L'invention concerne ainsi le domaine des sources d'électrons, qui sont utilisées pour former des faisceaux électroniques dans divers systèmes électroniques ou optoélectroniques tels que par exemple les tubes à rayons cathodiques, les écrans plats, les systèmes de lithographie électronique, les amplificateurs hyperfréquence tel que les klystrons...

D'une manière simplifiée, et comme représenté schématiquement sur la figure 1, une source 1 d'électrons comporte une cathode 2 et une anode 3, situées à distance l'une de l'autre, et entre lesquelles règne un vide 4 plus ou moins poussé. Une source de polarisation 5 permet de placer l'anode et la cathode à un potentiel relatif donné, créant un champ électrique externe Fe.

La cathode est le dispositif d'émission des électrons. Sa structure doit lui permettre d'assurer la fonction d'injecteur d'électrons, et d'émetteur d'électrons dans le vide, hors du matériau de la cathode, en vue d'obtenir, vers l'anode, un flux constant d'électrons. L'anode 3 extrait les électrons de la cathode par l'intermédiaire du champ électrique Fe.

Dans l'invention, on s'intéresse à un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons.

Des dispositifs semi-conducteurs d'émission d'électrons sont connus, qui utilisent une jonction semi-conductrice. Une jonction semi-conductrice comprend, empilées, une couche de matériau semi-conducteur de type n et une couche de matériau semi-conducteur de type p.

On connaît un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons qui utilise une jonction semi-conductrice polarisée en inverse. Sa structure est du type : zone p/zone n/vide. La surface d'émission est ainsi formée par la surface de la zone de type n soumise au vide. L'effet physique utilisé est la multiplication des électrons par avalanche. Sous l'effet du champ électrique interne induit, des électrons sont arrachés au réseau et émis dans le vide. En pratique, le rendement d'un tel dispositif semi-conducteur est faible, de quelques pour cents seulement. En outre le champ électrique interne, qui

dépend de la tension de polarisation appliquée, contrôle à la fois l'injection et l'émission des électrons, c'est à dire la génération des électrons par effet d'avalanche de la jonction, et l'accélération continue des électrons pour les monter en énergie, sous l'effet du champ électrique interne. Si on veut augmenter le nombre d'électrons émis dans le vide, il faut augmenter le champ électrique interne, ce qui entraîne un échauffement important de la cathode, et réduit sa durée de vie.

On connaît aussi un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons qui utilise une jonction semi-conductrice polarisée en direct, utilisant comme mécanisme d'injection, la diffusion des électrons. La disposition est alors comme suit : zone n+/zone p/vide. La surface d'émission est ainsi formée par la surface de la zone de type p, soumise au vide. Cette structure exploite la courbure des bandes de conduction. La surface d'émission doit présenter un état d'affinité électronique apparente négative, qui permet aux électrons excités, ayant acquis une énergie suffisante, et arrivant à l'interface zone p/vide, de sortir du matériau.

Un état d'affinité apparente négative peut s'obtenir de façon bien connue, par un traitement de surface par du césium et de l'oxygène. On obtient une couche d'oxyde de césium qui recouvre la surface d'émission.

Cette couche d'oxyde induit en outre une zone déplétée en surface, dans laquelle les électrons gagnent de l'énergie sous l'effet du champ électrique qui y règne. L'émission des électrons dans le vide est facilitée.

Cependant, l'oxyde de césium est très instable. La couche d'oxyde de césium disparaît donc peu à peu, ce qui limite la durée de vie du dispositif d'émission. On est ainsi obligé de faire fonctionner ce dispositif sous un vide poussé, ce qui est un frein à son utilisation. En outre, même sous vide poussé, la couche d'oxyde disparaît au bout de quelques dizaines de milliers d'heures. Or la durée de vie usuelle des systèmes électroniques ou éiectro- optiques utilisant des sources d'électrons, est de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'heures.

On peut remplacer la couche d'oxyde de césium par une couche de métal à faible affinité électronique, tel que LaB6 par exemple. Mais une telle couche de métal en surface réduit considérablement l'efficacité du dispositif (réduction du nombre d'électrons émis), à cause des collisions avec les électrons libres qui sont en densité élevée dans le métal.

Enfin, avec une telle structure, on ne contrôle que le flux d'électrons injecté et pas le flux d'électrons émis, qui dépend principalement de la courbure des bandes de conduction en surface, caractéristique du matériau utilisé.

On connaît un autre type de structure de dispositif semi-conducteur, qui exploite l'effet tunnel (ou Fowler-Nordheim). Elle appartient au domaine des cathodes dites à émission de champ. Dans cette structure, la zone émissive du dispositif se présente par exemple sous la forme d'un cône ou d'une pointe. Une grille disposée à proximité immédiate de la zone émissive, en général tout autour, sur laquelle on applique une tension élevée, de l'ordre de 100 volts par exemple, permet de créer un champ électrique externe intense à la surface de la zone émissive. Ce champ électrique externe permet aux électrons de quitter le matériau par effet tunnel. En pratique, ces structures se présentent sous la forme d'une matrice, comprenant un grand nombre de ces cathodes. On parle alors de structure FEA, pour"Field Emission Array'.

Cependant, dans ces structures, le champ électrique externe très intense contrôle à la fois l'injection d'électrons et l'émission d'électrons.

L'utilisation d'un champ électrique externe intense conduit en outre à une dégradation accélérée de la surface émissive, si le vide n'est pas assez poussé (ionisation des atomes de gaz résiduet). Enfin, du fait de la géométrie particulière en pointe ou en cône de la zone émissive, la densité effective de courant maximal fournit par une telle cathode n'est pas très élevée (de l'ordre de 10 ampères par cm2). On doit ainsi prévoir des matrices comprenant en fonction de l'application, une centaine à quelques dizaines de milliers de cathodes de ce type, pour fournir un courant d'électrons suffisant (10000 pointes fournissent 180 mA). En outre, ces matrices utilisent des technologies de fabrication très spécialisées.

Un objet de l'invention est un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons, ayant un rendement et une durée de vie sensiblement plus élevés que les dispositifs actuels.

L'idée à la base de l'invention est d'utiliser des matériaux dont les propriétés sont favorables à une émission efficace des électrons dans le vide, dans une structure qui permette de commander indépendamment et à

volonté l'injection d'électrons et leur émission dans le vide. L'utilisation de matériaux aux propriétés particulières et la séparation des deux commandes injection/émission permet d'atteindre une densité de courant et une durée de vie significativement plus élevées par rapport aux solutions antérieures.

Un autre objet de l'invention est un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons, obtenu en utilisant les technologies usuelles de fabrication de composants microélectroniques, et ne nécessitant pas l'utilisation d'un vide poussé.

Un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons selon l'invention est basé sur une structure semi-conductrice similaire au transistor bipolaire de type vertical, comprenant un empilement de couches semi-conductrices n/p/n, dans lequel les couches supportant le champ électrique permettant de faire passer les électrons des niveaux de basse énergie vers les niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique l du matériau sont réalisées dans un matériau parmi les matériaux semi-conducteur dont la largeur de bande interdite Eg satisfait l'inégalité Eg, Y, ou yv représente l'affinité 2 électronique du matériau.

Telle que revendiquée, l'invention concerne un dispositif semi- conducteur d'émission d'électrons dans le vide comprenant un empilement de couches semi-conductrices, caractérisé en ce que t'empilement comprend une première couche semi-conductrice de type n, une deuxième couche semi-conductrice de type p qui forme une première jonction semi-conductrice avec la première couche, et une couche de sortie semi-conductrice de type n, qui forme une deuxième jonction semi-conductrice avec la deuxième couche, et dont une zone en surface est en contact avec le vide, ledit dispositif comprenant des moyens de polarisation en direct de la première jonction pour former un injecteur d'électrons et des moyens de polarisation en inverse de la deuxième jonction pour former un émetteur d'électrons dans le vide, et en ce que dans ledit empilement, au moins les couches depuis la deuxième couche jusqu'à la couche de sortie incluses sont réalisées chacune dans un matériau semi-conducteur sélectionné ayant une bande interdite Eg dont la largeur satisfait l'inégalité suivante : lÇg> », où y est l'affinité électronique dudit matériau.

2

De préférence, l'empilement comprend une quatrième couche semi- conductrice intrinsèque, disposée en sandwich entre la deuxième couche et la couche de sortie.

Une cinquième couche semi-conductrice de type n est avantageusement insérée entre la première et la deuxième couche.

Le matériau semi-conducteur sélectionné est avantageusement un composé de la famille Ill-N.

La première jonction polarisée en direct forme un injecteur d'électrons contrôlé (par la tension de polarisation). La deuxième jonction est polarisée en inverse, pour exciter le gaz d'électrons vers des niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique du matériau, ce qui est rendu possible par les propriétés particulières de ce matériau. Une fraction significative de ce gaz d'électrons chauds de la couche de sortie (troisième couche) peut alors être émise dans le vide. Un champ électrique appliqué en externe, au niveau de la surface supérieure, émissive, de la structure, permet d'évacuer, d'aspirer, le flux d'électrons émis. Un champ de faible intensité est seulement nécessaire, en comparaison des champs habituellement utilisés dans les dispositifs de l'état de la technique.

On forme ainsi un dispositif d'émission dont l'injection et l'émission sont contrôlées de manière séparée, et dont le ou les matériaux qui forment la structure autorisent une forte densité de courant d'électrons en sortie.

Ce dispositif d'émission offre avantageusement une surface d'émission planaire qui permet d'envisager des densités de courant effectives de l'ordre de quelques kA/cm2. Par densité de courant effective, il faut comprendre la surface totale occupée par un dispositif, c'est à dire tenant compte des amenées de courant. En comparaison, cette densité de courant est de l'ordre de 10 Alcm2 dans le cas d'une matrice de micro- pointes (cathodes à effet de champ).

Le dispositif d'émission selon l'invention utilise des technologies de fabrication usuelles, bien maîtrisées. Les matériaux sélectionnés n'obligent pas à utiliser une couche superficielle de matériau à affinité électronique faible ou négative (mais une telle couche peut être prévue), ce qui rend ce dispositif particulièrement stable et fiable (grande durée de vie attendue).

Enfin, il nécessite des tensions de polarisation peu élevées, de l'ordre de la dizaine de volts, ce qui renforce encore les aspects de fiabilité.

L'invention concerne aussi une source d'électrons utilisant un tel dispositif d'émission.

D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite représente schématiquement une source d'émission d'électrons ; la figure 2a est une représentation d'une structure d'un dispositif d'émission selon l'invention, et la figure 2b, une vue de dessus, dans une topologie de type ruban ; -la figure 3 illustre le dispositif d'émission des figures précédentes, selon une coupe transversale ; -les figures 4a et 4b représentent d'autres exemples de topologie d'une structure de dispositif d'émission selon l'invention ; -la figure 5 représente le diagramme des bandes d'énergie (E) et le champ électrique (F) dans un dispositif d'émission d'électrons selon l'invention ; -la figure 6 montre schématiquement une structure en réseau de dispositif d'émission selon l'invention ; les figure 7a à 7c montrent schématiquement l'occupation des différents niveaux d'énergie au moment de l'émission électronique dans le vide selon le champ électrique appliqué dans un dispositif d'émission selon l'invention et -les figures 8a et 8b montrent la répartition des électrons en énergie et le taux d'ionisation dans un matériau du type utilisé dans un dispositif d'émission selon l'invention.

Les figures 2a et 2b représentent un mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur d'émission selon l'invention. La figure 3 illustre une source d'électrons comprenant un tel dispositif placé à distance d'une anode A.

La structure du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention est similaire à une structure de transistor bipolaire à collecteur (ou émetteur) en

haut. Elle utilise ainsi les mêmes techniques de fabrication bien connues de l'homme du métier, utilisées pour ce type de composant, à la différence que la prise de contact sur la couche supérieure"en haut", en contact avec le vide, ne recouvre pas toute la surface, mais est confinée sur les bords, de façon à offrir une surface effective d'émission d'électrons la plus grande autorisée par la technologie.

Plus précisément, si on se reporte aux figures 2a, 2b et 3, cette structure comprend principalement un empilement de couches semi- conductrices n/p/n. Les couches 7 et 8 supportant le champ électrique permettant de faire passer les électrons des niveaux de basse énergie vers les niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique y du matériau sont réalisées dans un matériau parmi les matériaux semi-conducteur qui ont la propriété d'être à grand gap Eg (largeur de la bande interdite), satisfaisant l'inégalité Ego, où y représente l'affinité électronique du matériau.

2 Avec ces matériaux à grands gaps, on dispose alors d'un dispositif efficace, avec une structure simple à réaliser et à utiliser, présentant des caractéristiques de fonctionnement stable dans le temps, et pouvant émettre dans le vide une densité de courant effective de deux ordres de grandeur supérieure à celle des solutions existantes.

Plus précisément, la structure comporte une première couche 6 de type n, une deuxième couche 7 de type p, et une troisième couche, la couche de sortie 8, de type n. La zone 10 en surface de la couche de sortie 8 qui est en contact avec le vide, forme la surface effective d'émission des électrons. Elle est encadrée par les prises de contact ohmiques Ci, Cl', par lesquelles une tension de polarisation sera appliquée. La zone 10 est indiquée en rayé sur la figure 2b. Des prises de contact C2, C2', sont aussi prévues, pour appliquer une tension de polarisation sur la couche 7 ainsi que des prises de contact C3, C3', pour polariser la couche 6. Dans l'exemple, ces prises de contact se présentent sous la forme de rubans, par exemple réalisés en Ti/Pt/Au.

Le dopage des différentes couches est de préférence défini comme suit : la couche supérieure 8 dont la surface externe 10 forme la surface d'émission des électrons dans le vide, est une couche mince, d'épaisseur inférieure ou

égale à 2000 Å, et fortement dopée"n+", typiquement avec un dopage supérieur à quelques 1013/cm3, de manière à pouvoir générer un champ électrique interne suffisamment intense pour que les électrons puissent sortir du matériau, c'est à dire sans qu'ils perdent trop d'énergie dans cette zone.

On rappelle que l'intensité du champ est directement proportionnelle au nombre de charges positives et négatives où epNd (respectivement epNa) est l'épaisseur de la couche n+ (respectivement de la couche p).

L'application d'une tension inverse déplète la zone 8, de préférence, entièrement. Pour maximiser le nombre d'électrons émis à l'extérieur du dispositif, l'épaisseur et le dopage de la couche de sortie 8 doivent être ajustés de manière à ce que celle-ci soit quasi-entièrement déplétée lorsque l'énergie des électrons avoisine (par valeur inférieure) l'énergie d'ionisation du réseau. Les pertes d'énergies associées à la création de paires electron- trou lors du passage des électrons à travers cette couche sont ainsi limitées.

La structure de couches décrite forme deux jonctions p/n disposées tête bêche, tel qu'indiqué en pointillé sur la figure : une première jonction J1 à l'interface des couches 6 et 7 et une deuxième jonction J2 à l'interface des couches 7 et 8. Selon l'invention, les trois couches reçoivent chacune une tension de polarisation en sorte que la jonction J1 soit polarisée en direct et la jonction J2 en inverse. Une tension de polarisation est appliquée sur chaque couche via des prises de contact ohmiques pour polariser le dispositif de manière adaptée. Dans l'exemple illustré, en considérant la couche 8 comme le collecteur c, la couche 7 comme la base b et la couche 6 comme l'émetteur e d'un transistor bipolaire de type collecteur en haut, on a une polarisation du transistor de type émetteur commun : la couche 6 est portée à un potentiel de référence Vss, typiquement la masse. La couche 7 est portée à un potentiel Vi>Vss. La couche de sortie 8 est portée à un potentiel Ve>Vi. On pourrait aussi bien avoir une polarisation du type base commune. Les potentiels Ve et Vi sont déterminés pour polariser de manière adaptée la jonction J1 qui forme l'injecteur et la jonction J2 qui forme l'émetteur dans la structure du dispositif.

On a vu que la zone 10 de la couche 8 qui forme la surface effective d'émission dans le vide est encadrée par les rubans de contact C1, Cl' prévus sur cette couche. Dans l'exemple, deux prises de contact sont prévues, en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de la zone 10. Ceci permet avantageusement de régler l'orientation du champ électrique interne de manière à obtenir la densité de courant d'électrons optimale pour la structure considérée. Si on se reporte à la figure 3, on peut ainsi appliquer une tension Ve9 sur la prise de contact CI de gauche, qui peut être différente de la tension Ved appliquée sur la prise de contact C'i de droite. Ainsi, selon les valeurs Ved et Veg, on peut orienter le champ en sorte qu'il soit perpendiculaire à la surface émissive 10 de la couche de sortie, c'est à dire selon la direction z dans l'exemple représenté (figures 3 et 5) : les tensions Ved et Veg sont alors choisies égales. On peut aussi orienter le champ en sorte qu'il soit parallèle à la surface émissive ou qu'il suive toute autre orientation entre ces deux extrêmes, en différentiant de manière adaptée ces deux tensions Ved et Ve9.

On pourrait aussi n'avoir qu'une seule prise de contact. Dans ce cas, la prise de contact peut couvrir tout le périmètre de la couche 8, formant ainsi un contour fermé. Cela permet d'obtenir un potentiel bien uniforme sur toute la surface. Un tel exemple de réalisation est représenté sur la figure 4a, pour une topologie dite à grille hexagonale. Sur la figure 4b, on a représenté un autre exemple de réalisation, avec deux prises de contact pour la couche de sortie 8, pour une topologie dit à grille ronde.

Dans le cas où la structure retenue comprendrait deux prises de contact C1, Cl', sur la couche de sortie 8, on devra de préférence prévoir que la distance maximale entre les deux prises de contact soit comprise entre 1 et 10 um. De façon optimale, cette distance maximale sera de 2 micromètres. En effet, on s'est aperçu qu'au-delà de 10 micromètres, le courant devenait faible au centre de la zone 10 comprise entre les deux prises de contact, ce qui réduisait l'efficacité de l'émission vers l'extérieur.

Dans la structure de couches 6/7/8 décrite, le champ électrique atteint sa valeur maximale dans une zone étroite centrée autour de la jonction J2.

L'optimisation du courant émis dans le vide s'avère délicate car la valeur maximale du champ électrique et l'extension de la zone où il est appliqué ne

sont pas indépendantes. II est difficile d'amener au voisinage de la surface un grand nombre d'électrons ayant une énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau sans que ceux-ci ne perdent cette énergie en ionisant le réseau ou en traversant la couche 8.

Dans un perfectionnement de l'invention, on améliore l'efficacité du dispositif par une structure favorisant le peuplement des niveaux d'énergies élevés en insérant une couche 11 peu ou pas dopée, entre la couche 7 et la couche 8 de l'empilement (figures 2a et 3). Cette couche 11 a pour but de contrôler séparément la valeur maximale du champ électrique dans la zone de montée en énergie des électrons et l'extension de cette zone.

On peut optimiser cette structure 617/11/8 dans le but de dépléter totalement la couche de sortie 8 tout en ayant une fraction importante d'électrons d'énergie suffisante pour être émis dans le vide. Cette optimisation résulte d'un compromis entre le dopage des zones 7 et 8 et l'épaisseur des couches 8 et 11 d'application du champ électrique.

Ce perfectionnement de l'invention pour favoriser l'acquisition d'une énergie totale élevée, consiste donc à épaissir la zone dans laquelle le champ électrique s'applique, par l'insertion de la couche 11. Cette couche 11 est une couche semi-conductrice intrinsèque, dite encore couche non intentionnellement dopée ou encore couche compensée et notée n'ou nid sur les figures. Dans le cas idéal où cette couche 11 n'est pas dopée, le champ électrique aura une valeur constante dans cette zone 11, égale à la valeur maximale, comme représenté en pointillé sur la figure 5. En pratique cette zone 11 est toujours un peu dopée, du fait du processus de fabrication de la structure, avec un dopage typiquement inférieur à quelques 1086/cm3.

La valeur du champ décroît donc légèrement dans cette zone, en pente douce (dans le cas d'un dopage résiduel homogène de type n), comme représenté sur la figure 5. Cette couche de semi-conducteur intrinsèque 11 permet de disposer d'un paramètre supplémentaire dans l'optimisation de la valeur du champ électrique nécessaire à l'extraction des électrons du matériau.

En d'autres termes, dans cette structure 6/7/11/8, on peut choisir un dopage des couches 7 et 8 moins élevé que dans le cas de la structure 6/7/8 décrite précédemment. On obtient un champ d'intensité plus faible mais s'exerçant sur une zone 11 plus longue (d'extension contrôlable) permettant

de fournir aux électrons l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide, tout en limitant le nombre de collisions ionisantes. Ces collisions seront moins nombreuses car le nombre de paires électron-trou générées par avalanche est beaucoup plus sensible à l'intensité du champ qu'à son extension.

La figure 5 représente les diagrammes des bandes de conduction et de valence, et le champ électrique dans une structure selon l'invention 6/7/11/8.

Elle illustre, de façon schématique, le passage d'un flux d'électrons thermalisés (à la température du réseau) injecté par la jonction J1 polarisée en direct, à un flux d'électrons chauds, à la sortie de la jonction J2 polarisée en inverse, l'énergie maximale étant atteinte en sortie de la couche 11 et à l'entrée de la couche 8.

L'insertion de la couche intermédiaire 11 permet ainsi de mieux contrôler la valeur et l'extension du champ électrique.

Pour limiter le risque de dispersion des électrons sous les prises de contact, notamment sous les prises de contact d'émetteur Cl, CI'réalisées sur la couche de sortie 8 de la structure, un perfectionnement de l'invention consiste à prévoir dans les couches inférieures de l'empilement, des caissons d'isolation électrique (ou zones aveugles) disposés sous ces contacts. Un canal d'écoulement 16 du flux d'électrons est ainsi défini qui débouche à la surface 10 et qui correspond au volume interne délimité par les prises de contact et les caissons d'isolation.

On peut notamment prévoir de tels caissons 12 et 12'par implantation ionique, par exemple d'Hélium, dans la couche 11, sous les prises de contact ohmiques Cl et Cl'. La dimension de ces caissons est déterminée pour que leur flanc interne 13,13'soit à l'aplomb du flanc interne de la prise de contact correspondante Ci, ou Ci', ou légèrement en débord D. Ainsi, on empêche que des électrons se dirigent vers les prises de contact ohmiques, qu'ils ne pourraient pas traverser.

Dans une autre amélioration, une couche 9 de semi-conductrice de type n est prévue, disposée en sandwich entre la couche 6 et la couche 7.

Le dopage de cette couche 9 est choisi plus faible que celui des couches 6,7 et 8. Cette couche 9 permet notamment de réaliser d'autres zones aveugles

ou caissons d'isolation 14 et 14'par une implantation sélective de celle-ci.

Le flanc interne 15,15'de ces caissons 14,14'coïncide ou est légèrement en débord avec le flanc interne des caissons 13, 13'de la zone 11.

Un canal 16 d'écoulement du flux d'électrons est ainsi formé dans le volume de la structure, qui permet de recueillir un nombre optimal d'électrons en sortie.

Ces caissons d'isolation électrique peuvent être obtenus de manière connue, par exemple par implantation ionique d'atomes (Hélium) qui viennent casser localement la structure cristalline du matériau. Cette implantation ionique se fait sous plus ou moins haute énergie, selon la profondeur de la couche dans laquelle on veut réaliser ces caissons.

Un des paramètres de l'efficacité (rendement) d'un dispositif d'émission selon l'invention, est l'utilisation de matériaux semi-conducteurs à grand gap Eg (largeur de la bande interdite), définis dans l'invention comme satisfaisant l'inégalité # suivante : Eg > #/@, où # représente l'affinité électronique du matériau. Ces 2 matériaux sélectionnés sont utilisés au moins pour les couches supportant le champ électrique qui va permettre de faire passer les électrons de niveaux de basse énergie vers des niveaux d'énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau. Ce sont les couches de l'empilement comprises entre la couche 7 et la couche de sortie 8 incluses, c'est à dire, les couches 7/8 ou 7/8/11, selon le type de structure retenue. Les autres couches de l'empilement peuvent être réalisées dans ces mêmes matériaux sélectionnés, mais pas nécessairement. On dispose alors d'une structure simple à réaliser et à utiliser, présentant des caractéristiques de fonctionnement stable dans le temps, et pouvant émettre dans le vide une densité de courant effective de deux ordres de grandeur supérieure à cette des solutions existantes.

L'utilisation dans la structure de l'invention de ces matériaux semi- conducteurs particuliers, du type à grand gap, est en effet particulièrement favorable.

Des matériaux tel que le SiC ou le ZnSe satisfont cette relation et peuvent être utilisés pour réaliser une structure du type à homojonction selon

l'ivention. Cette propriété des matériaux (Eg > #/@) a comme effet direct 2 utilisé dans l'invention, qu'une part significative des électrons sera présente à des énergies supérieures à l'affinité électronique du matériau, favorisant l'émission d'électrons dans le vide.

Ainsi, par la structure de l'invention, combinée à l'utilisation dans cette structure de matériaux semi-conducteurs satisfaisant l'inégalité (D on obtient un dispositif semi-conducteur efficace d'émission d'électrons dans le vide.

De préférence, parmi les matériaux satisfaisant l'inégalité (D, on choisit ceux appartenant à la famille III-N (nitrure d'élément de la colonne 111 de la classification périodique des éléments de Mendelegev).

Par exemple, on peut citer comme matériaux de cette famille : GaN, AIN, InN (alliages binaires), AlxGa1-xN, InxGa1-xN, InxAl1-xN, (alliages ternaires), (InyAl, _y) xGa,. xN (alliage quaternaire).

Ces matériaux offrent une très bonne stabilité chimique et une bonne conductivité thermique (150à200W°Ccmà20 °C).

En outre, ces matériaux semi-conducteurs présentent les propriétés physiques suivantes : -propriété 1 : Existence dans la bande de conduction de vallées satellites situées à plus d'un électron-volt (eV) au-dessus du minimum de la vallée centrale, se peuplant en électrons sous faible champ électrique.

L'énergie moyenne des électrons sera par conséquent élevée. Pour le GaN par exemple, l'écart d'énergie Evs entre le minimum de la vallée centrale r' (figures 7a, 7b, 7c) et les minima des vallées satellites est voisin de deux électrons-volts. Le champ nécessaire pour amener des électrons dans les vallées satellites est de quelques centaines de kV/cm seulement, ce qui est une valeur très inférieure au champ de claquage de ce matériau GaN, qui est de l'ordre de plusieurs MVlcm.

On rappelle que l'affinité électronique X est l'énergie minimale à fournir aux électrons situés au bas de la bande de conduction pour les extraire du matériau.

L'affinité électronique effective #eff des électrons peuplant les vallées satellites est égale à #-Evs, de l'ordre de 2 eV : c'est l'énergie qui reste à

fournir à ces électrons pour qu'ils quittent le matériau. Le niveau de population de ces niveaux satellites dépendant de l'intensité du champ électrique appliqué au dispositif, on peut dire que l'affinité électronique du matériau est modulée par le champ électrique appliqué et que sa valeur dépend de l'intensité de ce champ. Ainsi, la propriété 1 permet de réduire significativement l'affinité électronique du ou des matériaux de la structure, par l'application d'un champ électrique adapté.

Les figures 7a et 7b illustrent cet aspect. Elles représentent schématiquement l'occupation des niveaux d'énergies et la modulation de l'affinité électronique en fonction du champ électrique appliqué pour un matériau sélectionné selon l'invention.

La figure 7a illustre le cas dans lequel aucun champ électrique n'est appliqué au semi-conducteur. Seule la vallée centrale r de plus basse énergie est occupée par les électrons.

La figure 7b montre que pour un champ électrique de valeur modérée, des électrons occupent aussi les premières vallées satellites. L'énergie restant à fournir aux électrons pour les extraire du matériau est alors réduite de la quantité Evs. Le champ électrique appliqué aura donc permis de réduire l'affinité électronique de ces électrons.

La figure 7c montre que lorsque le champ électrique devient plus intense, des électrons occupent les vallées d'énergies situées au-dessus de l'affinité électronique X L'énergie d'ionisation E. on. s étant supérieure à l'affinité électronique du matériau x, il existera une valeur du champ pour laquelle les électrons les plus énergétiques vérifieront la relation X < Ee < Eionis. II y aura alors émission d'électrons dans le vide sans génération de paires électron- trou. L'efficacité du dispositif sera ainsi optimale.

- propriété 2 : Une bande interdite Eg de valeur comparable à l'affinité électronique : la largeur de la bande interdite va de 0.8 jusqu'à 6.2 eV selon la composition du matériau, l'affinité électronique en l'absence de champ électrique évoluant quant à elle entre 3 et 4 eV.

Cette propriété permet une émission d'électrons dans le vide sans que cette émission ne s'accompagne d'un courant d'avalanche excessif.

L'efficacité d'émission, définie comme le rapport entre le courant émis et le

courant total circulant dans le dispositif, sera par conséquent optimale. En effet l'énergie d'ionisation Zones, qui est proportionnelle à la largeur Eg de la bande interdite, pourra être supérieure à l'affinité électronique X du matériau.

La figure 8a montre la distribution n (B ;) des électrons en fonction de leur énergie T-,, dans un matériau GaN soumis à un champ électrique F.

L'énergie d'ionisation E, onis est approximativement égale à 1.3 x Eg = 4. 5 eV, valeur qui est bien supérieure à l'affinité X de ce matériau (# 4 eV).

L'application d'un champ électrique interne permet ainsi de rendre négative l'affinité électronique pour une fraction des électrons d'énergie E-supérieure à l'affinité électronique II existe une valeur optimale Fopt du champ électrique appliqué, telle que l'énergie Ee des électrons les plus énergétiques vérifie la relation-/< Ee < E, onjs, rendant ainsi possible leur émission dans le vide (% < Eg) sans générer de paires électron-trou On a alors une efficacité optimale.

- propriété 3 : la structure de bande du matériau est telle que l'on a des valeurs élevées du taux de collisions électron-phonon Tph et de l'énergie tcv des phonons polaires optiques échangée au cours de l'interaction des électrons avec le réseau.

Pour le GaN, est de l'ordre de 0.092 eV (ce qui est 2,5 fois plus élevé que pour l'AsGa, qui n'est pas un matériau vérifiant l'inégalité #).

Cette propriété associée à un accroissement relativement lent du taux de collisions ionisantes Tii en fonction de l'énergie des électrons va favoriser l'existence d'électrons à des énergies élevées. A des énergies plus de deux fois supérieures à la largeur de la bande interdite, ce taux t, ; n'est que de 1013 collisions par seconde pour le GaN.

En effet, comme représenté sur les figures 8a et 8b pour le GaN, la distribution énergétique n (E#) des électrons d'un matériau semi-conducteur soumis à un intense champ électrique résulte de la manière dont ces électrons échangent leur énergie avec le réseau cristallin. Aux énergies qui nous intéressent, supérieures à X. les deux processus de collisions avec des phonons et de collisions ionisantes sont en compétition. Soit les électrons

perdent leur énergie via les collisions avec les phonons. Soit ils perdent cette énergie via l'excitation de paires électron-trous. Cependant, ces deux processus ne sont pas équivalents.

Le processus d'ionisation a pour effet de tronquer la distribution des électrons aux hautes énergies, puisque lors d'une collision ionisante, l'électron incident perd une énergie de l'ordre de la largeur de bande interdite Eg, tout en générant des électrons secondaires de faible énergie.

Les collisions avec les phonons ont une action opposée. Elles favorisent la présence des électrons à de plus hautes énergies, en relaxant leur énergie ()'énergie des électrons).

De l'équilibre entre ces deux processus résulte la distribution des électrons en énergie. Sur la figure 8b, l'équilibre est atteint au point de croisement des deux courbes du taux de collisions avec les phonons tph et du taux de collisions ionisantes X selon lténergie des électrons.

Ainsi un couplage électron-phonon efficace, en offrant aux électrons une voie parallèle au phénomène d'avalanche pour relaxer leur énergie, est favorable à la présence d'un plus grand nombre d'électrons au-delà de l'énergie d'ionisation du semi-conducteur. L'énergie Eeq pour laquelle les pertes induites par ces deux processus sont équivalentes est donnée par ho la relation r'.... Et [E,,,,] = 7-x--Au-delà de cette énergie Æeq le nombre d'électrons diminue rapidement car ils subissent de plus en plus de collisions ionisantes au cours desquelles ils perdent la majeure partie de leur l'énergie.

La sélection de matériaux semi-conducteur selon l'invention permet ainsi de maximiser le nombre d'électrons émis dans le vide et l'efficacité d'émission, car est grand (le taux de perte d'énergie avec les phonons est important) et l'énergie lDrtl associée à r'""est la plus élevée possible (le nombre de paires électron-trou créées par seconde augmente lentement avec l'énergie des électrons incidents).

On parle alors de"claquage mou", car la valeur ne constitue pas une limite infranchissable, l'énergie des électrons pouvant largement dépasser cette valeur. Dans le cas du GaN par exemple, l'énergie maximale est égale à 9 eV soit deux fois l'énergie d'ionisation du réseau Dans le cas contraire on parle de"claquage dur", l'énergie des électrons ne peut pas alors dépasser l'énergie Eioni6 les électrons d'énergie supérieure à cette valeur relaxant immédiatement leur énergie par la création de paires électron - trou.

A titre d'exemple, des calculs numériques théoriques réalisés pour le GaN, tenant compte de la structure de bande du matériau, montrent que le nombre de collisions ionisantes pour des électrons d'énergie de 6.4 et de 7.3 eV est de l'ordre de 1012 et de 1013 collisions par seconde respectivement. La probabilité, associée à ces énergies, pour qu'un électron génère une paire électron-trou avant que son énergie ne soit relaxée sous E, onfs, soit en interagissant avec les phonons soit en ionisant le réseau, n'est seulement que de 1 et 10 % respectivement et il faut que les électrons atteignent des énergies de l'ordre de 9 à 10 eV pour que cette probabilité soit de 100 %.

C'est l'énergie maximale E, ; m au-delà de laquelle le nombre d'électrons sera négligeable. Les valeurs des libres parcours moyens électroniques associées à ces taux de collisions sont de l'ordre du millier à quelques milliers d'Angströms et de la centaine à quelques centaines d'Angstrõms respectivement. Par conséquent si ces électrons se trouvent à une distance de la surface inférieure à ce libre parcours moyen alors ils auront une grande probabilité de sortir du matériau.

Ainsi cette troisième propriété favorise la présence d'électrons à des énergies élevées, et assouplie les contraintes de fabrication et de mise en oeuvre du dispositif.

Il résulte de l'ensemble de ces propriétés que soumis à un champ électrique de faible intensité (typiquement de l'ordre de quelques centaines de kiloVolts/cm), l'énergie moyenne des électrons sera grande, en raison de l'existence de vallées satellites d'énergie élevée, (propriété 1), qu'une fraction significative des électrons pourra avoir une énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau mais inférieure à son énergie d'ionisation (propriété 2), et que l'émission se fera sans que celle-ci ne s'accompagne d'un courant d'avalanche significatif, garantissant une efficacité d'émission optimale (propriété 3). Par ces propriétés, un électron peut atteindre plusieurs positions dans la bande de conduction, et notamment être stocké dans une vallée d'énergie élevée (dans les premières vallées satellites sous faible champ-figure 7b) avant d'être transféré vers une vallée d'énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau lorsque le champ électrique

devient plus intense (figure 7c). L'application d'un champ électrique interne au semi-conducteur permet ainsi de moduler l'affinité électronique de ces dispositifs, la rendant négative pour une fraction significative d'électrons et leur permettant par ce moyen de sortir du semi-conducteur avec une efficacité d'émission optimale.

Ainsi, le dispositif d'émission d'électrons dans le vide avec une structure n/pln ou n/pinidln ou nlri ! plnidln basée sur un ou des matériaux de la famille 111-N est particulièrement avantageux, sur le plan du procédé technologique de fabrication et d'utilisation du dispositif. Il permet en outre d'augmenter significativement le courant électronique émis dans le vide et la durée de vie du dispositif.

Si on se place dans une structure utilisant un alliage binaire ou ternaire des nitrures de la colonne Iìl, une structure de couches d'un dispositif d'émission d'électrons conforme à t'invention sera préférentiellement du type : <BR> <BR> (6/7/8) # n+-XxY-1-xN/p-XyY1-yN / n+-XtY1-tN ou<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> (6/9/7/8) # n+-XxY1-xN/n--XuY1-uN/p-XyY1-yN / n+-XtY1-tN ou<BR> <BR> <BR> <BR> (6/7/11/8) # n+-XxY1-xN/p-XyY1-yN / nid-XzY1-zN / n+-XtY1-tN ou<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> (6/9/7/11/8) # n+-XxY1-xN/n--XuY1-uN/p-XyY1-yN/nid-XzY1-zN/n+-XtY1-tN<BR > <BR> <BR> <BR> <BR> avec 0 # u # 1,0 # x # 1, 0#y#1, 0#z#1 et 0#t#1 et (X, Y) # (In,Al),(Al,Ga),(In, Ga).

Dans le cas d'une structure à homojonction, on utilisera par exemple uniquement du GaN (Y=Ga, x=0), ou de l'AlxGa,, N.

Dans le cas d'une structure à hétéro-jonction, on aura par exemple les structures suivantes : M couche 8 : n'InxGa,. couche11 : n~ ou AI, ou ìnvAì, couche 7 : p couche 9 : n-InËGal,. ou couche 6 : nf ou inuAiluN xNAvec x, y, z, t, ue [0-0, 4], etz'<z, x'<x. couche 8 : n'AI, couche11 : n~ couche : p couche 9 : n~ ou ntA),.) couche 6 : ns Gai., NAvecx, y, z, t, ue [o-0, 4], etz'< z, x'< x.

Dans les exemples de structure 6/9/7/11/8 à double hétéro-jonction donnés ci-dessus, on cherche à exploiter l'écart d'énergie AEc résultant de la différence d'affinité électronique entre les deux matériaux constituant les couches 8 et 11. Les électrons bénéficient ainsi d'un apport d'énergie supplémentaire égal à tEc, ìors de leur passage de la couche 11 dans la couche 8. Cet apport favorise l'émission des électrons dans le vide puisqu'il se produit au voisinage immédiat de la surface. A cet effet, les matériaux ont été choisis de sorte que le matériau de la couche 11 (n- ou nid) ait une affinité électronique plus faible que celui de la couche de sortie 8. Par exemple, dans le cas d'une structure du type (9/6/7/11/8) s (GaN/Aì0 3Gao 7N/GaN/ Alo. 3Gao. 7N/GaN), AEc est de l'ordre de 0.4 à 0.5 eV.

On notera que cet effet peut aussi être obtenu dans le cas des structures de type 6/7/8 ou 6/9/7/8, le changement de d'affinité électronique s'appliquant alors entre la couche 8 de sortie et la couche précédente dans l'empilement, c'est à dire la couche 7 (base).

Ainsi, une partie de l'énergie nécessaire à l'émission des électrons dans le vide est fournie par le champ électrique présent dans la couche 11 et le complément est apporté de façon adiabatique aux électrons (c'est à dire sans échange d'énergie avec le réseau) dès leur entrée dans la couche de sortie 8.

Dans le cas où la discontinuité AEc entre deux couches de l'empilement est négative, la situation peut être défavorable au passage des électrons dans la structure, notamment au niveau de la jonction J1 entre les couches (6) et (7) ou (9) et (7), le courant passant dans une couche dans laquelle l'affinité électronique est plus petite que dans la couche précédemment traversée.

On peut alors prévoir un gradient de composition entre les couches concernées de manière à réduire, voire à annuler cette discontinuité.

La figure 3 illustre une source d'électrons, comprenant un dispositif d'émission conforme à l'invention, formant une cathode froide K, située à distance d'une anode A. L'anode est polarisée à un potentiel d'anode Va référencé par rapport au potentiel de référence de la structure, Vss dans l'exemple. Ce potentiel d'anode Va est en pratique déterminé par rapport au potentiel Ve de la surface d'émission 10, pour créer un faible champ électrique Fext orienté depuis l'anode vers la surface d'émission 10. Ce champ électrique permet l'évacuation du flux d'électrons émis hors de la cathode, vers l'anode.

Dans un exemple pratique, on aura Ve=5 à 50 volts (valeurs déterminées en fonction de l'épaisseur et du dopage des couches 711118), Va=0 à 100 volts, Vi=3 à 4 volts. La valeur du champ électrique externe est donnée par Fext=Va/d.

Les diagrammes des bandes d'énergie (bande de conduction Ec et niveau du vide Ev) d'une structure de source d'électrons conforme à l'invention, ainsi que le champ électrique F dans cette structure sont représentés sur la figure 5, lorsque la structure est non polarisée (traits continus) et polarisée (traits pointillés), dans le cas d'une structure du type à homojonction.

La première jonction J1 constitue la zone d'injection des électrons.

Lorsqu'elle est polarisée en directe sous la tension Vi, les électrons thermalisés (ie, à la température du réseau) diffusent dans la base (couche 7).

La deuxième jonction J2 constitue la zone de montée en énergie des électrons, pour permettre l'émission d'électrons dans le vide. Lorsque cette jonction est polarisée en inverse sous la tension Ve, elle est le siège d'un champ électrique interne intense, qui permet d'exciter une part significative des électrons vers des niveaux d'énergie supérieurs à l'affinité électronique X du matériau.

La tension Ve est en pratique déterminée pour qu'une fraction significative des électrons puisse être émise dans le vide. Cette tension Ve ne doit pas être trop élevée, pour éviter l'ionisation du réseau (création de

paires électrons-trous par effet d'avalanche). Les électrons ainsi émis à l'extérieur du matériau sont alors évacués à l'aide d'un champ électrique externe, de faible intensité. Ce champ électrique peut être généré par tout moyen connu de l'homme de l'art. Par exemple, il peut être créé comme illustré sur les figures 3 et 5, en plaçant une anode A convenablement polarisée à une tension Va>Ve, au-dessus de la zone émissive 10.

Une grille de commande (non représentée) peut aussi être prévue, disposée à distance entre la cathode et l'anode, par exemple pour des applications de type amplification de puissance (klystrons). Un dispositif de modulation de la tension appliquée sur ladite grille est alors prévu, permettant une amplification de puissance haute fréquence.

Pour obtenir les meilleurs résultats en terme de densité de courant d'électrons émis, les différents éléments de la structure du dispositif d'émission selon l'invention peuvent être optimisés.

Notamment, on prévoit de préférence de régler l'épaisseur et le dopage des différentes couches, pour que chacune soit optimale vis à vis de la fonction qu'elle assume dans la structure.

Un aspect de l'optimisation concerne la couche 8 fortement dopée nu de la jonction J2 émettrice. De préférence, on règle l'épaisseur et le dopage de cette couche 8, en fonction des tensions de polarisation Ve, Vi appliquées à la structure, et qui déterminent le champ en interne comme illustré sur les courbes de la figure 5, de manière à ce que cette couche 8 se retrouve partiellement ou, de préférence, comme représenté sur la figure 5, totalement déplétée en surface. De cette façon, on minimise l'énergie perdue par les électrons lors de la traversée de cette couche, le champ électrique compensant partiellement ou totalement les pertes liées aux collisions électrons-phonons. De préférence, le dopage de cette couche 8 de la structure sera choisi supérieur à quelques 1 018/cm3, et son épaisseur inférieure à 2000 Angstrôms.

L'épaisseur de la couche 11 non intentionnellement dopée sera de préférence comprise entre 50 à 1000 Angstrôms, définie par rapport à l'intensité du champ électrique que l'on souhaite appliquer.

Le dopage de la couche 7 de type p (base) sera de préférence choisi supérieur à quelques 10'8/cm3, et son épaisseur comprise entre 100 et

quelques milliers d'Angströms, selon la valeur du dopage, qui fixe la valeur maximale du champ électrique.

Le dopage de la couche 9 de type n de la jonction J1 fournissant les électrons est inférieur au dopage des couches 6,7 et 8 pour permettre l'implantation des zones aveugles ou caissons d'isolation, selon un perfectionnement de la structure de l'invention représenté sur la figure 3 et déjà décrit. Il est choisi de préférence supérieur à quelques 1016/cm3, et son épaisseur supérieure à 100 Angströms.

La figure 6 représente de façon schématique un composant semi- conducteur comprenant une matrice émettrice M constituée de dispositifs semi-conducteurs K d'émission d'électrons selon l'invention, disposés selon un réseau de lignes et de colonnes. Un tel composant peut notamment être utilisé dans les écrans plats. Les dispositifs sont isolés les un des autres, par exemple, par des caissons d'isolation (non représentés). Des lignes de contrôle L et W et M permettent d'amener les tensions de polarisation nécessaires, respectivement Vi, Ve et Vss. Ces lignes sont réalisées de manière connue par l'homme de l'art. Dans le cas où la tension de polarisation de la couche supérieure 8 est différenciée gauche/droite (Ved, Veg) des lignes de conduction supplémentaires (non représentées) sont prévues. Un dispositif de contrôle (driver) peut être intégré au composant semi-conducteur. II peut être conçu pour permettre le contrôle de chaque dispositif K individuellement.

L'invention qui vient d'être décrite permet de s'affranchir du problème de l'apport des électrons et de le découpler de celui de l'émission. Grâce à l'utilisation de matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que définis dans l'invention qui permet de réduire et de rendre négative, par l'intermédiaire de la tension Ve, l'affinité électronique d'une fraction significative des électrons, il ne nécessite pas d'abaisser le travail de sortie des électrons par l'adjonction de matériaux à faible affinité électronique (tel que l'oxyde de césium ou LaB6) ni d'appliquer un champ électrique externe intense pour extraire les électrons du matériau. On notera que, si elle n'est pas nécessaire, on peut cependant envisager de déposer une telle couche d'oxyde sur la surface d'émission 10, pour améliorer encore le rendement.

Enfin, le dispositif de l'invention ayant une surface d'émission planaire laisse envisager des densités de courant effective de l'ordre de quelques kA/cm2.

La structure du dispositif d'émission de l'invention associée aux matériaux particuliers sélectionnés permet donc de s'affranchir des principaux inconvénients qui ont limité les performances des solutions mises en oeuvre jusqu'à présent. Elle est en outre très facile à produire puisqu'elle est basée sur des procédés de fabrication associés au transistor bipolaire vertical. Enfin, elle est aisément mise en oeuvre car elle ne nécessite pas un vide poussé, ni un fort champ électrique externe. Une application possible d'une telle structure est le remplacement des cathodes thermoïoniques utilisées dans les tubes à ondes progressives.