(57)【要約】【課題】電子線励起ディスプレーなど次世代の電子装置に広く応用される高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体に生じる自発分極やピエゾ分極による大きな内部電界とＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層による共鳴トンネル効果を利用し、高密度電子を効率的に放出させる電子放出素子に関するもので、ｎ型ＧａＮ上へＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層と数十ナノメートルのＧａＮ表面層を作製し、電子取出用の表面電極を取り付けたものである。表面電極下の表面ＧａＮ層を電子放出部の表面ＧａＮより厚くすることにより、電子放出部のみに共鳴トンネルを生じさせ、効率的な電子放出がおこなえる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上（１）に、少なくとも１原子層以上１０原子層以下の厚さのＡｌＮ層あるいはＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎでｘ＞０．３）と５原子層以上５０原子層以下の厚さのＧａＮ層からなる多重障壁層（３）を有する窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子。
【請求項２】
前記多重障壁層（３）を、ｎ型のＧａＮ層（２）或いはＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１−ｙ）Ｎでｙ＜０．２）の上へ積層し、さらに、２０ｎｍから１００ｎｍの厚さの表面露出部を有するＧａＮ層（４）及び／又はＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｚ）Ｇａ（１−ｚ）Ｎでｚ＜０．２）（５）を積層させた構造を持つ請求項１に記載の窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子。
【請求項３】
前記ｎ型のＧａＮ層（２）或いはＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１−ｙ）Ｎでｙ＜０．２）の一部あるいは全部を、ＩｎＧａＮ層（ただし、Ｉｎ（ｘ1）Ｇａ（１−ｘ1）Ｎで０＜＝ｘ1＜１）に代えたことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度電子源や電子線励起ディスプレーなどにもちいる窒化物半導体を用いた電子放出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子放出源材料としては、タングステンフィラメントのほかに、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＧａＮを用いた電子放出源や最近報告されているカーボンナノチューブ等の電界放出素子がある。また、外部から電界を加える構成のダイヤモンドを用いた電界放出電子素子も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
これらの電子放出素子は電子顕微鏡等の電子源のみでなく、今後、電子線励起ディスプレイなど次世代の電子装置に広く応用される可能性があるが、これらの期待される応用分野に対しては実用上十分な集積化がなされていないのが現状であり、より効率が良く、低電圧で動作し、且つ、容易に集積化できる電子放出素子が求められている。
Ｓｉを用いた電界放出電子素子はＳｉ集積回路技術を基盤として開発されているが、通常の電界放出素子の場合、素子の外部から電界を加え電子放出を促すため、電子の放出には高電圧を必要とし、高い電界密度を得るために素子構造が複雑となる欠点を有している。
これをうけて、上述の要求を解決する電子源として、本発明者は、先に、窒化物半導体の分極電界を利用するＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ（ＡｌＧａＮ）３層構造電子放出素子を提案したが、本発明は、それにさらなる改良をくわえ、高密度電子放出が可能で高効率な電子放出を実現するものである。
【特許文献１】特開２００１−２６６７３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記問題点を考慮してなされた本発明の目的は、構造が簡単であり、且つ、発生した電子が電子放出部のみに走り、より低電圧で、高効率で高電子密度の電子放出が可能な窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題を解決するため、本発明者は、窒化物半導体の分極電界を利用するＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ（ＡｌＧａＮ）３層構造電子放出素子を開発し、特願２００４−２４７８３２として提案したが、発生した電子が電子放出部のみに供給され、さらなる効率改良を検討した結果、前記ＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ（ＡｌＧａＮ）３層構造のＡｌＮ中間層をＡｌＮ／ＧａＮ多重量子障壁中間層で置きかえることで、高密度の電子放出と電子放出部でのみ電子を走らせることが可能であることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子は、絶縁基板上（１）に、少なくとも１原子層以上１０原子層以下の厚さのＡｌＮ層あるいはＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎでｘ＞０．３）と５原子層以上５０原子層以下の厚さのＧａＮ層からなる多重障壁層（３）を有することを特徴とする。
好ましくは、前記絶縁性基板上（１）に、ｎ型のＧａＮ層（２）或いはＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１−ｙ）Ｎでｙ＜０．２）を設け、前記多重障壁層（３）をその上へ積層し、さらに、２０ｎｍから１００ｎｍの厚さの表面露出部を有するＧａＮ層（４）及び／又は、ＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｚ）Ｇａ（１−ｚ）Ｎでｚ＜０．２）（５）を積層させた構造を持つ窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子である。
なお、前記ｎ型のＧａＮ層（２）或いはＡｌＧａＮ層（ただし、Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１−ｙ）Ｎでｙ＜０．２）の一部あるいは全部を、ＩｎＧａＮ層（ただし、Ｉｎ（ｘ1）Ｇａ（１−ｘ1）Ｎで０＜＝ｘ1＜１）に代えた変形例もまた、本発明の効果を奏するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、構造が簡単であり、且つ、発生した電子が電子放出部のみに走り、より低電圧で、高効率で高電子密度の電子放出が可能な窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子を提供することができる。
本発明の窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子は、従来の電界放出型の電子放出源に比べ、低い駆動電圧で動作し構造も単純なため、他の電子素子とのマッチングが良く集積化も容易である。
本発明の窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子は、将来の低電圧動作電子線励起ディスプレーや電子線励起発光素子・照明機器の電子源として利用できる。したがって、この素子は将来のフラットパネルディスプレーや照明用電子放出源として利用できると考えられる。また、高密度の電子放出も可能であり、自由電子レ−ザや加速器等での高密度電子源としても期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の窒化物半導体共鳴トンネル電子放出素子の構造の一態様を示す概略図である。
なお、各層の厚さと組成比は最良の形態として例示するが、本発明の効果を損なわない限り、目的に応じて層の厚み、各層における組成比は任意に選択することが可能である。
サファイア基板上（１）へキャリヤ濃度２×１０18ｃｍ-3程度のｎ型ＧａＮ層（２）を２０００ｎｍ成長させ、その上に３原子層のＡｌＮ層に続けて、２０原子層のＧａＮと５原子層のＡｌＮ４周期からなるＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層（３）を作製し、さらにキャリヤ濃度１×１０18ｃｍ-3以下のｎ型ＧａＮ層（４）を１００ｎｍ成長させ、電子放出部のＧａＮをドライエッチングにより５０ｎｍ程度までエッチングした後、低抵抗ｎ型ＧａＮ層（５）を５ｎｍ堆積させ、幅４μｍのストライプ状の電極（６）を間隔１０μｍで配置している。（電極の平面形状は図示していない。）
なお、電極形状はストライプ状には限定されず、例えば、円環状、格子状、３角形などの多角形であってもよい。
【０００８】
ここで、素子表面は＋Ｃ面（Ｇａ面）となっており、サファイア基板側が−Ｃ面（Ｎ面）となっている。
本発明における絶縁性基板とは、完全な絶縁性を有するもののみならず、電子放出素子の使用目的に応じた高抵抗の基板、例えば、５００Ω・ｃｍ以上の高抵抗基板、半絶縁性基板をも包含するものとする。従って、本態様では、絶縁性基板として、サファイア基板（１）を用いているが、これに代えて、５００Ω・ｃｍ以上の高抵抗であってほぼ絶縁性のＳｉ結晶基板、半絶縁性のＧａＡｓ基板や絶縁性のＳｉＯ2結晶基板など他の基板を用いても良い。
【０００９】
以上の構成における印加電圧の無い状態でのエネルギーバンド構造を図２（ａ）に示す。この状態では、ＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層（３）内のＡｌＮ層はたいへん薄いため下地のＧａＮ（２）と同じ面内格子定数を持ち、ＡｌＮには引っ張り歪が加わっている。この際、ＡｌＮ層に発生する自発分極とピエゾ分極による電界は１原子層当り０．２Ｖ程度となり、全体でＡｌＮ層２０原子層を含むＡｌＮ／ＧａＮ共鳴トンネル層には４Ｖ程度の分極電圧が加わる。
【００１０】
このため、外部電極とＧａＮ層（２）のフェルミ準位が等しくなるように電荷移動が起こり、ＧａＮ（２）とＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層（３）界面にマイナス、電極と低抵抗ＧａＮ層にプラスの電荷が蓄積され、結果として図２（ａ）のエネルギーバンド構造となる。この状態では多重障壁層（３）と表面ＧａＮ層（５）は空乏化されている。外部電圧を印加するとこれらの層にほぼ一様な電界がさらに加わる。ただし、電子放出部のＧａＮ層（４）は電極下のＧａＮ層（４）より薄いので、電子放出部の多重障壁層（３）に加わる電界は、電極下の多重障壁層（３）の電界より大きい。そのため図２（ｂ）に示すように、電子放出部の多重障壁層の平均電界がゼロになった時の電極下のエネルギーバンド構造は図２（ｃ）のようになる。図２（ｂ）では各量子井戸の電子準位が揃い１ｋＡ／ｃｍ2以上の電流を流すことができるが、電極下では多重障壁層が電子に対し厚い障壁層として働くためほとんど電流が流れない。そのため高濃度の電子を電子放出部にのみ走らせることが可能となる。
なお、多重障壁層の最初のＡｌＮ層を他のＡｌＮ層より薄くしたのは、多重障壁層の平均電界がゼロになったときに、ＧａＮ（２）層の伝導帯端と多重障壁層内の電子準位が等しいエネルギーになるようにしたためである。
【００１１】
なお、ＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層の各層の厚さは、様々な厚さでの設計が可能であり、表面に向いＡｌＮ層やＧａＮ層の厚さを変化させても良い。中間層全体のＡｌＮ層の厚さも様々に設計することができるが、２ｎｍから１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００１２】
また、ＡｌＮ／ＧａＮ多層構造（３）のＡｌＮ層の代わりにＡｌＧａＮを用いても良いが、自発及びピエゾ分極により、表面に向かいバンドを持ち上げる必要があるため、多重量子井戸層のＡｌＮ平均組成は下地のＡｌＧａＮや表面層のＡｌＮ組成より大きくなければならない。
【００１３】
電子放出部の多重障壁層を共鳴トンネルした電子は、ＧａＮ層（４）で加速され、素子外部へ飛び出す。この際途中で散乱を受けてエネルギーを失った電子は、表面低抵抗ＧａＮ層（５）を流れ、取出し電極の電流となる。なお、電子がＧａＮ層（６）を通過する時間は１０-14秒程度であるので、途中で散乱を受けエネルギーを失う電子の比率は低く抑えることが可能であり、高い電子取出し効率が実現できる。
【００１４】
通常の電界放出素子は、電子放出部を尖らせ、素子外部に大きな電界を作り電子を放出させるため、高い印加電圧を必要とし素子寿命も短いが、この素子では固体内部の電界を利用し電子放出を行わせるため、電極（６）への１０Ｖ以下の低い印加電圧で電子を放出させることができる。さらに、平面からの電子放出であるため、駆動時の素子のダメージも小さく長寿命である。
【００１５】
以上の実施例の説明では、共鳴トンネル多重障壁層としてＡｌＮ５原子層とＧａＮ２０原子層の多重障壁を使用したが、ＡｌＮ層厚を１０原子層として、２重障壁層としても良いし、５原子層より薄い障壁層としても良く、様々な厚さでの設計が可能である。ただし、ト−タルのＡｌＮ層の厚さは表面ＧａＮ層を空乏化するのに必要な十分な分極電圧を得るため２ｎｍ以上が好ましい。
【００１６】
また、請求項１及び請求項２に記載されたＧａＮ層（２）の一部あるいは全部をＩｎＧａＮ（ただし、Ｉｎ（ｘ1）Ｇａ（１−ｘ1）Ｎで０＜＝ｘ1＜１）層で置き換えてもよい。ＩｎＧａＮはＧａＮより格子定数が大きいので、ＡｌＮとのヘテロ接合ではより大きな分極電界が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明における電子放出素子の構造図
【図２】本発明における電子放出素子のエネルギーバンド図であり、（ａ）は外部電圧を印加しない場合、（ｂ）は外部電圧印を加時した場合の電子放出部、（ｃ）は外部電圧を印加した場合の電極下を示す。
【符号の説明】
【００１８】
（１）サファイア基板
（２）ｎ型ＧａＮ層
（３）ＡｌＮ／ＧａＮ多重障壁層
（４）ｎ-ＧａＮ高抵抗層（表面層）
（５）ｎ+ＧａＮ低抵抗層（表面層）
（６）電極
【図１】
2006147518.tif 000003
【図２】
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