(57)【要約】【発明の課題】  nc-P-Siから放出される擬似バリスティック電子を使用し、ホット電子の電子エネルギ分布を制御でき、電子エネルギを所望の値に強めることができる電子ビーム発生装置を提供すること。【解決手段】  電子ビーム発生装置１０は、nc-P-Si物質に基づいて高エネルギ電子ビームを発生するためのものである。この装置は、共に積み重ねられたnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層の少なくとも３つの連続的な層によって構成される。電子ビーム発生装置において、積層構造の一端であるnc-P-Si層は電気的に接地され、または他のポリシリコン電極に関して低い電位に維持され、他方、積層構造の他端であるドープ・ポリシリコン層は大気、真空に開放され、または他の物質と接触している。【選択図】      図１
2006120410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共に積み重ねられたnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層の少なくとも３つの連続した層を有し、
当該積層構造の一端にある前記nc-P-Si層は、電気的に接地される、または他のポリ・シリコン電極に関してより低い電位にあり、他方、当該積層構造の他の端にあるドープ・ポリシリコン層は、大気もしくは真空に開放される、または他の物質に接触しており、
複数の前記ドープ・ポリシリコン層のそれぞれは次第に増加する正のＤＣ電圧を供給され、真空もしくは大気に開放され、または他の物質に接触している前記ドープ・ポリシリコン層の１つに最も高い電圧が与えられており、
前記nc-P-Si層から放出された電子は前記ドープ・ポリシリコン層の各々によって生成された連続的に次第に増加する電界によって加速される、
nc-P-Si物質に基づき高エネルギ電子ビームを発生させるための電子ビーム発生装置。
【請求項２】
前記nc-P-Si層、前記ドープ・ポリシリコン層、および前記非ドープ・ポリシリコン層の各個数と、各ドープ・ポリシリコン層に与えられる電圧とは、電子が最後のドープ・ポリシリコン層から放出されるときに所望のエネルギを持つように任意に制御される請求項１記載の電子ビーム発生装置。
【請求項３】
前記ドープ・ポリシリコン層および前記非ドープ・ポリシリコン層のいずれか１つの層の厚み、または２つ層の厚み、またはすべての層の厚みは、前記最後のドープ・ポリシリコン層から電子を放出するとき、すべての電子がほとんど同じエネルギを有するように、低エネルギの電子の伝送を防止するように選択される請求項１または２記載の電子ビーム発生装置。
【請求項４】
前記nc-P-Si層を他のポーラスまたは非ポーラスの物質の層で置き換え、他のポーラスまたは非ポーラスの物質による前記層に十分なバイアス電圧が印加されるとき前記層は電子を真空に放出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項５】
前記ドープ・ポリシリコン層を金属層で置き換える請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項６】
前記ドープ・ポリシリコン層を金属メッシュで置き換える請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項７】
前記非ドープ・ポリシリコン層を絶縁層で置き換える請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子ビーム発生装置に関し、特に、固体技術を用いることによって高エネルギの電子ビームを発生する装置であり、この電子ビームは、電子ビームリソグラフィ、電界効果型ディスプレイのごとき多くの異なる応用で用いられ、特に非常に小さな体積で発生されかつ用いられる。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームは半導体産業において非常に多く応用されており、例えば、リソグラフィのためのイオンビーム支援物質堆積における電荷中和器として、および他の産業において例えばイオン支援ロケット推進技術における電荷中和器として応用される。現在、電子ビームは、広く、加熱フィラメントを用いることによって発生され、適当にエネルギを与えられ、電磁界を用いることによって曲げられ、修正される。電子を発生させるための加熱フィラメントの使用は、相当に大きな体積部分を要し、このため、この技術の応用が制限されている。
【０００３】
最近、幾人かの研究者は、ナノ結晶ポーラス・シリコン（nc-P-Si）物質からの電子放出現象、nc-P-Si層に適当な電圧が供給される時に生じる電子放出現象を観察した（非特許文献１）。nc-P-Si層から放出されたこれらの電子は「擬似バリスティック電子（quasi-ballistic electron）」または「ホット電子（hot-electron）」と呼ばれている。擬似バリスティック電子のエネルギは基本的にnc-P-Si層に与えられた電界に基づいて決定される。
【０００４】
さらに、基本的なnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層からなる基本的な多層構造は、例えば、次の特許文献１，２に記述されている。
【０００５】
これらの擬似バリスティック電子はフラットパネル・ディスプレイのごとき光放出装置に応用することが報告されている（非特許文献１）。これはさらに図９を参照して説明され、図９では光放出構造の概略構造図が示されている、この構造はnc-P-Si層１０１、蛍光物質の層１０２、および金属の薄い層１０４から構成されている、一般的に、nc-P-Si層はポリシリコン層１０４の上に作られ、nc-P-Si層はポリシリコン層１０４の背面に堆積された金属層１０５を介して電気的に接地されている。
【０００６】
薄い金属層１０３は、ＤＣ電源１０６からnc-P-Si層１０２に関して、正のＤＣ電圧を供給されている。この電界の下で、擬似バリスティック電子またはホット電子がnc-P-Siで生成され、薄い金属電極１０３に向かって加速される。これらのホット電子は、それから蛍光物質の層１０２に入り、その分子を励起し、その結果、励起分子の不活性作用に基づいて光を放出させる。
【０００７】
前述した装置において、電子エネルギは広いエネルギ領域に渡って分布し、例えば１ｅＶから６ｅＶの範囲で分布する。最大の電子エネルギは薄い金属層１０３に与えられた電圧に依存する。しかしながら、これらの装置は次のような困難を有する。
【０００８】
第１に、nc-P-Si層から放出されるホット電子の電子エネルギ分布は全く制御されていないことである。第２に、電子のエネルギを所望な値、例えば２０ｅＶまで強めるメカニズムが全くないことである。第３に、所望のエネルギを持った電子を選択することが、簡単な構造を用いて実行できないことである。
【０００９】
前述した装置において、最大の電子エネルギは、或る程度、印加電圧の増加によって増大させることができる。しかしながら、この方法は非常に高いエネルギの電子を得るのには採用することはできない。何故ならば、電子の加速の深さがnc-P-Si層の厚みに制限を与えるからである。
【特許文献１】日本特許第３１１２４５６号公報
【特許文献２】日本特許第３２２６７４５号公報
【非特許文献１】Y.Nakajima, A.Kojima, H.Toyama, N.Koshida（ナノ結晶ポーラス・ポリシリコン膜から生成されるバリスティック電子の励起に基づく固体光放出装置）日本応用物理学会、Ｂ、４１巻、２７０７から２７０９ページ、２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ポーラス・シリコンから放出される擬似バリスティック電子に基づく高エネルギ電子ビーム発生技術において、前述した３つの困難性、すなわち、ホット電子の電子エネルギ分布の非制御性、所望の値に電子エネルギを強める非メカニズム性、および所望のエネルギを有する電子の選択不可能性は改善されるべきものである。
【００１１】
本発明の目的は、nc-P-Siとnc-P-Siから放出される擬似バリスティック電子とに基づく高エネルギ電子ビーム発生技術を使用し、ホット電子の電子エネルギ分布を制御することができ、電子エネルギを所望の値に強めることができ、および所望のエネルギを有する電子の選択を行うことができる電子ビーム発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る電子ビーム発生装置は、上記の目的を発生するため、次のように構成される。
【００１３】
本発明に係る電子ビーム発生装置は、nc-P-Si物質に基づいて高エネルギ電子ビームを発生するためのものである。この装置は、共に積み重ねられたnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層の少なくとも３つの連続的な層によって構成される。電子ビーム発生装置において、積層構造の一端であるnc-P-Si層は電気的に接地され、または他のポリシリコン電極に関して低い電位に維持され、他方、積層構造の他端であるドープ・ポリシリコン層は大気、真空に開放され、または他の物質と接触している。複数のドープ・ポリシリコン層のそれぞれは次第に増加する正のＤＣ電圧を供給されており、ドープ・ポリシリコンの１つの層に最も高い電圧が印加され、このドープ・ポリシリコン層は、真空、大気に開放され、または他の物質に接触している。さらにnc-P-Si層から放出された電子は、ドープ・ポリシリコン層の各々によって生成された連続的に次第に増加する電界によって加速されることになる。
【００１４】
上記の電子ビーム発生装置によれば、非常に薄いポリシリコン層の間に挟まれたいくつかのnc-P-Si層が存在し、当該薄いポリシリコン層はnc-P-Si層に関して正電圧を加えられており、新しい技術は、擬似バリスティック電子エネルギをいかなる所望の値にも増加し、所望の電子エネルギを有するよう選択するように発明されている。
【００１５】
上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、nc-P-Si層、ドープ・ポリシリコン層、および非ドープ・ポリシリコン層の各々の数、および各ドープ・ポリシリコン層に与えられる電圧は任意に制御され、最後のドープ・ポリシリコン層から電子が放出するとき、所望のエネルギを有した電子を得ることが可能となる。
【００１６】
上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、ドープ・ポリシリコン層および非ドープ・ポリシリコン層のいずれか１つの層の厚み、または２つの層の厚み、またはすべての層の厚みは、低エネルギ電子の伝送を防止するように選択され、その結果、当該最後のドープ・ポリシリコン層から電子を放出するときすべての電子はほとんど同じエネルギを有することになる。
【００１７】
上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、nc-P-Si層は他のポーラスまたは非ポーラスの物質で置き換えられ、十分なバイアス電圧が他のポーラスまたは非ポーラスの層に与えられるとき真空に対して電子を放出する。
【００１８】
上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、ドープ・ポリシリコン層は金属層で置き換えられることができる。
【００１９】
上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、ドープ・ポリシリコン層は金属メッシュで置き換えられることができる、
【００２０】
上気の電子ビーム発生装置において、好ましくは、非ドープ・ポリシリコン層は絶縁層で置き換えられることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ポーラスシリコン層に基づく固体技術は所望の電子エネルギを有し、かつ、より小さい体積の中での所望の電子エネルギ分布を有する高エネルギ電子の発生を容易にする。それ故に、これらの高エネルギ電子は、マクロでの電子工学技術の応用と同様にミクロでの電子工学技術の応用も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、好適な実施形態を添付図面に従って説明する。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
［実施形態１］
【００２３】
本発明の第１実施形態は図１〜図３を参照して説明される。図１は、第１実施形態に係る電子ビーム発生装置における基本的部分の断面図を示す。電子ビーム発生装置１０において、互いに積み重ねられた、多量にドープされたナノ結晶ポリシリコン、多量にドープされたポリシリコン（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，．．．）、および非ドープ・ポリシリコン（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，．．．）で作られたナノ結晶ポーラス・シリコン、すなわちnc-P-Si（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．．）のいくつかの層が存在している。ポーラス・シリコン層のポーラス表面は、酸化され、非常に薄いＳｉＯ2の層を形成している。通常、このプロセスのためには高速熱酸化が望ましい。
【００２４】
最も下に位置するnc-P-Si層１１ａの背面上には金属層１４が存在している。この金属層１４は、通常、電気的に接地されている。nc-P-Si層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの厚みは、通常、シリコン（Ｓｉ）におけるポーラスの高さの程度であり、例えばおよそ１０ｎｍである。ドープされた、および非ドープのポリシリコン層１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃの厚みは可能な限り薄く作られており、例えば１ｎｍよりも小さいものである。これは、低いエネルギを有した電子がポリシリコン層を通過しなければならないからである。
【００２５】
多量にドープされたポリシリコン層（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の各々は、正の電圧（Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3）が、ＤＣ電源１８ａ，１８ｂ，１８ｃと適当な電気回路（図示されず）とを用いて印加されている。多量にドープされたポリシリコン層１２ａ，１２ｂ，１２ｃに印加された正の電圧（Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3）の値はＶ1＜Ｖ2＜Ｖ3＜．．．の順序で次第に増加される。
【００２６】
図１に示された構成を備える装置の作り方にはいくつかの作り方が存在する。可能な技術の１つが以下に説明される。
【００２７】
第１に、金属電極１４がシリコン基板（図示されず）の上に堆積される。この金属電極１４は、図１に示されるベース金属電極として働く。それから、ポリシリコン１１ａの層が金属電極１４上に堆積される。通常、このポリシリコン層１１ａはｎ型ポリシリコンまたはｐ型ポリシリコンになるように多量のドープが行われる。このポリシリコン層１１ａの上にポーラスが形成され、これはエタノール（ethanic）のＨＦ（フッ化水素）水溶液内に配置することに基づく陽極酸化方法によって形成される。陽極酸化方法に関する詳細な情報は、例えば前述した非特許文献１に与えられている。その後、試料は乾燥され、nc-P-Si層１１ａの上に非ドープ・ポリシリコン層１３ａの他の層が堆積される。このポリシリコン層１３ａがより高い抵抗を持たなければならないことは重要である。
【００２８】
高抵抗の非ドープ・ポリシリコン層１３ａを堆積した後、ドープ・ポリシリコン層１２ａが堆積される。ドープ・ポリシリコン層１２ａの上側部分、例えば９０％の部分は、非ドープ・ポリシリコン層１３ａ上のドープ・ポリシリコン層１２ａの非常に薄い層を保持しながら、陽極酸化を受ける。nc-P-Si-Siの領域は１１ｂであり、ドープ・ポリシリコン層の残存する薄い層は１２ａである。しかしながら、１２ａの符号を付されたドープ・ポリシリコン層は本質的なことではない。このドープ・ポリシリコン層１２ａの目的はＤＣ電圧Ｖ1を印加するための電気的接触を作ることにあり、それ故、それは「ポリシリコン電極」と呼ぶことができる。しかしながら、適当な構成を有するデバイスを作った後にnc-P-Si層１１ｂに直接的にＤＣ電圧を印加することもできる。非ドープ・ポリシリコン層１３ａの目的は、下側および上側のnc-P-Si層１１ａ，１１ｂから電気的に絶縁させることである。さらに、この非ドープ・ポリシリコン層のため上側と下側のnc-P-Si層１１ａ，１１ｂはオーバーラップしない。nc-P-Si層１１ａ，１２ｂの境界分における拡大した図は図２に示される。図２において、図１に示した要素と実質的に同一の要素は、それぞれ、同じ参照符号が付されている。加えてnc-P-Si層１１ａ，１１ｂの各々はポーラスの構造を有しており、参照番号２１は小さな穴を示している。
【００２９】
上記の手続は、所望の数のnc-P-Si層（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．．）が形成されるまで繰り返される。
【００３０】
このようなデバイスの実際の配列は、多くの異なる構成を持つことができる。例えば、図３はＤＣ電圧の供給方法についての可能な構成を示している。図３によれば、最も下側の金属電極１４は、通常、電気的に接地されている。第１のポリシリコン電極１２ａは最も下側の金属電極１４に関してＤＣ電源１８ａによって正の電圧が与えられている。同様にして、第２、第３等のポリシリコン電極１２ｂ〜１２ｈは、それぞれ、それらの下側のポリシリコン電極１２ａ〜１２ｈに関して、ＤＣ電源１８ｂ〜１８ｈによって正の電圧を与えられている。
【００３１】
次に、電子ビーム発生装置１０の作用が説明される。最も下側の金属電極１４は、通常、電気的に接地されている。しかしながら、最も下側の電極１４に対して正の（または負の）電圧を与えることもできる。最初のポリシリコン電極１２ａは、最も下側の金属電極１４に関して、ＤＣ電源１８によって正の電圧が与えられる。同様にして、第２、第３等のポリシリコン電極は、それぞれ、それらの下側のポリシリコン電極に関してＤＣ電源によって正の電圧が与えられる。
【００３２】
nc-P-Si層に対して静電界が適用されるとき、図１に示すごとく擬似バリスティック電子１７は、それは同様に「ホット電子」と呼ばれるものであり、nc-P-Si層から放出される。これらの電子１７は、その後、ポリシリコン電極（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，．．．）に印加されたＤＣ電圧が原因で生じた静電界によって加速される。もし電子のエネルギが十分に大きく、かつもしポリシリコン電極の厚み、薄いＳｉＯ2層の厚み、非ドープ・ポリシリコン１３ａの厚みが十分に薄いのであるならば、いくらかの電子は、ポリシリコン層１３ａ，１２ａを通り抜け、上部のnc-P-Si-Si層１１ｂに至ることができる。伝送されるこれらの電子は、もし電子の最初のエネルギが大きいものであるならば、エネルギの一部を残す。これらの伝送された電子は、再び、nc-P-Si層１１ｂ上のポリシリコン電極１２ｂによって生じた電界によって加速を受け、より大きなエネルギを得て、ポリシリコン層１３ｂ，１２ｂを通り抜け、次のnc-P-Si層１１ｃに伝送される。このプロセスはnc-P-Si層のすべてに渡って繰り返され、その結果、非常に高いエネルギ電子の発生をもたらし、そのことは最後に電子を真空、大気、または他の物質に対して、最後のポリシリコン電極を乗り越えて放出する。ポリシリコン電極（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，．．．）への正電圧の印加後の可能なエネルギバンド図を図４において示す。非ドープ・ポリシリコン層（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，．．．）は、説明の容易のため、図４に示されていない。
【００３３】
各nc-P-Si層（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．．）の内部での電子１７の加速によって電子１７はより多くのエネルギを得てその移動速度は速くなる。これらの高エネルギ電子１７のいくらかはポリシリコン層内のシリコン原子によって分散されるようになり、その結果、多くの高エネルギ電子１７はnc-P-Si層の各番号が増加するにつれて次第に少なくなる。電子エネルギの関数としての電子の個数の仮想的な変化１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが図５にプロットされている。
［実施形態２］
【００３４】
本発明の第２実施形態は図６を参照して説明される。第２実施形態によれば、複合された構成の可能なエネルギバンド図が示される。第２実施形態による電子ビーム発生装置の構成において、第１実施形態で説明された非ドープ・ポリシリコン層（１３ａ，１３ｂ，．．．）は非常に薄い絶縁層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄによって置き換えられる。これらの絶縁層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの役割は第１実施形態で説明された非ドープ・ポリシリコン層の役割と同じである。非ドープ・ポリシリコン層の代わりに絶縁層を用いることは、隣り合うポーラス・シリコン層（１１ａ〜１１ｅ）の間の電気的絶縁を改善する。電子１７は絶縁層１６ａ〜１６ｄを機構的に量子トンネル効果作用で通過するので、絶縁層１６ａ〜１６ｄを用いることは電子の加速プロセスを変更しない。それ故に、この構成も同様にまた第１実施形態で説明したものと同じ結果を作り出す。
［実施形態３］
【００３５】
本発明の第３実施形態は図７および図８を参照して説明される。第３実施形態は前述した実施形態を拡張したものである。それ故に、説明を容易にするため、上記第２実施形態が比較として考察される。
【００３６】
第３実施形態の構成において、第２実施形態に関して、図６で示された絶縁層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの厚みは次第に増加される。作用原理は、第１実施形態および第２実施形態で説明されたそれと同じである。動作の間、最初の電子１７は第１のnc-P-Si層１１ａ内での加速を通してエネルギを得る。それ後、十分なエネルギを有した電子は絶縁層１６ａとポリシリコン電極１２ａを通してトンネル効果作用で抜ける。これらの電子１７は再び加速し、より大きなエネルギを得て、第２の絶縁層１６ｂおよびポリシリコン電極１２ｂを通り抜ける。
【００３７】
しかしながら、この場合において、絶縁層１６ｂの厚みは第１絶縁層１６よりも厚いので、最も高いエネルギを有する電子１７のみが絶縁層１６ｂを通り抜ける。絶縁層の各々の厚みは最も高いエネルギを有した電子のみが絶縁層を通り抜けることができるように制御される。同様にまた、第３、第４等の絶縁層を通り抜けた後、最も高い電子エネルギを有する電子１７のみが最後のポリシリコン電極１２ｅから放出することができる。電子のエネルギおよび数の変化は図８に概略的に示されている。電子の数は次第に低下し、電子のエネルギは次第に増加し、電子エネルギの分布（２０ａ〜２０ｄ）は次第に小さくなり幅が狭くなる。それ故に、この構成および動作の方法は狭いエネルギ幅にわたって分布された非常に高いエネルギの電子を作り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、固体技術を用いることによって電子ビームリソグラフィ、電界効果ディスプレイ等のための高エネルギ電子ビームを発生させるのに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この図は、本発明の第１実施形態に係る電子ビーム発生装置の基本部分としての膜構成の部分断面構成図である。
【図２】この図は、ポーラス・シリコン、非ドープ・ポリシリコン、ドープ・ポリシリコンの各層のインターフェイスを示す膜構成の拡大断面図である。
【図３】この図は、本発明の第１実施形態の可能なデバイス構成を示す図である。
【図４】この図は、ドープ・ポリシリコン層にＤＣ電圧を与えた後の予期されるエネルギバンド構造を示す図である。
【図５】この図は、電子の数およびエネルギの予期される変化を示す図である。
【図６】この図は、本発明の第２実施形態のための予期されるエネルギバンド構造を示す図である。
【図７】この図は、第３実施形態のための予期されるエネルギバンド構造を示す図である。
【図８】この図は、電子の数およびエネルギの予期される変化を示す図である。
【図９】この図は、従来の電子加速装置に用いられる膜構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１ａ〜１１ｈ      ナノ結晶ポーラス・シリコン（nc-P-Si）層
１２ａ〜１２ｈ      ドープ・ポリシリコン層
１３ａ〜１３ｃ      非ドープ・ポリシリコン層
１４                金属電極
１６ａ〜１６ｄ      絶縁層
１７                電子
１８ａ〜１８ｈ      ＤＣ電圧源
【図１】
2006120410.tif 000003
【図２】
2006120410.tif 000004
【図３】
2006120410.tif 000005
【図４】
2006120410.tif 000006
【図５】
2006120410.tif 000007
【図６】
2006120410.tif 000008
【図７】
2006120410.tif 000009
【図８】
2006120410.tif 000010
【図９】
2006120410.tif 000011
【外国語明細書】
[Title of the Invention]   Electron beam generation device
[Technical Field]
[0001]
The present invention relates to an electron beam generation device, and more particularly, a device to generate high-energy electron beam by using solid-state technology, wherein the electron beam can be applied in many different applications such as in electron-beam lithography, field-effect displays, particularly where electron beam has to be generated and used in a very smaller volume.
[Background Arts]
[0002]
Electron beams have large number of applications in the semiconductor industry, for example, for lithography, as a charge-neutralizer in ion-beam assisted material depositions, and in other industries, for example, as a charge-neutralizer in ion-assisted rocket propulsion technique. Currently, electron beams are widely generated by the use of heated filaments and appropriately energized, turned and modified them by using electric and magnetic fields. Use of a heated filament for the production of electrons needs considerably a larger volume, thus the applicability of this technique is limited.
[0003]
Recently, some researches have observed electron emission phenomenon from nano-crystalline porous Si (nc-P-Si) material when an appropriate voltage is supplied to a nc-P-Si layer (non-patent document 1). These electrons emitted from the nc-P-Si layer are called "quasi-ballistic electrons" or "hot-electrons". The energy of the quasi-ballistic electrons is basically determined on the applied electric field to the nc-P-Si layer. 
[0004]
Further, the basic multi-layers structure comprised of nc-P Si layer, non-doped poly-Si layer and doped poly-Si layer is described in the following patent documents 1 and 2, for example.
[0005]
These quasi-ballistic electrons are reported to have been applying in light-emission devices such as flat-panel displays (non-patent document 1). This is further explained with reference to Fig. 9, where a schematic structure of light-emitting structure is shown. This structure is comprised of a nc-P-Si layer 101, a layer of fluorescent material 102, and a thin layer of metal 103. Generally, the nc-P-Si layer is fabricated on a poly-Si layer 104, which is electrically grounded via a metal layer 105 deposited on the backside of the poly-Si layer 104.
[0006]
The thin metal layer 103 is supplied with a positive DC voltage with respect to the nc-P-Si layer 102 from a DC power source 106. Under this electric field, ballistic electrons or hot-electrons are generated in the nc-P-Si and accelerated towards the thin metal electrode 103. These hot-electrons then enter into the fluorescent material layer 102 and excite its molecule, which causes emission of light upon deactivation of excited molecules.
[0007]
In the above-explained device the electrons energy distribute over a wider energy region, for example 1 eV to 6 eV. The maximum electron energy depends on the applied voltage to the thin metal layer 103. However, these devices suffer the following difficulties.
[0008]
The first is that there is no control of the electron energy distribution of the hot-electrons emitted from the nc-P-Si layer. The second is that there is no mechanism to enhance the electron energy to a desired value, for example, up to 20 eV. Thirdly, a selection of electrons with desired energy can not be carried out with such a simple structure.
[0009]
In the above-explained device, the maximum electron energy can be increased by an increase of the applied voltage to some extent. However, this method cannot be employed to obtain very high-energy electrons, because the acceleration depth of electron is limited to the thickness of the nc-P-Si layer.
[Patent Document 1]   Japanese Patent No.3112456
[Patent Document 2]   Japanese Patent No.3226745
[Non-Patent Document 1]   Y. Nakajima, A. Kojima, H. Toyama and N. Koshida, "Solid-State Light-Emitting Device Based on Excitations of Ballistic Electrons Generated Nanocrystaline Porous Polysilicon Films" Jpn. J Appl. Phys. B, Vol 41, pp. 2707-2709, 2002
[Disclosure of the Invention]
[Subject to be solved by the Invention]
[0010]
In the high-energy electron beam generation technique based on porous Si and quasi-ballistic electrons emitted from porous Si, the above-mentioned three difficulties, that is, no control of the electron energy distribution of the hot-electrons, no mechanism to enhance the electron energy to a desired value, and impossibility of a selection of electrons with desired energy should be improved.
[0011]
The object of the present invention is to provide an electron generation device making use of high-energy electron beam generation technique based on nc-P-Si and quasi-ballistic electrons emitted from nc-P-Si, being capable of controlling the electron energy distribution of the hot-electrons, enhancing the electron energy to a desired value, and carrying out a selection of electrons with desired energy. 
[Means o solve the Problem] 
[0012]
An electron beam generation device of the present invention is configured as follows in order to attain the above-mentioned object.
[0013]
An electron beam generation device of the present invention is for generating a high-energy electron beam based on nc-P-Si material. This device is comprised of at least three consecutive layers of a nc-P-Si layer, a non-doped poly-Si layer and a doped poly-Si layer stacked together. In the electron beam generation device, the nc-P-Si layer at one end of the stacked structure is electrically grounded or at a lower potential with respect to other poly-Si electrodes, while the doped-poly-Si layer at the other end of the stacked structure is open to air, vacuum or in contact with any other material. The doped-poly-Si layers are respectively supplied with increasing positive DC voltages, where the highest voltage is given to one of the doped-poly-Si layer, which is open to vacuum, air or in contact with any other material. Further, electrons emitted from the nc-P-Si layers get accelerated by consecutively increasing electric fields generated by each of the doped-poly-Si layers.
[0014]
In accordance with the above electron beam generation device, there are several nc-P-Si layers sandwiched between very thin poly-Si layers which are given positive voltages with respect to nc-P-Si layers. In addition, a new technique is invented to increase the quasi-ballistic electron energy to any desired value and select the electrons with desired electron energy.
[0015]
In the above electron beam generation device, preferably, the number of the nc-P-Si layer, the doped-poly-Si layer and the non-doped poly-Si layer, and the voltages given to each doped-poly-Si layers are arbitrarily controlled to obtain electrons with desired energy when they emit from the last doped poly-Si layer.
[0016]
In the above electron beam generation device, preferably, thickness of either one or two or all layers of the doped-poly-Si layer and the non-doped poly-Si layer are selected to prevent transmission of low-energy electrons so that, when the electrons emit from said last doped-poly-Si layer, all electrons have almost the same energy.
[0017]
In the above electron beam generation device, preferably, the nc-P-Si layer is replaced with a layer of any other porous or non-porous material, which emits electrons to vacuum when a sufficient bias-voltage is applied to the layer of any other porous or non-porous material. 
[0018]
In the above electron beam generation device, preferably, the doped-poly-Si layers can be replaced with metal layers.
[0019]
In the above electron beam generation device, preferably, the doped-poly-Si layers can be replaced with metal mesh.
[0020]
In the above electron beam generation device, preferably, the non-doped poly-Si layers can be replaced with insulating layers.
[Effect of the Invention]
[0021]
In accordance with the present invention, the solid-state technique based on the porous-Si configuration facilitates generation of high-energy electrons with desired electron energy and desired electron energy distribution within a smaller volume. Therefore, these high-energy electrons can be applied in microelectronics as well as in macro-electronic applications.
[Best Working Examples for carrying out the Invention]
[0022]
Hereinafter, preferred working examples will be explained according to the attached drawings. Through the explanation of the working examples, the details of the present invention will be clarified.
[Working Example 1]
[0023]
A first working example of the present invention is explained with reference to Figs.1 to 3. Fig. 1 shows a cross sectional diagram of an elemental part in an electron beam generation device of the first working example. In the electron beam generation device 10, there are several layers of nano-crystalline porous Si or nc-P-Si (11a, 11b, 11c, ...) made on heavily doped nano-crystalline poly-Si, heavily doped poly-Si (12a, 12b, 12c, ...) and non-doped poly-Si (13a, 13b, 13c, ...) stacked on each other. The porous surface of the porous-Si layer is oxidized to form a very thin layer of SiO2. Usually rapid thermal oxidation would be desirable for this process.
[0024]
There is a metal layer 14 on the backside of the lowest nc-P-Si layer 11a. This metal layer 14 is usually electrically grounded. The thickness of nc-P-Si layers 11a, 11b and 11c is usually in the order of the height of a porous in Si, for example, around 10 nm. The thickness of doped and non-doped poly-Si layers 12a, 12b, 12c, 13a, 13b and 13c is made as thin as possible, for example, less than 1 nm. This is because, electrons with low-energies have to go through the poly-Si layers.
[0025]
The heavily doped poly-Si layers 12a, 12b and 12c) are respectively given positive voltages (V1, V2 , V3 ) using DC power sources 18a, 18b and 18c and appropriate electrical circuits (not shown). The values of the positive voltages (V1, V2 , V3 ) applied to the heavily doped poly-Si layers 12a, 12b and 12c are gradually increased in the order of  V1 < V2  < V3  < ... . 
[0026]
There may be several techniques to fabricate a device with the configuration shown in Fig. 1. One of the possible techniques is explained hereafter. 
[0027]
First a metal electrode 14 is deposited on a Si substrate (not shown). This metal electrode 14 acts as the base metal electrode shown in Fig. 1. Then, a layer of poly-Si 11a is deposited on the metal electrode 14. Usually, this poly-Si layer 11a is heavily doped to become n- or p-type poly-Si. Porous on this poly-Si layer 11a are formed by anodization method by placing in an ethanic HF solution. Detailed information on the anodization processes is given by the above-mentioned non-patent document 1, for example. The sample is then dried and deposited another layer of the non-doped poly-Si layer 13a on the surface of nc-P-Si layer 11a. It is important that this poly-Si layer 13a must have a higher resistivity.
[0028]
After depositing the higher-resistive non-doped poly-Si 13a, the doped poly-Si layer 12a is deposited. The upper part of the doped poly-Si layer 12a, for example 90%, is then subjected to anodization while keeping a very thin layer of the doped poly-Si layer 12a just above the non-doped Si layer 13a. The nc-P-Si-Si region is 11b and the remaining thin layer of the doped poly-Si layer is 12a. The doped poly-Si layer labeled 12a, however, is not essential. The purpose of this doped poly-Si layer 12a is to make electrical contact to apply a DC voltage V1, so it can be called as "poly-Si electrode". However, one can apply DC voltage directly to the nc-P-Si layer 11b after fabricating the device with suitable configuration. The purpose of the non-doped poly-Si layer 13a is to be electrically isolated from the lower and upper nc-P-Si layers 11a and 11b. Further, due to this non-doped poly-Si layer of porous on the upper and lower nc-P-Si layers 11a and 11b are not overlapped. An enlarged view at the boundaries of the nc-P-Si layers 11a and 11b is shown in Fig. 2. In Fig. 2, elements substantially identical to the elements shown in Fig. 1 are respectively designated with the same reference numbers. In addition, each of the nc-P-Si layers 11a and 11b has porous structure and a reference number 21 designates small holes.
[0029]
The above procedure is repeated until desired number of the nc-P-Si layers (11a, 11b, 11c, ...) are formed. 
[0030]
The actual arrangement of such a device can have many different configurations. For example, Fig. 3 shows a possible configuration with the method of DC voltage supply. In accordance with Fig. 3, The lowest metal electrode 14 is usually electrically grounded. The first poly-Si electrode 12a is given a positive voltage by the DC power source 18a with respective to the lowest metal electrode 14. Similarly, the second, third, etc. poly-Si electrodes 12b - 12h are respectively given positive voltages by DC power sources 18b - 18h with respect to their lower poly-Si electrodes 12a - 12h.
[0031]
Next, operation of the electron beam generation device 10 is explained. The lowest metal electrode 14 is usually electrically grounded.  However, one can apply a positive (or negative) voltage to the lowest electrode 14. The first poly-Si electrode 12a is given a positive voltage by the DC power source 18a with respective to the lowest metal electrode 14. Similarly, the second, third, etc. poly-Si electrodes are respectively given positive voltages by DC power sources with respect to their lower poly-Si electrodes.
[0032]
When an electric field is applied to a nc-P-Si layer, quasi-ballistic electrons 17 as shown Fig. 1, which are also called as "hot-electrons", are emitted from the nc-P-Si layer. These electrons 17 are then accelerated by the electric field generated due to the application of DC voltage to the poly-Si electrodes (12a, 12b, 12c, ...). If the electron energy is large enough and if the thickness of poly-Si electrode, the thin SiO2 layer and the non-doped poly-Si 13a are thin enough some of the electrons can go through the poly-Si layers 13a and 12a into the upper nc-P-Si-Si layer 11b. These transmitted electrons remain a fraction of energy if the original energies of electrons are large. These transmitted-electrons again subject to acceleration by the electric filed generated by the poly-Si electrode 12b above the nc-P-Si layer 11b, gain more energy and transfer through the poly-Si layers 13b and 12b into next nc-P-Si layer 11c. This process repeats over all of the nc-P-Si layers and results in generation of very high-energy electrons, which are finally, emit into vacuum or air or any other material over the last poly-Si electrode. The possible energy band diagram after the application of positive voltages to the poly-Si electrodes (12a, 12b, 12c, ...) is shown in Fig. 4. The non-doped poly-Si layers (13a, 13b, 13c, ...) are not shown in Fig. 4 for the simplicity. 
[0033]
With the acceleration of electrons 17 within each nc-P-Si layers (11a, 11b, 11c, ...) electrons 17 gain more energy so that their moving velocity goes up. Some of these high-energy electrons 17 get scattered by the Si atoms in the poly-Si layers, so that the number of high energy electrons 17 gradually goes down with the increase of each number of nc-P-Si layer. Hypothetical variations 19a, 19b, 19c and 19d of number of electrons as a function of electron energy are plotted in Fig. 5. 
[Working Example 2]
[0034]
A second working example of the present invention is explained with reference to Fig. 6. In accordance with the second working example, the possible energy band diagram of the composite configuration is shown. In the configuration of the electron beam generation device according to the second working example, the non-doped poly-Si layers (13a, 13b, ...) explained in the first working example are replaced with very thin insulating layers 16a, 16b, 16c and 16d. The role of these insulating layers 16a, 16b, 16c and 16d is the same as that of the non-doped poly-Si layer explained in the first working example. Use of the insulating layers instead of the non-doped poly-Si layers improves the electrical isolation between adjacent porous-Si layers (11a -11e). Since the electrons 17 are quantum mechanically tunnel through the insulating layers 16a - 16d, the use of the insulating layers 16a - 16d do not alter the electron acceleration process. Therefore, this configuration also yields the same results that explained in the first working example.
[Working Example 3]
[0035]
A third working example of the present invention is explained with reference to Figs. 7 and 8. The third working example is an extension of the above-mentioned working examples. Therefore, for the ease of explanation, the second working example is considered as comparison.
[0036]
In this configuration of the third working example, the thickness of the insulating layers 16a, 16b, 16c and 16d shown in Fig. 6 with reference to the second working example, is gradually increased as shown in Fig. 7. The operation principle is the same as that explained in the first and second working examples. During the operation first electrons 17 gain energy through the acceleration within the first nc-P-Si layer 11a. Then electrons with sufficient energy are tunneled through the insulating layer 16a and the poly-Si electrodes 12a. These electrons 17 again accelerate and gain more energy and tunnel through the second insulating layer 16b and poly-Si electrode 12b.
[0037]
In this case, however, since the thickness of the insulating layer 16b is thicker than first insulating layer 16a, only the electrons 17 with highest energy can tunnel through the insulating layer 16b. Each thickness of the insulating layers is controlled so that only the highest energy electrons can tunnel through the insulating layers. Similarly, after tunneling through third, forth, etc. insulating layers, only the electrons 17 with highest electron energy can be emitted out of the last poly-Si electrode 12e. The variation of electron energy and the number of electrons are schematically shown in Fig. 8. The number of electrons 17 gradually drops, energy of electrons 17 gradually increases, and electron-energy-distribution (20a - 20d) gradually shrinks. Therefore, this configuration and operation method can yield very high-energy electrons distributed over a narrow energy width. 
[Usability in Industry]
[0038]
The present invention is used to generate high-energy electron beam by using solid-state technology for electron-beam lithography, field-effect displays and so on.
[Explanation of drawings]
[0039]
[Fig. 1]
This figure is a partial cross sectional schematic view of film configuration as an elemental part of an electron beam generation device in accordance with a first working example of the present invention.
[Fig. 2]
This figure is an enlarged cross sectional of the film configuration showing the interface of the porous-Si, the non-doped poly-Si and the doped-poly-Si layers.
[Fig. 3]
This figure is a possible device configuration of the first working example of the present invention.
[Fig. 4]
This figure is a diagram showing the expected energy band structure after applying DC voltages to the doped poly-Si layers.
[Fig. 5]
This figure is a diagram showing the expected variation of number of electrons and electron energy.
[Fig. 6]
This figure is a diagram showing the expected energy band structure for the second working example of the present invention.
[Fig. 7]
This figure is a diagram showing the expected energy band structure for working example three.
[Fig. 8]
This figure is a diagram showing the expected variation of number of electrons and electron energy.
[Fig. 9]
This figure is a cross sectional view showing the film configuration used in the conventional electron acceleration device. 
[Explanation of Reference Signs]
[0040]
11a-11h     Nano-crystalline porous Si (nc-P-Si) layer
12a-12h     Doped poly-Si layer
13a-13c     Non-doped poly-Si layer
14          Metal electrode
16a-16d     Insulating layers
17          Electron
18a-18h     DC voltage source
[Claim 1]
An electron beam generation device for generating a high-energy electron beam based on nc-P-Si material, comprised of;
at least three consecutive layers of a nc-P-Si layer, a non-doped poly-Si layer and a doped poly-Si layer stacked together,
wherein said nc-P-Si layer at one end of the stacked structure is electrically grounded or at a lower potential with respect to other poly-Si electrodes, while said doped-poly-Si layer at the other end of the stacked structure is open to air, vacuum or in contact with any other material, 
wherein said doped-poly-Si layers are respectively supplied with increasing positive DC voltages, where the highest voltage is given to one of said doped-poly-Si layer, which is open to vacuum, air or in contact with any other material,
wherein electrons emitted from said nc-P-Si layers get accelerated by consecutively increasing electric fields generated by each of said doped-poly-Si layers.  
[Claim 2]
An electron beam generation device as claimed in claim 1, wherein the number of said nc-P-Si layer, said doped-poly-Si layer and said non-doped poly-Si layer, and the voltages given to each doped-poly-Si layers are arbitrarily controlled to obtain electrons with desired energy when they emit from the last doped poly-Si layer.
[Claim 3]
An electron beam generation device as claimed in claim 1 or 2, wherein thickness of either one or two or all layers of said doped-poly-Si layer and said non-doped poly-Si layer are selected to prevent transmission of low-energy electrons so that, when the electrons emit from said last doped-poly-Si layer, all electrons have almost the same energy.
[Claim 4]
An electron beam generation device as claimed in any one of claims 1-3, wherein said nc-P-Si layer is replaced with a layer of any other porous or non-porous material, which emits electrons to vacuum when a sufficient bias-voltage is applied to said layer of any other porous or non-porous material. 
[Claim 5]
An electron beam generation device as claimed in any one of claims 1-4, wherein said doped-poly-Si layers are replaced with metal layers.
[Claim 6]
An electron beam generation device as claimed in any one of claims 1-5, wherein said doped-poly-Si layers are replaced with metal mesh.
[Claim 7]
An electron beam generation device as claimed in any one of claims 1-6, wherein said non-doped poly-Si layers are replaced with insulating layers.
[Abstract]
[Subject]     To provide an electron generation device making use of quasi-ballistic electrons emitted from nc-P-Si, being capable of controlling the electron energy distribution of the hot-electrons, enhancing the electron energy to a desired value. 
[Means to solve the Problem]     An electron beam generation device 10 is invented for generating a high-energy electron beam based on nc-P-Si material. This device is comprised of at least three consecutive layers of a nc-P-Si layer, a non-doped poly-Si layer and a doped poly-Si layer stacked together. In the electron beam generation device, the nc-P-Si layer at one end of the stacked structure is electrically grounded or at a lower potential with respect to other poly-Si electrodes, while the doped-poly-Si layer at the other end of the stacked structure is open to air, vacuum or in contact with any other material.
[Representative Figure]   Fig. 1
【Fig. 1】
2006120410.tif 000012
【Fig. 2】
2006120410.tif 000013
【Fig. 3】
2006120410.tif 000014
【Fig. 4】
2006120410.tif 000015
【Fig. 5】
2006120410.tif 000016
【Fig. 6】
2006120410.tif 000017
【Fig. 7】
2006120410.tif 000018
【Fig. 8】
2006120410.tif 000019
【Fig. 9】
2006120410.tif 000020