(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型の領域（２１）を有する半導体基板（２０）と前記半導体基板の上側表面のダイアモンド層（２４）とを含む電子エミッタにおいて、前記ダイアモンド層（２４）がその上側表面に露出領域（２９）を有し、前記ダイアモンド層（２４）がｐ型ドーパント及びダイアモンド層（２４）の上側表面から離間して増大する勾配付きのドーパントプロファイルで露出領域（２９）より下方はドープされ、前記ｐ型のドープされた領域（２７）は、ｎ型の領域（２１）の上側表面から離間しているのでｎ型の領域（２１）からｐ型の領域（２７）を分離する絶縁領域（２８）を形成し、前記エミッタは前記半導体基板（２０）の下側表面に第１電気接点（２３）を有し、ダイアモンド層（２４）の上側表面に第２電気接点（２５）を有するので、電圧がエミッタに亘り印加され、その結果電子がｎ型領域（２１）から絶縁領域（２８）を介してｐ型の領域（２７）にトンネリングし、露出領域（２９）から電子が放射されるように構成したことを特徴とする電子エミッタ。
【請求項２】
前記半導体基板（２０）のｎ型領域（２１）の外側に酸素が注入されていることを特徴とす請求項１に記載の電子エミッタ。
【請求項３】
前記ｎ型の領域（２１）をリン、ひ素及びアンチモンを含むグループから選択した材料によりドープすることを特徴とする請求項１或いは２に記載の電子エモッタ。
【請求項４】
前記半導体基板（２０）の厚さをほぼ１５０μｍとすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子エミッタ。
【請求項５】
前記ダイアモンド層（２４）の厚さをほぼ１乃至２μｍとすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子エミッタ。
【請求項６】
前記ｐ型にドープされたダイアモンド層（２４）がイオンの移植により生ぜじめられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子エミッタ。
【請求項７】
前記イオン注入をボロンイオンにより行うことを特徴とする請求項６に記載の電子エミッタ。
【請求項８】
前記絶縁領域（２８）の厚さをほぼ０．１μｍとしたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子エミッタ。
【請求項９】
ｎ型の領域（２１）を有する半導体基板（２０）と前記半導体基板（２０）の上側表面のダイアモンド層（２４）とを含む電子エミッタ及び減圧したイオン化可能なガスを含むデバイスにおいて、ダイアモンド層（２４）がその上側表面に露出領域（２９）を有し、前記ダイアモンド層（２４）がｐ型のドーパント及びダイアモンド層（２４）の上側表面から離間して増大する勾配付きのドーパントプロファイルで露出領域（２９）より下方はドープされ、前記ｐ型のドープされた領域（２７）は、ｎ型の領域（２１）の上側表面から離間しているのでｎ型の領域（２１）からｐ型の領域（２７）を分離する絶縁領域を形成し、前記エミッタは前記半導体基板（２０）の下側表面に第１電気接点（２３）を有し、ダイアモンド層（２４）の上側表面に第２電気接点を有するので、電圧がエミッタに亘り印加され、その結果電子がｎ型の領域（２１）から絶縁領域（２８）を介してｐ型の領域（２７）にトンネリングし、露出領域（２９）から電子が放射され、その結果ガスがイオン化するように構成し、
前記露出領域（２９）から離間した発光性の層（５）を含み、前記発光層（５）がガスのイオン化により生じた放射によって発光するように形成したことを特徴とするデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｎ型の領域及び基板の上側表面上にダイアモンドの層を有する半導体基板を含む種類の電子エミッタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子エミッタは、例えばコールドカソード或いは他のランプ或いはディスプレイのような種々デバイスに使用されている。電子エミッタは英国特許明細書第２２９７８６２号に記載されているように、発光層を直接の衝撃か或いはガスのイオン化により放射を生じる。
【０００３】
電子エミッタの１つの形体では、例えばｐ型の接続がボロンのような適当にドープされたダイアモンドにより形成されるｐ−ｎ異種接続を有する。電子放射ダイアモンド接続の実施例は、米国特許明細書第５４１０１６６号と米国特許明細書第５２０２５７１号の“Diamond Junction Cold Cathode ”by Brandes et al.,Daimond and Related Merials 4(1995)586-590; “Backward Diode Characteristics of p-Type Diamond/n-Type Silicon Hererojunction Diodes ”by Phetchakul et al,Jpn J Appl.Phys.Vol.35(1996)pp.4247-4252. 各々に記載されている。Ｐ−ｎ接続エミッタは、“Negative electron affinity devices”by R.L.Bell Clarendon Press 1973. に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、改良されたダイアモンドの電子エミッタを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様によれば、上述した種類の電子エミッタにおいて、前記ダイアモンド層がその上側表面に露出領域を有し、前記ダイアモンド層がｐ型ドーパント及びダイアモンド層の上側表面から離間して増大する勾配を有するドーパントプロファイルで露出領域より下方はドープされ、ｐ型のドープされた領域は、ｎ型の領域の上側表面から離間しているのでｎ型の領域からｐ型の領域を分離する絶縁領域を形成し、前記エミッタは基板の下側表面に第１電気接点を有し、ダイアモンド層の上側表面に第２電気接点を有するので、電圧がエミッタに亘り印加され、その結果電子がｎ型領域から絶縁領域を介してｐ型の領域にトンネリングし、露出領域から電子が放射されることを特徴とする。
【０００６】
半導体基板は、ｎ型の領域の外側で酸素を注入することができる。ｎ型の領域は、リン、ひ素及びアンチモンを含むグループから選択された材料によりドープすることができる。半導体基板の長さは約１５０μｍとすることができ、ダイアモンド層の厚さは約１乃至２μｍとすることができる。ｐ型にドーピングされたダイアモンド層はボロンイオンのようなものでイオン注入することにより生ぜしめるのが好適である。絶縁領域の厚さは約０．１μｍとすることができる。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、ｎ型の領域を有する半導体基板とこの基板の上側表面にダイアモンド層とを含む電子エミッタ及び減圧したイオン化可能なガスを含むデバイスにおいて、ダイアモンド層がその上側表面に露出領域を有し、前記ダイアモンド層がｐ型のドーパント及びダイアモンド層の上側表面から離間して増大する勾配を有するドーパントプロファイルで露出領域より下方ではドープされており、前記ｐ型のドープされた領域がｎ型の領域の上側表面から離間しているのでその結果ｎ型の領域からｐ型の領域を分離する絶縁領域を形成し、前記エミッタが基板の下側表面には第１電気接点を有し、ダイアモンド層の上側表面には第２電気接点を有するので、電圧がエミッタに亘り印加され、その結果電子がｎ型の領域から絶縁層を介してｐ型の領域へとトンネリングし、露出領域から電子が放射され、その結果ガスがイオン化することを特徴とする。このデバイスは、発光層がガスのイオン化により生じる放射により発光するように、露出領域から離間された発光層を好適に含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照することにより、ランプは、複数の電子エミッタデバイス２（１個のみを図示した）と透明な窓３とを含む外部シールユニット１を含む。ユニット１は、２５０乃至５００Torrの圧力下で、Ｘｅのような希ガスか、或いはＡｒ−Ｘｅ、Ｎｅ−Ｘｅ、Ｎｅ−Ａｒ−Ｘｅのようなガス混合体で満たされている。Ｘｅがガス放電中で励起される際には、１５７ｎｍの放射（即ちＶＵＶ範囲）を生じる。窓３は、インジウムと錫との酸化物の薄く透明な導電層４を有し、この層は、下側表面ではアノードを形成し、この頂上では、発光性の蛍光体の薄膜５を形成する。
【００１０】
電子エミッタ２は、領域２１中のｎ型にドープされたシリコンのような半導体の基板２０を有する。このドーパントは、例えばリン、ひ素或いはアンチモンとすることができる。他の領域２２では、シリコンに酸素が注入され、その結果シリコンの絶縁特性が改良され、ｎ型の領域２１との分離を維持する。典型的には、このシリコン基板２０の厚さを、約１５０μｍとする。基板２０の下側表面では、ｎ型の領域２１の下に、アルミニウムのような金属層により形成された電気接点２３が存在する。
【００１１】
表面２０の上側表面では、基板２０は、絶縁性のダイアモンド材料の層２４を有する。この層２４は化学気相堆積（ＣＶＤ）処理により形成されて約１乃至２μｍ以下の厚さを有することが好適である。チタンや金のような金属層の形態の電気接点２５を、層２４の上側表面に堆積させる。この接点２５は、直径が約２μｍの中央開口２６を有し、この開口はダイアモンド層２４の上側表面に開放されている。
【００１２】
絶縁スペース６は接点層２５上にあり、透明な窓３を支持する。
【００１３】
開口２６の下側のダイアモンド層２４の領域をドープしてｐ型の領域２７を形成する。このｐ型の領域２７の幅は、開口２６の幅よりも僅かに広いので、その結果、接点層２５はｐ型の領域の端部と重複する。このドーピングは、約８０keＶよりも低い低エネルギーの範囲でイオン注入（ボロンイオンを使用するような）により成される。これにより、ドーピングにより影響を受ける露出表面から離れた高ドーパント密度を有する勾配付きのドーパントプロファイルが生じる。この勾配を有するドーパントプロファイルは好適であるが、その理由は、このプロファイルにより、ｐ層の接点２５の下方でｐダイアモンドエネルギーバンドを容易に曲げ、従って接点に対してバリアの高さを確実に低下させることができるからである。又放射表面に向けてより効果的に電子を移送ことを促進させることもできる。勾配を有するドーピング技術の詳細は、“Graded electron affinity electron source”by Shaw et at.,J.Vac.Sci.Technol.B14(3),May/Jun 1996,pp 2072-2075.により開示されている。このドーピングは、ドーピング領域２７がダイアモンド層２４の全深度に亘って延在するのではなく、ドープされた領域とｎ型のシリコン領域２１の上側表面との間でドープされた領域の下方に約０．１μｍ以下の厚さで、薄いドープされていない層２８を残留するように制御されている。接点２５のピッチと露出したｐ型のダイアモンド２７の開口の有効な大きさとにより電流密度を制御する。ドープされた領域２７の露出した上側表面２９は、Ｈ2 プラズマにさらすことにより不活性化されるので、その結果表面は負の電子親和力（−χe ）を示す。
【００１４】
接点２３及び２５とアノード層４とは、ユニット１の外側の電源３０に接続される。電圧が印加されない場合には、ドープされていない絶縁層２８のキャリアコンセントレーションは低いものとなる。しかしながら、直流の順方向バイアスがシリコンとダイアモンド層２０及び２４との間のヘテロ接続間に印加される場合、即ちｐ型の接点２５がｎ型の接点２３に対して正である場合には、十分な電圧降下が層２８に生じる。層２８の厚さが薄いことにより、ｎ型のシリコン領域２１とｐ型のダイアモンド領域２７との間の絶縁境界面に亘って急激なポテンシャルの降下が得られる。
【００１５】
図２は、順方向にバイアスされた状況の下での伝導帯Ｅc と価電子帯Ｅv とを示したものである。絶縁層２８は、導電帯の垂直方向断面領域の２個の垂直方向点線間に示されている。層２８の右側のスロープは、勾配付きのドーピングによるものである。表面上の導電帯Ｅc は、ダイアモンドが正の仕事関数（＋χe ）を有する場合に適合する真空層Ｅvac よりは下方であるが、ダイアモンド表面に負の仕事関数（−χe ）を付与するように処理されている場合に適合する領域よりは上方に存在する。この急勾配のポテンシャルにより、エネルギーがフェルミレベルＥF に近いｎ型のシリコン領域２１のドナレベルからｐ型のダイアモンド２７の導電バンド付近の絶縁層２８を介してより効果的にトンネルできる。トンネルする電子のエネルギーは、Ｅvac を超えるので、電子は表面２９から放射される。ｐ型のダイアモンド２７の勾配付きのドーピングにより、ｐ型のダイアモンドに注入された少数キャリアである電子が接続構造を経て拡散し且つ真空／低圧ガスにトンネリングするキャリアから期待されるよりも高いエネルギーを有して表面２９でダイアモンド／真空境界面にほぼ直線的に移動することができる。この電子のほぼ直線的な移動は、“Monte Carlo study of hot electron and ballistic transport in diamond : Low electric filed region”by Cutler et al.,J.Vac.Sci.Technol.B14(3),May/Jun 1996 p 2020 に記載されている。
【００１６】
表面２９から放射されてアノード層４に引きつけられる電子は、僅かにイオン化されたプラズマの衝突によりユニット１のガスを励起する。この際に中性の原子は、ＶＵＶを放射するプラズマ粒子により励起される。このＶＵＶフォトンは、蛍光体層５に衝突し、その結果赤、緑及び青の各色のスペクトルのうち、可視波長で蛍光を発する。
【００１７】
本発明による電子エミッタは、ランプ内に使用する必要はないが、例えばディスプレイか或いは他の電子デバイスに使用することができることが理解される。
【図面の簡単な説明】
本発明による電子エミッタデバイスを含むランプは、添付した図面と共に実施例により説明する。
【図１】ランプの断面側面図である。
【図２】フォワードバイアス条件の下でランプに使用するエミッタのエネルギーバンドモデルである。
【符号の説明】
１  外部シールユニット
２  電子エミッタデバイス
３  透明な窓
４  透明な層
５  発光蛍光体の薄膜
６  絶縁スペース
２０  基板
２１  領域（蛍光体、ひ素或いはアンチモン）
２２  他の領域（ＳｉにＯ2 を注入したもの）
２３  電気接点（アルミニウム）
２４  絶縁性のダイアモンド材料の層
２５  電気接点（チタン或いは金）
２６  中央開口
２７  ｐ型のダイアモンド
２８  ドープされていない層
２９  露出領域
３０  電源
ＥVAC ( ＋χe )   正の電子親和力
ＥVAC ( −χe )   負の電子親和力
ＥC   導電帯
Ｅv   価電子帯
ＥF1  フェルミレベル１のエネルギー
ＥF2  フェルミレベル２のエネルギー
【図１】
0003857798.tif 000002
【図２】
0003857798.tif 000003