JP3142388B2 - 陰極装置 - Google Patents
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Description
クロ真空管として用いられる電界放出微小冷陰極に関
し、特に表示素子等への応用にとって重要な多数の微小
冷陰極をマトリックス駆動するための陰極装置に関す
る。
電子の移動度が大きく、高速動作、高温動作に優れ、放
射損傷に強いことから、マイクロウェーブ素子、超高速
演算素子、放射線環境(宇宙、原子炉等)、高温環境、
表示素子等への応用が期待されている。
に示す。この図に示した垂直型冷陰極は、基板51上に
形成された円錐状のエミッタコーン52と、基板51上
の絶縁膜53の上に形成され、円形の開口部が間隔をあ
けてエミッタコーン52の先端を取囲む、電子引き出し
用のゲート電極54とにより構成される。この微小冷陰
極においては、エミッタコーン52とゲート電極54と
の間に電圧を印加するとコーン先端に大きな電界が加わ
り、電界放出が起こってコーン52の先端から電子が放
出される。
は、蒸着法又はエッチング法により形成される。
膜53及びゲート電極膜54を形成後、これらを円形に
エッチングしてゲート開口部55を形成する(図7
(a))。次いで、斜め方向からの蒸着で犠牲層56を
形成し(図7(b))、そしてエミッタコーン材料の高
融点金属57等を真上から蒸着する(図7(c))。エ
ミッタコーン材料の蒸着が進むにつれてゲート開口部5
5は縮まり、その内部にエミッタコーン52が形成され
る。次にリフトオフによって犠牲層56とその上の材料
57を除去して、図6に例示した微小冷陰極構造を完成
する(図7(d))。
板51′の表面を熱酸化して酸化膜61を形成し(図8
(a))、エミッタコーンを形成すべき部分だけに酸化
膜を残して円形状のマスク62を形成し(図8
(b))、そしてシリコン基板51′の等方性エッチン
グを行ってコーン部63を形成する(図8(c))。こ
の等方性エッチングは、コーン部63の上の酸化膜62
が取れてしまう前に中止する。
様に酸化膜64を形成し(図8(d))、続いて絶縁膜
65とゲート電極用金属材料66を堆積し(図8
(e))、そしてリフトオフによりコーン部63の酸化
膜64と、マスク62、その上の絶縁膜65及び金属材
料66を除去してエミッタコーン67を露出させる(図
8(f))。
動の陰極装置は、一般には複数の微小冷陰極からなる陰
極アレイのセグメントをマトリックス状に配列して構成
され、各セグメントは独立のマトリックス駆動を保証す
るため隣接セグメントから電気的に分離される。
のセグメントの電気的分離で問題となるのは、主とし
て、基板に導電性がある場合のカソードライン間の絶縁
である。マトリックスの各セグメントのエミッタに給電
するためのエミッタラインは、ガラス基板のような絶縁
性基板を用いたときには隣接エミッタラインから容易に
絶縁することができるが、シリコン等の半導体基板を用
いた場合には隣接カソードライン間を何らかの手段で絶
縁する必要がある。
微小冷陰極の陰極装置を作製する場合、カソードライン
間を絶縁するために、図9に示すように、各セグメント
72のエミッタコーン73をp型シリコンで作製するこ
とで、基板71とエミッタセグメント72との境界部分
にp−n接合を設け、このp−n接合が逆バイアスにな
るようにエミッタセグメント72とゲート電極74とに
給電することで、シリコン基板のこの接合部に隣接する
領域に空乏層75を形成し、それにより隣接するエミッ
タセグメントを電気的に絶縁することができる。とは言
え、この場合には、隣接セグメント間の間隔と印加され
る電圧によっては、隣接セグメント間の絶縁が不十分に
なることがある。
を作製する場合には、ずっと面倒な問題が生じる。図1
0に示すように、p型シリコン基板81に各セグメント
82のエミッタコーン83をn型シリコンで作製して基
板81とエミッタセグメント82との境界部分にp−n
接合を設け、これを逆バイアスにすることで図9の場合
と同じように空乏層85を形成し、隣接エミッタセグメ
ントを電気的に絶縁しようとしても、ゲート電極84に
正電位を与えると、隣接するエミッタセグメント82の
間のフィールド表面に電子が誘起されてこの部分にn型
導電チャネル86が形成されるため、エミッタセグメン
ト間の短絡が生じて十分な絶縁ができない。
材料とするマトリックス陰極装置においては、カソード
ライン間の電気的な分離ができない。
な分離が十分な、半導体基板を用いて作製される電界放
出マトリックス陰極装置を提供することを目的とする。
上に形成した半導体のエミッタコーンと、該基板上の絶
縁膜の上に形成されていて、上記エミッタコーンの先端
を間隔をあけて取囲む開口部を有するゲート電極とを有
し、上記エミッタコーンがそれらの少なくとも一つを構
成単位とするセグメントに分割されていて、これらのセ
グメントを独立にマトリックス駆動するための給電用の
ゲート電極ラインとエミッタラインとが形成されている
電界放出マトリックス陰極装置において、ゲート電極ラ
インとエミッタラインとに動作用の電圧が印加された際
にそのゲート電極ラインの下の、電圧印加されたエミッ
タラインとこれに隣接するエミッタラインとの間のフィ
ールド表面に電子を誘起するしきい値電圧を高くする構
造を備えてなることを特徴とする本発明の陰極装置によ
って達成される。
型シリコンであるマトリックス陰極装置のように、基板
とエミッタとが同じ導電型の陰極装置にあっては、上記
のしきい値電圧を高くする構造を、半導体基板とこの基
板と同じ導電型の半導体で形成したエミッタラインとの
間に存在する、基板と異なる導電型の半導体層によって
形成することができる。
がn型半導体であるマトリックス陰極装置の場合には、
上記のしきい値電圧を高くする構造は、隣接するエミッ
タライン間に存在する高濃度ドープのp型領域によって
形成することができる。
電型を異にする場合には、上記のしきい値電圧を高くす
る構造を、隣接するエミッタライン間に存在する絶縁領
域によって形成することができ、あるいは隣接するエミ
ッタライン間に存在する空間領域により形成することが
できる。
を高くする構造をそのために適当な手段により作り出す
ことを除いて、通常の方法と同様の方法で容易に製造す
ることができる。
タラインとの間の反対導電型の半導体層は、基板にエミ
ッタ領域を形成する以前にそのエミッタ領域よりも広い
領域に及ぶように、基板と反対導電型の不純物をイオン
注入し、熱拡散させて形成しておくことができる。
導体のエミッタライン間の高濃度ドープのp型領域は、
例えばp型不純物のイオン注入によって形成可能であ
る。
ば、窒化シリコン膜をマスクとしてシリコン基板の該当
箇所を選択的に酸化する方法や、シリコン基板の該当箇
所をエッチングし、そこに酸化シリコンを充填する方法
により形成することが可能である。
当箇所をエッチングにより掘り下げるような方法で形成
することができる。
との間に存在し、エミッタラインの下部を包み込む、基
板及びエミッタラインと反対導電型の半導体層の厚み
や、この層の反対導電型不純物のドープ量等は、マトリ
ックス陰極装置を構成する陰極アレイセグメントの寸法
や、隣接エミッタライン間の間隔や、印加される電圧等
の諸条件に応じて、実験的に適宜決定することができ
る。
高濃度ドープのp型領域の幅や深さ、p型不純物の注入
濃度も、隣接エミッタライン間の絶縁領域及び空間領域
の幅や寸法も、上記の如き諸条件に応じて実験的に適宜
決定することができる。
めこれらの間にp−n接合が形成されている場合には、
この接合が逆バイアスになるような電位を基板に与え
て、隣接エミッタライン間の電気的分離をより確実にし
ても差支えない。同様に、エミッタラインと基板との間
にこれらの導電型と異なる導電型の層が存在する場合に
は、この層と基板との間のp−n接合が逆バイアスにな
るような電位を基板に与えてもよい。
ローティングとしてもよい。基板の電位を固定しておけ
ば、セグメント間の電気的分離を確実にするのに有利で
あろう。
を誘起するしきい値電圧を高くするための構造を備える
ことは、フィールド部分に隣接エミッタライン間の短絡
を招く導電チャネルの形成するのを防止する。
n接合、又は基板と、これと接してエミッタラインの下
部を包み込んでいる、基板及びエミッタと反対導電型の
層との間のp−n接合が逆バイアスとなるような電位を
基板に与えることは、隣接エミッタライン間の電気的絶
縁をより確実なものにする。
に反対導電型の半導体層が存在する陰極装置を例示す
る。
参照して説明したエッチング法を利用する。図1(a)
に示すように、所定の領域に各エミッタセグメントを形
成すべきn型領域2とこれの下部を包み込む反対導電型
のp+ 層3とを形成したn型シリコン基板1の表面を熱
酸化して、酸化膜4を形成する。
けに酸化膜を残して円形のマスク5を形成する(図1
(b))。次にシリコン基板1を等方的にエッチングし
てコーン部6を形成し、これらのコーン部6の上部に酸
化膜マスク5を残した状態でエッチングを中止する(図
1(c))。
説明した手順に従って各エミッタコーンを形成し、最後
にゲート電極8(図2)を形成して、図2に示すn−p
+ −n構造により電気的に分離された本発明のマトリッ
クス陰極装置を完成する。
ン9の高さは2μm であり、各エミッタコーン9の底部
の直径は2μm である。同一セグメント10内の隣接コ
ーン間の距離は3μm である。隣接エミッタライン11
間の距離は500μm である。また、電界放出をさせる
ために、エミッタに負の電位を与える。
し、そしてエミッタライン間にp+ 領域を形成して各エ
ミッタライン間を電気的に分離する陰極装置を説明す
る。
型シリコン基板にp+ 領域をイオン注入で形成し、エミ
ッタライン下部に図1及び図2における反対導電型層3
を形成しないことを除いて、実施例1で説明した手順に
より図3に示すp+ 領域により電気的に分離された本発
明のマトリックス陰極装置を製造する。この陰極装置の
諸寸法は実施例1のものと同じであり、エミッタライン
間のp+ 領域21の幅は80μm 、深さは10μm であ
る。
にエミッタに負の電位を与えるとともに、基板とエミッ
タとのp−n接合が逆バイアスとなるような正の電位を
基板に与えている。
エミッタライン間を電気的に分離する陰極装置を説明す
る。
+ 領域の代りに酸化シリコンの絶縁領域を形成すること
を除いて、実施例2と同様の手順により図4に示す絶縁
領域により電気的に分離された本発明のマトリックス陰
極装置を製造する。
寸法を含めて実施例2のものと同じである。またこの陰
極装置においても、電界放出のためにエミッタに負の電
位を与えるとともに、基板とエミッタとのp−n接合が
逆バイアスとなるように基板に正の電位を与えて隣接エ
ミッタラインを電気的に絶縁している。
空間を形成して各エミッタライン間を電気的に分離する
陰極装置を説明する。
の代りに、この領域のシリコン基板にエッチングで掘っ
た溝状の空間を形成することを除き、実施例2と同様の
手順によって図5に示す溝により電気的に分離された本
発明のマトリックス陰極装置を製造する。
含めて実施例2のものと同じである。この陰極装置にお
いても、電界放出のためにエミッタに負の電位を与え、
また基板とエミッタとのp−n接合が逆バイアスとなる
ように基板に正の電位を与えて隣接エミッタラインを電
気的に絶縁する。
可能な実施態様の一部であって、これらのほかにも、本
発明の範囲から逸脱することなしに種々の態様が可能で
あることを銘記すべきである。上記実施例では垂直型陰
極装置を説明したが、本発明はプレーナ型の陰極装置に
も適用可能である。
隣接カソードライン間の電気的分離が本質的にできな
い、n型半導体をエミッタ材料とするマトリックス陰極
装置においても、エミッタライン間のフィールド表面に
電子を誘起するしきい値電圧を高くする構造を備えるこ
とで、隣接カソードライン間の電気的分離の十分な陰極
装置の提供が可能になる。本発明は、p型半導体をエミ
ッタ材料とするマトリックス陰極装置にも無論応用可能
である。
式的に説明する図であって、(a)はエミッタセグメン
トを形成すべき領域の前処理工程、(b)はエミッタコ
ーンを形成するためのマスクの形成工程、そして(c)
はエッチングによるコーン部の形成工程を示す図であ
る。
発明の陰極装置を説明する模式断面図である。
本発明の陰極装置を説明する模式断面図である。
本発明の陰極装置を説明する模式断面図である。
の陰極装置を説明する模式断面図である。
断面図である。
説明する図であって、(a)はゲート開口部の形成、
(b)は犠性層の形成、(c)はエミッタ材料の蒸着、
(d)はリフトオフによるエミッタコーンの露出を示す
図である。
式的に説明する図であって、(a)はマスク用酸化膜の
形成、(b)はマスクの形成、(c)はシリコン基板の
等方性エッチングによるコーン部の形成、(d)は熱酸
化膜の形成、(e)は絶縁膜とゲート電極用金属材料の
堆積、そして(f)はリフトオフによるエミッタコーン
の露出を示す図である。
置のp−n接合による陰極分離を説明する模式断面図で
ある。
装置の問題を説明する模式断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 半導体基板(1)上に形成した半導体の
エミッタコーン(9)と、該基板(1)上の絶縁膜の上
に形成されていて、上記エミッタコーン(9)の先端を
間隔をあけて取囲む開口部を有するゲート電極(8)と
を有し、上記エミッタコーン(9)がそれらの少なくと
も一つを構成単位とするセグメント(10)に分割され
ていて、これらのセグメント(10)を独立にマトリッ
クス駆動するための給電用のゲート電極ラインとエミッ
タライン(11)とが形成されている電界放出マトリッ
クス陰極装置において、ゲート電極ラインとエミッタラ
イン(11)とに動作用の電圧が印加された際にそのゲ
ート電極ラインの下の、電圧印加されたエミッタライン
とこれに隣接するエミッタラインとの間のフィールド表
面に電子を誘起するしきい値電圧を高くする構造(3,
21,22,23)を備えてなることを特徴とする陰極
装置。 - 【請求項2】 前記隣接エミッタライン(11)間のフ
ィールド表面に電子を誘起するしきい値電圧を高くする
構造が、半導体基板(1)とこの基板と同じ導電型の半
導体で形成したエミッタライン(11)との間に存在す
る、当該基板(1)及びエミッタライン(11)の導電
型と異なる導電型の半導体層(3)によって形成されて
いることを特徴とする、請求項1記載の陰極装置。 - 【請求項3】 前記基板(1)の導電型がp型であり、
前記エミッタライン(11)の導電型がn型であって、
前記隣接エミッタライン(11)間のフィールド表面に
電子を誘起するしきい値電圧を高くする構造が、隣接エ
ミッタライン(11)間の高濃度ドープのp型領域(2
1)によって形成されていることを特徴とする、請求項
1記載の陰極装置。 - 【請求項4】 前記基板(1)と前記エミッタライン
(11)とが導電型を異にし、前記隣接エミッタライン
(11)間のフィールド表面に電子を誘起するしきい値
電圧を高くする構造が、隣接エミッタライン(11)間
に存在する絶縁領域(22)によって形成されているこ
とを特徴とする、請求項1記載の陰極装置。 - 【請求項5】 前記基板(1)と前記エミッタライン
(11)とが導電型を異にし、前記隣接エミッタライン
(11)間のフィールド表面に電子を誘起するしきい値
電圧を高くする構造が、隣接エミッタライン(11)間
に存在する空間領域(23)によって形成されているこ
とを特徴とする、請求項1記載の陰極装置。 - 【請求項6】 前記基板(1)と、この基板(1)に接
する、当該基板と異なる導電型の半導体により構成され
たエミッタライン(11)との間、又は当該基板(1)
とエミッタライン(11)との間に介在する、当該基板
と異なる導電型の半導体によって構成された層(3)と
の間のp−n接合が逆バイアスとなるような電位を、当
該基板(1)に対して与えることを特徴とする、請求項
1から5までのいずれか一つに記載の陰極装置。
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