DE69033677T2

DE69033677T2 - Elektronenemissionselement- und Herstellungsverfahren desselben

Info

Publication number: DE69033677T2
Application number: DE69033677T
Authority: DE
Inventors: Masahiko Okunuki; Toshihiko Takada; Takeo Tsukamoto; Nobuo Watanabe
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2010-09-05
Also published as: EP0416558B1; DE69033677D1; EP0416558A3; EP0416558A2; EP0713237A1; US5554859A; EP0713237B1; DE69027960T2; DE69027960D1

Description

(1) Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Elektronen emittierendes Element und in mehr besonderer Weise ein Elektronen emittierendes Element zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs, um nach außen heiße Elektronen zu emittieren.

(2) Bemerkungen zum Stand der Technik

Als ein herkömmliches Elektronen emittierendes Element sind viele Arten von Kaltkatoden-Elektronenemissionselementen untersucht worden. Ein Elektronen emittierendes Element, welches ein Halbleitermaterial verwendet, wird nachstehend als Beispiel für ein herkömmliches Elektronen emittierendes Element beschrieben.
Die Elektronen emittierenden Elemente haben mit dem weiteren Fortschritt der Halbleitertechnik verschiedene Verbesserungen erfahren.
Als Elektronen emittierende Elemente, welche ein Halbleitermaterial verwenden, sind z. B. bekannt, ein Element zum Anlegen einer Vorspannung in Durchlaßrichtung an einen p-n-Übergang durch Verwenden einer negativen Elektrodenaffinität, um Elektronen zu emittieren (Japanische Patentveröffentlichung Nr. 60-57173), ein Element zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an einen p-n-Übergang, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen und die durch den Lawinendurchbruch erzeugten Elektronen zu emittieren (USA-Patente Nr. 4 259 678 und Nr. 4 303 930) und dergleichen.
Von den herkömmlichen Elektronen emittierenden Elementen ist in den USA-Patenten Nr. 4 259 678 und Nr. 4 303 930) ein einen Lawinendurchbruch anwendendes Element beschrieben, welches wie folgt angeordnet ist. D. h., p- und n-leitende Halbleiterschichten sind verbunden, um eine Diodenstruktur auszubilden. Eine Vorspannung in Sperrichtung ist an die Diode angelegt, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen und dabei heiße Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Oberfläche der n-leitenden Halbleiterschicht emittiert, auf welche Zäsium oder dergleichen aufgetragen ist, um die Ablösearbeit der Oberfläche zu vermindern.
Die Oberflächenschicht eines jeden herkömmlichen Elektronen emittierenden Elements weist eine einzelne Elektrodenschicht auf.
Ein Verfahren zur Verminderung der Ablösearbeit einer Elektronen emittierenden Oberfläche zum Verbesseren des Wirkungsgrads der Elektronenemission ist im Zusammenhang mit diesen herkömmlichen Elektronen emittierenden Elementen bekannt. Z. B. in einem Elektronen emittierenden Element, in welchem eine Vorspannung in Sperrichtung an einen p-n-Übergang angelegt ist, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen, ist Zäsium oder dergleichen auf der Oberfläche einer n-leitenden Halbleiterschicht aufgetragen, um die Ablösearbeit zu vermindern und dadurch den Wirkungsgrad der Elektronenemission zu erhöhen.
Als ein Schottky-Elektronenemissionselement ist ein z. B. eine in Fig. 1 gezeigte Struktur bekannt. In Fig. 1 ist eine p- leitende GaAs-Schicht 102 als eine Halbleiterschicht auf einem p&spplus;-leitenden GaAs-Substrat 101 als einem Halbleitersubstrat z. B. durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) ausgebildet. Ein p&spplus;- leitender Bereich als ein Störstellen-Hochkonzentrationsbereich 103 zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs wird in der Halbleiterschicht 102 durch Implantieren von Be-Ionen erzeugt. Eine Elementtrennisolationsschicht 104 und eine Verdrahtungselektrode 105 sind auf der Halbleiterschicht 102 ausgebildet, und eine Schottky-Elektrode 108 aus z. B. Wolfram ist ebenfalls auf der Schicht 102 durch z. B. Sputtern erzeugt. Eine Ableitelektrode 107 ist über einer Isolationsschicht 106 aus z. B. SiO&sub2; auf der Verdrahtungselektrode 105 ausgebildet.
Das in Fig. 1 gezeigte Schottky-Elektronenemissionselement wird auf herkömmliche Weise wie folgt gefertigt. D. h., der Störstellen-Hochkonzentrationsbereich 103 wird in der Halbleiterschicht 102 z. B. durch Ionenimplantieren erzeugt, und die dabei entstehende Struktur wird einem sachgemäßen Tempern ausgesetzt. Danach wird eine leitfähige Schicht auf der erhaltenen Struktur erzeugt und strukturiert, wobei die Verdrahtungselektroden 105 erzeugt werden. Danach wird die Isolationsschicht 106 erzeugt, und ein Loch wird ausgebildet. Schließlich wird eine leitfähige Schicht erzeugt und strukturiert, um die Schottky-Elektrode 108 auszubilden.
Wenn jedoch das herkömmliche Elektronen emittierende Element eine p-n-Übergangs-Typ-Diodenstruktur anwendet, sind die Schalteigenschaften des Elements viel niedriger als jene einer Schottky-Diode, und die Obergrenze einer Direktmodulationsfrequenz des Elektronen emittierenden Elements ist niedrig. Daher sind die Anwendungen, welche das Elektronen emittierende Element nutzen, auf einen engen Bereich beschränkt.
Das herkömmliche Elektronen emittierende Element weist eine Schutzringstruktur um einen Elektronen emittierenden Abschnitt auf. Um jedoch die Schutzringstruktur zu erzeugen, ist eine große Elementfläche erforderlich, und es ist schwierig, eine höhere Integration und Mikrostrukturierung des Elements zu erreichen.
Ferner unterliegt das herkömmliche Elektronen emittierende Element komplexen Prozessen zur Ausbildung einer n-leitenden Schutzringschicht, einer p-leitenden Hochkonzentrationsschicht und einer n-leitenden Oberflächenschicht auf einer p-leitenden Halbleiterschicht, und unterliegt auch einer technologischen Schwierigkeit der Erzeugung einer sehr dünnen dotierten Schicht, was eine geringe Herstellungsausbeute zur Folge hat. Daher weisen die Herstellungskosten eine steigende Tendenz auf.
Wenn Zäsium oder ein Zäsiumoxid auf der Oberfläche des Elektronen emittierenden Abschnitts aufgetragen ist, um die Ablösearbeit des Elektronen emittierenden Abschnitts zu vermindern, da das Zäsiummaterial chemisch sehr aktiv ist, treten immer die folgenden Probleme auf:
(1) Eine zuverlässige Operation kann nicht erwartet werden, es sei denn, sie wird unter Ultrahochvakuum (1,33 · 10&supmin;&sup5; Pa [1 · 10&supmin;&sup7; Torr] oder höher) ausgeführt;
(2) eine Lebensdauer wird gemäß einer Höhe des Vakuums verändert; und
(3) die Leistungsfähigkeit wird gemäß einer Höhe des Vakuums verändert.
Daher ist die Forderung nach einem Elektronen emittierenden Element entstanden, welches ein anderes Material als Zäsium oder ein Zäsiumoxid verwenden kann.
Nach dem Stand der Technik verlieren an einer p-n-Grenzschicht erzeugte heiße Elektronen ihre Energien durch Streuung, wenn sie eine n-leitende Halbleiterschicht passieren. Um dies zu verhindern, muß die n-leitende Halbleiterschicht sehr dünn ausgebildet sein (20 nm [200 Å] oder weniger). Um eine sehr dünne, n-leitende Halbleiterschicht mit einer hohen Konzentration gleichmäßig zu erzeugen, welche frei von Fehlern ist, treten viele Probleme bei den Halbleiterherstellungsprozessen auf. Daher ist es schwierig, ein solches Element in der Praxis fertigungsbeständig herzustellen.
In einem Elektronen emittierenden Element, in welchem eine Schottky-Elektrode auf der Oberfläche einer Halbleiterschicht erzeugt wird, wenn die Schottky-Elektrode aus einem Material ausgebildet wird, welches eine niedrige Ablösearbeit aufweist, wird die Schottky-Elektrode beim Herstellungsprozeß des Elektronen emittierenden Elements oxydiert, um dieses in eine hochwiderstandsfähigen Schicht oder ein Hydroxid umzuwandeln. Aus diesem Grund wird die Ablösearbeit der Elektronen emittierenden Oberfläche der Schottky-Elektrode erhöht, wodurch sich ein schlechter Wirkungsgrad der Elektronenemission und eine Verminderung der Diodeneigenschaften ergibt.
Da in dem in Fig. 1 gezeigten, vorstehend beschriebenen Elektronen emittierenden Element die Schottky-Elektroden 108 und die Ableitelektroden 107 erzeugt werden, nachdem der Störstellen-Hochkonzentrationsbereich 103 in der Halbleiterschicht 102 ausgebildet ist, tritt leicht eine Positionsverschiebung zwischen dem Störstellen-Hochkonzentrationsbereich 103 und den Schottky-Elektroden 108 oder den Ableitelektroden 107 ein. Aus diesem Grund muß ein Justierrand vergrößert werden, um die Zuverlässigkeit oder die Ausbeute des Elektronen emittierenden Elements zu gewährleisten. Im Hinblick auf die Kosten muß eine Besetzungsfläche je Element oft erhöht werden.
Bei dem Verfahren der Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Elektronen emittierenden Elements muß ein photolithographischer Prozeß vielmals entsprechend der Anzahl der Ionenimplantationen und der Anzahl der auf der Halbleiterschicht 102 aufzutragenden Schichten wiederholt werden. Daher ist der Herstellungsprozeß kompliziert, was zu hohen Herstellungskosten führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erfolgte unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Situation, und es ist deren Aufgabe, ein kostengünstiges Elektronen emittierendes Element zu schaffen, welches eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und bei einer hohen Dichte kompakt hergestellt werden kann.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronen emittierendes Element zu schaffen, welches gute Schalteigenschaften aufweist, das auf leichte Weise mikrostrukturierbar ist und mit geringen Kosten herstellbar ist.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronen emittierendes Element zu schaffen, dessen Spannungsanlegeelektrode nicht auf leichte Weise in ein Oxid oder Hydroxid umgewandelt wird und das einen hohen Wirkungsgrad der Elektronenemission gewährleistet.
Die vorstehend erwähnten Aufgaben werden durch eine Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung einer Struktur eines herkömmlichen Elektronen emittierenden Elements,
Fig. 2 zeigt eine Energiebänder-Schemadarstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips eines erfindungsgemäßen Elektronen emittierenden Elements,
Fig. 3A zeigt eine Draufsicht eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements nach Beispiel 1, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 3B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts des in Fig. 3(A) gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelements,
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 2, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht eines Elektronen emittierenden Elements gemäß Beispiel 3 der Erfindung,
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts des in Fig. 5 gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelements,
Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines B - B-Abschnitts des in Fig. 5 gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelements,
Fig. 8A - 8D zeigen Schnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 4, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 9A und Fig. 9B zeigen Schnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektronen emittierenden Elements gemäß Beispiel 5 der Erfindung,
Fig. 10A zeigt eine Draufsicht eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements gemäß Beispiel 6 der Erfindung,
Fig. 10B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts des in Fig. 10(a) gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelements,
Fig. 11 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements gemäß Beispiel 7 der Erfindung,
Fig. 12 zeigt eine schematische Draufsicht eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 8, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 13 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts des in Fig. 12 gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelements,
Fig. 14 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines B - B-Abschnitts des in Fig. 12 gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelements,
Fig. 15 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 9, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 16A - 16E zeigen schematische Schnittansichten der Herstellungsschritte des in Fig. 15 gezeigten Elektronen emittierenden Elements,
Fig. 17 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 10, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 18 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 11, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 19A und Fig. 19B zeigen jeweils eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements nach Beispiel 12, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 20 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements nach Beispiel 13, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 21A und Fig. 21B zeigen jeweils eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittansicht nach Beispiel 14, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist, in welchen eine große Anzahl von Elektronen emittierenden Halbleiterelementen des Beispiels 13 linear ausgebildet ist,
Fig. 22A und Fig. 22B zeigen jeweils eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements nach Beispiel 15, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 23, 24 und 25 zeigen schematische Schnittansichten der Herstellungsschritte des Elements beim Beobachten aus derselben Richtung wie die Schnittansicht der Fig. 22(B),
Fig. 26 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung des Beispiels 16 eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements, das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist,
Fig. 27A und Fig. 27B zeigen jeweils eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements gemäß Beispiel 17 der Erfindung,
Fig. 28, 29 und 30 zeigen schematische Schnittansichten der Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Elements beim Betrachten aus derselben Richtung wie die Schnittansicht der Fig. 27(B), und
Fig. 31 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung des Beispiels 18 eines erfindungsgemäßen Elektronen emittierenden Halbleiterelements.
Ein Elektronen emittierendes Element und ein Verfahren zur Herstellung desselben, welche die Aufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllen können, werden nachstehend beschrieben.
Um die vorstehenden Aufgaben zu erfüllen, weist ein bevorzugtes Elektronen emittierendes Element auf: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, erzeugt auf dem Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps, welche eine Störstellenkonzentration zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs aufweist, eine Schottky-Elektrode zum Ausbilden eines Schottky-Übergangs mit der Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Elektrode und die Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, um die Schottky- Elektrode zu verursachen, die Elektronen zu emittieren, und eine Ableitelektrode, um die emittierten Elektronen nach außen zu leiten,
wobei die Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps einen Hochkonzentrations-Dotierungsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und die Hochkonzentrations- Dotierungsschicht einen Schottky-Übergang mit der Schottky- Elektrode ausbildet.
In der vorstehend erläuterten Struktur ist das Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps vorzugsweise aus GaAs oder Si erzeugt.
In der vorstehend erläuterten Struktur fällt eine Störstellenkonzentration des Hochkonzentrations-Dotierungsbereichs des ersten Leitfähigkeitstyps vorzugsweise in einen Bereich von 2 · 10¹&sup7; bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³, und eine Störstellenkonzentration eines anderen Bereichs als der Hochkonzentrations-Dotierungsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps in der Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps fällt vorzugsweise in den Bereich von 2 · 10¹&sup6; bis 10 · 10¹&sup6; cm&supmin;³.
In der vorstehend erwähnten Struktur wird die Dicke der Schottky-Elektrode vorzugsweise auf 0,1 um oder weniger eingestellt.
In der vorstehend erwähnten Struktur erfolgt das Erzeugen der Schottky-Elektrode vorzugsweise durch Umwandeln von Gd in ein Silicid durch eine Wärmebehandlung und das Abscheiden von Ba oder Cs für eine Schicht, welche eine Dicke von einem Atom aufweist.
In der vorstehend erwähnten Struktur wird der Hochkonzentrations-Dotierungsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps vorzugsweise durch einen FIB (fokussierten Ionenstrahl) ausgebildet.
Da gemäß der vorstehend erwähnten Struktur das Elektronen emittierende Element dieselbe Struktur wie eine Schottky- Übergangsdiode aufweisen kann, ist eine durch die Ansammlung von Minoritätsträgern verursachte Schaltverzögerungszeit verkürzbar, und eine Modulationsfrequenz der Direktmodulation kann erhöht werden.
Da gemäß der vorstehend erwähnten Struktur ein Durchbruch an einer Kante erhöht ist und der Elektronen emittierende Abschnitt durch Erzeugen des Hochkonzentrations-Dotierungsbereichs unter Verwendung einer MOLD-Struktur (seitlich ausdiffundierte Metall-Überlappungsstruktur) (Solid-State Electronics, 1977, Band 20, Seiten 496-506) eingeschränkt ist, kann eine Schutzringstruktur ausgelassen werden. Dadurch kann die Struktur des Elektronen emittierenden Elements wesentlich vereinfacht werden, und es ist mikrostrukturierbar.
Da in der vorstehend beschriebenen Struktur der Schottky- Übergangserzeugungsabschnitt nur einen Ionenimplantierzyklus erfordert, können die Prozesse wesentlich vereinfacht werden, und Probleme in den Prozessen, z. B. hinsichtlich der Zuverlässigkeit, einer Veränderung in den Elementen und dergleichen, sind ausschließbar.
Um die vorstehend erwähnten Aufgaben zu erfüllen, kann ein Elektronen emittierendes Element nach einem Verfahren zur Herstellung eines Elektronen emittierenden Elements gefertigt werden, welches aufweist: mindestens ein Halbleitersubstrat, eine Halbleiterschicht, welche auf dem Halbleitersubstrat erzeugt ist und einen Störstellen-Hochkonzentrationsbereich zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs aufweist, eine auf der Halbleiterschicht erzeugte Schottky-Elektrode, eine Verdrahtungselektrode zum Zuführen einer Ladung zur Schottky-Elektrode, eine Ableitelektrode, um die emittierten Elektronen nach außen zu leiten, und eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der Verdrahtungselektrode und der Ableitelektrode, welches mindesten die Schritte aufweist:
aufeinanderfolgendes Abscheiden der leitfähigen Schichten, welche als die Halbleiterschicht und die Verdrahtungselektrode dienen, der Isolationsschicht und einer leitfähigen Schicht, welche als die Ableitelektrode auf dem Halbleitersubstrat dient, das Ausbilden eines Lochs in der leitfähigen Schicht, welche als die Ableitelektrode dient, der Isolationsschicht und der leitfähigen Schicht, welche als die Verdrahtungselektrode dient, und das Ausführen des Ionenimplantierens in der Halbleiterschicht durch das Loch, um einen Störstellen- Hochkonzentrationsbereich zu erzeugen.
Das Verfahren weist ferner die Schritte auf: Erweitern einer Fläche des Lochs, welches in der Isolationsschicht und der leitfähigen Schicht ausgebildet ist, welche als die Ableitelektrode dient, und Ausbilden einer Schottky-Elektrode, welche über das Loch mit mindestens dem Störstellen-Hochkonzentrationsbereich im Kontakt ist.
Auf diese Weise werden die leitfähige Schicht, welche als die Verdrahtungselektrode dient, die Isolationsschicht und die leitfähige Schicht, welche als die Ableitelektrode dient, im voraus aufeinanderfolgend abgeschieden, und das Loch wird in diesen Schichten gleichzeitig (oder nacheinander) durch Ätzen erzeugt. Der Störstellen-Hochkonzentrationsbereich wird in der Halbleiterschicht durch dieses Loch ausgebildet (z. B. durch Verwenden dieser Schichten als eine Maske). Nachdem dieses Loch erweitert ist, wird die Schottky-Elektrode durch dieses Loch erzeugt. Somit kann verhindert werden, daß der Störstellen-Hochkonzentrationsbereich und die Schottky-Elektrode eine Lageverschiebung verursachen. Aus diesem Grund kann bei dem auf diese Weise hergestellten Elektronen emittierenden Element die Zuverlässigkeit und die Ausbeute erhöht werden, und ein Justierrand braucht nicht vergrößert zu werden. Daher ist eine Fläche je Element verminderbar.
Wird das Loch zuerst ausgebildet, wird das Ätzen als ein Mittel zum Erzeugen des Lochs verwendet, und die Materialien zum Erzeugen der jeweiligen Schichten werden so ausgewählt, daß die Ätzgeschwindigkeit einer Schicht, welche als die Verdrahtungselektrode dient, höher als jene einer Schicht ist, welche als die Ableitelektrode dient. Die jeweiligen Schichten werden jede für sich geätzt, so daß die Größe des Lochs, ausgebildet in der Schicht, welche als die Verdrahtungselektrode dient, größer als eine Fläche des Störstellen-Hochkonzentrationsbereichs ist. Daher kann eine gleichförmige Schottky-Elektrode sehr geringer Dicke im Störstellen-Hochkonzentrationsbereich während des Erzeugens der Schottky-Elektrode ausgebildet werden. Somit kann eine Energieverteilung bei der Emission von Elektronen im wesentlichen gleichförmig ausgelegt werden.
Wenn das Loch zu erweitern ist, wird das Ätzen als ein Mittel zum Erweitern des Lochs verwendet, und die Materialien, welche die jeweiligen Schichten erzeugen, sind so ausgewählt, daß die Ätzgeschwindigkeit der Isolationsschicht höher als jene der Schicht ist, welche als die Ableitelektrode dient, und die Ätzgeschwindigkeit der Schicht, welche als die Ableitelektrode dient, ist höher als jene der Schicht, welche als die Verdrahtungselektrode dient, oder die jeweiligen Schichten werden jede für sich geätzt, so daß die Größe und die Form des Lochs in den jeweiligen Schichten optimierbar ist. Da auf diese Weise das Loch in den jeweiligen Schichten in dem einzelnen Schritt erzeugt wird, oder da die Löcher in den jeweiligen Schichten nach einem einzelnen Resistausbildungsschritt nacheinander erzeugt werden, sind die Größe und die Form des Lochs in den jeweiligen Schichten optimierbar. Daher kann der Herstellungsprozeß im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht werden.
Um die vorstehend erwähnten Aufgaben zu erfüllen, weist das andere Elektronen emittierende Element auf: eine p-leitende Halbleiterschicht, eine Schottky-Elektrode zum Erzeugen eines Schottky-Übergangs mit der p-leitenden Halbleiterschicht, eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Elektrode und die p-leitende Halbleiterschicht, um die Schottky-Elektrode zu verursachen, Elektronen zu emittieren, und eine Ableitelektrode, um die emittierten Elektroden nach außen abzuleiten,
wobei durch ein LOCOS-Verfahren eine Oxidschicht um den Schottky-Übergangsabschnitt herum ausgebildet ist.
In der vorstehend erläuterten Struktur ist ein p-leitendes Halbleitersubstrat vorzugsweise aus Si ausgebildet.
In der vorstehend erläuterten Struktur weist die p-leitende Halbleiterschicht vorzugsweise einen p-leitenden Hochkonzentrations-Dotierungsbereich auf, und der Hochkonzentrations- Dotierungsbereich bildet vorzugsweise einen Schottky-Übergang mit der Schottky-Elektrode aus. In diesem Fall liegt eine Störstellenkonzentration des p-leitenden Hochkonzentrations- Dotierungsbereichs vorzugsweise in dem Bereich von 2 · 10¹&sup7; bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³, und eine Störstellenkonzentration eines Bereichs anders als der p-leitende Hochkonzentrations-Dotierungsbereich in der p-leitenden Halbleiterschicht fällt vorzugsweise in den Bereich von 2 · 10¹&sup6; bis 10 · 10¹&sup6; cm&supmin;³.
In der vorstehend erläuterten Struktur wird die Dicke der Schottky-Elektrode vorzugsweise auf 0,1 um oder weniger eingestellt.
In der vorstehend erläuterten Struktur wird die Schottky- Elektrode vorzugsweise durch das Umwandeln von Gd in ein Silicid in einer Wärmebehandlung erzeugt und das Abscheiden von Ba und Cs für eine Schicht, welche eine Dicke von einem Atom aufweist.
Die p-leitende Halbleiterschicht weist eine Störstellenkonzentration auf, welche einen Lawinendurchbruch verursacht.
Da gemäß der vorstehend erläuterten Struktur das Elektronen emittierende Element dieselbe Struktur wie eine Schottky- Übergangsdiode aufweist, ist eine durch die Ansammlung von Minoritätsträgern verursachte Schaltverzögerungszeit verkürzbar, und eine Modulationsfrequenz der Direktmodulation kann erhöht werden.
Da in der vorstehend beschriebenen Struktur ein Durchbruch an einer Kante durch das Ausführen der Elementisolation unter Verwendung einer LOCOS-Struktur (Struktur mit örtlicher Oxydation des Siliziums) (Philips Res. Rep., 25, 1970, Seiten 118- 132) zunimmt, kann eine Schutzringstruktur ausgelassen werden. Daher kann die Struktur des Elektronen emittierenden Elements wesentlich vereinfacht werden und ist mikrostrukturierbar. Wenn, wie vorstehend beschrieben, der Hochkonzentrations- Dotierungsbereich unter Verwendung einer MOLD-Struktur (metallüberlappende, seitlich diffundierte Struktur) (Solid- State Electronics, 1977, Band 20, Seiten 496-506) ausgebildet wird, kann die Struktur des Elektronen emittierenden Elements weiter vereinfacht und kann mikrostrukturiert werden.
Da das Halbleitersubstrat Si aufweist, wenn eine Oxidschicht im Herstellungsprozeß des Elektronen emittierenden Elements erzeugt wird, kann eine Oxidschicht erzeugt werden, welche eine gleichmäßige Dicke und eine hohe Durchbruchspannung aufweist.
Da, wie vorstehend beschrieben, die Störstellenkonzentration des Hochkonzentrations-Dotierungsbereichs eingestellt ist, daß sie in den Bereich von 2 · 10¹&sup7; bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ fällt, ist der Wirkungsgrad der Elektronenemission optimierbar. Wenn die Störstellenkonzentration 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ übersteigt, tritt kein Lawinendurchbruch ein, sondern ein Tunneldurchbruch. Und wenn die Störstellenkonzentration kleiner als 2 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ eingestellt ist, wird der Wirkungsgrad der Elektronenerzeugung verschlechtert.
Um Elektronen bei hohem Wirkungsgrad zu emittieren, wird die Dicke der Schottky-Elektrode vorzugsweise auf 0,1 um oder weniger eingestellt. Überschreitet die Dicke 0,1 um, stoßen die erzeugten Elektronen mit jenen in Metallen zusammen, verlieren ihre Energien und können nicht unbehindert durch die Elektrode treten. Ist die Elektrode jedoch zu dünn, kann eine Spannung nicht wirkungsvoll dem Element zugeführt werden, da der Widerstand der Schottky-Elektrode zu sehr ansteigt, um vernachlässigt zu werden, und eine Schicht wird von einem hindurchfließenden Strom zerstört. Somit wird die Dicke der Schottky- Elektrode vorzugsweise auf etwa 0,02 um eingestellt.
Da in der vorstehend beschriebenen Struktur der Schottky- Übergangserzeugungsabschnitt nur einen Ionenimplantierzyklus erfordert, können die Prozesse sehr vereinfacht werden, und die Probleme in den Prozessen, z. B. die Zuverlässigkeit, eine Veränderung in den Elementen und dergleichen, können ausgeschlossen werden.
Ein Mechanismus der Elektronenemission des Schottky-Elektronenemissionselements wird nachstehend kurz beschrieben.
Eine Schottky-Diode verwendet eine Schottky-Sperrschicht ΦBP, welche in einem Übergangsabschnitt zwischen einem p-leitenden Halbleiter und einem Metall erzeugt ist, wie in der Energiebänder-Schemadarstellung in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn eine Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Diode angelegt wird, tritt ein Lawinendurchbruch ein. Jene beim Lawinendurchbruch erzeugten Elektronen, welche eine Energie größer als eine Ablösearbeit ΦWK des Schottky-Metalls aufweisen, passieren das Metall und werden in das Vakuum emittiert.
Um einen solchen Mechanismus erfindungsgemäß zu realisieren, sind die Struktur, die Konzentration und die Form eines Halbleiters optimiert, so daß der Streuverlust an einem Kantenabschnitt bei der Ausbildung einer Schottky-Diode verhindert wird und ein Lawinendurchbruch in einer spezifischen Position eintritt. Aus diesem Grund können die Elektronen sehr wirkungsvoll entnommen werden.
Die vorstehend genannten erfindungsgemäßen Aufgaben können durch ein Elektronen emittierendes Element erfüllt werden, welches eine Festkörperschicht aufweist, eine Spannungsanlegeelektrode zum Anlegen einer Vorspannung an eine Oberfläche der Festkörperschicht und eine Elektronenemissionselektrode zum Emittieren von Elektronen, welche beim Anlegen der Vorspannung erzeugt werden,
wobei ein Material zum Erzeugen der Elektronenemissionselektrode ein Material ist, welches eine niedrigere Ablösearbeit als ein Material zum Erzeugen der Elektrodenanlegeelektrode aufweist.
Zusätzlich zu der vorstehend erläuterten Struktur weist das Elektronen emittierende Element vorzugsweise eine Verdrahtungselektrode zum Anlegen einer Spannung an die Spannungsanlegeelektrode auf.
Da bei der Ausbildung der Oberflächenelektroden des Elektronen emittierenden Abschnitts eine Elektrode aus einem Material erzeugt wird, welches eine niedrigere Ablösearbeit als jenes der Spannungsanlegeelektrode aufweist (wird nachstehend als eine Elektronenemissionselektrode bezeichnet), wird eine Elektrode zum Anlegen einer Spannung an die Spannungsanlegeelektrode (wird nachstehend als eine Verdrahtungselektrode bezeichnet) und dergleichen erzeugt, um eine mehrschichtige Elektrodenstruktur auszubilden, die Funktionen der Oberflächenelektroden werden geteilt, und die Elektrodenmaterialien für die jeweiligen Funktionen können ausgewählt werden. Somit kann das Elektronen emittierende Element, welches die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Probleme lösen und den hohen Wirkungsgrad der Elektronenemission gewährleisten kann, geschaffen werden.
Die vorstehend erwähnten Aufgaben werden durch ein Elektronen emittierendes Element erfüllt, welches aufweist:
ein Halbleitersubstrat mit einer p-leitenden Halbleiterschicht, deren Störstellenkonzentration in einen Konzentrationsbereich zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs in mindestens einem Abschnitt einer Oberfläche fällt,
eine Schottky-Elektrode zum Erzeugen eines Schottky-Übergangs mit der p-leitenden Halbleiterschicht,
eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Elektrode und die p-leitende Halbleiterschicht, um die Schottky-Elektrode zum Emittieren von Elektronen zu verursachen, und
eine Ableitelektrode, welche in einer zweckentsprechenden Position erzeugt ist, um die emittierten Elektronen nach außen zu leiten,
wobei mindestens ein Abschnitt der Schottky-Elektrode aus einer dünnen Schicht eines Materials erzeugt wird, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Metalle der Gruppe 1A, der Gruppe 2A, der Gruppe 3A und Lanthanoide, Metallsilicide der Gruppe 1A, der Gruppe 2A, der Gruppe 3A und Lanthanoide, Metallboride der Gruppe 1A, der Gruppe 2A, der Gruppe 3A und Lanthanoide und Metallkarbide der Gruppe 4A aufweist.
In dieser Struktur ist die Schottky-Elektrode mit der p- leitenden Halbleiterschicht verbunden, um eine Schottky-Diode auszubilden. Die Störstellenkonzentration der p-leitenden Halbleiterschicht ist eingestellt, daß sie in einen Konzentrationsbereich zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs fällt.
Ähnlich weist diese Struktur die Einrichtung zum Anlegen der Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Elektrode und die p-leitende Halbleiterschicht auf, um die Schottky-Elektrode zur Elektronenemission zu verursachen. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Einrichtung nicht besonders eingeschränkt ist und verschiedene andere zweckentsprechende Einrichtungen angewendet werden können.
Diese Struktur weist die in einer zweckentsprechenden Position angeordnete Ableitelektrode auf, um die emittierten Elektronen nach außen abzuleiten.
In dieser Struktur weist mindestens ein Abschnitt der Schottky-Elektrode ein Material auf, welches aus der Gruppe mit den Metallen der Gruppe 1A, der Gruppe 2A, der Gruppe 3A und Lanthanoide, Metallsilicide der Gruppe 1A, der Gruppe 2A, der Gruppe 3A und Lanthanoide, Metallboride der Gruppe 1A, der Gruppe 2A, der Gruppe 3A und Lanthanoide und Metallkarbide der Gruppe 4A ausgewählt ist. Die Schottky-Elektrode wird vorzugsweise als eine dünne Schicht mit einer Schichtdicke von nicht mehr als 10 nm (100 Å) ausgebildet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Oberfläche (z. B. eine Oberfläche in Gegenüberlage einer Übergangsoberfläche) der Schottky-Elektrode teilweise oxydiert ist und ein Oxid der Gruppe 1A, 2A oder 3A oder der Lanthanoide auf der oberen Oberfläche erzeugt ist, so daß die Ablösearbeit weiter vermindert wird. Demzufolge ist eine stabilere Elektronenemission ausführbar.
In dieser Struktur kann ein Hochkonzentrations-Dotierungsbereich in der p-leitenden Halbleiterschicht erzeugt werden, und ein Schottky-Übergang kann zwischen dem Hochkonzentrations- Dotierungsbereich und der Schottky-Elektrode ausgebildet werden. In diesem Fall wird eine verarmungsschicht in dem Hochkonzentrations-Dotierungsbereich sehr dünn ausgebildet, und eine Durchbruchspannung wird örtlich vermindert. Außerdem kann eine Energie zum Erzeugen heißer Elektronen angelegt werden.
Die Operation des Elektronen emittierenden Halbleiterelements wird wieder mit Bezug auf die Energiebänder-Schemadarstellung beschrieben.
Fig. 2 zeigt die Energiebänder-Schemadarstellung der Halbleiteroberfläche des Elektronen emittierenden Halbleiterelements.
Wenn ein in Fig. 2 gezeigter Übergang zwischen einer p- leitenden Halbleiterschicht ("p" bezeichnet in Fig. 2 eine p- leitende Halbleiterschicht) und der Dünnschicht-Schottky- Elektrode ("T" bezeichnet in Fig. 2 einen Schottky-Elektrodenabschnitt), erzeugt aus dem vorstehend erwähnten Material, in Sperrichtung vorgespannt ist, kann ein Vakuumniveau EVAC ein Energieniveau sein, welches niedriger als ein Leitungsband EC der p-leitenden Halbleiterschicht ist, und kann eine große Energiedifferenz ΔE (= EC - EVAC) aufweisen. Wenn der Lawinendurchbruch in diesem Zustand verursacht wird, kann eine große Zahl von Elektronen erzeugt werden, welche Minoritätsträger in der p-leitenden Halbleiterschicht waren, und der Wirkungsgrad der Elektronenemission kann verbessert werden. Da ein elektrisches Feld in der Verarmungsschicht eine Energie an die Elektronen anlegt, werden heiße Elektronen erzeugt, und eine Bewegungsenergie wird größer als jene entsprechend einer Temperatur eines Gittersystems. Daher können die Elektronen mit einem Potential, welches höher als jenes entsprechend einer Ablösearbeit auf der Oberfläche ist, von der Oberfläche emittiert werden, ohne einen Energieverlust infolge des Streuens zu verursachen.
Ein in dem erfindungsgemäßen Elektronen emittierenden Halbleiterelement verwendetes Schottky-Elektrodenmaterial muß ein Material sein, welches definitiv Schottky-Eigenschaften mit Bezug auf die p-leitende Halbleiterschicht aufweist. Im allgemeinen wird eine lineare Beziehung zwischen der Ablösearbeit ΦWK und der Schottky-Sperrschichthöhe ΦBn für einen n-leitenden Halbleiter begründet (siehe 274p 76(b) JOHN WILEY & SONS). Für Si gilt ΦBn = 0,235 · ΦWK - 0,55, und ΦBn wird vermindert, da die Ablösearbeit wie in anderen Halbleitern vermindert wird. Da die Schottky-Sperrschichthöhe ΦBp, für einen p-leitenden Halbleiter und ΦBn eine Beziehung aufweisen, welche durch etwa ΦBp + ΦBn = Eg/q gegeben ist, wie Tabelle 1 zeigt, ist die Schottky-Sperrschichthöhe für den p-leitenden Halbleiter gegeben durch ΦBp = Eg/q - ΦBn. Wie aus der vorstehend erwähnten Gleichung berechenbar ist, kann eine Schottky- Diode, welche gut für eine p-leitenden Halbleiterschicht ist, unter Verwendung eines Materials mit einer niedrigen Ablösearbeit hergestellt werden.
Wie vorstehend beschrieben, können als Materialien mit niedriger Ablösearbeit vorzugsweise Metalle der Gruppe 1A, 2A oder 3A oder Lanthanoide, Metallsilicide der Gruppe 1A, 2A oder 3A oder Lanthanoide, Metallboride der Gruppe 174, 2A oder 3A oder Lanthanoide oder Metallkarbide der Gruppe 4A verwendet werden. Die Ablösearbeitswerte dieser Materialien betragen etwa 1,5 V bis 4 V, und diese Materialien können Schottky-Elektroden ausbilden, welche gut für eine p-leitende Halbleiterschicht sind. Diese Schottky-Elektrodenmaterialien können auf einem Halbleiter mit sehr guter Steuerbarkeit z. B. durch Elektronenstrahlabscheidung aufgetragen werden. Wenn diese Materialien mit einer Schichtdicke von 10 nm (100 Å) oder weniger abgeschieden werden, können nahe dem Schottky-Übergang erzeugte heiße Elektronen die Schottky-Elektrode passieren, ohne wesentlich an Energie zu verlieren. Somit ist die stabile Elektronenemission ausführbar. Beispiele für Schottky-Materialien und Werte ihrer Ablösearbeit ΦWK sind nachstehend in der Tabelle 2 zusammengestellt.
Wird die vorstehend erwähnte Schottky-Elektrode verwendet, kann ein besseres Schottky-Elektronenemissions-Halbleiterelement geschaffen werden. Tabelle 1 Schottky-Sperrschichthöhen der Silicide für Si

Tabelle 2 Materialien mit niedriger Ablösearbeit

Schottky-Material ΦWK
LaB&sub6; 2,6
GdB&sub6; 4,02
SmB&sub6; 4,4
BaB&sub6; 3,45
CaB&sub6; 2,86
SrB&sub6; 2,67
YB&sub6; 3,45
CeB&sub6; 2,93
GdB&sub6; 3,27
YB&sub4; 2,08
TiC 3,8
ZrC 3,5
HfC 3,4
Ein noch anderes Elektronen emittierendes Element, welches die erfindungsgemäßen Aufgaben erfüllen kann, weist auf:
ein Halbleitersubstrat mit einer p-leitenden Halbleiterschicht, deren Störstellenkonzentration in einen Konzentrationsbereich fällt, um einen Lawinendurchbruch in mindestens einem Abschnitt einer Oberfläche zu verursachen,
eine Schottky-Elektrode zum Erzeugen eines Schottky- Übergangs mit dem p-leitenden Halbleiter,
eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Elektrode und die p-leitende Halbleiterschicht, um die Schottky-Elektrode zu verursachen, Elektronen zu emittieren, und
eine Ableitelektrode, ausgebildet in einer zweckentsprechenden Position, um die emittierten Elektronen nach außen zu leiten,
wobei das Element aufweist:
einen Abschnitt, welcher in einem Abschnitt im Schottky- Übergangsabschnitt der Halbleiterschicht ausgebildet ist und einen Konzentrationsbereich und eine Struktur aufweist, um örtlich eine Durchbruchspannung gegenüber anderen Abschnitten (nachstehend als ein Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt bezeichnet) abzusenken, und
einen n-leitenden Bereich, welcher um den Niedrig- Durchbruchspannungsabschnitt ausgebildet ist, um den Niedrig- Durchbruchspannungsbereich auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu isolieren, und
die Schottky-Elektrode mit einer Dicke, welche gering genug ist, um die beim Lawinendurchbruch in einer verarmungsschicht des Schottky-Übergangs erzeugten Elektronen durchzulassen.
Diese Struktur hat das Halbleitersubstrat, welche die p- leitende Halbleiterschicht aufweist, deren Störstellenkonzentration in einen Konzentrationsbereich fällt, um den Lawinendurchbruch in mindestens einem Abschnitt der Oberfläche zu verursachen. Das Halbleitersubstrat kann ein Si-Substrat, ein GaAs-Substrat oder dergleichen aufweisen.
In der vorstehend erläuterten Struktur wird der Schottky- Übergang zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht und der Schottky-Elektrode parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet.
Der Schottky-Übergang zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht und der Schottky-Elektrode wird vorzugsweise parallel oder im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet.
Die elektrische Isolationsschicht, welche mindestens eine Öffnung aufweist, ist vorzugsweise auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats parallel oder im wesentlichen parallel zum Schottky-Übergang ausgebildet.
Mindestens eine Ableitelektrode zum Vermindern der Ablösearbeit der Schottky-Elektrode ist vorzugsweise auf der elektrischen Isolationsschicht im Kantenabschnitt der Öffnung ausgebildet.
Wenn der Schottky-Übergang parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, werden eine Verarmungsschicht und ein elektrisches Feld parallel zu der Halbleiteroberfläche erzeugt, und die Elektronen werden in eine Richtung senkrecht zu dem elektrischen Feld ausgerichtet, d. h. die Vektoren werden im Halbleiter von innen nach außen ausgerichtet. Da eine Streuung einer Energieverteilung der Elektronen vermindert wird, ist aus diesem Grund die Streuung der Energieverteilung der emittierten Elektronen ebenfalls vermindert. Demzufolge kann ein Elektronenstrahl erzielt werden, welcher vorteilhaft für die Konvergenz oder dergleichen ist.
Als ein Material der Schottky-Elektrode ist ein Material zu bevorzugen, welches Leitfähigkeit und eine niedrige Ablösearbeit aufweist. Aus diesem Grund ist eine mehrschichtige Struktur aus einem leitfähigen Material und einem Material mit niedriger Ablösearbeit anwendbar, wie vorstehend beschrieben ist. Wenn z. B. die Schottky-Elektrode aus einer Schicht ausgebildet wird, können Boride, wie z. B. LaB&sub6;, BaB&sub6;, CaB&sub6;, SrB&sub6;, CeB&sub6;, YB&sub6;, YB&sub4; und dergleichen, verwendet werden.
Die Schottky-Elektrode braucht nur eine geringe Dicke aufzuweisen, welche genügt, um die in der Verarmungsschicht des Schottky-Übergangs im Durchbruchzustand erzeugten Elektronen durchzulassen. Z. B. wird die Dicke der Schottky-Elektrode vorzugsweise auf 0,1 um oder weniger eingestellt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt durch Ausführen des örtlichen Hochkonzentrationsdotierens in der p-leitenden Halbleiterschicht erzeugbar ist.
Wenn ein Bereich durch Ausführen des örtlichen Hochkonzentrationsdotierens in der p-leitenden Halbleiterschicht erzeugt wird, erfolgt das Ausbilden einer sehr dünnen Verarmungsschicht in dem Hochkonzentrations-Dotierungsbereich, um die Durchbruchspannung örtlich zu vermindern, und eine Energie zum Erzeugen von heißen Elektronen im starken elektrischen Feld kann angelegt werden.
Die Breite des p-leitenden Hochkonzentrations-Dotierungsbereichs wird vorzugsweise auf 5 um oder weniger eingestellt. Somit kann ein durch die Konzentration eines Stroms verursachter Wärmedurchbruch des Elements verhindert werden.
In dieser Struktur weist die elektrische Isolationsschicht mindestens eine Öffnung auf, welche auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats parallel zum Schottky-Übergangsabschnitt erzeugt ist, und mindestens eine Ableitelektrode zum Vermindern der Ablösearbeit der Schottky-Elektrode ist in dem Kantenabschnitt der Öffnung der elektrischen Isolationsschicht ausgebildet.
Folglich wird durch ein über die Ableitelektrode nahe der Schottky-Elektrodenoberfläche erzeugtes starkes elektrisches Feld die Ablösearbeit anscheinend vermindert (um einen Schottky-Effekt zu erreichen), und das Ausbilden von räumlichen Ladungen ist verhinderbar.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Isolationsschicht eine Einschicht- oder eine Zweischichtstruktur aufweisen kann. In mehr spezifischer Weise kann die Isolationsschicht eine zweischichtige Struktur aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid aufweisen.
Es ist zu bemerken, daß die Form der Öffnung kreisförmig oder wunschgemäß sein kann, z. B. quadratisch oder rechteckig für eine Anzeigeanwendung. Wird eine kreisförmige Öffnung verwendet, kann die Ableitelektrode ringförmig ausgebildet sein.
Das Material der Ableitelektrode kann z. B. Gold sein. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Ableitelektrode eine einschichtige oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen kann.
Die Ableitelektrode kann in zwei oder mehr Nebenelektroden unterteilt sein, um eine Linsenfunktion und eine Ablenkfunktion zu erfüllen.
Das Verhältnis des Durchmessers der Öffnung zu der Dicke der Isolationsschicht wird vorzugsweise auf 2 : 1 oder weniger eingestellt.
Mit diesem Verhältnis wird ein starkes elektrisches Feld nahe der Schottky-Elektrode erzeugt, so daß die Elektronen wirkungsvoll geleitet werden können und die Ablösearbeit durch den Schottky-Effekt verminderbar ist.
Erfindungsgemäß wird ein n-leitender Bereich zur Isolation des Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitts auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats um den Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt erzeugt.
Wenn der n-leitende Bereich um die Schottky-Elektrode erzeugt ist, kann der Streuverlust im Kantenabschnitt der Schottky- Elektrode, verursacht durch ein starkes elektrisches Feld, verhindert werden, wie in "THE BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL", Februar 1968, Seiten 195-208, beschrieben ist.
Da die Schottky-Elektrode aus dem Material mit niedriger Ablösearbeit erzeugt ist, welches beständig und an der Luft leitfähig ist, kann eine Verarmungsschicht nur auf einer Halbleiterseite erzeugt werden, und die Geschwindigkeitsvektoren der Elektronen können in eine Richtung senkrecht zu der Halbleiteroberfläche ausgerichtet werden, wobei sich die Breite einer Energieverteilung der emittierten Elektronen vermindert. Wird die Schottky-Elektrode durch Elektronenstrahlabscheidung erzeugt, kann sie sehr dünn ausgebildet werden, und das Streuen der Elektronen, welches auftritt, wenn die Elektronen die Schottky-Elektrode durchlaufen, kann unterdrückt werden, und die Handhabung an der Luft wird wesentlich erleichtert.
Das vorstehend erwähnte Elektronen emittierende Element ist nach einem Verfahren erzeugbar, welches die Schritte aufweist:
Abdecken einer Oberfläche eines p-leitenden Hochkonzentrations-Halbleitersubstrats, auf welchem eine p-leitende Niedrigkonzentrations-Halbleiterschicht aufgewachsen ist, mit einer Isolationsschicht,
Erzeugen eines Lochs in einem Abschnitt, welcher als ein n-leitender Bereich dient, durch Ätzen und das Dotieren von Donatorionen,
Dotieren von Akzeptorionen über die Isolationsschicht, um einen p-leitenden Hochkonzentrationsbereich auszubilden,
Tempern der sich ergebenden Struktur unter Belassen der Isolationsschicht, um eine Kontaktelektrode auf der Isolationsschicht zu erzeugen,
Erzeugen einer Ableitelektroden-Ausbildungs-Isolationsschicht,
Erzeugen einer Ableitelektrode auf der Isolationsschicht,
Erzeugen einer Öffnung in der Ableitelektrode,
Strukturieren der Ableitelektroden-Ausbildungs-Isolationsschicht durch Ätzen, um die Oberfläche der Halbleiterschicht freizulegen, und
Erzeugen einer Schottky-Elektrode unter Verwendung der erzeugten Öffnung als eine Maske.
Bei diesem Herstellungsverfahren wird der p-leitende Hochkonzentrationsbereich, welcher als der Elektronen emittierende Abschnitt dient, durch Anwenden eines Ionenimplantierverfahrens in der Größe reduziert und somit eine ideale punktförmige Elektronenquelle erzielt. Da die zuerst erzeugte Isolationsschicht bis zum letzten Prozeß belassen wird, ist die Kontaktelektrode selbstjustierend. Da die Schottky-Elektrode zuletzt unter Verwendung der Öffnung als eine Maske erzeugt wird, nachdem die Öffnung ausgebildet ist, wird die selbstjustierende Erzeugung der Schottky-Elektrode zugelassen. Außerdem können physikalische und chemische Änderungen, wie z. B. der Oxydation, des Ätzens und dergleichen, welche während eines Erzeugungsprozesses der Schottky-Elektrode auftreten, vermieden werden. Da die Isolationsschicht und die Ableitelektrode eine mehrschichtige Struktur aufweisen, kann eine komplizierte Abhebeform (umgekehrter Kegel) erzeugt werden, d. h. eine Form zum wirkungsvollen Emittieren von Elektronen kann ausgebildet werden, während Änderungen vermieden werden.
Ein Elektronen emittierendes Element, welches die vorstehend erwähnten Aufgaben der Erfindung erfüllen kann, weist auf:
ein Halbleitersubstrat mit einer p-leitenden Halbleiterschicht, deren Störstellenkonzentration in einen Konzentrationsbereich zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs in mindestens einem Abschnitt der Oberfläche fällt,
eine Schottky-Elektrode zum Ausbilden eine Schottky- Übergangs mit dem p-leitenden Halbleiter,
eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Schottky-Elektrode und die p-leitende Halbleiterschicht, um die Schottky-Elektrode zum Emittieren von Elektronen zu verursachen, und
eine Ableitelektrode, welche in einer zweckentsprechenden Position angeordnet ist, um die emittierten Elektronen nach außen zu leiten,
wobei das Element aufweist:
einen Abschnitt, welcher in einem Abschnitt in dem Schottky-Übergangsabschnitt erzeugt ist und einen Konzentrationsbereich und eine Schichtstruktur zum örtlichen Absenken einer Durchbruchspannung gegenüber anderen Abschnitten aufweist (nachstehend als ein Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt bezeichnet), und
einen halbisolierenden Bereich, ausgebildet um den Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt, um den Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu isolieren, und
die Schottky-Elektrode, mit einer Dicke, welche klein genug ist, um die beim Lawinendurchbruch in einer Verarmungsschicht des Schottky-Übergangs erzeugten Elektronen abzuleiten.
In dieser Struktur wird das Halbleitersubstrat mit der p- leitenden Halbleiterschicht, deren Störstellenkonzentration in einen Konzentrationsbereich zum Verursachen eines Lawinendurchbruchs in mindestens einem Abschnitt der Oberfläche fällt, vorzugsweise verwendet. Das Halbleitersubstrat weist vorzugsweise ein Verbindungshalbleitersubstrat auf, wie z. B. ein GaAs-Substrat.
In dieser Struktur ist der Schottky-Übergang zwischen dem p- leitenden Halbleiterbereich und der Schottky-Elektrode parallel oder im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet.
Der Schottky-Übergang zwischen dem p-leitenden Halbleiterbereich und der Schottky-Elektrode ist vorzugsweise parallel oder im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet.
Die elektrische Isolationsschicht, welche mindestens eine Öffnung aufweist, ist vorzugsweise auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats parallel oder im wesentlichen parallel zu dem Schottky-Übergang ausgebildet.
Mindestens eine Ableitelektrode zum Vermindern der Ablösearbeit der Schottky-Elektrode ist vorzugsweise auf der elektrischen Isolationsschicht an dem Kantenabschnitt der Öffnung ausgebildet.
Wenn der Schottky-Übergang parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, werden eine Verarmungsschicht und ein elektrisches Feld parallel zu der Oberfläche des Halbleiters erzeugt, und die Elektronen werden in eine Richtung senkrecht zu dem elektrischen Feld ausgerichtet, d. h. die Vektoren sind vom Inneren des Halbleiters nach außen gerichtet. Da aus diesem Grund ein Streuen einer Energieverteilung der Elektronen vermindert ist, ist das Streuen der Energieverteilung der emittierten Elektronen ebenfalls vermindert. Demzufolge kann ein Elektronenstrahl erzielt werden, welcher vorteilhaft für Konvergenz oder dergleichen ist.
Als ein Material der Schottky-Elektrode wird ebenfalls ein Material bevorzugt, welches eine Leitfähigkeit und eine niedrige Ablösearbeit aufweist. Aus diesem Grund kann eine mehrschichtige Struktur eines leitfähigen Materials und ein Material mit niedriger Ablösearbeit angewendet werden, wie vorstehend beschrieben ist. Wenn z. B. die Schottky-Elektrode aus einer Schicht ausgebildet ist, können Boride, wie z. B. LaB&sub6;, BaB&sub6;, CaB&sub6;, SrB&sub6;, CeB&sub6;, YB&sub6;, YB&sub4; und dergleichen verwendet werden.
Die Schottky-Elektrode muß nur eine Dicke aufweisen, welche klein genug ist, um die im Durchbruchzustand in der Verarmungsschicht des Schottky-Übergangs erzeugten Elektronen durchzulassen. In mehr spezifischer Weise wird die Dicke der Schottky-Elektrode vorzugsweise auf 0,1 um oder weniger eingestellt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt durch Ausführen des örtlichen Hochkonzentrationsdotierens in dem p-leitenden Halbleiterbereich erzeugbar ist.
Wenn ein Bereich durch das Ausführen des örtlichen Hochkonzentrationsdotierens in dem p-leitenden Halbleiterbereich erzeugt wird, wie vorstehend beschrieben ist, wird eine sehr dünne Verarmungsschicht in dem Hochkonzentrations-Dotierungsbereich ausgebildet, um die Durchbruchspannung örtlich zu vermindern, und eine Energie zum Erzeugen von heißen Elektronen in dem starken elektrischen Feld kann angelegt werden.
Die Breite des p-leitenden Hochkonzentrationsdotierungsbereichs wird vorzugsweise auf 5 um oder weniger eingestellt. Somit kann ein durch die Konzentration eines Stroms verursachter Wärmedurchbruch des Elements verhindert werden.
Zusätzlich ist in dieser Struktur die elektrische Isolationsschicht, welche mindestens eine Öffnung aufweist, auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats parallel zu dem Schottky- Übergangsabschnitt ausgebildet, und mindestens eine Ableitelektrode zum Vermindern der Ablösearbeit der Schottky-Elektrode ist an dem Kantenabschnitt der Öffnung auf der elektrischen Isolationsschicht erzeugt.
Somit wird infolge eines über die Ableitelektrode nahe der Schottky-Elektrodenoberfläche erzeugten starken elektrischen Felds die Ablösearbeit anscheinend vermindert (um einen Schottky-Effekt zu erreichen), und das Ausbilden räumlicher Ladungen kann verhindert werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Isolationsschicht eine ein- oder zweischichtige Struktur aufweisen kann. In mehr spezifischer Weise kann die Isolationsschicht eine Zweischichtstruktur aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid aufweisen.
Es ist zu bemerken, daß die Form der Öffnung kreisförmig oder wie gewünscht sein kann, z. B. quadratisch oder rechteckig für eine Verwendung als Anzeige. Wird die kreisförmige Öffnung verwendet, kann die Ableitelektrode in einer Ringform ausgebildet werden, wie vorstehend beschrieben ist.
Ein Material für die Ableitelektrode kann z. B. Gold und/oder Palladium sein. Es sei bemerkt, daß die Ableitelektrode eine ein- oder mehrschichtige Struktur aufweisen kann.
Die Ableitelektrode ist in zwei oder mehr Nebenelektroden einteilbar, um eine Linsenfunktion und eine Ablenkfunktion zu erfüllen.
Das Verhältnis des Durchmessers der Öffnung zu der Dicke der Isolationsschicht wird vorzugsweise auf 2 : 1 oder weniger eingestellt.
Mit diesem Verhältnis wird ein starkes elektrisches Feld nahe der Schottky-Elektrode erzeugt, so daß die Elektronen wirkungsvoll geleitet werden können und die Ablösearbeit durch den Schottky-Effekt vermindert werden kann.
In dieser Struktur wird der halbisolierende Bereich zur Isolation des Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitts auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats um den Niedrig-Durchbruchspannungsabschnitt ausgebildet. In diesem Fall weist der halbisolierende Bereich vorzugsweise einen spezifischen Widerstand ρ auf, welcher die Beziehung erfüllt ρ > 10&sup7; Ω·cm.
Wie im "IBM JOURNAL OF RESEARCH AND DEVELOPMENT", November 1971, Seiten 442-445, beschrieben ist, kann beim Erzeugen des halbisolierenden Bereichs um die Schottky-Elektrode die Streuung am Kantenabschnitt der Schottky-Elektrode infolge eines starken elektrischen Felds verhindert werden. Dieselbe Wirkung ist durch Erzeugen einer Schicht eines Leitfähigkeitstyps erreichbar, welcher sich von dem des Halbleitersubstrats unterscheidet. Wenn in diesem Fall jedoch das Hochgeschwindigkeitsschalten des Elements durch einen Ladungsanhäufungseffekt ausgeführt wird, erfolgt das Verzögern einer Operation in einem Zustand der Vorspannung in Sperrichtung. Im Gegensatz dazu wird in dieser Struktur, in welcher der halbisolierende Bereich erzeugt ist, das Hochgeschwindigkeitsschalten gewährleistet, da kein Ladungsanhäufungseffekt eintritt.
Eine Schutzringstruktur, in welcher eine Schicht einen zum Halbleitersubstrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, ist es im Hinblick auf die Zuverlässigkeit des Elements und der Verminderung einer parasitären Kapazität nicht oft zu bevorzugen, da die Breite der an dem Kantenabschnitt der Schottky-Elektrode erzeugten Verarmungsschicht abhängig von einer an der Schottky-Elektrode angelegten Vorspannung ist. Da im Gegensatz dazu in dieser Struktur die Verarmungsschicht im Kantenabschnitt der Schottky-Elektrode unverändert bleibt, ohne Rücksicht auf den Vorspannungspegel, kann eine hohe Zuverlässigkeit garantiert und ein Freiheitsgrad in der Gestaltung der Einrichtung erhöht werden.
Wenn ein GaAs-Halbleitersubstrat als ein Halbleitersubstrat verwendet wird, kann GaAs durch Einfangen von Sauerstoff- und Chromionen in einem tiefen Niveau beim Implantieren dieser Ionen leicht halbisoliert werden. In der vorstehend angegebenen Referenz wird die vorstehend erwähnte Wirkung durch Erzeugen des halbisolierenden Bereichs auf einem Siliziumhalbleiter durch einen Prozeß (LOCOS-Prozeß) unter Verwendung von Siliziumoxid erhalten. Erfindungsgemäß kann jedoch der halbisolierende Bereich nur durch Ionenimplantieren erzeugt werden, ohne daß ein solcher Prozeß erforderlich ist, und die Herstellung des Elements kann weiter vereinfacht werden.
Da die Schottky-Elektrode aus dem Material mit niedriger Ablösearbeit erzeugt ist, welches beständig und an der Luft leitfähig ist, kann eine Verarmungsschicht auf nur einer Halbleiterseite ausgebildet werden, und die Geschwindigkeitsvektoren der Elektronen können in eine Richtung senkrecht zu der Halbleiteroberfläche ausgerichtet werden, wodurch sich die Breite einer Energieverteilung der emittierten Elektronen vermindert. Wird die Schottky-Elektrode durch Elektronenstrahlabscheidung erzeugt, kann sie sehr dünn ausgebildet werden, und das beim Durchlaufen der Schottky-Elektrode auftretende Streuen der Elektronen kann unterdrückt werden, und die Handhabung an der Luft wird sehr erleichtert.
Das vorstehend erläuterte Elektronen emittierende Element kann durch ein Verfahren erzeugt werden, welches die Schritte aufweist:
Abdecken einer Oberfläche eines p-leitenden Hochkonzentrations-Halbleitersubstrats, auf welchem eine p-leitende Niedrigkonzentrations-Halbleiterschicht aufgewachsen ist, mit einer Isolationsschicht,
Erzeugen einer Öffnung in einem Abschnitt, welcher als ein halbisolierender Bereich dient, und Dotieren von Tonen zum Halbisolieren des Halbleitersubstrats,
Dotieren von Akzeptorionen durch die Isolationsschicht, welche zuerst erzeugt wird, um einen p-leitenden Hochkonzentrationsbereich auszubilden,
Tempern der sich ergebenden Struktur unter Belassen der Isolationsschicht, welche zuerst ausgebildet wurde, um eine Kontaktelektrode auf der zuerst ausgebildeten Isolationsschicht zu erzeugen,
Erzeugen einer Ableitelektrodenausbildungs-Isolierschicht,
Erzeugen einer Ableitelektrodenschicht auf der Isolationsschicht,
Erzeugen einer Öffnung in der Ableitelektrodenschicht,
Strukturieren der Ableitelektrodenausbildungs-Isolationsschicht durch Ätzen, um die Oberfläche der Halbleiterschicht freizulegen, und
Erzeugen einer Schottky-Elektrode unter Verwendung der erzeugten Öffnung als eine Maske.
Bei diesem Herstellungsverfahren wird der p-leitende Hochkonzentrationsbereich, welcher als der Elektronen emittierende Abschnitt dient, durch Anwenden eines Ionenimplantierverfahrens in der Größe reduziert und somit eine ideal punktförmige Elektronenquelle erzielt. Da die zuerst erzeugte Isolationsschicht bis zum letzten Prozeß belassen wird, ist die Kontaktelektrode selbstjustierend. Da die Schottky-Elektrode zuletzt unter Verwendung der Öffnung als eine Maske erzeugt wird, nachdem die Öffnung ausgebildet ist, wird die selbstjustierende Ausbildung der Schottky-Elektrode zugelassen. Außerdem können physikalische und chemische Änderungen, wie z. B. die Oxydation, das Ätzen und dergleichen, welche während eines Erzeugungsprozesses der Schottky-Elektrode auftreten, verhindert werden. Da die Isolationsschicht und die Ableitelektrode eine mehrschichtige Struktur aufweisen, kann eine komplizierte Abhebeform (umgekehrter Kegel) erzeugt werden, d. h. eine Form zum wirkungsvollen Emittieren von Elektronen kann ausgebildet werden, während Änderungen vermieden werden.

[Beispiele]

(Beispiel 1)(das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Ein Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 3A und Fig. 3B zeigen schematische Ansichten eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements dieses Beispiels. Fig. 3A zeigt eine schematische Draufsicht, und Fig. 3B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts der Fig. 3A.
Dieses Beispiel wird nachstehend gemäß den Herstellungsschritten beschrieben.
(1) Wie in Fig. 3A und Fig. 3B gezeigt, wurde eine p- leitende Halbleiterschicht 3002, welche eine Störstellenkonzentration von 3 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ aufwies, epitaxial auf einem p- leitenden Halbleitersubstrat 3001 (in diesem Beispiel wurde GaAs (100) verwendet) durch MBE aufgewachsen.
(2) Be-Ionen wurden ohne Verwendung einer Maske direkt implantiert, um eine Tiefe von etwa 300 nm (3000 Å) und eine Störstellenkonzentration von 2 · 10¹&sup7; bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu erhalten, und die sich ergebende Struktur wurde getempert, um einen p-leitenden Hochkonzentrations-Halbleiterbereich 3003 zu erzeugen.
(3) Eine Oxidschicht wurde durch Sputtern erzeugt und in einer gewünschten Form unter Verwendung eines Fluorwasserstoffsäure-Ätzmittels strukturiert, wobei ein Elementisolationsbereich 3004 erzeugt wurde.
(4) Eine Elektrode 3005 wurde mit einer Dicke von 500 nm (5000 Å) erzeugt und wurde in einer gewünschten Form strukturiert, um in Kontakt mit einer Schottky-Elektrode zu sein, welche später ausgebildet wurde.
(5) Eine Isolationsschicht 3006 wurde durch SiO&sub2;-Sputtern mit einer Dicke von etwa 1 um erzeugt, und eine 200 nm (2000 Å) dicke Au-Schicht wurde durch Abscheiden als eine Ableitelektrode 3007 ausgebildet.
(6) Die Au-Schicht wurde durch einen lithographischen Resistprozeß entsprechend einer Elektrodenform strukturiert. Danach wurde die Ableitelektrode 3007 in der gewünschten Form durch Ar-Ionenätzen geätzt.
(7) Die SiO&sub2;-Schicht 3006 wurde durch Naßätzen unter Verwendung eines Fluorwasserstoffsäure-Ätzmittels geätzt, dadurch wurde ein Schottky-Übergangsabschnitt mit einer Schottky- Elektrode 3008 freigelegt, um in dem nächsten Prozeß ausgebildet zu werden.
(8) Eine 15 nm (150 Å) dicke Gd-Schicht als die Schottky- Elektrode 3008 wurde durch EB-Abscheidung erzeugt und somit ein Elektronen emittierendes Element erzeugt.
In diesem Fall war eine Sperrschichthöhe ΦBp = 0,65 V, und es konnte eine gute Schottky-Diode erhalten werden.
Wenn in dem auf diese Weise hergestellten Elektronen emittierenden Element eine Vorspannung in Sperrichtung aus einer Energiequelle 3012 an die Schottky-Elektrode 3008 und die Elektrode 3005 angelegt wurde, trat ein Lawinendurchbruch an einer Grenzschicht zwischen dem p-leitenden Hochkonzentrations-Halbleiterbereich 3003 und der Schottky-Elektrode 3008 ein. Die erzeugten Elektronen passierten die sehr dünne Schottky-Elektrode 3008, um in einen Vakuumbereich auszutreten, und wurden durch die Ableitelektrode 3007 nach außerhalb des Elements geleitet.
Da in dem Elektronen emittierten Element gemäß diesem Beispiel der p-leitende Hochkonzentrations-Halbleiterbereich 3003 in dem Übergangsabschnitt unter Verwendung einer MOLD-Struktur erzeugt wurde, konnte ein ungleichförmiger Durchbruch an einem Kantenabschnitt verhindert werden, und ein sehr gleichmäßiger und kleiner Elektronenemissionsbereich konnte ausgebildet werden.
Da die MOLD-Struktur angewendet wurde, konnte eine p-n- Übergangs-Schutzringstruktur, welche in der herkömmlichen Struktur erforderlich war, ausgelassen werden. Daher konnte eine Erholungszeit der Diode verkürzt werden, und es wurden gute Schalteigenschaften erreicht.
Es ist darauf hinzuweisen, daß eine Ablösearbeit auf der Oberfläche durch Abscheiden eines Alkalimetalls, wie z. B. Ba oder Cs, für eine Schicht mit einer Dicke eines Atoms auf der Oberfläche der Schottky-Elektrode 3008 vermindert werden kann, um mehr Elektronen abzuziehen.
(Beispiel 2) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Ein anderes Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.
In diesem Beispiel ist ein Elektronen emittierendes Element ausgebildet, um ein Nebensprechen zwischen den Elementen zu verhindern.
(1) Eine 3 um dicke undotierte GaAs-Schicht 3014 wurde epitaxial auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 3015 durch MBE aufgewachsen.
(2) Eine p-leitende leitfähige Schicht 3002 wurde durch einen FIB erzeugt, so daß Ionen implantiert wurden, um eine Störstellenkonzentration von 1 · 10¹&sup6; bis 5 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ und eine Tiefe von etwa 1 um zu erzeugen. Gleichzeitig wurden Be- Ionen implantiert, um eine ohmsche Kontaktschicht 3013 mit einer Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder höher zu erzeugen und einen p-leitenden Hochkonzentrations-Halbleiterbereich 3003 mit einer Störstellenkonzentration von 2 · 10¹&sup7; bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder höher.
(3) Daraufhin folgten im wesentlichen dieselben Vorgänge wie im Beispiel 1, und ein Elektronen emittierendes Element wurde fertiggestellt.
Wenn in dem auf diese Weise hergestellten Elektronen emittierenden Element eine Vorspannung in Sperrichtung an einer ohmschen p-Typ-Halbleiter-Kontaktelektrode 3010 und einer Elektrode 3005 angelegt wurde, war das Elektronen emittierende Element unabhängig steuerbar.

(Beispiel 3)

Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben. Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts in Fig. 5, und Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines B - B-Abschnitts in Fig. 5. Es ist darauf hinzuweisen, daß in Fig. 6 und Fig. 7 die Struktur teilweise ausgelassen ist.
In diesem Beispiel wurden die im Beispiel 2 gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelemente in X- und in Y-Richtung ausgerichtet, um eine Matrix auszubilden.
Die Herstellungsschritte waren im wesentlichen dieselben wie jene im Beispiel 2, mit der Ausnahme, daß eine p-leitende leitfähige Schicht unmittelbar auf einem Substrat ohne Verwendung einer undotierten Schicht ausgebildet wurde.
In den Elektronen emittierenden Elementen dieses Beispiels wird eine Vorspannung in Sperrichtung an einem beliebigen der Punkte (e, f, g, h) in der Y-Richtung und einem beliebigen der Punkte (a, b, c, d) in der X-Richtung angelegt, und die Elektronen können von einem beliebigen Punkt der Elektronen emittierenden Elementmatrix emittiert werden.
In diesem Beispiel ist die Form jedes Elements (die durch die Elektrode 3007 bestimmte Form) kreisförmig, aber das Element kann jede andere Form aufweisen. Wenn z. B. die Elementmatrix als eine Farbanzeige verwendet wird, können die Elementform und die Elementabstände so bestimmt sein, daß drei Farben-(R, G und B)-Elemente in einer Pixelgröße angeordnet werden können.
(Beispiel 4) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Als ein noch anderes Beispiel wurde ein Elektronen emittierendes Element nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 8A - 8D beschrieben. Fig. 8A - 8D zeigen schematische Schnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel.
(1) Eine p-leitende Halbleiterschicht 8002 (Störstellenkonzentration von 2 · 10¹&sup6; cm&supmin;³) wurde epitaxial auf einem p-leitenden GaAs-Halbleitersubstrat 8001 (Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³) durch MOCVD (oder MBE oder dergleichen) aufgewachsen.
(2) Eine 300 nm (3000 Å) dicke AlN-(Aluminiumnitrid)- Schicht wurde abgeschieden, durch ein zweckentsprechendes Verfahren strukturiert, z. B. durch Photolithographie, und somit eine Elementtrennisolationsschicht 8004 erzeugt.
(3) Eine Wolframschicht 8005 wurde als eine leitfähige Schicht abgeschieden, welche als eine Verdrahtungsschicht dient.
(4) Eine SiO&sub2;-Schicht 8006 wurde als eine Isolationsschicht abgeschieden.
(5) Eine Polysiliziumschicht 8007 wurde als Leitungsschicht abgeschieden, welche als eine Ableitelektrode dient.
Fig. 8(a) zeigt diesen Zustand.
(6) Eine Resistschicht 8011 wurde erzeugt, und ein Loch wurde in der Resistschicht 8011 durch Lithographie ausgebildet.
(7) Ein Loch wurde in der Polysiliziumschicht 8007 und der SiO&sub2;-Schicht 8006 unter Verwendung eines CF&sub4;-Ätzgases und der Resistschicht 8011 als eine Maske erzeugt.
(8) Nachdem die Wolframschicht 8005 freigelegt war, wurde die Wolframschicht 8006 unter Verwendung eines Gases geätzt, wie z. B. SF&sub6;, NF&sub3;, (CCl&sub4; + 20% O&sub2;) oder dergleichen, wie nachstehend in Tabelle 3 gezeigt ist, als einem Gas, welches einen großen Unterschied zwischen einer Ätzgeschwindigkeit von Wolfram und einer Ätzgeschwindigkeit von SiO&sub2; aufweist, so daß das in der Wolframschicht 8006 erzeugte Loch größer als das in anderen Schichten war.
(9) Be-Ionen wurden in der Halbleiterschicht 8002 von diesem Loch implantiert und dadurch ein p-leitender, Störstellen-Hochkonzentrationsbereich 8003 mit einer Störstellenkonzentration von etwa 5 · 10¹&sup7; bis 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Tiefe von etwa 300 nm (3000 Å) erzeugt. Fig. 8D zeigt diesen Zustand.
(10) Nachdem die Resistschicht 8011 entfernt war, wurde die sich ergebende Struktur sofort in einer Arsinatmosphäre bei 700ºC für etwa 10 Sekunden erhitzt, und dadurch wurden die implantierten Ionen aktiviert.
(11) Unter Verwendung einer neuen Resistschicht 8011 als eine Maske wurde die Polysiliziumschicht 8007 durch einen photolithographischen Prozeß mit CF&sub4; geätzt, um das Loch zu erweitern. Danach wurde die SiO&sub2;-Schicht 8006 unter Verwendung eines Fluorwasserstoffsäure-Ätzmittels geätzt und dabei ein in Fig. 8C gezeigtes konisches Loch erzeugt.
(12) Eine 10 nm (100 Å) dicke Schottky-Elektrode 8008 wurde durch Abscheiden erzeugt. Fig. 8D zeigt diesen Zustand. In Fig. 3D wurde ein Metall 8008 zum Erzeugen der Schottky- Elektrode 8008 auf der Resistschicht 8011 abgeschieden.
(13) Die Resistschicht 8011 und das überschüssige Metall 8008 wurden entfernt und somit ein Elektronen emittierendes Element vollendet.
Das Verfahren zur Herstellung des Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel ist beschrieben worden.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Elektronen emittierenden Elements dieses Beispiels ein photolithographischer Prozeß vereinfacht werden. Da die über der p-leitenden Störstellen-Hochkonzentrationsschicht 8003 erzeugten Schichten zur p-leitenden Störstellen- Hochkonzentrationsschicht 8003 selbstjustierend sein können, kann ein kleines Element ausgebildet werden. Da eine gleichmäßige Schottky-Metallschicht auf der p-leitenden Störstellen- Hochkonzentrationsschicht 8003 abgeschieden werden kann, unter Anwendung des selektiven Ätzens der leitfähigen Schicht 8005, welche als die Verdrahtungselektrode dient, können die emittierten Elektronen eine sehr gleichmäßige Energieverteilung aufweisen. Da ferner die Isolationsschicht dem selektiven Ätzen ausgesetzt war, kann ein gutes Elektronenentnahmesystem erzeugt werden, und die Schottky-Elektrode 8008 kann als eine gute Maske für die Abscheidung dienen. Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß das Bezugszeichen 8009 eine Verarmungsschicht bezeichnet. Tabelle 3: RIE-Eigenschaften von W- und SiO&sub2;-Gasen
*1 und *2. Einheit = Å/min = 0,1 nm/min Ätzbedingungen: 20 pa, elektrische Leistung = 0,3 W/cm², Gasströmungsmenge = 300 cm³/min

(Beispiel 5)

Als ein noch anderes bevorzugtes Beispiel der Erfindung wird nachstehend ein Fall beschrieben, wobei ein Si-Substrat als ein Halbleitersubstrat verwendet wurde und ein durch das LOCOS-Verfahren erzeugter Oxidbereich 8012 als eine Elementisolationseinrichtung verwendet wurde.
Fig. 9A und Fig. 9B zeigen schematische Schnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel.
Dieses Beispiel wird nachstehend gemäß den Herstellungsschritten erläutert.
(1) Eine Halbleiterschicht 8002, eine Schicht 8005, welche als eine Verdrahtungselektrode dient, eine Isolationsschicht 8006, eine Schicht 8007, welche als eine Ableitelektrode dient, und ein Elementisolationsbereich 8012 wurden auf einem Si-Substrat 8001 erzeugt.
Die Halbleiterschicht 8002, die Schicht 8005, welche als die Verdrahtungselektrode dient, die Isolationsschicht 8006 und die Schicht 8007, welche als die Ableitelektrode dient, wurden nachfolgend im wesentlichen nach denselben Arbeitsschritten ausgebildet, wie vorstehend im Beispiel 4 in den Schritten (1) bis (5) beschrieben ist, und der Elementisolationsbereich 8012 wurde nach dem LOCOS-Verfahren erzeugt. In diesem Beispiel wurde jedoch eine Mo-(Molybdän)-Schicht als die Schicht 8005 verwendet, welche als die Verdrahtungselektrode dient, und eine Au-(Gold)-Schicht wurde als die Schicht 8007 verwendet, welche als die Ableitelektrode dient. Es ist darauf hinzuweisen, daß eine SiO&sub2;-(Siliziumoxid)-Schicht als die Isolationsschicht 8006 wie im Beispiel 4 verwendet wurde.
(2) Eine Resistschicht 8011 wurde wie im Beispiel 4 erzeugt, und ein Loch zum Ausbilden eines p-leitenden Hochkonzentrationsbereichs 8003 wurde in der Resistschicht 8011 erzeugt. Danach wurde die Au-Schicht 8007 durch einen Ar-Ionenstrahl unter Verwendung der Resistschicht 8011 als eine Maske geätzt. Anschließend wurde die Isolationsschicht 8006 durch CF&sub4; bearbeitet und so die Mo-Schicht 8005 freigelegt.
(3) Die Mo-Schicht 8005 wurde unter Verwendung einer Ätzmischung aus Phosphorsäure und Salpetersäure geätzt und somit ein Loch ausgebildet.
(4) B-(Bor)-Ionen wurden in dem erzeugten Loch implantiert, um einen p-leitenden Störstellen-Hochkonzentrationsbereich 8003 zu erzeugen, welcher im wesentlichen dieselbe Störstellenkonzentration und Tiefe wie jener im Beispiel 4 aufwies. Die sich ergebende Struktur wurde bei 1000ºC für etwa eine Minute getempert, und dadurch wurden die B-Ionen aktiviert. Fig. 9A zeigt diesen Zustand.
(5) Das in der Resistschicht 8011 erzeugte Loch wurde erweitert, und dann wurde das Ätzen unter Verwendung eines Ar- Ionenstrahls und der Resistschicht 8011 als eine Maske ausgeführt, wodurch das Loch der Au-Schicht 8007 erweitert wurde.
(6) Die SiO&sub2;-Schicht 8006 wurde durch ein Fluorwasserstoffsäure-Ätzmittel geätzt, so daß sich eine Kegelform ergab.
(7) Daraufhin wurden dieselben Arbeitsschritte wie im Beispiel 4 ausgeführt, und es wurde der in Fig. 9B gezeigte Zustand erreicht.
(8) Schließlich wurden die Resistschicht 8011 und eine Metallschicht 8008' entfernt und dadurch ein Elektronen emittierendes Element vollendet.
Das Elektronen emittierende Element gemäß diesem Beispiel ist beschrieben worden.
Mit diesem Herstellungsverfahren kann der photolithographische Prozeß wie im Beispiel 4 vereinfacht werden, und ein mikrostrukturiertes Element ist erzeugbar. Außerdem kann eine Energieverteilung der emittierten Elektronen ausgeglichen werden, ein gutes Elektronenentnahmesystem ist erzeugbar und eine Schottky-Elektrode 8008 kann auf zufriedenstellende Weise unter Verwendung der Resistschicht 8011 als eine Maske abgeschieden werden.
In diesem Beispiel kann ein Element genau und auf einfache Weise durch das LOCOS-Verfahren isoliert und erzeugt werden.

(Beispiel 6)

Ein noch anderes erfindungsgemäßes Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 10A und Fig. 10B zeigen schematische Ansichten eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements gemäß diesem Beispiel. Fig. 10A zeigt eine schematische Draufsicht, und Fig. 10B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts in Fig. 10A.
Dieses Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf die Herstellungsschritte beschrieben.
(1) Wie in Fig. 10A und Fig. 10B gezeigt, wurde eine p- leitende Halbleiterschicht 1002 mit einer Störstellenkonzentration von 3 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ durch CVD epitaxial auf einem p- leitenden Halbleitersubstrat 1001 (in diesem Fall wurde Si (100) verwendet) aufgewachsen. Anschließend wurde eine thermische Oxidschicht mit einer Dicke von mehreren Zehn Nanometer (mehreren Hundert Å) erzeugt.
(2) Die sich ergebende Struktur wurde in Anwendung eines photolithographischen Prozesses sachgemäß strukturiert, um eine Öffnung in der thermischen Oxidschicht in einem Abschnitt auszubilden, in welchem ein p-leitender Hochkonzentrations- Halbleiterabschnitt 1003 zu erzeugen war, und dann wurden B- Ionen implantiert, um eine Tiefe bis etwa 300 nm (3000 Å) und eine Störstellenkonzentration von 2 · 10¹&sup7; bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu erreichen.
(3) Eine SiN-Schicht wurde durch CVD erzeugt und geätzt, so daß die SiN-Schicht auf einem Abschnitt verblieb, in welchem ein Element zu erzeugen war. Weiterhin wurde eine Feldoxidschicht 1004 als ein Elementisolationsbereich 1004 durch einen Oxydationsprozeß (LOCOS-Verfahren) ausgebildet.
Gleichzeitig mit der Ausbildung der LOCOS-Struktur wurde det p-leitende Hochkonzentrations-Halbleiterbereich 1003 aktiviert, und dann wurde eine Oberfläche durch Ätzen freigelegt. Danach wurde eine 500 nm (5000 Å) dicke Elektrode 1005 erzeugt und in einer gewünschten Form strukturiert, die mit einer Schottky-Elektrode in Kontakt gelangte, welche zuletzt zu erzeugen war.
(4) Eine 1 um dicke Isolationsschicht 1006 wurde durch Sputtern von SiO&sub2; erzeugt. Eine 200 nm (2000 Å) dicke Au- Schicht wurde dann durch Abscheiden als eine Ableitelektrode 1007 ausgebildet.
(5) Die Au-Schicht wurde durch einen lithographischen Resistprozeß in eine Elektrodenform strukturiert, und eine Elektrode 1007 wurde durch Ar-Ionenätzen in einer gewünschten Form geätzt.
(6) Die SiO&sub2;-Schicht 1006 wurde durch Fluorwasserstoffsäure naßgeätzt und so ein Schottky-Übergangsabschnitt freigelegt.
(7) Eine 15 nm (150 Å) dicke Gd-Schicht, welche als eine Schottky-Elektrode 1008 dient, wurde durch EB-Abscheidung erzeugt und wurde bei 350ºC für 5 Minuten zur Umwandlung in GdSi&sub2; einer Wärmebehandlung unterzogen und somit ein Elektronen erzeugendes Element vollendet.
Eine Sperrschichthöhe ΦBp war 0,7 V, und es konnte eine gute Schottky-Diode erzielt werden.
Wenn in dem auf diese Weise erzeugten Elektronen emittierenden Element von einer Energiequelle 1012 eine Vorspannung in Sperrichtung an die p-leitende Halbleiterschicht 1002, die Schottky-Elektrode 1008 und die Elektrode 1005 angelegt wurde, trat ein Lawinendurchbruch an einer Grenzschicht zwischen dem p- leitenden Hochkonzentrations-Halbleiterbereich 1003 und der Schottky-Elektrode 1008 ein. Die erzeugten Elektronen passierten die sehr dünne Schottky-Elektrode 1008, um in einen Vakuumbereich auszutreten, und wurden durch die Ableitelektrode 1007 nach außerhalb des Elements geleitet.
Da in dem Elektronen emittierenden Element gemäß diesem Beispiel das LOCOS-Verfahren als ein Elementisolationsverfahren angewendet wurde, konnte das Element genau und auf einfache Weise erzeugt werden.
Da der p-leitende Hochkonzentrationsbereich in dem Übergangsabschnitt unter Anwendung einer MOLD-Struktur ausgebildet wurde, konnte ein ungleichmäßiger Durchbruch an einem Kantenabschnitt verhindert werden, und ein sehr gleichförmiger und kleiner Elektronenemissionsbereich konnte erzeugt werden.
Da die MOLD-Struktur angewendet wurde, konnte eine p-n- Übergangs-Schutzringstruktur ausgelassen werden, welche in der herkömmlichen Struktur notwendig war. Daher konnte eine Erholungszeit der Diode verkürzt werden, und gute Schalteigenschaften waren erreichbar.
Es ist darauf hinzuweisen, daß eine Ablösearbeit an der Oberfläche durch Abscheiden eines Alkalimetalls, wie z. B. Ba oder Cs, für eine Schicht mit einer Dicke von einem Atom auf der Oberfläche der Schottky-Elektrode 3008 verminderbar ist, um mehr Elektronen zu entnehmen.

(Beispiel 7)

Ein noch anderes bevorzugtes Beispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben.
In diesem Beispiel ist ein Elektronen emittierendes Element ausgebildet, um ein Nebensprechen zwischen den Elementen zu verhindern.
(1) Eine 3 um dicke Schicht 1014, welche fast keine Störstellen aufweist, wurde durch CVD auf einem n-leitenden Halbleitersubstrat (diese Ausführungsform verwendet eine Si-(100)- Ebene) aufgewachsen.
(2) B-Ionen wurden in der Schicht 1014 implantiert, welche nahezu keine Störstellen aufwies, für eine Störstellenkonzentration von 1 bis 5 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ und eine Tiefe von etwa 1 um, wodurch eine p-leitende leitfähige Schicht 1002 erzeugt wurde.
(3) Ferner wurden B-Ionen implantiert, um eine Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ zu erhalten und somit eine ohmsche Kontaktschicht 1013 auszubilden.
(4) Danach folgten im wesentlichen dieselben Arbeitsgänge wie im vorstehend erläuterten Beispiel 6, und ein Elektronen emittierendes Element wurde vollendet.
Wenn in dem auf diese Weise hergestellten Elektronen emittierenden Element eine Vorspannung in Sperrichtung an der p- leitenden ohmschen Halbleiterkontaktelektrode 1010 einer Schottky-Elektrode 1008 und einer Elektrode 1005 angelegt wurde, konnte das Elektronen emittierende Element unabhängig gesteuert werden.
(Beispiel 8) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Ein noch anderes Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben.
In diesem Beispiel wurden die im Beispiel 7 gezeigten Elektronen emittierenden Halbleiterelemente in X- und in Y-Richtung ausgerichtet, um eine Matrix auszubilden. Fig. 13 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts in Fig. 12, und Fig. 14 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines B - B-Abschnitts in Fig. 12. Es ist darauf hinzuweisen, daß in Fig. 13 und Fig. 14 die Struktur teilweise ausgelassen ist.
In diesem Beispiel wurden die Elektronen emittierenden Elemente für drei Farben (R, G und B) in einer Pixelgröße angeordnet, so daß eine Farbanzeige ausgebildet werden konnte, und jedes Elektronen emittierende Element wies eine rechteckige Form auf, so daß eine lichtemittierende Fläche so groß als möglich gewährleistet werden konnte.
Die Herstellungsschritte waren im wesentlichen dieselben wie jene im Beispiel 7.
In den Elektronen emittierenden Elementen dieses Beispiels ist eine Vorspannung in Sperrichtung an einem beliebigen der Funkte (R1, G1, B1, R2, G2, B2) in der X-Richtung und an einem beliebigen der Punkte (a, b) in der Y-Richtung angelegt, und die Elektronen können von einem beliebigen Punkt der Elektronen emittierenden Elementmatrix emittiert werden.
(Beispiel 9) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Ein Elektronen emittierendes Halbleiterelement, welches einen Lawinendurchbruch verwendet, wird beispielhaft als noch anderes Beispiel beschrieben.
Fig. 15 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel.
Die Struktur des Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 15 beschrieben.
In Fig. 15 ist eine p-leitende GaAs-Schicht 1502 mit einer Störstellenkonzentration von 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ durch MBE (Molekularstrahlepitaxie) auf einem p&spplus;-leitenden GaAs-Substrat 1501 mit einer Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ erzeugt. Be-Ionen werden in der p-leitenden GaAs-Schicht 1502 durch Anwendung einer FIB-(fokussierter Ionenstrahl)-Einrichtung implantiert, um eine 4 um breite p&spplus;-leitende Schicht 1503 auszubilden. Eine 10 nm dicke Wolfram-Schottky-Elektrode 1504 wird durch Sputtern auf der p-leitenden GaAs-Schicht 1502 erzeugt. Ferner werden eine Verdrahtungselektrode 1505, welche aus einem Material mit niedrigem elektrischen Widerstand erzeugt ist, um einen Spannungsabfall in einem Stromkonzentrationsbereich zu verhindern, und wird nahe dem Elektronenemissionsbereich 1503 erzeugt (etwa 4 um), und eine Elektronenemissionselektrode 1506, welche aus einem Material mit einer niedrigen Ablösearbeit erzeugt ist, um den Wirkungsgrad der Elektronenemission zu erhöhen, und eine Dicke von 10 nm oder weniger aufweist, auf der Schottky-Elektrode 1504 erzeugt.
Um die Elektronenemission aus der Elektronenemissionselektrode 1506 in dem Elektronen emittierenden Element auszuführen, wie vorstehend beschrieben ist, muß eine Vorspannung in Sperrichtung nur an dem p&spplus;-leitenden GaAs-Substrat 1501 und der Verdrahtungselektrode 1505 angelegt werden, um eine lichtaufnehmende Schicht auf einer Schottky-Grenzschicht zwischen der Schottky-Elektrode 1504 und der p&spplus;-leitenden Schicht oder dem Bereich 1503 zu verursachen. Da die Schottky-Elektrode 1504 aus einem Material erzeugt ist, welches eine gute Schottky- Grenzschicht ausbilden kann und thermisch beständig ist, wird ein Energieverlust minimiert, welcher durch die Streuung der durch den Lawinendurchbruch erzeugten heißen Elektronen nahe der Schottky-Grenzschicht verursacht ist, so daß das Leistungsvermögen des Lawinendurchbruchs verbessert wird. Elektronen, welche die Schottky-Elektrode 1504 durchlaufen, werden von der Elektronenemissionselektrode 1506 mit hohem Wirkungsgrad von etwa mehreren Prozent in das Vakuum emittiert. Die Verdrahtungselektrode 1505 ist nahe dem p&spplus;-leitenden Bereich 1503, so daß die von dem p&spplus;-leitenden Bereich 1503 emittierten Elektronen nicht durch die Seitenwände der Elektrode 1505 abgestoßen werden und so ein Temperaturanstieg der Schottky- Elektrode 1504 nahe eines Elektronen emittierenden Abschnitts vermieden wird.
Die Herstellungsschritte des in Fig. 15 gezeigten Elektronen emittierenden Elements werden nachstehend mit Bezug auf Fig. 16A bis 16E beschrieben.
(1) Die p-leitende GaAs-Schicht 1502 wurde auf dem p&spplus;- leitenden GaAs-Substrat 1501 durch MBE erzeugt. In diesem Fall war eine Störstellenkonzentration 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;³.
(2) Be-Ionen wurden in der p-leitenden GaAs-Schicht 1502 bei einer Energie von 40 keV durch FIB unter Verwendung von Au-, Be- und Si-Flüssigmetall als eine Tonenquelle implantiert und so der p&spplus;-leitende Bereich 1503 erzeugt. Fig. 16A zeigt diesen Zustand. Es ist zu bemerken, daß die Störstellenkonzentration des p&spplus;-leitenden Bereichs 1503 auf 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und eine Tiefe auf 4 um oder weniger eingestellt war. Ein Elektronenemissionsbereich bis zu 1 um kann mit diesem Verfahren unter Verwendung von FIB auf einfache Weise ausgebildet werden.
(3) Um einen Ionenimplantationsbereich, d. h. den p&spplus;- leitenden Bereich 1503, zu aktivieren, wurde das kappenlose Tempern in einer Atmosphäre aus (Arsin + N&sub2; + H&sub2;) bei 700ºC für 20 Minuten ausgeführt.
(4) Eine 10 nm dicke Wolfram-(W)-Schicht wurde durch Sputtern als die Schottky-Elektrode 1504 erzeugt. Fig. 16B zeigt diesen Zustand.
(5) Eine Resistschicht 1507 wurde strukturiert, wie in Fig. 16C gezeigt ist, um Al als die Verdrahtungselektrode 1505 abzutragen, und die Al-Verdrahtungsschicht 1505 wurde dann ausgebildet, wie in Fig. 16D gezeigt ist.
(6) Die Elektronenemissionselektrode 1506 wurde aus Ba, Cs, LaB&sub6;, Gd, TiC und ZnC mit einer Dicke von 10 nm oder weniger erzeugt. Fig. 16E zeigt diesen Zustand.
Die Herstellungsschritte des in Fig. 15 gezeigten Elektronen emittierenden Elements sind beschrieben worden.
Da gemäß dem Elektronen emittierenden Element dieses vorstehend erläuterten Beispiels die Schottky-Elektrode 1504, die Verdrahtungselektrode 1505 und die Elektronenemissionselektrode 1506 mit getrennten Funktionen ausgestattet sind, können zweckentsprechende Elektrodenmaterialien ausgewählt und dadurch die Eigenschaften optimiert werden.
In den vorstehend erwähnten Herstellungsschritten kann der p&spplus;- leitende Bereich 1503 auch durch selektives Implantieren von Be durch FIB während des epitaxialen Aufwachsens der p-leitenden GaAs-Schicht 1502 erzeugt werden. Die Schottky-Elektrode 1504 ist durch MBE herstellbar. Der Schritt (5) muß nicht immer im Vakuum ausgeführt werden. Nachdem die vorbereitete Struktur nach dem Schritt (4) zeitweilig der Luft ausgesetzt ist, um den Schritt (5) auszuführen, kann der Schritt (6) in einer Vakuumkammer vorgenommen werden, um die Elektronenemission auszuführen.
In diesem Beispiel ist das Elektronen emittierende Element unter Verwendung von GaAs als ein Substratmaterial beispielhaft beschrieben worden. In Elektronen emittierenden Elementen, welche Si, GaP, AlGaAs, SiC, Diamant, AlN und dergleichen als Substratmaterialien verwenden, ist dieselbe Wirkung wie vorstehend beschrieben erreichbar.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf das Elektronen emittierende Element des Lawinendurchbruch-Typs begrenzt. Wird z. B. die vorliegende Erfindung auf ein Elektronen emittierendes Element vom NEA-Typ mit einer Schottky-Elektrode angewendet, ein Elektronen emittierendes Element vom MIM-Typ, ein Elektronen emittierendes Element vom MIS-Typ oder dergleichen, kann dieselbe Wirkung erreicht werden, wie vorstehend beschrieben ist.
(Beispiel 10) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Als noch anderes Beispiel wird nachstehend ein Fall erläutert, wobei ein Elektronen emittierendes Element, welches eine Ableitelektrode oder eine Linsenelektrode aufweist, hergestellt wird.
Fig. 17 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel.
In dem Elektronen emittierenden Element gemäß diesem Beispiel sind eine SiO&sub2;-Schicht als eine Isolationsschicht 1508 und eine Al-Schicht als eine Ableit- oder Linsenelektrode 1509 am Elektronen emittierenden Element des Beispiels 9 angeordnet, wie in Fig. 17 gezeigt ist.
Da in dem Elektronen emittierenden Element dieses Beispiels die Schottky-Elektrode 1504, die Verdrahtungselektrode 1505 und die Elektronenemissionselektrode 1506 mit separaten Funktionen ausgebildet sind, können geeignete Elektrodenmaterialien ausgewählt und somit die Eigenschaften optimiert werden, wie in dem Elektronen emittierenden Element des Beispiels 9.
Da außerdem die Schottky-Elektrode 1504 im voraus aus einem beständigen Material ausgebildet ist, kann verhindert werden, daß sich die Eigenschaften beim Erzeugen eines Lochs 1510 eines Elektronen emittierenden Abschnitts der Ableit- oder Linsenelektrode 1509 verschlechtern. Selbst wenn die Ableit- oder Linsenelektrode 1509 bei der Erzeugung des Materials mit niedriger Ablösearbeit in der Mittenrichtung überhängt und nur nahe des p&spplus;-leitenden Bereichs erzeugt ist, beeinflußt es nicht die elektrischen Eigenschaften des Elements, und es können gute Elektronenemissionseigenschaften erzielt werden.
(Beispiel 11) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Als noch anderes Beispiel wird nachstehend ein Fall beschrieben, wobei ein Schutzring auf dem Elektronen emittierenden Element ausgebildet wird, um die Durchbruchspannungseigenschaften in Sperrichtung zu verbessern.
Fig. 18 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden Elements gemäß diesem Beispiel.
Wie in Fig. 18 gezeigt, wurde in diesem Beispiel ein n&spplus;- leitender Bereich durch Ionenimplantieren von Si unter Anwendung eines FIB als ein Schutzring 1511 ausgebildet.
Da in dem Elektronen emittierenden Element dieses Beispiels eine Schottky-Elektrode 1504, eine Verdrahtungselektrode 1505 und eine Elektronenemissionselektrode 1506 mit separaten Funktionen ausgebildet sind, können geeignete Elektrodenmaterialien ausgewählt und dabei die Eigenschaften optimiert werden, wie in dem Elektronen emittierenden Element der Beispiele 9 und 10.
(Beispiel 12) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Fig. 19A und Fig. 19B zeigen schematische Ansichten eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements dieses Beispiels.
Fig. 19A zeigt eine schematische Draufsicht, und Fig. 19B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A- Abschnitts in Fig. 19A.
Wie in Fig. 19A und Fig. 19B gezeigt ist, wurde eine p-leitende Halbleiterschicht 1902 mit einer Störstellenkonzentration von 3 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ durch CVD auf einem p-leitenden Halbleitersubstrat 1901 (Si (100) in diesem Beispiel) epitaxial aufgewachsen. Eine Öffnung wurde in einem Photoresist in einer vorbestimmten Position in einem photolithographischen Resistprozeß erzeugt, und P-(Phosphor)-Ionen wurden durch die Öffnung implantiert. Die sich ergebende Struktur wurde getempert, um einen n-leitenden Halbleiterbereich 1903 auszubilden. Ähnlich wurde in dem Photoresist in einer vorbestimmten Position eine Öffnung erzeugt, und die sich ergebende Struktur wurde getempert, um einen Hochkonzentrations-Dotierungsbereich 1904 auszubilden (4 bis 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³).
Eine 10 nm (100 Å) dicke Gd-Schicht (ΦWK = 3,1 V) als ein Material mit niedriger Ablösearbeit, welche als eine Schottky- Elektrode 1905 dient, wurde abgeschieden und einer Wärmebehandlung bei 350ºC für zehn Minuten unterzogen, um diese in GdSi&sub2; umzuwandeln. Eine Sperrschichthöhe ΦBP war zu dem Zeitpunkt 0,7 V, und eine gute Schottky-Diode wurde erzielt.
Eine SiO&sub2;-Schicht und eine Polysiliziumschicht wurden dann abgeschieden, und eine Öffnung für die Emission der Elektronen wurde dann in diesen Schichten unter Anwendung einer photolithographischen Technologie erzeugt. Danach wurde durch selektives Ätzen über eine SiO&sub2;-Schicht 1906 eine Ableitelektrode 1907 auf der Schottky-Elektrode 1905 ausgebildet. Eine ohmsche Kontaktelektrode 1908 wurde auf der anderen Seite des p-leitenden Halbleitersubstrats 1901 durch Abscheiden von Al erzeugt. Eine Energiezuführung 1909 wird verwendet, um eine Vorspannung Vd in Sperrichtung an der Schottky-Elektrode 1905 und der Elektrode 1908 anzulegen, und eine Energiezuführung 1910 wird verwendet, um eine Spannung Vg an der Schottky-Elektrode 1905 und der Ableitelektrode 1907 anzulegen.
Wenn in der vorstehend erwähnten Struktur die Vorspannung Vd in Sperrichtung an der Schottky-Diode angelegt wird, welche durch den p-leitenden Halbleiterbereich 1902 und die Schottky- Elektrode 1905 ausgebildet wird, tritt ein Lawinendurchbruch an einer Grenzschicht zwischen dem p&spplus;-leitenden Halbleiterbereich 1904 und der Schottky-Elektrode 1905 ein. Die erzeugten Elektronen durchlaufen die Schottky-Elektrode 1905, da diese sehr dünn ist, 10 nm (100 Å) oder weniger, um in einen Vakuumbereich auszutreten, und werden durch die Ableitelektrode 1907 nach außerhalb des Elements geleitet. Da gemäß diesem Beispiel 4E durch die Vorspannung in Sperrichtung erhöht wird, wie vorstehend erläutert, ist das Material mit niedriger Ablösearbeit nicht auf Cs oder Cs-O begrenzt, sondern kann aus dem vorstehend erwähnten breiten Materialspektrum ausgewählt werden. Somit ist ein beständigeres Material verwendbar. Da die Elektronen emittierende Oberfläche als die Schottky-Elektrode aus dem Material mit niedriger Ablösearbeit dient, kann ein Erzeugungsprozeß der Oberflächenelektrode vereinfacht werden, und ein sehr zuverlässiges Elektronen emittierendes Halbleiterelement mit höherer Stabilität ist herstellbar.
(Beispiel 13) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Fig. 20 zeigt eine schematische Schnittansicht eines noch anderen Beispiels eines Elektronen emittierenden Halbleiterelements.
Dieses Beispiel ist vorgesehen, um ein Nebensprechen zwischen den Elementen in dem Elektronen emittierenden Halbleiterelement des vorstehend beschriebenen Beispiels 12 zu verhindern.
Es sei darauf hingewiesen, daß diese Beispiel Al0,5Ga0,5As (Eg beträgt etwa 1,9) übernimmt, um einen Wirkungsgrad der Emission der Elektronen zu erhöhen.
Wie in Fig. 20 gezeigt ist, wurde eine p&spplus;-leitende Al0,5Ga0,5As-Schicht 1913 während des Dotierens von Be in einem halbisolierenden GaAs-(100)-Substrat 1912a epitaxial aufgewachsen, bis zu einer Störstellenkonzentration von 10¹&sup8; cm&supmin;³. Dann wurde eine p-leitende Al0,5Ga0,5As-Schicht 1902 während des Dotierens mit Be bis zu einer Störstellenkonzentration von 10¹&sup6; cm&supmin;³ epitaxial aufgewachsen.
Danach wurden Be-Ionen durch einen FIB (fokussierter Ionenstrahl) bei einer Beschleunigungsspannung von etwa 180 keV in eine tiefe Schicht implantiert, so daß eine p&spplus;&spplus;-leitende Schicht 1911 eine Störstellenkonzentration von 10¹&sup9; cm&supmin;³ aufwies, und dann wurden Be-Ionen bei einer Beschleunigungsspannung von etwa 40 keV in eine relativ flache Schicht implantiert, so daß eine p&spplus;-leitende Halbleiterschicht 1904 eine Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufwies. Weiterhin wurden Si-Ionen bei einer Beschleunigungsspannung von etwa 60 keV implantiert, so daß eine n-leitende Halbleiterschicht 1903 eine Störstellenkonzentration von 10¹&sup8; cm&supmin;³ aufwies. Protonen oder Borionen wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 200 keV oder mehr implantiert, um einen Elementisolationsbereich 1912b zu erzeugen.
Die sich ergebende Struktur wurde in einer (Arsin + N&sub2; + H&sub2;)- Atmosphäre bei 800ºC für 30 Minuten getempert. Nach dem Ausbilden einer zweckentsprechenden Maske wurde eine 10 nm (100 Å) dicke BaB&sub6;-Schicht (ΦWK = 3,4 eV) abgeschieden, und die erhaltene Struktur wurde bei einer Temperatur von 600ºC für 30 Minuten getempert, wobei eine Schottky-Elektrode 1905 erzeugt wurde. Es folgten dieselben Arbeitsvorgänge wie im Beispiel 12, welches in Fig. 19A und Fig. 19B gezeigt ist, und eine Ableitelektrode 1907 wurde ausgebildet. Schließlich wurde eine Oxydationsbehandlung der Oberfläche ausgeführt, um einen Abschnitt von 1/3 der Oberflächenschicht der BaB&sub6;-Schicht zu oxydieren, um eine BaO-Schicht (ΦWK = 1,8 eV) zu erzeugen. Eine Sperrschichthöhe ΦBp war zu diesem Zeitpunkt 0,9 V, und es konnte ein Elektronen emittierendes Halbleiterelement geschaffen werden, welches gute Schottky-Eigenschaften und eine höhere Stromdichte als Si aufwies.
Da gemäß diesem Beispiel die Elemente voneinander isoliert sind, kann ein Nebensprechen zwischen den Elementen ausgeschlossen werden, welches auftritt, wenn eine große Zahl von Elektronen emittierenden Halbleiterelementen auf einen Substrat hergestellt sind, und die jeweiligen Elemente sind unabhängig ansteuerbar. Da eine Halbleiterverbindung mit breitem Bandabstand als ein Halbleiter eingesetzt wird und ein Borat auf einer Oberfläche angewendet wird, weist die Schottky- Elektrode eine sehr gute Kontaktierbarkeit sowie eine niedrige Ablösearbeit auf, und eine große Schottky-Sperrschichthöhe kann erzeugt und der Wirkungsgrad der Elektronenemission erhöht werden.
(Beispiel 14) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Fig. 21A und Fig. 21B zeigen schematische Ansichten, wenn eine große Anzahl von Elektronen emittierenden Halbleiterelementen des Beispiels 13 linienförmig ausgebildet sind. Fig. 21A zeigt eine schematische Draufsicht, und Fig. 21B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines C - C-Abschnitts in Fig. 21A.
Es ist darauf hinzuweisen, daß eine Schnittansicht entlang eines B - B-Abschnitts in Fig. 21A dieselbe wie jene im Beispiel 13 ist, welche in Fig. 20 gezeigt ist. Da die Struktur jedes Elektronen emittierenden Halbleiterelements dieselbe wie jene im Beispiel 13 ist, wird eine ausführliche Beschreibung ausgelassen.
Wie in Fig. 21A und Fig. 21B gezeigt ist, wurden die p&spplus;-leitende Schichten 1904a bis 1904 h, die Schottky-Elektroden 1905a bis 1905 h und die Elementisolationsbereiche 1912b auf einem halbisolierenden GaAs-(100)-Substrat 1912a durch Ionenimplantieren erzeugt.
In der vorstehend erläuterten Struktur ist eine große Zahl von Elektronen emittierenden Halbleiterelementen 1904a bis 1904h auf einem Elektronen emittierenden Abschnitt linienförmig ausgebildet, und wenn die Vorspannungen in Sperrichtung jeweils an die große Zahl von Elektroden 1905a bis 1905 h angelegt sind, können die jeweiligen Elektronenquellen unabhängig gesteuert werden.
(Beispiel 15) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Ein noch anderes Beispiel wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 22A und Fig. 22B zeigen schematische Ansichten des Beispiels 15 eines Elektronen emittierenden Elements. Fig. 22A zeigt eine schematische Draufsicht, und Fig. 22B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts in Fig. 22A. Fig. 23 bis 25 zeigen schematisch die Herstellungsschritte des in Fig. 22A und Fig. 22B gezeigten Elektronen emittierenden Elements.
In diesem Beispiel wurde eine Be-dotierte, p-leitende Epitaxialschicht (p-leitende Halbleiterschicht) 2202 mit einer Trägerkonzentration von 5 · 10¹&sup6; Atomen/cm³ durch MBE (Molekularstrahlepitaxie) auf einem Zn-dotierten, p-leitenden GaAs- Substrat 2201 mit einer Trägerkonzentration von 8 · 10¹&sup8; Atomen/cm³ erzeugt, und das erhaltene Substrat wurde als ein Material verwendet.
Wie in der schematischen Schnittansicht der Fig. 23 gezeigt ist, wurde eine 200 nm (2000 Å) dicke Siliziumnitridschicht 2213a durch CVD abgeschieden und durch zweckentsprechendes Strukturieren entfernt, um einen n-leitenden Bereich auszubilden. Dann wurden Si-Ionen bei zwei unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen von 160 keV und 80 keV durch eine FIB-Einrichtung implantiert, so daß eine Si-Ionenkonzentration auf der Oberfläche mäßig vermindert wurde (um eine geneigte Grenzschicht zu erhalten). Gleichzeitig wurden Be-Ionen bei einer Beschleunigungsspannung von 80 keV durch eine Siliziumnitridschicht 2213a implantiert. Da der Ionenimplantierprozeß in dieser Weise ausgeführt wurde, konnte ein n-leitender Bereich 2203 bis in eine Tiefe von 500 nm (5000 Å) erzeugt werden, und gleichzeitig wurde ein p-leitender Hochkonzentrationsbereich 2204 mit einer Tiefe von 200 nm (2000 Å) und einem Durchmesser von 2 um ausgebildet.
Da das maskenlose Ionenimplantieren angewendet wurde, wie vorstehend beschrieben ist, kann das mehrstufige Ionenimplantieren und das Ionenimplantieren unterschiedlicher Arten von Ionen ausgeführt werden, und ein Strahl ist auf etwa 1 um fokussierbar. Daher kann nicht nur der p-leitende Hochkonzentrationsbereich sondern auch die gesamte Elementstruktur im Submikrometerbereich hergestellt werden, und eine sehr kleine punktförmige Elektronenquelle ist erzeugbar.
Wie in der schematischen Schnittansicht der Fig. 24 gezeigt ist, wurde der Ionenimplantierabschnitt zweckentsprechend getempert, während die Siliziumnitridschicht 2213a belassen wurde. Danach wurde eine Al-Schicht als eine Kontaktelektrode 2212 auf der Siliziumnitridschicht 2213a abgeschieden. Gemäß diesem Verfahren kann die Kontaktelektrode 2212 mit dem nleitenden Bereichserzeugungsabschnitt selbstjustierend sein.
Wie in der schematischen Schnittansicht der Fig. 25 gezeigt ist, wurde nur die Al-Schicht nahe dem p-leitenden Hochkonzentrationsbereich unter Verwendung einer zweckentsprechenden Maske durch Phosphorsäure entfernt. Es wurden eine 1 um dicke Siliziumoxidschicht 2213b und eine 200 nm (2000 Å) dicke Siliziumnitridschicht 2211 abgeschieden, und eine 200 nm (2000 Å) dicke Goldschicht wurde dann als eine Ableitelektrode 2207 abgeschieden. Eine Öffnung wurde unter Verwendung eines Resists auf dem oberen Abschnitt der Elektronenquelle ausgebildet. Nachdem das Gold der Kontaktelektrode 2207 durch eine Ätzmischung aus Kaliumjodid und Jod aufgelöst war, wurde die Siliziumnitridschicht 2211 durch CF&sub4;-Plasmaätzen strukturiert. Die Siliziumoxidschicht 2213b wurde dann durch Naßätzen unter Verwendung von Fluorwasserstoff und Ammoniumfluorid entfernt. Zu diesem Zeitpunkt konnte unter Nutzung der Tatsache, daß die Siliziumnitridschicht und die Siliziumoxidschicht sich wesentlich unterscheidende Ätzgeschwindigkeiten während des Naßätzens aufweisen, in dem unteren Abschnitt der Ableitelektrode eine gute Kegelform erzielt werden.
Nachdem die Siliziumnitridschicht 2213a nahe dem p-leitenden Hochkonzentrationsbereich 2204 durch CF&sub4;-Plasmaätzen wieder entfernt war, wurde eine BaB&sub6;-Schicht durch EB-Abscheidung aufgetragen. Die BaB&sub6;-Schicht wurde abgeschieden, um die Verbindung zu der Kontaktelektrode 2212 unter Verwendung einer Öffnung herzustellen, welche in den vorstehend erwähnten Prozessen erzeugt war und somit ein guter Schottky-Übergang ausgebildet wurde. Schließlich wurde ein nicht erforderlicher BaB&sub6;-Abschnitt zusammen mit einem Resist entfernt und somit eine in Fig. 22B gezeigte Schottky-Elektronenquelle vervollständigt.
Die Struktur des nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Elektronen emittierenden Elements wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 22A und Fig. 22B ausführlicher beschrieben.
In dem Elektronen emittierenden Element dieses Beispiels ist der p-leitende Hochkonzentrationsbereich 2204 im Kontakt mit der Schottky-Elektrode 2205 auf dem Halbleitersubstrat, um eine Schottky-Grenzschicht zu erzeugen, und eine Vorspannung in Sperrichtung ist an der Schottky-Elektrode angelegt, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen, wodurch die Elektronenlochpaare erzeugt werden. Die durch die Elektronenlochpaare erzeugten Elektronen werden von der Halbleiteroberfläche emittiert. In diesem Beispiel war die Siliziumnitridschicht 2211 auf der Siliziumoxidschicht 2213b erzeugt, und die Ableitelektrode 2207 war aus Gold ausgebildet.
In diesem Beispiel wird eine niedrige Durchbruchspannung in einem Schottky-Übergangsabschnitt 2214 in einer Öffnung durch einen verbleibenden Abschnitt des Schottky-Übergangsabschnitts erzeugt. Da in diesem Beispiel eine dünne Verarmungsschicht 2206 des Schottky-Übergangsabschnitts 2214 in dem Übergangsabschnitt 2214 erzeugt ist, wird eine niedrige Durchbruchspannung erzeugt. Eine örtliche Verminderung der Durchbruchspannung kann durch Ausbilden des p-leitenden Hochdotierungsbereichs 2204 in dem Übergangsabschnitt 2214 erreicht werden. Der n-leitende Bereich 2203 ist um die Schottky-Elektrode herum erzeugt, um das Austreten aus dem Kantenabschnitt des Schottky-Übergangs zu verhindern und dadurch unnötigen Stromverlust zu vermeiden.
Dieses Beispiel weist die Kontaktelektrode 2212 auf, und die Kontaktelektrode 2212 ist mit dem n-leitenden Bereich 2203 verbunden. Da die Kontaktelektrode 2212 im voraus erzeugt wird und die Schottky-Elektrode 2205 ausgebildet wird, um mit der Kontaktelektrode 2212 im letzten Prozeß verbunden zu werden, kann eine Änderung der Schottky-Eigenschaften und eine chemische Veränderung in der Schottky-Elektrode während eines Herstellungsprozesses verhindert werden, im Vergleich zu einem Fall, in welchem ein Schottky-Übergang im voraus erzeugt wird.
In diesem Beispiel weist die Schottky-Elektrode 2205 eine BaB&sub6;-Schicht mit einer Ablösearbeit von 3,4 eV auf. Es wurde experimentell gefunden, daß eine Schottky-Sperrschichthöhe zwischen BaB&sub6; und p-leitendem GaAs ΦBp = 0,66 V war, und ein wirkungsvoller Schottky-Übergang konnte erzeugt werden. BaB&sub6; zeigte eine ausreichende Leitfähigkeit und wurde als eine 10 nm (100 Å) dicke Schicht durch EB-Abscheidung erzeugt, während die stöchiometrische Zusammensetzung unverändert blieb.
Das p-leitende Substrat 2201 ist vorzugsweise ein Hochkonzentrationssubstrat, so daß die ohmsche Kontaktschicht 2208 auf einfache Weise auf dessen unterer Oberfläche erzeugbar ist. In dem in Fig. 22A und Fig. 22B gezeigten Beispiel wies der nleitende Bereich 2203 eine Störstellenkonzentration von 1 · 10¹&sup8; Atome/cm³ auf, der p-leitende Bereich 2204 hatte eine Störstellenkonzentration von 7 · 10¹&sup7; Atome/cm³, die p-leitende Halbleiterschicht 2202 hatte eine Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup6; Atome/cm³, und das p-leitende Substrat 2201 wies eine Störstellenkonzentration von 8 · 10¹&sup8; Atome/cm³ auf. Mit diesen Konzentrationen kann die Verarmungsschicht in dem Schottky-Übergang 2214 eine Dicke von 80 nm (800 Å) in einem Durchbruchzustand aufweisen, und eine Durchbruchspannung von 5 V und eine maximale elektrische Feldstärke von 1 · 10&sup6; V/cm können erreicht werden. Im allgemeinen können die Elektronen eine höhere Energie aus einem Lawinendurchbruch erlangen, wenn ein elektrisches Feld stärker ist. Da der p-leitende Hochkonzentrationsbereich auf eine Konzentration eingestellt ist, um eine maximale elektrische Feldstärke zu erreichen, d. h. eine Dotierungsmenge zum Steuern eines Durchbruchs, um nicht einen Tunneldurchbruch zu verursachen, kann eine höhere Energie auf die Elektronen einwirken.
In diesem Beispiel wird ein GaAs-Substrat als ein Halbleitersubstrat verwendet. Das Element der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf ein GaAs-Substrat als ein Halbleitersubstrat begrenzt, sondern es können Silizium-, Siliziumkarbid-, Galliumphosphid-Halbleitersubstrate oder dergleichen verwendet werden. Insbesondere ist ein Material, welches einen Schottky- Übergang ausbilden kann und eine große Schottky-Sperrschichthöhe und einen großen Bandabstand aufweist, zu bevorzugen.
(Beispiel 16) (das nicht gemäß dem Erfindungsanspruch ist)
Fig. 26 zeigt ein noch anderes Beispiel. In diesem Beispiel wird zuerst ein Schutzring entsprechend einem n-leitenden Bereich des in Fig. 22B gezeigten Elements erzeugt, und dann wird ein p-leitender Bereich ausgebildet. Da diese zwei Halbleiterschichten erzeugt werden, weist die in Fig. 22B gezeigte Verarmungsschicht 2206 eine unterschiedliche Form auf, und eine Schalterholungszeit kann infolge einer Änderung der Anreicherungswirkung verkürzt sein. Beim Herstellen dieses Elements wird ein p-leitender Abschnitt durch Ionenimplantieren von Be- Ionen bei einer Beschleunigungsspannung von 40 keV und einer Spitzenkonzentration von 10¹&sup9; Atomen/cm³ oder mehr nach dem Ausbilden des n-leitenden Bereichs 2203 im Herstellungsverfahren des Beispiels 15 erzeugt. Wird ein maskenloser Ionenimplantierprozeß angewendet, können die Maskenerzeugungsprozesse weiter vereinfacht werden.

(Beispiel 17)

Ein noch anderes bevorzugtes Beispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 27A und Fig. 27B zeigen schematische Ansichten des Beispiels 17 eines erfindungsgemäßen Elektronen emittierenden Halbleiterelements. Fig. 27A zeigt eine schematische Draufsicht, und Fig. 27B zeigt eine schematische Schnittansicht entlang eines A - A-Abschnitts in Fig. 27A. Fig. 28-30 zeigen schematisch die Herstellungsschritte des in Fig. 27A und Fig. 27B gezeigten Elektronen emittierenden Elements.
In diesem Beispiel wurde eine Be-dotierte, p-leitende Epitaxialschicht (p-leitende Halbleiterschicht) 2703, welche eine Trägerkonzentration von 5 · 10¹&sup6; Atome/cm³ aufwies, durch MBE (Molekularstrahlepitaxie) auf einem Zn-dotierten, p-leitenden GaAs-Substrat 2701 mit einer Trägerkonzentration von 8 · 10¹&sup8; Atome/cm³ erzeugt, und das erhaltene Substrat wurde als ein Material verwendet.
Wie in Fig. 28 gezeigt ist, wurde nach dem Abscheiden einer 200 nm (2000 Å) dicken Aluminiumnitridschicht 2713a durch CVD die Aluminiumnitridschicht 2713a durch sachgemäßes Strukturieren entfernt, um einen halbisolierenden Bereich auszubilden, und O-Ionen wurden dann bei einer Beschleunigungsspannung von 160 kev unter Verwendung eines Resists und der Aluminiumnitridschicht als eine Maske durch eine Ionenimplantiereinrichtung implantiert. Nachdem das Resist entfernt war, wurden Be- Ionen bei einer Beschleunigungsspannung von 80 keV über die Aluminiumnitridschicht 2713a durch eine maskenlose Ionenimplantiereinrichtung implantiert. Durch diesen Ionenimplantierprozeß wurde ein halbisolierender Bereich 2703 bis zu einer Tiefe von 400 nm (4000 Å) ausgebildet, und gleichzeitig wurde ein p-leitender Hochkonzentrationsbereich 2704 bis zu einer Tiefe von 200 nm (2000 Å) und einem Durchmesser von 2 um erzeugt.
Da das maskenlose Ionenimplantieren angewendet wird, wie vorstehend beschrieben, ist das mehrstufige Ionenimplantieren und das Ionenimplantieren unterschiedlicher Arten von Ionen ausführbar, und ein Strahl ist auf etwa 1 um fokussierbar. Daher kann nicht nur der p-leitende Hochkonzentrationsbereich sondern auch die gesamte Elementstruktur im Submikrometerbereich gefertigt werden, und eine sehr kleine punktförmige Elektronenquelle ist erzeugbar.
Wie in Fig. 29 gezeigt ist, wurde der Ionenimplantierabschnitt sachgemäß getempert, während die Aluminiumnitridschicht 2713 belassen wurde. Danach wurde eine Al-Schicht als eine Kontaktelektrode 2712 auf der Aluminiumnitridschicht 2713 abgeschieden. Gemäß diesem Verfahren kann die Kontaktelektrode 2712 mit dem halbisolierenden Bereich selbstjustierend sein.
Wie in Fig. 30 gezeigt, wurde nur die Al-Schicht nahe dem p- leitenden Hochkonzentrationsbereich durch eine Phosphorsäure unter Verwendung einer geeigneten Maske entfernt. Eine 1 um dicke Siliziumoxidschicht 2713b und eine 200 nm (2000 Å) dicke Siliziumnitridschicht 2711 wurden abgeschieden, und 100 nm (1000 Å) dicke Palladium- und Goldschichten wurden dann als eine Ableitelektrode 2707 abgeschieden. Auf dem oberen Abschnitt der Elektronenquelle wurde durch Strukturieren unter Verwendung eines Resists eine Öffnung erzeugt. Die Gold- und Palladiumschichten der Kontaktelektrode 2707 wurden durch Argon geätzt, und die Siliziumnitridschicht 2711 wurde dann durch CF&sub4;-Plasmaätzen strukturiert. Danach wurde die Siliziumoxidschicht 2713b durch Naßätzen unter Verwendung von Fluorwasserstoff und Ammoniumfluorid entfernt. Zu diesem Zeitpunkt wurde durch Ausnutzen der Tatsache, daß die Siliziumnitridschicht und die Siliziumoxidschicht während des Naßätzens wesentlich unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten aufweisen, eine gute Kegelform in dem unteren Abschnitt der Ableitelektrode erhalten.
Nachdem die Siliziumnitridschicht 2713a nahe dem p-leitenden Hochkonzentrationsbereich 2704 durch CF&sub4;-Plasmaätzen wieder entfernt war, wurde eine BaB&sub6;-Schicht durch EB-Abscheidung aufgetragen. Die BaB&sub6;-Schicht wurde zum Verbinden mit der Kontaktelektrode 2712 abgeschieden, unter Verwendung einer in den vorstehend erwähnten Schritten erzeugten Öffnung und so ein guter Schottky-Übergang ausgebildet. Schließlich wurde ein unnötiger BaB&sub6;-Abschnitt zusammen mit einem Resist entfernt und somit eine in Fig. 27B gezeigte Schottky-Elektronenquelle vervollständigt.
Die Struktur des nach dem vorstehend erwähnten Verfahren gefertigten Elektronen emittierenden Elements wird ausführlicher mit Bezug auf Fig. 27A und Fig. 27B beschrieben.
In dem Elektronen emittierenden Element dieses Beispiels ist der p-leitende Bereich 2704 im Kontakt mit der Schottky-Elektrode 2705 auf dem Halbleitersubstrat, um einen Schottky-Übergang auszubilden, und eine Vorspannung in Sperrichtung wird an die Schottky-Elektrode angelegt, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen, wodurch Elektronenlochpaare erzeugt werden. Die durch die Elektronenlochpaare erzeugten Elektronen werden von der Halbleiteroberfläche emittiert. In diesem Beispiel wurde die Siliziumnitridschicht 2711 auf der Siliziumoxidschicht 2713b erzeugt, und die Ableitelektrode 2707 wurde aus Palladium und Gold erzeugt.
In diesem Beispiel wird eine niedrige Durchbruchspannung in einem Schottky-Übergangsabschnitt 2714 in einer Öffnung durch einen verbleibenden Abschnitt des Schottky-Übergangs erzeugt. Da in diesem Beispiel eine dünne verarmungsschicht 2706 des Schottky-Übergangs in dem Übergangsabschnitt 2714 ausgebildet ist, wird eine niedrige Durchbruchspannung erzeugt. Eine örtliche Verminderung der Durchbruchspannung ist durch Erzeugen des p-leitenden, dotierten Hochkonzentrationsbereichs 2704 in dem Schottky-Übergang 2714 erreichbar. Der halbisolierende Bereich 2703 wird um die Schottky-Elektrode herum erzeugt, um den Austritt aus dem Kantenabschnitt des Schottky-Übergangs zu verhindern und dadurch unnötigen Stromverlust zu vermeiden.
Dieses Beispiel weist die Kontaktelektrode 2712 auf, und die Kontaktelektrode 2712 ist mit dem halbisolierenden Bereich 2703 verbunden. Da die Kontaktelektrode 2712 im voraus erzeugt wird, und die Schottky-Elektrode 2705 erzeugt wird, um im letzten Prozeß mit der Kontaktelektrode 2712 verbunden zu werden, kann eine Änderung in den Schottky-Eigenschaften und eine chemische Änderung in der Schottky-Elektrode während eines Herstellungsprozesses verhindert werden, verglichen mit einem Fall, wobei ein Schottky-Übergang im voraus erzeugt wird.
In diesem Beispiel weist die Schottky-Elektrode 2705 eine BaB&sub6;-Schicht mit einer Ablösearbeit von 3,4 eV auf. Es wurde experimentell gefunden, daß eine Schottky-Sperrschichthöhe zwischen BaB&sub6; und p-leitendem GaAs ΦBp = 0,66 V war, und es konnte ein wirksamer Schottky-Übergang erzeugt werden. BaB&sub6; zeigte ausreichende Leitfähigkeit und wurde durch EB- Abscheidung als eine 10 nm (100 Å) dicke Schicht ausgebildet, während die stöchiometrische Zusammensetzung unverändert blieb.
Das p-leitende Substrat 2701 ist vorzugsweise ein Hochkonzentrationssubstrat, so daß die ohmsche Kontaktschicht 2708 auf leichte Weise auf der oberen Oberfläche erzeugbar ist. In dem in Fig. 27A und Fig. 27B gezeigten Beispiel wies der n-leitende Bereich 2703 eine Störstellenkonzentration von 1 · 10¹&sup8; Atome/cm³ auf, der p-leitende Bereich 2704 hatte eine Störstellenkonzentration von 7 · 10¹&sup7; Atome/cm³, die p-leitende Halbleiterschicht 2702 wies eine Störstellenkonzentration von 5 · 10¹&sup6; Atome/cm³ auf, und das p-leitende Substrat 2701 hatte eine Störstellenkonzentration von 8 · 10¹&sup8; Atome/cm³. Mit diesen Konzentrationen kann die Verarmungsschicht in dem Schottky-Übergang 2714 in einem Durchbruchzustand eine Dicke von 80 nm (800 Å) aufweisen, und eine Durchbruchspannung von 5 V und eine maximale elektrische Feldstärke von 1 · 10&sup6; V/cm sind erreichbar. Im allgemeinen können die Elektronen aus einem Lawinendurchbruch eine höhere Energie erlangen, da eine elektrische Feldstärke höher ist. Da der p-leitende Hochkonzentrationsbereich auf eine Konzentration eingestellt ist, welche genügt, um eine maximale elektrische Feldstärke zu erhalten, d. h. eine Dotiermenge, um einen Durchbruch zu steuern, um nicht einen Tunneldurchbruch zu verursachen, kann den Elektronen eine höhere Energie übertragen werden.

(Beispiel 18)

Fig. 31 zeigt noch ein anderes Beispiel der Erfindung.
In diesem Beispiel ist eine große Zahl von Elektronen emittierenden Elementen auf einem einzelnen Substrat ausgebildet, und die Elementtrennung ist gewährleistet, so daß die Elektronenquellen unabhängig gesteuert werden können.
In diesem Beispiel wurde ein halbisolierendes GaAs-Substrat verwendet. Eine p-leitende Halbleiterschicht wurde auf dem Substrat erzeugt, und in Fig. 27B gezeigte Elektronen emittierende Elemente wurden darauf ausgebildet. Weiterhin wurden durch Ionenimplantieren halbisolierende Bereiche um die Elemente erzeugt, um die Elemente zu isolieren.
Das Herstellungsverfahren der Elektronen emittierenden Elemente dieser Ausführungsform werden nachstehend beschrieben.
Eine 1 um dicke, Be-dotierte, p-leitende Halbleiterschicht 2716 mit einer Trägerkonzentration von 8 · 10¹&sup8; Atome/cm³ wurde durch MBE epitaxial auf einem halbisolierenden GaAs- Substrat 2715 mit einem Isoliervermögen von 10&sup8; Ω cm oder höher aufgewachsen, und eine 1 um dicke Be-dotierte, p-leitende Halbleiterschicht 2702 mit einer Trägerkonzentration von 5 · 10¹&sup6; Atome/cm³ wurde dann epitaxial aufgewachsen.
Nachdem eine 200 nm (2000 Å) dicke Aluminiumnitridschicht 2713 durch CVD abgeschieden worden ist, wurden ein halbisolierender Bereich 2703 und ein p-leitender Bereich 2717 unter Befolgung derselben Arbeitsschritte wie im Beispiel 17 erzeugt. Die erhaltene Struktur wurde zweckentsprechend strukturiert, um den p-leitenden Bereich 2717 auszubilden, wobei die Aluminiumnitridschicht entfernt wurde. Be-Ionen wurden dann bei einer Beschleunigungsspannung von 160 keV und einer Spitzenkonzentration von 1 · 10¹&sup9; Atome/cm³ implantiert, um in Kontakt mit dem p-leitenden Bereich 2716 zu gelangen. Die resultierende Struktur wurde getempert, um die implantierten Ionen zu aktivieren. Danach wurden H-Ionen unter Verwendung eines Resists als eine Maske tief implantiert, um eine halbisolierende Schicht 2718 zu erzeugen, um das Halbleitersubstrat in ein amorphes Substrat umzuwandeln und somit ein halbisolierendes Substrat zu verwirklichen.
Um das Substrat halbisolierend auszubilden, wurden in diesem Beispiel als Ionen H-Ionen verwendet. Wahlweise können B-Ionen verwendet werden. Nach dem vorstehend erwähnten Ionenimplantierprozeß wurden dieselben Schritte wie im Beispiel 17 wiederholt.

[Wirkung der Erfindung]

Wie vorstehend beschrieben ist, wird erfindungsgemäß in einem Elektronen emittierenden Schottky-Halbleiterelement eine MOLD- Struktur ausgebildet, und vorzugsweise wird ein Störstellenkonzentrationsunterschied vom 10fachen oder mehr eingestellt, so daß ein Durchbruch in einem Hochkonzentrations-Dotierungsbereich bei einer niedrigeren Spannung als eine Durchbruch eintreten kann, verursacht durch ein starkes elektrisches Feld um eine Schottky-Elektrode. Da in diesem Fall ein Schutzring eines p-n-Übergangs ausgelassen werden kann, welcher in einer herkömmlichen Struktur erforderlich ist, kann der Herstellungsprozeß vereinfacht und eine Schaltgeschwindigkeit sowie eine Modulationsfrequenz können erhöht werden. Da der Schutzring ausgelassen ist, wird eine zum Ausbilden des Schutzrings erforderliche Fläche nicht notwendig, und das Element kann kompakter ausgeführt werden.
Da erfindungsgemäß weiterhin ein p-leitender Hochkonzentrations-Halbleiterbereich erzeugt wird, kann ein gleichmäßiger Lawinendurchbruch in einem dotierten Abschnitt verursacht werden, und es wird ein Elektronenstrahl erzielt, welcher eine gute Gleichförmigkeit und eine sehr geringe Punktgröße aufweist.
Da erfindungsgemäß der Herstellungsprozeß vereinfacht werden kann, sind die Herstellungskosten des Elements verminderbar, und eine Herstellungsausbeute kann gesteigert werden.
Da die jeweiligen Schichten mit dem Störstellen-Hochkonzentrationsbereich selbstjustierend sein können, kann ein Element sehr klein ausgebildet werden, und das Elektronen emittierende Element kann in einer integrierten Schaltung angewendet werden.
Da ferner das LOCOS-Verfahren um einen Schottky-Übergangsabschnitt in einem Elektronen emittierenden Schottky-Halbleiterelement herum angewendet wird, kann ein p-n-Übergangs-Schutzring ausgelassen werden, und eine Schalterholungszeit ist fast auf Null verkürzbar, um eine sehr hohe Modulationsfrequenz zu realisieren. Somit ist ein Anwendungsbereich des Elektronen emittierenden Elements erweiterbar. Da weiterhin die Elementisolation und der Kantenschutz gleichzeitig erreichbar sind, ist das Element mikrostrukturierbar, und der Herstellungsprozeß kann weiter vereinfacht werden.
Da in diesem Fall eine p-leitende leitfähige Schicht mit einem örtlichen Hochkonzentrationsabschnitt erzeugt wird, kann ein gleichmäßiger Lawinendurchbruch in einem dotierten Abschnitt verursacht werden, und es wird ein Elektronenstrahl erreicht, welcher eine gute Gleichförmigkeit und eine sehr kleine Punktgröße aufweist.
Da außerdem erfindungsgemäß eine Verdrahtungselektrode und eine Elektronenemissionselektrode auf einer Spannungsanlegeelektrode erzeugt sind, um die Funktionen der Elektroden aufzuteilen, kann ein Elektronenemissionselement, welches stabile Elektronenemissionseigenschaften aufweist, den Wirkungsgrad der Elektronenemission und eine Herstellungsausbeute der Elemente erhöhen.
Insbesondere in einem Mehrfach-Elektronenemissionselement, in welchem eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Elementen in einer Matrix angeordnet sind, ist die Struktur kompliziert. Erfindungsgemäß kann jedoch ein Ertrag wesentlich gesteigert werden.
Erfindungsgemäß ist in einem Elektronen emittierenden Halbleiterelement eine p-leitende Halbleiterschicht im Kontakt mit einer Schottky-Elektrode, um eine Schottky-Diode auszubilden, und der Übergangsabschnitt der Diode ist in Sperrichtung vorgespannt, so daß ein Vakuumniveau EVAC bei einem Energieniveau niedriger als ein Leitungsband EC der p-leitenden Halbleiterschicht eingestellt werden kann. Daher ist eine größere Energiedifferenz ΔE als in einer herkömmlichen Struktur leicht erzielbar. Beim Verursachen eines Lawinendurchbruchs wird eine große Zahl von Elektronen als Minoritätsträger in einem p- leitenden Halbleiter erzeugt, um einen Emissionsstrom zu erhöhen, und eine hohe elektrische Feldstärke wird an einer dünnen Verarmungsschicht angelegt, um heiße Elektronen zu erzeugen, und somit wird die leichte Entnahme der Elektronen in Vakuum gestattet.
Da ein Material mit einer größeren Ablösearbeit ΦWK als jene von Zäsium als ein Schottky-Elektrodenmaterial verwendbar ist, kann ein Auswahlbereich der Oberflächenmaterialien im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erweitert werden, und ein hoher Wirkungsgrad der Emission ist bei Verwendung eines beständigen Materials erreichbar.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer Schottky-Elektronenquelle wird ein Schottky-Übergang parallel oder im wesentlichen parallel zu einer Halbleiteroberfläche ausgebildet, so daß die Breite einer Energieverteilung der emittierten Elektronen verminderbar ist. Da ferner eine Ableitelektrode erzeugt wird, ist die Ablösearbeit einer Oberfläche vermindert, und der Wirkungsgrad der Emission der Elektronen kann durch Entfernen der Raumladungen erhöht werden. Da eine Schottky-Elektrode aus einem Material erzeugt ist, welches eine niedrige Ablösearbeit aufweist und beständig an der Luft ist, kann das Leistungsvermögen gesteigert werden, und die Handhabung an der Luft wird erleichtert. Wenn ein Schutzring eines n-leitenden oder halbisolierenden Bereichs auf einem Schottky-Übergang erzeugt ist, kann der in der Nähe einer Elektrode auftretende Verlust vermindert und die Leistungsfähigkeit erhöht werden. Außerdem wird ein kleiner p-leitender Hochkonzentrationsbereich erzeugt, um einen Strom zu konzentrieren, und das Element wird kompakt ausgeführt, um dadurch die Zerstörung des Elements durch Wärme zu verhindern.
Da bei der Herstellung des Elektronen emittierenden Halbleiterelements die herkömmlichen Halbleiterherstellungstechnologien und Dünnschicht-Erzeugungstechnologien anwendbar sind, kann ein erfindungsgemäßes Element nach bewährten Technologien kostengünstig und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
Wenn eine einen Elektronenstrahl anwendende Vorrichtung (elektronische Vorrichtung), wie z. B. eine Anzeige, ein erfindungsgemäßes Elektronen emittierendes Element nutzt, kann eine kostengünstige Elektronenstrahlvorrichtung (elektronische Vorrichtung) hoher Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit geschaffen werden.
Z. B. ist das erfindungsgemäße Elektronen emittierende Halbleiterelement in geeigneter Weise in einer Anzeigeeinrichtung, einer EB-Zeichenvorrichtung und einer Vakuumröhre anwendbar, und ist auch in einem Elektronenstrahldrucker, einem Speicher und dergleichen einsetzbar.

Claims

1. Elektronen emittierende Vorrichtung, die aufweist:

- eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Elementen, die in einer ersten Richtung (X) und in einer zweiten Richtung (Y), welche zueinander senkrecht sind, ausgerichtet ist, um dadurch eine Matrixanordnung auszubilden,

wobei jedes Element der Vielzahl von Elektronen emittierenden Elementen aufweist:

- eine p-leitende Halbleiterschicht (3002), die auf einem Substrat (3015) erzeugt ist und sich in der ersten Richtung (X) erstreckt,

- einen p&spplus;-leitenden Bereich (3003), der innerhalb der p-leitenden Halbleiterschicht (3002) erzeugt ist,

- eine Schottky-Elektrode (3008), die in dem p&spplus;- leitenden Bereich (3003) angeordnet ist, um mit der p&spplus;- leitenden Halbleiterschicht einen Schottky-übergang auszubilden,

- Einrichtungen (3010, 3013, 3005) zum Anlegen einer Sperrvorspannung (Vd, 3012) an die Schottky-Elektrode und die p-leitende Halbleiterschicht, um die Schottky- Elektrode zu veranlassen, Elektronen zu emittieren, und

- eine Ableitelektrode (3007) zum Abführen der emittierten Elektronen nach außen, die von der Schottky- Elektrode senkrecht beabstandet ist,

wobei die Matrixanordnung ausgebildet ist durch:

- eine Vielzahl (e, f, g, h) der p-leitenden Halbleiterschichten, die sich in der ersten Richtung (X) erstrecken und in der zweiten Richtung (Y) voneinander beabstandet sind,

- eine Vielzahl von Streifen (a, b, c, d) der Schottky- Elektroden, die sich in der zweiten Richtung (Y) erstrecken und in der ersten Richtung (X) voneinander beabstandet sind,

wobei die p-leitenden Halbleiterschichten, welche die Streifen so kreuzen, daß eine Vielzahl von einzelnen Schott- ky-Elektroden an den Schnittpunkten der Schichten (e, f, g, h) und der Streifen (a, b, c, d) auf einer entsprechenden Vielzahl der p&spplus;-leitenden Bereiche vorgesehen ist, wobei die einzelnen Elektroden jeweils in der ersten Richtung (X) ausgerichtet sind und in der ersten Richtung (X) voneinander beabstandet sind.

2. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die p-leitenden Halbleiterschichten in einem Substrat aus Si erzeugt sind.

3. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei eine Störstellenkonzentration der p&spplus;-leitenden Bereiche in einen Bereich von 2 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ bis 10 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ fällt und eine Störstellenkonzentration eines Bereichs anders als die p&spplus;-leitenden Bereiche in der p-leitenden Halbleiterschicht in einen Bereich von 2 · 10¹&sup6; cm 3 bis 10 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ fällt.

4. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Dicke der Schottky-Elektrode nicht mehr als 0,1 um beträgt.

5. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Schottky-Elektrode durch Umwandeln von Gd in ein Silicid durch eine Wärmebehandlung erzeugt wird und Ba oder Cs für eine Schicht abgeschieden wird, die eine Dicke eines Atoms aufweist.

6. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die p-leitende Halbleiterschicht auf einem p-leitenden Halbleitersubstrat erzeugt ist.

7. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine geschrägte Oxidschicht um den Schottky-Übergang erzeugt ist.

8. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein halbisolierender Bereich um die p-leitende Halbleiterschicht erzeugt ist.

9. Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei jeder Streifen (a, b, c, d) eine Vielzahl von Schottky-Elektroden (3008e, 3008f, 3008g, 3008h) aufweist, die in der zweiten Richtung (Y) angeordnet sind und mittels einer Elektrode (3005) elektrisch miteinander verbunden sind.