JP3255960B2 - 冷陰極エミッタ素子 - Google Patents

冷陰極エミッタ素子

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JP3255960B2
JP3255960B2 JP11752192A JP11752192A JP3255960B2 JP 3255960 B2 JP3255960 B2 JP 3255960B2 JP 11752192 A JP11752192 A JP 11752192A JP 11752192 A JP11752192 A JP 11752192A JP 3255960 B2 JP3255960 B2 JP 3255960B2
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cathode emitter
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    • H01J1/3042Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
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    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
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    • H01J9/025Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
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    • H01J2201/304Field emission cathodes
    • H01J2201/30446Field emission cathodes characterised by the emitter material
    • H01J2201/30453Carbon types
    • H01J2201/30457Diamond

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は真空マイクロエレクトロ
ニクス技術を利用した整流素子、増幅素子及びディスプ
レイ素子等の真空素子に適用可能な冷陰極エミッタ素子
に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体トランジスタ等の製造に使
用されている微細加工技術を利用してミクロンサイズの
微小な真空素子を作製する技術が研究開発されている
(伊藤順司、真空マイクロエレクトロニクス、応用物
理、第59巻、第2号、1216頁、1990年発
行)。
【0003】図12はこのような真空素子の1つである
真空3極管素子の一例を示す模式的断面図である。シリ
コン基板31上には選択的に開口部が設けられた絶縁膜
33が設けられており、前記開口部内において、円錐状
のエミッタ32が形成されている。また、開口部の周囲
の絶縁膜33上にはゲート34が配設されており、この
ゲート34から若干隔離してアノード35が配置されて
いる。
【0004】このように構成された真空3極管素子を真
空中におき、エミッタ32、ゲート34及びアノード3
5に夫々所定の電圧を印加すると、エミッタ32の先端
から真空中に電子が放出される。この放出された電子
は、図中矢印で示すような軌道を通ってアノード35に
到達する。この真空3極管素子では、電子が真空中を移
動するため、電子が固体中を移動する場合(例えば、半
導体トランジスタ等の場合)に比して、電子の移動速度
を原理的には約1000倍に高めることが可能である。即
ち、冷陰極エミッタ素子を用いた整流素子及びトランジ
スタ等は超高速動作が可能である。また、エミッタを蛍
光板に対向させて配置することにより、光ディスプレイ
を構成することもできる。
【0005】図13(a)乃至(c)は冷陰極エミッタ
素子の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。先
ず、図13(a)に示すように、基板31上に絶縁膜
(例えば、SiO2膜)33、Mo膜36及びAl膜3
7を順次積層形成し、Al膜37の表面から基板31の
表面に到達するピンホールを形成する。
【0006】次に、図13(b)に示すように、全面に
Moを真空蒸着する。そうすると、ピンホール内のシリ
コン基板31上にMoが円錐状に堆積し、Al膜37上
には、Moが徐々にピンホールを閉塞するように堆積し
ていく。即ち、このAl膜37上に堆積されたMo膜3
8の膜厚の増加に伴って、ピンホールの直径が減少し、
やがてピンホールが塞がってしまう。また、ピンホール
内の基板31上には、Moからなる円錐状のエミッタ3
2が形成される。
【0007】次いで、図13(c)に示すように、Mo
膜38及びAl膜37を除去する。このようにして冷陰
極エミッタが完成する。
【0008】図14(a)乃至(c)は、冷陰極エミッ
タ素子の他の製造方法を工程順に示す断面図である。先
ず、図14(a)に示すように、シリコン基板31の
(100)面上に、SiO2又はSiN等のエッチング
マスク39を選択的に形成する。
【0009】次に、図14(b)に示すように、エッチ
ング液{KOH、イソプロピルアルコール(IPA)及
びH2Oの混合溶液}により、シリコン基板31に対し
て異方性エッチングを施す。これにより、エッチングマ
スク39の下方にシリコンからなるエミッタ32が形成
される。
【0010】次いで、図14(c)に示すように、エッ
チングマスク39を取り除いた後、エミッタ32の周囲
に絶縁膜33を形成し、この絶縁膜33上に引き出し電
極40を形成する。このようにして、冷陰極エミッタ素
子が完成する。
【0011】図15は電界放射エミッタを使用した開放
構造のキャビティをもつ縦型真空3極管素子を示す模式
的断面図である。図12に示す構造の冷陰極エミッタ素
子では、ゲート34及びアノード35がエミッタ32の
周囲に平面的に配置されているのに対し、図15に示す
縦型真空3極管素子では、ゲート34及びアノード35
が絶縁膜33を介して立体的に配置されている。
【0012】図16(a)乃至(e)はこの縦型真空3
極管素子の製造方法を工程順に示す断面図である。先
ず、図16(a)に示すように、シリコン基板31の
(100)面上に絶縁膜(例えば、SiN膜)33を例
えば4μmの厚さで形成する。
【0013】次に、図16(b)に示すように、絶縁膜
33上にレジスト41を選択的に形成し、このレジスト
41をマスクとして絶縁膜33を選択的にエッチング除
去する。
【0014】次に、図16(c)に示すように、絶縁膜
33をマスクとしてシリコン基板31に対し異方性エッ
チングを施す。これにより、円錐状をなすエミッタ32
が形成される。
【0015】次に、図16(d)に示すように、全面に
絶縁膜(例えば、SiO2膜)42を形成し、更に電極
膜43、絶縁膜(例えば、SiO2膜)44及び電極膜
45を順次形成する。
【0016】次いで、図16(e)に示すように、エミ
ッタ32上の絶縁膜42、絶縁膜33、電極膜43、絶
縁膜44及び電極膜45を選択的に除去する。これによ
り、縦型真空3極管素子が完成する。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、従来の冷陰極エミッタ素子においては、一般
的にエミッタの構成材料としてシリコン、タングステ
ン、又はモリブデンが使用されている。このため、素子
動作中に発生する熱によりエミッタ先端の曲率が大きく
なったり、表面が酸化されることにより、電子放射特性
が急速に劣化する。このため、従来の冷陰極エミッタ素
子においては、寿命が短く、大電力動作に耐えられず、
実用化が極めて困難であるという問題点がある。
【0018】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、電子放射特性の劣化を回避できると共に、
大電力で動作させることが可能な冷陰極エミッタ素子を
提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明に係る冷陰極エミ
ッタ素子は、その表面から真空中に電子を放出するエミ
ッタ部を備えた冷陰極エミッタ素子において、前記エミ
ッタ部が半導体ダイヤモンドからなり、その表面の少な
くとも一部が(111)面結晶であることを特徴とす
る。
【0020】
【作用】本発明においては、電子を放出するエミッタ部
が半導体ダイヤモンドからなる。ダイヤモンドは耐熱性
及び耐電圧が高いため、本発明に係る冷陰極エミッタ素
子はエミッタ部の先端形状の変化が少なく、寿命が長い
と共に電子放射特性の劣化が抑制される。また、本発明
に係る冷陰極エミッタ素子は、エミッタ部に高電圧を印
加することができるため、大電流で動作させることがで
きる。更に、ダイヤモンドの(111)結晶面において
は、真空準位が伝導帯よりも下方にある。このため、ダ
イヤモンドは電子を伝導帯に一旦励起すれば、電子が真
空中に自然に放出されるという特性がある。このような
特性は他の材料では見られず、ダイヤモンドは冷陰極エ
ミッタ素子のエミッタ部構成材料として極めて適してい
る。従って、本発明に係る冷陰極エミッタ素子は、電子
放射特性が極めて優れている。
【0021】なお、ダイヤモンドは、気相合成により基
板上に比較的容易に成長させることができる。また、シ
リコン表面は約 200℃で変質したり表面構造が変質して
劣化するのに対し、ダイヤモンドは 600℃以上でも変化
しないという長所がある。従って、通常、ダイヤモンド
を成長させる基板としてシリコンウェハを用いるが、例
えばシリコンウェハ上に半導体ダイヤモンド薄膜を被覆
する等の方法により、冷陰極エミッタ素子の耐熱性を向
上させることができる。更に、絶縁膜として、通常使用
されるSiO2 薄膜に替えて絶縁性ダイヤモンド薄膜を
使用すれば、冷陰極エミッタ素子の耐熱性をより一層向
上させることができると共に、高周波特性を向上させる
ことができる。
【0022】
【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。
【0023】図1は本発明の第1の実施例に係る冷陰極
エミッタ素子を示す模式的断面図である。低抵抗シリコ
ン基板1上には開口部が選択的に設けられたSiO2
2aが形成されており、前記開口部の基板1上には半導
体ダイヤモンドからなるエミッタ3が設けられている。
また、SiO2 膜2a上にはタングステン(W)からな
る引き出し電極4が形成されている。
【0024】本実施例においては、エミッタ3が半導体
ダイヤモンドからなるため、エミッタ3の耐熱性が高
く、素子の動作中にエミッタ先端部の曲率が大きくなる
ことを抑制することができて、電子放射特性の劣化を回
避することができる。また、ダイヤモンドはSi等に比
して耐電圧が高いため、本実施例に係る冷陰極エミッタ
素子は、従来に比して大電力動作が可能である。
【0025】次に、本実施例に係る冷陰極エミッタ素子
の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板1上
にボロン(B)をドーピングした半導体ダイヤモンド粒
子を選択的に成長させて、エミッタ3を形成する。次
に、フォトリソグラフィー技術を使用して、エミッタ形
成領域を除く基板1上にSiO2 膜2aを形成する。次
いで、エミッタ3の周囲のSiO2 膜2a上に、引き出
し電極4としてタングステン薄膜を形成する。これによ
り、本実施例に係る冷陰極エミッタ素子が完成する。
【0026】上述のようにして、図1に示す構造の冷陰
極エミッタ素子を実際に製造した。この場合に、キャビ
ティの直径は8μm、深さは3μm、エミッタ3の直径
は約1μmである。そして、真空中で基板1を介してエ
ミッタに 300Vの負電圧を印加した。その結果、素子に
は2mAの電流が流れた。
【0027】図2は本発明の第2の実施例に係る冷陰極
エミッタ素子を示す模式的断面図である。本実施例が第
1の実施例と異なる点はSiO2 膜2aに替えて絶縁性
ダイヤモンド膜2bが形成されていることにあり、その
他の構成は基本的には第1の実施例と同様であるので、
図2において図1と同一物には同一符号を付してその詳
細な説明は省略する。
【0028】本実施例においては、エミッタ3と引き出
し電極4とを電気的に絶縁する絶縁膜として、絶縁性ダ
イヤモンド膜2bが設けられている。これにより、本実
施例に係る冷陰極エミッタ素子は、第1の実施例の冷陰
極エミッタ素子に比して耐熱性が高いと共に高周波特性
が優れているという効果を得ることができる。
【0029】本実施例に係る冷陰極エミッタ素子を実際
に製造した。この場合に、キャビティの直径は約8μ
m、深さは約3μm、エミッタ3の直径は約1μmであ
る。そして、真空中で基板1を介してエミッタ3に 300
Vの負電圧を印加した。その結果、素子には約2mAの
電流が流れた。
【0030】図3は本発明の第3の実施例に係る冷陰極
エミッタ素子を示す模式的断面図である。低抵抗シリコ
ン基板1上には半導体ダイヤモンド膜5が形成されてい
る。この半導体ダイヤモンド膜5上には開口部が選択的
に設けられた絶縁膜2が形成されており、前記開口部の
基板1上には半導体ダイヤモンドからなるエミッタ3が
設けられている。なお、絶縁膜2は、例えばSiO2
でもよく、絶縁性ダイヤモンド膜でもよい。また、絶縁
膜2上にはタングステンからなる引き出し電極4が形成
されている。
【0031】シリコンは約 200℃の温度で表面構造が変
質又は変化するのに対し、ダイヤモンドは 600℃以上の
温度でもその表面構造が変化しない。従って、本実施例
においては、第1の実施例に比して耐熱性が高いという
効果を得ることができる。
【0032】本実施例に係る冷陰極エミッタ素子を実際
に製造し、真空中で基板を介してエミッタ3に 300Vの
負電圧を印加した。但し、キャビティの直径は8μm、
深さは3μm、エミッタ3の直径は約1μmである。そ
の結果、素子には約2mAの電流が流れた。
【0033】図4は本発明の第4の実施例に係る冷陰極
エミッタ素子を示す模式的断面図である。基板1はSi
2 又はSi34等の耐熱性が高い絶縁材料からな
る。この基板1上には半導体ダイヤモンド膜5が形成さ
れている。また、この半導体ダイヤモンド膜5上には、
選択的に開口部が設けられた絶縁膜2が形成されてい
る。この絶縁膜2は、例えばSiO2 膜でもよく、絶縁
性ダイヤモンド膜でもよい。この絶縁膜2上には、引き
出し電極4としての金属膜が形成されている。また、半
導体ダイヤモンド膜5上にも電極6が選択的に形成され
ている。
【0034】本実施例においては、基板1が、耐熱性が
高いSiO2 又はSi34 等からなるため、第3の実
施例に比してより一層耐熱性が優れているという効果を
得ることができる。
【0035】図5は本発明を縦型真空3極管素子に適用
した第5の実施例を示す模式的断面図である。低抵抗シ
リコン基板1上には所定の開口部が設けられた絶縁膜7
が形成されている。そして、この開口部の基板1上には
半導体ダイヤモンドからなるエミッタ3が形成されてい
る。また、絶縁膜7上にはゲート8が形成されており、
このゲート8上には絶縁膜9が形成されている。更に、
この絶縁膜9上にはドレイン10が形成されている。
【0036】本実施例においては、エミッタ3が半導体
ダイヤモンドからなるため、図15に示す従来の縦型真
空3極管素子に比して、電子放射特性の劣化が少なく、
高寿命であると共に、大電力で動作させることが可能で
ある。
【0037】なお、前述の第3及び第4の実施例と同様
に、基板上に半導体ダイヤモンドを形成し、この半導体
ダイヤモンド上にエミッタ及び絶縁膜等を形成すること
により、本実施例の冷陰極エミッタ素子の耐熱性を向上
させることが可能である。また、絶縁膜7,9として絶
縁性ダイヤモンドを使用することにより、耐熱性をより
一層向上させることができる。
【0038】図6(a)は本発明を平面型真空3極管素
子に適用した第6の実施例を示す平面図、図6(b)は
同じくその断面図である。絶縁基板1上にはゲート15
が帯状に形成されており、このゲート15を挟むように
してダイヤモンド膜11(絶縁体)及びドレイン14が
配設されている。また、ダイヤモンド膜11上にはエミ
ッタとしての半導体ダイヤモンド膜12が形成されてお
り、この半導体ダイヤモンド膜12上にはソース電極1
3が形成されている。
【0039】本実施例においては、真空中でソース電極
13、ゲート15及びドレイン14に夫々所定の電圧を
印加すると、半導体ダイヤモンド膜12から基板表面に
沿う方向に電子が放出される。本実施例においても、第
6の実施例と同様の効果を得ることができる。
【0040】図7は本発明の第7の実施例を示す平面図
である。本実施例が第6の実施例と異なる点は、上面視
で半導体ダイヤモンド膜12aが櫛形に形成されている
ことにあり、その他の構成は基本的には第6の実施例と
同様であるので、図7において図6と同一物には同一符
号を付してその詳細な説明は省略する。
【0041】本実施例においては、半導体ダイヤモンド
膜(エミッタ)12aが平面視で櫛形に形成されてお
り、その先端部分に電界が集中するため、第6の実施例
に比して、エミッタから電子が放出されやすく、電界放
射特性が優れているという長所がある。
【0042】図8は本発明の第8の実施例に係る真空3
極管素子を示す平面図である。基板1上の所定領域には
エミッタとしての半導体ダイヤモンド膜12bが円形状
に形成されている。また、この半導体ダイヤモンド膜1
2b上にはソース電極13aが形成されている。そし
て、半導体ダイヤモンド膜12bを囲むようにしてゲー
ト15aが配設されており、このゲート15aの周囲に
はドレイン14aが設けられている。本実施例において
も、第6の実施例と同様の効果を得ることができる。
【0043】図9(a)乃至(d)は本発明の第9の実
施例に係る冷陰極エミッタ素子の製造方法を工程順に示
す断面図である。この図9を参照して本実施例の冷陰極
エミッタ素子の製造方法について説明する。先ず、図9
(a)に示すように、低抵抗Si基板21の上に半導体
ダイヤモンド膜22を気相合成法によって合成する。
【0044】その後、図9(b)に示すように、絶縁膜
23(例えば、SiO2膜)を一様に約2ミクロンの厚
さで合成した後、金属電極(アノード)25を絶縁膜2
3上に積層する。
【0045】その後、図9(c)に示すように、レジス
ト膜26を形成した後、フォトリソグラフィーにより、
レジスト膜26に直径又は1辺長が約1.5μmの円形又
は矩形の穴27を開け、この穴27を通して金属電極2
5及び絶縁膜23を選択的にエッチングする。
【0046】その後、図9(d)に示すように、マスク
に使用したフォトレジスト26を取り除くと、冷陰極素
子が完成する。本実施例では、図示したように、多結晶
気相合成ダイヤモンド膜22の表面が尖っているため、
実施例1乃至5のように、選択成長でダイヤモンドエミ
ッタ部を形成する必要がない。
【0047】このようにして製造した冷陰極エミッタ素
子においては、真空中でアノードに対しSi基板21に
30Vの負電圧を印加することにより、約2mAの電流が
観測された。
【0048】図10は本発明の第10の実施例に係る冷
陰極エミッタ素子を示す断面図である。基板21はSi
2若しくはSi34等の耐熱性が高い絶縁基板からな
る。この基板21上には半導体ダイヤモンド膜22が形
成されている。また、この半導体ダイヤモンド膜22上
には選択的に開口部28が設けられた絶縁膜23が形成
されている。この絶縁膜23上には、金属膜からなる引
き出し電極25が形成されている。更に、半導体ダイヤ
モンド膜22の絶縁膜23が形成されていない部分の上
には電極24が選択的に且つダイヤモンド膜22に電気
的に接触して形成されている。
【0049】本実施例においては、真空雰囲気下で引き
出し電極25と電極24との間に、電極24が負になる
電圧を印加すると、開口部28内において、ダイヤモン
ド膜22と引き出し電極25との間で電子が真空中を移
動し、冷陰極エミッタ素子が所定の動作を行う。
【0050】図11は本発明を縦型真空3極管素子に適
用した第11の実施例を示す模式的断面図である。低抵
抗シリコン基板21上には半導体ダイヤモンド膜22が
形成されており、その上に開口部28を持つ絶縁膜23
aが形成されている。絶縁膜23a上にはゲート29が
積層形成されており、このゲート29上には絶縁膜23
bが形成されている。更に、この絶縁膜23b上にはド
レイン25が積層形成されている。
【0051】本実施例においては、エミッタがダイヤモ
ンドからなるため、図15に示す従来の縦型真空3極管
素子に比して、電子放射特性の劣化が少なく、高寿命で
あると共に、大電力で動作させることが可能である。
【0052】なお、前述の第10の実施例と同様に、S
iO2又はSi34等の絶縁基板上に半導体ダイヤモン
ドを形成し、この半導体ダイヤモンド上に選択的にカソ
ードの金属電極を形成して縦型真空3極管素子を作製す
ることにより、耐熱性をより一層向上させることができ
る。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
電子を放出する部分であるエミッタ部が半導体ダイヤモ
ンドからなるため、エミッタ部の耐熱性及び耐電圧が高
い。このため、本発明に係る冷陰極エミッタ素子は、使
用に伴うエミッタ先端部の形状の変化が抑制されて電子
放射特性の劣化が少ない。また、大電流で使用すること
も可能である。従って、本発明は真空マイクロエレクト
ロニクス技術の向上に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る冷陰極エミッタ素
子を示す模式的断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例に係る冷陰極エミッタ素
子を示す模式的断面図である。
【図3】本発明の第3の実施例に係る冷陰極エミッタ素
子を示す模式的断面図である。
【図4】本発明の第4の実施例に係る冷陰極エミッタ素
子を示す模式的断面図である。
【図5】本発明を縦型真空3極管素子に適用した第5の
実施例を示す模式的断面図である。
【図6】(a)は本発明を平面型真空3極管素子に適用
した第6の実施例を示す平面図、(b)は同じくその断
面図である。
【図7】本発明の第7の実施例を示す平面図である。
【図8】本発明の第8の実施例に係る真空3極管素子を
示す平面図である。
【図9】本発明の第9の実施例に係る冷陰極エミッタ素
子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図10】本発明の第10の実施例に係る冷陰極エミッ
タ素子を示す断面図である。
【図11】本発明の第11の実施例に係る真空3極管素
子を示す模式的断面図である。
【図12】従来の真空3極管素子の一例を示す模式的断
面図である。
【図13】(a)乃至(c)は図12に示す冷陰極エミ
ッタ素子の製造方法の一例を工程順に示す断面図であ
る。
【図14】(a)乃至(c)は冷陰極エミッタ素子の他
の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図15】電界放射エミッタを用いた開放構造のキャビ
ティを持つ従来の縦型真空3極管素子を示す模式的断面
図である。
【図16】(a)乃至(e)は縦型真空3極管素子の製
造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1,21,31;基板 2a;SiO2膜 2b;絶縁性ダイヤモンド膜 3,32;エミッタ 4,25,40;引き出し電極 5,12,12a,12b,22;半導体ダイヤモンド
膜 6,24;電極 7,9,23,23a,23b,33,42,44;絶
縁膜 8,15,15a,29,34;ゲート 10,14,14a;ドレイン 11;ダイヤモンド膜 13;ソース電極 26,41;レジスト 27;穴 28;開口部 35;アノード 36.38;Mo膜 37;Al膜 39;エッチングマスク 43,45;電極膜
フロントページの続き (72)発明者 小橋 宏司 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究 所内 (56)参考文献 特開 平2−155226(JP,A) 特開 昭63−274047(JP,A) 特開 昭64−86428(JP,A) 特開 平1−203293(JP,A) 特開 平4−56125(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 49/00 H01J 1/30 H01L 21/20 C30B 29/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 その表面から真空中に電子を放出するエ
    ミッタ部を備えた冷陰極エミッタ素子において、前記エ
    ミッタ部が半導体ダイヤモンドからなり、その表面の少
    なくとも一部が(111)結晶面であることを特徴とす
    る冷陰極エミッタ素子。
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