JP3264483B2 - Electron emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents

Electron emitting device and method of manufacturing the same

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JP3264483B2
JP3264483B2 JP7235897A JP7235897A JP3264483B2 JP 3264483 B2 JP3264483 B2 JP 3264483B2 JP 7235897 A JP7235897 A JP 7235897A JP 7235897 A JP7235897 A JP 7235897A JP 3264483 B2 JP3264483 B2 JP 3264483B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線を放出する
電子放出素子に関し、特にダイヤモンド層を用いて形成
される電子放出素子及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron-emitting device that emits an electron beam, and more particularly to an electron-emitting device formed using a diamond layer and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の電子放出素子は、タングステン
(W)等の材料を高温に加熱して電子を引き出す熱陰極
が用いられてきた。近年、その様な電子銃に代わる電子
線源として、冷陰極タイプの微小電子放出素子が注目さ
れている。このようなタイプの電子放出素子としては、
一般的には電界放出型のものやpn及びショットキー接
合を用いたアバランシェ増幅型のものなどが報告されて
いる。
2. Description of the Related Art A conventional electron-emitting device uses a hot cathode which draws electrons by heating a material such as tungsten (W) to a high temperature. In recent years, as an electron beam source replacing such an electron gun, a microelectron emitting device of a cold cathode type has attracted attention. Such types of electron-emitting devices include:
Generally, a field emission type and an avalanche amplification type using a pn and Schottky junction have been reported.

【0003】電界放出型の電子放出素子は、引き出し電
極に電圧をかけて電界を印加することにより、シリコン
(Si)やモリブデン(Mo)などの高融点金属などで作製
されたコーン状のエミッター部から電子を放出させるも
のであり、微細加工技術を用いることによって小型化を
図ることができるなどの特徴を有している。
A field emission type electron-emitting device is a cone-shaped emitter made of a refractory metal such as silicon (Si) or molybdenum (Mo) by applying a voltage to an extraction electrode and applying an electric field. It emits electrons from the substrate, and has features such as miniaturization can be achieved by using microfabrication technology.

【0004】それに対し半導体材料を用いたアバランシ
ェ増幅型のものは、pn及びショットキー接合部分に逆
バイアス電圧を印加してアバランシェ増幅を起こすこと
により電子をホット化し、エミッター部分より電子を放
出するものである。
On the other hand, an avalanche amplification type using a semiconductor material emits electrons from an emitter by emitting avalanche amplification by applying a reverse bias voltage to a pn and Schottky junction to emit electrons from an emitter. It is.

【0005】この様な電子放出素子の材料として要求さ
れる特性は、1)比較的小さな電界で電子を放出し易いこ
と、即ちその物質の電子親和力が小さいこと、2)安定な
電子放出特性を維持するために、エミッター部表面が化
学的に安定なこと、3)耐摩耗性や耐熱性に優れているこ
となどがある。
[0005] The characteristics required as a material of such an electron-emitting device are 1) that electrons are easily emitted in a relatively small electric field, that is, the electron affinity of the substance is small, and 2) stable electron emission characteristics. In order to maintain, the surface of the emitter section is chemically stable, and 3) the abrasion resistance and the heat resistance are excellent.

【0006】そのような観点で従来技術をみた場合、電
界放出型素子は放出電流量のエミッター部形状依存性が
大きく、その作製、制御が非常に困難であると共に、用
いられている材料の表面安定性の点で課題があった。ま
たこの方式では、個々の素子は点の電子放出源であり、
面状の電子放出流を得ることは困難であった。
In view of the prior art from such a point of view, the field emission type element has a large dependence of the emission current on the shape of the emitter section, making it very difficult to manufacture and control the field emission element, and to reduce the surface of the material used. There were issues in terms of stability. Also in this scheme, each element is a point electron emission source,
It has been difficult to obtain a planar electron emission flow.

【0007】またアバランシェ増幅型は、一般的に非常
に大きな電流量を素子に印加する必要があるので素子の
発熱が起こり、そのため電子放出特性が不安定になった
り素子寿命が短くなったりするといった問題点があっ
た。またアバランシェ増幅型ではエミッター部表面にセ
シウム層等を設けることによって電子放出部分の仕事関
数量を小さくしているが、セシウム等の仕事関数が小さ
い材料は化学的に不安定であるため表面状態が安定でな
い、すなわち電子放出特性が安定でないといった問題点
もあった。以上のようにこれまで用いられてきた材料お
よび構造は、電子放出素子に要求される特性を十分に満
たすものではなかった。
In the avalanche amplification type, since it is generally necessary to apply a very large amount of current to the element, heat is generated in the element, which causes unstable electron emission characteristics and shortens the life of the element. There was a problem. In the avalanche amplification type, the work function amount of the electron emission portion is reduced by providing a cesium layer or the like on the surface of the emitter, but a material having a small work function such as cesium has a chemically unstable surface state. There is also a problem that it is not stable, that is, the electron emission characteristics are not stable. As described above, the materials and structures used so far do not sufficiently satisfy the characteristics required for the electron-emitting device.

【0008】これに対しダイヤモンドは、広禁制帯幅
(5.5 eV)を有する半導体材料であり、その特性は高硬
度、耐磨耗性、高熱伝導率、化学的に不活性であるなど
電子放出素子材料として非常に適している。またダイヤ
モンドは、その表面状態を制御することによって、伝導
帯端のエネルギー準位が真空のエネルギー準位よりも高
くなる、すなわち負の電子親和力の状態にすることが可
能である。すなわちダイヤモンド層の伝導帯に電子を注
入してやれば、容易に電子を放出させることが可能にな
るといった利点を有している。加えてダイヤモンドは、
一般に炭素系ガス種と水素ガスを原料ガスとした気相合
成法で容易に形成することが可能であり、製造的な面で
も優位性を持っている。しかし、金属とダイヤモンドの
伝導帯のエネルギーバンドが大きく異なるため、単に電
極をダイヤモンド層に接触させることにより、ダイヤモ
ンドの伝導帯に電子を供給することは容易ではない。こ
れまでダイヤモンドの伝導帯に効率的に電子を供給する
方法や構造については詳しく検討されておらず、ダイヤ
モンドの伝導帯に電子を供給し放出させるような電子放
出素子は実現されていなかった。
On the other hand, diamond is a semiconductor material having a wide bandgap (5.5 eV), and its characteristics are high hardness, abrasion resistance, high thermal conductivity, and chemical inertness. Very suitable as a material. By controlling the surface state of diamond, the energy level at the conduction band edge can be higher than the energy level of vacuum, that is, diamond can be in a state of negative electron affinity. That is, there is an advantage that if electrons are injected into the conduction band of the diamond layer, electrons can be easily emitted. In addition, diamonds
In general, it can be easily formed by a gas phase synthesis method using carbon-based gas species and hydrogen gas as raw material gases, and has an advantage in terms of manufacturing. However, it is not easy to supply electrons to the conduction band of diamond simply by bringing the electrode into contact with the diamond layer because the energy bands of the conduction band of metal and diamond are greatly different. The method and structure for efficiently supplying electrons to the conduction band of diamond have not been studied in detail, and an electron-emitting device that supplies and emits electrons to the conduction band of diamond has not been realized.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前記課題を解決するため、効率的に電子線を放出
する電子放出素子を提供することを目的とする。また
対の電極層対で、少なくとも絶縁体層を含んだ電子供給
層やダイヤモンド層を挟んだ構造を形成することによ
り、容易に電子線を放出する電子放出素子を提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electron-emitting device which efficiently emits an electron beam in order to solve the above-mentioned problems in the prior art. Also one
An object of the present invention is to provide an electron-emitting device that easily emits an electron beam by forming a structure sandwiching at least an electron supply layer including an insulator layer and a diamond layer with a pair of electrode layers .

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の電子放出素子は、ダイヤモンド層を用いて
形成される電子放出素子であって、第1の電極層と第2
の電極層が存在し、前記2層の電極層対で、少なくとも
絶縁体層を含んだ電子供給層と、ダイヤモンド層とを挟
んだ積層構造を有し、前記第1の電極層から前記電子供
給層を介して前記ダイヤモンド層に電子を供給すること
を特徴とする。
In order to achieve the above object, an electron-emitting device according to the present invention is an electron-emitting device formed using a diamond layer, comprising a first electrode layer and a second electrode layer.
Of the two electrode layers, at least
An electron supply layer including an insulator layer and a diamond layer are sandwiched.
The first electrode layer and the
Supplying electrons to the diamond layer via a supply layer
It is characterized by.

【0011】前記電子放出素子においては、金属による
電極層と、絶縁体層による電子供給層と、ダイヤモン
ド層がp型のダイヤモンド層を含むM−M(met
al-insulator-semiconductor-metal)構造であり、前記
M−I−S−M構造の第2の電極層に正電圧を印加し
て、電子を前記p型のダイヤモンド層に供給することが
好ましい。
In the above-mentioned electron-emitting device, an M - I - S - S- M (met) includes an electrode layer pair made of a metal, an electron supply layer made of an insulator layer, and a diamond layer including a p-type diamond layer.
al-insulator-semiconductor-metal) structure,
It is preferable that a positive voltage be applied to the second electrode layer having the MISM structure to supply electrons to the p-type diamond layer.

【0012】また前記電子放出素子においては、電極層
が金属であり、電子供給層がn型の半導体層及びi型
の半導体層を含み、ダイヤモンド層がp型のダイヤモン
ド層を含むM−N−I−P−M(metal-n layer-insulat
or-p layer-metal)構造であり、前記M−N−I−P−
構造の第2の電極層に正電圧を印加することが好まし
い。
In the above-mentioned electron-emitting device, the electrode layer
Pair is a metal, comprises a semiconductor layer of the semiconductor layer and the i-type electron supply layer is n-type, M-N-I-P -M diamond layer comprises a p-type diamond layer (metal-n layer-insulat
or M-N-I-P-
It is preferable to apply a positive voltage to the second electrode layer having the M structure.

【0013】また前記電子放出素子においては、ダイヤ
モンド層の厚さが5μm以下であることが好ましい。さ
らに好ましくは、ダイヤモンド層の厚さは0.05μm以上
1μm以下である。
In the above-mentioned electron-emitting device, the thickness of the diamond layer is preferably 5 μm or less. More preferably, the thickness of the diamond layer is 0.05 μm or more.
1 μm or less.

【0014】また、ダイヤモンド層が少なくともp型の
ダイヤモンド層を含んでいることが好ましい。また、p
型のダイヤモンド層の電気抵抗率が、1×104Ω・cm以下
であることが好ましい。さらに好ましくは、p型のダイ
ヤモンド層の電気抵抗率は1×10-2Ω・cm以上1×102Ω
・cm以下である。
Preferably, the diamond layer contains at least a p-type diamond layer. Also, p
The electrical resistivity of the diamond layer of the mold is preferably 1 × 10 4 Ω · cm or less. More preferably, the electrical resistivity of the p-type diamond layer is 1 × 10 −2 Ω · cm or more and 1 × 10 2 Ω.
・ It is less than cm.

【0015】次に本発明の電子放出素子の製造方法は、
基板素材上に気相合成法により連続膜状のダイヤモンド
層を形成することを特徴とする。
Next, a method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention is as follows.
A continuous film-like diamond layer is formed on a substrate material by a vapor phase synthesis method.

【0016】前記方法においては、ダイヤモンド層の膜
厚が1μm以下であることが好ましく、さらに好ましく
はダイヤモンド層の膜厚は0.05μm以上1μm以下であ
る。
In the above method, the thickness of the diamond layer is preferably 1 μm or less, and more preferably the thickness of the diamond layer is 0.05 μm or more and 1 μm or less.

【0017】また前記方法においては、基板素材上に気
相合成法によりダイヤモンド層を形成した後、さらに、
前記ダイヤモンド層の基板素材側の面、及び前記ダイヤ
モンド層を表面側の面から選ばれる少なくとも一つの面
から、所定の厚さ以下まで前記ダイヤモンド層をエッチ
ングすることが好ましい。前記において所定の厚さと
は、0.05μm以上1μm以下が好ましい。
Further, in the above method, after a diamond layer is formed on a substrate material by a vapor phase synthesis method,
It is preferable that the diamond layer is etched to a predetermined thickness or less from at least one surface selected from the surface of the diamond layer on the substrate material side and the surface of the diamond layer on the surface side. In the above, the predetermined thickness is preferably 0.05 μm or more and 1 μm or less.

【0018】次に本発明の電子放出素子の製造方法は、
第一の電極層と、前記第一の電極層に対向して配された
第二の電極層と、前記第一の電極層と前記第二の電極層
との間に配された電子供給層と、前記電子供給層に接し
て設けられたダイヤモンド層と、を有する電子放出素子
の製造方法であって、基板素材上に気相合成法により連
続膜状のダイヤモンド層を形成する工程と、前記ダイヤ
モンド層の基板素材側の面、及び前記ダイヤモンド層の
表面側の面から選ばれる少なくとも一つの面から所定の
厚さ以下まで前記ダイヤモンド層をエッチングする工程
と、前記エッチング工程後、電子供給層として一部が作
用するダイヤモンド層の基板素材側及び表面側の面の所
定の領域に第一及び第二の電極層を形成する工程とを少
なくとも含むことを特徴とする。 前記方法においては、
第一及び第二の電極層を形成する工程の前に、前記ダイ
ヤモンド層の所定の領域に波長が200nm以下の真空
紫外光を照射することが好ましく、さらには100nm以
上200nm以下が好ましい。
Next, the method for manufacturing an electron-emitting device of the present invention is as follows.
A first electrode layer, disposed opposite to the first electrode layer;
A second electrode layer, the first electrode layer, and the second electrode layer
And an electron supply layer disposed between the
Electron-emitting device having a diamond layer provided by
Manufacturing method, which is connected on a substrate material by a vapor phase synthesis method.
Forming a diamond layer in the form of a continuous film;
The surface of the diamond layer on the substrate material side, and the diamond layer
From at least one surface selected from the surface side predetermined surface
Etching the diamond layer to a thickness below the thickness
After the etching step, a part is formed as an electron supply layer.
The surface of the diamond layer used on the substrate material side and the surface side
A step of forming the first and second electrode layers in a predetermined region.
It is characterized by including at least. In the above method,
Before the step of forming the first and second electrode layers, it is preferable to irradiate a predetermined region of the diamond layer with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less, more preferably 100 nm or more and 200 nm or less.

【0019】また前記方法においては、ダイヤモンド層
をエッチングした後、さらに前記エッチングされたダイ
ヤモンド層の所定の領域を、水素を含むガスを放電分解
して得られるプラズマに晒すことが好ましい。
In the above method, the diamond layer
And then further etching the die
It is preferable to expose a predetermined region of the almond layer to plasma obtained by subjecting a gas containing hydrogen to electric discharge decomposition.

【0020】また前記方法においてはダイヤモンド層を
形成した後、さらに前記ダイヤモンド層の所定の領域
を、酸素を含むガスを放電分解して得られるプラズマに
晒すことが好ましい。
In the above method, it is preferable that, after forming the diamond layer, a predetermined region of the diamond layer is further exposed to plasma obtained by discharge-decomposing a gas containing oxygen.

【0021】また前記方法においては、ダイヤモンド層
をエッチングした後、さらに、加熱したダイヤモンド層
を水素を含むガス中に晒すことが好ましい。
In the above method, the diamond layer
After etching, it is preferable to further expose the heated diamond layer to a gas containing hydrogen.

【0022】また前記方法においては、ダイヤモンド層
を形成した後、さらに、加熱したダイヤモンド層を酸素
を含むガス中に晒すことが好ましい。
In the above method, after forming the diamond layer, it is preferable to further expose the heated diamond layer to a gas containing oxygen.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】背景技術の項に記載した様に、ダ
イヤモンドは負の電子親和力を有し、電子放出素子材料
として適したものであるが、電子を放出させるためには
エミッターとなる領域であるダイヤモンドの伝導帯に電
子を供給する必要がある。また電子を容易に放出させる
ためには、エミッター部の表面状態を制御する必要もあ
る。すなわち、ダイヤモンド層を用いた高効率電子放出
素子を形成するには、(1)エミッター領域への電子の供
給方法、並びに(2)エミッター部表面の制御方法が重要
となる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION As described in the background section, diamond has a negative electron affinity and is suitable as an electron-emitting device material. It is necessary to supply electrons to the conduction band of diamond. Also, in order to easily emit electrons, it is necessary to control the surface state of the emitter. That is, in order to form a highly efficient electron-emitting device using a diamond layer, (1) a method of supplying electrons to the emitter region and (2) a method of controlling the surface of the emitter section are important.

【0024】前記本発明の実施形態によれば、ダイヤモ
ンド層を用いて形成される電子放出素子であって、1対
電極層と少なくとも絶縁体層を含んだ電子供給層と
ダイヤモンド層とを含む積層構造からなるため、以下の
ような作用を発揮する。
According to the embodiment of the present invention, there is provided an electron-emitting device formed using a diamond layer, comprising :
Since the electrode has a laminated structure including the electrode layer pair , the electron supply layer including at least the insulator layer, and the diamond layer, the following effects are exhibited.

【0025】図1は本実施形態を示す素子の概略図であ
る。第1と第2の電極層11a、11b間にバイアスを印加
することによって、挟まれた電子供給層12及びダイヤモ
ンド層13に電界を印加することが容易に可能となる。そ
の際、印加バイアスの大きさを制御することにより、適
当な電界を電子供給層12に与えることができる。その結
果、電子を第1の電極層11aから電子供給層12、更に電
子供給層12からダイヤモンド層13に容易に注入すること
が可能となると共に、ダイヤモンド層の表面14の状態を
制御することによって負の電子親和力の状態することが
できるので、効率的に電子を外部に取り出すことが可能
となる。負の電子親和力を持つ様なダイヤモンド層の表
面14の状態は、特に限定されるものではないが、ダイヤ
モンド層13の最表面の炭素原子に水素原子を結合させる
ことによって容易に実現される。また電子供給層として
は、特に限定されるものではないが、絶縁性のダイヤモ
ンドや絶縁体層などが用いられる。
FIG. 1 is a schematic diagram of an element showing the present embodiment. By applying a bias between the first and second electrode layers 11a and 11b, an electric field can be easily applied to the sandwiched electron supply layer 12 and diamond layer 13. At this time, an appropriate electric field can be applied to the electron supply layer 12 by controlling the magnitude of the applied bias. As a result, electrons can be easily injected from the first electrode layer 11a to the electron supply layer 12 and further from the electron supply layer 12 to the diamond layer 13, and by controlling the state of the surface 14 of the diamond layer. Since a state of negative electron affinity can be achieved, electrons can be efficiently extracted to the outside. The state of the surface 14 of the diamond layer having a negative electron affinity is not particularly limited, but can be easily realized by bonding hydrogen atoms to carbon atoms on the outermost surface of the diamond layer 13. The electron supply layer is not particularly limited, but an insulating diamond, an insulator layer, or the like is used.

【0026】この様な実施形態の場合、電子供給層12に
電界がかかりダイヤモンド層13に電子が供給されればよ
いため、必ずしも図1の第2の電極11bの様にダイヤモ
ンド層13に接している必要はなく、電極11cの様に間隔
をもってダイヤモンド層側の空間に設置されてもよい。
この実施形態においては、以下のような作用を発揮す
る。すなわち、何らかの方法、例えばトンネリング注
入、光励起、熱励起などの方法で第1の電極層11aより
電子供給層12に電子を注入すると、電子供給層12からダ
イヤモンド層13の伝導帯に電子が供給される。この様に
して負の電子親和力を有するダイヤモンドの伝導帯に供
給された電子は、ダイヤモンド層表面14から容易に外部
に取り出される。その結果、従来よりも小さなエネルギ
ーで効率的に放出電子(矢印15で示す)を得ることが可
能となる。
In the case of such an embodiment, since an electric field only needs to be applied to the electron supply layer 12 to supply electrons to the diamond layer 13, it is not always necessary to contact the diamond layer 13 like the second electrode 11b in FIG. There is no need to provide them, and they may be installed in the space on the diamond layer side with an interval like the electrode 11c.
In this embodiment, the following operation is exhibited. That is, when electrons are injected into the electron supply layer 12 from the first electrode layer 11a by any method, for example, a method such as tunneling injection, light excitation, or thermal excitation, electrons are supplied from the electron supply layer 12 to the conduction band of the diamond layer 13. You. In this way, the electrons supplied to the conduction band of diamond having a negative electron affinity are easily extracted from the diamond layer surface 14 to the outside. As a result, it is possible to efficiently obtain emitted electrons (indicated by arrow 15) with smaller energy than before.

【0027】また前記の実施形態では、2つの電極11
a、bによって少なくとも電子供給層12とダイヤモンド層
13を挟んでいたが、電子供給層に電界がかかりダイヤモ
ンド層に電子が供給されればよいため、電子供給層のみ
に電圧を印加しても、本発明の電子放出素子は実現でき
る。この場合は2つの電極層の配置は、電子供給層のみ
を挟んだ構造となる。ダイヤモンド層は電子供給層と接
して電極と同じ電子放出面側に形成される。
In the above embodiment, the two electrodes 11
a, b at least electron supply layer 12 and diamond layer
Although 13 is sandwiched between the diamond layer and the electron supply layer, it is only necessary to apply an electric field to supply electrons to the diamond layer. Therefore, even if a voltage is applied only to the electron supply layer, the electron-emitting device of the present invention can be realized. In this case, the arrangement of the two electrode layers has a structure sandwiching only the electron supply layer. The diamond layer is formed on the same electron emission surface as the electrode in contact with the electron supply layer.

【0028】またこれらの実施形態において用いられる
ダイヤモンド層13としては、フェルミレベルが価電子帯
端近傍に存在するため伝導帯端のレベルが真空準位より
も高くなる負の電子親和力状態が顕著になるp型のダイ
ヤモンド層が適しており、その厚さ及び電気抵抗率値
は、5μm以下及び1×104Ω・cm以下、さらに望ましく
は1μm以下及び1×102Ω・cm以下である。その理由
は、膜厚が上記のように薄い場合は電子供給層12からダ
イヤモンド層13の伝導帯に供給された電子は容易にダイ
ヤモンド層の表面14に到達し、外部に放出電子15として
取り出されるが、膜厚が厚くなると表面に到達する前に
価電子帯に遷移したり電極に引きつけられたりして放出
効率が低下するためである。また電気抵抗率値は、上記
の値より大きい場合はダイヤモンドのフェルミレベルが
禁制帯の中央に近づき、負の電子親和力特性が低下して
しまう。さらに電気抵抗率値が高い場合には、相対的に
電子供給層に印加される電界の割合が減少するため、電
子の供給効率が低下してしまう。
In the diamond layer 13 used in these embodiments, since the Fermi level exists near the valence band edge, a negative electron affinity state in which the conduction band edge level is higher than the vacuum level is remarkable. A p-type diamond layer is suitable and has a thickness and an electric resistivity of 5 μm or less and 1 × 10 4 Ω · cm or less, more preferably 1 μm or less and 1 × 10 2 Ω · cm or less. The reason is that, when the film thickness is small as described above, electrons supplied from the electron supply layer 12 to the conduction band of the diamond layer 13 easily reach the surface 14 of the diamond layer and are extracted to the outside as emitted electrons 15 This is because, when the film thickness is large, the emission efficiency is lowered due to transition to the valence band or attraction to the electrode before reaching the surface. If the electric resistivity value is larger than the above value, the Fermi level of the diamond approaches the center of the forbidden band, and the negative electron affinity characteristic decreases. Further, when the electric resistivity value is high, the ratio of the electric field applied to the electron supply layer is relatively reduced, so that the electron supply efficiency is reduced.

【0029】また前記p型のダイヤモンド層に含まれて
いるホウ素(B)原子濃度としては、1×1016個/cm3以上1
×1020個/cm3以下であり、さらに望ましくは1×1017個/
cm3以上である。このような値は、p型のダイヤモンド
層の形成条件を制御することにより容易に実現される。
上記ホウ素原子濃度以下の場合は、ダイヤモンド層の電
気抵抗率値が大きい場合に対応し、素子効率が低下す
る。
The concentration of boron (B) atoms contained in the p-type diamond layer is 1 × 10 16 / cm 3 or more.
× 10 20 pieces / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 17 pieces / cm 3
cm 3 or more. Such a value can be easily realized by controlling the conditions for forming the p-type diamond layer.
When the boron atom concentration is lower than the above, the device efficiency is reduced corresponding to the case where the electrical resistivity value of the diamond layer is large.

【0030】また前記ダイヤモンド層の電子放出表面
は、水素によって終端されていると負の電子親和力性が
優れており、Cs、Ni、W、a-C(aはアモルファスを示
す)等により被覆されている場合でも電子放出素子とし
て機能する。その付着原子密度としては、1×1015atoms
/cm2以上1×1017atoms/cm2以下が適している。また、水
素で終端されたダイヤモンド表面は一般的に導電性を有
しており、この表面導電層もダイヤモンドの電子放出表
面として有効である。
When the electron emission surface of the diamond layer is terminated with hydrogen, the electron emission surface has excellent negative electron affinity, and is coated with Cs, Ni, W, a-C (a is amorphous) or the like. Function as an electron-emitting device. The density of attached atoms is 1 × 10 15 atoms
It is suitable that the concentration is not less than / cm 2 and not more than 1 × 10 17 atoms / cm 2 . The surface of diamond terminated with hydrogen generally has conductivity, and this surface conductive layer is also effective as an electron emission surface of diamond.

【0031】さらに電極間に印加するバイアス範囲とし
ては、電子供給層12及びダイヤモンド層13の厚さや電気
抵抗値にも依存するが、0.1V以上100V以下で動作する電
子放出素子が実現できる。
The range of the bias applied between the electrodes also depends on the thickness and the electric resistance of the electron supply layer 12 and the diamond layer 13, but an electron emitting element operating at 0.1V or more and 100V or less can be realized.

【0032】また前記本発明の他の実施形態によれば、
ダイヤモンド層を用いて形成される電子放出素子であっ
て、少なくとも電極層と電子供給層とダイヤモンド層と
前記ダイヤモンド層と接して積層された絶縁体層とを含
んだ構造からなることを特徴とするため、以下のような
作用を奏することができる。
According to another embodiment of the present invention,
An electron-emitting device formed using a diamond layer, which has a structure including at least an electrode layer, an electron supply layer, a diamond layer, and an insulator layer stacked in contact with the diamond layer. Therefore, the following operation can be achieved.

【0033】図2は本実施形態を示す素子の概略図であ
る。2つの異なる電極層21a、21b間にバイアスを印加
することによって、挟まれた電子供給層22とダイヤモン
ド層23に電界を印加することが容易に可能となる。その
際、印加バイアスの大きさを制御することにより、適当
な電界を電子供給層22に与えることができる。その結
果、電子を一方の電極層21aから電子供給層22、更に電
子供給層22からダイヤモンド層23に容易に注入すること
が可能となると共に、注入された電子のうち外部に取り
出されずに他方の電極21bに流れていた部分を絶縁体層
25によって抑制することができるので、負の電子親和力
を持つダイヤモンド層の表面24から効率的に電子(矢印
26で示す)を取り出すことが可能となる。
FIG. 2 is a schematic view of an element showing the present embodiment. By applying a bias between the two different electrode layers 21a and 21b, an electric field can be easily applied to the sandwiched electron supply layer 22 and diamond layer 23. At this time, an appropriate electric field can be applied to the electron supply layer 22 by controlling the magnitude of the applied bias. As a result, electrons can be easily injected from one electrode layer 21a to the electron supply layer 22 and further from the electron supply layer 22 to the diamond layer 23, and the other of the injected electrons is not taken out to the outside. The part flowing to the electrode 21b is an insulator layer
25, the electrons (arrows) can be efficiently generated from the surface 24 of the diamond layer having a negative electron affinity.
26) can be taken out.

【0034】2つの電極間の印加バイアス範囲として
は、前記と同様電子供給層22及びダイヤモンド層23の厚
さや電気抵抗値にも依存するが、0.1V以上100V以下で電
子が供給され、ダイヤモンド層表面から電子が放出され
る。
The range of the applied bias between the two electrodes also depends on the thickness and the electric resistance of the electron supply layer 22 and the diamond layer 23 as described above. Electrons are emitted from the surface.

【0035】また本発明において用いられるダイヤモン
ド層としては、前記と同様にp型のダイヤモンド層が適
しており、望まれる特性についても同じである。
As the diamond layer used in the present invention, a p-type diamond layer is suitable as described above, and the desired characteristics are also the same.

【0036】また絶縁体層25としては、電子供給層22に
印加される電界量に影響を与えずに、かつ電極層21bへ
の電流を遮断する程度の厚さ及び電気抵抗率を有するも
のが適している。具体的には1μm以下の厚さで、かつ1
×104Ω・cm以上1×1012Ω・cm以下が好ましく、さらに
は1×108Ω・cm以上の電気抵抗率を有するものが望まし
い。膜厚が厚くなると電極間21a、b間に印加した電界
のうち、絶縁体層25にかかる割合が増加するため、電子
供給層からの電子の供給効率が減少するためである。上
記絶縁体層25の材質等については、特に限定されるもの
ではないが、絶縁性のダイヤモンド層や二酸化シリコン
層等がよく用いられる。
As the insulator layer 25, one having a thickness and an electric resistivity that does not affect the electric field applied to the electron supply layer 22 and that interrupts a current to the electrode layer 21b is used. Are suitable. Specifically, the thickness is 1 μm or less, and 1
The resistivity is preferably from 10 4 Ω · cm to 1 × 10 12 Ω · cm, and more preferably from 1 × 10 8 Ω · cm or more. This is because, as the film thickness increases, the ratio of the electric field applied between the electrodes 21a and 21b to the insulator layer 25 increases, and the efficiency of supplying electrons from the electron supply layer decreases. The material and the like of the insulator layer 25 are not particularly limited, but an insulating diamond layer, a silicon dioxide layer, or the like is often used.

【0037】本発明においてダイヤモンド層が、少なく
ともp型のダイヤモンド層を含んだという好ましい例に
よれば、前記のような理由で電子放出素子に適する。ま
た本発明の実施形態において、ダイヤモンド層に含まれ
るp型のダイヤモンド層の厚さ及び抵抗率が0.05μm以
上5μm以下及び1×10-2Ω・cm以上1×104Ω・cm以下、
さらに望ましくは1μm以下及び1×102Ω・cm以下であ
るという好ましい例によれば、より低エネルギーでの電
子放出が可能となる。
According to the preferred embodiment of the present invention in which the diamond layer includes at least a p-type diamond layer, it is suitable for an electron-emitting device for the above-described reasons. Further, in the embodiment of the present invention, the thickness and resistivity of the p-type diamond layer contained in the diamond layer is 0.05 μm or more and 5 μm or less and 1 × 10 −2 Ωcm or more and 1 × 10 4 Ωcm or less,
More preferably, according to a preferred example of 1 μm or less and 1 × 10 2 Ω · cm or less, electron emission with lower energy becomes possible.

【0038】さらに前記本発明の実施形態によれば、ダ
イヤモンド層を用いて形成される電子放出素子であっ
て、電極層、i型のダイヤモンド層等の絶縁体による
電子供給層、p型のダイヤモンド層からなるM−I−S
−M構造の第2の電極層に正電圧を印加して、前記電子
供給層を介して電子を前記p型のダイヤモンド層に供給
することにより、以下のような作用を発揮する。すなわ
ち、前記M−I−S−M構造の第2の電極層に適当な正
電圧を印加することによって電子は金属などの電極層よ
り、金属/絶縁体層界面に存在するエネルギー障壁をト
ンネリングし、p型のダイヤモンド層に効率的に注入さ
れると共に、注入された電子は負の電子親和力状態のp
型のダイヤモンド層表面等より容易に外部に放出させる
ことができる。
Further, according to the embodiment of the present invention, there is provided an electron-emitting device formed by using a diamond layer, comprising : a pair of electrode layers; an electron supply layer formed of an insulator such as an i-type diamond layer; M-I-S consisting of a diamond layer
By applying a positive voltage to the second electrode layer having the -M structure and supplying electrons to the p-type diamond layer via the electron supply layer, the following effects are exhibited. That is, a suitable positive electrode is formed on the second electrode layer of the MISM structure.
When a voltage is applied, electrons tunnel through an energy barrier existing at the metal / insulator layer interface from an electrode layer of metal or the like, and are efficiently injected into the p-type diamond layer, and the injected electrons are negative. Of the electron affinity state of
It can be easily released outside from the surface of the diamond layer of the mold.

【0039】図3に本発明に係る電子放出素子の実施形
態を示した図を示す。本実施形態では、電子供給層(絶
縁体層)33としてi型のダイヤモンド層を用いており、
電極層32との界面にはエネルギー障壁が形成されてい
る。またi型のダイヤモンド層上には表面状態を制御し
て負の電子親和力状態となっているp型のダイヤモンド
層34が積層されている。そして前記p型のダイヤモンド
層34の表面の一部には、素子にバイアスを印加するため
の電極層35が形成されている。
FIG. 3 shows an embodiment of the electron-emitting device according to the present invention. In this embodiment, an i-type diamond layer is used as the electron supply layer (insulator layer) 33,
An energy barrier is formed at the interface with the electrode layer 32. On the i-type diamond layer, a p-type diamond layer 34 whose surface state is controlled to be in a negative electron affinity state is laminated. On a part of the surface of the p-type diamond layer 34, an electrode layer 35 for applying a bias to the element is formed.

【0040】図4は、前記実施形態のエネルギーバンド
の様子を模式的に示した図である。図4中のMetalは金
属電極層32を示し、i-type、p-typeはそれぞれ電子供給
層(縁体層:i型のダイヤモンド層)33、p型のダイヤモ
ンド層34を示す。またεC、εV、εF、εVacはそれぞれ
伝導帯端、価電子帯端、フェルミレベル、真空準位のエ
ネルギー準位を示している。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the state of the energy band of the embodiment. In FIG. 4, Metal indicates a metal electrode layer 32, and i-type and p-type indicate an electron supply layer (edge layer: i-type diamond layer) 33 and a p-type diamond layer 34, respectively. In addition, ε C , ε V , ε F , and ε Vac represent the conduction band edge, the valence band edge, the Fermi level, and the energy level of the vacuum level, respectively.

【0041】平衡状態(印加バイアス:0、図4A)で
は、p型のダイヤモンド層34の表面は負の電子親和力状
態であるものの、伝導帯中に少数キャリアである電子が
存在しないため外部に電子を放出することはできない。
しかしながら、適当な順方向バイアスを印加した状態
(図4B)では、バイアスの大部分が電子供給層(絶縁
体層)33に印加されるためバンドが図のように曲がった
結果、金属/絶縁体層の界面に存在するエネルギー障壁
幅が薄くなり、電極層32から電子がトンネリング現象に
よってp型のダイヤモンド層34の伝導帯中に注入され
る。この注入の度合いは、電極層/絶縁体層界面のエネ
ルギー障壁のエネルギー高さ(△ε=εC−εF)また
は障壁幅に大きく依存するが、電子供給層(絶縁体層)
33を適度な薄さにすることで効率的に注入することが可
能となる。p型のダイヤモンド層34に注入された電子は
拡散等により、電子が放出されるエミッター部へ移動
し、p型のダイヤモンド層34の表面が負の電子親和力
(εV>εVac)を有することから外部へ放出され
る。この様に適切な厚さを有する電極層32、電子供給層
(絶縁体層:i型のダイヤモンド層)33、p型のダイヤ
モンド層34からなるM−I−S−M構造の第2の電極層
に適当な正電圧を印加することによって、安定に効率よ
く放出電子を得ることができる。上記説明では電子供給
層(絶縁体層)33として、i型のダイヤモンド層を用い
たが、これに限定されるものではなく、二酸化シリコン
層等を用いることも可能である。また電極層32に用いる
材料としては特に限定されるものではないが、一般的に
アルミニウム(Al)やタングステン(W)が用いられ
る。
In the equilibrium state (applied bias: 0, FIG. 4A), although the surface of the p-type diamond layer 34 is in a negative electron affinity state, there is no electron serving as a minority carrier in the conduction band. Can not be released.
However, when an appropriate forward bias is applied (FIG. 4B), most of the bias is applied to the electron supply layer (insulator layer) 33, so that the band is bent as shown in FIG. The width of the energy barrier existing at the interface between the layers is reduced, and electrons are injected from the electrode layer 32 into the conduction band of the p-type diamond layer 34 by a tunneling phenomenon. The degree of this implantation depends on the energy at the electrode layer / insulator layer interface.
The electron supply layer (insulator layer) depends largely on the energy height (△ ε = εC−εF) or barrier width of the energy barrier.
By making 33 an appropriate thickness, it is possible to inject efficiently. The electrons injected into the p-type diamond layer 34 move to the emitter where the electrons are emitted due to diffusion or the like, and the surface of the p-type diamond layer 34 has a negative electron affinity (εV> εVac). Released to Electrode layer 32 having such appropriate thickness, the electron supply layer (insulating layer: i-type diamond layer) 33, a second electrode of a p-type diamond layer 34 M-I-S-M structure layer
By applying an appropriate positive voltage to the electrodes, emitted electrons can be stably and efficiently obtained. In the above description, an i-type diamond layer is used as the electron supply layer (insulator layer) 33. However, the present invention is not limited to this, and a silicon dioxide layer or the like may be used. Although the material used for the electrode layer 32 is not particularly limited, aluminum (Al) or tungsten (W) is generally used.

【0042】本発明において、p型のダイヤモンド層の
厚さが5μm以下、望ましくは1μm以下であるという
好ましい例によれば、注入された電子を効率的に負の電
子親和力状態である表面まで供給することが可能とな
る。また本発明において、p型のダイヤモンド層に含ま
れるホウ素原子濃度が1×1016個/cm3以上1×1020個/cm3
以下、望ましくは1×1017個/cm3以上であるという好ま
しい例によれば、素子構成に適したp型のダイヤモンド
層を得ることができる。また本発明において、p型のダ
イヤモンド層の抵抗率が1×10-2Ω・cm以上1×104Ω・c
m以下、さらに 望ましくは1×102Ω・cm以下であるとい
う好ましい例によれば、抵抗による損失分を抑制するこ
とが可能となる。
According to the preferred embodiment of the present invention, in which the thickness of the p-type diamond layer is 5 μm or less, preferably 1 μm or less, the injected electrons are efficiently supplied to the surface in the negative electron affinity state. It is possible to do. In the present invention, the concentration of boron atoms contained in the p-type diamond layer is not less than 1 × 10 16 / cm 3 and not less than 1 × 10 20 / cm 3
Hereinafter, according to a preferred example of desirably 1 × 10 17 / cm 3 or more, a p-type diamond layer suitable for the element configuration can be obtained. In the present invention, the resistivity of the p-type diamond layer is 1 × 10 −2 Ω · cm or more and 1 × 10 4 Ω · c
According to a preferred example of not more than m, more preferably not more than 1 × 10 2 Ω · cm, it is possible to suppress the loss due to resistance.

【0043】また本発明において、電子供給層(絶縁体
層)として用いるi型のダイヤモンド層などの電気抵抗
率が1×104Ω・cm〜1×1012Ω・cm、望ましくは1×108
Ω・cm以上であるという好ましい例によれば、印加され
たバイアスを効率的に高抵抗領域にかけることができる
ので、トンネリングによる電子の注入が容易になる。
In the present invention, the electric resistivity of an i-type diamond layer used as an electron supply layer (insulator layer) is 1 × 10 4 Ω · cm to 1 × 10 12 Ω · cm, preferably 1 × 10 12 Ω · cm. 8
According to a preferred example of Ω · cm or more, the applied bias can be efficiently applied to the high resistance region, so that injection of electrons by tunneling becomes easy.

【0044】図5は、参考例に係る電子放出素子の例
示した図である。この例では、電極層52上にn型の半導
体層による電子供給層53としてn型のダイヤモンド層が
形成されている。またn型のダイヤモンド層53上には、
表面状態を制御して負の電子親和力状態となっているp
型のダイヤモンド層54が積層されている。そして前記p
型ダイヤモンド層54の表面の一部には、素子にバイアス
を印加するための電極層55が形成されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of an electron-emitting device according to the reference example . In this example, an n-type diamond layer is formed on the electrode layer 52 as an electron supply layer 53 of an n-type semiconductor layer. On the n-type diamond layer 53,
P whose surface state is controlled to be in a negative electron affinity state
A diamond layer 54 of a mold is laminated. And the p
An electrode layer 55 for applying a bias to the element is formed on a part of the surface of the diamond pattern layer 54.

【0045】図6A,図6Bは前記参考例のエネルギー
バンドの様子を模式的に示した図である。図6A,図6
B中のMetal は金属電極層52を示し、n-type、p-typeは
それぞれ電子供給層(n型の半導体層:n型のダイヤモ
ンド層)53、p型のダイヤモンド層54を示す。平衡状態
(印加バイアス:0、図6A)では、p型のダイヤモン
ド層54は負の電子親和力状態であるものの、伝導帯中に
電子が存在しないため電子を放出することはできない。
しかしながら適当な順方向バイアスを印加した状態(図
6B)では、電子がn型の半導体層53(n型のダイヤモ
ンド層)よりp型のダイヤモンド層54の伝導帯中に注入
されるため、注入された電子は拡散等により、エミッタ
ー部へ移動しp型のダイヤモンド層54より外部へ放出さ
れる。この様に適切な厚さを有する電極層52、n型の半
導体層53(n型のダイヤモンド層)、p型のダイヤモン
ド層54からなるpn構造に順方向バイアスを印加するこ
とによって、安定に効率よく放出電子を得ることができ
る。
FIGS. 6A and 6B are views schematically showing the state of the energy band of the reference example . 6A and 6
Metal in B indicates a metal electrode layer 52, and n-type and p-type indicate an electron supply layer (n-type semiconductor layer: n-type diamond layer) 53 and a p-type diamond layer 54, respectively. In the equilibrium state (applied bias: 0, FIG. 6A), the p-type diamond layer 54 has a negative electron affinity state, but cannot emit electrons because there are no electrons in the conduction band.
However, in a state where an appropriate forward bias is applied (FIG. 6B), electrons are injected from the n-type semiconductor layer 53 (n-type diamond layer) into the conduction band of the p-type diamond layer 54. The electrons move to the emitter portion by diffusion or the like and are emitted to the outside from the p-type diamond layer 54. By applying a forward bias to the pn structure composed of the electrode layer 52 having an appropriate thickness, the n-type semiconductor layer 53 (n-type diamond layer), and the p-type diamond layer 54, the efficiency can be stabilized. Emitted electrons can be obtained well.

【0046】また前記本発明によれば、ダイヤモンド層
を用いて形成される電子放出素子であって、電極層、n
型の半導体層及びi型の半導体層からなる電子供給層、
p型のダイヤモンド層からなるM−N−I−P−M(met
al-n layer-insulator-p layer-metal)構造の第2の電
極層に適当な正電圧を印加することを特徴とするため、
n型の半導体層より、i型の半導体層のトンネリングを
介してp型のダイヤモンド層に効率的に電子が注入され
ると共に、注入された電子は負の電子親和力状態のp型
のダイヤモンド層表面等より容易に外部に放出させるこ
とができる。この様に適切な厚さを有する電極層、n型
の半導体層、i型の半導体層、p型のダイヤモンド層か
らなるM−N−I−P−M(metal-n layer-insulator-p
layer-metal)構造の第2の電極層に適当な正電圧を
加することによって、安定に効率よく放出電子を得るこ
とができる。
Further, according to the present invention, there is provided an electron-emitting device formed using a diamond layer, wherein
An electron supply layer comprising a semiconductor layer of an i-type and an i-type semiconductor layer;
M-N-I-P-M (met comprising a p-type diamond layer)
second electrodeposition al-n layer-insulator-p layer-metal) structure
To apply an appropriate positive voltage to the pole layer ,
Electrons are efficiently injected from the n-type semiconductor layer into the p-type diamond layer through the tunneling of the i-type semiconductor layer, and the injected electrons are applied to the surface of the p-type diamond layer in a negative electron affinity state. It can be more easily released to the outside. In this manner, an MNIPM (metal-n layer-insulator-p-metal) comprising an electrode layer having an appropriate thickness, an n-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and a p-type diamond layer.
By applying an appropriate positive voltage to the second electrode layer having a layer-metal structure , emitted electrons can be obtained stably and efficiently.

【0047】本発明において、p型のダイヤモンド層の
厚さが0.05μm〜5μm、望ましくは1μm以下である
という好ましい例によれば、注入された電子を効率的に
負の電子親和力状態である表面まで供給することが可能
となる。また本発明において、p型のダイヤモンド層に
含まれるホウ素原子濃度が1×1016個/cm3〜1×1020個/c
m3、望ましくは1×1017個/cm3以上であるという好まし
い例によれば、素子構成に適したp型のダイヤモンド層
を得ることができる。また本発明において、p型のダイ
ヤモンド層及びn型の半導体層の抵抗率が1×10-2Ω・c
m〜1×104Ω・cm、望ましくは1×102Ω・cm以下である
という好ましい例によれば、抵抗による損失分を抑制す
ることが可能となる。
According to the preferred embodiment of the present invention, in which the thickness of the p-type diamond layer is 0.05 μm to 5 μm, preferably 1 μm or less, the injected electrons can be efficiently converted into a surface having a negative electron affinity state. It is possible to supply up to. In the present invention, the concentration of boron atoms contained in the p-type diamond layer is 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 20 / c
According to a preferred example of m 3 , desirably 1 × 10 17 / cm 3 or more, a p-type diamond layer suitable for the element structure can be obtained. Further, in the present invention, the resistivity of the p-type diamond layer and the n-type semiconductor layer is 1 × 10 −2 Ω · c
According to a preferred example of m to 1 × 10 4 Ω · cm, desirably 1 × 10 2 Ω · cm or less, it is possible to suppress loss due to resistance.

【0048】また本発明において、i型の半導体層の抵
抗率が1×104Ω・cm〜1×1012Ω・cm以上、望ましくは1
×108Ω・cm以上であるという好ましい例によれば、印
加されたバイアスを効率的に高抵抗領域にかけることが
できるので、トンネリングによる電子の注入が容易にな
る。
In the present invention, the resistivity of the i-type semiconductor layer is 1 × 10 4 Ω · cm to 1 × 10 12 Ω · cm or more, preferably 1 × 10 12 Ω · cm.
According to a preferred example of being not less than × 10 8 Ω · cm, the applied bias can be efficiently applied to the high resistance region, so that injection of electrons by tunneling becomes easy.

【0049】さらに本発明において、電子が放出される
エミッター部分がp型のダイヤモンド層の表面であると
いう好ましい例によれば、表面状態の制御によって容易
に負の電子親和力状態を形成することができると共に、
注入された電子を効率よく外部に取り出すことが可能と
なるので、効率的な電子放出素子を実現することが出来
る。
Further, in the present invention, according to a preferred example in which the emitter portion from which electrons are emitted is the surface of the p-type diamond layer, a negative electron affinity state can be easily formed by controlling the surface state. Along with
Since the injected electrons can be efficiently extracted to the outside, an efficient electron-emitting device can be realized.

【0050】さらに前記本発明において、p型のダイヤ
モンド層の最表面の炭素原子が水素原子との結合によっ
て終端された構造であるという好ましい例によれば、簡
便な方法で最表面の炭素原子に水素原子と結合した構造
を形成できると共に、p型のダイヤモンドを非常に安定
な負の電子親和力状態にすることができる。
Further, according to the preferred embodiment of the present invention, in which the p-type diamond layer has a structure in which carbon atoms on the outermost surface are terminated by bonds to hydrogen atoms, the carbon atoms on the outermost surface can be easily converted to carbon atoms on the outermost surface. A structure bonded to hydrogen atoms can be formed, and p-type diamond can be in a very stable negative electron affinity state.

【0051】さらに前記本発明において、p型のダイヤ
モンド層の最表面の炭素原子と結合した水素原子の量が
1×1015個/cm2〜1×1017個/cm2、望ましくは2×1015個/
cm2以上であるという好ましい例によれば、ほぼ全ての
最表面炭素原子が水素原子と結合するため、より安定な
負の電子親和力状態を維持することができる。
Further, in the present invention, the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of the p-type diamond layer is
1 × 10 15 pieces / cm 2 to 1 × 10 17 pieces / cm 2 , preferably 2 × 10 15 pieces / cm 2
According to a preferred example of being not less than cm 2 , almost all outermost carbon atoms are bonded to hydrogen atoms, so that a more stable negative electron affinity state can be maintained.

【0052】さらに前記本発明において、電子が放出さ
れるエミッター部分がp型のダイヤモンド層と前記p型
のダイヤモンド層と接する層の界面近傍であるという好
ましい例によれば、p型層伝導帯に注入された電子の拡
散距離が短くなるので、より効率的な電子放出素子を実
現することができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, in which the emitter from which electrons are emitted is near the interface between the p-type diamond layer and the layer in contact with the p-type diamond layer, the p-type layer conduction band Since the diffusion distance of the injected electrons becomes shorter, a more efficient electron-emitting device can be realized.

【0053】さらに前記本発明において、p型のダイヤ
モンド層としてダイヤモンドの表面導電層を用いるとい
う好ましい例によれば、新たにp型のダイヤモンド層を
形成する工程を経ることなく、容易に1μm以下の厚さ
のp型のダイヤモンド層として作用する層が得られるた
め、効率的な電子放出素子を簡便に実現することが出来
る。
Further, according to the preferred embodiment of the present invention, in which a diamond surface conductive layer is used as the p-type diamond layer, the thickness can easily be reduced to 1 μm or less without a step of forming a new p-type diamond layer. Since a layer acting as a p-type diamond layer having a thickness can be obtained, an efficient electron-emitting device can be easily realized.

【0054】さらに前記本発明において、ダイヤモンド
の表面導電層の構造としてダイヤモンド層の最表面の炭
素原子が水素原子との結合によって終端された構造であ
るという好ましい例によれば、簡便な方法でp型のダイ
ヤモンドを非常に安定な負の電子親和力状態にすること
ができる。
Further, according to the preferred embodiment of the present invention, the surface conductive layer of diamond has a structure in which carbon atoms on the outermost surface of the diamond layer are terminated by bonds to hydrogen atoms. Type diamond can be in a very stable negative electron affinity state.

【0055】さらに前記本発明において、ダイヤモンド
層の最表面の炭素原子と結合した水素原子の量が1×10
15個/cm2〜1×1017個/cm2、望ましくは2×1015個/cm2
上であるという好ましい例によれば、ほぼ全ての最表面
炭素原子が水素原子と結合するため、より安定な負の電
子親和力状態を維持することができる。
Further, in the present invention, the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of the diamond layer is 1 × 10
According to a preferred example of 15 pieces / cm 2 to 1 × 10 17 pieces / cm 2 , desirably 2 × 10 15 pieces / cm 2 or more, since almost all the outermost surface carbon atoms are bonded to hydrogen atoms, A more stable negative electron affinity state can be maintained.

【0056】さらに前記本発明において、ダイヤモンド
層全体の厚さが0.05〜5μm以下、望ましくは1μm以
下であるという好ましい例によれば、ダイヤモンド層内
部で電子を失うことなく効率的に電子を放出させること
が可能となる。
Further, in the present invention, according to a preferred example in which the thickness of the entire diamond layer is 0.05 to 5 μm or less, preferably 1 μm or less, electrons are efficiently emitted without losing electrons inside the diamond layer. It becomes possible.

【0057】さらに前記本発明において、ダイヤモンド
層を用いて形成される電子放出素子の構造が幅0.05〜5
μm、望ましくは1μm以下の細線状であるという好ま
しい例によれば、素子内部で電子を失うことなく効率的
に電子を放出させることが可能となると共に、線状に電
子を放出させることが可能となる。
Further, in the present invention, the structure of the electron-emitting device formed using the diamond layer has a width of 0.05 to 5 mm.
According to a preferred example of a thin line having a thickness of 1 μm or less, preferably 1 μm or less, electrons can be efficiently emitted without losing electrons inside the device, and electrons can be emitted linearly. Becomes

【0058】さらに前記本発明において、ダイヤモンド
層が気相合成法によって形成されるという好ましい例に
よれば、後工程として何ら処理をすることなく成長直後
にダイヤモンド層表面に表面導電層を得ることが可能と
なる。
Further, according to the preferred embodiment of the present invention, in which the diamond layer is formed by a vapor phase synthesis method, it is possible to obtain a surface conductive layer on the surface of the diamond layer immediately after the growth without any treatment as a subsequent step. It becomes possible.

【0059】また上記のような構造を形成する方法とし
て本発明方法の構成によれば、ダイヤモンド層を用いて
形成される電子放出素子の製造方法であって、基板素材
上に気相合成法により1μm以下の連続膜状のダイヤモ
ンド層を形成する工程を有することを特徴とすることに
より、簡便に薄い膜厚のダイヤモンド層を有する高効率
電子放出素子を形成することが可能となる。
According to the structure of the method of the present invention as a method of forming the above structure, there is provided a method of manufacturing an electron-emitting device formed using a diamond layer, the method comprising the steps of: By providing a step of forming a continuous film-like diamond layer having a thickness of 1 μm or less, a high-efficiency electron-emitting device having a thin diamond layer can be easily formed.

【0060】また同様に前記本発明方法によれば、ダイ
ヤモンド層を用いて形成される電子放出素子の製造方法
であって、基板素材上に気相合成法によりダイヤモンド
層を形成する工程と、前記ダイヤモンド層の基板素材側
の面又はダイヤモンド層の表面側から所定の厚さ以下ま
で前記ダイヤモンド層をエッチングする工程とを有する
ことを特徴とすることにより、容易に所望の構造を有す
る高効率電子放出素子を形成することが可能となる。
Similarly, according to the method of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electron-emitting device formed using a diamond layer, comprising the steps of: forming a diamond layer on a substrate material by vapor phase synthesis; Etching the diamond layer from the surface of the diamond layer on the substrate material side or the surface side of the diamond layer to a predetermined thickness or less, so that high-efficiency electron emission having a desired structure can be easily performed. An element can be formed.

【0061】また本電子放出素子においては上記の通
り、エミッター部分表面の構造制御が非常に重要であ
る。一般的にエミッター部分として適した構造を形成す
る方法としては特に限定するものではないが、ダイヤモ
ンド表面の導電性を制御する、すなわちダイヤモンド表
面の炭素原子と結合する元素を制御することが容易であ
る。具体的な例として、上記のように水素終端表面(導
電性)とすることでダイヤモンドを負の電子親和力状態
にすることができ、酸素終端表面(絶縁性)とすること
で正の電子親和力状態とすることができる。このような
表面状態変化を任意に制御することで、高効率電子放出
素子の素子構成並びに作製プロセスを簡便にすることが
できる。
As described above, in the electron-emitting device, it is very important to control the structure of the surface of the emitter. Generally, the method of forming a structure suitable as an emitter portion is not particularly limited, but it is easy to control the conductivity of the diamond surface, that is, to control the elements that bond to carbon atoms on the diamond surface. . As a specific example, diamond can be brought into a negative electron affinity state by using a hydrogen-terminated surface (conductive) as described above, and can be brought into a positive electron affinity state by using an oxygen-terminated surface (insulating). It can be. By arbitrarily controlling such a change in the surface state, the device configuration and manufacturing process of the high-efficiency electron-emitting device can be simplified.

【0062】そこで前記本発明方法によれば、ダイヤモ
ンド層を用いて形成される電子放出素子の製造方法であ
って、ダイヤモンド層の所定の領域に波長が200nm
以下の真空紫外光を照射する工程を有することを特徴と
するので、選択的にダイヤモンド表面に結合した元素の
除去と新たな結合を形成することが可能となる。その結
果、ダイヤモンド表面の電子親和力状態を正(絶縁性)
及び負(導電性)のいずれにも制御することが可能とな
る。
Therefore, according to the method of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electron-emitting device formed using a diamond layer, wherein the wavelength is 200 nm in a predetermined region of the diamond layer.
Since the method has the following step of irradiating vacuum ultraviolet light, it is possible to selectively remove elements bonded to the diamond surface and form new bonds. As a result, the electron affinity state of the diamond surface is positive (insulating)
And negative (conductivity).

【0063】また前記本発明方法によれば、ダイヤモン
ド層を用いて形成される電子放出素子の製造方法であっ
て、ダイヤモンド層をエッチングした後、さらに前記エ
ッチングされたダイヤモンド層の所定の領域を少なくと
も水素を含むガスを放電分解して得られるプラズマに晒
す工程を有することを特徴とするので、選択的にダイヤ
モンドの最表層炭素原子に水素原子を結合させることが
可能となり、その結果容易に負の電子親和力状態の領域
を形成することが可能になる。
According to the method of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electron-emitting device formed by using a diamond layer.
A step of exposing a predetermined region of the etched diamond layer to plasma obtained by discharge-decomposing a gas containing at least hydrogen to selectively bond hydrogen atoms to the outermost carbon atoms of diamond. As a result, it is possible to easily form a region having a negative electron affinity state.

【0064】また前記本発明方法によれば、ダイヤモン
ド層を用いて形成される電子放出素子の製造方法であっ
て、加熱したダイヤモンド層を少なくとも水素を含むガ
ス中に晒す工程を有することを特徴とするので、選択的
にダイヤモンドの最表層炭素原子に水素原子を結合させ
ることが可能となり、その結果容易に負の電子親和力状
態の領域を形成することが可能になる。
Further, according to the method of the present invention, there is provided a method for manufacturing an electron-emitting device formed using a diamond layer, comprising a step of exposing the heated diamond layer to a gas containing at least hydrogen. Therefore, a hydrogen atom can be selectively bonded to the outermost carbon atom of diamond, and as a result, a region in a negative electron affinity state can be easily formed.

【0065】また前記本発明方法によれば、ダイヤモン
ド層を用いて形成される電子放出素子の製造方法であっ
て、ダイヤモンド層の所定の領域を少なくとも酸素を含
むガスを放電分解して得られるプラズマに晒す工程を有
することを特徴とするので、選択的にダイヤモンドの最
表層炭素原子に酸素原子を結合させることが可能とな
り、その結果容易に正の電子親和力状態の領域を形成す
ることが可能になる。
Further, according to the method of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electron-emitting device formed using a diamond layer, wherein a predetermined region of the diamond layer is obtained by discharge-decomposing at least a gas containing oxygen. Is characterized by having a step of exposing to oxygen, which makes it possible to selectively bind oxygen atoms to the outermost carbon atoms of diamond, thereby easily forming a region having a positive electron affinity state. Become.

【0066】また前記本発明方法によれば、ダイヤモン
ド層を用いて形成される電子放出素子の製造方法であっ
て、加熱したダイヤモンド層を少なくとも酸素を含むガ
ス中に晒す工程を有することを特徴とするので、選択的
にダイヤモンドの最表層炭素原子に酸素原子を結合させ
ることが可能となり、その結果容易に正の電子親和力状
態の領域を形成することが可能になる。
According to the method of the present invention, there is provided a method for manufacturing an electron-emitting device formed using a diamond layer, comprising a step of exposing the heated diamond layer to a gas containing at least oxygen. Therefore, an oxygen atom can be selectively bonded to the outermost carbon atom of diamond, and as a result, a region having a positive electron affinity state can be easily formed.

【0067】以上のようにダイヤモンド層の表面状態を
任意に制御することにより、高効率電子放出素子の素子
構成並びに作製プロセスを簡便にすることができる。
As described above, by arbitrarily controlling the surface state of the diamond layer, the device configuration and manufacturing process of the high-efficiency electron-emitting device can be simplified.

【0068】またダイヤモンド層を含む上記電子放出素
子を形成し、p型のダイヤモンド表面から面状に電子を
放出する平面電子放出素子の実現も可能である。従来の
コーン状のエミッターにおいては電子放出は、突起部の
先端でのみ起こるが、本発明のダイヤモンド層を含む電
子放出素子は1平方μm〜10000平方μmの面積か
らの面電子放出が確認された。
It is also possible to form a planar electron-emitting device that emits electrons from the surface of a p-type diamond by forming the electron-emitting device including a diamond layer. In the conventional cone-shaped emitter, electron emission occurs only at the tip of the protruding portion. However, in the electron-emitting device including the diamond layer of the present invention, surface electron emission from an area of 1 to 10,000 square μm was confirmed. .

【0069】[0069]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

【0070】[0070]

【第1の実施例】まず2×2×0.5mmのシリコン(Si)基
板上に気相合成法によって、電子供給層である絶縁性の
ダイヤモンド層と、p型のダイヤモンド層を形成した。
ダイヤモンド層の気相合成方法としては特に限定される
ものではないが、一般的には原料ガスにメタン、エタ
ン、エチレン、アセチレン等の炭化水素ガス、アルコー
ル、アセトン等の有機化合物及び一酸化炭素などの炭素
源を水素ガスで希釈したものを用い、その原料ガスにエ
ネルギーを与えて分解することによって行なわれる。そ
の際、さらに原料ガスに適宜酸素や水等を添加すること
もできる。本実施例においては、気相合成法の一種であ
るマイクロプラズマCVD法によって絶縁性及びp型の
ダイヤモンド層を形成した。マイクロ波プラズマCVD
法は原料ガスにマイクロ波を印加することによってプラ
ズマ化し、ダイヤモンドの形成を行なう方法である。具
体的な条件としては、原料ガスに水素で1〜10 vol%程度
に希釈された一酸化炭素ガスを用いた。p型化する際に
は、原料ガスにジボランガスを添加した。反応温度及び
圧力はそれぞれ800〜900℃、及び25〜40Torrである。形
成された絶縁性及びp型のダイヤモンド層の膜厚は、そ
れぞれ2μm及び0.5μmであった。またp型膜の膜中に
は、二次イオン質量分析によって1×1018個/cm3のホウ
素原子が含まれていることが確認され、その抵抗率は1
×102Ω・cm以下であった。また気相合成によって得られ
たp型ダイヤモンド層の最表面には水素が結合してお
り、紫外光照射でp型ダイヤモンド表面の電子親和力状
態を評価した結果、負の電子親和力状態であることがわ
かった。
First Embodiment First, an insulating diamond layer as an electron supply layer and a p-type diamond layer were formed on a 2 × 2 × 0.5 mm silicon (Si) substrate by a vapor phase synthesis method.
The method of vapor phase synthesis of the diamond layer is not particularly limited, but generally, a hydrocarbon gas such as methane, ethane, ethylene, acetylene, an organic compound such as alcohol or acetone, and carbon monoxide are used as a raw material gas. Is performed by using a carbon source diluted with hydrogen gas and applying energy to the raw material gas to decompose it. At that time, oxygen, water or the like can be added to the raw material gas as appropriate. In this embodiment, an insulating and p-type diamond layer is formed by a microplasma CVD method, which is a kind of a gas phase synthesis method. Microwave plasma CVD
The method is a method of forming a diamond by applying a microwave to a source gas to form diamond. As specific conditions, a carbon monoxide gas diluted to about 1 to 10 vol% with hydrogen was used as a source gas. At the time of p-type conversion, diborane gas was added to the source gas. The reaction temperature and pressure are 800-900C and 25-40 Torr, respectively. The film thicknesses of the formed insulating and p-type diamond layers were 2 μm and 0.5 μm, respectively. The p-type film was confirmed to contain 1 × 10 18 boron atoms / cm 3 by secondary ion mass spectrometry.
× 10 2 Ω · cm or less. Hydrogen is bonded to the outermost surface of the p-type diamond layer obtained by the vapor phase synthesis, and as a result of evaluating the electron affinity state of the p-type diamond surface by irradiation with ultraviolet light, it is found that the electron affinity state is negative. all right.

【0071】そこでSi基板の一部を硝酸系のエッチング
液で除去して穴をあけ、基板と接していた面すなわち、
絶縁性ダイヤモンド層の上にアルミニウム(Al)の電極
を真空蒸着で形成した。さらにp型のダイヤモンド層上
の一部に金/チタン(Au/Ti)の電極を電子線蒸着で形
成した。その結果、図1に示したような2つの電極層で
絶縁性(電子供給層)及びp型のダイヤモンド層を挟ん
だ構造が作製された。
Then, a part of the Si substrate was removed with a nitric acid-based etchant to form a hole, and the surface in contact with the substrate, that is,
An aluminum (Al) electrode was formed on the insulating diamond layer by vacuum evaporation. Further, a gold / titanium (Au / Ti) electrode was formed on a part of the p-type diamond layer by electron beam evaporation. As a result, a structure having an insulating (electron supply layer) and a p-type diamond layer sandwiched between two electrode layers as shown in FIG. 1 was produced.

【0072】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-9Torr程度の真空中に設置し、Al電極側に正の電圧
を100V程度まで印加した結果、p型のダイヤモンド層表
面より電子が放出されていることが確認された。またそ
の放出電流の割合(放出効率)は0.1〜10%程度であり、
従来よりも効率的に電子が放出されていることを確認す
ることができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of about 10 −9 Torr, and a positive voltage was applied to the Al electrode side up to about 100 V. Was confirmed to have been released. The emission current ratio (emission efficiency) is about 0.1 to 10%,
It was confirmed that electrons were emitted more efficiently than before.

【0073】他の形成条件でp型のダイヤモンド層を形
成した場合や基板素材を変えた場合、電極の種類をAlか
らタングステン(W)に変えた場合などにおいても、同
様の結果が得られた。
Similar results were obtained when the p-type diamond layer was formed under other forming conditions, when the substrate material was changed, and when the electrode type was changed from Al to tungsten (W). .

【0074】[0074]

【第2の実施例】第1の実施例と同様に、2×2×0.5mm
のSi基板上にマイクロ波プラズマCVD法によってダイ
ヤモンド層を形成した。本実施例においては、絶縁性の
ダイヤモンド層のみを形成した。具体的な形成条件は、
第1の実施例と同じである。一般的にマイクロ波プラズ
マCVD法で形成されたダイヤモンド膜は、その表面に
水素原子が結合したことに起因すると考えられる表面導
電層が存在しており、その表面導電層はp型として働く
ことが知られている。それ故に、表面導電層を有する絶
縁性のダイヤモンド層は、第1の実施例のようなp型の
ダイヤモンド層を絶縁性ダイヤモンド層(電子供給層)
の上に積層した場合と同様の構造と考えることができ
る。そこでこの表面導電層を有する絶縁性のダイヤモン
ド層の表面を評価した結果、最表面には水素が結合して
おり、かつ負の電子親和力状態であることがわかった。
そこでSi基板の一部を硝酸系のエッチング液で除去して
穴をあけ、基板と接していた面にAlの電極を、表面伝導
層上の一部にAu/Tiの電極を形成した。その結果、図1
に示したような2つの電極層でダイヤモンド層を挟んだ
構造が作製された。
[Second Embodiment] As in the first embodiment, 2 × 2 × 0.5 mm
A diamond layer was formed on the Si substrate by microwave plasma CVD. In this example, only the insulating diamond layer was formed. Specific forming conditions are:
This is the same as the first embodiment. Generally, a diamond film formed by a microwave plasma CVD method has a surface conductive layer which is considered to be caused by hydrogen atoms bonded to the surface, and the surface conductive layer may function as a p-type. Are known. Therefore, the insulating diamond layer having the surface conductive layer is different from the p-type diamond layer as in the first embodiment in that the insulating diamond layer (electron supply layer) is used.
The structure can be considered to be the same as that of the case in which the layers are stacked. Therefore, as a result of evaluating the surface of the insulating diamond layer having the surface conductive layer, it was found that hydrogen was bonded to the outermost surface and the surface was in a negative electron affinity state.
Then, a part of the Si substrate was removed with a nitric acid-based etchant to form a hole, and an Al electrode was formed on the surface in contact with the substrate, and an Au / Ti electrode was formed on a part of the surface conductive layer. As a result, FIG.
A structure in which a diamond layer is sandwiched between two electrode layers as shown in FIG.

【0075】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-9Torr程度の真空中に設置し、Al電極側に正の電圧
を100V程度まで印加した結果、ダイヤモンドの表面導電
層より電子が放出されていることが確認された。またそ
の放出電流の割合(放出効率)は0.1〜10%程度であり、
従来よりも効率的に電子が放出されていることを確認す
ることができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of about 10 −9 Torr, and a positive voltage was applied to the Al electrode side up to about 100 V. As a result, electrons were emitted from the surface conductive layer of diamond. The release was confirmed. The emission current ratio (emission efficiency) is about 0.1 to 10%,
It was confirmed that electrons were emitted more efficiently than before.

【0076】他の形成条件で絶縁性のダイヤモンド層を
形成した場合や基板素材を変えた場合、電極の種類をAl
からWに変えた場合などにおいても、同様の結果が得ら
れた。
When the insulating diamond layer is formed under other forming conditions or when the substrate material is changed, the type of the electrode is changed to Al.
When W was changed to W, similar results were obtained.

【0077】[0077]

【第3の実施例】第2の実施例と同様に、Si基板上にマ
イクロ波プラズマCVD法によって表面導電層を有する
絶縁性のダイヤモンド層を形成し、基板と接していた面
側にAlの電極を形成した後、絶縁性のダイヤモンド層の
表面上(表面伝導層上)の一部に絶縁性の厚さ0.1μm
の二酸化シリコン層(SiO2)を形成した。SiO2膜の形成
は、石英円盤をターゲットとしたrfスパッタ法で形成し
た。さらにそのSiO2層の上にAl電極を形成した。その
結果、図2に示したような2つの電極層で電子供給層と
ダイヤモンド層と絶縁体層とを挟んだ構造が作製され
た。
Third Embodiment As in the second embodiment, an insulative diamond layer having a surface conductive layer is formed on a Si substrate by microwave plasma CVD, and Al is formed on the surface in contact with the substrate. After forming the electrode, an insulating thickness of 0.1 μm is formed on a part of the surface of the insulating diamond layer (on the surface conductive layer).
A silicon dioxide layer (SiO 2 ) was formed. The SiO 2 film was formed by an rf sputtering method using a quartz disk as a target. Further, an Al electrode was formed on the SiO2 layer. As a result, a structure in which the electron supply layer, the diamond layer, and the insulator layer were interposed between the two electrode layers as shown in FIG. 2 was produced.

【0078】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-9Torr程度の真空中に設置し、基板面側のAl電極に
正の電圧を100V程度まで印加した結果、ダイヤモンドの
表面導電層より電子が放出されていることが確認される
と共に、表面側のAl電極にはほとんど電流が流れないこ
とが確認された。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of about 10 -9 Torr, and a positive voltage of about 100 V was applied to the Al electrode on the substrate surface. It was confirmed that more electrons were emitted, and that almost no current flowed through the Al electrode on the surface side.

【0079】他の形成条件で絶縁性のダイヤモンド層を
形成した場合や基板素材を変えた場合、電極材料の種類
を変えた場合などにおいても、同様の結果が得られた。
Similar results were obtained when the insulating diamond layer was formed under other forming conditions, when the substrate material was changed, and when the type of electrode material was changed.

【0080】[0080]

【第4の実施例】図7は、ダイヤモンド層を用いたM−
I−S−M構造の電子放出素子の一実施例の基本的な構
造を示す図である。図7に示すように、本電子放出素子
は主な構成部分として、第1の電極層71と、電子供給層
としてのi型のダイヤモンドなどの絶縁体層72と、p型
のダイヤモンド層73と、基材(導電性)74と、素子に電
界を印加するための電極層75とを有している。この素子
第2の電極層75に正電圧を印加することにより、電極
層71より注入された電子は、電子供給層(絶縁体層)7
2、p型のダイヤモンド層73を介して基材74、電極層75
に達し、M−I−S−M構造ダイオード電流となる。そ
の電子流のうちp型ダイヤモンド層73の表面近傍を流れ
るものは、拡散等によって外部に放出される。この構造
は面による放出素子であるため、面電流密度を大きくす
ることが可能である。
Fourth Embodiment FIG. 7 shows an M-type semiconductor device using a diamond layer.
FIG. 3 is a diagram showing a basic structure of an embodiment of an electron-emitting device having an I-S-M structure . As shown in FIG. 7, the present electron-emitting device has, as main components, a first electrode layer 71, an insulator layer 72 such as i-type diamond as an electron supply layer, and a p-type diamond layer 73. , A base (conductive) 74 and an electrode layer 75 for applying an electric field to the element. By applying a positive voltage to the second electrode layer 75 of this device, the electrons injected from the electrode layer 71 are changed to an electron supply layer (insulator layer) 7.
2. Base material 74, electrode layer 75 via p-type diamond layer 73
, Resulting in a MISM structure diode current. The electron flow that flows near the surface of the p-type diamond layer 73 is emitted to the outside by diffusion or the like. Since this structure is a surface-emitting device, the surface current density can be increased.

【0081】図8A−図8Fは、図7に示したM−I−
S−M構造の電子放出素子の一実施例を作製するために
用いたプロセスの概略を示したものである。
FIG. 8A to FIG. 8F show the MI-
1 schematically shows a process used to fabricate an embodiment of an electron-emitting device having an SM structure .

【0082】まず図8Aに示すように基材74を準備し
た。基材材料としては導電性であればよく、特に限定さ
れるものではないが、後工程を考慮するとSiやモリブデ
ン(Mo)などの金属が一般的である。本実施例において
は低抵抗のSi基板を用いた。
First, as shown in FIG. 8A, a base material 74 was prepared. The substrate material is not particularly limited as long as it is electrically conductive, but a metal such as Si or molybdenum (Mo) is generally used in consideration of a post-process. In this example, a low-resistance Si substrate was used.

【0083】次に図8Bに示すように基材74上に電子供
給層72として絶縁体膜を形成した。この電子供給層(絶
縁体層)72の材質に関しても特に限定されるものではな
いが、気相合成によって形成された不純物を添加しない
絶縁性のi型のダイヤモンドを用いるのが最適である。
本実施例においても主に電子供給層(絶縁体層)72とし
て、i型のダイヤモンド層を上記のマイクロ波プラズマ
CVD法で形成した。
Next, as shown in FIG. 8B, an insulator film was formed as an electron supply layer 72 on the base material 74. The material of the electron supply layer (insulator layer) 72 is not particularly limited, but it is optimal to use an insulating i-type diamond to which impurities formed by vapor phase synthesis are not added.
Also in this embodiment, an i-type diamond layer was formed mainly by the microwave plasma CVD method as the electron supply layer (insulator layer) 72.

【0084】続いて図8Cに示すように基材74の裏面の
一部76をエッチング除去した。エッチングの方法は、特
に限定されるものではなく、基材74の材質等によって適
宜選択される。例えば基材74がSiの場合はフッ硝酸によ
るウェットエッチングの手法を用いることができる。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, a part 76 of the back surface of the base material 74 was removed by etching. The etching method is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the material of the base material 74 and the like. For example, when the base material 74 is Si, a wet etching method using hydrofluoric nitric acid can be used.

【0085】さらに図8Dのエッチング面77に示すよう
に、電子供給層(絶縁体層:i型のダイヤモンド層)72
を裏面側よりエッチングすることによってi型のダイヤ
モンド層の厚さを5μmよりも薄くした。ダイヤモンド
層のエッチングは、酸素ガスを用いたECRイオンエッ
チングまたは反応性イオンエッチング(RIE)により行
なった。ECRイオンエッチングの条件としては、ガス
圧力:0.01Torr、バイアス電圧:-30V、バイアス電流:
2mA/cm2、マイクロ波出力:650W、基板温度:280℃で
ある。
Further, as shown in an etching surface 77 of FIG. 8D, an electron supply layer (insulator layer: i-type diamond layer) 72
Was etched from the back side to reduce the thickness of the i-type diamond layer to less than 5 μm. The diamond layer was etched by ECR ion etching using oxygen gas or reactive ion etching (RIE). The conditions for ECR ion etching are as follows: gas pressure: 0.01 Torr, bias voltage: -30 V, bias current:
2 mA / cm 2 , microwave output: 650 W, substrate temperature: 280 ° C.

【0086】その後、図8Eに示すように電子供給層
(絶縁体層)72のエッチング面77にp型のダイヤモンド
層73を形成した。このp型のダイヤモンド層の形成方法
は、ホウ素などのp型不純物を添加した原料ガスを用い
た気相合成法によって新たに堆積してもよいし、第2の
実施例に記載したように、絶縁体層としてi型のダイヤ
モンドを用いている場合、そのエッチング面に水素プラ
ズマ等を照射してその表面を水素終端した表面導電層を
p型ダイヤモンド層として形成しても良い。
Thereafter, as shown in FIG. 8E, a p-type diamond layer 73 was formed on the etching surface 77 of the electron supply layer (insulator layer) 72. This p-type diamond layer may be formed by a new deposition by a gas phase synthesis method using a source gas to which a p-type impurity such as boron is added, or as described in the second embodiment, When i-type diamond is used as the insulator layer, a surface conductive layer whose surface is terminated with hydrogen by irradiating the etched surface with hydrogen plasma or the like may be formed as a p-type diamond layer.

【0087】最後に図8Fに示すように、電極層71、75
をそれぞれ電子供給層(絶縁体層)72並びに基材74上に
形成した。これらの電極材料としては、一般的にアルミ
ニウム(Al)、タングステン(W)または金/チタン
(Au/Ti)などから適宜選択される。
Finally, as shown in FIG. 8F, the electrode layers 71 and 75
Was formed on an electron supply layer (insulator layer) 72 and a substrate 74, respectively. These electrode materials are generally appropriately selected from aluminum (Al), tungsten (W), gold / titanium (Au / Ti), and the like.

【0088】以上のような方法で作製した電子放出素子
に電圧を印加して電流−電圧特性を評価した結果、整流
性が得られ、M−I−S−M型ダイオードとして動作し
ていることが確認された。さらに本電子放出素子を10-9
Torr程度の真空中に設置し、順方向バイアスを印加して
その電子放出特性を測定した結果、素子に流れるダイオ
ード電流に対する放出電流の割合(放出効率)は0.1〜1
0%程度であり、従来よりも効率的に電子が放出されてい
ることを確認することができた。
[0088] The above-described method by applying a voltage to the electron-emitting device manufactured by a current - results of evaluation of the voltage characteristic, rectification is obtained, it is operating as a M-I-S-M diode Was confirmed. Furthermore the present electron-emitting device 10 -9
The device was placed in a vacuum of about Torr, a forward bias was applied, and the electron emission characteristics were measured. As a result, the ratio of the emission current to the diode current flowing through the device (emission efficiency) was 0.1 to 1
It was about 0%, and it was confirmed that electrons were emitted more efficiently than in the past.

【0089】また本実施例においては、電子供給層(絶
縁体層:i型のダイヤモンド層)72を裏面側よりエッチ
ングすることによって薄くしたが、表面側よりエッチン
グして薄くした後、エッチング面を水素化して表面導電
層を形成することによって同様の構造を形成した場合に
おいても、従来よりも効率的に電子が放出されているこ
とを確認することができた。
Further, in this embodiment, the electron supply layer (insulator layer: i-type diamond layer) 72 is thinned by etching from the back surface side. Even when a similar structure was formed by forming a surface conductive layer by hydrogenation, it was confirmed that electrons were emitted more efficiently than in the conventional case.

【0090】また予めCVDダイヤモンド膜の核形成密
度を高めて、膜厚の薄い連続膜を形成(膜厚:0.5μm以
下)し、エッチングせずに電極を形成して素子を作製し
た場合においても、従来よりも効率的に電子が放出され
ていることを確認することができた。
Also, when the nucleation density of the CVD diamond film is increased in advance to form a thin continuous film (thickness: 0.5 μm or less) and an electrode is formed without etching to produce an element. It was confirmed that electrons were emitted more efficiently than before.

【0091】また他の形成条件でダイヤモンド層を形成
した場合や基板素材を変えた場合、電極材料の種類を変
えた場合などにおいても、同様の結果が得られた。
Similar results were obtained when the diamond layer was formed under other forming conditions, when the substrate material was changed, and when the type of electrode material was changed.

【0092】まず基材を準備した。基材材料としては特
に限定されるものではないが、後工程を考慮するとSiが
一般的である。本実施例においては高抵抗のSi基板を用
いた。
First, a substrate was prepared. Although the substrate material is not particularly limited, Si is generally used in consideration of the post-process. In this embodiment, a high-resistance Si substrate was used.

【0093】次に基材上に電子供給層の一部としてn型
の半導体層を形成した。このn型の半導体層の材質は特
に限定されるものではないが、リン(P)または窒素(N)
をドープしたn型のダイヤモンドあるいはn型のシリコ
ンカーバイドを用いるのが一般的であり、中でも気相合
成法で形成されるn型のダイヤモンドの場合は同様の手
法でi型やp型のダイヤモンド層を容易に形成できるた
め最適である。故に本実施例においては、n型の半導体
層としてn型のダイヤモンドを用いた。n型のダイヤモ
ンド層の形成方法としては、上記と同様であるが、Pの
ドーパントとして原料ガスにホスホン酸トリメチルを添
加した。リンの添加量は1×1018個/cm3で、膜厚は3μ
m程度であった。そしてその上に続けて、マイクロ波プ
ラズマCVD法により、電子供給層に含まれる絶縁体層
としてのi型のダイヤモンド層(膜厚:1μm程度)及び
p型のダイヤモンド層(膜厚:1μm)を形成した。
Next, an n-type semiconductor layer was formed on the substrate as a part of the electron supply layer. The material of the n-type semiconductor layer is not particularly limited, but may be phosphorus (P) or nitrogen (N).
In general, n-type diamond or n-type silicon carbide doped with N is used. In particular, in the case of n-type diamond formed by a vapor phase synthesis method, an i-type or p-type diamond layer is formed in the same manner. Is most suitable because it can be easily formed. Therefore, in this embodiment, n-type diamond was used as the n-type semiconductor layer. The method of forming the n-type diamond layer is the same as described above, except that trimethyl phosphonate was added to the source gas as a P dopant. The addition amount of phosphorus is 1 × 10 18 particles / cm 3 and the film thickness is 3 μm.
m. Then, an i-type diamond layer (thickness: about 1 μm) and a p-type diamond layer (thickness: 1 μm) as insulator layers included in the electron supply layer are successively formed thereon by microwave plasma CVD. Formed.

【0094】続いて基材の裏面の一部をエッチング除去
した。エッチングの方法は、特に限定されるものではな
く、基材の材質等によって適宜選択される。本実施例の
ような基材がSiの場合はフッ硝酸によるウェットエッチ
ングの手法を用いることができる。
Subsequently, a part of the back surface of the substrate was removed by etching. The etching method is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the material of the base material and the like. When the substrate is Si as in this embodiment, a wet etching method using hydrofluoric nitric acid can be used.

【0095】最後に、電子供給層の基材側の面並びにp
型ダイヤモンド層94の表面側の面にオーミック性の電極
層を形成した。これらの電極材料としては、一般的にAu
/Tiの二層電極などが用いられる。
Finally, the surface of the electron supply layer on the substrate side and p
An ohmic electrode layer was formed on the surface of the mold diamond layer 94 on the front side. These electrode materials are generally Au
A / Ti two-layer electrode or the like is used.

【0096】以上のような方法で作製した電子放出素子
に電圧を印加して電流−電圧特性を評価した結果、pi
n接合ダイオードとして動作していることが確認され
た。さらに本電子放出素子を10-9Torr程度の真空中に設
置し、順方向バイアスを印加してその電子放出特性を測
定した結果、素子に流れるダイオード電流に対する放出
電流の割合(放出効率)は0.1〜10%程度であり、従来よ
りも効率的に電子が放出されていることを確認すること
ができた。
The voltage was applied to the electron-emitting device manufactured by the above method, and the current-voltage characteristics were evaluated.
It was confirmed that the device operated as an n-junction diode. Further, the present electron-emitting device was placed in a vacuum of about 10 -9 Torr, a forward bias was applied, and the electron emission characteristics were measured. As a result, the ratio of the emission current to the diode current flowing through the element (emission efficiency) was 0.1. It was about 10%, which confirmed that electrons were emitted more efficiently than in the past.

【0097】またi層として他の材料、例えば二酸化シ
リコン膜を用いた場合などにおいても、同様の結果が得
られた。
Similar results were obtained when another material such as a silicon dioxide film was used as the i-layer.

【0098】[0098]

【第5の実施例】(参考例1) 図9はダイヤモンド層を用いたpn接合型の電子放出素
子の参考例の構造である。図9に示すように、本電子放
出素子は主な構成部分として、基材91と、電極層92と、
電子供給層としてのn型のダイヤモンドなどのn型の半
導体層93と、p型のダイヤモンド層94と、電極層95とを
有している。この素子の電極層92、95間に順方向バイア
スを印加することにより、電子供給層(n型の半導体層)
93より電子はp型のダイヤモンド層94に注入され、pn
接合ダイオード電流となる。その電子流のうちp型のダ
イヤモンド層表面に達したものの一部は負の電子親和力
状態に起因して外部に放出される。この構造においても
面による放出素子であるため、面電流密度を大きくする
ことが可能である。
Fifth Embodiment (Reference Example 1) FIG. 9 shows the structure of a reference example of a pn junction type electron-emitting device using a diamond layer. As shown in FIG. 9, the present electron-emitting device has, as main components, a base material 91, an electrode layer 92,
An electron supply layer includes an n-type semiconductor layer 93 such as n-type diamond, a p-type diamond layer 94, and an electrode layer 95. By applying a forward bias between the electrode layers 92 and 95 of this element, the electron supply layer (n-type semiconductor layer)
From 93, electrons are injected into the p-type diamond layer 94, and pn
It becomes the junction diode current. A part of the electron flow that reaches the surface of the p-type diamond layer is emitted to the outside due to the negative electron affinity state. Also in this structure, since it is a surface emitting device, the surface current density can be increased.

【0099】図10A−図10Fは、図9に示した前記pn
接合型の電子放出素子の参考例を作製するために用いた
プロセスの概略を示したものである。まず基材91を準備
した。基材材料としては特に限定されるものではない
が、後工程を考慮するとSiが一般的である。本実施例に
おいては高抵抗のSi基板を用いた。
FIG. 10A to FIG. 10F show the pn values shown in FIG.
FIG. 3 schematically shows a process used for manufacturing a reference example of a junction type electron-emitting device. First, the base material 91 was prepared. Although the substrate material is not particularly limited, Si is generally used in consideration of the post-process. In this embodiment, a high-resistance Si substrate was used.

【0100】次に図10Bに示すように、基材91上に電子
供給層93としてn型の半導体層を形成した。このn型の
半導体層の材質は特に限定されるものではないが、リン
(P)または窒素(N)をドープしたn型のダイヤモン
ドまたはn型のシリコンカーバイドを用いるのが一般的
であり、中でも気相合成法で形成されるn型のダイヤモ
ンドの場合は同様の手法でp型のダイヤモンド層94を容
易に形成できるため最適である。故に本参考例において
は、電子供給層(n型の半導体層)93としてn型のダイ
ヤモンドを用いた。n型のダイヤモンド層の形成方法と
しては、上記と同様であるが、Pのドーパントとして原
料ガスにホスホン酸トリメチルを添加した。リンの添加
量は1×1018個/cm3で、膜厚は3μm程度であった。
Next, as shown in FIG. 10B, an n-type semiconductor layer was formed as an electron supply layer 93 on the base material 91. Although the material of the n-type semiconductor layer is not particularly limited, it is general to use n-type diamond or n-type silicon carbide doped with phosphorus (P) or nitrogen (N). The case of n-type diamond formed by a vapor phase synthesis method is optimal because a p-type diamond layer 94 can be easily formed by the same method. Therefore, in this embodiment, n-type diamond was used as the electron supply layer (n-type semiconductor layer) 93. The method of forming the n-type diamond layer is the same as described above, except that trimethyl phosphonate was added to the source gas as a P dopant. The addition amount of phosphorus was 1 × 10 18 / cm 3 , and the film thickness was about 3 μm.

【0101】さらに図10Cに示すように、その上に続け
てマイクロ波プラズマCVD法によりp型のダイヤモン
ド層94を1μm型成した。p型のダイヤモンド層の形成
方法としては、上記と同様である。
Further, as shown in FIG. 10C, a 1 μm-type p-type diamond layer 94 was formed thereon by microwave plasma CVD. The method for forming the p-type diamond layer is the same as described above.

【0102】続いて図10Dに示すように、基材91の裏面
の一部96をエッチング除去した。エッチングの方法は、
特に限定されるものではなく、基材91の材質等によって
適宜選択される。本参考例のような基材91がSiの場合は
フッ硝酸によるウェットエッチングの手法を用いること
ができる。
Subsequently, as shown in FIG. 10D, a part 96 of the back surface of the base material 91 was removed by etching. The etching method is
It is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the material of the base material 91 and the like. If the substrate 91 as in this reference example is Si can be used a method of wet etching with hydrofluoric-nitric acid.

【0103】次に図10Eに示すように、前記基材91の裏
面のエッチング部96の一部(p型ダイヤモンド層94の表
面側の面)にオーミック性の電極層92を形成した。電極
材料としては、Au/Tiの二層電極を用いた。
Next, as shown in FIG. 10E, an ohmic electrode layer 92 was formed on a part of the etched portion 96 on the back surface of the base material 91 (the surface on the front side of the p-type diamond layer 94). As the electrode material, a two-layer Au / Ti electrode was used.

【0104】最後に図10Fに示すように、電子供給層
(n型の半導体層:n型ダイヤモンド層)93の基材側の
面並びにp型ダイヤモンド層94の表面側の面にオーミッ
ク性の電極層95を形成した。電極材料としては、同様に
Au/Tiの二層電極を用いた。
Finally, as shown in FIG. 10F, an ohmic electrode is formed on the surface of the electron supply layer (n-type semiconductor layer: n-type diamond layer) 93 on the substrate side and the surface of the p-type diamond layer 94 on the surface side. Layer 95 was formed. Similarly, as an electrode material,
An Au / Ti two-layer electrode was used.

【0105】以上のような方法で作製した電子放出素子
に電圧を印加して電流−電圧特性を評価した結果、整流
性が得られ、pn接合ダイオードとして動作しているこ
とが確認された。さらに本電子放出素子を10-9Torr程度
の真空中に設置し、100V程度まで順方向バイアスを印加
してその電子放出特性を測定した結果、素子に流れるダ
イオード電流に対する放出電流の割合(放出効率)は0.
1〜10%程度であり、従来よりも効率的に電子が放出され
ていることを確認することができた。
As a result of applying a voltage to the electron-emitting device manufactured by the above-described method and evaluating current-voltage characteristics, it was confirmed that rectification was obtained and the device was operated as a pn junction diode. Furthermore, this electron-emitting device was placed in a vacuum of about 10 -9 Torr, a forward bias was applied to about 100 V, and the electron emission characteristics were measured. As a result, the ratio of the emission current to the diode current flowing through the element (emission efficiency) )is 0.
It was about 1 to 10%, and it was confirmed that electrons were emitted more efficiently than before.

【0106】CVD法によるn型のダイヤモンド層の形
成以外にも、iまたはp型のダイヤモンドにPまたはN
をイオン注入した場合にも上記と同様にn型のダイヤモ
ンド層(電子供給層)として機能することを確認した。
In addition to the formation of an n-type diamond layer by the CVD method, P or N
Also function as an n-type diamond layer (electron supply layer) in the same manner as described above.

【0107】また他の形成条件でダイヤモンド層を形成
した場合や基板素材を変えた場合、電極材料の種類を変
えた場合などにおいても、同様の結果が得られた。
Similar results were obtained when the diamond layer was formed under other forming conditions, when the substrate material was changed, and when the type of electrode material was changed.

【0108】[0108]

【第6の実施例】(参考例2) ダイヤモンド層の表面構造制御の方法として、ダイヤモ
ンドの所定の領域に波長が200nm以下の真空紫外光の照
射を行なった。まず表面に酸素が結合したダイヤモンド
層を準備した。このダイヤモンド層の電子親和力状態を
評価した結果、正の電子親和力状態であることがわかっ
た。そこで10-7Torr程度の真空雰囲気中あるいは水素雰
囲気中で正の電子親和力を有するダイヤモンド層の一部
に波長が200nm以下の真空紫外光を照射した。その際の
真空紫外光の照射量としては照射レート等に依存するた
め特に限定はされないが、本参考例では1秒当たり1011
個のフォトンを15分間照射した。その結果、真空紫外光
が照射された領域の最表面炭素と酸素との結合が切れ、
水素との結合に変わっていることが確認された。すなわ
ち、ダイヤモンド層表面の結合状態を変えることによっ
て電子親和力の状態が正から負に変わっていることがわ
かった。このプロセスを用いることによって、エミッタ
ーとなる電子放出領域を制御することが可能であること
が確認された。
Sixth Embodiment (Reference Example 2) As a method of controlling the surface structure of a diamond layer, a predetermined region of diamond was irradiated with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less. First, a diamond layer having oxygen bonded to the surface was prepared. As a result of evaluating the electron affinity state of the diamond layer, it was found that the diamond layer was in a positive electron affinity state. Therefore, a part of the diamond layer having a positive electron affinity was irradiated with a vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less in a vacuum atmosphere of about 10 −7 Torr or a hydrogen atmosphere. The irradiation amount of vacuum ultraviolet light at that time is not particularly limited because it depends on the irradiation rate and the like, but in this reference example, it is 10 11 per second.
The photons were irradiated for 15 minutes. As a result, the bond between oxygen and the outermost surface of the region irradiated with vacuum ultraviolet light is broken,
It was confirmed that the bond had changed to hydrogen. That is, it was found that the state of the electron affinity changed from positive to negative by changing the bonding state on the diamond layer surface. It has been confirmed that by using this process, it is possible to control the electron emission region serving as the emitter.

【0109】[0109]

【第7の実施例】(参考例3) ダイヤモンド層の表面構造制御の方法として、ダイヤモ
ンド層の所定の領域を水素ガスを放電分解して得られる
プラズマに晒した。まず表面に酸素が結合したダイヤモ
ンド層を準備した。このダイヤモンド層は、上記のよう
に正の電子親和力状態である。そこで水素ガスのECR
放電プラズマに正の電子親和力を有するダイヤモンド層
の一部を晒した。その際の水素プラズマ照射時間として
は20秒間である。その結果、水素プラズマに晒された領
域の最表面炭素は、水素との結合に変わっていることが
確認された。すなわち、ダイヤモンド層表面の結合状態
を変えることによって電子親和力の状態が正から負に変
わっていることがわかった。このプロセスを用いること
によって、エミッターとなる電子放出領域を制御するこ
とが可能であることが確認された。
Seventh Embodiment (Reference Example 3) As a method of controlling the surface structure of a diamond layer, a predetermined region of the diamond layer was exposed to plasma obtained by discharge-decomposing hydrogen gas. First, a diamond layer having oxygen bonded to the surface was prepared. This diamond layer is in a positive electron affinity state as described above. Then ECR of hydrogen gas
A part of the diamond layer having a positive electron affinity was exposed to the discharge plasma. The hydrogen plasma irradiation time at that time is 20 seconds. As a result, it was confirmed that the outermost carbon in the region exposed to the hydrogen plasma was changed to a bond with hydrogen. That is, it was found that the state of the electron affinity changed from positive to negative by changing the bonding state on the diamond layer surface. It has been confirmed that by using this process, it is possible to control the electron emission region serving as the emitter.

【0110】また水素ガスのECR放電プラズマに晒す
時間を変えた場合や水素ガスをアルゴンや窒素で10%程
度に希釈した場合、他の方法で形成した水素プラズマに
晒した場合などにおいても、同様の結果が得られた。
The same applies to the case where the time for exposing the hydrogen gas to the ECR discharge plasma is changed, the case where the hydrogen gas is diluted to about 10% with argon or nitrogen, and the case where the hydrogen gas is exposed to the hydrogen plasma formed by another method. Was obtained.

【0111】[0111]

【第8の実施例】(参考例4) ダイヤモンド層の表面構造制御の方法として、加熱した
ダイヤモンド層を水素ガス中に晒した。まず表面に酸素
が結合したダイヤモンド層を準備した。このダイヤモン
ド層は、上記のように正の電子親和力状態である。そこ
で水素ガスを流した円筒形の容器内に正の電子親和力を
有するダイヤモンド層を設置し、600℃まで加熱した。
その際の処理時間としては10分間である。その結果、水
素雰囲気中で加熱されたダイヤモンド層の最表面炭素
は、水素との結合に変わっていることが確認された。す
なわち、ダイヤモンド層表面の結合状態を変えることに
よって電子親和力の状態が正から負に変わっていること
がわかった。このプロセスを用いることによって、エミ
ッターとなる電子放出領域を制御することが可能である
ことが確認された。
Eighth Embodiment (Reference Example 4) As a method of controlling the surface structure of a diamond layer, a heated diamond layer was exposed to hydrogen gas. First, a diamond layer having oxygen bonded to the surface was prepared. This diamond layer is in a positive electron affinity state as described above. Therefore, a diamond layer having a positive electron affinity was set in a cylindrical container in which hydrogen gas was flown, and heated to 600 ° C.
The processing time at that time is 10 minutes. As a result, it was confirmed that the outermost surface carbon of the diamond layer heated in the hydrogen atmosphere was changed to a bond with hydrogen. That is, it was found that the state of the electron affinity changed from positive to negative by changing the bonding state on the diamond layer surface. It has been confirmed that by using this process, it is possible to control the electron emission region serving as the emitter.

【0112】また容器に流す水素ガスをアルゴンや窒素
で10%程度に希釈した場合や加熱温度を400〜900℃の範
囲で変化された場合などにおいても同様の結果が得られ
た。
Similar results were obtained when the hydrogen gas flowing into the container was diluted to about 10% with argon or nitrogen, or when the heating temperature was changed in the range of 400 to 900 ° C.

【0113】[0113]

【第9の実施例】(参考例5) ダイヤモンド層の表面構造制御の方法として、ダイヤモ
ンド層の所定の領域を酸素ガスを放電分解して得られる
プラズマに晒した。まず表面に水素が結合したダイヤモ
ンド層を準備した。このダイヤモンド層の電子親和力状
態を評価した結果、上記のように負の電子親和力状態で
あることがわかった。そこで酸素ガスのECR放電プラ
ズマに負の電子親和力を有するダイヤモンド層の一部を
晒した。その際の酸素プラズマ照射時間としては20秒間
である。その結果、酸素プラズマに晒された領域の最表
面炭素は、酸素との結合に変わっていることが確認され
た。すなわち、ダイヤモンド層表面の結合状態を変える
ことによって電子親和力の状態が負から正に変わってい
ることがわかった。このプロセスを用いることによっ
て、エミッターとなる電子放出領域を制御することが可
能であることが確認された。
Ninth Embodiment (Reference Example 5) As a method of controlling the surface structure of a diamond layer, a predetermined region of the diamond layer was exposed to plasma obtained by discharge-decomposing oxygen gas. First, a diamond layer having hydrogen bonded to the surface was prepared. As a result of evaluating the electron affinity state of the diamond layer, it was found that the diamond layer was in the negative electron affinity state as described above. Therefore, a part of the diamond layer having a negative electron affinity was exposed to oxygen gas ECR discharge plasma. The oxygen plasma irradiation time at that time is 20 seconds. As a result, it was confirmed that the outermost carbon in the region exposed to the oxygen plasma was changed to a bond with oxygen. That is, it was found that the state of the electron affinity changed from negative to positive by changing the bonding state on the surface of the diamond layer. It has been confirmed that by using this process, it is possible to control the electron emission region serving as the emitter.

【0114】また酸素ガスのECR放電プラズマに晒す
時間を変えた場合や酸素ガスをアルゴンや窒素で10%程
度に希釈した場合、他の方法で形成した酸素プラズマに
晒した場合などにおいても、同様の結果が得られた。
The same applies when the time of exposing oxygen gas to ECR discharge plasma is changed, when oxygen gas is diluted to about 10% with argon or nitrogen, or when it is exposed to oxygen plasma formed by another method. Was obtained.

【0115】[0115]

【第10の実施例】(参考例6) ダイヤモンド層の表面構造制御の方法として、加熱した
ダイヤモンド層を酸素ガス中に晒した。まず表面に水素
が結合したダイヤモンド層を準備した。このダイヤモン
ド層は、上記のように負の電子親和力状態である。そこ
で酸素ガスを流した円筒形の容器内に負の電子親和力を
有するダイヤモンド層を設置し、600℃まで加熱した。
その際の処理時間としては10分間である。その結果、酸
素雰囲気中で加熱されたダイヤモンド層の最表面炭素
は、酸素との結合に変わっていることが確認された。す
なわち、ダイヤモンド層表面の結合状態を変えることに
よって電子親和力の状態が負から正に変わっていること
がわかった。このプロセスを用いることによって、エミ
ッターとなる電子放出領域を制御することが可能である
ことが確認された。
Tenth Embodiment (Reference Example 6) As a method of controlling the surface structure of a diamond layer, a heated diamond layer was exposed to oxygen gas. First, a diamond layer having hydrogen bonded to the surface was prepared. This diamond layer is in a negative electron affinity state as described above. Therefore, a diamond layer having a negative electron affinity was set in a cylindrical container in which oxygen gas was flown, and heated to 600 ° C.
The processing time at that time is 10 minutes. As a result, it was confirmed that the outermost surface carbon of the diamond layer heated in the oxygen atmosphere was changed to a bond with oxygen. That is, it was found that the state of the electron affinity changed from negative to positive by changing the bonding state on the surface of the diamond layer. It has been confirmed that by using this process, it is possible to control the electron emission region serving as the emitter.

【0116】また容器に流す酸素ガスをアルゴンや窒素
で10%程度に希釈した場合や加熱温度を400〜650℃の範
囲で変化された場合などにおいても同様の結果が得られ
た。
Similar results were obtained when the oxygen gas flowing through the container was diluted to about 10% with argon or nitrogen, or when the heating temperature was changed in the range of 400 to 650 ° C.

【0117】[0117]

【発明の効果】以上のように本発明の電子放出素子によ
れば、ダイヤモンド層を用いて形成される電子放出素子
であって、電極層と少なくとも絶縁体層を含んだ電子供
給層とダイヤモンド層を有する積層構造を含み、電子供
給層に電界を印加することにより、ダイヤモンドの伝導
帯に効率的に電子を供給し、低電圧、低温で容易に外部
に電子を取り出すことが可能となる。
As described above, according to the electron-emitting device of the present invention, there is provided an electron-emitting device formed using a diamond layer, comprising an electrode layer, an electron supply layer including at least an insulator layer, and a diamond layer. By applying an electric field to the electron supply layer, electrons can be efficiently supplied to the conduction band of diamond, and electrons can be easily extracted to the outside at low voltage and low temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の電極層と電子供給層とダイヤモンド
層とを含む積層構造からなる電子放出素子の一実施形態
を示す図である。
FIG. 1 is a view showing one embodiment of an electron-emitting device having a laminated structure including an electrode layer, an electron supply layer, and a diamond layer according to the present invention.

【図2】 本発明の電極層と電子供給層とダイヤモンド
層と絶縁体層とを含む積層構造からなる電子放出素子の
一実施形態を示す図である。
FIG. 2 is a view showing one embodiment of an electron-emitting device having a laminated structure including an electrode layer, an electron supply layer, a diamond layer, and an insulator layer according to the present invention.

【図3】 本発明のダイヤモンド層を用いたMIS型電
子放出素子の一実施形態を示す図である。
FIG. 3 is a view showing one embodiment of a MIS type electron-emitting device using a diamond layer of the present invention.

【図4】 A,Bは、本発明のダイヤモンド層を用いた
MIS型電子放出素子のエネルギーバンドを示す模式図
である。
FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams showing energy bands of a MIS-type electron-emitting device using the diamond layer of the present invention.

【図5】 ダイヤモンド層を用いたpn接合型電子放出
素子の参考例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a reference example of a pn junction type electron-emitting device using a diamond layer.

【図6】 A,Bは、参考例のダイヤモンド層を用いた
pn接合型電子放出素子のエネルギーバンドを示す模式
図である。
FIGS. 6A and 6B are schematic diagrams showing energy bands of a pn junction type electron-emitting device using a diamond layer of a reference example.

【図7】 本発明のダイヤモンド層を用いたMIS型電
子放出素子の一実施例を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing one embodiment of a MIS type electron-emitting device using the diamond layer of the present invention.

【図8】 A〜8Fは、本発明のダイヤモンド層を用い
たMIS型電子放出素子の一実施例を形成するためのプ
ロセスを示す図である。
FIGS. 8A to 8F are views showing a process for forming an embodiment of the MIS type electron-emitting device using the diamond layer of the present invention.

【図9】 ダイヤモンド層を用いたpn接合型電子放出
素子の参考例を示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing a reference example of a pn junction type electron-emitting device using a diamond layer.

【図10】 A〜Fは、ダイヤモンド層を用いたpn接
合型電子放出素子の参考例のプロセスを示す図である。
10A to 10F are diagrams showing a process of a reference example of a pn junction type electron-emitting device using a diamond layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11a,11b,11c,21a,21b,21c,35,52,55,75,92,95 電極層 12,22 電子供給層 13,23 ダイヤモンド層 14,24 ダイヤモンド層の表面 15,26 放出電子 25 絶縁体層 31,51,91 基材 32,71 電極層(ショットキー電極) 33 絶縁体層(電子供給層) 34,54,73,94 p型のダイヤモンド層 53 n型のダイヤモンド層 72 電子供給層絶縁体層(i型のダイヤモンド層) 74 基材(導電性) 93 電子供給層n型の半導体層(n型のダイヤモンド
層)
11a, 11b, 11c, 21a, 21b, 21c, 35,52,55,75,92,95 Electrode layer 12,22 Electron supply layer 13,23 Diamond layer 14,24 Diamond layer surface 15,26 Emitted electrons 25 Insulation Body layer 31,51,91 Base material 32,71 Electrode layer (Schottky electrode) 33 Insulator layer (electron supply layer) 34,54,73,94 p-type diamond layer 53 n-type diamond layer 72 electron supply layer Insulator layer (i-type diamond layer) 74 Base material (conductive) 93 Electron supply layer n-type semiconductor layer (n-type diamond layer)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八田 章光 大阪府吹田市片山町2丁目2番地17号 (72)発明者 栄森 信広 愛知県刈谷市小山町4丁目18番地 第2 小山寮 (72)発明者 北畠 真 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−94081(JP,A) 特開 平7−182994(JP,A) 特開 平8−222122(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 1/304 H01J 9/02 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Akimitsu Hatta 2-2-1-17 Katayamacho, Suita-shi, Osaka (72) Inventor Nobuhiro Sakamori 4--18 Koyamacho, Kariya-shi, Aichi No.2 Koyama Dormitory (72) Inventor Makoto Kitabatake 1006 Kadoma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-7-94081 (JP, A) JP-A-7-182994 (JP, A) JP-A-8 -222122 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims (36)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第一の電極層と、前記第一の電極層に対向
して配された第二の電極層と、前記第一の電極層と前記
第二の電極層との間に配された電子供給層と、前記電子
供給層に接して設けられたダイヤモンド層と、を有する
電子放出素子であって、 前記電子供給層が絶縁体層を有するとともに、 前記電子供給層にバイアスを印加したときに、電子が前
記第一の電極層から前記絶縁体層を介して前記ダイヤモ
ンド層に供給され、前記ダイヤモンド層から電子が放出
されることを特徴とする電子放出素子。
A first electrode layer; a second electrode layer disposed opposite to the first electrode layer; and a second electrode layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer. An electron supply layer, comprising: a doped electron supply layer; and a diamond layer provided in contact with the electron supply layer, wherein the electron supply layer has an insulator layer, and a bias is applied to the electron supply layer. An electron-emitting device, wherein, when the electrons are emitted, electrons are supplied from the first electrode layer to the diamond layer via the insulator layer, and electrons are emitted from the diamond layer.
【請求項2】 第1の電極層と第2の電極層間に電圧を
印加することによって、前記2つの電極に挟まれている
電子供給層に電界を印加する請求項1に記載の電子放出
素子。
2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein an electric field is applied to an electron supply layer sandwiched between the two electrodes by applying a voltage between the first electrode layer and the second electrode layer. .
【請求項3】 第1の電極層と第2の電極層間に印加す
る電圧が100V以下で動作する請求項2に記載の電子放出
素子。
3. The electron-emitting device according to claim 2, wherein the device operates at a voltage applied between the first electrode layer and the second electrode layer of 100 V or less.
【請求項4】 ダイヤモンド層の厚さが5μm以下であ
る請求項1に記載の電子放出素子。
4. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the diamond layer has a thickness of 5 μm or less.
【請求項5】 ダイヤモンド層に少なくとも電気抵抗率
1×104Ω・cm以下の導電層を含んでいる請求項1に記載
の電子放出素子。
5. The diamond layer has at least an electric resistivity.
2. The electron-emitting device according to claim 1, comprising a conductive layer of 1 × 10 4 Ω · cm or less.
【請求項6】 ダイヤモンド層の電子放出面の面積が1
平方μm以上である請求項1に記載の電子放出素子。
6. The area of an electron emission surface of a diamond layer is 1
2. The electron-emitting device according to claim 1, which has a square μm or more.
【請求項7】 ダイヤモンド層が少なくともp型のダイ
ヤモンド層を含んでいる請求項1に記載の電子放出素
子。
7. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the diamond layer includes at least a p-type diamond layer.
【請求項8】 p型のダイヤモンド層中のホウ素(B)原
子濃度が1×1016個/cm3以上である請求項7に記載の電
子放出素子。
8. The electron-emitting device according to claim 7, wherein the boron (B) atom concentration in the p-type diamond layer is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
【請求項9】 ダイヤモンド層に含まれるp型のダイヤ
モンド層の電気抵抗率が1×104Ω・cm以下である請求項
7に記載の電子放出素子。
9. The electron-emitting device according to claim 7, wherein the p-type diamond layer contained in the diamond layer has an electric resistivity of 1 × 10 4 Ω · cm or less.
【請求項10】 ダイヤモンド層の電子放出表面が、C
s、Ni、Ti、W、H及びamorphous-Cから選ばれる少な
くとも一つの物質で被覆されている請求項1に記載の電
子放出素子。
10. The method according to claim 1, wherein the electron emission surface of the diamond layer is C
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the electron-emitting device is coated with at least one material selected from s, Ni, Ti, W, H, and amorphous-C.
【請求項11】 ダイヤモンド層の電子放出面を被覆し
ている物質の付着原子密度が、1×1017atoms/cm2以下で
ある請求項10に記載の電子放出素子。
11. The electron-emitting device according to claim 10, wherein the substance covering the electron-emitting surface of the diamond layer has an attached atom density of 1 × 10 17 atoms / cm 2 or less.
【請求項12】 第1の電極層及び第2の電極層が金属
であり、電子供給層が絶縁体層であり、ダイヤモンド層
がp型のダイヤモンド層を含むM−I−S−M(metal-i
nsulator-semiconductor-metal)構造であり、前記MI
SM構造の第2の電極層に正電圧を印加して、電子を前
記p型のダイヤモンド層に供給する請求項1に記載の電
子放出素子。
12. The first electrode layer and the second electrode layer are made of metal, the electron supply layer is an insulator layer, and the diamond layer contains a p-type diamond layer. -i
nsulator-semiconductor-metal) structure,
The electron-emitting device according to claim 1, wherein a positive voltage is applied to the second electrode layer having the SM structure to supply electrons to the p-type diamond layer.
【請求項13】 電子供給層の絶縁体層がi型のダイヤ
モンド層である請求項12に記載の電子放出素子。
13. The electron-emitting device according to claim 12, wherein the insulator layer of the electron supply layer is an i-type diamond layer.
【請求項14】 p型のダイヤモンド層の厚さが5μm
以下である請求項12に記載の電子放出素子。
14. The p-type diamond layer has a thickness of 5 μm.
The electron-emitting device according to claim 12, wherein:
【請求項15】 p型のダイヤモンド層に含まれるホウ
素(B)原子濃度が、1×1016個/cm3以上である請求項
12に記載の電子放出素子。
15. The electron-emitting device according to claim 12, wherein the concentration of boron (B) atoms contained in the p-type diamond layer is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
【請求項16】 p型のダイヤモンド層の電気抵抗率
が、1×104Ω・cm以下である請求項12に記載の電子放
出素子。
16. The electron-emitting device according to claim 12, wherein the p-type diamond layer has an electric resistivity of 1 × 10 4 Ω · cm or less.
【請求項17】 i型のダイヤモンド層の電気抵抗率
が、1×104Ω・cm以上である請求項13に記載の電子放
出素子。
17. The electron-emitting device according to claim 13, wherein the electrical resistivity of the i-type diamond layer is 1 × 10 4 Ω · cm or more.
【請求項18】 絶縁体層の電気抵抗率が、1×104Ω・
cm以上である請求項12に記載の電子放出素子。
18. The electric resistivity of the insulator layer is 1 × 10 4 Ω ·
13. The electron-emitting device according to claim 12, which is not less than cm.
【請求項19】 第1の電極層及び第2の電極層が金属
であり、電子供給層がn型の半導体層及びi型の半導体
層を含み、ダイヤモンド層がp型のダイヤモンド層を含
むM−N−I−P−M(metal-n layer-insulator-p lay
er-metal)構造であり、前記M−N−I−P−M構造の
第2の電極層に正電圧を印加して、電子を前記p型のダ
イヤモンド層に供給する請求項1に記載の電子放出素
子。
19. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode layer and the second electrode layer are made of metal, the electron supply layer includes an n-type semiconductor layer and an i-type semiconductor layer, and the diamond layer includes a p-type diamond layer. −N−I−P−M (metal-n layer-insulator-play
The er-metal) structure according to claim 1, wherein a positive voltage is applied to the second electrode layer of the MNIMP structure to supply electrons to the p-type diamond layer. Electron-emitting device.
【請求項20】 p型ダイヤモンド層の厚さが5μm以
下である請求項19に記載の電子放出素子。
20. The electron-emitting device according to claim 19, wherein the thickness of the p-type diamond layer is 5 μm or less.
【請求項21】 p型ダイヤモンド層に含まれるホウ素
(B)原子濃度が1×1016個/cm3以上である請求項19
に記載の電子放出素子。
21. The boron (B) atom concentration contained in the p-type diamond layer is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more.
3. The electron-emitting device according to item 1.
【請求項22】 p型のダイヤモンド層の電気抵抗率
が、1×104Ω・cm以下である請求項19に記載の電子放
出素子。
22. The electron-emitting device according to claim 19, wherein the p-type diamond layer has an electric resistivity of 1 × 10 4 Ω · cm or less.
【請求項23】 n型の半導体層の電気抵抗率が、1×1
04Ω・cm以下である請求項19に記載の電子放出素子。
23. An n-type semiconductor layer having an electric resistivity of 1 × 1
0 4 Omega · electron-emitting device according to claim 19 cm or less.
【請求項24】 i型の半導体層の電気抵抗率が1×104
Ω・cm以上である請求項19に記載の電子放出素子。
24. The electric resistivity of the i-type semiconductor layer is 1 × 10 4
20. The electron-emitting device according to claim 19, which has an ohm-cm or more.
【請求項25】 電子が放出されるエミッター部分がp
型のダイヤモンド層の表面である請求項12または19
に記載の電子放出素子。
25. An emitter part from which electrons are emitted is p
20. The surface of a diamond layer of a mold.
3. The electron-emitting device according to item 1.
【請求項26】 p型のダイヤモンド層の最表面の炭素
原子が水素原子との結合によって終端された構造である
請求項25に記載の電子放出素子。
26. The electron-emitting device according to claim 25, wherein a carbon atom on the outermost surface of the p-type diamond layer is terminated by a bond with a hydrogen atom.
【請求項27】 p型のダイヤモンド層の最表面の炭素
原子と結合した水素原子の量が、1×1015個/cm2以上で
ある請求項26に記載の電子放出素子。
27. The electron-emitting device according to claim 26, wherein the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of the p-type diamond layer is 1 × 10 15 atoms / cm 2 or more.
【請求項28】 p型のダイヤモンド層としてダイヤモ
ンドの表面導電層を用いる請求項12または19に記載
の電子放出素子。
28. The electron-emitting device according to claim 12, wherein a diamond surface conductive layer is used as the p-type diamond layer.
【請求項29】 ダイヤモンドの表面導電層の構造とし
てダイヤモンド層の最表面の炭素原子が水素原子との結
合によって終端された構造である請求項28に記載の電
子放出素子。
29. The electron-emitting device according to claim 28 , wherein the surface conductive layer of diamond has a structure in which carbon atoms on the outermost surface of the diamond layer are terminated by bonding to hydrogen atoms.
【請求項30】 ダイヤモンド層の最表面の炭素原子と
結合した水素原子の量が、1×1015個/cm2以上である請
求項29に記載の電子放出素子。
30. The electron-emitting device according to claim 29 , wherein the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of the diamond layer is 1 × 10 15 atoms / cm 2 or more.
【請求項31】 電子放出素子の構造が、幅5μm以下
の細線状である請求項12または19に記載の電子放出
素子。
31. The electron-emitting device according to claim 12, wherein the structure of the electron-emitting device is a thin line having a width of 5 μm or less.
【請求項32】 ダイヤモンド層が気相合成法によって
形成されている請求項12または19に記載の電子放出
素子。
32. The electron-emitting device according to claim 12, wherein the diamond layer is formed by a vapor phase synthesis method.
【請求項33】 第一の電極層と、前記第一の電極層に
対向して配された第二の電極層と、前記第一の電極層と
前記第二の電極層との間に配された電子供給層と、前記
電子供給層に接して設けられたダイヤモンド層と、を有
する電子放出素子の製造方法であって、 基板素材上に気相合成法により連続膜状のダイヤモンド
層を形成する工程と、 前記ダイヤモンド層の基板素材側の面、及び前記ダイヤ
モンド層の表面側の面から選ばれる少なくとも一つの面
から所定の厚さ以下まで前記ダイヤモンド層を エッチン
グする工程と、 前記エッチング工程後、電子供給層として一部が作用す
るダイヤモンド層の基板素材側及び表面側の面の所定の
領域に第一及び第二の電極層を形成する工程とを、 少なくとも含むことを特徴とする電子放出素子の製造方
法。
33. A semiconductor device comprising : a first electrode layer; and a first electrode layer.
A second electrode layer disposed opposite to the first electrode layer;
An electron supply layer disposed between the second electrode layer and the second electrode layer;
A diamond layer provided in contact with the electron supply layer.
A method of manufacturing a continuous film-like diamond on a substrate material by a vapor phase synthesis method.
Forming a layer, a surface of the diamond layer on the substrate material side, and the diamond
At least one surface selected from the surface side of the monde layer
Etch the diamond layer from below to a predetermined thickness
A step of graying, after the etching step, to act a part as an electron supply layer
Of the substrate material side and the surface side of the diamond layer
And forming a first and second electrode layers in the region, producing side of the electron-emitting device, which comprises at least
Law.
【請求項34】 前記第一及び第二の電極層を形成する
工程の前に、 前記ダイヤモンド層の所定の領域に波長が200nm以
下の真空紫外光を照射する工程を含む請求項33に記載
の電子放出素子の製造方法。
34. Forming the first and second electrode layers
The method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 33 , further comprising , before the step, irradiating a predetermined region of the diamond layer with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less.
【請求項35】 前記第一及び第二の電極層を形成する
工程の前に、 前記エッチングされたダイヤモンド層の所定の領域を、
水素を含むガスを放電分解して得られるプラズマに晒す
工程を含む請求項33に記載の電子放出素子の製造方
法。
35. Forming the first and second electrode layers
Prior to the step, predetermined areas of the etched diamond layer are
Exposing hydrogen-containing gas to plasma obtained by discharge decomposition
The method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 33 , comprising a step .
【請求項36】 前記第一及び第二の電極層を形成する
工程の前に、 前記ダイヤモンド層を加熱し、さらに水素を含むガス中
に晒す工程を含む請求項33に記載の電子放出素子の製
造方法。
36. Forming the first and second electrode layers
The method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 33 , further comprising , before the step, heating the diamond layer and exposing the diamond layer to a gas containing hydrogen.
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