(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮからなる電子供給層と、
上記電子供給層上に設けられ、電子供給層から表面層に向かう方向に電子親和力が小さくなるように変調されたＡｌＧａＮからなる電子輸送層と、
上記電子輸送層上に設けられ、電子親和力が負あるいは０である材料により構成される表面層と、
上記電子供給層から上記電子輸送層を経て上記表面層の最表面まで電子を移動させるように、上記電子供給層に対して電圧を印加するための表面電極と、
上記表面層と上記表面電極との間に設けられて、上記電子輸送層に存在するクラックにより生じる電子の移動に対する障壁として機能し、かつ、上記表面層と同等あるいはより大きい電子親和力を有するフィルタ層と
を備えている電子デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の電子デバイスにおいて、
上記電子輸送層は、少なくとも一部において上記電子供給層から上記表面層に向う方向に連続的に拡大するバンドギャップを有することを特徴とする電子デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電子デバイスにおいて、
上記電子輸送層及び表面層を含む領域は、最表面に近づくほどＡｌの割合が多くなるように変化するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）により構成されていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の電子デバイスにおいて、
上記電子輸送層は、電子供給層に接する一方の端部から表面層に接する他方の端部まで上記ｘの値が０から０．６５以上まで連続的にＡｌ組成が増加していくように構成されていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記電子輸送層は、キャリア用不純物がドープされていないことを特徴とする
電子デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記表面層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．６５≦ｘ≦１）により構成されていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記フィルタ層は、正の電子親和力を有する絶縁体により構成されていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項８】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記フィルタ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、及び窒化シリコン（ＳｉＮx)のうち少なくともいずれか１つを含んでいることを特徴とする電子デバイス。
【請求項９】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記フィルタ層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ）（０．６５≦ｘ≦１）及びこれらの酸化物のうち少なくともいずれか１つを含んでいることを特徴とする電子デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記表面電極の上方に、上記表面電極とは離間して設けられ、上記表面層から外部に放出された電子を加速及び制御するための収集電極をさらに備えていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子デバイスにおいて、
上記電極層と収集電極層との間を、減圧状態に保つための密閉部材をさらに備えていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項１２】
請求項１０に記載の電子デバイスにおいて、
上記電極層と収集電極層との間に設けられた絶縁体層をさらに備えていること
を特徴とする電子デバイス。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のうちいずれか１つに記載の電子デバイスにおいて、
上記電子輸送層における電子の流れる領域を電子輸送層の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備えていることを特徴とする電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子親和力が負又は０に近い材料により構成される表面層を備え、電子放出機能を有する電子デバイスの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以前は、電子放出素子は、タングステン（Ｗ）等の高融点金属材料からなる陰極と、空間を隔てて陰極に対向する陽極とを設け、陰極を高温に加熱することにより、熱電子を固体から真空中に放出するという熱陰極方式（電子銃方式）による構造となっていたが、このような熱陰極方式に代わるものとして、本発明者達が提案しているいわゆるＮＥＡ放出素子素子といわれるものがある。ＮＥＡ電子放出素子とは、負の電子親和力（Negative Electron  Affinity：NEA）を有する半導体材料又は絶縁体材料を用いた電子放出素子の意味である。以下、電子放出素子として機能する電子デバイス（以下、「ＮＥＡ電子デバイス」という）の原理について説明する。
【０００３】
図１は、ＮＥＡ材料の例として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた従来のＮＥＡ電子デバイスの構成を示す斜視図である。図１に示すように、このＮＥＡ電子デバイスは、電子を供給するための電子供給層１０１と、電子供給層１０１から供給される電子を固体表面側に輸送するための電子輸送層１０２と、ＮＥＡ材料からなる表面層１０３と、電子供給層１０１から表面層１０３に電子を移動させるように電圧を印加するための表面電極１０４とを備えている。
【０００４】
この例では、電子供給層１０１をｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）により構成し、電子供給層１０１から表面層１０３まで電子を円滑に移動させる電子輸送層１０２をノンドープでＡｌ含有比ｘが連続的に変化する傾斜組成を有するＡｌxＧａ1-xＮ（ｘは０から１までほぼ連続的に増加する変数）により構成し、表面層１０３を真のＮＥＡ材料であるＡｌＮにより構成し、表面電極を白金（Ｐｔ）等の金属により構成した例を示している。
【０００５】
以下、この素子の基本的特性にとって重要な性質である電子親和力と、電子を円滑に輸送するために必要な電子輸送層の構造とについて説明する。
【０００６】
▲１▼  電子親和力（Electron Affinity）
半導体材料における”電子親和力”とは、伝導帯端に存在する電子を真空中に取り出すのに要するエネルギー値を示し、材料固有の値を持つ。以下に、”負の電子親和力”（Negative Electron Affinity; NEA）という概念について説明する。
【０００７】
図２（ａ）、（ｂ）は、電子親和力の値が負及び正である半導体材料のエネルギー状態をそれぞれ表すエネルギーバンド図である。図２（ｂ）に示すように、半導体のフェルミ準位をＥf、伝導帯端のエネルギー準位をＥc、価電子帯端のエネルギー準位をＥv、バンドギャップをＥgとし、真空準位をＥvacとしたとき、一般の半導体における電子親和力χは、χ＝Ｅvac−Ｅc＞０である。つまり、正の電子親和力を有する。それに対し、半導体の種類によっては、図２（ａ）に示すように、χ＝Ｅvac−Ｅc＜０となる状態が存在する。つまり、このような半導体材料、例えばＡｌＮは負の電子親和力を有することになる。
【０００８】
ここで、図２（ｂ）に示すように、正の電子親和力を有する半導体の場合、伝導帯端に存在する電子を真空中に取り出すためには、χの大きさのエネルギー障壁が存在するため、その分だけエネルギーを与える必要がある。そのため通常、電子放出させるために加熱によって電子にエネルギーを与えたり、高電界を印加してエネルギー障壁をトンネル透過させる必要がある。
【０００９】
一方、図２（ａ）に示すように、負の電子親和力を有する半導体の場合には、表面の伝導帯端に存在する電子にとってエネルギー障壁が存在しないので、電子は容易に真空中に放出されることとなる。すなわち、半導体表面に存在する電子を真空に取り出すための余分なエネルギーを必要としない。
【００１０】
▲２▼  電子輸送層
電子デバイスにおいて電子が放出される表面層に、上記のような電子親和力が負あるいは実質的に０であるような材料を用いることが、効率的な電子放出に有効であると考えられるが、一般的に平衡状態においてＮＥＡ材料の伝導帯に電子は存在していない。故に、何らかの方法で電子放出が容易な材料から構成される表面層に効率的に電子を供給する必要がある。
【００１１】
その一構成例として、本発明者達により、図１に示すように、電子が多数存在する電子供給層１０１（正の電子親和力）からＮＥＡ状態の表面層１０３（負の電子親和力）に有効に電子を供給するために、電子親和力値が徐々に小さくなるような中間層（電子輸送層１０２）を介した構造が提案されている。
【００１２】
図３（ａ），（ｂ）は、電子供給層１０１、電子輸送層１０２、表面層１０３及び表面電極１０４とからなる図１の構成例において、電子供給層１０１−表面電極１０４間に電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。上述のように、電子輸送層１０２は、表面に向かって徐々に電子親和力χが小さくなるような材料から選択されている。
【００１３】
ここで、図３（ａ）に示したような平衡状態では、電子供給層１０１の伝導帯には多数の電子が存在しているが、表面層１０３の伝導帯端のエネルギーレベルが高いため、電子が最表面に到達することはない。一方、このような構造に順バイアス（表面電極側に正電圧）を印加すると、図３（ｂ）に示すようにエネルギーバンドが曲がる。その結果、電子供給層１０１に存在する電子は濃度勾配及び電位勾配によって、表面層１０３側への移動が生じる。つまり電子電流が流れる。また、電子輸送層１０２であるＡｌxＧａ1-xＮや表面層１０３であるＡｌＮはノンドープであることから、電子供給層１０１から電子輸送層１０２、表面層１０３に注入された電子は、正孔等との再結合によって捕捉されることなく移動することができる。また電子輸送層１０２での組成傾斜を連続的に行なうことで、電子移動の障害となるエネルギー障壁が伝導帯端には形成されないため、効率的に電子を表面まで送るという点で有利である。
【００１４】
以上のように、組成傾斜が施されたＡｌxＧａ1-xＮ層を電子輸送層１０２として適用することにより、正の電子親和力であるｎ−ＧａＮ層から負の電子親和力である表面層１０３（ＡｌＮ層）まで、効率よく移動させることが可能になる。そして、電子輸送層１０２及び表面層１０３に注入された電子は、表面層がＮＥＡ状態であることから、容易に表面電極１０４を通過して真空中などの外部に放出させることができるようになる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記図１に示す構造を利用したＮＥＡ電子デバイスにおいて、表面電極１０４に所定の電圧を印加しても、期待した量の電子が放出されないという現象が見られた。
【００１６】
そこで、この現象の原因の究明を図った結果、電子輸送層１０２や表面層１０３を構成するＡｌxＧａ1-xＮ層に微細なクラックなどの欠陥が発生していることがわかった。つまり、電子輸送層１０２のバンドギャップを大きく変化させるべく、ＡｌxＧａ1-xＮ層の組成を大きく変化させていくので、格子定数の変化などに起因する応力が発生し、微少なクラックを生じさせているものと思われる。そして、クラックなどの欠陥部を流れる電子は、表面層のうちＮＥＡ状態にある部分には供給されることなく、リーク電流として表面電極１０４に流れる。その結果、表面電極１０４を通過して外部に放出される電子の量が小さくなり、電子の放出効率が低下するという不具合を招いたものと推定される。
【００１７】
本発明の目的は、電子輸送層や表面層におけるクラックなどの欠陥に起因するリーク電流を抑制する手段を講ずることにより、電子放出効率の高い電子デバイスの提供を図ることにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子デバイスは、ＧａＮからなる電子供給層と、上記電子供給層上に設けられ、電子供給層から表面層に向かう方向に電子親和力が小さくなるように変調されたＡｌＧａＮからなる電子輸送層と、上記電子輸送層上に設けられ、電子親和力が負あるいは０である材料により構成される表面層と、上記電子供給層から上記電子輸送層を経て上記表面層の最表面まで電子を移動させるように、上記電子供給層に対して電圧を印加するための表面電極と、上記表面層と上記表面電極との間に設けられて、上記電子輸送層に存在するクラックにより生じる電子の移動に対する障壁として機能し、かつ、上記表面層と同等あるいはより大きい電子親和力を有するフィルタ層とを備えている。
【００１９】
これにより、電子輸送層にクラックなどの欠陥がある場合にも、表面層と表面電極との間に設けられたフィルタ層が表面層のうちＮＥＡ状態にある部分には到達しない電子の移動に対する障壁として機能するので、リーク電流が表面電極に流れるのが抑制される。しかも、フィルタ層の電子親和力は表面層の電子親和力よりも大きいので、フィルタ層は表面層の伝導帯端と同等あるいはそれ以上のエネルギーレベルを有する電子の移動に対する障壁とはならない。したがって、フィルタ層の存在によって、リーク電流のみが抑制され、表面電極と電子供給層との間に印加される電圧に応じて表面層から有効に電子が放出され、電子の放出効率が高められることになる。
【００２０】
上記電子輸送層は、少なくとも一部において上記電子供給層から上記表面層に向かう方向に連続的に拡大するバンドギャップを有することにより、電子輸送層における電子の移動がスムーズになるので好ましい。
【００２１】
上記電子輸送層及び表面層を含む領域は、最表面に近づくほどＡｌの割合が多くなるように変化するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）により構成されていることがより好ましい。
【００２２】
その場合、上記電子輸送層は、電子供給層に接する一方の端部から表面層に接する他方の端部まで上記ｘの値が０から０．６５以上まで連続的にＡｌ組成が増加していくように構成されていることが好ましい。
【００２３】
また、上記電子輸送層は、キャリア用不純物がドープされていないことが好ましい。
【００２４】
上記表面層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．６５≦ｘ≦１）により構成されていることにより、その表面が容易に負の電子親和力状態を実現できるので、高い電子放出効率を有する素子を得ることができるという点で好ましい。
【００２５】
上記フィルタ層は、正の電子親和力を有する絶縁体材料により構成されていることが好ましく、また、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、及び窒化シリコン（ＳｉＮx)のうち少なくともいずれか１つを含んでいるか、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ）（０．６５≦ｘ≦１）及びこれらの酸化物のうち少なくともいずれか１つを含んでいることが好ましい。
【００２６】
上記表面電極の上方に、上記表面電極とは離間して設けられ、上記表面層から外部に放出された電子を加速及び制御するための収集電極をさらに備えていることにより、電圧印加によって上記電極層表面より放出された電子流の加速／収集機構を一体化できるので好ましい。すなわち、電子供給層−電極層間への電圧印加により放出された電子を収集する収集電極層を一体構造とすることにより、信号増幅やスイッチング動作が可能な電子デバイスをコンパクトかつ高密度に作製することができる。この素子は、上記のように電子放出が容易な電子供給層／電子輸送層／表面層／電極層からなり、さらに放出電子を加速する構成となっているので、絶縁耐圧が高い、内部損失が小さい、かつ低電圧駆動が可能であるといった利点を有している。
【００２７】
上記電極層と収集電極層との間を、減圧状態に保つための密閉部材をさらに備えていることにより、電子が真空中で高速に加速されて収集電極に集められる構造となり、高いスイッチング機能が得られる。
【００２８】
上記電極層と収集電極層との間に設けられた絶縁体層をさらに備えていてもよい。
【００２９】
上記電子輸送層における電子の流れる領域を電子輸送層の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備えていることにより、電流の集中により表面層からの電子の放出効率を高めることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態においても、上記従来のＮＥＡ電子デバイスと同様に、負の電子親和力（Negative Electron Affinity：ＮＥＡ）を有する材料を用いたＮＥＡ電子デバイスについて説明する。この負の電子親和力の意味やＮＥＡ電子デバイスの原理については、上記従来の技術において説明した通りである。
【００３１】
図４は、本発明のＮＥＡ電子デバイスの基本構成を示す斜視図である。本発明のＮＥＡ電子デバイスは、オーミック電極１と、電子を供給するための電子供給層２と、電子供給層２から供給される電子を固体表面側に輸送するための電子輸送層３と、ＮＥＡ材料からなる表面層４と、電子供給層２から表面層４に電子を移動させるように電圧を印加するための表面電極６とを備えている。この構造は、基本的には、図１に示す従来のＮＥＡ電子放出素子の構造と同じである。
【００３２】
ここで、本発明の電子デバイスの特徴は、従来のＮＥＡ電子デバイスとは異なり、表面層４と表面電極６との間に、電子の一部が表面電極６に流れるのを阻止するためのフィルタ層５を備えている点である。
【００３３】
次に、上記各部を構成する材料について説明する。上記電子供給層２は、例えばｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）により構成され、電子供給層２から表面層４まで電子を輸送する電子輸送層３はノンドープでＡｌ含有比ｘが連続的に変化する傾斜組成を有するＡｌxＧａ1-xＮ（ｘは０から１までほぼ連続的に増加する変数）により構成され、表面層４は真のＮＥＡ材料であるＡｌＮにより構成され、表面電極６は白金（Ｐｔ）等の金属により構成されている。また、上記フィルタ層５は、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ2Ｏ3）により構成されている。また、表面電極６は、白金（Ｐｔ）等の金属により構成されている。
【００３４】
図５は、ＡｌxＧａ1-xＮ系半導体材料の電子親和力の測定データを示す図である。この図において、横軸はＡｌxＧａ1-xＮ中のＡｌ含有比ｘを表している。ただしＡｌ含有比ｘとは、ＡｌxＧａ1-xＮ中のＧａとＡｌ含有量におけるＡｌ割合を示し、ＡｌxＧａ1-xＮ全体におけるＡｌ含有比のことではない。以下、同様とする。この図より、ｘ＝０の時、すなわちＧａＮの電子親和力は約３．３ｅＶであり、正の電子親和力特性を示すが、Ａｌ含有比ｘが増加するにつれて電子親和力値は減少し、ｘ＞０．６５の領域では電子親和力値はほぼ０、あるいは負になることがわかる。したがって、ｘ＝１のＡｌxＧａ1-xＮであるＡｌＮの電子親和力は負の状態である。つまり、この電子デバイスのごとく、電子供給層２をｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）により構成し、電子輸送層３をノンドープでＡｌ含有比ｘが連続的に変化する傾斜組成を有するＡｌxＧａ1-xＮにより構成し、表面層４を真のＮＥＡ材料であるＡｌＮにより構成することにより、電子供給層２から表面層４まで、バンドギャップが順次拡大し、電子親和力が順次小さくなる構造を容易に実現することができる。
【００３５】
図６（ａ），（ｂ）は、電子供給層２、電子輸送層３、表面層４，フィルタ層５及び表面電極６とからなる図４の構成例において、電子供給層２−表面電極６間に電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。図６（ａ）に示すように、電子輸送層３は、表面に向かって徐々に電子親和力χが小さくなるような材料から選択されるが、その材料を巧く選択することにより、その材料の組成比を変化させることによって電子親和力がほぼ連続的に小さくなる構造を実現することができる。
【００３６】
本構成例においては、電子供給層２としてｎ型にドープされたＧａＮ層（キャリア密度：〜４×１０18個／cm3 ）を、電子輸送層３としてドープしていない傾斜組成のＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）を、表面層４としてＡｌＮ層を用いている。傾斜組成のＡｌxＧａ1-xＮからなる電子輸送層３は、電子供給層２であるＧａＮと接する部分ではｘ＝０、つまりＡｌを含んでおらず、表面層３であるＡｌＮと接する部分ではｘ＝１、つまりＧａを含んでいない構成としている。またその途中はｘ値を徐々に増加させた、つまりＡｌ含有量が表面に向かって増加していくように組成を傾斜させている。このような構造にすることにより、図６（ａ）に示すように、ＡｌxＧａ1-xＮからなる電子輸送層３の電子親和力は、電子供給層２と接する部分では正であるが、表面に向かうにつれてＡｌ含有量の増加に伴って電子親和力値は小さくなり、電子輸送層３内の表面層４と接する部分ではＡｌＮと同様に電子親和力が負となる。したがって、電子輸送層３の電子親和力は電子供給層２から表面層４に至るまでほぼ連続的に減少していることとなる。
【００３７】
電子輸送層３として組成傾斜ＡｌxＧａ1-xＮを用いた場合、上記のような構成はバンドギャップの連続的な拡大ともとらえることもできる。図７は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のバンドギャップのＡｌ含有比依存性を示す図である。同図において、横軸はＡｌ含有比ｘを表しており、縦軸はその組成におけるバンドギャップＥg（ｅＶ）を表している。同図に示すように、ＡｌxＧａ1-xＮのＥg値は、ｘの増加に対して厳密には直線ではないが、直線に近い関係で大きくなっていく。つまり、電子輸送層３を構成するＡｌxＧａ1-xＮ層は、電子供給層２を構成するＧａＮ層と接する部分ではｘ＝０であってＧａＮ層と同じバンドギャップ（Ｅｇ＝３．４ｅＶ）を有し、表面層４を構成するＡｌＮ層と接する部分ではｘ＝１であってＡｌＮ層と同じバンドギャップ（Ｅｇ＝６．２ｅＶ）を有している。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層のうち両端部を除く領域においては、ｘ値が徐々に増加しているので、つまり、Ａｌ含有量が表面に向かって徐々に増加していくように組成が傾斜しているので、電子輸送層３のバンドギャップは、電子供給層２から表面層４に至るまでＡｌ含有量の増加に伴ってほぼ連続的に広がっていくこととなる。このような構成は、ＡｌxＧａ1-xＮ系半導体が混晶であることから、原料組成を変化させたエピタキシャル成長により単結晶薄膜で実現しうることが、本発明者達によって確認されている。
【００３８】
また、フィルタ層５は、表面層４よりも所定値Δχだけ電子親和力が大きい絶縁性材料により構成され、表面層４をＡｌＮにより構成する場合には、フィルタ層５を構成する材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、窒化シリコン（ＳｉＮx），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ）（０．６５≦ｘ≦１），これらの酸化物などを用いることができる。
【００３９】
さて、図６（ａ）に示したような平衡状態では、電子供給層２の伝導帯には多数の電子が存在しているが、表面層４の伝導帯端のエネルギーレベルが高いため、電子が最表面に到達することはない。一方、このような構造に順バイアス（表面電極側に正電圧）を印加すると、図６（ｂ）に示すようにエネルギーバンドが曲がる。その結果、電子供給層２に存在する電子は濃度勾配及び電位勾配によって電子輸送層３を経て表面層４に輸送される。つまり、電子電流が流れる。また、電子輸送層３を構成するＡｌxＧａ1-xＮ層や、表面層４を構成するＡｌＮ層はノンドープであることから、電子供給層２から電子輸送層３、表面層４に注入された電子は、正孔等との再結合によって捕捉されることなく移動することができる。また、電子輸送層３での組成傾斜を連続的に行なうことで、電子移動の障害となるエネルギー障壁が伝導帯端には形成されないため、効率的に電子を表面まで送るという点で有利である。
【００４０】
ところが、電子輸送層３にクラックなどの欠陥がある場合には、表面準位や欠陥準位などを介して電子が流れるので、表面層４のうちＮＥＡ状態にある部分を通過せずに表面電極６に流れ込むリーク電流が生じる（図６（ｂ）の破線参照）。このような表面層４のうちＮＥＡ状態にある部分を通過しない電子は、真空中に取り出すことができない。ここで、この電子デバイスにおいては、表面層４と表面電極６との間に、絶縁性材料からなるフィルタ層５が介在している。そして、フィルタ層５はリーク電流に対する障壁として機能し、リーク電流が表面電極６に流れるのを抑制する。しかも、フィルタ層５の電子親和力は、表面層４の電子親和力よりも所定値Δχだけ大きいので、つまり、フィルタ層５の伝導帯端のエネルギーレベルは表面層４の伝導帯端のエネルギーレベルよりも低いので、フィルタ層５は表面層４の伝導帯端と同等あるいはそれ以上のエネルギーレベルを有する電子の移動に対する障壁とはならない。つまり、フィルタ層５の存在によって、リーク電流のみが抑制され、表面電極６と電子供給層２（あるいはオーミック電極１）との間に印加される電圧に応じて表面層４から有効に電子が放出され、電子の放出効率が高められることになる。
【００４１】
なお、図２（ａ），（ｂ）に示すように、一般に伝導帯に存在する電子はエネルギー分布を有しているため、たとえ表面層４の電子親和力値χが正であっても十分に小さい場合には、効率的には低下するがある程度の量の電子を低エネルギーで放出することは可能である。そこで、本発明におけるＮＥＡ材料には、負の電子親和力を有する材料（図６（ａ）に示すような真のＮＥＡ材料）だけではなく、χ値が実質的に０といえる程度に小さい正の電子親和力を有する材料（擬ＮＥＡ材料）をも含むものとする。
【００４２】
なお、これまで知られているＮＥＡ材料としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やガリウム隣（ＧａＰ）、シリコン（Ｓｉ）などの半導体表面に低仕事関数材料であるセシウム（Ｃｓ）や酸化セシウム（Ｃｓ−Ｏ）、セシウムアンチモン（Ｃｓ−Ｓｂ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ−Ｏ）等を薄くコートした構成が知られている。これらの材料を用いた場合、表面層が安定性に乏しいため、一般的には高真空下でないとＮＥＡ状態を維持することができない。
【００４３】
また、表面吸着層を用いないＮＥＡ材料としては、ワイドバンドギャップ材料であるダイヤモンドなどがあり、これを本発明のフィルタ層５を構成する材料として用いることもできる。
【００４４】
また、上記構成例においては、電子輸送層３の組成が連続的に変化することで、電子親和力が連続的に小さくなる（あるいはバンドギャップが連続的に大きくなる）場合について説明したが、本発明の電子輸送層３の構成は、かかる構成例に限定されるものではなく、その組成がステップ状に変化した場合や多少不連続に変化する場合においても、電子の移動に関して大きな障害とならない程度であれば問題はない。つまり、電子輸送層３全体として電子親和力が表面方向に向かって小さくなるように、電子輸送層３を構成する材料の組成が変化していくようであれば、本発明の効果を得ることができる。
【００４５】
次に、上述の構成例と同様に、表面層４及び電子輸送層３を構成する材料としてＡｌxＧａ1-xＮを用いつつ、電子輸送層３の表面層４に隣接する側の端部におけるＡｌ含有比ｘを１より小さくした場合の構成について説明する。
【００４６】
図８（ａ），（ｂ）は、電子輸送層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦ｙ、かつｙ＜１）を適用したＮＥＡ電子デバイスの平衡状態と順バイアス印加時におけるエネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。この構成においても、電子デバイスの幾何学的な構造は、図４に示す構造と同じであるが、電子輸送層３を構成する材料の組成が図４に示す構造とは異なっている。
【００４７】
図８（ａ）に示すように、本構成例では、電子供給層２（ｎ−ＧａＮ）の上に電子輸送層３として機能するノンドープのＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦ｙ、かつｙ＜１）が形成され、さらにその上に、表面層４として機能するＡｌＮ層が積層されている。また、表面層４の上に、酸化アルミニウムからなるフィルタ層５と、白金（Ｐｔ）からなる表面電極６とが順次形成されている。このような構造においては、図８（ａ）に示すように、電子輸送層３と表面層４との界面にエネルギーレベルの不連続が生じる。この伝導帯におけるエネルギー障壁の値は、電子輸送層に適用するＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ含有比ｙ（ｘの最大値）によって決まるが、この値があまりに大きいと電子供給層２から注入される電子が効率的に表面層３に移動させることができない。そこで、本構成例においては、Ａｌ含有比ｙは、０．５≦ｙ≦０．８の範囲に設定されている。
【００４８】
また、フィルタ層５は、第１の実施形態と同様に、表面層４よりも所定値Δχだけ電子親和力が大きい絶縁性材料により構成され、表面層４をＡｌＮにより構成する場合には、フィルタ層５を構成する材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、窒化シリコン（ＳｉＮx）などを用いることができる。
【００４９】
そして、図８（ｂ）に示すように、電子供給層−表面電極間に順バイアス（表面電極側に正電圧）を印加すると、電子輸送層３及び表面層４のエネルギーバンドは印加される電圧値に応じて曲がる。その結果、図４に示す電子デバイスと同様に、電子供給層２に存在する電子は濃度勾配及び電位勾配によって電子輸送層３を経て表面層４に輸送される。つまり、電子電流が流れる。その際、表面層４を構成するＡｌＮ層の膜厚がある程度薄く、かつ伝導帯端に形成される電子輸送層−表面層間のエネルギー障壁の高さがある程度低いと、電子輸送層−表面層界面に達した電子は表面層４による障壁を乗り越えて最表面に移動することができる。すなわち、電子親和力が負あるいは０に近い材料により構成される表面層４より真空に取り出すことができる。このような構成における表面層の膜厚は、電子輸送層３の膜厚やＡｌ含有比との兼ね合いもあり、限定はできないが概ね１０ｎｍ以下である。
【００５０】
以上のように、不連続なエネルギー障壁を伝導帯に有する組成傾斜ＡｌxＧａ1-xＮ層を電子輸送層３として用いた場合においても、正の電子親和力であるｎ−ＧａＮ層から負の電子親和力である表面層４まで、効率よくかつ移動させることが可能になる。そして、この構成においても、図４に示す構成と同様に、表面層４と表面電極６との間に、表面層４の電子親和力よりも所定値Δχだけ大きい電子親和力を有する絶縁性材料からなるフィルタ層５が介在しているので、リ−ク電流のみが抑制され、表面電極６と電子供給層２（あるいはオ−ミック電極１）との間に印加される電圧に応じて表面層４から有効に電子が放出され、電子の放出効率が高められることになる。
【００５１】
以下に、本発明の基本的構造を応用して得られる電子デバイスの各種実施形態について、以下に説明する。
【００５２】
−第１の実施形態−
図９は、本発明の第１の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態のＮＥＡ電子デバイスは、サファイア基板１１と、サファイア基板１１の上に設けられた電子供給層として機能するｎ−ＧａＮ層１２と、ｎ−ＧａＮ層１２の上に設けられ、Ａｌ組成比ｘが０から１までほぼ連続的に変化する電子輸送層であり電子輸送層として機能するＡｌxＧａ1-xＮ層１３と、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上に設けられた表面層として機能するＡｌＮ層１４と、ＡｌＮ層１４の上に設けられたフィルタ層として機能するアルミナ層１５(Ａｌ2Ｏ3)と、電極層１６とを備えている。さらにｎ−ＧａＮ層１２上に形成されたオーミック電極１７と、絶縁体層１８を介して電極層１６と電気的に接続する引出電極１９とを備えている。ここで、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３は、ｎ−ＧａＮ層１２との接合面においてはＡｌ含有比ｘがほぼ０であり、ＡｌＮ層１４との接合面においてはＡｌ含有比がほぼ１である傾斜組成を有している。本実施形態における電極層１６は、例えばニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）により構成されていても良いし、他の金属でも良いが、その膜厚は５〜１０ｎｍ程度である。また、本実施形態における引出電極１９は、オーミック電極１７−電極層１６間に電圧を印加するための信号接続端子部分であり、その膜厚は２００ｎｍ程度である。その材質は、電極層１６を構成する金属膜と同種の金属でも良いが、アルミナ層１５や、酸化膜，窒化膜等からなる絶縁体層１８との接着強度を考慮して選択しても良い。
【００５３】
また、アノ−ド電極２０は、本電子デバイス表面から空間を隔てて対向して配置されており、適当な正バイアス電圧を印加することにより本電子デバイスから外部に取り出された電子２１を加速／収集するものである。
【００５４】
本実施形態の素子構造においては、図４に示すＮＥＡ電子デバイスの基本構造例とほぼ同じ構造を有しているので、既に説明したとおり、順方向バイアスを印加することによって、ｎ−ＧａＮ層１２(電子供給層)から供給される電子を制御性良くＡｌxＧａ1-xＮ層１３（電子輸送層）／ＡｌＮ層１４（表面層）／アルミナ層１５（フィルタ層）内を移動させて、電極層１６の表面から外部に効率よく放出させることができる。その際、当然のことながら電極層１６に流れ込んでしまう電子が一部存在するが、電極層１６の材質及びその膜厚並びに面積を巧く設定することにより、電極層１６を通して電子を外部に取り出すことができる。
【００５５】
また、フィルタ層として機能するアルミナ層１５が設けられているので、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３やＡｌＮ層１４に存在するクラック等の欠陥を介して電子が電極層１６にリーク電流として流れるのを抑制することができ、電子の放出効率の向上を図ることができる。
【００５６】
このような第１の実施形態の構造を有するＮＥＡ電子デバイスに、２〜１０Ｖ程度の順方向バイアスをオーミック電極−電極層間に印加した結果、印加電圧に応じて電子２１が放出され、アノ−ド電極２０に１０2〜１０3（Ａ／ｃｍ2）程度の放出電子電流が流れることが、本発明者達によって確認されている。なお、アノ−ド電極２０は、電極層１６よりも約１ｍｍ上方に配置され、２５０Ｖのアノ−ド電圧が印加されている。
【００５７】
また、本実施形態におけるフィルタ層として機能するアルミナ層１５は、ＡｌＮ層／電極層の間にのみ存在するが、この構造に限定されるものではない。
【００５８】
図１０は、アルミナ層１５をＡｌＮ層１４の全面上に形成した，第１の実施形態の変形例における電子デバイスの構造を示す断面図である。この変形例の構造によっても、第１の実施形態と同じ効果を発揮することができる。
【００５９】
また、本実施形態において、フィルタ層はアルミナ（酸化アルミニウムＡｌ2Ｏ3）より構成したが、本発明のフィルタ層を構成する材料はこれに限定されるものではなく、上述のように、フィルタ層が、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、Ａｌ含有量が多い窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ：０.６５≦ｘ≦１）及びそれらの酸化物、酸化シリコン（ＳｉＯx）、窒化シリコン（ＳｉＮx）等によって構成されていても、本実施形態と同じ効果を発揮することができる。
【００６０】
上記実施形態及びその変形例においては、放出された電子２１をアノ−ド２０で捕捉しただけであるが、このアノ−ド電極２０表面に蛍光体等を塗布しておけば、この電子照射による発光が得られるため、この発光を利用したディスプレィなどの表示素子を構成することもできる。
【００６１】
なお、本実施形態及びその変形例において、アノ−ド電極２０はＮＥＡ電子デバイスとは空間的に切り離された位置に配置されているが、本発明はこれらに限定されるものではなく、絶縁構造を用いてアノ−ド電極２０がＮＥＡ電子デバイスと一体化された構成も可能である。
【００６２】
ここで、本実施形態のＮＥＡ電子デバイスの製造方法について説明する。
【００６３】
まず、サファイア基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）＋アンモニア（ＮＨ3）とを反応させて、ＧａＮバッファ層（図示せず）を形成した後、同様の反応ガスにシラン（ＳｉＨ4）を添加して電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２を形成する。次に、ド−プガスであるＳｉＨ4の供給を停止した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を導入して、Ａｌの添加量を徐々に増大させながら、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３を形成し始め、途中からＴＭＧの供給を徐々に減少させていくことによって、上方に向かってＡｌ含有比がほぼ連続的に高くなっていくＡｌxＧａ1-xＮ層１３を形成する。そして、最終的にＡｌ含有比ｘを１、つまりＧａ含有比を０にすることで、表面層であるＡｌＮ層１４をＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上に形成する。この時、高品質なＡｌxＧａ1-xＮ層１３を成長させるために、反応温度も徐々に変化させる場合もある。このような手法により、電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２と、電子輸送層であるＡｌxＧａ1-xＮ層１３と、表面層であるＡｌＮ層１４とを連続的に、かつ高品質に形成することができる。本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層１２の厚みを４μｍとし、ＡｌxＧａ1-xＮ層の厚みを０.０７μｍとし、ＡｌＮ層の厚みを０.０１μｍとした。
【００６４】
なお、ｎ−ＧａＮ層１２、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３、及びＡｌＮ層１５の形成方法は、上述の方法に限定されるものではない。例えば、ＭＯＣＶＤ法に代わってＭＢＥ法などを用いることも可能である。また、傾斜組成を有するＡｌxＧａ1-xＮ層を形成する他の方法としては、例えば、ＧａＮ層の上に薄いＡｌ層をエピタキシャル成長させて、これを熱処理することによって下方に行くほどＡｌ含有比が小さく、表面に近いほどＡｌ含有比が大きいＡｌxＧａ1-xＮ層を形成することも可能である。
【００６５】
次に、電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２にオーミック電極１７を形成する。このとき、基板として用いたサファイアは絶縁体であることから、サファイア基板１１の裏面に電極を設けることができない。そこで、ｎ−ＧａＮ層１２の一部を露出するために表面からある深さまでエッチングし、このエッチング処理によって露出したｎ−ＧａＮ層１２の領域上にオーミック電極１７（材質：Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ）を電子ビ−ム蒸着法により形成した。
【００６６】
次に、ＡｌＮ層１４上に絶縁体層１８を形成し、ＡｌＮ層１４をその一部を開口させるようにパタ−ニングした後、開口部に露出したＡｌＮ層１４の上に、アルミナ層１５と、引出電極１９とを形成する。その材質は適宜選択されるが、絶縁体層１８を構成する材料としてＳｉＯ2等が好ましく、引出電極１９を構成する材料としてＴｉ，Ａｌ等が好ましく用いられる。本実施形態では、ＳｉＯ2膜の膜厚を１００ｎｍとし、Ａｌ電極の膜厚を２００ｎｍとした。
【００６７】
さらに、表面層であるＡｌＮ層１４の上に電極層１６を形成する。その材質についても適宜選択されるが、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ等が好適である。また形成方法についても、限定されるものではないが、電子ビ−ム蒸着法が一般的である。なお電極層１６は電子放出部となるので、電子の放出効率を高めるため、できる限り薄いことが好ましい。本実施形態では、電極層１６の膜厚を５ｎｍとし、大きさをφ２０μｍとした。
【００６８】
−第２の実施形態−
上記第１の実施形態及びその変形例においては、表面層１４の上に絶縁体層１８とは別に新たにフィルタ層１５を付加したが、絶縁体層１８の一部をフィルタ層として機能させても良い。
【００６９】
図１１は、本発明の第２の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態においては、絶縁体層として用いている酸化シリコン膜の一部をエッチング処理して薄くした領域をフィルタ層として機能させた。本構成例においては、本来の絶縁体層の厚さを１００ｎｍとし、フィルタ層として機能するエッチング部の膜厚を１０ｎｍとした。このような構成においても、上記第１の実施形態と同様に、オーミック電極−電極層間にバイアス電圧を印加した結果、印加電圧に応じて電子２１が放出され、アノ−ド電極２０放出電子電流が流れることが本発明者達によって確認されている。
【００７０】
−第３の実施形態−
上記各実施形態においては、ＡｌＮ層１４を表面層としているが、ＡｌxＧａ1-xＮはＡｌ含有比ｘが０.６５以上の範囲であればＮＥＡ材料であるので、０.６５≦ｘ≦１の範囲の組成を有するＡｌxＧａ1-xＮを表面層に用いても良い。
【００７１】
図１２は、本発明の第３の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態においては、サファイア基板１１の上に電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２が設けられ、ｎ−ＧａＮ層１２の上にはＡｌxＧａ1-xＮ層１３が設けられている。ここで、本実施形態においては、ＡｌＮ層が設けられていない。その理由は、第１の実施形態においては、ＮＥＡ材料であるＡｌＮ層を表面層としているが、Ａｌ含有比ｘが０.６５以上のＡｌxＧａ1-xＮであればＡｌＮと同様にＮＥＡ材料となりうるので、０.６５≦ｘ≦１の領域のＡｌxＧａ1-xＮを表面層に適用できるからである。すなわち、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上部１３ａにおけるＡｌ含有比ｘをｘ≧０.６５とすることにより、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上部１３ａを表面層として機能させ、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の下部１３ｂを電子輸送層として機能させることができる。
【００７２】
例えば、本実施形態としては、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３のＡｌ含有比ｘを電子供給層側から連続的に変化させてＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎの組成に達した時点でエピタキシャル成長を止めて得られる構造も適用できるし、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ｎの組成に達してから、さらに同じ組成で数ｎｍ程度の厚さのＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ層をエピタキシャル成長させて得られる構造であっても良い。
【００７３】
さらに、既に説明したように、表面層の電子親和力が必ずしも負に達していなくても、伝導帯に分布する電子の相当量の部分が、真空準位よりも高いエネルギ−レベルを持つような電子親和力値を持つ組成になっていればよい。つまり、真のＮＥＡ材料により構成されていなくても、実質的にＮＥＡ状態が実現されるような材料により構成されていればよい。
【００７４】
そして、表面層として機能するＡｌxＧａ1-xＮ層の上部１３ａの上には、フィルタ層１５及び電極層１６が設けられている。このフィルタ層１５並びに電極層１６に用いる材質及びその構成は、上記各実施形態で用いたものと同じにすることができる。
【００７５】
上記各実施形態と同様に、本構成のＮＥＡ電子デバイスに対して順方向バイアス(電極層１６に正電圧)を印加することによって、ｎ−ＧａＮ層１２(電子供給層)から供給される電子を制御性良く、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の下部１３ｂ（電子輸送層）内を移動させて、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上部１３ａ（表面層）から外部に効率よく放出させることができる。
【００７６】
−第４の実施形態−
上記第３の実施形態においては、ＮＥＡ状態であるＡｌxＧａ1-xＮ層(０.６５≦ｘ＜１)の上部を表面層としているが、図１２に示すＡｌxＧａ1-xＮ層の上部１３ａの上に直接ＡｌＮ層のようなＮＥＡ材料を堆積しても良い（図示は省略する）。この構成の場合、図８に示す電子デバイスの伝導帯にエネルギ−障壁が存在する構造と捉えることもできるし、図６に示す電子デバイスにＡｌＮからなるフィルタ層を設けた構造と捉えることもできる。いずれの場合においても上記各実施形態と同様に、効率的に電子を真空中に取り出すことができる。
【００７７】
−第５の実施形態−
図１３は、本発明の第５の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。本実施形態においては、上記第１の実施形態の電子デバイスの構造に加えて、ｎ−ＧａＮ層１２とＡｌxＧａ1-xＮ層１３との境界付近に配置された埋込絶縁層２２（あるいは、埋込ｐ型層）を備えている。本実施形態では、ｎ−ＧａＮ層１２／ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の境界付近に設けられた埋込絶縁層２２によって電子輸送層であるＡｌxＧａ1-xＮ層１３を移動する電子流を狭窄して、表面電極である電極層１６に到達する電子密度を高めるものである。例えば、開口径がφ５μｍの埋込絶縁層２２を挿入した場合には、電子流の集中効果により、２×１０3（Ａ／ｃｍ2）程度の電流密度が得られた。
【００７８】
なお、本実施形態においても、電極層１６は電子放出部として機能するので、電子の放出効率を高めるため、できる限り薄いことが好ましい。
【００７９】
また、埋込絶縁層２２（又は埋込ｐ型層）は、プロセスの容易性を考慮すると、本実施形態のごとく、図１３に示す位置に設けられていることが好ましいが、場合によっては、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３内やｎ−ＧａＮ層１２内に同様の機能を有する部材が設けられていてもよい。
【００８０】
さらに、上記第１の実施形態の変形例や、第２〜第４の実施形態の電子デバイスにおいても、本実施形態の埋込絶縁層２２（あるいは、埋込ｐ型層）と同様の埋め込み絶縁層又は埋込ｐ型層を設けることにより、本実施形態と同じ効果を発揮することができる。
【００８１】
−第６の実施形態−
本実施形態においては、上記のＮＥＡ電子デバイスを用いて作製したトランジスタ動作可能な電子デバイスの例について説明する。
【００８２】
図１４は、第６の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。本実施形態の電子デバイス（真空トランジスタ）は、第１の実施形態（図９に示すＮＥＡ電子デバイス）に類似した構造を利用している。図１４に示すように、本実施形態の電子デバイスは、サファイア基板５１と、サファイア基板５１の上に設けられた電子供給層として機能するｎ−ＧａＮ層５２と、ｎ−ＧａＮ層５２の上に設けられ、組成がほぼ連続的に変化する，電子輸送層として機能するＡｌxＧａ1-xＮ層５３と、ＡｌxＧａ1-xＮ層５３の上に設けられ、表面層として機能するＡｌＮ層５４と、ＡｌＮ層５４の上に設けられ、フィルタ層として機能するＡｌ2Ｏ3層５５と、Ａｌ2Ｏ3層５５の上に設けられた電極層５６と、ｎ−ＧａＮ層５２上に設けられたオーミック電極５７と、電極層５６の上方に開口部を有する絶縁体層５８と、電極層５６と電気的に接続される引出電極５９と、収集電極６０とから構成されている。
【００８３】
以上の構造は、上記第１の実施形態において説明したＮＥＡ電子デバイスにおける絶縁体層５８を上方まで延ばし、収集電極６０と接続することで、電子６２が走行する電子走行室６１を密封したものである。ここで、電極層５６、絶縁体層５８および収集電極６０により囲まれる電子走行室６１は、内径が約５０μｍで、圧力が約１０-5Ｔorr（約１.３３ｍＰａ）程度の減圧状態となっている。
【００８４】
本実施形態の電子デバイス（真空トランジスタ）は、電極層５６とオーミック電極５７の間に印加された信号に対応して放出される電子６２を、減圧された電子走行室６１で加速して、収集電極６０で受けるものであり、電子走行領域を真空としているため、絶縁性が高く、内部損失が小さく、温度依存性も小さい増幅素子又はスィッチング素子として機能する。
【００８５】
なお、本実施形態の電子デバイスは、第１の実施形態に類似したＮＥＡ電子デバイスの構造を利用したが、これに限定されるものではなく、上記第１の実施形態の変形例や、第２〜第５の実施形態のうちいずれかの実施形態で説明したＮＥＡ電子デバイスを利用しても、同じ効果を発揮することができる。
【００８６】
−第７の実施形態−
次に、上記第６の実施形態の変形例ともいえる第７の実施形態における電子デバイスについて説明する。
【００８７】
図１５は、本実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。本実施形態においては、ＮＥＡ電子デバイスを密閉容器内に収納した構造を有している。
【００８８】
図１５に示すように、本実施形態の電子デバイスは、上記第６の実施形態における図１４に示す構造とほぼ同様の構造に加えて、密閉用キャップ６３と、キャップ６３及びＮＥＡ電子デバイスを取り付けるための治具６４と、オ−ミック電極５７、電極層５６、収集電極６０と電気的に接続される端子６５〜６７とを備えている。ただし、本実施形態においては、電子走行室６１は絶縁体層５８、収集電極６０などによって密閉されているわけではなく、絶縁体層５８がブリッジ状に形成されている。本実施形態においては、密閉部材がキャップ６３及び治具６４によって構成され、内部の電子走行室６１が約１０-5Ｔorr（約１.３３ｍＰａ）以下の高真空に保たれている。
【００８９】
本実施形態によっても、上記第６の実施形態と同様の効果を発揮することができる。特に、本実施形態においては、電子走行室６１の真空度(減圧度)を１０-5Ｔorr（約１.３３ｍＰａ）以下にすることが容易であるという利点がある。
【００９０】
−第８の実施形態−
本実施形態においても、上記のＮＥＡ電子デバイスを用いて作製したトランジスタ動作可能な電子デバイスの例について説明する。
【００９１】
図１６は、第８の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。本実施形態の電子デバイスは、第１の実施形態（図９に示すＮＥＡ電子デバイス）に類似した構造を利用している。図１６に示すように、本実施形態の電子デバイスは、サファイア基板５１と、サファイア基板５１の上に設けられた電子供給層として機能するｎ−ＧａＮ層５２と、ｎ−ＧａＮ層５２の上に設けられ、組成がほぼ連続的に変化する，電子輸送層として機能するＡｌxＧａ1-xＮ層５３と、ＡｌxＧａ1-xＮ層５３の上に設けられ、表面層として機能するＡｌＮ層５４と、ＡｌＮ層５４の上に設けられ、フィルタ層として機能するＡｌ2Ｏ3層５５と、Ａｌ2Ｏ3層５５の上に設けられた電極層５６と、電極層５６と電気的に接続される引出電極５９と、ｎ−ＧａＮ層５２上に設けられたオ−ミック電極５７と、電極層５６及び引出電極５９を覆うシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）からなる絶縁体層７０と、絶縁体層７０の上に設けられた収集電極６０とから構成されている。また、オーミック電極５７と引出電極５９との間に交流電圧を印加するための交流電源６８と、引出電極５９と収集電極６０との間に直流のバイアスを印加するための直流電源６９とが設けられている。
【００９２】
以上の構造は、上記第７の実施形態における電子走行室６１を絶縁体層７０によって埋めた構造と捉えることができる。
【００９３】
本実施形態の電子デバイスは、電極層５６とオ−ミック電極５７の間に印加された信号に対応して絶縁体層７０に注入される電子６２を加速して、収集電極６０で受けるものであり、絶縁性が高く、内部損失が小さく、温度依存性も小さい増幅素子又はスイッチング素子として機能する。
【００９４】
図１７（ａ），（ｂ）は、本実施形態の電子デバイスの各部、つまり、ｎ−ＧａＮ層５２、ＡｌxＧａ1-xＮ層５３、ＡｌＮ層５４、Ａｌ2Ｏ3層５５、電極層５６、絶縁体層７０及び収集電極６０の電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。図１７（ａ）に示すように、本実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの部分におけるバンド構造は、図６に示すバンド構造と同じである。そして、本実施形態においては、Ａｌ2Ｏ3層５５の電子親和力はＡｌＮ層５４の電子親和力よりも所定値Δχ1だけ大きく、絶縁体層７０の電子親和力はＡｌＮ層５４の電子親和力よりも所定値Δχ2だけ大きい。
【００９５】
そして、このような構造に順バイアス（表面電極側に正電圧）を印加すると、図１７（ｂ）に示すようにエネルギーバンドが曲がる。図６（ｂ）において説明したと同様の作用により、リーク電流のみが抑制され、電極層５６とｎ−ＧａＮ層５２（あるいはオーミック電極５１）との間に印加される正の電圧に応じてＡｌＮ層５４から有効に電子が放出される。また、収集電極６０と電極層５６十に印加される電圧に応じて、絶縁体層７０のバンドが曲げられるので、絶縁体層７０の伝導帯端の上方を電子が走行して、収集電極６０に集められることになる。よって、真空トランジスタと同様に、特性の良好なスイッチング素子として機能することになる。
【００９６】
なお、本実施形態の電子デバイスは、第１の実施形態に類似したＮＥＡ電子デバイスの構造を利用したが、これに限定されるものではなく、上記第１の実施形態の変形例や、第２〜第５の実施形態のうちいずれかの実施形態で説明したＮＥＡ電子デバイスを利用しても、同じ効果を発揮することができる。
【００９７】
−その他の実施形態−
上記第１〜第８の実施形態における構造において、様々な構成例を示したが、それらの構成を複合化したような構造を用いることで、それぞれの効果を兼ね備えることも可能である。
【００９８】
また、上記各実施形態において、基板はサファイアを用いたため、エッチングによって表面からオーミック電極を設けたが、ＳｉＣなどの導電性基板を用いた場合、裏面よりオーミック電極を形成することができるので、より簡便な構成／プロセスとすることができる。
【００９９】
また、上記各実施形態においては、表面層をＡｌＮまたはＡｌxＧａ1-xＮにより構成したが、それ以外のＮＥＡ材料であるダイヤモンド等によって表面層を構成しても良い。
【０１００】
上記第１〜第８の実施形態におけるＡｌxＧａ1-xＮ層内にｎ型不純物をド−プして、ｎ型半導体として機能させても良い。
【０１０１】
上記第１〜第８の実施形態における電子放出部（表面層）は、１つの素子に複数個設けられていても良い。
【０１０２】
上記ＡｌxＧａ1-xＮ層を利用した実施形態においては、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ含有比ｘが連続的に変化する構造としたが、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ含有比ｘが、例えば階段状に変化するものがあってもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明の電子デバイスによれば、負の電子親和力又は負に近い電子親和力を有する材料により表面層を構成すると共に、電子供給層から表面層に電子をスム−ズに移動させるための電子輸送層とを設け、さらに、表面層の上にリーク電流に対する障壁となるフィルタ層とを設けたので、リーク電流を抑制して、真空準位に近いエネルギーレベルの電子の放出による放出効率の高い電子デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＮＥＡ材料の例として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた従来のＮＥＡ電子デバイスの構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、電子親和力の値が負及び正である半導体材料のエネルギー状態をそれぞれ表すエネルギーバンド図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、従来の電子デバイスの電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。
【図４】本発明のＮＥＡ電子デバイスの基本構成を示す斜視図である。
【図５】ＡｌxＧａ1-xＮ系半導体材料の電子親和力の測定データを示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、本発明の基本構成における電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。
【図７】ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のバンドギャップのＡｌ含有比依存性を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、電子輸送層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦ｙ、かつｙ＜１）を適用したＮＥＡ電子デバイスの平衡状態と順バイアス印加時におけるエネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態におけるＮＥＡ電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１６】本発明の第８の実施形態における電子デバイスの構造を示す断面図である。
【図１７】（ａ），（ｂ）は、第８の実施形態の電子デバイスの電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１    オーミック電極
２    電子供給層
３    電子輸送層
４    表面層
５    フィルタ層
６    電極層
１１  サファイア基板
１２  電子供給層
１３  電子輸送層
１４  表面層
１５  フィルタ層
１６  表面電極
１７  オ−ミック電極
１８  絶縁体層
１９  引出電極
２０  アノ−ド電極
２１  電子
２２  埋込絶縁層
５１  サファイア基板
５２  ｎ−ＧａＮ層(電子供給層)
５３  ＡｌxＧａ1-xＮ層(電子輸送層)
５４  ＡｌＮ層(表面層)
５５  Ａｌ2Ｏ3層(フィルタ層)
５６  電極層
５７  オ−ミック電極
５８  絶縁体層
５９  引出電極
６０  収集電極
６１  電子走行室
６２  電子
６３  キャップ
６４  ジグ
６５〜６７  端子
６８  交流電源
６９  直流電源
【図１】
0003758955.tif 000002
【図２】
0003758955.tif 000003
【図３】
0003758955.tif 000004
【図４】
0003758955.tif 000005
【図５】
0003758955.tif 000006
【図６】
0003758955.tif 000007
【図７】
0003758955.tif 000008
【図８】
0003758955.tif 000009
【図９】
0003758955.tif 000010
【図１０】
0003758955.tif 000011
【図１１】
0003758955.tif 000012
【図１２】
0003758955.tif 000013
【図１３】
0003758955.tif 000014
【図１４】
0003758955.tif 000015
【図１５】
0003758955.tif 000016
【図１６】
0003758955.tif 000017
【図１７】
0003758955.tif 000018