D'EMISSION D'ELECTRONS DANS LE VIDE

L'invention concerne les sources d'électrons dites froides utilisant une diode à semi-conducteurs.

Les sources d'électrons aujourd'hui intégrées dans les tubes amplificateurs hyperfréquences de puissance utilisent l'émission thermoélectronique obtenue en chauffant des sources d'électrons appelées cathodes thermoïoniques, à des températures voisines de 1000°C. Du fait du principe physique utilisé, ces cathodes sont limitées en terme de courant d'électrons émis et de durée de vie et comportent en outre, l'inconvénient de présenter un temps assez long, de l'ordre de la minute, pour l'obtention de l'émission stabilisée d'électrons au moment de leur chauffe, ou de leur allumage.

Pour contourner ces limitations et améliorer les performances des tubes électroniques à source d'émission thermoïonique, par exemple, dans le cas de tubes de puissance à ondes progressives d'acronyme TOP, des solutions utilisant une émission d'électrons à l'aide de sources froides à semi-conducteurs ont été étudiées pour remplacer l'émission thermoïonique. Ces types d'émissions par des sources froides exploitent l'émission interne de type ionisation par avalanche ou l'émission de champ de type effet tunnel pour émettre ou extraire des électrons du matériau semi-conducteur.

Dans une première solution pour la réalisation de sources froides d'électrons, l'émission d'électrons est obtenue à partir d'une diode PN en Silicium ou en Arséniure de Gallium polarisée en directe, la zone P étant placée en surface laquelle est recouverte d'une couche d'oxyde de Césium. Le rôle de cette couche de Césium est double :

- créer une zone de désertion par le dipôle induit en surface par cet oxyde où les électrons gagnent de l'énergie dans le champ électrique y régnant,

- abaisser le travail de sortie du matériau afin de faciliter l'émission des électrons dans le vide. L'oxyde de Césium est cependant chimiquement instable et il est nécessaire de faire fonctionner la diode sous un vide poussé pour augmenter sa durée de vie. Même dans ces conditions la couche d'oxyde se dégrade trop rapidement pour que le dispositif puisse être utilisé dans les tubes. De plus l'énergie maximale que les électrons peuvent acquérir est limitée à la courbure des bandes au voisinage de la surface et est au mieux de l'ordre de la largeur de la bande interdite des matériaux utilisés (typiquement inférieure à 2eV). L'énergie acquise par les électrons lors de la traversée de cette zone est donc inférieure à l'affinité électronique de ces matériaux qui est de l'ordre de 4eV. La majorité des électrons ne peut donc pas acquérir une énergie suffisante pour être émis dans le vide et seule une petite fraction, la plus énergétique de la distribution électronique, sort du matériau, d'où une faible efficacité d'émission.

Dans une variante de cette première solution, un métal de faible affinité électronique (LaB ₆ par exemple) remplace la couche d'oxyde de Césium. La structure réalisée est utilisée en mode diode, les contacts électriques étant pris sur la partie dopée N de la diode et sur le métal de faible affinité électronique. Cependant le gain en émission obtenu en abaissant l'affinité électronique à l'aide du matériau placé en surface est annihilé par les pertes énergétiques induites par les collisions des électrons chauds avec le réseau du métal traversé.

Une deuxième solution utilise une diode PN en Silicium ou en Arséniure de Gallium que l'on polarise en inverse au delà de sa tension de claquage par avalanche, la zone N étant placée en surface. Dans cette approche le courant est obtenu par multiplication par avalanche et seuls les électrons ayant une énergie supérieure à l'affinité électronique du matériau sont émis dans le vide.

Compte tenu des semi-conducteurs utilisés, de tels dispositifs ont une très faible efficacité d'émission. Pour augmenter l'émission d'électrons, une couche d'oxyde de Césium est également déposée sur la surface émissive mais comme dans la première solution l'instabilité de cet oxyde limite la durée de vie de ces dispositifs. Une troisième voie pour la réalisation de sources froide d'électrons exploite l'émission de champ. Dans cette solution les électrons sont extraits du matériau par effet tunnel à l'aide d'un champ électrique externe intense généré par effet de pointe, soit à partir de cônes en Molybdène comme dans les cathodes de Spindt, soit à partir de nanotubes de carbone. Ces deux solutions n'ont cependant pas débouchées sur des applications, les cathodes de Spindt subissant une dégradation accélérée sous l'effet du bombardement ionique généré par le champ électrique intense régnant au sommet des cônes, les nanotubes de carbones n'émettant pas une densité de courant suffisante (densité de courant effective émise de l'ordre de 1 A/cm ² ).

Une quatrième solution utilise un transistor bipolaire NPN GaN ou le contact de la couche de collecteur placé en surface est percé de manière à permettre l'émission des électrons dans le vide. La jonction base-émetteur polarisée en direct permet l'apport d'électrons, la jonction base-collecteur polarisée en inverse permet de fournir aux électrons l'énergie nécessaire à leur extraction du semi-conducteur. L'impossibilité d'obtenir une forte concentration de trous à température ambiante pour du GaN dopée P a pour conséquence une forte valeur de la résistance d'accès de la base. Cela se traduit par l'apparition d'un phénomène de dépolarisation latérale de la jonction base-collecteur entraînant une concentration du courant en périphérie du composant. La surface émissive effective est ainsi fortement réduite et ne représente plus qu'une petite fraction de la surface totale du transistor ce qui se entraîne une faible efficacité de l'émission.

Aucune des solutions décrites précédemment n'ont permis à ce jour de réaliser une source d'électron qui soit simultanément suffisamment fiable et intense pour concurrencer les cathodes thermoïoniques utilisées aujourd'hui dans les tubes de puissance.

Pour pallier les inconvénients des sources froides de l'état de l'art, l'invention propose un dispositif semi-conducteur d'émission d'électrons dans le vide comportant un empilement de q couches semi-conductrices, q étant un nombre supérieur ou égal à 2, de type N et P selon la séquence N/(P)/N formant une juxtaposition de deux jonctions NP en tête-bêche, les couches semi-conductrices étant réalisées en matériaux semi-conducteurs appartenant à la famille des lll-N, deux couches adjacente de l'empilement formant une interface, l'empilement comportant deux extrémités, à une de ses extrémités au moins une prise de contact ohmique émetteur EMT sur une surface libre d'une première couche L1 de l'empilement et, à l'autre extrémité, au moins une prise de contact électrique collecteur COL (qui sera préférentiellement du type Schottky) sur une partie d'une autre surface libre d'une couche de sortie L5 en contact avec le vide pour l'émission des électrons par une zone émissive de ladite couche de sortie L5, caractérisé en ce que les matériaux semi-conducteurs des couches de l'empilement proches du vide, où les électrons atteignent une énergie élevée, ont une largeur de bande interdite Eg dont la valeur satisfait l'inégalité suivante : Eg > c/2, où c est l'affinité électronique du matériau semi-conducteur, la couche semi-conductrice de type P étant obtenue partiellement ou en totalité par effet piézoélectrique de façon à faire apparaître une charge fixe négative dans l'une quelconque des interfaces entre les couches de l'empilement, l'effet piézoélectrique est de type spontané et/ou de contrainte, le dispositif comportant des moyens de polarisation pour appliquer un potentiel de polarisation positif sur l'une des prise de contact par rapport à un potentiel de référence appliqué à l'autre prise de contact de manière à polariser en direct la jonction mise au potentiel de référence et en inverse celle mise au potentiel de polarisation positif, le champ électrique interne induit par le potentiel de polarisation positif appliqué à l'empilement de couches semi- conductrices fournissant, à une fraction des électrons circulant dans ledit empilement, l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide par la zone émissive de la couche de sortie L5.

Dans un mode de réalisation particulier du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte entre ses deux extrémités, la première couche L1 de type N, une couche L3 de type P, une couche L4 de type N et la couche de sortie L5 de type N sur la couche L4, le potentiel de polarisation positif étant appliqué au contact électrique collecteur de la couche de sortie L5, le potentiel de référence étant appliqué au contact électrique de la première couche L1 . Dans un mode particulier de réalisation, la charge fixe négative dans l'empilement est en outre obtenue par dopage de la couche L3 avec des impuretés de type accepteur.

Dans un autre mode de réalisation particulier, la charge fixe négative est obtenue en outre entre la couche L4 et la première couche L1 en partie par dopage de la couche L3 en partie avec des impuretés de type accepteur et en partie par effet piézoélectrique par le choix de la composition chimique de la couche L1 , ladite couche ayant une composition du type Al _x Ga-i- _x N ou ΑΙχΙη-ι.χΝ et les couches L3, L4 et L5 ayant une composition du type Al _y Ga-|. _y N ou Al _y ln _-y N avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 entre la première couche L1 et la couche L3 de type P, les couches adjacentes L2 et L3 présentent une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface de ces couches. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la composition du matériau semi-conducteur de la couche L2 est différente de la composition du matériau de la couche L1 de façon qu'une charge piézoélectrique positive apparaisse à l'interface entre ces deux couches. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L4 de type N, la charge négative étant obtenue entre la couche L4 et la première couche L1 par effet piézoélectrique uniquement.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L2 de type P et une couche L4 de type N, avec un dopage inférieur à 5 1 0 ¹⁷ cm ^"3 , la charge négative étant induite par effet piézoélectrique à l'interface entre ces dites couches adjacentes par le choix de la composition chimique des couche L1 à L4, lesdites couches auront une composition du type Al _x Ga-i- _x N ou Al _x ln _-X N pour les couches L1 et L2 et du type Al _y Ga-i-yN ou Al _y ln _-y N pour les couches L3 et L4 avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comporte, la première couche L1 de type N, la couche de sortie L5 de type N et, entre la première couche L1 et la couche de sortie L5, une couche L2 de type N et une couche L4 de type N, la charge négative étant induite par effet piézoélectrique à l'interface entre deux couches.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 de type quelconque ayant une épaisseur inférieure à 200nm adjacente à la première couche L1 .

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche de sortie L5 de type N est dopée entre 1 0 ¹⁸ cm ^"3 et 1 0 ²⁰ cm ^"3 et est d'épaisseur t inférieure ou égale à 50nm.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche semi-conductrice L4 de type N ou P adjacente à la couche de sortie L5 a un dopage inférieur à 5 1 0 ¹⁷ cm ^"3 et est d'épaisseur inférieure ou égale à 100nm.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche semi-conductrice L3 dopée de type P entre quelques 10 ¹⁸ cm ^"3 et quelques 1 0 ²⁰ cm ^"3 disposée entre la couche de sortie L5 et la première couche L1 a une épaisseur inférieure à 200nm.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilement comprend une couche semi-conductrice L2 entre la première couche L1 et la couche L3 de type quelconque ayant une épaisseur inférieure à 200nm adjacente à la couche L1 . Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la première couche L1 dopée de type N entre quelques 1 0 ¹⁸ cm ^"3 et quelques 10 ²⁰ cm ^"3 est d'épaisseur quelconque.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la composition des matériaux semi-conducteurs des couches adjacentes L1 et L4 est choisie de façon à présenter une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface entre ces couches L1 et L4.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les matériaux semi-conducteurs des couches adjacentes L2 et L4 présentent une différence de composition telle qu'une charge piézoélectrique de signe négatif apparaisse à l'interface de ces couches.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les couches L1 et/ou L2 sont choisies parmi les matériaux semi-conducteurs :

Al _x Ga _{1 -x} N, ln _x Ga _{1 -x} N, Al _x ln _{1 -X} N ou (ln _y AI _{1 -y} ) _x Ga _{1 -x} N

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les couches L1 et/ou L2 étant en ln ₇ AI ₈₃ N, les autres couches de l'empilement sont en GaN de manière à ce que les paramètres de mailles de ces couches soient identiques.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche L3 étant dopée entre quelques 10 ¹⁸ cm ^"3 et quelques 10 ²⁰ cm ^"3 à une épaisseur inférieure à 200nm. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, l'empilage est réalisé à partir d'un substrat choisi parmi les, nitrure de Gallium ou GaN, carbure de silicium ou SiC, silicium ou Si, Sapphire ou Al ₂ 0 ₃ . Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur sur la première couche L1 est sur une zone périphérique de la dite couche L1 , pour recevoir le potentiel de polarisation.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur sur la couche L1 , est disposée en périphérie pour former un contour fermé. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur sur la première couche L1 comporte deux parties de contact disposées en périphérie et en regard l'une de l'autre.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, les deux parties de contact ohmique émetteur sont distantes de 1 à 10μιτι du mésa de collecteur constitué par les couches L2 à L5.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact ohmique émetteur est sur la face arrière de la première couche L1 , sur une zone de ladite première couche L1 à l'aplomb de la zone émissive.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact électrique collecteur sur la couche de sortie L5 est une prise de contact Schottky disposée sur une zone périphérique de ladite couche L5 de sortie, pour recevoir la tension de polarisation.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la prise de contact électrique collecteur sur la couche de sortie L5, est disposée en périphérie pour former un contour fermé.

Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la couche de sortie L5 comporte deux prises de contact électrique collecteur disposées en périphérie de ladite couche et en regard l'une de l'autre à une distance comprise entre 1 μιτι et 10Ομιτι. Dans une autre réalisation du dispositif d'émission d'électrons, la première couche L1 et la couche de sortie L5 comportent chacune une multitude de prises de contacts parallèles entre elles et séparés d'une distance comprise entre Ι μιτι βΐ 100μιτι.

Un principal but du dispositif d'émission d'électrons dans le vide selon l'invention est d'obtenir un courant d'électrons émis plus important que celui des dispositifs d'émission d'électrons de l'état de l'art.

D'autres buts sont d'améliorer la durée de vie et réduire l'encombrement des dispositifs d'émission d'électrons dans le vide.

La structure proposée est constituée d'un empilement de couches semi-conductrices du type N/(P)/N, réalisée en matériaux semi-conducteurs appartenant à la famille des lll-N, dans laquelle la zone P n'est pas connectée électriquement et est obtenue partiellement ou en totalité, par dopage en impuretés de type accepteur (couche L3) ou par effet piézoélectrique. Cet effet sera obtenu par un choix adéquat des compositions chimiques des matériaux constituant les couches de l'empilement de sorte que par effet piézoélectrique spontanée et/ou de contrainte apparaisse une charge fixe négative entre l'une quelconques des interfaces situées entre deux couches adjacentes de l'empilement.

L'empilement ainsi réalisé est formé de la juxtaposition de deux jonctions montées tête-bêche dont quelques exemples d'empilements possibles sont décrits par la suite. L'application d'une tension positive sur l'une des électrodes de la diode permet de polariser en direct la jonction dont le contact est mis au potentiel de référence (par exemple une masse M) et en inverse celle dont le contact est mis à la tension positive. Si la densité de charges négatives est suffisante, le champ électrique interne induit par la tension positive appliquée peut être suffisamment intense pour fournir à une fraction des électrons circulant dans le dispositif l'énergie nécessaire à leur émission dans le vide. Cette fraction sera d'autant plus importante que le matériau choisi aura une grande largeur de bande interdite. A ce titre les propriétés spécifiques des composés de la famille de matériaux Al _x Ga-i- _x N, lrixGa-ι-χΝ, Al _x ln _-X N ou (ln _y AI _-y ) _x Ga-i-xN les rendent particulièrement intéressant pour ce type de dispositif.

Pour AlxGa-ι-χΝ par exemple nous avons :

I - présence de niveaux énergétiques supérieurs à l'électron-volt, 2 - largeur de bande interdite comprise entre 3.4 et 6.2 eV environ lorsque x varie de 0 à 1 .

II résulte de ces propriétés, que les électrons, sous l'effet du champ électrique, auront une énergie moyenne élevée et qu'une fraction significative de ces électrons sera présente à des énergies supérieures à l'affinité électronique du matériau. L'émission électronique pourra alors être obtenue sans qu'il soit nécessaire de déposer sur la surface émissive un matériau à faible affinité électronique.

Outre le fait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser de tels matériaux un deuxième avantage résulte de la mise en œuvre que nous avons privilégiée. Le procédé sélectionné pour chauffer le gaz d'électrons dans le dispositif d'émission selon l'invention est en effet beaucoup plus efficace que celui utilisé pour les cathodes thermoïoniques car il est sélectif. Contrairement à ces dispositifs thermoïoniques on ne chauffe pas l'ensemble du matériau mais seulement les porteurs libres via le champ électrique interne induit par la mise sous tension de la diode. Des températures électroniques de plusieurs dizaines de milliers de degrés sont ainsi possibles dans des matériaux à grande largeur de bande interdite tel que ceux appartenant à la famille des l l l-N. La température du réseau, déterminée par la loi de Joule, reste alors inférieure à celle du gaz d'électrons de plusieurs ordres de grandeur. En ce sens on parle de cathode froide, le réseau étant, relativement aux électrons émis dans le vide, beaucoup plus froid.

Le choix de la structure NPN est, quant a lui, dicté par le matériau. Le dopage du type P de cette famille de semi-conducteurs est en effet beaucoup plus difficile à réaliser que le dopage du type N qui, lui, est bien maîtrisé. La résistance d'accès de couches dopées N est ainsi de plusieurs ordres de grandeurs plus petite que celle de couches dopées P. La polarisation du dispositif au travers de couches dopées N exclusivement, rendu possible avec ce type d'empilement selon l'invention, améliore la répartition du courant dans le composant et permet d'obtenir une émission beaucoup plus intense et homogène spatialement que si un des contacts électrique était pris sur une couche dopée P. Un gain de 3 à 4 ordres de grandeurs sur le courant émis est attendu avec cette façon de procéder.

Un choix judicieux des compositions chimiques des matériaux constituant les deux jonctions de la diode permettra de plus de fournir aux électrons un apport d'énergie supplémentaire. Cet apport sera égal à la discontinuité des bandes de conduction qui apparaît à l'interface de ces deux jonctions comme dans des structures du type Al _x Ga-i- _x N/GaN ou Al _x ln-|. xN/GaN par exemple (voir figure 13).

Afin d'optimiser l'émission électronique, la couche dopée N située en surface de l'empilement devra être fine et fortement dopée. Typiquement cette couche devra avoir une épaisseur inférieure à 50nm et un dopage supérieur à quelques 10 ¹⁸ cm ^"3 . Idéalement on choisit l'épaisseur et le dopage de celle-ci de manière à ce que, lorsque le composant est polarisée en émission, la partie non désertée de cette couche soit suffisamment mince pour minimiser le refroidissement des électrons qui la traverse mais suffisamment épaisse pour éviter la dépolarisation latérale de la diode polarisée en inverse. Pour permettre l'émission des électrons chauds le contact électrique de la couche dopée N située en surface est percée.

L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations en référence aux dessins indexés dans lesquels :

- les figures 1 à 7, montrent des vues simplifiées en coupe de différentes réalisations du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention ;

- les figures 8 à 12 montrent différents fonctionnements du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention ;

- la figure 13 montre une configuration du dispositif d'émission selon l'invention produisant une discontinuité de bande de conduction ;

- la figure 14a montre une vue en coupe d'une variante du dispositif d'émission selon l'invention ;

- la figure 14b montre une vue, du côté d'une couche de sortie, du dispositif de la figure 14a. La figure 1 montre une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.

Dans ce premier mode, un substrat (2) avec des couches de nucléation (4) comporte un empilement de couches semi-conductrices :

- une première couche L1 (10) de type N dopée entre 10 ¹⁸ cm ^"3 et 10 ²⁰ cm ^"3 et d'épaisseur t comprise entre 0.1 μιτι et 3μιτι,

- sur la première couche L1 , une couche L3 (30) de type P dopée entre 10 ¹⁸ cm ^"3 et 10 ²⁰ cm ^"3 et d'épaisseur comprise entre 5nm et 10Onm,

- sur la couche L3, une couche L4 (40) ayant un dopage de type P ou N inférieur à quelques 10 ¹⁸ cm ^"3 et d'épaisseur t comprise entre Onm et 100nm,

- une couche de sortie L5 (50) au dessus de la couche L4 de type N dopée entre 10 ¹⁸ cm ^"3 et 10 ²⁰ cm ^"3 et d'épaisseur comprise entre 5nm et 50nm.

Les couches L3, L4 et L5 recouvrent partiellement la couche L1 de façon à laisser une surface libre (90) sur cette couche L1 pour une prise ohmique émetteur EMT 94 destinée à recevoir un potentiel de référence, par exemple le potentiel d'une masse M.

La couche de sortie L5 comporte une surface externe (100) en contact avec le vide comportant sur une partie de la surface externe une prise électrique collecteur COL 104 pour l'application d'une polarisation Vce positive par rapport au potentiel de référence M. Une autre partie de la surface externe 100 de la couche L5 est une surface émissive 108 de la couche de sortie L5 par laquelle s'effectue l'émission des électrons dans le vide.

Dans la réalisation de la figure 1 la charge fixe négative σ- est obtenue en dopant la couche L3 avec des impuretés de type accepteur. La figure 2 montre une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.

Dans ce deuxième mode, comportant l'empilement des couches L1 , L3, L4, L5 de la figure 1 , une charge fixe négative (σ-) est obtenue en partie par dopage de la couche L3 avec des impuretés de type accepteur et en partie par effet piézoélectrique obtenu à l'interface entre les couches L1 et L3 par un choix adéquat de la composition chimique desdites couches.

La figure 3 montre une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.

Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 3 on ajoute à l'empilement présenté sur la figure 1 une couche L2 ayant un dopage de type P ou N inférieur à quelques 10 ¹⁷ cm ^"3 et d'épaisseur t inférieure à 50nm.

Dans ce mode de la figure 3 une charge négative σ- est obtenue par effet piézoélectrique à l'interface entre la couche L3 dopée P et la couche L2. La couche L2 présente une différence de composition avec la couche L1 telle qu'une charge positive σ+ par effet piézoélectrique apparaisse dans l'interface entre la couche L2 et la première couche L1 . Par exemple les matériaux différents de ces couches L1 et L2 sont choisis parmi les composés chimiques suivant : ln _y AI _{1 -y} N, ou de rAl _x Gai. _x N, ou de rin _x Gai- _x N ou de r(ln _y AI _{1 -y} ) _x Ga _-x N

La figure 4 montre une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.

Dans ce quatrième mode l'empilage comporte entre la première couche L1 de type N et la couche de sortie L5 de type N une couche L4 dont le dopage de type N ou P est inférieur 5 10 ¹⁷ cm ^"3 . La différence de composition des couches L1 et L4 fait apparaître à l'interface entre ces dites couches une charge négative (σ-) par effet piézoélectrique formant ainsi les deux jonctions N/(P)/N en tête bêche. La couche L1 aura par exemple une composition du type Al _x Ga-i- _x N et la couche L4 aura par exemple une composition du type Al _y Ga-i _-y N avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.

La figure 5 montre une vue en coupe d'un cinquième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.

Dans ce cinquième mode de réalisation on insère entre les couches L1 et L4 de la structure décrite sur la figure 4 une couche L2 dopée en impureté de type P à un niveau inférieur à 5 10 ¹⁷ cm ^"3 et d'une épaisseur inférieure ou égale à 50nm.. La composition chimique des couches L1 et L2 est telle qu'une charge négative (σ-) induite par effet piézoélectrique apparaît à l'interface entre les deux couches L2 et L4. Les couches L1 et L2 auront par exemple une composition du type Al _x Ga-i- _x N et les couches L4 et L5 auront par exemple une composition du type Al _y Ga-i _-y N avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 et avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et telle que x > y.

La figure 6 montre une vue en coupe d'un sixième mode de réalisation du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention.

Dans le cas de ce sixième mode de réalisation la composition chimique de la couche L1 de la structure proposée sur la figure 5 est telle que il apparaît à l'interface entre les couches L1 et L2 une charge positive (σ ⁺ ) induite par effet piézoélectrique et la couche L2 est dopée en impureté de type N ou P à un niveau inférieur ou égal à 5 10 ¹⁷ cm ^"3 .

La structure du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention est similaire à une structure de transistor bipolaire à collecteur et à émetteur. Elle utilise ainsi les mêmes techniques de fabrication, bien connues de l'homme du métier, pour ce type de composant, à la différence que la prise de contact (de collecteur) sur la couche de sortie L5 de l'empilement en contact avec le vide ne doit recouvrir que partiellement sa surface. Cette prise de contact, ou prise ohmique, est confinée sur les bords de la couche, de façon à offrir une surface effective d'émission d'électrons dans le milieu environnant soit le vide.

La figure 7 montre une vue en coupe d'une première variante du dispositif d'émission selon l'invention.

Dans cette première variante toutes les couches de l'empilement ont la même surface de recouvrement, la prise de contact émetteur EMT est alors réalisée à l'extrémité du dispositif sur la face libre de la première couche L1 . La surface de la couche de sortie L5 comporte, dans cette variante, une multitude de prises de contact collecteur COL. Par la suite sont décrits les différents modes de fonctionnement du dispositif d'émission d'électrons dans le vide selon l'invention.

Les figures 8 à 12 montrent différents fonctionnements du dispositif d'émission d'électrons selon l'invention, ainsi que les bandes de conduction dans l'épaisseur des couches de l'empilement à l'équilibre et sous la tension de polarisation.

Deux modes de fonctionnement du dispositif sont envisageables, par claquage ou par perçage de la diode (ou jonction) PN polarisée en inverse. Le mode de fonctionnement dépendra de la densité de charges négatives contenues, par exemple dans la couche L3, et présentes à l'interface entre cette couche L3 et les couches adjacentes. Pour le GaN le fonctionnement en mode claquage sera obtenu pour une densité de charges négatives supérieure à environ 2 à 3x10 ¹³ /cm ² . Cette densité de charges dépendra du matériau utilisé, des dopages des couches formant la jonction et de l'épaisseur de la couche non dopée inséré au sein de celle-ci.

La figure 8 montre une configuration comportant les couches L1 , L3, L4, L5 fonctionnant en mode claquage, la figure 9 montre la même configuration ayant une épaisseur de couche L3 plus fine fonctionnant en mode perçage.

La figure 10 montre une autre configuration (voir aussi figure 3) comportant un empilement de couches L1 , L2, L3, L4, L5 fonctionnant en mode claquage.

La même configuration représentée à la figure 1 1 ayant une épaisseur de couche L3 plus fine pourra fonctionner en mode claquage ou en mode perçage selon la valeur de la charge piézoélectrique.

La figure 12 montre une autre configuration comportant les couches L1 , L2, L4 L5 (voir aussi figure 6) avec des couches L2 et L4 de faible épaisseur fonctionnant en mode perçage ou claquage.

La figure 13 montre une configuration du dispositif d'émission selon l'invention produisant une discontinuité de bande de conduction. Dans ce mode de réalisation la composition chimique de la couche L1 diffère de celles des couches L3 à L5 de manière à produire une discontinuité de bande de conduction entre les couches L1 et L3. Cette discontinuité est utilisée pour donner aux électrons un surplus d'énergie La composition chimique de la couches L1 sera choisie dans la famille de composée Al _x Ga-|. _X N ou ΑΙχΙη-ι.χΝ par exemple avec x supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1 , et celle des couches L2 à L5 sera choisie dans la famille de composée Al _y Ga-|. _y N ou Al _y ln _-y N par exemple avec y supérieur ou égal à 0 et inférieur à 1 et sera telle que x > y.

L'émission électronique par le dispositif selon l'invention se produira lorsque le champ électrique régnant au sein de la jonction polarisée en inverse sera supérieur au champ d'ionisation par avalanche, la couche dopée P, flottante, pouvant être partiellement ou totalement désertée comme indiquée schématiquement sur les figures 8 et 1 0 et sur les figures 9, 1 1 et 13 respectivement. Le mode perçage (voir figures 9, 1 1 et 1 3) sera obtenu pour une densité de charges négatives σ- inférieure à environ 2 à 3x1 0 ¹³ /cm ² pour du GaN et dépendra également des matériaux, dopages et épaisseur utilisés. Idéalement dans ce mode de fonctionnement on polarisera la jonction au seuil de sa tension de claquage par avalanche. Cette mise en œuvre nécessitera un contrôle précis de la densité de charges négatives (donc du dopage et de l'épaisseur de la couche L3 ainsi que de la charge fixe obtenue par effet piézoélectrique. Typiquement la couche L3 aura une épaisseur inférieure à 1 0Onm et un dopage supérieur à quelques 1 0 ¹⁸ cm ^"3 .

Dans cette solution selon l'invention, l'énergie est fournie sélectivement aux électrons à l'aide d'un champ électrique interne. Cette manière de procéder permet ainsi d'éviter l'application d'un champ électrique externe intense ou de chauffer la cathode pour obtenir une émission d'électrons. Couplée à l'emploi de semi-conducteurs à grande largeur de bande interdite cette mise en œuvre permet d'amener les électrons à des énergies supérieures à l'affinité électronique de ces matériaux ce qui nous libère de la nécessité d'utiliser des matériaux spécifiques pour abaisser le travail de sortie tel que le Cs ₂ 0 ou le LaB ₆ par exemple. Cette solution permet donc de dépasser les limitations des solutions existantes (cathodes thermoïoniques), s'affranchit des imperfections des solutions à l'étude (cathodes de Spindt, nanotubes) et laisse envisager la réalisation de sources d'électrons qui soient simultanément plus intenses, ayant une fiabilité accrue ainsi qu'un temps de réponse beaucoup plus rapide que celles de l'état de l'art.

La figure 14a montre une vue en coupe d'une variante du dispositif d'émission selon l'invention. La figure 14b montre une vue, du côté d'une couche de sortie, du dispositif de la figure 14a.

Dans les dispositifs d'émission d'électrons des figures 1 à 6, l'empilement de couches semi conductrices comporte une seule prise de contact ohmique émetteur EMT sur une surface libre de la première couche L1 de l'empilement et, à l'autre extrémité, une seule prise de contact électrique collecteur COL sur une partie d'une autre surface libre d'une couche de sortie L5 en contact avec le vide.

Ces configurations de prise de contact ne sont pas limitatives et peuvent être réalisées, soit par deux parties de contact, soit par des contacts sur le contour des couches, soit par une multitude de contacts Schottky disposés en parallèle sur la couche de sortie L5.

Les figures 14a et 14b montrent une des configurations de contacts possibles d'un empilement comportant une première couche L1 ayant une seule prise de contact ohmique émetteur EMT 200 et recouvrant partiellement la couche L1 un empilage de couches L3, L4 et la couche de sortie L5.

Des contacts électriques COL 204 sont disposés régulièrement sur la surface de la couche L5 et sont reliés électriquement par un unique contact électrique de collecteur 206. L'émission électronique aura lieu entre chaque contact consécutif 204. La distance entre deux contacts 204 disposés sur la surface est comprise entre 1 et 100μιτι.

La solution proposée par le dispositif d'émission d'électrons dans le vide selon l'invention permet par rapport aux cathodes thermoïoniques de couvrir à un coût moindre la gamme de puissances de 10 à 100W. En outre, le dispositif d'émission selon l'invention permet la réalisation des cathodes froides présentant des temps e réponse de plusieurs ordres de grandeur plus rapides.