[发明专利]平面电子发射器(PEE)

说明书

本发明涉及一种使用半导体或绝缘体基底当暴露于低电场中时产生并传导准弹道电子的新方法。这个方法将使可能在所述半导体或绝缘体内加速电子而不会遭到任何明显的非弹性能量损耗。其主要实施例将是例如在平板显示器与平面电子束光刻中的平面电子发射器。

在各种应用领域中使用所述(公开的)平面电子发射器的许多装置也被公开，同时也申请对所述装置的优先权。

本发明涉及在高电阻半导体或绝缘体内当暴露于低电场(约100V/cm)中时电子的准弹道传输。准弹道传输的意思是电子散射减至最少以致电子平均自由程成为肉眼可见。这种效应至今只是在当很高电场施加于很短距离范围内时与/或半导体冷却至很低温度时在半导体内才检测到。后面将称呼一种具有上述特性的半导体或绝缘体材料为准弹道半导体或称QB-Sem。

准弹道传输的利用可通过多种途径。在本申请中这些将分为两个主要领域：

1．电子传输半导体：在此领域内其特征性能为准弹道电子在材料内的传输性能，与

2．电子源，在此领域内其特征性能为从衬底发射准弹道电子的性能。

相关的现有技术未曾提及高电阻率半导体或绝缘体内的弹道电子，也未提及当暴露于高电场中时的弹道电子。这个事实是由于对半导体内准弹道传输的普通见解造成的结果。高阻材料准弹道传输的可能性是违反直觉的，因而至今尚未探索。对此类弹道传输的基本物理性质的理解是，只要施加的电场E在欧姆范围(活动电荷载体的密度与电荷迁移率为恒定且与电场E无关)内，而且所述半导体或绝缘体材料的厚度大于活动电荷载体的平均自由程(最好为约1000-2000埃(10^-10m)数量级)时，这时来自弹道电子的电流分量小到微不足道，导致电子发射电流基本为零值。(作为参考，参看S.M.Sze：半导体器件物理；John wiley1981或K.W.Boer：半导体物理综述，第Ⅱ卷；Van Notrand Reinhold1992)。

1．电子传输半导体

电子在高电阻率半导体或绝缘体内当暴露于低电场(约100V/cm)中时的准弹道传输，是一种可不同程度地用于任何半导体元件或器件的性能。

半导体元件与器件包括广阔的应用与专利范围，此范围内的参考资料是大量的。它制成4种应用类型，每一类带有产品的例子。

·A类：整流与电荷(信息)贮存

此类半导体元件/器件包括肖特基势垒二极管(US5627479与EP672257B1)，双极p-n、p-i-n二极管、晶体管以及许多单极器件，例如MIS(金属-绝缘体-半导体)二极管，CCD(电荷耦合器件)，MIS隧道二极管，MIS开关二极管，IMPATT(碰撞雪崩渡越时间)二极管与BARITT(势垒注射与渡越时间)二极管及其它有关的渡越时间器件。

·B类：光敏与发光器件

此类半导体元件/器件其中包括LEDs(发光二极管)，光敏二极管，半导体激光器，雪崩二极管及其它用于光电信号转换目的的光电导器件。

·C类：放大与固定存贮

本发明在此类半导体元件/器件方面的应用包括双极晶体管与双极单结晶体管，连同许多单极元件与器件，包括FETs(场效应晶体管)，JFETs(结型场效应晶体管)，MESFETs(金属半导体场效应晶体管)，MOSFETs(金属氧化物场效应晶体管)与固定存贮器。在此类中与本发明特别有关的是隧道晶体管，TEDs(传输电子器件)及其它弹道(热电子)晶体管与/或器件。

·D类：光图象的检测、形成与处理

半导体摄象机，电信号至二维光图象/信号的转换，二光图象/信号亮度/对比度放大与空间放大。

弹道电子器件或者称为热电子器件以前已有人提出过(作为例子参看S.M.Sze：半导体器件物理；John Wiley 1981第184页，与K.W.Boer：半导体物理综述，第Ⅱ卷；Wan Nostrond Reinhold 1992第1265与1247页)，但提出的结构生产费用高且不可靠，要求极小的尺寸(100埃数量级)与高电场。

2．电子源

本发明涉及一种称为“电子源”的普通类型，更具体地说涉及一种称为“平面电子源”子类的电子器件。所有这些器件提供一束能运动通过真空区并可用于各种技术应用的电子。