JPS60241626A - 電子流発生用半導体装置を具える表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はｐＯ接合の空乏層が半導体本体の表面に露出す
る半導体本体を有し、ｐｎ接合の両側に逆方向電圧を印
加してアバランシェ増倍作用により半導体本体内に電子
を発生させ、それらの電子を半導体本体表面から外部に
飛び出させる形式の陰極を具備する電子流発生用半導体
装置を具える表示装置に関するものである。

上述した形式の表示装置で使用される半導体装ばは英国
特許第１，３０３，６５９号明細書に開示されている。

それらは就中陰極線管（ＣＲＴ）に使用され、従来の熱
陰極にとって代わりつつある。従来の熱陰極では加熱に
より電子放出を行なっており、この加熱のために消費電
力が高いという欠点を抱えていた。この他にも従来の熱
陰極は熱電子放出が生ずる以前に成る程度の予熱時間を
必要とするため電源を投入しても直ちに動作させられな
いという欠点を抱えていた。更に、従来の熱陰極では長
時間に亘る使用中に陰極材料が蒸発してしまうため寿命
が限られるという欠点があった。

このため実用上厄介な加熱電源を必要とせず、またその
他の短所も持たない冷陰極をめて研究が進められてきた
。

その一つの解決方法は強い外部電界により点状の加熱さ
れない陰極から電子を引き出す所謂電界放出陰極にある
と考えられたこともある。しかしこのような電界放出陰
極は非常に高い外部電界を必要とし、その為電子が放出
される空間内で放電現象が発生するため陰極が損侮し易
く、これを回避して安定した電子放出を行なわせるには
１０乃至１００ナノパスカルという非常に高い真空度を
必要とするという欠点があり、その用途は自ずと非常に
狭いものとなるという短所がある。

もう一つの解決方法は半導体装置を使用するもので、ｎ
形半導体本体を非常に薄いｐ形表面層で被覆し、両者の
間に形成されるｐｎ接合に順方向バイアスをかけるとい
うものである。このようにすると電子が０形半導体本体
からｐ形表面層に注入され、しかもそのｐ形表面層の厚
さがこのｐ膨頭域内に於ける電子の拡散再結会長よりも
小さく、電子が十分大きなエネルギーを持っていれば、
電子はこのｐ形表面層を突き抜けて外部に飛びだすこと
ができるわけである。そしてこの電子の放出を助けるに
は普通表面を電子に対する仕事関数を下げ得る材料、例
えばセシウムを含有する材料で被覆する。

しかしこの装置にも問題があり、その一つは非常に薄く
するにしてもｐ形表面層内でやはり再結合がいくらかは
生じ、そのため放出電子流が小さくなることである。

また上述した電子に対する仕事関数を下げる材料から成
る被覆層が徐々に失なわれるため、この所謂「電子親和
力」陰極の寿命が限られてしまうという欠点がある。

この他に矢張り半導体本体からの電子放出を利用するが
、ｐｎ接合には逆方向バイアスをかけてアバランシェ増
倍作用を起こさせるという形式の陰極も存在する。本発
明に係る表示装置が具える半導体装置はこの形式の陰極
に関するものである。

この形式の陰極（半導体装置）も前記英国特許第１，３
０３，６５９号明細書に記載されている。それによれば
ｐｎ接合部に十分高い電圧を印加することによりアバラ
ンシェ増倍作用を発生させるものである。この時若干の
電子は電位障壁を乗り越えるに要する大きな運動エネル
ギーを獲得する可能性がある。するとそれらの電子は表
面から外部に飛び出し、電子流を形成することになる。

しかし、上記英国特許明細書が記載している陰極は半導
体材料として炭化シリコンを使用している。事実炭化シ
リコンを使って初めて断種半導体装Ｍ（陰極）の効率、
即ちｐｎ接合に流すアバランシェ電流に対する発生した
電子流の比が実用に耐えるものとなったのである。

本発明の目的は効率の点でこの英国特許明細書に記載さ
れた半導体装置（陰極）に優るだけでなく、斯かる陰極
材料としてシリコンも使用し得る半導体装置（陰極）を
具える表示装置を提供するにある。これはｐｎ接合近傍
の電界を工夫すればシリコン陰極でも高い効率が得られ
ることを確認し、この認識に基づいてなされたものであ
る。

この目的で本発明表示装置が具える半導体装置は半導体
本体の主表面上に電気絶縁層を設け、この電気絶縁層に
少なくとも１個の開口を設け、この開口内では少なくと
も動作時に於て前記ｐｎ接合に関連する空乏層の少なく
とも一部を表面に露出させ且つこの空乏層が表面に露出
している部分の近傍に位置する前記開口の縁迄前記絶縁
層上に少なくとも１個の加速電極を設けたことを特徴ど
するものである。

実験によればこのように炭化シリコン以外の材料、例え
ばシリコンを使用しても半導体装置（陰極）の効率が大
いに改善され、実用に耐えるものが得られることが判明
した。而してこのような本発明に係る表示装置が具える
半導体装置（陰極）は、一方ではシリコンで普及してい
る既知の集積回路製造技術を使って製造し得ると共に、
他方では何の技術的不利益を伴なわずに陰極の製造を集
積回路として構成できるという長所をもたらすものであ
る。もう一つの利点は本発明に係る表示装置が具える半
導体装置によれば加速電極に印加する電圧を変えること
により電子放出を変調できることであり、これによれば
逆電流により電子放出を変調する方法とは対照的に電力
消費が小さくて済む。加うるに加速電極を２乃至それ以
上の部分に分割し、それらに異なる電位を与えるように
すれば電子ビームを偏向させることもできる。

このように効率が向上する理由は次の通りである。即ち
、何よりも加速電極により表面部に高電界が生じ、これ
によるショットキー効果のため仕事関数が低下すること
である。加うるに空間電荷もできない。

最後に従来の装置に比較して本発明表示装置が具える半
導体装置では電子通路も一層明確に画成されることに注
意されたい。前記英国特許第１．３０３，６５９号明細
書に記載された装置ではｐｎ接合が半導体本体の主表面
と交わっているが、よく考えてみるとこのような半導体
装置は実際には陰極として陰極線管その他の放電装置に
組み込まれ、この陰極が他の電極、例えば陽極や制御格
子と共に電極系を形成し、その一部となり、動作状態に
於てこれらの陽極等により電子が運び去られるから、半
導体本体の主表面に垂直な方向に電子を飛び出させる必
要がある。そのためには電界が電子に対して上記主表面
と垂直な方向に作用する成分だけを有するのが望ましい
。

なお以上の説明中「主」表面という言葉を使用したが、
これはこのような半導体装置の「主」表面に凹所を設け
てｐｎ接合をその凹所の壁面や底面で終端させることが
考えられ、その場合にはこれらの凹所の壁面や底面も前
述した空乏層が露出し、電子放出が行なわれる表面とし
ての機能を果たすからである。

しかし、前述したようにｐｎ接合が主表面で終端するよ
うになっていると、このｐｎ接合にかかり、アバランシ
ェ増倍作用により電子を放出さゼる電界の方向はこの主
表面に平行な方向、即ち上記ｐｎ接合に垂直な方向とい
うことになり、放出電子は主表面に平行な方向、即ち前
述した好適な方向とは垂直な方向に速度成分を有するこ
とになる。これは殊に電子ビームを細くする上で不利益
である。

これに対し本発明によれば加速電極に十分高い電圧を印
加することにより電子（放出時に臨界運動エネルギーし
か持っていないものを含む）はこの加速電極の方向に加
速されるのであって、所望通りの方向とは垂直な方向の
速度成分は所望通りの方向の速度成分に対して相対的に
小さくなる。

ところＣ実はｐｎ接合はこのように主表面で終端するこ
とは必ずしも必要ないのであって、例えば凹所の壁面で
終端させてもよいのである。こうすればｐｎ接合にかか
る電界自体既に所望通りの方向になる。このような構造
にした上で更に加速電極を設ければ効率も著しく向上す
る。その理由を説明すれば、ｐｎ接合近傍に空間電荷が
形成されると、これによりこの陰極から出る電子流に上
限が課されて効率が上がらないのであるが、本発明表示
装置が具える半導体装置（陰極）の前面には高電界がか
かり、電子をどんどん運び去ってしまうからである。ま
た本発明表示装置が具える半導体装置（陰極）では、シ
ョットキー効果により仕事関数も低下する。更に実はｐ
ｎ接合は凹所の壁面、広く云えば前述したような表面で
終端する必要は全くないのであって、ｐｎ接合に付随す
る空乏層さえ表面に露出すれば足りることも判明してい
る。蓋し、一般にはｐｎ接合が高ドープ領域と低ドープ
領域との分離用境界を成すと云われているが、そのよう
な境界としての癲能を果たすのは実は空乏層だからであ
る。

本発明表示装置には種々のものがある。その−つはこの
ような半導体陰極から到来する電子流で螢光スクリーン
を光らせるようにした表示管である。

電子リトグラフ−ｒ　（ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｌｉｔｈｏ
ｇｒａｐｈｙ　）の分野ではこのような陰極を多数設け
た集積回路陰極を使って所望通りのパターンをその上に
描かせ、このパターン通りに電子ビームを発射させ、−
個又は複数個の電子レンズを通過させた後に例えばフォ
トレジストに電子ご一部を当て、陰極パターンと相似形
のパターンを７オトレジスト上に描かせることができる
。斯かる装置は集積回路の製造や印刷配線板の微小な配
線に当って便利である。

図面につき本発明の詳細な説明する。

図面は略図であって寸法通りではない。殊に図面を簡単
にするため厚さ方向の寸法は断面図内で非常に誇張して
描かれている。同−導電形の半導体領域には大概同一方
向のハツチングを付した。

また各図面を通じて対応する部分には同一符号を付した
。

第１図に示す半導体装置は電子流を発生するように設計
されており、半導体本体１（本例ではシリコン）は陰極
として機能する。第１図の■−■線、ｍ−ｍ線及びＴＶ
−ＴＶ線に沿って切った断面を略式図示したのが夫々第
２．第３及び第４図である。本例では半導体本体１は０
形基体２を具えるが、そのｎ形基体２内にｐ影領域３を
設ける。その結果ｐｎ接合４が形成されるが、このｐｎ
接合４は表面５で終端し、ｇｎ接合４に付随する空乏層
１７も表面５で終端する。このｐｎ接合４の両側に逆方
向電圧を印加すると、アバランシェ増倍作用で自由電子
が発生し、半導体本体１から飛び出す。

しかし従来の技術水準では断種装置の効率は著しく低く
、殊に半導体材料としてシリコンを使用する場合にそう
であって実用的な装置を作るということは問題外であっ
た。この点は炭化シリコンを使用すると緩和されるが、
これは技術的に不利である。蓋し、炭化シリコンを使用
する場合は集積回路化が困難であるからである。

本発明によれば表面５に電気的絶縁層６、例えばシリコ
ン酸化物層を設け、その絶縁層６に少なくとも１個の開
ロアを設ける。この開ロア内ではｐｎ接合４が少なくと
も一部露出する。更に、絶縁層６上に開ロアの縁迄、即
ちできるだけｐｎ接合４に接近するように加速電極８（
本例では多結晶シリコン）を設ける。

更に半導体本体１に接続用電極９及び１０を設け、夫々
コンタクト窓１１及び１２を介してｎ形基体２とｐ膨頭
Ｖｉ３に接続する。なおｎ形基体２との接続に際しては
高ドープｎ形接点領域１８を介して行なうのが良い。

電極１０が電極９に対して負になるような電圧を前記両
接続用電極９及び１０に印加すると、ｐｎ接合４には逆
バイアスがかかる。その結果このｐｎ接合４の両側に空
乏層１７、即ち移動可能な電荷キャリヤが殆んど存在し
ない領域が形成される。この空乏層１７の外側は簡単に
導電領域になりうるから、前記印加電圧は殆んど全て前
記空乏層１７にかかる。

そうするとこの電圧に伴なう電界は非常に高くなるから
、アバランシェ増倍作用が発生する。すると空乏層１７
内で電子が解放されて電子・正孔対が発生すると共に、
その電子はそこに存在する電界によって加速されてシリ
コン原子に衝突する。その結果また電子・正孔対が発生
づると共に、今度はその電子が電界によって加速される
。而してこのようにして解放された多数の電子が持って
いるエネルギーはそれらの電子が半導体本体１から外部
へ飛び出すに足る大きな値となりうる。その結果電子流
ができるが、第２図ではこの電子流を矢印１４によって
略式図示している。なお、本発明に係る表示装置が具え
る半導体装置では、絶縁！！１６上に開ロアの縁ぎりぎ
り迄存在する加速Ｉｆ極８に、半導体本体１に対して正
となるような電圧を印加することにより、飛び出した電
子を表面５に対して略々垂直な方向に加速する。なおこ
のような加速Ｎ極８による加速は加速そのものとしては
普通は付加的なものである。蓋し、このような半導体装
置（陰極）は実際の場ではもつと大きな表示装置の一部
として使用されるのであって、そこには若干距離がある
にせよ、正電圧がかかっている陽極やその他の電極、例
えば制御格子が既に存在しているからである。しかし本
発明によれば加速電極８により他の点で優れた利点が得
られるのであって、それはこの加速電極８に印加する電
圧を変えることにより電子梳を変調できることである。

勿論この代りにｐｎ接合を流れる電流を変調することも
できる。

本例では半導体本体１をシリコン材料によって形成した
が、このようにシリコンを使用すると既知の集積回路製
造技術で以って半導体装置を造ることができるという利
点が得られる。そして加速Ｗ極８を設けたことにより、
上述したようにシリコンを使ってもなお上記形式の半導
体陰極として実用化し得るに足る効率が得られるのであ
る。

本例では、絶縁層６をシリコン酸化物で造ると共に、加
速電極８並びに接続用電極９及び１０は不純物をドープ
した多結晶シリコン（ポリシリコン）で造る。しかし、
絶縁層６をこれ以外の材料、例えば窒化シリコン−シリ
コン酸化物の二重層で造っても良く、また電極８，９及
び１０を半導体技術のメタライげイションの分野で普通
に使われる上記以外の材料、例えばアルミニウムで造つ
Ｃも良い。

本例ではｐ影領域３のアクしブタ濃度は例えば１０１９
原子／ｄとし、他方ｎ影領域２のドナー濃度はこれより
もずっと低く、例えば１０　原子／ｄとする。そして低
ドープ領域即ち本例ではｎ影領域２の一部である表面層
１３（詳しく云えば本例では開ロア内でｐｎ接合４に隣
接する区域）だけｎ形不純物濃度を殊更高くする。而し
てこの高ドーピングの結果ｐｎ接合４に隣接する上記表
面層１３内ではこの表面層以外のｎ影領域２に於けるよ
りも空乏層１７の幅が一層狭くなる。その結果この表面
層１３部では、所定のｐｎ接合逆バイアス電圧に対して
、ｐｎ接合４に沿うその他の部分に於けるよりも電界強
度が一層高いことになる。従ってアバランシェ増倍作用
もこの表面層１３で最も発生し易いことになる。更に加
速電極８に電圧をかける結果、電子放出に対する電位障
壁が下がる（ショットキー効果）だけでなく、空乏層１
７の幅も一層狭くなる。

斯くしてアバランシェ増倍作用は同じｐｎ接合でも主と
して開ロアに面する部分で行なわれることになる。

本例では加速電極８は絶縁層６上に位置する導電層であ
って、絶縁層の開口部７上ではこれも窓を形成しＣいる
。このような構造にすると製造と設計１優れたものとな
る。

本例では開ロアは幅狭の間隙の形態をしており、その幅
は絶縁層６の厚さと同一オーダーの程度である。例えば
、間隙の幅は２μｍであり、絶縁層６の厚さは１μｍで
ある。寸法をこのように選び、加速電極８を開ロアの極
く近傍造設け、しかも加速電極８がこの間ロアをぐるり
と取り囲むようにすると、上記間隙の上に等電位面が表
面５と平行に得られる。これは前述したように表面５に
対して垂直方向に電子を加速する上で有利である。而し
てこのように寸法を小さくしたことにより製造Ｔ稈でア
ライメント問題が発生するのを回避づる目的で本例では
ｐｎ接合４が間隙に対して垂直に露出するようにする。

半導体表面５のｐｎ接合４の部分を仕事関数を下げる材
料、例えばバリウム又はセシウムを含有する材料で被覆
すると電子放出を更に大きくすることができる。

なおこの第１図に示した半導体装置は次のようにして製
造できる（第５〜８図）。

出発材料は１導電形の半導体本体１、例えばｎ形シリコ
ン基体２（比抵抗は本例では約０，００１Ω・ｌとする
。）上に比抵抗的６Ω・ｌ、厚さ約１０μｍのエピタキ
シャル層を成長させたものとする。こうして造られた半
導体本体１の全体の厚さは約２５０μｌである。明らか
に１個の半導体薄片上に同時に多数の半導体装置（陰極
）を形成できる。表面５にマスク層１９、例えばシリコ
ン酸化物層を既知の方法で例えば熱成長により設ける（
第５図参照）。

次に上記マスク層１９にホトリトグラフィ法で窓２０を
画成し、次のドーピングエ稈に具える。そしてドーピン
グにより半導体本体１内に第２の導電形の領域３を設け
る。その際できるｐＯ接合４は半導体表面５で終端させ
る。なおｐ膨頭［３を設けるに当っては拡散法又はイオ
ン注入法で既知の態様で形成する。ｐ形不純物の拡散は
約２μｌの深さ連行なう。そのためにはイオン注入法で
ｐ影領域３を形成する場合ならば、例えばホウ素原子を
３０ＫｅＶのエネルギーでシリコンに打込み、ドーズ量
を１０１′原子／＋ｊとする。その後で深さ２μｍ迄外
方拡散させる。この際酸化物をマスクとして使用する。

こうすると第６図に示すような半導体装置が得られる。

なお上記ｐ形不純物のドーピングに先立って又はその後
で上述したのと同じ態様で０形接点領域１８を設ける。

更にマスク層１９を取除いた後で表面５に例えばシリコ
ン酸化物の熱成長又は気相蒸着により絶縁層６を設ける
。この絶縁層６の後はど接続用電極９及び１０のコンタ
クト区域となるべき位置に、コンタクト窓１１及び１２
を設け、次に残りの絶縁層６上に例えば多結晶シリコン
から成る導電層２１を設ける（第７図参照）。

次にｐｎ接合４の終端部近傍に当る多結晶シリコン層２
１と絶縁層６に開ロアを設ける。それは第１に例えばプ
ラズマエツチングにより多結晶シリコンを局所的にエツ
チングし、次にこれにより露出したシリコン酸化物層６
を例えばフッ化水素酸を含有するエッチャント又はプラ
ズマエツチングによりエッチし去る。

次に開ロア内の表面層１３のドーピング濃度をイオン注
入法で高くする。この場合多結晶シリコン層２１がマス
クとして働らき、それと同時にこの多結晶シリコン層２
１自体もドーピングされる。このイオン注入はエネルギ
ー２５ＫｅＶ、ドーズｆｆ１２Ｘ１０１３原子／Ｃぜで
ヒ素イオンを打込むことにより行なう。その後でアニー
リング処理を施づ。こうすると第８図に示すような構造
のものが得られる。

最後にホトリトグラフィ法で多結晶シリコン層２１を所
望通りのパターンに残して第２図に示す半導体装置にす
る。次に通常の方法でこれを洗浄し、コンタクトを付け
て製品が完成する。その前に多結晶シリコンをメタライ
ゼイションするか否かは自由である。

本弁明に於てはｐＯ接合４に付随する空乏層１７を前記
表面５で露出させれば十分である。このようにして出来
た本発明表示装置が具える半導体装置の一実施例を示し
たのが第９〜１１図であり、第９図が平面図、第１０及
び１１図が夫々そのＸ−Ｘ線、ＸＩ−ＸＩ線で切った断
面図である。

本実施例では半導体装置は半導体本体１を具え、半導体
本体１がｐ形基体３を有し、その上にｎ形エピタキシャ
ル随２がのっている。而して前述したようにｐ影領域３
はｎ影領域２よりも高ドープされているから（例えば前
者は１０１９原子／ｄ、後者は約１０１４原子／ｄ）、
空乏層１７は主としてｎ膨頭ｂＡ２内に拡がる。このｎ
影領域２内であってしかも上述したように空乏層１１が
存在する領域内に底面１６がくるような深さまで主表面
１５から凹所な掘り下げる。更に半導体主表面１５上に
電気絶縁層６を設け、この電気絶縁層６上に開ロアを取
り囲むように加速電極８を設ける。コンタクト窓１１及
び接点領域１８を介して接続用電極９をｎ影領域２に接
続する。本例ではｐ影領域３の電気接続は下側のコンタ
クト層（１０）を介して行なっているが、所望によりそ
の代りに上側に深い接点領域を設けて外部との電気的接
続を行なうようにしてもよい。

この第１０図に示す半導体装置の製造プロセスは本質的
には第２図に示す半導体装置と同じである（第１２〜１
５図）。電気接続のために絶縁層６にコンタクト窓を画
成した接（なあこのコンタクト窓はｎ形接点領域１８用
のものであるが、若しあるならばｐ形接点領域用のもの
も含める）、組立体を例えばアルミニウムの導電層２１
で被覆する（第１２図）。次にここに既知の方法でパタ
ーニングし、所望通りのパターンの接続用電極９と加速
Ｎ極８とを設ける（第１３図）。開ロアの区域の絶縁層
６を加速電極８をマスクとしてエッチしく第１４図）、
その後で所望通りの深さ迄シリコンをエッチし去る。そ
の際同一マスクを使用してもよいが、加速電極８が開ロ
アを充分に取り囲んでおらず、従って補助マスクを必要
とする場合は、絶縁層６をこの補助マスクとして使用す
る（第１５図）。最後に下側コンタクト層（１０）を設
けると第１０図に示す構造のものが得られる。出発面が
（１００）面の場合は、このエツチングは異方性的に行
なうことができ、その場合は結晶面に沿った形の凹所が
得られる（第１６図）。

用途によっては開ロアの形状を全く異なるものとするこ
とかぐきる。第１１図はその一例の平面図であって、第
１８図は第１７図のｘｖｍ−ｘｖｍ線に沿って切った断
面図である。この場合は略々正方形状の電子放出が行な
われる。符号は第１〜４図の符号と同じものを指す。図
面が略図であるため明瞭ではないが、１側で電気接続用
の部分が占める線分はこの側の全長に比較して非常に短
かいのであつ−Ｃ１このような形状にしても実用上不利
にはならないのである。本例では加速電極８は二部８ａ
及び８ｂに分かれており、所望により両者に貸なる電圧
を印加して正方形状に飛び出す電子ビームを成る範囲内
で歪ませたり、偏向させたり、或はそれらの両方を行な
い、所望通りに略々一点に収束させることができる。勿
論、電子放出のパターンは正方形の代りに円形その他の
形状にすることも可能である。

第１９〜２１図は本発明表示装置がｑえる半導体陰極の
もう一つの実施例の図Ｃあり、第１９図が平面図、第２
０及び２１図が夫々第１９図のｘｘ−ｘＸ線及びＸＸＩ
−ＸＸＩ線に沿って切った断面図である。

本例では主表面１５に凹所を形成し、この凹所の壁面５
でｐｎ接合４が終端する。本例では半導体本体１がｐ形
基体３を具え、このｐ形基体３の上にｎ形層２を例えば
エピタキシャル成長により設置ノる。

この中にエツチングにより凹所を設けるが、その際この
凹所の底がｐ形基体３内に入り、ｐｎ接合４の下方に位
置するようにする。ｎ形１？！２の上に絶縁層６、例え
ばシリコン酸化物層をム９け、その上に加速電極８を設
ける。ｐｎ接合４に逆バイアス電圧を印加するために半
導体本体１上に接続用電極９を設け、コンタクト窓１１
とｎ形接点領域１８とを介してこの接続用電４ｆ！９を
０形１１！２に接続する。

本例ではｐ影領域３用の接続用電極１０は半導体本体１
の下側に設けた導電層とするが、所望により、接続用電
極９と同じように、即ちｎ影領域２を貫通してｐ形コン
タクト用拡散層を設けることにより上側にとり出ずこと
もできる。加速電極８に電圧を印加することにより発生
する電界のため本例でも表面５で空乏層が狭くなり、そ
の結果アバランシェ増倍作用はｐｎ接合４全体の中でも
表面５の部分に限定される。

前述したように異方性エツチング処理により凹所を設け
ることもできる。その−例を示したのが第２２〜２３図
であり、第２２図が平面図、第２３図が第２２図のＸＸ
ｎ−ＸＸＩ線に沿って切った断面図である。図示した半
導体装置は半導体本体１を具え、半導体本体１がｐ形基
体３を有し、その上にエピタキシャル成長法でｎ形層２
を設け、このｎ形層２を絶縁層６で被覆する。絶縁層６
に開６”　７を設け、その中に異方性エツチング処理に
よりＶ字形の凹所を設け、ｐ形基体３内に迄Ｖ字の先端
をくい込ませる。本例でもｐｎ接合４は凹所の壁面５で
終端する。絶縁層６上に開ロアを取り囲んで加速電極８
を設ける。更に絶縁層６にコンタクト窓１１及び１２を
設け、これらのコンタクト窓１１及び１２を介して接続
用電１ｆｉ９及び１０を接点領域に接続する。

接続用電極９に接続されるｎ形接点領域１８の方は不純
物濃度が殊更高い前記表面層１３と一致し、接続用電極
１０に接続されるｐ形接点領域の方はｐ形基板３に続く
深い接点領域２２とする。

なお上述したようにＶ字形凹所の先をｐ形基体３内迄延
在させる必要は必らずしもない。ｐｎ接合４に付随する
空乏層が表面に露出すれば足りる。

本例ではｐ形基体３とｎ形エピタキシャル層２のドーピ
ング濃度をしかるべく選んで上記空乏層を表面層１３迄
延在さ口ることができる。

本発明表示８置が貝える半導体陰極のもう一つの実施例
を示したのが第２４〜２５図であり、第２４図は平面図
、第２５図は第２４図のｘｘｖ−ｘｘｖ線で切った断面
図である。この半導体本体１はｎ形基体２を具え、この
ｎ形基体２は底面を１６とづ−る凹所を具える。この凹
所の区域では１）形基体２上にｐ影領域３がのっている
。ｎ形基体２とｐ影領域のドーピング濃度をしかるべく
選んでこれらの内領域２及び３で形成されるｐｎ接合４
に伴なう空乏腹が一層高ドープされた表面層１３に到達
する迄延在させることができる。これと共にこの空乏層
は凹所の壁面５に露出され、上記ｐｎ接合４に逆バイア
ス電圧をかけた時、ここでアバランシェ増倍作用が発生
し、その結果電子流（矢印１４で示す）が発生する。こ
の逆バイアス電圧を印加するために絶縁層６にコンタク
ト窓１１及び１２ａを設け、これらの両コンタクト窓１
１及び１２ａを介して接続用電極９及び１０ａをｎ形接
点領域１８とｐ影領域３に接続する。本例では加速′Ｉ
！ｎ極８を２個の異なる部分８ａ及び８ｂに分割し、所
望により両加速電極８ａ及び８ｂに異なる電圧を印加し
て放出電子ビームを偏向させることができる。加うるに
２個の接続用１１１ｉ１０ａ及び１０ｂを若干距離を置
いて設け、夫々関連接点領域１２ａ及び１２ｂを介して
ｐ影領域３に接続する。これにより一時的に或は連続的
に半導体本体１に電流を流し、ｐｎ接合４を僅かに加熱
し、アバランシェ増倍作用を起すためにｐｎ接合４にそ
う高い電界をかけなくてもよくしたり、吸着（異）分子
及び（貸）原子を飛ばしたりすることができる。

第２６図はハーメチックシールした真空管２３を有する
陰極線管を略式図示したものであって、一端面の内側に
螢光スクリーン２４を設番プる。この陰極線管は更に収
束電極２５．２６及び偏向電極２７．２８を具える。−
個又は複数個の陰極から前述した所に従って電子ビーム
１４が発生する。陰極は前述したような半導体装置であ
って、これをホルダ２９で保持する。半導体装置と外部
との電気接続はビン３０を介して行なう。

前記半導体陰極はシリコンで集積回路を造るのに普通に
使われる技術で製造できるから、−個のシリコン薄片上
に多数の陰極を造ることができる。

斯かる半導体装置の一例を略式図示したのが第２１゜２
８及び２９図である。第２７図がこの半導体装置の一部
の平面図、第２８及び２９図が第２７図の夫々ｘｘｖｍ
−ｘｘｖｍ線及びＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線で切った断面図
である。

第２７図は陰極を正方形状に配列したシリコン薄片の略
式平面図であり、陰極には符号Ａ−１を付しＣある。図
面を明瞭ならしめるため第２７図では参照番号は陰極Ａ
、８及びＣにしか付していない。

これは第２８図に再度示す。

この半導体装置は十字形構造を具え、低オーミックｐ形
通路３２がＸラインを形成し、高ドープ表面層１３がＹ
ラインとして機能する。シリコン本体３１はオーミック
抵抗が高い必要があるが、導電形はｐ形でもｐ形でもい
ずれでもよい。条件はシリコン本体３１とｎ影領域とｐ
影領域のドーピング濃度が空乏層を主表面１５迄延在さ
せるような値であることである。これにより０形領域１
３が良好に分離されることになる。

本例ではシリコン本体３１をｐ形とする。この詩興のｐ
ｎ接合４は壁面５に現われないが、このｐｎ接合４に関
連する空乏層が主表面１５迄達し、壁面５に露出される
。第２７図では高ドープ０形領域３２の位置を破線で示
すと共に、高ドープ０形領域１３の位置を一点鎖線で示
した。

平面図（第２７図）を見ると開ロア　（７Ａ、７Ｂ。

７Ｃ・・・・・・）内では高ドープ０形領戚１３とシリ
コン本体３１とがＶ字形凹所の壁面５　（５Ａ、５Ｂ、
５Ｃ・・・・・・）に沿って見える（第２７．２９図参
照）。

低オーミックｐ形通路３２は接点領域２２を介し、更に
コンタクト窓１０を介して接続用電極１２に接続される
。高ドープｎ影領域１３はコンタクト窓９を介して接続
用電極１１に接続される。ｊＩｖ！に絶縁層６上に開ロ
アをぐるりと取り囲むように加速電極８を設ける。

こうしておいてしかるべき接続用電極９と１１とにアバ
ランシェ増倍作用が関連ｐｎ接合で生ずるような電圧を
印加し、同時に関連加速電極８に成る大きさの電圧を与
えることにより任意の陰極（Ａ。

Ｂ、Ｃ，・・・・・・）だけを動作させて電子放出を行
なわせることができる。上記実施例では上記の加速電極
に印加する電圧は全ての陰極に対して同一である必要は
なく、各陰極から放出される電子ビームの強度を異なら
せることができる。所望によりｐ形通路３２だけでなく
、加速１［８（Ａ、Ｂ、Ｃ）８　（Ｄ、Ｅ、Ｆ）及び８
（Ｇ、８．１）を夫々一つにまとめることができるが、
こうすると回路のフレキシビリティが下がることは避け
られない。

制御装置、例えばシフトレジスタくその情報内容により
どのＸラインとＹラインとが駆動されるかが決まる。）
により、所望通りのパターンを成す陽極群から電子を放
出させることもできる。それと共に他のシフトレジスタ
を介し、これをディジタル−アナログ変換器と組合わせ
て加速電極８の電位を調整することもできる。このため
斯かる装置は平板型表示装置用として殊に好適である。

第３０図は斯かる平板型表示装置の略式斜視図であって
、これは半導体本体３１の他に螢光スクリーン２４を具
え、この螢光スクリーン２４は半導体装置３１から到来
する電子流により光る。半導体装置３１と螢光スクリー
ン２４との間の距離は例えば５ｍｍとすると共に、その
間の空間を真空にする。５〜１０ＫＶ程度の電圧を電圧
ｍ３３により半導体装［３１と表示スクリーン２４との
間に印加すると、これにより両者の間には陰極の像の大
きさが陰極自体のパターンと同程度となるような大きな
電界が生じる。

第３１図は斯かる平板型表示装置を製品に仕上げたとこ
ろを略式図示したものであって、真空空間３４内にその
真空空間の一端壁３５の一部を成している螢光スクリー
ン２４から約５ｍｓ離れた位置に半導体装置３１が存在
する。この半導体装置３１はホルダ２９に保持されてい
る。所望によりこのホルダ２９には制御装置用の他の集
積回路３６を取付けることができる。真空空間３４の他
端の壁面には外部との電気接続用ビン３０のための孔を
設ける。

第３２図は同様の装置の略図であって、３４は同じく真
空空間を指す。これは略式図示しかしていないが電子レ
ンズ系４０を具える。端！！３５に例えばフォトレジス
ト層３９で被覆されたシリコン薄片３８を設置する。半
導体装置３１で作られたパターンは所要とあらばレンズ
系４０で縮少し、フォトレジスト層３９に投影する。

即ちこの装置はフォトレジスト層にパターンを描くため
のものである。こうすると普通必要な）ｔトマスクを省
くことができ、また所要に応じて制御装置３６でもって
簡単に所望通りのパターンを描かせ且つそれを補正でき
るので、この装置は大変優れたものである。

なお本発明は明らかに上記語例に限定されるものではな
く、例えば第１７図と１８図のｎ影領域２を下側で外部
と電気接続させることもできる。これは殊に陰極が一個
だけしかない場合にそう−ぐある。

同じことは半導体本体３１がｐ形材料から成る第２７〜
２９図の８首についても云える。この場合１．１加速電
極８もＹラインとして働らく。なお、斯りする半導体装
置を前述したように表示装置に使う場合でも補助回路を
他の集積回路上に設ける必要は必らずしもない。半導体
本体３１自体に設けてしまえ【よ有利である。明らかに
殊に複数高価な印刷回路で必要とあらばプリント配線に
も使える。

第２２図の装置でも加速電極８を一体形成する代りに、
二部に分け、両者を個別に制御して所望により放出電子
ビームを偏向させることもできる。

第２５図に示す＠蔽において凹所の壁面により画成され
る凹所の底面は必らずしも凹所の下側にイ装置りるｐ膨
頭Ｖ１．３の上面と一致りる必要シよなく、凹所をｐ影
領域３内迄掘り下げてｐｎ接合４　ｈ＜壁面５に現われ
るようにしてもよい。

表示装置以外にも本発明半導体装置を使って種々の装置
を造ることができよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明表示装置が具える半導体装置の略式平面
図、 第２図は第１図の■−■線に沿って切った断面図、 第３図は第１図のｌ１ｌ−ＩＩＩ線に沿って切った断面
図、 第４図は第１図のｒｖ　−ｒｖ線に沿って切った断面図
、 第５〜８図は本発明が関連する製造方法に従って第２図
の半導体装置を造る際の各段階の断面図、第９図は本発
明表示装置が具える半導体装置のもう一つの実施例の略
式平面図、 第１０図は第９図のＸ−Ｘ線に沿って切った断面図、 第１１図は第９図のＸＩ−ＸＩ線に沿って切った断面図
、 第１２〜１５図は本発明が関連する製造方法に従って第
１０図の半導体装置を造る際の各段階の断面図、第１６
図は本発明表示装置が具える半導体装置のもう一つの実
施例の断面図、 第１７図は本発明表示装置が具える半導体装置のもう一
つの実施例の略式平面図、 第１８図は第１７図のｘｖｍ　−ｘｖｍ線に沿って切っ
た断面図、 第１９図は本発明表示装置が具える半導体装置の更にも
う一つの略式平面図、 第２０図は第１９図のｘｘ−ｘＸ線に沿って切った断面
図、 第２１図は第１９図のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿って切った
断面図、 第２２図は本発明表示装置が具える半導体装置の更にも
う一つの実施例の略式平面図、 第２３図は第２２図のｘｘｍ　−ｘｘｍ線に沿って切っ
た断面図、 第２４図は本発明表示装置が具える半導体装置の更にも
う一つの実施例の略式平面図、 第２５図は第２４図のｘｘｖ−ｘｘｖ線に沿って切った
断面図、 第２６図は本発明表示装置が具える半導体装置を陰極に
使用した陰極線管（ＣＲＴ）の略式断面図、第２７図は
表示装置に使用する半導体装置の略式第２８図Ｌｔ第２
７図（７）ＸＸＶＩＩＩ　−ＸＸＶＩＩ線に沿って切っ
た断面図、 第２９図は第２７図のＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線に沿って切
った断面図、 第３０図は表示ＶｔＭの一部の略式斜視図、第３１図は
斯かる表示装置を実際に表示用に使用する場合の略式断
面図、 第３２図は斯かる表示装置を電子リトグラフィに使用す
る場合の略式断面図である。 １・・・半導体本体　２・・・ｎ影領域３・・・ｐ影領
域　４・・・ｐｎ接合 ５・・・表面　６・・・電気的絶縁層 ７・・・開口　８・・・加速電極 ９．１０・・・接続用電極　１１．１２・・・コンタク
ト窓１３・・・（＾ドープ）表面層 １４・・・電子流　１５・・・主表面 １６・・・凹所の底面　１７°°°空乏層１８・・・ｎ
形接点領域　１９・・・マスク層２０００．窓　２１・
・・導電層 ２２・・・ｐ形接点領域　２３・・・真空管２４・・・
螢光スクリーン　２５．２６・・・収束電極２７、２８
・・・偏向電極　２９・・・ホルダ３０・・・ピン　３
１・・・半導体本体３２・・・低オーミックｐ形通路 ３３・・・電圧源　３４・・・真空空間３５・・・真空
空間の一方の端の壁 ３６・・・制御装置を搭載した集積回路３８・・・シリ
コン薄片　３９・・・フォトレジスト層４０・・・レン
ズ系 Ｆｉｇ、８ ９１８１１１’１８７　６ 第１頁の続き ０発　明　者　アーサー・マリ−・ユ ージエーヌ・ヘベレヒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ｐｎ接合の空乏層が半導体本体の表面に露出する
   半導体本体を有し、ｐｎ接合の両側に逆方向電圧を印加
   してアバランシェ増倍作用により半導体本体内に電子を
   発生させ、それらの電子を半導体本体表面から外部に飛
   び出させる形式の陰極を具備する電子流発生用半導体装
   置を具える表示装置において、半導体本体の主表面上に
   電気絶縁層を設け、この電気絶縁層に少なくとも１個の
   開口を設け、この開口内では少なくとも動作時に於て前
   記ｐｎ接合に関連する空乏層の少なくとも一部を表面に
   露出させ且つこの空乏層が表面に露出している部分の近
   傍に位置する前記開口の縁迄前記絶縁層上に少なくとも
   １個の加速電極を設けたことを特徴とする電子流発生用
   半導体装置を具える表示装置。 ２、電子ビームの制御装置を具え、特許請求の範囲第１
   項記載の表示装置が具える半導体装置から出る電子ビー
   ムにより画像を描き出す特許請求の範囲第１項記載の電
   子流発生用半導体装置を具える表示装置。 ３、前記表示装置を、前記電子流発生装置から数ミリメ
   ートル真空をはさんで離れた位置に螢光スクリーンを設
   け、この螢光スクリーンを上記表示装置が具える電子流
   発生装置から到来する電子流で光らせるものとしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の電子流発生用
   半導体装置を具える表示装置。