JP2003162956A - Ｍｉｓ／ｍｉｍ電子放出素子 - Google Patents
Ｍｉｓ／ｍｉｍ電子放出素子Info
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
- H01J1/312—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode having an electric field perpendicular to the surface, e.g. tunnel-effect cathodes of metal-insulator-metal [MIM] type
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い電流密度、安定性および信頼性を兼ね備
えた電子放出素子を提供する。 【解決手段】 電子放出素子は導電性基板と該導電性基
板上に形成された電子供給層を含む。電子供給層はその
表面に形成された突起を有する。突起の鋭さと密度は制
御することができる。電子供給層と突起の上には絶縁体
が形成され、これによって突起は閉じこめられる。続い
て絶縁体の上に上部導電層が形成される。閉じこめられ
た突起は真空による汚染によって比較的影響を受けな
い。絶縁体が薄いために、高密度の電界強度を低い印可
電圧で突起に発生させることができる。さらに、電子ビ
ームの散乱と発散が最小化される。
えた電子放出素子を提供する。 【解決手段】 電子放出素子は導電性基板と該導電性基
板上に形成された電子供給層を含む。電子供給層はその
表面に形成された突起を有する。突起の鋭さと密度は制
御することができる。電子供給層と突起の上には絶縁体
が形成され、これによって突起は閉じこめられる。続い
て絶縁体の上に上部導電層が形成される。閉じこめられ
た突起は真空による汚染によって比較的影響を受けな
い。絶縁体が薄いために、高密度の電界強度を低い印可
電圧で突起に発生させることができる。さらに、電子ビ
ームの散乱と発散が最小化される。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に電子放出素子
に関する。より詳細には、本発明は一般に電界強化（fi
eld-enhanced）金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）電子放
出素子または金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）電子放出素
子（以下、まとめてＦＥＭＩＳと呼ぶ）に関する。 【０００２】 【従来の技術】今日、多くの形態の電子放出技術が存在
する。例えば、陰極線管（ＣＲＴ）は、ＴＶやコンピュ
ータモニタ等の数多くの装置に普及している。電子放出
は、Ｘ線装置および電子顕微鏡のような装置において重
要な役割を果たす。さらに、Gibsonらの米国特許第５，
５５７，５９６号に記載されているような情報記憶装置
や、マイクロ波源、電子増幅器およびフラットパネルデ
ィスプレイにおいて、例えば集積回路の作成時に用いら
れる電子ビームリソグラフィでは、微細な冷陰極を用い
ることができる。電子放出を行うための実際の要件は、
用途に応じて異なる。一般に、電子ビームには、十分な
電流を運び、できるだけ効率的であり、用途固有の電圧
で動作し、集束可能であり、必要な電力密度で信頼性が
あり、任意の所与の用途に適した真空度において空間的
かつ時間的に安定していることが必要とされる。例え
ば、携帯型の装置では電力消費量が低いことが要求され
る。 【０００３】金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）電子放出
素子および金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）電子放出素子
構造が、Iwasakiらによる米国特許第６，０６６，９２
２号に記載されている。電子供給層と薄い金属上部電極
（metal top electrode）との間に電位をかけるそのよ
うな構造では、電子は、１）電子供給層（金属または半
導体）から絶縁層に注入され、２）絶縁層で加速され、
３）薄い金属上部電極に注入され、４）薄い金属上部電
極の表面から放出される。電子供給層と薄い金属上部電
極層との間の電位の大きさに応じて、そのように放出さ
れる電子は、薄い金属膜の表面で熱エネルギーよりもか
なり大きな運動エネルギーを持つことができる。従っ
て、これらの電子は弾道電子放出素子とも呼ばれる。 【０００４】ＭＩＳまたはＭＩＭ素子の短所は、放出電
流密度が比較的低いこと（典型的には約１〜１０ｍＡ／
ｃｍ２）と、効率が悪いこと（放出電流と、電子供給層
と薄い金属電極の間のシャント電流との比として定義さ
れ、典型的には約０．１％）である。 【０００５】また電子は、固体の表面に電界をかけるこ
とにより、導電性または半導電性の固体から真空中に放
出される場合もある。このタイプの電子放出素子は一般
に電界放出素子（field emitter）と呼ばれる。電界放
出素子から放出される電子は、固体の表面で運動エネル
ギーを持たない。先端が鋭利な（tip-shaped）電界放出
素子（以下、スピント型放出素子と呼ぶ）を作成するプ
ロセスが、C. A. Spindtらによる「Physical Propertie
s of Thin-Film Field Emission Cathodes with Molybd
enum Cones」（Journal of Applied Physics, vol. 47,
No. 12, December 1976, pp. 5248-5263）に記載され
ている。スピント型放出素子の場合、先端の表面とアノ
ードとの間の所与の電位に対して先端の表面により強い
電界を誘導するために、電子を放出する表面の先端を鋭
利に形成する。先端が鋭いほど、放出素子から電子を抽
出するために必要な電位が低くなる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】スピント型放出素子の
短所として、空間的かつ時間的な安定性および信頼性を
得るために、比較的高い真空度（圧力＜１０−６Ｔｏｒ
ｒ、好ましくは＜１０− ８Ｔｏｒｒ）が必要である点が
ある。さらに、スピント型放出素子では電子放出の角度
が比較的広いので、電子ビームリソグラフィまたは情報
記憶の用途のために必要となるスポットサイズに、放出
された電子ビームを集束させることが比較的困難であ
る。単純なスピント先端の動作バイアス電圧は比較的高
く、先端−アノードの間隔が１ｍｍの場合では、最大１
０００Ｖまでの範囲になる。 【０００７】言い換えると、１つの素子で高い電流密
度、安定性および信頼性を兼ね備えることは、従来の電
子放出素子の設計では、不可能ではないにしても困難で
あった。 従って、この問題を解決する電子放出素子が
必要とされている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の一態様におい
て、ＦＥＭＩＳ電子放出素子（電子エミッタ）の一実施
形態は電子供給構造を含むことができる。電子供給構造
は、少なくとも１つ、好ましくは複数の突起が電子供給
構造の上側に形成されるような構造である。電子供給構
造は、導電性基板と、その導電性基板上に形成される電
子供給層（選択的）とから形成することができる。また
電子放出素子は、電子供給構造と突起の上に形成される
絶縁体も含むことができる。このように、任意の所与の
突起が電子放出素子構造の内部に含まれる。電子放出素
子はさらに、絶縁体上に形成される上側導電層を含むこ
とができる。 【０００９】ＦＥＭＩＳ電子放出素子は、任意の所与の
突起上の絶縁体の一部分が、電子供給構造の比較的平坦
な領域上にある絶縁体の部分よりも薄くなるようにされ
る。さらに、絶縁体は、任意の所与の突起付近の上下両
側において内側に曲面をなす（すなわち、局部的に砂時
計のような形状）ように形成されることができる。ま
た、絶縁体は電子供給層にほぼ一致するような形状とす
ることができる。すなわち、絶縁体形成前の突起を含む
電子供給層の表面の形状をとることができる。 【００１０】別の態様では、ＦＥＭＩＳ電子放出素子を
形成する方法の一実施形態は、電子供給構造を形成する
ことを含むことができる。電子供給構造は、少なくとも
１つ、好ましくは複数の突起が電子供給構造の上側に形
成されるような構造である。電子供給構造は、導電性基
板と、その導電性基板上に形成される電子供給層（選択
的）とから形成される。前記方法は、電子供給構造およ
び突起上に絶縁体を形成することを含むことができる。
このようにして、任意の所与の突起が電子放出素子構造
の内部に含まれることになる。前記方法はさらに、絶縁
体上に上側導電層を形成することを含むことができる。 【００１１】本発明の特定の実施形態は、特定の側面を
達成することができる。例えば、任意の所与の突起が放
出素子構造の内部に存在するので、突起が真空に露出さ
れることがない。したがって、放出素子は、真空中に存
在しうる汚染物質からの影響を比較的受けにくくなり、
放出素子の寿命が延び、効率が高まるとともに、放出さ
れる電子ビームの空間的および時間的な安定性を高める
ことに役立つ。結果として、真空の要件を大きく緩和す
ることができる。 【００１２】さらに、導電性基板と上側導電層との間に
電圧が印加されると、比較的薄い絶縁体と結合された任
意の所与の突起の形状は、強化された（enhanced）電界
を突起に生じさせる。従って、ＦＥＭＩＳ電子放出素子
では、比較的低い動作電圧を達成することができる。任
意の所与の突起から離れた電界は比較的低く、これによ
って放出素子構造全体の信頼性が改善される。ＦＥＭＩ
Ｓ電子放出素子からの電流密度および効率を比較的高く
することができる。また、ＦＥＭＩＳからの電子ビーム
を集束させることが比較的容易になる。 【００１３】 【発明の実施の形態】図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発
明の一態様による例示的なＦＥＭＩＳ電子放出素子の第
１および第２の実施形態１００の断面図である。図示す
るように、電子放出素子１００は導電性基板１１０を含
む。導電性基板１１０は、金属（アルミニウム、タング
ステン、チタン、銅、金、タンタル、プラチナ、イリジ
ウム、パラジウム、ロジウム、クロム、マグネシウム、
スカンジウム、イットリウム、バナジウム、ジルコニウ
ム、ニオブ、モリブデン、シリコン、ベリリウム、ハフ
ニウム、銀、オスミウム、および任意の合金または多層
膜）、ドープトポリシリコン、ドープトシリコン、グラ
ファイト；金属被膜ガラス、セラミックまたはプラスチ
ック；インジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）被膜ガラ
ス、セラミックまたはプラスチック等から形成すること
ができる。金属またはＩＴＯ被膜はパターニングされて
もされなくてもよい。導電性基板の上側表面は、化学機
械研磨（ＣＭＰ）等の一般に認められた方法を用いて平
坦化することができる。 【００１４】電子放出素子１００は、図１（Ａ）に示す
ように、導電性基板１１０上に電子供給層１２０を備え
ることができる。図１（Ｂ）に示すように、電子供給層
１２０は本発明の実施に必ずしも必要ではない。電子供
給層１２０の上側（図１（Ａ）を参照）または導電性基
板１１０の上側（図１（Ｂ）を参照）には、突起１３０
が形成される。多くの突起１３０が電子放出素子１００
に含まれることもある。任意の所与の突起１３０の鋭さ
は、製造プロセスで制御することができる。結果とし
て、ファウラー−ノルトハイム（Fowler-Nordheim）放
出統計にしたがって、突起１３０当たりの電流出力を比
較的低い電圧で得ることができる。 【００１５】突起１３０の密度も制御することができ
る。例えば、１μｍ２当たり数百個の密度の突起１３０
を得ることができる。結果として、全放出電流を制御す
ることができる。任意の所与の突起１３０は、その限度
の所与の電流を運ぶことができる場合があるので、放出
面積当たりの突起の数を増加することによって、より高
い電流を運ぶことができる。ファウラー−ノルトハイム
の式によって、電流は、導電性基板１１０と上側導電層
１５０との間に印加される電圧に関係付けることができ
るので、制御電圧、ゆえに電力を用途に応じて下方に調
整することができる。 【００１６】電子放出素子１００の突起１３０を含む電
子供給層１２０は、ドープされていてもされていなくて
もよいが、ポリシリコンのような半導体から形成するこ
とができる。好ましい実施形態では、ポリシリコンはド
ープされていなくて良い。ｎ形ドーピングが好ましい場
合には、電子供給層１２０の深さに沿ったドーピングの
レベルを変更して、電子輸送を調整することができる。
さらに、マスクを用いることにより、ドーピングを所与
の領域に限定することができる。 【００１７】突起１３０の形成は、電子供給層１２０ま
たは導電性基板１１０を含むポリシリコンを形成する際
のプロセスの一部として、半球状グレイン（ＨＳＧ）ポ
リシリコンを成長させることにより達成することができ
る。別法では、突起１３０の成長は、以降のプロセスで
ＨＳＧポリシリコンの成長のシードを添加することによ
り行うことができる。ＨＳＧポリシリコンは、M. Yoshi
maruらによる「Ruggedsurface poly-Si electrode and
low temperature deposited Si3N4 for 64 Mbit and be
yond STC DRAM cell」（Tech. Digest, 1990 Internati
onal ElectronDevices Meeting, San Francisco, Decem
ber 9-12, 1990, paper 27.4, pp. 659-662）に記載さ
れている。 【００１８】電子放出素子１００はさらに、突起１３０
を含む電子供給層１２０または導電性基板１１０上に形
成される絶縁体１４０を備えることができる。このよう
にして、突起１３０は電子放出素子１００の構造の内部
に存在するようになり、突起１３０が真空に露出されな
い。絶縁体１４０は、シリコン、アルミニウム、チタ
ン、タンタル、タングステン、ハフニウム、ジルコニウ
ム、バナジウム、ニオブ、モリブデン、クロム、イット
リウム、スカンジウム、ニッケル、コバルト、ベリリウ
ム、マグネシウムおよびその混合物の酸化物、窒化物お
よび酸窒化物等の材料から形成することができる。絶縁
体は、ダイヤモンド様の炭素から形成することができ
る。しかし、材料のリストは網羅的ではないことは、当
業者には理解されよう。実際には、絶縁体１４０は、電
子供給層１２０の上側部分を酸化することによって形成
することができる。 【００１９】絶縁体１４０は、突起１３０を含む電子供
給層１２０または導電性基板１１０とほぼ一致するよう
に形成することができる。絶縁体１４０の厚みの下限
は、上側導電層１５０の仕事関数を乗り越えるのに十分
な、電子供給層１２０と上側導電層１５０との間の電位
（典型的には４〜６エレクトロンボルト（ｅＶ））によ
って大体決定することができる。従って、任意の所与の
厚みでの絶縁体１４０の絶縁破壊電圧と、上側導電層１
５０の仕事関数が、絶縁体１４０の厚みの下限を左右す
る。絶縁体１４０の厚みの上限は、絶縁体１４０に電子
輸送を引き起こすために必要な電位によって決定するこ
とができる。絶縁体１４０の厚みが増すと、必要な電位
が高くなる。 【００２０】所与の突起１３０付近の絶縁体１４０の薄
さ、および任意の所与の突起１３０の形状によって、導
電性基板１１０と上側導電層１５０との間に印加される
バイアス電圧が比較的低い場合でも、比較的大きな電界
が生成されるようになる。ドープされないポリシリコン
および２５ｎｍ厚の絶縁体から形成されるＦＥＭＩＳ放
出素子の例の場合、十分な電界を生成し、上側導電層１
５０の仕事関数を乗り越えることによって電子放出を引
き起こすために印加される必要があるバイアス電圧は、
わずか約６Ｖである。抽出電極を用いず、先端−アノー
ド間隔が１ｍｍの典型的なスピント型放出素子の場合、
印可される電位は約１０００Ｖになるであろう。 【００２１】さらに、電子放出素子１００は、絶縁体１
４０上に形成される上側導電層１５０を含むことができ
る。上側導電層１５０は、金属（アルミニウム、タング
ステン、チタン、モリブデンチタン、銅、金、銀、タン
タル、プラチナ、イリジウム、パラジウム、ロジウム、
クロム、マグネシウム、スカンジウム、イットリウム、
バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフ
ニウム、銀、オスミウム、および任意の合金または多層
膜）、ドープトポリシリコン、グラファイト等、または
金属および非金属（例えば導電性カーボン、薄膜）の組
み合わせから形成することができる。空気に暴露された
とき、上側導電層１５０の外部表面は、絶縁性の自然酸
化物へと酸化されないことが好ましい。 【００２２】ＦＥＭＩＳ電子放出素子１００を動作させ
るために、導電性基板１１０と上側導電層１５０との間
にバイアス電圧が印加される。動作中に、導電性基板１
１０（および電子供給層１２０）を通って輸送される電
子は、任意の所与の突起１３０付近の絶縁体１４０内を
通り抜け、上側導電層１５０から放出される。 【００２３】図２の（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の一
態様による例示的なＦＥＭＩＳ電子放出素子の第３およ
び第４の実施形態２００の断面図である。第３および第
４の実施形態は、図１（Ａ）および（Ｂ）の第１および
第２の実施形態に関してそれぞれ述べたのと同じ特徴を
多く含むことができる。例えば、電子放出素子２００
は、少なくとも１つの突起２３０を有する導電性基板２
１０（図２（Ａ）を参照）と、少なくとも１つの突起２
３０を有する選択的な電子供給層２２０（図２（Ｂ）を
参照）と、絶縁体２４０と、上側導電層２５０とを備え
ることができる。以下では、実施形態間で区別可能な要
素のみについて述べる。 【００２４】電子放出素子２００に関しては、絶縁体２
４０は、任意の所与の突起２３０付近の絶縁体２４０
が、概ね平坦である電子供給層２２０の領域上の絶縁体
２４０よりも相対的に薄くなるように形成することがで
きる。例えば、絶縁体２４０は、突起１３０付近では５
〜３００ナノメートル（ｎｍ）の厚みを有するが、突起
２３０が電子供給層２２０の概ね平坦な領域から上方に
２５ｎｍだけ突出していると仮定すると、概ね平坦な領
域では３０〜３２５ｎｍの厚みを有することができる。
この第３および第４の実施形態では、絶縁体２４０の外
側の表面は比較的平坦である。そのような構造を用いて
電子ビームの発散を制御することにより、放出される電
子ビームの集束を改善することができる。突起２３０上
の絶縁体２４０の厚みの制約に関しては、上記の議論が
同様に当てはまる。 【００２５】図３の（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の別
の態様による例示的なＦＥＭＩＳ電子放出素子の第５お
よび第６の実施形態３００の断面図である。第５および
第６の実施形態は、図１（Ａ）および（Ｂ）の第１およ
び第２の実施形態に関して本明細書にそれぞれ述べたの
と同じ特徴の多くを含むことができる。例えば、電子放
出素子３００は、少なくとも１つの突起３３０を有する
導電性基板３１０（図３（Ａ）を参照）と、少なくとも
１つの突起３３０を有する選択的な電子供給層３２０
（図３（Ｂ）を参照）と、絶縁体３４０と、上側導電層
３５０とを備えることができる。以下では、実施形態間
で区別可能な要素のみについて述べる。 【００２６】電子放出素子３００に関しては、絶縁体３
４０は、任意の所与の突起３００付近で水平方向に砂時
計のような形状に形成される。このような構造を用いる
ことにより、放出される電子ビームの集束をさらに改善
することができる。突起３３０上の絶縁体３４０の厚み
の制約に関しては、上記の議論が同様に当てはまる。 【００２７】図４（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ａ）に示し
た電子放出素子の第１の実施形態１００を製造する方法
を示す。図４（Ａ）に示すように、導電性基板１１０が
形成される。この時点で、導電性基板１１０を形成する
ことの一部として突起１３０が形成される（図示せ
ず）。選択的に、電子供給層１２０を導電性基板１１０
上に形成することができ、突起１３０は、電子供給層１
２０を形成することの一部として形成することができ
る。導電性基板１１０の上側は、電子供給層１２０を形
成する前に、ＣＭＰ等の一般的に知られている技術を用
いて平坦化することができることに注意されたい。 【００２８】ポリシリコンを用いて電子供給層１２０を
形成する場合には、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）に
よって、突起１３０を含むポリシリコンを導電性基板１
１０上に成長させることができる。ＬＰＣＶＤを実行す
る際の好ましい温度は、約５５０℃〜６２０℃である。
ポリシリコンの好ましい厚みは、大体０．０５μｍ〜１
μｍの範囲内である。ポリシリコンは、プラズマ化学気
相成長（ＰＥＣＶＤ）や他のＣＶＤの変形形態、または
スパッタ堆積および蒸着を含む物理気相成長（ＰＶＤ）
技術のような他の堆積プロセスを用いて成長させること
もできる。 【００２９】突起１３０を含む電子供給層１２０は、ド
ープされていてもされていなくても良い。選択的に、ポ
リシリコンの堆積中にリン、ヒ素またはアンチモン等の
ｎ形ドーパントを取り込むことによって、ポリシリコン
等の電子供給層１２０をドープすることができる。当業
者であれば、他のタイプのドーパントを用いることがで
きることは理解されよう。ドーパント濃度は、異なる深
度レベルの電子供給層１２０が異なるドーパントレベル
を有するように、時間とともに変更することができる。
別法では、電子供給層１２０が形成された後に、均一ま
たは段階的にドーパントを取り込むために、イオン注入
およびそれに続くアニーリングを用いても良い。 【００３０】電子供給層１２０（または導電性基板１１
０）が形成された後に、図４（Ｂ）に示すように、電子
供給層１２０上に絶縁体１４０を形成することができ
る。絶縁体１４０が形成されると、電子供給層１２０
（または導電性基板１１０）および突起１３０がほぼ一
致するように覆われるようになる。すなわち、任意の所
与の突起１３０が放出素子構造の内部に存在するように
なる。結果として、任意の所与の突起１３０は真空に露
出されることはなく、従って、電子放出素子の動作中に
真空環境の変動からの影響を比較的受けにくくなる。よ
って、真空の要件が緩和される。 【００３１】実際には、例えば、大体８００℃〜１００
０℃の範囲内の温度でかつ大体５〜６０分の時間の間、
乾燥酸素雰囲気で急速に酸化させることによって、絶縁
体１４０をポリシリコンの酸化によって形成することが
できる。限定はしないが、他の酸化方法には、プラズマ
酸化、湿式熱酸化および電気化学的酸化が含まれる。 【００３２】プロセスを完了するために、絶縁体１４０
上に上側導電層１５０が形成されて、図４（Ｃ）に示す
ようなＦＥＭＩＳ電子放出素子１００が製造される。 【００３３】図５（Ａ）および（Ｂ）はともに、図２
（Ａ）に示した電子放出素子の第３の実施形態２００を
製造する方法を示す。図４（Ａ）に示す製造ステップ
は、この第３の実施形態の製造ステップと大体似てお
り、従って詳細に述べる必要はない。図５（Ａ）は、上
側が相対的に隆起した絶縁体を形成する代わりに、概ね
平坦な絶縁体２４０を形成する点で図４（Ｂ）とは異な
る。任意の所与の突起２３０付近に、絶縁体２４０の相
対的に薄い領域が存在する。 【００３４】絶縁体２４０を形成した後に、絶縁体２４
０上に上側導電層２５０を形成することができ、図５
（Ｂ）に示すように、ＦＥＭＩＳ電子放出素子の第３お
よび第４の実施形態２００が製造される。上側導電層２
５０は概ね平坦であることに注意されたい。 【００３５】図６（Ａ）および（Ｂ）はともに、図３
（Ａ）に示した電子放出素子の第５の実施形態３００を
製造する方法を示す。図４（Ａ）の製造ステップは、こ
の第５の実施形態の製造ステップと大体似ており、従っ
て詳細に述べる必要はない。図６（Ａ）は、その上側が
相対的に隆起した絶縁体を形成する代わりに、砂時計状
の絶縁体３４０を形成する点で図４（Ｂ）とは異なる。
絶縁体３４０の任意の所与の相対的に薄い領域は、任意
の所与の突起３３０に隣接して存在する。 【００３６】絶縁体３４０を形成した後に、絶縁体３４
０上に上側導電層３５０が形成され、図６（Ｂ）に示す
ように、ＦＥＭＩＳ電子放出素子の第５および第６の実
施形態３００が製造される。上側導電層３５０は絶縁体
３４０の形状に一致することが好ましいことに注意され
たい。 【００３７】本発明には例として以下の実施形態が含ま
れる。 【００３８】１．電子供給構造（１１０、１２０、２１
０、２２０、３１０、３２０）と、前記電子供給構造の
上側表面上に形成される少なくとも１つの突起（１３
０、２３０、３３０）と、前記電子供給構造と前記少な
くとも１つの突起の上に形成される絶縁体（１４０、２
４０、３４０）と、前記絶縁体上に形成される上側導電
層（１５０、２５０、３５０）と、を含む電界強化ＭＩ
Ｓ／ＭＩＭ電子放出素子（１００、２００、３００）。 【００３９】２．前記電子供給構造は、導電性基板を含
むか、または導電性基板と電子供給層（１２０、２２
０、３２０）を含む、上記１に記載の電界強化ＭＩＳ／
ＭＩＭ電子放出素子。 【００４０】３．前記電子供給層は、ドープされた半導
体およびドープされない半導体のうちの一方から形成さ
れる、上記２に記載の電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出
素子。 【００４１】４．前記絶縁体（１４０）は、前記少なく
とも１つの突起（１３０）を含む前記電子供給構造（１
１０、１２０）の形状にほぼ一致する、上記１に記載の
電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子。 【００４２】５．前記絶縁体（２４０、３４０）は、前
記電子供給構造（２１０、２２０、３１０、３２０）の
平坦な領域と比べて、前記少なくとも１つの突起（２３
０、３３０）付近において相対的に薄くなっている、上
記１に記載の電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子。 【００４３】６．前記絶縁体（２４０）は、概ね平坦な
上側表面を有するか、または前記少なくとも１つの突起
（２３０、３３０）に対して局部的に砂時計状の形状を
有する、上記５に記載の電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放
出素子。 【００４４】７．電子供給構造（１１０、１２０、２１
０、２２０、３１０、３２０）を形成することと、前記
電子供給構造の上側表面上に少なくとも１つの突起（１
３０、２３０、３３０）を形成することと、前記電子供
給構造と前記少なくとも１つの突起の上に絶縁体（１４
０、２４０、３４０）を形成することと、前記絶縁体上
に上側導電層（１５０、２５０、３５０）を形成するこ
とと、を含む電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子（１
００、２００、３００）を製造する方法。 【００４５】８．前記電子供給構造を形成するステップ
は、導電性基板を形成することを含むか、または導電性
基板と電子供給層（１２０、２２０、３２０）を形成す
ることを含む、上記７に記載の製造方法。 【００４６】９．前記絶縁体を形成するステップは、前
記絶縁体（１４０）が前記少なくとも１つの突起（１３
０）を含む前記電子供給構造（１１０、１２０）の形状
にほぼ一致するように絶縁体を形成することを含む、上
記７に記載の製造方法。 【００４７】１０．前記絶縁体（２４０、３４０）を形
成するステップは、前記絶縁体が前記電子供給層（２１
０、２２０、３１０、３２０）の平坦な領域と比べて、
前記少なくとも１つの突起（２３０、３３０）付近で相
対的に薄くなるように前記絶縁体（２４０、３４０）を
形成することを含む、上記７に記載の製造方法。 【００４８】例示的な実施形態を参照して本発明を説明
してきたが、当業者は、本発明の範囲から逸脱すること
なく、本発明の実施形態について種々の変更形態を実施
することができる。本明細書で使用された用語および説
明は、例示のためにのみ記載されており、本発明を限定
するように意図されていない。具体的に述べると、本発
明の方法について例を用いて説明したが、その方法のス
テップは、示したのとは異なる順序で、または同時に実
行することもできる。
に関する。より詳細には、本発明は一般に電界強化（fi
eld-enhanced）金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）電子放
出素子または金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）電子放出素
子（以下、まとめてＦＥＭＩＳと呼ぶ）に関する。 【０００２】 【従来の技術】今日、多くの形態の電子放出技術が存在
する。例えば、陰極線管（ＣＲＴ）は、ＴＶやコンピュ
ータモニタ等の数多くの装置に普及している。電子放出
は、Ｘ線装置および電子顕微鏡のような装置において重
要な役割を果たす。さらに、Gibsonらの米国特許第５，
５５７，５９６号に記載されているような情報記憶装置
や、マイクロ波源、電子増幅器およびフラットパネルデ
ィスプレイにおいて、例えば集積回路の作成時に用いら
れる電子ビームリソグラフィでは、微細な冷陰極を用い
ることができる。電子放出を行うための実際の要件は、
用途に応じて異なる。一般に、電子ビームには、十分な
電流を運び、できるだけ効率的であり、用途固有の電圧
で動作し、集束可能であり、必要な電力密度で信頼性が
あり、任意の所与の用途に適した真空度において空間的
かつ時間的に安定していることが必要とされる。例え
ば、携帯型の装置では電力消費量が低いことが要求され
る。 【０００３】金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）電子放出
素子および金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）電子放出素子
構造が、Iwasakiらによる米国特許第６，０６６，９２
２号に記載されている。電子供給層と薄い金属上部電極
（metal top electrode）との間に電位をかけるそのよ
うな構造では、電子は、１）電子供給層（金属または半
導体）から絶縁層に注入され、２）絶縁層で加速され、
３）薄い金属上部電極に注入され、４）薄い金属上部電
極の表面から放出される。電子供給層と薄い金属上部電
極層との間の電位の大きさに応じて、そのように放出さ
れる電子は、薄い金属膜の表面で熱エネルギーよりもか
なり大きな運動エネルギーを持つことができる。従っ
て、これらの電子は弾道電子放出素子とも呼ばれる。 【０００４】ＭＩＳまたはＭＩＭ素子の短所は、放出電
流密度が比較的低いこと（典型的には約１〜１０ｍＡ／
ｃｍ２）と、効率が悪いこと（放出電流と、電子供給層
と薄い金属電極の間のシャント電流との比として定義さ
れ、典型的には約０．１％）である。 【０００５】また電子は、固体の表面に電界をかけるこ
とにより、導電性または半導電性の固体から真空中に放
出される場合もある。このタイプの電子放出素子は一般
に電界放出素子（field emitter）と呼ばれる。電界放
出素子から放出される電子は、固体の表面で運動エネル
ギーを持たない。先端が鋭利な（tip-shaped）電界放出
素子（以下、スピント型放出素子と呼ぶ）を作成するプ
ロセスが、C. A. Spindtらによる「Physical Propertie
s of Thin-Film Field Emission Cathodes with Molybd
enum Cones」（Journal of Applied Physics, vol. 47,
No. 12, December 1976, pp. 5248-5263）に記載され
ている。スピント型放出素子の場合、先端の表面とアノ
ードとの間の所与の電位に対して先端の表面により強い
電界を誘導するために、電子を放出する表面の先端を鋭
利に形成する。先端が鋭いほど、放出素子から電子を抽
出するために必要な電位が低くなる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】スピント型放出素子の
短所として、空間的かつ時間的な安定性および信頼性を
得るために、比較的高い真空度（圧力＜１０−６Ｔｏｒ
ｒ、好ましくは＜１０− ８Ｔｏｒｒ）が必要である点が
ある。さらに、スピント型放出素子では電子放出の角度
が比較的広いので、電子ビームリソグラフィまたは情報
記憶の用途のために必要となるスポットサイズに、放出
された電子ビームを集束させることが比較的困難であ
る。単純なスピント先端の動作バイアス電圧は比較的高
く、先端−アノードの間隔が１ｍｍの場合では、最大１
０００Ｖまでの範囲になる。 【０００７】言い換えると、１つの素子で高い電流密
度、安定性および信頼性を兼ね備えることは、従来の電
子放出素子の設計では、不可能ではないにしても困難で
あった。 従って、この問題を解決する電子放出素子が
必要とされている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の一態様におい
て、ＦＥＭＩＳ電子放出素子（電子エミッタ）の一実施
形態は電子供給構造を含むことができる。電子供給構造
は、少なくとも１つ、好ましくは複数の突起が電子供給
構造の上側に形成されるような構造である。電子供給構
造は、導電性基板と、その導電性基板上に形成される電
子供給層（選択的）とから形成することができる。また
電子放出素子は、電子供給構造と突起の上に形成される
絶縁体も含むことができる。このように、任意の所与の
突起が電子放出素子構造の内部に含まれる。電子放出素
子はさらに、絶縁体上に形成される上側導電層を含むこ
とができる。 【０００９】ＦＥＭＩＳ電子放出素子は、任意の所与の
突起上の絶縁体の一部分が、電子供給構造の比較的平坦
な領域上にある絶縁体の部分よりも薄くなるようにされ
る。さらに、絶縁体は、任意の所与の突起付近の上下両
側において内側に曲面をなす（すなわち、局部的に砂時
計のような形状）ように形成されることができる。ま
た、絶縁体は電子供給層にほぼ一致するような形状とす
ることができる。すなわち、絶縁体形成前の突起を含む
電子供給層の表面の形状をとることができる。 【００１０】別の態様では、ＦＥＭＩＳ電子放出素子を
形成する方法の一実施形態は、電子供給構造を形成する
ことを含むことができる。電子供給構造は、少なくとも
１つ、好ましくは複数の突起が電子供給構造の上側に形
成されるような構造である。電子供給構造は、導電性基
板と、その導電性基板上に形成される電子供給層（選択
的）とから形成される。前記方法は、電子供給構造およ
び突起上に絶縁体を形成することを含むことができる。
このようにして、任意の所与の突起が電子放出素子構造
の内部に含まれることになる。前記方法はさらに、絶縁
体上に上側導電層を形成することを含むことができる。 【００１１】本発明の特定の実施形態は、特定の側面を
達成することができる。例えば、任意の所与の突起が放
出素子構造の内部に存在するので、突起が真空に露出さ
れることがない。したがって、放出素子は、真空中に存
在しうる汚染物質からの影響を比較的受けにくくなり、
放出素子の寿命が延び、効率が高まるとともに、放出さ
れる電子ビームの空間的および時間的な安定性を高める
ことに役立つ。結果として、真空の要件を大きく緩和す
ることができる。 【００１２】さらに、導電性基板と上側導電層との間に
電圧が印加されると、比較的薄い絶縁体と結合された任
意の所与の突起の形状は、強化された（enhanced）電界
を突起に生じさせる。従って、ＦＥＭＩＳ電子放出素子
では、比較的低い動作電圧を達成することができる。任
意の所与の突起から離れた電界は比較的低く、これによ
って放出素子構造全体の信頼性が改善される。ＦＥＭＩ
Ｓ電子放出素子からの電流密度および効率を比較的高く
することができる。また、ＦＥＭＩＳからの電子ビーム
を集束させることが比較的容易になる。 【００１３】 【発明の実施の形態】図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発
明の一態様による例示的なＦＥＭＩＳ電子放出素子の第
１および第２の実施形態１００の断面図である。図示す
るように、電子放出素子１００は導電性基板１１０を含
む。導電性基板１１０は、金属（アルミニウム、タング
ステン、チタン、銅、金、タンタル、プラチナ、イリジ
ウム、パラジウム、ロジウム、クロム、マグネシウム、
スカンジウム、イットリウム、バナジウム、ジルコニウ
ム、ニオブ、モリブデン、シリコン、ベリリウム、ハフ
ニウム、銀、オスミウム、および任意の合金または多層
膜）、ドープトポリシリコン、ドープトシリコン、グラ
ファイト；金属被膜ガラス、セラミックまたはプラスチ
ック；インジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）被膜ガラ
ス、セラミックまたはプラスチック等から形成すること
ができる。金属またはＩＴＯ被膜はパターニングされて
もされなくてもよい。導電性基板の上側表面は、化学機
械研磨（ＣＭＰ）等の一般に認められた方法を用いて平
坦化することができる。 【００１４】電子放出素子１００は、図１（Ａ）に示す
ように、導電性基板１１０上に電子供給層１２０を備え
ることができる。図１（Ｂ）に示すように、電子供給層
１２０は本発明の実施に必ずしも必要ではない。電子供
給層１２０の上側（図１（Ａ）を参照）または導電性基
板１１０の上側（図１（Ｂ）を参照）には、突起１３０
が形成される。多くの突起１３０が電子放出素子１００
に含まれることもある。任意の所与の突起１３０の鋭さ
は、製造プロセスで制御することができる。結果とし
て、ファウラー−ノルトハイム（Fowler-Nordheim）放
出統計にしたがって、突起１３０当たりの電流出力を比
較的低い電圧で得ることができる。 【００１５】突起１３０の密度も制御することができ
る。例えば、１μｍ２当たり数百個の密度の突起１３０
を得ることができる。結果として、全放出電流を制御す
ることができる。任意の所与の突起１３０は、その限度
の所与の電流を運ぶことができる場合があるので、放出
面積当たりの突起の数を増加することによって、より高
い電流を運ぶことができる。ファウラー−ノルトハイム
の式によって、電流は、導電性基板１１０と上側導電層
１５０との間に印加される電圧に関係付けることができ
るので、制御電圧、ゆえに電力を用途に応じて下方に調
整することができる。 【００１６】電子放出素子１００の突起１３０を含む電
子供給層１２０は、ドープされていてもされていなくて
もよいが、ポリシリコンのような半導体から形成するこ
とができる。好ましい実施形態では、ポリシリコンはド
ープされていなくて良い。ｎ形ドーピングが好ましい場
合には、電子供給層１２０の深さに沿ったドーピングの
レベルを変更して、電子輸送を調整することができる。
さらに、マスクを用いることにより、ドーピングを所与
の領域に限定することができる。 【００１７】突起１３０の形成は、電子供給層１２０ま
たは導電性基板１１０を含むポリシリコンを形成する際
のプロセスの一部として、半球状グレイン（ＨＳＧ）ポ
リシリコンを成長させることにより達成することができ
る。別法では、突起１３０の成長は、以降のプロセスで
ＨＳＧポリシリコンの成長のシードを添加することによ
り行うことができる。ＨＳＧポリシリコンは、M. Yoshi
maruらによる「Ruggedsurface poly-Si electrode and
low temperature deposited Si3N4 for 64 Mbit and be
yond STC DRAM cell」（Tech. Digest, 1990 Internati
onal ElectronDevices Meeting, San Francisco, Decem
ber 9-12, 1990, paper 27.4, pp. 659-662）に記載さ
れている。 【００１８】電子放出素子１００はさらに、突起１３０
を含む電子供給層１２０または導電性基板１１０上に形
成される絶縁体１４０を備えることができる。このよう
にして、突起１３０は電子放出素子１００の構造の内部
に存在するようになり、突起１３０が真空に露出されな
い。絶縁体１４０は、シリコン、アルミニウム、チタ
ン、タンタル、タングステン、ハフニウム、ジルコニウ
ム、バナジウム、ニオブ、モリブデン、クロム、イット
リウム、スカンジウム、ニッケル、コバルト、ベリリウ
ム、マグネシウムおよびその混合物の酸化物、窒化物お
よび酸窒化物等の材料から形成することができる。絶縁
体は、ダイヤモンド様の炭素から形成することができ
る。しかし、材料のリストは網羅的ではないことは、当
業者には理解されよう。実際には、絶縁体１４０は、電
子供給層１２０の上側部分を酸化することによって形成
することができる。 【００１９】絶縁体１４０は、突起１３０を含む電子供
給層１２０または導電性基板１１０とほぼ一致するよう
に形成することができる。絶縁体１４０の厚みの下限
は、上側導電層１５０の仕事関数を乗り越えるのに十分
な、電子供給層１２０と上側導電層１５０との間の電位
（典型的には４〜６エレクトロンボルト（ｅＶ））によ
って大体決定することができる。従って、任意の所与の
厚みでの絶縁体１４０の絶縁破壊電圧と、上側導電層１
５０の仕事関数が、絶縁体１４０の厚みの下限を左右す
る。絶縁体１４０の厚みの上限は、絶縁体１４０に電子
輸送を引き起こすために必要な電位によって決定するこ
とができる。絶縁体１４０の厚みが増すと、必要な電位
が高くなる。 【００２０】所与の突起１３０付近の絶縁体１４０の薄
さ、および任意の所与の突起１３０の形状によって、導
電性基板１１０と上側導電層１５０との間に印加される
バイアス電圧が比較的低い場合でも、比較的大きな電界
が生成されるようになる。ドープされないポリシリコン
および２５ｎｍ厚の絶縁体から形成されるＦＥＭＩＳ放
出素子の例の場合、十分な電界を生成し、上側導電層１
５０の仕事関数を乗り越えることによって電子放出を引
き起こすために印加される必要があるバイアス電圧は、
わずか約６Ｖである。抽出電極を用いず、先端−アノー
ド間隔が１ｍｍの典型的なスピント型放出素子の場合、
印可される電位は約１０００Ｖになるであろう。 【００２１】さらに、電子放出素子１００は、絶縁体１
４０上に形成される上側導電層１５０を含むことができ
る。上側導電層１５０は、金属（アルミニウム、タング
ステン、チタン、モリブデンチタン、銅、金、銀、タン
タル、プラチナ、イリジウム、パラジウム、ロジウム、
クロム、マグネシウム、スカンジウム、イットリウム、
バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフ
ニウム、銀、オスミウム、および任意の合金または多層
膜）、ドープトポリシリコン、グラファイト等、または
金属および非金属（例えば導電性カーボン、薄膜）の組
み合わせから形成することができる。空気に暴露された
とき、上側導電層１５０の外部表面は、絶縁性の自然酸
化物へと酸化されないことが好ましい。 【００２２】ＦＥＭＩＳ電子放出素子１００を動作させ
るために、導電性基板１１０と上側導電層１５０との間
にバイアス電圧が印加される。動作中に、導電性基板１
１０（および電子供給層１２０）を通って輸送される電
子は、任意の所与の突起１３０付近の絶縁体１４０内を
通り抜け、上側導電層１５０から放出される。 【００２３】図２の（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の一
態様による例示的なＦＥＭＩＳ電子放出素子の第３およ
び第４の実施形態２００の断面図である。第３および第
４の実施形態は、図１（Ａ）および（Ｂ）の第１および
第２の実施形態に関してそれぞれ述べたのと同じ特徴を
多く含むことができる。例えば、電子放出素子２００
は、少なくとも１つの突起２３０を有する導電性基板２
１０（図２（Ａ）を参照）と、少なくとも１つの突起２
３０を有する選択的な電子供給層２２０（図２（Ｂ）を
参照）と、絶縁体２４０と、上側導電層２５０とを備え
ることができる。以下では、実施形態間で区別可能な要
素のみについて述べる。 【００２４】電子放出素子２００に関しては、絶縁体２
４０は、任意の所与の突起２３０付近の絶縁体２４０
が、概ね平坦である電子供給層２２０の領域上の絶縁体
２４０よりも相対的に薄くなるように形成することがで
きる。例えば、絶縁体２４０は、突起１３０付近では５
〜３００ナノメートル（ｎｍ）の厚みを有するが、突起
２３０が電子供給層２２０の概ね平坦な領域から上方に
２５ｎｍだけ突出していると仮定すると、概ね平坦な領
域では３０〜３２５ｎｍの厚みを有することができる。
この第３および第４の実施形態では、絶縁体２４０の外
側の表面は比較的平坦である。そのような構造を用いて
電子ビームの発散を制御することにより、放出される電
子ビームの集束を改善することができる。突起２３０上
の絶縁体２４０の厚みの制約に関しては、上記の議論が
同様に当てはまる。 【００２５】図３の（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の別
の態様による例示的なＦＥＭＩＳ電子放出素子の第５お
よび第６の実施形態３００の断面図である。第５および
第６の実施形態は、図１（Ａ）および（Ｂ）の第１およ
び第２の実施形態に関して本明細書にそれぞれ述べたの
と同じ特徴の多くを含むことができる。例えば、電子放
出素子３００は、少なくとも１つの突起３３０を有する
導電性基板３１０（図３（Ａ）を参照）と、少なくとも
１つの突起３３０を有する選択的な電子供給層３２０
（図３（Ｂ）を参照）と、絶縁体３４０と、上側導電層
３５０とを備えることができる。以下では、実施形態間
で区別可能な要素のみについて述べる。 【００２６】電子放出素子３００に関しては、絶縁体３
４０は、任意の所与の突起３００付近で水平方向に砂時
計のような形状に形成される。このような構造を用いる
ことにより、放出される電子ビームの集束をさらに改善
することができる。突起３３０上の絶縁体３４０の厚み
の制約に関しては、上記の議論が同様に当てはまる。 【００２７】図４（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ａ）に示し
た電子放出素子の第１の実施形態１００を製造する方法
を示す。図４（Ａ）に示すように、導電性基板１１０が
形成される。この時点で、導電性基板１１０を形成する
ことの一部として突起１３０が形成される（図示せ
ず）。選択的に、電子供給層１２０を導電性基板１１０
上に形成することができ、突起１３０は、電子供給層１
２０を形成することの一部として形成することができ
る。導電性基板１１０の上側は、電子供給層１２０を形
成する前に、ＣＭＰ等の一般的に知られている技術を用
いて平坦化することができることに注意されたい。 【００２８】ポリシリコンを用いて電子供給層１２０を
形成する場合には、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）に
よって、突起１３０を含むポリシリコンを導電性基板１
１０上に成長させることができる。ＬＰＣＶＤを実行す
る際の好ましい温度は、約５５０℃〜６２０℃である。
ポリシリコンの好ましい厚みは、大体０．０５μｍ〜１
μｍの範囲内である。ポリシリコンは、プラズマ化学気
相成長（ＰＥＣＶＤ）や他のＣＶＤの変形形態、または
スパッタ堆積および蒸着を含む物理気相成長（ＰＶＤ）
技術のような他の堆積プロセスを用いて成長させること
もできる。 【００２９】突起１３０を含む電子供給層１２０は、ド
ープされていてもされていなくても良い。選択的に、ポ
リシリコンの堆積中にリン、ヒ素またはアンチモン等の
ｎ形ドーパントを取り込むことによって、ポリシリコン
等の電子供給層１２０をドープすることができる。当業
者であれば、他のタイプのドーパントを用いることがで
きることは理解されよう。ドーパント濃度は、異なる深
度レベルの電子供給層１２０が異なるドーパントレベル
を有するように、時間とともに変更することができる。
別法では、電子供給層１２０が形成された後に、均一ま
たは段階的にドーパントを取り込むために、イオン注入
およびそれに続くアニーリングを用いても良い。 【００３０】電子供給層１２０（または導電性基板１１
０）が形成された後に、図４（Ｂ）に示すように、電子
供給層１２０上に絶縁体１４０を形成することができ
る。絶縁体１４０が形成されると、電子供給層１２０
（または導電性基板１１０）および突起１３０がほぼ一
致するように覆われるようになる。すなわち、任意の所
与の突起１３０が放出素子構造の内部に存在するように
なる。結果として、任意の所与の突起１３０は真空に露
出されることはなく、従って、電子放出素子の動作中に
真空環境の変動からの影響を比較的受けにくくなる。よ
って、真空の要件が緩和される。 【００３１】実際には、例えば、大体８００℃〜１００
０℃の範囲内の温度でかつ大体５〜６０分の時間の間、
乾燥酸素雰囲気で急速に酸化させることによって、絶縁
体１４０をポリシリコンの酸化によって形成することが
できる。限定はしないが、他の酸化方法には、プラズマ
酸化、湿式熱酸化および電気化学的酸化が含まれる。 【００３２】プロセスを完了するために、絶縁体１４０
上に上側導電層１５０が形成されて、図４（Ｃ）に示す
ようなＦＥＭＩＳ電子放出素子１００が製造される。 【００３３】図５（Ａ）および（Ｂ）はともに、図２
（Ａ）に示した電子放出素子の第３の実施形態２００を
製造する方法を示す。図４（Ａ）に示す製造ステップ
は、この第３の実施形態の製造ステップと大体似てお
り、従って詳細に述べる必要はない。図５（Ａ）は、上
側が相対的に隆起した絶縁体を形成する代わりに、概ね
平坦な絶縁体２４０を形成する点で図４（Ｂ）とは異な
る。任意の所与の突起２３０付近に、絶縁体２４０の相
対的に薄い領域が存在する。 【００３４】絶縁体２４０を形成した後に、絶縁体２４
０上に上側導電層２５０を形成することができ、図５
（Ｂ）に示すように、ＦＥＭＩＳ電子放出素子の第３お
よび第４の実施形態２００が製造される。上側導電層２
５０は概ね平坦であることに注意されたい。 【００３５】図６（Ａ）および（Ｂ）はともに、図３
（Ａ）に示した電子放出素子の第５の実施形態３００を
製造する方法を示す。図４（Ａ）の製造ステップは、こ
の第５の実施形態の製造ステップと大体似ており、従っ
て詳細に述べる必要はない。図６（Ａ）は、その上側が
相対的に隆起した絶縁体を形成する代わりに、砂時計状
の絶縁体３４０を形成する点で図４（Ｂ）とは異なる。
絶縁体３４０の任意の所与の相対的に薄い領域は、任意
の所与の突起３３０に隣接して存在する。 【００３６】絶縁体３４０を形成した後に、絶縁体３４
０上に上側導電層３５０が形成され、図６（Ｂ）に示す
ように、ＦＥＭＩＳ電子放出素子の第５および第６の実
施形態３００が製造される。上側導電層３５０は絶縁体
３４０の形状に一致することが好ましいことに注意され
たい。 【００３７】本発明には例として以下の実施形態が含ま
れる。 【００３８】１．電子供給構造（１１０、１２０、２１
０、２２０、３１０、３２０）と、前記電子供給構造の
上側表面上に形成される少なくとも１つの突起（１３
０、２３０、３３０）と、前記電子供給構造と前記少な
くとも１つの突起の上に形成される絶縁体（１４０、２
４０、３４０）と、前記絶縁体上に形成される上側導電
層（１５０、２５０、３５０）と、を含む電界強化ＭＩ
Ｓ／ＭＩＭ電子放出素子（１００、２００、３００）。 【００３９】２．前記電子供給構造は、導電性基板を含
むか、または導電性基板と電子供給層（１２０、２２
０、３２０）を含む、上記１に記載の電界強化ＭＩＳ／
ＭＩＭ電子放出素子。 【００４０】３．前記電子供給層は、ドープされた半導
体およびドープされない半導体のうちの一方から形成さ
れる、上記２に記載の電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出
素子。 【００４１】４．前記絶縁体（１４０）は、前記少なく
とも１つの突起（１３０）を含む前記電子供給構造（１
１０、１２０）の形状にほぼ一致する、上記１に記載の
電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子。 【００４２】５．前記絶縁体（２４０、３４０）は、前
記電子供給構造（２１０、２２０、３１０、３２０）の
平坦な領域と比べて、前記少なくとも１つの突起（２３
０、３３０）付近において相対的に薄くなっている、上
記１に記載の電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子。 【００４３】６．前記絶縁体（２４０）は、概ね平坦な
上側表面を有するか、または前記少なくとも１つの突起
（２３０、３３０）に対して局部的に砂時計状の形状を
有する、上記５に記載の電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放
出素子。 【００４４】７．電子供給構造（１１０、１２０、２１
０、２２０、３１０、３２０）を形成することと、前記
電子供給構造の上側表面上に少なくとも１つの突起（１
３０、２３０、３３０）を形成することと、前記電子供
給構造と前記少なくとも１つの突起の上に絶縁体（１４
０、２４０、３４０）を形成することと、前記絶縁体上
に上側導電層（１５０、２５０、３５０）を形成するこ
とと、を含む電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子（１
００、２００、３００）を製造する方法。 【００４５】８．前記電子供給構造を形成するステップ
は、導電性基板を形成することを含むか、または導電性
基板と電子供給層（１２０、２２０、３２０）を形成す
ることを含む、上記７に記載の製造方法。 【００４６】９．前記絶縁体を形成するステップは、前
記絶縁体（１４０）が前記少なくとも１つの突起（１３
０）を含む前記電子供給構造（１１０、１２０）の形状
にほぼ一致するように絶縁体を形成することを含む、上
記７に記載の製造方法。 【００４７】１０．前記絶縁体（２４０、３４０）を形
成するステップは、前記絶縁体が前記電子供給層（２１
０、２２０、３１０、３２０）の平坦な領域と比べて、
前記少なくとも１つの突起（２３０、３３０）付近で相
対的に薄くなるように前記絶縁体（２４０、３４０）を
形成することを含む、上記７に記載の製造方法。 【００４８】例示的な実施形態を参照して本発明を説明
してきたが、当業者は、本発明の範囲から逸脱すること
なく、本発明の実施形態について種々の変更形態を実施
することができる。本明細書で使用された用語および説
明は、例示のためにのみ記載されており、本発明を限定
するように意図されていない。具体的に述べると、本発
明の方法について例を用いて説明したが、その方法のス
テップは、示したのとは異なる順序で、または同時に実
行することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様による電子放出素子の第１
（Ａ）および第２（Ｂ）の実施形態の例示的な断面図で
ある。 【図２】本発明の一態様による電子放出素子の第３
（Ａ）および第４（Ｂ）の実施形態の例示的な断面図で
ある。 【図３】本発明の一態様による電子放出素子の第５
（Ａ）および第６（Ｂ）の実施形態の例示的な断面図で
ある。 【図４】（Ａ）から（Ｃ）ともに、図１（Ａ）に示した
電子放出素子の第１の実施形態を製造する例示的な方法
を示す図である。 【図５】（Ａ）および（Ｂ）ともに、図２（Ａ）に示し
た電子放出素子の第３の実施形態を製造する例示的な方
法を示す図である。 【図６】（Ａ）および（Ｂ）ともに、図３（Ａ）に示し
た電子放出素子の第５の実施形態を製造する例示的な方
法を示す図である。
（Ａ）および第２（Ｂ）の実施形態の例示的な断面図で
ある。 【図２】本発明の一態様による電子放出素子の第３
（Ａ）および第４（Ｂ）の実施形態の例示的な断面図で
ある。 【図３】本発明の一態様による電子放出素子の第５
（Ａ）および第６（Ｂ）の実施形態の例示的な断面図で
ある。 【図４】（Ａ）から（Ｃ）ともに、図１（Ａ）に示した
電子放出素子の第１の実施形態を製造する例示的な方法
を示す図である。 【図５】（Ａ）および（Ｂ）ともに、図２（Ａ）に示し
た電子放出素子の第３の実施形態を製造する例示的な方
法を示す図である。 【図６】（Ａ）および（Ｂ）ともに、図３（Ａ）に示し
た電子放出素子の第５の実施形態を製造する例示的な方
法を示す図である。
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フロントページの続き
(72)発明者 ヘンリク・ビレッキ
アメリカ合衆国94303カリフォルニア州パ
ロ・アルト、ロス・ロード 3001
(72)発明者 サイ−ティ・ラム
アメリカ合衆国94588カリフォルニア州プ
レザントン、カンプ・ドライブ 3861
(72)発明者 フエイ−ペイ・クオ
アメリカ合衆国95014カリフォルニア州ク
パーティノ、オールド・タウン・コート
924
(72)発明者 スティーブン・ルイス・ナバーフイス
アメリカ合衆国94536カリフォルニア州フ
レモント、ブレア・プレイス 35923
Ｆターム(参考） 5C135 CC05 HH02 HH03 HH17
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 電子供給構造と、 前記電子供給構造の上側表面上に形成される少なくとも
１つの突起と、 前記電子供給構造と前記少なくとも１つの突起の上に形
成される絶縁体と、 前記絶縁体上に形成される上側導電層と、 を含む電界強化ＭＩＳ／ＭＩＭ電子放出素子。
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|---|---|---|---|
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| US09/975,296 US6822380B2 (en) | 2001-10-12 | 2001-10-12 | Field-enhanced MIS/MIM electron emitters |
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