(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板と、
前記導電性基板上に、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０．７≦ｘ≦１）から成る平面状の膜層と、
前記平面状の膜層の表面に対向する位置に設けた透明性平板電極とを有し、
前記導電性基板を負極に、前記透明性平板電極を正極に設定し、電圧を印加することにより、前記平面状の膜層から前記透明性平板電極に向けて電子を放出することを特徴とする電子素子。
【請求項２】
導電性基板と、
前記導電性基板上に、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｂy Ｇａ1-x-y Ｎ（０＜ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）から成る平面状の膜層と、
前記平面状の膜層の表面に対向する位置に設けた透明性平板電極とを有し、
前記導電性基板を負極に、前記透明性平板電極を正極に設定し、電圧を印加することにより、前記平面状の膜層から前記透明性平板電極に向けて電子を放出することを特徴とする電子素子。
【請求項３】
請求項１に記載の電子素子において、
ドナー不純物を含有するＡｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦１，ｘ≠ｙ）から成る平面状の膜層を有し、
前記Ａｌy Ｇａ1-y Ｎから成る平面状の膜層と、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）から成る平面状の膜層とが交互に積層され、
前記２種類の膜層の平均的なアルミニウム組成が０．５程度に設定された構造を有する
ことを特徴とする電子素子。
【請求項４】
導電性基板と、
前記導電性基板上に、ドナー不純物を含有するＡｌx1Ｂy1Ｇａ1-x1-y1 Ｎ（０＜ｘ１、０＜ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）から成る平面状の膜層と、
ドナー不純物を含有するＡｌx2Ｂy2Ｇａ1-x2-y2 Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１、ｘ２≠ｘ１、ｙ２≠ｙ１）から成る平面状の膜層とが交互に積層された構造と、
前記平面状の膜層の表面に対向する位置に設けた透明性平板電極とを有し、
前記導電性基板を負極に、前記透明性平板電極を正極に設定し、電圧を印加することにより、前記平面状の膜層から前記透明性平板電極に向けて電子を放出することを特徴とする電子素子。
【請求項５】
請求項１に記載の電子素子において、
ドナー不純物を含有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０．４＜ｘ≦１）から成る平面状の膜層が、面密度１×１０15ｃｍ-2以上の高濃度ドナー添加層を挟む積層構造を有する
ことを特徴とする電子素子。
【請求項６】
請求項２に記載の電子素子において、
ドナー不純物を含有するＡｌx Ｂy Ｇａ1-x-y Ｎ（０＜ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）から成る平面状の膜層が、面密度１×１０15ｃｍ-2以上の高濃度ドナー添加層を挟む積層構造を有する
ことを特徴とする電子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子素子に係り、より詳細には、例えば低電圧、低消費電力で動作する厚さが数ミリメータのフラットパネルディスプレイや高周波動作可能な高周波増幅素子としての用途を有する電子素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電界放出素子である電子素子の作製例を図１６に示す。
（１）（０００１）面シリコンカーバイドなどの導電性基板１を用意する。
（２）導電性基板１上に窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ）（０＜ｘ≦１）からなる無添加窒化物半導体膜層１１０を成長させる。ここで無添加とは意図的に不純物を添加しないことを意味する。
（３）無添加窒化物半導体膜層１１０の表面に対向する位置に蛍光体３を塗布したＩＴＯなどの導電性の透明性電極４を設置する。無添加窒化物半導体膜層１１０と透明性電極４の間には支えるための絶縁性スペーサ５を置く。
（４）直流電源の負を基板１側に、正を透明性電極４側に印加する。電子は無添加窒化物半導体膜層１１０表面から透明性電極４に向かって放出され、蛍光体３に衝突することにより発光する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電界放出素子である電子素子では、アルミニウム組成ｘが０．４以上の窒化アルミニウムガリウムＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０．４＜ｘ≦１）にはドナー不純物の添加がなされていなかった。そのため、電子密度は極めて低く、電界放出される電子は非常に少なく、発光強度が極めて低かったため、実用には至っていない、という問題があった。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、表面から電界放出される電子の放出効率を従来より著しく向上させた電子素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、窒化アルミニウム・ボロン・ガリウムを母体材料とし、その母体材料にドナー不純物添加または表面近くに電子供給層を挿入することにより、電界放出に必要な表面近傍の電子濃度を増加させる。
つまり、請求項１の発明は、導電性基板と、前記導電性基板上に、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０．７≦ｘ≦１）から成る平面状の膜層と、前記平面状の膜層の表面に対向する位置に設けた透明性平板電極とを有し、前記導電性基板を負極に、前記透明性平板電極を正極に設定し、電圧を印加することにより、前記平面状の膜層から前記透明性平板電極に向けて電子を放出することを特徴とする電子素子である。
請求項２の発明は、導電性基板と、前記導電性基板上に、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｂy Ｇａ1-x-y Ｎ（０＜ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）から成る平面状の膜層と、前記平面状の膜層の表面に対向する位置に設けた透明性平板電極とを有し、前記導電性基板を負極に、前記透明性平板電極を正極に設定し、電圧を印加することにより、前記平面状の膜層から前記透明性平板電極に向けて電子を放出することを特徴とする電子素子である。
請求項３の発明は、請求項１に記載の電子素子において、ドナー不純物を含有するＡｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦１，ｘ≠ｙ）から成る平面状の膜層を有し、前記Ａｌy Ｇａ1-y Ｎから成る平面状の膜層と、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）から成る平面状の膜層とが交互に積層され、前記２種類の膜層の平均的なアルミニウム組成が０．５程度に設定された構造を有することを特徴とする。
請求項４の発明は、導電性基板と、前記導電性基板上に、ドナー不純物を含有するＡｌx1Ｂy1Ｇａ1-x1-y1 Ｎ（０＜ｘ１、０＜ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）から成る平面状の膜層と、ドナー不純物を含有するＡｌx2Ｂy2Ｇａ1-x2-y2 Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１、ｘ２≠ｘ１、ｙ２≠ｙ１）から成る平面状の膜層とが交互に積層された構造と、前記平面状の膜層の表面に対向する位置に設けた透明性平板電極とを有し、前記導電性基板を負極に、前記透明性平板電極を正極に設定し、電圧を印加することにより、前記平面状の膜層から前記透明性平板電極に向けて電子を放出することを特徴とする電子素子である。
請求項５の発明は、請求項１に記載の電子素子において、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０．４＜ｘ≦１）から成る平面状の膜層が、面密度１×１０15ｃｍ-2以上の高濃度ドナー添加層を挟む積層構造を有することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項２に記載の電子素子において、ドナー不純物を含有するＡｌx Ｂy Ｇａ1-x-y Ｎ（０＜ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）から成る平面状の膜層が、面密度１×１０15ｃｍ-2以上の高濃度ドナー添加層を挟む積層構造を有することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために本発明の電子素子は、導電性基板１と、導電性基板１上にドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０．４≦ｘ≦１）の層を成長させたドナー添加窒化物半導体膜層１０と、ドナー添加窒化物半導体膜層１０の表面に対向する位置に設けた透明性電極４とを有し、導電性基板１側に負、透明性電極４側に正の電圧を印加することによりドナー添加窒化物半導体膜層１０表面から電子を透明性電極４に向けて放出させることに特徴を有している。
【０００７】
また、本発明の電子素子は、導電性基板１と、導電性基板１上にドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ＜１）層２１とＡｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ（０＜ｙ≦１，ｘ≠ｙ）層２２を交互に成長させた平均的なアルミニウム組成が０．４以上となるドナー添加窒化物半導体膜層２０と、ドナー添加窒化物半導体膜層２０の表面に対向する位置に設けた透明性電極４とを有し、導電性基板１側に負、透明性電極４側に正の電圧を印加することによりドナー添加窒化物半導体膜層２０表面から電子を透明性電極４に向けて放出させることに特徴を有している。
【０００８】
本発明の電子素子は、導電性基板１と、導電性基板１上のＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ＜１）層３１中にドナー不純物を含有するＡｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ（０＜ｙ≦１）層３２を挿入してなるドナー添加窒化物半導体膜層３０と、ドナー添加窒化物半導体膜層３０の表面に対向する位置に設けた透明性電極４とを有し、導電性基板１側に負、透明性電極４側に正の電圧を印加することによりドナー添加窒化物半導体膜層３０表面から電子を透明性電極４に向けて放出させることに特徴を有している。
【０００９】
また、本発明の電子素子は、導電性基板１と、導電性基板１上のＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ≦１）層４１中に面密度が１×１０１５ｃｍ−２以上である高濃度ドナー添加層４２を所定の間隔で複数挿入してなるドナー添加窒化物半導体膜層４０と、ドナー添加窒化物半導体膜層４０の表面に対向する位置に設けた透明性電極４とを有し、導電性基板１側に負、透明性電極４側に正の電圧を印加することによりドナー添加窒化物半導体膜層４０表面から電子を透明性電極４に向けて放出させることに特徴を有している。
【００１０】
さらに、本発明の電子素子は、導電性基板１と、導電性基板１上のドナー添加窒化物半導体膜層と、ドナー添加窒化物半導体膜層の表面に対向する位置に設けた透明性電極４とを有し、導電性基板１側に負、透明性電極４側に正の電圧を印加することによりドナー添加窒化物半導体膜層表面から電子を透明性電極４に向けて放出させることに特徴を有している。
【００１１】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜層はドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０．４＜ｘ≦１）の層を成長させたことに特徴を有している。
【００１２】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はドナー不純物を含有するＡｌＮの層を成長させたことに特徴を有している。
【００１３】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の層を成長させたことに特徴を有している。
【００１４】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ＜１）層とＡｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ（０＜ｙ≦１，ｘ≠ｙ）層を交互に成長させた平均的なアルミニウム組成が０．４以上となる層を成長させたことに特徴を有している。
【００１５】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ層とＡｌＮ層を交互に成長させた平均的なアルミニウム組成が０．４以上となる層を成長させたことに特徴を有している。
【００１６】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はドナー不純物を含有するＡｌｘ１Ｂｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１  Ｎ（０＜ｘ１≦１、０＜ｙ１≦１）とＡｌｘ２Ｂｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２  Ｎ（０＜ｘ２≦１、０＜ｙ２≦１、ｘ２≠ｘ１、ｙ２≠ｙ１）層を交互に成長させたことに特徴を有している。
【００１７】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ＜１）層中にドナー不純物を含有するＡｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ（０＜ｙ≦１）層を挿入してなる層を成長させたことに特徴を有している。
【００１８】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はＡｌＮ層を持つことに特徴を有している。
【００１９】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はＡｌｘ１Ｂｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１  Ｎ（０＜ｘ１≦１、０＜ｙ１≦１）層中にドナー不純物を含有するＡｌｘ２Ｂｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２  Ｎ（０＜ｘ２≦１、０＜ｙ２≦１）を挿入してなる層を成長させたことに特徴を有している。
【００２０】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ＜１）層中に面密度が１×１０１５ｃｍ−２以上である高濃度ドナー添加層を所定の間隔で複数挿入してなる層を成長させたことに特徴を有している。
【００２１】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はＡｌＮ層を持つことに特徴を有している。
【００２２】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜はドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）層中に面密度が１×１０１５ｃｍ−２以上である高濃度ドナー添加層を所定の間隔で複数挿入してなる層を成長させたことに特徴を有している。
【００２３】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー不純物の濃度は１×１０２０ｃｍ−３以上であることに特徴を有している。
【００２４】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー不純物がＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅであることに特徴を有している。
【００２５】
また、本発明の電子素子は、前記ドナー不純物を含有するＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０≦ｘ≦１）は表面又は表面から０．１μｍ以内に存在することに特徴を有している。
【００２６】
さらに、本発明の電子素子は、前記ドナー添加窒化物半導体膜層は０．１μｍ以上の厚さであることに特徴を有している。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１〜図４は、本発明の第１実施例における電子素子を説明する図である。
【００２８】
（実施例１）
図１は、電子素子の作製工程を示す図である。（ａ）において、１は例えば１０１８ｃｍ−３以上の電子濃度を持つ（０００１）面シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの導電性を有する導電性基板であり、１０は導電性基板１上に、０．１μｍ以上の厚さで、１×１０２０ｃｍ−３以上のドナー不純物としてＳｉを添加したＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０．４≦ｘ≦１）をエピタキシャル成長させたドナー添加窒化物半導体膜層である。
（ｂ）において、ドナー添加窒化物半導体膜層１０に対向する位置に蛍光体３を塗布した導電性の透明性電極４を設置する。ドナー添加窒化物半導体膜層１０と透明性電極４の間には支えるための絶縁性スペーサ５を置く。
（ｃ）において、直流電源の正側を透明性電極４に負側を導電性基板１に接続する。電界によってドナー添加窒化物半導体膜層１０表面から電子が透明性電極４に向けて放出され蛍光体３に衝突し発光する。発光した光は透明性電極４を通して電極裏面より取り出すことができる。
【００２９】
図２にＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０．４≦ｘ≦１）のＳｉドーピング濃度（ｃｍ−３）に対する電界放出特性（電圧−電流特性）を示す。Ｓｉドーピング濃度が高いほど、特に１×１０２０ｃｍ−３以上で電流は増加する。例えば、２×１０１９ｃｍ−３から２×１０２０ｃｍ−３にすると、４００Ｖでは５桁も電流が増大する。しきい電圧（電界放出が起こるのに必要な電圧、低い方が実用的に優れていると言える）も４００Ｖから１８０Ｖに減少することがわかる。
【００３０】
図３にＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（０．４≦ｘ≦１）の厚さに対する電界放出特性を示す。厚さが厚くなるほど、特に１００ｎｍ以上では電流は増加し、しきい電圧は低くなることがわかる。例えば、厚さを５０ｎｍから２００ｎｍに増加させると、２００Ｖで電流は５桁増加する。また、しきい電圧も２００Ｖから１００Ｖに減少する。
【００３１】
図４にＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  ＮのＡｌ組成に対する電界放出特性を示す。Ａｌ組成が０．４以上では電流は増加し、しきい電圧は低くなる。Ａｌ組成が０．３から１（すなわちＡｌＮ）にすると、２００Ｖで電流は５桁増加し、しきい電圧は２００Ｖから１００Ｖに減少する。
【００３２】
（実施例２）
図５は、本発明の第２実施例を説明する図である。（ａ）は、導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層との構造を示す。ドナー不純物を含有する１０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ）（ｘ＝０．１）層２１と１０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ）（ｙ＝０．９）膜２２を交互に２０回繰り返して成長させたドナー添加窒化物半導体膜層２０である。この場合のドナー添加窒化物半導体膜層２０の全体の膜層厚は０．４μｍであり、平均的なアルミニウム組成は０．５である。
【００３３】
図５（ｂ）で示すように、ドナー添加窒化物半導体膜層２０を使用した場合は、同じＡｌ組成０．５の窒化アルミニウムガリウム層より電子の活性化率は増大し、電子密度が高くなるため、電流は１００Ｖで６桁も増加し、しきい電圧は１００Ｖから３８Ｖに低減した。
【００３４】
（実施例３）
図６は、本発明の第３実施例を説明する図である。（ａ）は、０．４μｍの窒化アルミニウムガリウム、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（ｘ＝０．５）層３１中にその表面から０．１μｍの場所に厚さ１０ｎｍの高濃度ドナー添加窒化アルミニウムガリウムであるＡｌy Ｇａ1-y Ｎ（ｙ＝０．９）層３２を挿入したドナー添加窒化物半導体膜層３０である。
【００３５】
図６（ｂ）で示すように、窒化アルミニウムガリウム、Ａｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ（ｙ＝０．９）層３２での電子密度が高くなり、そこから高密度の電子が放出されるため、窒化アルミニウムガリウム、Ａｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ（ｙ＝０．９）層３２を挿入していない０．４μｍの窒化アルミニウムガリウム、Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（ｘ＝０．５）層３１中だけに比べて、電流は１００Ｖで６桁も増加し、しきい電圧は１００Ｖから３８Ｖに低減した。また挿入膜３２のＳｉ濃度（Ｎｄ）を２×１０１９ｃｍ−３から２×１０２０ｃｍ−３にすると、（ｂ）のように８７Ｖでは６桁も電流が増大し、しきい電圧は８７Ｖから３７Ｖに低減した。
【００３６】
図６（ｃ）は、挿入層３２の表面からの距離（ｄ）に対する電界放出特性を示したものである。距離（ｄ）を０．２μｍから０．１μｍに減少させるとしきい電圧は１００Ｖから３７Ｖに低減することがわかった。
【００３７】
（実施例４）
図７は、本発明の第４実施例を説明する図である。（ａ）は、０．４μｍの窒化アルミニウムガリウム、Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（ｘ＝０．９）層４１の中に、１０ｎｍの間隔で合計３９層のドナー不純物ドープ層としての高濃度（１０１５ｃｍ−２）ドナー添加層４２を挿入したドナー添加窒化物半導体膜層４０である。
【００３８】
図７（ｂ）で示すように、高濃度（１０１５ｃｍ−２）ドナー添加層４２の無いＡｌ組成０．９の窒化アルミニウムガリウムに比べて、電子の活性化率は増大し、電子密度が高くなり、電流は１００Ｖで６桁増加し、しきい電圧は１００Ｖから３７Ｖに低減した。また、ドナー添加層での不純物密度（Ｎｄ）を１０１４ｃｍ−２から１０１５ｃｍ−２に増大させると、しきい電圧では８０Ｖから３７Ｖに低減し、ドナー不純物密度が１０１５ｃｍ−２以上であれば電界放出特性が向上することがわかる。
【００３９】
（実施例５）
図８は、本発明の第５実施例を説明する図である。（ａ）は、０．４μｍの窒化アルミニウムガリウム、Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（ｘ＝０．９）層５１の表面から０．１μｍの場所に高濃度（１０１５ｃｍ−２）ドナー添加層５２を挿入したドナー添加窒化物半導体膜層５０である。
【００４０】
図８（ｂ）で示すように、高濃度ドナー添加層５２を挿入しない窒化アルミニウムガリウム、Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ（ｘ＝０．９）層より電子の活性化率は増大し、電子密度が高くなったため、電流は１００Ｖで６桁以上も増加し、しきい電圧も１００Ｖから３７Ｖに低減した。
【００４１】
（実施例６）
図９は、電子素子の作製工程を示す図である。（ａ）において、１は例えば１０１８ｃｍ−３以上の電子濃度を持つ（０００１）面シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの導電性を有する導電性基板であり、６０は導電性基板１上に、０．１μｍ以上の厚さで、１×１０２０ｃｍ−３以上のドナー不純物としてＳｉを添加したＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）をエピタキシャル成長させたドナー添加窒化物半導体膜層である。
（ｂ）において、ドナー添加窒化物半導体膜層６０に対向する位置に蛍光体３を塗布した導電性の透明性電極４を設置する。ドナー添加窒化物半導体膜層６０と透明性電極４の間には支えるための絶縁性スペーサ５を置く。
（ｃ）において、直流電源の正側を透明性電極４に負側を導電性基板１に接続する。電界によってドナー添加窒化物半導体膜層６０表面から電子が透明性電極４に向けて放出され蛍光体３に衝突し発光する。発光した光は透明性電極４を通して電極裏面より取り出すことができる。
【００４２】
Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  ＮのＳｉドーピング濃度（ｃｍ−３）に対する電界放出特性（電圧−電流特性）を、前述の図２で説明する。Ｓｉドーピング濃度が高いほど、特に１×１０２０ｃｍ−３以上で電流は増加する。例えば、２×１０１９ｃｍ−３から２×１０２０ｃｍ−３にすると、４００Ｖでは５桁も電流が増大する。しきい電圧（電界放出が起こるのに必要な電圧、低い方が実用的に優れていると言える）も４００Ｖから１８０Ｖに減少することがわかる。
【００４３】
Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎの厚さに対する電界放出特性を、前述の図３で説明する。厚さが厚くなるほど、特に１００ｎｍ以上では電流は増加し、しきい電圧は低くなることがわかる。例えば、厚さを５０ｎｍから２００ｎｍに増加させると、２００Ｖで電流は５桁増加する。また、しきい電圧も２００Ｖから１００Ｖに減少する。
【００４４】
図１０にＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  ＮのＡｌ組成に対する電界放出特性を示す。Ａｌ組成が０．４以上では電流は増加し、しきい電圧は低くなる。Ａｌ組成が０．３から０．９５（すなわちＡｌ０．９５Ｂ０．０５Ｎ）にすると、２００Ｖで電流は５桁増加し、しきい電圧は２００Ｖから１００Ｖに減少する。
【００４５】
図１１にＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  ＮのＡｌ，Ｂ組成に対する電界放出特性を示す。Ａｌ０．５  Ｂ０．５  Ｎはしきい電圧が７０Ｖであり、ＡｌＮのしきい電圧９０Ｖより低い値である。また１００Ｖでの電流値はＡｌ０．５  Ｂ０．５  Ｎは０．１ｍＡであるのに対して、ＡｌＮは１ｎＡであり、実に１０５  倍の電流値を取ることがわかる。このようにＢを含むことにより電界放出特性は著しく向上する。
【００４６】
（実施例７）
図１２は、本発明の第７実施例を説明する図である。（ａ）は、導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層との構造を示す。ドナー不純物を含有する１０ｎｍの窒化アルミニウムボロンガリウム（Ａｌｘ１Ｂｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１  Ｎ）（ｘ１＝０．１、ｙ１＝０．１５）層７１と１０ｎｍの窒化アルミニウムボロンガリウム（Ａｌｘ２Ｂｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２  Ｎ）（ｘ２＝０．９、ｙ２＝０．１）膜７２を交互に２０回繰り返して成長させたドナー添加窒化物半導体膜層７０である。この場合のドナー添加窒化物半導体膜層７０の全体の膜層厚は０．４μｍであり、平均的なアルミニウム組成は０．５である。
【００４７】
図１２（ｂ）で示すように、ドナー添加窒化物半導体膜層７０を使用した場合は、同じＡｌ組成０．５の窒化アルミニウムボロンガリウム層より電子の活性化率は増大し、電子密度が高くなるため、電流は１００Ｖで６桁も増加し、しきい電圧は１００Ｖから３８Ｖに低減した。
【００４８】
（実施例８）
図１３は、本発明の第８実施例を説明する図である。（ａ）は、０．４μｍの窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．５、ｙ＝０．１）層８１中にその表面から０．１μｍの場所に厚さ１０ｎｍの高濃度ドナー添加窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）層８２を挿入したドナー添加窒化物半導体膜層８０である。
【００４９】
図１３（ｂ）で示すように、窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）層８２での電子密度が高くなり、そこから高密度の電子が放出されるため、窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）層８２を挿入していない０．４μｍの窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．５、ｙ＝０．１）層８１中だけに比べて、電流は１００Ｖで６桁も増加し、しきい電圧は１００Ｖから３８Ｖに低減した。また挿入膜８２のＳｉ濃度（Ｎｄ）を２×１０１９ｃｍ−３から２×１０２０ｃｍ−３にすると、（ｂ）のように８７Ｖでは６桁も電流が増大し、しきい電圧は８７Ｖから３７Ｖに低減した。
【００５０】
挿入層８２の表面からの距離（ｄ）に対する電界放出特性を、前述の図６（ｃ）で説明する。距離（ｄ）を０．２μｍから０．１μｍに減少させるとしきい電圧は１００Ｖから３７Ｖに低減することがわかった。
【００５１】
（実施例９）
図１４は、本発明の第４実施例を説明する図であり、０．４μｍの窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）層９１の中に、１０ｎｍの間隔で合計３９層のドナー不純物ドープ層としての高濃度（１０１５ｃｍ−２）ドナー添加層９２を挿入したドナー添加窒化物半導体膜層９０である。
【００５２】
前述の図７（ｂ）で示すように、高濃度（１０１５ｃｍ−２）ドナー添加層９２の無いＡｌ組成０．９の窒化アルミニウムボロンガリウムに比べて、電子の活性化率は増大し、電子密度が高くなり、電流は１００Ｖで６桁増加し、しきい電圧は１００Ｖから３７Ｖに低減した。また、ドナー添加層での不純物密度（Ｎｄ）を１０１４ｃｍ−２から１０１５ｃｍ−２に増大させると、しきい電圧では８０Ｖから３７Ｖに低減し、ドナー不純物密度が１０１５ｃｍ−２以上であれば電界放出特性が向上することがわかる。
【００５３】
（実施例１０）
図１５は、本発明の第１０実施例を説明する図であり、０．４μｍの窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）層１０１の表面から０．１μｍの場所に高濃度（１０１５ｃｍ−２）ドナー添加層１０２を挿入したドナー添加窒化物半導体膜層１００である。
【００５４】
前述の図８（ｂ）で示すように、高濃度ドナー添加層５２を挿入しない窒化アルミニウムボロンガリウム、Ａｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）層より電子の活性化率は増大し、電子密度が高くなったため、電流は１００Ｖで６桁以上も増加し、しきい電圧も１００Ｖから３７Ｖに低減した。
【００５５】
表１のようにドナー不純物をＳｉにした場合、他の不純物の場合に比較しても著しくしきい電圧が低く、電界放出は著しく優れていることがわかった。またＳｉに及ばないものの、Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅが不純物である場合も、Ｃに比べて、表２のように効果を確認することができた。表１では同じ不純物濃度（２×１０２０ｃｍ−３）でしきい電圧を比較している（低い方が電界放出特性が優れているといえる）。無添加試料は２×１０１９ｃｍ−３の場合より電圧は高いことが予想できる。
【００５６】
表１は種々のドナー不純物に対するしきい電圧（低い方が電界放出特性に優れている）である。
【表１】
0003577626.tif 000002
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は電界放出に必要な表面近傍の電子濃度を増加させることにより、表面から電界放出される電子の放出効率を著しく向上させることができる。さらに電子の放出効率が向上すれば電界放出素子が実現し、ブラウン管ディスプレイに代わる低電力、薄型のディスプレイが実現する。また高周波の微細真空管が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施例における電子素子の作製工程を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例におけるＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  ＮのＳｉドーピング濃度に対する電界放出特性を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例におけるＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎの厚さに対する電界放出特性を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例におけるＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎの電界放出特性−Ａｌ組成依存性を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明の第２実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図であり、（ｂ）はその電界放出特性を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明の第３実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図であり、（ｂ）はその電界放出特性−Ｓｉ濃度依存性を示す図であり、（ｃ）はその電界放出特性−距離依存性を示す図である。
【図７】（ａ）は本発明の第４実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図であり、（ｂ）はその電界放出特性−ドナー濃度依存性を示す図である。
【図８】（ａ）は本発明の第５実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図であり、（ｂ）はその電界放出特性を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第６実施例における電子素子の作製工程を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施例におけるＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎの電界放出特性−Ａｌ組成依存性を示す図である。
【図１１】本発明の第６実施例におけるＡｌｘ  Ｂｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎの電界放出特性−Ａｌ，Ｂ組成依存性を示す図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第７実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図であり、（ｂ）はその電界放出特性を示す図である。
【図１３】（ａ）は本発明の第８実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図であり、（ｂ）はその電界放出特性−Ｓｉ濃度依存性を示す図である。
【図１４】本発明の第９実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図である。
【図１５】本発明の第１０実施例における導電性基板とドナー添加窒化物半導体膜層の構造を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、従来例における電子素子の作製工程を示す図である。
【符号の説明】
１  導電性基板
３  蛍光体
４  透明性電極
５  絶縁性スペーサ
１０  ドナー添加窒化物半導体膜層
２０  ドナー添加窒化物半導体膜層
２１  多層膜を構成する窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ）
２２  多層膜を構成する窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ）
３０  ドナー添加窒化物半導体膜層
３１  窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ）
３２  高濃度ドナー添加窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｙ  Ｇａ１−ｙ  Ｎ）
４０  ドナー添加窒化物半導体膜層
４１  窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ）
４２  高濃度ドナー添加層
５０  ドナー添加窒化物半導体膜層
５１  窒化アルミニウムガリウム（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ｎ）
５２  高濃度ドナー添加層
６０  ドナー添加窒化物半導体膜層
７０  ドナー添加窒化物半導体膜層
７１  多層膜を構成する窒化アルミニウムボロンガリウム
７２  多層膜を構成する窒化アルミニウムボロンガリウム
８０  ドナー添加窒化物半導体膜層
８１  窒化アルミニウムボロンガリウム
８２  高濃度ドナー添加窒化アルミニウムボロンガリウム
９０  ドナー添加窒化物半導体膜層
９１  窒化アルミニウムボロンガリウム
９２  高濃度ドナー添加層
１００  ドナー添加窒化物半導体膜層
１０１  窒化アルミニウムボロンガリウム
１０２  高濃度ドナー添加層
１１０  無添加窒化物半導体膜層
【図１】
0003577626.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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