JP2002539580A

JP2002539580A - 電界放出素子および利用方法

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Publication number: JP2002539580A
Application number: JP2000604430A
Authority: JP
Inventors: ポール−フォン・オールメン; ジェームズ・イー・ジャスキー; ベルナルド・エフ・コール
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2002-11-19
Also published as: WO2000054300A1; TW478290B; US20020017854A1; EP1163693A1

Abstract

(57)【要約】電界放出素子（２００）は、表面状態を有する表面材料（２２０）を有する構造体（２０５）を含み、表面状態は電界（２５０）の印加時に電子の共振トネリング放射（２６０）を与える。表面状態はエッジ終端形態（２３０）を含むことができ、これはジグザグ型エッジ（２４０）および肘掛け椅子型エッジ（２１５）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、電子放射面の分野に関し、さらに詳しくは、電界放出素子における
放射面の構造および利用に関する。

【０００１】（従来の技術）電界放出素子(field emission device)などの真空デバイスにおいて電子放射(
electron mission)を行うのに有用ないくつかの材料が当技術分野で知られてい
る。これら従来のフィールド・エミッション材料には、モリブデンなどの金属や
、シリコンまたは炭素などの半導体が含まれる。ただし、これらの材料からの電
子放射に必要なゲート引出電圧(gate extraction voltage)は比較的高い。高い
ゲート引出電圧動作は、電子受け側材料において放出される帯電イオンが高速度
に加速され、それによりデバイスの要素に対するこれらのイオンの照射に起因す
る損害を悪化させるので望ましくない。また、より高いゲート引出電圧は、与え
られた電流密度についてより大きな電力消費を必要とする。

【０００２】従って、ゲート引出電圧条件が低い、改善された電子放射面が必要とされる。

【０００３】（好適な実施例の説明）なお、図示を簡単明瞭にするため、図面に示す要素は必ずしも縮尺通りではな
い。例えば、いくつかの要素の寸法は、互いに対して誇張されている。さらに、
適切とみなされる場合には、対応する要素を示すために、参照番号は図面を通じ
て繰り返し用いられる。

【０００４】本発明の実施例は、表面状態(surface states)を有する放射面(emissive surf
ace)を有する電界放出素子および電子の共振トネリング放射(resonant tunnelin
g emission )を生じさせる、放射面から電子を放射する方法に関する。表面状態
を有する放射面は、多数の利点を提供する。例えば、与えられた放射電流につい
て、低いゲート引出電圧しか必要としない。必要な低いゲート引出電圧は、電界
放出素子の電力消費を低減し、またゲート引出電圧の上昇に関与する汚染イオン
の放出を防ぐ。

【０００５】図１は、表面材料２２０を有する構造体２０５を含む電界放出素子２００の断
面図である。構造体２０５は、表面材料２２０の下に設けられたバルク材料２１
０を含む。表面材料２２０は、１００オングストロームよりも小さい厚さ（ｄ）
を有し、炭素，ホウ素，窒素など、ｓｐ²結合原子またはｓｐ²に似た結合原子を
収容する。また、表面材料２２０は、表面状態を含む。表面状態は、エッジ終端
形態(edge termination states)２３０を含んでもよい。エッジ終端形態２３０
は、表面材料２２０内の特定の原子配列に起因するものであって、電界２５０の
存在下で電子の共振トネリング放射２６０を向上させる局所的な電子状態をもた
らす。

【０００６】図２は原子構造２７０を示し、ここで原子２７５はエッジ終端形態２３０を有
する六角形の格子構造２８０を有する。原子２７５は、炭素，ホウ素，窒素また
はｓｐ²結合またはｓｐ²状の結合によって結合される任意の原子でもよい。エッ
ジ終端形態２３０は、ジグザグ型エッジ２４０または肘掛け椅子型(armchair)エ
ッジ２１５を有してもよい。

【０００７】図１を参照して、エッジ終端形態２３０はジグザグ型エッジ２４０および肘掛
け椅子型エッジ２１５の不規則なパターンでもよいが、これは本発明を制限する
ものではない。六角形の格子構造２８０が存在する場合、電子の共振トネリング
放射２６０は、ジグザグ型エッジ２４０を含むエッジ終端形態２３０の部分で発
生するが、肘掛け椅子型エッジ２１５を含む部分では発生しない。ジグザグ形エ
ッジ２４０および肘掛け椅子型エッジ２１５の存在についての論理的根拠は、"E
dge State In Graphene Ribbons: Nanometer Size Effect And Edge Shape Depe
ndence" by K. Nakada, et al., Physical Review B, The American Physical S
ociety, vol. 54, no. 24, Dec. 15, 1996にみることができる。

【０００８】図３は、電子放射膜(electron-emissive film)の放射クラスタ(emissive clus
ter)１００を示す。放射クラスタ１００は、エッジ終端形態２３０（図１参照）
を有する表面材料２２０を有する構造体２０５を収容する。電子放射膜は、放射
クラスタ１００のような、放射クラスタの均等な分散を有する。これらの放射ク
ラスタは、電子放射膜の表面形態(surface morphology)を主に定める。

【０００９】図３に示すように、放射クラスタ１００は概して星型であり、複数の樹状突起
(dendrites)または樹状小板(dendritic platelets)１１０を有し、それぞれは中
心点１２０から放射状に延在する。図３の放射クラスタ１００の構成は放射クラ
スタの代表であるが、樹状突起の厳密な数および構成は図３に示すものに制限さ
れるものではない。

【００１０】各樹状突起１１０は細い端部１４０および広い端部１５０を有する。細い端部
１４０では、各樹状突起１１０は隆起(ridge)１３０を有し、この隆起１３０は
樹状突起１１０の長さ（Ｌ）方向に延在する。樹状突起１１０の長さ（Ｌ）は、
中心点１２０から終端部１２５まで延在し、例えば、５０〜４００ナノメートル
（ｎｍ）の範囲である。好ましくは、樹状突起１１０の長さ（Ｌ）は約２００ｎ
ｍである。隆起１３０は曲率半径を有し、この曲率半径は１０ｎｍ未満であり、
好ましくは２ｎｍ未満である。隆起１３０は、図１および図２に示すような表面
材料２２０およびエッジ終端形態２３０を有する構造体２０５を収容する。

【００１１】図４は、断面線４−４からみた、図３の電子放射膜の端面図である。各樹状突
起１１０は横断高さ(transverse height)（ｈ）を有し、この横断高さ（ｈ）は
広い端部１５０と狭い端部１４０との間の距離に等しい。高さ（ｈ）は、好まし
くは約１００ｎｍである。各樹状突起１１０は、広い端部１５０から狭い端部１
４０に、電子放射膜の面から離れる方向で延在する。この構成により、電子は電
子放射膜の面から離れる方向で放射される。広い端部１５０における樹状突起１
１０の幅はｗと記され、約７ｎｍに等しい。

【００１２】図３および図４の電子放射膜は、複数の薄板(sheet)１６０をさらに有する。
薄板１６０は、０．３４２〜０．３５０ｎｍの範囲内の間隔を有する。薄板１６
０は広い端部１５０から狭い端部１４０に延在して、樹状突起１１０を画定する
。薄板１６０の上部は、図２に示すような原子構造２７０を収容する。

【００１３】別の実施例では、電子放射膜はホウ素および窒素からなってもよい。さらに、
ホウ素および窒素は炭素でドーピングしてもよい。特に、電子放射膜は、炭素で
ドーピングした乱層構造(turbostratic)ホウ素および窒素でもよく、あるいは膜
に内蔵すると膜を導電性にする他の元素でドーピングした乱層構造ホウ素または
窒素でもよい。

【００１４】図５は、放射クラスタ１００を有する電子放射膜の放射電流と平均印加電界の
関係のグラフ４００である。横軸は、マイクロメートル当りのボルト（Ｖ／μｍ
）単位の平均印加電界であり、縦軸は、マイクロアンペア（μＡ）単位の放射電
流である。電子放射膜が放射状態になる、平均印加電界の範囲は、約４〜７Ｖ／
μｍの範囲である。電子放射の活性化および非活性化は、狭い範囲の電界強度し
か必要としないので、放射クラスタ１００を有する電子放射膜を利用する電界放
出素子では、従来技術よりも電力消費の制約および駆動コストが少ない。

【００１５】図６は、放射クラスタ１００を有する電子放射膜の放射電流密度と平気印加電
界の関係のグラフである。横軸は、Ｖ／μｍ単位の平均印加電界であり、縦軸は
、平方センチメートル当りのマイクロアンペア（μＡ／ｃｍ²）単位の放射電流
密度である。当業者であれば、このグラフはトネリング現象(tunneling phenome
na)を表すことが認識されよう。高い放射電流および平均印加電界では、放射電
流は、ファウラ・ノルトハイム・トネリング方程式(Fowler-Nordheim tunneling
equation)で予測されるよりもゆっくりと増加する。これは、電子の共振トネリ
ング放射２６０と整合性がある。

【００１６】放射クラスタ１００を収容する電子放射膜は、シリコン基板上にブランケット
膜(blanket film)として被着される。シリコン基板上に電子放射膜が形成された
後、電流計（ピコ電流計(pico-ammeter)）が電子放射膜に接続される。アノード
は、電子放射膜に対して平行に配置される。アノードはガラス・プレートから作
製され、この上に酸化インジウム錫（ＩＴＯ：indium tin oxide）のパターン化
層が被着される。酸化亜鉛からなる燐光体(phosphor)は、パターン化ＩＴＯに電
解被着される。アノードと電子放射膜との間の距離は０．２００ｍｍである。電
圧源は、アノードに接続される。装置内の圧力は、約１０^-6トルである。

【００１７】図５および図６の放射電流応答のデータ・ポイントは、次のようにして生成さ
れる。まず、ゼロ・ボルトの電位をアノードに印加し、カソードに接続されたピ
コ電流計を利用して、放射電流を測定する。次に、アノードの電位を＋５０ボル
トだけ増加し、カソードにて電流を再度測定する。１４００ボルトの電圧に達す
るまで、アノードの電位を＋５０ボルトずつ増加する。各電圧増加ごとに、カソ
ードにて放射電流を測定する。電子放射膜の電位は、全ての測定においてゼロ電
圧で維持される。平均電界は、（１）電子放射膜およびアノードにおける電位の
差および（２）電子放射膜とアノードとの間の距離、の比率によって与えられる
。電子放射膜の放射領域は、被測定電流が抽出される電子放射膜の全面積の一部
に等しい。放射領域(emissive area)は、電子放射膜と対置するアノード領域の
重複領域に等しいと定められる。図５および図６の特定の例では、重複領域によ
って定められる放射領域は０．４５ｃｍ²に等しい。

【００１８】本発明の範囲は、上記の放射クラスタ１００に制限されない。本発明は、エッ
ジ終端形態２３０を有する原子構造２７０を含む、表面２２０を具備する構造体
を有する任意の電界放出素子２００によって具現できる。

【００１９】図７は、本発明の実施例を作製するために有用な被着装置３００の概略図であ
る。被着装置３００は、電気アーク蒸着システム(electric arc vapor depositi
on system)である。なお、図７はこのようなシステムの概略的な図に過ぎず、本
発明の説明に関連のある電気アーク蒸着システムの基本部分を示し、このような
図は詳細において決して完全ではないことを強調しておく。電気アーク蒸着シス
テムおよびその各部に関するより詳細な説明については、以下の米国特許を参照
されたい：Sablevらによる米国特許第３，３９３，１７９号，Brandolfによる米
国特許第４，４８５，７５９号，Bergmanらによる米国特許第４，４４８，７９
９号およびSnaperによる米国特許第３，６２５，８４８号。本発明を更に理解す
る上で追加の開示が必要とされる程度で、かかる特許の開示および教示は参考と
なるであろう。

【００２０】被着装置３００は、空間領域(interspace region)３１０を画定する真空室(va
cuum chamber)３０５を含む。被着基板３３０は、空間領域３１０の一方の端部
に配置される。被着基板３３０は、シリコン，ソーダ石灰ガラス，硼珪酸ガラス
などから作製できる。アルミニウムおよび／またはアモルファス・シリコンの薄
膜は、基板の表面上に被着できる。空間領域３１０内で基板３３０に対置する端
部には、被着源(deposition source)３２０があり、被着プラズマ３７０を生成
するために用いられる。被着基板３３０の被着表面は、被着源３２０からの見通
し線上に位置する。真空室３０５はダクト部３３５をさらに含み、このダクト部
の周りにはコイルが巻かれ、単純な電磁石３６０を形成する。第１電圧源３２５
は、被着源３２０に接続される。第２電圧源３８０は、被着基板３３０に接続さ
れる。

【００２１】第１電圧源３２５は、被着源３２０にて電気アークを形成するために用いられ
る。電気アークは被着源３２０に作用して、これを蒸発させ、被着プラズマ３７
０を形成する。被着源３２０は、カソードとして機能するように電気的にバイア
スされる。アーク開始トリガ素子（図示せず）は、被着源３２０に近接して配置
され、被着源３２０に対して正バイアスされ、そのためこれはアノードとして機
能する。トリガ素子は被着源３２０の表面を結合(engage)することが瞬間的に許
され、トリガおよび被着源３２０を介して電流フロー経路を確立する。トリガ素
子が被着源３２０から離れると、電気アークが電極間で生じる。被着膜の均等性
(homogeneity)は、被着源３２０の表面上のアークの移動を制御するために電磁
石３６０で磁界を印加することによって改善される。

【００２２】電子放射膜は、被着装置３００を利用して形成される。空間領域内で約１トル
の圧力を与えるべく、水素担体ガスが空間領域３１０に注入される。被着基板３
３０は、シリコン・ウェハである。被着源３２０は、９９．９９９〜１００パー
セント黒鉛の範囲内の純度を有する高純度な核グレード(nuclear-grade)の黒鉛
片である。被着源３２０と被着基板３３０との間の距離は、約１０ｃｍである。
電磁石３６０のソースにおける磁界強度は、約０．０３テスラである。電気アー
クの電流は、約１００アンペアである。第２電圧源３８０は、被着基板３３０に
て約１００ボルトの誘導ＤＣ電圧を与える。被着基板３３０は、水が流れている
空洞の銅板（図示せず）を利用して冷却され、基板温度を摂氏約１００度に維持
する。この温度は、電界放出素子の作製で用いられるソーダ石灰ガラスなどの基
板材料と整合性がある。上記の被着条件を利用して、厚さが約０．１５μｍの放
射クラスタ１００を含む電子放射膜は被着基板３３０上に被着される。

【００２３】図８は、電界放出素子（ＦＥＤ）７００の実施例の断面図である。ＦＥＤ７０
０は、カソード７０５と、カソード７０５に対して離間した関係で配置されたア
ノード７８０とを含む。カソード７０５は、電子放射膜７３０を有する。なお、
電子放射膜の利用は、図８で説明したものに制限されないことを理解されたい。

【００２４】カソード７０５は、まずガラス，シリコンなどの適切な材料からなる支持基板
７１０を設けることによって作製される。導電性層７２０は、標準的な被着手法
を利用して支持基板７１０上に被着される。次に、フィールド整形層(field sha
per layer)７４０が導電層７２０上に被着される。フィールド整形層７４０は、
被ドーピング・シリコンからなる。ドーパントはホウ素でもよく、一例としての
ドーパント濃度はｃｍ³当り１０¹⁸ドーパント・スピーシズである。その後、フ
ィールド整形層７４０上に誘電層７５０が形成される。誘電層７５０は、二酸化
シリコンからなってもよい。モリブデンなどの導体からなるゲート引出電極層７
６０は、誘電層７５０上に被着される。エミッタ・ウェル(emitter well)７７０
は、層７６０，７５０，７４０内に選択的エッチングを施すことによって形成さ
れる。エミッタ・ウェル７７０は、約４マイクロメートルの直径および約１μｍ
の深さを有する。

【００２５】次に、エッチングが施された構造体は陰極アーク被着装置内に配置され、電子
放射膜７３０は図７で説明したように被着される。電子放射膜７３０は、マスク
を利用するなどして、エミッタ・ウェル７７０内の導電性層７２０上に選択的に
被着される。電子放射膜７３０の厚さは、好ましくは０．０１〜０．５μｍであ
る。

【００２６】第１電圧源７３５は、導電性層７２０に接続される。第２電圧源７６５は、ゲ
ート引出電極層７６０に接続される。第３電圧源７８５は、アノード７８０に接
続される。ＦＥＤ７００の動作は、導電性層７２０，ゲート引出電極層７６０お
よびアノード７８０にて電圧源７３５，７６５，７８５から適切な電位を印加す
ることを含む。電子は電子放射膜７３０の放射面７７５から抽出され、アノード
７８０に移動する。フィールド整形層７４０は、放射面７７５の領域における電
界の整形を助ける。

【００２７】なお、本発明はＦＥＤ７００に示す電子放射膜７３０に制限されないことを理
解されたい。他の電子放射構造もＦＥＤ７００において利用できる。例えば、エ
ッジ終端形態２３０を有する原子構造２７０を含む表面材料２２０を有する構造
体２０５を収容する、Spindtチップ，金属ナノ突起(metallic nanoprotrusions)
，ナノチューブ(nanotubes)などは、本発明の範囲内であると考えられる。

【００２８】電子を放射する方法は、基板２０５に電界２５０を印加する段階を含む。構造
体２０５は、電子の共振エッジ・トネリング放射２６０を生じさせる、エッジ終
端形態２３０を有する原子構造２７０を含む表面材料２２０を有する。次に、構
造体２０５の表面材料２２０の下に設けられたバルク材料２１０を介して電子を
伝導する。次に、エミッタ材料のフェルミ・エネルギ準位より２電子ボルト上か
つ１５電子ボルト下の範囲内で、共振トネリング・エネルギ準位を確立する。た
だし、この範囲は本発明を制限するものではない。

【００２９】要するに、本発明の実施例は、エッジ終端形態を有する放射面を有する電界放
出素子と、電子の共振トネリング放射を生じさせる、放射面から電子を放射する
方法とに関する。

【００３０】以上、表面状態を有する放射面は、与えられた放射電流に必要なゲート引出電
圧を低減するなど、さまざまな利点を提供することを理解されたい。これは、電
界放出素子の動作コストを低減し、またゲート引出電圧の上昇に関与する汚染イ
オンの放出を防ぐ。

【図面の簡単な説明】

【図１】エッジ終端形態を含む表面材料を有する構造体の断面図である。

【図２】原子構造を示す。

【図３】電子放射膜の放射クラスタを示す。

【図４】断面線４−４からみた、図３の電子放射膜の端面図である。

【図５】電子放射電流と平均電界の関係のグラフである。

【図６】電子放射膜の電流電圧特性のグラフである。

【図７】電子放射膜を作製するのに有用な被着装置を示す。

【図８】電界放出素子の実施例の断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ベルナルド・エフ・コールアメリカ合衆国アリゾナ州ファウンテン・ヒルズ、ノース・ボールダー・ドライブ 15643

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電界放出素子であって：表面状態を有する原子構造を含む、表面材料を有する構造体を有するカソード
であって、前記表面状態はエッジ終端形態からなり、前記エッジ終端形態は、電
界の印加時に電子の共振トネリング放射を与える、カソード；前記表面材料に近接して配置され、電界を前記エッジ終端形態に印加すべく配
置されるゲート引出電極；および前記カソードに対して離間した関係で配置され、前記エッジ終端形態から放射
される電子の共振トネリング放射を受けるべく配置されるアノード；によって構成されることを特徴とする電界放出素子。
【請求項２】電界放出素子であって：表面状態を有する原子構造を含む、表面材料を有する構造体；によって構成され、前記表面状態はエッジ終端形態からなり、前記エッジ終端形態は、電界の印加
時に電子の共振トネリング放射を与えることを特徴とする電界放出素子。
【請求項３】前記表面材料は、１００オングストローム未満の厚さを有す
ることを特徴とする請求項２記載の電界放出素子。
【請求項４】前記エッジ終端形態は、前記表面材料内に配置されることを
特徴とする請求項２記載の電界放出素子。
【請求項５】前記エッジ終端形態は、不規則なパターンで配列されること
を特徴とする請求項２記載の電界放出素子。
【請求項６】前記エッジ終端形態は、ジグザグ型エッジからなることを特
徴とする請求項２記載の電界放出素子。
【請求項７】前記エッジ終端形態は、複数のｓｐ²結合原子を含むことを
特徴とする請求項２記載の電界放出素子。
【請求項８】電子を放射する方法であって：表面状態を有する原子構造を含む、表面材料を有する構造体を設ける段階であ
って、前記表面状態はエッジ終端形態からなる、段階；および電子の共振トネリング放射を生じさせる電界を印加する段階；によって構成されることを特徴とする方法。
【請求項９】更に、前記表面材料の下に配置されたバルク材料を介して電
子を伝導させる段階より成ることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】更に、フェルミ・エネルギ準位より２電子ボルト上かつ１
５電子ボルト下の範囲内で、共振トネリング・エネルギ準位を設定する段階より
成ることを特徴とする請求項９記載の方法。