WO2004102602A1 - Dispositif semi-conducteur d'emission d'electrons dans le vide - Google Patents

Dispositif semi-conducteur d'emission d'electrons dans le vide Download PDF

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WO2004102602A1
WO2004102602A1 PCT/EP2004/050811 EP2004050811W WO2004102602A1 WO 2004102602 A1 WO2004102602 A1 WO 2004102602A1 EP 2004050811 W EP2004050811 W EP 2004050811W WO 2004102602 A1 WO2004102602 A1 WO 2004102602A1
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layer
semiconductor
junction
electrons
energy
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/050811
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Inventor
Jean-Claude Jacquet
Sylvain Delage
Didier Floriot
Original Assignee
Thales
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    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/308—Semiconductor cathodes, e.g. cathodes with PN junction layers
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J31/12—Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes with luminescent screen
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    • H01J31/125—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection
    • H01J31/127—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection using large area or array sources, i.e. essentially a source for each pixel group

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device for emitting electrons in a vacuum
  • the invention thus relates to the field of electron sources, which are used to form electron beams in various electronic or optoelectronic systems such as for example cathode ray tubes, flat screens, electronic lithography systems, microwave amplifiers. such as klystrons
  • a source 1 of electrons comprises a cathode 2 and an anode 3, located at a distance from each other, and between which there is a vacuum 4 more or less advanced
  • a polarization source 5 makes it possible to place the anode and the cathode at a given relative potential, creating an external electric field Fe
  • the cathode is the electron emission device Its structure must enable it to perform the function of electron injector, and electron emitter in a vacuum, outside the cathode material, in order to obtain , towards the anode, a constant flow of electrons
  • Anode 3 extracts the electrons from the cathode via the electric field Fe
  • a semiconductor junction comprises, stacked, a layer of n-type semiconductor material and a layer of semiconductor-type material.
  • p A semiconductor electron emission device is known which uses a reverse bias semiconductor junction. Its structure is of the type. zone p / zone n / empty. The emission surface is thus formed by the surface of the n-type zone subjected to vacuum.
  • the physical effect used is the multiplication of electrons by avalanche. Under the effect of the induced internal electric field, electrons are torn from the network and emitted. in vacuum In practice, the efficiency of such a semiconductor device is low, only a few percent.
  • the internal electric field which depends on the applied bias voltage, controls both the injection and the emission of electrons, i.e. the generation of electrons by avalanche effect of the junction, and the continuous acceleration of electrons to climb them in energy, under the effect of the internal electric field If we want to increase the number of electrons emitted in vacuum, it is necessary to increase the internal electric field, which leads to a significant heating of the cathode, and reduces its lifespan
  • a semiconductor electron-emitting device which uses a direct biased semiconductor junction, using the electron scattering as an injection mechanism.
  • the arrangement is then as follows zone n + / zone p / vacuum
  • the emission surface is thus formed by the surface of the p-type zone, subjected to vacuum.
  • This structure exploits the curvature of the conduction bands.
  • the emission surface must have a state of negative apparent electronic affinity, which allows the electrons excited, having acquired sufficient energy, and arriving at the p / vacuum zone interface, to come out of the material
  • a state of negative apparent affinity can be obtained in a well known manner, by a surface treatment with cesium and oxygen.
  • a layer of cesium oxide is obtained which covers the emission surface. This layer of oxide also induces a depleted area on the surface, in which the electrons gain energy under the effect of the electric field which reigns there The emission of electrons in vacuum is facilitated
  • the layer of cesium oxide can be replaced by a layer of metal with low electronic affinity, such as LaB 6 for example. But such a layer of metal on the surface considerably reduces the efficiency of the device (reduction in the number of electrons emitted). , due to collisions with free electrons which are in high density in the metal Finally, with such a structure, only the flow of electrons injected and not the flow of electrons emitted is controlled, which mainly depends on the curvature of the conduction bands on the surface, characteristic of the material used. Another type of structure is known.
  • the emissive zone of the device is for example in the form of a cone or of a point A grid arranged in the immediate vicinity of the emissive zone, will hinder it all around, on which a high voltage is applied, of the order of 100 volts for example, makes it possible to create an intense external electric field on the surface of the emissive zone This external electric field allows the electrons to leave the material by tunnel effect
  • these structures appear in the form of a matrix, comprising a large number of c es cathodes We then speak of FEA structure, for "Field Emission Array"
  • the very intense external electric field controls both the injection of electrons and the emission of electrons.
  • the use of an intense external electric field also leads to accelerated degradation of the emissive surface.
  • the vacuum is not high enough (ionization of the residual gas atoms)
  • the effective maximum current density provided by such a cathode is not very high (of the order of 10 amperes per cm 2 ) It is thus necessary to provide matrices comprising, depending on the application, a hundred to a few tens of thousands of cathodes of this type, to supply a sufficient current of electrons (10,000 tips provide 180 mA)
  • these dies use very specialized manufacturing technologies
  • An object of the invention is a semiconductor electron emission device, having a significantly higher efficiency and lifetime than current devices
  • the basic idea of the invention is to use materials whose properties are favorable for an efficient emission of electrons in a vacuum, in a structure which allows independent control and will the injection of electrons and their emission in a vacuum.
  • the use of materials with particular properties and the separation of the two injection / emission controls allows to reach a current density and a significantly higher lifetime compared to solutions
  • Another object of the invention is a semiconductor electron emission device, obtained using the usual technologies for manufacturing microelectronic components, and not requiring the use of a high vacuum.
  • a semiconductor electron emission device is based on a semiconductor structure similar to the bipolar transistor of the vertical type, comprising a stack of n / p / n semiconductor layers, in which the layers supporting the electric field making it possible to pass the electrons from the low energy levels towards the energy levels higher than the electronic affinity ⁇ of the material are produced in a material among the semiconductor materials whose width of
  • the invention relates to a semiconductor device for emitting electrons in a vacuum comprising a stack of semiconductor layers, characterized in that the stack comprises a first n-type semiconductor layer, a second layer p-type semiconductor which forms a first semiconductor junction with the first layer, and an n-type semiconductor output layer, which forms a second semiconductor junction with the second layer, and having a surface area is in contact with the vacuum, said device comprising means for direct polarization of the first junction to form an electron injector and means for reverse polarization of the second junction to form an electron emitter in the vacuum, and in that in said stack, at least the layers from the second layer to the included output layer are each made of a dry semiconductor material selected with a forbidden band Eg whose width satisfies the following inequality
  • the stack comprises a fourth intrinsic semiconductor layer, sandwiched between the second layer and the output layer
  • the semiconductor material selected is advantageously a compound of the Ill-I family.
  • the first direct polarized junction forms an electron injector controlled (by the polarization voltage)
  • the second junction is reverse polarized, to excite the electron gas towards energy levels higher than the electronic affinity of the material, which is made possible by the particular properties of this material
  • a significant fraction of this hot electron gas from the output layer (third layer) can then be emitted in a vacuum
  • An electric field applied externally, at the surface superior, emissive, of structure, allows to evacuate, to suck up, the flow of emitted electrons
  • a field of weak intensity is only necessary, in comparison with the fields usually used in the devices of the state of the art
  • An emission device is thus formed, the injection and emission of which are controlled separately, and the material or materials which form the structure allow a high density of electron current at the outlet.
  • This emission device advantageously offers a planar emission surface which makes it possible to envisage effective current densities of the order of a few kA / cm 2.
  • effective current density it is necessary to understand the total surface occupied by a device, ie taking into account the current leads
  • this current density is of the order of 10 A / cm 2 in the case of a matrix of microtips (field effect cathodes)
  • the emission device according to the invention uses usual, well-controlled manufacturing technologies.
  • the materials selected do not require the use of a surface layer of material with low or negative electronic affinity (but such a layer may be provided), which makes this device particularly stable and reliable (long service life expected)
  • the invention also relates to an electron source using such an emission device.
  • FIG. 1 already described schematically represents a source of emission of electrons
  • FIG. 2a is a representation of a structure of an emission device according to the invention
  • FIG. 2b a top view, in a ribbon-type topology
  • FIG. 3 illustrates the transmission device of the preceding figures in a cross section
  • FIGS. 4a and 4b represent other examples of topology of a structure of the transmission device according to the invention
  • FIG. 5 shows the diagram of the energy bands (E) and the electric field (F) in an electron emission device according to the invention
  • Figure 6 shows schematically a network structure of emission device according to the invention
  • FIGS. 7a to 7c schematically show the occupation of the different energy levels at the time of electronic emission in vacuum according to the electric field applied in an emission device according to the invention and
  • FIG. 8a and 8b show the distribution of electrons in energy and the ionization rate in a material of the type used in an emission device according to the invention
  • Figures 2a and 2b show an embodiment of a semiconductor emission device according to the invention
  • Figure 3 illustrates an electron source comprising such a device placed at a distance from an anode A
  • the structure of the electron emission device according to the invention is similar to a structure of a bipolar collector transistor (or emitter) in top It thus uses the same manufacturing techniques well known to those skilled in the art, used for this type of component, with the difference that contacting the upper layer "at the top", in contact with the vacuum, does not cover not the entire surface, but is confined to the edges, so as to offer the largest electron emission surface authorized by technology
  • this structure mainly comprises a stack of n / p / n semiconductor layers.
  • the layers 7 and 8 supporting the electric field making it possible to pass the electrons from the low energy levels towards the energy levels higher than the electronic affinity ⁇ of the material are produced in a material among the semiconductor materials which have the property to have a large gap Eg (width of the prohibited band), satisfactory
  • the structure comprises a first layer 6 of type n, a second layer 7 of type p, and a third layer, the output layer 8, of type n
  • Des contact points C ⁇ , C 2 ′ are also provided, for applying a bias voltage on layer 7 as well as contact points C 3 , C 3 ⁇ for biasing layer 6
  • these contact points are in the form of ribbons, for example made of Ti / Pt / Au
  • the doping of the different layers is preferably defined as follows: the upper layer 8, the external surface 10 of which forms the surface for emitting electrons in a vacuum, is a thin layer, of lower thickness equal to 2000 A, and heavily doped "n + ", typically with a doping greater than some 10 18 / cm 3 , so as to be able to generate an internal electric field sufficiently intense for the electrons to be able to leave the material, say without them losing too much energy in this area. It is recalled that the intensity of the field is directly proportional to the number of positive and negative charges -N ⁇ ⁇ ep N> ), where epNd (respectively epNa) is the thickness of the layer n + (respectively of the layer p).
  • the application of a reverse voltage depletes zone 8, preferably entirely.
  • the thickness and doping of the output layer 8 must be adjusted so that it is almost entirely depleted when the energy of the electrons is close (by lower value) the ionization energy of the network. The energy losses associated with the creation of electron-hole pairs during the passage of electrons through this layer are thus limited.
  • the layer structure described forms two p / n junctions arranged head to tail, as indicated in dotted lines in the figure: a first junction J1 at the interface of layers 6 and 7 and a second junction J2 at the interface of layers 7 and 8.
  • the three layers each receive a bias voltage so that the junction J1 is forward biased and the junction J2 reverse.
  • a bias voltage is applied to each layer via ohmic contact sockets to suitably bias the device.
  • layer 8 as the collector c
  • layer 7 as the base b
  • layer 6 as the emitter e of a bipolar transistor of the collector type at the top
  • there is a bias of the transistor common emitter type layer 6 is brought to a reference potential Vss, typically ground.
  • Layer 7 is brought to a potential Vi> Vss.
  • the output layer 8 is brought to a potential Ve> Vi.
  • the potentials Ve and Vi are determined to suitably polarize the junction J1 which forms the injector and the junction J2 which forms the emitter in the structure of the device.
  • the zone 10 of the layer 8 which forms the effective emitting surface in a vacuum is surrounded by the contact strips Ci, Ci 'provided on this layer.
  • two contacts are provided, in looking at each other, on either side of zone 10 This advantageously makes it possible to adjust the orientation of the internal electric field so as to obtain the optimal electron current density for the structure considered. refer to FIG.
  • the field can be oriented so that it is perpendicular to the emissive surface 10 of the output layer, that is to say in the direction z in the example shown (FIGS. 3 and 5) the voltages Vea and Ve B are then chosen equal
  • FIG. 4a for a so-called hexagonal grid topology
  • FIG. 4b another embodiment is shown, with two contact sockets for the output layer 8, for a so-called grid topology round
  • the maximum distance between the two contact points is between 1 and 10 ⁇ m Optimally, this maximum distance will be 2 micrometers In fact, we have noticed that beyond 10 micrometers, the current becomes weak in the center of the zone 10 between the two contact points, which reduces the efficiency of the outward emission
  • the electric field reaches its maximum value in a narrow zone centered around the junction J2
  • Optimizing the current emitted in a vacuum is tricky because the maximum value of the electric field and the extension of the area where it is applied does not are not independent It is difficult to bring in the vicinity of the surface a large number of electrons having an energy higher than the electronic affinity of the material without that these do not lose this energy by ionizing the network or by crossing layer 8
  • the efficiency of the device is improved by a structure favoring the populating of high energy levels by inserting a layer 1 with little or no doping between layer 7 and layer 8 of the stack ( Figures 2a and 3)
  • the purpose of this layer 11 is to separately control the maximum value of the electric field in the area of rise in energy of the electrons and the extension of this area
  • This structure can be optimized 6/7/11/8 in order to completely deplete the output layer 8 while having a large fraction of electrons of sufficient energy to be emitted in a vacuum. This optimization results from a compromise between the doping of zones 7 and 8 and the thickness of layers 8 and 11 for applying the electric field
  • This improvement of the invention to promote the acquisition of a high total energy therefore consists in thickening the zone in which the electric field is applied, by the insertion of layer 11
  • This layer 11 is a semiconductor layer intrinsic, also called layer not intentionally doped or compensated layer and denoted n or nest in the figures In the ideal case where this layer 11 is not doped, the electric field will have a constant value in this zone 11, equal to the value maximum, as shown in dotted lines in FIG.
  • this zone 11 is always a little doped, due to the manufacturing process of the structure with a doping typically less than a few 10 16 / cm 3 The value of the field therefore decreases slightly in this zone, gently sloping (in the case of a homogeneous n-type residual doping), as shown in FIG. 5
  • This intrinsic semiconductor layer 11 provides a parameter be additional in optimizing the value of the electric field necessary for the extraction of electrons from the material
  • this structure 6/7/11/8 one can choose a doping of the layers 7 and 8 less high than in the case of the structure 6/7/8 described previously
  • These collisions will be less numerous because the number of electron-hole pairs generated by avalanche is much more sensitive to the intensity of the field than 'to its extension
  • FIG. 5 represents the diagrams of the conduction and valence bands, and the electric field in a structure according to the invention 6/7/11/8
  • the insertion of the intermediate layer 11 thus makes it possible to better control the value and the extension of the electric field
  • an improvement of the invention consists in providing in the lower layers of the stack, electrical insulation boxes (or blind zones) disposed under these contacts A flow channel 16 of the electron flow is thus defined which opens onto the surface 10 and which corresponds to the internal volume delimited by the sockets contact and insulation boxes
  • the size of these boxes is determined so that their internal flank 13, 13 ′ is perpendicular to the internal flank of the corresponding contact point Ci, or CV, or slightly overflows D
  • an n-type semiconductor layer 9 is provided, sandwiched between layer 6 and layer 7
  • the doping of this layer 9 is chosen to be lower than that of layers 6, 7 and 8
  • This layer 9 makes it possible in particular to produce other blind zones or insulating boxes 14 and 14 'by a selective implantation thereof
  • An electron flow flow channel 16 is thus formed in the volume of the structure which makes it possible to collect an optimal number of electrons at the outlet.
  • These electrical insulation boxes can be obtained in a known manner, for example by ionic implantation of atoms (helium) which locally break the crystal structure of the material. This ionic implantation is done with more or less high energy, depending on the depth of the layer in which we want to make these boxes
  • One of the parameters of the efficiency (yield) of an emission device according to the invention is the use of semiconductor materials with a large gap Eg (width of the prohibited band), defined in the invention as satisfactory. the following inequality ®
  • layers 7 and output layer 8 included, that is to say, layers 7/8 or 7/8/1 1, depending on the type of structure selected
  • the other layers of the stack can be made from these same selected materials but not necessarily We then have a structure which is simple to produce and to use, having stable operating characteristics over time, and capable of emitting in the vacuum an effective current density two orders of magnitude greater than that of existing solutions L use in the structure of the invention of these particular semiconductor materials, of the large gap type is indeed particularly favorable
  • GaN AIN InN (binary alloys), Al ⁇ Ga 1 x N, InxGa ! X N, ln x Al ⁇ x N, (ternary alloys), (ln y Al ⁇ y ) x Ga ⁇ X N (quaternary alloy)
  • these semiconductor materials have the following physical properties
  • the effective electronic affinity ⁇ eff of the electrons populating the satellite valleys is equal to / -Evs of the order of 2 eV it is the energy which remains a supplying these electrons so that they leave the material.
  • the population level of these satellite levels depending on the intensity of the electric field applied to the device it can be said that the electronic affinity of the material is modulated by the electric field applied and that its value depends on the intensity of this field.
  • property 1 makes it possible to significantly reduce the electronic affinity of the material or materials of the structure, by the application of a suitable electric field.
  • Figures 7a and 7b illustrate this aspect. They schematically represent the occupation of the energy levels and the modulation of the electronic affinity as a function of the electric field applied for a material selected according to the invention.
  • Figure 7a illustrates the case in which no electric field is applied to the semiconductor Only the central valley F of lower energy is occupied by the electrons
  • Figure 7b shows that for an electric field of moderate value, electrons also occupy the first satellite valleys The energy remaining to supply to the electrons to extract them from the material is then reduced by the quantity E V s The electric field applied will therefore have made it possible to reduce the electronic affinity of these electrons
  • Figure 7c shows that when the field electric becomes more intense, electrons occupy the energy valleys located above the electronic affinity ⁇
  • the efficiency of the device will thus be optimal
  • This property allows an emission of electrons in a vacuum without this emission being accompanied by an excessive avalanche current
  • Emission efficiency defined as the ratio between the emitted current and the total current flowing in the device, will therefore be optimal Indeed the ionization energy E, on ⁇ s » °; U
  • Figure 8a shows the distribution n (fî) of the electrons as a function of their energy L, in a GaN material subjected to a field electric F
  • the ionization energy E, on ⁇ s is approximately equal to 1 3 x Eg ⁇ 4 5 eV value which is much greater than the affinity ⁇ of this material ( ⁇ 4 eV)
  • the application of an internal electric field allows thus to make negative the electronic affinity for a fraction of the electrons of energy E higher than the electronic affinity ⁇
  • the band structure of the material is such that there are high values of the electron-phonon collision rate ⁇ p ⁇ , and of the energy h ⁇ of the optical polar phonons exchanged during the interaction of the electrons with the network
  • the ionization process has the effect of truncating the distribution of electrons at high energies, since during an ionizing collision, the incident electron loses an energy of the order of the forbidden bandwidth Eg, while generating electrons low energy secondary
  • this third property favors the presence of electrons at high energies, and relaxes the constraints of manufacture and implementation of the device it results from all of these properties that subjected to an electric field of low intensity (typically of the (order of a few hundred kiloVolts / cm), the average energy of the electrons will be large, due to the existence of satellite valleys of high energy (property 1), that a significant fraction of the electrons may have an energy greater than the electronic affinity of the material but less than its ionization energy (property 2), and that the emission will be made without it being accompanied by a significant avalanche current, guaranteeing an efficiency of optimal emission (property 3)
  • an electron can reach several positions in the conduction band, and in particular be stored in a high energy valley (in the s first satellite valleys under weak field-figuie 7b) before being transferred to a valley of energy greater than the electronic affinity of the material when the electric field becomes more intense (figure 7c)
  • the device for emitting electrons in a vacuum with an n / p / n or n / p / nid / n or n / n / p / n ⁇ d / n structure based on one or more materials from the family lll- N is particularly advantageous, in terms of the technological process for manufacturing and using the device II also makes it possible to significantly increase the electronic current emitted in a vacuum and the lifetime of the device
  • a structure of layers of an electron emission device according to the invention will preferably be of the type
  • the situation may be unfavorable for the passage of electrons in the structure, in particular at the junction J1 between layers (6) and (7) or (9 ) and (7), the current passing through a layer in which the electoral affinity is lower than in the layer previously crossed We can then provide a composition gradient between the layers concerned so as to reduce or even cancel this discontinuity
  • FIG. 3 illustrates an electron source, comprising an emission device in accordance with the invention, forming a cold cathode K, located at a distance from an anode A
  • the anode is polarized at an anode potential Va referenced by relative to the reference potential of the structure, Vss in the example
  • This anode potential Va is in practice determined with respect to the potential Ve of the emission surface 10, to create a weak electric field Fext oriented from the anode to the emission surface 10
  • This electric field allows the evacuation of the flow of electrons emitted from the cathode, towards the anode
  • the first junction J1 constitutes the injection zone of the electrons
  • the second junction J2 constitutes the zone of rise in energy of the electrons, to allow the emission of electrons in the vacuum
  • This junction is reverse biased under the voltage Ve, it is the seat of an intense internal electric field, which makes it possible to excite a significant part of the electrons towards energy levels higher than the electronic affinity ⁇ of the material
  • the voltage Ve is in practice determined so that a significant fraction of the electrons can be emitted in a vacuum. This voltage Ve must not be too high, to avoid ionization of the network (creation of electron pairs - holes by avalanche effect)
  • the electrons thus emitted outside the material are then evacuated using an external electric field, of low intensity
  • This electric field can be generated by any means known to the skilled in the art For example, it can be created as illustrated in FIGS. 3 and 5, by placing an anode A suitably polarized at a voltage Va> Ve, above the emissive zone 10
  • a control grid (not shown) can also be provided, placed at a distance between the cathode and the anode, for example for applications of power amplification type (klystrons).
  • a device for modulating the voltage applied to said grid is then planned, allowing high frequency power amplification
  • the various elements of the structure of the emission device according to the invention can be optimized.
  • the thickness and the doping of this layer 8 are adjusted, as a function of the bias voltages Ve, Vi applied to the structure, and which determine the field internally as illustrated on the curves of Figure 5, so that this layer 8 is found partially or, preferably, as shown in Figure 5, completely depleted on the surface. In this way, the energy lost by the electrons during the crossing of this layer is minimized, the electric field partially or totally compensating for the losses linked to the electron-phonon collisions.
  • the doping of this layer 8 of the structure will be chosen. greater than some 10 18 / cm 3 , and its thickness less than 2000 Angstroms
  • the thickness of the layer 11 not intentionally doped will preferably be between 50 to 1000 Angstroms, defined with respect to the intensity of the electric field which it is desired to apply
  • the doping of the p-type layer 7 (base) will preferably be chosen to be greater than a few 10 18 / cm 3 , and its thickness between 100 and a few thousand Angstroms, depending on the value of doping, which sets the maximum value of the electric field
  • the doping of the n-type layer 9 of the J1 junction supplying the electrons is less than the doping of the layers 6, 7 and 8 to allow the implantation of the blind zones or isolation boxes, according to an improvement in the structure of the invention represented in FIG. 3 and already described It is preferably chosen to be greater than a few 10 16 / cm 3 , and its thickness greater than 100 Angstroms
  • FIG. 6 schematically represents a semiconductor component comprising an emitting matrix M consisting of semiconductor devices K of electron emission according to the invention, arranged in a network of rows and columns
  • a component can in particular be used in flat screens
  • the devices are isolated from each other, for example, by isolation boxes (not shown)
  • Control lines L and W and M allow the necessary bias voltages to be brought in, Vi, Ve and Vss respectively These lines are produced in a manner known to those skilled in the art.
  • additional conduction lines (not shown) are provided
  • a control device (driver) can be integrated into the semiconductor component II can be designed to allow the control of each K device individually
  • the invention which has just been described makes it possible to overcome the problem of the contribution of the electrons and to decouple it from that of the emission thanks to the use of semiconductor materials with large gap as defined in l invention which makes it possible to reduce and make negative, via the voltage Ve, the electronic affinity of a significant fraction of the electrons, it does not require to lower the work of exit of the electrons by the addition of materials with low electronic affinity (such as cesium oxide or LaB 6 ) or to apply an intense external electric field to extract the electrons from the material.
  • materials with low electronic affinity such as cesium oxide or LaB 6
  • the device of the invention having a planar emission surface allows to consider effective current densities of the order of a few kA / cm 2
  • the structure of the emission device of the invention associated with the selected particular materials therefore makes it possible to overcome the major drawbacks which have limited the performance of the solutions implemented so far. It is also very easy to produce since it is based on manufacturing methods associated with the vertical bipolar transistor Finally, it is easily implemented because it does not require a high vacuum or a strong external electric field.
  • One possible application of such a structure is the replacement of the thermionic cathodes used in traveling wave tubes

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

Un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide comprend empilées, une première couche semi-conductrice de type n (9), une deuxième couche semi-conductrice de type p (7) qui forme une première jonction semi-conductrice (J1) avec la première couche, et une troisième couche semi-conductrice de type n (8), qui forme une deuxième jonction semi-conductrice (J12) avec la deuxième couche, et dont une zone (10) en surface est en contact avec le vide. La première jonction (J1) est polarisée en direct pour former un injecteur d'électrons La deuxième jonction (J2) est polarisée en inverse pour former un émetteur d'électrons dans le vide. Le matériau semi-conducteur de la deuxième couche à la couche de sortie incluses, au moins, a une largeur de bande interdite Eg satisfaisant 1’inégalité suivante: est l'affinité électronique du matériau. De préférence, une quatrième couche semi-conductrice (11) non intentionnellement dopée (nid) est disposée en sandwich entre la deuxième couche et la troisième couche ainsi qu'une cinquième couche semi-conductrice (9) disposée en sandwich entre la couche (6) et la couche (7) et dont le dopage est plus fable que les couches 6, 7 et 8. Application aux dispositifs électroniques et optoélectroniques utilisant une source d'électrons.

Description

DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR D'EMISSION D'ELECTRONS DANS LE VIDE
La présente invention concerne un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide
L'invention concerne ainsi le domaine des sources d'électrons, qui sont utilisées pour former des faisceaux électroniques dans divers systèmes électroniques ou optoélectroniques tels que par exemple les tubes à rayons cathodiques, les écrans plats, les systèmes de lithographie électronique, les amplificateurs hyperfréquence tel que les klystrons
D'une manière simplifiée, et comme représenté schématiquement sur la figure 1 , une source 1 d'électrons comporte une cathode 2 et une anode 3, situées à distance l'une de l'autre, et entre lesquelles règne un vide 4 plus ou moins poussé Une source de polarisation 5 permet de placer l'anode et la cathode à un potentiel relatif donné, créant un champ électrique externe Fe
La cathode est le dispositif d'émission des électrons Sa structure doit lui permettre d'assurer la fonction d'injecteur d'électrons, et d'émetteur d'électrons dans le vide, hors du matériau de la cathode, en vue d'obtenir, vers l'anode, un flux constant d'électrons L'anode 3 extrait les électrons de la cathode par l'intermédiaire du champ électrique Fe
Dans l'invention, on s'intéresse à un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons
Des dispositifs semi-conducteurs d'émission d'électrons sont connus, qui utilisent une jonction semi-conductrice Une jonction semi-conductrice comprend, empilées, une couche de matériau semi-conducteur de type n et une couche de matériau semi-conducteur de type p On connaît un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons qui utilise une jonction semi-conductrice polarisée en inverse Sa structure est du type . zone p/ zone n/ vide. La surface d'émission est ainsi formée par la surface de la zone de type n soumise au vide L'effet physique utilisé est la multiplication des électrons par avalanche Sous l'effet du champ électrique interne induit, des électrons sont arraches au réseau et émis dans le vide En pratique, le rendement d'un tel dispositif semi-conducteur est faible, de quelques pour cents seulement En outre le champ électrique interne, qui dépend de la tension de polarisation appliquée, contrôle à la fois l'injection et l'émission des électrons, c'est à dire la génération des électrons par effet d'avalanche de la jonction, et l'accélération continue des électrons pour les monter en énergie, sous l'effet du champ électrique interne Si on veut augmenter le nombre d'électrons émis dans le vide, il faut augmenter le champ électrique interne, ce qui entraîne un échauffement important de la cathode, et réduit sa durée de vie
On connaît aussi un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons qui utilise une jonction semi-conductrice polarisée en direct, utilisant comme mécanisme d'injection, la diffusion des électrons La disposition est alors comme suit zone n+ / zone p / vide La surface d'émission est ainsi formée par la surface de la zone de type p, soumise au vide Cette structure exploite la courbure des bandes de conduction La surface d'émission doit présenter un état d'affinité électronique apparente négative, qui permet aux électrons excités, ayant acquis une énergie suffisante, et arrivant à l'interface zone p / vide, de sortir du matériau
Un état d'affinité apparente négative peut s'obtenir de façon bien connue, par un traitement de surface par du césium et de l'oxygène On obtient une couche d'oxyde de césium qui recouvre la surface d'émission Cette couche d'oxyde induit en outre une zone déplétée en surface, dans laquelle les électrons gagnent de l'énergie sous l'effet du champ électrique qui y règne L'émission des électrons dans le vide est facilitée
Cependant, l'oxyde de césium est très instable La couche d'oxyde de césium disparaît donc peu a peu, ce qui limite la durée de vie du dispositif d'émission On est ainsi oblige de faire fonctionner ce dispositif sous un vide poussé, ce qui est un frein a son utilisation En outre, même sous vide poussé, la couche d'oxyde disparaît au bout de quelques dizaines de milliers d'heures Or la durée de vie usuelle des systèmes électroniques ou électrooptiques utilisant des sources d'électrons, est de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'heures
On peut remplacer la couche d'oxyde de césium par une couche de métal à faible affinité électronique, tel que LaB6 par exemple Mais une telle couche de métal en surface réduit considérablement l'efficacité du dispositif (réduction du nombre d'électrons émis), à cause des collisions avec les électrons libres qui sont en densité élevée dans le métal Enfin, avec une telle structure, on ne contrôle que le flux d'électrons injecté et pas le flux d'électrons émis, qui dépend principalement de la courbure des bandes de conduction en surface, caractéristique du matériau utilise On connaît un autre type de structure de dispositif semi-conducteur, qui exploite l'effet tunnel (ou Fowler-Nordheim) Elle appartient au domaine des cathodes dites à émission de champ Dans cette structure, la zone emissive du dispositif se présente par exemple sous la forme d'un cône ou d'une pointe Une grille disposée à proximité immédiate de la zone emissive, en gênerai tout autour, sur laquelle on applique une tension élevée, de l'ordre de 100 volts par exemple, permet de créer un champ électrique externe intense à la surface de la zone emissive Ce champ électrique externe permet aux électrons de quitter le matériau par effet tunnel En pratique, ces structures se présentent sous la forme d'une matrice, comprenant un grand nombre de ces cathodes On parle alors de structure FEA, pour "Field Emission Array"
Cependant, dans ces structures, le champ électrique externe très intense contrôle à la fois l'injection d'électrons et l'émission d'électrons L'utilisation d'un champ électrique externe intense conduit en outre a une dégradation accélérée de la surface emissive, si le vide n'est pas assez poussé (ionisation des atomes de gaz résiduel) Enfin, du fait de la géométrie particulière en pointe ou en cône de la zone emissive, la densité effective de courant maximal fournit par une telle cathode n'est pas très élevée (de l'ordre de 10 ampères par cm2) On doit ainsi prévoir des matrices comprenant en fonction de l'application, une centaine a quelques dizaines de milliers de cathodes de ce type, pour fournir un courant d'électrons suffisant (10000 pointes fournissent 180 mA) En outre, ces matrices utilisent des technologies de fabrication très spécialisées
Un objet de l'invention est un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons, ayant un rendement et une durée de vie sensiblement plus élevés que les dispositifs actuels
L'idée à la base de l'invention est d'utiliser des matériaux dont les propriétés sont favorables à une émission efficace des électrons dans le vide, dans une structure qui permette de commander indépendamment et à volonté l'injection d'électrons et leur émission dans le vide L'utilisation de matériaux aux propriétés particulières et la séparation des deux commandes injection/émission permet d'atteindre une densité de courant et une durée de vie significativement plus élevées par rapport aux solutions antérieures Un autre objet de l'invention est un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons, obtenu en utilisant les technologies usuelles de fabrication de composants microélectroniques, et ne nécessitant pas l'utilisation d'un vide poussé
Un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons selon l'invention est basé sur une structure semi-conductrice similaire au transistor bipolaire de type vertical, comprenant un empilement de couches semi-conductrices n/p/n, dans lequel les couches supportant le champ électrique permettant de faire passer les électrons des niveaux de basse énergie vers les niveaux d'énergie supérieurs a l'affinité électronique χ du matériau sont réalisées dans un matériau parmi les matériaux semi-conducteur dont la largeur de
7 bande interdite Eg satisfait l'inégalité Eg > — , où χ représente l'affinité
2 électronique du matériau
Telle que revendiquée, l'invention concerne un dispositif semiconducteur d'émission d'électrons dans le vide comprenant un empilement de couches semi-conductrices, caractérise en ce que l'empilement comprend une première couche semi-conductrice de type n, une deuxième couche semi-conductrice de type p qui forme une première jonction semi-conductrice avec la première couche, et une couche de sortie semi-conductrice de type n, qui forme une deuxième jonction semi-conductrice avec la deuxième couche, et dont une zone en surface est en contact avec le vide, ledit dispositif comprenant des moyens de polarisation en direct de la première jonction pour former un injecteur d'électrons et des moyens de polarisation en inverse de la deuxième jonction pour former un émetteur d'électrons dans le vide, et en ce que dans ledit empilement, au moins les couches depuis la deuxième couche jusqu'à la couche de sortie incluses sont réalisées chacune dans un matériau semi-conducteur sélectionné ayant une bande interdite Eg dont la largeur satisfait l'inégalité suivante
Eg>— , où χ est l'affinité électronique dudit matériau De préférence, l'empilement comprend une quatrième couche semi- conductrice intrinsèque, disposée en sandwich entre la deuxième couche et la couche de sortie
Une cinquième couche semi-conductrice de type n est avantageusement insérée entre la première et la deuxième couche
Le matériau semi-conducteur sélectionné est avantageusement un compose de la famille Ill-I
La première jonction polarisée en direct forme un injecteur d'électrons contrôlé (par la tension de polarisation) La deuxième jonction est polarisée en inverse, pour exciter le gaz d'électrons vers des niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique du matériau, ce qui est rendu possible par les propriétés particulières de ce matériau Une fraction significative de ce gaz d'électrons chauds de la couche de sortie (troisième couche) peut alors être émise dans le vide Un champ électrique appliqué en externe, au niveau de la surface supérieure, emissive, de la structure, permet d'évacuer, d'aspirer, le flux d'électrons émis Un champ de faible intensité est seulement nécessaire, en comparaison des champs habituellement utilisés dans les dispositifs de l'état de la technique
On forme ainsi un dispositif d'émission dont l'injection et l'émission sont contrôlées de manière séparée, et dont le ou les matériaux qui forment la structure autorisent une forte densité de courant d'électrons en sortie
Ce dispositif d'émission offre avantageusement une surface d'émission planaire qui permet d'envisager des densités de courant effectives de l'ordre de quelques kA/cm2 Par densité de courant effective, il faut comprendre la surface totale occupée par un dispositif, c'est à dire tenant compte des amenées de courant En comparaison, cette densité de courant est de l'ordre de 10 A/cm2 dans le cas d'une matrice de micro- pointes (cathodes à effet de champ)
Le dispositif d'émission selon l'invention utilise des technologies de fabrication usuelles, bien maîtrisées Les matériaux sélectionnes n'obligent pas à utiliser une couche superficielle de matériau à affinité électronique faible ou négative (mais une telle couche peut être prévue), ce qui rend ce dispositif particulièrement stable et fiable (grande durée de vie attendue)
Enfin, il nécessite des tensions de polarisation peu élevées, de l'ordre de la dizaine de volts, ce qui renforce encore les aspects de fiabilité L'invention concerne aussi une source d'électrons utilisant un tel dispositif d'émission
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement a la lecture de la description qui suit faite a titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexes dans lesquels la figure 1 déjà décrite représente schematiquement une source d'émission d'électrons, la figure 2a est une représentation d'une structure d'un dispositif d'émission selon l'invention, et la figure 2b, une vue de dessus, dans une topologie de type ruban,
- la figure 3 illustre le dispositif d'émission des figures précédentes selon une coupe transversale les figures 4a et 4b représentent d'autres exemples de topologie d'une structure de dispositif d'émission selon l'invention,
- la figure 5 représente le diagramme des bandes d'énergie (E) et le champ électrique (F) dans un dispositif d'émission d'électrons selon l'invention, la figure 6 montre schematiquement une structure en reseau de dispositif d'émission selon l'invention, les figure 7a a 7c montrent schematiquement l'occupation des différents niveaux d'énergie au moment de l'émission électronique dans le vide selon le champ électrique applique dans un dispositif d'émission selon I invention et
- les figures 8a et 8b montrent la répartition des électrons en énergie et le taux d'ionisation dans un matériau du type utilise dans un dispositif d'émission selon l'invention
Les figures 2a et 2b représentent un mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur d'émission selon l'invention La figure 3 illustre une source d'électrons comprenant un tel dispositif place a distance d'une anode A
La structure du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention est similaire a une structure de transistor bipolaire a collecteur (ou émetteur) en haut Elle utilise ainsi les mêmes techniques de fabrication bien connues de l'homme du métier, utilisées pour ce type de composant, à la différence que la prise de contact sur la couche supérieure "en haut", en contact avec le vide, ne recouvre pas toute la surface, mais est confinée sur les bords, de façon à offrir une surface effective d'émission d'électrons la plus grande autorisée par la technologie
Plus précisément, si on se reporte aux figures 2a, 2b et 3, cette structure comprend principalement un empilement de couches semi- conductπces n/p/n. Les couches 7 et 8 supportant le champ électrique permettant de faire passer les électrons des niveaux de basse énergie vers les niveaux d'énergie supérieurs a l'affinité électronique χ du matériau sont réalisées dans un matériau parmi les matériaux semi-conducteur qui ont la propriété d'être à grand gap Eg (largeur de la bande interdite), satisfaisant
% l'inégalité Eg>— , où χ représente l'affinité électronique du matériau
2 Avec ces matériaux à grands gaps, on dispose alors d'un dispositif efficace, avec une structure simple a réaliser et à utiliser, présentant des caractéristiques de fonctionnement stable dans le temps, et pouvant émettre dans le vide une densité de courant effective de deux ordres de grandeur supérieure a celle des solutions existantes
Plus précisément, la structure comporte une première couche 6 de type n, une deuxième couche 7 de type p, et une troisième couche, la couche de sortie 8, de type n La zone 10 en surface de la couche de sortie 8 qui est en contact avec le vide, forme la surface effective d'émission des électrons Elle est encadrée par les prises de contact ohmiques C-i, C-i', par lesquelles une tension de polarisation sera appliquée La zone 10 est indiquée en rayé sur la figure 2b Des prises de contact C∑, C2', sont aussi prévues, pour appliquer une tension de polarisation sur la couche 7 ainsi que des prises de contact C3, C3\ pour polariser la couche 6 Dans l'exemple, ces prises de contact se présentent sous la forme de rubans, par exemple réalisés en Ti/Pt/Au
Le dopage des différentes couches est de préférence défini comme suit la couche supérieure 8 dont la surface externe 10 forme la surface d'émission des électrons dans le vide, est une couche mince, d'épaisseur inférieure ou égale à 2000 A , et fortement dopée "n+", typiquement avec un dopage supérieur à quelques 1018/cm3, de manière à pouvoir générer un champ électrique interne suffisamment intense pour que les électrons puissent sortir du matériau, c'est à dire sans qu'ils perdent trop d'énergie dans cette zone. On rappelle que l'intensité du champ est directement proportionnelle au nombre de charges positives et négatives -NΛ χepN> ),
Figure imgf000010_0001
où epNd (respectivement epNa) est l'épaisseur de la couche n+ (respectivement de la couche p).
L'application d'une tension inverse déplète la zone 8, de préférence, entièrement. Pour maximiser le nombre d'électrons émis à l'extérieur du dispositif, l'épaisseur et le dopage de la couche de sortie 8 doivent être ajustés de manière à ce que celle-ci soit quasi-entiérement déplétée lorsque l'énergie des électrons avoisine (par valeur inférieure) l'énergie d'ionisation du réseau. Les pertes d'énergies associées à la création de paires electron- trou lors du passage des électrons à travers cette couche sont ainsi limitées.
La structure de couches décrite forme deux jonctions p/n disposées tête bêche, tel qu'indiqué en pointillé sur la figure : une première jonction J1 à l'interface des couches 6 et 7 et une deuxième jonction J2 à l'interface des couches 7 et 8. Selon l'invention, les trois couches reçoivent chacune une tension de polarisation en sorte que la jonction J1 soit polarisée en direct et la jonction J2 en inverse. Une tension de polarisation est appliquée sur chaque couche via des prises de contact ohmiques pour polariser le dispositif de manière adaptée. Dans l'exemple illustré, en considérant la couche 8 comme le collecteur c, la couche 7 comme la base b et la couche 6 comme l'émetteur e d'un transistor bipolaire de type collecteur en haut, on a une polarisation du transistor de type émetteur commun : la couche 6 est portée à un potentiel de référence Vss, typiquement la masse. La couche 7 est portée à un potentiel Vi>Vss. La couche de sortie 8 est portée à un potentiel Ve>Vi. On pourrait aussi bien avoir une polarisation du type base commune. Les potentiels Ve et Vi sont déterminés pour polariser de manière adaptée la jonction J1 qui forme l'injecteur et la jonction J2 qui forme l'émetteur dans la structure du dispositif. On a vu que la zone 10 de la couche 8 qui forme la surface effective d'émission dans le vide est encadrée par les rubans de contact C-i, Ci' prévus sur cette couche Dans l'exemple, deux prises de contact sont prévues, en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de la zone 10 Ceci permet avantageusement de régler l'orientation du champ électrique interne de manière à obtenir la densité de courant d'électrons optimale pour la structure considérée Si on se reporte à la figure 3, on peut ainsi appliquer une tension Veg sur la prise de contact Ci de gauche, qui peut être différente de la tension Vβ appliquée sur la prise de contact Ci de droite Ainsi, selon les valeurs Ved et Veg, on peut orienter le champ en sorte qu'il soit perpendiculaire à la surface emissive 10 de la couche de sortie, c'est à dire selon la direction z dans l'exemple représenté (figures 3 et 5) les tensions Vea et VeB sont alors choisies égales On peut aussi orienter le champ en sorte qu'il soit parallèle a la surface emissive ou qu'il suive toute autre orientation entre ces deux extrêmes, en différentiant de manière adaptée ces deux tensions Ve et Veg.
On pourrait aussi n'avoir qu'une seule prise de contact Dans ce cas, la prise de contact peut couvrir tout le périmètre de la couche 8, formant ainsi un contour ferme Cela permet d'obtenir un potentiel bien uniforme sur toute la surface Un tel exemple de réalisation est représenté sur la figure 4a, pour une topologie dite a grille hexagonale Sur la figure 4b, on a représente un autre exemple de réalisation, avec deux prises de contact pour la couche de sortie 8, pour une topologie dit à grille ronde
Dans le cas où la structure retenue comprendrait deux prises de contact CL CI', sur la couche de sortie 8, on devra de préférence prévoir que la distance maximale entre les deux prises de contact soit comprise entre 1 et 10 μm De façon optimale, cette distance maximale sera de 2 micromètres En effet, on s'est aperçu qu'au-delà de 10 micromètres, le courant devenait faible au centre de la zone 10 comprise entre les deux prises de contact, ce qui réduisait l'efficacité de l'émission vers l'extérieur
Dans la structure de couches 6/7/8 décrite, le champ électnque atteint sa valeur maximale dans une zone étroite centrée autour de la jonction J2
L'optimisation du courant émis dans le vide s'avère délicate car la valeur maximale du champ électrique et l'extension de la zone où il est applique ne sont pas indépendantes II est difficile d'amener au voisinage de la surface un grand nombre d'électrons ayant une énergie supérieure a l'affinité électronique du matériau sans que ceux-ci ne perdent cette énergie en ionisant le reseau ou en traversant la couche 8 Dans un perfectionnement de l'invention, on améliore l'efficacité du dispositif par une structure favorisant le peuplement des niveaux d'énergies élevés en insérant une couche 1 peu ou pas dopée entre la couche 7 et la couche 8 de l'empilement (figures 2a et 3) Cette couche 11 a pour but de contrôler séparément la valeur maximale du champ électrique dans la zone de montée en énergie des électrons et l'extension de cette zone
On peut optimiser cette structure 6/7/11/8 dans le but de depleter totalement la couche de sortie 8 tout en ayant une fraction importante d'électrons d'énergie suffisante pour être émis dans le vide Cette optimisation resuite d'un compromis entre le dopage des zones 7 et 8 et l'épaisseur des couches 8 et 11 d'application du champ électrique
Ce perfectionnement de l'invention pour favoriser l'acquisition d'une énergie totale élevée, consiste donc a épaissir la zone dans laquelle le champ électrique s'applique, par l'insertion de la couche 11 Cette couche 11 est une couche semi-conductrice intrinsèque, dite encore couche non intentionnellement dopée ou encore couche compensée et notée n ou nid sur les figures Dans le cas idéal ou cette couche 11 n'est pas dopée, le champ électrique aura une valeur constante dans cette zone 11 , égale a la valeur maximale, comme représente en pointillé sur la figure 5 En pratique cette zone 11 est toujours un peu dopée, du fait du processus de fabrication de la structure avec un dopage typiquement inférieur a quelques 1016/cm3 La valeur du champ décroît donc légèrement dans cette zone, en pente douce (dans le cas d'un dopage résiduel homogène de type n), comme représente sur la figure 5 Cette couche de semi-conducteur intrinsèque 11 permet de disposer d'un paramètre supplémentaire dans l'optimisation de la valeur du champ électrique nécessaire a l'extraction des électrons du matériau
En d'autres termes, dans cette structure 6/7/11/8, on peut choisir un dopage des couches 7 et 8 moins eleve que dans le cas de la structure 6/7/8 décrite précédemment On obtient un champ d'intensité plus faible mais s'exerçant sur une zone 11 plus longue (d'extension contrôlable) permettant de fournir aux électrons l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide, tout en limitant le nombre de collisions ionisantes Ces collisions seront moins nombreuses car le nombre de paires électron-trou générées par avalanche est beaucoup plus sensible à l'intensité du champ qu'à son extension
La figure 5 représente les diagrammes des bandes de conduction et de valence, et le champ électrique dans une structure selon l'invention 6/7/11/8
Elle illustre, de façon schématique, le passage d'un flux d'électrons thermalisés (à la température du réseau) injecté par la jonction J1 polarisée en direct, à un flux d'électrons chauds, a la sortie de la jonction J2 polarisée en inverse, l'énergie maximale étant atteinte en sortie de la couche 11 et à l'entrée de la couche 8
L'insertion de la couche intermédiaire 11 permet ainsi de mieux contrôler la valeur et l'extension du champ électrique
Pour limiter le risque de dispersion des électrons sous les prises de contact, notamment sous les prises de contact d'émetteur Ci, A réalisées sur la couche de sortie 8 de la structure, un perfectionnement de l'invention consiste à prévoir dans les couches inférieures de l'empilement, des caissons d'isolation électrique (ou zones aveugles) disposés sous ces contacts Un canal d'écoulement 16 du flux d'électrons est ainsi défini qui débouche à la surface 10 et qui correspond au volume interne délimité par les prises de contact et les caissons d'isolation On peut notamment prévoir de tels caissons 12 et 12' par implantation ionique, par exemple d'Hélium, dans la couche 11 , sous les prises de contact ohmiques Ci et Ci' La dimension de ces caissons est déterminée pour que leur flanc interne 13, 13' soit à l'aplomb du flanc interne de la prise de contact correspondante C-i, ou CV, ou légèrement en débord D Ainsi, on empêche que des électrons se dirigent vers les prises de contact ohmiques, qu'ils ne pourraient pas traverser
Dans une autre amélioration, une couche 9 de semi-conductrice de type n est prévue, disposée en sandwich entre la couche 6 et la couche 7 Le dopage de cette couche 9 est choisi plus faible que celui des couches 6, 7 et 8 Cette couche 9 permet notamment de réaliser d'autres zones aveugles ou caissons d'isolation 14 et 14' par une implantation sélective de celle-ci Le flanc interne 15, 15' de ces caissons 14, 14' coïncide ou est légèrement en debord avec le flanc interne des caissons 13, 13' de la zone 11
Un canal 16 d'écoulement du flux d'électrons est ainsi forme dans le volume de la structure qui permet de recueillir un nombre optimal d'électrons en sortie
Ces caissons d'isolation électrique peuvent être obtenus de manière connue, par exemple par implantation ionique d'atomes (Hélium) qui viennent casser localement la structure cristalline du matériau Cette implantation ionique se fait sous plus ou moins haute énergie, selon la profondeur de la couche dans laquelle on veut réaliser ces caissons
Un des paramètres de l'efficacité (rendement) d'un dispositif d'émission selon l'invention, est l'utilisation de matériaux semi-conducteurs a grand gap Eg (largeur de la bande interdite), définis dans l'invention comme satisfaisant l'inégalité ® suivante
Eg >— , ou y représente l'affinité électronique du matériau Ces
2 matériaux sélectionnes sont utilises au moins pour les couches supportant le champ électrique qui va permettre de faire passer les électrons de niveaux de basse énergie veis des niveaux d énergie supérieure a l'affinité électronique du matériau Ce sont les couches de l'empilement comprises entre la couche 7 et la couche de sortie 8 incluses c'est a dire, les couches 7/8 ou 7/8/1 1 , selon le type de structure retenue Les autres couches de l'empilement peuvent être réalisées dans ces mêmes matériaux sélectionnes mais pas nécessairement On dispose alors d'une structure simple a réaliser et a utiliser, présentant des caractéristiques de fonctionnement stable dans le temps, et pouvant émettre dans le vide une densité de courant effective de deux ordres de grandeur supérieure a celle des solutions existantes L'utilisation dans la structure de l'invention de ces matériaux semiconducteurs particuliers, du type a grand gap est en effet particulièrement favorable
Des matériaux tel que le SiC ou le ZnSe satisfont cette relation et peuvent être utilises pour réaliser une structure du type a homojonction selon y l'invention Cette propriété des matériaux (Eg > — ) a comme effet direct
2 utilise dans l'invention, qu'une part significative des électrons sera présente a des énergies supérieures a l'affinité électronique du matériau favorisant l'émission d'électrons dans le vide Ainsi, par la structure de l'invention combinée a l'utilisation dans cette structure de matériaux semi-conducteurs satisfaisant l'inégalité © on obtient un dispositif semi-conducteur efficace d'émission d'électrons dans le vide
De préférence, parmi les matériaux satisfaisant l'inégalité CD on choisit ceux appartenant a la famille lll-N (nitrure d'élément de la colonne III de la classification périodique des éléments de Mendeleiev)
Par exemple, on peut citer comme matériaux de cette famille GaN AIN, InN (alliages binaires), AlχGa1 xN, InxGa! XN, lnxAlι xN, (alliages ternaires), (lnyAlι y)xGaι XN (alliage quaternaire)
Ces matériaux offrent une très bonne stabilité chimique et une bonne conductivite thermique (150 a 200W °C 1cm 1 a 20 °C)
En outre, ces matériaux semi-conducteurs présentent les propriétés physiques suivantes
-propriété 1 Existence dans la bande de conduction de vallées satellites situées a plus d'un électron volt (eV) au-dessus du minimum de la vallée centrale se peuplant en électrons sous faible champ électrique L énergie moyenne des électrons sera par conséquent élevée Pour le GaN par exemple l'écart d'énergie Evs entre le minimum de la vallée centrale 1 (figures 7a,7b,7c) et les minima des vallées satellites est voisin de deux electrons-volts Le champ nécessaire pour amener des électrons dans les vallées satellites est de quelques centaines de kV/cm seulement, ce qui est une valeur très inférieure au champ de claquage de ce matériau GaN qui est de l'ordre de plusieurs MV/cm On t appelle que l'affinité électronique £ est l'énergie minimale a fournir aux électrons situes au bas de la bande de conduction pour les extraire du matériau
L'affinité électronique effective χeff des électrons peuplant les vallées satellites est égale a /-Evs de l'ordre de 2 eV c'est l'énergie qui reste a fournir a ces électrons pour qu'ils quittent le matériau Le niveau de population de ces niveaux satellites dépendant de l'intensité du champ électnque appliqué au dispositif, on peut dire que l'affinité électronique du matériau est modulée par le champ électrique appliqué et que sa valeur dépend de l'intensité de ce champ Ainsi, la propriété 1 permet de réduire sigπificativement l'affinité électronique du ou des matériaux de la structure, par l'application d'un champ électrique adapté
Les figures 7a et 7b illustrent cet aspect Elles représentent schematiquement l'occupation des niveaux d'énergies et la modulation de l'affinité électronique en fonction du champ électrique appliqué pour un matériau sélectionné selon l'invention
La figure 7a illustre le cas dans lequel aucun champ électrique n'est appliqué au semi-conducteur Seule la vallée centrale F de plus basse énergie est occupée par les électrons La figure 7b montre que pour un champ électrique de valeur modérée, des électrons occupent aussi les premières vallées satellites L'énergie restant a fournir aux électrons pour les extraire du matériau est alors réduite de la quantité EVs Le champ électrique appliqué aura donc permis de réduire l'affinité électronique de ces électrons La figure 7c montre que lorsque le champ électrique devient plus intense, des électrons occupent les vallées d'énergies situées au-dessus de l'affinité électronique χ L'énergie d'ionisation E|0n,s étant supérieure à l'affinité électronique du matériau χ, il existera une valeur du champ pour laquelle les électrons les plus énergétiques vérifieront la relation χ < Es < E,0nιs H y aura alors émission d'électrons dans le vide sans génération de paires électron- trou L'efficacité du dispositif sera ainsi optimale
- propriété 2 Une bande interdite Eg de valeur comparable a l'affinité électronique la largeur de la bande interdite va de 0 8 jusqu'à 6 2 eV selon la composition du matériau, l'affinité électronique en l'absence de champ électrique évoluant quant à elle entre 3 et 4 eV
Cette propriété permet une émission d'électrons dans le vide sans que cette émission ne s'accompagne d'un courant d'avalanche excessif
L'efficacité d'émission, définie comme le rapport entre le courant émis et le courant total circulant dans le dispositif, sera par conséquent optimale En effet l'énergie d ionisation E,onιs» °;U| est proportionnelle a la largeur Eg de la bande interdite, pourra être supérieure a l'affinité électronique χ du matériau La figure 8a montre la distribution n(fî ) des électrons en fonction de leur énergie L , dans un matériau GaN soumis a un champ électrique F
L'énergie d'ionisation E,onιs est approximativement égale a 1 3 x Eg ≈ 4 5 eV valeur qui est bien supérieure a l'affinité χ de ce matériau (≈ 4 eV) L'application d'un champ électrique interne permet ainsi de rendre négative l'affinité électronique pour une fraction des électrons d'énergie E supérieure a l'affinité électronique χ
Il existe une valeur optimale Fopι du champ électrique applique telle que l'énergie Ee des électrons les plus énergétiques vérifie la relation < Ec < Eionis, rendant ainsi possible leur émission dans le vide ( , < Ee) sans générer de paires electron-trou (Eg < EIOms) On a alors une efficacité optimale
-propriété 3 la structure de bande du matériau est telle que l'on a des valeurs élevées du taux de collisions electron-phonon τpι, et de l'énergie hω des phonons polaires optiques échangée au cours de l'interaction des électrons avec le reseau
Pour le GaN, fiω est de l'ordre de 0 092 eV (ce qui est 2,5 fois plus eleve que pour l'AsGa qui n'est pas un matériau vérifiant l'inégalité ©) Cette propriété associée a un accroissement relativement lent du taux de collisions ionisantes τ„ en fonction de l'énergie des électrons va favoriser l'existence d'électrons a des énergies élevées A des énergies plus de deux fois supérieures a la largeur de la bande interdite, ce taux τ„ n'est que de
1013 collisions par seconde pour le GaN En effet, comme représente sur les figures 8a et 8b pour le GaN, la distribution énergétique n(Ee) des électrons d'un matériau semi-conducteur soumis a un intense champ électrique resuite de la manière dont ces électrons échangent leur énergie avec le reseau cristallin Aux énergies qui nous intéressent, supérieures a y, les deux processus de collisions avec des phonons et de collisions ionisantes sont en compétition Soit les électrons perdent leur énergie via les collisions avec les phonons Soit 'Is perdent cette énergie via l'excitation de paires electron-trous Cependant, ces deux processus ne sont pas équivalents
Le processus d'ionisation a pour effet de tronquer la distribution des électrons aux hautes énergies, puisque lors d'une collision ionisante, l'électron incident perd une énergie de l'ordre de la largeur de bande interdite Eg, tout en générant des électrons secondaires de faible énergie
Les collisions avec les phonons ont une action opposée Elles favorisent la présence des électrons a de plus hautes énergies, en relaxant leur énergie (l'énergie des électrons)
De l'équilibre entre ces deux processus resuite la distribution des électrons en énergie Sur la figure 8b, l'équilibre est atteint au point de croisement des deux courbes du taux de collisions avec les phonons τP et du taux de collisions ionisantes τM selon l'énergie des électrons Ainsi un couplage electron-phonon efficace, en offrant aux électrons une voie parallèle au phénomène d'avalanche pour relaxer leur énergie, est favorable a la présence d'un plus grand nombre d'électrons au-delà de l'énergie d'ionisation E,oms du semi-conducteur L'énergie Eeq pour laquelle les pertes induites par ces deux processus sont équivalentes est donnée par la relation τ Au-delà de cette énergie E , le nombre
Figure imgf000018_0001
d'électrons diminue rapidement car ils subissent de plus en plus de collisions ionisantes au cours desquelles ils perdent la majeure partie de leur l'énergie
La sélection de matériaux semi-conducteur selon l'invention permet ainsi de maximiser le nombre d'électrons émis dans le vide et l'efficacité d'émission, car r'""[-î ] est grand (le taux de perte d'énergie avec les phonons est important) et l'énergie E / associée a r1"" est la plus élevée possible (le nombre de paires electron-trou créées par seconde augmente lentement avec l'énergie des électrons incidents)
On parle alors de "claquage mou ", car la valeur Elomi, ne constitue pas une limite infranchissable, l'énergie des électrons pouvant largement dépasser cette valeur Dans le cas du GaN par exemple, l'énergie maximale est égale a 9 eV soit deux fois l'énergie d'ionisation du reseau E,0ms Dans le cas contraire on parle de "claquage dur", l'énergie des électrons ne peut pas alors dépasser l'énergie EΞ|0nιt.. les électrons d'énergie supérieure a cette valeur relaxant immédiatement leur énergie par la création de paires électron - trou
A titre d'exemple, des calculs numériques théoriques réalises pour le GaN, tenant compte de la structure de bande du matériau, montrent que le nombre de collisions ionisantes pour des électrons d'énergie de 6 4 et de 7 3 eV est de l'ordre de 1012 et de 1013 collisions par seconde respectivement La probabilité, associée à ces énergies, pour qu'un électron génère une paire électron - trou avant que son énergie ne soit lelaxée sous El0πιs, soit en interagissant avec les phonons soit en ionisant le réseau, n'est seulement que de 1 et 10 % respectivement et il faut que les électrons atteignent des énergies de l'ordre de 9 a 10 eV pour que cette probabilité soit de 100 % C'est l'énergie maximale Eι,m au-delà de laquelle le nombre d'électrons sera négligeable Les valeurs des libres parcours moyens électroniques associées a ces taux de collisions sont de l'ordre du millier a quelques milliers d'Angstroms et de la centaine à quelques centaines d'Angstroms respectivement Par conséquent si ces électrons se trouvent a une distance de la surface inférieure à ce libre parcours moyen alors ils auront une grande probabilité de sortir du matériau
Ainsi cette troisième propriété favorise la présence d'électrons a des énergies élevées, et assouplie les contraintes de fabrication et de mise en œuvre du dispositif il résulte de l'ensemble de ces propriétés que soumis à un champ électrique de faible intensité (typiquement de l'ordre de quelques centaines de kiloVolts/cm), l'énergie moyenne des électrons sera grande, en raison de l'existence de vallées satellites d'énergie élevée, (propriété 1 ), qu'une fraction significative des électrons pourra avoir une énergie supérieure a l'affinité électronique du matériau mais inférieure à son énergie d'ionisation (propriété 2), et que l'émission se fera sans que celle-ci ne s'accompagne d'un courant d'avalanche significatif, garantissant une efficacité d'émission optimale (propriété 3) Par ces propriétés, un électron peut atteindre plusieurs positions dans la bande de conduction, et notamment être stocké dans une vallée d'énergie élevée (dans les premières vallées satellites sous faible champ-figuie 7b) avant d'être transfère vers une vallée d'énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau lorsque le champ électrique devient plus intense (figure 7c) L'application d'un champ électrique interne au semi-conducteur permet ainsi de moduler l'affinité électronique de ces dispositifs, la rendant négative pour une fraction significative d'électrons et leur permettant par ce moyen de sortir du semi-conducteur avec une efficacité d'émission optimale
Ainsi, le dispositif d'émission d'électrons dans le vide avec une structure n/p/n ou n/p/nid/n ou n/n /p/nιd/n basée sur un ou des matériaux de la famille lll-N est particulièrement avantageux, sur le plan du procède technologique de fabrication et d'utilisation du dispositif II permet en outre d'augmenter significativement le courant électronique émis dans le vide et la durée de vie du dispositif
Si on se place dans une structure utilisant un alliage binaire ou ternaire des nitrures de la colonne III, une structure de couches d'un dispositif d'émission d'électrons conforme a l'invention sera preferentiellement du type
(6/7/8) = nΑA XN / p-XyYι yN / n+ -X{ ι ,N ou (6/9/7/8) = n AxY-, XN / n -XUY-, UN/ p-XyYι yN / n+ -XtYvtN ou (6/7/11/8) = n+-XχYι KN / p-XyYι yN / nιd-X2Yι ZN / n+ -X1Y1 tN ou (6/9/7/11/8) = n+-XxY! XN / n -XuYι UN / p-XyY-, yN / nιd-XzYι ZN / n* -XlY1 ,N avec 0 < u < 1 ,0 ≤ x ≤ 1 , 0 < y ≤ 1 , 0 ≤ z < 1 et 0 ≤ t ≤ 1 et (X,Y) ≡ (In.AI), (AI.Ga), (In.Ga)
Dans le cas d'une structure a homojonction, on utilisera par exemple uniquement du GaN (Y=Ga, x=0) ou de l'AlxGaι XN
Dans le cas d'une structure a hetero-jonction, on aura par exemple les structures suivantes
Figure imgf000020_0001
Avec x, y z t, u s [ϋ- 04], et z' < z x' < x
Figure imgf000021_0002
Figure imgf000021_0001
Dans les exemples de structure 6/9/7/11/8 à double hétéro-jonction donnés ci-dessus, on cherche a exploiter l'écart d'énergie ΔEc résultant de la différence d'affinité électronique entre les deux matériaux constituant les couches 8 et 11 Les électrons bénéficient ainsi d'un apport d'énergie supplémentaire égal à ΔEc, lors de leur passage de la couche 11 dans la couche 8 Cet apport favorise l'émission des électrons dans le vide puisqu'il se produit au voisinage immédiat de la surface A cet effet, les matériaux ont été choisis de sorte que le matériau de la couche 11 ( n" ou nid) ait une affinité électronique plus faible que celui de la couche de sortie 8 Par exemple, dans le cas d'une structure du type (9/6/7/11/8) = (GaN/AlosGaoyN/GaN/ Alo3Gao7N /GaN), ΔEc est de l'ordre de 04 à 0 5 eV On notera que cet effet peut aussi être obtenu dans le cas des structures de type 6/7/8 ou 6/9/7/8, le changement de d'affinité électronique s'appliquant alors entre la couche 8 de sortie et la couche précédente dans l'empilement, c'est à dire la couche 7 (base)
Ainsi, une partie de l'énergie nécessaire à l'émission des électrons dans le vide est fournie par le champ électrique présent dans la couche 11 et le complément est apporté de façon adiabatique aux électrons (c'est à dire sans échange d'énergie avec le réseau) dès leur entrée dans la couche de sortie 8
Dans le cas où la discontinuité ΔEc entre deux couches de l'empilement est négative, la situation peut être défavorable au passage des électrons dans la structure, notamment au niveau de la jonction J1 entre les couches (6) et (7) ou (9) et (7), le courant passant dans une couche dans laquelle l'affinité électionique est plus petite que dans la couche précédemment traversée On peut alors prévoir un gradient de composition entre les couches concernées de manière à réduire, voire à annuler cette discontinuité
La figure 3 illustre une source d'électrons, comprenant un dispositif d'émission conforme à l'invention, formant une cathode froide K, située à distance d'une anode A L'anode est polarisée à un potentiel d'anode Va référencé par rapport au potentiel de référence de la structure, Vss dans l'exemple Ce potentiel d'anode Va est en pratique déterminé par rapport au potentiel Ve de la surface d'émission 10, pour créer un faible champ électrique Fext orienté depuis l'anode vers la surface d'émission 10 Ce champ électrique permet l'évacuation du flux d'électrons émis hors de la cathode, vers l'anode
Dans un exemple pratique, on aura Ve=5 a 50 volts (valeurs déterminées en fonction de l'épaisseur et du dopage des couches 7/11/8), Va=0 a 100 volts, Vι=3 à 4 volts La valeur du champ électrique externe est donnée par Fext= — d
Les diagrammes des bandes d'énergie (bande de conduction Ec et niveau du vide Ev) d'une structure de source d'électrons conforme à l'invention, ainsi que le champ électrique F dans cette structure sont représentés sur la figure 5, lorsque la structure est non polarisée (traits continus) et polarisée (traits pointillés), dans le cas d'une structure du type a homojonction
La première jonction J1 constitue la zone d'injection des électrons
Lorsqu'elle est polarisée en directe sous la tension Vi, les électrons thermalises (le, à la température du réseau) diffusent dans la base
(couche 7)
La deuxième jonction J2 constitue la zone de montée en énergie des électrons, pour permettre l'émission d'électrons dans le vide Lorsque cette jonction est polarisée en inverse sous la tension Ve, elle est le siège d'un champ électrique interne intense, qui permet d'exciter une part significative des électrons vers des niveaux d'énergie supérieurs a l'affinité électronique χ du matériau
La tension Ve est en pratique déterminée pour qu'une fraction significative des électrons puisse être émise dans le vide Cette tension Ve ne doit pas être trop élevée, pour éviter l'ionisation du réseau (création de paires électrons - trous par effet d'avalanche) Les électrons ainsi émis à l'extérieur du matériau sont alors évacués à l'aide d'un champ électrique externe, de faible intensité Ce champ électrique peut être généré par tout moyen connu de l'homme de l'art Par exemple, il peut être créé comme illustré sur les figures 3 et 5, en plaçant une anode A convenablement polarisée à une tension Va>Ve, au-dessus de la zone emissive 10
Une grille de commande (non représentée) peut aussi être prévue, disposée a distance entre la cathode et l'anode, par exemple pour des applications de type amplification de puissance (klystrons) Un dispositif de modulation de la tension appliquée sur ladite grille est alors prévu, permettant une amplification de puissance haute fréquence
Pour obtenir les meilleurs résultats en terme de densité de courant d'électrons émis, les différents éléments de la structure du dispositif d'émission selon l'invention peuvent être optimisés
Notamment, on prévoit de préférence de régler l'épaisseur et le dopage des différentes couches, pour que chacune soit optimale vis à vis de la fonction qu'elle assume dans la structure
Un aspect de l'optimisation concerne la couche 8 fortement dopée n+ de la jonction J2 émettπce De préférence, on règle l'épaisseur et le dopage de cette couche 8, en fonction des tensions de polarisation Ve, Vi appliquées a la structure, et qui déterminent le champ en interne comme illustre sur les courbes de la figure 5, de manière à ce que cette couche 8 se retrouve partiellement ou, de préférence, comme représenté sur la figure 5, totalement déplétée en surface. De cette façon, on minimise l'énergie perdue par les électrons lors de la traversée de cette couche, le champ électrique compensant partiellement ou totalement les pertes liées aux collisions électrons - phonons De préférence, le dopage de cette couche 8 de la structure sera choisi supérieur à quelques 1018/cm3, et son épaisseur inférieure à 2000 Angstroms
L'épaisseur de la couche 11 non intentionnellement dopée sera de préférence comprise entre 50 à 1000 Angstroms, définie par rapport a l'intensité du champ électrique que l'on souhaite appliquer
Le dopage de la couche 7 de type p (base) sera de préférence choisi supérieur à quelques 1018/cm3, et son épaisseur comprise entre 100 et quelques milliers d'Angstroms, selon la valeur du dopage, qui fixe la valeur maximale du champ électrique
Le dopage de la couche 9 de type n de la jonction J1 fournissant les électrons est inférieur au dopage des couches 6, 7 et 8 pour permettre l'implantation des zones aveugles ou caissons d'isolation, selon un perfectionnement de la structure de l'invention représenté sur la figure 3 et déjà décrit II est choisi de préférence supérieur à quelques 1016/cm3, et son épaisseur supérieure à 100 Angstroms
La figure 6 représente de façon schématique un composant semiconducteur comprenant une matrice émettπce M constituée de dispositifs semi-conducteurs K d'émission d'électrons selon l'invention, disposés selon un réseau de lignes et de colonnes Un tel composant peut notamment être utilisé dans les écrans plats Les dispositifs sont isolés les un des autres, par exemple, par des caissons d'isolation (non représentés) Des lignes de contrôle L et W et M permettent d'amener les tensions de polarisation nécessaires, respectivement Vi, Ve et Vss Ces lignes sont réalisées de manière connue par l'homme de l'art Dans le cas où la tension de polarisation de la couche supérieure 8 est différenciée gauche/droite (Ved, Veg ) des lignes de conduction supplémentaires (non représentées) sont prévues Un dispositif de contrôle (driver) peut être intégré au composant semi-conducteur II peut être conçu pour permettre le contrôle de chaque dispositif K individuellement
L'invention qui vient d'être décrite permet de s'affranchir du problème de l'apport des électrons et de le découpler de celui de l'émission Grâce à l'utilisation de matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que définis dans l'invention qui permet de réduire et de rendre négative, par l'intermédiaire de la tension Ve, l'affinité électronique d'une fraction significative des électrons, il ne nécessite pas d'abaisser le travail de sortie des électrons par l'adjonction de matériaux à faible affinité électronique (tel que l'oxyde de césium ou LaB6) ni d'appliquer un champ électrique externe intense pour extraire les électrons du matériau On notera que, si elle n'est pas nécessaire, on peut cependant envisager de déposer une telle couche d'oxyde sur la surface d'émission 10, pour améliorer encore le rendement Enfin, le dispositif de l'invention ayant une surface d'émission planaire laisse envisager des densités de courant effective de l'ordre de quelques kA/cm2
La structure du dispositif d'émission de l'invention associée aux matériaux particuliers sélectionnes permet donc de s'affranchir des pπncipaux inconvénients qui ont limite les performances des solutions mises en œuvre jusqu'à présent Elle est en outre très facile à produire puisqu'elle est basée sur des procédés de fabrication associes au transistor bipolaire vertical Enfin, elle est aisément mise en œuvre car elle ne nécessite pas un vide poussé, ni un fort champ électrique externe Une application possible d'une telle structure est le remplacement des cathodes thermoioniques utilisées dans les tubes à ondes progressives

Claims

REVENDICATIONS
1- Dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide comprenant un empilement de couches semi-conductrices,
5 caractérisé en ce que l'empilement comprend une première couche semi-conductrice de type n (6), une deuxième couche semi-conductrice de type p (7) qui forme une première jonction semi-conductrice (J1) avec la première couche, et une couche de sortie (8) semi-conductrice de type n, qui forme une
10 deuxième jonction semi-conductrice (J2) avec la deuxième couche, et dont une zone (10) en surface est en contact avec le vide, ledit dispositif comprenant des moyens de polarisation en direct de la première jonction (J1) pour former un injecteur d'électrons et des moyens de polarisation en inverse de la
15 deuxième jonction (J2) pour former un émetteur d'électrons dans le vide, et en ce que dans ledit empilement, au moins les couches depuis la deuxième couche jusqu'à la couche de sortie incluses sont réalisées chacune dans un matériau semiconducteur ayant une bande interdite Eg dont la largeur
20 satisfait I inégalité suivante
Eg>— , ou χ est l'affinité électronique dudit matériau
2- Dispositif selon la revendication 1 , caractérise en ce que l'empilement comprend une quatrième couche semi-
25 conductrice (11) intrinsèque, disposée en sandwich entre la deuxième couche (7) et la couche de sortie (8) formant la deuxième jonction (J2)
3- Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérise en ce que 30 l'empilement comprend une cinquième couche semi- conductπce (9) de type n disposée en sandwich entre la première couche (6) et la deuxième couche (7) formant la première jonction (J1)
35 4- Dispositif selon la revendication 1 , 2 ou 3, caractérise en ce que l'on sélectionne comme matériau semi-conducteur du type£'g->— , un matériau de la famille II! — N
5- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que la deuxième jonction (J2) est une hetero-jonction le matériau de la couche de sortie (8) étant choisi avec une affinité électronique supérieure a celle de la couche précédente de l'empilement (11 )
10
6- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce que la première jonction (J1) est une hetero-jonction le matériau de la deuxième couche (7) étant choisi avec une affinité électronique inférieure a celui de
15 la couche précédente et en ce qu'il comprend un gradient de concentration entre ces deux couches
7- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce qu'au moins une prise de
20 contact ohmique est prévue sur la troisième couche (8) disposée sur une zone périphérique pour recevoir une tension de polarisation (Ve)
8- Dispositif selon la revendication 7 caractérise en ce que ladite 25 couche de sortie (8) comprend une prise de contact unique, disposée en périphérie de façon a former un contour ferme
9- Dispositif selon la revendication 7 caractérise en ce que ladite couche de sortie (8) comprend deux prises de contact (C-i, Ci")
30 disposées en périphérie et en regard l'une de l'autre
10-Dιsposιtιf selon la revendication 9, caractérise en ce que lesdites prises de contact sont distantes de 1 a 10 microns 11 -Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérise en ce que les moyens de polarisation de la deuxième jonction (J2) sont configures pour appliquer sur chacune des prises de contact une valeur de tension de polarisation respective déterminant 5 une orientation du champ électrique interne (Fint) au travers de la jonction d'émetteur (J2)
12-Dιsposιtιf selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce qu'il comprend un caisson 10 d'isolation (12, 12') sous chaque prise de contact (C-i, C-i') de ladite troisième couche (8), réalise dans une couche inférieure de l'empilement le flanc interne (13) dudit caisson étant sensiblement a I aplomb du flanc interne de la prise de contact correspondante ou en léger debord (D)
15
13-Dιsposιtιf selon la revendication 2 et 12, comprenant une quatrième couche intermédiaire (11), caractérise en ce que ledit caisson d'isolation (12 12') est réalise dans ladite quatrième couche (11 )
20
14-Dιsposιtιf selon la revendication 12 ou 13 en combinaison avec la revendication 3 caractérise en ce qu'il comprend un caisson d'isolation (14 14') supplémentaire, sous chaque caisson (12, 12') d'isolation prévu sous une prise de contact
25 ledit caisson supplémentaire étant réalise dans la cinquième couche (9) de la première jonction (J1 ) et le flanc interne (15) dudit caisson supplémentaire (14) étant sensiblement a l'aplomb du flanc interne du caisson d'isolation correspondant (12) ou en léger debord
30
15-Dιsposιtιf selon l'une quelconque des revendications 1 a 6 en combinaison avec la revendication 3 caractérise en ce que la cinquième couche semi-conductrice (9) a un dopage en impuretés supérieur a 1016/cm3, et inférieur au dopage de la
35 première couche (6), de la deuxième couche (7) et de la couche de sortie (8), et une épaisseur de 100 Angstroms et plus
16-Dιsposιtιf selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 5 caractérisé en ce que la deuxième couche (7) a un dopage en impuretés du type de conductivité p supérieur à 1018/cm3
17-Dιsposιtιf selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de sortie (8) a un dopage en 10 impuretés du type de conductivité n supérieur à 1018/cm3 et une épaisseur inférieure ou égale à 2000 Angstroms
18-Dιsposιtιf selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que la 15 quatrième couche (11) a une épaisseur comprise entre 50 et
1000 Angstroms
19-Dιsposιtιf selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisé en ce que la couche de sortie (8) comprend en 20 surface un matériau a affinité électronique négative
20-Composant semi-conducteur comprenant une pluralité de dispositifs semi-conducteurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, disposés selon un reseau de 25 lignes et de colonnes
21-Source d'électrons, comprenant au moins une cathode (K) disposée à distance ( A) d'une anode (A), caractérisée en ce que la cathode est formée d'un dispositif semi-conducteur 30 selon l'une quelconque des revendications précédentes
22-Source d'électrons selon la revendication 21 , caractérisée en ce qu'un champ électrique (Fext) est appliqué entre l'anode et la cathode, de faible intensité 35 23-Source d'électrons selon la revendication 21 ou 22, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une grille (G) disposée à distance entre la cathode et l'anode, et un dispositif de modulation de la tension appliquée sur ladite grille, pour réaliser une amplification de puissance haute fréquence.
24-Dispositif électronique ou opto-électronique comprenant une source d'électrons selon l'une quelconque des revendications 21 à 23.
10
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