DE2120579A1

DE2120579A1 - Vorrichtung zum emittieren geladener teilchen

Info

Publication number: DE2120579A1
Application number: DE19712120579
Authority: DE
Inventors: Robert J Archer
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-06-08
Filing date: 1971-04-27
Publication date: 1973-01-04
Also published as: DE2120579C3; FR2096067A5; CA942824A; CH527495A; DE2120579B2; GB1323797A

Description

Hewlett-Packard Company
1501 Page Mill Road
P a 1 ο A It ο
Kalifornien 94304
U.S.A.

22. April 19 71

VORRICHTUNG ZUM EMITTIEREN GELADENER TEILCHEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Emittieren geladener Teilchen mit einem Übergang zweier Halbleitermaterialien verschiedenen Leitungstyps.

Obwohl Halbleitervorrichtungen viele der Funktionen von Vakuumröhren übernommen haben, gibt es immer noch verschiedene Anwendungen für Vakuumröhren, für die keine geeignete Alternative vorhanden ist. Unter diesen Anwendungen ist die Darstellung sichtbarer Information mittels der Kathodenstrahlröhre beim Fernsehen, Computerdarstellungen, Oszillographen, Radardarstellungen und dgl. bemerkenswert. Zur Zeit erzeugen Oszillographenkathoden Elektronen durch thermionische Emission, und es ist daher ein Heizer erforderlich, um die Kathode auf die zur Emission erforderliche Temperatur zu bringen. Bei der Verwendung von Vakuumröhren mit heißen Kathoden treten verschiedene Probleme auf, und diese Probleme beeinträchtigen die Verwendung von Kathodenstrahloszillographen. Das Durchbrennen des HeizeYs ist der häufigste Fall des Versagens einer Kathodenstrahl-

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Kathode»

röhre, und diese Röhren haben in der Tat im allgemeinen eine kürzere Lebensdauer als Halbleitervorrichtungen wegen der vergleichsweise kurzen Lebensdauer des Heizelementes. Eine Röhre mit einem Heizer erfordert eine Aufwärmzeit und kann durch Stoß und Vibration aufgrund des oft sehr heiklen Aufbaus des Heizers beschädigt werden. Thermionische Kathoden emittieren Elektronen über einen relativ weiten Energiebereich (^ 0,1 eV) , und die Modulation des Elektronenstrahls erfordert Einrichtungen außerhalb der

Es sind kalte Kathoden vorgeschlagen worden, die die Nachteile thermionischer Kathoden teilweise beseitigen. Eine derartige Einrichtung ist in dem US-Patent 3 121 oder in der Zeitschrift "Solid-State Electronics, 12, (1969J" von C. A. Stolte, J. Vilms und R. J. Archer beschrieben worden. Dabei ist ein Metallkontakt zu einem Halbleiter vom η-Typ vorgesehen, indem die Austrittsarbeit des Metalles durch geeignete Oberflächenbeschichtung abgesenkt worden ist. Eine andere derartige Vorrichtung ist von D. V. Geppert in "Proceedings of the IEEE 54, 1966,"beschrieben und weist einen p-n-übergang auf, bei dem die Oberfläche des p-Bezirks gereinigt und mit einem Material beschichtet ist, welches deren Austrittsarbeit ausreichend absenkt, so daß die effektive Elektronen-Affinität negativ ist« Die erste Vorrichtung ist schwer

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ausführbar, da das Problem besteht, eine höhere Sperrschicht nach Schottky zu erhalten als die Metallvakuum-Austrittsarbeit in einem hinreichend steuerbaren und inerten Halbleiter vom η-Typ. Die zweite Vorrichtung kann ebenfalls nur schwierig hergestellt werden, da das Problem der Herstellung einer p-Flache nahe dem n-p-übergang besteht, der eine negative effektive Elektronen-Affinität aufweist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kathode vorzusehen, welche bei oder nahe bei Raumtemperatur mit einer längeren Lebensdauer arbeitet und im wesentlichen einen Strahl eines einzigen Energieniveaus bzw. einen monoenergetischen Strahl emittiert. Dabei sollen die Treibspannungen und Ströme verträglich mit anderen Festkörper-Halbleitervorrichtungen sein. Es soll keine Aufwärmzeit erforderlich sein, was eine direkte Breitbandmodulation ermöglicht und relativ stabil ist. Auch soll bei der kalten Kathode nach der Erfindung keine höhere Sperrschicht nach Schottky erforderlich sein als die Metall-Vakuum-Austrittsarbeit in einem Halbleiter vom η-Typ oder einer p-Fläche mit negativer Elektronen-Affinität.

Ausgehend von einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine leitende Schicht in engem Kontakt mit dem Halbleiter

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des zweiten Leitungstyps aufgebracht und eine Beschichtung auf der leitenden Schicht vorgesehen ist, um die Austrittsarbeit der leitenden Schicht abzusenken. Die Kathode emittiert Elektronen durch Vermehrung ihrer potentiellen Energie in einer in der Vorwärtsrichtung vorgespannten Halbleiterdiode anstatt durch thermische Erregung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird ein p-n-Halbleiterübergang durch Eindiffundieren von Zink (Zn) in ein monokristallines Stück Gallium-Arsenid-Phosphid (GaAsP)

vom n-Leitungstyp gebildet. Der durch Zink-Dotierung gebildete p-Bereich wird dann mit einer sehr dünnen Metallschicht, beispielsweise aus Silber (Ag) oder Gold (Au) bedeckt. Das Metall kann mit einem Material wie Caesium (Cs) oder Bariumoxid (BaO) bedeckt werden, um die Metall-Vakuum-Äustrittsarbeit auf einen Wert abzusenken, der unterhalb der Bandlücken-Energie des Halbleiters liegt, das heißt ungefähr der Energie der Elektronen, die in das Metall injiziert werden, wenn der p-n-übergang in Vor-P wärtsrichtung vorgespannt wird. Die Elektronen können in das Vakuum mit einer Energie emittiert werden, die ungefähr gleich der Differenz zwischen der Bandlücken-Energie und der Metali-Vakuum-Austrittsarbeit ist. Bei diesem Aufbau ist es nicht erforderlich, eine Sperrschicht nach Schottky «aufzubauen, die höher als die Metall-Vakuum-Austrittsarbeit ist, da die Bandlücken-Energie des Halbleiters größer q,st als die Metall-Vakuum-Austrittsarbeit und die Elektronen in das Metall mit dieser Energie injiziert werden. Die Metallschicht auf dem Halbleiter vom p-Typ bedeutet

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auch, daß es nicht erforderlich ist, eine p-Oberflache mit einer negativen Elektronen-Affinität zu verwenden. Es wird also ein p-n-Halbleiter-Übergang mit einem p-Bereich vorgesehen, der dünner als die Diffusionslänge der injizierten Elektronen ist, und einem Metallfilm auf dem p-Bereich, der dünner als die mittlere freie Weglänge der darin vom p-Bereich injizierten Elektronen ist. Der Metallfilm ist mit einem Material beschichtet, welches die Metall-Vakuum-Austrittsarbeit unter die Größe der Halbleiter-Bandlücken-Energie absenkt. Wenn der p-n-übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, werden die Elektronen in das Vakuum emittiert.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar Fig. 1 ein Energieniveau-Diagramm der kalten Kathode; Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vie r-Kathoden-Anordnung;

Fig. 3 einen vergrößerten Teil der Anordnung nach Fig. 2; Fig. 4 schematisch eine Kathodenstrahlröhre mit einer kalten Kathode.

Das Energieniveau-Diagramm in Fig. 1 stellt einen Halbleiter 10 vom η-Typ in Kontakt mit einem Halbleiter 12 vom p-Typ dar. Das Niveau 11 ist das Energieniveau an der Spitze des Valenzbandes, das Niveau 13 ist das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes und das Niveau 15 ist das sogenannte Fermi-Niveau 11, die sogenannte Bandlücken-Energie. Das Metall 14 bildet eine nicht-gleichrichtende Sperrschicht nach Schottky mit der

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Höhe Φ mit dem Halbleiter 12 und hat eine Beschichtung auf der gegenüberliegenden Fläche. Die Beschichtung 16 liegt auch im Kontakt mit dem Vakuum 18. Φ ist die Aus-

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trittsarbeit des Metalles 14 mit der Beschichtung 16.

Wenn das Metall 14 positiv gegenüber dem Halbleiter 10 vorgespannt ist, weisen die Elemente 10, 12 und 14, die als Diode 28 bezeichnet sind, eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte p-n-Diode auf und die Elektronen fließen fc nach rechts in Fig„ 1. Beispielsweise wurde eine Vorrichtung aufgebaut mit momokristallinem GaAs_1- P für den Halbleiter 10, wo 0 <_ χ j~ 1 und in diesem Beispiel χ = 0,3 war. Der Halbleiter 12 wurde durch Diffusion des Akzeptors Zn in eine Tiefe von etwa 1,5 Mikron mit einer durch-

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schnittlichen Konzentration von 5 χ 10 /fcm gebildet.

E lag dann in der Größenordnung von 1,8 - 1,9 eV. Die Tiefe der Zn-Diffusion wurde sorgfältig derart gewählt, daß die Tiefe des Übergangs 24 kleiner als die Elektronen-Diffusionslänge in dein Material ist,und dies bedeutet, daß die meisten der in den Halbleiter 12 eintretenden Elektronen-in das Metall 14 injiziert werden. Die Dicke des Metalles A 14 wurde bei 300 A gewählt, was weniger als die mittlere freie Weglänge der Elektronen in diesem Metall ist. Um die Elektronen in das Vakuum 18 zu emittieren; muß die Austrittsarbeit der A -Vakuum-Zwischenfläche mit einer geeigneten Beschichtung 16 abgesenkt werden. Dies erfolgte in diesem Fall mit Caesium, welches im Wesentlichen in einer Monoschicht aufgebracht wurde.· Um eine Öberflächenverunreinigung zu vermeiden, wurde die

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Beschichtung 16 auf dem Metall 14 aufgebracht, kurz nachdem das Metall 14 aufgebracht worden war, und dies geschah in derselben Vakuumkammer ohne das Metall 14 der Atmosphäre auszusetzen. Das Vakuum 18 lag in der Größenordnung von 10 Torr und Φ__τ lag in der Größenordnung von 1,5 eV. Da ein Elektron in das Metall 14 ungefähr mit der Bandlückenenergie E gegenüber dem Fermi-Niveau eintritt und in dem Metall 14 sehr wenig Energie verliert, wird ein Elektron in das Vakuum 18 mit typischerweise 0,3 eV emittiert, d.h. die Differenz zwischen E und φ™,· Es versteht sich, daß das obige Beispiel nur hilfsweise zum Verständnis der Erfindung angeführt ist und sowohl bezüglich der Materialien als auch der Verfahren Abweichungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Wenn beispielsweise die kalte Kathode nach der Erfindung in einem System' mit einem Vakuum von weniger als 10 Torr verwendet wird, so ist es notwendig, eine Dampfquelle der reaktiven Bestandteile der Beschichtung 16 in dem System einzubringen, um irgendwelche Atome der Beschichtung 16 zu ersetzen, die sich mit Sauerstoff-Streuatomen in dem System verbinden können» Falls die Beschichtung 16 aus Caesium besteht, so Wäre es erforderlich, einen kleinen Betrag freien Caesiums in das System einzubringen, um die Monoschicht auf dem Metall 14 aufrechtzuerhalten.

Fig. 2 stellt eine Anordnung 38 mit vier kalten Kathoden dar, wobei zwei von ihnen im Querschnitt gezeigt sind. Der

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Halbleiter 12 ist in den Halbleiter 10 eindiffundiert, und der Kontakt 30, typischerweise ein Film einer Gold-Zinn-Legierung, gibt einen Ohm'sehen Kontakt mit dem Halbleiter 10. Der Isolator 32 besteht üblicherweise aus einer Schicht aus Silizium-Nitrid (SiN ), die als Diffusionsmaske für Zn wirkt und auch die vier kalten Kathoden 36 voneinander isoliert. Metallfinger 34, üblicherweise Au, ergeben einen nicht gleichrichtenden Ohm'sehen Kontakt mit dem Halbleiter 12.

Fig. 3 zeigt vergrößert einen Teil des Ausschnitts von Fig. 2. Das Metall 14 ist auf dem Halbleiter 12 und den Metallfingern 34 abgelagert und ergibt einen nicht-gleichrichtenden Kontakt mit beiden, und die Beschichtung 16 ist auf dem Metall 14 aufgebracht. Die Metallfinger 34 stellen eine gleichförmige Stromverteilung im Metall und dem Halbleiter 12 sicher, und sie ergeben auch eine Kontaktfläche für den Anschluß eines nicht-dargestellten Drahtes oder die Herstellung eines Taster-Kontaktes, um die Diode positiv zu beaufschlagen ο Eine negative Spannung wird dem Kontakt 30 zugeführt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Kathodenstrahlröhre 50, um zu erläutern, wie eine kalte Kathode benutzt wird. Der Kathodenaufbau 52 hält die kalte Kathode 36, und die Stromversorgung 53 gibt eine Spannung an die kalte Kathode Die Elektronen können beschleunigt und durch an die Elek-

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troden 54 abgegebene Signale fokussiert werden, und die Elektronen können an die gewünschte Stelle auf der Fläche 58 der Kathodenstrahlröhre durch Signale an den Ablenkplatten 56 gerichtet werden. Die Elemente 36, 52, 54, 56 und 58 sind alle in einer vakuumdichten Hülle 60 enthalten. Selbstverständlich gibt es andere Elektronenröhren-Anwendungen für eine kalte Kathode, und es ist nur ein einzelnes Beispiel beschrieben.

Claims

Hewlett-Packard Company
1501 Page Mill Road .
Palo Alto
Kalifornien 94304
U.S.A.

22. April 1971 Patentansprüche

1. / Vorrichtung zum Emittieren geladener Teilchen mit Halbleitern eines ersten und eines zweiten Leitungstyps, P die einen Übergang bilden, dadurch gekennzeichnet, daß

eine leitende Schicht (14) in engem Kontakt mit dem Halbleiter des zweiten Leitungstyps und eine Beschichtung (16) auf- der leitenden Schicht zur Absenkung der Austrittsarbeit der leitenden Schicht aufgebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps vom n-Typ und der des zweiten Leitfähigkeitstyps vom p-Typ ist und

fc die leitende Schicht aus einer Metallschicht besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter vom η-Typ aus monokristallinem Gallium-Arsenid-Phosphid, GaAs_1- P , besteht, wobei 0 < χ < 1 ist.

4. Vorrichtung nach Ansprcch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter vom p-Typ durch Diffusion eines Akzeptors in das Gallium-Arsenid-Phosphid gebildet ist.

2 0 3~8 8°1 7 0 h 3 1.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Metallkontakt (34) in Kontakt mit der Metallschicht steht und ein zweiter Metallkontakt (30) in Kontakt mit dem Halbleiter vom n-Typ ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet/ daß die Metallschicht dünner als der Halbleiter vom p-Typ und dicker als die Beschichtung ist, und daß die Beschichtung aus einer molekularen Monoschicht besteht.

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