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Gene Or Protein
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[6][_]
Etre
(46)
[7][_]
Cou
(4)
[8][_]
DANS
(3)
[9][_]
Tif
(2)
[10][_]
CES
(1)
[11][_]
Munir
(1)
[12][_]
Cme
(1)
[13][_]
Gne
(1)
[14][_]
Sepa
(1)
[15][_]
Molecule
(12/ 29)
[16][_]
silicon
(8)
[17][_]
phosphorus
(4)
[18][_]
SEMI
(3)
[19][_]
DES
(3)
[20][_]
boron
(2)
[21][_]
arsenic
(2)
[22][_]
cesium
(2)
[23][_]
aluminium
(1)
[24][_]
dopa
(1)
[25][_]
barium
(1)
[26][_]
hydrogen
(1)
[27][_]
nexion
(1)
[28][_]
Physical
(13/ 18)
[29][_]
4 V
(5)
[30][_]
1014 cm
(2)
[31][_]
5 ohm/cm
(1)
[32][_]
de 5 um
(1)
[33][_]
de 0,025 um
(1)
[34][_]
10 cm
(1)
[35][_]
de 5.1140 cm
(1)
[36][_]
0,05 um
(1)
[37][_]
1018 cm
(1)
[38][_]
de 4 V
(1)
[39][_]
3 V
(1)
[40][_]
1017 cm
(1)
[41][_]
3 s
(1)
[42][_]
Generic
(2/ 7)
[43][_]
cations
(6)
[44][_]
oxide
(1)
[45][_]
Organism
(1/ 1)
[46][_]
N commune
(1)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2516306A1
Family ID 29222108
Probable Assignee Philips Nv
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR SERVANT A L'EMISSION D'ELECTRONS
ET DISPOSITIF MUNI D'UN TEL DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR
Abstract
_________________________________________________________________
UNE SOURCE D'ELECTRONS AVEC UNE STRUCTURE NPN, FORMEE DANS UN CORPS
SEMI-CONDUCTEUR 10 PAR UNE PREMIERE REGION DE TYPE P 1, UNE DEUXIEME
REGION DE TYPE N 2 ET UNE TROISIEME REGION DE TYPE N 3. DES ELECTRONS
24 SONT ENGENDRES DANS LA STRUCTURE POUR L'EMISSION DANS L'ESPACE
LIBRE 20 A PARTIR D'UNE REGION SUPERFICIELLE 4 DU CORPS 10. LA
STRUCTURE NPN 2, 1, 3 PRESENTE DES CONNEXIONS D'ELECTRODE 12 ET 13
UNIQUEMENT DESTINEES AUX DEUXIEME ET TROISIEME REGIONS DE TYPE N 2 ET
3. LA PREMIERE REGION 1 CONSTITUE UNE REGION A COUCHE DE BLOCAGE QUI
LIMITE LE COURANT D'ELECTRONS DE LA DEUXIEME REGION 2 VERS LA
TROISIEME REGION 3 ET CONSTITUE DES REGIONS D'APPAUVRISSEMENT AVEC
TANT LA DEUXIEME REGION DE TYPE N QUE LA TROISIEME REGION DE TYPE N 2
ET 3 ET EST APPAUVRIE PAR LA RENCONTRE DE CES REGIONS
D'APPAUVRISSEMENT.
Description
_________________________________________________________________
"Dispositif semiconducteur sevant a l'emission d'electrons et
dispositif
muni d'un tel dispositif semiconducteur " L'invention concerne un
dispositif semiconducteur servant a l'emission d'electrons comportant
un corps semiconducteur presentant, dans le corps semiconducteur une
structure npn formee par une premiere
region de type p situee entre une deuxieme region de type N et une
troi-
sieme region de type n, les electrons pouvant etre engendres dans
ladite structure npn et etant emis a partir d'une region superficielle
du corps semiconducteur apres avoir traverse, a partir de la deuxieme
region, la
premiere region et la troisieme region De plus, l'invention est
relati-
ve a un dispositif comportant un tel dispositif semiconducteur comme
par exemple les tubes a rayons cathodiques, les dispositifs de prise
de vues, les dispositifs reproducteurs d'image ou les dispositifs pour
la
lithographie electronique.
Le brevet britannique No 830 086 decrit une source d'elec-
trons comportant un corps semiconducteur presentant une structure npn
formee dans le corps semiconducteur par une premiere region de type p
entre une deuxieme region de type N et une troisieme region de type n.
Les electrons sont engendres dans ladite structure npn afin d'etre
emis dans l'espace libre a partir d'une region superficielle dans
ledit corps, apres avoir traverse, a partir de la deuxieme region, la
premiere
region et la troisieme region Cette structure npn (dont un exemple
spe-
cifique est represente sur la figure 3 de ladite demande de brevet 830
086) offre l'avantage que la source d'electrons peut fonctionner a
un niveau de tension situe au-dessous des niveaux necessaires pour
assu-
rer le claquage par avalanche du semiconducteur Des exemples d'autres
sources d'electrons presentant une structure pn simple mais
fonctionnant
en claquage par avalanche sont egalement decrits dans la demande de
bre-
vet britannique 830 086.
Chaque region de la structure npn decrite dans la demande de brevet
britannique 830 086 comporte une electrode qui est connectee a une
source de tension pour le fonctionnement de la structure d'une facon
analogue a celle d'un transistor La premiere jonction pn, qui est
formee entre la deuxieme region et la premiere region est polarisee
comme jonction d'emetteur dans le sens direct La deuxieme jonction pn
entre la premiere region de type p et la troisieme region de type N
est polarisee comme une jonction de collecteur dans le sens indirect
En l'absence d'injection d'eventuels electrons a partir de la premiere
jonction pn, la deuxieme jonction pn ne presente qu'un faible courant
de saturation Les electrons injectes dans la region de type p
diffusent
par l'intermediaire de la region de type p et sont acceleres a des
ener-
gies elevees par la chute de tension dans la deuxieme jonction pn Du
fait qu'une troisieme region de type N tres mince est recouverte de
ma-
teriau reducteur de travail de sortie des electrons, quelques
electrons
s'echappent vers l'espace libre avant de perdre leur energie a la
gril-
le La grandeur d'une telle emission d'electrons s'etablit par
variation
de la tension de la source de tension appliquee dans la premiere jonc-
tion pn entre la deuxieme region et la premiere jonction.
Toutefois, une telle source d'electrons npn comme decrite dans
la demande de brevet britannique 830 086 presente plusieurs desavanta-
ges Les electrons injectes dans la region de type p et les trous
injec-
tes dans la deuxieme region de type N constituent des porteurs de
charge minoritaires qui, par suite d'emmagasinage de charge,
provoquent des retards dans la vitesse de commutation du dispositif
egaux a ceux se
produisant dans les transistors npn De ce fait, il en resulte une
limi-
tation de la vitesse a laquelle la source d'electrons peut etre
commutee
pour modifier le courant d'electrons emis par le dispositif.
En pratique, seule une petite partie des electrons acceleres sort de
la region superficielle (malgre le recouvrement de la troisieme region
mince) Une partie notablement plus grande d'electrons non emis est
evacuee comme courant par la connexion d'electrode de la troisieme
region Il est desirable de disposer d'une troisieme region tres mince
pour augmenter autant que possible le nombre d'electrons sortant de la
region superficielle Dans la demande de brevet britannique 830 086, on
obtient une gamme d'epaisseur comprise entre 0,01 et 10 /um Toutefois,
afin de pouvoir fonctionner comme structure de transistor npn a
commande de base du courant de collecteur, la troisieme region de type
N du dispositif decrit dans la demande de brevet britannique 830 086
ne peut pas presenter un dopage tres eleve comparativement a la
premiere region et a la deuxieme region sans deteriorer l'effet
d'emetteur du transistor Ainsi, en pratique, lorsque l'epaisseur de la
troisieme
region est notablement inferieure a environ l/um, cette region presen-
te une resistance electrique elevee De ce fait, la vitesse a laquelle
la source d'electrons peut etre commutee est limitee surtout par la
constante de temps RC, qui est provoquee par cette resistance de
collec-
teur elevee et la capacite de jonction correspondante De plus, du fait
que la deuxieme region de type N doit presenter un dopage eleve pour
assurer un bon effet d'emetteur du transistor, la jonction pn entre
cet-
te region et la premiere region de type p doit presenter une capacite
elevee qui doit etre chargee par l'intermediaire de la resistance de
base de la structure de transistor, de sorte que la vitesse de
reaction
de la source d'electrons est limitee davantage.
Les connexions d'electrode pour chaque region de la structure
npn sont indispensables pour le fonctionnement du dispositif comme de-
crit dans la demande de brevet britannique N O 830 086 L'exigence de
la presence de trois connexions d'electrode separees rend la structure
de
la source d'electrons et sa realisation fiable compliquee, surtout
lors-
qu'il est desirable de realiser une matrice bidimensionnelle de tels
dispositifs dans un corps semiconducteur commun De telles matrices bi-
dimensionnelles sont desirables pour les dispositifs de prise de vues,
les dispositifs reproducteurs d'image et la lithographie electronique.
De plus, afin de munir la region de type p intermediaire d'une region
de contact suffisamment etendue pour la connexion d'electrode, il est
en
general necessaire que la region de type p s'etende sur une region su-
perficielle suivant la troisieme region de type n, mais de ce fait, la
region de la jonction pn et la capacite correspondante sont
augmentees, de sorte que la vitesse de reaction de la source
d'electrons est reduite davantage.
Selon un premier aspect de la presente invention, un disposi-
tif conforme a l'invention est caracterise en ce que la structure npn
presente des connexions d'electrode pour les deuxieme et troisieme re-
gions de type N et que la premiere region de type p constitue une
couche de bloquage susceptible de limiter le courant d'electrons de la
deuxieme region de type N vers la troisieme region de type N jusqu'a
ce qu'une
difference de potentiel suffisamnent elevee soit appliquee entre
lesdi-
tes connexions afin de polariser la troisieme region positivement par
rapport a la deuxieme region et de provoquer une amenee d'electrons
chauds, qui sont injectes a energie suffisante dans la troisieme
region de type n, pour depasser le potentiel de sortie des electrons
de ladite region superficielle du corps semiconducteur, et dans ce
cas, afin de provoquer ladite amenee d'electrons chauds, la couche de
bloquage de type p presente une epaisseur et une concentration de
dopage telles que, lors de l'application de ladite difference de
potentiel, au moins une partie de la couche de bloquage soit appauvrie
sur toute son epaisseur par la reunion de regions d'epuisement
correspondant aux jonctions pn entre la premiere region de type p et
les deuxieme et troisieme regions
de type n.
Un tel dispositif presente une structure simple et fournit une
source d'electrons a vitesse de reaction elevee, ce qui permet une va-
riation rapide du courant d'electrons emis, alors qu'une matrice de
tel-
les sources d'electrons peut etre realisee de facon simple dans un
corps
semiconducteur commun.
Du fait que la couche de bloquage de type p est entierement appauvrie
par la rencontre de regions d'epuisement, au moins lorsque l'amenee
d'electrons chauds est provoquee, la source d'electrons fait
office de dispositif unipolaire presentant des porteurs de charge
majo-
ritaires lorsque ceux-ci fonctionnent autour de ces niveaux de
tension, de facon a eviter des retards par suite d'emmagasinage des
porteurs de charge minoritaires Du fait que la premiere region epuisee
se comporte comme une barriere pour la charge d'espace negative entre
les deuxieme et troisieme regions de type N (au lieu de fonctionner
comme region de base de transistor bipolaire), la troisieme region de
type N peut presenter une concentration de dopage plus elevee que la
premiere region de type p et au moins la partie de la deuxieme region
de type N situee a cote de la premiere region Cette troisieme region
peut presenter un dopage tres eleve, par exemple au moins 1019 atomes
de dopage/cm 3 voire etre degeneree, de sorte que sa resistance
electrique peut etre tres faible Cela importe pour l'evacuation
d'electrons injectees dans
la troisieme region, mais non emis a partir de la region
superficielle.
Le dopage tres eleve de la troisieme region importe egalement pour
permettre de reduire autant que possible la distance comprise entre
les regions superficielles et le point d'emission des electrons chauds
dans la troisieme region afin de rendre le rendement de la source
d'electrons aussi eleve que possible Comparativement, la deuxieme
region de type n peut presenter un dopage faible, de sorte que la
capacite de la jonction entre la premiere region et la deuxieme region
est rendue aussi petite que possible La presence d'une connexion
d'electrode pour la premiere region intermediaire permet egalement de
disposer les premiere, deuxieme et troisieme regions dans une
structure de couches simple a capacite faible correspondante, de sorte
que la vitesse de reaction de la source
d'electrons est amelioree davantage.
Une structure fiable et particulierement compacte presentant
une capacite faible, s'obtient lorsqu'une couche isolante munie
d'ouver-
tures est enfoncee sur au moins une partie de son epaisseur dans le
corps afin de former une partie du corps qui est lateralement
delimitee
par la couche isolante enfoncee, alors qu'au moins les premiere, troi-
sieme regions sont formees dans ladite partie et delimitees tout
autour par la couche isolante enfoncee De telles structures partielles
peuvent
egalement etre formees, les unes a cote des autres, dans un corps
semi-
conducteur commun, en vue d'obtenir une matrice bidimensionnelle
avanta-
geuse de sources d'electrons presentant une configuration
particuliere-
ment simple d'interconnexions, comme il sera decrit ci-apres.
De plus, la barriere de potentiel, formee entre la deuxieme region de
type N et la troisieme de type N peut etre etablie par choix approprie
de la concentration de dopage et de l'epaisseur de la premiere region
intermediaire de facon que les electrons chauds soient injectes dans
la troisieme region avec exactement la meme energie pour circuler vers
la region superficielle et depasser le potentiel de sortie des
electrons dans cette region De ce fait, une emission d'electrons effi-
cace peut etre atteinte avec une difference de potentiel appliquee ne
depassant pas notablement le minimum necessaire pour depasser le
poten-
tiel de sortie, ce qui permet de reduire au minimum la perte en
puissan-
ce electrique a la source d'electrons D'une facon generale, pour le
meme but, il est desirable de reduire le potentiel de sortie des elec-
trons, par exemple par recouvrement de la region superficielle o sont
emis les electrons d'un materiau susceptible de reduire le potentiel
de
sortie des electrons.
Selon un deuxieme aspect de la presente invention, un disposi-
tif presentant une enveloppe a vide dans laquelle peut etre maintenu
un vide, et un dispositif semiconducteur conforme a l'invention, est
caracterise en ce que le dispositif semiconducteur se trouve dans
l'enveloppe et peut emettre des electrons dans le vide pendant le
fonc-
tionnement du dispositif Un tel dispositif peut etre constitue par
exemple par un tube a rayons cathodiques, un dispositif de prise de
vues, un dispositif reproducteur d'image ou un appareil de
lithographie
electronique servant a la realisation de dispositifs solides
miniatures.
La description ci-apres, en se referant aus dessins annexes,
le tout donne a titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre
com-
ment l'invention peut etre realisee.
La figure 1 est une section transversale d'une partie d'un
dispositif semiconducteur conforme a l'invention.
La figure 2 represente un diagramme d'energie a travers un tel
dispositif avec et sans tension de polarisation.
La figure 3 montre une section transversale d'une partie d'un
autre dispositif semiconducteur conforme a l'invention.
La figure 4 montre un tube a rayons cathodiques conforme a
l'invention muni d'une source d'electrons conforme a l'invention.
La figure 5 represente partiellement en section transversale
et partiellement en perspective une partie d'un autre dispositif semi-
conducteur conforme a l'invention, et la figure 6 represente
partiellement en section transversale et partiellement en perspective
une partie d'un corps du dispositif semiconducteur selon la figure 5,
perpendiculairement a la section
transversale et la vue en perspective de la figure 5.
Il y a lieu de noter que toutes les figures sont representees de facon
schematique et non a echelle Les dimensions relatives et les
rapports de quelques parties de ces figures sont representes sur le
des-
sin d'une facon exageree dans les deux sens D'une facon generale, les
chiffres de reference utilisees dans une forme de realisation sont
ega-
lement utilisees pour les pieces correspondantes ou analogues dans les
autres formes de realisation.
La figure 1 montre une source d'electrons presentant un corps
semiconducteur monocristallin en silicon 10, dans lequel est formee
une structure npn par une premiere region de type p 1 entre une
deuxieme region 2 de type N et une troisieme region 3 de type n Des
electrons sont engendres dans cette structure npn afin d'etre emis
dans l'espace libre 20 a partir d'une region superficielle 4 du corps
10, apres avoir traverse, a partir de la deuxieme region 2, les
premiere et
troisieme regions 1,3, comme l'indique la figure 1 par les fleches 24.
Conformement a la presente invention, la structure npn 2-1-3 ne
presente des connexions d'electrode que pour la deuxieme region 2 de
type N et la troisieme region 3 de type n Ces connexions d'electrode
peuvent etre formees par des couches metalliques 12 et 13 qui consti-
tuent des contacts ohmiques avec les regions 2, 3, respectivement Il
n'existe pas de connexions d'electrode pour la region intermediaire de
type p 1, qui constitue une barriere limitant le courant d'electrons
24 de la region 2 vers la region 3 jusqu'a ce qu'il se produise, entre
les connexions d'electrode 12 et 13, une difference de potentiel telle
que la region 3 soit polarisee suffisamment positivement par rapport a
la deuxieme region et qu'une amenee d'electrons chauds 24 soit
provoquee et les electrons injectees a energie suffisante dans la
region 3 afin de
depasser le potentiel de sortie d'electrons entre la region
superficiel-
le 4 et l'espace libre 20 La region a couche de bloquage 1 constitue
des jonctions pn tant avec la region 2 de type N qu'avec la region 3
de type N et presente une epaisseur et une concentration de dopage
telles qu'elle soit appauvrie par la reunion des regions d'epuisement
de ces
jonction pn dans la region 1.
Comme le represente la figure 1, une couche isolante munie
d'ouvertures 11 est enfoncee sur une partie de son epaisseur dans le
corps 10 afin de former au moins une partie 9 du corps 10 qui est
late-
ralement delimitee par la couche isolante enfoncee 11 Les regions 1 et
3 sont formees dans la partie 9 et sont delimitees tout autour par la
couche isolante 11 De ce fait, on obtient une structure tres compacte
presentant une faible capacite sur laquelle est appliquee, d'une facon
fiable, la connexion d'electrodes 13 a la surface superieure de la
par-
tie 9 sans etre en contact avec la region 1 de type p De plus, la cou-
che metallique constituant la connexion d'electrode 13 peut s'etendre
sur et de facon a depasser la couche isolante 11 afin de former une
re-
gion de contact agrandie a laquelle peuvent etre connectees des conne-
xions externes (par exemple sous forme de fils) La face superieure de
la partie 9 constitue la region superficielle 4 a partir de laquelle
sont emis les electrons 24 Lorsque la couche metallique 13 est suffi-
samment mince, elle peut s'etendre sur la region superficielle 4
Toute-
fois, la region 13 est de preference plus epaisse et assure le contact
entre la region 3 et les bords de la partie 9, comme le represente la
figure 1.
Dans le dispositif selon la figure 1, la region 2 peut etre * formee
par croissance d'une couche epitaxiale de type N presentant une
resistivite elevee sur un substrat 2 a de type N dont la resistivite
est faible Le substrat 2 a constitue une connexion a basse valeur
ohmique
avec la couche metallique 12 qui peut s'etendre sur toute la face
arrie-
re du substrat 2 a Une telle formation du substrat convient notamment
a un dispositif ne comportant qu'une seule source d'electrons dans le
corps 10 Toutefois, elle convient egalement au dispositif comportant
plusieurs sources d'electrons dans un corps commun 10, presentant une
region commune 2 et une connexion d'electrode commune 12, mais presen-
tant des connexions d'electrode propres separees 13 pour les sources
d'electrons separees presentant des regions separees 1 et 3.
La realisation du dispositif selon la figure 1 sera decrite
ci-apres Une couche en silicon dopee a l'aide de phosphorus et presen-
tant une resistivite de par exemple 5 ohm/cm (environ 1015 atomes de
phosphorus/cm 3) et une epaisseur de 5 um par exemple est formee de
faconconnue par croissance epitaxiale sur un substrat en silicon dope
a l'aide de phosphorus 2 a presentant une resistivite de 0,05 ohm cm
et une epaisseur de 240 Oum par exemple La couche isolante 11 peut
etre formee localement dans la surface principale de la couche
epitaxiale avec application des techniques d'oxydation thermique
connues jusqu'a
une profondeur suffisante, par exemple 0,1/um ou une valeur plus ele-
vee, au-dessous de la surface de silicon La profondeur choisie specia-
le est determinee par l'epaisseur de la partie 9, qui est necessaire
pour loger de facon fiable les regions 1 et 3 presentant des
epaisseurs speciales Ainsi, les regions 1 et 3 peuvent etre formees
dans la partie
9 par implantation d'ions Des ions boron dans une dose de par exemple
2.
1014 cme 2 et a energie de 4,5 ke V, par exemple peuvent etre utilises
pour la formation de la region 1, alors que des ions arsenic sont
utili-
ses dans une dose de 5 1014 cm et a energie de 10 ke V pour la for-
mation de la region de type N 3 Apres recuit des regions implantees,
les
couches metalliques 13 et 12, qui peuvent etre en aluminium, sont
appli-
quees pour la formation des connexions d'electrode Ainsi, il est
possi-
ble d'obtenir une source d'electrons presentant une duree de reaction
d'environ 5 nanosecondes ou une valeur moins elevee, de sorte a
permettre une modulation rapide du courant d'electrons emis, par
commu-
tation de la tension appliquee a l'electrode 13 autour d'un niveau
d'en-
viron 4 V Cette vitesse de fonctionnement tres elevee s'obtient du
fait que la region 1 est appauvrie pendant l'amenee d'electrons chauds
24, la structure npn dans la partie 9 presente une capacite
correspondante tres
basse et la region 3 de type N une concentration de dopage elevee.
La concentration de dopage et l'epaisseur obtenues en fin de compte
pour la region 3 de type N sont tributaires de l'espece speciale,
de l'energie et de la dose des ions utilises et des conditions de re-
cuit Une region 3 presentant une epaisseur evaluee de 0,025 um et une
evaueede 120 c-3
concentration de dopage active evaluee de 5 10 cm peut etre for-
mee par recuit desdits ions arsenic implantes a concentration de
5.1140 cm 2 et a energie de 10 ke V a 7000 C dans le vide Le choix
d'une si petite epaisseur pour la region 3 permet de reduire la perte
en
energie pour les electrons 24 dans la region 3, ce qui augmente la
pro-
babilite que les electrons soient emis a partir de la region superfi-
cielle 4 Les electrons, qui ne sont pas emis a partir de la region su-
perficielle 4, sont evacues par l'intermediaire de la connexion
d'elec-
trode 13 Grace au choix d'une concentration de dopage si elevee, la
region 3 de type N presente, malgre sa faible epaisseur, une
resistivite qui est suffisament faible pour obtenir une modulation
rapide du courant
d'electrons emis.
La concentration de dopage active et l'epaisseur de la region a couche
de bloquage 1 sont egalement tributaires de l'energie d'implantation
et de la dose d'implantation des ions et des conditions de recuit et
peuvent etre choisies de facon a etablir la hauteur requise de la
barriere de potentiel pour les electrons entre les regions 2 et 3 et
la couche de bloquage 1 n'est alors appauvrie que dans le cas
d'application d'une difference de potentiel d'une grandeur
prealablement determinee Un recuit sous vide effectue apres ladite
implantation des ions boron avec une concentration de 2 1014 cm 2 et a
energie de 4 5 ke V a 7000 C, permet de donner a la region a couche de
bloquage resultante 1 une epaisseur d'environ 0,05 um et une
concentration de dopage d'environ 2 1018 cm 3, de facon a obtenir une
barriere de potentiel d'environ 4 V pour un courant d'electrons
circulant dans la region 2 vers la region 3 La region a couche de
blocage resultante n'est pas appauvrie sur une partie de son epaisseur
par les regions d'appauvrissement formees sans polarisation des
jonctions pn entre la region 1 de type p et les regions 2 et 3 de type
n L'application d'une difference de potentiel d'au moins une grandeur
minimale prealablement determinee est necessaire pour repartir ces
regions d'appauvrissement sur toute l'epaisseur de la region 1 La
grandeur de la difference de
potentiel necessaire pour appauvrir entierement la region 1 par
penetra-
tion de ces regions d'appauvrissement est ainsi determinee par la con-
centration de dopage et l'epaisseur de la region 1 Jusqu'au moment o
la region 1 est appauvrie sur toute son epaisseur, la partie non
appau-
vrie de la region 1 empeche l'injection d'electrons chauds 24 dans la
region 3, alors que la tension de polarisation appliquee provoque une
augmentation de l'energie des electrons a injecter Ainsi, dans le cas
d'injection, l'energie des electrons injectes 24 peut etre notablement
superieure au potentiel de sortie des electrons, ce qui permet
d'obtenir un rendement d'emission eleve dans la region superficielle
4, situation
qui est representee sur la figure 2.
La ligne a sur la figure 2 represente le diagramme de l'ener-
gie d'electrons et de potentiel d'electrons pour la source d'electrons
se trouvant en equilibre thermique sans tension de polarisation La li-
gne b sur la figure Z represente le diagramme correspondant, une
diffe-
rence de potentiel etant appliquee entre les regions 2 et 3 et
suffisant tout juste pour assurer l'appauvrissement de toute la region
1 Comme il
ressort d'une comparaison des lignes a et b sur la figure 2, il en re-
suite que le potentiel de la barriere superficielle entre la region 3
et l'espace libre 2 est decale vers un niveau plus bas (plus positif)
par rapport a la region 2, de sorte que dans le cas d'injection
d'electrons en quantite suffisante (ligne b), l'energie des electrons
injectes 24 est augmentee d'un montant correspondant La difference de
potentiel necessaire pour assurer l'appauvrissement complet de la
region 1 peut
etre par exemple de 4 V, suivant l'epaisseur et la concentration de
dopa-
ge de la region 1 Une augmentation de la tension de polarisation
appli-
quee jusqu'au dessus de cette valeur minimale permet de reduire la
hau-
teur de la barriere entre les regions 2 et 3, de sorte que le courant
d'electrons dans la region 3 est augmente.
il La hauteur de la barriere entre les regions 2 et 3 peut etre
choisie de facon que les electrons 24 injectes dans la region de type
n 3 presentent exactement l'energie requise afin de traverser la
region 3 et de depasser le potentiel de sortie d'electrons dans la
region 4 Ces potentiels de sortie des electrons se situent entre 4 et
5 e V dans le
cas d'une surface de silicon decouverte propre Comme l'indique la fi-
gure 1, la region superficielle 4 peut cependant etre recouverte de
fa-
con connue d'une couche tres mince 14 en un materiau reducteur du tra-
vail de sortie, par exemple du barium ou du cesium Dans ce cas, le po-
tentiel de sortie des electrons est reduit a environ 2 e V Un tel
recou-
vrement de cesium 14 est incorpore dans l'exemple special de la source
d'electrons selon la figure 1 comme decrite ci-dessus, la region a
cou-
che de bloquage 1 etant appauvrie par penetration
("punch-through")pre-
sente une hauteur de barriere d'environ 4 V Apres l'application d'une
difference de potentiel d'environ 4 V dans ce dispositif, des
electrons chauds 24 sont injectes par la region de barriere 1 et emis
avec un bon
rendement a partir de la region superficielle 4 dans l'espace libre
20.
Au lieu d'une structure "penetration", il est egalement pos-
sible de realiser une region de barriere l qui est meme appauvrie dans
le cas d'une tension de polarisation egale a zero par la rencontre des
regions d'appauvrissement dans la region 1 dans le cas de tension de
polarisation zero Cela peut etre atteint dans la structure selon la
figure 1 par augmentation de l'epaisseur de la region 1 et de la
concentration de dopage de la region voisine 2 De telles couches de
bloquage appauvriesdans le cas de tension de polarisation zero sont
deja connues pour des diodes a porteurs de charge majoritaires, des
transistors a electrons chauds et des transistors a trous chauds
connus du brevet des Etats-Unis d'Amerique No 4 149 174 auquel il y a
lieu de se referer pour l'information concernant les conditions a
satisfaire pour maintenir la region de barriere 1 pratiquement
appauvrie dans le cas d'une tension de polarisation zero et obtenir
une certaine hauteur de barriere Dans une realisation speciale d'un
dispositif conforme a l'invention, une region a couche de bloquage 1,
qui est appauvrie sous la tension zero et qui presente une hauteur de
barriere d'environ 3 V, est obtenue par une concentration de dopage de
type N de la couche epitaxiale 2, a l'aide de 2 1017 atomes de
phosphorus/cm 3
et d'une epaisseur de la region 1 de 0,125/uum, alors que la
concentra-
tion de dopage de la region 1 est de 2,5 1017 cm 3 Comparativement aux
diodes de qualite superieure decrites dans le brevet des Etats-Unis
d'Amerique N O 4 149 174, ce choix d'epaisseurs et de concentrations
de dopage permet de reduire l'aptitude de la region a couche de
bloquage 1
a augmenter l'energie des electrons 24 injectes dans la region 3.
Comparativement aux sources d'electrons presentant des regions "de
penetration" 1, comme on a decrit a l'aide de la figure 2, une telle
source d'electrons presentant une region 1 appauvrie sans tension de
polarisation offre l'avantage que cette region ne contient guere de
por-
teurs de charge minoritaires (trous) meme si la tension appliquee V
est
commutee a un niveau tres bas (au moins pratiquement egal a O V)
Toute-
fois, de tels niveaux de tension tres bas ne sont pas necessaires pour
mettre hors service une source d'electrons conforme a l'invention, du
fait que cela peut etre atteint par reduction de la tension appliquee
jusque tout juste au-dessous du niveau necessaire pour provoquer
l'emis-
sion des electrons 24, tension qui, comme l'on a decrit ci-dessus, se
situe entre 3 et 4 V De plus, la concentration de dopage augmentee de
la couche epitaxiale d'une telle source d'electrons presentant une re-
gion a couche de bloquage completement appauvrie 1 se traduit par une
augmentation de la capacite de la jonction entre les regions 1 et 2,
alors que par suite de l'epaisseur accrue de la region 1, la distance
comprise entre la region superficielle 4 et le point d'emission des
electrons chauds 24 a l'endroit de la region a couche de bloquage est
augmentee Ainsi, il est en general plus avantageux d'utiliser une re-
gion a couche de bloquage "de penetration" (punch-through) 1 qu'une
region a couche de bloquage 1 appauvrie sous la tension de
polarisation zero.
La configuration selon la figure 1 comportant une couche iso-
lante enfoncee 11 et une partie semiconductrice 9 permet la
realisation
d'une tres simple structure de regions npn presentant des capacites
cor-
respondantes tres faibles Une autre configuration d'une source d'elec-
trons conforme a l'invention est representee sur la figure 3, o la
couche isolante 11 n'est pas enfoncee dans le corps 10 sur la
profondeur des regions 1 et 3 et les jonctions pn entre les regions 2
et 1 et les regions 1 et 3 s'etendent jusqu'a la surface a l'aide de
regions
annulaires profondes 21, 23 de type de conduction p, N respectivement.
Meme lorsque l'amenee d'electrons emis chauds 24 a partir de la region
superficielle 4 est provoquee, la region de type p 21 n'est pas
comple-
tement appauvrie sur une partie de son epaisseur entre la region 23 de
type N et la couche epitaxiale 2 de type n La region 23 de type N sert
de region de contact a l'electrode metallique 13 Les regions 21 et 23
sont formees dans des etapes de dopage separees avant l'implantation
des
regions 1 et 3.
Les structures de dispositif selon les figures 1, 2 ou 3 con-
formes a l'invention peuvent etre incorporees comme sources
d'electrons
dans de nombreuses especes d'appareils presentant une enveloppe a
vide.
La figure 4 montre un tel appareil a titre d'exemple, notamment un
tube a rayons cathodiques Cet appareil conforme a l'invention comporte
un tube a vide 33, qui s'evase en forme d'entonnoir et qui presente
une
paroi terminale, dont la face interieure est revetue d'un ecran
lumines-
cent 34 Le tube 33 est ferme hermetiquement pour former une enceinte a
vide 20 Dans le tube 33 sont disposees des electrodes de focalisation,
26 et des electrodes de deviation 27, 28 Le faisceau d'electrons 24
est engendre dans au moins une source d'electrons conforme a
l'invention qui est prevue dans le corps semiconducteur 10 Le corps 10
est applique sur un support 29 dans le bottier 33 et des connexions
electriques sont formees entre les couches metalliques 12 et 13 et les
broches terminales
qui traversent le fond du tube 33 De telles sources d'electrons con-
formes a l'invention peuvent egalement etre incorporees dans des
dispo-
sitifs de prise de vues du genre Vidicon Un autre appareil possible
est
un tube a memoire dans lequel est enregistree une configuration de
char-
ges representant une information sur une cible a l'aide d'un courant
d'electrons module qui est engendre par la source d'electrons du
corps, cette configuration de charge etant ensuite lue par un faisceau
d'electrons constant qui est de preference engendre par la meme source
d'electrons.
La technologie connue appliquee pour la realisation des cir-
cuits integres en silicon, peut egalement etre utilisee pour la reali-
sation d'une source d'electrons conforme a l'invention comme une
matrice dans un corps semiconducteur commun Cela est facilite par la
structure
npn simple de telles sources ne presentant que des connexions
d'electro-
des pour les deux regions 3 et 2 de type n Les figures 5 et 6 montrent
un exemple d'une matrice bidimensionnelle de telles sources
d'electrons, qui peuvent etre commandees chacune separement afin de
regler l'emission d'electrons separes A une surface principale, le
corps 10 du dispositif
selon les figures 5 et 6 presente une matrice bidimensionnelle de par-
* ties isolees 9, qui presentent chacune une structure d'emetteurs
d'elec-
trons npn semblable a la structure representee sur la figure-1 Or, la
masse du corps 10 est constituee par du materiau a faible dopage de
type p, dans lequel sont realisees les deuxiemes regions 2 comme des
ilots de type n Les sources d'electrons separees sont reunies dans un
systeme de barres croisees XY Les regions 3 de type N des parties 9
dans chaque direction X de la matrice presentent une connexion
d'electrodes commune 13 ( 1), 13 ( 2), etc qui s'etendent dans la
direction X pour assurer le contact entre les regions 3 et la surface
des parties 9 Les ilots de type n, qui constituent les regions 2, sont
sous forme de bandes 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc, qui s'etendent dans
la direction Y de la matrice afin
d'interconnecter, dans un ilot commun, les regions 2 de type N des
sour-
ces d'electrons separees dans chaque direction Y Chacune de ces bandes
de type N 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc presente une connexion
d'electrode
12 (t), 12 ( 2), ( 12 ( 3) etc qui assure le contact de sa bande par
l'inter-
mediaire d'une region de contact a dopage elevee, dont l'une 22 ( 2)
est representee sur la figure 6 Ces regions de contact peuvent etre
formees dans leurs parties separees propres delimitees par de l'oxide
par le
meme traitement de dopage que celui applique pour la formation de re-
gions 3 de type n Ces parties separees 9 presentant des regions de
con-
tact sont protegees par un masque contre le traitement de dopage
utilise
pour la formation des regions 1 de type p Des sources d'electrons
sepa-
rees de la matrice XY peuvent etre excitees par selection des
connexions
d'electrode 12 ( 1), 12 ( 2) etc et 13 ( 1), 13 ( 2) etc, auxquelles
sont ap-
pliquees les tensions de fonctionnement V(Y) et V(X), afin de
polariser positivement la region 3 par rapport a la region 2 pour
l'emission d'electrons Il est possible d'appliquer divers grandeurs de
la tension
de polarisation V(X 1), V(X 2), V(Y 1), V(Y 2) etc aux diverses con-
nexions, de sorte que des courants d'electrons differents 24 peuvent
etre emis par diverses sources d'electrons de facon qu'une
configuration
de courant d'electrons requise soit engendree par toute la matrice.
Une telle matrice bidimensionnelle est particulierement effi-
cace lorsqu'elle fait office de source d'electrons dans un dispositif
reproducteur pouvant contenir un tube a vide 33 qui est plus plat que
celui du tube a rayons cathodiques selon la figure 4 A la place d'une
deviation par un seul faisceau d'electrons, comme dans le cas d'un
tube a rayons cathodiques, dans un tel dispositif plat peut etre
formee une image sur un ecran luminescent 34 d'un cote du tube, par
creation de diverses configurations de courants d'electrons a l'aide
de la matrice
dans le corps 10 appliquee du cote oppose du tube.
Une telle matrice bidimensionnelle est egalement efficace pour
la lithographie electronique pendant la realisation de dispositifs
semi-
conducteurs, circuits integres et autres dispositifs solides
microminia-
tures Dans cette application, la matrice est appliquee comme source
d'electrons dans une chambre d'un appareil d'exposition
lithographique.
La chambre communique avec une pompe a vide pour l'etablissement d'un
vide dans la chambre destinee au processus d'exposition Le corps du
dispositif solide a realiser est introduit dans la chambre et sa
surface est munie d'un vernis protecteur sensible aux electrons, qui
est ensuite
expose a une configuration de courant d'electrons provenant d'une
matri-
ce de sources d'electrons, par exemple un systeme de lentilles
electro-
niques Ensuite, le corps du dispositif solide est sorti de la chambre
et traite ulterieurement de facon connue L'application d'une matrice
de
sources d'electrons bidimensionnelles semiconductrices pour des
disposi-
tifs reproducteurs d'image et pour la lithographie electronique est
deja decrite dans la demande de brevet britannique 7902455, publiee
sous le
numero 2013398 A, qui est mentionnee en reference.
Pour plus de clarte, les dessins ne montrent pas le revetement 14
comme present dans la structure des figures 5 et 6 Un tel revetement
14 peut cependant etre applique sur la region superficelle 4 de
chacune des parties de sources d'electrons npn du dispositif selon les
figures,5
et 6 Bien que les figures 5 et 6 montrent a titre d'exemple des ouver-
tures pratiquement carrees dans les connexions d'electrode 13 a l'en-
droit des regions superficielles d'emetteur 4, elles peuvent egalement
presenter une autre forme, par exemple, une forme circulaire Surtout
dans le cas de grandes matrices bidimensionnelles, une region enterree
de type N fortement conductrice (n+) peut etre presente le long du
2516 '306
fond de chaque bande de type N 2 ( 1), 2 ( 2), 2 ( 3) etc, afin de
reduire la
resistance serie.
Beaucoup d'autres variantes sont possibles sans sortir du ca-
dre de la presente invention C'est ainsi que, bien que les structures
npn 2-1-3 ne doivent presenter des connexions d'electrode que pour les
deuxieme et troisieme regions 2, 3 de type N respectivement (donc pas
de connexions d'electrode pour la region intermediaire 1), le corps 10
d'une source d'electrons conforme a l'invention doit presenter des
elec-
trodes additionnelles qui ne sont pas connectees a la structure npn
2-1-3 C'est ainsi qu'une source d'electrons conforme a l'invention
peut presenter en outre une electrode acceleratrice, qui est isolee de
la
surface semiconductrice et qui s'etend autour du bord de la region su-
perficielle 4 dans la troisieme region 3 de type n, a partir de
laquelle sont emis les electrons chauds 24 Dans ce cas, la troisieme
region 3 de
type N peut etre conectee par sa connexion d'electrode 13 par
l'interme-
diaire d'une region de contact de type N profonde a un endroit assez
eloigne de la region superficielle 4 a partir duquel sont emis les
elec-
trons chauds 24 L'application de l'electrode acceleratrice isolee pour
un autre genre de source d'electrons hors du cadre de l'invention est
deja decrite dans ladite demande de brevet britannique N O 2013398 A,
mentionnee en reference Il est egalement possible que, pour des buts
de deviation une telle electrode isolee soit en outre divisee en au
moins
deux electrodes isolees separees prevues autour de la region superfi-
cielle 4.
Outre par un seul corps monocristallin en silicon, le corps
semiconducteur 10 d'une source d'electrons conforme a l'invention peut
egalement etre constitue par un autre materiau semiconducteur, par
exem-
ple un compose semiconducteur III-V ou en silicon amorphe polycristal-
lin hydrogen depose sur un substrat en verre ou un autre materiau ap-
proprie.
Dans les formes de realisation decrites jusqu'a present a l'aide des
figures 1, 2, 3, 5 et 6, la troisieme region 3 de type n constitue la
region superficielle 4, d'o les electrons 24 sont emis dans l'espace
libre La troisieme region 3 de type N situee dans une source
d'electrons peut cependant etre separee, sans sortir du cadre de
la presente invention, par au moins une autre region presentant une
con-
centration de dopage de type p provoquant une crete de potentiel dans
le corps afin de former, a cote de la region superficielle 4, un champ
electrique facilitant l'emission des electrons 24 au dela de la limi-
te du corps 10 a l'endroit de la region 4 Des sources d'electrons
presentant des regions de champ electriques contenant de telles con-
centrations de dopage sont deja decrites dans la demande de brevet
britannique 8133502 deposee en meme temps que le depot de priorite
correspondant a la presente demande de brevet.
18-
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Dispositif semiconducteur servant a l'emission d'electrons,
comportant un corps semiconducteur ( 10) presentant, dans le corps
semi- conducteur, une structure npn formee par une premiere region (
1) de type p situee entre une deuxieme region ( 2) de type N et une
troisieme region ( 3) de type n, les electrons pouvant etre engendres
dans ladite structure npn et etant emis a partir d'une region
superficielle ( 4) du corps semiconducteur apres-avoir traverse, a
partir de la deuxieme re- gion, la premiere region et la troisieme
region, caracterise en ce que la structure npn presente des connexions
d'electrode ( 12, 13) pour les deuxieme ( 2) et troisieme ( 3) regions
de type n, et que la premiere re- gion ( 1) de type p constitue une
couche de blocage susceptible de limi- ter le courant d'electrons de
la deuxieme region ( 2) de type N vers la troisieme region ( 3) de
type N jusqu'a ce qu'une difference de potentiel suffisamment elevee
soit appliquee entre lesdites connexions ( 12, 13) afin de polariser
la troisieme region ( 3) positivement par rapport a la deuxieme region
( 2) et de provoquer une amenee d'electrons chaudsqui sont injectes a
energie suffisante dans la troisieme region ( 3) de type n pour
depasser le potentiel de sortie des electrons de ladite region
superficielle ( 4) du corps semiconducteur, et dans ce cas, afin de
pro- voquer ladite amenee d'electrons chauds, la couche de bloquage (
1) de type p presente une epaisseur et une concentration de dopage
telles que, lors de l'application de ladite difference de potentiel,
au moins une partie de la couche de bloquage soit appauvrie sur toute
son epais- seur par la reunion de regions d'epuisement correspondant
aux jonctions pn entre la premiere region ( 1) de type p et les
deuxieme ( 2) et troi- sieme ( 3) regions de type n -
2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caracte- rise en
ce que ladite troisieme region ( 3) de type N presente une con-
centration de dopage determinant le type de conduction superieure a
celle de la premiere region ( 1) de type p et a celle d'au moins la
par- tie de la deuxieme region ( 2) de type N situee a cote de la
premiere region.
3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, ca-
racterise en ce qu'au moins la partie de la deuxieme region ( 2) de
type N situee a cote de la premiere region presente une concentration
de dopage determinant le type de conduction qui est inferieure a celle
de la premiere region ( 1).
4 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-
cations precedentes, caracterise en ce qu'une couche isolante ( 11)
munie d'ouvertures est enfoncee sur au moins une partie de son
epaisseur dans ledit corps ( 10) et au moins une partie du corps est
delimite laterale- ment par la couche isolante ( 11) enfoncee, la
premiere region ( 1) et la troisieme region ( 3) etant formees dans
ladite partie et delimitees tout autour par la couche isolante ( 11)
enfoncee.
5 Dispositif semiconducteur selon la revendication 4, caracte- rise en
ce que la face superieure de la partie ( 9) delimitee par la cou- che
isolante ( 11) enfoncee constitue ladite region superficielle ( 4) A
partir de laquelle sont emis les electrons et qu'une connexion ( 13)
d'e- lectrode assure le contact entre ladite troisieme region ( 3) de
type n et ladite face superieure de La partie mesa et s'etend jusque
sur ladite couche isolante ( 11) enfoncee.
6 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-
cations precedentes, caracterise en ce qu'au moins une surface princi-
pale dudit corps presente une matrice bidimensionnelle desdites struc-
tures npn, que les troisiemes regions ( 3) de type N presentent une
con- nexion d'electrode ( 13) commune dans une direction de la matrice
s'eten- dant dans ladite direction et que les deuxiemes regions ( 2)
de type n constituent une bande de type N commune dans une direction
transversale de la matrice et s'etendent dans ladite direction
transversale.
7 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-
cations precedentes, caracterise en ce que ladite couche de blocage (
1) n'est pas appauvrie sans tension de polarisationi sururie partie
dessin epaisseur par les regions d'appauvrissement des jonctions pn
entre la region a couche de blocage ( 1) et les deuxieme ( 2) et
troisieme ( 3) re- gions de type n, l'application d'une difference de
potentiel d'au moins une grandeur minimale prealablement determinee
entre lesdites connexions ( 12, 13) d'electrode etant necessaire pour
repartir lesdites regions d'appauvrissement sur toute l'epaisseur de
ladite region a couche de blocage ( 1) et provoquer ainsi ladite
amenee d'electrons chauds a une energie suffisante pour depasser le
potentiel de sortie des electrons de ladite region superficielle ( 4).
8 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 a 6, caracterise en ce que l'epaisseur et la concentration
de dopage de la region a couche de blocage ( 1) sont telles que les
cou- ches d'appauvrissement formees sous la tension de polarisation
zero avec tant ladite deuxieme region ( 2) de type N que ladite
troisieme re- gion ( 3) de type N sont au moins en contact dans ladite
region a couche de blocage ( 1).
9 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-
cations precedentes, caracterise en ce que ladite region superficielle
( 4) du corps est revetue de materiau ( 14) reducteur du travail de
sortie des electrons.
10 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi-
cations precedentes, caracterise en ce que suivant au moins une partie
de la peripherie de la troisieme partie ( 3) de type n, le corps
semicon- ducteur ( 10) est muni d'au moins une electrode isolee
electriquement par rapport au corps semiconducteur.
11 Dispositif comportant une enveloppe a vide ( 35) dans laquelle peut
etre appliquee un vide et un dispositif semiconducteur selon l'une des
revendications precedentes, caracterise en ce que le dispositif se-
irdconducteur se trouve dans l'enveloppe et peut emettre des electrons
dans le vide pendant le fonctionnement du dispositif.
? ?
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