Brevet FR2759201A1 — publié le 19980807

DISPOSITIF EMETTEUR D'ELECTRONS ET LAMPE POURVUE D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif émetteur d'électrons comprenant un substrat semi-conducteur ayant une zone de type N et une couche de diamant sur une surface supérieure du substrat. Elle concerne également une lampe pourvue d'un tel dispositif. Des émetteurs d'électrons sont utilisés dans divers dispositifs, tels que, par exemple, des cathodes froides ou d'autres lampes, ou dans des dispositifs de visualisation. Ils produisent un rayonnement par bombardement direct d'une couche fluorescente ou par ionisation d'un gaz, tel que dans la manière décrite dans la publication GB-2 297 862. Une forme de dispositif émetteur d'électrons comprend une hétérojonction P- N o, par exemple, la jonction de type P est formée par du diamant dopé de façon appropriée, telle qu'avec du bore. Des exemples de jonctions de diamant émettant des électrons sont décrits dans US 5 410 166; US 5 202 571; "Diamond Junction Cold Cathode" par Brandes et ai., Diamond and Related Materials 4 (1995) 586-590; et "Backward Diode Characteristics of p- Type Diamond/n-Type Silicon Heterojunction Diodes" par Phetchakul et al., Jpn J. Appl. Phys. Vol.35 (1996) pp. 4247-4252. Dec. émetteurs à jonction P- N sont décrits dans "Negative electron affinity devices" par R.L. Bell, Clarendon Press 1973. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif émetteur d'électrons à diamant amélioré. Selon un aspect de la présente invention, le dispositii émetteur d'électrons du type spécifié ci-dessus, est caractérisé en ce que la couche de diamant comporte une zone exposée sur sa surface supérieure, la couche de diamant étant dopée sous la zone exposée avec un dopant de type P et un profil de dopant progressif qui augmente en s'éloignant de la surface supérieure de la couche de diamant, en ce que la zone dopée de type P est espacée de la surface supérieure de la zone de type N pour définir une zone isolante séparant la zone de type P de la zone de type N, et en ce que le dispositif émetteur comporte un premier contact électrique sur la surface inférieure du substrat et un second contact électrique sur la surface supérieure de la couche de diamant de sorte qu'une tension peut être appliquée à travers le dispositif émetteur pour provoquer un effet tunnel des électrons de la zone de type N à travers la zone isolante, dans la zone de type P et une émission d'électrons à partir de la zone exposée. Le substrat semi-conducteur peut être implanté avec de l'oxygène à I'extérieur de la zone de type N. De façon avantageuse, la zone de type N est dopée avec une matière choisie parmi un groupe comprenant: du phosphore, de l'arsenic et de l'antimoine. De préférence, le substrat semi-conducteur a une épaisseur approximativement égale à 150 microns et la couche de diamant a une épaisseur approximativement comprise entre 1 et 2 microns. Le dopage de type P de la couche de diamant est de préférence obtenu par implantation ionique, avec des ions de bore. La zone isolante peut avoir une épaisseur approximativement égale à 0,1 micron. Selon un autre aspect de la présente invention, il est fourni une lampe comprenant un dispositif émetteur d'électrons et un gaz pouvant être ionisé à pression réduite, le dispositif émetteur d'électrons comprenant un substrat semi-conducteur ayant une zone de type N et une couche de diamant sur une surface supérieure du substrat, caractérisé en ce que la couche de diamant comporte une zone exposée sur sa surface supérieure, la couche de diamant étant dopée sous la zone exposée avec un dopant de type P et un profil de dopant progressif qui augmente en s'éloignant de la surface supérieure de la couche de diamant, en ce que la zone dopée de type P est espacée de la surface supérieure de la zone de type N pour définir une zone isolante séparant la zone de type P de la zone de type N, et en ce que le dispositif émetteur comporte un premier contact électrique sur la surface inférieure du substrat et un second contact électrique sur la surface supérieure de la couche de diamant de sorte qu'une tension peut être appliquée à travers le dispositif émetteur pour provoquer un effet tunnel des électrons de la zone de type N à travers la couche isolante, dans la zone de type P et une émission d'électrons de la zone exposée pour provoquer l'ionisation du gaz. De façon avantageuse la lampe comprend une couche fluorescente espacée de la zone exposée afin que le rayonnement produit par ionisation du gaz provoque la fluorescence de ladite couche. Une lampe comprenant un dispositif émetteur d'électrons selon la présente invention, va être maintenant décrite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale en coupe de la lampe, et la figure 2 illustre un modèle de bande d'énergie du dispositif émetteur utilisé dans la lampe sous des conditions de polarisation directe. En référence à la figure 1, la lampe comprend une unité scellée extérieurement 1 contenant plusieurs dispositifs émetteurs d'électrons 2, dont un seul est représenté, et une fenêtre transparente 3. L'unité 1 est remplie avec un gaz inerte tel que du xénon (Xe) ou un mélange de gaz tel que de l'argon (Ar) et du xénon, du néon (Ne) et du xénon ou, du néon, de l'argon et du xénon à une pression comprise entre environ 33 325 Pa et 66 650 Pa. Le xénon génère des poussées intenses de rayonnement à 157 nm (c'est-à-dire, dans la gamme des ultraviolets) lorsqu'il est excité dans une décharge de gaz. La fenêtre 3 comporte une fine couche conductrice transparente 4 d'oxyde étain-indium, formant une anode, sur sa surface inférieure et, sur le dessus de celle-ci, un film fin 5 de phosphore fluorescent. Le dispositif émetteur d'électrons 2 comporte un substrat 20 d'un semi- conducteur, tel que du silicium, dopé pour être de type N dans des zones 21. Le dopant peut être, par exemple, du phosphore, de l'arsenic ou de lI'antimoine. Dans d'autres zones 22, le silicium est implanté avec de l'oxygène pour améliorer ses propriétés isolantes et maintenir l'isolation des zones 21 de type N. Typiquement, le substrat de silicium 20 a une épaisseur d'environ 150 pm. Sur la surface inférieure du substrat 20, sous la zone 21 de type N, une couche métallique, telle qu'une couche d'aluminium, fournit un contact électrique 23. Le substrat 20 comporte, sur sa surface supérieure, une couche 24 d'une matière en diamant isolante. La couche 24 est de préférence formée par le procédé de dépôt en phase vapeur (CVD) et a une épaisseur d'environ 1 à 2 plm, ou moins. Un contact électrique 25 sous la forme d'une couche métallique, telle qu'une couche en titane ou en or, est déposé sur la surface supérieure de la couche 24. Le contact 25 comporte une ouverture centrale 26, d'environ 2 pim de diamètre, qui débouche sur la surface supérieure de la couche de diamant 24. Des éléments d'écartement isolants 6 reposent sur la couche de contact 25 et supportent la fenêtre transparente 3. La zone de la couche de diamant 24 se trouvant sous l'ouverture 26 est dopée pour former une zone 27 de type P. La largeur de la zone 27 de type P est légèrement plus grande que celle de l'ouverture 26, afin que la couche de contact 25 recouvre le rebord de la zone de type P. Le dopage est réalisé par implantation ionique (telle qu'en utilisant des ions de bore) dans une gamme d'énergies faibles inférieures à environ 80 keV. Ceci aboutit à un profil progressif du dopant ayant la densité de dopage la plus élevée en s'éloignant de la surface exposée à travers laquelle le dopage est effectué. Le profil progressif du dopant est préféré car il facilite le recourbement des bandes d'énergie du diamant P vers le bas vers le contact 25 sur la couche P, assurant ainsi une hauteur de barrière réduite pour le contact. Il peut également favoriser un transport plus efficace des électrons vers la surface d'émission. Des détails sur des techniques de dopage progressif sont donnés dans "Graded electron affinity electron source" par Shaw et al., J. Vac. Sci. Technol. B 14(3), Mai/Juin 1996, pp 2072-2075. Le dopage est contrôlé afin que la zone dopée 27 ne s'étende pas sur la totalité de l'épaisseur de la couche de diamant 24 mais laisse une fine couche 28 non dopée, d'environ 0,1 pm d'épaisseur, ou moins, sous la zone dopée, entre cette dernière et la surface supérieure de la zone 21 de silicium de type N. L'écartement des contacts 25 et la dimension effective de l'ouverture de la zone 27 de la couche de diamant de type P exposée commandent la densité de courant. La surface supérieure exposée 29 de la zone dopée 27 est rendue passive par exposition à un plasma d'hydrogène (H2) pour que la surface présente une affinité électronique négative (-Xe). Les contacts 23 et 25 et la couche anode 4 sont reliés à une source de tension 30 extérieure à l'unité 1. Lorsque il n'y a pas de tension appliquée, la couche isolante 28, non dopée, possède une focalisation porteuse faible. Cependant, lorsqu'une polarisation directe en courant continu est appliquée à travers l'hétérojonction entre les couches de diamant 24 et de silicium 20, c'est-à-dire que le contact 25 de type P est positif par rapport au contact 23 de type N, une chute de tension significative se produit dans la couche 28. A cause de la faible épaisseur de la couche 28, ceci a pour résultat une forte chute de tension à travers l'interface isolante entre la zone de silicium 21 de type N et la zone de diamant 27 de type P. La figure 2 illustre la bande de conduction E0 et la bande de valence Ev sous des conditions de polarisation directe. La couche isolante 28 est représentée entre les deux lignes verticales en traits interrompus dans la zone des sections verticales des bandes de conduction. La pente vers la droite de la couche 28 est une conséquence du dopage progressif. La bande de conduction Ec à la surface est située sous la couche à vide Evac, qui s'appliquerait quand le diamant a une fonction de travail positif (+Xe) mais au- dessus de celle du présent cas o la surface de diamant a été traitée pour lui donner une fonction de travail négatif (-Xe) Le potentiel à pente raide permet aux électrons des niveaux donneurs dans la zone de silicium 21 de type N, dont l'énergie est proche du niveau Fermi EF, de se déplacer plus efficacement avec un effet tunnel à travers la couche isolante 28 par la bande de conduction de la couche de diamant 27 de type P. L'énergie des électrons à effet tunnel dépasse Eva, ainsi les électrons sont émis de la surface 29. Le dopage progressif de la couche de diamant 27 de type P peut permettre aux porteurs minoritaires d'électrons injectés dans le diamant de type P de se déplacer selon une trajectoire balistique vers l'interface diamant/vide à la surface 29 avec des énergies plus élevées que ce qui serait attendu de porteurs diffusant à travers la structure de la jonction et se déplaçant avec un effet tunnel dans le gaz basse pression /vide. Le transport balistique des électrons est décrit dans "Monte Carlo study of hot electron and ballistic transport in diamond, Low electric filed region" par Cutler et al., J. Vac. Sci. Technol. B 14(3), Mai/Juin 1996 p. 2020. Des électrons émis par la surface 29 et attirés vers la couche anode 4 excitent le gaz dans l'unité 1 par collision dans un plasma faiblement ionisé. Des atomes neutres sont alors excités par les particules de plasma pour émettre des U.V. Les photons U.V. entrent en collision sur la couche de phosphore 5 et provoquent sa fluorescence à des longueurs d'ondes visibles, soit dans les parties rouge, verte ou bleue du spectre. La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais s'étend à toute variante évidente pour un homme du métier. Il est à noter que le dispositif émetteur d'électrons de la présente invention n'est pas nécessairement utilisé dans des lampes mais pourrait, par exemple, être utilisé dans des dispositifs de visualisation ou d'autres dispositifs électroniques. REVENDICATIONS 1. Dispositif émetteur d'électrons comprenant un substrat semi- conducteur (20) ayant une zone de type N (21) et une couche (24) de diamant sur une surface supérieure du substrat, caractérisé en ce que la couche de diamant (24) comporte une zone exposée (29) sur sa surface supérieure, la couche de diamant étant dopée sous la zone exposée avec un dopant de type P et un profil de dopant progressif qui augmente en s'éloignant de la surface supérieure de la couche de diamant, en ce que la zone dopée de type P (27) est espacée de la surface supérieure de la zone de type N (21) pour définir une zone isolante (28) séparant la zone de type P (27) de la zone de type N (21), et en ce que le dispositif émetteur comporte un premier contact électrique (23) sur la surface inférieure du substrat (20) et un second contact électrique (25) sur la surface supérieure de la couche de diamant (24) de sorte qu'une tension peut être appliquée à travers le dispositif émetteur pour provoquer un effet tunnel des électrons de la zone de type N (21) à travers la zone isolante (28), dans la zone de type P (27) et une émission d'électrons à partir de la zone exposée (29). 2. Dispositif émetteur d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur (20) est implanté avec de l'oxygène à l'extérieur de la zone de type N (21). 3. Dispositif émetteur d'électrons selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone de type N (21) est dopée avec une matière choisie parmi un groupe comprenant: le phosphore, l'arsenic et l'antimoine. 4. Dispositif émetteur d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat semi- conducteur (20) a une épaisseur approximativement égale à 150 microns. 5. Dispositif émetteur d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de diamant (24) a une épaisseur approximativement comprise entre 1 et 2 microns. 6. Dispositif émetteur d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dopage de type P de la couche de diamant (24) est obtenu par implantation ionique. 7. Dispositif émetteur d'électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'implantation ionique est réalisée avec des ions de bore. 8. Dispositif émetteur d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone isolante (28) a une épaisseur approximativement égale à 0,1 micron. 9. Lampe comprenant un dispositif émetteur d'électrons et un gaz pouvant être ionisé à pression réduite, le dispositif émetteur d'électrons comprenant un substrat semi-conducteur (20) ayant une zone de type N (21) et une couche de diamant (24) sur une surface supérieure du substrat (20), caractérisée en ce que la couche de diamant (24) comporte une zone exposée (29) sur sa surface supérieure, la couche de diamant (24) étant dopée sous la zone exposée (29) avec un dopant de type P et un profil de dopant progressif qui augmente en s'éloignant de la surface supérieure de la couche de diamant (24), en ce que la zone dopée de type P (27) est espacée de la surface supérieure de la zone de type N (21) pour définir une zone isolante (28) séparant la zone de type P (27) de la zone de type N (21), et en ce que le dispositif émetteur comporte un premier contact électrique (23) sur la surface inférieure du substrat (20) et un second contact électrique (25) sur la surface supérieure de la couche de diamant (24) de sorte qu'une tension peut être appliquée à travers le dispositif émetteur pour provoquer un effet tunnel des électrons de la zone de type N (21) à travers la couche isolante (28), dans la zone de type P (27) et une émission d'électrons de la zone exposée (29) pour provoquer l'ionisation du gaz. 10. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche fluorescente (5) espacée de la zone exposée (29) afin que le rayonnement produit par ionisation du gaz provoque la fluorescence de ladite couche (5).