JP2005044634A

JP2005044634A - Electron source and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2005044634A
Application number: JP2003277802A
Authority: JP
Inventors: Natsuo Tatsumi; 夏生辰巳; Akihiko Nanba; 暁彦難波; Takahiro Imai; 貴浩今井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】高速応答が可能で、且つ高い電子放出特性をもつ電子源及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電界放射型冷陰極１は、カソード基板１０、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えており、カソード基板１０表面の電子放出面Ｓ１から電子を放出させるものである。カソード基板１０は、ダイヤモンド基板１２、不純物添加層１４ａ（不純物添加ダイヤモンド）、及びノンドープ層１４ｂ（ノンドープダイヤモンド）を有する。ここで、ノンドープ層１４ｂは、不純物添加層１４ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ１に露出している。
【選択図】図１
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron source capable of high-speed response and having high electron emission characteristics, and a manufacturing method thereof.
A field emission cold cathode 1 includes a cathode substrate 10, an insulating layer 94, and a gate electrode 96, and emits electrons from an electron emission surface S1 on the surface of the cathode substrate 10. The cathode substrate 10 includes a diamond substrate 12, an impurity-added layer 14a (impurity-added diamond), and a non-doped layer 14b (non-doped diamond). Here, the non-doped layer 14b is provided adjacent to the impurity-added layer 14a and exposed to the electron emission surface S1.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電子源、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electron source and a manufacturing method thereof.

近年、電界放射型冷陰極などの電子源が注目されている。電界放射型冷陰極は、比較的少ない消費電力で大きな電流密度の電子線を取り出すことが可能である。電界放射型冷陰極の作製においては、電界強度の増加や小型化を図るべく、微細加工技術が必要とされる。そこで、カソード基板の材料として、微細加工が可能なＳｉ、耐熱性に優れるＷやＭｏ等の高融点金属、或いは尖鋭な先端で強電界を発生させるカーボンナノチューブ等が注目されている。 In recent years, electron sources such as field emission cold cathodes have attracted attention. The field emission cold cathode can extract an electron beam having a large current density with relatively little power consumption. In the production of a field emission cold cathode, a fine processing technique is required to increase the electric field strength and to reduce the size. Thus, attention has been paid to Si that can be finely processed, high-melting point metals such as W and Mo that are excellent in heat resistance, or carbon nanotubes that generate a strong electric field at a sharp tip as materials for the cathode substrate.

また、カソード基板の材料として、ダイヤモンドは、負性電子親和力（ＮＥＡ：Negative Electron Affinity）を持つことから特に注目を集めている。ダイヤモンドからなるカソード基板としては、ｐｎ接合型ダイヤモンドからなるもの（特許文献１）、金属陰極にダイヤモンドをコーティングしたもの（非特許文献１）、或いは尖鋭化したダイヤモンドからなるもの（特許文献２）等が提案されている。その他、ＢＮ、ＡｌＮなどもＮＥＡ材料として注目されている。
国際公開第９３／１５５２２号パンフレット特開平８−２６４１１１号公報特開平７−９４０８１号公報特開平２−２３９１９３号公報 Journal of Vacuum Science and Technology B14, 1996, p.2050−2055 As a material for the cathode substrate, diamond has attracted particular attention because it has negative electron affinity (NEA). As a cathode substrate made of diamond, a substrate made of pn junction diamond (Patent Document 1), a metal cathode coated with diamond (Non-Patent Document 1), or a sharp diamond (Patent Document 2), etc. Has been proposed. In addition, BN, AlN, and the like are attracting attention as NEA materials.
International Publication No. 93/15522 Pamphlet JP-A-8-264111 Japanese Patent Laid-Open No. 7-94081 JP-A-2-239193 Journal of Vacuum Science and Technology B14, 1996, p.2050-2055

ところで、ダイヤモンドやＡｌＮなどのワイドバンドギャップ半導体をカソード基板の材料として利用するためには、不純物をドーピングすることにより半導体材料に導電性を付与することが必要となる。例えば、ｐ型ダイヤモンドにおいては、ホウ素が比較的浅い不純物準位を作り、１０００ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ以上の速いキャリア移動度が実現される。一方、室温で充分に低い抵抗率を実現するためには、ホウ素を高濃度にドーピングしなければならない。しかし、その場合には、キャリア移動度が、数ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ〜数十ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ程度にまで大幅に低下してしまうという問題がある。このような低速なキャリア移動度のダイヤモンドを用いたのでは、電子源の高速応答は望めない。 By the way, in order to use a wide band gap semiconductor such as diamond or AlN as a material for the cathode substrate, it is necessary to impart conductivity to the semiconductor material by doping impurities. For example, in p-type diamond, boron creates a relatively shallow impurity level, and fast carrier mobility of 1000 cm ² / V · sec or more is realized. On the other hand, in order to achieve a sufficiently low resistivity at room temperature, boron must be highly doped. However, in that case, the carrier mobility, there is a problem that significantly decreases up to several cm ² / V · sec~ about several tens cm ² / V · sec. If diamond with such a low carrier mobility is used, a high-speed response of the electron source cannot be expected.

一方、ｎ型ダイヤモンドにおいては、例えば特許文献３に記載のように窒素やリンのドーピング、或いは特許文献４に記載のように硫黄のドーピングが行われる。しかしながら、これらのドーパントは何れも深い不純物準位を形成するため、常温ではキャリアの活性化率が低く、それゆえダイヤモンドの抵抗率が高くなってしまうという問題がある。このような高抵抗のダイヤモンドを用いたのでは、電子源の高い電子放出特性は望めない。また、大きな放出電流密度を得ようとすると電子源における電力の損失が大きくなり、それに伴う発熱によって陰極の寿命が低下してしまう等の難点もある。 On the other hand, n-type diamond is doped with nitrogen or phosphorus as described in Patent Document 3, or sulfur as described in Patent Document 4, for example. However, since all of these dopants form deep impurity levels, there is a problem that the carrier activation rate is low at room temperature, and therefore the resistivity of diamond is high. If such a high resistance diamond is used, high electron emission characteristics of the electron source cannot be expected. Further, when trying to obtain a large emission current density, there is a problem that the power loss in the electron source becomes large and the life of the cathode is reduced due to the heat generated therewith.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高速応答が可能で、且つ高い電子放出特性をもつ電子源及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electron source capable of high-speed response and having high electron emission characteristics, and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するために、本発明による電子源は、半導体材料からなる電子源であって、電子源の電子放出面と半導体材料に電子を供給する電子供給電極との間の電子が通過する経路において、不純物添加領域とノンドープ領域とが隣接している領域を有し、少なくとも１つのノンドープ領域が、不純物添加領域に遮られることなく連続して電子供給電極と電子放出面に接触していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an electron source according to the present invention is an electron source made of a semiconductor material, and electrons pass between an electron emission surface of the electron source and an electron supply electrode that supplies electrons to the semiconductor material. In the path, the doped region and the non-doped region are adjacent to each other, and at least one non-doped region is continuously in contact with the electron supply electrode and the electron emission surface without being blocked by the doped region. It is characterized by that.

この電子源においては、ノンドープ領域が、不純物添加領域に隣接して設けられているとともに、電子放出面に接触している。このため、不純物添加領域に供給されたキャリアは、隣接するノンドープ領域に拡散することにより、高い移動度で電子放出面まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電子源が実現される。 In this electron source, the non-doped region is provided adjacent to the impurity added region and is in contact with the electron emission surface. For this reason, the carriers supplied to the impurity added region can move to the electron emission surface with high mobility by diffusing into the adjacent non-doped region. Therefore, an electron source capable of high-speed electron emission response is realized.

また、不純物添加領域からノンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加ダイヤモンドにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電子源が実現される。 Further, the carrier diffusion rate increases from the impurity doped region to the non-doped region, thereby increasing the carrier activation rate. Thereby, even when the impurity level in the impurity-doped diamond is deep, the resistivity of the cathode substrate is lowered, and therefore, an electron source having high electron emission characteristics is realized.

ノンドープ領域は不純物添加領域に遮られることなく電子供給電極と電子放出面に接していることが望ましいが、不純物のドーピング工程において一部遮られることがある。この際、この不純物添加領域において高い移動度をもったキャリアが減速するため、少なくとも経路の５０％以上に渡ってノンドープ領域は連続していることが望ましい。 It is desirable that the non-doped region is in contact with the electron supply electrode and the electron emission surface without being blocked by the impurity addition region, but may be partially blocked in the impurity doping process. At this time, since carriers having high mobility are decelerated in the impurity added region, it is desirable that the non-doped region is continuous over at least 50% of the path.

カソード基板は、基台部と基台部上に立設された突出部とから構成されてもよい。この場合、特にノンドープ領域が突出部の長さの５０％以上にわたって不純物添加領域に遮られることなく連続していることが望ましい。 The cathode substrate may be composed of a base part and a projecting part standing on the base part. In this case, in particular, it is desirable that the non-doped region is continuous without being blocked by the impurity-added region over 50% of the length of the protruding portion.

不純物添加領域の少なくとも一部、又はノンドープ領域の少なくとも一部が、突出部表面に沿って設けられていることが好適である。特に、ノンドープ領域の界面或いは表面が突出部の表面と平行であることが望ましい。この場合、例えば、不純物添加領域又はノンドープ領域を斜面上にエピタキシャル成長させることにより、基台部から突出部の先端まで連続した不純物添加領域又はノンドープ領域を容易に形成することができる。 It is preferable that at least a part of the impurity added region or at least a part of the non-doped region is provided along the surface of the protruding portion. In particular, it is desirable that the interface or surface of the non-doped region is parallel to the surface of the protrusion. In this case, for example, the impurity-added region or the non-doped region can be easily formed by epitaxially growing the impurity-added region or the non-doped region on the inclined surface from the base portion to the tip of the protruding portion.

不純物添加領域の少なくとも一部が、電子放出面に露出しているか、又は電子放出面から１００ｎｍ以内の距離にあることが好適である。この場合、電子放出面に対して充分にキャリアを供給することができる。 It is preferable that at least a part of the impurity added region is exposed on the electron emission surface or is at a distance within 100 nm from the electron emission surface. In this case, carriers can be sufficiently supplied to the electron emission surface.

不純物添加領域及びノンドープ領域は、交互に積層されていることを特徴としてもよい。この場合、積層する層数を増やすことにより、カソード基板中の総キャリア数を増やすことができる。 The impurity added region and the non-doped region may be alternately stacked. In this case, the total number of carriers in the cathode substrate can be increased by increasing the number of layers to be stacked.

カソード基板に電子を供給する電極を備え、電極は、不純物添加領域とオーミック接合されていることが好適である。この場合、不純物添加領域を通して、電極からノンドープ領域へと効率良くキャリアを供給することができる。 An electrode for supplying electrons to the cathode substrate is preferably provided, and the electrode is preferably in ohmic contact with the impurity-added region. In this case, carriers can be efficiently supplied from the electrode to the non-doped region through the impurity addition region.

２層以上の不純物添加領域と、１層以上のノンドープ領域とが交互に積層され、電極は、２層以上の不純物添加領域とオーミック接合されていることが好適である。この場合、各不純物添加領域及びそれに隣接する複数のノンドープ領域に効率良くキャリアを供給することができる。 It is preferable that two or more impurity doped regions and one or more non-doped regions are alternately stacked, and the electrode is in ohmic contact with the two or more impurity doped regions. In this case, carriers can be efficiently supplied to each impurity added region and a plurality of non-doped regions adjacent thereto.

ノンドープ領域の不純物密度は１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが好適である。この場合、結晶欠陥を充分に小さくすることができ、キャリアの移動度が不純物添加領域に比べ充分高速となる。また、不純物添加領域の不純物密度が１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることが好適である。この場合、カソード基板の総不純物数が高くなるため、カソード基板に充分な導電率を付与することができる。 The impurity density in the non-doped region is preferably 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less. In this case, crystal defects can be sufficiently reduced, and the carrier mobility is sufficiently high compared to the impurity-added region. In addition, it is preferable that the impurity density in the impurity added region is 10 ¹⁹ cm ⁻³ or more. In this case, since the total number of impurities in the cathode substrate increases, sufficient conductivity can be imparted to the cathode substrate.

電子源に用いる半導体材料は、ダイヤモンドが望ましい。これにより、ＮＥＡ特性を有する良好な電子放出特性を得ることができる。 The semiconductor material used for the electron source is preferably diamond. Thereby, good electron emission characteristics having NEA characteristics can be obtained.

不純物添加領域は、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＣｌからなる群より選ばれる１種類以上の元素が不純物として添加されていることを特徴としてもよい。この場合、充分な数の活性なキャリアを得ることができる。 The impurity added region may be characterized in that one or more elements selected from the group consisting of B, N, P, S, Li, As, Se, and Cl are added as impurities. In this case, a sufficient number of active carriers can be obtained.

電子放出面に露出しているダイヤモンドは水素で終端されていることが好適である。ダイヤモンドは、この場合に特に良好なＮＥＡ特性を示し、良好な電子放出性能を得ることができる。 The diamond exposed on the electron emission surface is preferably terminated with hydrogen. In this case, diamond exhibits particularly good NEA characteristics, and good electron emission performance can be obtained.

また、電子源の半導体材料は、ＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮなどのIII−V族半導体であってもよい。この場合にも、ダイヤモンドと同様にＮＥＡ特性を示し、良好な電子放出特性を得ることができる。 The semiconductor material of the electron source may be a III-V group semiconductor such as BN, AlN, GaN. Also in this case, NEA characteristics are exhibited similarly to diamond, and good electron emission characteristics can be obtained.

本発明による電子源の製造方法は、基台部上に突起を形成する工程と、突起の表面に不純物添加領域もしくはノンドープ領域を１層以上気相成長させる工程と、を備えることを特徴とする。 A method of manufacturing an electron source according to the present invention includes a step of forming a protrusion on a base portion and a step of vapor-phase-growing one or more impurity-doped regions or non-doped regions on the surface of the protrusion. .

この製造方法により、従来のように半導体基板に事前にドーピング領域を形成する場合と比べて、電子源近傍の複雑な３次元構造でも容易に電子供給電極から電子放出面まで連続するノンドープ領域を形成することができる。したがって、この製造方法によれば、基台部と突出部とから構成されたカソード基板を備える電子源を容易に製造することができる。 By this manufacturing method, a continuous non-doped region from the electron supply electrode to the electron emission surface can be easily formed even in a complicated three-dimensional structure in the vicinity of the electron source, compared to the case where a doping region is previously formed on a semiconductor substrate as in the prior art. can do. Therefore, according to this manufacturing method, it is possible to easily manufacture an electron source including a cathode substrate composed of a base portion and a protruding portion.

本発明によれば、高速応答が可能で、且つ高い電子放出特性をもつ電子源及びその製造方法を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an electron source capable of high-speed response and having high electron emission characteristics and a method for manufacturing the same.

以下、図面とともに本発明による電子源、及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of an electron source and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

図１〜図３を参照しつつ、本発明による電子源の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電界放射型冷陰極１を示す正面端面図である。図２は、図１に示す電界放射型冷陰極１のII−II線に沿った側面端面図である。図３は、電界放射型冷陰極１を示す平面図である。 A first embodiment of an electron source according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a front end view showing a field emission cold cathode 1 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side end view along the line II-II of the field emission cold cathode 1 shown in FIG. FIG. 3 is a plan view showing the field emission cold cathode 1.

図１に示すように、電界放射型冷陰極１は、カソード基板１０、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えており、カソード基板１０表面の電子放出面Ｓ１から電子を放出させるものである。カソード基板１０は、ダイヤモンド基板１２、不純物添加層１４ａ（不純物添加領域）、及びノンドープ層１４ｂ（ノンドープ領域）を有する。ダイヤモンド基板１２としては、天然のダイヤモンドを用いてもよいし、高温高圧合成又は気相合成法により作製したものを用いてもよい。 As shown in FIG. 1, the field emission cold cathode 1 includes a cathode substrate 10, an insulating layer 94, and a gate electrode 96, and emits electrons from an electron emission surface S <b> 1 on the surface of the cathode substrate 10. The cathode substrate 10 includes a diamond substrate 12, an impurity addition layer 14a (impurity addition region), and a non-doped layer 14b (non-doped region). As the diamond substrate 12, natural diamond may be used, or a diamond substrate produced by high-temperature and high-pressure synthesis or gas phase synthesis may be used.

ダイヤモンド基板１２上には、不純物添加層１４ａが形成されている。不純物添加層１４ａは、不純物が添加された不純物添加ダイヤモンドからなる。例えば、不純物添加層１４ａは、ジボランＢ₂Ｈ₆又はホスフィンＰＨ₃等を雰囲気ガスに添加しながらエピタキシャル成長させることにより形成することができる。或いは、不純物添加層１４ａは、イオン注入法により形成してもよい。不純物添加層１４ａに添加する不純物としては、例えば、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＣｌ等を用いることができる。なお、これらの不純物は、１種類だけ添加してもよいし、２種類以上添加してもよい。また、不純物添加層１４ａの不純物密度は、１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることが望ましい。 On the diamond substrate 12, an impurity-added layer 14a is formed. The impurity-added layer 14a is made of impurity-added diamond to which impurities are added. For example, the impurity-added layer 14a can be formed by epitaxial growth while adding diborane B ₂ H ₆ or phosphine PH ₃ or the like to the atmospheric gas. Alternatively, the impurity addition layer 14a may be formed by an ion implantation method. As the impurity added to the impurity addition layer 14a, for example, B, N, P, S, Li, As, Se, Cl, or the like can be used. Note that only one kind of these impurities may be added, or two or more kinds thereof may be added. The impurity density of the impurity addition layer 14a is desirably 10 ¹⁹ cm ⁻³ or more.

また、ダイヤモンド基板１２上には、ノンドープ層１４ｂも形成されている。ノンドープ層１４ｂは、不純物が実質的に添加されていないノンドープダイヤモンドからなる。ノンドープ層１４ｂは、断面矩形状をしており、一方向（図１では紙面に垂直な方向）に延びている。ダイヤモンド基板１２上においては、複数のノンドープ層１４ｂが所定の間隔で互いに並行して設けられており、ノンドープ層１４ｂ以外の部分に不純物添加層１４ａが設けられている。これにより、不純物添加層１４ａとノンドープ層１４ｂとは、互いに隣接し、ともにカソード基板１０の電子放出面Ｓ１に露出している。なお、ノンドープ層１４ｂの不純物密度は、１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが望ましい。また、電子放出面Ｓ１に露出しているノンドープ層１４ｂの表面は、水素で終端することが望ましい。 A non-doped layer 14b is also formed on the diamond substrate 12. The non-doped layer 14b is made of non-doped diamond to which impurities are not substantially added. The non-doped layer 14b has a rectangular cross section and extends in one direction (a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1). On the diamond substrate 12, a plurality of non-doped layers 14b are provided in parallel with each other at a predetermined interval, and an impurity addition layer 14a is provided in a portion other than the non-doped layer 14b. Thereby, the impurity-added layer 14 a and the non-doped layer 14 b are adjacent to each other and are both exposed to the electron emission surface S 1 of the cathode substrate 10. The impurity density of the non-doped layer 14b is desirably 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less. The surface of the non-doped layer 14b exposed at the electron emission surface S1 is preferably terminated with hydrogen.

図２に示すように、電界放射型冷陰極１は、電子供給電極９２を備えている。電子供給電極９２は、カソード基板１０上の電子放出面Ｓ１以外の一部に設けられており、各不純物添加層１４ａとオーミック接合されている。この電子供給電極９２は、カソード基板１０に電子を供給するための電極である。電子供給電極９２としては、例えばグラファイトやＴｉ電極などを用いることができる。 As shown in FIG. 2, the field emission cold cathode 1 includes an electron supply electrode 92. The electron supply electrode 92 is provided in a part other than the electron emission surface S1 on the cathode substrate 10, and is in ohmic contact with each impurity-added layer 14a. The electron supply electrode 92 is an electrode for supplying electrons to the cathode substrate 10. As the electron supply electrode 92, for example, a graphite or Ti electrode can be used.

カソード基板１０上には、絶縁層９４が形成されている。絶縁層９４は、電子放出面Ｓ１を包囲するように、カソード基板１０の外周に沿って設けられている。この絶縁層９４は、電子供給電極９２とゲート電極９６との間における電位差を確保するためのものである。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。ゲート電極９６は、電子供給電極９２との間に電圧を印加するための電極である。電子供給電極９２とゲート電極９６との間に電圧を印加することにより、電子放出面Ｓ１に電界が発生し、電子放出面Ｓ１から電子が放出される。 An insulating layer 94 is formed on the cathode substrate 10. The insulating layer 94 is provided along the outer periphery of the cathode substrate 10 so as to surround the electron emission surface S1. The insulating layer 94 is for securing a potential difference between the electron supply electrode 92 and the gate electrode 96. A gate electrode 96 is formed on the insulating layer 94. The gate electrode 96 is an electrode for applying a voltage between the electron supply electrode 92. By applying a voltage between the electron supply electrode 92 and the gate electrode 96, an electric field is generated on the electron emission surface S1, and electrons are emitted from the electron emission surface S1.

また、図３の平面図に示すように、電界放射型冷陰極１を電子放出面Ｓ１側から見ると、電子放出面Ｓ１において、不純物添加層１４ａとノンドープ層１４ｂとが交互にストライプ状をなしている様子がわかる。 Further, as shown in the plan view of FIG. 3, when the field emission type cold cathode 1 is viewed from the electron emission surface S1, the impurity-added layer 14a and the non-doped layer 14b are alternately formed in stripes on the electron emission surface S1. You can see how it is.

電界放射型冷陰極１の効果について説明する。電界放射型冷陰極１においては、ノンドープ層１４ｂが、不純物添加層１４ａに隣接して設けられているとともに、電子供給電極９２から電子放出面Ｓ１まで連続して、両者に接触している。このため、電子供給電極９２及び不純物添加層１４ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層１４ｂに拡散することにより、高い移動度で電子放出面Ｓ１まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極１が実現されている。 The effect of the field emission cold cathode 1 will be described. In the field emission cold cathode 1, the non-doped layer 14 b is provided adjacent to the impurity addition layer 14 a and is continuously in contact from the electron supply electrode 92 to the electron emission surface S 1. Therefore, the carriers supplied to the electron supply electrode 92 and the impurity addition layer 14a can move to the electron emission surface S1 with high mobility by diffusing into the adjacent non-doped layer 14b. Therefore, the field emission type cold cathode 1 capable of high-speed electron emission response is realized.

また、不純物添加層１４ａからノンドープ層１４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層１４ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板１０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極１が実現される。また、カソード基板１０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極１の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極１が実現される。 Further, carriers are diffused from the impurity-added layer 14a into the non-doped layer 14b, so that the carrier activation rate is increased. Thereby, even when the impurity level in the impurity-added layer 14a is deep, the resistivity of the cathode substrate 10 is lowered, and thus the field emission cold cathode 1 having high electron emission characteristics is realized. Further, if the resistivity of the cathode substrate 10 is low, the power loss of the field emission type cold cathode 1 becomes small, and hence the amount of heat generated due to the power loss can be suppressed. Therefore, the field emission cold cathode 1 having a long lifetime is realized.

また、電子供給電極９２が不純物添加層１４ａとオーミック接合されている。このため、不純物添加層１４ａを通して、電子供給電極９２からノンドープ層１４ｂへと効率良くキャリアを供給することができる。 Further, the electron supply electrode 92 is in ohmic contact with the impurity-added layer 14a. Therefore, carriers can be efficiently supplied from the electron supply electrode 92 to the non-doped layer 14b through the impurity addition layer 14a.

また、ノンドープ層１４ｂの不純物密度が１０¹⁷ｃｍ^-3以下である場合、ダイヤモンドとしての結晶欠陥を充分に小さくすることができる。これにより、不純物散乱等によるキャリア移動度の低下が抑制され、１０００ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ以上の移動度が得られる。一方、不純物添加層１４ａの不純物密度を１０¹⁹ｃｍ^-3以上とした場合、カソード基板１０に充分な導電率を付与することができる。 Further, when the impurity density of the non-doped layer 14b is 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less, crystal defects as diamond can be sufficiently reduced. Thereby, a decrease in carrier mobility due to impurity scattering or the like is suppressed, and a mobility of 1000 cm ² / V · sec or more is obtained. On the other hand, when the impurity density of the impurity-added layer 14a is 10 ¹⁹ cm ⁻³ or more, sufficient conductivity can be imparted to the cathode substrate 10.

また、電子放出面Ｓ１に露出しているノンドープ層１４ｂの表面を水素で終端した場合、ノンドープ層１４ｂは良好なＮＥＡ特性を示す。これにより、電界放射型冷陰極１の電子放出特性も良好となる。 Further, when the surface of the non-doped layer 14b exposed at the electron emission surface S1 is terminated with hydrogen, the non-doped layer 14b exhibits good NEA characteristics. Thereby, the electron emission characteristics of the field emission type cold cathode 1 are also improved.

また、不純物添加層１４ａに添加する不純物を、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、又はＣｌとした場合、充分な数の活性キャリアを得ることができる。さらに、これらの元素を２種類以上同時にドーピングすることにより、ダイヤモンド中における不純物の固溶度を増加させたり、不純物準位を所望に変化させたりすることが可能となる。 Moreover, when the impurity added to the impurity addition layer 14a is B, N, P, S, Li, As, Se, or Cl, a sufficient number of active carriers can be obtained. Further, by simultaneously doping two or more of these elements, it is possible to increase the solid solubility of impurities in diamond or to change the impurity levels as desired.

図４は、本発明の第２実施形態に係る電界放射型冷陰極２を示す端面図である。電界放射型冷陰極２は、カソード基板２０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板２０は、基台部２０ａと、基台部２０ａ上に立設された突出部２０ｂとから構成されている。突出部２０ｂは、尖鋭な先端をもつ円錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ２となる。 FIG. 4 is an end view showing the field emission cold cathode 2 according to the second embodiment of the present invention. The field emission cold cathode 2 includes a cathode substrate 20, an electron supply electrode 92, an insulating layer 94, and a gate electrode 96. The cathode substrate 20 is composed of a base part 20a and a protruding part 20b erected on the base part 20a. The protruding portion 20b has a conical shape with a sharp tip, and the surface thereof becomes the electron emission surface S2.

また、カソード基板２０は、ダイヤモンド基板２２、不純物添加層２４ａ、及びノンドープ層２４ｂを有する。不純物添加層２４ａ及びノンドープ層２４ｂは、突出部２０ｂにおいて交互に積層されており、互いに隣接している。積層方向は図中の左右方向であり、各層２４ａ，２４ｂは基台部２０ａ側から突出部２０ｂ側へと延びている。具体的には、これらの不純物添加層２４ａ及びノンドープ層２４ｂは、ともに基台部２０ａの底面（突出部２０ｂと反対側の面）から電子放出面Ｓ２まで連続して設けられている。すなわち、これらの層２４ａ，２４ｂは、ともに一端が基台部２０ａの底面に露出し、他端が電子放出面Ｓ２に露出している。 The cathode substrate 20 includes a diamond substrate 22, an impurity addition layer 24a, and a non-doped layer 24b. The impurity-added layers 24a and the non-doped layers 24b are alternately stacked at the protruding portions 20b and are adjacent to each other. The stacking direction is the left-right direction in the figure, and each layer 24a, 24b extends from the base portion 20a side to the protruding portion 20b side. Specifically, both the impurity-added layer 24a and the non-doped layer 24b are continuously provided from the bottom surface of the base portion 20a (surface opposite to the protruding portion 20b) to the electron emission surface S2. That is, one end of each of the layers 24a and 24b is exposed on the bottom surface of the base portion 20a, and the other end is exposed on the electron emission surface S2.

基台部２０ａの底面には、電極９２が形成されている。この電極９２は、不純物添加層２４ａとオーミック接合されている。また、基台部２０ａの上面（突出部２０ｂが設けられている側の面）には、突出部２０ｂを包囲するように、絶縁層９４が形成されている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。 An electrode 92 is formed on the bottom surface of the base portion 20a. The electrode 92 is in ohmic contact with the impurity addition layer 24a. Further, an insulating layer 94 is formed on the upper surface of the base portion 20a (the surface on the side where the protruding portion 20b is provided) so as to surround the protruding portion 20b. A gate electrode 96 is formed on the insulating layer 94.

電界放射型冷陰極２の効果について説明する。電界放射型冷陰極２においては、ノンドープ層２４ｂが、不純物添加層２４ａに隣接して設けられているとともに、電子供給電極９２から電子放出面Ｓ２まで連続して、両者に接触している。このため、電子供給電極９２及び不純物添加層２４ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層２４ｂに拡散することにより、高い移動度で電子放出面Ｓ２まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極２が実現されている。 The effect of the field emission cold cathode 2 will be described. In the field emission cold cathode 2, the non-doped layer 24 b is provided adjacent to the impurity addition layer 24 a and is continuously in contact with both from the electron supply electrode 92 to the electron emission surface S 2. Therefore, carriers supplied to the electron supply electrode 92 and the impurity addition layer 24a can move to the electron emission surface S2 with high mobility by diffusing into the adjacent non-doped layer 24b. Therefore, the field emission type cold cathode 2 capable of high-speed electron emission response is realized.

また、不純物添加層２４ａからノンドープ層２４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層２４ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板２０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極２が実現される。また、カソード基板２０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極２の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極２が実現される。 Further, carriers are diffused from the impurity-added layer 24a into the non-doped layer 24b, so that the carrier activation rate is increased. Thereby, even when the impurity level in the impurity addition layer 24a is deep, the resistivity of the cathode substrate 20 is lowered, and hence the field emission cold cathode 2 having high electron emission characteristics is realized. Further, if the resistivity of the cathode substrate 20 is low, the power loss of the field emission type cold cathode 2 is reduced, and therefore the amount of heat generated due to the power loss can be suppressed. Therefore, the field emission cold cathode 2 having a long lifetime is realized.

図５は、本発明の第３実施形態に係る電界放射型冷陰極３を示す端面図である。電界放射型冷陰極３は、カソード基板３０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板３０は、基台部３０ａと、基台部３０ａ上に立設された突出部３０ｂとから構成されている。突出部３０ｂは、四角錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ３となる。この四角錐は、一側面が基台部３０ａ表面に対して垂直となっている。 FIG. 5 is an end view showing a field emission cold cathode 3 according to the third embodiment of the present invention. The field emission cold cathode 3 includes a cathode substrate 30, an electron supply electrode 92, an insulating layer 94, and a gate electrode 96. The cathode substrate 30 is composed of a base portion 30a and a protruding portion 30b standing on the base portion 30a. The protrusion 30b has a quadrangular pyramid shape, and the surface thereof becomes the electron emission surface S3. One side surface of this quadrangular pyramid is perpendicular to the surface of the base part 30a.

また、カソード基板３０は、ダイヤモンド基板３２、不純物添加層３４ａ、及びノンドープ層３４ｂを有する。不純物添加層３４ａは、突出部３０ｂの斜面に沿って形成されている。一方、ノンドープ層３４ｂは、ダイヤモンド基板３２上に形成され、ダイヤモンド基板３２と反対側の面上には、一側面が基台部３０ａ表面に対して垂直な四角錐状の突起３３が形成されている。この突起３３、及び突起３３の斜面上に形成された不純物添加層３４ａが、突出部３０ｂを構成している。また、不純物添加層３４ａは、基台部３０ａから突出部３０ｂ先端まで連続して形成されている。 The cathode substrate 30 includes a diamond substrate 32, an impurity addition layer 34a, and a non-doped layer 34b. The impurity addition layer 34a is formed along the slope of the protrusion 30b. On the other hand, the non-doped layer 34 b is formed on the diamond substrate 32, and on the surface opposite to the diamond substrate 32, a quadrangular pyramidal protrusion 33 whose one side surface is perpendicular to the surface of the base portion 30 a is formed. Yes. The protrusion 33 and the impurity-added layer 34a formed on the slope of the protrusion 33 constitute a protrusion 30b. The impurity addition layer 34a is continuously formed from the base portion 30a to the tip of the protruding portion 30b.

また、カソード基板３０の基台部３０ａ上には、電子供給電極９２が形成されている。この電子供給電極９２は、不純物添加層３４ａとオーミック接合されている。また、基台部３０ａ上には、突出部３０ｂを包囲するようにして絶縁層９４が形成されている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。 An electron supply electrode 92 is formed on the base portion 30 a of the cathode substrate 30. The electron supply electrode 92 is in ohmic contact with the impurity addition layer 34a. In addition, an insulating layer 94 is formed on the base portion 30a so as to surround the protruding portion 30b. A gate electrode 96 is formed on the insulating layer 94.

電界放射型冷陰極３の効果について説明する。電界放射型冷陰極３においては、ノンドープ層３４ｂが、不純物添加層３４ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ３に露出している。この場合、電子供給電極９２とノンドープ層３４ｂは直接接触していないが、基台部３０ａから電子放出面Ｓ３の先端まで連続しているため、電子供給電極９２から不純物添加層３４ａを通して拡散したキャリアは、その経路の大半をノンドープ領域３４ｂを通って高速に電子放出面Ｓ３に到達できる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極３が実現されている。 The effect of the field emission cold cathode 3 will be described. In the field emission cold cathode 3, the non-doped layer 34b is provided adjacent to the impurity-added layer 34a and exposed to the electron emission surface S3. In this case, the electron supply electrode 92 and the non-doped layer 34b are not in direct contact, but are continuous from the base portion 30a to the tip of the electron emission surface S3. Therefore, carriers diffused from the electron supply electrode 92 through the impurity addition layer 34a. Can reach the electron emission surface S3 at high speed through the non-doped region 34b in most of the path. Therefore, the field emission type cold cathode 3 capable of high-speed electron emission response is realized.

また、不純物添加層３４ａからノンドープ層３４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層３４ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板３０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極３が実現される。また、カソード基板３０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極３の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極３が実現される。 Further, carriers are diffused from the impurity-added layer 34a to the non-doped layer 34b, so that the carrier activation rate is increased. Thereby, even when the impurity level in the impurity addition layer 34a is deep, the resistivity of the cathode substrate 30 is lowered, and therefore the field emission cold cathode 3 having high electron emission characteristics is realized. Further, if the resistivity of the cathode substrate 30 is low, the power loss of the field emission type cold cathode 3 becomes small, and therefore the amount of heat generated due to the power loss can be suppressed. Therefore, the field emission cold cathode 3 having a long lifetime is realized.

また、不純物添加層３４ａが突出部３０ｂの斜面方向に沿って形成されている。この不純物添加層３４ａは、例えば、突起３３の斜面を利用して、斜面と平行にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。このため、基台部３０ａから突出部３０ｂの先端まで連続した不純物添加層３４ａを形成することが容易となる。また、このように不純物添加層３４ａを基台部３０ａから突出部３０ｂ先端まで連続して設けることにより、キャリアを突出部３０ｂの先端まで充分に供給することができる。 Moreover, the impurity addition layer 34a is formed along the slope direction of the protrusion 30b. The impurity-added layer 34a can be formed, for example, by epitaxial growth using the slope of the protrusion 33 in parallel with the slope. For this reason, it becomes easy to form the impurity addition layer 34a which continues from the base part 30a to the front-end | tip of the protrusion part 30b. Further, by providing the impurity added layer 34a continuously from the base portion 30a to the tip of the protruding portion 30b, the carrier can be sufficiently supplied to the tip of the protruding portion 30b.

図６（ａ）〜図６（ｃ）及び図７（ａ）〜図７（ｃ）を用いて、本発明による電界放射型冷陰極を製造する方法の一例を説明する。まず、Ｉｂ型ダイヤモンド単結晶基板３２を準備し、この基板３２の（１００）面上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりノンドープ層３５を１０μｍ形成した（図６（ａ））。次に、ノンドープ層３５上にＡｌのメタルマスク（図示せず）を形成した後、ＲＩＥ法を用いたドライエッチングにより四角柱状の突起３５ａを形成した。（図６（ｂ））。次に、四角柱状突起３５ａに対して、Ｈ₂及びＣＯ₂の混合ガスによるプラズマエッチングを行い、四角錐状の突起３５ｂを形成した。ここで、突起３５ｂの斜面が（１１１）面となるようにした（図６（ｃ））。 An example of a method for manufacturing a field emission cold cathode according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (c) and FIGS. 7 (a) to 7 (c). First, an Ib-type diamond single crystal substrate 32 was prepared, and a 10 μm non-doped layer 35 was formed on the (100) surface of the substrate 32 by a microwave plasma CVD method (FIG. 6A). Next, an Al metal mask (not shown) was formed on the non-doped layer 35, and then a square columnar protrusion 35a was formed by dry etching using the RIE method. (FIG. 6B). Next, plasma etching with a mixed gas of H ₂ and CO ₂ was performed on the square columnar protrusion 35a to form a quadrangular pyramidal protrusion 35b. Here, the inclined surface of the protrusion 35b was set to the (111) plane (FIG. 6C).

次に、ＡｌマスクとＲＩＥ法を用いたドライエッチングを再び用い、四角錐状突起３５ｂの一部（図中における左側半分）を除去し、一側面がノンドープ層３５表面に垂直な四角錐状突起３５ｃを形成した。これにより、突起３５ｃの斜面だけが（１１１）面となり、ノンドープ層３５の他の面は（１００）面となった。（図７（ａ））。次に、Ｈ₂、ＣＨ₄、及びＰＨ₃ガスを用いて、ノンドープ層３５上にダイヤモンドをエピタキシャル成長させた。これにより、（１１１）面である突起３５ｃ斜面上に成長した層にだけリンがドーピングされて、不純物添加層３６ａが形成された。一方、突起３５ｃ斜面以外の部分に成長した層にはリンがドーピングされず、ノンドープ層３６ｂ，３６ｃが形成された（図７（ｂ））。次に、ノンドープ層３６ｃと不純物添加層３６ａの一部にＡｒイオンを注入してグラファイト電極を形成した後、加熱しながらＴｉ電極９２をノンドープ層３６ｂの一部に成膜し、不純物添加層３６ａとオーミック接合させた。最後に、絶縁層９４及びゲート電極９６をそれぞれ所定の位置に形成し、電界放射型冷陰極を得た（図７（ｃ））。ここで、ノンドープ層３５，３６ｂが図５のノンドープ層３４ｂに対応し、不純物添加層３６ａが図５の不純物添加層に対応する。 Next, dry etching using the Al mask and the RIE method is used again to remove a part of the quadrangular pyramidal projection 35b (the left half in the figure), and the quadrangular pyramidal projection whose one side surface is perpendicular to the surface of the non-doped layer 35. 35c was formed. Thereby, only the slope of the protrusion 35c became the (111) plane, and the other surface of the non-doped layer 35 became the (100) plane. (FIG. 7A). Next, diamond was epitaxially grown on the non-doped layer 35 using H ₂ , CH ₄ , and PH ₃ gas. As a result, phosphorus was doped only in the layer grown on the slope of the protrusion 35c that is the (111) plane, and the impurity-added layer 36a was formed. On the other hand, the layer grown on the portion other than the slope of the protrusion 35c was not doped with phosphorus, and non-doped layers 36b and 36c were formed (FIG. 7B). Next, after Ar ions are implanted into a part of the non-doped layer 36c and the impurity-added layer 36a to form a graphite electrode, a Ti electrode 92 is formed on a part of the non-doped layer 36b while heating, and the impurity-added layer 36a. And ohmic bonding. Finally, an insulating layer 94 and a gate electrode 96 were formed at predetermined positions, respectively, to obtain a field emission type cold cathode (FIG. 7C). Here, the non-doped layers 35 and 36b correspond to the non-doped layer 34b in FIG. 5, and the impurity-added layer 36a corresponds to the impurity-added layer in FIG.

この製造方法においては、ノンドープ層３５に突起３５ｃを形成し、その突起３５ｃ表面に不純物添加層３６ａをエピタキシャル成長により形成している。これにより、突起３５ｃの表面において、ノンドープ層３５と不純物添加層３６ａとが隣接する構造が実現されている。また、不純物添加層３６ａは、突起３５ｃ表面のうち斜面部分にのみ形成されているため、突出部表面の一部にノンドープ層３６ｂが露出した構造も実現されている。したがって、この製造方法によれば、図５に示す電界放射型冷陰極３を容易に製造することができる。 In this manufacturing method, the protrusion 35c is formed on the non-doped layer 35, and the impurity added layer 36a is formed on the surface of the protrusion 35c by epitaxial growth. Thereby, a structure in which the non-doped layer 35 and the impurity added layer 36a are adjacent to each other on the surface of the protrusion 35c is realized. Further, since the impurity-added layer 36a is formed only on the slope portion of the surface of the protrusion 35c, a structure in which the non-doped layer 36b is exposed on a part of the surface of the protruding portion is also realized. Therefore, according to this manufacturing method, the field emission cold cathode 3 shown in FIG. 5 can be easily manufactured.

ところで、リン等のｎ型ドーパントは、ダイヤモンドの（１１１）面に成長するエピタキシャル層には効率良くドープされる一方、（１００）面に成長するエピタキシャル層には実質的にドープされないという性質がある。したがって、突起３５ｃの斜面を（１１１）面とし、その他の部分を（１００）面とすることにより、突起３５ｃの斜面にのみ選択的に不純物添加層３６ａを形成することができる。なお、不純物添加層ではなくノンドープ層を突起上にエピタキシャル成長させる構成としてもよい。この場合は、ノンドープ層３５の代わりに不純物添加層を基板３２上に形成する。 By the way, n-type dopants such as phosphorus have the property that the epitaxial layer grown on the (111) plane of diamond is efficiently doped while the epitaxial layer grown on the (100) plane is not substantially doped. . Therefore, the impurity added layer 36a can be selectively formed only on the slope of the projection 35c by setting the slope of the projection 35c to the (111) plane and the other portion to the (100) plane. Note that not the impurity-added layer but the non-doped layer may be epitaxially grown on the protrusion. In this case, an impurity addition layer is formed on the substrate 32 instead of the non-doped layer 35.

図８は、本発明の第４実施形態に係る電界放射型冷陰極４を示す端面図である。電界放射型冷陰極４は、カソード基板４０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板４０は、基台部４０ａと、基台部４０ａ上に立設された突出部４０ｂとから構成されている。突出部４０ｂは、四角錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ４となる。この四角錐は、一側面が基台部４０ａ表面に対して垂直となっている。 FIG. 8 is an end view showing a field emission cold cathode 4 according to the fourth embodiment of the present invention. The field emission cold cathode 4 includes a cathode substrate 40, an electron supply electrode 92, an insulating layer 94, and a gate electrode 96. The cathode substrate 40 includes a base portion 40a and a protruding portion 40b that stands on the base portion 40a. The protrusion 40b has a quadrangular pyramid shape, and the surface thereof becomes the electron emission surface S4. One side surface of the quadrangular pyramid is perpendicular to the surface of the base portion 40a.

また、カソード基板４０は、ダイヤモンド基板４２、ノンドープ層４４、不純物添加層４６ａ、及びノンドープ層４６ｂを有する。ダイヤモンド基板４２上にノンドープ層４４が形成されている。ノンドープ層４４のダイヤモンド基板４２と反対側の面上には、突起４４ａが形成されている。この突起４４ａは、一側面が基台部４０ａ表面に対して垂直な四角錐状をしている。突起４４ａの斜面上には、３層の不純物添加層４６ａと、２層のノンドープ層４６ｂとが交互に積層されている。これらの不純物添加層４６ａ及びノンドープ層４６ｂは、突起４４ａの斜面上に順次エピタキシャル成長させることにより形成することができる。 The cathode substrate 40 includes a diamond substrate 42, a non-doped layer 44, an impurity addition layer 46a, and a non-doped layer 46b. A non-doped layer 44 is formed on the diamond substrate 42. A protrusion 44 a is formed on the surface of the non-doped layer 44 opposite to the diamond substrate 42. The protrusion 44a has a quadrangular pyramid shape with one side surface perpendicular to the surface of the base portion 40a. On the slope of the protrusion 44a, three impurity-added layers 46a and two non-doped layers 46b are alternately stacked. The impurity added layer 46a and the non-doped layer 46b can be formed by sequentially epitaxially growing on the slope of the protrusion 44a.

また、カソード基板４０の基台部４０ａ上には、電子供給電極９２が形成されている。この電子供給電極９２は、不純物添加層４６ａとオーミック接合されている。また、基台部４０ａ上には、絶縁層９４が形成されている。この絶縁層９４は、突出部４０ｂを包囲するようにして設けられている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。 An electron supply electrode 92 is formed on the base portion 40 a of the cathode substrate 40. The electron supply electrode 92 is in ohmic contact with the impurity-added layer 46a. An insulating layer 94 is formed on the base portion 40a. The insulating layer 94 is provided so as to surround the protruding portion 40b. A gate electrode 96 is formed on the insulating layer 94.

電界放射型冷陰極４の効果について説明する。電界放射型冷陰極４においては、ノンドープ層４４，４６ｂが、不純物添加層４６ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ４に露出している。このため、不純物添加層４６ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層４４，４６ｂに拡散することにより、経路の大半を高い移動度で電子放出面Ｓ４まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極４が実現されている。 The effect of the field emission cold cathode 4 will be described. In the field emission cold cathode 4, the non-doped layers 44 and 46b are provided adjacent to the impurity-added layer 46a and exposed to the electron emission surface S4. For this reason, carriers supplied to the impurity-added layer 46a can move to the electron emission surface S4 with a high mobility by diffusing into the adjacent non-doped layers 44 and 46b. Therefore, the field emission type cold cathode 4 capable of high-speed electron emission response is realized.

また、不純物添加層４６ａからノンドープ層４４，４６ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層４６ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板４０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極４が実現される。また、カソード基板４０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極４の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極４が実現される。 In addition, carriers are diffused from the impurity-added layer 46a into the non-doped layers 44 and 46b, thereby increasing the carrier activation rate. Thereby, even when the impurity level in the impurity-added layer 46a is deep, the resistivity of the cathode substrate 40 is lowered, and hence the field emission cold cathode 4 having high electron emission characteristics is realized. Further, if the resistivity of the cathode substrate 40 is low, the power loss of the field emission type cold cathode 4 is reduced, and therefore the amount of heat generated due to the power loss can be suppressed. Therefore, the field emission cold cathode 4 having a long lifetime is realized.

また、カソード基板４０においては、不純物添加層４６ａとノンドープ層４６ｂとが交互に複数積層されているため、充分な総キャリア数を得ることができる。このため、カソード基板４０の導電率が高くなり、それゆえ電界放射型冷陰極４の電子放出特性をより向上させることができる。 Further, in the cathode substrate 40, since a plurality of impurity-added layers 46a and non-doped layers 46b are alternately stacked, a sufficient total number of carriers can be obtained. For this reason, the conductivity of the cathode substrate 40 is increased, and therefore the electron emission characteristics of the field emission cold cathode 4 can be further improved.

図９は、図８に示す電界放射型冷陰極４の変形例を示す端面図である。電界放射型冷陰極４ａは、カソード基板４０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている点で電界放射型冷陰極４と同様である。一方で、電界放射型冷陰極４ａは、不純物添加層４６ａ及びノンドープ層４６ｂのうち基台部４０ａ表面付近の一部４８がグラファイト化されている点で、電界放射型冷陰極４と相違する。このグラファイト化は、例えば、Ａｒイオン等によるイオン注入によって行うことができる。これにより、電極９２が複数の不純物添加層４６ａとオーミック接合されるため、各不純物添加層４６ａ及びそれに隣接する複数のノンドープ層４６ｂに効率良くキャリアを供給することができる。したがって、電界放射型冷陰極４のように電極９２が最表面の不純物添加層４６ａにのみオーミック接合されている場合に比して、より高い電子放出特性が得られる。 FIG. 9 is an end view showing a modification of the field emission cold cathode 4 shown in FIG. The field emission cold cathode 4 a is the same as the field emission cold cathode 4 in that it includes a cathode substrate 40, an electron supply electrode 92, an insulating layer 94, and a gate electrode 96. On the other hand, the field emission cold cathode 4a is different from the field emission cold cathode 4 in that a portion 48 of the impurity added layer 46a and the non-doped layer 46b near the surface of the base portion 40a is graphitized. This graphitization can be performed, for example, by ion implantation with Ar ions or the like. Accordingly, since the electrode 92 is in ohmic contact with the plurality of impurity-added layers 46a, carriers can be efficiently supplied to each impurity-added layer 46a and the plurality of non-doped layers 46b adjacent thereto. Therefore, higher electron emission characteristics can be obtained as compared with the case where the electrode 92 is in ohmic contact only with the outermost impurity doped layer 46a as in the field emission type cold cathode 4.

図１０は、本発明の第５実施形態に係る電界放射型冷陰極５を示す端面図である。電界放射型冷陰極５は、カソード基板５０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板５０は、基台部５０ａと、基台部５０ａ上に立設された突出部５０ｂとから構成されている。突出部５０ｂは、四角錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ５となる。また、カソード基板５０は、ダイヤモンド基板５２、不純物添加層５４ａ、及びノンドープ層５４ｂを有する。ダイヤモンド基板５２は、その表面に四角錐状の突起５２ａを有する。突起５２ａの斜面上には、ノンドープ層５４ｂ、不純物添加層５４ａ、及びノンドープ層５４ｂが順に積層されている。これらの不純物添加層５４ａ及びノンドープ層５４ｂは、例えばエピタキシャル成長により形成することができる。 FIG. 10 is an end view showing a field emission cold cathode 5 according to the fifth embodiment of the present invention. The field emission cold cathode 5 includes a cathode substrate 50, an electron supply electrode 92, an insulating layer 94, and a gate electrode 96. The cathode substrate 50 is composed of a base part 50a and a protruding part 50b erected on the base part 50a. The protrusion 50b has a quadrangular pyramid shape, and the surface thereof is an electron emission surface S5. The cathode substrate 50 includes a diamond substrate 52, an impurity addition layer 54a, and a non-doped layer 54b. The diamond substrate 52 has a quadrangular pyramidal projection 52a on its surface. On the slope of the protrusion 52a, a non-doped layer 54b, an impurity addition layer 54a, and a non-doped layer 54b are sequentially stacked. The impurity added layer 54a and the non-doped layer 54b can be formed by, for example, epitaxial growth.

また、不純物添加層５４ａ上には、電子供給電極９２が形成されている。この電子供給電極９２は、不純物添加層５４ａとオーミック接合されている。また、カソード基板５０上には、絶縁層９４が形成されている。この絶縁層９４は、突出部５０ｂを包囲するようにして設けられている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。 An electron supply electrode 92 is formed on the impurity addition layer 54a. The electron supply electrode 92 is in ohmic contact with the impurity addition layer 54a. An insulating layer 94 is formed on the cathode substrate 50. The insulating layer 94 is provided so as to surround the protruding portion 50b. A gate electrode 96 is formed on the insulating layer 94.

電界放射型冷陰極５の効果について説明する。電界放射型冷陰極５においては、ノンドープ層５４ｂが、不純物添加層５４ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ５に露出している。このため、不純物添加層５４ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層５４ｂに拡散することにより、高い移動度で電子放出面Ｓ５まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極５が実現されている。 The effect of the field emission cold cathode 5 will be described. In the field emission cold cathode 5, the non-doped layer 54b is provided adjacent to the impurity-added layer 54a and exposed to the electron emission surface S5. Therefore, the carriers supplied to the impurity addition layer 54a can move to the electron emission surface S5 with high mobility by diffusing into the adjacent non-doped layer 54b. Therefore, the field emission type cold cathode 5 capable of high-speed electron emission response is realized.

また、不純物添加層５４ａからノンドープ層５４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層４６ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板５０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極５が実現される。また、カソード基板５０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極５の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極５が実現される。 In addition, carrier diffusion from the impurity-added layer 54a to the non-doped layer 54b increases the carrier activation rate. Thereby, even when the impurity level in the impurity-added layer 46a is deep, the resistivity of the cathode substrate 50 is lowered, so that the field emission cold cathode 5 having high electron emission characteristics is realized. Further, if the resistivity of the cathode substrate 50 is low, the power loss of the field emission type cold cathode 5 becomes small, and therefore the amount of heat generated due to the power loss can be suppressed. Therefore, the field emission cold cathode 5 having a long lifetime is realized.

なお、ノンドープ層５４ｂ中に拡散したキャリアの密度は、距離に応じて減少する。そこで、突出部５０ｂにおける最表面のノンドープ層５４ｂの膜厚を薄くし、電子放出面Ｓ５から不純物添加層５４ａまでの距離を１００ｎｍ以内とすることが望ましい。こうすることにより、電子放出面Ｓ５に露出しているノンドープ層５４ｂに対して充分にキャリアを供給することができる。 Note that the density of carriers diffused in the non-doped layer 54b decreases with distance. Therefore, it is desirable to reduce the film thickness of the outermost non-doped layer 54b in the protrusion 50b, and to set the distance from the electron emission surface S5 to the impurity addition layer 54a within 100 nm. By doing so, carriers can be sufficiently supplied to the non-doped layer 54b exposed on the electron emission surface S5.

図１に示す電界放射型冷陰極１を作製した。まず、ダイヤモンド基板１２として高圧合成のIIａ型ダイヤモンド単結晶基板１２を準備した。この基板１２の基板面は（１１１）面である。次に、基板１２の基板面上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により不純物添加層１４ａを形成した。このとき、ガスとして、水素、メタン、及びホスフィンを用い、不純物添加層１４ａの膜厚が５００ｎｍになるまで成膜を行った。また、不純物添加層１４ａの不純物密度を５×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。次に、ＲＩＥ法により不純物添加層１４ａに溝を形成し、その溝にノンドープ層１４ｂを成膜した。次に、研磨により、不純物添加層１４ａ及びノンドープ層１４ｂの表面を平坦化した。また、ノンドープ層１４ｂの表面は、水素で終端した。これにより、カソード基板１０を得た。そして、カソード基板１０上に、電子供給電極９２（図２参照）、絶縁層９４、及びゲート電極９６を順に形成し、電界放射型冷陰極１を得た。 A field emission cold cathode 1 shown in FIG. 1 was produced. First, a high-pressure synthetic IIa type diamond single crystal substrate 12 was prepared as a diamond substrate 12. The substrate surface of the substrate 12 is a (111) surface. Next, an impurity addition layer 14a was formed on the substrate surface of the substrate 12 by a microwave plasma CVD method. At this time, hydrogen, methane, and phosphine were used as gases, and film formation was performed until the thickness of the impurity addition layer 14a reached 500 nm. The impurity density of the impurity addition layer 14a was set to 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Next, a groove was formed in the impurity addition layer 14a by RIE, and a non-doped layer 14b was formed in the groove. Next, the surfaces of the impurity-added layer 14a and the non-doped layer 14b were planarized by polishing. The surface of the non-doped layer 14b was terminated with hydrogen. Thereby, the cathode substrate 10 was obtained. Then, the electron supply electrode 92 (see FIG. 2), the insulating layer 94, and the gate electrode 96 were formed in this order on the cathode substrate 10 to obtain the field emission cold cathode 1.

図４に示す電界放射型冷陰極２を作製した。まず、ダイヤモンド基板２２として高温高圧合成のＩｂ型ダイヤモンド単結晶基板２２を準備した。次に、リンドープ層（不純物添加層）２４ａとノンドープ層２４ｂとを交互に積層した後、この積層部分にＲＩＥ法によるドライエッチングを施し、突出部２０ｂを形成した。具体的には、エッチングガスとしてＡｌを用い、フォトリソグラフィーでパターニングをした後、Ｏ₂とＣＦ₄の混合ガスによるプラズマでエッチングを行った。次に、基板２２の突出部２０ｂと反対側の面に、Ａｒイオン注入で薄いグラファイト層を作り、電子供給電極９２としてＴｉ電極９２を加熱しながら成膜し、リンドープ層２４ａとオーミック接合させた。そして、基板２２の突出部２０ｂ側の面上に、絶縁層９４及びゲート電極９６を順に形成し、電界放射型冷陰極２を得た。 A field emission cold cathode 2 shown in FIG. 4 was produced. First, a high-temperature and high-pressure synthetic Ib type diamond single crystal substrate 22 was prepared as a diamond substrate 22. Next, phosphorus-doped layers (impurity-added layers) 24a and non-doped layers 24b were alternately stacked, and the stacked portions were dry-etched by RIE to form protruding portions 20b. Specifically, Al was used as an etching gas, patterning was performed by photolithography, and then etching was performed with plasma using a mixed gas of O ₂ and CF ₄ . Next, a thin graphite layer was formed by Ar ion implantation on the surface of the substrate 22 opposite to the protruding portion 20b, and a Ti electrode 92 was formed as an electron supply electrode 92 while heating, and ohmic contact with the phosphorus-doped layer 24a was made. . And the insulating layer 94 and the gate electrode 96 were formed in order on the surface by the side of the protrusion part 20b of the board | substrate 22, and the field emission type cold cathode 2 was obtained.

実施例１と同様に、ここで作製した電界放射型冷陰極２の効果を確認するために、比較例として電界放射型冷陰極６を作製した。 Similarly to Example 1, in order to confirm the effect of the field emission cold cathode 2 produced here, a field emission cold cathode 6 was produced as a comparative example.

図１１は、比較例に係る電界放射型冷陰極６を示す端面図である。電界放射型冷陰極６は、カソード基板６０が基台部６０ａと突出部６０ｂとからなる点は電界放射型冷陰極２と同様である。一方で、カソード基板６０の作製においては、Ｉｂ型ダイヤモンド単結晶基板２２上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりリンドープ層２４ａを５μｍ積層した後、そのリンドープ層２４ａにＲＩＥ法によるドライエッチングを施すことにより突出部６０ｂを形成した。すなわち、この突出部６０ｂは、リンドープ層２４ａのみから構成されている。 FIG. 11 is an end view showing a field emission cold cathode 6 according to a comparative example. The field emission cold cathode 6 is the same as the field emission cold cathode 2 in that the cathode substrate 60 includes a base portion 60a and a protruding portion 60b. On the other hand, in the production of the cathode substrate 60, a phosphorus-doped layer 24a is laminated on the Ib-type diamond single crystal substrate 22 by a microwave plasma CVD method, and then dry-etched by the RIE method on the phosphorus-doped layer 24a. The protrusion 60b was formed. That is, the protrusion 60b is composed only of the phosphorous doped layer 24a.

図１２は、電界放射型冷陰極２及び電界放射型冷陰極６について、それぞれ電子放出特性を測定した結果を示すグラフである。グラフ中の曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２は、それぞれ電界放射型冷陰極２及び電界放射型冷陰極６について測定した結果を示している。測定は、それぞれの冷陰極２，６に対して、ゲート電極９６から５μｍ離れた位置にアノード電極を設置して行った。グラフの横軸は、アノード電極と電子放出面Ｓ２，Ｓ６との間の電圧を表し、縦軸は両者間の電流を表す。なお、横軸及び縦軸ともに任意スケールである。また、測定温度は室温である。 FIG. 12 is a graph showing the results of measuring the electron emission characteristics of the field emission cold cathode 2 and the field emission cold cathode 6, respectively. A curve C1 and a curve C2 in the graph indicate the results of measurement for the field emission cold cathode 2 and the field emission cold cathode 6, respectively. The measurement was performed by setting an anode electrode at a position 5 μm away from the gate electrode 96 for each of the cold cathodes 2 and 6. The horizontal axis of the graph represents the voltage between the anode electrode and the electron emission surfaces S2 and S6, and the vertical axis represents the current between the two. The horizontal axis and the vertical axis are arbitrary scales. The measurement temperature is room temperature.

グラフからわかるように、電界放射型冷陰極２は、電界放射型冷陰極６に比して高い電子放出特性をもつことが確認された。 As can be seen from the graph, the field emission cold cathode 2 was confirmed to have higher electron emission characteristics than the field emission cold cathode 6.

リンドープダイヤモンドは、不純物準位が深く、室温ではキャリアの活性化率が低いため高抵抗となる。電界放射型冷陰極２の場合、ノンドープ層２４ｂがリンドープ層２４ａに隣接するとともに、電子放出面Ｓ２に露出している。このため、不純物添加領域からノンドープ領域にキャリアが拡散することによってキャリア数が増加し、ノンドープ領域を通過することで、キャリアが高速な移動度で且つ実質的に低抵抗で電子放出面Ｓ２まで移動することができ、それゆえ電界放射型冷陰極２は高い電子放出特性を示すことができる。 Phosphorous-doped diamond has a high impurity level and has a high resistance due to a low carrier activation rate at room temperature. In the case of the field emission cold cathode 2, the non-doped layer 24b is adjacent to the phosphorus-doped layer 24a and exposed to the electron emission surface S2. For this reason, the number of carriers is increased by diffusing carriers from the impurity doped region to the non-doped region, and the carriers move to the electron emission surface S2 with high mobility and substantially low resistance by passing through the non-doped region. Therefore, the field emission cold cathode 2 can exhibit high electron emission characteristics.

次に、本発明の別の構造例を電子源７として図１３に示す。これは、斜面を利用した構造で、突起加工したリンドープダイヤモンド７４ａの上に、ノンドープダイヤモンド層７４ｂとリンドープダイヤモンド層７４ｃを積層している。ここで、電子供給電極９２は、リンドープダイヤモンド層７４ｃの表面にのみ形成している。一方、比較例として、突起内部が全てリンドープダイヤモンド層８４ａである電子源８を図１４に示す。電子は、電子供給電極９２から図中の矢印の経路を通って突起先端Ｐから放出される。 Next, another structural example of the present invention is shown in FIG. This is a structure using a slope, and a non-doped diamond layer 74b and a phosphorus-doped diamond layer 74c are laminated on a projection-processed phosphorus-doped diamond 74a. Here, the electron supply electrode 92 is formed only on the surface of the phosphorus-doped diamond layer 74c. On the other hand, as a comparative example, FIG. 14 shows an electron source 8 in which the inside of the protrusion is entirely a phosphorus-doped diamond layer 84a. The electrons are emitted from the projection tip P from the electron supply electrode 92 through the path of the arrow in the figure.

電子源８では、キャリアは全てリンドープダイヤモンド層８４ａを通り、電子移動度は３００ｃｍ²／Ｖｓｅｃ以下の程度である。一方、電子源７では、点線矢印α，βの経路では移動度が遅く、素子性能の律速となってしまうものの、ノンドープダイヤモンド層７４ｂ中に拡散した電子（図中の実線矢印γの経路）は２０００ｃｍ²／Ｖｓｅｃの高い移動度で突起先端Ｐまで移動する。特に、電子の経路の５０％以上に渡り連続したノンドープ層があることが望ましい。例えば、ゲート電極９６に高周波の変調電圧をかけ、密度変調のある電子線を電子源から取り出す場合、電子源８と比べて電子源７の方が高い周波数まで電圧変調に追随した電子線を放出する。 In the electron source 8, all the carriers pass through the phosphorus-doped diamond layer 84a, and the electron mobility is about 300 cm ² / Vsec or less. On the other hand, in the electron source 7, although the mobility of the dotted arrows α and β is slow and the device performance is limited, the electrons diffused in the non-doped diamond layer 74 b (the path of the solid arrow γ in the figure) It moves to the protrusion tip P with a high mobility of 2000 cm ² / Vsec. In particular, it is desirable to have a non-doped layer continuous over 50% of the electron path. For example, when a high-frequency modulation voltage is applied to the gate electrode 96 and a density-modulated electron beam is taken out from the electron source, the electron source 7 emits an electron beam following the voltage modulation to a higher frequency than the electron source 8. To do.

なお、本発明の実施例においては、ダイヤモンドについて説明したが、ＡｌＮやＢＮなど他のＮＥＡとなる電子源材料を用いてもよい。また、実施例では、電解放射型冷陰極について説明したが、熱陰極や光電陰極など、他の電子源についても用いることができる。 In the embodiment of the present invention, diamond has been described, but other NEA electron source materials such as AlN and BN may be used. In the embodiments, the electrolytic emission type cold cathode has been described, but other electron sources such as a hot cathode and a photocathode can also be used.

本発明の第１実施形態に係る電界放射型冷陰極１を示す正面端面図である。1 is a front end view showing a field emission cold cathode 1 according to a first embodiment of the present invention. 図１に示す電界放射型冷陰極１のII−II線に沿った側面端面図である。FIG. 2 is a side end view along the line II-II of the field emission cold cathode 1 shown in FIG. 1. 図１の電界放射型冷陰極１を示す平面図である。It is a top view which shows the field emission type cold cathode 1 of FIG. 本発明の第２実施形態に係る電界放射型冷陰極２を示す端面図である。It is an end elevation which shows the field emission type cold cathode 2 which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態に係る電界放射型冷陰極３を示す端面図である。It is an end elevation which shows the field emission type cold cathode 3 which concerns on 3rd Embodiment of this invention. （ａ）〜（ｃ）は、本発明による電界放射型冷陰極を製造する方法の一例を示す工程図である。(A)-(c) is process drawing which shows an example of the method of manufacturing the field emission type cold cathode by this invention. （ａ）〜（ｃ）は、本発明による電界放射型冷陰極を製造する方法の一例を示す工程図である。(A)-(c) is process drawing which shows an example of the method of manufacturing the field emission type cold cathode by this invention. 本発明の第４実施形態に係る電界放射型冷陰極４を示す端面図である。It is an end elevation which shows the field emission type cold cathode 4 which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図８に示す電界放射型冷陰極４の変形例を示す端面図である。FIG. 9 is an end view showing a modification of the field emission cold cathode 4 shown in FIG. 8. 本発明の第５実施形態に係る電界放射型冷陰極５を示す端面図である。It is an end elevation which shows the field emission type cold cathode 5 which concerns on 5th Embodiment of this invention. 比較例に係る電界放射型冷陰極６を示す端面図である。It is an end view which shows the field emission type cold cathode 6 which concerns on a comparative example. 電界放射型冷陰極２及び電界放射型冷陰極６について、それぞれ電子放出特性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the electron emission characteristic about the field emission cold cathode 2 and the field emission cold cathode 6, respectively. 本発明の別の構造例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another structural example of this invention. 図１３の構造例に対する比較例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the comparative example with respect to the structural example of FIG.

Explanation of symbols

１〜５…電界放射型冷陰極、１０，２０，３０，４０，５０…カソード基板、１２，２２，３２，４２，５２…ダイヤモンド基板、１４ａ，２４ａ，３４ａ，３６ａ，４６ａ，５４ａ…不純物添加層、１４ｂ，２４ｂ，３４ｂ，３５，３６ｂ，４４，４６ｂ，５４ｂ…ノンドープ層、２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ…基台部、２０ｂ，３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ…突出部、３３，４４ａ，５２ａ…突起、Ｓ１〜Ｓ５…電子放出面。

1 to 5 ... field emission cold cathode, 10, 20, 30, 40, 50 ... cathode substrate, 12, 22, 32, 42, 52 ... diamond substrate, 14a, 24a, 34a, 36a, 46a, 54a ... impurity addition Layers, 14b, 24b, 34b, 35, 36b, 44, 46b, 54b ... non-doped layers, 20a, 30a, 40a, 50a ... base parts, 20b, 30b, 40b, 50b ... protruding parts, 33, 44a, 52a ... Protrusions, S1 to S5 ... electron emission surfaces.

Claims

An electron source made of a semiconductor material,
In a path through which electrons pass between an electron emission surface of an electron source and an electron supply electrode that supplies electrons to the semiconductor material,
A region where the impurity-doped region and the non-doped region are adjacent to each other;
The electron source, wherein at least one of the non-doped regions is continuously in contact with the electron supply electrode and the electron emission surface without being blocked by the impurity addition region.

An electron source made of a semiconductor material,
In a path through which electrons pass between an electron emission surface of an electron source and an electron supply electrode that supplies electrons to the semiconductor material,
A region where the impurity-doped region and the non-doped region are adjacent to each other;
The electron source characterized in that at least one of the non-doped regions is continuous without being blocked by the impurity-added region over 50% of the path.

3. The electron source according to claim 1, wherein the electron source includes a base portion and a projecting portion standing on the base portion.

4. The electron source according to claim 3, wherein at least one of the non-doped regions is continuous without being blocked by the impurity-added region over 50% or more of the length of the protruding portion.

5. The electron source according to claim 3, wherein at least a part of the non-doped region is provided along the shape of the protruding portion.

5. The electron source according to claim 3, wherein at least a part of an interface or a surface of the non-doped region is parallel to a surface of the protruding portion.

The electron source according to claim 1, wherein one end of the non-doped region is the electron emission surface.

The electron source according to claim 1, wherein an impurity-added region serving as the electron emission surface is formed at one end of the non-doped region.

The electron source according to claim 1, wherein at least a part of the impurity-added region is at a distance of 100 nm or less from the electron emission surface.

The electron source according to claim 1, wherein the impurity added region and the non-doped region are alternately stacked.

The electron source according to claim 1, wherein the electron supply electrode is in ohmic contact with the impurity added region.

Two or more impurity doped regions and one or more non-doped regions are alternately stacked,
The electron source according to any one of claims 1 to 11, wherein the electron supply electrode is in ohmic contact with two or more impurity-added regions.

The electron source according to claim 1, wherein an impurity density of the non-doped region is 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less.

The electron source according to claim 1, wherein an impurity density of the impurity added region is 10 ¹⁹ cm ⁻³ or less.

The electron source according to claim 1, wherein the semiconductor material is diamond.

16. The impurity added region according to claim 15, wherein one or more elements selected from the group consisting of B, N, P, S, Li, As, Se, and Cl are added as impurities. Electron source.

The electron source according to claim 15 or 16, wherein the electron emission surface is terminated with hydrogen.

The electron source according to any one of claims 1 to 12, wherein the semiconductor material is any one of BN, AlN, and GaN.

A method of manufacturing an electron source having the protrusion according to claim 3 or 4,
Forming a protrusion on the base portion;
Vapor-phase-growing one or more layers of the impurity-doped region or the non-doped region on the surface of the protrusion;
An electron source manufacturing method comprising: