专利名称：具有负电子亲和性的注入冷发射极的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及到电子发射极。确切地说，本发明一般涉及到p-n阴极型冷电子发射极。
背景技术：
以下列共同受让的申请与本发明有关并且可以包含某些共同的公开内容题为“模拟负电子亲和性发射机制的大电流雪崩隧穿和注入隧穿半导体-介质-金属稳定冷发射极”的美国专利申请No.__/__，__(文档号No.10007286-1)。其整个内容此处被列为参考。
目前，电子发射技术有许多形式。在诸如电视(TV)以及计算机监视器之类的许多显示器中，热阴极射线管(CRT)占据着优势，在这种CRT中，由于来自被电流加热的热阴极的热发射而产生电子。电子发射还在诸如X光机和电子显微镜之类的装置中起着关键的作用。小型的冷阴极可以被用于集成电路和平板显示单元。此外，大电流密度发射的电子可以被用来溅射或溶化某些材料。
通常存在着二种类型的电子发射极“热”阴极发射极和“冷”阴极发射极。“热”阴极发射极是基于来自被电流加热的表面的热电子发射。冷阴极可以被分成二种不同的类型类型A和类型B。类型A的发射极是基于场发射效应(场发射阴极)。类型B的发射极是利用由注入或雪崩电击穿过程产生的非平衡电子的发射的p-n阴极。
二种发射极都有一些缺点，因而使之实际上无法使用。类型A发射极(场发射型)的一个主要缺点是寿命很短。例如，类型A发射极仅仅能够工作几个小时，甚至短到几分钟。在冷场发射阴极(类型A)中，电子被真空中的强电场从金属电极表面抽取出。在记录设备或其它应用中所需的大的发射电流下，场阴极的寿命短。
参照
图1A来描述类型A发射极的工作。图1A示出了金属表面的典型能量图，说明了金属的功函数概念。如所示，左边是一种材料，此处为金属，而右边是真空区。EF表示金属的费米能级。金属的功函数ΦM是单个电子从金属中的费米能级进入真空所需的能量。于是，功函数ΦM是VAC与EF之差。金属的功函数ΦM典型为4-5电子伏(eV)。
在非常强的外部电场中，能量图发生改变，并表现为三角形电子势垒(图1A虚线)。当外部电场F增大时，势垒宽度减小，电子的隧穿几率急剧增大。这种势垒的透明度为D=exp[-4ΦM3/22m3qhF]]]>其中F是电场，q和m是电子电荷和质量。透明度表示电子隧穿的几率。对于电流密度j＝1-100A/cm2(每平方厘米安培)，对应的电场可能为F＞107V/cm2。
在这样的强电场中，经常存在于实际器件真空区中的离子在大约1微米或更大的真空区中获得103eV以上的能量。具有如此高能量的离子与发射极表面碰撞，导致离子吸收和发射极表面的侵蚀。离子吸收和侵蚀通常将类型A发射极的寿命限制到工作几个小时甚至几分钟。具有相似强度电场的系统中的阴极损伤已经被非常详细地研究了，它是相当剧烈的。
类型B的发射极(注入/雪崩型)的一个主要缺点是效率非常低。换言之，发射的电流对电路中总电流的比率非常小，通常比1％小得多。类型B的阴极基于p-n结、或包括TiO2或多孔Si的半导体-金属(S-M)结、或需要对p-n结或S-M结施加“内部”偏压的雪崩电击穿。
作为变通，已经提议采用电击穿工艺来从Si制造冷发射极。这些类型的雪崩发射极是基于被雪崩区中非常强的电场加速的非常热的电子(其能量约为几电子伏)的发射。结果也具有发射的热电子的电流密度非常小的缺点。
已经试图借助于在半导体表面上淀积铯(Cs)以便利用负电子亲和性(NEA)效应来提高电流密度。图1B示出了NEA的概念。如所示，左边是一种材料，在此例子中是p型半导体，而右边是真空区。Ec表示金属的导带。注意，NEA效应相当于导带底EC位于真空能级VAC上方的情况。这种类型的一种早期的p-n阴极组合了硅或砷化镓雪崩区与从中产生发射的铯金属层(GaAs/Cs或GaP/Cs结构)。但Cs是非常易起反应的和挥发性元素。具有Cs的GaAs和GaP发射极因而在大电流密度下是不稳定的。
简言之，利用先前的设计，不可能得到大电流发射和稳定性二者兼有的冷发射极。
发明内容
在一种情况下，冷电子发射极的一个实施方案可以包括重掺杂的n型区(n+区)。n+区可以由宽带隙半导体形成。电子发射极还可以包括n+区下方的衬底。实际上，可以借助于用富电子材料对衬底进行掺杂来形成n+区。此外，电子发射极可以包括形成在n+区之中或上方的p区。可以借助于用贫电子材料对n+区进行反掺杂来形成p区。而且，p区中的空穴浓度水平最好低于n+区中的电子浓度。电子发射极还可以包括形成在p区上方的金属层。金属层的功函数最好小于p区的能隙。此外，金属层的厚度最好约为或小于电子能量的平均自由程。电子发射极还可以包括例如借助于对p区进行Δ掺杂而形成在p区内的重掺杂p区(p+区)。电子发射极还可以包括n和p电极，致使n+-p结可以被正向偏置，以便用来控制从器件发射的电流量。电子发射极还可以进一步包括具有或不具有p电极的M电极。
在另一种情况下，制造电子发射极方法的实施方案可以包括例如借助于用富电子材料对宽带隙衬底进行掺杂来形成n+区。此方法还可以包括例如借助于用贫电子材料对n+区进行反掺杂而在n+区中形成p区。p区的厚度最好小于电子在p区中的扩散长度。而且，p区中的空穴浓度水平最好小于n+区的电子浓度。此方法还可以包括在p区上形成金属层。金属层的功函数最好小于p区的能隙，且金属层的厚度最好约为或小于电子能量的平均自由程。此方法还可以进一步包括例如借助于对p区进行Δ掺杂而形成p+区。此方法还可以包括形成n和p电极，使n+-p结可以被正向偏置而工作。此方法还可以进一步包括在形成或不形成p电极的情况下形成M电极，以便控制从电流发射极发射的电流量。
上面公开的实施方案可能能够达到某些方面的目的。例如，电子发射极可以产生高的发射电子流密度。而且，发射极的寿命可以比较长。发射极还可以基于熟知的宽带隙材料及其制造方法，从而几乎不需要超过目前现有技术的投资。此外，由于器件不要求真空区中的强电场，故可以避免强真空电场的不利效应(阴极表面侵蚀、发射极表面处的离子吸收等)，导致稳定的工作。于是可以在单个器件中兼有稳定性和大电流密度。在真空区中不需要强电场，可以明显地简化封装，可能不要求高真空。
总之，与现有技术不同，至少本发明的某些实施方案使耐用的冷发射极能够具有大的发射电流和高的效率。
附图的简要说明对于本技术领域熟练人员来说，从参照附图的下列描述中，本发明的特点将变得显而易见，在这些附图中图1A是材料表面的典型能量图，说明了材料功函数概念；图1B是能量图，说明了半导体材料的负电子亲和性概念；图2A-2F示出了根据本发明一种情况的冷发射极各种实施方案的示例性剖面；图3A示出了图2A所示冷发射极实施方案的跨越II-II线的平衡的示例性能带图；图3B示出了图2B所示冷发射极实施方案的跨越II’-II’线的平衡的示例性能带图；图4示出了图2A-2F的冷发射极在偏压下的示例性能带图。
详细描述为了简单和说明的目的，主要参照其示例性实施方案来描述本发明的原理。在下列描述中，为了提供对本发明的透彻理解，提出了大量具体的细节。但对于本技术领域的一般熟练人员来说，显然本发明的实施不局限于这些具体的细节。在其它的情况下，为了不致于使本发明难以理解而没有详细地描述那些众所周知的方法和结构。
图2A示出了根据本发明概念的冷发射极200的第一实施方案的示例性剖面。冷发射极200的一般特征可以是由于存在n+区220、p区230、以及金属层240，因而具有n+-p-M结构。如图2A所示，冷发射极200可以包括衬底210和形成在衬底210上的n+区220。N+区220可以由宽带隙(WBG)半导体形成，WBG半导体的例子包括GaP、GaN、AlGaN、诸如金刚石的碳、非晶Si、AlN、BN、SiC、ZnO、InP等。本技术领域一般熟练人员可以理解的是，其它的材料也可以被用作适当的WBG半导体。N+区220中的电子浓度nn最好高于每立方厘米1017，也可以高于每立方厘米1019。但可以根据应用的类型来调整浓度水平。
实际上，衬底210和n+区220可以由同一种WBG半导体形成。然后可以借助于用富电子材料对WBG半导体进行掺杂而形成n+区220。富电子材料的例子包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。本技术领域一般熟练人员可以理解的是，也可以使用其它的富电子材料。
冷发射极200还可以包括形成在n+区220中或其上的p区230。p区230可以例如借助于用贫电子材料对n+区220进行反掺杂而形成。这种材料的例子包括硼。一般熟练人员可以理解的是，其它的贫电子材料也可以被采用。p区230还可以由完全区别于n+区220的材料形成。n+区220最好由带隙比p区230宽的材料形成。
p区230的空穴浓度pp最好基本上为每立方厘米1016-1018，可选浓度约为每立方厘米1018。此范围可以根据应用的类型而变化。空穴浓度最好小于n+区中的电子浓度，亦即pp＜nn。此比率也可以根据应用的类型而变化。而且，W最好小于L，其中如图2A所示，W表示p区230的厚度，且如图2A所示，L表示p区230中非平衡电子的扩散长度。扩散长度L典型为0.3微米。
冷发射极200还可以包括形成在p区230上的金属层240。金属层240可以由像Au、Pt、W这样的标准电极材料形成，也可以由低功函数材料形成。低功函数材料的例子包括LaB6、CeB6、Au、Al、Gd、Eu、EuO、以及它们的合金。金属层240的厚度t约为或小于电子能量的平均自由程1g。1g通常为2-5毫微米(nm)。这样，厚度应该为t＜2-5nm。
金属层240材料的选择依赖于n+区220与p区230之间的n+-p接触电压差。下面参照参照图3A来解释金属层240材料的选择判据，图3A示出了图2A的冷发射极200第一实施方案的示例性平衡能带图。如图3A所示，若n+-p接触电压差被表示为Vnp，则结中的内建电势可以被表示为qVnp≈Eg(见图3A)，其中q＞0表示基本电荷，而Eg表示p区230的导带能量EC与价带能量EV之间的能隙。
金属层240的功函数ΦM最好使ΦM＜qVnp≈Eg。例如，金刚石的Eg约为5.47eV。于是，若金刚石被用作p区230的基础，则可以用金作为金属层240，因为金的功函数ΦM为4.75eV。其它的材料(例如功函数基本上接近2.5eV的LaB6和CeB6)具有甚至更低的Eg。一般熟练人员可以理解的是，其它材料也可以适合于作为金属层240，且层240可以不严格地局限于金属。
回过来参照图2A，电子冷发射极200还可以包括形成在n+区220上的n电极260和p电极270。n电极260可以被电连接到n+区220，而p电极270可以被电连接到p区230。n电极260和p电极270可以由金属或其它导电材料形成。导电材料的例子包括Au、Ag、Al、W、Pt、Ir、Pd等、以及它们的合金。此外，电子发射极200可以包括介质250，以便分别隔离n电极260和p电极270。
图3A示出了图2A的冷发射极200第一实施方案的跨越II-II线平衡的示例性能带图。如所示，图3A的左侧对应于线II-II的底部(n+区220)，而右侧对应于顶部(真空)。
如上所述，金属层240的功函数ΦM最好小于p区230的能隙，亦即Eg≈qVnp＞ΦM。如图3A所示，在此条件下，p区230结中的能级超过金属层240的功函数ΦM。于是，由于p区中电子的能量高于真空能级Vac，故冷发射极200表示为好象具有负电子亲和性Φ＜0。
以下参照图2A、3A、以及4来描述冷发射极200的工作。在平衡状态下，不发生电子发射。如图3A所示，这是因为在p区没有平衡电子，从而在p区230与金属层240之间的p-M界面处形成了耗尽界面层。靠近p-M界面，亦即在耗尽界面层处，电子损失能量，从而不从金属层240发射进入真空。如图3A所示，这是由于靠近p-M界面处导带能量EC的降低，致使在界面处，导带能量EC低于真空的能级Vac。
理想情况下，可能不存在耗尽界面层，靠近p-M界面的虚线示出了这一点。在p-M界面处没有耗尽界面层，冷发射极200具有NEA性质，意味着注入到p区230中的电子由于其在p区中的能量可能高于Vac，故可以从冷发射极200发射出来。
当n+区220与p区230之间界面处的n+-p结被正向偏置时，亦即p区230相对于n+区220存在正电位时，冷发射极200就工作。可以分别经由n电极260和p电极270来施加偏置电位。当n+-p结被正向偏置时，电子从富电子的n+区220被注入到p区230。当p区230的厚度W小于非平衡电子在p区230中的扩散长度L时，电子横过p区230并聚集在耗尽界面层中。
这类似晶体管效应，其中通过基极(固定于p区230)的电流决定于注入的电子与空穴的复合速率。注入的电子聚集在空穴浓度非常低的耗尽层中，致使复合速率非常低。结果，如图4所示，电子聚集在耗尽界面层中，直至其局部准费米能级EF上升到真空能级Vac以上。因此，注入的电子的发射迅速增大。在此情况下，发射电流比基极中的复合电流大得多(相似于通常的半导体晶体管)。这使得能够发射非常大的电流。发射的电子被真空中的电场向着阳极(图中未示出)加速。
图2B示出了根据本发明一种情况的冷发射极200-1第二实施方案的示例性剖面。由于p+区235存在于p区230与金属层240之间，故冷发射极200-1可以被描述为图2A的冷发射极200的变形，并通常可表示为n+-p-p+-M结构。如图2B所示，冷发射极200-1包括图2A所示冷发射极200的所有元件。为了简化的目的，将不详细地描述冷发射极200与200-1共有的元件。指出共有元件的行为和特性可以相似就足够了。
除了冷发射极200的一些元件之外，冷发射极200-1还可以包括形成在p区230中的p+区235。可以借助于对p区230进行Δ掺杂并进一步用贫电子材料来形成可能非常薄的高掺杂的p+区235。Δ掺杂在非常薄的层中产生高浓度的掺杂剂。p+区235中的空穴浓度水平在厚度小于100nm的层中最好约为每立方厘米1020-1021。而且，厚度W(此时是p区330和p+区335的组合)最好小于非平衡电子的扩散长度。注意，除了p区230之外，p电极270还可以电接触p+区235。
参照图3B来解释p+区235的至少一个作用，图3B示出了图3A的冷发射极200-1的示例性平衡能带图。上面讨论了图2A所示的冷发射极200(第一实施方案)，耗尽界面层形成在p区230与金属层240之间的p-M界面，以及靠近p-M界面处电子损失能量。
p+区235的存在减小了界面处的能带弯曲，并使发射极200-1更接近具有NEA的理想发射极。如图3B所示，发射极200-1的导带能级能量Ec的降低比发射极200的降低更小(与图3A比较)。由于能带弯曲的减小，故聚集在p+-M界面附近的被注入的电子的准费米能级移动到更接近理想位置，这就改善了电子发射的条件。
如图4所示，冷发射极200-1的工作相似于冷发射极200的工作。换言之，当n+区220与p区230(以及p+区235)之间界面处的n+-p结被正向偏置时，冷发射极200-1就工作。在此情况下，由于存在p+区235以及相应地缩小了平衡耗尽界面层，故要求较少的正向偏压。
图2C示出了根据本发明一种情况的冷发射极200-2第三实施方案的示例性剖面。冷发射极200-2也可以被描述为图2A冷发射极200的一个变形，且其特征一般也可以是像冷发射极200那样的n+-p-M结构。
如图2C所示，除了冷发射极200-2可以不包括p电极270，但可以包括形成在金属层240上并电接触金属层240的M电极290之外，冷发射极200-2可以包括图2A所示冷发射极200的所有元件。为了简化的目的，将不详细地描述冷发射极200与200-2共有的元件。指出共有元件的行为和特性可以相似就足够了。
M电极290可以起的至少一个作用被解释如下。关于冷发射极200(和200-1)，当n+-p结成为正向偏置时，发射极就工作。通过分别对n电极260和p电极270施加适当的电位，来提供偏置(见图2A和2B)。利用冷发射极200-2，借助于分别对n电极260和M电极290施加适当的电位，n+-p结可以成为正向偏置。冷发射极200-2的一个优点是，当与例如冷发射极200进行比较时，可以更容易地制造器件。
冷发射极200-2的工作相似于冷发射极200和200-1，因而无须详细描述。
图2D示出了根据本发明一种情况的冷发射极200-3第四实施方案的示例性剖面。像冷发射极200-1和200-2那样，冷发射极200-3可以被描述为图2A的冷发射极200的变形。冷发射极200-3的特征通常可以是n+-p-M结构。如图2D所示，冷发射极200-3包括图2A所示冷发射极200的所有元件。为了简化的目的，将不详细地描述冷发射极200与200-3共有的元件。指出共有元件的行为和特性可以相似就足够了。
除了冷发射极200的元件之外，冷发射极200-3还包括形成在金属层240上并电接触金属层240的M电极290以及隔离M电极290的第二绝缘层280。在此情况下，可以如以前冷发射极200那样通过分别对n电极260和p电极270施加电位来提供n+-p结的正向偏压。
冷发射极200-3的一般工作相似于冷发射极200和200-1，无须详细讨论。但M电极在冷发射极200-3的工作中增加了一个额外的控制能力。在此情况下，金属层240可以被用来控制发射极电流量。在要求具有分别控制的发射极的阵列的应用中，这是非常有利的。借助于通过M电极290偏置金属层240上的电位，能够控制发射电流。这就关闭和开通了来自冷发射极200-3的发射电流。
可以组合示为第二、第三、以及第四实施方案的各个变形(分别是冷发射极200-1、200-2、以及200-3)，以便在一种器件中获得各个变形的好处。例如，图2E、2F示出了根据本发明其它情况的冷发射极200-12和200-13的第五和第六实施方案的示例性剖面。
图2E示出了冷发射极200-1与200-2(分别是第二和第三实施方案)组合的例子。如所示，像冷发射极200-1那样，冷发射极200-12包括p+区235，因而其特征可以是具有n+-p-p+-M结构。而且，像冷发射极200-2那样，冷发射极200-12缺少p电极270，但包括M电极290。
冷发射极200-12使电位能够经由金属层240被施加到p区230。而且，由于存在p+区235，故可以要求比较小的正向偏压。
图2F示出了冷发射极200-1与200-3(分别是第二和第四实施方案)组合的例子。如所示，像冷发射极200-1那样，冷发射极200-13包括p+区235，因而其特征可以是具有n+-p-p+-M结构。而且，像冷发射极200-3那样，冷发射极200-13包括M电极290和第二绝缘体280。
冷发射极200-13使电流量能够通过M电极290的适当偏置而被控制。而且，由于存在p+区235，故更容易满足NEA条件。
此处所述的是本发明及其一些变形的优选实施方案。此处提出的术语、描述、以及附图仅仅是为了说明的目的而不是意味着限制。本技术领域的熟练人员可以理解的是，在下列权利要求及其等同物所定义的本发明的构思与范围内，各种变化都是可能的，其中除非另有说明，所有的术语表示的都是最广义而合理的意义。
权利要求
1.一种电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，它包含n+区(220)；形成在所述n+区(220)中(或其上)的p区(230)；以及形成在所述p区(230)上的金属层(240)。
2.根据权利要求1的电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，还包含所述n+区(220)下方的衬底(210)。
3.根据权利要求1的电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述n+区(220)由宽带隙半导体形成。
4.根据权利要求1的电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述n+区(220)的电子浓度水平nn大于所述p区(230)的空穴浓度水平pp。
5.根据权利要求1的电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述p区(230)的厚度小于所述p区(230)中非平衡电子的扩散长度。
6.根据权利要求1的电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中真空能级位于形成在器件中的所述p区(230)中的半导体的能隙中。
7.根据权利要求1的电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)，其中所述金属层(240)的厚度约为或小于电子能量的平均自由程。
8.一种制造电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)的方法，它包含形成n+区并用它作为衬底(220)；在所述n+区(220)中或其上形成p区(230)；以及在所述p区(230)上形成金属层(240)。
9.根据权利要求8的制造电子发射极(200、200-1、200-2、200-3、200-12、200-13)的方法，还包含形成所述n+区(220)的衬底(210)。
10.根据权利要求8的制造电子发射极(200-1、200-12、200-13)的方法，还包含在所述p区(230)中以及所述金属层(240)下方，形成所述p+区(235)。
全文摘要
冷电子发射极(200、200－1、200－2、200－3、200－12、200－13)可以包括n+重掺杂的宽带隙区(WBG)(220)、p掺杂WBG区(230)、及低功函数金属层(240)(n+－p－M结构)。此结构的改进包括p区(230)与M金属层(240)之间的p+重掺杂区(235)(n+－p－p+－M结构)。这些结构使得可兼有大电流发射和稳定耐久的工作。由于p掺杂区(230)或p+重掺杂WBG区(235)在与低功函数金属接触时起负电子亲和性材料的作用，故有可能得到大电流密度。由于发射极利用了比较低的抽取电场，故具有n+－p－M和n+－p－p+－M结构的注入发射极是稳定的，且不受来自被加速离子的沾污和/或吸收的影响。这些结构可以用目前的现有技术工艺来制造。
文档编号H01J1/308GK1412805SQ02144399
公开日2003年4月23日 申请日期2002年10月14日 优先权日2001年10月12日
发明者V·V·奥斯波夫, A·M·布拉特科夫斯基, H·比雷基 申请人:惠普公司