專利名稱：平面電子發(fā)射器(pee)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用半導(dǎo)體或絕緣體基底當(dāng)暴露于低電場中時(shí)產(chǎn)生并傳導(dǎo)準(zhǔn)彈道電子的新方法。這個(gè)方法將使可能在所述半導(dǎo)體或絕緣體內(nèi)加速電子而不會(huì)遭到任何明顯的非彈性能量損耗。其主要實(shí)施例將是例如在平板顯示器與平面電子束光刻中的平面電子發(fā)射器。
在各種應(yīng)用領(lǐng)域中使用所述(公開的)平面電子發(fā)射器的許多裝置也被公開，同時(shí)也申請對所述裝置的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明涉及在高電阻半導(dǎo)體或絕緣體內(nèi)當(dāng)暴露于低電場(約100V/cm)中時(shí)電子的準(zhǔn)彈道傳輸。準(zhǔn)彈道傳輸?shù)囊馑际请娮由⑸錅p至最少以致電子平均自由程成為肉眼可見。這種效應(yīng)至今只是在當(dāng)很高電場施加于很短距離范圍內(nèi)時(shí)與/或半導(dǎo)體冷卻至很低溫度時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)才檢測到。后面將稱呼一種具有上述特性的半導(dǎo)體或絕緣體材料為準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體或稱QB-Sem。
準(zhǔn)彈道傳輸?shù)睦每赏ㄟ^多種途徑。在本申請中這些將分為兩個(gè)主要領(lǐng)域1．電子傳輸半導(dǎo)體在此領(lǐng)域內(nèi)其特征性能為準(zhǔn)彈道電子在材料內(nèi)的傳輸性能，與2．電子源，在此領(lǐng)域內(nèi)其特征性能為從襯底發(fā)射準(zhǔn)彈道電子的性能。
相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)未曾提及高電阻率半導(dǎo)體或絕緣體內(nèi)的彈道電子，也未提及當(dāng)暴露于高電場中時(shí)的彈道電子。這個(gè)事實(shí)是由于對半導(dǎo)體內(nèi)準(zhǔn)彈道傳輸?shù)钠胀ㄒ娊庠斐傻慕Y(jié)果。高阻材料準(zhǔn)彈道傳輸?shù)目赡苄允沁`反直覺的，因而至今尚未探索。對此類彈道傳輸?shù)幕疚锢硇再|(zhì)的理解是，只要施加的電場E在歐姆范圍(活動(dòng)電荷載體的密度與電荷遷移率為恒定且與電場E無關(guān))內(nèi)，而且所述半導(dǎo)體或絕緣體材料的厚度大于活動(dòng)電荷載體的平均自由程(最好為約1000-2000埃(10-10m)數(shù)量級)時(shí)，這時(shí)來自彈道電子的電流分量小到微不足道，導(dǎo)致電子發(fā)射電流基本為零值。(作為參考，參看S.M.Sze半導(dǎo)體器件物理；John wiley1981或K.W.Boer半導(dǎo)體物理綜述，第Ⅱ卷；Van Notrand Reinhold1992)。
1．電子傳輸半導(dǎo)體電子在高電阻率半導(dǎo)體或絕緣體內(nèi)當(dāng)暴露于低電場(約100V/cm)中時(shí)的準(zhǔn)彈道傳輸，是一種可不同程度地用于任何半導(dǎo)體元件或器件的性能。
半導(dǎo)體元件與器件包括廣闊的應(yīng)用與專利范圍，此范圍內(nèi)的參考資料是大量的。它制成4種應(yīng)用類型，每一類帶有產(chǎn)品的例子。
·A類整流與電荷(信息)貯存此類半導(dǎo)體元件/器件包括肖特基勢壘二極管(US5627479與EP672257B1)，雙極p-n、p-i-n二極管、晶體管以及許多單極器件，例如MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)二極管，CCD(電荷耦合器件)，MIS隧道二極管，MIS開關(guān)二極管，IMPATT(碰撞雪崩渡越時(shí)間)二極管與BARITT(勢壘注射與渡越時(shí)間)二極管及其它有關(guān)的渡越時(shí)間器件。
·B類光敏與發(fā)光器件此類半導(dǎo)體元件/器件其中包括LEDs(發(fā)光二極管)，光敏二極管，半導(dǎo)體激光器，雪崩二極管及其它用于光電信號轉(zhuǎn)換目的的光電導(dǎo)器件。
·C類放大與固定存貯本發(fā)明在此類半導(dǎo)體元件/器件方面的應(yīng)用包括雙極晶體管與雙極單結(jié)晶體管，連同許多單極元件與器件，包括FETs(場效應(yīng)晶體管)，JFETs(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)，MESFETs(金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，MOSFETs(金屬氧化物場效應(yīng)晶體管)與固定存貯器。在此類中與本發(fā)明特別有關(guān)的是隧道晶體管，TEDs(傳輸電子器件)及其它彈道(熱電子)晶體管與/或器件。
·D類光圖象的檢測、形成與處理半導(dǎo)體攝象機(jī)，電信號至二維光圖象/信號的轉(zhuǎn)換，二光圖象/信號亮度/對比度放大與空間放大。
彈道電子器件或者稱為熱電子器件以前已有人提出過(作為例子參看S.M.Sze半導(dǎo)體器件物理；John Wiley 1981第184頁，與K.W.Boer半導(dǎo)體物理綜述，第Ⅱ卷；Wan Nostrond Reinhold 1992第1265與1247頁)，但提出的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)費(fèi)用高且不可靠，要求極小的尺寸(100埃數(shù)量級)與高電場。
2．電子源本發(fā)明涉及一種稱為“電子源”的普通類型，更具體地說涉及一種稱為“平面電子源”子類的電子器件。所有這些器件提供一束能運(yùn)動(dòng)通過真空區(qū)并可用于各種技術(shù)應(yīng)用的電子。
所有電子源的基本要求是在器件的發(fā)射表面(面向真空的器件表面)提供足量的電子，并有足夠的能量(大多數(shù)情況下為3-5eV)與一個(gè)沿朝著發(fā)射表面方向的速度，以便使這些電子能穿過發(fā)射表面-真空界面的能量勢壘并從材料逸入真空。能量勢壘粗略地由真空能級與發(fā)射表面處的電子化學(xué)勢能之間的差給出。需要的能量可由下列方法中的任一提供·加熱發(fā)射表面(“熱發(fā)射”電子源)。
·在發(fā)射表面-真空區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)足夠高的電場(“場發(fā)射”電子源)。
·沿朝著發(fā)射表面的方向充分加速的器件的基本部分區(qū)域內(nèi)的電子(“隧道場發(fā)射”與“隧道場發(fā)射”電子源)。
·借助光子或其它高能粒子照射發(fā)射表面(“光發(fā)射”電子源)。
·降低發(fā)射表面-真空界面處的所述能量勢壘(“負(fù)電子親合力發(fā)射”電子源)。
或通過上述方法的任何組合。
盡管對某些用途要求一個(gè)點(diǎn)電子束源，在此場合下電子連續(xù)被加速并進(jìn)行電子-光調(diào)制，但有大量的技術(shù)應(yīng)用，在此場合下要求一個(gè)平面電子源與/或這種電子源較為有利。此時(shí)所有現(xiàn)有技術(shù)用于這些應(yīng)用時(shí)，均涉及來自一個(gè)特殊材料部分的小點(diǎn)狀發(fā)射區(qū)。一個(gè)較大的平面電子發(fā)射器只能通過做成一個(gè)這種小區(qū)的陣列而獲得。此外，大部分器件需要一個(gè)陽極中的開口用于讓電子逸入真空。
有很大量的發(fā)明，如可從例如US5703435(1997年12月)與US5534859(1996年9月)的引文中看到，所有關(guān)于平面電子發(fā)射器都主要著重在使用這些發(fā)明作為場發(fā)射平板顯示器中的基本結(jié)構(gòu)單元。
大部分現(xiàn)有技術(shù)可大致地分為兩種類型。
第一類在第一類中，陰極-陽極發(fā)射結(jié)構(gòu)通常都是固態(tài)結(jié)構(gòu)并由金屬、半導(dǎo)體與絕緣材料組合構(gòu)成，以便建立在陰極表面-真空空間界面處產(chǎn)生電子場發(fā)射的必要條件。這些器件的目的是改善電子發(fā)射效率，都使用相同基材的上面帶有某些沉積物質(zhì)的陰極。電子從半導(dǎo)體表面通過陽極中的小孔射入自由空間。其原理是弄窄半導(dǎo)體自由空間勢壘并給電子以動(dòng)量使能逃脫與/或穿過陽極的電勢勢壘。任何上述方法可用來增大電子發(fā)射電流Iem。
在第一類現(xiàn)有技術(shù)中的大多數(shù)固態(tài)器件的一個(gè)特別的特性，是必須在很短距離范圍(具有電子平均自由程數(shù)量級)內(nèi)施加高的外部電壓，以便產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場使便于產(chǎn)生并加速電子。然后這些電子沿著可稱為準(zhǔn)彈道的軌道在所述電場中(在這里通常還經(jīng)受電子的雪崩倍增)向發(fā)射陽極表面行進(jìn)。然而同時(shí)，它們在行進(jìn)路上通過非彈性碰撞(散射)而放出可觀的能量。目前的理解是，為通過此方法得到顯著的電子發(fā)射要求施加高電壓。如果施加低電場E(在歐姆范圍內(nèi)，活動(dòng)電荷載體的密度與電荷遷移率為恒定而與電場E無關(guān))，而且半導(dǎo)體或絕緣材料的厚度Lsem(圖2)大于活動(dòng)電荷載體的平均自由半徑(最好為1000-2000埃數(shù)量級)，這時(shí)電流分量Ibal小到微不足道，導(dǎo)致電子發(fā)射電流Iem基本為零值(圖2)。
下面詳述某些選定的第一類現(xiàn)有技術(shù)，其它在本節(jié)的末尾中涉及。
US5536193涉及一種制造場發(fā)射器的方法使用下列步驟在襯底上擴(kuò)散小量寬能帶隙材料，用金屬加以覆蓋，蝕刻金屬直至寬能帶隙材料顯露，做成若干個(gè)用來發(fā)射電子的小峰。
US5463275只說明電子發(fā)射器件包括一個(gè)由至少3種專門選定的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)。
US4801994涉及一個(gè)3層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中中間層假定為一個(gè)本征半導(dǎo)體，假定它應(yīng)以很低的損耗傳輸電子。
EP504603B1包括配置一個(gè)帶有專門雜質(zhì)水平以便影響不同的耗盡區(qū)的復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該說明公開了一個(gè)使用一個(gè)肖特基勢壘金屬半導(dǎo)體結(jié)以便改善發(fā)射效率。
US5554859,US4303930與GB1303659包括類似于EP504603B1的范圍。
其它有關(guān)參考資料是金屬-絕緣體-金屬電子場發(fā)射器(PhysicalReview Letters第76卷，17(1996),320)，還有包括各種形式類金剛石元件的電子場發(fā)射器(US 5631196,US5703435及它們的引文)。
第二類在所述現(xiàn)有技術(shù)的某些情況下，第一類的特征(由或多或少各種厚度的平面金屬、半導(dǎo)體與絕緣材料組成)同涉及必要電場的形式/密度與形狀的特征相結(jié)合。在這種情況下通常配制發(fā)射陰極以便于從一個(gè)單點(diǎn)進(jìn)行電子的場發(fā)射。這可通過在小的局部區(qū)域上覆蓋一塊具有低電子功函數(shù)的材料與/或成形材料的幾何形狀以產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射點(diǎn)或尖峰而得到。
下面評述某些選定的第二類現(xiàn)有技術(shù)，其它在本節(jié)的末尾中涉及。
US 5229682涉及一個(gè)電子場發(fā)射器件，其中電子從發(fā)射電極的一部分發(fā)出，通過相對電極與中間層中的一個(gè)小孔直接進(jìn)入自由空間。電子不橫穿中間的半導(dǎo)體或絕緣體層。發(fā)射極成形以便帶有一個(gè)通過對面電極與中間層中小孔的聳起部分。一個(gè)平板顯示器由一個(gè)這種電極的陣列制成。
US 5712490涉及一種光電陰極器件，包括若干布置在一個(gè)窗口層上的幾個(gè)半導(dǎo)體層，這些半導(dǎo)體層經(jīng)過選擇，以優(yōu)化吸收電子能力即光電導(dǎo)性最佳，增加那些電子的散射長度。該發(fā)明未公開一個(gè)布置在窗口層與第一半導(dǎo)體層之間的光透明電極(參看第3列第11行)。
US 5528103如同US 5229682，但還包括聚焦脊，其目的是產(chǎn)生一個(gè)引起電子從控制電極射入它們之間的電場，使電子會(huì)聚成一窄帶，而不是為了吸收電子。而且，這些電極/聚焦脊必須是導(dǎo)電的(恰如另外陳述在第7列第27行中)以便可用以達(dá)到它們的目的。
US 5212426如同US 5229682，但還包括對每個(gè)電極(象素)有一個(gè)集成控制器，使用內(nèi)裝晶體管控制供給每個(gè)發(fā)射電極的電荷。
US 4823004涉及一個(gè)器件用于分析電子通過一種材料的彈道軌道，并通過分析彈道軌道獲得關(guān)于材料的體內(nèi)結(jié)構(gòu)。
US 5444328涉及一種方法，用于以一種較少可能造成電擊穿的方法構(gòu)造高電壓電子發(fā)射半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
US 5631196如同US 5229682，但帶有扁平的發(fā)射電極，通過相對電極與中間層中小孔的聳起部分由摻雜質(zhì)的金剛石部分取代作為電子發(fā)射物質(zhì)。
其它有關(guān)的參考資料是US 4683399，EP150885B1,EP601637A1,US5340997與它們的引文。
例外上述類型的例外包括這些器件，在這些器件中通過在陰極與陽極之間施加足夠的電壓電子射入兩極之間的真空空間。在這種情況下，發(fā)射陰極通常由一種具有低電子功函數(shù)的材料覆蓋與/或經(jīng)幾何成形以便于電子場發(fā)射。這種器件的一個(gè)例子是US5703435涉及一個(gè)場發(fā)射陰極，其中電子發(fā)射層的材料包括一個(gè)石墨與金剛石晶體的混合物或一個(gè)非晶體金剛石。
應(yīng)用為了在適合的器件中利用電子傳輸半導(dǎo)體與電子源，必須對在現(xiàn)有技術(shù)節(jié)中描述的基本元件作若干擴(kuò)展。
發(fā)射的電子可能沒有為達(dá)到它們的目的而應(yīng)有的足夠能量因而必須進(jìn)一步加速。這典型地通過在離發(fā)射表面的某個(gè)距離處裝有一個(gè)在高正電位下的“加速電極”從而在中間真空空間內(nèi)將發(fā)射的電子加速至較高能量而實(shí)現(xiàn)。
為實(shí)現(xiàn)電子-光轉(zhuǎn)換目的，可在陽極結(jié)構(gòu)中引入適用的“發(fā)光體”材料，所述陽極結(jié)構(gòu)成為陰極-陽極結(jié)構(gòu)的一個(gè)集成部分，或?yàn)殡x開陰極-陽極結(jié)構(gòu)一個(gè)確定的真空距離的“加速電極”的一部分。
電子源器件的應(yīng)用典型包括所有形式的電子顯微鏡，平面電子束光刻，蒸發(fā)材料用的電子槍，X射線管，電子倍增器(光倍增器，二維粒子/電磁輻射檢測器陣列)，電子束焊接機(jī)，平板顯示器(以電子場發(fā)射為基礎(chǔ))，以及一些快速彈道半導(dǎo)體元件與器件。
現(xiàn)有的光刻技術(shù)本發(fā)明的一個(gè)很重要的應(yīng)用是在光刻(微光刻)領(lǐng)域內(nèi)，更具體地說是在文獻(xiàn)中稱為平面電子束光刻(PEBL)領(lǐng)域內(nèi)。光刻步驟在集成電路(IC)生產(chǎn)過程中是必不可少的。IC生產(chǎn)的光刻部分大體上包括在通過一個(gè)“書寫工具”將抗蝕劑沉積在晶片和承受輻射(光子，電子或離子)的暴露部分的表面上及最后清除抗蝕劑的重復(fù)步驟中。光、X射線與電子/離子束的光刻是已知的方法，它們大體上可完成IC生產(chǎn)期間的光刻任務(wù)。光光刻是標(biāo)準(zhǔn)的、相當(dāng)成熟的工業(yè)技術(shù)；它們的主要缺點(diǎn)是光的衍射限制了可印刷的最小細(xì)節(jié)。通常在為減小IC元件與ICs尺寸的進(jìn)一步競爭中，不得不認(rèn)為這是一個(gè)重要的缺點(diǎn)。通過使用電子作為輻射源，使光衍射的限制不復(fù)存在。現(xiàn)有技術(shù)中使用的平面電子束光刻原理示意圖表示在圖8中。它使用的基本結(jié)構(gòu)包括陰極1、一層電介質(zhì)薄膜24、一個(gè)電子吸收模板19與陽極4。電子量子只是在陽極同電質(zhì)薄膜直接接觸的地方穿過電介質(zhì)薄膜24并通過表面S4射入自由空間FS。然后這些電子被加速并投射到帶有預(yù)沉積的電子敏感抗蝕刻層6的晶片上。在1989年劍橋Cavendish實(shí)驗(yàn)室的H.Ahmed等人(包括本發(fā)明的某些發(fā)明者)的“微光刻討論會(huì)論文集”中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指出并用實(shí)例說明了在實(shí)踐中如何進(jìn)行平面電子束光刻。在該現(xiàn)有技術(shù)中，使用一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)平面電子發(fā)射器實(shí)例說明了電子光刻系統(tǒng)。然而，這個(gè)易受影響的電子發(fā)射器具有其它缺點(diǎn)適于此用途的平面電子發(fā)射器可以一個(gè)寬電子束暴露全部晶片，但是，在必需的電壓下，由于必需的高電場與短距離引起的效果造成這些平面電子發(fā)射器的壽命極短。
本發(fā)明提供一個(gè)對此問題的解決辦法。
現(xiàn)有的場發(fā)射平面電子器件的一個(gè)缺點(diǎn)是，必須在相對很短的距離范圍(電子平均自由程的數(shù)量級)內(nèi)施加高的外部電壓，以便產(chǎn)生足夠高的電場使便于發(fā)射并加速電子。
另一個(gè)缺點(diǎn)是，在相對很短的距離范圍內(nèi)施加相對很高局部電場的這個(gè)要求，連同所獲得材料的質(zhì)量，導(dǎo)致如下結(jié)果縮短了電子平均自由程(加大散射比率)，轉(zhuǎn)而事實(shí)上建立了對所述器件內(nèi)的電子可通過但不產(chǎn)生太明顯的能量損耗的可能實(shí)際距離的限制。
還有一個(gè)缺點(diǎn)，由于上面提到的結(jié)果，這些電子只有一小部分具有足夠的能量以逃脫陽極(發(fā)射)表面而進(jìn)入鄰近陰極-陽極結(jié)構(gòu)的空間。
再有一個(gè)缺點(diǎn)是，這些器件通常有相當(dāng)小的電子發(fā)射電流Iem(圖2)與大的背景電流Iback(圖2)。
現(xiàn)有的場發(fā)射平面電子器件的又一個(gè)缺點(diǎn)是，它們遭受例如每平方厘米電子發(fā)射表面積的電功率消耗過大的弱點(diǎn)。
再有一個(gè)缺點(diǎn)是，上述結(jié)果導(dǎo)致低的電子發(fā)射效率。
現(xiàn)有的場發(fā)射平面電子器件的又一個(gè)缺點(diǎn)是，它們常常不穩(wěn)定而易于電介質(zhì)擊穿，這通常嚴(yán)重地限制它們的壽命。
所述器件的又一個(gè)缺點(diǎn)是，由于所述器件的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)(在很短距離的高電場范圍內(nèi))大的能量損耗使它們遭受頻繁的過熱。
再有一個(gè)缺點(diǎn)是，這些平面電子場發(fā)射器件的按比例擴(kuò)大(增大陰極的電子發(fā)射區(qū)域)構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)重問題。
所述器件的又一個(gè)缺點(diǎn)是它們使用昂貴的非標(biāo)準(zhǔn)材料。
現(xiàn)有的場發(fā)射平面電子裝置的又一個(gè)缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)太復(fù)雜。
適用于在IC制造過程暴露晶片的發(fā)射一個(gè)寬電子束的平面電子發(fā)射器的又一個(gè)缺點(diǎn)是，它們的壽命極短(不到30分鐘)，這使它們不適用于平面電子束光刻。
電子傳輸半導(dǎo)體本發(fā)明旨在通過使用現(xiàn)有的，在正常工作條件下，以相當(dāng)簡單的半導(dǎo)體與絕緣體結(jié)構(gòu)，借助于準(zhǔn)彈道電子，以解決上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是使可使用一個(gè)半導(dǎo)體或絕緣體襯底，當(dāng)所述襯底承受低的外加電場(≤100V/cm)時(shí)電子在此襯底內(nèi)沿準(zhǔn)彈道軌道運(yùn)動(dòng)。電子(準(zhǔn)彈道電子)沿這些軌道從襯底的一側(cè)(圖3中表面S2)向另一側(cè)(表面S4)運(yùn)動(dòng)，并被加速至能量足以穿過電子發(fā)射表面S4而逸入真空。(從現(xiàn)在起所述襯底也稱為準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體襯底-“QB-Sem襯底”。)本發(fā)明的另一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，當(dāng)準(zhǔn)彈道電子通過此QB-Sem襯底運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎沒有能量損耗與動(dòng)量改變。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，當(dāng)它用于準(zhǔn)彈道電子的準(zhǔn)彈道傳輸時(shí)此襯底中不產(chǎn)生熱。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，在此襯底內(nèi)準(zhǔn)彈道傳輸可在低(歐姆)電場下與在肉眼可見的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，在此襯底內(nèi)電子速度不受高電場遷移率飽和效應(yīng)的限制。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，在此襯底內(nèi)電子的行為與在真空管中電子的行為相似。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，它不要求高的電場與極小的襯底厚度(100埃數(shù)量級)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，由它可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、較便宜、可靠性高與壽命長的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，用于電子-光應(yīng)用的領(lǐng)域內(nèi)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，用于半導(dǎo)體元件與器件及集成電路(ICs)的設(shè)計(jì)與制造。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，在此襯底內(nèi)，由于在QB半導(dǎo)體內(nèi)的QB電子的異常低的功率損耗，因而有助于解決當(dāng)在ICs中使用高堆積密度的元件時(shí)的發(fā)熱問題。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，以便使“熱電子”器件的設(shè)計(jì)不必依賴于復(fù)雜的薄膜多重結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常不可靠且制造費(fèi)用昂貴。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是使可使用一種QB-Sem襯底，它不需要高電場，以便基本上消除各種半導(dǎo)體器件通過不可逆轉(zhuǎn)的電介質(zhì)擊穿而引起的變質(zhì)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供QB-Sem襯底，它們可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)全部集成。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供QB-Sem襯底，它們可利用現(xiàn)有的集成電路技術(shù)與成果全部集成。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供QB-Sem襯底，用它們進(jìn)行快速與高頻半導(dǎo)體元件與器件的設(shè)計(jì)將不受幾何形狀的約束。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供QB-Sem襯底，由于有了它們可能出現(xiàn)關(guān)于半導(dǎo)體元件/器件與/或?qū)嶋H裝置的新的設(shè)計(jì)概念。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供QB-Sem襯底，它們具有與通常的半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)品相同數(shù)量級(或更長)的壽命。
在QB半導(dǎo)體內(nèi)，電子能在低的外加電場下在肉眼可見的距離范圍內(nèi)作準(zhǔn)彈道運(yùn)動(dòng)，由本發(fā)明公開的這個(gè)結(jié)果，將對雙極與單極型的各種半導(dǎo)體元件與器件的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)/制造產(chǎn)生重大影響。這些將用作集成電路結(jié)構(gòu)中的單元或元件/零件。
電子源本發(fā)明的一個(gè)目的是提供電子發(fā)射器，其中發(fā)射的電子在一塊經(jīng)受低的外加電場(≤100V/cm)的QB-Sem襯底內(nèi)使用肉眼可見的準(zhǔn)彈道軌道(這些軌道為幾百微米長)。沿那些軌道從襯底的一側(cè)(圖3表面S2)向另一側(cè)(表面S4)運(yùn)動(dòng)的電子(準(zhǔn)彈道電子)被加速，由此增大了它們的能量，從而通過電子發(fā)射表面S4逸入真空。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其特征在于施加很低的電場/電壓。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其特征在于很低的功率損耗。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供帶有全部固態(tài)結(jié)構(gòu)的薄(≤1cm)平面電子發(fā)射器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其中肉眼可見的發(fā)射表面沒有再劃分。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其特征在于裝配簡單而堅(jiān)固耐用(圖3)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其特征在于裝配為自支撐結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其中沒有對電子發(fā)射表面的幾何尺寸擴(kuò)大的限制。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供平面電子發(fā)射器，其中電子發(fā)射區(qū)域面積大且只受QB半導(dǎo)體晶片橫向尺寸的限制，此發(fā)射面積目前約為800cm2(此限制當(dāng)然可通過制作模件加以克服)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供適用于平面電子束光刻的電子發(fā)射器。
平面準(zhǔn)彈道電子發(fā)射器的技術(shù)應(yīng)用的數(shù)目是很多的，本發(fā)明創(chuàng)始人的意圖是同樣申請本發(fā)明在這些方面的應(yīng)用。這些申請包括方法與裝置/產(chǎn)品，例如平面電子束光刻，場發(fā)射平板顯示器，高速(低損耗)信號傳輸裝置，高效檢測器，高效光源，電子發(fā)射顯微鏡，二維電磁輻射與/或粒子檢測器陣列，高速容易集成的半導(dǎo)體器件，各種(新型)電子源及許多其它器件。
在第一方面，根據(jù)本發(fā)明的上述目的，提供一種器件包括-一個(gè)具有第一與第二表面的元件，其中-第一表面適于保持一種第一電荷，而其中第二表面適于保持一種第二電荷，第一表面與第二表面基本平行，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供一個(gè)橫越至少一部分元件的電場的裝置，所述裝置包括-向元件的第一表面提供第一電荷的裝置，與-向元件的第二表面提供第二電荷的裝置，第二電荷與第一電荷不同號以便沿基本垂直于第一或第二表面的方向移動(dòng)電子。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種器件，包括-一個(gè)具有第一與第二表面區(qū)域的元件，其中-第一表面區(qū)域適于保持一種第一電荷，而第二表面區(qū)域適于保持一種第二電荷，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供一個(gè)橫越至少一部分元件的電場的裝置，所述裝置包括-向元件的第一表面區(qū)域提供第一電荷的裝置，及-向元件的第二表面區(qū)域提供第二電荷的裝置，第二電荷與第一電荷不同號以便移動(dòng)第一表面區(qū)域與第二表面區(qū)域之間的電子。
根據(jù)第一方面與第二方面的材料或材料系統(tǒng)可包括一種半導(dǎo)體，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鍺、磷化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
為減少電子散射，并從而利于準(zhǔn)彈道電子的存在，該材料或材料系統(tǒng)可摻雜一種或多種下列摻雜劑磷，鋰，銻，砷，硼，鋁，鉭，鎵，銦，鉍，硅，鍺，硫，錫，碲，硒，碳，鈹，鎂，鋅或鎘。預(yù)定的摻雜水平可低于1×1018cm-3，例如低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
向第一表面提供第一電荷的裝置可包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)。同樣，向第二表面提供第二電荷的裝置可包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)。
至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成每個(gè)具有第一與第二表面的薄層。這兩個(gè)薄層可包括一種或多種下列材料金，鉻，鉑，鋁，銅，鉤，銣，銣，鍶，銦，鐠，釤，釔，鈁或銪或它們的任何組合。
為向系統(tǒng)提供能量，第一薄層的第二表面可與一個(gè)電荷貯存器的第一端子有效連接，而第一表面可與元件的材料或材料系統(tǒng)的第一表面直接接觸。同樣，第二薄層的第一表面可與電荷貯存器的第二端子有效連接，而第二表面可與元件的材料或材料系統(tǒng)的第二表面直接接觸。
電荷貯存器可包括一個(gè)蓄電池或任何其它能向器件提供直流或交流電流的能源。
第一與第二薄層可包括一種金屬或一個(gè)摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體。
第三方面，本發(fā)明涉及一種提供第一類電子的方法，所述方法包括步驟-提供一個(gè)具有第一與第二表面的元件，其中-第一表面適于保持一種第一電荷，而其中第二表面適于保持一種第二電荷，第一表面與第二表面基本平行，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供向元件的第一表面提供第一電荷的裝置，及-提供向元件的第二表面提供第二電荷的裝置，第二電荷與第一電荷不同號以便沿基本垂直于第一或第二表面的方向移動(dòng)第二類電子。
本文中，第一類電子可包括以正常損耗穿過元件的電子，而第二類電子可包括準(zhǔn)彈道電子。
構(gòu)成至少一部分元件的材料或材料系統(tǒng)可包括半導(dǎo)體材料。與本發(fā)明的第一方面與第二方面有關(guān)，已提出一個(gè)各種適用材料或它們的組合的表。同樣，制備工作可包括使用上述的摻雜劑與摻雜水平進(jìn)行摻雜，以便減少準(zhǔn)彈道電子的散射。
為移動(dòng)準(zhǔn)彈道電子，可在元件的第一與第二表面之間施加高于2V的電位差。而向元件提供第一與第二電荷的適用材料或材料系統(tǒng)可包括一種金屬或一種摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體材料。這些材料的例子是金，鉻，鉑，鋁，銅，鉤，銣，鍶，銦，鐠，釤，釔，鈁或銪或它們的任何組合。
在第四方面，本發(fā)明涉及一種制造一種制品的方法，所述方法包括步驟-提供一個(gè)具有第一與第二表面的半導(dǎo)體材料或材料系統(tǒng)，第二表面與第一表面基本平行，該半導(dǎo)體材料或材料系統(tǒng)有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供對第一與第二表面的表面處理以便降低表面粗糙度，-用一種摻雜劑對該半導(dǎo)體材料或材料系統(tǒng)摻雜，以便得到預(yù)定的摻雜水平，從而減少在該材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，-提供一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)，所述第一材料與材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的薄層，其中第二表面與一個(gè)電荷貯存器的第一端子有效連接，而其中第一表面與該材料或材料系統(tǒng)的第一表面直接接觸，及-提供一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)，所述第二材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的薄層，其中第一表面與電荷貯存器的第二端子有效連接，而其中第二表面與該材料或材料系統(tǒng)的第二表面直接接觸。
關(guān)于上述材料或材料系統(tǒng)，與本發(fā)明的第一與第二方面有關(guān)，提出了一個(gè)適用的供選材料或它們的組合的表。同樣，制備工作可包括使用上述的摻雜劑與摻雜水平進(jìn)行摻雜，以便減少準(zhǔn)彈道電子的散射。
預(yù)定的晶體取向可包括<111>、<110>或<100>，或適用于元件晶體結(jié)構(gòu)的任何其它晶體取向。表面處理可包括不同種類的技術(shù)，例如蝕刻與/或拋光。拋光可包括光學(xué)與/或機(jī)械拋光。
關(guān)于摻雜劑，它們可從鋰、磷、銻、砷、硼、鋁、鉭、鎵或銦或它們的任何組俁的材料組中選擇。摻雜水平可低于1×1018cm-3，例如低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)可包括一種金屬或一種摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體材料。適用的材料可包括金、鉑、鉻、鋁或銅或它們的任何組合。
在第五方面，本發(fā)明涉及一種平板顯示器包括
-一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第一方面的制品，此制品還包括-一個(gè)適于當(dāng)暴露于電子中時(shí)發(fā)射多種波長光的材料層，所述材料層在一個(gè)基本平行于元件的第一與第二表面的平面內(nèi)確定一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)表面元件的二維矩陣，每個(gè)表面元件適于發(fā)射一種預(yù)定波長的光，及-用于選擇地向二維矩陣中的一個(gè)或多個(gè)表面元件提供電子的裝置。
發(fā)射多種波長光的材料層可包括一種合適的發(fā)光體或標(biāo)準(zhǔn)的彩色電視熒光物質(zhì)。該材料層可由元件的第一或第二表面支持?；蛘?，該材料層可由一個(gè)附加零件支持。
為得到全色信息，發(fā)射的光可包括至少3種對應(yīng)于至少3種顏色的波長。通過這3種顏色的組合，應(yīng)能導(dǎo)出視覺范圍內(nèi)的任何顏色。發(fā)射的波長可對應(yīng)于紅色、黃色與蘭色，或?qū)?yīng)于紅色、綠色與蘭色。
選擇的裝置可包括一個(gè)圖案以便在一個(gè)基本平行于第一或第二表面的平面內(nèi)確定一個(gè)電可控元件的二維矩陣，所述圖案由至少部分地導(dǎo)電的材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成。
在第六方面，本發(fā)明涉及一種將一層薄膜例如抗蝕劑暴露于許多第一類電子中的方法，所述方法包括步驟-提供一個(gè)具有第一與第二表面的第一元件，其中-第一表面適于保持一種第一電荷，而其中第二表面適于保持一種第二電荷，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供一個(gè)第二元件，所述第二元件適于支持被暴露在許多第一類電子中的薄膜，-提供一個(gè)經(jīng)構(gòu)圖的吸收層，所述吸收層適于吸收在圖案規(guī)定的位置傳輸通過第一元件的電子，-向第一元件的第一表面提供第一電荷，與
-向第一元件的第二表面提供第二電荷，第二電荷具有與第一電荷相反的正負(fù)號以便從第一表面向第二表面移動(dòng)電子，及-向第二元件提供一種第三電荷，所述第三電荷具有與第二電荷相同的正負(fù)號。
關(guān)于上述材料或材料系統(tǒng)，與本發(fā)明的第一與第二方面有關(guān)，提出了一個(gè)適用的供選材料或它們的組合的表。同樣，制備工作可包括上述的摻雜劑與摻雜水平進(jìn)行摻雜以便減少準(zhǔn)彈道電子的散射。
由電荷存貯器的第一與第二端子向第一元件的第一與第二表面分別提供第一與第二電荷，其中電荷貯存器的第一與第二端子之間的電位差高于2V。由電荷貯存器的第三端子向第二元件提供第三電荷。
第二元件可包括一種金屬或一種半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
最后，第一類電子可包括以正常損耗穿過元件的電子，而第二類電子可包括準(zhǔn)彈道電子。
下面簡要介紹附圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)外加電壓為零時(shí)的電子能帶簡化示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)外加確定電壓時(shí)的電子能帶簡化示意圖。
圖3是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的平面電子發(fā)射器的基本結(jié)構(gòu)的簡化模型。
圖4是一個(gè)平板顯示器表示經(jīng)構(gòu)圖的電極與發(fā)光體的示意側(cè)視圖，發(fā)光體放置在QB半導(dǎo)體襯底與陽極之間。
圖5是圖4的頂視圖。
圖6是根據(jù)圖4的平板顯示器的一個(gè)替代實(shí)施例，其中發(fā)光體放置在陽極的后面。
圖7是根據(jù)圖4的平板顯示器的另一個(gè)替代實(shí)施例，其中引入一個(gè)電子加速極，而發(fā)光體放置在加速極的后面。
圖8是用于平面電子束光刻的現(xiàn)有技術(shù)的平面電子發(fā)射器的示意側(cè)視圖。一個(gè)電子吸收材料模板放置在QB半導(dǎo)體與陽極之間。附加一個(gè)電子加速板，而暴露的襯底放置在此加速板的前面。
圖9是根據(jù)圖8的一個(gè)替代實(shí)施例，其中暴露的襯底放置在電子加速板的后面與真空的外面，而QB半導(dǎo)體與電極的全部結(jié)構(gòu)放置在真空中。
圖10是圖8的等效圖但帶有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例的平面準(zhǔn)彈道電子發(fā)射器。
圖11是一個(gè)平面電子束光刻中實(shí)施平面準(zhǔn)彈道電子發(fā)射的裝置的示意圖。
圖12是一張圖11裝置的照片。
圖13是圖10中提到的一個(gè)可能的模板。
圖14是一張掃描電子顯微鏡的照片，表示由平面電子束光刻制作的某些結(jié)構(gòu)。
圖15是一個(gè)表示根據(jù)二維照明板的實(shí)施例內(nèi)部的三維視圖。
圖16是一個(gè)表示圖15實(shí)施例外部的三維視圖。
圖17是一個(gè)根據(jù)二維照明板的替代實(shí)施例。
圖18是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型、快速的平面肖特基勢壘二極管示意圖。
圖19是根據(jù)光敏與發(fā)光器件的實(shí)施例的電子能帶簡化示意圖。
圖20是一個(gè)典型的平面金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)的示意圖。
圖21是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的檢測與記錄二維光信號/圖象器件的示意圖。
圖22是一個(gè)根據(jù)一個(gè)光信號/圖象處理器件的實(shí)施例的示意圖。
圖23是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可能的太陽電池結(jié)構(gòu)的能量示意圖。
圖24是一個(gè)根據(jù)一個(gè)冷發(fā)射電子顯微鏡(ECEM)的實(shí)施例的示意圖。
本發(fā)明的理論說明首先將使用一個(gè)平面電子發(fā)射器(PEE)的實(shí)施參考圖1與圖2對本發(fā)明作理論上的說明。并且，為清楚起見，在不放松理論的有效性與普遍性的前提下，將使用一個(gè)簡化的模型，此模型將使用一組專用的電極。無論如何不應(yīng)認(rèn)為這是本發(fā)明的限制因素。圖1與圖2中的專門配置只是用于圖解說明的目的，可能有其它更通用的與/或不同的配置，必須把它們看作包括在本發(fā)明之內(nèi)。
在圖1中，表示一個(gè)作為一個(gè)半導(dǎo)體或絕緣材料的空間坐標(biāo)函數(shù)的簡化電子能帶結(jié)構(gòu)，其中標(biāo)志對電子傳輸關(guān)系最密切的兩處，量子機(jī)械能Ev(價(jià)帶的頂部)與Ec(導(dǎo)帶的底部)。這兩個(gè)能量Ev與Ec被一個(gè)能帶隙Eg隔開。在所述半導(dǎo)體或絕緣材料片的兩個(gè)對應(yīng)表面S2與S3上沉積一組兩個(gè)金屬電極，陰極1與陽極4。為簡化起見，假定這兩個(gè)電極是相同的。
在開氏零度下，所有Ec以上與金屬電極的化學(xué)勢能(μMch)以上的量子機(jī)械電子狀態(tài)為空白，而Ev以下與金屬電極的化學(xué)勢能(μMch)以下的那些狀態(tài)被占據(jù)。在某個(gè)確定溫度例如開氏300度下與熱動(dòng)態(tài)平衡下，假定所述半導(dǎo)體或絕緣材料在基本部分內(nèi)的化學(xué)勢能(μBch)在接近能帶隙中間的某處。為簡化起見，假定此化學(xué)勢能(在能量上)與金屬電極的化學(xué)勢能相同，這樣就形成一個(gè)稱為中性的電接觸。在此確定溫度下，在能量Ec處將有一個(gè)小而確定的活動(dòng)電子密度ne，而在Ev處將有一個(gè)小而確定的活動(dòng)空穴密度nh。而且假定半經(jīng)典逼近法有效，這意味著當(dāng)施加外部電場E時(shí)在電子帶結(jié)構(gòu)中局部地沒有變化。由于經(jīng)典電勢的存在，這個(gè)電場的作用通過在給定距離X處的全部量子機(jī)械能的合適的與空間有關(guān)的能量偏移而計(jì)算V(X)=E·X(1)因此圖1描述在確定溫度下當(dāng)不施加外部電場時(shí)的情況。
當(dāng)在金屬電極1上加上一個(gè)確定的負(fù)電荷改變ΔQ同時(shí)從金屬電極2處移走相應(yīng)的負(fù)電荷改變ΔQ時(shí)，圖1描述的情況將變?yōu)閳D2描述的情況。兩個(gè)所述電極上的這些附加電荷將導(dǎo)致在所述半導(dǎo)體或絕緣材料片內(nèi)存在一個(gè)恒定的電場E。
在低的歐姆電場E(約100V/cm；還參看圖2)下，遷移率及熱電平密度ne與空穴密度nh(圖2)將保持基本恒定，而它們的偏移速度將相應(yīng)地改變Vdrift(電子；空穴)=遷移率(電子；空穴)·E(2)各自的電流Ie與Ih(圖2)以此方式隨著施加電場E的增高而增大。電流分量Ibal(圖2)影響準(zhǔn)彈道電子通過圖2中所示結(jié)構(gòu)的總電流，準(zhǔn)彈道電子是從金屬電極1射入所述半導(dǎo)體或絕緣材料的那些電子，當(dāng)它的沿圖2所示的準(zhǔn)彈道軌道通過所述半導(dǎo)體或絕緣材料向金屬電極2運(yùn)動(dòng)時(shí)，基本上沒有非彈性損耗也沒有任何明顯的動(dòng)量改變。電流分量Iem的形成是由于那些電子(準(zhǔn)彈道電子)，它們在從金屬電極1穿過所述半導(dǎo)體或絕緣材料并進(jìn)入金屬電極2之后仍具有足夠的能量(此能量大于發(fā)射表面S4-自由空間界面的能量勢壘)與足夠大的沿X方向的速度分量，因而能從由金屬電極1加上所述半導(dǎo)體或絕緣材料加上金屬電極2組成的結(jié)構(gòu)通過電子發(fā)射表面S4(圖2)逸入自由空間(圖2中的FS)。
QB-Sem現(xiàn)在說明準(zhǔn)彈道電子傳輸器/發(fā)射器的各區(qū)域的配制。
參考圖3現(xiàn)在將說明一個(gè)高電阻半導(dǎo)體或絕緣體的配制。在這種情況下，準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體(QB-Sem)為所述單晶硅樣品，它從一根經(jīng)過浮區(qū)晶體生長法制作的單晶硅捧上切下。薄片(晶片)從此捧上切下，具有垂直于晶片表面的<111>晶體取向。但是，也可選擇其它<110>與<100>晶體取向而具有相同的結(jié)果。如果使用硅以外的晶體材料，應(yīng)選擇適合于此晶體材料的晶體取向。表面S2與S3都經(jīng)過光學(xué)拋光。磷的摻雜水平(給定n型半導(dǎo)體)選為2.0×1012cm-3。通過在表面S2上逐次蒸發(fā)50(埃)厚的鉻繼之蒸發(fā)2000 厚的金制成一個(gè)肖特基接觸(陰極)。陽極為歐姆接觸，包括高磷密度的變質(zhì)的硅層(一個(gè)約1μm厚的薄區(qū)，在表面S3下面-參看圖3)，與一層150厚蒸發(fā)的金膜。
區(qū)域2-準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體的選擇不限于一種特定的材料，而可使用不同的材料以許多不同的方法配制。唯一的要求是存在一個(gè)確定的能帶隙Eg(參看圖1)與在材料的相反兩面之間存在電子的準(zhǔn)彈道軌道。在最佳實(shí)施例中所述材料(QB-Sem)為硅，但族111-Ⅴ復(fù)合半導(dǎo)體(例如鎵砷)與族11-Ⅵ復(fù)合半導(dǎo)體也同樣是好的供選材料。當(dāng)選擇一個(gè)適用的準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體時(shí)，晶體取向、深層與淺層的摻雜水平及完工器件的工作溫度是應(yīng)考慮的重要參數(shù)。絕緣體例如SiO2、Al2O3、碳化硅、氮化硅、金剛石(或金剛石類碳顆粒)及其它也同樣好地適合用作準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體(至少在原理上)。已經(jīng)或正在研究關(guān)于將某些材料用作場發(fā)射電子源(參見現(xiàn)有技術(shù))。
區(qū)域1和表面S1與S2-陰極區(qū)域在圖3描述的最佳實(shí)施例中，陰極區(qū)域通過在硅樣品的表面S2上蒸發(fā)鉻或金的金屬膜而形成，以此方法形成一個(gè)整流的肖特基接觸。陰極區(qū)域的唯一目的是保持表面S2上的各種數(shù)量的負(fù)電荷ΔQ，而這可通過許多不同的方法實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)這樣的替代方法中，區(qū)域1只是一個(gè)氣相部分離子化氣體例如氬與/或氮。在這種情況下完全不需要金屬電極。
為獲得作為將電子射入QB半導(dǎo)體區(qū)域(圖3中的2)的電子注射極的陰極的最佳性能，要求來自蓄電池(參看圖3)的所述附加負(fù)電荷ΔQ盡可能多地(增加注入QB半導(dǎo)體的電子)移動(dòng)化學(xué)勢能μMch(參看圖2)。這可通過對表面S2進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)與/或熱處理使降低界面電子密度狀態(tài)而達(dá)到。如果需要或要求金屬陰極，表面S2的這個(gè)處理應(yīng)在沉積金屬材料之前進(jìn)行?；蛘撸蛇x擇一種具有在費(fèi)米能級下的低電子密度狀態(tài)與/或低電子功函數(shù)的金屬材料。
區(qū)域4和表面S3與S4-陽極區(qū)域如上所述，緊鄰表面S3的一個(gè)硅樣品薄區(qū)注入了高劑量的磷，通過此方法而變質(zhì)。然后在所述表面S3上沉積了一層薄金膜(在沉積金膜之前表面S3經(jīng)過光學(xué)拋光)，以此方法使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)對硅樣品的歐姆接觸。這個(gè)陽極區(qū)域的制作可能不產(chǎn)生所述平面電子發(fā)射器PEE的最佳性能。
如同陰極區(qū)域，陽極區(qū)域的唯一目的是保證能移走來自表面S3區(qū)域的各種數(shù)量的負(fù)電荷ΔQ。這里，關(guān)于所述(陽極)區(qū)域的最佳功能的要求與對陰極區(qū)域有效的要求不同。空穴電流Ih(參看圖2)應(yīng)盡可能小(當(dāng)界面化學(xué)勢能μMch向下移動(dòng)時(shí)電流Ih增大)，金屬陽極的厚度也應(yīng)盡可能薄(當(dāng)準(zhǔn)彈道電子通過區(qū)域4時(shí)有相對大的能量損耗)。為實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目標(biāo)，在表面S3-區(qū)域4界面內(nèi)需要一個(gè)具有在費(fèi)米能級下的高電子密度狀態(tài)與/或很高的電子密度狀態(tài)的金屬。如同對表面S2的制作，這里同樣可通過在沉積金屬之前對所述表面S3進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械、化學(xué)與/或熱處理而實(shí)現(xiàn)。
為實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目標(biāo)，可選擇另一個(gè)替代辦法。在此情況下，表面S3沒有金屬電極(圖3中的區(qū)域4)而將一個(gè)附加的電極(電子加速極7-例如參看圖8)放置在自由空間FS(圖3)內(nèi)并緊挨表面S3。此附加極相對于表面S3與/或陰極區(qū)域偏置在相對高的正電位下，整個(gè)裝置以此方式極化。如果區(qū)域2內(nèi)建立的電場不足以將區(qū)域2內(nèi)的準(zhǔn)彈道電子加速至具有使這些電子通過所述表面S3而逸入自由空間FS的需要的能量，可將表面S3以這樣的方法幾何成形使在表面S3的空間上最接近于圖8中電子加速極7的一些尖峰(與/或急劇彎曲區(qū)域)處局部地增高所述電場。
最后，可用一個(gè)薄金屬電極(用作陽極)覆蓋幾何成形的表面S3，整個(gè)平面電子發(fā)射器裝配(包括電子加速極7)看起來如同圖8中表示的布置。以此布置使幾何成形的表面S3上的充放電效應(yīng)減至最小。
這里要強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是電子發(fā)射器表面S3(如果存在金屬電極4為表面S4)的形狀不必是嚴(yán)格的平面。
QB-Sem的性能樣品放置在陰極與陽極之間的真空中并處在約4.0V外部電壓(正向偏置)下(在0.5μm硅樣品厚度范圍內(nèi)施加4.0V的情況下，在硅樣品基本部分內(nèi)建立80.0V/cm的電場)，可觀察到一個(gè)確定的、相對大的與橫向均勻的電子發(fā)射電流Iem。發(fā)射電流Iem的幅值指示全部電子的約30％從陰極射入硅樣品，到達(dá)能量Ec(參看圖2)以上具有約4eV能量(硅中電子親合能為4.0eV)的陽極，足以使這些電子克服陽極表面S4-真空界面的能量勢壘而逸入自由空間FS(參看圖3)。
本發(fā)明的實(shí)踐說明首先將使用一個(gè)平面電子發(fā)射器(PEE)參考圖3從實(shí)踐上說明本發(fā)明，圖3是一個(gè)圖解說明根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的一個(gè)可能的物理模型的示意圖。
區(qū)域1(陰極)通過表面S2連接區(qū)域2(一塊準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體)，并通過電接觸座(ECP)連接外部電荷/電壓源8(電池)。它的(陰極)連同電池的作用是供給并保持表面S2上的負(fù)電荷ΔQ(電子)。同時(shí)，從區(qū)域4(陰極)移走等量的負(fù)電荷ΔQ。陽極通過表面S3連接區(qū)域2，并通過ECP連接外部電荷/電壓源8的正極。所述電子源維持表面S3的正充電。以此方法在表面S2與S3之間建立一個(gè)均勻電場E，引起一個(gè)確定的電流Itot流過區(qū)域2?，F(xiàn)在參看圖2，此電流Itot包括3個(gè)電流分量Ie、Ih與Iem。前2個(gè)分量形成背景電流Iback，而分量Iem由那部分電子(從現(xiàn)在起稱為準(zhǔn)彈道電子)-如果有一個(gè)足夠高的電場E與相應(yīng)的電位差(V=E·t1)保持在表面S2與S3之間，它們依物理法則離開器件而進(jìn)入自由空間FS(圖3)一形成。
當(dāng)一塊半導(dǎo)體或絕緣材料(區(qū)域2-從現(xiàn)在起稱為QB-Sem)經(jīng)適當(dāng)配制、表面S2與S3經(jīng)適當(dāng)處理而區(qū)域1與區(qū)域2經(jīng)適當(dāng)選擇與構(gòu)造時(shí)，電流分量Iem(電子發(fā)射電流)會(huì)變得相對于背景電流Iback相當(dāng)大。
當(dāng)QB半導(dǎo)體已適當(dāng)選定并配制時(shí)，這時(shí)即使沒有任何優(yōu)化努力(包括表面S2與S3的優(yōu)化)，在器件的總厚度L2為肉眼可見(小于幾mm)的情況下，在約100V/cm數(shù)量級的電場(從現(xiàn)在起稱為歐姆電場)下，可測量到每平方厘米幾百毫微安的Iem。具有30cm數(shù)量級(例如目前的硅片尺寸)的長度尺寸L1(器件面積的平方根)，圖3中描述的器件是一個(gè)大面積平面電子發(fā)射器，它的制造十分簡單，且可在十分有競爭力的價(jià)格下生產(chǎn)，即使同標(biāo)準(zhǔn)陰極射線管(CRT)屏相比。
在圖3中描述的最佳實(shí)施例中，通過從電池向金屬電極1(陰極)供給額外數(shù)量的負(fù)電荷ΔQ，在電氣上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)充分的從陰極至硅樣品的電子注入(電荷注入-參看圖2)。然而，由于從陰極區(qū)域至QB半導(dǎo)體的電子注入還與溫度強(qiáng)烈有關(guān)，因此一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的平面電子發(fā)射器替代實(shí)施例可包括一個(gè)加熱的陰極結(jié)構(gòu)(區(qū)域1-參看圖3)。在另一個(gè)替代實(shí)施例中，電子通過光照明陰極發(fā)射表面S2區(qū)域(在某些情況下此區(qū)域可包括鄰接表面S2的一部分QB半導(dǎo)體)經(jīng)過表面S1注入QB半導(dǎo)體。根據(jù)本發(fā)明的所述平面發(fā)射器PEE的這個(gè)實(shí)施例在光-電子充電中特別有用。這些電子注射方法將在下面各節(jié)中對有關(guān)最佳實(shí)施例的描述中說明。
現(xiàn)在通過描述一個(gè)圖3中表示的最佳實(shí)施例說明根據(jù)本發(fā)明的平面電子發(fā)射器(PEE)。但是還有大量其它的實(shí)施例，全部都根據(jù)本發(fā)明，它們涉及所述平面電子發(fā)射器的材料、設(shè)計(jì)、制作與結(jié)構(gòu)的不同選擇，所述不同取決于手邊應(yīng)用的要求。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，雖然電子射入用于說明QB半導(dǎo)體基本原理的PEE的自由空間，但這不是一個(gè)要求。如同某些其它可能的實(shí)施例將顯示，QB半導(dǎo)體的基本特性，電子的準(zhǔn)彈道傳輸，同樣可改善許多非發(fā)射半導(dǎo)體器件。
應(yīng)用舉例(最佳實(shí)施例說明)現(xiàn)在將參考圖3至圖24圖解說明與討論除平面電子發(fā)射器以外的根據(jù)本發(fā)明的許多應(yīng)用。盡管將借助一個(gè)專用實(shí)施例與相關(guān)


每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域與/或產(chǎn)品，但這時(shí)必須強(qiáng)調(diào)使用本發(fā)明的每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的普遍性。對于每個(gè)這樣的最佳實(shí)施例，存在大量其它的實(shí)施例與/或該最佳實(shí)施例的修改方案，它們都使用本發(fā)明作為一個(gè)決定性的組成部分。因此，不應(yīng)把已在前幾節(jié)中給出的對本發(fā)明的說明與將在后面給出的對本發(fā)明的應(yīng)用的說明看作為對本發(fā)明及其應(yīng)用領(lǐng)域的限制。這個(gè)認(rèn)識是基本的。
例1．場發(fā)射平板顯示器(FE-FPD)本發(fā)明的一個(gè)明顯的應(yīng)用是用于堅(jiān)固、可靠、大型、低功率損耗與廉價(jià)的場發(fā)射平板顯示器(FE-FPD)的結(jié)構(gòu)件。
圖4，即沿圖5中表示的FE-FPD的A-A線的剖視圖，是根據(jù)本發(fā)明的可能的無真空FE-FPD之一。參看圖3，本發(fā)明的基本平面結(jié)構(gòu)-1(陰極)、2(QB-Sem)與4(陽極-本最佳實(shí)施例中為光透明)在圖4中同樣清楚顯示。唯一的不同是本發(fā)明的這個(gè)平板顯示器應(yīng)用中陰極與陽極經(jīng)構(gòu)圖且在QB半導(dǎo)體的表面S3與陽極4之間引入一個(gè)附加薄層3。此第3薄層包括供選的(經(jīng)構(gòu)圖的)由熒光物質(zhì)或其它彩色發(fā)光體形成的紅色5、黃色18與蘭色11區(qū)段。這些區(qū)段借助于不發(fā)光的電子吸收材料16彼此隔離。
薄層1、3與4的構(gòu)圖使能選擇各個(gè)顏色區(qū)段(“象素”)的地址(通過施加合適的電壓“接通”一個(gè)元件23(i,j))，如圖5中所示。這里陰極1(以平行金屬條的形式)沉積在QB半導(dǎo)體2的背面S2上。紅色5、黃色18與蘭色11發(fā)光體條沉積在QB半導(dǎo)體2的前表面S3上，同所述陽極條對準(zhǔn)，如圖5中所示。最后陽極4同樣以平行金屬條的形式沉積在薄層3的上面，使陽極金屬條同陰極金屬條或直角，如圖5中所示。
電引線9與10通過電接觸座ECP接至各自的陽極與陰極金屬條，整個(gè)陰極-陽極結(jié)構(gòu)以這樣的方法可選擇地尋址單色發(fā)光元件的矩陣。通過在線i(陰極)與線j(陽極)之間施加合適的電壓以接通元件(i,j)。電引線9與10接至通常的TV交流/直流電路，此電路驅(qū)動(dòng)圖3、4、5、6與7中示意表示的整個(gè)FE-FPD。象素矩陣的尺寸d1、d2、d3與d4可隨意優(yōu)化，使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體構(gòu)圖技術(shù)以適應(yīng)手邊的FE-FPD的空間分辨率要求。
圖4、5、6與7中描述的“單芯片”FE-FPD的典型總尺寸L1、L2，在可利用直徑為30.0cm的硅晶片情況下，目前為20cm乘20cm數(shù)量級。當(dāng)需要大彩色顯示器時(shí)，一個(gè)隨意數(shù)目的“單芯片”組件可在一個(gè)合適的襯底上結(jié)合在一起，利用區(qū)段d2與d4(參看圖5)作為結(jié)合區(qū)，以此方法防止形成的光圖象質(zhì)量的空間變質(zhì)。圖4、5、6與7中描述的所述FE-FPD的厚度L3為1mm數(shù)量級，此厚度基本上就是QB半導(dǎo)體晶片的厚度。
在圖6中，薄層3與4被換接以便圖解說明所述FE-FPD另一種可能的物理型式。這里彩色發(fā)光層3直接面向自由空間FS。如果需要，表面S5可包括一個(gè)透明(防反射)的防護(hù)覆蓋層。這里必須強(qiáng)調(diào)，圖4、5、6與7中表示的區(qū)段5、6與11不一定必須是發(fā)光體。彩色發(fā)光層3也代表其它類型電子至彩色光轉(zhuǎn)換的材料與/或器件。一個(gè)這樣的類型可借助圖4來說明布局。在此情況下，結(jié)構(gòu)1(陰極)、2(QB半導(dǎo)體)、紅色/黃色/蘭色元件(5,18,11)與4(陽極)形成一個(gè)彩色發(fā)光二極管(CLED)矩陣。其它的FE-FPD布置當(dāng)然也可使用本發(fā)明，且決不應(yīng)將圖4、5、6與7中表示的最佳實(shí)施例看作是對本發(fā)明在此應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍的一個(gè)限制。
最后，在色彩分辨率、亮度與色彩對比度的要求用目前手邊的發(fā)光體與/或其它電子-光轉(zhuǎn)換元件/器材不能滿足的情況下，可能仍需要采用要求相當(dāng)高電子能量(區(qū)域內(nèi)的高加速電壓約為10至20kV)的標(biāo)準(zhǔn)TV彩色熒光物質(zhì)。一個(gè)使用本發(fā)明、表示在圖7中的真空場發(fā)射平板顯示器可能仍是一個(gè)最佳的解決辦法與一個(gè)可能的物理模型。
在這個(gè)布置中，圖4、5、與6中表示的彩色發(fā)光層3從基本平面電子發(fā)射結(jié)構(gòu)1(陰極)、2(QB半導(dǎo)體)與4(陽極)上去除而沉積在光透明板(例如玻璃)13上，此板同零件14與12一起構(gòu)成所述真空FE-FPD的真空封裝。沉積在發(fā)光層3上的電子加速極7偏置至適當(dāng)?shù)母哒妷骸４瞬贾帽ＷC離開基本電子平面發(fā)射機(jī)構(gòu)(通過機(jī)械支撐件15機(jī)械固定在底板12上)通過表面54的準(zhǔn)彈道電子在自由空間FS(現(xiàn)為真空)內(nèi)被加速至具有足夠高的能量，以便保證標(biāo)準(zhǔn)彩色TV熒光物質(zhì)5、6、11的正確工作。
圖7中表示的真空FE-FPD的厚度(Dim2-尺寸2)為1至2cm數(shù)量級，而面積(Dim1-尺寸1)相對于前面描述的無真空FE-FPD不變。
例2．平面電子束光刻通過使用根據(jù)本發(fā)明的平面電子發(fā)射器解決了由現(xiàn)有技術(shù)平面電子發(fā)射器的短壽命帶來的主要缺點(diǎn)。本發(fā)明為半導(dǎo)體工業(yè)的現(xiàn)代需要提供一個(gè)從質(zhì)量方面看新穎的與堅(jiān)固耐用的解決辦法。此方法與實(shí)施例表示在圖9至14中。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已使用圖8描述了平面電子束光刻原理示意圖。在現(xiàn)有技術(shù)節(jié)中，已使用現(xiàn)有技術(shù)的平面電子發(fā)射器說明了一個(gè)電子光刻的投射系統(tǒng)。本發(fā)明的平面電子發(fā)射器可直接實(shí)施以代替現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)射器。
根據(jù)本發(fā)明的這種平面電子發(fā)射器結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能的實(shí)施例表示在圖10中。它同現(xiàn)有技術(shù)圖8的主要區(qū)別是用圖10中的一個(gè)準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體GB-Sem取代了圖8中的一個(gè)薄膜氧化層24。現(xiàn)在翻至圖10，從陰極1通過表面S2注入QB半導(dǎo)體的電子，沿QB半導(dǎo)體內(nèi)的準(zhǔn)彈道軌道傳輸。它們通過表面S3而進(jìn)入經(jīng)構(gòu)圖的吸收模板19或陽極4。一部分準(zhǔn)彈道電子，未被電子吸收模板19阻止，這時(shí)具有足夠能量以通過表面S4而進(jìn)入自由空間FS，例如i點(diǎn)上的電子。這些電子然后在自由空間區(qū)域FS內(nèi)被電子加速板7加速至具有足夠高的能量。電子加速板7在這個(gè)特別的晶片圖例中，沉積在電子敏感抗蝕劑層6上。
通過電子-光方法，例如在點(diǎn)i(圖10)出現(xiàn)的電子被映射入處在抗蝕劑層6內(nèi)的點(diǎn)j。以此方法整個(gè)光刻圖案(層19)可同時(shí)轉(zhuǎn)移而不是象用標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻時(shí)的情況順序地轉(zhuǎn)移至晶片-抗蝕劑組件上。并且，構(gòu)圖層19的橫向尺寸沒有基本限制，而這意味著可在一次暴露中處理整個(gè)晶片。如果最優(yōu)化電子-光系統(tǒng)連同平面電子發(fā)射器部件11電子投射分擋器，可得到的最小細(xì)節(jié)(“Mins-最少”)遠(yuǎn)小于0.15μm。此外，通過整個(gè)晶片同時(shí)暴露，使這種平面電子束光刻的產(chǎn)出量是很大的?？捎性S多平面電子光刻的其它布置，圖10中表示的布置是其中之一。
圖10中表示的實(shí)施例的一個(gè)可能的替代表示在圖9中。現(xiàn)在參看圖9，清楚地顯示一個(gè)與參看圖10的討論中相同的基本準(zhǔn)彈道電子發(fā)射器結(jié)構(gòu)。在圖9中表示的特定最佳實(shí)施例中，一個(gè)加速板7與電子閃爍器17結(jié)構(gòu)插入在平面電子發(fā)射器結(jié)構(gòu)1、2、19、4與晶片加光-抗蝕劑部分6之間。這種布置使平面電子投射系統(tǒng)能在真空(區(qū)域17、12與14構(gòu)成的所述電子發(fā)射器結(jié)構(gòu)的真空封裝)下連續(xù)工作(如果需要的話)，而待處理的晶片可放置在閃爍器17的上面。在真空工作給出一個(gè)更好的從發(fā)射表面至晶片的電子傳輸，且不必事先排空，增加了整個(gè)器件的產(chǎn)出量。如果圖9中指示的空氣間隙足夠小，由于可保持光的散射最少，可減小最小細(xì)節(jié)“Min-最小”的尺寸。
在現(xiàn)有技術(shù)節(jié)中提到的由本發(fā)明的一些發(fā)明者撰寫的出版物(H.Ahmed et al“微光刻討論會(huì)論文集”；Cavendish實(shí)驗(yàn)室，劍橋1989)中，在圖11、12、13與14中指明并實(shí)驗(yàn)論證了在實(shí)踐中如何進(jìn)行平面電子束光刻。公開了一個(gè)裝置“實(shí)驗(yàn)用1∶1電子投射分擋器”，并清楚地論證了它的性能滿足關(guān)于IC生產(chǎn)期間需要的光刻步驟的全部工業(yè)需要與要求。它的示意圖表示在圖11中。這里20是所述陰極-QB-Sem-陽極裝配(同圖10中表示的布置結(jié)構(gòu)中的零件1、2、19與4十分相似)，6是帶有沉積抗蝕層的晶片基底，21是X、Y位置桌面，最后22是一對在陰極-陽極裝配與晶片-X、Y桌面裝配之間建立均勻磁場的亥姆霍茲線圈。在這個(gè)特別布置中，陰極-QB-Sem-陽極裝配相對于晶片襯底為負(fù)偏置，晶片襯底保持接近地電位。發(fā)射的電子在建立的電場中從高的負(fù)電位向地加速。平行的電場與磁場以此方法形成一個(gè)1∶1電子-光投射系統(tǒng)，把從陰極-QB-Sem-陽極裝配22的底部表面上的一個(gè)特定點(diǎn)上出現(xiàn)的電子轉(zhuǎn)移至抗蝕劑層6內(nèi)的一個(gè)單點(diǎn)(參看圖10)。
所述實(shí)驗(yàn)用1∶1電子投射分擋器的總圖表示在圖12中，而一些晶片構(gòu)圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示在圖13與14中。試驗(yàn)了正的與負(fù)的抗蝕劑，在0.1秒數(shù)量級的典型暴露時(shí)間的情況下，可容易地得到的最小細(xì)節(jié)(圖8中尺寸“Min-最小”)在0.15μm范圍內(nèi)(圖13與14)。圖13中表示了整個(gè)被暴露與構(gòu)圖(反復(fù)的試驗(yàn)構(gòu)圖)硅襯底的一部分，圖14中表示了試驗(yàn)構(gòu)圖的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，清楚地證明了此原型儀器的0.15μm的最小細(xì)節(jié)能力。
例3．二維照明板由于根據(jù)本發(fā)明的平面電子發(fā)射器的結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、低功率損耗、低工作溫度及二維性質(zhì)，所述平面電子發(fā)射器可方便地用于二維(平面與非平面)的照明源。
一個(gè)這種可能的照明板示意表示在圖15與16中。這里平面電子發(fā)射器的基本結(jié)構(gòu)(陰極1,QB半導(dǎo)體2與陽極4用作平面電子源(當(dāng)在陰極與陽極之間施加一個(gè)合適的電壓時(shí))將電子射入自由空間FS)。這些電子在自由空間內(nèi)被加速電極7加速并進(jìn)入光發(fā)射層3。能使產(chǎn)生的光能從所述結(jié)構(gòu)逸出的光透明板13(通常為玻璃板)(連同板14與12)構(gòu)成整個(gè)裝配的真空封裝。
在另一個(gè)可能的布置中，省略了光發(fā)射層3而用合適的氣體與/或氣體混合物充滿自由空間FS，這時(shí)通過氣體電離與熒光產(chǎn)生需要的照明。上述平面照明板的典型尺寸在圖16中指出?！癉im1-尺寸1”-照明板厚度可容易地在1cm以下；“Dim2-尺寸2”可容易地為m數(shù)量級。
由于結(jié)構(gòu)簡單，本發(fā)明也可用于非平面(圖)二維照明源結(jié)構(gòu)中。這種照明源的一個(gè)可能的布置示意表示在圖17中。這里，陰極1、QB半導(dǎo)體2與陽極4為同心的圓柱形層。QB電子徑向射入自由空間FS，在經(jīng)加速板7加速后，它們進(jìn)入發(fā)光區(qū)域3。發(fā)光的光通過透明的(玻璃)外殼13逸出。在此布置中，也可省略發(fā)光層而用合適的發(fā)光氣體充滿自由空間。
例4．半導(dǎo)體元件與器件下面將只給出一個(gè)本發(fā)明在半導(dǎo)體元件/器件與集成電路制造領(lǐng)域內(nèi)的一些典型應(yīng)用的簡要介紹，這些必須只被看作為幾個(gè)說明例子，而決不應(yīng)將它們看作為對本發(fā)明在涉及的本領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用的一個(gè)限制。待舉出的例子從可使用本發(fā)明的4個(gè)不同的主要類型(A至D)的半導(dǎo)體元件/器件中選出。
在這些例子中，保留本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)(陰極，QB半導(dǎo)體與陽極)，盡管在某些應(yīng)用中只利用準(zhǔn)彈道電子在兩個(gè)電極之間的特性而不利用它們逸入自由空間FS(參看圖2)的能力。名稱“陰極”與“陽極”將不總是使用以試圖更多地使用半導(dǎo)體物理學(xué)的術(shù)語。這些QB半導(dǎo)體的電子傳輸特性同真空管中在陰極與陽極之間運(yùn)動(dòng)的電子的特性十分相似，只不過現(xiàn)在不需要真空。從陰極發(fā)射的電子在室溫下產(chǎn)生而討論的整個(gè)器材可制成亞微米尺寸。以此方法本發(fā)明綜合了真空管與全部現(xiàn)代固態(tài)半導(dǎo)體技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)。
例4AA類整流與電荷(信息)貯存此類半導(dǎo)體元件/器件包括雙極p-n、p-i-n二極管，晶體管及許多單極器件，例如MIS(金屬絕緣體半導(dǎo)體)二極管，CCD(電荷耦合器件)，MIS隧道二極管，MIS開關(guān)二極管，IMPATT(碰撞雪崩渡越時(shí)間)二極管與BARITT(勢壘注射與渡越時(shí)間)二極管以及其它有關(guān)的渡越時(shí)間器件。
例準(zhǔn)彈道肖特基二極管圖18是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型的快速平面肖特基勢壘二極管。圖中還顯示了描述一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)二極管36與一個(gè)QB半導(dǎo)體二極管37的等效RC電路36與37(參看US5627479與EP672257B1)。
現(xiàn)在參看圖18，二極管電流Idiode受耗盡電阻Rd控制，而Rd由耗盡區(qū)Wd的延伸確定。此耗盡區(qū)長度(寬度)Wd同肖特基電接觸之間施加的電壓Vso成指數(shù)關(guān)系。通過由Vso控制Wd得到整流作用，依次引起Rd的指數(shù)關(guān)系的強(qiáng)烈變化從而控制二極管電流Idiode(正向與反向的二極管電流)。由于在高電場下沒有電子速度飽和，因而在高頻應(yīng)用中不需要減小總尺寸L，尤其是耗盡區(qū)的前面與歐姆接觸之間的距離Lso。根據(jù)本發(fā)明的準(zhǔn)彈道肖特基二極管可在較高頻率下工作且其特征在于可通過在圖18的37中并聯(lián)Rqb與Lqb(準(zhǔn)彈道電子的動(dòng)態(tài)電感)而有較簡單的結(jié)構(gòu)與很低的功率損耗。
例4bB類光敏與發(fā)光器件這類半導(dǎo)體元件/器件包括LEDs(發(fā)光二極管)，光敏二極管，半導(dǎo)體激光器，雪崩二極管及用于光至信號轉(zhuǎn)換目的的其它光電導(dǎo)器件。
例準(zhǔn)彈道光敏二極管與準(zhǔn)彈道發(fā)光二極管圖19中表示一個(gè)簡化的能帶圖說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)準(zhǔn)彈道光敏二極管(A-標(biāo)記)、一個(gè)準(zhǔn)彈道發(fā)光二極管(B-標(biāo)記)與一個(gè)第一級信號檢測/放大/空間放大器件(C-標(biāo)記)的物理原理與一個(gè)可能的結(jié)構(gòu)(最佳實(shí)施例)。下面將依次討論這些器件。
準(zhǔn)彈道光敏二極管(圖19中過程A)光信號(進(jìn)入光)被吸收在陰極區(qū)域(表面S1與S2之間的區(qū)域-圖19)與位于接近表面S2的QB半導(dǎo)體內(nèi)的一個(gè)薄區(qū)域內(nèi)，以此過程形成許多電子-空穴對(圖19中標(biāo)記“Exc1”的過程)。然后光激勵(lì)的電子形成準(zhǔn)彈道電流Ibal，被加速并通過表面S5進(jìn)入雪崩倍增區(qū)域AMR。雪崩倍增過程AM導(dǎo)致一個(gè)放大的電流信號Ie與Ih。在某些應(yīng)用中可省略雪崩倍增區(qū)域AMR，來自光子-電子轉(zhuǎn)換的電信號(“Exc1”)通過產(chǎn)生的準(zhǔn)彈道電子的加速而得到充分放大。
根據(jù)本發(fā)明的所述準(zhǔn)彈道光敏二極管有高的量子效率與相對很低的功率損耗，因而當(dāng)需要二維光圖象(信號)檢測與處理時(shí)可以一個(gè)二維光傳感器陣列的形式制造。
準(zhǔn)彈道發(fā)光二極管(圖19中過程B)在發(fā)光二極管情況下，電信號(陰極與陽極之間的偏置電壓)如果需要也可時(shí)間調(diào)制(光-電子應(yīng)用)，控制進(jìn)入QB半導(dǎo)體區(qū)域QB-Sem的注射電子數(shù)量(圖19中過程“Exc2”)。在加速之后，當(dāng)通過QB-Sem區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些電子(圖19中電流Ibal)通過表面S5進(jìn)入發(fā)光區(qū)域(LER)并通過跨越能帶隙Eg的重新組合過程形成光子流(參看圖2與圖19中的過程B)。此光子流(如果陰極-陽極交流偏置電壓ΔQ(t)與時(shí)間有關(guān)，也可時(shí)間調(diào)制)最后注入自由空間FS。
當(dāng)電子注射過程“Exc2”具有足夠強(qiáng)度且發(fā)光區(qū)域LER(正常為重P摻雜)滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件時(shí)，上述器件將起準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體激光器的作用，具有低功率損耗、高效率并通?？墒钟行У赜糜诠?電子應(yīng)用，例如光纖信號傳輸與遠(yuǎn)程通訊。
光圖象檢測與處理(圖19中過程c)在某些應(yīng)用中，以電子-光方式處理通過過程“Exc1”與/或過程“Exc2”形成的準(zhǔn)彈道電流Ibal將是必要的與/或有利的。在這種情況下，界面S5與S3之間的區(qū)域正好是準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體區(qū)域QB-Sem的延續(xù)部分，如圖19中所示。在穿過陽極區(qū)域之后，這些準(zhǔn)彈道電子通過表面S4射入空間FS作為可進(jìn)行電子-光處理的電子發(fā)射電流Iem.例4d中將描述一個(gè)這種類型的器件。
例4cC類放大與固定存貯器本發(fā)明在此類半導(dǎo)體元件/器件中的應(yīng)用也包括雙極晶體管與雙極單結(jié)晶體管，連同許多單極元件與器件，包括EFTs(金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、MOSFETs(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)與固定存貯器。此類中與本發(fā)明特別有關(guān)聯(lián)的是隧道晶體管、TEDs(轉(zhuǎn)移電子器件)與其它彈道(熱電子)晶體管與/或器件。
例準(zhǔn)彈道晶體管圖20是一個(gè)典型的平面金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)示意圖。源極與漏極之間的電流Id受電壓Vg通過改變有效耗盡區(qū)寬度Wd(Vd)控制?！癮”是襯底半導(dǎo)體SEM的電有效部分，“L”是導(dǎo)電溝道長度，“L”是器件的寬度。當(dāng)要求快速性能時(shí)，溝道長度必須足夠縮短(＜1.5μm)而典型的工作電壓Vds建立源極與漏極之間的高電場。這時(shí)電荷(電子)速度變?yōu)轱柡?達(dá)到與電場有關(guān)的遷移率范圍)，而這將限制所述器件的工作速度。
為使論述簡單與清楚起見，即使如圖20中所示的所述MESFET晶體管的幾何設(shè)計(jì)保持相同，當(dāng)這種MOSFET晶體管按本發(fā)明構(gòu)造時(shí)，上面提到的2個(gè)設(shè)計(jì)約束(小的幾何尺寸與電子速度飽和)將不存在。給出如圖20中所示的器件構(gòu)成，這包括單純由準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體QB-Sem取代標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體襯底Sem(參看圖20)。
根據(jù)本發(fā)明并在圖20中表示的MESFET器件，其特征不僅在于快速響應(yīng)(高頻響應(yīng))，而且在于很低的功率損耗，因?yàn)樵礃O-漏極電流Id為準(zhǔn)彈道性質(zhì)。
這里必須再次強(qiáng)調(diào)，圖20中表示的MESFET晶體管的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)只是放大/開關(guān)器件的大量可能中的一個(gè)。由于本發(fā)明的性質(zhì)，其它更佳的設(shè)計(jì)是可能的并應(yīng)當(dāng)理解，這些設(shè)計(jì)將吸收真空管的某些設(shè)計(jì)特點(diǎn)(參看上述K.W.Boer的出版物第1237頁)。
對于此類內(nèi)根據(jù)本發(fā)明的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、固定存貯器MOSFETs與其它器件的結(jié)構(gòu)，有與上面對MESFET晶體管討論中相同的與/或十分相似的論據(jù)。所有這些器件的特征在于設(shè)計(jì)簡單、堅(jiān)固耐用、高響應(yīng)速度與很低的功率損耗。
例4dD類光圖象的檢測、形成與處理由于本發(fā)明的二維性質(zhì)，可進(jìn)行大面積的光信號的檢測、轉(zhuǎn)換與處理。以電磁場輻射為例，本發(fā)明可用于許多方面·將記錄的電信號(電記錄的光圖象)轉(zhuǎn)換回二維圖象/信號(準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體場發(fā)射平板顯示器-參看例1)。
·將二維光圖象轉(zhuǎn)換為電信號(準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體攝象機(jī))。
·二維光圖象檢測，結(jié)果電信號放大，繼之以二維光圖象空間放大及最后二維光圖象記錄。這種光圖象處理的結(jié)果仍是原始的二維光圖象，但對比度/亮度放大且空間放大。
后兩個(gè)方面在光圖象檢測、形成與處理中都使用電磁場輻射的二維檢測陣列。這包括可粗略地定義為本發(fā)明的兩個(gè)基本應(yīng)用a)準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體攝象機(jī)(二維光圖象/信號至電信號序列的轉(zhuǎn)換)。
b)一個(gè)用于二維光圖象/信號的亮度/對比度放大與空間放大的系統(tǒng)。
本段中將敘述QB半導(dǎo)體攝象機(jī)a)與光圖象/信號處理b)的一個(gè)簡要說明。為簡單與清楚起見，在說明這二個(gè)應(yīng)用時(shí)，假定光信號采取由來自電磁輻射頻譜的可見部分內(nèi)的光子形成的二維圖象形式。當(dāng)然無論如何不能把這個(gè)假定看作是對于本發(fā)明及它在此類應(yīng)用中應(yīng)用的一個(gè)限制因素。待檢測/處理的光信號很可能由來自電磁輻射頻譜的其它部分內(nèi)的光子形成，它也可能是一個(gè)由其它粒子形成的信號。光圖象的空間尺寸也可從0至3變化。最后，下面提供本發(fā)明的2個(gè)應(yīng)用例子的特征，純粹用于說明/講授目的，不能把它們看作是對本發(fā)明在此領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的一個(gè)限制因素。
a)準(zhǔn)彈道半導(dǎo)體攝象機(jī)圖21是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)用于檢測與記錄二維光信號/圖象器件的示意圖。在此最佳實(shí)施例中，QB半導(dǎo)體夾在陰極1與陽極4之間。2個(gè)電極都按類似于圖5中所示的X、Y構(gòu)圖的方法構(gòu)圖。金屬陰極、QB半導(dǎo)體與陽極構(gòu)成一個(gè)肖特基勢壘光敏二極管的二維陣列，它能被逐一地與順序地尋址，如圖5中所示(象素二極管i,j-接通)。
光圖象圍繞表面S2形成，經(jīng)過轉(zhuǎn)換與處理，借助于所述器件，以下列方法確定電信號的時(shí)序形成光(電子)的光圖象進(jìn)入圖21表示的所述結(jié)構(gòu)通過合適的色彩過濾器R(紅色)、Y(黃色)與B(蘭色)，然后被吸收在包括陰極-QB半導(dǎo)體界面與QB半導(dǎo)體耗盡區(qū)的區(qū)域內(nèi)，在這個(gè)過程中產(chǎn)生許多電子-空穴對。
通過在陰極條“i”與陽極條“j”之間施加合適的電壓“接通”一個(gè)特定的象素二極管(i,j)(圖21中帶有黃色過濾器“Y”的二極管)，產(chǎn)生的準(zhǔn)彈道電子在QB半導(dǎo)體區(qū)域QB-Sem(圖21)內(nèi)被加速，且如果需要的話可進(jìn)一步由雪崩倍增區(qū)域AMR(圖21)內(nèi)的雪崩倍增作用加以放大。由此得到的電流脈沖形成電子信號，該電子信號與碰撞在圖21中所示的象素(i,j)上的“黃色”光子的光強(qiáng)度有關(guān)。
所述器件(QB半導(dǎo)體攝象機(jī))的總厚度(Dim2-尺寸2)在幾個(gè)mm范圍內(nèi)，而所述器件的有效面積(橫向尺寸Dim1-尺寸1)在現(xiàn)代技術(shù)下可達(dá)約30cm數(shù)量級。高量子效率、高空間分辨率、堅(jiān)固耐用與結(jié)構(gòu)簡單正是根據(jù)本發(fā)明提出的器件的幾個(gè)有吸引力的特點(diǎn)。
b)光信號/圖象處理器件在許多應(yīng)用(例如無文物理學(xué)、紅外圖象及其它)中，必須檢測、處理與記錄十分微弱的二維光圖象，并帶有關(guān)于高空間分辨率/放大與/或關(guān)于可提取的光譜信息的附加要求。滿足這些要求的根據(jù)本發(fā)明的可能的裝置之一示意表示在圖22中。它包括兩部分，部分A是二維光圖象/信號放大部分，而部分B是二維光圖象/信號的空間放大部分。
在初級光圖象平面25內(nèi)形成光圖象的進(jìn)入光子被吸收在陰極、界面S2與QB半導(dǎo)體耗盡區(qū)的區(qū)域內(nèi)，如圖21中示意表示，以此方法產(chǎn)生許多電子-空穴對。其數(shù)目取決于進(jìn)入光子的能量(能譜信息)與進(jìn)入光子的數(shù)目(信號強(qiáng)度信息)。初級光圖象平面內(nèi)產(chǎn)生的準(zhǔn)彈道電子在QB半導(dǎo)體區(qū)域QB-Sem內(nèi)被加速(一次放大)，并由于它們的特性它們能通過表面S4而離開基本平面電子發(fā)射器結(jié)構(gòu)(陰極，QB半導(dǎo)體與陽極)。與此同時(shí)它們同樣以此方法在初級光圖象平面內(nèi)形成一個(gè)原始光圖象的電子-光圖象。
在這個(gè)光子至電子的轉(zhuǎn)換(光子進(jìn)入-電子空穴對輸出)與一次放大(產(chǎn)生的電子在QB-Sem區(qū)域內(nèi)加速)之后，得到的在表面S4的平面內(nèi)形成的電子-光圖象可通過合適的電子透鏡(未表示)作進(jìn)一步處理。它借助于加速電極進(jìn)一步放大(二次放大)，且如果需要的話，還可進(jìn)行空間放大(電子-光一次空間放大)。
這個(gè)經(jīng)空間放大與光強(qiáng)度放大的電子-光圖象借助一個(gè)合適的電子閃爍器17往回轉(zhuǎn)換至二級光圖象。然后此二級光圖象的平面26變?yōu)樽詈蟮墓夥糯笙到y(tǒng)29的目標(biāo)平面以保證原始光圖象的二次空間放大。在部分A內(nèi)經(jīng)過信號/強(qiáng)度放大與在29內(nèi)經(jīng)過空間放大的最后光圖象在最后光圖象平面27上形成，準(zhǔn)備好由合適的光記錄器件28(攝象板或CCD)進(jìn)行記錄。取決于要求的空間分辨率，整個(gè)裝配(部分A與部分B)可在初級光圖象平面內(nèi)橫向移動(dòng)。
最后應(yīng)指出由于構(gòu)成器件的部分A底部的基本平面電子發(fā)射器的特性，所述平面電子發(fā)射器連同在自由空間區(qū)域FS內(nèi)的電子-光部分可用作一個(gè)分光鏡器件，提取關(guān)于初始光圖象內(nèi)光子能譜的必要信息。
例5．光致電壓應(yīng)用由于準(zhǔn)彈道電子很少的非彈性散射與很低的重新結(jié)合率，根據(jù)本發(fā)明的肖特基勢壘二極管是一種高效的光電導(dǎo)體，它在光致電壓應(yīng)用中的用途是顯而易見的。圖23中示意表示根據(jù)本發(fā)明的太陽電池的可能的結(jié)構(gòu)之一。
所述器件由QB半導(dǎo)體層2夾在2個(gè)電極-陰極1與陽極4之間構(gòu)成。陰極與QB半導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)肖特基整流接觸，而陽極與QB半導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)歐姆接觸。當(dāng)以此方法(使用一個(gè)P型QB-Sem)構(gòu)造時(shí)，因?yàn)榻?dòng)態(tài)熱平衡而發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移引起的所述器件內(nèi)的內(nèi)部電場E(X)，具有圖23下部分表示的分布圖形。
日光從左邊(圖23)進(jìn)入所述器件(根據(jù)本發(fā)明的太陽電池)通過陰極而被吸收在結(jié)構(gòu)內(nèi)，每個(gè)進(jìn)入的光子產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對?？臻g上分開的吸收過程可分為3類。過程D是在陰極與QB半導(dǎo)體之間的界面處電子-空穴對的產(chǎn)生過程。過程E是在QB半導(dǎo)體的耗盡區(qū)內(nèi)電子-空穴對的產(chǎn)生過程而過程F描述在QB半導(dǎo)體基本部分(內(nèi)電場為0的QB-Sem區(qū)域)內(nèi)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對的過程。由于在QB半導(dǎo)體內(nèi)存在準(zhǔn)彈道軌道，QB半導(dǎo)體的耗盡區(qū)內(nèi)特別產(chǎn)生的電子的大多數(shù)將被耗盡區(qū)Wd內(nèi)存在的內(nèi)部電場向陽極方向加速而不重新結(jié)合與/或非彈性散射。這個(gè)效應(yīng)明顯地提高了所述太陽電池的量子效率。通過使有效部分范圍延伸最小與適當(dāng)選擇陰極材料(例如透明導(dǎo)電的氧化錫)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的太陽電池提供一個(gè)具有大的有效面積的效率很高、結(jié)構(gòu)簡單與堅(jiān)固耐用的光至電能的轉(zhuǎn)換器材。
例6．電子冷發(fā)射顯微鏡在使用這里稱為電子冷發(fā)射顯微鏡(ECCM)進(jìn)行“未摻雜”半導(dǎo)體晶片中的缺陷與/或弱點(diǎn)探查的領(lǐng)域內(nèi)有一個(gè)潛在的十分重要的本發(fā)明的應(yīng)用。參看圖24討論這個(gè)器件。
在標(biāo)準(zhǔn)的電子發(fā)射顯微鏡中，待探查的樣品被加熱至當(dāng)熱電子發(fā)射變?yōu)榇_定時(shí)的溫度。這些電子通過一個(gè)表面脫離樣品，接著經(jīng)過電子-光處理以形成一個(gè)高空間分辨率的部分表面(通過它電子射入真空)的電子光圖象。但是，由這類電子顯微鏡能提取的關(guān)于受探查樣品的信息局限于表面與正好在表面下的幾個(gè)單層材料。這是因?yàn)樵谶@些條件下電子(具有足夠能量以逸入真空)的平均自由程是極小的(遠(yuǎn)小于50埃)。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法提出的方案中，通過表面S3離開樣品(圖24中的QB-Sem區(qū)域)的電子已在表面S2處射入所述QB半導(dǎo)體，因而它們沿它們的整個(gè)準(zhǔn)彈道軌道載有關(guān)于樣品內(nèi)樣品狀態(tài)的信息。任何暇疵與/或缺陷(這些可能是一維、二維與/或三維多種形式)將引起電子的散射(與接著引起電子的熱化)而離開它們的準(zhǔn)彈道軌道。這將在電子-光圖象平面上產(chǎn)生一個(gè)投射式的對照。
圖24中示意表示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的所述電子冷發(fā)射顯微鏡的可能的最佳實(shí)施例。在這種情況下同樣保留本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)(陰極，QB半導(dǎo)體，陽極-參看圖1與2)，只是這時(shí)所述基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)待探查的樣品。而且如果QB半導(dǎo)體內(nèi)能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的電場且電子能通過表面S2射入QB半導(dǎo)體的話，實(shí)際上不需要面向QB半導(dǎo)體表面S2與S3的金屬電極。在這種配置下可無接觸地進(jìn)行未摻雜缺陷質(zhì)量控制的全過程。這些注射電子沿它們的直線準(zhǔn)彈道軌道運(yùn)動(dòng)，而那些未被暇疵、雜質(zhì)、缺陷與/或其它不規(guī)則物偏轉(zhuǎn)的電子將最后通過QB半導(dǎo)體表面S3射入真空。這些電子的表面密度、它們的能量與它們的發(fā)射角度是與精確的準(zhǔn)彈道電子同表面S2、同沿它們軌道的QB半導(dǎo)體基本部分及同表面S3的相互作用有關(guān)的參數(shù)(數(shù)量)。
然后由標(biāo)準(zhǔn)電子透鏡34處理經(jīng)表面S4的區(qū)段32射入的電子以形成在電子-光圖象平面30內(nèi)所述區(qū)段的高空間分辨率(經(jīng)放大)的電子-光圖象33。
通過將QB半導(dǎo)體放置在一個(gè)高精度的X、Y臺上，可以此方法探查整個(gè)晶片達(dá)到一個(gè)典型的掃描電子顯微鏡的10至50埃的標(biāo)準(zhǔn)分辨率。
例7．普通電子束源雖然本發(fā)明(平面電子發(fā)射器)的主要目標(biāo)在于需要與/或從所述發(fā)明的二維性質(zhì)得利的應(yīng)用，本發(fā)明的特征(例如低的功率損耗，簡單的結(jié)構(gòu)，高的電子發(fā)射電流密度與室溫工作)使本發(fā)明在更標(biāo)準(zhǔn)的電子束源中的使用同樣十分有吸引力?？扇菀椎刂圃禳c(diǎn)狀的、構(gòu)圖的、準(zhǔn)平面和普通形狀的電子源，這里將它們稱之為“冷肖特基陰極”。它們的典型用途為用作陰極射線管(CRT)、X射線管、電子顯微鏡的電子源，包括用作蒸發(fā)、焊接、顯象與可能的其它電子束應(yīng)用的電子槍。
由于所有這些應(yīng)用被看作為本發(fā)明的普通應(yīng)用，又因?yàn)樗鼈円褳楸娝苤?，且已在現(xiàn)有技術(shù)節(jié)中描述。因此這里將不作更詳細(xì)的討論。
權(quán)利要求
1．一種制品包括-一個(gè)具有第一與第二表面的元件，其中-第一表面適于保持一種第一電荷，而其中第二表面適于保持一種第二電荷，第一表面與第二表面基本平行，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在該材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供一個(gè)橫越至少一部分元件的電場的裝置，所述裝置包括-向元件的第一表面提供第一電荷的裝置，與-向元件的第二表面提供第二電荷的裝置，第二電荷與第一電荷不同，以便沿基本垂直于第一或第二表面的方向移動(dòng)電子。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述材料或材料系統(tǒng)包括半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的制品，其中所述材料或材料系統(tǒng)的制備包括用摻雜劑對該材料或材料系統(tǒng)摻雜，以便得到一個(gè)預(yù)定的摻雜水平。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的制品，其中摻雜劑包括磷、鋰、銻、砷、硼、鋁、鉭、鎵、銦、鉍、硅、鍺、硫、錫、碲、硒、碳、鈹、鎂、鋅或鎘或它們的任何組合。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的制品，其中預(yù)定的摻雜水平低于1×1018cm-3，例如低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
6．根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的制品，其中向第一表面提供第一電荷的裝置包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)。
7．根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的制品，其中向第二表面提供第二電荷的裝置包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)。
8．根據(jù)權(quán)利要求6的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第二表面與一個(gè)電荷貯存器的第一端子有效連接，并且其中第一表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第一表面直接接觸。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第一表面與電荷貯存器的第二端子有效連接，并且其中第二表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第二表面直接接觸。
10．根據(jù)權(quán)利要求6-9中任一項(xiàng)的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金屬或摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體材料。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金、鉻、鉑、鋁、銅、銫、銣、鍶、銦、鐠、釤、釔、鈁或銪或它們的任何組合。
12．根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)的制品，其中電子包括準(zhǔn)彈道電子。
13．一種提供第一類電子的方法，所述方法包括步驟-提供一個(gè)具有第一與第二表面的元件，其中-第一表面適于保持一種第一電荷，而其中第二表面適于保持一種第二電荷，第一表面與第二表面基本平行，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供向元件的第一表面提供第一電荷的裝置，及-提供向元件的第二表面提供第二電荷的裝置，第二電荷與第一電荷不同，以便沿基本垂直于第一或第二表面的方向移動(dòng)第二類電子。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述材料或材料系統(tǒng)包括半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
15．根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其中所述材料或料系統(tǒng)的植被包括用摻雜劑對該材料或材料系統(tǒng)摻雜以便得到一個(gè)預(yù)定的摻雜水平。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中摻雜劑包括磷、鋰、銻、砷、硼、鋁、鋰、鎵、銦、鉍、硅、鍺、硫、錫、碲、硒、碳、鈹、鎂、鋅或鎘或它們的任何組合。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中預(yù)定的摻雜水平低于1×1018cm-3，例于低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
18．根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)的方法，其中向第一表面提供第一電荷的裝置包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)。
19．根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)的方法，其中向第二表面提供第二電荷的裝置包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)。
20．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中至少部分地導(dǎo)電的第一或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第二表面與一個(gè)電荷貯存器的第一端子有效連接，并且其中第一表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第一表面直接接觸。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第一表面與電荷貯存器的第二端子有效連接，并且其中第二表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第二表面直接接觸。
22．根據(jù)權(quán)利要求20或21的方法，共中電荷貯存器的第一與第二端子之間的電位差高于2伏特。
23．根據(jù)權(quán)利要求18-21中任一項(xiàng)的方法，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金屬或摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金、鉻、鉑、鋁、銅、銫、銣、鍶、銦、鐠、釤、釔、鈁或銪或它們的任何組合。
25．根據(jù)權(quán)利要求13-24中任一項(xiàng)的方法，其中第二類電子包括準(zhǔn)彈道電子。
26．一種制造一種制品的方法，所述方法包括步驟-提供一個(gè)具有第一與第二表面的半導(dǎo)體材料或材料系統(tǒng)，第二表面與第一表面基本平行，該半導(dǎo)體材料或材料系統(tǒng)具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供對第一與第二表面的表面處理以便降低表面粗糙度，-用一種摻雜劑對該半導(dǎo)體材料或材料系統(tǒng)摻雜以便得到一個(gè)預(yù)定的摻雜水平從而減少在該材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，-提供一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)，所述第一材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第二表面與一個(gè)電荷貯存器的第一端子有效連接，并且其中第一表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第一表面直接接觸，及-提供一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)，所述第二材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第一表面與電荷貯存器的第二端子有效連接，并且其中第二表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第二表面直接接觸。
27．根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述半導(dǎo)體材料包括硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
28．根據(jù)權(quán)利要求26或27的方法，其中預(yù)定的晶體取向?yàn)?amp;lt;111>、<110>或<100>方向。
29．根據(jù)權(quán)利要求26-28中任一項(xiàng)的方法，其中表面處理包括光學(xué)拋光。
30．根據(jù)權(quán)利要求26-29中任一項(xiàng)的方法，其中摻雜劑包括鋰、磷、銻、砷、硼、鋁、鉭、鎵或銦或它們的任何組合。
31．根據(jù)權(quán)利要求26-30中任一項(xiàng)的方法，其中預(yù)定的摻雜水平低于1×1018cm-3，例于低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
32．根據(jù)權(quán)利要求26-31中任一項(xiàng)的方法，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金屬或摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體材料。
33．根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金、鉑、鉻、鋁或銅或它們的任何組合。
34．一種平板顯示器包括-一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)的制品，此制品還包括-一個(gè)適于當(dāng)暴露于電子中時(shí)發(fā)射多種波長光的材料層，所述材料層在一個(gè)基本平行于元件的第一與第二表面的平面內(nèi)確定一個(gè)有一個(gè)或多個(gè)表面元件的二維矩陣，每個(gè)表面元件適于發(fā)射一種預(yù)定波長的光，及-用于選擇地向二維矩陣中的一個(gè)或多個(gè)表面元件提供電子的裝置。
35．根據(jù)權(quán)利要求34的平板顯示器，其中發(fā)射多個(gè)波長光的材料層包括合適的發(fā)光體或標(biāo)準(zhǔn)彩色電視熒光物質(zhì)。
36．根據(jù)權(quán)利要求34或35的平板顯示器，其中發(fā)射的光包括對應(yīng)于至少三種顏色的三種波長。
37．根據(jù)權(quán)利要求36的平板顯示器，其中任何顏色可由所述材料層發(fā)射的至少三種顏色的組合導(dǎo)出。
38．根據(jù)權(quán)利要求34-37中任一項(xiàng)的平板顯示器，其中發(fā)射的波長對應(yīng)于紅色、黃色與蘭色，或?qū)?yīng)于紅色、綠色與蘭色。
39．根據(jù)權(quán)利要求34-38中任一項(xiàng)的平板顯示器，其中電子包括準(zhǔn)彈道電子。
40．根據(jù)權(quán)利要求34-39中任一項(xiàng)的平板顯示器，其中選擇的裝置包括一個(gè)圖案以便在一個(gè)基本平行于第一或第二表面的平面內(nèi)確定一個(gè)電可控矩陣元件的二維矩陣，所述圖案由至少部分地導(dǎo)電的材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成。
41．一種將薄膜暴露于許多第一類電子中的方法，所述方法包括步驟-提供一個(gè)具有第一與第二表面的第一元件，其中-第一表面適于保持一種第一電荷，而其中第二表面適于保持一種第二電荷，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供一個(gè)第二元件，所述第二元件適于保持被暴露于許多第一類電子中的薄膜，-提供一個(gè)經(jīng)構(gòu)圖的吸收層，所述吸收層適于吸收在圖案確定的位置傳輸通過第一元件的電子，-向第一元件的第一表面提供第一電荷，與-向第一元件的第二表面提供第二電荷，第二電荷具有與第一電荷相反的符號以便從第一表面向第二表面移動(dòng)第二類電子，及-向第二元件提供一種第三電荷，所述第三電荷具有與第二電荷相同的符號。
42．根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述材料或材料系統(tǒng)包括半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
43．根據(jù)權(quán)利要求41或42的方法，其中所述材料或材料系統(tǒng)的植被包括用摻雜劑對此材料或材料系統(tǒng)摻雜以便得到一個(gè)預(yù)定的摻雜水平。
44．根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中摻雜劑包括磷、鋰、銻、砷、硼、鋁、鉭、鎵、銦、鉍、硅、鍺、硫、錫、碲、硒、碳、鈹、鎂、鋅或鎘或它們的任何組合。
45．根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中預(yù)定的摻雜水平低于1×1018cm-3，例于低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
46．根據(jù)權(quán)利要求41-45中任一項(xiàng)的方法，其中由電荷貯存器的第一端子向第一元件的第一表面提供第一電荷。
47．根據(jù)權(quán)利要求41-45中任一項(xiàng)的方法，其中由電荷貯存器的第二端子向第一元件的第二表面提供第二電荷。
48．根據(jù)權(quán)利要求41-44中任一項(xiàng)的方法，其中由電荷貯存器的第三端子向第二元件提供第三電荷。
49．根據(jù)權(quán)利要求46或47的方法，其中電荷貯存器的第一與第二端子之間的電位差高于2伏特。
50．根據(jù)權(quán)利要求41-49中任一項(xiàng)的方法，其中第二元件包括金屬或半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
51．根據(jù)權(quán)利要求41-50中任一項(xiàng)的方法，其中薄膜包括抗蝕劑。
52．根據(jù)權(quán)利要求41-51中任一項(xiàng)的方法，其中第二類電子包括準(zhǔn)彈道電子。
53．一種制品包括-一個(gè)具有第一與第二表面區(qū)域的元件，其中-第一表面區(qū)域適于保持一種第一電荷，而其中第二表面區(qū)域適于保持一種第二電荷，以及其中-該元件包括一種材料或材料系統(tǒng)，制備成使得減少在此材料或材料系統(tǒng)內(nèi)的電子散射，并具有一個(gè)預(yù)定的垂直于第一或第二表面的晶體取向，-提供一個(gè)橫越至少一部分元件的電場的裝置，所述裝置包括-向元件的第一表面區(qū)域提供第一電荷的裝置，及-向元件的第二表面區(qū)域提供第二電荷的裝置，第二電荷與第一電荷不同，以便移動(dòng)第一表面區(qū)域與第二表面區(qū)域之間的電子。
54．根據(jù)權(quán)利要求53的制品，其中所述材料或材料系統(tǒng)包括半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化銦、銻化銦、砷化銦、砷化鋁、碲化鋅或氮化硅或它們的任何組合。
55．根據(jù)權(quán)利要求53或54的制品，其中所述材料或材料系統(tǒng)的制備包括用摻雜劑對該材料或材料系統(tǒng)摻雜以便得到一個(gè)預(yù)定的摻雜水平。
56．根據(jù)權(quán)利要求55的制品，其中摻雜劑包括磷、鋰、銻、砷、硼、鋁、鉭、鎵、銦、鉍、硅、鍺、硫、錫、碲、硒、碳、鈹、鎂、鋅或鎘或它們的任何組俁。
57．根據(jù)權(quán)利要求55的制品，其中預(yù)定的摻雜水平低于1×1018cm-3，例于低于1×1016cm-3，例如低于1×1014cm-3，例如低于1×1013cm-3，例如低于1×1012cm-3。
58．根據(jù)權(quán)利要求53-57中任一項(xiàng)的制品，其中向第一表面提供第一電荷的裝置包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)。
59．根據(jù)權(quán)利要求53-57中任一項(xiàng)的制品，其中向第二表面提供第二電荷的裝置包括一個(gè)至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)。
60．根據(jù)權(quán)利要求58的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第一材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第二表面與一個(gè)電荷貯存器的第一端子有效連接，并且其中第一表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第一表面直接接觸。
61．根據(jù)權(quán)利要求59的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第二材料或材料系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有第一與第二表面的層，其中第一表面與電荷存貯器的第二端子有效連接，并且其中第二表面與元件的材料或材料系統(tǒng)的第二表面直接接觸。
62．根據(jù)權(quán)利要求57-60中任一項(xiàng)的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金屬或摻雜水平高于1×1017cm-3的高摻雜半導(dǎo)體。
63．根據(jù)權(quán)利要求61的制品，其中至少部分地導(dǎo)電的第一與第二材料或材料系統(tǒng)包括金、鉻、鉑、鋁、銅、銫、銣、鍶、銦、鐠、釤、釔、鈁或銪或它們的任何組合。
64．根據(jù)權(quán)利要求53-63中任一項(xiàng)的制品，其中所述電子包括準(zhǔn)彈道電子。
全文摘要
公開一種以電子的準(zhǔn)彈道傳輸?shù)拇嬖跒榛A(chǔ)的平面電子發(fā)射器。在它的最佳實(shí)施例中平面電子發(fā)射器包括有確定間隙的純半導(dǎo)體或絕緣體,所述具有肉眼可見厚度(約1mm)的體由2個(gè)平行表面限定并帶有一組沉積/生長在所述2個(gè)自由表面上的2個(gè)電極,使當(dāng)一個(gè)低的外部電場(約100v/cm)施加在包括2個(gè)電極及夾在它們中間的所述半導(dǎo)體或絕緣體的結(jié)構(gòu)上時(shí),從帶負(fù)電荷電極(陰極)射入所述半導(dǎo)體或絕緣體的大部分電子為準(zhǔn)彈道性質(zhì),即這部分射入電子在所述半導(dǎo)體或絕緣體內(nèi)被加速而不遭受任何明顯的非彈性能量損耗,因而在帶正電荷電極(陽極)處得到足夠的能量與合適的動(dòng)量使能穿過所述陽極而從所述結(jié)構(gòu)逸入空間(真空),所述半導(dǎo)體或絕緣體包括一種具有一個(gè)預(yù)定的晶體取向的材料或材料系統(tǒng)。
文檔編號H01L31/10GK1305636SQ9980724
公開日2001年7月25日 申請日期1999年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月11日
發(fā)明者彼得·維斯科爾, 尼爾斯·奧勒·尼爾森, 阿明·德隆, 弗拉迪米爾·科拉里克 申請人:彼得·維斯科爾, 尼爾斯·奧勒·尼爾森, 阿明·德隆, 弗拉迪米爾·科拉里克