DE69703962T2

DE69703962T2 - Elektronenemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE69703962T2
Application number: DE69703962T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Deguchi; Nobuhiro Eimori; Akimitsu Hatta; Akio Hiraki; Toshimichi Ito; Makoto Kitabatake
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Hatta Akimitsu Suita Osaka Jp; Hiraki Akio Kochi Jp; Ito Toshimichi Osaka Jp; Panasonic Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: DE69703962D1; EP0841677B1; KR100284272B1; WO1997036309A1; US6008502A; EP0841677A1; EP0841677A4; KR19990022055A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronenemittierende Vorrichtung zum Emittieren von Elektronenstrahlen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine elektronenemittierende Vorrichtung, die eine Diamantschicht enthält.

Stand der Technik

Eine herkömmliche elektronenemittierende Vorrichtung benutzte eine Glühkathode zur Gewinnung von Elektronen, indem ein Material wie Wolfram (W) oder dergleichen auf eine hohe Temperatur erhitzt wurde. In den letzten Jahren zog eine kleine elektronenemittierende Vorrichtung eines Typs mit kalter Kathode als eine Elektronenstrahlenquelle die Aufmerksamkeit auf sich, um solch einen Elektronenstrahlerzeuger zu ersetzen. Beispiele dieses Typs einer elektronenemittierenden Vorrichtung umfassen das eines Feldemissionstyps und eines lawinendurchbruchverstärkenden (avalancheverstärkenden) Typs unter Verwendung eines pn- und eines Schottky-Übergangs.
Bei der elektronenemittierenden Vorrichtung des Feldemissionstyps werden Elektronen von einem kegelförmigen Emitterabschnitt, der aus Metallen wie Silizium (Si), Molybdän (Mo) oder dergleichen gefertigt ist, emittiert, indem eine Spannung an eine Gattelektrode (Gate-Elektrode) angelegt wird, um ein elektrisches Feld anzulegen. So hat dieser Typ einer elektronenemittierenden Vorrichtung einen Vorteil, durch Nutzung von Miniaturisierungstechniken miniaturisiert zu sein.
Andererseits werden bei der elektronenemittierenden Vorrichtung des lawinendurchbruchverstärkenden Typs unter Verwendung eines Halbleitermaterials heiße Elektronen bzw. Glühelektronen durch Anlegen einer Sperrvorspannung von einem Emitterabschnitt emittiert, um eine Lawinendurchbruch- Verstärkung zu bewirken.
Die Eigenschaften, die für ein Material für solch eine elektronenemittierende Vorrichtung benötigt werden, sind folgende:
1) Leichtes Emittieren von Elektronen mit einem verhältnismäßig kleinen elektrischen Feld, d. h. das Vorliegen einer kleinen Elektronenaffinität;
2) Das Vorliegen einer chemisch stabilen Oberfläche für einen Emitterabschnitt, um eine beständige Elektronenemission aufrechtzuerhalten;
3) Das Vorliegen einer ausgezeichneten Abrieb- und Hitzebeständigkeit.
In Anbetracht der vorstehend genannten Punkte hat bei der Vorrichtung des Feldemissionstyps nach dem Stand der Technik ein Betrag des emittierenden Stroms eine starke Abhängigkeit von der Form des Emitterabschnitts, was die Herstellung und die Kontrolle dessen äußerst schwierig macht. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Schwierigkeit bei der Oberflächenstabilität des verwendeten Materials auf. Weiterhin ist bei diesem System eine einzelne Vorrichtung eine Elektronenemissions-Quelle an einem Punkt und es ist schwierig, einen Elektronenemissions-Fluß in einer ebenen Form zu erhalten.
Bei dem lawinendurchbruchverstärkenden Typ erzeugt die Vorrichtung Wärme, da es allgemein notwendig ist, der Vorrichtung einen hohen Strombetrag zur Verfügung zu stellen. Demnach wird die Elektronenemissions-Charakteristik instabil oder die Lebensdauer der Vorrichtung verkürzt. Weiterhin ist bei dem lawinendurchbruchverstärkenden Typ eine Cäsiumschicht oder dergleichen auf der Oberfläche des Emitterabschnitts vorgesehen, um den Betrag der Austrittsarbeit in dem Elektronenemissions-Abschnitt zu verringern. Da ein Material mit einer kleinen Austrittsarbeit wie Cäsium jedoch chemisch instabil ist, ist der Zustand der Oberfläche nicht stabil, d. h. die Elektronenemissions-Charakteristik ist nicht stabil. Wie vorstehend beschrieben, sind die herkömmlich genutzten Materialien und Strukturen nicht ausreichend, um die Merkmale zur Verfügung zu stellen, die für die elektronenemittierende Vorrichtung benötigt werden.
Andererseits ist Diamant ein Halbleitermaterial mit einem weiten Bandabstand (5, 5 eV), dessen Merkmale für ein Material für die elektronenemittierende Vorrichtung wegen seiner Härte, Abriebbeständigkeit, hohen Wärmeleitfähigkeit und chemischen Inaktivität geeignet sind. Hinzu kommt, daß Diamant ein höheres Energieniveau der Leitungsbandkante als das Energieniveau von Vakuum haben kann, indem der Zustand der Oberfläche von diesem eingestellt bzw. kontrolliert wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann Diamant den Zustand einer negativen Elektronenaffinität haben. Genauer gesagt, wenn Elektronen in das Leitungsband einer Diamantschicht eingeleitet werden, werden Elektronen leicht emittiert. Darüber hinaus kann Diamant im allgemeinen durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) unter Verwendung einer Gas enthaltenden Kohlenstoffart und einem Wasserstoffgas als Quellgas einfach gebildet werden und ist bei der Herstellung davon vorteilhaft. Da das Ferminiveau eines Metalls jedoch signifikant verschieden vom Energieniveau des Leitungsbands eines Diamanten ist, ist es nicht leicht Elektronen dem Leitungsband des Diamanten lediglich durch Kontaktierung einer Elektrode mit der Diamantschicht zur Verfügung zu stellen. Ein Verfahren oder ein Mechanismus zur effizienten Versorgung des Leitungsbands des Diamanten mit Elektronen wurde bislang noch nicht genauer untersucht und eine elektronenemittierende Vorrichtung wurde bislang noch nicht realisiert, die das Leitungsband des Diamanten mit Elektronen versorgt und es erlaubt, daß die Elektronen emittiert werden.
Die Druckschrift WO 94/28571 offenbart eine elektronenemittierende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem Diamant verwendet wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronenemittierende Vorrichtung zur effizienten Emission von Elektronenstrahlen bereitzustellen, um die vorstehend genannten Probleme des Standes der Technik zu lösen. Es ist eine weitere Zielsetzung, eine elektronenemittierende Vorrichtung für eine einfache Emission von Elektronenstrahlen durch Ausbilden einer Struktur, bei der mindestens eine Elektronenversorgungsschicht und eine Diamantschicht zwischen zwei unterschiedlichen Elektrodenschichten angeordnet (übereinandergeschichtet) sind, bereitzustellen.
Um die vorstehend genannten Ziele zu erreichen, ist die elektronenemittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, gekennzeichnet durch eine mehrlagige Struktur mit einer Elektrodenschicht, einer Elektronenversorgungsschicht und einer Diamantschicht und gekennzeichnet durch die Versorgung der Diamantschicht mit Elektronen von der Elektronenversorgungsschicht gemäß Anspruch 1.
Vorzugsweise hat die elektronenemittierende Vorrichtung eine MIS-Struktur (Metäll-Isolator-Halbleiter) mit der Elektrodenschicht, die aus einem Metall gefertigt ist, einer in der Elektronenversorgungsschicht enthaltenen Isolierschicht und einer in der Diamantschicht enthaltenen p-Diamantschicht, und versorgt die p-Diamantschicht mit Elektronen durch Anlegen einer Durchlaßspannung an die MIS-Struktur.
Weiterhin wird vorzugsweise bei der elektronenemittierenden Vorrichtung eine Durchlaßvorspannung an eine pn-Struktur angelegt, die die Elektrodenschicht aus Metall, eine in der Elektronenversorgungsschicht enthaltene n-Halbleiterschicht und eine in der Diamantschicht enthaltene p-Diamantschicht umfaßt.
Darüber hinaus wird vorzugsweise bei der elektronenemittierenden Vorrichtung eine Durchlaßvorspannung an eine pin- Struktur angelegt, die die Elektrodenschicht aus Metall, eine n-Halbleiterschicht und eine i-Halbleiterschicht, die in der Elektronenversorgungschicht enthalten ist, und eine in der Diamantschicht enthaltene p-Diamantschicht umfaßt.
Weiterhin hat bei der elektronenemittierenden Vorrichtung die Diamantschicht vorzugsweise eine Dicke von 5 um oder weniger. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Dicke des Diamants in einem Bereich von 0,05 um bis 1 um ist.
Weiterhin enthält die Diamantschicht vorzugsweise mindestens eine p-Diamantschicht. Des weiteren ist der elektrische Widerstand der p-Diamantschicht 1 · 10&sup4; Ω·cm oder weniger. Noch besser ist, wenn der elektrische Widerstand der p- Diamantschicht in einem Bereich von 1 · 10&supmin;² Ω·cm bis 1 · 10² Ω·cm liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung mit einer mehrlagigen Struktur, die eine Elektrodenschicht, eine Elektronenversorgungsschicht und eine Diamantschicht enthält.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung mit einer mehrlagigen Struktur, die eine Elektrodenschicht, eine Elektronenversorgungsschicht, eine Diamantschicht und eine Isolierschicht enthält.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden MIS-Vorrichtung, die eine Diamantschicht verwendet.
Fig. 4A und 4B zeigen schematisch Energiebänder einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden MIS-Vorrichtung, die eine Diamantschicht verwendet.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden pn- Vorrichtung, die eine Diamantschicht verwendet.
Fig. 6a und 6b zeigen schematisch Energiebänder einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung mit pn-Übergang, die eine Diamantschicht verwendet.
Fig. 7 zeigt im Querschnitt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden MIS-Vorrichtung, die eine Diamantschicht verwendet.
Fig. 8A bis 8F zeigen Verfahren zur Bildung eines Beispiels einer elektronenemittierenden MIS-Vorrichtung unter Verwendung einer Diamantschicht.
Fig. 9 zeigt im Querschnitt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung mit pn-Übergang, die eine Diamantschicht verwendet.
Fig. 10A bis 10F zeigen Verfahren zur Bildung eines Beispiels einer elektronenemittierenden Vorrichtung mit pn-Übergang, die eine Diamantschicht verwendet.

Die beste Art der Erfindungsausführung

Wie im Abschnitt über den Stand der Technik beschrieben ist, hat Diamant eine negative Elektronenaffinität und ist demnach als Material für eine elektronenemittierende Vorrichtung geeignet. Um jedoch Elektronen zu emittieren, ist es notwendig, das Leitungsband des Diamanten mit Elektronen zu versorgen, der der Bereich ist, der als. ein Emitter arbeitet. Um einfach Elektronen zu emittieren, ist es weiterhin auch notwendig, den Oberflächenzustand des Emitterabschnitts einzustellen bzw. zu kontrollieren. Anders ausgedrückt, um eine effiziente elektronenemittierende Vorrichtung unter Verwendung einer Diamantschicht zu bilden sind notwendig:
1) ein Verfahren zur Versorgung des Emitterbereichs mit Elektronen; und
2) ein Verfahren zum Einstellen der Oberfläche des Emitterabschnitts.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine elektronenemittierende Vorrichtung unter Verwendung einer Diamantschicht aufgebaut und durch eine mehrlagige Struktur gebildet, die mindestens eine Elektrodenschicht, eine Elektronenversorgungsschicht und eine Diamantschicht umfaßt. Somit sind die folgenden Funktionen vorgesehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung dieser Ausführungsform. Eine Vorspannung ist über zwei unterschiedliche Elektrodenschichten 11a und 11b angelegt, so daß ein elektrisches Feld auf einfache Weise an eine Elektronenversorgungsschicht 12 angelegt sein kann und eine Diamantschicht 13 zwischen den beiden angeordnet ist. Zu diesem Zeitpunkt kann durch Kontrolle der Größe der Verstärkung der Vorspannung ein geeignetes elektrisches Feld an die Elektronenversorgungsschicht 12 angelegt werden. Folglich können Elektronen leicht von einer Elektrodenschicht 11a in die Elektronenversorgungsschicht 12 und weiter von der Elektronenversorgungsschicht 12 in die Diamantschicht 13 geleitet werden. Hinzu kommt, daß durch Einstellen des Zustands der Oberfläche 14 der Diamantschicht der Zustand negativer Elektronenaffinität erzeugt werden kann. Somit ist es möglich, effizient Elektronen zu gewinnen. Der Zustand der Oberfläche 14 der Diamantschicht mit negativer Elektronenaffinität wird leicht durch die Bindung von Wasserstoffatomen mit Karbonatomen auf der obersten Oberfläche der Diamantschicht 13 realisiert, obgleich nicht ausdrücklich hierauf beschränkt. Weiterhin kann als Elektronenversorgungenschicht ein Diamant mit einer Isoliereigenschaft und eine Isolierschicht genutzt werden, obgleich nicht ausdrücklich hierauf beschränkt.
Bei einer solchen Ausführungsform ist, solang das elektrische Feld an die Elektronenversorgungsschicht 12 angelegt ist und die Diamantschicht 13 mit Elektronen versorgt wird, die Elektrode 11b, die in Fig. 1 gezeigt ist, nicht notwendigerweise in Kontakt mit der Diamantschicht 13. Die Elektrode kann im Abstand in einem Raum auf der Seite der Diamantschicht angeordnet sein, wie durch die Elektrode 11c gezeigt. In dieser Ausführungsform sind folgende Funktionen vorgesehen. Wenn die Elektronen von der Elektrodenschicht 11a zur Elektronenversorgungsschicht 12 durch ein Verfahren wie Tunnelung, Fotoanregung, thermische Anregung oder dergleichen eingeleitet werden, werden Elektronen von der Elektronenversorgungsschicht 12 dem Leitungsband der Diamantschicht 13 zur Verfügung gestellt. Die Elektronen, mit denen das Leitungsband des Diamanten mit der negativen Elektronenaffinität auf diese Weise versorgt wird, können leicht von der Oberfläche 14 der Diamantschicht gewonnen werden. Folglich ist es möglich, effizient emittierte Elektronen zu erhalten (gezeigt durch Pfeil 15) mit einer geringeren Energiemenge als im Stand der Technik.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind mindestens die Elektronenversorgungsschicht 12 und die Diamantschicht 13 zwischen den beiden Elektroden 11a und 11b angeordnet. Solange das elektrische Feld jedoch an die Elektronenversorgungsschicht angelegt ist und die Diamantschicht mit Elektronen versorgt wird kann eine Spannung nur an die Elektronenversorgungsschicht angelegt werden, um die erfindungsgemäße elektronenemittierende Vorrichtung zu realisieren. Die beiden Elektrodenschichten sind in diesem Fall nur mit der elektronenemittierenden Schicht zwischen sich angeordnet. Die Diamantschicht ist auf der Elektronenemissionsfläche ausgebildet, auf derselben Seite wie die Elektrode, in Kontakt mit der Elektronenversorgungsschicht.
Für die in diesen Ausführungsformen genutzte Diamantschicht 13 ist eine p-Diamantschicht geeignet, da das Ferminiveau in der Nähe der Valenzbandkante ist, so daß das Niveau der Leitungsbandkante höher als das Vakuumniveau ist, was somit zu einer beachtlichen negativen Elektronenaffinität führt. Die Dicke und der elektrische Widerstand hiervon sind 5 um oder weniger bzw. 1 · 10&sup4; Ω·cm oder weniger, noch besser 1 um oder weniger bzw. 1 · 10² Ω·cm oder weniger. Der Grund ist, daß für den Fall, daß die Filmdicke so klein wie vorstehend ist, Elektronen, die von der Elektronenversorgungsschicht 12 zu dem Leitungsband der Diamantschicht 13 geliefert werden, leicht die Oberfläche 14 der Diamantschicht erreichen und die Elektronen als emittierte Elektronen 15 gewonnen werden. Wenn die Dicke groß ist, wird eine Emissionseffizienz verringert, da die Elektronen zum Valenzband bewegt werden oder die Elektronen zu den Elektroden angezogen werden, bevor sie die Oberfläche erreichen. Weiterhin nähert sich das Ferminiveau des Diamanten, falls der elektrische Widerstand größer als der vorstehend genannte Wert ist, der Mitte des verbotenen Bandes, und verringert somit die Eigenschaft der negativen Elektronenaffinität. Zusätzlich wird, wenn der elektrische Widerstand hoch ist, das Verhältnis des an die Elektronenversorgungsschicht angelegten Felds reduziert, womit der Wirkungsgrad der Elektronenversorgung verringert wird.
Eine Bor-(B) Atomkonzentration, die in der p-Diamantschicht enthalten ist, ist im Bereich von 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ bis 1 · 10²&sup0; Atome/cm³, besser 1 · 10¹&sup7; Atome/cm³ oder mehr. Ein solcher Wert kann leicht durch Einstellen der Bildungsbedingungen der p-Diamantschicht erreicht werden. Wenn die Bor- Atomkonzentration geringer als der oben genannte Wert ist, verringert sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung wie im Fall eines größeren elektrischen Widerstands der Diamantschicht.
Weiterhin ist die Elektronenemissionsoberfläche der Diamantschicht bei der negativen Elektronenaffinität ausgezeichnet, wenn diese mit Wasserstoff abgeschlossen ist. Somit kann diese als eine elektronenemittierende Vorrichtung arbeiten, selbst wenn diese mit Cs, Ni, Ti, W, H, a-C ("a" kennzeichnet amorph) oder dergleichen bedeckt ist. Eine geeignete kombinierte Atomdichte liegt im Bereich von 1 · 10¹&sup5; Atome/cm² bis 1 · 10¹&sup7; Atome/cm². Die mit Wasserstoff abgeschlossene Diamantoberfläche ist im allgemeinen leitfähig. Diese leitfähige Oberflächenschicht ist als eine Elektronenemissionsoberfläche des Diamanten wirksam.
Weiterhin ist der Bereich der Vorspannung, der über die Elektroden angelegt wird, abhängig von der Dicke und dem elektrischen Widerstand der Elektronenversorgungsschicht 12 und der Diamantschicht 13. Eine funktionsfähige elektronenemittierende Vorrichtung kann aber im Bereich von 0,1 V bis 100 V realisiert werden.
Die erfindungsgemäße elektronenemittierende Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, enthält mindestens eine Elektrodenschicht, eine Elektronenversorgungsschicht, eine Diamantschicht und eine Isolierschicht, die in Kontakt mit der Diamantschicht übereinander geschichtet sind. Somit werden folgende Funktionen bereit gestellt.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung dieser Ausführungsform. Eine Vorspannung wird über zwei unterschiedliche Elektrodenschichten 21a und 21b angelegt, so daß ein elektrisches Feld an eine Elektronenversorgungsschicht 22 und eine zwischen den beiden angeordnete Diamantschicht 23 einfach angelegt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann ein geeignetes elektrisches Feld an die Elektronenversorgungsschicht 22 angelegt werden, indem die Größe der Verstärkung der Vorspannung eingestellt wird. Folglich können Elektronen leicht von einer Elektrodenschicht 21a zu der Elektronenversorgungsschicht 22 und weiter von der Elektronenversorgungsschicht 22 zu der Diamantenschicht 23 geleitet werden. Zusätzlich kann ein Teil der eingeleiteten Elektronen, die in die andere Elektrode 21b ohne herausgezogen zu werden fließen, durch die Isolierungsschicht 25 unterdrückt werden. Somit ist es möglich, Elektronen wirkungsvoll (gezeigt durch Pfeil 26) von der Oberfläche 24 der Diamantschicht mit negativer Elektronenaffinität zu gewinnen.
Der Bereich der Vorspannung, die über die beiden Elektroden angelegt wird, hängt von der Dicke und dem elektrischen Widerstand der Elektronenversorgungsschicht 22 und der Diamantschicht 23 ab, wie bei der Ausführungsform vorstehend beschrieben. Elektronen können aber geliefert und von der Diamantschichtoberfläche im Bereich von 0,1 V bis 100 V emittiert werden.
Für die Diamantschicht, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eignet sich eine p-Diamantschicht, wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Die gewünschten Eigenschaften sind dieselben wie die vorstehend beschriebenen. Für die Isolierschicht 25 ist eine Schicht mit einer ausreichenden Dicke und einem elektrischen Widerstand geeignet, um zu verhindern, daß Strom in die Elektrodenschicht 21b fließt ohne einen elektrischen Feldbeitrag, der an die Elektrodenversorgungsschicht 22 angelegt wird, zu beeinflussen. Genauer ausgedrückt beträgt die Dicke vorzugsweise 1 um oder weniger und der elektrische Widerstand liegt im Bereich 1 · 10&sup4; Ω·cm bis 1 · 10¹² Ω·cm, noch besser 1 · 10&sup8; Ω·cm oder mehr. Wenn die Dicke zunimmt, wächst das Verhältnis des elektrischen Feldes, das an der isolierenden Schicht 25 angelegt ist, zum elektrischen Feld, das über die Elektroden 21a und 21b anliegt, so daß ein Versorgungswirkungsgrad von Elektronen von der Elektronenversorgungsschicht reduziert wird. Als Material oder dergleichen für die Isolierschicht 25 wird im allgemeinen eine isolierende Diamantschicht oder eine Siliziumdioxidschicht benutzt, ist darauf aber nicht ausdrücklich beschränkt.
Das bevorzugte Beispiel, bei dem die Diamantschicht mindestens eine p-Diamantschicht enthält, ist aus den vorstehend beschriebenen Gründen für eine elektronenemittierende Vorrichtung geeignet. Weiterhin ist es bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß dem bevorzugten Beispiel, bei dem die Dicke und der Widerstand der p- Diamantschicht, die in der Diamantschicht enthalten ist, im Bereich von 0,05 um bis 5 um bzw. im Bereich von 1 · 10² Ω·cm bis 1 · 10&sup4; Ω·cm, noch besser 1 um oder weniger bzw. 1 · 10² Ω·cm oder weniger, möglich, bei geringerer Vorspannung Elektronen zu emittieren.
Weiterhin wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, durch eine MIS-Struktur aufgebaut, die eine Elektrodenschicht, eine Elektronenversorgungsschicht, die einen Isolator wie eine i- Diamantschicht oder dergleichen enthält und eine p- Diamantschicht umfaßt. Eine Durchlaßvorspannung wird an die MIS-Struktur angelegt, um die p-Diamantschicht über die Elektronenversorgungsschicht mit Elektronen zu versorgen. Somit sind folgende Funktionen vorgesehen. Durch Anlegen einer geeigneten Durchlaßvorspannung an die MIS-Struktur tunneln Elektronen von der Elektrodenschicht, wie ein Metall, eine Schottkybarriere, die an dem Übergang zwischen der Metall und der Isolierschicht existiert, und werden wirkungsvoll in die p-Diamantschicht eingeleitet. Zusätzlich werden die eingeleiteten Elektronen leicht von der p- Diamantschichtoberfläche oder dergleichen mit dem Zustand der negativen Elektronenaffinität emittiert.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform wird eine i-Diamantschicht als Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) 33 verwendet und eine Schottkybarriere ist an dem Übergang zwischen der Elektronenversorgungsschicht 33 und der Elektrodenschicht 32 ausgebildet. Eine p-Diamantschicht 34 mit aufgrund des Einstellens der Oberfläche bewirkter negativer Elektronenaffinität ist auf der i-Diamantschicht ausgebildet. Eine Elektrodenschicht 35 ist auf einem Teil der Oberfläche der p-Diamantschicht 34 ausgebildet, um eine Vorspannung an die Vorrichtung anzulegen.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung das Energieband dieser Ausführung. "Metall" in Fig. 4 bezeichnet die Metallelektrodenschicht 32 und "i-Typ" und "p-Typ" bezeichnen die Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht: i-Diamantschicht) 33 bzw. die p-Diamantschicht 34. "&epsi;c", "&epsi;v", "&epsi;v" und "&epsi;vac" bezeichnen die Leitungsbandkante die Valenzbandkante, das Ferminiveau bzw. das Energieniveau des Vakuumniveaus.
Im Gleichgewichtszustand (angelegte Vorspannung: 0, Fig. 4a) ist die Oberfläche der p-Diamantschicht 34 im Zustand negativer Elektronenaffinität. Da jedoch Elektronen als Minoritätsladungsträger kaum im Leitungsband existieren können, können Elektronen nicht emittiert werden. Andererseits verschiebt sich das Band, wie dies in Fig. 4b gezeigt ist, in dem Zustand, in dem eine geeignete Durchlaßvorspannung angelegt wird (Fig. 4b), da die Vorspannung zum größten Teil an der Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) 33 angelegt ist. Folglich wird die Schottkybarriere am Übergang zwischen dem Metall und der isolierenden Schicht dünn. Dann werden Elektronen von der Elektrodenschicht 32 in das Leitungsband der p-Diamantschicht 34 durch Tunnelung eingeleitet. Der Grad der Einleitung hängt von der Energiehöhe (Δ&epsi; = &epsi;c - &epsi;F) der Schottkybarriere am Übergang zwischen der Elektrodenschicht und der Isolierschicht oder von der Barrierenweite ab. Es ist aber möglich, Elektronen wirksam durch Wählen einer geeigneten Dicke der Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) 33 einzuleiten. Die in die p-Diamantschicht 34 eingeleiteten Elektronen bewegen sich durch Diffusion oder dergleichen zu einem Emitterabschnitt, wo die Elektronen emittiert werden. Dann werden die Elektronen in das Vakuum emittiert, da die Oberfläche der p-Diamantschicht 34 negative Elektronenaffinität (~, > ~C) aufweist. Auf diese Weise sind durch Verwendung einer Durchlaßvorspannung an die MIS-Struktur der Elektrodenschicht 32 der Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht: i-Diamantschicht) 33 und der p-Diamantschicht 34 die emittierten Elektronen beständig und effizient zu erhalten. In der vorstehenden Beschreibung wird die i-Diamantschicht als Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) 33 verwendet. Eine Beschränkung hierauf gibt es jedoch nicht. Eine Siliziumdioxidschicht oder dergleichen kann verwendet werden. Als Material, das für die Elektrodenschicht 32 verwendet wird, wird im allgemeinen Aluminium (Al) oder Wolfram (W) benutzt, ist aber nicht ausdrücklich darauf beschränkt.
Bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem die Dicke der p-Diamantschicht 5 um oder weniger beträgt, vorzugsweise 1 um oder weniger, ist es möglich, die Oberfläche effizient mit eingeleiteten Elektronen zu versorgen, die den Zustand negativer Elektronenaffinität aufweist. Bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem eine Bor-Atomkonzentration im Bereich von 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ bis 1 · 10²&sup0; Atome/cm³, noch besser 1 · 10¹&sup7; Atome/cm³ oder mehr, enthalten ist, kann die für die Vorrichtungsstruktur geeignete p-Diamantschicht erhalten werden. Bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem ein Widerstand der p-Diamantschicht im Bereich von 1 · 10² Ω·cm bis 1 · 10&sup4; Ω·cm, noch besser 1 · 10² Ω·cm oder weniger, ist, ist es möglich, den durch den Widerstand bedingten Verlust zu verringern bzw. zu vermeiden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem ein elektrischer Widerstand der die Diamantschicht, die als Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) verwendet wird, im Bereich von 1 · 10&sup4; Ω·cm bis 1 · 10¹² Ω·cm ist, noch besser 1 · 10&sup5; Ω·cm oder mehr, eine angelegte Vorspannung effizient an ein Gebiet mit hohem Widerstand angelegt werden. Daher können Elektronen leicht durch Tunnelung eingeleitet werden.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine unter Verwendung einer Diamantschicht gebildete elektronenemittierende Vorrichtung gekennzeichnet durch Anlegen einer Durchlaßvorspannung an eine pn-Struktur, die eine Elektrodenschicht, eine aus einer n-Halbleiterschicht, wie eine n-Diamantschicht oder dergleichen, gebildete elektronenversorgende Schicht und eine p- Diamantschicht enthält. Auf diese Weise werden Elektronen effizient von der n-Halbleiterschicht in die p- Diamantschicht eingeleitet. Außerdem können die eingeleiteten Elektronen leicht von der p-Diamantschichtoberfläche oder dergleichen mit dem Zustand negativer Elektronenaffinität emittiert werden.
Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Beispiel einer erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung. Bei diesem Beispiel ist eine n-Diamantschicht auf einer Elektrodenschicht 52 gebildet wie eine Elektronenversorgungsschicht 52 auf einer n- Halbleiterschicht gebildet ist. Weiterhin ist eine p- Diamantschicht 54 mit dem Zustand negativer Elektronenaffinität bedingt durch die Kontrolle bzw. das Einstellen des Oberflächenzustands auf der n-Diamantschicht 53 gebildet. Eine Elektrodenschicht 55 zum Anlegen einer Vorspannung an die Vorrichtung ist dann auf einem Teil der Oberfläche der p-Diamantschicht 54 gebildet.
Die Fig. 6A und 6B zeigen in schematischer Darstellung das Energieband der vorstehend beschriebenen Struktur. "Metall" in den Fig. 6A und 6B bezeichnet die Metallelektrodenschicht 52 und "n-Typ" und "p-Typ" bezeichnen die Elektronenversorgungsschicht (n-Halbleiterschicht: n-Diamantschicht) 53 bzw. die p-Diamantschicht 54. Im Gleichgewichtszustand (angelegte Vorspannung: 0, Fig. 6A) ist die p- Diamantschicht 54 im Zustand negativer Elektronenaffinität. Da jedoch Elektronen kaum im Leitungsband existieren können, können Elektronen nicht emittiert werden. Andererseits werden in dem Zustand, bei dem eine geeignete Durchlaßvorspannung angelegt ist (Fig. 6B), Elektronen von der n- Halbleiterschicht 53 (n-Diamantschicht) in das Leitungsband der p-Diamantschicht 54 eingeleitet. Die eingeleiteten Elektronen bewegen sich durch Diffusion oder dergleichen zu einem Emitterabschnitt, bei dem die Elektronen von der p- Diamantschicht 54 emittiert werden. Auf diese Weise werden die emittierten Elektronen durch Anlegen einer Durchlaßvorspannung an die pn-Struktur der Elektrodenschicht 52 mit einer geeigneten Dicke, an die n-Halbleiterschicht (n- Diamantschicht) und an die p-Diamantschicht 54 beständig und effizient erhalten.
In der vorstehenden Beschreibung wird die n-Diamantschicht als die n-Diamantschicht 53 verwendet. Eine Beschränkung hierauf gibt es jedoch nicht, und es kann ein n-Silizium- Carbid oder dergleichen verwendet werden. Ein für die Elektrodenschichten 52 und 55 verwendetes Material ist nicht speziell eingeschränkt, aber Titan (Ti) oder Gold/Titan (Au/Ti) oder dergleichen werden allgemein benutzt.
Bei der vorliegenden Erfindung können gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem die Dicke der p-Diamantschicht in dem Bereich von etwa 0,05 um bis 5 um, noch besser 1 um oder weniger, liegt, eingeleitete Elektronen der Oberfläche mit negativer Elektronenaffinität effizient geliefert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die in der p-Diamantschicht enthaltene Bor-Atom-Konzentration im Bereich von 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ bis 1 · 10²&sup0; Atome/cm³, noch besser 1 · 10¹&sup7; Atome/cm³ oder mehr, ist, kann die für die Vorrichtungsstruktur geeignete p-Diamantschicht erhalten werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem der Widerstand der p- Diamantschicht im Bereich von 1 · 10² Ω·cm bis 1 · 10&sup4; Ω·cm ist, noch besser 1 · 10² Ω·cm oder weniger, einen durch den Widerstand bedingten Verlust zu vermeiden.
Bei der vorliegenden Erfindung, gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem eine in der n-Diamantschicht enthaltene Phosphor-(P) Atom oder Stickstoff- (N) Konzentration im Bereich von 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ bis 1 · 10²&sup0; Atome/cm³ ist, besser 1 · 10¹&sup7; Atome/cm³ oder mehr, kann die für die Vorrichtungsstruktur geeignete n-Diamantschicht erhalten werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, gemäß einem bevorzugten Beispiel, bei dem der Widerstand der n- Diamantschicht und der n-Halbleiterschicht im Bereich von 1 · 10² Ω·cm bis 1 · 10&sup4; Ω·cm ist, besser 1 · 10² Ω·cm oder weniger, einen durch den Widerstand bedingten Verlust zu vermeiden.
Erfindungsgemäß ist eine unter Verwendung einer Diamantschicht gebildete elektronenemittierende Vorrichtung gekennzeichnet durch Anlegen einer Durchlaßvorspannung an eine pin-Struktur mit einer Elektrodenschicht, einer Elektronenversorgungsschicht, die eine n-Halbleiterschicht und eine i- Halbleiterschicht umfaßt, und mit einer p-Diamantschicht. Auf diese Weise werden, wie im vorstehend beschriebenen Fall, Elektronen effizient von der n-Halbleiterschicht zu der p-Diamantschicht durch Tunnelung des i-Halbleiters eingeleitet. Zusätzlich werden die eingeleiteten Elektronen leicht von der p-Diamantschichtoberfläche oder dergleichen mit dem Zustand negativer Elektronenaffinität emittiert. Auf diese Weise werden durch Anlegen einer Durchlaßvorspannung an die pin-Struktur mit der Elektrodenschicht mit einer geeigneten Dicke, der n-Halbleiterschicht, der i-Halbleiterschicht und der p-Diamantschicht die emittierten Elektronen beständig und effizient erhalten.
Bei der vorliegenden Erfindung, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die p-Diamantschicht eine Dicke von 0,05 um bis 5 um, noch besser 1 um oder weniger, aufweist, ist es möglich, die Oberfläche mit dem Zustand negativer Elektronenaffinität effizient mit den eingeleiteten Elektronen zu versorgen. Weiterhin kann bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Bor-Atom-Konzentration, die in der p-Diamantschicht enthalten ist, im Bereich von 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ bis 1 · 10²&sup0; Atome/cm³, besser 1 · 10¹&sup7; Atome/cm³ oder mehr, liegt, die für die Vorrichtungsstruktur geeignete p-Diamantschicht erhalten werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die elektrischen Widerstände der p-Diamantschicht und des n-Halbleiters im Bereich von 1 · 10² Ω·cm bis 1 · 10&sup4; Ω·cm, noch besser 1 · 10² Ω·cm oder weniger, liegen, einen durch den Widerstand bedingten Verlust zu vermeiden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der ein elektrischer Widerstand der i- Halbleiterschicht im Bereich von 1 · 10&sup4; Ω·cm bis 1 · 10¹² Ω·cm liegt, noch besser 1 · 10&sup8; Ω·cm oder mehr, eine angelegte Vorspannung effizient an einen Bereich mit hohem Widerstand angelegt werden. Daher können Elektronen durch Tunnelung einfach eingeleitet werden.
Darüber hinaus kann bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem der Emitterabschnitt, von dem die Elektronen emittiert werden, auf der Oberfläche der p-Diamantschicht ist, der Zustand negativer Elektronenaffinität leicht durch Einstellen des Oberflächenzustandes erreicht werden. Zusätzlich können die eingeleiteten Elektronen leicht nach außen emittiert werden, so daß eine effiziente elektronenemittierende Vorrichtung realisiert werden kann.
Weiterhin kann bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche der p-Diamantschicht durch Bindungen an Wasserstoffatome abgeschlossen sind, eine Struktur, bei der Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche mit Wasserstoffatomen verbunden sind, auf eine einfache Weise gebildet werden. Außerdem kann die p-Diamantschicht in einem signifikant stabilen Zustand negativer Elektronenaffinität hergestellt werden.
Weiterhin sind bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Menge an Wasserstoffatomen, die mit Kohlenstoffatomen auf der obersten Oberfläche der p-Diamantschicht verbunden sind, 1 · 10¹&sup5; Atome/cm² bis 1 · 10¹&sup7; Atome/cm² beträgt, vorzugsweise 2 · 10¹&sup5; Atome/cm² oder mehr, fast alle Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche mit Wasserstoffatomen verbunden, so daß ein stabilerer Zustand negativer Elektronenaffinität aufrechterhalten werden kann.
Außerdem ist bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem der Emitterabschnitt, von dem Elektroden emittiert werden, in der Nähe des Übergangs zwischen p-Diamantschicht und der in Kontakt mit der p-Diamantschicht stehenden Schicht, der Abstand der Diffusion der in das Leitungsband der p-Schicht eingeleiteten Elektronen verkürzt, so daß eine effizientere elektronenemittierende Vorrichtung realisiert werden kann.
Außerdem kann bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei der eine leitfähige Oberflächenschicht aus Diamant als die p-Diamantschicht verwendet wird, eine Schicht als p-Diamantschicht mit einer Dicke von 1 m oder weniger einfach ohne Durchführung eines weiteren Prozesses zur Bildung einer p-Diamantschicht erhalten werden. Somit kann eine effiziente elektronenemittierende Vorrichtung leicht realisiert werden.
Weiterhin kann bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Struktur der Schicht des Diamanten mit leitfähiger Oberfläche so ist, daß Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche der Diamantschicht durch Bindungen mit Wasserstoffatomen abgeschlossen sind, der p-Diamant in einem signifikant stabilen Zustand negativer Elektronenaffinität auf einfache Weise gefertigt werden.
Weiterhin sind bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Menge an Wasserstoffatomen, die mit Kohlenstoffatomen auf der obersten Oberfläche der Diamantschicht verbunden sind, 1 · 10¹&sup5; Atome/cm² bis 1 · 10¹&sup7; Atome/cm², vorzugsweise 2 · 10¹&sup5; Atome/cm² oder mehr, fast alle Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche mit Wasserstoffatomen verbunden, so daß ein stabilerer Zustand negativer Elektronenaffinität aufrecht erhalten werden kann. Außerdem können bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Dicke der gesamten Diamantschicht 0,05 um bis 5 um, noch besser 1 um oder weniger, beträgt, Elektronen effizient ohne in der Diamantschicht verloren zu gehen emittiert werden.
Weiterhin können bei der vorliegenden Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Struktur einer elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, als eine schmale Linie mit einer Weite von 0,05 um bis 5 um, noch besser 1 um oder weniger, geformt ist, Elektronen effizient, ohne in der Vorrichtung verloren zu gehen, emittiert werden. Zusätzlich können Elektronen linear emittiert werden.
Weiterhin kann bei der vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei dem die Diamantschicht durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren gebildet ist, eine Schicht mit leitfähiger Oberfläche auf der so gewachsenen Diamantschichtoberfläche ohne Durchführung einer Behandlung, wie eine Nachbehandlung, erhalten werden.
Außerdem kann das Verfahren zur Herstellung einer elektronenemittierenden Vorrichtung unter Verwendung einer Diamantschicht gekennzeichnet sein durch den Schritt des Bildens dünner Diamantschichten, von denen jede eine Dicke von 1 m oder weniger hat, auf einem Substratmaterial durch das Gasphasenabscheidungsverfahren. Somit ist es möglich, leicht eine hocheffiziente elektronenemittierende Vorrichtung mit einer dünnen Diamantschicht zu bilden.
Weiterhin kann ein Verfahren zur Fertigung einer elektronenemittierenden Vorrichtung unter Verwendung einer Diamantschicht die Schritte des Bildens der Diamantschicht auf einem Substratmaterial durch das Gasphasenabscheidungsverfahren und des Ätzens der Diamantschicht von der Fläche der Diamantschicht auf der Seite des Substratmaterials oder der Oberfläche der Diamantschicht zu einer vorgegebenen Dicke oder weniger umfassen. Somit ist es möglich, auf einfache Weise eine hocheffiziente elektronenemittierende Vorrichtung mit einer gewünschten Struktur zu bilden.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung, wie vorstehend beschrieben, das Kontrollieren bzw. das Einstellen der Struktur der Emitterabschnittsoberfläche sehr wichtig. Ein Verfahren zur Bildung einer für den Emitterabschnitt geeigneten Struktur ist nicht speziell eingeschränkt. Es ist aber leicht, ein Element einzustellen, das die Leitfähigkeit der Oberfläche kontrolliert, d. h. das mit den Kohlenstoffatomen auf der Diamantoberfläche verbunden ist. Als ein konkretes Beispiel: durch Erzeugen einer wasserstoffabgeschlossenen Oberfläche (Leitfähigkeit) kann der Diamant den Zustand negativer Elektronenaffinität annehmen. Andererseits kann durch Erzeugen einer sauerstoffabgeschlossenen Oberfläche (Isolation), der Diamant den Zustand positiver Elektronenaffinität annehmen. Ein solcher Wechsel des Oberflächenzustandes wird beliebig eingestellt, so daß die Vorrichtungsstruktur der hocheffizienten elektronenemittierenden Vorrichtung und deren Herstellungsverfahren einfach sein können.
Ein Verfahren zur Herstellung einer elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, kann gekennzeichnet sein durch Aufnahme des Schritts des Bestrahlens eines vorbestimmten Bereichs der Diamantschicht mit ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 200 nm oder weniger. Somit ist es möglich, Elemente, die an die Diamantoberfläche gebunden sind, selektiv zu entfernen und neue Bindungen zu bilden. Folglich ist es möglich, den Zustand der Elektronenaffinität der Diamantoberfläche entweder positiv (isolierend) oder negativ (leitfähig) einzustellen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, kann durch Aufnahme des Schritts des Behandelns einer vorbestimmten Region der Diamantschicht mit einem Plasma gekennzeichnet sein, das von einem Gas mit mindestens einem Wasserstoffgas erhalten wird. Somit ist es möglich, Kohlenstoffatome an der obersten Oberfläche der Diamantschicht mit Wasserstoffatomen selektiv zu binden. Folglich ist es möglich, einen Bereich mit negativer Elektronenaffinität auf einfache Weise zu bilden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, kann durch Aufnahme des Schritts des Behandelns der erwärmten Diamantschicht mit einem Gas mit mindestens einem Wasserstoffgas gekennzeichnet sein. Somit ist es möglich, Kohlenstoffatome an der obersten Oberfläche der Diamantschicht mit Wasserstoffatomen selektiv zu binden. Folglich ist es möglich, einen Bereich mit negativer Elektronenaffinität auf einfache Weise zu bilden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, kann durch Aufnahme des Schritts des Behandelns eines vorbestimmten Bereichs der Diamantschicht mit einem Plasma gekennzeichnet sein, das von einem Gas mit mindestens einem Sauerstoffgas erhalten wird. Somit ist es möglich, Kohlenstoffatome an der obersten Oberfläche der Diamantschicht selektiv an Sauerstoffatome zu binden. Folglich ist es leicht möglich, einen Bereich mit positiver Elektronenaffinität zu bilden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist, kann durch Aufnahme des Schritts des Behandelns der erwärmten Diamantschicht mit einem Gas gekennzeichnet sein, das mindestens ein Sauerstoffgas enthält. Somit ist es möglich, Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche der Diamantschicht an Sauerstoffatome selektiv zu binden. Folglich ist es möglich, einen Bereich mit positiver Elektronenaffinität auf einfache Weise zu bilden.
Wie vorstehend beschrieben kann durch beliebiges Einstellen. des Oberflächenzustandes der Diamantschicht die Vorrichtungsstruktur einer hocheffizienten elektronenemittierenden Vorrichtung und deren Herstellungsprozeß einfach sein.
Weiterhin ist die elektronenemittierende Vorrichtung mit einer Diamantschicht, wie vorstehend beschrieben, gebildet, so daß eine planare elektronenemittierende Vorrichtung, die Elektronen von der p-Diamantschicht in einer planaren Form emittiert, realisiert werden kann. Obwohl bei einem herkömmlichen konischen Emitter die Elektronenemission nur an dem vorstehenden Punkt bewirkt wird, wird festgestellt, daß die elektronenemittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit der Diamantschicht Elektronen in einer Ebene einer Fläche von 1 um² bis 10.000 um² emittiert.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung genauer anhand von Beispielen beschrieben.

(Beispiel 1)

Zuerst werden eine isolierende Diamantschicht für eine Elektronenversorgungsschicht und eine p-Diamantschicht auf einem 2 · 2 · 0,5 mm Silizium-Substrat durch das Gasphasenabscheidungsverfahren gebildet. Das Gasphasenabscheidungsverfahren für die Diamantschicht ist nicht speziell auf eines beschränkt, aber ein Gas, das durch Verdünnen einer Kohlenstoffquelle, wie bspw. ein Kohlenwasserstoffgas (Methan, Ethan, Ethylen, Acethylen oder dergleichen), einer organischen Verbindung (Alkohol, Aceton oder dergleichen) und Kohlenstoffmonoxid oder dergleichen mit einem Wasserstoffgas erhalten wird, wird allgemein als ein Quellgas verwendet. Dann wird das Quellgas mit Energie versorgt, um Zerlegung, bzw. Abbau zu bewirken. In diesem Fall kann Sauerstoff, Wasser oder dergleichen zusätzlich zum Quellgas hinzugefügt werden, wenn dies notwendig ist. Bei diesem Beispiel werden die isolierende Diamantschicht und die p-Diamantschicht durch ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren gebildet, was eines der Gasphasenabscheidungsverfahren ist. Das Mikrowellenplasma-CVD- Verfahren ist ein Verfahren zum Bilden eines Diamanten durch Anlegen von Mikrowellen an das Quellgas, um Plasma zu erzeugen. Die speziellen Bedingungen waren folgende. Ein Kohlenstoffmonoxidgas, das mit Wasserstoff auf etwa 1 bis 10 Vol% verdünnt war, wurde als Quellgas verwendet. Ein Diborangas bzw. Borethangas wurde zum Quellgas hinzugefügt, damit der Diamant den p-Typ annahm. Die Reaktionstemperatur und der Druck waren 800-900ºC bzw. 3, 3 · 10³ bis 5,3 · 10³ Pa (25 bis 40 Torr). Die Dicken der gebildeten isolierenden Diamantschicht und der p-Diamantschicht waren 2 um bzw. 0,5 um. Weiterhin wurde durch Sekundärionenmassenspektroskopie festgestellt, daß 1 · 10¹&sup8; Boratome pro cm³ in dem p-Film enthalten waren und der elektrische Widerstand davon 1 · 10² Ω·cm oder weniger war. Wasserstoffatome waren an die oberste Oberfläche der erhaltenen p-Diamantschicht gebunden. Die Ergebnisse der Bewertung der Elektronenaffinität der p- Diamantoberfläche unter Verwendung einer Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen zeigten die negative Elektronenaffinität an.
Dann wurde ein Loch durch Entfernen eines Teils des Siliziumsubstrats mit einer Salpetersäurelösung gebildet und eine Elektrode aus Aluminium (Al) wurde durch Vakuumverdampfen auf der Fläche mit Kontakt zum Substrat gebildet, d. h. zur isolierenden Diamantschicht. Weiterhin wurde eine Elektrode aus Gold/Titan (Au/Ti) auf der p-Diamantschicht durch Elektronenstrahlverdampfung gebildet. Folglich wurde die Struktur, die in Fig. 1 gezeigt ist, hergestellt, bei der die isolierende Diamantschicht (Elektronenversorgungsschicht) und die p-Diamantschicht zwischen den beiden Elektroden angeordnet sind.
Die elektronenemittierende Vorrichtung, die auf die vorstehend beschriebene Weise gefertigt wurde, wurde in einem Vakuum von etwa 1,3 · 10 Pa (10&supmin;&sup9; Torr) angeordnet und eine positive Spannung bis zu etwa 100 V wurde an die Al-Elektrode angelegt. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß Elektronen von der p-Diamantoberfläche emittiert wurden. Das Verhältnis des emittierten Stroms (Emissionswirkungsgrad) betrug etwa 0,1 bis 10%. Es wurde festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand der Technik emittiert wurden.
Für den Fall, bei dem die p-Diamantschicht unter anderen Bedingungen gebildet wurde, für den Fall, bei dem ein anderes Material für das Substrat verwendet wurde und für den Fall, bei dem Al durch Wolfram (W) als ein Material für die Elektrode ersetzt wurde, wurden dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 2)

Eine Diamantschicht wurde auf einem 2 · 2 · 0,5 mm Si-Substrat durch ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gebildet. Bei diesem Beispiel wurde nur eine isolierende Diamantschicht gebildet. Die speziellen Bedingungen waren dieselben wie bei Beispiel 1. Eine Schicht mit leitfähiger Oberfläche besteht im allgemeinen bei der Diamantschicht, die durch das Mikrowellenplasma-CVD- Verfahren gefertigt wurde, als ein Ergebnis der Verbindung von Wasserstoffatomen mit deren Oberfläche. Es ist bekannt, daß die Schicht mit leitfähiger Oberfläche als p-Typ wirkt. Dafür hat die isolierende Diamantschicht mit der Schicht mit leitfähiger Oberfläche dieselbe Struktur wie die Struktur, bei der die p-Diamantschicht auf der isolierenden Diamantschicht (Elektronenversorgungsschicht) wie in Beispiel 1 gebildet ist. Als ein Ergebnis der Bewertung der Oberfläche der isolierenden Diamantschicht mit der leitfähigen Oberflächenschicht wurden Wasserstoffatome an der obersten Oberfläche gebunden und die Elektronenaffinität war negativ. Dann wurde ein Loch durch Ätzen eines Teils der Siliziumoberfläche mit einer Salpetersäurelösung gebildet, um eine Al- Elektrode auf der Fläche mit Kontakt zu dem Substrat zu bilden und eine Au/Ti-Elektrode wurde auf einem Teil der leitfähigen Oberflächenschicht gebildet. Folglich wurde die Struktur, bei die Diamantschicht zwischen den beiden Elektrodenschichten, wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet ist, produziert.
Die elektronenemittierende Vorrichtung, die auf die vorstehend beschriebene Weise gefertigt wurde, wurde in einem Vakuum von etwa 1, 3 · 10 Pa (10&supmin;&sup9; Torr) angeordnet und eine positive Spannung von bis zu etwa 100 V wurde an die Al- Elektrode angelegt. Folglich wurde festgestellt, daß Elektronen von der leitfähigen Oberflächenschicht des Diamanten emittiert wurden. Das Verhältnis des emittierten Stroms (Emissionswirkunsgrad) betrug etwa 0,1 bis 10%. Es wurde festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand der Technik emittiert wurden.
Für den Fall, bei dem die isolierende Diamantschicht unter anderen Bedingungen gefertigt wurde, für den Fall, bei dem ein anderes Material für das Substrat verwendet wurden und für den Fall, bei dem Al durch W als ein Material für die Elektrode ersetzt wurde, wurden dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 3)

Eine isolierende Diamantschicht mit einer leitfähigen Oberflächenschicht wurde auf einem Si-Substrat durch ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren gebildet und eine Al-Elektrode wurde auf der Fläche in Kontakt mit dem Substrat auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 gebildet. Daraufhin wurde eine Siliziumdioxidschicht (SiO&sub2;) mit einer Dicke von 0,1 m und isolierender Eigenschaft auf einem Teil der Oberfläche der isolierenden Diamantschicht (der leitfähigen Oberflächenschicht) gebildet. Der SiO&sub2;-Film wurde durch ein HF-Sputter- Verfahren mit einer Quarzscheibe als Auftreffplatte gebildet. Weiterhin wurde eine Al-Elektrode auf der SiO&sub2;-Schicht gebildet. Folglich wurde die Struktur, bei der die Elektronenversorgungsschicht, die Diamantschicht und die Isolierschicht zwischen den beiden Elektroden angeordnet waren, wie in Fig. 2 gezeigt, hergestellt.
Die elektronenemittierende Vorrichtung, die auf die vorstehend beschriebene Weise gefertigt wurde, wurde in einem Vakuum von etwa 1,3 · 10&sup7; Pa (iW Torr) angeordnet und eine positive Spannung mit bis zu etwa 100 V wurde an die AI- Elektrode auf der Seite des Substrats angelegt. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß Elektronen von der leitfähigen Oberflächenschicht des Diamanten emittiert wurden und kein Strom im wesentlichen Maße in die Al-Elektrode auf der Seite der Oberfläche floß.
Für den Fall, bei dem die isolierende Diamantschicht unter anderen Bedingungen gefertigt wurde, für den Fall, bei dem ein anderes Material für das Substrat verwendet wurde, und für den Fall, bei dem ein anderer Typ für das Elektrodenmaterial verwendet wurde, wurden dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 4)

Fig. 7 zeigt die Grundstruktur eines Beispiels einer MIS- Struktur der elektronenemittierenden Vorrichtung, die eine Diamantschicht verwendet. Wie in Fig. 7 gezeigt umfaßt die elektronenemittierende Vorrichtung als Hauptkomponenten eine Elektrodenschicht (Schottky-Elektrode) 71, eine Isolierschicht 72, die aus einem i-Diamanten als elektronenversorgende Schicht gefertigt ist, eine p-Diamantschicht 73, ein Substrat (leitfähig) 74 und eine Elektrodenschicht 75 zum Anlegen eines elektrischen Felds an die Vorrichtung. Durch Anlegen einer Durchlaßvorspannung über die Elektrodenschichten 71 und 75 erreichen von der Elektrodenschicht 71 eingeleitete Elektronen das Substrat 74 und die Elektrodenschicht 75 über die Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) 72 und die p-Diamantschicht 73 und bilden einen MIS-Struktur- Diodenstrom. Ein Strom, der in der Nähe der Oberfläche der p-Diamantschicht 73 unter dem Stromfluß fließt, wird durch Diffusion oder dergleichen emittiert. Bei dieser Struktur kann, da Elektronen in einer flachen Form emittiert werden, eine Stromdichte in einer Ebene erhöht werden.
Die Fig. 8A bis 8F zeigen schematisch einen Prozeß, der zur Herstellung eines Beispiels der MIS-Struktur der elektronenemittierenden Vorrichtung, wie in Fig. 7 gezeigt, verwendet wird.
Zunächst wurde das Substrat 74, wie in Fig. 8A gezeigt, vorbereitet. Für das Substrat gibt es keine spezielle Beschränkung auf ein Material, solange es leitfähig ist. In Anbetracht des Nachfolgeprozesses wird jedoch ein Metall wie bspw. Si oder Molybdän (Mo) im allgemeinen verwendet. In diesem Beispiel wurde ein Si-Substrat mit einem geringen Widerstand verwendet.
Als nächstes wurde, wie in Fig. 8B gezeigt, ein isolierender Film auf dem Substrat 74 als elektrodenversorgende Schicht 72 gebildet. Für die elektronenversorgende Schicht (Isolierschicht) 72 ist das Material nicht speziell begrenzt, aber ein isolierender i-Diamant ohne Verunreinigungen, der mittels des Gasphasenabscheidungsverfahrens gebildet wurde ist am besten geeignet. Bei diesem Beispiel wurde die i-Diamantschicht durch das Mikrowellenplasma-CVD- Verfahren gebildet.
Dann wurde ein Abschnitt der Unterseite des Substrats 74 durch Ätzen entfernt, wie in Fig. 8C gezeigt. Zum Ätzen gibt es keine Beschränkung auf ein Verfahren, ist aber geeignet in Abhängigkeit des Materials für das Substrat 74 oder dergleichen ausgewählt. Für den Fall bspw., bei dem das Substrat 74 aus Si gefertigt ist, kann eine Naßätztechnik unter Verwendung einer HF+HNO&sub3;-Lösung verwendet werden.
Weiterhin wurde, wie in einer geätzten Fläche 77 in Fig. 8D gezeigt, die Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht: i-Diamantschicht) 72 von deren Unterseite geätzt, so daß die Dicke der i-Diamantschicht dünner als 5 m war. Das Ätzen der Diamantschicht wurde durch ECR-Ionenätzen oder reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung eines Sauerstoffgases durchgeführt. Bedingungen für das ECR-Ionenätzen waren folgende: Gasdruck: 0,01 Torr; Vorspannung: -30 V, Vorstrom: 2 mA/cm²; Mikrowellenenergie: 650 W; Substrattemperatur: 280ºC.
Daraufhin wurde, wie in Fig. 8E gezeigt, die p- Diamantschicht 73 auf der geätzten Fläche 77 der Elektronenversorgungsschicht (Isolierschicht) 72 gebildet. Die p- Diamantschicht kann durch das CVD-Verfahren unter Verwendung eines Quellgases, zu dem p-Typ-Verunreinigungen wie Bor hinzugefügt werden, neu gebildet werden. Alternativ hierzu, wie in Beispiel 2 beschrieben, kann, für den Fall, daß der i- Diamant als Isolierschicht verwendet wird, die leitfähige Oberflächenschicht, die durch Bestrahlen der geätzten Fläche mit Wasserstoffplasma oder dergleichen erhalten wird, um dessen Oberfläche mit Wasserstoff abzuschließen, als die p- Diamantschicht verwendet werden.
Abschließend, wie in Fig. 8F gezeigt, wurden die Elektrodenschichten 71 und 75 auf der elektrodenversorgenden Schicht (Isolierschicht) 72 bzw. auf dem Substrat 74 gebildet. Im allgemeinen können Materialien dazu geeignet aus Aluminium (Al), Wolfram (W), Gold/Titan (Au/Ti) oder dergleichen ausgewählt werden.
Als ein Ergebnis wurde anhand der Bewertung der Strom- Spannungskennlinien durch Anlegen einer Spannung an die derart hergestellte elektronenemittierende Vorrichtung festgestellt, daß Rektifizierung erreicht wurde und die Vorrichtung als eine MIS-Diode arbeitete. Darüber hinaus wurde die elektronenemittierende Vorrichtung in einem Vakuum von etwa 10&supmin;&sup9; Torr angeordnet und eine Durchlaßvorspannung angelegt. Dann wurden die Elektronenemissionskenndaten gemessen. Als ein Ergebnis war das Verhältnis des emittierten Stroms zum in der Vorrichtung fließenden Diodenstrom (Emissionswirkungsgrad) etwa 0,1-10%. Somit wurde festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand der Technik emittiert wurden.
Bei diesem Beispiel wurde die elektronenversorgende Schicht (Isolierschicht: i-Diamantschicht) 72 von der Unterseite geätzt, um dünner zu sein. Andererseits wurde bei dem Fall, bei dem dieselbe Struktur durch Ätzen der eletronenversorgenden Schicht von der Oberseite, damit diese dünner ist, und dann durch Anlagerung von Wasserstoff an der geätzten Fläche, um die leitfähige Oberflächenschicht zu bilden, festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand. der Technik emittiert wurden.
Weiterhin wurde für den Fall, daß eine Vorrichtung durch anfängliches Anheben einer Kernformationsdichte eines CVD- Diamantfilms, Ausbilden von aufeinanderfolgenden Filmen, wobei jeder dünn ist (Filmdicke 0,5 m oder weniger), und Ausbilden einer Elektrode ohne Ätzen gebildet wurde, festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand der Technik emittiert wurden.
Weiterhin wurden für den Fall, daß der Diamant unter anderen Formationsbedingungen gebildet wurde, oder ein Material für das Substrat gewechselt wurde, oder in dem Fall, bei dem ein Elektrodenmaterialtyp gewechselt wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 5)

Fig. 9 zeigt die Grundstruktur eines Beispiels einer elektronenemittierenden pn-Vorrichtung, die eine Diamantschicht verwendet. Wie in Fig. 9 gezeigt umfaßt die elektronenemittierende Vorrichtung als Hauptkomponenten ein Substrat 91, eine Elektrodenschicht 92, eine n-Halbleiterschicht 93, die aus einem n-Diamant als eine elektronenversorgende Schicht gebildet ist, eine p-Diamantschicht 94 und eine Elektrodenschicht 95. Durch Anlegen einer Durchlaßvorspannung über die Elektrodenschichten 92 und 95 werden Elektronen von der Elektronenversorgungsschicht (n-Halbleiterschicht) 93 zu der p-Diamantschicht 94 geleitet und bilden einen pn-Übergang- Diodenstrom. Ein Teil der Elektronen, die die Oberfläche der p-Diamantschicht unter dem Stromfluß erreicht, werden aufgrund des Zustands der negativen Elektronenaffinität emittiert. Bei dieser Struktur kann, da die Elektronen in einer flachen Ebene emittiert werden, eine Stromdichte in einer Ebene erhöht werden.
Die Fig. 10A bis 10F zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Beispiels der elektronenemittierenden pn- Übergang-Vorrichtung, wie in Fig. 9 gezeigt. Zu Beginn wurde das Substrat 91 vorbereitet. Für das Substrat ist das Material nicht speziell begrenzt. In Anbetracht des Nachfolgeprozesses jedoch wird im allgemeinen Si benutzt. Bei diesem Beispiel wurde ein Si-Substrat mit einem hohen Widerstand verwendet.
Dann wurde, wie in Fig. 10B gezeigt, der n-Halbleiterfilm auf dem Substrat 91 als elektronenversorgende Schicht 93 gebildet. Für die n-Halbleiterschicht ist das Material nicht speziell auf eines begrenzt, aber ein n-Diamant oder ein n- Silizium-Karbid, das mit Phosphor (P) oder Stickstoff (N) dotiert wurde, wird im allgemeinen verwendet. Insbesondere ein n-Diamant, der durch das CVD-Verfahren gebildet wurde, ist am besten geeignet, da die p-Diamantschicht 94 leicht mit derselben Technologie gebildet werden kann. Dafür wurde bei diesem Beispiel ein n-Diamant als elektronenversorgende Schicht (n-Halbleiterschicht) 93 verwendet. Die n- Diamantschicht wurde auf dieselbe Weise wie zuvor beschrieben gebildet, außer daß Trimethyl-Phosphonat als ein p- Dotierstoff dem Quellgas hinzugefügt wurde. Die zugefügte Menge an Phosphor war 1 · 10¹&sup8; s/cm³ und die Dicke betrug etwa 3 m.
Weiterhin wurde, wie in Fig. 10C gezeigt, die p- Diamantschicht 94 mit einer Dicke von 1 m durch ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren auf dieser gebildet. Die p- Diamantschicht wurde auf dieselbe Weise wie zuvor beschreiben gebildet.
Dann wurde, wie in Fig. 10D gezeigt, ein Abschnitt 96 von der Unterseite des Substrat 91 durch Ätzen entfernt. Zum Ätzen gibt es keine spezielle Beschränkung auf ein Verfahren, ist aber geeignet in Abhängigkeit von dem Material für das Substrat 91 oder dergleichen ausgewählt. Für den Fall beispielsweise, bei dem das Substrat 91 aus Si gebildet wird, wie in diesem Beispiel, kann eine Naßätztechnik unter Verwendung von HF+HNO&sub3;-Lösung verwendet werden.
Dann wurde, wie in Fig. 10E gezeigt, eine ohmsche Elektrodenschicht 92 auf einem Abschnitt des geätzten Abschnitts 96 auf der Unterseite des Substrats 91 (auf der Fläche auf der Seite der Oberfläche der n-Diamantschicht 93) gebildet. Eine Zweischicht-Elektrode aus Au/Ti wurde als ein Material für die Elektrode verwendet.
Abschließend wurde, wie in Fig. 10F gezeigt, eine ohmsche Elektrodenschicht 95 auf der Fläche auf der Seite der Oberfläche der p-Diamantschicht 94 gebildet. Eine Zweischicht- Elektrode aus Au/Ti wurde als ein Material für die Elektrode verwendet.
Als ein Ergebnis der Bewertung der Stromspannungskennlinie durch Anlegen einer Spannung an die so hergestellte elektronenemittierende Vorrichtung wurde festgestellt, daß Rektifizierung erreicht wurde und die Vorrichtung als eine pn- Übergang-Diode arbeitete. Weiterhin wurde die elektronenemittierende Vorrichtung in einem Vakuum von etwa 1,3 · 10&supmin;&sup7; Pa (10&supmin;&sup9; Torr) angeordnet und eine Durchlaßvorspannung bis zu etwa 100 V angelegt. Dann wurden die Elektronenemissionskenndaten gemessen. Als ein Ergebnis war das Verhältnis des emittierten Stroms zu dem in der Vorrichtung fließenden Diodenstrom (Emissionswirkungsgrad) etwa 0,1 bis 10%. Somit wurde festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand der Technik emittiert wurden.
Es wurde festgestellt, daß die Schicht, für den Fall, daß andere als die n-Diamantschicht durch CVD gebildet wurde, bspw. für den Fall, bei dem P- oder N-Ionen in dem i- oder p-Diamanten implantiert wurden, als eine n-Diamantschicht (Elektronenversorgungsschicht) wirkt.
Weiterhin wurden, für den Fall, daß Diamant unter anderen Formationsbedingungen gebildet wurde, oder ein Material für das Substrat gewechselt wurde oder für den Fall, daß eine Art des Elektrodenmaterials gewechselt wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 6)

Eine pin-Vorrichtung wurde durch Einsetzen einer Isolierschicht, wie bspw. eines i-Diamanten, zwischen pn-Schichten in der Vorrichtungsstruktur des pn-Übergangtyps gebildet, wie in Beispiel 5 beschrieben ist. Der Herstellungsprozeß von diesem ist derselbe wie derjenige in Beispiel 5, außer daß eine i-Diamantschicht (Dicke: etwa 1 m) vor der Ausbildung der p-Diamantschicht gebildet wird.
Als ein Ergebnis der Bewertung der Strom-Spannungskennlinie durch Anlegen einer Spannung an die so hergestellte elektronenemittierende Vorrichtung wurde festgestellt, daß Rektifizierung erreicht wurde und die Vorrichtung als eine pin- Diode arbeitete. Weiterhin wurde die elektronenemittierende Vorrichtung in einem Vakuum von etwa 1, 3 · 10&sup7; Pa (10&supmin;&sup9; Torr) angeordnet und eine Durchlaßvorspannung angelegt. Dann wurden die Elektronenemissionskenndaten gemessen. Als ein Ergebnis war das Verhältnis des emittierten Stroms zu dem in der Vorrichtung fließenden Diodenstrom (Emissionswirkungsgrad) etwa 0,1 bis 10%. Somit wurde festgestellt, daß Elektronen effizienter als im Stand der Technik emittiert wurden.
Weiterhin wurden für den Fall, daß andere Materialien, wie bspw. ein Siliziumdioxid-Film für die i-Schicht, verwendet wurden, dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 7)

Als ein Verfahren zum Kontrollieren bzw. Einstellen der Oberflächenstruktur der Diamantschicht wurde eine vorbestimmte Fläche des Diamanten mit ultravioletten Strahlen mit einer Wellenlänge von 200 nm oder weniger bestrahlt. Zuerst wurde eine Diamantschicht, an deren Oberfläche Sauerstoff gebunden war, vorbereitet. Als ein Ergebnis der Bewertung des Zustands einer Elektronenaffinität dieser Diamantschicht ergab sich, daß dieser ein Zustand mit positiver Elektronenaffinität ist. Dann wurde ein Teil der Diamantschicht mit dem Zustand positiver Elektronenaffinität mit ultravioletter Strahlung einer Wellenlänge von 200 nm oder weniger in einer Vakuumatmosphäre von 10&supmin;&sup7; Torr oder einer Wasserstoffatmosphäre bestrahlt. Die Strahlungsmenge der ultravioletten Strahlung zu diesem Zeitpunkt ist nicht speziell auf einen Wert beschränkt, hängt aber von der Bestrahlungsrate oder dergleichen ab. Bei diesem Beispiel wurden 10¹¹ Photonen pro Sekunde für 15 Minuten ausgestrahlt. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß die Verbindung zwischen Kohlenstoffatomen auf der obersten Oberfläche und Sauerstoffatomen in der mit ultravioletter Strahlung bestrahlten Fläche aufgespalten wurden und diese mit den Sauerstoffatomen gebunden wurden. Mit anderen Worte, es wurde herausgefunden, daß der Zustand der Elektronenaffinität von positiv nach negativ durch Wechseln des Bindungszustandes auf der Oberfläche der Diamantschicht geändert wurde. Es wurde festgestellt, daß es durch Verwendung dieses Prozesses möglich war, die Elektronenemissionsfläche als ein Emitter wirkend einzustellen.

(Beispiel 8)

Als ein Verfahren zum Einstellen der Oberflächenstruktur der Diamantschicht wurde eine vorbestimmte Fläche auf der Diamantschicht einem Plasma ausgesetzt, das von einem Wasserstoffgas erhalten wurde. Zuerst wurde eine Diamantschicht, an deren Oberfläche Sauerstoffatome gebunden waren, vorbereitet. Diese Diamantschicht war im Zustand positiver Elektronenaffinität. Dann wurde ein Abschnitt der Diamantschicht mit positiver Elektronenaffinität einem ECR-Entladungsplasma aus einem Wasserstoffgas ausgesetzt. Die Bestrahlungszeit für das Wasserstoffplasma betrug 20 Sekunden. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß Kohlenstoffatome an der obersten Oberfläche auf der dem Wasserstoffplasma ausgesetzten Fläche mit Wasserstoffatomen anstatt Sauerstoffatomen verbunden waren. Mit anderen Worten wurde herausgefunden, daß der Zustand der Elektronenaffinität von positiv nach negativ durch Änderung des Bindungszustandes auf der Oberfläche der Diamantschicht geändert wurde. Es wurde festgestellt, daß es durch Nutzung dieses Prozesses möglich war, die Elektronenemissionsfläche als ein Emitter arbeitend einzustellen.
Weiterhin wurden für den Fall, bei dem ein Zeitabschnitt zum Behandeln mit dem ECR-Entladungsplasmas aus Wasserstoffgas geändert wurde, das Wasserstoffgas mit Argon oder Stickstoff auf etwa 10% verdünnt wurde, oder die vorbestimmte Fläche der Diamantschicht einem Wasserstoffplasma ausgesetzt wurde, das durch ein anderes Verfahren gebildet wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 9)

Als ein Verfahren zum Einstellen der Oberflächenstruktur der Diamantschicht wurde eine erhitzte Diamantschicht einem Wasserstoffgas ausgesetzt. Zuerst wurde eine Diamantschicht, an deren Oberfläche Sauerstoffatome gebunden waren, vorbereitet. Diese Diamantschicht hat positive Elektronenaffinität, wie in dem vorstehend beschriebenen Fall. Die Diamantschicht mit positiver Elektronenaffinität wurde in einer zylindrischen Kammer, in der ein Wasserstoffgas fließt, angeordnet und auf 600ºC erhitzt. Die Temperzeit betrug 10 Minuten. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche des Diamanten, der in der Wasserstoffatmosphäre erhitzt wurde, mit Wasserstoffatomen anstelle mit Sauerstoffatomen gebunden waren. Mit anderen Worten wurde herausgefunden, daß der Zustand der Elektronenaffinität von positiv nach negativ durch Änderung des Bindungszustandes auf der Oberfläche der Diamantschicht geändert wurden. Es wurde festgestellt, daß es durch Nutzung dieses Verfahrens möglich war, die Elektronenemissionsfläche einzustellen, daß diese als ein Emitter arbeitet.
Weiterhin wurden bei dem Fall, bei dem das in der Kammer fließende Wasserstoffgas mit Argon oder Stickstoff auf etwa 10% verdünnt wurde, oder die Heiztemperatur im Bereich von 400 bis 900ºC variiert wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 10)

Als ein Verfahren zum Einstellen der Oberflächenstruktur der Diamantschicht wurde eine vorbestimmte Fläche auf der Diamantschicht einem Plasma ausgesetzt, das von einem Sauerstoffgas erhalten wurde. Zuerst wurde eine Diamantschicht, an deren Oberfläche Wasserstoffatome gebunden waren, vorbereitet. Als ein Ergebnis der Bewertung des Zustandes der Elektronenaffinität dieser Diamantschicht wurde festgestellt, daß diese im Zustand negativer Elektronenaffinität war. Dann wurde ein Abschnitt der Diamantschicht mit negativer Elektronenaffinität einem ECR-Entladungsplasma aus Sauerstoffgas ausgesetzt. Die Bestrahlungsdauer des Sauerstoffplasmas betrug 20 Sekunden. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß Kohlenstoffatome an der obersten Oberfläche auf der mit dem Sauerstoffplasma behandelten Fläche an Sauerstoffatome statt an Wasserstoffatome gebunden waren. Mit anderen Worten wurde herausgefunden, daß der Zustand der Elektronenaffinität von negativ nach positiv durch Ändern des Bindungszustandes an der Oberfläche der Diamantschicht geändert wurde. Es wurde festgestellt, daß es durch Nutzung dieses Prozesses möglich war, das Elektronenemissionsgebiet so einzustellen, daß es als ein Emitter arbeitet.
Weiterhin wurden, in dem Fall, bei dem die Zeitdauer der Behandlung mit dem ECR-Entladungsplasma aus Sauerstoffgas geändert wurde, das Sauerstoffgas mit Argon oder Stickstoff auf etwa 10% verdünnt wurde oder die vorbestimmte Fläche der Diamantschicht einem Sauerstoffplasma, das durch ein anderes Verfahren gebildet wurde, ausgesetzt wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.

(Beispiel 11)

Als ein Verfahren zur Kontrolle der Oberflächenstruktur der Diamantschicht wurde eine erhitzte Diamantschicht einem Sauerstoffgas ausgesetzt. Zuerst wurde eine Diamantschicht, an deren Oberfläche Wasserstoffatome gebunden waren, vorbereitet. Diese Diamantschicht hat negative Elektronenaffinität, wie in dem vorstehend beschriebenen Fall. Die Diamantschicht mit der negativen Elektronenaffinität wurde in einer zylindrischen Kammer angeordnet, in der Sauerstoffgas fließt und auf 600ºC erhitzt. Die Temperzeit betrug 10 Minuten. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß Kohlenstoffatome auf der obersten Oberfläche des in der Sauerstoffatmosphäre erhitzen Diamanten mit Sauerstoffatomen statt mit Wasserstoffatomen gebunden waren. Mit anderen Warten, es wurde herausgefunden, daß der Zustand der Elektronenaffinität von negativ nach positiv durch Ändern des Bindungszustandes auf der Oberfläche der Diamantschicht geändert wurde. Es wurde festgestellt, daß es durch Verwendung dieses Verfahrens möglich war, die Elektronenemissionsfläche einzustellen, daß diese als ein Emitter arbeitet.
Weiterhin wurden bei dem Fall, bei dem das in den Behälter fließende Sauerstoffgas mit Argon oder Stickstoff auf etwa 10% verdünnt wurde, oder die Heiztemperatur in den Bereich von 400 bis 650ºC variiert wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie vorstehend beschrieben ist es möglich, gemäß der erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht und durch Enthalten einer Vielschichtstruktur mit einer Elektrodenschicht, einer Elektronenversorgungsschicht und einer Diamantschicht gebildet wurde, effizient Elektronen an das Leitungsband des Diamanten zu liefern, indem ein elektrisches Feld an die Elektronenversorgungsschicht angelegt wird und auf einfache Weise bei niedriger Spannung und niedriger Temperatur Elektronen daraus zu gewinnen bzw. daraus zu ziehen.

Claims

1. Elektronenemittierende Vorrichtung, die unter Verwendung einer Diamantschicht gebildet ist und die eine Mehrschichtstruktur aufweist, die eine Elektrodenschicht (11a, 11b), eine Elektronenversorgungsschicht (1Z) und eine Diamantschicht (13) umfaßt, wobei die elektronenemittierende Vorrichtung die Diamantschicht über die Elektronenversorgungsschicht mit Elektronen versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenversorgungsschicht mindestens eine Isolierschicht einschließt.

2. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die zwei Elektrodenschichten aufweist, wobei zwischen den beiden Elektrodenschichten zumindest die Elektronenversorgungsschicht angeordnet ist.

3. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die zwei Elektrodenschichten aufweist, wobei zwischen den beiden Elektrodenschichten zumindest die Elektronenversorgungsschicht und die Diamantschicht angeordnet sind.

4. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die zwei Elektrodenschichten und eine Isolierschicht aufweist, wobei zwischen den beiden Elektrodenschichten zumindest die Elektronenversorgungsschicht, die Diamantschicht und die Isolierschicht angeordnet sind.

5. Elektronenemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4, wobei eine Spannung zwischen zwei unterschiedlichen Elektrodenschichten angelegt wird, so daß ein elektrisches Feld auf die zwischen den beiden Elektroden angeordnete Elektronenversorgungsschicht wirkt.

6. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 5, deren Betrieb bei einer zwischen den beiden unterschiedlichen Elektrodenschichten angelegten Spannung von 100 V oder weniger erfolgt.

7. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Diamantschicht 5 um oder weniger beträgt.

8. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Diamantschicht zumindest eine leitende Schicht mit einem elektrischen Widerstand von 1 · 10&sup4; Ω·cm oder weniger aufweist.

9. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Fläche einer Elektronenemissionsebene der Diamantschicht ein um² oder mehr beträgt.

10. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Diamantschicht zumindest eine p-Diamantschicht aufweist.

11. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der eine Konzentration von Boratomen (B) in der p- Diamantschicht 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ oder mehr beträgt.

12. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein elektrischer Widerstand der in der Diamantschicht enthaltenen p-Diamantschicht 1 · 10&sup4; Ω·cm³ oder weniger beträgt.

13. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Elektronenemissionsoberfläche der Diamantschicht mit mindestens einer Substanz, die aus der Gruppe bestehend aus Cs, Ni, Ti, w, H und amorphem C ausgewählt ist, beschichtet ist.

14. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 13 bei der eine Dichte von angelagerten Atomen der die Elektronenemissionsfläche der Diamantschicht beschichtenden Substanz 1 · 10¹&sup7; Atome/cm² oder weniger beträgt.

15. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 in Form einer MIS-Struktur (Metall-Isolator-Halbleiter), in der die Elektrodenschicht ein Metall ist, die Elektronenversorgungsschicht eine Isolierschicht ist und die Diamantschicht eine p-Diamantschicht umfaßt, wobei an die MIS- Struktur eine Durchlaßvorspannung angelegt ist, um Elektronen an die p-Diamantschicht zu liefern.

16. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Isolierschicht der Elektronenversorgungsschicht eine i-Diamantschicht ist.

17. Elektronenemittierende nach Anspruch 15, bei der die Dicke der p-Diamantschicht 5 um oder weniger beträgt.

18. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der eine Konzentration von Boratomen (B) in der p- Diamantschicht 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ oder mehr beträgt.

19. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der ein elektrischer Widerstand der p-Diamantschicht 1 x 10&sup4; Ω·cm oder weniger beträgt.

20. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 16 bei der ein elektrischer Widerstand der i-Diamantschicht 1 x 10&sup4; Ω·cm oder mehr beträgt.

21. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der ein elektrischer Widerstand der Isolierschicht 1 · 10&sup4; Ω·cm oder mehr beträgt.

22. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine PIN-Struktur aufweist, in der die Elektronenversorgungsschicht eine n-Halbleiterschicht und eine i- Halbleiterschicht umfaßt und die Diamantschicht eine p- Diamantschicht umfaßt, wobei eine Durchlaßvorspannung an die PIN-Struktur angelegt ist.

23. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der eine Dicke der p-Diamantschicht 5 um oder weniger beträgt.

24. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der eine Konzentration von in der p-Diamantschicht enthaltenen Boratomen (B) 1 · 10¹&sup6; Atome/cm³ oder mehr beträgt.

25. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der ein elektrischer Widerstand der p-Diamantschicht 1·10&sup4; Ω·cm oder weniger beträgt.

26. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der ein elektrischer Widerstand der n-Halbleiterschicht 1 · 10&sup4; Ω·cm oder weniger beträgt.

27. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der ein elektrischer Widerstand der i-Halbleiterschicht 1 · 10&sup4; Ω·cm oder mehr beträgt.

28. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 22, bei der sich ein Emitterabschnitt, von dem Elektronen emittiert werden, auf der Oberfläche der p- Diamantschicht befindet.

29. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der Kohlenstoffatome auf einer obersten Oberfläche der p-Diamantschicht durch Bindungen mit Wasserstoffatomen abgeschlossen sind.

30. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der eine Menge von Wasserstoffatomen, die mit den Kohlenstoffatomen auf der obersten Oberfläche der p- Diamantschicht verbunden sind, 1 · 10¹&sup5; Atome/cm² oder mehr beträgt.

31. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 22, bei der ein Emitterabschnitt, von dem Elektronen emittiert werden, sich in der Nähe eines Übergangs zwischen der p-Diamantschicht und einer in Kontakt mit der p- Diamantschicht stehenden Schicht befindet.

32. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 22, bei der eine leitfähige Oberflächenschicht aus Diamant als p-Diamantschicht verwendet wird.

33. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 32, bei der eine Struktur der leitfähigen Oberflächenschicht aus Diamant derart ist, daß Kohlenstoffatome auf einer obersten Oberfläche der Diamantschicht mit Verbindungen zu Wasserstoffatomen abgeschlossen sind.

34. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 33, bei der eine Menge von Wasserstoffatomen, die mit den Kohlenstoffatomen auf der obersten Oberfläche der Diamantschicht verbunden sind, 1 · 10¹&sup5; Atome/cm² oder mehr beträgt.

35. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 22, bei der die Struktur der elektronenemittierenden Vorrichtung als schmale Linie mit einer Breite von 5 um oder weniger geformt ist.

36. Elektronenemittierende Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 22, bei der die Diamantschicht mittels eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens gebildet ist.