JP2000195411A - Field emission electron source device - Google Patents

Field emission electron source device

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JP2000195411A
JP2000195411A JP7870799A JP7870799A JP2000195411A JP 2000195411 A JP2000195411 A JP 2000195411A JP 7870799 A JP7870799 A JP 7870799A JP 7870799 A JP7870799 A JP 7870799A JP 2000195411 A JP2000195411 A JP 2000195411A
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JP
Japan
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field emission
electron source
cathode
field
effect transistor
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JP7870799A
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Japanese (ja)
Inventor
Keisuke Koga
啓介 古賀
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize high density and stable operation required for high definition and high reliability operation having beam focusing action allowing high definition. SOLUTION: A field emission type electron source device is provided with a field emission electron source part including a lead electrode 7, formed on a p-type silicon substrate 1 via an insulating film 6, having an opening part at a portion corresponding to a cathode forming region and a cathode part 5 formed at a part corresponding to the opening part and N-channel field effect transistor part 2-4 formed on the substrate 1. The field emission electron source part is formed at drain regions 3, 4 of the transistor part. A field emission current from the field emission electron source part is controlled by control voltage applied to a gate electrode 8. The drain regions include two kind of wells whose impurity concentration are different from each other. A well 4 whose the impurity concentration is lower than another is formed at an end part of the drain region contacting with a channel region of the transistor part.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線励起のレー
ザ、平面型の表示素子、及び超高速の微小真空素子等へ
の応用が期待される冷陰極電子源に係わり、特に集積化
及び低電圧化が実現可能な半導体応用の電界放出型電子
源及びその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode electron source which is expected to be applied to an electron beam pumped laser, a flat display device, an ultra-high-speed micro vacuum device, and the like. The present invention relates to a field emission type electron source for semiconductor application which can realize a voltage and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体微細加工技術の進展により微小な
冷陰極構造の形成が可能になったことから、真空マイク
ロエレクトロニクス技術の開発が盛んになりつつある。
これによって得られる微小冷陰極構造は、平面型の電子
放出特性や高い電流密度が期待できることから、特に次
世代フラットディスプレイの電子源として期待が集まっ
ている。また、動作温度がTFT−LCD等の液晶表示
方式に比べて広範囲であるため、車載用の耐環境ディス
プレイとしても実用化が望まれている。
2. Description of the Related Art The development of vacuum microelectronics technology has been actively pursued since the development of microfabrication technology for semiconductors has made it possible to form minute cold cathode structures.
The resulting micro-cold cathode structure is expected to have a flat-type electron emission characteristic and a high current density, and thus is expected to be particularly used as an electron source for a next-generation flat display. In addition, since the operating temperature is wider than that of a liquid crystal display system such as a TFT-LCD or the like, practical use as an in-vehicle environment-resistant display is desired.

【0003】これらの電子源をフラットディスプレイの
用途として用いるためには、動作電圧の低減、電子放出
特性の安定化や長寿命特性等の要求仕様を満足する必要
がある。特に、電子放出特性の安定化はディスプレイの
輝度としての基本性能に直接係わる問題であり、重要な
技術課題として位置づけられている。
In order to use these electron sources for flat display applications, it is necessary to satisfy required specifications such as a reduction in operating voltage, stabilization of electron emission characteristics and long life characteristics. In particular, stabilization of the electron emission characteristics is a problem directly related to the basic performance of the display as luminance, and is positioned as an important technical problem.

【0004】この課題に対し、電子源内部に抵抗層を挿
入する方法や定電流回路を内蔵する方法などが提案され
ている。
To solve this problem, a method of inserting a resistance layer inside the electron source, a method of incorporating a constant current circuit, and the like have been proposed.

【0005】以下、第1の従来例として、特開平8−8
7957号公報に記載されている電界放射冷陰極装置の
構成を、図8(a)及び8(b)を参照して説明する。
この第1の従来例では、電界放射陰極素子のエミッタ電
子流放射量を電界効果トランジスタ(FET)の定電流
特性を用いて一定化させる原理を用いている。図8
(a)は、1つの電界放射陰極素子及びFETが構成さ
れているシリコン基板の一部の断面図であり、(b)
は、電界放射陰極素子を含む部分の電気的等価回路をを
示す回路構成図である。
A first conventional example will be described below with reference to Japanese Patent Application Laid-Open No.
The configuration of the field emission cold cathode device described in Japanese Patent No. 7957 will be described with reference to FIGS. 8 (a) and 8 (b).
This first conventional example uses the principle that the amount of emitter electron current emitted from a field emission cathode device is made constant using the constant current characteristics of a field effect transistor (FET). FIG.
FIG. 2A is a cross-sectional view of a part of a silicon substrate on which one field emission cathode element and one FET are formed, and FIG.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing an electrical equivalent circuit of a portion including a field emission cathode element.

【0006】図8(a)及び8(b)において、810
は電界効果トランジスタ(FET)、801はp型シリ
コン基板、802はFET810のソースとなる第1の
n型層、803は電界放射陰極素子の円錐形エミッタ、
804’は絶縁層(SiO2層)804のうちで電界放
射陰極素子のゲート絶縁層として機能する部分、805
は電界放射陰極素子のゲート層、806はFET810
のドレインとなる第2のn型層、807はFET810
のソース電極、808はFET810のゲート電極、8
09は電界放射陰極素子のアノード、811はソース抵
抗、812はゲート電圧源(電圧値Vg)、813はア
ノード電圧源(電圧値Va)、814はゲートソース間
制御電圧源(電圧値Vgs)である。
In FIGS. 8 (a) and 8 (b), 810
Is a field effect transistor (FET), 801 is a p-type silicon substrate, 802 is a first n-type layer serving as a source of the FET 810, 803 is a conical emitter of a field emission cathode device,
804 ′ is a portion of the insulating layer (SiO 2 layer) 804 that functions as a gate insulating layer of the field emission cathode device,
Is a gate layer of a field emission cathode device, 806 is a FET 810
A second n-type layer 807 serving as a drain of the FET 810
808 is the gate electrode of the FET 810, 8
09 is an anode of the field emission cathode element, 811 is a source resistance, 812 is a gate voltage source (voltage value Vg), 813 is an anode voltage source (voltage value Va), and 814 is a gate-source control voltage source (voltage value Vgs). is there.

【0007】図8(b)に示すように電界放射陰極素子
は、アノード(A)809、ゲート(G)805、エミ
ッタ(E)803を備えた3極管を構成し、エミッタ
(E)803と接地との間にFET810のドレインソ
ース経路とソース抵抗811とが直列接続される。
As shown in FIG. 8B, the field emission cathode device comprises a triode having an anode (A) 809, a gate (G) 805, and an emitter (E) 803. The emitter (E) 803 The drain-source path of the FET 810 and the source resistor 811 are connected in series between the ground and the ground.

【0008】この3極管において、アノード(A)80
9は、アノード電圧Vaを発生するアノード電圧源81
3に接続され、ゲート(G)805は、固定のゲート電
圧Vgを発生するゲート電圧源812に接続される。F
ET810において、ゲート808は、可変のゲートソ
ース間制御電圧Vgsを発生するゲートソース間制御電
圧源814に接続される。
In this triode, the anode (A) 80
9 is an anode voltage source 81 for generating an anode voltage Va.
3 and the gate (G) 805 is connected to a gate voltage source 812 that generates a fixed gate voltage Vg. F
In the ET 810, the gate 808 is connected to a gate-source control voltage source 814 that generates a variable gate-source control voltage Vgs.

【0009】この電界放射陰極装置に用いられる電界放
射陰極素子では、アノード809に所定のアノード電圧
Vaを、ゲート805に所定のゲート電圧Vgをそれぞ
れ印加し、FET810のゲート808に所要の値のゲ
ートソース間電圧Vgsを印加すれば、エミッタ803
を加熱することなく、エミッタ803からエミッタ電子
流放射が行われる。この場合、電界放射陰極素子のエミ
ッタ電子流放射量は、ゲート805に印加される固定の
ゲート電圧Vgによって制御されるのではなく、エミッ
タ803に接続されるFET810のゲート808に印
加される可変ゲートソース間制御電圧Vgsによって、
制御される。即ち、FET810は、そのゲート808
に印加されるゲートソース間制御電圧Vgsを適切にす
ることによって、定電流領域で動作するようになる。
In the field emission cathode element used in this field emission cathode device, a predetermined anode voltage Va is applied to the anode 809, a predetermined gate voltage Vg is applied to the gate 805, and a gate 808 of the FET 810 has a required value. When the source-to-source voltage Vgs is applied, the emitter 803
Is emitted from the emitter 803 without heating. In this case, the amount of emitter electron current emission of the field emission cathode device is not controlled by the fixed gate voltage Vg applied to the gate 805, but is changed by the variable gate applied to the gate 808 of the FET 810 connected to the emitter 803. By the source-to-source control voltage Vgs,
Controlled. That is, the FET 810 has its gate 808
By operating the gate-source control voltage Vgs applied to the gate electrode appropriately, the device operates in the constant current region.

【0010】このように、エミッタから電界放射される
電子流放射量は、このエミッタに直列に接続されて放射
される電子を供給する機能を持つFETの特性によっ
て、決定される。従って、FETの設計を最適に行うこ
とによって、FETの動作条件と電界放射電子流量とを
あらかじめ設計することが可能になる。特に、FETの
飽和動作領域で電界放射を行うことで、エミッタ自身の
不安定要因から開放され、結果として、極めて安定で且
つ正確に制御された電界放射電子流量を得ることができ
る。
As described above, the amount of electron current emitted from the emitter in the form of electric field is determined by the characteristics of the FET connected in series to the emitter and having the function of supplying emitted electrons. Therefore, by optimally designing the FET, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular, by performing the field emission in the saturation operation region of the FET, the emitter is released from the cause of instability of the emitter itself. As a result, an extremely stable and precisely controlled field emission electron flow rate can be obtained.

【0011】冷陰極に要求される仕様として、ディスプ
レイ用途としては、特に高精細化も重要な要素となる。
一般に、マイクロチップ型の冷陰極構成の場合、エミッ
タから放出される電子は所定の広がり角を有しているた
めに、高精細表示を行う上で障害となる可能性がある。
この電子軌道の広がりを抑制する手段の一つとして、収
束電極を用いる構成が提案されている。図9に、第2の
従来例として、特開平10−74473号公報に開示さ
れている、このような方式のFEDの一構成例を示す。
As a specification required for the cold cathode, for display applications, particularly high definition is also an important factor.
In general, in the case of a microchip type cold cathode structure, electrons emitted from an emitter have a predetermined divergence angle, which may hinder high-definition display.
As one of means for suppressing the spread of the electron orbit, a configuration using a focusing electrode has been proposed. FIG. 9 shows, as a second conventional example, an example of the configuration of such an FED disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-74473.

【0012】このFEDでは、各エミッタ毎に第2のゲ
ート電極(収束電極)を形成し、このゲート電極に、第
1のゲート電極(引き出しゲート電極)に対して相対的
に負の電位を与えることによって、エミッタから放出さ
れる電子を収束させる。
In this FED, a second gate electrode (converging electrode) is formed for each emitter, and a negative potential is applied to this gate electrode relative to the first gate electrode (drawing gate electrode). This causes the electrons emitted from the emitter to converge.

【0013】すなわち、図9において、91は絶縁層で
あり、ゲート電極(引き出し電極)92の上に更に絶縁
層93を設け、その上に円形の開口部を有する第2のゲ
ート電極(収束電極)94を設けている。この従来例に
おいては、第2のゲート電極(収束電極)94は、各エ
ミッタ95を取り囲む様に設けられている。この第2の
ゲート電極(収束電極)94を、第1のゲート電極(引
き出しゲート電極)92よりも低電位とすることによ
り、エミッタから放出された電子が収束効果のレンズ作
用を受けて、電子ビームの軌道が収束される。
That is, in FIG. 9, reference numeral 91 denotes an insulating layer. An insulating layer 93 is further provided on the gate electrode (lead electrode) 92, and a second gate electrode (converging electrode) having a circular opening thereon is provided. ) 94 is provided. In this conventional example, a second gate electrode (converging electrode) 94 is provided so as to surround each emitter 95. By setting the potential of the second gate electrode (converging electrode) 94 to be lower than that of the first gate electrode (extraction gate electrode) 92, electrons emitted from the emitter receive a lens effect of a converging effect, and The trajectory of the beam is converged.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記第1の
従来例の電界放射型陰極素子は、電界放射電子流量を短
期間安定に制御することは可能であるが、動作条件によ
っては長期間にわたって安定性を確保することができな
い。
However, the field emission type cathode device of the first conventional example can control the field emission electron flow rate stably for a short period of time, but depending on the operating conditions, the field emission type cathode device for a long period of time. Stability cannot be ensured.

【0015】また、第2の従来例の電界放出型表示装置
では、電子ビームの収束機能は有するが、その一方で、
エミッタから放出される電子の量が低下するという欠点
を有している。
The second conventional field emission type display device has a function of converging an electron beam.
It has the disadvantage that the amount of electrons emitted from the emitter is reduced.

【0016】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、(1)次世代ディスプ
レイに要求される高信頼性動作を実現する電界放出型電
子源構造を得ること、(2)高精細化を図る上で高密度
で安定な動作を実現する電界放出型電子源構造を得るこ
と、並びに(3)更に高精細化が可能なビーム収束作用
を有する電界放出型電子源構造を得ること、である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its objects the following objects: (1) To obtain a field emission type electron source structure realizing a highly reliable operation required for a next-generation display. (2) to obtain a field emission type electron source structure which realizes a high density and stable operation for achieving higher definition; and (3) a field emission type having a beam converging function capable of achieving higher definition. Obtaining an electron source structure.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明のある局面によっ
て提供される装置は、p型シリコン基板上に絶縁膜を介
して形成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に
開口部を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上
であって該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成
された陰極部と、を含む電界放出電子源部と、該電界放
出電子源部に対応して該p型シリコン基板上に形成され
たnチャネル電界効果トランジスタ部と、を備え、該電
界効果トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出電子
源部が形成されており、該電界効果トランジスタ部のゲ
ート電極に印加される制御電圧により、該電界放出電子
源部からの電界放射電流が制御される電界放出型電子源
装置であって、該ドレイン領域が、不純物濃度の異なる
少なくとも2種類のウエルを含み、該少なくとも2種類
のウエルのうちで不純物濃度の低いウエルが、該電界効
果トランジスタ部のチャネル領域に接する該ドレイン領
域の端部に形成されていて、そのことによって、前述の
目的が達成される。
According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus provided with a drawer formed on a p-type silicon substrate through an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode forming region. A field emission electron source including an electrode, a cathode formed on the p-type silicon substrate at a position corresponding to the opening of the extraction electrode, and a field emission electron source corresponding to the field emission electron source. an n-channel field effect transistor portion formed on a p-type silicon substrate, wherein the field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion, and a gate electrode of the field effect transistor portion A field emission type electron source device in which a field emission current from the field emission electron source section is controlled by an applied control voltage, wherein the drain region has at least two kinds of impurities having different impurity concentrations. A well having a low impurity concentration among the at least two types of wells is formed at an end of the drain region which is in contact with a channel region of the field effect transistor portion, thereby achieving the above object. Achieved.

【0018】例えば、前記ドレイン領域に、不純物元素
として、シリコン基板中での熱拡散速度の異なる少なく
とも2種類のn型不純物元素が含まれ得る。
For example, the drain region may include at least two types of n-type impurity elements having different thermal diffusion rates in a silicon substrate as the impurity elements.

【0019】ある実施形態では、前記ドレイン領域に、
不純物元素として、シリコン基板中での熱拡散速度が早
い燐元素とシリコン基板中での熱拡散速度が遅い砒素元
素とが含まれている。
In one embodiment, in the drain region,
As the impurity element, a phosphorus element having a high thermal diffusion rate in a silicon substrate and an arsenic element having a low thermal diffusion rate in a silicon substrate are included.

【0020】本発明の他の局面によって提供される装置
は、p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形成されてい
て且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部を有する引
き出し電極と、該p型シリコン基板上であって該引き出
し電極の開口部に相当する位置に形成された陰極部と、
を含む電界放出電子源部と、該電界放出電子源部に対応
して該p型シリコン基板上に形成されたnチャネル電界
効果トランジスタ部と、を備え、該電界効果トランジス
タ部のドレイン領域に該電界放出電子源部が形成されて
おり、該電界効果トランジスタ部のゲート電極に印加さ
れる制御電圧により、該電界放出電子源部からの電界放
射電流が制御される電界放出型電子源装置であって、該
電界効果トランジスタ部の該ゲート電極が、少なくとも
2種類の異なるゲート幅の部分を含む形状を有してお
り、該ゲート電極の一部が、該ドレイン領域の端部を覆
うように配置されていて、そのことによって、前述の目
的が達成される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a device provided with an extraction electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region; A cathode portion formed on the mold silicon substrate at a position corresponding to the opening of the extraction electrode,
And an n-channel field-effect transistor section formed on the p-type silicon substrate corresponding to the field-emission electron source section. A field emission electron source device in which a field emission electron source section is formed, and a field emission current from the field emission electron source section is controlled by a control voltage applied to a gate electrode of the field effect transistor section. The gate electrode of the field effect transistor portion has a shape including at least two types of portions having different gate widths, and a part of the gate electrode is arranged so as to cover an end of the drain region. Thus, the above-mentioned object is achieved.

【0021】本発明の更に他の局面によって提供される
装置は、p型シリコン基板上に第1の絶縁膜を介して形
成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部
を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上であっ
て該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成された
陰極部と、を含む電界放出電子源部と、該電界放出電子
源部に対応して該p型シリコン基板上に形成されたnチ
ャネル電界効果トランジスタ部と、を備え、該電界効果
トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出電子源部が
形成されており、該電界効果トランジスタ部のゲート電
極に印加される制御電圧により、該電界放出電子源部か
らの電界放射電流が制御される電界放出型電子源装置で
あって、該電界効果トランジスタの該ゲート電極と該p
型シリコン基板との間に形成されたゲート絶縁膜が、該
引き出し電極と該p型シリコン基板との間に形成された
該第1の絶縁膜より薄い膜で構成され、且つ該ゲート絶
縁膜が該第1の絶縁膜によって埋め込まれた構成を有し
ていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
A device provided according to still another aspect of the present invention is a lead electrode formed on a p-type silicon substrate via a first insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region. A field emission electron source section including: a cathode section formed on the p-type silicon substrate at a position corresponding to the opening of the extraction electrode; An n-channel field effect transistor portion formed on a silicon substrate, wherein the field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion and applied to a gate electrode of the field effect transistor portion. A field emission current from the field emission electron source section is controlled by a control voltage to be applied, wherein the gate electrode of the field effect transistor and the p
A gate insulating film formed between the first insulating film formed between the lead electrode and the p-type silicon substrate; and a gate insulating film formed between the gate insulating film and the p-type silicon substrate. It has a configuration buried by the first insulating film, whereby the above-mentioned object is achieved.

【0022】前記ゲート絶縁膜が、前記電界放出電子源
部の前記陰極部の先端を鋭い形状にするための先鋭化熱
酸化処理工程で形成されたシリコン熱酸化膜から構成さ
れていてもよい。
The gate insulating film may be composed of a silicon thermal oxide film formed in a sharpening thermal oxidation process for sharpening the tip of the cathode portion of the field emission electron source.

【0023】本発明の更に他の局面によって提供される
装置は、p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形成され
ていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部を有す
る引き出し電極と、該p型シリコン基板上であって該引
き出し電極の開口部に相当する位置に形成された陰極部
と、を含む電界放出電子源部と、該電界放出電子源部に
対応して該p型シリコン基板上に形成されたnチャネル
電界効果トランジスタ部と、を備え、該電界効果トラン
ジスタ部のドレイン領域に該電界放出電子源部が形成さ
れており、該電界効果トランジスタ部のゲート電極に印
加される制御電圧により、該電界放出電子源部からの電
界放射電流が制御される電界放出型電子源装置であっ
て、該電界効果トランジスタ部の該ゲート電極と同一材
料から構成された、該電界効果トランジスタ部のチャネ
ル領域のうちで該ゲート電極によって覆われていない領
域を覆うように配置されたシールド電極を更に備えてい
て、そのことによって、前述の目的が達成される。
According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus provided with an extraction electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region; a field emission electron source portion including a cathode portion formed on the p-type silicon substrate at a position corresponding to the opening of the extraction electrode; and the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron source portion. An n-channel field effect transistor portion formed thereon, wherein the field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion, and a control applied to a gate electrode of the field effect transistor portion A field emission type electron source device in which a field emission current from the field emission electron source unit is controlled by a voltage, wherein the field emission type electron source device is formed of the same material as the gate electrode of the field effect transistor unit. Further comprise a shield electrode disposed so as to cover the area not covered by the gate electrode within the channel region of the field effect transistor unit, by its, the preceding objects are achieved.

【0024】好ましくは、前記シールド電極が、前記p
型シリコン基板と同電位に保持されており、前記ゲート
電極に起因しない外部電界の前記チャネル領域に対する
影響を遮断する機能を有する。
[0024] Preferably, the shield electrode is provided with the p
It is maintained at the same potential as the silicon substrate, and has a function of blocking the influence of an external electric field not caused by the gate electrode on the channel region.

【0025】本発明の更に他の局面によって提供される
装置は、p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形成され
ていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部を有す
る引き出し電極と、該p型シリコン基板上であって該引
き出し電極の開口部に相当する位置に形成された陰極部
と、を含む電界放出電子源部と、該電界放出電子源部に
対応して該p型シリコン基板上に形成されたnチャネル
電界効果トランジスタ部と、を備え、該電界効果トラン
ジスタ部のドレイン領域に該電界放出電子源部が形成さ
れており、該電界効果トランジスタ部のゲート電極に印
加される制御電圧により、該電界放出電子源部からの電
界放射電流が制御される電界放出型電子源装置であっ
て、該電界効果トランジスタ部の該ドレイン領域が、該
電界効果トランジスタ部のソース領域の内部に、該ソー
ス領域で囲まれるように配置され、該電界効果トランジ
スタ部の該ゲート電極が、該電界放出電子源部の該陰極
部に対して平面的に対称な配置構成を有していて、その
ことによって、前述の目的が達成される。
According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus provided with a lead electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode forming region. a field emission electron source portion including a cathode portion formed on the p-type silicon substrate at a position corresponding to the opening of the extraction electrode; and the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron source portion. An n-channel field effect transistor portion formed thereon, wherein the field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion, and a control applied to a gate electrode of the field effect transistor portion A field emission type electron source device in which a field emission current from the field emission electron source section is controlled by a voltage, wherein the drain region of the field effect transistor section includes the field effect transistor. The gate electrode of the field-effect transistor unit is arranged inside the source region of the unit so as to be surrounded by the source region, and the gate electrode of the field-emission electron source unit is symmetrically planar with respect to the cathode unit. And thereby achieves the objectives set forth above.

【0026】例えば、前記ドレイン領域がp型導電層か
らなる。
For example, the drain region comprises a p-type conductive layer.

【0027】前記ドレイン領域のうちで、前記電界効果
トランジスタ部の前記チャネル領域に接する外周部と、
前記ソース領域の内周部とが、同心円周上に形成された
円形状を有していてもよい。
An outer peripheral portion of the drain region which is in contact with the channel region of the field effect transistor portion;
The inner peripheral portion of the source region may have a circular shape formed on a concentric circumference.

【0028】前記ソース領域と前記ドレイン領域との間
に形成されている前記ゲート電極の少なくとも一部が、
円弧状の対称な形状を有していてもよい。
At least a part of the gate electrode formed between the source region and the drain region is
It may have an arc-shaped symmetrical shape.

【0029】例えば、前記電界放出電子源部の前記引き
出し電極に印加される第1の電圧Vexと前記電界効果
トランジスタ部の前記ゲート電極に印加される第2の電
圧Vgとの間に、Vg<Vexなる関係が存在する。
For example, Vg <between a first voltage Vex applied to the extraction electrode of the field emission electron source and a second voltage Vg applied to the gate electrode of the field effect transistor. There is a relationship Vex.

【0030】本発明によれば、高い電界強度が集中する
ドレイン端部が低い不純物濃度のウエルで構成され、そ
の結果極度な電界集中を緩和することが可能になり、デ
バイス動作の信頼性を向上させることができる。
According to the present invention, the drain end where the high electric field intensity is concentrated is formed of a well with a low impurity concentration. As a result, the extreme electric field concentration can be alleviated, and the reliability of device operation is improved. Can be done.

【0031】ドレイン領域の不純物元素として、シリコ
ン基板中での熱拡散速度の異なる少なくとも2種以上の
n型不純物元素を用いることにより、熱拡散速度の違い
を利用した2種以上のn型ウエルを、容易に形成するこ
とができる。
By using at least two or more types of n-type impurity elements having different thermal diffusion rates in the silicon substrate as impurity elements in the drain region, two or more types of n-type wells utilizing the difference in thermal diffusion rates can be used. , Can be easily formed.

【0032】前記不純物元素として、熱拡散速度の早い
燐元素及び熱拡散速度の遅い砒素元素を用いれば、不純
物濃度の低いn−ウエルと不純物濃度の高いn+ウエル
とを、容易に形成することができる。
If a phosphorus element having a high thermal diffusion rate and an arsenic element having a low thermal diffusion rate are used as the impurity elements, an n-well having a low impurity concentration and an n + well having a high impurity concentration can be easily formed. it can.

【0033】また、本発明によれば、電界放出型電子源
装置において、チャネルゲート電極の一部がドレイン端
領域を覆うことにより、ソースからドレインへ流れるド
レイン電流がドレイン端領域で拡散され、結果として電
流密度を低下させることができる。
Further, according to the present invention, in the field emission type electron source device, since a part of the channel gate electrode covers the drain end region, the drain current flowing from the source to the drain is diffused in the drain end region. As a result, the current density can be reduced.

【0034】また、本発明によれば、電界放出型電子源
装置において、高電圧印加が必要とされる引き出し電極
用の厚い絶縁膜と、低電圧駆動のために薄い絶縁膜が必
要とされる電界効果トランジスタ用絶縁膜とを、機能的
に分離することができる。また、ゲート絶縁膜が絶縁膜
で埋め込まれた構成とすることにより、多層配線を形成
することが可能になり、マトリックス駆動用の配線が容
易に形成できる。
Further, according to the present invention, in the field emission type electron source device, a thick insulating film for an extraction electrode requiring high voltage application and a thin insulating film for low voltage driving are required. The insulating film for a field effect transistor can be functionally separated. Further, by adopting a structure in which the gate insulating film is embedded with the insulating film, a multilayer wiring can be formed, and a wiring for driving the matrix can be easily formed.

【0035】ゲート絶縁膜を、電界放出電子源部の陰極
の先鋭化熱酸化処理工程で形成されたシリコン熱酸化膜
から構成すれば、精密に制御された膜質の高い熱酸化膜
を用いることにより、高い信頼性が得られるとともに、
FETの制御を高精度に行うことができる。
If the gate insulating film is formed of a silicon thermal oxide film formed in the step of sharpening the thermal oxidation of the cathode of the field emission electron source, it is possible to use a precisely controlled high-quality thermal oxide film. , High reliability,
The control of the FET can be performed with high accuracy.

【0036】更に、本発明によれば、電界放出型電子源
装置において、電界効果トランジスタ部のチャネル領域
をシールド電極で覆うことによって、外部電界からの影
響を抑制することができる。また、ゲート電極と同一材
料で構成されることにより、配線工程が簡略化できる。
Further, according to the present invention, in the field emission type electron source device, the influence of the external electric field can be suppressed by covering the channel region of the field effect transistor portion with the shield electrode. Further, the wiring process can be simplified by using the same material as the gate electrode.

【0037】シールド電極がp型シリコン基板と同電位
に保持され、ゲート電極以外の外部電界からの電界の影
響を遮断する機能を有する構成を付加すれば、シールド
電極がp型シリコン基板電位と同電位に保持されるた
め、より確実に、外部電界からのシールド機能を発揮で
きる。
By adding a structure in which the shield electrode is maintained at the same potential as the p-type silicon substrate and has a function of blocking the influence of an electric field from an external electric field other than the gate electrode, the shield electrode has the same potential as the p-type silicon substrate. Since the electric field is maintained at the electric potential, the function of shielding from an external electric field can be more reliably exhibited.

【0038】また、本発明によれば、電界放出型電子源
装置において、ゲート電極等の電極配置をドレインを中
心に平面的に対称設計することが可能になり、電子収束
作用が容易になる。
Further, according to the present invention, in the field emission type electron source device, the arrangement of the electrodes such as the gate electrode can be designed symmetrically in a plane centering on the drain, thereby facilitating the electron focusing operation.

【0039】更に、本発明によれば、ドレイン領域への
イオン注入による不純物導入工程が簡略化され、製造コ
ストを低減できると同時に、陰極へのイオン注入による
陰極形状ばらつき発生を抑制できる。
Further, according to the present invention, the step of introducing impurities by ion implantation into the drain region can be simplified, manufacturing costs can be reduced, and at the same time, the occurrence of variations in cathode shape due to ion implantation into the cathode can be suppressed.

【0040】また、電界効果トランジスタ部のチャネル
領域に接するドレインの外周部とソースの内周部とが、
それぞれ同心円周上に形成された円形状を有する構成に
より、ソース領域からドレイン領域へのキャリア注入が
均一化され、良好なトランジスタ特性が得られる。
Further, the outer peripheral portion of the drain and the inner peripheral portion of the source in contact with the channel region of the field effect transistor portion
With the configuration having a circular shape formed on each concentric circle, carrier injection from the source region to the drain region is made uniform, and good transistor characteristics can be obtained.

【0041】ソース領域とドレイン領域との間に形成さ
れた、チャネル領域を制御するためのゲート電極の少な
くとも一部が、円弧状の対称な形状を有する構成によ
り、収束のための電極形状がドレインを中心に対称とな
り、より均一に収束動作を行うことができる。
At least a part of the gate electrode formed between the source region and the drain region for controlling the channel region has a symmetrical arc shape. And the convergence operation can be performed more uniformly.

【0042】更に、電界放出電子源部の引き出し電極に
印加される第1の電圧(Vex)と電界効果トランジス
タ部のゲート電極に印加される第2の電圧(Vg)との
間に、Vg<Vexなる関係を有する構成により、電子
の収束動作をより確実に行うことができる。
Further, Vg <Vg <1 between the first voltage (Vex) applied to the extraction electrode of the field emission electron source and the second voltage (Vg) applied to the gate electrode of the field effect transistor. With the configuration having the relationship of Vex, the electron convergence operation can be performed more reliably.

【0043】[0043]

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施形態の説明
に先立って、以下では、従来技術の電界放出型電子源装
置が有する課題に関する本願発明者の検討結果を説明す
る。なお、以下に説明する従来技術における問題点は、
当該技術分野において、従来は認識されていなかった内
容である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to the description of a specific embodiment of the present invention, the following describes the results of a study by the present inventor on the problems of a conventional field emission electron source device. The problems with the prior art described below are as follows.
This has not been recognized in the art.

【0044】まず、第1の従来例の問題点を説明する。First, problems of the first conventional example will be described.

【0045】図8(a)の構成で、ゲート808にゲー
トソース間制御電圧Vgsを適当に印加した状態で、つ
まりFETのチャネルゲートを開いた状態で、ゲート8
05にゲート電圧Vgを印加していくと、ある一定の電
圧以上で電界放射陰極素子のエミッタ先端から電界放射
が発生し、エミッタ先端からアノード809へ向かって
電界放射電子が流れる。この時、FETのチャネル抵抗
が十分高いために、電界放射電子流量に応じてドレイン
電位が上昇する。
In the configuration shown in FIG. 8A, the gate 8 is controlled with the gate-source control voltage Vgs appropriately applied to the gate 808, that is, with the channel gate of the FET opened.
When the gate voltage Vg is applied to the electric field 05, electric field emission is generated from the tip of the emitter of the field emission cathode element at a certain voltage or more, and the field emission electrons flow from the tip of the emitter toward the anode 809. At this time, since the channel resistance of the FET is sufficiently high, the drain potential increases according to the flow rate of the field emission electrons.

【0046】このドレイン電位は、主にFETの設計パ
ラメータであるチャネル抵抗と、動作条件である電界放
射電子流量との積に依存する。電界放射電子流量はFE
Dパネルの要求輝度に応じて設定されるが、通常、1画
素あたり1μA程度に設定される。更に、電源電圧が
3.5V程度の通常のFETを用いてミクロンレベルの
微少な素子寸法を仮定した場合、ドレイン電位は数ボル
ト以上に上昇することが実験的に確認されている。ま
た、FETの動作電圧を低く設計するためには、更にチ
ャネル抵抗を高く設計することが必要になり、また、輝
度を高くするためには電界放射電子流量を増大させる必
要があるが、これらによって、ドレイン電位は更に高く
なると考えられる。
This drain potential mainly depends on the product of the channel resistance, which is a design parameter of the FET, and the field emission electron flow rate, which is an operating condition. Field emission electron flow is FE
The brightness is set according to the required brightness of the D panel, but is usually set to about 1 μA per pixel. Furthermore, it has been experimentally confirmed that the drain potential rises to several volts or more when a small element size of a micron level is assumed using a normal FET having a power supply voltage of about 3.5 V. Further, in order to design the operating voltage of the FET lower, it is necessary to further design the channel resistance, and in order to increase the luminance, it is necessary to increase the flow rate of the field emission electrons. It is considered that the drain potential becomes higher.

【0047】本願発明者らの検討によって、上記のよう
なドレイン電位の上昇は、電界放出型電子源装置の動作
に幾つかの問題を引き起こすことが確認された。その一
つは、ホットエレクトロン現象である。
According to the study by the present inventors, it has been confirmed that the rise of the drain potential as described above causes some problems in the operation of the field emission type electron source device. One of them is the hot electron phenomenon.

【0048】ソースドレイン間の電位がシリコンのバン
ドギャップエネルギーの1.1eVを超えた条件でFE
Tを長時間動作させると、ソースドレイン間の電界によ
り加速された電子が、ドレイン近傍のゲート絶縁膜界面
に注入される現象が起きる。この注入された電子は、ゲ
ート絶縁膜付近に留まってゲート電圧を打ち消す作用を
引き起こしたり、またはゲート絶縁膜界面に界面準位を
形成してゲート絶縁膜を介したリーク電流を発生させた
り、様々なFET性能の劣化を引き起こす。
Under the condition that the potential between the source and the drain exceeds the band gap energy of silicon, 1.1 eV, FE
When T is operated for a long time, a phenomenon occurs in which electrons accelerated by the electric field between the source and the drain are injected into the gate insulating film interface near the drain. The injected electrons stay in the vicinity of the gate insulating film to cause a function of canceling a gate voltage, or form an interface state at an interface of the gate insulating film to generate a leak current through the gate insulating film, and the like. Causes the deterioration of the FET performance.

【0049】更に、FETの特性変化を引き起こす要因
として、インパクトイオン化現象があることを、本願発
明者らは見いだした。
Further, the present inventors have found that an impact ionization phenomenon is a factor that causes a change in the characteristics of the FET.

【0050】すなわち、引き出し電極への電圧印加に伴
ってソースドレイン電位が10V以上の極めて高い状態
になると、高速に加速された電子が、平均自由工程中で
大きな運動エネルギーを有することになる。このような
大きな運動エネルギーを有する電子が散乱する際に、ホ
ール・エレクトロンのペアを生成する。これによって発
生したキャリアが次々に新たなキャリアを発生させる、
いわゆる「なだれ増倍現象」が発生し、極めて大きな電
流の変化(増加)を引き起こす。これは、最終的には、
FETの素子破壊につながることも予想される。
That is, when the source / drain potential becomes extremely high at 10 V or more with the application of a voltage to the extraction electrode, electrons accelerated at a high speed have a large kinetic energy during the mean free path. When electrons having such a large kinetic energy are scattered, a pair of hole electrons is generated. Carriers generated by this generate new carriers one after another,
A so-called avalanche multiplication phenomenon occurs, causing an extremely large current change (increase). This, in the end,
It is also expected that this will lead to the destruction of the FET element.

【0051】これらの、ホットエレクトロンによるFE
T特性の劣化やインパクトイオン化によるFET特性変
動や素子破壊等は、デバイスの長期信頼性動作にとって
大きな障害となり、特に低電圧動作や素子の高集積化を
進める上で、重大な問題となる。
These FEs generated by hot electrons
Deterioration of T characteristics, fluctuations in FET characteristics due to impact ionization, device destruction, and the like are major obstacles to long-term reliability operation of the device, and are serious problems particularly in promoting low-voltage operation and high integration of the device.

【0052】一方で、FET素子近傍での高い外部電界
の影響によるFET特性の変化の現象も存在する。
On the other hand, there is a phenomenon in which the FET characteristics change due to the influence of a high external electric field near the FET element.

【0053】電界放射陰極素子のエミッタ先端から電界
放射を発生させるためには、通常はゲートに数10V以
上のゲート電圧Vgを印加する必要がある。ここで、高
精細なディスプレイを実現するために、高密度に電界放
射陰極素子と対応するFET素子を集積化すると、ゲー
トとFETのチャネル部とが近接することにより、高い
ゲート電圧からの電界が、FETのチャネル部に影響を
及ぼすことが予想される。この場合、上述の外部電界に
より見かけ上はチャネル抵抗が低下し、本来はFETの
ソースゲート間電圧Vsgにより安定に制御されていた
電界放射電子流量が増加する現象を引き起こす。ゲート
電圧Vgが高く、ソースゲート間電圧Vsgが低く、更
に素子の集積密度が大になればなるほど、外部電界の影
響を受ける危険性が増加する。この外部電界による電界
放射電子流量の増大の問題も、安定なエミッション電流
制御を妨げる要因となり、実用化を図る上で大きな障害
となる。
In order to generate electric field emission from the tip of the emitter of the field emission cathode element, it is usually necessary to apply a gate voltage Vg of several tens V or more to the gate. Here, when a field emission cathode device and a corresponding FET device are integrated at a high density in order to realize a high-definition display, an electric field from a high gate voltage is generated due to the close proximity of the gate and the channel portion of the FET. , Is expected to affect the channel portion of the FET. In this case, the above-described external electric field apparently lowers the channel resistance and causes a phenomenon that the field emission electron flow rate, which was originally controlled stably by the source-gate voltage Vsg of the FET, increases. The higher the gate voltage Vg, the lower the source-gate voltage Vsg, and the higher the integration density of the device, the greater the risk of being affected by an external electric field. The problem of an increase in the field emission electron flow rate due to the external electric field is also a factor that hinders stable emission current control, and is a major obstacle in practical application.

【0054】次に、第2の従来例の問題点を説明する。Next, problems of the second conventional example will be described.

【0055】第2のゲート電極94に、第1のゲート電
極92に対する負の電位を与えると、この負の電位は、
エミッタから放出された電子だけでなく、エミッタ先端
の引き出し電界にも作用する。引き出し電極の開口径が
約1μmのエミッタの場合、十分な電界放出を得るため
には、通常60V程度の電位を第1のゲート電極92に
与える必要がある。
When a negative potential with respect to the first gate electrode 92 is applied to the second gate electrode 94, the negative potential becomes
It acts not only on the electrons emitted from the emitter but also on the electric field at the tip of the emitter. In the case where the opening diameter of the extraction electrode is about 1 μm, it is necessary to apply a potential of about 60 V to the first gate electrode 92 in order to obtain sufficient field emission.

【0056】また、電子ビームの収束作用の効果を高め
るためには、第2のゲート電極94に相対的に低い負の
電位を与える必要があるが、実験的には、10V程度の
電圧印加で十分な収束作用が実証されている。ところ
が、この収束条件では、同時にエミッタから放出される
電子の量が数分の1に低下することが、本願発明者らに
よる実験で確認された。
In order to enhance the effect of the convergence of the electron beam, it is necessary to apply a relatively low negative potential to the second gate electrode 94. However, experimentally, a voltage of about 10 V is applied. Sufficient convergence has been demonstrated. However, it has been confirmed by experiments by the present inventors that under the convergence condition, the amount of electrons simultaneously emitted from the emitter is reduced to a fraction.

【0057】このように、第2の従来例の構成では、第
2のゲート電極94に印加された電位が、第1のゲート
電極92によって生成されたエミッタ先端部の電界強度
を打ち消す効果をもたらし、結果的に、電界強度が弱め
られて電子放出量が低下する。この従来例の構成では、
収束作用と電子放出量とはトレードオフの関係を有する
ことになり、十分な電子放出量を維持したままで十分な
収束を行うことができないという、本質的な問題を有し
ていることが確認された。
As described above, in the structure of the second conventional example, the potential applied to the second gate electrode 94 has an effect of canceling the electric field intensity at the tip end of the emitter generated by the first gate electrode 92. As a result, the electric field intensity is weakened, and the electron emission amount is reduced. In this conventional configuration,
There is a trade-off relationship between the convergence effect and the amount of electron emission, confirming that there is an essential problem that sufficient convergence cannot be achieved while maintaining a sufficient amount of electron emission. Was done.

【0058】以下では、従来技術に関する上記のような
検討結果を考慮して達成された本発明の具体的な幾つか
の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明す
る。
Hereinafter, some specific embodiments of the present invention achieved in consideration of the above-described results of the study on the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.

【0059】(第1の実施形態)以下、本発明の第1の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図1(a)及び(b)を参照しながら説明する。図1
(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態における電
界放出型電子源装置の断面図及び平面図であり、図1
(a)は、(b)のI−I線における断面構造を示す。
(First Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a first embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). FIG.
1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of a field emission type electron source device according to the present embodiment.
(A) shows a cross-sectional structure taken along line II of (b).

【0060】本実施形態の構成において、1はp型シリ
コン基板、2は電界効果トランジスタ(FET)として
動作する素子のソース領域となる第1のn型半導体導電
部、3はFETのドレイン領域となる不純物濃度の高い
第2のn型半導体導電部、4はFETのドレイン領域と
なる不純物濃度の低い第3のn型半導体導電部、5は円
形断面を持つタワー形状の電界放出型電子源として動作
する陰極、6は電界放出型電子源及びFETのゲート絶
縁膜として機能するシリコン酸化膜からなる絶縁層、7
は電界放出型電子源として動作させるための引き出し電
極、8はFETのチャネル領域を制御するためのゲート
電極、9はFET用のソース電極である。
In the structure of the present embodiment, 1 is a p-type silicon substrate, 2 is a first n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field effect transistor (FET), and 3 is a drain region of the FET. A second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration, a third n-type semiconductor conductive portion having a low impurity concentration serving as a drain region of the FET, and a tower-shaped field emission electron source having a circular cross section. An operating cathode 6 is an insulating layer made of a silicon oxide film functioning as a gate insulating film of a field emission type electron source and FET, 7
Is an extraction electrode for operating as a field emission electron source, 8 is a gate electrode for controlling the channel region of the FET, and 9 is a source electrode for the FET.

【0061】図1(a)及び(b)に示すように、本実
施形態における電界放出型電子源装置では、p型シリコ
ン基板1の一方の主表面の一部には、FETのソースと
なる第1のn型半導体導電部2及びドレインとなる第2
のn型半導体導電部3がある距離を隔てて形成されてお
り、更には、第2のn型半導体導電部3の周囲を囲むよ
うな位置に、不純物濃度の低い第3のn型半導体導電部
4が選択的に形成されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the field emission type electron source device of the present embodiment, a part of one main surface of the p-type silicon substrate 1 becomes a source of the FET. A first n-type semiconductor conductive portion 2 and a second
Are formed at a certain distance from each other, and a third n-type semiconductor conductive part having a low impurity concentration is located at a position surrounding the periphery of the second n-type semiconductor conductive part 3. The part 4 is selectively formed.

【0062】この際、第2のn型半導体導電部3を形成
するためのn型不純物元素として、シリコン基板中での
熱拡散速度の早い燐を用い、第3のn型半導体導電部4
を形成するためのn型不純物元素として、シリコン基板
中での熱拡散速度の遅い砒素を用いれば、自己整合的に
簡略に、且つ精度よく、前記で述べた不純物濃度の異な
るウエル構造を形成することができる。これは、2種以
上の異なる元素のイオン注入を同一マスクを用いて最適
に注入したのちに熱処理を行う工程において、熱拡散速
度の違いにより、不純物プロファイルが変化する原理を
利用したものである。つまり、熱拡散速度が早い元素
(燐等)は、熱拡散速度が遅い元素(砒素等)に比べ
て、注入当初の不純物プロファイルより、より深く且つ
より広く再分布する。
At this time, as the n-type impurity element for forming the second n-type semiconductor conductive part 3, phosphorus having a high thermal diffusion rate in the silicon substrate is used, and the third n-type semiconductor conductive part 4 is used.
When arsenic having a low thermal diffusion rate in a silicon substrate is used as an n-type impurity element for forming a semiconductor layer, the well structures having different impurity concentrations described above are formed simply and accurately in a self-aligned manner. be able to. This utilizes the principle that the impurity profile changes due to the difference in the thermal diffusion rate in the step of performing a heat treatment after optimally implanting ion implantation of two or more different elements using the same mask. That is, an element having a high thermal diffusion rate (such as phosphorus) is redistributed deeper and more widely than an impurity profile at the beginning of implantation, as compared with an element having a low thermal diffusion rate (such as arsenic).

【0063】ドレインとなる第2のn型半導体導電部3
の表面には、円形断面を持つタワー形状の陰極5が形成
されている。シリコンよりなるタワー形状の陰極5の先
端部は、熱酸化を利用した先鋭化プロセスにより、ナノ
メートルオーダの先端微構造部が形成されている。陰極
5に近接して、円形状の開口を持つ酸化シリコン膜より
なる絶縁膜6を介して、導電性の引き出し電極7が形成
されている。ソースとなる第1のn型半導体導電部2と
ドレインとなる第2のn型半導体導電部3及び第3のn
型半導体導電部4との間に位置したFETのチャネル領
域には、絶縁膜6の上にFET用のゲート電極8が形成
されている。更に、ソースのn型半導体導電部2の上に
は、コンタクト窓を介してソース電極9が形成されてい
る。
Second n-type semiconductor conductive portion 3 serving as a drain
Is formed with a tower-shaped cathode 5 having a circular cross section. The tip of the tower-shaped cathode 5 made of silicon has a tip microstructure on the order of nanometers formed by a sharpening process using thermal oxidation. A conductive lead electrode 7 is formed near the cathode 5 via an insulating film 6 made of a silicon oxide film having a circular opening. First n-type semiconductor conductive part 2 serving as a source, second n-type semiconductor conductive part 3 serving as a drain, and third n-type semiconductor conductive part 3
A gate electrode 8 for the FET is formed on the insulating film 6 in a channel region of the FET located between the mold semiconductor conductive portion 4 and the FET. Further, a source electrode 9 is formed on the source n-type semiconductor conductive portion 2 via a contact window.

【0064】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出型電子源装置の動作を説明する。
Hereinafter, the operation of the field emission type electron source device according to the present embodiment having the above configuration will be described.

【0065】p型シリコン基板1とソース領域となる第
1のn型半導体導電部2とを接地接続し、引き出し電極
7に正の電圧Vexを印加する。更に、FETのゲート
電極8に所定の電圧Vgを印加すると、ゲート電極8の
下部のチャネル領域がオープン状態となり、ソースから
ドレイン方向に電子キャリアが注入される条件が整う。
この条件下で、引き出し電極7に正の電圧Vexを印加
する。サブミクロンオーダのゲート開口径とナノメート
ルオーダの陰極先端部が形成された電界放出電子源で
は、通常数十ボルトの電圧印加により、陰極5の先端か
ら電子が電界放出され始める。放出された電子は、図1
(a)及び(b)には図示していないp型シリコン基板
1と対向配置された陽極板へ向かって、加速されながら
進行する。
The p-type silicon substrate 1 and the first n-type semiconductor conductive portion 2 serving as a source region are grounded, and a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 7. Furthermore, when a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 8 of the FET, the channel region below the gate electrode 8 is opened, and the conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are established.
Under this condition, a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 7. In a field emission electron source having a gate opening diameter on the order of submicrons and a cathode tip on the order of nanometers, electrons start to be field-emitted from the tip of the cathode 5 by applying a voltage of usually several tens of volts. The emitted electrons are
(A) and (b) proceed while being accelerated toward an anode plate that is arranged opposite to the p-type silicon substrate 1 not shown.

【0066】この場合、陰極5から放出される電子流放
射量は、引き出し電極7に印加される固定のゲート電圧
Vexによって制御されるのではなく、陰極5に接続さ
れるFETのゲート電極8に印加される可変ゲートソー
ス間制御電圧Vgによって制御される。即ち、FET
は、そのゲート電極8に印加されるゲートソース間制御
電圧Vgを適切に選択することによって、定電流領域で
動作するようになる。このように、陰極5から電界放射
される電子流放射量は、このエミッタに直列に接続され
放射される電子を供給する機能を持つFETの特性によ
って、決定される。従って、FETの設計を最適に行う
ことによって、FETの動作条件と電界放射電子流量と
を、あらかじめ設計することが可能になる。特に、FE
Tの飽和動作領域で電界放射を行うことで、エミッタ自
身の不安定要因に影響されることなく、極めて安定で且
つ正確に制御された電界放射電子流量を得ることができ
る。
In this case, the amount of the electron current emitted from the cathode 5 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 7, but is applied to the gate electrode 8 of the FET connected to the cathode 5. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is, FET
Operates in a constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to the gate electrode 8. As described above, the amount of electron flow radiation emitted from the cathode 5 in the electric field is determined by the characteristics of the FET connected in series to the emitter and having a function of supplying emitted electrons. Therefore, by optimally designing the FET, the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate can be designed in advance. In particular, FE
By performing field emission in the saturation operation region of T, extremely stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained without being affected by the instability factor of the emitter itself.

【0067】ここで、第3のn型半導体導電部4の機能
について詳細に説明する。
Here, the function of the third n-type semiconductor conductive portion 4 will be described in detail.

【0068】本実施形態のドレイン構造の特徴は、2種
以上の不純物濃度を有する複数のドレインウエル構造
(いわゆる、ツインウエル構造)を採用したことにあ
る。電界放出される電子流は、FETのソースから基本
的に供給されるが、ソースドレイン間のチャネル領域は
高い抵抗を有するため、この電子流放射量、つまりチャ
ネル電流量に応じて、ドレイン電位が上昇する。サブミ
クロンプロセスで形成され、電源電圧が3.5ボルト程
度で動作するFETの場合、1マイクロアンペア程度の
チャネル電流を想定すると、ドレイン電位は数ボルト以
上に達することが実験で確認されている。このドレイン
電位により生成されたチャネル内電界により、ソースか
ら注入された電子は、加速されてドレインへ注入され
る。
The feature of the drain structure of the present embodiment is that a plurality of drain well structures having two or more impurity concentrations (so-called twin well structures) are employed. The field-emitted electron flow is basically supplied from the source of the FET, but the channel region between the source and the drain has a high resistance. To rise. Experiments have confirmed that in the case of an FET formed by a submicron process and operating at a power supply voltage of about 3.5 volts, assuming a channel current of about 1 microamp, the drain potential reaches several volts or more. The electrons injected from the source are accelerated and injected into the drain by the electric field in the channel generated by the drain potential.

【0069】ところが、チャネル電界はチャネル領域で
は均一には生成されず、シリコン基板表面のドレインの
近傍付近に集中する。この結果、チャネル内を走行する
電子は、特にドレイン近傍での高い電界強度の影響を受
けて、高いエネルギーを持った電子(ホットエレクトロ
ン)となる。このホットエレクトロンは、ドレイン近傍
での電界強度が大きいほど高いエネルギーを有すること
になり、例えばFETのON/OFF制御を行うしきい
電圧の増加やドレイン電流の低下など、様々な問題を引
き起こす可能性がある。
However, the channel electric field is not generated uniformly in the channel region, but concentrates near the drain on the surface of the silicon substrate. As a result, the electrons traveling in the channel become high-energy electrons (hot electrons) under the influence of the high electric field intensity particularly near the drain. The hot electrons have higher energy as the electric field intensity near the drain increases, and may cause various problems such as an increase in a threshold voltage for ON / OFF control of the FET and a decrease in drain current. There is.

【0070】これに対して、本実施形態で述べたように
第3のn型半導体導電部4をドレイン端に配置すること
により、前述のホットエレクトロンによるFET性能の
劣化を抑制することができる。
On the other hand, by arranging the third n-type semiconductor conductive portion 4 at the drain end as described in this embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the FET performance due to the hot electrons described above.

【0071】通常、ドレインは、高い不純物濃度である
ために、ドレイン端でのpn接合はアブラプト接合(急
峻な接合)に近くなる。しかし、本実施形態で述べたよ
うに、高い不純物濃度のドレインのn型半導体導電部3
の周囲に、低い不純物濃度のn型半導体導電部4を配置
することにより、ドレイン端でのpn接合が緩やかな接
合となり、結果的にドレイン端での電界集中を緩和する
ことができる。この効果により、ホットエレクトロンに
よるFETの性能劣化を引き起こす要因を除去でき、極
めて安定に、且つ長期間にわたって安定なデバイス動作
が保証できるため、デバイス信頼性を著しく向上でき
る。
Usually, since the drain has a high impurity concentration, the pn junction at the end of the drain is close to an abrupt junction (steep junction). However, as described in the present embodiment, the n-type semiconductor conductive portion 3 of the drain having a high impurity concentration is used.
, The pn junction at the drain end becomes a gentle junction, and as a result, the electric field concentration at the drain end can be reduced. With this effect, it is possible to eliminate a factor that causes the performance degradation of the FET due to hot electrons, and it is possible to guarantee a very stable and stable device operation for a long period of time, so that the device reliability can be significantly improved.

【0072】尚、本実施形態の説明では、陰極5の形状
としてタワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型陰極
形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰極5
の材料として、p型シリコン基板を加工して形成した例
を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタングス
テン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤモン
ド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカーボン
等)を用いても、同様の効果を得ることができる。
In the description of the present embodiment, an example in which the shape of the cathode 5 is a tower shape has been described, but the same effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. In addition, the cathode 5
In this example, a p-type silicon substrate is formed by processing a p-type silicon substrate, but a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, diamond-like carbon, or the like) is used. The same effect can be obtained by using ()).

【0073】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図2(a)及び(b)を参照しながら説明する。図2
(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態における電
界放出型電子源装置の断面図及び平面図であり、図2
(a)は、(b)のI−I線における断面構造を示す。
(Second Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a second embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIGS. FIG.
2A and 2B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of the field emission type electron source device according to the present embodiment.
(A) shows a cross-sectional structure taken along line II of (b).

【0074】本実施形態の構成において、1はp型シリ
コン基板、2は電界効果トランジスタ(FET)として
動作する素子のソース領域となる第1のn型半導体導電
部、3はFETのドレイン領域となる不純物濃度の高い
第2のn型半導体導電部、4はFETのドレイン領域と
なる不純物濃度の低い第3のn型半導体導電部、5は円
形断面を持つタワー形状の電界放出型電子源として動作
する陰極、6は電界放出型電子源及びFETのゲート絶
縁膜として機能するシリコン酸化膜からなる絶縁層、7
は電界放出型電子源として動作させるための引き出し電
極、8TはFETのチャネル領域を制御するためのT字
型のゲート電極、9はFET用のソース電極である。
In the structure of the present embodiment, 1 is a p-type silicon substrate, 2 is a first n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field effect transistor (FET), and 3 is a drain region of the FET. A second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration, a third n-type semiconductor conductive portion having a low impurity concentration serving as a drain region of the FET, and a tower-shaped field emission electron source having a circular cross section. An operating cathode 6 is an insulating layer made of a silicon oxide film functioning as a gate insulating film of a field emission type electron source and FET, 7
Is an extraction electrode for operating as a field emission electron source, 8T is a T-shaped gate electrode for controlling the channel region of the FET, and 9 is a source electrode for the FET.

【0075】図2(a)及び(b)に示すように、本実
施形態における電界放出型電子源装置では、p型シリコ
ン基板1の一方の主表面の一部には、FETのソースと
なるn型半導体導電部2及びドレインとなるn型半導体
導電部3が形成され、更に、n型半導体導電部3の周囲
を囲むような位置に、不純物濃度の低いn型半導体導電
部4が選択的に形成されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, in the field emission type electron source device according to the present embodiment, a part of one main surface of the p-type silicon substrate 1 becomes a source of the FET. An n-type semiconductor conductive portion 2 serving as a drain and an n-type semiconductor conductive portion 3 serving as a drain are formed. Further, an n-type semiconductor conductive portion 4 having a low impurity concentration is selectively located at a position surrounding the periphery of the n-type semiconductor conductive portion 3. Is formed.

【0076】ドレインとなるn型半導体導電部3の表面
には、円形断面を持つタワー形状の陰極5が形成されて
いる。シリコンよりなるタワー形状の陰極5の先端部
は、熱酸化を利用した先鋭化プロセスによりナノメート
ルオーダの先端微構造部が形成されている。陰極5に近
接して、円形状の開口を持つ酸化シリコン膜よりなる絶
縁膜6を介して、導電性の引き出し電極7が形成されて
いる。ソースのn型半導体導電部2とドレインのn型半
導体導電部3及びn型半導体導電部4との間に位置した
FETのチャネル領域には、絶縁膜6の上にFET用の
ゲート電極8Tが形成されている。このゲート電極8T
は、従来の単一幅を有するゲート電極構造と異なり、2
種以上の複数のゲート幅を有している(いわゆるT字型
ゲート構造)。ゲート電極8Tの一部は、FETのチャ
ネル領域にありドレイン端に位置している不純物濃度の
低いn型半導体導電部4の表面を覆うように、配置され
ている。更に、ソースのn型半導体導電部2の上には、
コンタクト窓を介してソース電極9が形成されている。
On the surface of the n-type semiconductor conductive portion 3 serving as a drain, a tower-shaped cathode 5 having a circular cross section is formed. At the tip of the tower-shaped cathode 5 made of silicon, a tip microstructure on the order of nanometers is formed by a sharpening process utilizing thermal oxidation. A conductive lead electrode 7 is formed near the cathode 5 via an insulating film 6 made of a silicon oxide film having a circular opening. In the channel region of the FET located between the source n-type semiconductor conductive part 2 and the drain n-type semiconductor conductive part 3 and the n-type semiconductor conductive part 4, a gate electrode 8T for the FET is formed on the insulating film 6. Is formed. This gate electrode 8T
Is different from a conventional gate electrode structure having a single width.
It has a plurality of types of gate widths (so-called T-shaped gate structure). Part of the gate electrode 8T is disposed so as to cover the surface of the n-type semiconductor conductive portion 4 having a low impurity concentration, which is located in the channel region of the FET and located at the drain end. Furthermore, on the n-type semiconductor conductive part 2 of the source,
Source electrode 9 is formed via a contact window.

【0077】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出型電子源装置の動作を説明する。
The operation of the field emission type electron source device according to the present embodiment having the above-described configuration will be described below.

【0078】p型シリコン基板1とソースのn型半導体
導電部2とを接地接続し、引き出し電極7に正の電圧V
exを印加する。更に、FETのゲート電極8Tに所定
の電圧Vgを印加すると、ゲート電極8Tの下部のチャ
ネル領域がオープン状態となり、ソースからドレイン方
向に電子キャリアが注入される条件が整う。この条件下
で、引き出し電極7に正の電圧Vexを印加すると、サ
ブミクロンオーダのゲート開口径とナノメートルオーダ
の陰極先端部が形成された電界放出電子源では、通常数
十ボルトの電圧印加により陰極5の先端から電子が電界
放出され始める。放出された電子は、図2には図示して
いないp型シリコン基板1と対向配置された陽極板へ向
かって、加速されながら進行する。
The p-type silicon substrate 1 and the source n-type semiconductor conductive portion 2 are grounded, and a positive voltage V
ex. Further, when a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 8T of the FET, the channel region below the gate electrode 8T is in an open state, and the conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are established. Under this condition, when a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 7, in a field emission electron source having a gate opening diameter on the order of submicrons and a cathode tip on the order of nanometers, a voltage of usually several tens of volts is applied. Electrons begin to be field-emitted from the tip of the cathode 5. The emitted electrons travel while being accelerated toward an anode plate arranged opposite to the p-type silicon substrate 1 not shown in FIG.

【0079】この場合、陰極7から放出される電子流放
射量は、引き出し電極7に印加される固定のゲート電圧
Vexによって制御されるのではなく、陰極5に接続さ
れるFETのゲート電極8Tに印加される可変ゲートソ
ース間制御電圧Vgによって制御される。即ち、FET
は、そのゲート電極8Tに印加されるゲートソース間制
御電圧Vgを適切に選択することによって、定電流領域
で動作するようになる。このようにして陰極5から電界
放射される電子流放出量は、このエミッタに直列に接続
されて放射される電子を供給する機能を持つFETの特
性によって、決定される。従って、FETの設計を最適
に行うことによって、FETの動作条件と電界放射電子
流量とをあらかじめ設計することが可能になる。特に、
FETの飽和動作領域で電界放射を行うことで、エミッ
タ自身の不安定要因には影響されずに、結果として極め
て安定で正確に制御された電界放射電子流量を得ること
ができる。
In this case, the amount of electron current emitted from the cathode 7 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 7, but is applied to the gate electrode 8 T of the FET connected to the cathode 5. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is, FET
Operates in the constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to the gate electrode 8T. The amount of electron flow emitted from the cathode 5 in the field emission is determined by the characteristics of an FET connected in series to the emitter and having a function of supplying emitted electrons. Therefore, by optimally designing the FET, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular,
By performing the field emission in the saturation operation region of the FET, an extremely stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained as a result without being affected by the instability factor of the emitter itself.

【0080】ここで、2種以上の異なるゲート幅を有
し、且つドレイン端領域を覆うように配置されたゲート
電極8Tの機能について、詳細に説明する。
Here, the function of the gate electrode 8T having two or more different gate widths and arranged so as to cover the drain end region will be described in detail.

【0081】電界放出される電子流は、FETのソース
から基本的に供給される。ソースドレイン間のチャネル
領域は高い抵抗を有するため、この電子流放射量、つま
りチャネル電流量に応じて、ドレイン電位が上昇する。
サブミクロンプロセスで形成され、電源電圧が3.5ボ
ルト程度で動作するFETの場合、1マイクロアンペア
程度のチャネル電流を想定すると、ドレイン電位は数ボ
ルト以上に達することが実験で確認されている。このド
レイン電位により生成されたチャネル内電界により、ソ
ースから注入された電子は加速されて、ドレインへ注入
される。
The field-emitted electron flow is basically supplied from the source of the FET. Since the channel region between the source and the drain has a high resistance, the drain potential increases in accordance with the amount of electron current emission, that is, the amount of channel current.
Experiments have confirmed that in the case of an FET formed by a submicron process and operating at a power supply voltage of about 3.5 volts, assuming a channel current of about 1 microamp, the drain potential reaches several volts or more. The electrons injected from the source are accelerated by the electric field in the channel generated by the drain potential and injected into the drain.

【0082】ところが、チャネル電界はチャネル領域で
は均一には生成されず、シリコン基板表面のドレインの
近傍付近に集中する。この結果、チャネル内を走行する
電子は、特にドレイン近傍での高い電界強度の影響を受
けて、高いエネルギーを持った電子(ホットエレクトロ
ン)となる。このホットエレクトロンは、ドレイン近傍
での電界強度が大きいほど高いエネルギーを有すること
になり、例えばFETのON/OFF制御を行うしきい
電圧の増加やドレイン電流の低下など、様々な問題を引
き起こす可能性がある。
However, the channel electric field is not generated uniformly in the channel region, but concentrates near the drain on the surface of the silicon substrate. As a result, the electrons traveling in the channel become high-energy electrons (hot electrons) under the influence of the high electric field intensity particularly near the drain. The hot electrons have higher energy as the electric field intensity near the drain increases, and may cause various problems such as an increase in a threshold voltage for ON / OFF control of the FET and a decrease in drain current. There is.

【0083】これに対して、本実施形態で述べたゲート
電極8T(いわゆるT字型ゲート構造)をドレイン端を
覆うように配置することにより、前述のホットエレクト
ロンの現象を抑制することができる。
On the other hand, by arranging the gate electrode 8T (so-called T-shaped gate structure) described in the present embodiment so as to cover the drain end, the above-mentioned hot electron phenomenon can be suppressed.

【0084】図2(b)で示すように、ゲート電極8T
の一方の端部がドレイン端領域のn型半導体導電部4を
覆うように配置すると、FETのソースから注入された
電子は、ゲート電極8Tの下部領域に形成されたチャネ
ルに沿って進行するため、前述のn型導電部領域では電
流経路が拡大される。その結果、ゲート電極8Tのドレ
イン端領域では、それ以外の領域に比べてドレイン電流
密度が大きく低下することになる。ホットエレクトロン
現象は、電界強度とともにドレイン電流密度に依存する
ため、上記の結果、ホットエレクトロンによるFETの
性能劣化を大きく低減できる効果を有する。
As shown in FIG. 2B, the gate electrode 8T
If one end is disposed so as to cover the n-type semiconductor conductive portion 4 in the drain end region, the electrons injected from the source of the FET travel along the channel formed in the lower region of the gate electrode 8T. The current path is expanded in the n-type conductive region. As a result, in the drain end region of the gate electrode 8T, the drain current density is greatly reduced as compared with other regions. The hot electron phenomenon depends on the drain current density as well as the electric field strength, and as a result, has the effect of greatly reducing the performance degradation of the FET due to the hot electrons.

【0085】更に、本実施形態で述べた複数の幅を有す
るゲート電極構造(いわゆるT字型ゲート構造)は、設
計の自由度の点でも効果がある。
Further, the gate electrode structure having a plurality of widths (so-called T-shaped gate structure) described in the present embodiment is also effective in terms of design flexibility.

【0086】FETのチャネルを流れるドレイン電流量
は、ゲート電極の幅(W)と長さ(L)とのパラメータ
(W/L)に依存して決まる。ドレインの幅は、素子全
体の集積度や配置によって必然的に決まる要素が多いた
め、ゲート電極の幅(W)を自由に設計することは困難
な場合が多い。しかし、本実施形態で述べたT字型ゲー
ト構造を採用することによって、ドレイン端領域を覆う
ようにゲートの一部を配置した後に、残りのゲート部分
で幅(W)と(L)の素子寸法を自由に設定できること
になり、デバイス設計の自由度が向上することになる。
The amount of drain current flowing through the channel of the FET is determined depending on the parameter (W / L) of the width (W) and length (L) of the gate electrode. Since the width of the drain is inevitably determined by the degree of integration and arrangement of the entire device, it is often difficult to freely design the width (W) of the gate electrode. However, by adopting the T-shaped gate structure described in the present embodiment, after arranging a part of the gate so as to cover the drain end region, the remaining gate part has elements of width (W) and (L). The dimensions can be freely set, and the degree of freedom in device design is improved.

【0087】この効果により、素子設計の自由度を確保
しながら、ホットエレクトロンによるFETの性能劣化
を引き起こす要因を除去でき、極めて安定に、且つ長期
間にわたって安定なデバイス動作が保証できるため、デ
バイス信頼性を著しく向上できる。
With this effect, it is possible to eliminate a factor that causes deterioration of the performance of the FET due to hot electrons while securing the degree of freedom in element design, and it is possible to assure extremely stable and stable device operation for a long period of time. Properties can be significantly improved.

【0088】尚、本実施形態の説明では、陰極5の形状
としてタワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型陰極
形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰極5
の材料として、p型シリコン基板を加工して形成した例
を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタングス
テン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤモン
ド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカーボン
等)を用いても、同様の効果を得ることができる。
In the description of the present embodiment, an example in which the shape of the cathode 5 is a tower shape has been described. However, a similar effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. In addition, the cathode 5
In this example, a p-type silicon substrate is formed by processing a p-type silicon substrate, but a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, diamond-like carbon, or the like) is used. The same effect can be obtained by using ()).

【0089】(第3の実施形態)以下、本発明の第3の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図3を参照しながら説明する。図3は、本実施形態にお
ける電界放出型電子源装置の断面図である。
(Third Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a third embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the field emission type electron source device according to the present embodiment.

【0090】本実施形態の構成において、31はp型シ
リコン基板、32は電界効果トランジスタ(FET)と
して動作する素子のソース領域となる第1のn型半導体
導電部、33はFETのドレイン領域となる不純物濃度
の高い第2のn型半導体導電部、34はFETのドレイ
ン領域となる不純物濃度の低い第3のn型半導体導電
部、35は円形断面を持つタワー形状の電界放出型電子
源として動作する陰極、36はFETのゲート絶縁膜と
して機能するシリコン酸化膜からなる下部絶縁層、37
は電界放出型電子源用引き出し電極として機能させるシ
リコン酸化膜からなる上部絶縁層、38は電界放出型電
子源として動作させるための引き出し電極、39はFE
Tのチャネル領域を制御するためのゲート電極、40は
FET用のソース電極である。
In the structure of the present embodiment, 31 is a p-type silicon substrate, 32 is a first n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field effect transistor (FET), and 33 is a drain region of the FET. A second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration, a third n-type semiconductor conductive portion having a low impurity concentration serving as a drain region of an FET, and a tower-shaped field emission type electron source having a circular cross section. An operating cathode 36 is a lower insulating layer made of a silicon oxide film functioning as a gate insulating film of the FET, 37
Is an upper insulating layer made of a silicon oxide film functioning as a field emission electron source extraction electrode, 38 is an extraction electrode for operating as a field emission electron source, and 39 is FE.
A gate electrode for controlling the channel region of T, and a source electrode 40 for the FET.

【0091】図3に示したように、本実施形態における
電界放出型電子源装置では、p型シリコン基板31の一
方の主表面の一部に、FETのソースとなるn型半導体
導電部32及びドレインとなるn型半導体導電部33が
形成され、更に、n型半導体導電部33の周囲を囲むよ
うな位置に、不純物濃度の低いn型半導体導電部34が
選択的に形成されている。
As shown in FIG. 3, in the field emission type electron source device according to the present embodiment, the n-type semiconductor conductive portion 32 serving as the source of the FET is formed on a part of one main surface of the p-type silicon substrate 31. An n-type semiconductor conductive portion 33 serving as a drain is formed, and an n-type semiconductor conductive portion 34 having a low impurity concentration is selectively formed at a position surrounding the periphery of the n-type semiconductor conductive portion 33.

【0092】ドレインとなるn型半導体導電部33の表
面には、円形断面を持つタワー形状の陰極35が形成さ
れている。シリコンよりなるタワー形状の陰極35の先
端部は、熱酸化を利用した先鋭化プロセスにより、ナノ
メートルオーダの先端微構造部が形成されている。陰極
35に近接して、円形状の開口を持つ酸化シリコン膜よ
りなる下部絶縁膜36及び上部絶縁膜37を介して、導
電性の引き出し電極38が形成されている。ソースのn
型半導体導電部32とドレインのn型半導体導電部33
及びn型半導体導電部34との間に位置したFETのチ
ャネル領域には、下部絶縁膜36の上にあって上部絶縁
膜37に埋め込まれた構成を有するFET用のゲート電
極39が、形成されている。下部絶縁膜36は、陰極3
5の先鋭化プロセスで形成した熱酸化膜を用いている。
更に、ソースのn型半導体導電部32の上には、コンタ
クト窓を介して、ソース電極40が形成されている。
On the surface of the n-type semiconductor conductive portion 33 serving as a drain, a tower-shaped cathode 35 having a circular cross section is formed. The tip of the tower-shaped cathode 35 made of silicon has a tip microstructure on the order of nanometers formed by a sharpening process utilizing thermal oxidation. A conductive lead electrode 38 is formed near the cathode 35 via a lower insulating film 36 and an upper insulating film 37 made of a silicon oxide film having a circular opening. Source n
-Type semiconductor conductive part 32 and drain n-type semiconductor conductive part 33
In the channel region of the FET located between the n-type semiconductor conductive portion 34 and the n-type semiconductor conductive portion 34, a gate electrode 39 for the FET having a configuration embedded on the lower insulating film 36 and embedded in the upper insulating film 37 is formed. ing. The lower insulating film 36 is formed of the cathode 3
The thermal oxide film formed by the sharpening process of No. 5 is used.
Further, a source electrode 40 is formed on the source n-type semiconductor conductive portion 32 via a contact window.

【0093】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出型電子源装置の動作を説明する。
Hereinafter, the operation of the field emission type electron source device according to the present embodiment having the above configuration will be described.

【0094】p型シリコン基板31と第1のn型半導体
導電部32とを接地接続し、引き出し電極38に正の電
圧Vexを印加する。更に、FETのゲート電極39に
所定の電圧Vgを印加すると、ゲート電極39の下部の
チャネル領域がオープン状態となり、ソースからドレイ
ン方向に電子キャリアが注入される条件が整う。下部絶
縁膜36は、FETのしきい電圧を低減するために、良
質で薄い条件が望ましい。
The p-type silicon substrate 31 and the first n-type semiconductor conductive portion 32 are grounded, and a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 38. Furthermore, when a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 39 of the FET, the channel region below the gate electrode 39 is opened, and the conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are established. The lower insulating film 36 is desirably of good quality and thin conditions in order to reduce the threshold voltage of the FET.

【0095】この条件下で、引き出し電極38に正の電
圧Vexを印加する。サブミクロンオーダのゲート開口
径とナノメートルオーダの陰極先端部とが形成された電
界放出電子源では、通常数十ボルトの電圧印加により、
陰極35の先端から電子が電界放出され始める。放出さ
れた電子は、図3には図示はしていないp型シリコン基
板31と対向配置された陽極板へ向かって、加速されな
がら進行する。
Under these conditions, a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 38. In a field emission electron source in which a gate opening diameter on the order of submicrons and a cathode tip on the order of nanometers are formed, a voltage of usually several tens of volts is applied.
Electrons begin to be field-emitted from the tip of the cathode 35. The emitted electrons proceed while being accelerated toward an anode plate which is not shown in FIG. 3 and is opposed to the p-type silicon substrate 31.

【0096】この場合、陰極35から放出される電子流
放射量は、引き出し電極38に印加される固定のゲート
電圧Vexによって制御されるのではなく、陰極35に
接続されるFETのゲート電極39に印加される可変ゲ
ートソース間制御電圧Vgによって制御される。即ち、
FETは、そのゲート電極39に印加されるゲートソー
ス間制御電圧Vgを適切に選択することにより、定電流
領域で動作するようになる。このように、陰極35から
電界放射される電子流放射量は、このエミッタに直列に
接続され放射される電子を供給する機能を持つFETの
特性によって、決定される。従って、FETの設計を最
適に行うことによって、FETの動作条件と電界放射電
子流量とをあらかじめ設計することが可能になる。特
に、FETの飽和動作領域で電界放射を行うことで、エ
ミッタ自身の不安定要因の影響を受けず、結果として、
極めて安定で正確に制御された電界放射電子流量を得る
ことができる。
In this case, the amount of the electron current emitted from the cathode 35 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 38, but is applied to the gate electrode 39 of the FET connected to the cathode 35. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is,
The FET operates in the constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to the gate electrode 39. As described above, the amount of electron flow radiation emitted from the cathode 35 in the electric field is determined by the characteristics of the FET connected in series to the emitter and having the function of supplying the emitted electrons. Therefore, by optimally designing the FET, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular, the field emission in the saturation operation region of the FET is not affected by the instability factor of the emitter itself, and as a result,
An extremely stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained.

【0097】ここで、下部絶縁膜36と上部絶縁膜37
により埋め込まれた構成を有するゲート電極39の機能
について詳細に説明する。
Here, the lower insulating film 36 and the upper insulating film 37
The function of the gate electrode 39 having the structure embedded by the above will be described in detail.

【0098】本実施形態の下部絶縁膜36は、主にFE
T用のゲート絶縁膜として機能する。FETをON/O
FFさせる際のしきい電圧は、ゲート絶縁膜の厚さに強
く依存し、より低い電圧で動作をさせるには、できるだ
け良質で薄い絶縁膜が必要となる。一方、電界放出型電
子源用の引き出し電極38には、下部絶縁膜36と上部
絶縁膜37の積層膜を用いている。引き出し電極38に
は、通常数十ボルトの高い電圧を印加するために、耐圧
を考慮して厚い絶縁膜が必要とされる。また、引き出し
電極38に電圧を印加することで電界放出型電子源のO
N/OFF制御を行う場合、絶縁膜は厚く設計される方
が、動作スピードや消費電力の点で有利となる。
The lower insulating film 36 of this embodiment is mainly made of FE
Functions as a gate insulating film for T. FET ON / O
The threshold voltage at the time of performing FF strongly depends on the thickness of the gate insulating film. In order to operate at a lower voltage, a thin and high quality insulating film is required. On the other hand, for the extraction electrode 38 for the field emission electron source, a laminated film of the lower insulating film 36 and the upper insulating film 37 is used. In order to apply a high voltage of several tens of volts to the extraction electrode 38, a thick insulating film is required in consideration of the withstand voltage. Further, by applying a voltage to the extraction electrode 38, the O.D.
When performing N / OFF control, it is advantageous to design the insulating film to be thicker in terms of operation speed and power consumption.

【0099】従って、本実施形態で述べたような構成の
ゲートを採用すれば、FET用のゲート絶縁膜と電界放
出型電子源用の絶縁膜とをそれぞれ独自に設計できるた
め、素子の高性能化が図りやすい。
Therefore, if the gate having the structure described in this embodiment is adopted, the gate insulating film for the FET and the insulating film for the field emission electron source can be designed independently, and the high performance of the device can be achieved. It is easy to plan.

【0100】更に、ゲート電極39は、上部絶縁膜37
により埋め込まれた構造のため、LSIで一般に用いら
れている多層配線構造が容易に得られる。多層配線を用
いることにより、1層配線では不可能なx、y方向のマ
トリックス駆動用配線構造が容易に実現できることにな
る。
Further, the gate electrode 39 is formed on the upper insulating film 37.
, A multilayer wiring structure generally used in LSI can be easily obtained. By using the multi-layer wiring, it is possible to easily realize a matrix driving wiring structure in the x and y directions that is impossible with a single-layer wiring.

【0101】尚、本実施形態の説明では、陰極35の形
状としてタワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型陰
極形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰極
35の材料として、p型シリコン基板を加工して形成し
た例を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタン
グステン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤモ
ンド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカーボ
ン等)を用いても、同様の効果を得ることができる。
In the description of the present embodiment, an example in which the shape of the cathode 35 is a tower shape has been described. However, a similar effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. Further, as the material of the cathode 35, an example in which a p-type silicon substrate is formed by processing is used, but a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, or The same effect can be obtained by using diamond-like carbon or the like.

【0102】(第4の実施形態)以下、本発明の第4の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図4(a)及び(b)を参照しながら説明する。図4
(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態における電
界放出型電子源装置の断面図及び平面図であり、図4
(a)は、(b)のI−I線における断面構造を示す。
(Fourth Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIGS. FIG.
4A and 4B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of the field emission electron source device according to the present embodiment.
(A) shows a cross-sectional structure taken along line II of (b).

【0103】本実施形態の構成において、41はp型シ
リコン基板、42は電界効果トランジスタ(FET)と
して動作する素子のソース領域となる第1のn型半導体
導電部、43はFETのドレイン領域となる不純物濃度
の高い第2のn型半導体導電部、44はFETのドレイ
ン領域となる不純物濃度の低い第3のn型半導体導電
部、45は円形断面を持つタワー形状の電界放出型電子
源として動作する陰極、46はFETのゲート絶縁膜と
して機能するシリコン酸化膜からなる下部絶縁層、47
は電界放出型電子源用引き出し電極として機能させるシ
リコン酸化膜からなる上部絶縁層、48は電界放出型電
子源として動作させるための引き出し電極、49はFE
Tのチャネル領域を制御するためのゲート電極、50は
FETのチャネル領域の外部電界からのシールド電極、
151はFET用のソース電極である。
In the structure of the present embodiment, 41 is a p-type silicon substrate, 42 is a first n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field effect transistor (FET), and 43 is a drain region of the FET. A second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration; 44, a third n-type semiconductor conductive portion having a low impurity concentration serving as a drain region of the FET; and 45, a tower-shaped field emission electron source having a circular cross section. The operating cathode 46 is a lower insulating layer made of a silicon oxide film functioning as a gate insulating film of the FET.
Is an upper insulating layer made of a silicon oxide film functioning as a field emission electron source extraction electrode, 48 is an extraction electrode for operating as a field emission electron source, 49 is FE
A gate electrode for controlling the channel region of T; 50, a shield electrode from an external electric field in the channel region of the FET;
151 is a source electrode for FET.

【0104】図4(a)及び(b)に示したように、本
実施形態における電界放出型電子源装置では、p型シリ
コン基板41の一方の主表面の一部に、FETのソース
となるn型半導体導電部42及びドレインとなるn型半
導体導電部43が形成され、更に、n型半導体導電部4
3の周囲を囲むような位置に、不純物濃度の低いn型半
導体導電部44が選択的に形成されている。ドレインと
なるn型半導体導電部43の表面には、円形断面を持つ
タワー形状の陰極45が形成されている。シリコンより
なるタワー形状の陰極45の先端部は、熱酸化を利用し
た先鋭化プロセスによりナノメートルオーダの先端微構
造部が形成されている。陰極45に近接して、円形状の
開口を持つ酸化シリコン膜よりなる下部絶縁膜46及び
上部絶縁膜47を介して、導電性の引き出し電極48が
形成されている。ソースのn型半導体導電部42とドレ
インのn型半導体導電部43及びn型半導体導電部44
との間に位置したFETのチャネル領域には、下部絶縁
膜46の上にあって上部絶縁膜47に埋め込まれた構成
を有するFET用のゲート電極49が、形成されてい
る。また、FETのチャネル領域にあって、FET用の
ゲート電極49が形成されていない領域を覆うように、
ゲート電極49と同一材料からなるシールド電極50が
配置されている。下部絶縁膜46は、陰極45の先鋭化
プロセスで形成した熱酸化膜を用いている。更に、ソー
スのn型半導体導電部42の上には、コンタクト窓を介
してソース電極151が形成されている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, in the field emission type electron source device according to the present embodiment, a part of one main surface of the p-type silicon substrate 41 becomes a source of the FET. An n-type semiconductor conductive part 43 and an n-type semiconductor conductive part 43 serving as a drain are formed.
An n-type semiconductor conductive portion 44 having a low impurity concentration is selectively formed at a position surrounding the periphery of the semiconductor device 3. On the surface of the n-type semiconductor conductive portion 43 serving as a drain, a tower-shaped cathode 45 having a circular cross section is formed. The tip of the tower-shaped cathode 45 made of silicon has a tip microstructure on the order of nanometers formed by a sharpening process utilizing thermal oxidation. A conductive lead electrode 48 is formed adjacent to the cathode 45 via a lower insulating film 46 and an upper insulating film 47 made of a silicon oxide film having a circular opening. Source n-type semiconductor conductive part 42, drain n-type semiconductor conductive part 43 and n-type semiconductor conductive part 44
An FET gate electrode 49 having a configuration embedded on the lower insulating film 46 and buried in the upper insulating film 47 is formed in the channel region of the FET located therebetween. Further, in the channel region of the FET, a region where the gate electrode 49 for the FET is not formed is covered.
A shield electrode 50 made of the same material as the gate electrode 49 is provided. As the lower insulating film 46, a thermal oxide film formed by a sharpening process of the cathode 45 is used. Further, a source electrode 151 is formed on the source n-type semiconductor conductive portion 42 via a contact window.

【0105】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出型電子源装置の動作を説明する。
The operation of the field emission type electron source device according to the present embodiment having the above configuration will be described below.

【0106】p型シリコン基板41とソースのn型半導
体導電部42及びシールド電極50とを接地接続し、引
き出し電極48に正の電圧Vexを印加する。更に、F
ETのゲート電極49に所定の電圧Vgを印加すると、
ゲート電極49の下部のチャネル領域がオープン状態と
なり、ソースからドレイン方向に電子キャリアが注入さ
れる条件が整う。この条件下で、引き出し電極48に正
の電圧Vexを印加する。サブミクロンオーダのゲート
開口径とナノメートルオーダの陰極先端部が形成された
電界放出電子源では、通常数十ボルトの電圧印加によ
り、陰極45の先端から電子が電界放出され始める。放
出された電子は、図示していないp型シリコン基板41
と対向配置された陽極板へ向かって、加速されながら進
行する。
The p-type silicon substrate 41, the source n-type semiconductor conductive portion 42 and the shield electrode 50 are grounded, and a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 48. Further, F
When a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 49 of ET,
The channel region below the gate electrode 49 is opened, and the conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are established. Under this condition, a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 48. In a field emission electron source in which a gate opening diameter on the order of submicron and a cathode tip on the order of nanometers are formed, electrons start to be field-emitted from the tip of the cathode 45 by applying a voltage of usually several tens of volts. The emitted electrons are supplied to a p-type silicon substrate 41 (not shown).
It proceeds while being accelerated toward the anode plate arranged opposite to the anode plate.

【0107】この場合、陰極45から放出される電子流
放射量は、引き出し電極48に印加される固定のゲート
電圧Vexによって制御されるのではなく、陰極45に
接続されるFETのゲート電極49に印加される可変ゲ
ートソース間制御電圧Vgによって制御される。即ち、
FETは、そのゲート電極49に印加されるゲートソー
ス間制御電圧Vgを適切に選択することによって、定電
流領域で動作するようになる。このように、陰極45か
ら電界放射される電子流放射量は、このエミッタに直列
に接続され、放射される電子を供給する機能を持つFE
Tの特性によって決定されることになる。従って、FE
Tの設計を最適に行うことによって、FETの動作条件
と電界放射電子流量とをあらかじめ設計することが可能
になる。特に、FETの飽和動作領域で電界放射を行う
ことで、エミッタ自身の不安定要因の影響を受けずに、
結果として極めて安定で正確に制御された電界放射電子
流量を得ることができる。
In this case, the amount of the electron current emitted from the cathode 45 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 48, but to the gate electrode 49 of the FET connected to the cathode 45. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is,
The FET operates in the constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to its gate electrode 49. As described above, the amount of the electron current radiated from the cathode 45 in the electric field is supplied to the FE which is connected in series to the emitter and has a function of supplying emitted electrons.
It will be determined by the characteristics of T. Therefore, FE
By optimally designing T, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular, by radiating electric field in the saturation operation region of the FET, without being affected by the instability factor of the emitter itself,
As a result, a very stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained.

【0108】ここで、シールド電極50の機能について
詳細に説明する。
Here, the function of the shield electrode 50 will be described in detail.

【0109】所定の真空雰囲気下で前述の電界放出型電
子源を動作させると、陰極45から電界放出された電子
は、真空雰囲気中の残留ガス分子と衝突して、これをイ
オン化させる。このイオン化は、動作させる真空度、残
留分子の種類、濃度、電子を加速させるための外部電界
強度、または電界放射される電子密度(エミッション電
流量)等に強く依存する。発生したイオンの中で、正に
帯電したイオン(陽イオン)は、電子とは反対方向の電
界を受けて基板方向へと導かれ、シリコン基板41へ照
射される。本実施形態で説明した素子構造は、最表面が
上部絶縁膜47で覆われている。この陽イオンがある一
定の密度以上で上部絶縁膜47上に照射され続けると、
上部絶縁膜47上に次第に正のチャージが帯電し、正の
チャージ電圧が発生する。
When the above-mentioned field emission type electron source is operated in a predetermined vacuum atmosphere, electrons field-emitted from the cathode 45 collide with residual gas molecules in the vacuum atmosphere to ionize them. This ionization strongly depends on the degree of vacuum to be operated, the type and concentration of residual molecules, the intensity of an external electric field for accelerating electrons, the density of electrons emitted by an electric field (emission current amount), and the like. Among the generated ions, positively charged ions (positive ions) receive an electric field in the direction opposite to the electrons, are guided toward the substrate, and are irradiated on the silicon substrate 41. In the element structure described in the present embodiment, the outermost surface is covered with the upper insulating film 47. When the cations are continuously irradiated on the upper insulating film 47 at a certain density or higher,
Positive charge is gradually charged on the upper insulating film 47, and a positive charge voltage is generated.

【0110】仮に、シールド電極50が形成されていな
いFETの場合、以下に述べる問題が発生する。
If the FET does not have the shield electrode 50, the following problem occurs.

【0111】イオン照射zによりFETのチャネル領域
の上部に発生したチャージ電圧が、FETの動作電圧を
超えると、誤動作を引き起こすことになる。正常に制御
されたドレイン電流に加えて、チャージ電圧による付加
的なドレイン電流が流れることにより、FETの電流制
御特性が損なわれる。
When the charge voltage generated above the channel region of the FET due to the ion irradiation z exceeds the operating voltage of the FET, a malfunction occurs. In addition to the normally controlled drain current, an additional drain current due to the charge voltage flows, thereby impairing the current control characteristics of the FET.

【0112】これに対して、本実施形態で述べたよう
に、基板と導電位に接続されたシールド電極50でチャ
ネル領域を覆うことにより、チャージ電圧が発生して
も、チャネル領域への電界の影響をシールド効果により
防ぐことができるため、FETの特性変化を防止でき
る。
On the other hand, as described in this embodiment, by covering the channel region with the shield electrode 50 connected to the substrate and the conductive potential, even if a charge voltage is generated, the electric field to the channel region can be reduced. Since the influence can be prevented by the shield effect, a change in the characteristics of the FET can be prevented.

【0113】実際のパネルでは、10-6Torr程度の
低真空雰囲気下でのエミッション動作が必要と考えられ
るため、前述のイオン照射の影響が強まると予想され
る。そのような場合でも、シールド電極を採用すること
によりFETの特性変化を防ぐことができ、長期間にわ
たって安定なエミッション動作が可能であるため、デバ
イス信頼性を著しく向上させることができる。
It is considered that an actual panel requires an emission operation in a low vacuum atmosphere of about 10 −6 Torr, so that the influence of the above-described ion irradiation is expected to increase. Even in such a case, a change in the characteristics of the FET can be prevented by employing the shield electrode, and a stable emission operation can be performed over a long period of time, so that the device reliability can be significantly improved.

【0114】尚、本実施形態の説明では、陰極45の形
状としてタワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型陰
極形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰極
45の材料として、p型シリコン基板を加工して形成し
た例を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタン
グステン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤモ
ンド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカーボ
ン等)を用いても、同様の効果を得ることができる。
In the description of the present embodiment, an example in which the shape of the cathode 45 is a tower shape has been described. However, the same effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. Further, as the material of the cathode 45, an example in which a p-type silicon substrate is formed by processing is used, but a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, or The same effect can be obtained by using diamond-like carbon or the like.

【0115】(第5の実施形態)以下、本発明の第5の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図5(a)及び(b)を参照しながら説明する。図5
(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態における電
界放出型電子源装置の断面図及び平面図であり、図5
(a)は、(b)のI−I線における断面構造を示す。
(Fifth Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIGS. FIG.
5A and 5B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of the field emission type electron source device according to the present embodiment.
(A) shows a cross-sectional structure taken along line II of (b).

【0116】本実施形態の構成において、51はp型シ
リコン基板、52は電界効果トランジスタ(FET)と
して動作する素子のソース領域となる第1のn型半導体
導電部、53はFETのドレイン領域となる不純物濃度
の高い第2のn型半導体導電部、54は円形断面を持つ
タワー形状の電界放出型電子源として動作する陰極、5
5は主にFETのゲート絶縁膜として機能するシリコン
酸化膜からなる第1の絶縁層、56は主に電界放出型電
子源の引き出し電極用絶縁膜として機能するシリコン酸
化膜からなる第2の絶縁層、57はFET用のチャネル
領域を制御するためのゲート電極、58はFET用のソ
ース電極、59は陰極用の引き出し電極である。
In the structure of this embodiment, reference numeral 51 denotes a p-type silicon substrate; 52, a first n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field-effect transistor (FET); 53, a drain region of the FET; A second n-type semiconductor conductive part 54 having a high impurity concentration;
Reference numeral 5 denotes a first insulating layer mainly made of a silicon oxide film functioning as a gate insulating film of the FET, and reference numeral 56 denotes a second insulating layer mainly made of a silicon oxide film mainly functioning as an extraction electrode insulating film of a field emission electron source. A layer 57 is a gate electrode for controlling a channel region for the FET, 58 is a source electrode for the FET, and 59 is a lead electrode for the cathode.

【0117】図5(a)及び(b)に示されるように、
本実施形態における電界放出型電子源装置では、p型シ
リコン基板51の一方の主表面の一部に、FETのソー
スとなる第1のn型半導体導電部52及びドレインとな
る第2のn型半導体導電部53が形成され、且つ第2の
n型半導体導電部53は、第1のn型半導体導電部52
に周囲を囲まれるように内部に配置された構成をとる。
As shown in FIGS. 5A and 5B,
In the field emission electron source device according to the present embodiment, a first n-type semiconductor conductive portion 52 serving as a source of the FET and a second n-type semiconductor conductive portion 52 serving as a drain are formed on a part of one main surface of the p-type silicon substrate 51. A semiconductor conductive part 53 is formed, and the second n-type semiconductor conductive part 53 is formed of a first n-type semiconductor conductive part 52.
Takes a configuration that is arranged inside so as to surround the periphery.

【0118】また、ソースとなる第1のn型半導体導電
部52とドレインとなる第2のn型半導体導電部53と
の間に位置したFETのチャネル領域の少なくとも一部
の表面には、第1の絶縁層55と第2の絶縁層56の間
に埋め込まれた構造のゲート電極57が形成されてい
る。更に、第1のn型半導体導電部52上には、コンタ
クト窓を介して、ソース電極58が形成されている。
Further, at least part of the surface of the channel region of the FET located between the first n-type semiconductor conductive part 52 serving as the source and the second n-type semiconductor conductive part 53 serving as the drain is provided with A gate electrode 57 having a structure embedded between the first insulating layer 55 and the second insulating layer 56 is formed. Further, a source electrode 58 is formed on the first n-type semiconductor conductive portion 52 via a contact window.

【0119】ドレインとなる第2のn型半導体導電部5
3の表面には、円形断面を持つタワー形状の陰極54が
形成されている。シリコンよりなるタワー形状の陰極5
4の先端部は、熱酸化を利用した先鋭化プロセスによ
り、ナノメートルオーダの先端微構造部が形成されてい
る。更に、陰極54の周囲には、一定の開口径を持ち電
子放出のための電界を印加するための引き出し電極59
が、第2の絶縁層56上に形成されている。
Second n-type semiconductor conductive portion 5 serving as a drain
On the surface of No. 3, a tower-shaped cathode 54 having a circular cross section is formed. Tower-shaped cathode 5 made of silicon
At the tip of No. 4, a tip microstructure on the order of nanometers is formed by a sharpening process utilizing thermal oxidation. Further, an extraction electrode 59 having a constant opening diameter and applying an electric field for electron emission is provided around the cathode 54.
Are formed on the second insulating layer 56.

【0120】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出電子源装置の動作を説明する。
The operation of the field emission electron source device according to the present embodiment having the above configuration will be described below.

【0121】p型シリコン基板51とソース領域となる
第1のn型半導体導電部52とを接地接続し、引き出し
電極59に正の電圧Vexを印加する。更に、FETの
ゲート電極57に所定の電圧Vgを印加すると、ゲート
電極57の下部のチャネル領域がオープン状態となり、
ソースからドレイン方向に電子キャリアが注入される条
件が整う。この条件下で、引き出し電極59に正の電圧
Vexを印加する。この際のVexとVgとの印加条件
は、Vg<Vexの関係を満足するように設定する。サ
ブミクロンオーダのゲート開口径とナノメートルオーダ
の陰極先端部が形成された電界放出電子源では、通常数
十ボルトの電圧印加により陰極54の先端から電子が電
界放出され始める。放出された電子は、図示していない
p型シリコン基板51と対向配置された陽極板へ向かっ
て、加速されながら進行する。
A p-type silicon substrate 51 and a first n-type semiconductor conductive portion 52 serving as a source region are grounded, and a positive voltage Vex is applied to an extraction electrode 59. Further, when a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 57 of the FET, the channel region below the gate electrode 57 is opened,
The conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are set. Under this condition, a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 59. The application conditions of Vex and Vg at this time are set so as to satisfy the relationship of Vg <Vex. In a field emission electron source having a gate opening diameter on the order of submicrons and a cathode tip on the order of nanometers, electrons begin to be field-emitted from the tip of the cathode 54 by applying a voltage of usually several tens of volts. The emitted electrons travel while being accelerated toward an anode plate, which is opposed to a p-type silicon substrate 51 (not shown).

【0122】この場合、陰極54から放出される電子流
放射量は、引き出し電極59に印加される固定のゲート
電圧Vexによって制御されるのではなく、陰極54に
接続されるFETのゲート電極57に印加される可変ゲ
ートソース間制御電圧Vgによって制御される。即ち、
FETは、そのゲート電極57に印加されるゲートソー
ス間制御電圧Vgを適切に選択することによって、定電
流領域で動作するようになる。このように、陰極54か
ら電界放射される電子流放射量は、このエミッタに直列
に接続されて放射される電子を供給する機能を持つFE
Tの特性によって決定されることになる。従って、FE
Tの設計を最適に行うことによって、FETの動作条件
と電界放射電子流量とをあらかじめ設計することが可能
になる。特に、FETの飽和動作領域で電界放射を行う
ことで、エミッタ自身の不安定要因の影響を受けずに、
結果として極めて安定で、正確に制御された電界放射電
子流量を得ることができる。
In this case, the amount of the electron current emitted from the cathode 54 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 59, but is applied to the gate electrode 57 of the FET connected to the cathode 54. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is,
The FET operates in the constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to the gate electrode 57. As described above, the amount of electron flow radiation emitted from the cathode 54 in the electric field is determined by the FE having the function of supplying the emitted electrons connected in series to the emitter.
It will be determined by the characteristics of T. Therefore, FE
By optimally designing T, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular, by radiating electric field in the saturation operation region of the FET, without being affected by the instability factor of the emitter itself,
As a result, a very stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained.

【0123】ここで、本実施形態の特徴であるソースと
ドレインの配置構成について、説明する。
Here, the arrangement of the source and the drain, which is a feature of this embodiment, will be described.

【0124】本実施形態のドレイン構造の特徴は、外周
部をソース領域及びチャネル領域で囲まれたアイランド
構造を有していることである。また、FETの動作を制
御するゲート電極が、電界放出電子源部の陰極を中心に
対称に配置されている。この配置を採用することによ
り、ソース領域からドレイン領域へキャリアを均等に注
入することが可能になる。
A feature of the drain structure of this embodiment is that it has an island structure whose outer peripheral portion is surrounded by a source region and a channel region. Further, gate electrodes for controlling the operation of the FET are symmetrically arranged around the cathode of the field emission electron source. By employing this arrangement, carriers can be uniformly injected from the source region to the drain region.

【0125】通常構造のドレインは、チャネル領域に接
した一部の境界よりキャリアを注入している。この場
合、注入されたキャリアは、ドレイン内を拡散して電界
放出電子源部の陰極に到達することになる。従って、ド
レインの位置に応じてキャリアの濃度が異なることも予
想される。これに対して、上記に説明した本実施形態の
構成では、そのような問題は発生しない。
In the drain having the normal structure, carriers are injected from a part of the boundary in contact with the channel region. In this case, the injected carriers diffuse in the drain and reach the cathode of the field emission electron source. Therefore, it is expected that the carrier concentration varies depending on the position of the drain. On the other hand, in the configuration of the present embodiment described above, such a problem does not occur.

【0126】上記では、ドレインに1つの陰極を形成し
た構成について述べたが、FED用の画素として用いる
場合には、通常、1画素当たり数百個の陰極をドレイン
に形成するマルチエミッタの構成を用いる。ドレイン内
でキャリアの密度が異なる場合、陰極の位置によって陰
極から放出される電子の量がばらつくことも予想される
が、本発明では、陰極が形成されたドレインに対して対
称に配置されたゲート電極を通じて均一且つ対称にキャ
リアが注入されるため、ドレイン内での電子放出のばら
つきも抑制される。
In the above description, the configuration in which one cathode is formed in the drain has been described. However, when the cathode is used as an FED pixel, a multi-emitter configuration in which several hundreds of cathodes are formed in the drain per pixel is usually used. Used. If the density of carriers in the drain is different, it is expected that the amount of electrons emitted from the cathode varies depending on the position of the cathode.However, in the present invention, the gate is arranged symmetrically with respect to the drain on which the cathode is formed. Since carriers are injected uniformly and symmetrically through the electrodes, variations in electron emission in the drain are also suppressed.

【0127】更に、本発明の引き出し電極は、電子放出
量の制御だけでなく、放出された電子のビーム軌道制御
にも有効である。
Further, the extraction electrode of the present invention is effective not only for controlling the amount of emitted electrons but also for controlling the beam trajectory of emitted electrons.

【0128】FETのゲート電極に印加する電圧Vgと
陰極を動作させるための引き出し電圧Vexとの関係
を、予めVg<Vexの条件で最適な条件で設定してお
くことにより、放出された電子が真空中でVgの電界の
影響を受けて、収束作用を示す。これは、Vexに比べ
て低く設定されたVgの電位が、陰極から放出され対向
の陽極へ向かう電子に収束作用を及ぼす電界を発生させ
ることによる。特に、陰極に対して対称に配置したゲー
ト電極からの収束電界が、電子軌道に対して対称に生成
されるため、従来例にはない良好なレンズ作用を有する
ことになる。
By setting the relationship between the voltage Vg applied to the gate electrode of the FET and the extraction voltage Vex for operating the cathode in advance under an optimal condition of Vg <Vex, the emitted electrons can be reduced. Under the influence of the electric field of Vg in a vacuum, a convergence effect is exhibited. This is because an electric potential of Vg set lower than Vex generates an electric field which has a converging effect on electrons emitted from the cathode and traveling toward the opposite anode. In particular, since a converged electric field from the gate electrode symmetrically arranged with respect to the cathode is generated symmetrically with respect to the electron trajectory, it has a good lens action which has not been achieved in the related art.

【0129】また、収束作用をもたらすゲート電極57
は、第1の絶縁層55と第2の絶縁層56の間に埋め込
まれた配線として形成されており、引き出し電極59よ
り下層の位置に形成されている。この相対的な配置構成
により、Vexに比べて相対的に低い電圧をVgに印加
した場合においても、ゲート電極57の影響は陰極54
に及ばない。
Further, the gate electrode 57 having a convergence effect is provided.
Is formed as a wiring buried between the first insulating layer 55 and the second insulating layer 56, and is formed at a position below the extraction electrode 59. With this relative arrangement, even when a voltage lower than Vex is applied to Vg, the influence of the gate electrode 57 is not affected by the cathode 54.
Less than.

【0130】従来構造では、収束機能とともに電子放出
量が低下していたが、本発明の構成では電子放出量を維
持したままで十分な収束機能を持つことが可能となる。
In the conventional structure, the electron emission amount is reduced together with the convergence function. However, the structure of the present invention can have a sufficient convergence function while maintaining the electron emission amount.

【0131】以上のように、本実施形態の構成では、ド
レイン内での電子放出のばらつき抑制や対称に配置され
たゲート電極によるビーム収束効果が期待できるため、
極めて安定に、且つビーム広がりの小さい高密度なエミ
ッタ動作が保証できるため、高精細表示に適した良好な
電界放出電子源として期待できる。
As described above, in the configuration of the present embodiment, it is possible to suppress variations in electron emission in the drain and to achieve a beam convergence effect by symmetrically arranged gate electrodes.
Since a very high-density emitter operation with extremely small beam spread can be guaranteed, it can be expected as a good field emission electron source suitable for high definition display.

【0132】尚、本実施形態の説明では、陰極54の形
状としてタワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型陰
極形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰極
54の材料として、p型シリコン基板を加工して形成し
た例を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタン
グステン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤモ
ンド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカーボ
ン等)を用いても同様の効果を得ることができる。
In the description of this embodiment, an example in which the shape of the cathode 54 is a tower shape has been described. However, the same effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. Further, as an example of the material of the cathode 54, an example in which a p-type silicon substrate is formed by processing is used, but a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, or The same effect can be obtained by using diamond-like carbon.

【0133】(第6の実施形態)以下、本発明の第6の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図6(a)及び(b)を参照しながら説明する。図6
(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態における電
界放出型電子源装置の断面図及び平面図であり、図6
(a)は、(b)のI−I線における断面構造を示す。
(Sixth Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a sixth embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIGS. FIG.
6A and 6B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of the field emission type electron source device according to the present embodiment.
(A) shows a cross-sectional structure taken along line II of (b).

【0134】本実施形態の構成において、61はp型シ
リコン基板、62は電界効果トランジスタ(FET)と
して動作する素子のソース領域となるn型半導体導電
部、63は円形断面を持つタワー形状の電界放出型電子
源として動作する陰極、64は主にFETのゲート絶縁
膜として機能するシリコン酸化膜からなる第1の絶縁
層、65は主に電界放出型電子源の引き出し電極用絶縁
膜として機能するシリコン酸化膜からなる第2の絶縁
層、66はFET用のチャネル領域を制御するためのゲ
ート電極、67はFET用のソース電極、68は陰極用
の引き出し電極である。
In the structure of the present embodiment, 61 is a p-type silicon substrate, 62 is an n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field effect transistor (FET), and 63 is a tower-shaped electric field having a circular cross section. A cathode that operates as an emission electron source, 64 is a first insulating layer made of a silicon oxide film that mainly functions as a gate insulating film of an FET, and 65 mainly functions as an extraction electrode insulating film of a field emission electron source. A second insulating layer made of a silicon oxide film, 66 is a gate electrode for controlling the channel region for the FET, 67 is a source electrode for the FET, and 68 is a lead electrode for the cathode.

【0135】図6(a)及び(b)に示すように、本実
施形態における電界放出型電子源装置では、p型シリコ
ン基板61の一方の主表面の一部に、FETのソースと
なる第1のn型半導体導電部62、陰極63、及び引き
出し電極68を含む電界放出電子源部が形成され、且つ
前記電界放出電子源部は、n型半導体導電部62に周囲
を囲まれるように内部に配置された構成をとる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, in the field emission type electron source device of the present embodiment, a part of one main surface of the p-type silicon substrate 61 is provided with a second source serving as an FET. A field emission electron source section including one n-type semiconductor conductive section 62, a cathode 63, and an extraction electrode 68 is formed, and the field emission electron source section is internally surrounded by the n-type semiconductor conductive section 62. Take the configuration arranged in.

【0136】また、ソースとなるn型半導体導電部62
と前記電界放出電子源部との間に位置したFETのチャ
ネル領域の少なくとも一部の表面には、第1の絶縁層6
4を介して電流を制御するためのゲート電極66が、第
1の絶縁層64と第2の絶縁層65との間に埋め込まれ
た配線として、陰極63に対して対称な配置で形成され
ている。更に、ソースのn型半導体導電部62上には、
コンタクト窓を介してソース電極67が形成されてい
る。
The n-type semiconductor conductive portion 62 serving as a source
A first insulating layer 6 is provided on at least a part of the surface of the channel region of the FET located between the
A gate electrode 66 for controlling a current through the gate electrode 4 is formed as a wiring embedded between the first insulating layer 64 and the second insulating layer 65 in a symmetrical arrangement with respect to the cathode 63. I have. Further, on the n-type semiconductor conductive portion 62 of the source,
A source electrode 67 is formed via a contact window.

【0137】ソースのn型半導体導電部62の内部にあ
ってドレイン領域となるシリコン基板61の表面には、
円形断面を持つタワー形状の陰極63が形成されてい
る。シリコンよりなるタワー形状の陰極63の先端部
は、熱酸化を利用した先鋭化プロセスにより、ナノメー
トルオーダの先端微構造部が形成されている。更に、陰
極63の周囲には、一定の開口径を持ち、電子放出のた
めの電界を印加するための引き出し電極68が、第2の
絶縁層65の上に形成されている。
On the surface of the silicon substrate 61 which is to be a drain region inside the n-type semiconductor conductive portion 62 of the source,
A tower-shaped cathode 63 having a circular cross section is formed. The tip of the tower-shaped cathode 63 made of silicon has a tip microstructure on the order of nanometers formed by a sharpening process using thermal oxidation. Further, a lead electrode 68 having a constant opening diameter and applying an electric field for electron emission is formed on the second insulating layer 65 around the cathode 63.

【0138】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出電子源装置の動作を説明する。
Hereinafter, the operation of the field emission electron source device according to the present embodiment having the above configuration will be described.

【0139】p型シリコン基板61とソース領域となる
n型半導体導電部62とを接地接続し、引き出し電極6
8に正の電圧Vexを印加する。更に、FETのゲート
電極66に所定の電圧Vgを印加すると、ゲート電極6
6の下部のチャネル領域がオープン状態となり、ソース
からドレイン方向に電子キャリアが注入される条件が整
う。この条件下で、引き出し電極68に正の電圧Vex
を印加する。この際のVexとVgの印加条件は、Vg
<Vexの関係を満足するように設定する。この引き出
し電極への正の電圧印加により、引き出し電極下部領域
のp型シリコン基板表層部には空乏層が形成される。十
分に高いVg電圧条件では、この空乏層の表面にn型の
反転層が形成され、電子キャリアの電導層として機能す
る。この結果、チャネル領域から注入された電子は、形
成されたn型反転層を介してエミッタ方向へ導かれるこ
とになる。この結果、ドレインにn型半導体導電部を形
成しておかなくても、Vexに一定の電圧印加を行うこ
とで、ほぼ同様のトランジスタ動作が可能になる。
A p-type silicon substrate 61 and an n-type semiconductor conductive portion 62 serving as a source region are grounded, and a lead electrode 6 is connected.
8, a positive voltage Vex is applied. Further, when a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 66 of the FET, the gate electrode 6
The channel region below 6 is opened, and the conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are established. Under this condition, a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 68.
Is applied. The application condition of Vex and Vg at this time is Vg
<Set to satisfy the relationship of Vex. By applying a positive voltage to the extraction electrode, a depletion layer is formed in the surface layer of the p-type silicon substrate under the extraction electrode. Under a sufficiently high Vg voltage condition, an n-type inversion layer is formed on the surface of the depletion layer, and functions as a conductive layer for electron carriers. As a result, electrons injected from the channel region are guided toward the emitter through the formed n-type inversion layer. As a result, even if the n-type semiconductor conductive portion is not formed in the drain, substantially the same transistor operation can be performed by applying a constant voltage to Vex.

【0140】一定のサブミクロンオーダのゲート開口径
とナノメートルオーダの陰極先端部とが形成された電界
放出電子源では、通常数十ボルトの電圧印加により、陰
極63の先端から電子が電界放出され始める。放出され
た電子は、図示していないp型シリコン基板61と対向
配置された陽極板へ向かって、加速されながら進行す
る。
In a field emission electron source in which a gate opening diameter on the order of a submicron and a cathode tip on the order of nanometers are formed, electrons are usually emitted from the tip of the cathode 63 by applying a voltage of several tens of volts. start. The emitted electrons travel while being accelerated toward an anode plate that is arranged opposite to a p-type silicon substrate 61 (not shown).

【0141】この場合、陰極63から放出される電子流
放射量は、引き出し電極68に印加される固定のゲート
電圧Vexによって制御されるのではなく、陰極63に
接続されるFETのゲート電極66に印加される可変ゲ
ートソース間制御電圧Vgによって制御される。即ち、
FETは、そのゲート電極66に印加されるゲートソー
ス間制御電圧Vgを適切に選択することによって、定電
流領域で動作するようになる。このように、陰極63か
ら電界放射される電子流放射量は、このエミッタに直列
に接続されて放射される電子を供給する機能を持つFE
Tの特性によって、決定される。従って、FETの設計
を最適に行うことによって、FETの動作条件と電界放
射電子流量をあらかじめ設計することが可能になる。特
に、FETの飽和動作領域で電界放射を行うことで、エ
ミッタ自身の不安定要因の影響を受けずに、結果として
極めて安定で、正確に制御された電界放射電子流量を得
ることができる。
In this case, the amount of the electron current emitted from the cathode 63 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 68 but is applied to the gate electrode 66 of the FET connected to the cathode 63. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is,
The FET operates in the constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to its gate electrode 66. As described above, the amount of the electron current emitted from the cathode 63 in the electric field is determined by the FE having the function of supplying the emitted electrons connected in series to the emitter.
It is determined by the characteristics of T. Therefore, by optimally designing the FET, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular, by performing field emission in the saturation operation region of the FET, an extremely stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained as a result without being affected by the instability factor of the emitter itself.

【0142】ここで、本実施形態における特徴であるソ
ースとドレインの配置構成について、説明する。
Here, the arrangement of the source and the drain, which is a feature of the present embodiment, will be described.

【0143】本実施形態の電界放出電子源部の特徴は、
外周部をソース領域及びチャネル領域で囲まれたアイラ
ンド構造を有していることである。また、FETの動作
を制御するゲート電極が、電界放出電子源部の陰極を中
心に対称に配置されている。この配置を採用することに
より、ソース領域から引き出し電極下部に生成されたn
型反転層領域へ、キャリアを均等に注入することが可能
になる。通常構造のドレインは、チャネル領域に接した
一部の境界よりキャリアを注入している。この場合、注
入されたキャリアはドレイン内を拡散して電界放出電子
源部の陰極に到達することになる。従って、ドレインの
位置に応じてキャリアの濃度が異なることも予想され
る。これに対して、上記に説明した本実施形態の構成で
は、そのような問題は発生しない。
The features of the field emission electron source of this embodiment are as follows.
It has an island structure in which the outer peripheral portion is surrounded by the source region and the channel region. Further, gate electrodes for controlling the operation of the FET are symmetrically arranged around the cathode of the field emission electron source. By adopting this arrangement, n generated from the source region below the extraction electrode
Carriers can be evenly injected into the mold inversion layer region. In the drain having the normal structure, carriers are injected from a part of the boundary in contact with the channel region. In this case, the injected carriers diffuse in the drain and reach the cathode of the field emission electron source. Therefore, it is expected that the carrier concentration varies depending on the position of the drain. On the other hand, in the configuration of the present embodiment described above, such a problem does not occur.

【0144】上記では、ドレインとして機能するn型反
転層領域に1つの陰極を形成した構成について述べた
が、FED用の画素として用いる場合には、通常、1画
素当たり数百個の陰極をドレインに形成するマルチエミ
ッタの構成を用いる。
In the above description, a configuration in which one cathode is formed in the n-type inversion layer region functioning as a drain has been described. However, when the cathode is used as an FED pixel, several hundred cathodes per pixel are usually used. Is used.

【0145】ドレイン内でキャリアの密度が異なる場
合、陰極の位置によって陰極から放出される電子の量が
ばらつくことも予想されるが、本発明では、陰極が形成
されたn型反転層領域に対して対称に配置されたゲート
電極を通じて均一且つ対称にキャリアが注入されるた
め、n型反転層領域内での電子放出のばらつきも抑制さ
れることになる。
When the carrier density in the drain is different, it is expected that the amount of electrons emitted from the cathode varies depending on the position of the cathode. However, in the present invention, the amount of electrons emitted from the cathode is different from that of the n-type inversion layer region where the cathode is formed. Carriers are injected uniformly and symmetrically through the symmetrically arranged gate electrodes, so that variations in electron emission in the n-type inversion layer region are suppressed.

【0146】更に、本発明の引き出し電極は電子放出量
の制御だけでなく、放出された電子のビーム軌道制御に
も有効である。つまり、FETのゲート電極に印加する
電圧Vgと陰極を動作させるための引き出し電圧Vex
の関係を予めVg<Vexの条件で最適な条件で設定し
ておくことにより、放出された電子が真空中でVgの電
界の影響を受けて収束作用を示す。これは、Vexに比
べて低く設定されたVgの電位が、陰極から放出され対
向の陽極へ向かう電子に収束作用を及ぼす電界を発生さ
せることによる。陰極に対して対称に配置したゲート電
極からの収束電界が、電子軌道に対して対称に生成され
るため、従来例にはない良好なレンズ作用を有すること
になる。
Further, the extraction electrode of the present invention is effective not only for controlling the amount of emitted electrons but also for controlling the beam trajectory of emitted electrons. That is, the voltage Vg applied to the gate electrode of the FET and the extraction voltage Vex for operating the cathode.
Is set in advance under the optimal condition of Vg <Vex, the emitted electrons exhibit a convergence effect under the influence of the electric field of Vg in a vacuum. This is because an electric potential of Vg set lower than Vex generates an electric field which has a converging effect on electrons emitted from the cathode and traveling toward the opposite anode. Since the converged electric field from the gate electrode symmetrically arranged with respect to the cathode is generated symmetrically with respect to the electron trajectory, it has a good lens action which has not been achieved in the related art.

【0147】また、収束作用をもたらすゲート電極66
は、第1の絶縁層64と第2の絶縁層65の間に埋め込
まれた配線として形成されており、引き出し電極68よ
り下層の位置に形成されている。この相対的な配置構成
により、Vexに比べて相対的に低い電圧をVgに印加
した場合においてもゲート電極66の影響は陰極63に
及ばない。従来構造では、収束機能とともに電子放出量
が低下していたが、本発明の構成では電子放出量を維持
したままで十分な収束機能を持つことが可能となる。
The gate electrode 66 having a convergence function is also provided.
Is formed as a wiring buried between the first insulating layer 64 and the second insulating layer 65, and is formed at a position below the extraction electrode 68. Due to this relative arrangement, even when a voltage lower than Vex is applied to Vg, the gate electrode 66 does not affect the cathode 63. In the conventional structure, the electron emission amount is reduced together with the convergence function. However, in the configuration of the present invention, it is possible to have a sufficient convergence function while maintaining the electron emission amount.

【0148】以上のように、本実施形態では、ドレイン
として機能するn型反転層領域内での電子放出のばらつ
き抑制や対称に配置されたゲート電極によるビーム収束
効果が期待できるため、極めて安定に且つビーム広がり
の小さい高密度なエミッタ動作が保証できる。これよ
り、高精細表示に適した良好な電界放出電子源として期
待できる。
As described above, in the present embodiment, it is possible to suppress the variation in electron emission in the n-type inversion layer region functioning as the drain, and to expect the beam convergence effect of the symmetrically arranged gate electrodes. In addition, a high-density emitter operation with a small beam spread can be guaranteed. Accordingly, it can be expected as a good field emission electron source suitable for high definition display.

【0149】尚、本実施形態の説明では、陰極63の形
状として、タワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型
陰極形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰
極63の材料として、p型シリコン基板を加工して形成
した例を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタ
ングステン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤ
モンド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカー
ボン等)を用いても同様の効果を得ることができる。
In the description of the present embodiment, an example in which the shape of the cathode 63 is a tower shape has been described, but the same effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. In addition, as the material of the cathode 63, an example in which a p-type silicon substrate is formed by processing is used. However, a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, or The same effect can be obtained by using diamond-like carbon.

【0150】(第7の実施形態)以下、本発明の第7の
実施形態に係る電界放出型電子源装置の構造について、
図7(a)及び(b)を参照しながら説明する。図7
(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態における電
界放出型電子源装置の断面図及び平面図であり、図7
(a)は、(b)のI−I線における断面構造を示す。
(Seventh Embodiment) Hereinafter, the structure of a field emission type electron source device according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIGS. FIG.
7A and 7B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of the field emission type electron source device according to the present embodiment.
(A) shows a cross-sectional structure taken along line II of (b).

【0151】本実施形態の構成において、71はp型シ
リコン基板、72は電界効果トランジスタ(FET)と
して動作する素子のソース領域となる第1のn型半導体
導電部、73はFETのドレイン領域となる不純物濃度
の高い第2のn型半導体導電部、74は円形断面を持つ
タワー形状の電界放出型電子源として動作する陰極、7
5は主にFETのゲート絶縁膜として機能するシリコン
酸化膜からなる第1の絶縁層である。76は主に電界放
出型電子源の引き出し電極用絶縁膜として機能するシリ
コン酸化膜からなる第2の絶縁層、77はFET用のチ
ャネル領域を制御するためのゲート電極、78はFET
用のソース電極、79は陰極用の引き出し電極である。
In the structure of the present embodiment, 71 is a p-type silicon substrate, 72 is a first n-type semiconductor conductive portion serving as a source region of an element operating as a field effect transistor (FET), and 73 is a drain region of the FET. A second n-type semiconductor conductive portion 74 having a high impurity concentration; a cathode 74 operating as a tower-shaped field emission electron source having a circular cross section;
Reference numeral 5 denotes a first insulating layer mainly composed of a silicon oxide film functioning as a gate insulating film of the FET. 76 is a second insulating layer made of a silicon oxide film mainly functioning as an insulating film for an extraction electrode of a field emission electron source, 77 is a gate electrode for controlling a channel region for an FET, and 78 is an FET
A source electrode 79 is a lead electrode for a cathode.

【0152】図7(a)及び(b)に示したように、本
実施形態における電界放出型電子源装置では、p型シリ
コン基板71の一方の主表面の一部に、FETのソース
となる第1のn型半導体導電部72及びドレインとなる
第2のn型半導体導電部73が形成され、且つ第2のn
型半導体導電部73は、第1のn型半導体導電部72に
周囲を囲まれるように内部に配置された構成をとる。
As shown in FIGS. 7A and 7B, in the field emission type electron source device of this embodiment, a part of one main surface of the p-type silicon substrate 71 becomes a source of the FET. A first n-type semiconductor conductive part 72 and a second n-type semiconductor conductive part 73 serving as a drain are formed, and a second n-type semiconductor conductive part 73 is formed.
The type semiconductor conductive portion 73 has a configuration arranged inside so as to be surrounded by the first n-type semiconductor conductive portion 72.

【0153】ソースとなる第1のn型半導体導電部72
の内周形状とドレインとなる第2のn型半導体導電部7
3の外周形状が、それぞれ同心円状に形成された円形状
を有しており、FETのチャネル領域は前記ソース領域
と前記ドレイン領域との間に位置して、リング状の形状
となっている。また、前記リング状のチャネルを覆うよ
うに、第1の絶縁層75と第2の絶縁層76との間に埋
め込まれたリング状のゲート電極77が、形成されてい
る。
First n-type semiconductor conductive portion 72 serving as a source
N-type semiconductor conductive portion 7 serving as the inner peripheral shape and drain of
3 has a circular shape formed concentrically, and the channel region of the FET is located between the source region and the drain region and has a ring shape. Further, a ring-shaped gate electrode 77 buried between the first insulating layer 75 and the second insulating layer 76 is formed so as to cover the ring-shaped channel.

【0154】ソースのn型半導体導電部72の上には、
コンタクト窓を介してソース電極78が形成されてい
る。
On the n-type semiconductor conductive portion 72 of the source,
A source electrode 78 is formed via a contact window.

【0155】ドレインとなる第2のn型半導体導電部7
3の表面には、円形断面を持つタワー形状の陰極74が
形成されている。シリコンよりなるタワー形状の陰極7
4の先端部は、熱酸化を利用した先鋭化プロセスによ
り、ナノメートルオーダの先端微構造部が形成されてい
る。更に、陰極74の周囲には、一定の開口径を持ち、
電子放出のための電界を印加するための引き出し電極7
9が、第2の絶縁層76の上に形成されている。
Second n-type semiconductor conductive portion 7 serving as a drain
On the surface of No. 3, a tower-shaped cathode 74 having a circular cross section is formed. Tower-shaped cathode 7 made of silicon
At the tip of No. 4, a tip microstructure on the order of nanometers is formed by a sharpening process utilizing thermal oxidation. Further, a constant opening diameter is provided around the cathode 74,
Extraction electrode 7 for applying an electric field for electron emission
9 is formed on the second insulating layer 76.

【0156】以下に、上記構成を有する本実施形態にお
ける電界放出電子源装置の動作を説明する。
The operation of the field emission electron source device according to the present embodiment having the above configuration will be described below.

【0157】p型シリコン基板71とソース領域となる
第1のn型半導体導電部72とを接地接続し、引き出し
電極79に正の電圧Vexを印加する。更に、FETの
ゲート電極77に所定の電圧Vgを印加すると、ゲート
電極77の下部のチャネル領域がオープン状態となり、
ソースからドレイン方向に電子キャリアが注入される条
件が整う。この条件下で、引き出し電極79に正の電圧
Vexを印加する。この際のVexとVgの印加条件
は、Vg<Vexの関係を満足するように設定する。サ
ブミクロンオーダのゲート開口径とナノメートルオーダ
の陰極先端部とが形成された電界放出電子源では、通常
数十ボルトの電圧印加により陰極74の先端から電子が
電界放出され始める。放出された電子は、図示しないp
型シリコン基板71と対向配置された陽極板へ向かっ
て、加速されながら進行する。
The p-type silicon substrate 71 and the first n-type semiconductor conductive portion 72 serving as a source region are grounded, and a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 79. Further, when a predetermined voltage Vg is applied to the gate electrode 77 of the FET, the channel region below the gate electrode 77 is opened,
The conditions for injecting electron carriers from the source to the drain are set. Under this condition, a positive voltage Vex is applied to the extraction electrode 79. The application conditions of Vex and Vg at this time are set so as to satisfy the relationship of Vg <Vex. In a field emission electron source in which a gate opening diameter on the order of submicrons and a cathode tip on the order of nanometers are formed, electrons start to be field-emitted from the tip of the cathode 74 by applying a voltage of usually several tens of volts. The emitted electrons are represented by p (not shown).
It proceeds while being accelerated toward the anode plate arranged opposite to the mold silicon substrate 71.

【0158】この場合、陰極74から放出される電子流
放射量は、引き出し電極79に印加される固定のゲート
電圧Vexによって制御されるのではなく、陰極74に
接続されるFETのゲート電極77に印加される可変ゲ
ートソース間制御電圧Vgによって制御される。即ち、
FETは、そのゲート電極77に印加されるゲートソー
ス間制御電圧Vgを適切に選択することによって、定電
流領域で動作するようになる。このように、陰極74か
ら電界放射される電子流放射量は、このエミッタに直列
に接続されて放射される電子を供給する機能を持つFE
Tの特性によって決定されることになる。従って、FE
Tの設計を最適に行うことによって、FETの動作条件
と電界放射電子流量をあらかじめ設計することが可能に
なる。特に、FETの飽和動作領域で電界放射を行うこ
とで、エミッタ自身の不安定要因の影響を受けずに、結
果として極めて安定で、正確に制御された電界放射電子
流量を得ることができる。
In this case, the amount of electron current emitted from the cathode 74 is not controlled by the fixed gate voltage Vex applied to the extraction electrode 79, but is applied to the gate electrode 77 of the FET connected to the cathode 74. It is controlled by the applied variable gate-source control voltage Vg. That is,
The FET operates in the constant current region by appropriately selecting the gate-source control voltage Vg applied to its gate electrode 77. As described above, the amount of electron flow radiation emitted from the cathode 74 in the electric field is determined by the FE having the function of supplying the emitted electrons connected in series to the emitter.
It will be determined by the characteristics of T. Therefore, FE
By optimally designing T, it becomes possible to design the operating conditions of the FET and the field emission electron flow rate in advance. In particular, by performing field emission in the saturation operation region of the FET, an extremely stable and precisely controlled field emission electron flow can be obtained as a result without being affected by the instability factor of the emitter itself.

【0159】ここで、本実施形態の特徴であるリング状
のゲート電極構成について、説明する。
Here, a ring-shaped gate electrode configuration which is a feature of the present embodiment will be described.

【0160】本実施形態のドレイン構造の特徴は、外周
部をソース領域及びチャネル領域で囲まれたアイランド
構造を有していることである。また、FETの動作を制
御するゲート電極が、電界放出電子源部の陰極を中心に
リング状に対称に配置されている。この配置を採用する
ことにより、ソース領域からドレイン領域へ、キャリア
を均等に注入することが可能になる。
A feature of the drain structure of this embodiment is that it has an island structure whose outer peripheral portion is surrounded by a source region and a channel region. Gate electrodes for controlling the operation of the FET are symmetrically arranged in a ring around the cathode of the field emission electron source. By employing this arrangement, carriers can be uniformly injected from the source region to the drain region.

【0161】通常構造のドレインは、チャネル領域に接
した一部の境界よりキャリアを注入している。この場
合、注入されたキャリアは、ドレイン内を拡散して電界
放出電子源部の陰極に到達することになる。従って、ド
レインの位置に応じてキャリアの濃度が異なることも予
想される。
In the drain having the normal structure, carriers are injected from a part of the boundary in contact with the channel region. In this case, the injected carriers diffuse in the drain and reach the cathode of the field emission electron source. Therefore, it is expected that the carrier concentration varies depending on the position of the drain.

【0162】本実施形態の構成では、ドレインに1つの
陰極を形成した構成について述べたが、FED用の画素
として用いる場合には、通常、1画素当たり数百個の陰
極をドレインに形成するマルチエミッタの構成を用い
る。ドレイン内でキャリアの密度が異なる場合、陰極の
位置によって陰極から放出される電子の量がばらつくこ
とも予想されるが、本発明では、陰極が形成されたドレ
インに対して対称に配置されたゲート電極を通じて、均
一且つ対称にキャリアが注入されるため、ドレイン内で
の電子放出のばらつきも抑制されることになる。
In the structure of this embodiment, a structure in which one cathode is formed in the drain has been described. However, when the structure is used as a pixel for FED, a multi-layer structure in which several hundreds of cathodes are formed in the drain per pixel is usually used. An emitter configuration is used. If the density of carriers in the drain is different, it is expected that the amount of electrons emitted from the cathode varies depending on the position of the cathode.However, in the present invention, the gate is arranged symmetrically with respect to the drain on which the cathode is formed. Since carriers are injected uniformly and symmetrically through the electrodes, variations in electron emission in the drain are also suppressed.

【0163】更に、本発明の引き出し電極は、電子放出
量の制御だけでなく、放出された電子のビーム軌道制御
にも有効である。つまり、FETのゲート電極に印加す
る電圧Vgと陰極を動作させるための引き出し電圧Ve
xの関係を予めVg<Vexの条件で最適な条件で設定
しておくことにより、放出された電子が真空中でVgの
電界の影響を受けて収束作用を示す。これは、Vexに
比べて低く設定されたVgの電位が、陰極から放出され
対向の陽極へ向かう電子に収束作用を及ぼす電界を発生
させることによる。陰極に対して対称にリング状に配置
したゲート電極からの収束電界が、電子軌道に対して完
全に対称に生成されるため、従来例にはない良好なレン
ズ作用を有することになる。
Further, the extraction electrode of the present invention is effective not only for controlling the amount of emitted electrons but also for controlling the beam trajectory of emitted electrons. That is, the voltage Vg applied to the gate electrode of the FET and the extraction voltage Ve for operating the cathode.
By setting the relationship of x in advance under an optimal condition of Vg <Vex, the emitted electrons exhibit a convergence effect under the influence of the electric field of Vg in a vacuum. This is because an electric potential of Vg set lower than Vex generates an electric field which has a converging effect on electrons emitted from the cathode and traveling toward the opposite anode. Since a converged electric field from the gate electrode arranged symmetrically with respect to the cathode in a ring shape is generated completely symmetrically with respect to the electron trajectory, it has a good lens action which has not been achieved in the prior art.

【0164】また、収束作用をもたらすゲート電極77
は、第1の絶縁層75と第2の絶縁層76との間に埋め
込まれた配線として形成されており、引き出し電極79
より下層の位置に形成されている。この相対的な配置構
成により、Vexに比べて相対的に低い電圧をVgに印
加した場合においても、ゲート電極77の影響は陰極7
4に及ばない。従来構造では、収束機能とともに電子放
出量が低下していたが、本発明の構成では、電子放出量
を維持したままで十分な収束機能を持つことが可能とな
る。
Further, the gate electrode 77 having a convergence function is provided.
Are formed as wiring embedded between the first insulating layer 75 and the second insulating layer 76, and the extraction electrode 79
It is formed at a lower layer position. With this relative arrangement, even when a voltage relatively lower than Vex is applied to Vg, the influence of the gate electrode 77 does not affect the cathode 7.
Less than four. In the conventional structure, the electron emission amount is reduced together with the convergence function. However, in the configuration of the present invention, it is possible to have a sufficient convergence function while maintaining the electron emission amount.

【0165】以上のように、本実施形態によれば、ドレ
イン内での電子放出のばらつき抑制や対称に配置された
リング状のゲート電極による完全なビーム収束効果が期
待できるため、極めて安定に且つビーム広がりの小さい
高密度なエミッタ動作が保証できる。このため、得られ
る構成は、高精細表示に適した良好な電界放出電子源と
して期待できる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress a variation in electron emission in the drain and complete a beam convergence effect by the symmetrically arranged ring-shaped gate electrodes. High-density emitter operation with small beam spread can be guaranteed. Therefore, the obtained configuration can be expected as a good field emission electron source suitable for high definition display.

【0166】なお、本実施形態の説明では、陰極74の
形状としてタワー形状の例を述べたが、従来型の円錐型
陰極形状でも同様の効果を得ることができる。また、陰
極74の材料として、p型シリコン基板を加工して形成
した例を用いたが、従来型の金属材料(モリブデンやタ
ングステン等の高融点金属材料)や炭素系材料(ダイヤ
モンド、グラファイト、またはダイヤモンドライクカー
ボン等)を用いても同様の効果を得ることができる。
In the description of the present embodiment, an example in which the shape of the cathode 74 is a tower shape has been described. However, a similar effect can be obtained with a conventional conical cathode shape. Further, as the material of the cathode 74, an example in which a p-type silicon substrate is formed by processing is used, but a conventional metal material (a high melting point metal material such as molybdenum or tungsten) or a carbon-based material (diamond, graphite, or The same effect can be obtained by using diamond-like carbon.

【0167】なお、上記で説明した各実施形態における
本発明の特徴は、実際の電界放出型電子源装置の構成に
あたって、適切に組み合わせて適用できる。
The features of the present invention in each of the embodiments described above can be appropriately combined and applied to the actual configuration of the field emission type electron source device.

【0168】[0168]

【発明の効果】以上のように、本発明に係る電界放出型
電子源装置によると、FETのドレイン端部が不純物濃
度の低いウエルから構成されるため、FET動作時のド
レイン近傍の電界集中を大幅に低減することができる。
その結果、従来ホットエレクトロン等により引き起こさ
れていたFETの性能劣化を防ぎ、デバイス動作の信頼
性を著しく向上させることができると言う利点がある。
As described above, according to the field emission type electron source device of the present invention, since the drain end of the FET is formed of a well having a low impurity concentration, the electric field concentration near the drain during the operation of the FET can be reduced. It can be significantly reduced.
As a result, there is an advantage that performance degradation of the FET caused by hot electrons or the like can be prevented, and the reliability of device operation can be significantly improved.

【0169】また、不純物元素の熱拡散速度の違いを利
用することにより、容易に不純物濃度の異なる複数のウ
エル構造を実現できるメリットがある。
Further, there is an advantage that a plurality of well structures having different impurity concentrations can be easily realized by utilizing the difference in the thermal diffusion rate of the impurity element.

【0170】更に、不純物元素として、半導体プロセス
で用いられる熱拡散速度の早い燐元素及び熱拡散速度の
遅い砒素元素を用いれば、制御性に優れた不純物プロフ
ァイルを形成できるメリットがある。
Further, if a phosphorus element having a high thermal diffusion rate and an arsenic element having a low thermal diffusion rate used in a semiconductor process are used as an impurity element, there is a merit that an impurity profile having excellent controllability can be formed.

【0171】また、FETのチャネルゲートの一部をド
レイン端領域を覆うように配置すれば、ドレイン電流密
度を低下させることができ、結果としてホットエレクト
ロンによるFETの性能劣化を防ぐ利点がある。
Further, if a part of the channel gate of the FET is arranged so as to cover the drain end region, the drain current density can be reduced, and as a result, there is an advantage that the performance of the FET is prevented from being deteriorated due to hot electrons.

【0172】また、FET用のトランジスタゲート絶縁
膜を薄く、且つ電界放出型電子源用の絶縁膜を厚く設定
できるので、デバイス性能を向上できる利点がある。更
に、チャネルゲート電極が絶縁膜に埋め込まれた構成を
有するため、多層配線が容易に形成でき、マトリックス
駆動配線用としても適している。
Further, since the transistor gate insulating film for the FET can be set thin and the insulating film for the field emission electron source can be set thick, there is an advantage that the device performance can be improved. Further, since the channel gate electrode is configured to be embedded in the insulating film, a multilayer wiring can be easily formed, which is suitable for matrix driving wiring.

【0173】また、ゲート絶縁膜としてシリコン熱酸化
膜を用いれば、制御性に優れ且つ高い信頼性が得られる
FET制御が可能になる。
Further, if a silicon thermal oxide film is used as the gate insulating film, it is possible to perform FET control with excellent controllability and high reliability.

【0174】FETのチャネル領域が、チャネルゲート
領域を除いてシールド電極で覆われた構成とすれば、電
子放出の際のイオンチャージによる外部電界からの影響
を、防ぐことができる。
When the channel region of the FET is covered with a shield electrode except for the channel gate region, the influence of an external electric field due to ion charge during electron emission can be prevented.

【0175】更に、シールド電極の電位を基板電位と同
じに保持すれば、外部電界からのシールド効果が、より
高まる。
Further, if the potential of the shield electrode is kept the same as the substrate potential, the effect of shielding from an external electric field is further enhanced.

【0176】FET制御用のゲート電極配置をドレイン
を中心に対称的に設計すれば、ソースからドレインへの
電子注入が均一化され、電子放出の均一性を向上させる
ことができる。同時に、引き出し電極より下層に位置す
るゲート電極を用いることにより、電界放出の量を低下
させることなくビーム軌道を収束させることができる。
If the gate electrode arrangement for controlling the FET is designed symmetrically with respect to the drain, the electron injection from the source to the drain can be made uniform, and the uniformity of electron emission can be improved. At the same time, by using a gate electrode located below the extraction electrode, the beam trajectory can be converged without reducing the amount of field emission.

【0177】また、引き出し電極による反転層を利用す
ることにより、n型半導体導電層と同等の機能を持たせ
ることができ、工程の簡略化が図れる。
Further, by using the inversion layer formed by the extraction electrode, the same function as that of the n-type semiconductor conductive layer can be provided, and the process can be simplified.

【0178】更に、ソースの内周部とドレインの外周部
とを同心円周状に形成すれば、ソースからドレインへの
キャリア注入が均一化され、良好なトランジスタ特性が
得られる。
Furthermore, if the inner peripheral portion of the source and the outer peripheral portion of the drain are formed concentrically, carrier injection from the source to the drain is uniform, and good transistor characteristics can be obtained.

【0179】また、FETのゲート電極を、ドレインを
中心に対称にリング状に形成すれば、電子軌道の収束動
作を、より確実に行うことができる。
If the gate electrode of the FET is formed in a ring shape symmetrically with respect to the drain, the electron orbit convergence operation can be performed more reliably.

【0180】ゲート電極に印加される電圧Vgと引き出
し電極に印加される電圧Vexとの間に、Vg<Vex
の関係を持たせることによって、陰極から放出される電
子に負の電界作用を生じさせることができ、より確実に
電子軌道の収束を行うことができる。
Between the voltage Vg applied to the gate electrode and the voltage Vex applied to the extraction electrode, Vg <Vex
With this relationship, a negative electric field effect can be generated on electrons emitted from the cathode, and the convergence of the electron orbit can be performed more reliably.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第1
の実施形態における電界放出型電子源装置の構成を模式
的に示す断面図及び平面図であり、(a)は、(b)の
I−I線における断面構造を示す。
1 (a) and 1 (b) respectively show a first embodiment of the present invention.
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing a configuration of a field emission type electron source device according to the embodiment, and FIG. 4A shows a cross-sectional structure taken along line II of FIG.

【図2】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第2
の実施形態における電界放出型電子源装置の構成を模式
的に示す断面図及び平面図であり、(a)は、(b)の
I−I線における断面構造を示す。
FIGS. 2 (a) and (b) respectively show a second embodiment of the present invention.
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing a configuration of a field emission type electron source device according to the embodiment, and FIG.

【図3】本発明の第3の実施形態における電界放出型電
子源装置の構成を模式的に示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a field emission electron source device according to a third embodiment of the present invention.

【図4】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第4
の実施形態における電界放出型電子源装置の構成を模式
的に示す断面図及び平面図であり、(a)は、(b)の
I−I線における断面構造を示す。
FIGS. 4 (a) and (b) respectively show a fourth embodiment of the present invention.
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing a configuration of a field emission type electron source device according to the embodiment, and FIG.

【図5】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第5
の実施形態における電界放出型電子源装置の構成を模式
的に示す断面図及び平面図であり、(a)は、(b)の
I−I線における断面構造を示す。
FIGS. 5 (a) and (b) respectively show a fifth embodiment of the present invention.
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing a configuration of a field emission type electron source device according to the embodiment, and FIG. 4A shows a cross-sectional structure taken along line II of FIG.

【図6】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第6
の実施形態における電界放出型電子源装置の構成を模式
的に示す断面図及び平面図であり、(a)は、(b)の
I−I線における断面構造を示す。
FIGS. 6 (a) and (b) respectively show a sixth embodiment of the present invention.
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing a configuration of a field emission type electron source device according to the embodiment, and FIG.

【図7】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第7
の実施形態における電界放出型電子源装置の構成を模式
的に示す断面図及び平面図であり、(a)は、(b)の
I−I線における断面構造を示す。
FIGS. 7 (a) and (b) respectively show a seventh embodiment of the present invention.
3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing a configuration of a field emission type electron source device according to the embodiment, and FIG. 4A shows a cross-sectional structure taken along line II of FIG.

【図8】(a)は、従来技術による電界放出型電子源装
置の構成を模式的に示す断面図であり、(b)は、
(a)の構成の等価回路図である。
FIG. 8A is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional field emission electron source device, and FIG.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the configuration of FIG.

【図9】従来技術による電界放出型電子源装置の構成を
模式的に示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional field emission electron source device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 p型シリコン基板 2 FETのソース領域となる第1のn型半導体導電部 3 FETのドレイン領域となる不純物濃度の高い第2
のn型半導体導電部 4 FETのドレイン領域となる不純物濃度の低い第3
のn型半導体導電部 5 陰極 6 絶縁層 7 引き出し電極 8 ゲート電極 8T T字型ゲート電極 9 ソース電極 31 p型シリコン基板 32 FETのソース領域となる第1のn型半導体導電
部 33 FETのドレイン領域となる不純物濃度の高い第
2のn型半導体導電部 34 FETのドレイン領域となる不純物濃度の低い第
3のn型半導体導電部 35 陰極 36 下部絶縁層 37 上部絶縁層 38 引き出し電極 39 ゲート電極 40 ソース電極 41 p型シリコン基板 42 FETのソース領域となる第1のn型半導体導電
部 43 FETのドレイン領域となる不純物濃度の高い第
2のn型半導体導電部 44 FETのドレイン領域となる不純物濃度の低い第
3のn型半導体導電部 45 陰極 46 下部絶縁層 47 上部絶縁層 48 引き出し電極 49 ゲート電極 50 シールド電極 151 ソース電極 51 p型シリコン基板 52 FETのソース領域となる第1のn型半導体導電
部 53 FETのドレイン領域となる不純物濃度の高い第
2のn型半導体導電部 54 陰極 55 第1の絶縁層 56 第2の絶縁層 57 ゲート電極 58 ソース電極 59 引き出し電極 61 p型シリコン基板 62 FETのソース領域となるn型半導体導電部 63 陰極 64 第1の絶縁層 65 第2の絶縁層 66 ゲート電極 67 ソース電極 68 引き出し電極 71 p型シリコン基板 72 FETのソース領域となる第1のn型半導体導電
部 73 FETのドレイン領域となる不純物濃度の高い第
2のn型半導体導電部 74 陰極 75 第1の絶縁層 76 第2の絶縁層 77 ゲート電極 78 ソース電極 79 引き出し電極 91 絶縁層 92 ゲート電極(引き出し電極) 93 絶縁層 94 第2のゲート電極(収束電極) 95 エミッタ 801 p型シリコン基板 802 FETのソースとなる第1のn型層 803 電界放射陰極素子の円錐形エミッタ 804 絶縁層(SiO2層) 804’ 絶縁層のうち電界放射陰極素子のゲート絶縁
層として機能する部分 805 電界放射陰極素子のゲート層 806 FETのドレインとなる第2のn型層 807 FETのソース電極 808 FETのゲート電極 809 電界放射陰極素子のアノード 810 電界効果トランジスタ(FET) 811 ソース抵抗 812 ゲート電圧源(電圧値Vg) 813 アノード電圧源(電圧値Va) 814 ゲートソース間制御電圧源(電圧値Vgs)
1 p-type silicon substrate 2 first n-type semiconductor conductive portion 3 serving as a source region of the FET 3 second high impurity concentration serving as a drain region of the FET
N-type semiconductor conductive part 4 having a low impurity concentration to be a drain region of the third FET
N-type semiconductor conductive part 5 cathode 6 insulating layer 7 lead electrode 8 gate electrode 8T T-shaped gate electrode 9 source electrode 31 p-type silicon substrate 32 first n-type semiconductor conductive part 33 to be a source region of FET 33 drain of FET A second n-type semiconductor conductive part having a high impurity concentration serving as a region 34 a third n-type semiconductor conductive part having a low impurity concentration serving as a drain region of a FET 35 a cathode 36 a lower insulating layer 37 an upper insulating layer 38 a lead electrode 39 a gate electrode Reference Signs List 40 Source electrode 41 P-type silicon substrate 42 First n-type semiconductor conductive portion 43 serving as a source region of FET 43 Second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration serving as a drain region of FET 44 Impurity serving as a drain region of FET Low concentration third n-type semiconductor conductive part 45 Cathode 46 Lower insulating layer 47 Upper insulating layer 48 Leader electrode Reference Signs List 49 gate electrode 50 shield electrode 151 source electrode 51 p-type silicon substrate 52 first n-type semiconductor conductive portion 53 serving as a source region of FET 53 second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration serving as a drain region of FET 54 cathode 55 first insulating layer 56 second insulating layer 57 gate electrode 58 source electrode 59 lead electrode 61 p-type silicon substrate 62 n-type semiconductor conductive portion serving as FET source region 63 cathode 64 first insulating layer 65 second Insulating layer 66 Gate electrode 67 Source electrode 68 Extraction electrode 71 P-type silicon substrate 72 First n-type semiconductor conductive portion 73 serving as a source region of FET 73 Second n-type semiconductor conductive portion having a high impurity concentration serving as a drain region of FET 74 cathode 75 first insulating layer 76 second insulating layer 77 gate electrode 78 source electrode 79 Outgoing electrode 91 Insulating layer 92 Gate electrode (lead electrode) 93 Insulating layer 94 Second gate electrode (focusing electrode) 95 Emitter 801 P-type silicon substrate 802 First n-type layer serving as FET source 803 Field emission cathode element Conical emitter 804 Insulating layer (SiO 2 layer) 804 ′ Portion of insulating layer functioning as gate insulating layer of field emission cathode device 805 Gate layer of field emission cathode device 806 Second n-type layer serving as drain of FET 807 Source electrode of FET 808 Gate electrode of FET 809 Anode of field emission cathode device 810 Field effect transistor (FET) 811 Source resistance 812 Gate voltage source (voltage value Vg) 813 Anode voltage source (voltage value Va) 814 Gate-source control voltage Source (voltage value Vgs)

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形
成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部
を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上であっ
て該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成された
陰極部と、を含む電界放出電子源部と、 該電界放出電子源部に対応して該p型シリコン基板上に
形成されたnチャネル電界効果トランジスタ部と、 を備え、 該電界効果トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出
電子源部が形成されており、該電界効果トランジスタ部
のゲート電極に印加される制御電圧により、該電界放出
電子源部からの電界放射電流が制御される電界放出型電
子源装置であって、 該ドレイン領域が、不純物濃度の異なる少なくとも2種
類のウエルを含み、 該少なくとも2種類のウエルのうちで不純物濃度の低い
ウエルが、該電界効果トランジスタ部のチャネル領域に
接する該ドレイン領域の端部に形成されている、電界放
出型電子源装置。
A lead electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region; A field emission electron source including a cathode formed at a position corresponding to the opening; an n-channel field effect transistor formed on the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron; Wherein the field emission electron source section is formed in a drain region of the field effect transistor section, and an electric field from the field emission electron source section is controlled by a control voltage applied to a gate electrode of the field effect transistor section. A field emission type electron source device in which a radiation current is controlled, wherein the drain region includes at least two types of wells having different impurity concentrations, and an impurity among the at least two types of wells. Low concentration well is formed in an end portion of the drain region in contact with the channel region of the field effect transistor unit, the field emission electron source apparatus.
【請求項2】 前記ドレイン領域に、不純物元素とし
て、シリコン基板中での熱拡散速度の異なる少なくとも
2種類のn型不純物元素が含まれている、請求項1に記
載の電界放出型電子源装置。
2. The field emission type electron source device according to claim 1, wherein the drain region contains at least two types of n-type impurity elements having different thermal diffusion rates in a silicon substrate as the impurity elements. .
【請求項3】 前記ドレイン領域に、不純物元素とし
て、シリコン基板中での熱拡散速度が早い燐元素とシリ
コン基板中での熱拡散速度が遅い砒素元素とが含まれて
いる、請求項1に記載の電界放出型電子源装置。
3. The method according to claim 1, wherein the drain region contains, as impurity elements, a phosphorus element having a high thermal diffusion rate in a silicon substrate and an arsenic element having a low thermal diffusion rate in a silicon substrate. The field emission type electron source device according to the above.
【請求項4】 p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形
成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部
を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上であっ
て該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成された
陰極部と、を含む電界放出電子源部と、 該電界放出電子源部に対応して該p型シリコン基板上に
形成されたnチャネル電界効果トランジスタ部と、を備
え、 該電界効果トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出
電子源部が形成されており、該電界効果トランジスタ部
のゲート電極に印加される制御電圧により、該電界放出
電子源部からの電界放射電流が制御される電界放出型電
子源装置であって、 該電界効果トランジスタ部の該ゲート電極が、少なくと
も2種類の異なるゲート幅の部分を含む形状を有してお
り、該ゲート電極の一部が、該ドレイン領域の端部を覆
うように配置されている、電界放出型電子源装置。
4. An extraction electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region, and A field emission electron source including a cathode formed at a position corresponding to the opening; an n-channel field effect transistor formed on the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron; A field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion, and an electric field from the field emission electron source portion is controlled by a control voltage applied to a gate electrode of the field effect transistor portion. A field emission type electron source device in which a radiation current is controlled, wherein the gate electrode of the field effect transistor portion has a shape including at least two types of portions having different gate widths. A field emission type electron source device, wherein a part of a gate electrode is arranged to cover an end of the drain region.
【請求項5】 p型シリコン基板上に第1の絶縁膜を介
して形成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に
開口部を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上
であって該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成
された陰極部と、を含む電界放出電子源部と、 該電界放出電子源部に対応して該p型シリコン基板上に
形成されたnチャネル電界効果トランジスタ部と、を備
え、 該電界効果トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出
電子源部が形成されており、該電界効果トランジスタ部
のゲート電極に印加される制御電圧により、該電界放出
電子源部からの電界放射電流が制御される電界放出型電
子源装置であって、 該電界効果トランジスタの該ゲート電極と該p型シリコ
ン基板との間に形成されたゲート絶縁膜が、該引き出し
電極と該p型シリコン基板との間に形成された該第1の
絶縁膜より薄い膜で構成され、且つ該ゲート絶縁膜が該
第1の絶縁膜によって埋め込まれた構成を有する、電界
放出型電子源装置。
5. A lead electrode formed on a p-type silicon substrate with a first insulating film interposed therebetween and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region, and A field emission electron source including a cathode formed at a position corresponding to the opening of the extraction electrode; and an n-channel field effect formed on the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron source. A transistor section, wherein the field emission electron source section is formed in a drain region of the field effect transistor section, and the field emission electron source section is controlled by a control voltage applied to a gate electrode of the field effect transistor section. A field emission type electron source device in which a field emission current from the semiconductor device is controlled, wherein a gate insulating film formed between the gate electrode of the field effect transistor and the p-type silicon substrate comprises A field emission type comprising a thinner film than the first insulating film formed between a pole and the p-type silicon substrate, and having a configuration in which the gate insulating film is embedded by the first insulating film; Electron source device.
【請求項6】 前記ゲート絶縁膜が、前記電界放出電子
源部の前記陰極部の先端を鋭い形状にするための先鋭化
熱酸化処理工程で形成されたシリコン熱酸化膜から構成
されている、請求項5に記載の電界放出型電子源装置。
6. The silicon oxide film formed in a sharpened thermal oxidation process for sharpening the tip of the cathode portion of the field emission electron source portion, wherein the gate insulating film is formed. A field emission type electron source device according to claim 5.
【請求項7】 p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形
成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部
を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上であっ
て該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成された
陰極部と、を含む電界放出電子源部と、 該電界放出電子源部に対応して該p型シリコン基板上に
形成されたnチャネル電界効果トランジスタ部と、を備
え、 該電界効果トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出
電子源部が形成されており、該電界効果トランジスタ部
のゲート電極に印加される制御電圧により、該電界放出
電子源部からの電界放射電流が制御される電界放出型電
子源装置であって、 該電界効果トランジスタ部の該ゲート電極と同一材料か
ら構成された、該電界効果トランジスタ部のチャネル領
域のうちで該ゲート電極によって覆われていない領域を
覆うように配置されたシールド電極を更に備える、電界
放出型電子源装置。
7. A lead electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region, and a lead electrode of the lead electrode on the p-type silicon substrate and A field emission electron source including a cathode formed at a position corresponding to the opening; an n-channel field effect transistor formed on the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron; A field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion, and an electric field from the field emission electron source portion is controlled by a control voltage applied to a gate electrode of the field effect transistor portion. A field emission type electron source device in which a radiation current is controlled, comprising: a channel region of the field effect transistor portion, which is formed of the same material as the gate electrode of the field effect transistor portion. 3. The field emission type electron source device according to claim 1, further comprising a shield electrode disposed so as to cover a region not covered by the gate electrode.
【請求項8】 前記シールド電極が、前記p型シリコン
基板と同電位に保持されており、前記ゲート電極に起因
しない外部電界の前記チャネル領域に対する影響を遮断
する機能を有する、請求項7に記載の電界放出型電子源
装置。
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the shield electrode is maintained at the same potential as the p-type silicon substrate, and has a function of blocking an influence of an external electric field not caused by the gate electrode on the channel region. Field emission type electron source device.
【請求項9】 p型シリコン基板上に絶縁膜を介して形
成されていて且つ陰極形成領域に相当する箇所に開口部
を有する引き出し電極と、該p型シリコン基板上であっ
て該引き出し電極の開口部に相当する位置に形成された
陰極部と、を含む電界放出電子源部と、 該電界放出電子源部に対応して該p型シリコン基板上に
形成されたnチャネル電界効果トランジスタ部と、を備
え、 該電界効果トランジスタ部のドレイン領域に該電界放出
電子源部が形成されており、該電界効果トランジスタ部
のゲート電極に印加される制御電圧により、該電界放出
電子源部からの電界放射電流が制御される電界放出型電
子源装置であって、 該電界効果トランジスタ部の該ドレイン領域が、該電界
効果トランジスタ部のソース領域の内部に、該ソース領
域で囲まれるように配置され、 該電界効果トランジスタ部の該ゲート電極が、該電界放
出電子源部の該陰極部に対して平面的に対称な配置構成
を有する、電界放出型電子源装置。
9. A lead electrode formed on a p-type silicon substrate via an insulating film and having an opening at a position corresponding to a cathode formation region, and a lead electrode of the lead electrode on the p-type silicon substrate. A field emission electron source including a cathode formed at a position corresponding to the opening; an n-channel field effect transistor formed on the p-type silicon substrate corresponding to the field emission electron; A field emission electron source portion is formed in a drain region of the field effect transistor portion, and an electric field from the field emission electron source portion is controlled by a control voltage applied to a gate electrode of the field effect transistor portion. A field emission type electron source device in which emission current is controlled, wherein the drain region of the field effect transistor portion is surrounded by the source region inside a source region of the field effect transistor portion. A field-emission electron source device, wherein the gate electrode of the field-effect transistor portion has a configuration symmetrical in plan with respect to the cathode portion of the field-emission electron source portion.
【請求項10】 前記ドレイン領域がp型導電層からな
る、請求項9に記載の電界放出型電子源装置。
10. The field emission electron source device according to claim 9, wherein said drain region is made of a p-type conductive layer.
【請求項11】 前記ドレイン領域のうちで、前記電界
効果トランジスタ部の前記チャネル領域に接する外周部
と、前記ソース領域の内周部とが、同心円周上に形成さ
れた円形状を有する、請求項9に記載の電界放出型電子
源装置。
11. The drain region, wherein an outer peripheral portion of the field effect transistor portion in contact with the channel region and an inner peripheral portion of the source region have a circular shape formed concentrically. Item 10. A field emission type electron source device according to item 9.
【請求項12】 前記ソース領域と前記ドレイン領域と
の間に形成されている前記ゲート電極の少なくとも一部
が、円弧状の対称な形状を有する、請求項9に記載の電
界放出型電子源装置。
12. The field emission electron source device according to claim 9, wherein at least a part of the gate electrode formed between the source region and the drain region has an arc-shaped symmetric shape. .
【請求項13】 前記電界放出電子源部の前記引き出し
電極に印加される第1の電圧Vexと前記電界効果トラ
ンジスタ部の前記ゲート電極に印加される第2の電圧V
gとの間に、Vg<Vexなる関係が存在する、請求項
9に記載の電界放出型電子源装置。
13. A first voltage Vex applied to the extraction electrode of the field emission electron source unit and a second voltage Vex applied to the gate electrode of the field effect transistor unit.
10. The field emission type electron source device according to claim 9, wherein a relationship of Vg <Vex exists with respect to g.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006133119A (en) * 2004-11-08 2006-05-25 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Inspection device and method of tft
JP2012090358A (en) * 2008-06-16 2012-05-10 Norio Akamatsu Electric field effect power generator

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