement bepaalt, aanzienlijk groter wordt.

Het toepassen van dergelijke gebieden met een dikte van een of enkele atomaire lagen is mogelijk door het aanbrengen van zogenaamde "δ-doping" of "Planar Doping" structuren. Een degelijke n- type (of p-type) laag kan door de speciale manier van aanbrengen een gedeeltelijk intrinsieke toplaag bevatten. Waar in deze Aanvrage sprake is van een dunne n-type of p-type laag, wordt daaronder dan ook tevens een dergelijke dubbellaag uit een n-type of p-type laag en een dunne intrinsieke laag verstaan. Onder intrinsieke laag wordt dan een “P-type 16 of π-type laag verstaan met een dotering van ten hoogste 5.10 atomen/cm3

Om het rendement verder te verhogen, kan de dunne n-type laag ook met opzet van het p-type gebied zijn gescheiden door een intrinsieke halfgeleiderlaag op dezelfde wijze als beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8600675 (PHN 11.670) van Aanvraagster.

De bovengenoemde kwantisatie-effecten treden ook op, wanneer de dunne n-type laag zich bevindt tussen twee p-type gebieden.

Een voorkeursuitvoering van de uitvinding heeft dan ook het kenmerk, dat het n-type gebied zich bevindt tussen het eerste p-type gebied en een tweede p-type oppervlaktegebied.

Bij voorkeur heeft ook dit tweede p-type oppervlaktegebied een dikte van ten hoogste 4 nanometer. Een bijkomend voordeel van een dergelijke inrichting is, dat met name voor silicium geldt, dat de afstand van de bodem van de geleidingsband tot het vacuümniveau op enige afstand van het oppervlak voor p-type silicium lager is dan voor n-type silicium. Het tweede p-type oppervlaktegebied heeft bij voorkeur weer een dikte van ten hoogste 4 micrometer, bijvoorbeeld door dit weer als "Planar Doping” structuur uit te voeren. Ook een deel van het eerste p-type gebied kan op een dergelijke wijze worden gerealiseerd.

halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat het oppervlak voorzien is van een elektrisch isolerende laag waarin tenminste een opening is aangebracht, waarbij op de isolerende laag op de rand van de opening ten minste een versnellingselektrode is aangebracht en waarbij de halfgeleiderstructuur althans binnen de opening plaatselijk een lagere doorslagspanning dan het overige deel van de halfgeleiderstructuur vertoont.

Door de halfgeleiderstructuur van een dergelijke versnellingselektrode te voorzien, kunnen soortgelijke voordelen (elektronenbundels met een smal energiespectrum, lenswerking) verkregen worden als beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. Ten behoeve van elektronen-optische functies kan de versnellingselektrode worden opgedeeld of kan zonodig een extra elektrode rondom de versnellingselektrode worden aangebracht.

Een kathode volgens de uitvinding kan met voordeel worden toegepast in een opneembuis, terwijl ook voor een weergeefinrichting met een halfgeleiderkathode volgens de uitvinding diverse toepassingen bestaan. Een daarvan is bijvoorbeeld een weergeefbuis die een fluorescerend scherm bevat, dat geactiveerd wordt door de van de halfgeleiderinrichting afkomstige elektronenstroom.

De uitvinding zal thans nader worden beschreven aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarbij

Figuur 1 schematisch een vergelijking geeft tussen de structuur van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding en die van de inrichting beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470.

Figuur 2 schematisch een vergelijking toont van de bijbehorende heersende veldsterkte in het halfgeleiderlichaam,

Figuur 3 schematisch de bijbehorende energiediagrammen toont, terwijl

Figuur 4 schematisch een andere structuur toont van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding, en

Figuur 5 enkele energiediagrammen toont, behorende bij de halfgeleiderinrichting van Figuur 4.

De figuren zijn schematisch en niet op schaal getekend waarbij ter wille van de duidelijkheid, 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 verwijzingscijfers aangeduid.

Aan de hand van de van de Figuren 1 tot en met 3 zullen thans de voordelen worden besproken van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding ten opzichte van die zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. De daar beschreven inrichting bevat (Fig. 1a) aan een hoofdoppevlak 2 van een halfgeleiderlichaam 1 een n-type oppervlaktegebied 3 dat met een p-type gebied 4 een pn-overgang 3 vormt. De gebieden 3 en 4 kunnen ten opzichte van elkaar zodanig in de keerrichting worden voorgespannen, dat lawinevermenigvuldiging optreedt. Een deel van de daarbij vrijkomende elektronen kunnen daarbij zoveel energie verkrijgen als nodig is om uit het halfgeleiderlichaam te treden.

In een eerste inrichting volgens de uitvinding (Fig.

1D) bezit het n-type oppervlaktegebied 3 een dikte van ten hoogste 4 nanometer (bijvoorbeeld 2 nanometer). Omwille van het voorbeeld is voor de inrichting en van Fig. 1 aangenomen dat het p-type gebied 4 tijdens het gebruik volledig uitgeput is. De p-type gebieden worden eventueel gecontacteerd via een p+-gebied 5.

In Figuur 2 is schematisch het verloop van de veldsterkte weergegeven voor de beide inrichtingen. Voor de inrichtingen van Fig. 1 treedt ter plaatse van de pn-overgang 8 een maximaal veld op, dat aan beide zijden van de overgang afneemt tot de waarde nul aan de randen van de uitputtingszone (lijn a, b). Een dergelijk veldverloop leidt voor de inrichting van Fig. 1a tot een elektronenenergiediagram als met getrokken lijnen geschetst in Figuur 3a. Vanaf het oppervlak 2 gezien is de elektronenpotentiaal eerst nul totdat deze in het depletiegebied gaat oplopen tot een waarde van ca. 0,8 Volt (in silicium) ter plaatse van de pn-overgang. Doordat geldt

en vanaf dit punt het veld E afneemt (zie Figuur 2, lijn a) neemt de kromme a in Figuur 3a vanaf dit punt steeds minder steil toe tot vanaf de rand van het depletiegebied de elektronenpotentiaal constant blijft. Een soortgelijke kromme voor de inrichting van Figuur 1b, verschilt in zoverre van die van Figuur 3a, dat, door de geringe dikte van het n-type gebied 3 de elektronenpotentiaal op circa 2 nanometer van het oppervlak steil gaat oplopen (zie Figuur 3b).

Om het vacuum te kunnen bereiken, moeten de elektronen een energie bezitten die tenminste gelijk is aan de uittree-energie <p.

Voor een elektron dat op een afstand x van het oppevlak een potentiële energie gelijk aan of hoger dan deze uittree-energie φ heeft, wordt de -χ/λ kans op uittreden gegeven door P = Ae , waarin A een normeringsconstante en λ een effectieve vrije weglengte is.

Voor de elektronen van de beschreven inrichtingen geldt, dat deze kans voor elektronen die net deze potentiële energie bezitten respectievelijk gegeven wordt door -da/ka -db/Xb

Pa = Ae a a en Pb = Ae D D.

Doordat in de inrichting volgens de uitvinding db klein is ten opzichte van de dikte da in de inrichting van Figuur 1 geldt db < da, terwijl λ& - Xb zodat Pb > P&.

Bovendien treden door de geringe dikte van de laag 3 kwantisatie effecten op, weergegeven als discrete niveaux 6 in het 1- energiediagram van Figuur 3 . Dit heeft tot gevolg dat de effectieve uittreepotentiaal φ (afstand van de bodem van de geleidingsband tot het vacuümniveau) wordt verlaagd. Aangezien het totale rendement van de inrichting wordt bepaald door £ = Ae . e -,p^T leidt dit tot een verdere verhoging van het rendement. Het rendement kan nog verder worden verhoogd door het p-type gebied 4 te vervangen door een intrinsiek halfgeleidergebied, op dezelfde wijze als beschreven in de nederlandse Octrooiaanvrage No. 8600675. De bijbehorende energiediagrammen zijn in Figuur 3 met streeplijnen aangegeven. In dit geval wordt de effectieve uittreepotentiaal nog verder verminderd doordat de quantisatieeffecten een gunstiger verdeling van de niveaux 6 veroorzaken.

Het effect van de genoemde kwantisatieeffecten kan met bijzonder veel voordeel worden toegepast in de inrichting van Figuur 4 waar een dun n-type gebied 3 zich bevindt tussen een p-type gebied 4 en een p-type oppervlaktegebied 7. Het n-type gebied 3 is weer slechts enkele atomaire lagen dik, zodat kwantisatieeffecten optreden van de energieniveaus en het (quasi) Ferminiveau boven de bodem van de geleidingsband van het n-type gebied 3 komt (Fig. 5a). Indien nu het p-type oppervlaktegebied 7 (en daarmee indirect het n-type gebied 3) positief wordt voorgespannen ten opzichte van het p-type gebied 4, zodanig dat lawinevermenigvuldiging optreedt, stijgt de elektronenpotentiaal in het gebied 3 totdat het quasi-Ferniniveau samenvalt met de bodem van de geleidingsband van het (bij voorkeur hoog gedoteerde) p-type oppervlaktegebied 7.

Elektronen gegenereerd door gelijktijdig optreden van lawinedoorslag van de pn-overgang 8 vullen de energieniveaus op en steken als het ware het p-type oppervlaktegebied over. Om hierbij zo min mogelijk elektronen verloren te laten gaan, wordt voor dit p-type gebied bij voorkeur een kleine laagdikte (< 4 nanometer) en hoge dotering gekozen.

Een bijkomend voordeel is, dat de effectieve uittreepotentiaal (φ' in Fig. 5°) voor elektronen in p-type silicium lager is dan die voor elektronen in n-type-silicium (φ, Fig. 5a).

De p+-type oppervlaktelaag 7 kan ook evenals het gebied 3 worden aangebracht door middel van technieken die resulteren in "δ-dotering" of "Planar Doping" structuren, technieken welke ook voor het vervaardigen van de n-type oppervlaktelaag 3 in de inrichting van Figuur l(b> gebruikt kunnen worden, naast andere geschikte technieken (moleculaire bundel epitaxie). Hierbij kan het voordelig zijn ook de p-type laag 4 en/of eventuele tussenliggende intrinsieke lagen met deze techniek te vervaardigen.

Zoals in de inleiding gesteld, kan een halfgeleiderkathode volgens de uitvinding aan zijn oppervlak 2 voorzien zijn van een isolerende laag, waarop versnellingselektroden rondom openingen ten behoeve van emissie zijn aangebracht; de mogelijke vormen van de emitterende gebieden en de versnellingselektroden zijn nader omschreven in de bovengenoemde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470. Zo kan de opening spieetvormig of cirkelvormig zijn met een spleetbreedte of cirkeldiameter van dezelfde grootte-orde als de dikte van de isolerende laag. Doorgaans heeft de halfgeleiderstructuur ter plaatse van dergelijke openingen een lagere doorslagspanning. Ook de versnellingselektrode (van bijv. polykristallijn silicium) kan op verschillende wijzen zijn opgedeeld waarbij bijvoorbeeld een deel binnen en een deel buiten een cirkelvormige spleet ligt. Tevens kan het oppervlakte desgewenst met een elektronenuittreepotentiaalverlagend materiaal als cesium of barium bedekt zijn. In plaats van silicium kan ook een A3-B5 halfgeleidermateriaal (galliumarseen) worden gekozen.

Halfgeleiderkathoden volgens de uitvinding kunnen worden toegepast in zowel opneem- als weergeefbuizen maar ook bijvoorbeeld in elektronenmicroscopie.

Claims (21)

1. Halfgeleiderinrichting voor het opwekken van een elektronenstroom met een kathode bevattende een halfgeleiderlichaam met ten minste een n-type halfgeleidergebied en een eerste p-type halfgeleidergebied, waarbij door het n-type gebied een positieve voorspanning te geven ten opzichte van het p-type gebied in het halfgeleiderlichaam elektronen kunnen worden opgewekt die het halfgeleiderlichaam verlaten met het kenmerk, dat het n-type gebied een dikte bezit van ten hoogste 4 nanometer.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de dikte van het n-type gebied ten hoogste 2 nanometer bedraagt.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat zich tussen het eerste p-type gebied en het n-type gebied een praktisch intrinsiek halfgeleidergebied bevindt.

4. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het praktisch intrinsieke halfgeleidergebied van het ïï-type of het “P-type is met een maximale verontreinigingsconcentratie van 5.10^ atomen/cm^.

5. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat het n-type gebied zich bevindt tussen het eerste p-type halfgeleidergebied en een tweede p-type oppervlaktegebied.

6. Halfgeleiderinichting volgens conclusie 5 met het kenmerk, dat het p-type oppervlaktegebied hoog gedoteerd is en een dikte van ten hoogste 4 nanometer bezit.

7. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de dikte van het p-type oppervlaktegebied ten hoogste 2 nanometer bedraagt.

8. Halfgeleiderinrichting volgens één der vorige conclusies met het kenmerk, dat het eerste p-type halfgeleidergebied althans ten dele hoog gedoteerd is over een dikte van ten hoogste 4 nanometer.

9. Halfgeleiderinrichting volgens een der conclusie 1 t/m 8 met het kenmerk, dat het oppervlak voorzien is van een elektrisch isolerende laag waarin ten minste een opening is aangebracht, waarbij op de isolerende laag op de rand van de opening ten minste een versnellingselektrode is aangebracht en waarbij de halfgeleiderstructuur althans binnen de opening een lagere doorslagspanning vertoont dan het overige deel van de halfgeleiderstructuur.

10. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 9 met het kenmerk, dat de opening spieetvormig of cirkelvormig is of met een spleet breedte of cirkeldiameter die van dezelfde grootte-orde is als de dikte van de isolerende laag.

11. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat de versnellingselektrode is opgebouwd uit twee of meer deelelektroden.

12. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de opening een praktisch ringvormige spleet vormt, waarbij een deeleketrode binnen de ringvormige spleet en een deelelektrode buiten de ringvormige spleet ligt.

13. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de hartlijn van de ringvormige spleet een cirkel vormt.

14. Halfgeleiderinrichting volgens een der conclusies 9 t/m 13 met het kenmerk, dat op de elektrisch isolerende laag een tweede elektrode is aangebracht die de versnellingselektrode praktisch geheel omringt.

15. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 tot en met 14, met het kenmerk, dat het oppervlak van het halfgeleiderlichaam, althans ter plaatse van het emitterend oppervlak met een elektronenuittreepotentiaalverlagend materiaal bedekt is.

16. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat het uittreepotentiaalverlagend materiaal een van de materialen uit de groep van cesium en barium is.

17. Halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 16, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam uit silicium of een A3-B5-materiaal bestaat.

18. Halfgeleiderlichaam volgens één der vorige conclusies met het kenmerk, dat de versnellingselektrode polykristallijn silicium bevat.

19. Opneembuis voorzien van middelen om een elektronenbundel te 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 18.

20. Weergeefinrichting voorzien van middelen om een elektronenbundel te sturen, welke elektronenbundel een afbeelding teweeg brengt, met het kenmerk, dat de elektronenbundel wordt opgewekt met behulp van een halfgeleiderinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 18.

21. Weergeefinrichting volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat deze weergeefinrichting een fluorescerend scherm bevat, dat zich in vacuum op enkele millimeters van de halfgeleiderinrichting bevindt en het scherm geactiveerd wordt door de van de halfgeleiderinrichting afkomstige elektronenbundel.