專利名稱：采用可調(diào)整的金剛石半導(dǎo)體發(fā)射極的場(chǎng)致發(fā)射電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及場(chǎng)致發(fā)射電子器件，特別是采用電子發(fā)射極的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其發(fā)射面呈現(xiàn)出低的/負(fù)的電子親和能。
場(chǎng)致發(fā)射器件和場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射極為本領(lǐng)域人所共知。一般說來，這些先有技術(shù)的部件喜歡采用成形的電子發(fā)射極，其中發(fā)射頂部/邊緣在很小的曲率半徑內(nèi)具有幾何不連續(xù)性。由于需要在電子發(fā)射極區(qū)域附近提供非常強(qiáng)的增強(qiáng)電場(chǎng)以便可以吸取電子，所以頂部/邊緣的這種特點(diǎn)是不合適的。為了提高發(fā)射電子的靈敏度，已經(jīng)出現(xiàn)了這樣一些技術(shù)，即采用功函數(shù)降低的材料，例如銫，并使該材料形成在電子發(fā)射極的表面，或直接進(jìn)入電子發(fā)射極的主體。
對(duì)具有很小曲率半徑的發(fā)射頂部/邊緣的需要限制了反復(fù)實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射極。在發(fā)射極表面或主體內(nèi)使用特殊材料，由于很難在發(fā)射極表面或主體內(nèi)保持該材料，因此將引起工作不穩(wěn)定。
先有技術(shù)的電子發(fā)射極和利用電子發(fā)射極的場(chǎng)致發(fā)射器件還受到離子對(duì)電子發(fā)射極的沖擊所造成的破壞。在存在很低的殘留氣壓的情況下，發(fā)射極還偶爾受到離子的沖擊，這將損壞發(fā)射頂部/邊緣，并使之變得無用。
一些其它先有技術(shù)的場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射極不用小曲率半徑的頂部/邊緣。然而，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是極大地限制了發(fā)射極的實(shí)用性，例如，有效地控制發(fā)射電流和發(fā)射軌跡。
因此，需要有至少能克服先有技術(shù)某些缺點(diǎn)的場(chǎng)致發(fā)射器件和場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射極。
這種需要以及其它需要基本上是通過一種電可調(diào)整的電子發(fā)射極來實(shí)現(xiàn)的，該電子發(fā)射極包括具有一個(gè)發(fā)射電子的發(fā)射面和一個(gè)主表面的金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極，以及至少部分地置于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極的主表面上的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層。
這種需要以及其它需要帶通過一種制造電可調(diào)整的電子發(fā)射極的方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟形成一個(gè)具有發(fā)射電子的發(fā)射面和主表面的金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極，以及形成一層與金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極的主表面接觸的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層，于是在金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極和導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層之間的交界而形成一個(gè)電子耗盡區(qū)和與之相關(guān)的耗盡區(qū)寬度。
這種需要以及更進(jìn)一步的需要是通過一種場(chǎng)致發(fā)射器件來實(shí)現(xiàn)的，該器件包括一個(gè)具有主表面的支撐襯底，置于支撐襯底的主表面上的第一層可按圖形選擇加工的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層，具有一個(gè)主表面和至少一個(gè)發(fā)射面的第一經(jīng)選擇成形的金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極，置于第一層可按圖形選擇加工的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層上的金剛石成形半導(dǎo)體電子發(fā)射極，置于支撐襯底的主表面和金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極的部分主表面上的一層絕緣材料，置于絕緣材料層上并與金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極的主表面有物理接觸的第二層導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料，于是在相應(yīng)的交界面形成一個(gè)具有耗盡區(qū)的結(jié)和與之相關(guān)的耗盡區(qū)寬度，以及相對(duì)于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極的發(fā)射面位置較遠(yuǎn)的用于收集發(fā)射電子的陽極。


圖1A表示本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射器件的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖1B是對(duì)圖1A所說實(shí)施例的第二種描述。
圖2表示本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射器件的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖3B是對(duì)圖3A所說實(shí)施例的第二種描述。
圖4表示本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射器件的局部透視圖。
圖5是對(duì)類似于圖4的場(chǎng)致發(fā)射器件進(jìn)行改進(jìn)后所得器件的局部透視圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1A，它是本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射器件(100)的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視剖面圖。有一個(gè)包括主表面的支撐襯底101。具有一個(gè)包括主表面的支撐襯底1010。具有一個(gè)主表面130和一個(gè)用于發(fā)射電子的發(fā)射面120的經(jīng)選擇成形的金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102，置于支撐襯底101的主表面上。電子發(fā)射極102用實(shí)現(xiàn)金剛石發(fā)射極的第一種方法經(jīng)選擇成形，先直接在支撐襯底101的主表面上生長一層金剛石，接下來有選擇地對(duì)某些金剛石層進(jìn)行蝕刻，以便有選擇地形成金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102。絕緣材料層103淀積在支撐襯底101的主表面的暴露部分，并置于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的主表面130上。導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層104淀積在層103上，并置于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的主表面130的至少一部分上。
在金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102和它上面的層104之間的交界面形成一個(gè)具有耗盡區(qū)的結(jié)110和與之相關(guān)的耗盡區(qū)寬度。相對(duì)于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的發(fā)射面120位置較遠(yuǎn)的地方有一個(gè)陽極108，用于收集用箭頭109表示的發(fā)射電子。盡管金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102以及器件100一般是以垂直于支撐襯底101的方式表示的，但應(yīng)懂得，場(chǎng)致發(fā)射器件100也可以用另外的方式形成，一般是如此處所說的使其處于非導(dǎo)電的支撐襯底水平的位置上。
圖1A還畫出了與導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層104相連的第一外部電壓源106。電壓源106向?qū)?04提供一個(gè)可變電壓，使得結(jié)耗盡區(qū)110的寬度相應(yīng)地變化。調(diào)整結(jié)耗盡區(qū)110寬度的結(jié)果是調(diào)整了金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的發(fā)射面120上得到的電子。
第二外部電壓源107與陽極108相連，因此陽極108收集發(fā)射電子109。電壓源107進(jìn)一步在陽極108和金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的發(fā)射面120之間的區(qū)域提供了一個(gè)加速電場(chǎng)。該電場(chǎng)用來去除滯留在金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的發(fā)射面120上的或附近的電子，并使它們進(jìn)入陽極108和金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的發(fā)射面120之間的自由空間區(qū)。在沒有任何加速電場(chǎng)的情況下，電子用與采用先有技術(shù)的電子發(fā)射極時(shí)相比幅度小得多的電場(chǎng)獲得電子發(fā)射。此外，沒有必要像先有技術(shù)的實(shí)施例那樣，要求小曲率半徑的幾何連續(xù)性。
圖2是本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射器件200的一個(gè)實(shí)施例的局部透視圖，其中對(duì)應(yīng)于先前在圖1A和1B中描述的部分類似地以數(shù)字“2”打頭的參考號(hào)表示。器件200包括多個(gè)金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極202，在一個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)中成為一個(gè)電子發(fā)射極陣列。器件的工作原理基本上與前面描述的類似，其中電子發(fā)射基本上通過一個(gè)與導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層204相連的可調(diào)電壓來控制，如同前面參照?qǐng)D1B所描述的那樣。發(fā)射電子由陽極208收集。
圖3A是本發(fā)明的采用金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極302的場(chǎng)致發(fā)射器件300的另一實(shí)施例的側(cè)視剖面圖，其中對(duì)應(yīng)于先前在圖1A和1B中描述的部分類似地以數(shù)字“3”打頭的參考號(hào)表示。器件300中，金剛石半層體電子發(fā)射極302置于第一導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層315上，該材料層315在淀積于支撐襯底301的主表面之后，有選擇地按圖形加工。另外，支撐襯底301的主表面也可以通過提供一個(gè)按圖形加工的掩膜層來加以暴露，并且導(dǎo)電/半導(dǎo)材料層315有選擇地淀積在支撐襯底301主表面的經(jīng)選擇的暴露部分。這兩種技術(shù)在本領(lǐng)域中都是被普遍應(yīng)用的。在本實(shí)施例中，第二導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層304對(duì)應(yīng)于前面參照?qǐng)D1A所描述的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層104，并且具有相同的功能。
將不會(huì)穿過陽極108和金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102之間的區(qū)域。
第三外部電壓源105與支撐襯底101相連。此外，支撐襯底101也可以和對(duì)應(yīng)于0.0伏的參考地電位相接，以代替電壓源105。
圖1B表示結(jié)構(gòu)100，其中電子穿過金剛石半導(dǎo)體的主體，到達(dá)金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的發(fā)射面120，并且隨后通過加速電場(chǎng)的作用離開發(fā)射面120。然而，調(diào)整結(jié)耗盡區(qū)110的寬度可以有效地控制發(fā)射面120上得到的電子。通過這樣的做法能有效地調(diào)整電子發(fā)射率。提高與層104相連的電壓的幅度導(dǎo)致結(jié)耗盡區(qū)110寬度的增加。由于結(jié)耗盡區(qū)110基本上沒有導(dǎo)帶電子，并且穿過金剛石半導(dǎo)體主體的電子不通過結(jié)耗盡區(qū)110，所以向?qū)?04施加適當(dāng)幅度的電壓就可能中止流向發(fā)射面120的電子流，在這種情況下，場(chǎng)致發(fā)射器件100有效地處于截止方式，電子發(fā)射中斷。圖1B表示結(jié)耗盡區(qū)110的寬度向外延伸，實(shí)際上橫穿金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極102的全部寬度。
本發(fā)明的金剛石半導(dǎo)體的一個(gè)目的是提供一種場(chǎng)致發(fā)射電子器件，它不會(huì)像先有技術(shù)中的結(jié)構(gòu)那樣受到損壞，因?yàn)樵谙扔屑夹g(shù)中為了引起電子發(fā)射，必須在電子發(fā)射極產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)。用作本發(fā)明的電子發(fā)射極的金剛石半導(dǎo)體材料對(duì)應(yīng)于一種結(jié)晶平面呈現(xiàn)出小于1.0電子伏的電子親和能，而對(duì)應(yīng)于另一種結(jié)晶平面則呈現(xiàn)出小于0.0電子伏的電子親和能。所需的電子親和能通過對(duì)位于所選結(jié)晶平面的發(fā)射面120的金剛石半導(dǎo)體材料淀積而得到。因此，就可以圖3A還畫出了由許多層構(gòu)成的陽極308，包括一層具有一個(gè)表面的基本透光的面板311，一層置于面板311表面的陰極發(fā)光材料312，以及置于陰極發(fā)光層312的導(dǎo)電層313。用箭頭309表示的發(fā)射電子穿過金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極302的發(fā)射面320和遠(yuǎn)處配置的陽極308之間的區(qū)域，將能量傳給陰極發(fā)光層312中的激活部分，以便激發(fā)用箭頭314表示的光子發(fā)射，這可以通過基本透光的面板311觀察到。
圖3B是器件300的側(cè)視剖面圖，其功能如前面參照?qǐng)D1B所作的說明。電壓源305、306和307的連接及運(yùn)行狀況如前所述。在器件300中，通過向?qū)щ?半導(dǎo)電材料層304施加一個(gè)合適的外部電壓調(diào)整結(jié)耗盡區(qū)310的寬度，來調(diào)整從金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極302發(fā)射出的電子。調(diào)整電子發(fā)射的過程調(diào)整了從陰極發(fā)光層312發(fā)射出的光子，從而產(chǎn)生可見顯示。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，它是器件400的局部透視圖，其中對(duì)應(yīng)于先前在圖3A和3B中描述的部分類似地以數(shù)字“4”打頭的參考號(hào)表示。在器件400中，有選擇地按圖形加工的第一導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層415是作為許多電獨(dú)立的條紋實(shí)現(xiàn)的。類似地，在器件400中，第二導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層404有選擇地按圖形加工成許多條紋。應(yīng)該懂得，術(shù)語“條紋”此處定義為包含用于特定用途的任何形狀，包括區(qū)域或面積但不限于此。其中層415和404用電隔離部分隔開。如此形成之后，多個(gè)金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極402中的每一個(gè)有選擇地處于導(dǎo)通/截止方式，并且通過選擇施加在每個(gè)電獨(dú)立的條紋上的電壓來控制電子發(fā)射。這樣做之后，陰極發(fā)光層412的經(jīng)選擇區(qū)域感應(yīng)發(fā)射光子，從而導(dǎo)致形成通過基本透光面板411可以看見的圖像。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，它是器件500的局部透視圖，其中對(duì)應(yīng)于先前在圖4中描述的部分類似地以數(shù)字“5”打頭的參考號(hào)表示。器件500還有一個(gè)由許多層構(gòu)成的陽極508，包括一層具有一個(gè)表面的基本透光的面板511，一層置于面板511表面的導(dǎo)電層513，以及一導(dǎo)置于導(dǎo)電層513上的陰極發(fā)光材料512。當(dāng)然應(yīng)該懂得，在該具體實(shí)施例中，導(dǎo)電層513由基本透光的材料構(gòu)成，因此通過面板511和導(dǎo)電層513可以看見陰極發(fā)光層512發(fā)射的光子。
于是，本發(fā)明公開了改進(jìn)的電子發(fā)射極，包括用作電子發(fā)射極的金剛石半導(dǎo)體材料，這種材料對(duì)應(yīng)于一種結(jié)晶平面呈現(xiàn)出小于1.0電子伏的電子親和能，而對(duì)應(yīng)于另一種結(jié)晶平面則呈現(xiàn)出小于0.0電子伏的電子親和能。因此，就可以用與采用先有技術(shù)的電子發(fā)射極對(duì)相比幅度小得多的電場(chǎng)獲得電子發(fā)射。因?yàn)闇p小了電子親和能，所以電子發(fā)射極就不受幾何形狀的限制，例如小曲率半徑的頂部/邊緣，這樣的頂部/邊緣會(huì)受到離子沖擊的損害。此外，在存在很低的殘留氣壓的情況下，發(fā)射極不再受到離子的沖擊，這種沖擊將損壞發(fā)射頂部/邊緣，并使之變得無用。
權(quán)利要求
1.一種包括電可調(diào)電子發(fā)射極的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其特征在于具有用于發(fā)射電子的發(fā)射面(120)和主表面(130)的金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極9102)；以及至少部分置于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102)的主表面(130)并與之形成結(jié)耗盡區(qū)(110)的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層(104)。
2.權(quán)利要求1所說的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其特征還在于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102)置于支撐襯底(101)上。
3.權(quán)利要求1所說的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其特征還在于至少一部分發(fā)射面(120)呈現(xiàn)小于1電子伏的電子親和能。
4.權(quán)利要求1所說的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其特征還在于至少一部分發(fā)射面(12)呈現(xiàn)小于0電子伏的電子親和能。
5.權(quán)利要求1所說的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其特征還在于導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層(404)有選擇地作為許多電獨(dú)立的條紋形成。
6.權(quán)利要求1所說的場(chǎng)致發(fā)射電子器件，其特征還在于有一個(gè)相對(duì)于金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102)的發(fā)射面位置較遠(yuǎn)的用于收集發(fā)射電子的陽極(108)。
7.權(quán)利要求6所說的場(chǎng)致發(fā)射器件，其特征還在于陽極(308)包括具有一個(gè)表面的基本透光的面板(311)，置于面板(311)表面的陰極發(fā)光材料層(312)，以及置于陰極發(fā)光材料層(312)上的導(dǎo)電層(313)。
8.權(quán)利要求6所說的場(chǎng)致發(fā)射器件，其特征還在于陽極(508)包括具有一個(gè)表面的基本透光的面板(511)，置于透光面板(511)表面的導(dǎo)電層(513)，以及置于導(dǎo)電層(513)上的陰極發(fā)光材料層(512)。
9.一種制造包括電可調(diào)電子發(fā)射極的場(chǎng)致發(fā)射電子器件的方法，其特征在于以下步驟形成一個(gè)具有發(fā)射電子的發(fā)射面(120)和主表面(130)的金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102);以及形成一層與金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102)的主表面(130)接觸的導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層(104)，于是在金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102)和導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料層(104)之間的交界面形成一個(gè)電子耗盡區(qū)(110)和與之相關(guān)的耗盡區(qū)寬度。
10.權(quán)利要求9所說的方法的特征還在于以下步驟將一個(gè)電壓源(106)與導(dǎo)電材料層(104)相連，這樣，調(diào)整電壓源(106)的過程調(diào)整了耗盡區(qū)的寬度，從而有效地控制了穿過金剛石半導(dǎo)體材料主體到達(dá)發(fā)射面(120)的電子。
全文摘要
一種具有金剛石半導(dǎo)體電子發(fā)射極(102)的場(chǎng)致發(fā)射器件，發(fā)射極有一個(gè)暴露面(120)，呈現(xiàn)出低的/負(fù)的電子親和能，該器件通過調(diào)整結(jié)耗盡區(qū)(110)加以控制。向器件的柵極(104)施加一個(gè)合適的工作電壓(106)就能調(diào)整結(jié)耗盡區(qū)寬度，從而控制穿過電子發(fā)射極(102)主體以便在暴露面(120)發(fā)射的電子。
文檔編號(hào)H01J9/02GK1069825SQ9210545
公開日1993年3月10日 申請(qǐng)日期1992年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月20日
發(fā)明者羅伯特·C·肯, 詹姆斯·E·詹斯特 申請(qǐng)人:莫托羅拉公司