SE438572B - Halvledaranordning for alstring av ett elektronflode, forfarande for tillverkning av halvledaranordningen, samt bildatergivningsanordning der den bildalstrande elektronstralen er alstrad medelst halvledaranordningen - Google Patents

Description

7900625-0 2 elektriska urladdningar i emissionsutrymmet samt det mycket stora undertryck som krävs för stabil emission (10 till 100 nPa).

En annan lösning består i att en halvledaranordning i vilken en halvledarkropp av n-typ är täckt med en mycket tunn ytregion av p-typ, varvid den sålunda bildade pn-övergången förspännes i framriktningen. Detta resulterar "i att elektroner injice- ras i ytregionen av p-typ, vilken region har en tjocklek som understiger diffusions- rekombinationsväglängden för elektronerna i p-regionen. Förutsatt att elektronerna har tillräcklig energi kan de lämna halvledarkropen vid ytan av p-regionen. För att stimulera emissionen av elektroner är ytan vanligtvis täckt med ett material som minskar elektronernas utträdesarbete, t ex ett material som innehåller cesium.

Ett av problemen i sådana anordningar är förekomsten av rekombination i det tunna p-skiktet, vilket begränsar injiceringsströmmen.

Dessutom sker vid användning långsam förbrukning av det ovannämnda täckskiktet av material som minskar elektronutträdesarbetet, vilket medför en begränsning av livslängden för dessa s.k "negative electron affinity"-katoderna.

Dessutom förekommer katoder som grundar sig på utträde av elektroner från halv- ledarkroppen då en pn-övergång får arbeta i backriktningen på sådant sätt att lavin- multiplikation erhålles. En sådan katod är föremål för den föreliggande patentansök- ningen.

I en halvledaranordning av det slag som är beskriven i den tidigare nämnda GB patentskrifen 1303659 uppträder lavinmultiplikation vid en tillräckligt hög spänning över pn-övergången. Vissa elektroner kan erhålla så mycket kineti sk energi som krävs för att övervinna elektronutträdesarbetet. Dessa elektroner frigöres då vid ytan och bildar sålunda nämnda elektronflöde. Som utföringsexempel i ovannämnda patentskrift beskrivs en sådan katod där kiselkarbid utnyttjas om halvledarmaterial. I själva verket är det så att man endast med kiselkarbid kan uppnå en sådan verkningsgrad d.v.s ett sådant förhållande mellan det alstrade elektronflödet och den nödvändiga lavinströmmen genom pn-övergången, som gör en dylik anordning användbar i praktiska tillämpningar. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en halvledaranordning där verk- ningsgraden har förbättrats i sådan grad i jämförelse med verkningsgraden i anord- ningen enligt ovannämnda brittiska patentskrift, att även kisel kan användas som material för en sådan katod. Uppfinningen grundar sig på insikten om att detta kan uppnås genom påverkan av det elektriska fältet i den omedelbara närheten av pn-över- gången.

För detta ändamål är en halvledaranordning enligt uppfinningen kännetecknad av att ytan har ett elektriskt isolerande skikt i vilket åtminstone en öppning är an- ordnad, varvid i varje fall i driftstillståndet åtminstone en del av det utarmnings- skikt som är förenat med pn-övergången ansluter till ytan och varvid åtminstone en 7900625-0 accelerationselektrod är anordnad på det elektriskt isolerande skiktet vid öppning- ens kant och i omedelbar närhet av den ytanslutande delen av utannningsskiktet.

Man har funnit att verkningsgraden i sådan halvledaranordning förbättrats i sådan grad att även vid användning av material av annat slag än kiselkarbid och t ex kisel, verkningsgrader kan uppnås, som är användbara för praktiska ändamål. Detta innebär fördelen dels med att katodstrukturen kan tillverkas genom den teknik som är känd från tillverkningen av integrerade kretsar i kisel och dels att dessa katod- strukturer kan inkorpnreras i integrerade strukturer utan tekniska nackdelar. En ytterligare fördel innebär det faktum att emissionen kan moduleras genom spänningar på accelerationselektroden utan att detta kräver särskilt stor effekt i jämförelse med modulation av enissionen genom backströmmen. Dessutom kan emissionsriktningen påverkas om accelerationselektroden består av två eller flera delar som var och en ges olika potentialer.

Den uppnådda verkningsgradsförbättringen kan förklaras enligt följande. Som ett resultat av det kraftiga elektriska fältet vid ytan, som alstras genom accelerati- onselektroden, erhålles främst en minskning av utträdesarbetet som en följd av Schottky-effekten. Dessutom förhindras bildandet av rymdladdning.

Slutligen blir elektronbanorna bättre definierade än i kända anordningar. An- ordningen enligt GB 1303659 visar en nn-övergång son skär ytan. När denna halvledar- anordning införes i ett katodrör eller annan urladdningsanordning så kommer katoden generellt att bilda en del av en större anordning i vilken, som en följd av ytterli- gare ingående elektroder t ex anod- eller styrgaller, elektronerna i driftstillstån- det för halvledaranordningen kommer att bortddragas och därvid i riktningen vinkel- rätt mot halvledarkroppens huvudyta. Generellt sett kommer sålunda elektronerna att utsättas för ett elektriskt fält med en komponent vinkelrätt mot huvudytan.

I detta sammanhang användes uttrycket “huvudyta" eftersom en sådan katodanord- ning även kan vara så utförd att en huvudyta har ursparingar i vilka pn-övergången är avslutad vid väggen eller bottnen av urtagen. Nämnda vägg respektive botten fungerar därvid som den inledningsvis nämnda ytan.

Då i stället pn-övergången är avslutad vid huvudytan så blir det elektriska fältet före nämnda övergång, som emitterar elektroner till följd av lavingenombrott, riktad parallellt med huvudytan, d.v.s vinkelrätt mot pn-övergången. Resultatet därav är att de emitterade elektronerna har en hastighetskomponent längs huvudytan, d.v.s vinkelrätt mot den önskade riktningen, vilket kan innebära en nackdel i syn- nerhet då smala elektronstrålar krävs. Genom att ge accelerationselektroden till- räckligt hög potential så accelereras elektronerna i riktning mot nämnda elektrod (även de elektroner som vid emissionstillfället har marginell kinetisk energi) och hastíghetskomponenten vinkelrätt mot den önskade riktningen minskas väsentligt i jämförelse med vad som gäller i den ovannämnda anordningen. _, «_.l,..-..... _.. . , . .. . _, _ _ _ __ _. 790062543 4 Som redan nämnts behöver pn-övergången ej alltid vara avslutad vid huvudytan utan kan också exempelvis avslutas i väggen av urtag, varvid det elektriska fältet redan har den önskade riktningen till följd av pn-övergången. I sådan uppbyggnad har även införandet av en accelerationselektrod en betydande verkningsgradshöjande effekt. I själva verket förhindras härigenom, som redan nämnts, att rymdladdning bildas invid pn-övergången, vilket sätter en övre gräns för strömmen genom över- gängen. Dessutom gäller att utträdesarbetet även i detta fall minskas genom Schottky-effekten. Man har funnit att pn-övergången inte ens behöver vara avslutad vid en yta eller vägg av ett urtag, eller i fallet med en plan pn-övergång vid ytan, utan i stället att det är tillräckligt om den med pn-övergången förenade utarmnings- zonen ansluter till ytan eller en vägg. Generellt kommer pn-övergången att bilda en gräns mellan en högdopad och en lâgdopad halvledarregion.

Ett föredraget utföringsexempel enligt uppfinningen är kännetecknat av att pn-övergången är bildad mellan en lägdopad första region av en första ledningsförmå- getyp och en mera högdopad andra region av en andra ledningsförmågetyp och att det vid öppningsområdet finns ett ytskikt med högre dopningsgrad av den första lednings- förmågetypen än den underliggande första regionen.

Resultatet av denna åtgärd är att utarmningszonen göres smalare vid ytan. Detta innebär att fältstyrkan i utarningszonen blir störst intill ytan, varigenom lavin- multiplikation och sålunda emissionen uppträder huvudsakligen där pn-övergången kom- mer fram till ytan.

Ett ytterligare föredraget utföringsexempel enligt uppfinningen är kännetecknat av att accelerationselektroden innefattar ett ledande skikt som anordnat på det elektriskt isolerande skiktet och har ett fönster åtminstone vid öppningsområdet i det isolerande skiktet. Dä en spänning påföres det ledande skiktet så bildas ett ekvipotentialplan ovanför pn-övergången väsentligen parallellt med ytan. Detta kom- mer att bidraga till att fältlinjerna erhåller en komponent vinkelrätt mot halvle- darkroppens yta vid fönsteromrâdet. Öppningen har företrädesvis fonnen av ett smalt gap med en bredd av samma stor- leksordning som isolationsskiktets tjocklek. Det inses att gapet ej skall vara allt- för brett för säkerställande av ett gott ekvipotentialplan. Ett sådant gap bör ej vara rakt utan kan ha en böjd form, t ex i bildåtergivningstillämpningar. Generellt innebär detta att inriktningstoleranserna vid tillverkning av sådana anordningar är mycket kristiska eftersom ifrågavarande gapbredder är av storleksordningen några /um, medan dessutom inriktningen är kritisk i två riktningar.

I andra utföringsexempel är emellertid inriktningen av gapkanten i förhållande till pn-övergången inte alls kritisk. I en sådan anordning är pn-övergången företrä- desvis anordnad att korsa gapet under räta vinklar. Härigenom undvikes nämnda pro- blem beträffande inriktningen. 7900625-0 Uppfinningen avser dessutom ett förfarande för tillverkning av en halvledaran- ordning av ovan angivet slag där utgångsmaterialet är en halvledarkropp innefattande en pn-övergång med en tillhörande utarmningszon som åtminstone lokalt ansluter till halvledarkroppens yta. Vid ett förfarande enligt uppfinningen förses kroppen med ett elektriskt isolerande skikt och ett elektriskt ledande skikt anordnas på det elek- triskt isolerande skiktet, varvid en öppning anordnas åtminstone inom området för den ytanslutande utarmningszonen i såväl det elektriskt ledande skiktet som det elektriskt isolerande skiktet. Metoder utnyttjande automatisk inriktning eller självinriktning ("self-aligning") kan lämpligtvis användas vid ett sådant förfaran- de. Detsamma gäller om öppningen i det isolerande skiktet åtföljes av ett etsnings- steg för att åstadkomma en ursparing.

I ett föredraget utföringsexempel på förfarandet ökas dopningskoncentratioen i ytskiktet genom jonimplantation åtminstone vid området för öppningen på den logdopa- de sidan av pn-övergången.

Nämnda implantation kan utföras före anordnandet av ett elektriskt isolerande skikt men alternativt kan såväl det elektriskt isolerande skiktet som det isoleran- de skiktet och det ledande skiktet tillsammans fungera som en mask under implanta- tionen. Detta innebär att störämneskoncentrationen ökas inte bara på den lågdopade sidan av pn-övergången, utan även på den högdopade sidan ökar nettokoncentrationen av atomer som avger laddningsbärare. Generellt är emellertid skillnaden i koncentra- tion mellan de två regionerna sådan att denna effekt så gott som ej kan observeras på den högdopade sidan. Som redan nämnts uppnås genom denna åtgärd att lavinmulti- plikationen uppträder snabbare vid ytan än i djupare liggande delar av anordningen.

Flera tillämpningar finns för en âtergivningsanordning innefattande en halv- ledarelektrod enligt uppfinningen. En sådan tillämpning är exempelvis ett bildrör som innefattar en fluorscensskärm som aktiveras genom elektronflödet från halvledar- anordningen. A Inom området för elektronlitografi kan en uppsättning sådana katoder aktiveras så att ett önskat mönster alstras. Detta mönster kan sedan fungera som elektronemit- ter och återges på exempelvis ett fotoresistskikt via en eller flera elektronlinser.

Ett sådant system kan användas vid tillverkning av integrerade kretsar eller minia- tyriserad ledningsdragning.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare i det följande under hänvisning till utföringsexempel som är visade på ritningarna, där: fig 1 visar en schematisk planvy av en halvledaranordning enligt uppfinningen; fig 2 visar en schematisk tvär- snittsvy av halvledaranordningen i fig 1 längs linjen II-II; fig 3 visar ett sche- matiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 1 längs linjen III-III; fig 4 vi- sar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 1 längs linjen IV-IV; fig 5-8 visar schematiska tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 2 under successiva -_ _... . _..___....__ .. ._ 7900625-0 tillverkningssteg vid användning av ett förfarande enligt uppfinningen; fig 9 vi- sar en schematisk planvy av ett ytterligare utföringsexempel på en halvledaranord- ning enligt uppfinningen; fig 10 visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaran- ordningen i fig 9 längs linjen X-X; fig ll visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 9 längs linjen XI-XI; fig 12-15 visar schematiska tvär- snittsvyer av halvledaranordningen i fig 10 under successiva tillverkningssteg vid användning av ett förfarande enligt uppfinningen; fig 16 visar ett schematiskt tvärsnittsvy av ytterligare ett utföringsexempel på en halvledaranordning enligt uppfinningen; fig 17 visar en schematisk planvy av ett ytterligare utföringsexem- pel på en halvledaranordning enligt uppfinningen; fig 18 visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 17 längs linjen XVIII-XVIII; fig 19 visar en schematiskt planvy av ytterligare en halvledaranordning; fig 20 visar ett sche- matiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 19 längs linjen XX-XX; fig 21 vi- sar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 19 längs linjen XXI-XXI; fig 22 visar en schematisk planvy av ännu ett utföringsexempel på en halvledaranordning enligt uppfinningen; fig 23 visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 22 längs linjen XXIII-XXIII; fig 24 visar en schematisk planvy av ett ytterligare utföringsexempel på en halvledaranordning enligt uppfin- ningen; fig 25 visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 24 längs linjen XXV-XXV; fig 26 visar schematiskt ett katodstrålerör innefattande en halvledaranordning enligt uppfinningen; fig 27 visar en schematisk planvy av en halvledaranordning enligt uppfinningen avsedd för användning i ett bildrör; fig 28 visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 27 längs linjen XXVIII-XXVIII; fig 29 visar ett schematiskt tvärsnitt av halvledaranordningen i fig 27 längs linjen XXIX-XXIX; fig 30 visar en schematisk perspektivvy av en del av en återgivningsanordning; fig 31 visar schematiskt en sådan återgivningsanord- ning för bildåtergivning; fig 32 visar schematiskt en sådan återgivningsanordning för användning vid elektronisk litografi.

Figurerna är schematiska och ej skalenliga och för tydlighetens skull har i synnerhet dimensionen i tjockleksriktningen kraftigt överdrivits i tvärsnittsvyerna.

Halvledarzoner med samma ledningsförmågetyp är generellt skuggade i samma riktning.

Motsvarande delar är generellt försedda med samma hänvisningsbeteckningar i figurer- na.

Halvledaranordningen i fig 1, av vilken schematiska tvärsnittsvyer längs lin- jerna II-II, III-III och IV-IV är visade fig 2, 3 respektive 4, är utformad till att alstra elektronflöden och innefattar för detta ändamål en katod med en halvledar- kropp 1; som i detta exempel består av kisel. I detta utföringsexempel innefattar halvledarkroppen ett substrat 2 av n-typ i vilket en region 3 av p-typ är belägen. 4-n- _..__._.._. 7 7900625-0 Härigenom åstadkommes pn-övergången 4, vilken är avslutad vid ytan 5 så att den med pn-övergången förenade utarmningszonen 17 ansluter till ytan 5. Genom påföring av en spänning i backriktningen över pn-övergången alstras elektroner genom lavinmultipli- kation och lämnar från halvledarkroppen.

I praktiken är verkningsgraden hos en sådan anordning, och detta i synnerhet vid användning av kisel som halvledarmaterial, så låg att någon användbar anordning ej kan komma i fråga. Detta problem löses genom användning av kiselkarbid, men detta är tekniskt ofördelaktigt eftersom tekniken för tillverkning av integrerade kretsar i så fall ej är lämplig.

Enligt uppfinningen förses ytan med ett elektriskt isolerande skikt 6, t ex kiseloxid, i vilket åtminstone en öppning 7 anordnas. Inom nämnda öppning är åtmin- stone en del av pn-övergången frilagd. Dessutom anordnas en accelerationselektrod 8, som i detta exempel består av polykristallinsk kisel, anordnad på det isolerande skiktet 6 vid kanten av öppningen 7 och i omedelbar närhet av pn-övergången 4.

Halvledaranordningen innefattar dessutom anslutningselektroder 9 och 10 som är anslutna via kontaktfönster 11 och 12 till n-substratet 2 respektive p-regionen 3.

Kontakteringen med n-substratet sker företrädesvis via en högdopad kontakt 18 av n-typ.

När en spänning påföres nämnda elektroder 9 och 10 av sådan storlek att elek- troden 10 blir negativ i förhållande till elektroden 9 så är pn-övergången 4 för- spänd i backriktningen.

Till följd härav bildas en utarmningszon på båda sidor om övergången, d v s en zon där väsentligen inga rörliga laddningsbärare finns. Utanför utarmningszonen kan ledning ske utan problem, vilket innebär att väsentligen hela den påförda spänningen uppträder över utarmningszonen. Det tillhörande elektriska fältet kan nu anta sådan styrka att lavinmultiplikation uppträder. Elektroner kommer då att frigöras i utarm- ningszonen och accelereras av fältet på sådant sätt att de bildar elektron-hål-par vid kollision med kiselatomer. De därigenom alstrade elektronerna accelereras i sin tur av det elektriska fältet och kan återigen bilda elektron-hål-par. Energin hos elektronerna kan bli så stor att elektronerna får tillräcklig energi för att utträda från materialet. Som följd härav bildas elektronflödet som schematiskt är visat i fig 2 genom pilen 14. I anordningen enligt uppfinningen accelereras de frigjorda elektronerna i en riktning ungefär vinkelrätt mot ytan 5 genom att accelerationstrå- den 8, som är belägen på det isolerande skiktet 6 vid kanten av öppningen 7, ges en positiv potential i förhållande till halvledarkroppen 1. I detta fall är det vanligen en extra acceleration i denna riktning eftersom en sådan halvledarstruktur (katod) i praktiken ingår i en anordning där en positiv anod eller annan elektrod, t.ex. ett styrgaller redan finns, eventuellt på visst avstånd. En extra fördel med 7900625-0 8 uppfinningen är att elektronflödet kan moduleras genom förändring av spänningen på acceleratinselektroden. Oberoende därav finns givetvis möjligheten att modulera strömmen genom pn-övergången.

I föreliggande exempel bildas halvledarkroppen av ett kiselsubstrat. En fördel med att använda kisel är att anordningen kan tillverkas med teknik som är känd från tillverkningen av integrerade kretsar i kisel. Genom anordnandet av accelerations- elektroden 8 kan en praktiskt användbar verkningsgrad hos en halvledarkatod av ovan beskrivet slag uppnås även om kisel användes.

I detta exempel består det elektriskt isolerande skiktet 6 av kiseloxid, medan accelerationselektroden 8 liksom anslutningslektroderna 9 och 10 består av dopad polykristallinsk kisel. Emellertid kan varje annat lämpligt material väljas för det isolerande skiktet, t ex ett dubbelskikt av kiselnitrid-kiseloxid, medan man för elektroderna kan använda varje annat material som normalt kommer till användning inom halvledartekniken för metalliseringsändamål, t ex aluminium.

I detta exempel uppgår acceptorkoncentrationen i p-regionen 3 exempelvis till 1019 atomer/cm3, medan donatorkoncentrationen i n-regionen 2 är mycket lägre, t.ex. 1015 atomer/cm3. I den lågdopade regionen, d v s i detta exempel n-regio- nen, ger en ytregion 13, som i detta exempel finns inom omrâdet för pn-övergången i öppningen och har större dopningsgrad av störämnen upphov till n-ledningsförmågety- pen. Som ett resultat av nämnda högre dopningsgrad är utarmningsskiktet inom nämnda ytområde 13 vid omrâdet för pn~övergângen 4 smalare än övriga delar av n-regionen 2.

Resultatet därav är att fältstyrkan här vid given spänning i backriktningen över pn-vergângen blir större än på övriga ställen utmed pn-övergången och sålunda lavin- multiplikation lättast uppträder på detta ställe. Som ett resultat av en spänning på accelerationselektroden erhålles dessutom en ytterligare avsmalning av utarmningszo~ nen förutom minskningen av utträdespotentialen (Schottky-effekten). Lavinmultiplika- tionen förblir därför huvudsakligen begränsad till de delar av pn-övergången som finns i öppningen 7.

I detta exempel har accelerationselektroden 8 ett ledande skikt som är anordnat på det isolerande skiktet och uppvisar ett fönster vid omrâdet för öppningen i det isolerande skiktet. En sådan konstruktion innebär tillverkningsmässiga och konstruk- tionsmässiga fördelar.

I detta exempel har öppningen 7 formen av ett smalt gap vars bredd är av samma storleksordning som isolationsskiktets tjocklek. Exempelvis kan gapets bredd vara 2/um, medan oxidskiktets tjocklek är 1 /um. Genom val av dessa dimensioner på detta sätt och anordnande av accelerationselektroden i omedelbar närhet av öppning- ens kant och företrädesvis runt öppningen, så erhålles ett ekvipotentialplan ovanför gapet, vilket innebär en fördel vad gäller den ovan nämnda accelerationen vinkelrätt . ...-__.......-.-_-___.._____.__- ____.__._ _ V . 7900625-0 mot ytan 5. För att förhindra inriktningsproblem beträffande dessa små dimensioner under tillverkningen så är pn-övergången i detta exempel anordnad vinkelrätt mot gapet.

Emissionen av elektroner kan dessutom ökas genom att halvledarytan 5 vid områ- det för pn~övergângen 4 övertäckes med ett material som reducerar utträdesarbetet, t.ex. ett material innehållande barium eller cesium.

Anordningen i fig 1 kan tillverkas enligt följande (se fig 5~8).

Utgångsmaterialet är en halvledarkropp av en ledningsförmågetyp, t ex kiselsub- strat 2 av n-typ, vars resistivitet i detta exempel är ungefär 0,001 ohm cm och på vilket ett epitaxialskikt med en resistivitet av ungefär 6 ohm cm och tjockleken ungefär 10 /um bildas. Den totala tjockleken av halvledarkroppen är nu ungefär 250/um. Det inses att flera anordningar kan finnas på en bricka som tillverkas samtidigt. Ytan 5 förses på känt sätt med ett maskeringsskikt 19, t ex kiseloxid, exempelvis genom termisk odling (se fig 5).

Ett fönster 20 definieras pâ fotolitografisk väg i maskeringsskiktet 19 för det efterföljande dopningssteget. Som ett resultat av dopningen erhålles en region 3 av den andra ledningsförmâgetypen, d v s i föreliggande fall p-typ, i halvledar- kroppen 2, varigenom en pn-övergång 4 blir avslutad vid ytan 5. p-regionen 3 anord~ nas på känt sätt genm diffusion eller jonimplantation. Diffusionen utföres till ett djup av 2/um. Gu p-regionen 3 realiseras genom jonimplantation, så inskjutes exem- pelvis boratomer i kiselsubstratet med en energi av 30 keV i en dos av 1014 atomer cmz, varefter utdiffusion ("out-diffusion“) utföres ner till ett djup av 2/um.

Oxiden fungerar som en mask. Efter denna behandling har man erhållit den i fig 6 visade anordningen. n-kontaktzonen 18 anordnas på liknande sätt före eller efter p-dopningen.

Enligt uppfinningen anordnas efter avlägsnande av maskeringskiktet 19 på ytan 5 ett isolerande skikt 6, exempelvis genom termisk odling av kiseloxid eller genom yutfällning från ångfas. Efter det att nämnda skikt försetts med kontaktfönster 11 och 12 vid området för kontakterna 9 och 10 som skall bildas senare, så anordnas ett ledande skikt, exempelvis ett polykristallinskt kiselskikt 21 (se fig 7), på det isolerande skiktet 6.

Vid området för pn~övergången 4 anordnas en öppning 7 i såväl det polykristal- linska skiktet 21 som det isolerande skiktet 6, exempelvis genom att man först lo- kalt etsar det polykristallinska kiselskiktet genom exempelvis plasmaetsning och därefter bortetsar den därigenom frilagda kiseloxiden, exempelvis i en etsningslös- ning som innehåller fluorvätesyra eller också genom plasmaetsning.

Dopningskoncentrationen i området för öppningen 7 i ytregionen 13 ökas genom jonimplantation, varvid det polykristallinska kiselskiktet 21 i detta fall fungerar vsooszs-0 a N som en mask och även dopas. Denna implantation utföres exempelvis med arsenikjoner med en energi av 25 keV och i en dos av 2.l013 atomer/cmz och därefter utföres utglödgning. Därigenom erhålles den i fig 8 visade konfigurationen.

Anordningen i fig 2 färdigställes slutligen genom att man på fotolitografisk väg ger det polykristallinska kiselskiktet det önskade mönstret.

Anordningen rengöres därefter pâ vanligt sätt och kontakteras och monteras slutligen efter eventuell metallisering av det polykristallinska kiselmaterialet.

Enligt uppfinningen är det tillräckligt om den med pn-övergången förenade ut- armningszonen är exponerad vid ytan 5. En halvledaranordning enligt uppfinningen där detta tilllämpats är visad i planvy i fig 9, medan fig 10 och 11 visar tvärsnitts- vyer av nämnda anordning längs linjerna X-X och XI-XI i fig 9.

I detta utföringsexempel består anordningen av en halvledarkropp 1 innefattande p-substrat 3 på vilket ett epitaxialskikt av n-typ finns. Eftersom p-regionen är mycket kraftigare dopad (exempelvis 1019 atomer/cm3) än n~regionen (ungefär - 1014 atomer/cm3) så kommer utarmningskiktet 17 att utsträcka sig huvudsakligen i n-regionen. En ursparing har anordnats i huvudytan 15 med sådant djup att botten 16 av ursparingen ligger inom det omrâde där utarmningsskiktet 17 finns i n-regionen 2.

Halvledarytan 15 innefattar dessutom ett elektriskt isolerande skikt 6, medan en accelerationselektrod 18 är anordnad pâ det elektriskt isolerande skiktet runt öpp- ningen 7. En anslutningselektrod 9 är kopplad via kontaktfönstret 11 och kontaktzo- nen 18 till n-regionen 2. I detta exempel är p-regionen 3 kontakterad via en kontakt 10 på undersidan men kan om önskvärt i stället vara kontakterad genom en djupgående kontaktzon på översidan.

Tillverkningen av en halvledaranordning enligt fig 10 sker på ungefär samma sätt som beskrivits för halvledaranordningen i fig 2 (se fig 12-15). Sedan kontakt- fönstren definierats i det isolerande skiktet 6 för kontakterna, vilka fönster står i förbindelse med n~kontaktzonerna 18 (och p-kontaktzonerna om sådana finnes), så belägges anordningen med ett ledande skikt 21, t ex aluminium (fig 12). Ett mönster av kontaktelektroder 9 och accelerationselektroder 8 anordnas i detta skikt på känt sätt (fig 13). Vid omrâdet för öppningen 7 etsas det isolerande skiktet 6 under an- vändning av accelerationselektroden 8 som en mask (fig 14) och därefter bortetsas kiselämnet ned till önskat djup med hjälp av samma mask eller, t ex om accelerati- onselektroden 8 ej helt omger öppningen 7 och sålunda en ytterligare mask krävs för etsning av det isolerande skiktet 6, med användning av det isolerande skiktet 6 som mask (fig 15). Genom att man slutligen anordnar kontaktskiktet 10 så erhålles den i fig 10 visade konfigurationen. Om bygynnelseytan är orienterad längs ett 100-plan kan etsningen också utföras anisotropiskt och i så fall erhålles en ursparing som är orienterad längs kristallytorna (fig 16). “ 7900625-0 I beroende av tillämpningen kan öppnigen 7 vara utfonnad på helt annat sätt.

Exempelvis visar fig 17 en planvy och fig 18 ett tvärsnitt längs linjen XVIII-XVIII i fig 17 av en halvledaranordning där emissionen sker väsentligen enligt en fyrkant- form. Hänvisningsbeteckningarna har samma innebörd som i fig 1-4. Fastän det på grund av ritningens schematiska karaktär ej framstår som helt uppenbart, så kommer avbrottet på ena sidan med hänsyn till anslutningarna att vara mycket litet i jäm- förelse med denna sidas totala längd, varav följer att detta ej innebär någon nack- del i praktiska tillämpningar. I detta fall består accelerationselektroden av två delar 8a och 8b vilka om önskvärt kan ha olika potentialnivâer, varigenom elektron- strälen som utstrålar från fyrkanten kan omformas inom vissa gränser och/eller av- länkas under styrning genom accelerationselektroderna och om önskvärt bringas att sammanfalla väsentligen i en punkt. Givetvis kan emissionsmönstret alternativt ges en cirkulär fonn eller varje annan form.

Fig 19 visar en planvy och fig 20 och 21 tvärsnittsvyer längs linjerna XX-XX och XXI-XXI av en ytterligare katod enligt uppfinningen i vilken en ursparing är anordnad i huvudytan 15 medan pn-övergången är avslutad vid ytan 5 som bildar en vägg i nämnda ursparingar. I detta fall innefattar halvledaranordningen 1 ett p-sub- strat 3 på vilket ett n-skikt 2 är anordnat genom exempelvis epitaxiell odling. En ursparing anordnas däri genom etsning, varvid botten av nämnda ursparing är belägen i p-substratet 3, d v s under pn~övergången 4. Ett elektriskt isolerande skikt 6, t.ex. kiseloxid, på vilket accelerationselektroden 8 är anordnad, är belägen på n- skiktet 2. För tillföring av en spänning i backriktningen över pn-övergången finns en anslutningselektrod 9 i anordningen som ansluter till n-skiktet 2 via ett kon- taktfönster 11 och en n-kontaktzon 18. Anslutningselektroden 10 för p-regionen ut- göres i detta fall av en ledande platta på undersidan av halvledarkroppen men kan om önskvärt anordnas på översidan på samma sätt som anslutningselektroden 9, nämligen då kontaktdiffusionsomrâden av p-typ är anordnade genom n-regionen 2. Som ett resul- tat av det elektriska fältet, som alstras genom en potential på accelerationselek- troden 8, erhålles en avsmalning av utarmningszonen i detta fall också vid ytan 5, varigenom lavinmultiplikationen begränsas till den del av pn-övergången 4 som är belägen intill ytan 5.

Som redan nämnts kan ursparingen alternativt åstadkommas genom en anisotropisk etsningsoperation, av vilken ett exempel är visat i fig 22 âskådliggörande en planvy av en på detta sätt tillverkad halvledaranordning, medan fig 23 visar ett tvärsnitt längs linjen XXIII-XXIII i fig 22. Den visade anordningen innefattar en halvledar- kropp 1 innefattande ett p-substrat 3 på vilket ett n-skikt 2 anordnats genom epi- taxiell odling, vilket skikt i sin tur täckts med ett elektriskt isolerande skikt 6.

Det elektriskt isolerande skiktet 6 innefattar en öppning 7, i vilket en V-fonnad ursparing åstadkommits genom anisotropisk etsning, varvid ursparingen sträcker sig 12 79ÛÛ625==Ü in i p-substratet 3. Väggarna av ursparingen i detta exempel bildar ytan 5 där pn-övergången utmynnar. Runt öppningen 7 finns en accelerationselektrod 8 på det elektriskt isolerande skiktet 6. Dessutom är kontaktfönster 11 och 12 anordnade i det elektriskt isolerande skiktet 6 och via dessa fönster är anslutningselektroderna 9 och 10 förbundna med kontaktzonen 18, som i detta exempel sammanfaller med ytzonen 13 med större koncentration respektive den djupgående kontaktzonen 22 som står i kontakt med p-substratet, ' Som redan beskrivits ovan är det ej nödvändigt att den V-formad ursparingen sträcker sig in i p-substratet utan det är tillräckligt om det med pn~övergången förenade utarmninskiktet ansluter till ytan. I föreliggande fall kan sådana dop- ningsgrader av substratet och epitaxialskiktet väljas att utarmningsskiktet sträcker sig upp till ytregionen 13.

Ett ytterligare exempel på en katod enligt uppfinningen utgör den halvledaran- ordning som är visad schematiskt i planvy i fig 24 och i ett schematiskt tvärsnitt i fig 25 längs linjen XXV-XXV i fig 24. Denna halvledaranordning 1 innefattar ett n-substrat 2. Substratet innefattar en ursparing med en botten 16. Vid området för ursparingen har substratet en p-region 3. Dopningsgraderna av substratet 2 och regi- onen 3 kan även i detta fall väljas så att utarmningszonen som är förenad med pn-övergången 4, som bildas av nämnda region, sträcker sig upp till den kraftigare dopade n-ytregionen 13. Därigenom kommer utarmningsskiktet att ansluta till ytan 5, som i detta fall bildar ursparingens vägg, varvid genom backförspänning av pn-över- gången lavinmultiplikation kan uppträda och följaktligen ett elektronflöde, som är visat schematiskt genom pilen 14, kan alstras. För påföring av backförspänningen innefattar anordningen kantaktfönster 11 och 12a i det elektriskt isolerande skiktet 6. Via dessa fönster är anslutningselektroderna 9 och l0a kopplade till n-kontaktre- gionen 18 och p-regionen 3. Accelerationselektroden är i detta fall konstruerad som två olika elektroder 8a och 8b, vilka om nödvändigt kan ha olika potentialnivåer så att den avgivna elektronstrålen kan avlänkas om önskvärt. Dessutom har p-regionen tvâ anslutningselektrodfönster l0a och 10b belägna på visst avstånd och genom vilka tillhörande kontaktzoner 12a och 12b sträcker sig. Härigenom blir det möjligt att låta en ström passera genom anordningen temporärt eller ej, varigenom pn~övergângen uppvärmes något så att absorberade molekyler och atomer förångas bort från ytan 5 utan att pn-övergången utsättes för de höga fältstyrkor som ger upphov till lavin- multiplikation.

Fig 26 visar schematiskt ett katodstrålerör innefattande ett vakuumtätt rör 23, varvid röret är trattformat och dess ändvägg är belagd med en fluorscensskärm 24 på insidan. Röret innefattar dessutom fokuseringselektroder 25, 26 och avlänkningselek- troder 27, 28. Elektronstrâlen 14 alstras i en eller flera katoder som beskrivits ovan och är belägna i halvledarkroppen 1, som är monterad på en bärare 29. Elektris- ,-,.._...._..--w._;.__...._....._.... ...___ ” 7900625-0 ka anslutningar för halvledaranordningen är framdragna via genomföringar 30. Pâ lik- nande sätt kan katoden enligt uppfinningen anordnas i exempelvis pick-up-anordningar av vidikontyp. Alternativt kan anordningen exempelvis anta fonn av ett minnesrör i vilket ett informationsbärande laddningsmönster registreras på en målplatta med hjälp av ett variabelt elektronflöde som alstras av kallkatoden, varefter laddnings- mönstret avläses genom en oföränderlig elektronstråle som företrädesvis alstras av samma_kallkatod.

Eftersom nämnda katoder nu kan tillverkas under användning av konventionell teknik för tillverkning av integrerade kretsar i kisel är det möjligt att realisera flera katoder på en och samma kiselbricka. Ett exempel på en sådan halvledaranord- ning är schematiskt visat i fig 27, 28 och 29, varvid 27 visar en planvy av en del av anordningen medan fig 28 och 29 visar tvärsnittsvyer längs linjen XXVIII-XXVIII respektive linjen XXIX-XXIX i fig 27.

Fig 27 visar en schematiskt planvy av en kiselbricka 31 med en därpå anordnad matris av katoder. Katoderna i fig 27 är betecknade A-I. För tydlighetens skull vi- sar 27 enbart hänvisningsbeteckningarna för katoderna A, B, C, vilka även är visade i fig 28.

Anordningen innefattar ett X-Y-system av tvärgående balkar, där X-linjerna bil- das av lågohmiga p-banor 32, medan kraftigt dopade ytregioner 13 fungerar som Y-lin- jer. Kiselbrickan 31 är högohmig och kan vara av p-typ eller n-typ. Ett villkor är att brickan och n-regionerna respektive p-banorna har sådan dopningsgrad att utarm- ningszonerna sträcker sig upp till huvudytan 15. Härigenom säkerställes god isole- ring av n~regionerna 13.

I detta exempel är kiselbrickan 31 av n-typ. Den aktuella pn-övergången 4 ansluter sig sålunda ej till ytan 5. Emellertid sträcker sig den tillhörande utarm- ningszonen upp till huvudytan 15 och ansluter till ytan 5. Läget av de kraftigt do- pade p~banorna är visat med streckade linjer i fig 27 medan läget av de kraftigt dopade n-regionerna är visat genom punkt-streckade linjer.

I öppningarna 7 (7a, 7b, 7c....) betraktade i planvy (fig 27) är de kraftigt dopade regionerna 13 och halvledarkroppen 31 synliga längs ytorna 5 (Sa, Sb, 5c...) (se fig 28, 29) av de V-formade ursparingarna.

De lågohmiga p-banorna 32 är kontakterade via kontaktzoner 22, vilka är an- slutna till anslutningselektroder 12 via kontaktfönster 10. De kraftigt dopade n-re- gionerna 13 är anslutna till anslutningselektroder 11 via kontaktfönster 9. Accele- rationselektroderna 8, slutligen, är anordnade på de isolerande skikten och omger helt öppningen 7 i föreliggande exempel.

Varje katod (A, B, C,...) kan nu aktiveras och bringas att emittera elektroner genom att de tillhörande anslutningselektroderna 9 och 11 ges sådana potentialnivåer att lavinmultiplikation uppträder i den tillhörande pn-övergången och genom att man 7900625-0 14 samtidigt ger den tillhörande accelerationselektroden en viss potential. I det be- skrivna utföringsexemplet behöver ej nämnda potentialnivå vara densamma för samtliga katoder, vilket innebär att de avgivna elektronstrålarna kan ges olika styrkor.

Accelerationselektroderna 8 (A, B, C), 8 (D, E F) och 8 (G, H, I) kan kombineras till en anordning om önskvärt liksom p-banorna 32. Emellertid minskas därigenom kretsens användningsflexibilitet. Genom styrelektronik, t ex (skift-lregister vars innehåll bestämmer vilka av X-linjerna respektive I-linjerna som skall aktiveras, så kan ett visst mönster av katoder bringas att emittera elektroner, medan exempelvis genom ytterligare register i kombination med digital-analogomvandlare, potentialni- vån för accelerationselektroderna kan inställas. Detta gör en sådan anordning sär- skilt lämplig för plana bildåtergivningsanordningar.

Fig 30 visar schematiskt en sådan plan återgivningsanordning, som förutom halv- ledaranordningen 31 innefattar_en fluorscensskärm 32 som aktiveras genom elektron- _ flödet från halvledaranordningen. Avståndet mellan halvledaranordningen och fluor- scensskären uppgår exempelvis till 5 mm medan det mellanliggande utrymmet är eva- kuerat. En spänning av storleksordningen 5-10 kV påföres mellan halvledaranordningen 31 och skärmen 32 genom spänningskällan 33, vilken spänning alstrar en fältstyrka av sådan storlek mellan skärmen och anordningen att bilden av en katod blir av samma storleksordning som katoden.

Fig 31 visar schematiskt en sådan bildskärmanordning där halvledaranordningen 31 finns i ett evakuerat utrymme 34 på ett avstånd av ungefär 5 mm från fluorscens- skärmen 32, vilken bildar en del av ändväggen 35 för nämnda utrymme. Anordningen 31 är monterad på en bärare 29 på vilken om önskvärt andra integrerade kretsar 36 kan vara anordnade för styrelektroniken. Utrymmet 34 har genomföringar 30 för yttre an- slutningar.

Fig 32 visar schematiskt ett liknande vakuumutrymme 34. Detta innehåller ett system 40 av elektronlinser som är visade schematiskt. Ãndväggen 35 är exempelvis försedd med en kiselbricka 38 som är täckt med ett fotoresistskikt 39. Det i anord- ningen 31 alstrade mönstret förminskas om nödvändigt genom linssystemet 40 och åter- ges på fotoresistskiktet 39.

En sådan anordning gör det möjligt att återge mönster på ett fotoresistskikt.

Detta innebär stora fördelar eftersom ett resultat därav är att vanliga fotomasker kan utelämnas och de önskade mönstren alstras och om nödvändigt korrigeras genom styrelektroniken på enkelt sätt.

Det inses att uppfinningen på intet sätt är begränsad till de ovan beskrivna utföringsexemplen. Exempelvis kan n-regionen 2 i fig 17 och 18 alternativt kontakte- ras på undersidan och detta speciellt om anordningen innehåller endast en katod. Sak samma gäller för anordningarna i fig 27-29 om kroppen består av p-material. I detta ..,_.-_,,...__.._.... _ ._ 15 g79oo62s-o fall fungerar accelerationselektroderna 8 även som nämnda Y-linjer. Vid användning av en sådan anordning i den ovan beskrivna bildåtergivningsanordningen så behöver hjälpelektroniken ej nödvändigtvis vara anordnad på en extra integrerad krets utan lämpligtvis som ett alternativ realiseras i kroppen 31. Man inser att tråddragning i flera skikt kan användas i synnerhet i mera komplicerade anordningar.

Som ett alternativ behöver i anordningen i fig 22 accelerationselektroden 8 ej vara utförd som en enhet utan vara uppdelad i två delar som kan styras individuellt, varigenom de avgivna elektronstrålarna kan avlänkas om önskvärt.

I anordningen i fig 25 behöver ytan och de därigenom definierade kanterna av ursparingen ej nödvändigtvis sammanfalla med p-skiktet som ligger under ursparingen utan ursparingen kan i en planvy betraktat ligga inom p~regionen så att pn-övergâng~ en 4 exponeras vid ytan 5. V Vad gäller de ovan beskrivna förfarandena är olika modifikationer tänkbara, vilket även gäller beträffande utformningen av återgivningsanordningen eller pick-up-anordningen.

Claims (1)

1. '79Û0625-Ü Patentkrav.

   1. Halvledaranordníng (1) för alstring av ett elektronflöde (iü) innefattan- de en katod med en halvledarkropp (2) innefattande en pn-övergång (4) vars ut- armningszon (17) ansluter till halvledarkroppens yta (5), varvid genom påföring av en spänning i backriktningen över pn-övergången elektroner alstras i halv- ledarkroppen genom lavinmultiplikation och lämnar kroppen, k ä n n e t e c k - n a d av att ytan (5; 15,16) är försedd med ett elektriskt isolerande skikt (6) i vilket åtminstone en öppning (7) är anordnad, i vilken öppning i varje fall i driftstillståndet åtminstone en del av det med pn-övergången (Ä) sammanhäng- ande utarmningsskiktet (17) ansluter till ytan, och att åtminstone en accelera- tionselektrod (8) är anordnad på det elektriskt isolerande skiktet (6) vid öpp- ningens (7) kant och i omedelbar närhet av den ytanslutande delen av utarmnings- skiktet (17) 2._ Halvledaranordníng enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone vid området för öppningen (7) i det elektriskt isolerande skiktet (16) är anordnad en ursparing i halvledarkroppen, varvid ytan (5), till vilken den med pn-övergången (Ä) sammanhängande utarmningszonen (17) ansluter sig, bildas av en vägg eller botten av ursparingen.

   3. Halvledaranordníng enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att halvledarkroppen (2) innefattar en ursparing, varvid åtminstone en del av kanten av öppningen (7) l det elektriskt isolerande skiktet (6) väsentligen sammanfaller med en vägg av ursparingen, varvid nämnda vägg bildar den yta (5) till vilken den med pn-övergången (Å) sammanhängande utarmningszonen (17) ansluter sig. Ä. Halvledaranordníng enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a av att pn-övergången (Å) är avslutad vid den yta (5) till vilken den med pn-över- gången (Å) sammanhängande utarmningszonen (17) ansluter sig.

   5. Halvledaranordníng enligt något av patentkraven 1-Å, k ä n n e t e c k n a av att accelerationselektroden (8) innefattar ett ledande skikt som är anordnat på det isolerande skiktet och har ett fönster åtminstone vid området för öppning- en (7) í det isolerande skiktet (6)

   6. Halvledaranordníng enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a av att öppningen (7) har formen av ett smalt gap vars bredd är av samma storleks- -w---~.->__..__ ___... .___...-__-- 7900625-0 17 ordning som det isolerande skiktets (6) tjocklek.

   7. Halvledaranordning enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att den gapformade öppningen är anordnad att väsentligen rätvinkligt genomskära pn- övergången.

   8. Halvledaranordning enligt något av patentkraven 1-7, k á n n e t e c k - n a d av att halvledarkroppen (2) består av kisel.

   9. Halvledaranordníng enligt något av patentkraven 1-8, k ä n n e t e c k - n a d av att halvledarkroppens (2) yta (5) är täckt med ett material som minskar elektronutträdesarbetet i varje fall vid området för öppningen (7)

   10. Förfarande för tillverkning av en halvledaranordning enligt något av pa- tentkraven 1-9, varvid utgångsmaterialet är en halvledarkropp (2) innefattande en pn-övergång (4) vars tillhörande utarmningszon (17) i varje fall lokalt an- sluter sig till halvledarkroppens (2) yta (5), k ä n n e t e c k n a t av att ytan (5) förses med ett elektriskt isolerande skikt (6), att ett elektriskt le- dande skikt (8) anordnas på det isolerande skiktet (6), och att åtminstone vid området för den ytanslutande utarmningszonen (17) anordnas en öppning (7) genom såväl det elektriskt ledande skiktet (8) som det elektriskt isolerande skiktet (6).

   11. Biidåtergivningsanordning innefattande medel för styrning av en elektron- stråle, vilken elektronstråle alstrar en bild, k ä n n e t e.c k n a d av att elektronstrålen (lä) är alstrad medelst en halvledaranordning (1) enligt något av patentkraven 1-9.