專(zhuān)利名稱(chēng)：具有負(fù)電子親和性的注入冷發(fā)射極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到電子發(fā)射極。確切地說(shuō)，本發(fā)明一般涉及到p-n陰極型冷電子發(fā)射極。
背景技術(shù)：
以下列共同受讓的申請(qǐng)與本發(fā)明有關(guān)并且可以包含某些共同的公開(kāi)內(nèi)容題為“模擬負(fù)電子親和性發(fā)射機(jī)制的大電流雪崩隧穿和注入隧穿半導(dǎo)體-介質(zhì)-金屬穩(wěn)定冷發(fā)射極”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.__/__，__(文檔號(hào)No.10007286-1)。其整個(gè)內(nèi)容此處被列為參考。
目前，電子發(fā)射技術(shù)有許多形式。在諸如電視(TV)以及計(jì)算機(jī)監(jiān)視器之類(lèi)的許多顯示器中，熱陰極射線管(CRT)占據(jù)著優(yōu)勢(shì)，在這種CRT中，由于來(lái)自被電流加熱的熱陰極的熱發(fā)射而產(chǎn)生電子。電子發(fā)射還在諸如X光機(jī)和電子顯微鏡之類(lèi)的裝置中起著關(guān)鍵的作用。小型的冷陰極可以被用于集成電路和平板顯示單元。此外，大電流密度發(fā)射的電子可以被用來(lái)濺射或溶化某些材料。
通常存在著二種類(lèi)型的電子發(fā)射極“熱”陰極發(fā)射極和“冷”陰極發(fā)射極。“熱”陰極發(fā)射極是基于來(lái)自被電流加熱的表面的熱電子發(fā)射。冷陰極可以被分成二種不同的類(lèi)型類(lèi)型A和類(lèi)型B。類(lèi)型A的發(fā)射極是基于場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)(場(chǎng)發(fā)射陰極)。類(lèi)型B的發(fā)射極是利用由注入或雪崩電擊穿過(guò)程產(chǎn)生的非平衡電子的發(fā)射的p-n陰極。
二種發(fā)射極都有一些缺點(diǎn)，因而使之實(shí)際上無(wú)法使用。類(lèi)型A發(fā)射極(場(chǎng)發(fā)射型)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是壽命很短。例如，類(lèi)型A發(fā)射極僅僅能夠工作幾個(gè)小時(shí)，甚至短到幾分鐘。在冷場(chǎng)發(fā)射陰極(類(lèi)型A)中，電子被真空中的強(qiáng)電場(chǎng)從金屬電極表面抽取出。在記錄設(shè)備或其它應(yīng)用中所需的大的發(fā)射電流下，場(chǎng)陰極的壽命短。
參照

圖1A來(lái)描述類(lèi)型A發(fā)射極的工作。圖1A示出了金屬表面的典型能量圖，說(shuō)明了金屬的功函數(shù)概念。如所示，左邊是一種材料，此處為金屬，而右邊是真空區(qū)。EF表示金屬的費(fèi)米能級(jí)。金屬的功函數(shù)ΦM是單個(gè)電子從金屬中的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入真空所需的能量。于是，功函數(shù)ΦM是VAC與EF之差。金屬的功函數(shù)ΦM典型為4-5電子伏(eV)。
在非常強(qiáng)的外部電場(chǎng)中，能量圖發(fā)生改變，并表現(xiàn)為三角形電子勢(shì)壘(圖1A虛線)。當(dāng)外部電場(chǎng)F增大時(shí)，勢(shì)壘寬度減小，電子的隧穿幾率急劇增大。這種勢(shì)壘的透明度為D=exp[-4ΦM3/22m3qhF]]]>其中F是電場(chǎng)，q和m是電子電荷和質(zhì)量。透明度表示電子隧穿的幾率。對(duì)于電流密度j＝1-100A/cm2(每平方厘米安培)，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)可能為F＞107V/cm2。
在這樣的強(qiáng)電場(chǎng)中，經(jīng)常存在于實(shí)際器件真空區(qū)中的離子在大約1微米或更大的真空區(qū)中獲得103eV以上的能量。具有如此高能量的離子與發(fā)射極表面碰撞，導(dǎo)致離子吸收和發(fā)射極表面的侵蝕。離子吸收和侵蝕通常將類(lèi)型A發(fā)射極的壽命限制到工作幾個(gè)小時(shí)甚至幾分鐘。具有相似強(qiáng)度電場(chǎng)的系統(tǒng)中的陰極損傷已經(jīng)被非常詳細(xì)地研究了，它是相當(dāng)劇烈的。
類(lèi)型B的發(fā)射極(注入/雪崩型)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是效率非常低。換言之，發(fā)射的電流對(duì)電路中總電流的比率非常小，通常比1％小得多。類(lèi)型B的陰極基于p-n結(jié)、或包括TiO2或多孔Si的半導(dǎo)體-金屬(S-M)結(jié)、或需要對(duì)p-n結(jié)或S-M結(jié)施加“內(nèi)部”偏壓的雪崩電擊穿。
作為變通，已經(jīng)提議采用電擊穿工藝來(lái)從Si制造冷發(fā)射極。這些類(lèi)型的雪崩發(fā)射極是基于被雪崩區(qū)中非常強(qiáng)的電場(chǎng)加速的非常熱的電子(其能量約為幾電子伏)的發(fā)射。結(jié)果也具有發(fā)射的熱電子的電流密度非常小的缺點(diǎn)。
已經(jīng)試圖借助于在半導(dǎo)體表面上淀積銫(Cs)以便利用負(fù)電子親和性(NEA)效應(yīng)來(lái)提高電流密度。圖1B示出了NEA的概念。如所示，左邊是一種材料，在此例子中是p型半導(dǎo)體，而右邊是真空區(qū)。Ec表示金屬的導(dǎo)帶。注意，NEA效應(yīng)相當(dāng)于導(dǎo)帶底EC位于真空能級(jí)VAC上方的情況。這種類(lèi)型的一種早期的p-n陰極組合了硅或砷化鎵雪崩區(qū)與從中產(chǎn)生發(fā)射的銫金屬層(GaAs/Cs或GaP/Cs結(jié)構(gòu))。但Cs是非常易起反應(yīng)的和揮發(fā)性元素。具有Cs的GaAs和GaP發(fā)射極因而在大電流密度下是不穩(wěn)定的。
簡(jiǎn)言之，利用先前的設(shè)計(jì)，不可能得到大電流發(fā)射和穩(wěn)定性二者兼有的冷發(fā)射極。

發(fā)明內(nèi)容
在一種情況下，冷電子發(fā)射極的一個(gè)實(shí)施方案可以包括重?fù)诫s的n型區(qū)(n+區(qū))。n+區(qū)可以由寬帶隙半導(dǎo)體形成。電子發(fā)射極還可以包括n+區(qū)下方的襯底。實(shí)際上，可以借助于用富電子材料對(duì)襯底進(jìn)行摻雜來(lái)形成n+區(qū)。此外，電子發(fā)射極可以包括形成在n+區(qū)之中或上方的p區(qū)。可以借助于用貧電子材料對(duì)n+區(qū)進(jìn)行反摻雜來(lái)形成p區(qū)。而且，p區(qū)中的空穴濃度水平最好低于n+區(qū)中的電子濃度。電子發(fā)射極還可以包括形成在p區(qū)上方的金屬層。金屬層的功函數(shù)最好小于p區(qū)的能隙。此外，金屬層的厚度最好約為或小于電子能量的平均自由程。電子發(fā)射極還可以包括例如借助于對(duì)p區(qū)進(jìn)行Δ摻雜而形成在p區(qū)內(nèi)的重?fù)诫sp區(qū)(p+區(qū))。電子發(fā)射極還可以包括n和p電極，致使n+-p結(jié)可以被正向偏置，以便用來(lái)控制從器件發(fā)射的電流量。電子發(fā)射極還可以進(jìn)一步包括具有或不具有p電極的M電極。
在另一種情況下，制造電子發(fā)射極方法的實(shí)施方案可以包括例如借助于用富電子材料對(duì)寬帶隙襯底進(jìn)行摻雜來(lái)形成n+區(qū)。此方法還可以包括例如借助于用貧電子材料對(duì)n+區(qū)進(jìn)行反摻雜而在n+區(qū)中形成p區(qū)。p區(qū)的厚度最好小于電子在p區(qū)中的擴(kuò)散長(zhǎng)度。而且，p區(qū)中的空穴濃度水平最好小于n+區(qū)的電子濃度。此方法還可以包括在p區(qū)上形成金屬層。金屬層的功函數(shù)最好小于p區(qū)的能隙，且金屬層的厚度最好約為或小于電子能量的平均自由程。此方法還可以進(jìn)一步包括例如借助于對(duì)p區(qū)進(jìn)行Δ摻雜而形成p+區(qū)。此方法還可以包括形成n和p電極，使n+-p結(jié)可以被正向偏置而工作。此方法還可以進(jìn)一步包括在形成或不形成p電極的情況下形成M電極，以便控制從電流發(fā)射極發(fā)射的電流量。
上面公開(kāi)的實(shí)施方案可能能夠達(dá)到某些方面的目的。例如，電子發(fā)射極可以產(chǎn)生高的發(fā)射電子流密度。而且，發(fā)射極的壽命可以比較長(zhǎng)。發(fā)射極還可以基于熟知的寬帶隙材料及其制造方法，從而幾乎不需要超過(guò)目前現(xiàn)有技術(shù)的投資。此外，由于器件不要求真空區(qū)中的強(qiáng)電場(chǎng)，故可以避免強(qiáng)真空電場(chǎng)的不利效應(yīng)(陰極表面侵蝕、發(fā)射極表面處的離子吸收等)，導(dǎo)致穩(wěn)定的工作。于是可以在單個(gè)器件中兼有穩(wěn)定性和大電流密度。在真空區(qū)中不需要強(qiáng)電場(chǎng)，可以明顯地簡(jiǎn)化封裝，可能不要求高真空。
總之，與現(xiàn)有技術(shù)不同，至少本發(fā)明的某些實(shí)施方案使耐用的冷發(fā)射極能夠具有大的發(fā)射電流和高的效率。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員來(lái)說(shuō)，從參照附圖的下列描述中，本發(fā)明的特點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，在這些附圖中圖1A是材料表面的典型能量圖，說(shuō)明了材料功函數(shù)概念；圖1B是能量圖，說(shuō)明了半導(dǎo)體材料的負(fù)電子親和性概念；圖2A-2F示出了根據(jù)本發(fā)明一種情況的冷發(fā)射極各種實(shí)施方案的示例性剖面；圖3A示出了圖2A所示冷發(fā)射極實(shí)施方案的跨越II-II線的平衡的示例性能帶圖；圖3B示出了圖2B所示冷發(fā)射極實(shí)施方案的跨越II’-II’線的平衡的示例性能帶圖；圖4示出了圖2A-2F的冷發(fā)射極在偏壓下的示例性能帶圖。
詳細(xì)描述為了簡(jiǎn)單和說(shuō)明的目的，主要參照其示例性實(shí)施方案來(lái)描述本發(fā)明的原理。在下列描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解，提出了大量具體的細(xì)節(jié)。但對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的一般熟練人員來(lái)說(shuō)，顯然本發(fā)明的實(shí)施不局限于這些具體的細(xì)節(jié)。在其它的情況下，為了不致于使本發(fā)明難以理解而沒(méi)有詳細(xì)地描述那些眾所周知的方法和結(jié)構(gòu)。
圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明概念的冷發(fā)射極200的第一實(shí)施方案的示例性剖面。冷發(fā)射極200的一般特征可以是由于存在n+區(qū)220、p區(qū)230、以及金屬層240，因而具有n+-p-M結(jié)構(gòu)。如圖2A所示，冷發(fā)射極200可以包括襯底210和形成在襯底210上的n+區(qū)220。N+區(qū)220可以由寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體形成，WBG半導(dǎo)體的例子包括GaP、GaN、AlGaN、諸如金剛石的碳、非晶Si、AlN、BN、SiC、ZnO、InP等。本技術(shù)領(lǐng)域一般熟練人員可以理解的是，其它的材料也可以被用作適當(dāng)?shù)腤BG半導(dǎo)體。N+區(qū)220中的電子濃度nn最好高于每立方厘米1017，也可以高于每立方厘米1019。但可以根據(jù)應(yīng)用的類(lèi)型來(lái)調(diào)整濃度水平。
實(shí)際上，襯底210和n+區(qū)220可以由同一種WBG半導(dǎo)體形成。然后可以借助于用富電子材料對(duì)WBG半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜而形成n+區(qū)220。富電子材料的例子包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)。本技術(shù)領(lǐng)域一般熟練人員可以理解的是，也可以使用其它的富電子材料。
冷發(fā)射極200還可以包括形成在n+區(qū)220中或其上的p區(qū)230。p區(qū)230可以例如借助于用貧電子材料對(duì)n+區(qū)220進(jìn)行反摻雜而形成。這種材料的例子包括硼。一般熟練人員可以理解的是，其它的貧電子材料也可以被采用。p區(qū)230還可以由完全區(qū)別于n+區(qū)220的材料形成。n+區(qū)220最好由帶隙比p區(qū)230寬的材料形成。
p區(qū)230的空穴濃度pp最好基本上為每立方厘米1016-1018，可選濃度約為每立方厘米1018。此范圍可以根據(jù)應(yīng)用的類(lèi)型而變化?？昭舛茸詈眯∮趎+區(qū)中的電子濃度，亦即pp＜nn。此比率也可以根據(jù)應(yīng)用的類(lèi)型而變化。而且，W最好小于L，其中如圖2A所示，W表示p區(qū)230的厚度，且如圖2A所示，L表示p區(qū)230中非平衡電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。擴(kuò)散長(zhǎng)度L典型為0.3微米。
冷發(fā)射極200還可以包括形成在p區(qū)230上的金屬層240。金屬層240可以由像Au、Pt、W這樣的標(biāo)準(zhǔn)電極材料形成，也可以由低功函數(shù)材料形成。低功函數(shù)材料的例子包括LaB6、CeB6、Au、Al、Gd、Eu、EuO、以及它們的合金。金屬層240的厚度t約為或小于電子能量的平均自由程1g。1g通常為2-5毫微米(nm)。這樣，厚度應(yīng)該為t＜2-5nm。
金屬層240材料的選擇依賴(lài)于n+區(qū)220與p區(qū)230之間的n+-p接觸電壓差。下面參照參照?qǐng)D3A來(lái)解釋金屬層240材料的選擇判據(jù)，圖3A示出了圖2A的冷發(fā)射極200第一實(shí)施方案的示例性平衡能帶圖。如圖3A所示，若n+-p接觸電壓差被表示為Vnp，則結(jié)中的內(nèi)建電勢(shì)可以被表示為qVnp≈Eg(見(jiàn)圖3A)，其中q＞0表示基本電荷，而Eg表示p區(qū)230的導(dǎo)帶能量EC與價(jià)帶能量EV之間的能隙。
金屬層240的功函數(shù)ΦM最好使ΦM＜qVnp≈Eg。例如，金剛石的Eg約為5.47eV。于是，若金剛石被用作p區(qū)230的基礎(chǔ)，則可以用金作為金屬層240，因?yàn)榻鸬墓瘮?shù)ΦM為4.75eV。其它的材料(例如功函數(shù)基本上接近2.5eV的LaB6和CeB6)具有甚至更低的Eg。一般熟練人員可以理解的是，其它材料也可以適合于作為金屬層240，且層240可以不嚴(yán)格地局限于金屬。
回過(guò)來(lái)參照?qǐng)D2A，電子冷發(fā)射極200還可以包括形成在n+區(qū)220上的n電極260和p電極270。n電極260可以被電連接到n+區(qū)220，而p電極270可以被電連接到p區(qū)230。n電極260和p電極270可以由金屬或其它導(dǎo)電材料形成。導(dǎo)電材料的例子包括Au、Ag、Al、W、Pt、Ir、Pd等、以及它們的合金。此外，電子發(fā)射極200可以包括介質(zhì)250，以便分別隔離n電極260和p電極270。
圖3A示出了圖2A的冷發(fā)射極200第一實(shí)施方案的跨越II-II線平衡的示例性能帶圖。如所示，圖3A的左側(cè)對(duì)應(yīng)于線II-II的底部(n+區(qū)220)，而右側(cè)對(duì)應(yīng)于頂部(真空)。
如上所述，金屬層240的功函數(shù)ΦM最好小于p區(qū)230的能隙，亦即Eg≈qVnp＞ΦM。如圖3A所示，在此條件下，p區(qū)230結(jié)中的能級(jí)超過(guò)金屬層240的功函數(shù)ΦM。于是，由于p區(qū)中電子的能量高于真空能級(jí)Vac，故冷發(fā)射極200表示為好象具有負(fù)電子親和性Φ＜0。
以下參照?qǐng)D2A、3A、以及4來(lái)描述冷發(fā)射極200的工作。在平衡狀態(tài)下，不發(fā)生電子發(fā)射。如圖3A所示，這是因?yàn)樵趐區(qū)沒(méi)有平衡電子，從而在p區(qū)230與金屬層240之間的p-M界面處形成了耗盡界面層?？拷黳-M界面，亦即在耗盡界面層處，電子損失能量，從而不從金屬層240發(fā)射進(jìn)入真空。如圖3A所示，這是由于靠近p-M界面處導(dǎo)帶能量EC的降低，致使在界面處，導(dǎo)帶能量EC低于真空的能級(jí)Vac。
理想情況下，可能不存在耗盡界面層，靠近p-M界面的虛線示出了這一點(diǎn)。在p-M界面處沒(méi)有耗盡界面層，冷發(fā)射極200具有NEA性質(zhì)，意味著注入到p區(qū)230中的電子由于其在p區(qū)中的能量可能高于Vac，故可以從冷發(fā)射極200發(fā)射出來(lái)。
當(dāng)n+區(qū)220與p區(qū)230之間界面處的n+-p結(jié)被正向偏置時(shí)，亦即p區(qū)230相對(duì)于n+區(qū)220存在正電位時(shí)，冷發(fā)射極200就工作?？梢苑謩e經(jīng)由n電極260和p電極270來(lái)施加偏置電位。當(dāng)n+-p結(jié)被正向偏置時(shí)，電子從富電子的n+區(qū)220被注入到p區(qū)230。當(dāng)p區(qū)230的厚度W小于非平衡電子在p區(qū)230中的擴(kuò)散長(zhǎng)度L時(shí)，電子橫過(guò)p區(qū)230并聚集在耗盡界面層中。
這類(lèi)似晶體管效應(yīng)，其中通過(guò)基極(固定于p區(qū)230)的電流決定于注入的電子與空穴的復(fù)合速率。注入的電子聚集在空穴濃度非常低的耗盡層中，致使復(fù)合速率非常低。結(jié)果，如圖4所示，電子聚集在耗盡界面層中，直至其局部準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EF上升到真空能級(jí)Vac以上。因此，注入的電子的發(fā)射迅速增大。在此情況下，發(fā)射電流比基極中的復(fù)合電流大得多(相似于通常的半導(dǎo)體晶體管)。這使得能夠發(fā)射非常大的電流。發(fā)射的電子被真空中的電場(chǎng)向著陽(yáng)極(圖中未示出)加速。
圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明一種情況的冷發(fā)射極200-1第二實(shí)施方案的示例性剖面。由于p+區(qū)235存在于p區(qū)230與金屬層240之間，故冷發(fā)射極200-1可以被描述為圖2A的冷發(fā)射極200的變形，并通?？杀硎緸閚+-p-p+-M結(jié)構(gòu)。如圖2B所示，冷發(fā)射極200-1包括圖2A所示冷發(fā)射極200的所有元件。為了簡(jiǎn)化的目的，將不詳細(xì)地描述冷發(fā)射極200與200-1共有的元件。指出共有元件的行為和特性可以相似就足夠了。
除了冷發(fā)射極200的一些元件之外，冷發(fā)射極200-1還可以包括形成在p區(qū)230中的p+區(qū)235?？梢越柚趯?duì)p區(qū)230進(jìn)行Δ摻雜并進(jìn)一步用貧電子材料來(lái)形成可能非常薄的高摻雜的p+區(qū)235。Δ摻雜在非常薄的層中產(chǎn)生高濃度的摻雜劑。p+區(qū)235中的空穴濃度水平在厚度小于100nm的層中最好約為每立方厘米1020-1021。而且，厚度W(此時(shí)是p區(qū)330和p+區(qū)335的組合)最好小于非平衡電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。注意，除了p區(qū)230之外，p電極270還可以電接觸p+區(qū)235。
參照?qǐng)D3B來(lái)解釋p+區(qū)235的至少一個(gè)作用，圖3B示出了圖3A的冷發(fā)射極200-1的示例性平衡能帶圖。上面討論了圖2A所示的冷發(fā)射極200(第一實(shí)施方案)，耗盡界面層形成在p區(qū)230與金屬層240之間的p-M界面，以及靠近p-M界面處電子損失能量。
p+區(qū)235的存在減小了界面處的能帶彎曲，并使發(fā)射極200-1更接近具有NEA的理想發(fā)射極。如圖3B所示，發(fā)射極200-1的導(dǎo)帶能級(jí)能量Ec的降低比發(fā)射極200的降低更小(與圖3A比較)。由于能帶彎曲的減小，故聚集在p+-M界面附近的被注入的電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)到更接近理想位置，這就改善了電子發(fā)射的條件。
如圖4所示，冷發(fā)射極200-1的工作相似于冷發(fā)射極200的工作。換言之，當(dāng)n+區(qū)220與p區(qū)230(以及p+區(qū)235)之間界面處的n+-p結(jié)被正向偏置時(shí)，冷發(fā)射極200-1就工作。在此情況下，由于存在p+區(qū)235以及相應(yīng)地縮小了平衡耗盡界面層，故要求較少的正向偏壓。
圖2C示出了根據(jù)本發(fā)明一種情況的冷發(fā)射極200-2第三實(shí)施方案的示例性剖面。冷發(fā)射極200-2也可以被描述為圖2A冷發(fā)射極200的一個(gè)變形，且其特征一般也可以是像冷發(fā)射極200那樣的n+-p-M結(jié)構(gòu)。
如圖2C所示，除了冷發(fā)射極200-2可以不包括p電極270，但可以包括形成在金屬層240上并電接觸金屬層240的M電極290之外，冷發(fā)射極200-2可以包括圖2A所示冷發(fā)射極200的所有元件。為了簡(jiǎn)化的目的，將不詳細(xì)地描述冷發(fā)射極200與200-2共有的元件。指出共有元件的行為和特性可以相似就足夠了。
M電極290可以起的至少一個(gè)作用被解釋如下。關(guān)于冷發(fā)射極200(和200-1)，當(dāng)n+-p結(jié)成為正向偏置時(shí)，發(fā)射極就工作。通過(guò)分別對(duì)n電極260和p電極270施加適當(dāng)?shù)碾娢?，?lái)提供偏置(見(jiàn)圖2A和2B)。利用冷發(fā)射極200-2，借助于分別對(duì)n電極260和M電極290施加適當(dāng)?shù)碾娢?，n+-p結(jié)可以成為正向偏置。冷發(fā)射極200-2的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)與例如冷發(fā)射極200進(jìn)行比較時(shí)，可以更容易地制造器件。
冷發(fā)射極200-2的工作相似于冷發(fā)射極200和200-1，因而無(wú)須詳細(xì)描述。
圖2D示出了根據(jù)本發(fā)明一種情況的冷發(fā)射極200-3第四實(shí)施方案的示例性剖面。像冷發(fā)射極200-1和200-2那樣，冷發(fā)射極200-3可以被描述為圖2A的冷發(fā)射極200的變形。冷發(fā)射極200-3的特征通?？梢允莕+-p-M結(jié)構(gòu)。如圖2D所示，冷發(fā)射極200-3包括圖2A所示冷發(fā)射極200的所有元件。為了簡(jiǎn)化的目的，將不詳細(xì)地描述冷發(fā)射極200與200-3共有的元件。指出共有元件的行為和特性可以相似就足夠了。
除了冷發(fā)射極200的元件之外，冷發(fā)射極200-3還包括形成在金屬層240上并電接觸金屬層240的M電極290以及隔離M電極290的第二絕緣層280。在此情況下，可以如以前冷發(fā)射極200那樣通過(guò)分別對(duì)n電極260和p電極270施加電位來(lái)提供n+-p結(jié)的正向偏壓。
冷發(fā)射極200-3的一般工作相似于冷發(fā)射極200和200-1，無(wú)須詳細(xì)討論。但M電極在冷發(fā)射極200-3的工作中增加了一個(gè)額外的控制能力。在此情況下，金屬層240可以被用來(lái)控制發(fā)射極電流量。在要求具有分別控制的發(fā)射極的陣列的應(yīng)用中，這是非常有利的。借助于通過(guò)M電極290偏置金屬層240上的電位，能夠控制發(fā)射電流。這就關(guān)閉和開(kāi)通了來(lái)自冷發(fā)射極200-3的發(fā)射電流。
可以組合示為第二、第三、以及第四實(shí)施方案的各個(gè)變形(分別是冷發(fā)射極200-1、200-2、以及200-3)，以便在一種器件中獲得各個(gè)變形的好處。例如，圖2E、2F示出了根據(jù)本發(fā)明其它情況的冷發(fā)射極200-12和200-13的第五和第六實(shí)施方案的示例性剖面。
圖2E示出了冷發(fā)射極200-1與200-2(分別是第二和第三實(shí)施方案)組合的例子。如所示，像冷發(fā)射極200-1那樣，冷發(fā)射極200-12包括p+區(qū)235，因而其特征可以是具有n+-p-p+-M結(jié)構(gòu)。而且，像冷發(fā)射極200-2那樣，冷發(fā)射極200-12缺少p電極270，但包括M電極290。
冷發(fā)射極200-12使電位能夠經(jīng)由金屬層240被施加到p區(qū)230。而且，由于存在p+區(qū)235，故可以要求比較小的正向偏壓。
圖2F示出了冷發(fā)射極200-1與200-3(分別是第二和第四實(shí)施方案)組合的例子。如所示，像冷發(fā)射極200-1那樣，冷發(fā)射極200-13包括p+區(qū)235，因而其特征可以是具有n+-p-p+-M結(jié)構(gòu)。而且，像冷發(fā)射極200-3那樣，冷發(fā)射極200-13包括M電極290和第二絕緣體280。
冷發(fā)射極200-13使電流量能夠通過(guò)M電極290的適當(dāng)偏置而被控制。而且，由于存在p+區(qū)235，故更容易滿足NEA條件。
此處所述的是本發(fā)明及其一些變形的優(yōu)選實(shí)施方案。此處提出的術(shù)語(yǔ)、描述、以及附圖僅僅是為了說(shuō)明的目的而不是意味著限制。本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以理解的是，在下列權(quán)利要求及其等同物所定義的本發(fā)明的構(gòu)思與范圍內(nèi)，各種變化都是可能的，其中除非另有說(shuō)明，所有的術(shù)語(yǔ)表示的都是最廣義而合理的意義。
權(quán)利要求
1.一種電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，它包含n+區(qū)(220)；形成在所述n+區(qū)(220)中(或其上)的p區(qū)(230)；以及形成在所述p區(qū)(230)上的金屬層(240)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，還包含所述n+區(qū)(220)下方的襯底(210)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述n+區(qū)(220)由寬帶隙半導(dǎo)體形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述n+區(qū)(220)的電子濃度水平nn大于所述p區(qū)(230)的空穴濃度水平pp。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述p區(qū)(230)的厚度小于所述p區(qū)(230)中非平衡電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中真空能級(jí)位于形成在器件中的所述p區(qū)(230)中的半導(dǎo)體的能隙中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述金屬層(240)的厚度約為或小于電子能量的平均自由程。
8.一種制造電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)的方法，它包含形成n+區(qū)并用它作為襯底(220)；在所述n+區(qū)(220)中或其上形成p區(qū)(230)；以及在所述p區(qū)(230)上形成金屬層(240)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的制造電子發(fā)射極(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)的方法，還包含形成所述n+區(qū)(220)的襯底(210)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的制造電子發(fā)射極(200-1、200-12、200-13)的方法，還包含在所述p區(qū)(230)中以及所述金屬層(240)下方，形成所述p+區(qū)(235)。
全文摘要
冷電子發(fā)射極(200、200－1、200－2、200－3、200－12、200－13)可以包括n+重?fù)诫s的寬帶隙區(qū)(WBG)(220)、p摻雜WBG區(qū)(230)、及低功函數(shù)金屬層(240)(n+－p－M結(jié)構(gòu))。此結(jié)構(gòu)的改進(jìn)包括p區(qū)(230)與M金屬層(240)之間的p+重?fù)诫s區(qū)(235)(n+－p－p+－M結(jié)構(gòu))。這些結(jié)構(gòu)使得可兼有大電流發(fā)射和穩(wěn)定耐久的工作。由于p摻雜區(qū)(230)或p+重?fù)诫sWBG區(qū)(235)在與低功函數(shù)金屬接觸時(shí)起負(fù)電子親和性材料的作用，故有可能得到大電流密度。由于發(fā)射極利用了比較低的抽取電場(chǎng)，故具有n+－p－M和n+－p－p+－M結(jié)構(gòu)的注入發(fā)射極是穩(wěn)定的，且不受來(lái)自被加速離子的沾污和/或吸收的影響。這些結(jié)構(gòu)可以用目前的現(xiàn)有技術(shù)工藝來(lái)制造。
文檔編號(hào)H01J1/308GK1412805SQ02144399
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月12日
發(fā)明者V·V·奧斯波夫, A·M·布拉特科夫斯基, H·比雷基 申請(qǐng)人:惠普公司