JP3484241B2 - 冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は主として真空マイクロ
エレクトロニクスにおける冷陰極及びその製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４２は真空マイクロエレクトロニクス
において使用される一般的な冷陰極の構成を示す断面図
である。図４２において、シリコン（Ｓｉ）基板１の主
面上に、高さ約１μｍ程度のコーン形状の冷陰極２が形
成されている。また、シリコン基板１の主面上には陰極
２を取り囲むように、シリコン酸化膜３、ゲート電極４
が順に形成されて積層構造をなしている。なお、陰極２
およびゲート電極４の材料には例えばモリブデン（Ｍ
ｏ）、ニオブ（Ｎｂ）のような金属が用いられている。

【０００３】次に動作について説明する。ゲート電極４
を正電位として、ゲート電極４とシリコン基板１との間
に１００Ｖ程度の電圧を印加して、陰極２の先端部に１
０⁷Ｖ／ｃｍ程度の強い電界を発生させ、電界放射によ
り先端部から電子を引き出すことで陰極２を電子源とし
て用いることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような構造の陰極
２を通って流れる電流は、陰極２の形状に大きく左右さ
れ、先端が鋭くなる程大きくなるが、陰極２を複数形成
する場合、先端部の形状を再現性良く、均一に作ること
が難しく素子の動作特性にばらつきを生じるという問題
点を有している。

【０００５】また、素子の動作中に真空度が急激に低下
した場合などには、ゲート電極４と陰極２間に異常電流
が流れ、異常電流によりゲート電極４と陰極２間がショ
ートして過電流が流れ、素子を破壊してしまうという問
題点を有している。

【０００６】上記のような問題点を改善するための構成
が特開平１−１５４４２６に開示されている。図４３は
特開平１−１５４４２６に開示された冷陰極電極の構造
を示す断面図である。図４３においてガラス基板１５０
の主面上にアルミニウム（Ａｌ）などで導電層１６０が
形成され、その上に非晶質シリコンなどで抵抗層１７０
が形成され、さらにその上にコーン形状の陰極１２０が
複数形成されている。また、抵抗層１７０の上には陰極
１２０を取り囲むように、シリコン酸化膜１３０、ゲー
ト電極１４０が順に形成されて積層構造をなしている。
このような構成では導電層１６０を通って陰極１２０に
流れる電流は抵抗層１７０により制限されることにな
り、異常電流によるゲート電極１４０と陰極１２０間の
ショートを防止して素子の破壊を防止することができ
る。

【０００７】しかしながら、図４３に示すように同一の
抵抗層１７０上に複数の陰極１２０を設けた場合、抵抗
層１７０を流れる電流による電圧降下により、隣り合う
陰極１２０間の電位が異なることになり、特性上の不均
一を招くことになるという原理的な問題点を有してい
る。通常は数百〜数千個の陰極１２０を並列接続して使
用するので、これは重大な問題となる。

【０００８】上記のような問題点を改善するための構成
が特開平４−２４９０２６に開示されている。図４４は
特開平４−２４９０２６に開示された冷陰極電極の構造
を示す断面図である。図４４において、ガラス基板２５
０の主面上に導電層２６０が形成され、その上に選択的
にダイオード２７０が形成されている。ダイオード２７
０は導電層２６０の表面上に選択的に設けられた金属層
２８０と、当該金属層２８０の上に形成された半導体層
２９０とからなり、半導体層２９０の上にはコーン形状
の陰極２２０が形成されている。なお、金属層２８０と
して金（Ａｕ）、半導体層２９０として非晶質シリコン
が使用される。また、導電層２６０の上からダイオード
２７０の表面にかけては陰極２２０を取り囲むように、
シリコン酸化膜２３０が形成され、その上にはゲート電
極２４０が形成されて積層構造をなしている。

【０００９】このような構成ではダイオード２７０に流
れる逆方向特性の電流により陰極２２０に流れる電流が
制限されることになる。しかしながら、このような構成
の冷陰極電極を得るには、陰極２２０とは別にその下部
に、導電層２６０、金属層２８０、半導体層２９０を順
次積層することが必要となり、製造工程が複雑になると
いう欠点がある。

【００１０】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、陰極を流れる電流の制御性が良好
かつ、過電流に対して自動的に電流を制限する機能を有
する構造が簡単で製作容易な冷陰極を得ることを目的と
し、さらにこの冷陰極に適した製造方法を提供すること
を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明に
係る冷陰極は、第１導電型の半導体基板と一体で形成さ
れ、鋭角な先端部を有する陰極を備えた冷陰極におい
て、前記陰極は前記先端部を除いて、表面から内部にか
けて第２導電型の半導体領域を備え、その接合面がＰＮ
接合となっていることを特徴とする。

【００１２】請求項２記載の本発明に係る冷陰極は、前
記半導体基板上に前記陰極を取り囲むように形成された
絶縁層と、前記絶縁層上に形成された電極層とをさらに
備えるている。

【００１３】請求項３記載の本発明に係る冷陰極は、第
１導電型の半導体基板と一体で形成され、鋭角な先端部
を有する陰極を備えた冷陰極において、前記陰極の前記
先端部を除いて、表面から内部にかけて、その接合面が
ＰＮ接合となる第２導電型の半導体領域を備え、前記冷
陰極の周囲の前記半導体基板上に設けられ、その端部が
前記陰極の基板側端部に接触する導電層を備えている。

【００１４】請求項４記載の本発明に係る冷陰極は、前
記導電層が前記半導体基板の基板材と金属との合金層で
ある。

【００１５】請求項５記載の本発明に係る冷陰極は、前
記導電層が金属層である。

【００１６】請求項６記載の本発明に係る冷陰極は、前
記導電層上に、前記陰極を取り囲むように形成された絶
縁層と、前記絶縁層上に形成された電極層とをさらに備
えている。

【００１７】請求項７記載の本発明に係る冷陰極は、前
記第１導電型がＮ型であり、前記第２導電型がＰ型とな
っている。

【００１８】請求項８記載の本発明に係る冷陰極は、半
導体基板と一体で形成され、鋭角な先端部を有する陰極
を備えた冷陰極において、前記陰極は前記先端部を除く
表面上および前記半導体基板の表面上に金属層を備え、
少なくとも前記陰極の前記表面との接合面がショットキ
ー接合となっていることを特徴とする。

【００１９】請求項９記載の本発明に係る冷陰極は、前
記半導体基板の表面から内部にかけて、前記半導体基板
と同一の導電型で比較的高濃度の半導体領域をさらに備
えている。

【００２０】請求項１０記載の本発明に係る冷陰極は、
前記金属層と前記半導体基板の表面との間に、前記半導
体基板との界面にオーミック接触を形成する金属で構成
されたオーミック電極金属層をさらに備えている。

【００２１】請求項１１記載の本発明に係る冷陰極は、
前記半導体基板の表面から内部にかけて、結晶格子が乱
れた格子欠陥領域をさらに備えている。

【００２２】請求項１２記載の本発明に係る冷陰極は、
前記金属層上に前記陰極を取り囲むように形成された絶
縁層と、前記絶縁層上に形成された電極層とをさらに備
えている。

【００２３】請求項１３記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、(a)第１導電型の半導体基板の主面上に選択
的にマスク層を形成する工程と、(b)前記マスク層をエ
ッチングマスクとして、前記半導体基板を選択的にエッ
チングして、前記マスク層の下に、前記半導体基板と一
体となった鋭角な先端部を有する陰極を形成する工程
と、(c)前記陰極の前記先端部を除いて、表面から内部
にかけて、第２導電型の不純物を導入して第２導電型の
半導体領域を形成する工程とを備えている。

【００２４】請求項１４記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(c)の後に、(d)全面に絶縁層を形成
する工程と、(e)前記絶縁層上に電極層を形成する工程
と、(f)前記マスク層上に積層された層を、前記マスク
層と共に除去する工程とをさらに備えている。

【００２５】請求項１５記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、(a)第１導電型の半導体基板の主面上に選択
的にマスク層を形成する工程と、(b)前記マスク層をエ
ッチングマスクとして、前記半導体基板を選択的にエッ
チングして、前記マスク層の下に、前記半導体基板と一
体となった鋭角な先端部を有する陰極を形成する工程
と、(c)前記陰極の前記先端部を除いて、表面から内部
にかけて第２導電型の不純物を導入して第２導電型の半
導体領域を形成する工程と、(d)前記冷陰極の周囲の前
記半導体基板上に、その端部が前記陰極の基板側端部に
接触するように導電層を形成する工程とを備えている。

【００２６】請求項１６記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(c)が、(c-1)前記マスク層を遮蔽体
として、前記陰極の前記先端部を除いて、表面から内部
にかけてイオン注入法により前記第２導電型の不純物を
導入する工程を有する。

【００２７】請求項１７記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(a)が、(a-1)前記マスク層を第１導
電型の不純物を含む材料で形成する工程を有し、前記工
程(c)が、(c-2)前記陰極の全表面から内部にかけて熱拡
散法により前記第２導電型の不純物を導入する工程と、
(c-3)前記マスク層に含まれた第１導電型の不純物を熱
拡散法により前記陰極の前記先端部に導入して、前記先
端部表面を第１導電型に置換する工程とを有している。

【００２８】請求項１８記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(d)が、(d-1)前記半導体基板と合金
を形成する合金用金属層を前記半導体領域の上に形成す
る工程と、(d-2)前記合金用金属層を熱拡散により前記
半導体領域内に拡散して前記半導体基板との合金層を形
成する工程とを有している。

【００２９】請求項１９記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(d)が、(d-3)前記マスク層をエッチ
ングマスクとして、前記陰極の周囲の前記半導体基板の
表面から内部にかけての前記半導体領域をエッチングに
より除去する工程と、(d-4)前記工程(d-3)により除去さ
れた領域と、前記陰極の基板側端部の領域に金属層を形
成する工程とを有している。

【００３０】請求項２０記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(d)の後に、(e)全面に絶縁層を形成
する工程と、(f)前記絶縁層上に電極層を形成する工程
と、(g)前記マスク層上に積層された層を、前記マスク
層と共に除去する工程とをさらに備えている。

【００３１】請求項２１記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、(a)半導体基板の主面上に選択的にマスク層
を形成する工程と、(b)前記マスク層をエッチングマス
クとして、前記半導体基板を選択的にエッチングして、
前記マスク層の下に、前記半導体基板と一体となった鋭
角な先端部を有する陰極を形成する工程と、(c)前記陰
極の前記先端部を除く表面上および前記半導体基板の表
面上に、少なくとも前記陰極の前記表面との接合面がシ
ョットキー接合となる金属層を形成する工程とを備えて
いる。

【００３２】請求項２２記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、(d)前記マスク層を遮蔽体として、イオン注
入法により前記半導体基板の表面から内部にかけて前記
半導体基板と同一の導電型の不純物を導入し、比較的高
濃度の半導体領域を形成する工程をさらに備えている。

【００３３】請求項２３記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、(e)前記マスク層を遮蔽体として、前記半導
体基板の表面上に、前記半導体基板との界面にオーミッ
ク接触を形成する金属でオーミック電極金属層を形成す
る工程をさらに備えている。

【００３４】請求項２４記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、(f)前記マスク層を遮蔽体として、イオン注
入法により前記半導体基板の表面から内部にかけて不活
性ガスのイオンを導入し、結晶格子が乱れた格子欠陥領
域を形成する工程をさらに備えている。

【００３５】請求項２５記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法は、前記工程(c)の後に、(g)全面に絶縁層を形成
する工程と、(h)前記絶縁層上に電極層を形成する工程
と、(i)前記マスク層上に積層された層を、前記マスク
層と共に除去する工程とをさらに備えている。

【００３６】

【作用】請求項１記載の本発明に係る冷陰極によれば、
陰極の先端部を除いて、表面から内部にかけて第２導電
型の半導体領域を備え、その接合面がＰＮ接合となって
いるので、陰極に流れる電流はＰＮ接合の近傍に形成さ
れるチャネル領域を流れることになり、電流量はチャネ
ルの面積により決まる抵抗で制御されることになる。

【００３７】請求項２記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極を流れる電流量が制御可能な陰極の周囲に、陰
極の先端部から電子を放出させるための電極を備えた冷
陰極が得られる。

【００３８】請求項３記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極に流れる電流はＰＮ接合の近傍に形成されるチ
ャネル領域を流れることになり、電流量はチャネルの面
積により決まる抵抗で制御されるとともに、陰極の基板
側端部に接触するように導電層が設けられているので、
ＰＮ接合が部分的に半導体基板に短絡されることにな
る。従って陰極に電流が流れる場合に、陰極の上部と下
部では電位差が大きくなり、その電位差がＰＮ接合に逆
バイアスとして印加され、逆バイアス電圧の大きくなる
上部ほど空乏層の広がりが大きくなる。よって、空乏層
が接触するほどに逆バイアス電圧が増加した場合には、
空乏層中の空間電荷で制限される電流以上は流れなくな
り、過電流が流れることが防止される。

【００３９】請求項４記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、導電層が半導体基板の基板材と金属との合金層であ
るので、ＰＮ接合が半導体基板に部分的に短絡されると
共に半導体基板表面の抵抗が下がることになる。

【００４０】請求項５記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、導電層が金属層であるので、半導体基板表面の抵抗
がさらに低くなる。

【００４１】請求項６記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極を流れる電流量が制御可能かつ過電流が流れる
ことが防止される陰極の周囲に、陰極の先端部から電子
を放出させるための電極を備えた冷陰極が得られる。

【００４２】請求項７記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、半導体基板がＮ型であり表面から内部にかけての半
導体領域がＮ型となるので、ＰＮ接合は動作時には電流
の流れる方向に対して逆バイアスされることになる。

【００４３】請求項８記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極の先端部を除く表面上および半導体基板の表面
上に金属層を備え、少なくとも陰極の表面との接合面が
ショットキー接合となっているので、陰極に流れる電流
は、ショットキー接合の近傍に形成されるチャネル領域
を流れることになり、電流量はチャネルの面積により決
まる抵抗で制御されることになる。

【００４４】請求項９記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極に流れる電流は、ショットキー接合の近傍に形
成されるチャネル領域を流れることになり、電流量はチ
ャネルの面積により決まる抵抗で制御されるとともに、
半導体基板の表面から内部にかけて比較的高濃度の半導
体領域が形成されているので、金属層と半導体基板との
接合面はショットキー接合とならずオーミック接触とな
るので、ショットキー接合が部分的に半導体基板に短絡
されることになる。従って陰極に電流が流れる場合に、
陰極の上部と下部では電位差が大きくなり、その電位差
がショットキー接合に逆バイアスとして印加され、逆バ
イアス電圧の大きくなる上部ほど空乏層の広がりが大き
くなる。よって、空乏層が接触するほどに逆バイアス電
圧が増加した場合には、空乏層中の空間電荷で制限され
る電流以上は流れなくなり、過電流が流れることが防止
される。

【００４５】請求項１０記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、オーミック電極金属層により半導体基板との界面
にオーミック接触が形成されるので、その部分はショッ
トキー接合とならず、陰極と金属層の接合面のみがショ
ットキー接合となる。

【００４６】請求項１１記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、半導体基板の表面から内部にかけて格子欠陥領域
が設けられているので、金属層と半導体基板との接合面
はショットキー接合とならず、陰極と金属層の接合面の
みがショットキー接合となる。

【００４７】請求項１２記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、陰極を流れる電流量が制御可能かつ過電流が流れ
ることが防止される陰極の周囲に、陰極の先端部から電
子を放出させるための電極を備えた冷陰極が得られる。

【００４８】請求項１３記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、鋭角な先端部を有して第１導電型の半
導体基板と一体で形成され、その先端部を除いて、表面
から内部にかけて第２導電型の半導体領域を備え、その
接合面がＰＮ接合となっている陰極を有した冷陰極が容
易に得られる。

【００４９】請求項１４記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、工程(b)で用いたマスク層を、絶縁層
および電極層の形成に際して使用し、マスク層を除去す
ることで、マスク層の上に形成された、絶縁層および電
極層が共に除去され、陰極の周囲に絶縁層、電極層が順
に積層された構成が容易に形成できる。

【００５０】請求項１５記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、鋭角な先端部を有して第１導電型の半
導体基板と一体で形成され、その先端部を除いて、表面
から内部にかけて設けられた第２導電型の半導体領域と
の接合面がＰＮ接合となっている陰極を有し、冷陰極の
周囲の半導体基板上に、その端部が陰極の基板側端部に
接触するように設けられた導電層を備えた冷陰極が容易
に得られる。

【００５１】請求項１６記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を遮蔽体として、陰極の先端
部を除いて、表面から内部にかけてイオン注入法により
第２導電型の不純物を導入することにより、陰極の先端
部を除いて、表面から内部にかけて容易に第２導電型の
不純物を導入するこができる。

【００５２】請求項１７記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を第１導電型の不純物を含む
材料で形成した後、陰極の全表面から内部にかけて熱拡
散法により第２導電型の不純物を導入し、マスク層に含
まれた第１導電型の不純物を熱拡散法により陰極の先端
部に導入して、先端部表面を第１導電型に置換すること
により、陰極の先端部を除いて、表面から内部にかけて
第２導電型の不純物が導入された構成が、熱拡散法を用
いて形成されることになる。

【００５３】請求項１８記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、半導体領域の上に形成した合金用金属
層を熱拡散法により半導体領域内に拡散して、半導体基
板との合金層を形成することで、陰極の基板側端部に接
触するように設けられた導電層を備えた冷陰極が容易に
得られる。

【００５４】請求項１９記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層をエッチングマスクとして、
陰極の周囲の半導体基板の表面から内部にかけての半導
体領域をエッチングにより除去し、その領域に金属層を
形成すことで、陰極の基板側端部に接触するように設け
られた導電層を備えた冷陰極が容易に得られる。

【００５５】請求項２０記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、工程(b)で用いたマスク層を、絶縁層
および電極層の形成に際して使用し、マスク層を除去す
ることで、マスク層の上に形成された、絶縁層および電
極層が共に除去され、陰極の周囲に絶縁層、電極層が順
に積層された構成が容易に形成できる。

【００５６】請求項２１記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、鋭角な先端部を有して半導体基板と一
体で形成された陰極の先端部を除く表面上、および半導
体基板の表面上に、少なくとも陰極の表面との接合面が
ショットキー接合となる金属層を有した冷陰極が容易に
得られる。

【００５７】請求項２２記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を遮蔽体として、イオン注入
法により半導体基板の表面から内部にかけて半導体基板
と同一の導電型の不純物を導入することにより、半導体
基板の表面から内部にかけて比較的高濃度の半導体領域
を容易に形成することができる。

【００５８】請求項２３記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を遮蔽体として、半導体基板
の表面上に、半導体基板との界面にオーミック接触を形
成する金属でオーミック電極金属層を形成することによ
り、半導体基板との界面がショットキー接合とならず、
陰極と金属層の接合面のみがショットキー接合となった
冷陰極が得られる。

【００５９】請求項２４記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を遮蔽体として、イオン注入
法により前記半導体基板の表面から内部にかけて不活性
ガスのイオンを導入し、結晶格子が乱れた格子欠陥領域
を形成することにより、半導体基板との界面がショット
キー接合とならず、陰極と金属層の接合面のみがショッ
トキー接合となった冷陰極が得られる。

【００６０】請求項２５記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、工程(b)で用いたマスク層を、絶縁層
および電極層の形成に際して使用し、マスク層を除去す
ることで、マスク層の上に形成された、絶縁層および電
極層が共に除去され、陰極の周囲に絶縁層、電極層が順
に積層された構成が容易に形成できる。

【００６１】

【実施例】

＜第１の実施例＞本発明に係る冷陰極の第１の実施例を
図１〜図８を用いて説明する。図１は本実施例の冷陰極
１００の構成を示す断面図である。図１において、Ｎ型
シリコン基板１１の主面上にＮ型シリコン基板１１と一
体でコーン形状の陰極２２が形成され、陰極２２の表面
内およびＮ型シリコン基板１１の表面内にはＰ型シリコ
ン領域１５が形成され、Ｎ型シリコンとのＰＮ接合１６
を形成している。ここで、Ｐ型シリコン領域１５は陰極
２２の先端部には形成されていない。

【００６２】また、表面内にＰ型シリコン領域１５が形
成されたＮ型シリコン基板１１の上には陰極２２を取り
囲むように、シリコン酸化膜１３、ゲート電極１４が順
に形成されて積層構造をなしている。

【００６３】次に、図１〜図３を用いて動作について説
明する。図２は陰極２２を動作させるための接続構成を
示す図であり、図３は陰極２２の動作特性を示す図であ
る。図２において、ゲート電極１４を正電位として陰極
２２との間に印加電圧Ｖ0が与えられ、ゲート電極１４
と陰極２２の先端部との間に電圧Ｖ1、陰極２２の先端
部と基底部との間に電圧Ｖ2が配分されている。

【００６４】この接続構成での電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ
特性）を図３に示す。図３において、横軸を電圧、縦軸
を電流とした場合、ゲート電極１４と陰極２２の先端部
との間のＶ−Ｉ特性が特性Ａとして、陰極２２の先端部
と基底部との間のＶ−Ｉ特性が特性Ｂとして表されてい
る。特性Ａはよく知られているファウラーノルドハイム
の法則に従う特性であり、印加電圧Ｖ0が与えられ、冷
陰極からの電子のトンネル放射が生じ始める電圧を越え
ると急激に電流が増加する。

【００６５】従来の陰極のように内部にＰＮ接合１６が
存在しない場合、陰極の先端部と基底部との間のＶ−Ｉ
特性は陰極の形状と固有抵抗で決まり、図３の特性Ｃで
示すように傾きが急な特性となる。しかしながら、図１
に示す構成の陰極２２の場合、陰極２２の先端部と基底
部との間のＶ−Ｉ特性は特性Ｂで示されるように、特性
Ｃに比べて傾きは緩やかになる。このような特性になる
ことについて以下に説明する。

【００６６】図４に動作中の陰極２２の模式図を示す。
図４において、陰極２２の表面内およびＮ型シリコン基
板１１の表面内に形成されたＰ型シリコン領域１５と、
Ｎ型シリコンとで、電流の流れる方向に対して逆バイア
スになるようなＰＮ接合１６が形成されている。そのＰ
Ｎ接合１６の近傍にはいわゆる空乏層ができており、そ
の端面を空乏層領域面１７として示す。空乏層内には電
荷が存在しないので電流が流れることはできず、空乏層
外のみを電流が流れることになる。ここで、電流通過可
能領域のうち、空乏層が最も接近して、最も狭くなった
部分をチャネル１８と呼称する。

【００６７】この場合、陰極２２の内部の抵抗値は、チ
ャネル１８の面積とＮ型シリコン基板１１の固有抵抗で
決まることになるが、当然のことながらチャネル１８の
面積は、陰極２２の平均的な面積より小さくなるので、
抵抗値はＰＮ接合１６を有しない場合に比べて大きくな
る。従って、陰極２２の先端部と基底部との間のＶ−Ｉ
特性は特性Ｂのようになる。

【００６８】また印加電圧Ｖ0は、陰極２２の先端部と
基底部との間の電圧Ｖ2と、印加電圧Ｖ0からゲート電極
１４と陰極２２の先端部との間の電圧Ｖ1を差し引いた
残りの電圧とが等しくなるように、すなわち電圧Ｖ1と
電圧Ｖ2との合計が印加電圧Ｖ0となるように配分され、
そのときの電流はＩ0に抑えられることになる。

【００６９】図３において、このような電圧配分となる
点を図示すると、特性ＢにおいてはポイントＰ1、特性
ＡにおいてはポイントＰ2となり、印加電圧Ｖ₀における
仮想点はポイントＰ3となり、電圧０における仮想点は
ポイントＰ0となる。この場合、Ｐ0−Ｐ1間の電圧とＰ2
−Ｐ3間の電圧が等しく、ポイントＰ0の電流値がＩ0と
なっていることが図示されている。

【００７０】以上説明したように、表面内部にＰＮ接合
１６を備えることで、陰極２２単体で独立して電流を制
御することができる。ここで、陰極２２の抵抗値はチャ
ネル１８の面積によって決まり、チャネル１８の面積は
空乏層の大きさによって決まる。従って、後に説明する
Ｐ型シリコン領域１５を形成する際のイオン注入の条
件、あるいは、イオン注入後に行う熱処理（アニール）
の条件により、陰極２２の抵抗値を自由に設定すること
ができる。なお、空乏層が接触してチャネルが存在しな
い状態、すなわちピンチオフの状態の場合が最も抵抗値
は大きくなる。

【００７１】次に、冷陰極１００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図５〜図８を用いて説明する。ま
ず、図５に示す工程において、Ｎ型シリコン基板１１の
主面上にマスク用シリコン酸化膜１２を選択的に形成す
る。これはシリコン酸化膜をＮ型シリコン基板１１の全
面に形成した後、写真製版技術によりパターンニングし
たもので、その断面幅は約１〜２μｍ程度である。この
マスク用シリコン酸化膜１２は以下の工程でエッチング
マスクおよびリフトオフのスペーサとして使用されるも
のであって、その材質はシリコン窒化膜あるいはアルミ
ナ膜などであっても構わない。

【００７２】次に図６に示す工程において、マスク用シ
リコン酸化膜１２をマスクとしてＮ型シリコン基板１１
をエッチングしてコーン形状の陰極２２を形成する。

【００７３】次に図７に示す工程において、イオン注入
法によりＰ型不純物となる元素、例えばボロンイオン６
０を注入してＰ型シリコン領域１５を形成する。この
際、Ｎ型シリコン基板１１に対して、イオンが斜めから
入射するようにＮ型シリコン基板１１を傾け、かつ回転
させることにより、ボロンイオン６０はマスク用シリコ
ン酸化膜１２の影になる部分には注入されないので、Ｐ
型シリコン領域１５は陰極２２の先端部を除く部分にの
み形成されることになる。なお、基板を回転させながら
斜めにイオン注入を行う技術は現在の半導体製造におい
て広く用いられている技術であり、本発明の実現に十分
に利用可能な技術である。

【００７４】コーン形状の陰極２２の形成の一例として
は、まず、断面形状が台形となるようにＮ型シリコン基
板１１をエッチングし、いわゆる陰極２２の原型を形成
し、その原型の表面を熱酸化によって酸化して所望の厚
さの酸化層を形成する。この酸化層に囲まれた中央部分
が、最終的にコーン形状の陰極２２となる。従って、こ
の段階ではマスク用シリコン酸化膜１２は台形の原型の
上面に形成されていることになり、安定に保たれてい
る。なお、原型の表面に形成された酸化層は、後に、マ
スク用シリコン酸化膜１２をリフトオフ法により除去す
る工程において共に除去されるが、これらの工程は本発
明の本質ではなく、周知の技術でもあるので、これ以上
の説明は省略する。

【００７５】次に図８に示す工程において、マスク用シ
リコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のＮ型
シリコン基板１１上にシリコン酸化膜１３、ゲート電極
１４となるゲート電極層１４１を順次真空蒸着法で形成
する。このとき、マスク用シリコン酸化膜１２上にもシ
リコン酸化膜１３およびゲート電極層１４１が形成され
るが、マスク用シリコン酸化膜１２をスペーサとしてリ
フトオフ法によりマスク用シリコン酸化膜１２上のシリ
コン酸化膜１３およびゲート電極層１４１を除去するこ
とにより図１に示す冷陰極１００が得られる。

【００７６】ここで、リフトオフに際しては、マスク用
シリコン酸化膜１２を選択的にエッチングし、シリコン
酸化膜１３のエッチングは抑制する必要があるが、その
ためには真空蒸着法と化学蒸着法などのように両酸化膜
を異なった形成方法で形成するか、あるいはＳｉＯ₂と
ＳｉＯのように化学量論的組成比を変えることによりエ
ッチング比を変えることができ、リフトオフを容易に行
うことができる。

【００７７】なお、シリコン酸化膜のどちらかを他の材
質の膜、例えばシリコン窒化膜あるいはアルミナ膜とし
てもよい。

【００７８】以上説明したように、先端部を除く表面内
にＰＮ接合１６を有するコーン形状の陰極２２は、構造
が簡単であり製作が容易であり、陰極２２の形成に用い
た、マスク用シリコン酸化膜１２を、シリコン酸化膜１
３およびゲート電極１４の形成にも転用できるので、冷
陰極の製造工程が簡略化されることになる。

【００７９】＜第２の実施例＞本発明に係る冷陰極の第
２の実施例を図９〜図１３を用いて説明する。図９は本
実施例の冷陰極２００の構成を示す断面図である。図９
において、Ｎ型シリコン基板１１の主面上にＮ型シリコ
ン基板１１と一体でコーン形状の陰極２２が形成され、
先端部分を除く陰極２２の表面内にはＰ型シリコン領域
１５が形成され、Ｎ型シリコンとＰＮ接合１６を形成し
ている。Ｐ型シリコン領域１５に接触するように、Ｎ型
シリコン基板１１の表面上および表面内にアルミニウム
・シリコン合金領域２０が形成されている。

【００８０】また、アルミニウム・シリコン合金領域２
０の上には陰極２２を取り囲むように、シリコン酸化膜
１３、ゲート電極１４が順に形成されて積層構造をなし
ている。

【００８１】次に冷陰極２００の動作について図１０を
用いて説明する。図１０は動作中の陰極２２の模式図で
ある。図１０において、陰極２２の表面内に形成された
Ｐ型シリコン領域１５とＮ型シリコンとで、電流の流れ
る方向に対して逆バイアスになるようなＰＮ接合１６が
形成されている。そのＰＮ接合１６の近傍にはいわゆる
空乏層ができており、その端面を空乏層領域面１７とし
て示す。空乏層内には電荷が存在しないので電流が流れ
ることはできず、空乏層外のみを電流が流れることにな
る。ここで、電流通過可能領域のうち、空乏層が最も接
近して、最も狭くなった部分をチャネル１８と呼称す
る。

【００８２】ここで、アルミニウム・シリコン合金領域
２０とＮ型シリコン基板１１との接合部分はＰＮ接合１
６ではなく、陰極２２の表面内にのみＰＮ接合１６が形
成されており、Ｐ型シリコン領域１５のＮ型シリコン基
板１１側の端部はアルミニウム・シリコン合金領域２０
によってＮ型シリコン基板１１に短絡され抵抗が低くな
っている。従って陰極２２に電流が流れる場合に、陰極
２２の上部と下部では電位差が大きくなり、その電位差
がＰＮ接合１６に逆バイアスとして印加されることにな
る。図１０に示すように逆バイアス電圧の大きくなる上
部ほど空乏層の広がりは大きくなる。ＰＮ接合１６から
延在する空乏層領域面１７が接近し、チャネル１８の抵
抗値が増加すると陰極２２に流れる電流の増加する割合
が緩やかになる。やがて、空乏層が接触する状態、いわ
ゆるパンチスルーになると、空乏層中の空間電荷で制限
される電流以上は流れなくなり、陰極２２に流れる電流
は飽和してしまう。

【００８３】この状態でのＶ−Ｉ特性を図３に特性Ｄと
して示す。図３において、陰極２２には空間電荷制限電
流であるＩp以上の電流は流れないことが示されてい
る。従って冷陰極２００の動作は、通常においては電流
Ｉ0が定常的に流れているが、何らかの原因によって電
流Ｉ0を越える電流が流れる事態が発生しても、電流Ｉp
以上には流れず、自動的に電流が制限されることにな
る。よって、過電流により陰極２２が破壊されることが
自動的に防止される。

【００８４】また、同一のＮ型シリコン基板１１上に複
数の陰極２２を備え、それらを並列動作させる場合、Ｎ
型シリコン基板１１の表面上および表面内にはアルミニ
ウム・シリコン合金領域２０が形成されているので、Ｎ
型シリコン基板１１の抵抗が下がり、かつ、Ｎ型シリコ
ン基板１１の表面の電位が共通化されるので、陰極相互
間の電位差の発生を抑制して均一な動作を行わせること
ができる。

【００８５】次に、冷陰極２００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図１１〜図１３を用いて説明す
る。ここで、図１１に示す工程までは、冷陰極１００の
製造方法として説明した図５〜図７に示す工程と同様で
あるので重複する説明は省略する。

【００８６】図１１に示す工程において、マスク用シリ
コン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のＮ型シ
リコン基板１１上にアルミニウム（Ａｌ）層１９を形成
する。このときマスク用シリコン酸化膜１２上にもアル
ミニウム層１９が形成されることになる。

【００８７】次に図１２に示す工程において、５００℃
以上の温度で熱処理を行い、アルミニウムをＮ型シリコ
ン基板１１内に熱拡散し、先の工程で形成したＮ型シリ
コン基板１１内のＰ型シリコン領域１５をアルミニウム
・シリコン合金領域２０に変換する。従って、この部分
はＰＮ接合の機能を失い、アルミニウム・シリコン合金
領域２０と陰極２２の側面表面内に形成されたＰ型シリ
コン領域１５とは自動的に接続されことになる。なお、
アルミニウム・シリコン合金領域２０はＮ型シリコン基
板１１の表面よりも盛り上がるように形成されることに
なる。

【００８８】次に図１３に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のア
ルミニウム・シリコン合金領域２０上にシリコン酸化膜
１３、ゲート電極１４となるゲート電極層１４１を順次
真空蒸着法で形成する。このとき、マスク用シリコン酸
化膜１２上のアルミニウム層１９の上にもシリコン酸化
膜１３およびゲート電極層１４１が形成されるが、マス
ク用シリコン酸化膜１２をスペーサとしてリフトオフ法
によりマスク用シリコン酸化膜１２上のアルミニウム層
１９、シリコン酸化膜１３およびゲート電極層１４１を
除去することにより図９に示す冷陰極２００が得られ
る。

【００８９】以上説明したように、先端部を除く表面内
にＰＮ接合１６を有するコーン形状の陰極２２は、構造
が簡単で製作が容易であり、ＰＮ接合１６をＮ型シリコ
ン基板１１に短絡するアルミニウム・シリコン合金領域
２０も容易に形成できる。また、陰極２２の形成に用い
た、マスク用シリコン酸化膜１２を、シリコン酸化膜１
３およびゲート電極１４の形成にも転用できるので、冷
陰極の製造工程が簡略化されることになる。

【００９０】＜変形例＞以上説明した第２の実施例にお
いては、Ｐ型シリコン領域１５に引き続いて、Ｎ型シリ
コン基板１１の表面上および表面内にアルミニウム・シ
リコン合金領域２０を形成した例を示したが、金（Ａ
ｕ）あるいは銅（Ｃｕ）とシリコンとの合金領域を形成
しても良い。

【００９１】＜第３の実施例＞本発明に係る冷陰極の第
３の実施例を図１４〜図１８を用いて説明する。図１４
は本実施例の冷陰極３００の構成を示す断面図である。
図１４において、Ｎ型シリコン基板１１の主面上にＮ型
シリコン基板１１と一体でコーン形状の陰極２２が形成
され、陰極２２の表面内にはＰ型シリコン領域１５が形
成され、Ｎ型シリコンとＰＮ接合１６を形成している。
ここで、Ｐ型シリコン領域１５は陰極２２の先端部には
形成されていない。Ｎ型シリコン基板１１の表面上には
Ｐ型シリコン領域１５の終端部に接続されるようにアル
ミニウム層１９が形成され、アルミニウム層１９は部分
的にＰ型シリコン領域１５の表面を覆っている。

【００９２】また、アルミニウム層１９の上には陰極２
２を取り囲むように、シリコン酸化膜１３、ゲート電極
１４が順に形成されて積層構造をなしている。

【００９３】次に冷陰極３００の動作について図１５を
用いて説明する。図１５は動作中の陰極２２の模式図で
ある。図１５において、アルミニウム層１９とＮ型シリ
コン基板１１との接合部分はＰＮ接合１６ではなく、陰
極２２の表面内にのみＰＮ接合１６が形成されており、
Ｐ型シリコン領域１５のＮ型シリコン基板１１側の端部
はアルミニウム層１９によってＮ型シリコン基板１１に
短絡され抵抗が低くなっている。

【００９４】従って、ＰＮ接合１６の近傍に形成された
空乏層は、逆バイアス電圧の大きくなる上部ほど空乏層
の広がりは大きくなる。ＰＮ接合１６から延在する空乏
層領域面１７が接近し、空乏層が接触する状態、いわゆ
るパンチスルーになると、空乏層中の空間電荷で制限さ
れる電流以上は流れなくなり、陰極２２に流れる電流が
飽和するという特性は、図３を用いて説明した第２の実
施例の特性Ｄと同様であり、通常においては電流Ｉ0が
定常的に流れているが、何らかの原因によって電流Ｉ0
を越える電流が流れる事態が発生しても、電流Ｉp以上
には流れず、自動的に電流が制限されることになる。よ
って、過電流により陰極２２が破壊されることが防止さ
れる。

【００９５】また、同一のＮ型シリコン基板１１上に複
数の陰極２２を備え、それらを並列動作させる場合、Ｎ
型シリコン基板１１の表面上のは導電層であるアルミニ
ウム層１９が形成されているので、Ｎ型シリコン基板１
１の抵抗がさらに低下し、かつ、Ｎ型シリコン基板１１
の表面の電位が共通化されるので、陰極相互間の電位差
の発生を抑制して均一な動作を行わせることができる。

【００９６】次に、冷陰極３００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図１６〜図１８を用いて説明す
る。ここで、図１６に示す工程までは、冷陰極１００の
製造方法として説明した図５〜図７に示す工程と同様で
あるので重複する説明は省略する。

【００９７】図１６に示す工程において、イオンエッチ
ングあるいは反応性イオンエッチング等の異方性エッチ
ング技術を用いて、マスク用シリコン酸化膜１２をマス
クとしてＮ型シリコン基板１１をエッチングし、陰極２
２の下部の裾部分およびＮ型シリコン基板１１の表面内
のＰ型シリコン領域１５を除去する。

【００９８】次に図１７に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のＮ
型シリコン基板１１上にアルミニウム層１９を形成す
る。このときアルミニウム層１９がＰ型シリコン領域１
５の終端部に確実に接続されるように、Ｐ型シリコン領
域１５の表面も部分的にアルミニウム層１９で覆う。

【００９９】次に図１８に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のア
ルミニウム層１９の上にシリコン酸化膜１３、ゲート電
極１４となるゲート電極層１４１を順次真空蒸着法で形
成する。このとき、マスク用シリコン酸化膜１２上のア
ルミニウム層１９の上にもシリコン酸化膜１３およびゲ
ート電極層１４１が形成されるが、マスク用シリコン酸
化膜１２をスペーサとしてリフトオフ法によりマスク用
シリコン酸化膜１２上のアルミニウム層１９、シリコン
酸化膜１３およびゲート電極層１４１を除去することに
より図１４に示す冷陰極３００が得られる。

【０１００】以上説明したように、先端部を除く表面内
にＰＮ接合１６を有するコーン形状の陰極２２は、構造
が簡単で製作が容易であり、ＰＮ接合１６をＮ型シリコ
ン基板１１に短絡するアルミニウム層１９も容易に形成
できる。また、陰極２２の形成に用いた、マスク用シリ
コン酸化膜１２を、シリコン酸化膜１３およびゲート電
極１４の形成にも転用できるので、冷陰極の製造工程が
簡略化されることになる。

【０１０１】＜第４の実施例＞以上説明した本発明に係
る冷陰極の第１〜第３の実施例においては、陰極２２の
表面内にＰ型シリコン領域１５を形成する方法として、
Ｐ型不純物をイオン注入して形成する方法を用いたが、
以下に図１９〜図２２に示すような方法を用いても良
い。

【０１０２】すなわち、図１９に示す工程において、Ｎ
型シリコン基板１１の主面上にマスク用シリコン酸化膜
１２０を選択的に形成する。これはシリコン酸化膜をＮ
型シリコン基板１１の全面に形成した後、写真製版技術
によりパターンニングしたもので、その断面幅は約１〜
２μｍ程度である。このマスク用シリコン酸化膜１２０
として、シリコンに対してＮ型の不純物となる、例えば
リン（Ｐ）を含むシリコン酸化膜、即ちリンドープシリ
コン酸化膜を用いる。この材料は例えば周知のものとし
てはＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）などがある。マ
スク用シリコン酸化膜１２０は、以下の工程でエッチン
グマスクおよびリフトオフのスペーサとして使用され
る。

【０１０３】次に図２０に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２０マスクとしてＮ型シリコン基板１
１をエッチングしてコーン形状の陰極２２を形成する。

【０１０４】次に図２１に示す工程において、ジボラン
（Ｂ₂Ｈ₆）の高温雰囲気中で、Ｐ型不純物となるボロン
６１を陰極２２の表面内およびＮ型シリコン基板１１の
表面内に拡散させて、Ｐ型シリコン領域１５を形成す
る。

【０１０５】次に図２２に示す工程において、高温の熱
処理を行うことによりマスク用シリコン酸化膜１２０中
のリン７１を陰極２２との接点を通して、陰極２２中に
拡散させる。リン７１の濃度をボロン６１の濃度より高
くすることにより、リン７１が拡散した陰極２２の先端
部分はＮ型半導体領域となる。

【０１０６】従って、先端部分を除く陰極２２の表面内
にＰ型シリコン領域１５が形成されることになる。以下
の工程は第１の実施例および第２の実施例において説明
した冷陰極１００〜３００を得るためのそれぞれの工程
と同様である。このように、高価なイオン注入装置を必
要とするイオン注入法を用いることなく、比較的安価な
拡散炉を用いることによっても本発明に係る冷陰極を得
ることができ、冷陰極の製造コストを低減することがで
きる。

【０１０７】＜第５の実施例＞本発明に係る冷陰極の第
５の実施例を図２３〜図２６を用いて説明する。図２３
は本実施例の冷陰極４００の構成を示す断面図である。
図２３において、Ｎ型シリコン基板１１の主面上にＮ型
シリコン基板１１と一体でコーン形状の陰極２２が形成
され、陰極２２の表面上にはショットキー金属層３１が
形成され、Ｎ型シリコンとのショットキー接合２６を形
成している。ここで、ショットキー金属層３１は陰極２
２の先端部の表面上には形成されていない。

【０１０８】また、ショットキー金属層３１の上には陰
極２２を取り囲むように、シリコン酸化膜１３、ゲート
電極１４が順に形成されて積層構造をなしている。

【０１０９】次に冷陰極４００の動作について図２４を
用いて説明する。図２４は動作中の陰極２２の模式図で
ある。図２４において、陰極２２の表面上に形成された
ショットキー金属層３１とＮ型シリコンとで、電流の流
れる方向に対して逆バイアスになるようなショットキー
接合２６が形成されている。そのショットキー接合２６
の近傍にはいわゆる空乏層ができており、その端面を空
乏層領域面２７として示す。空乏層内には電荷が存在し
ないので電流が流れることはできず、空乏層外のみを電
流が流れることになる。ここで、電流通過可能領域のう
ち、空乏層が最も接近して、最も狭くなった部分をチャ
ネル１８と呼称する。

【０１１０】この場合、陰極２２の内部の抵抗は、チャ
ンネル１８の面積とＮ型シリコン基板１１の固有抵抗で
決まることになるが、当然のことながらチャンネル１８
の面積は陰極２２の平均的な面積より小さくなるので、
抵抗値はショットキー接合２６を有しない場合に比べて
大きくなる、従って陰極２２の先端部と基底部との間の
Ｖ−Ｉ特性は図３に示す特性Ｂと同様となる。

【０１１１】また、印加電圧Ｖ0は、陰極２２の先端部
と基底部との間の電圧Ｖ2と、印加電圧Ｖ0からゲート電
極１４と陰極２２の先端部との間の電圧Ｖ1を差し引い
た残りの電圧とが等しくなるように、すなわち電圧Ｖ1
と電圧Ｖ2との合計が印加電圧Ｖ0となるように配分さ
れ、そのときの電流はＩ0に抑えられることになる。

【０１１２】図３において、このような電圧配分となる
点を図示すると、特性ＢにおいてはポイントＰ1、特性
ＡにおいてはポイントＰ2となり、印加電圧Ｖ₀における
仮想点はポイントＰ3となり、電圧０における仮想点は
ポイントＰ0となる。この場合、Ｐ0−Ｐ1間の電圧とＰ2
−Ｐ3間の電圧が等しく、ポイントＰ0の電流値がＩ0と
なっていることが図示されている。

【０１１３】以上説明したように、表面内部にショット
キー接合２６を備えることで、冷陰極１００と同様に陰
極２２単体で独立して電流を制御することができる。こ
こで、陰極２２の抵抗値はチャンネル１８の面積によっ
て決まり、チャンネル１８の面積は空乏層の大きさによ
って決まる。従って、後に説明するショットキー金属層
を形成する際の条件により、陰極２２の抵抗値を自由に
設定することができる。なお、空乏層が接触してチャン
ネルが存在しない状態すなわちピンチオフの状態の場合
が最も抵抗値が大きくなることも冷陰極１００と同様で
ある。

【０１１４】また、同一のＮ型シリコン基板１１上に複
数の陰極２２を備え、それらを並列動作させる場合、Ｎ
型シリコン基板１１の表面上にはショットキー金属層３
１が形成されているので、Ｎ型シリコン基板１１の抵抗
が下がり、かつ、Ｎ型シリコン基板１１の表面の電位が
共通化されるので、陰極相互間の電位差の発生を抑制し
て均一な動作を行わせることができることも冷陰極２０
０および冷陰極３００と同様である。

【０１１５】なお、Ｎ型シリコンとショットキー接合２
６を形成するショットキー金属層３１の材質としてはＡ
ｌ、Ｍｏ、Ｎｂなどを使用することができる。また、シ
リコン以外の半導体基板とショットキー接合を形成する
金属についても「ＬＳＩハンドブック」（電子通信学会
編，オーム社刊，昭和５９年１１月発行）第５１頁に詳
しく記載されているので、例示は省略する。

【０１１６】次に、冷陰極４００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図２５および図２６を用いて説明
する。ここで、図２５に示す工程までは、冷陰極１００
の製造方法として説明した図５および図６に示す工程と
同様であるので重複する説明は省略する。

【０１１７】図２５に示す工程において、マスク用シリ
コン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のＮ型シ
リコン基板１１上および陰極２２の表面上に、例えばア
ルミニウムでショットキー金属層３１を形成する。この
とき陰極２２の先端部分にはショットキー金属層３１が
形成されないようにする。ショットキー金属層３１の形
成方法は、真空蒸着法により、Ｎ型シリコン基板１１を
回転させつつ、斜め方向から例えばアルミニウムを蒸着
させる。これによりマスク用シリコン酸化膜１２の影に
なる部分にはアルミニウムが蒸着しないので、図２５に
示すように陰極２２の先端部分にはショットキー金属層
３１が形成されることはない。なお、チャネル１８の面
積はショットキー接合２６を形成するショットキー金属
層３１の形成位置を変えることにより、任意に変えるこ
とができ、それに伴って陰極２２の抵抗値を変えること
ができる。

【０１１８】次に図２６に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のシ
ョットキー金属層３１の上にシリコン酸化膜１３、ゲー
ト電極１４となるゲート電極層１４１を順次真空蒸着法
で形成する。このとき、マスク用シリコン酸化膜１２上
のショットキー金属層３１の上にもシリコン酸化膜１３
およびゲート電極層１４１が形成されるが、マスク用シ
リコン酸化膜１２をスペーサとしてリフトオフ法により
マスク用シリコン酸化膜１２上のショットキー金属層３
１、シリコン酸化膜１３およびゲート電極層１４１を除
去することにより図２３に示す冷陰極４００が得られ
る。

【０１１９】以上説明したように、先端部を除く表面上
にショットキー接合２６を有するコーン形状の陰極２２
は、構造が簡単で製作が容易であり、また、陰極２２の
形成に用いた、マスク用シリコン酸化膜１２を、シリコ
ン酸化膜１３およびゲート電極１４の形成にも転用でき
るので、冷陰極の製造工程が簡略化されることになる。

【０１２０】＜第６の実施例＞本発明に係る冷陰極の第
６の実施例を図２７〜図３１を用いて説明する。図２７
は本実施例の冷陰極５００の構成を示す断面図である。
図２７において、Ｎ型シリコン基板１１の主面上にＮ型
シリコン基板１１と一体でコーン形状の陰極２２が形成
されている。陰極２２の周囲のＮ型シリコン基板１１の
表面内には、Ｎ型不純物の濃度が高いＮ⁺領域２１が形
成され、Ｎ⁺領域２１上および先端部分を除く陰極２２
の表面上にはショットキー金属層３１が形成されてい
る。

【０１２１】また、ショットキー金属層３１の上には陰
極２２を取り囲むように、シリコン酸化膜１３、ゲート
電極１４が順に形成されて積層構造をなしている。

【０１２２】次に冷陰極５００の動作について図２８を
用いて説明する。図２８は動作中の陰極２２の模式図で
ある。図２８において、ショットキー金属層３１とＮ⁺
領域２１との接触面はショットキー接合とはならず、オ
ーミック接触となる。このことは前出の「ＬＳＩハンド
ブック」の第５２頁に記載されているので詳細な説明は
省略する。従って、陰極２２の表面上に形成されたショ
ットキー金属層３１とＮ型シリコンとで、電流の流れる
方向に対して逆バイアスになるようなショットキー接合
２６が形成され、空乏層は陰極２２内部のみに形成さ
れ、陰極２２の下部はオーミック接触によりＮ型シリコ
ン基板１１に短絡されることになる。この場合、電流が
流れることにより生じる陰極２２上部と下部の電位差は
ショットキー接合２６に逆バイアスとして印加されるこ
とになり、逆バイアスの大きくなる上部ほど空乏層の広
がりは大きくなる。

【０１２３】左右のショットキー接合２６から延在する
空乏層領域面２７が接近し、やがて、空乏層が接触する
状態、いわゆるパンチスルーになると、空乏層中の空間
電荷で制限される電流以上は流れなくなり、陰極２２に
流れる電流は飽和してしまう。

【０１２４】この状態でのＶ−Ｉ特性は図３に示す特性
Ｄと同様であり、陰極２２には空間電荷制限電流である
Ｉp以上の電流は流れず、何らかの原因によって電流Ｉ0
を越える電流が流れる事態が発生しても、電流Ｉp以上
には流れず、自動的に電流が制限されることは第２およ
び第３の実施例で説明した冷陰極２００および冷陰極３
００と同様である。

【０１２５】次に、冷陰極５００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図２９〜図３１を用いて説明す
る。ここで、図２９に示す工程までは、冷陰極１００の
製造方法として説明した図５および図６に示す工程と同
様であるので重複する説明は省略する。

【０１２６】図２９に示す工程において、イオン注入法
によりＮ型シリコン基板１１の表面内にＮ型不純物、例
えばリンイオン７０を垂直上方から注入する。この場
合、マスク用シリコン酸化膜１２の影になる部分、すな
わち陰極２２にはリンイオン７０が注入されず、陰極２
２を除くＮ型シリコン基板１１の表面内にのみＮ⁺領域
２１が形成されることになる。

【０１２７】次に、図３０に示す工程において、マスク
用シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲の
Ｎ⁺領域２１上および陰極２２の表面上に、例えばアル
ミニウムでショットキー金属層３１を形成する。このと
き陰極２２の先端部分にはショットキー金属層３１が形
成されないようにする。ショットキー金属層３１の形成
方法として、真空蒸着法により、Ｎ型シリコン基板１１
を回転させつつ、斜め方向から蒸着する。これによりマ
スク用シリコン酸化膜１２の影になる部分にはアルミニ
ウムが蒸着されないので、図３０に示すように陰極２２
の先端部分にはショットキー金属層３１が形成されるこ
とはない。

【０１２８】次に図３１に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のシ
ョットキー金属層３１の上にシリコン酸化膜１３、ゲー
ト電極１４となるゲート電極層１４１を順次真空蒸着法
で形成する。このとき、マスク用シリコン酸化膜１２上
のショットキー金属層３１の上にもシリコン酸化膜１３
およびゲート電極層１４１が形成されるが、マスク用シ
リコン酸化膜１２をスペーサとしてリフトオフ法により
マスク用シリコン酸化膜１２上のショットキー金属層３
１、シリコン酸化膜１３およびゲート電極層１４１を除
去することにより図２３に示す冷陰極５００が得られ
る。

【０１２９】以上説明したように、先端部を除く表面上
にショットキー接合２６を有するコーン形状の陰極２２
は、構造が簡単で製作が容易であり、Ｎ型シリコン基板
１１上のショットキー接合２６を短絡させるＮ⁺領域２
１の形成も容易である。また、陰極２２の形成に用い
た、マスク用シリコン酸化膜１２を、シリコン酸化膜１
３およびゲート電極１４の形成にも転用できるので、冷
陰極の製造工程が簡略化されることになる。

【０１３０】＜第７の実施例＞本発明に係る冷陰極の第
７の実施例を図３２〜図３６を用いて説明する。図３２
は本実施例の冷陰極６００の構成を示す断面図である。
図３２において、Ｎ型シリコン基板１１の主面上にＮ型
シリコン基板１１と一体でコーン形状の陰極２２が形成
されている。陰極２２の周囲のＮ型シリコン基板１１の
表面上には、オーミック電極金属層４１が形成され、先
端部分を除く陰極２２の側面表面上からオーミック電極
金属層４１の表面上にかけてショットキー金属層３１が
形成されている。

【０１３１】また、ショットキー金属層３１の上には陰
極２２を取り囲むように、シリコン酸化膜１３、ゲート
電極１４が順に形成されて積層構造をなしている。

【０１３２】次に冷陰極６００の動作について図３３を
用いて説明する。図３３は動作中の陰極２２の模式図で
ある。オーミック電極金属層４１の材質としてシリコン
との界面に再結合中心を形成する金属、例えば金（Ａ
ｕ）、銅（Ｃｕ）などを用いることにより、オーミック
電極金属層４１とＮ型シリコン基板１１との接触面は、
前出の「ＬＳＩハンドブック」の第５３頁に示されるよ
うにオーミック接触となる。

【０１３３】従って、陰極２２の表面上に形成されたシ
ョットキー金属層３１とＮ型シリコンとで、電流の流れ
る方向に対して逆バイアスになるようなショットキー接
合２６が形成され、空乏層は陰極２２内部のみに形成さ
れ、陰極２２の下部はオーミック接触によりＮ型シリコ
ン基板１１に短絡されることになる。この場合、電流が
流れることにより生じる陰極２２上部と下部の電位差は
ショットキー接合２６に逆バイアスとして印加されるこ
とになり、逆バイアスの大きくなる上部ほど空乏層の広
がりは大きくなり、チャネル１８は狭くなる。

【０１３４】左右のショットキー接合２６から延在する
空乏層領域面２７が接近し、やがて、空乏層が接触する
状態、いわゆるパンチスルーになると、空乏層中の空間
電荷で制限される電流以上は流れなくなり、陰極２２に
流れる電流は飽和してしまう。

【０１３５】この状態でのＶ−Ｉ特性は図３に示す特性
Ｄと同様であり、陰極２２には空間電荷制限電流である
Ｉp以上の電流は流れず、何らかの原因によって電流Ｉ0
を越える電流が流れる事態が発生しても、電流Ｉp以上
には流れず、自動的に電流が制限されることは第２およ
び第３の実施例で説明した冷陰極２００および冷陰極３
００と同様である。

【０１３６】次に、冷陰極６００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図３４〜図３６を用いて説明す
る。ここで、図３４に示す工程までは、冷陰極１００の
製造方法として説明した図５および図６に示す工程と同
様であるので重複する説明は省略する。

【０１３７】図３４に示す工程において、マスク用シリ
コン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のＮ型シ
リコン基板１１上に、例えば金でオーミック電極金属層
４１を形成する。このとき、オーミック電極金属層４１
は陰極２２の側面表面には形成されないようにする。

【０１３８】次に、図３５に示す工程において、マスク
用シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲の
オーミック電極金属層４１上、および陰極２２の表面上
に、例えばアルミニウムでショットキー金属層３１を形
成する。このとき陰極２２の先端部分にはショットキー
金属層３１が形成されないようにする。ショットキー金
属層３１の形成方法として、真空蒸着法により、Ｎ型シ
リコン基板１１を回転させつつ、斜め方向から蒸着する
ことによりマスク用シリコン酸化膜１２の影になる部分
には蒸着されないので、図３０に示すように陰極２２の
先端部分にはショットキー金属層３１が形成されること
はない。

【０１３９】次に図３６に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のシ
ョットキー金属層３１の上にシリコン酸化膜１３、ゲー
ト電極１４となるゲート電極層１４１を順次真空蒸着法
で形成する。このとき、マスク用シリコン酸化膜１２上
には、再結合層４１、ショットキー金属層３１、シリコ
ン酸化膜１３、ゲート電極層１４１が順次積層される
が、マスク用シリコン酸化膜１２をスペーサとしてリフ
トオフすることにより、マスク用シリコン酸化膜１２と
共にそれらの層は除去され、図３２に示す冷陰極６００
が得られる。

【０１４０】以上説明したように、先端部を除く表面上
にショットキー接合２６を有するコーン形状の陰極２２
は、構造が簡単で製作が容易であり、Ｎ型シリコン基板
１１上のショットキー接合２６を短絡させるオーミック
電極金属層４１の形成も容易である。また、陰極２２の
形成に用いた、マスク用シリコン酸化膜１２を、シリコ
ン酸化膜１３およびゲート電極１４の形成にも転用でき
るので、冷陰極の製造工程が簡略化されることになる。

【０１４１】＜第８の実施例＞本発明に係る冷陰極の第
８の実施例を図３７〜図４１を用いて説明する。図３７
は本実施例の冷陰極７００の構成を示す断面図である。
図３７において、Ｎ型シリコン基板１１の主面上にＮ型
シリコン基板１１と一体でコーン形状の陰極２２が形成
されている。陰極２２の周囲のＮ型シリコン基板１１の
表面内には、Ｎ型シリコン基板１１が変質して格子欠陥
を有する層となった格子欠陥領域５１が形成され、先端
部分を除く陰極２２の側面表面上から格子欠陥層５１の
表面上にかけてショットキー金属層３１が形成されてい
る。

【０１４２】また、ショットキー金属層３１の上には陰
極２２を取り囲むように、シリコン酸化膜１３、ゲート
電極１４が順に形成されて積層構造をなしている。

【０１４３】次に冷陰極７００の動作について図３８を
用いて説明する。図３８は動作中の陰極２２の模式図で
ある。図３８において格子欠陥領域５１の格子欠陥は再
結合中心として作用し、図３２に示した第７の実施例の
オーミック電極金属層４１と同様に、ショットキー金属
層３１をＮ型シリコン基板１１にオーミック接触で短絡
させる。

【０１４４】従って、陰極２２の表面上に形成されたシ
ョットキー金属層３１とＮ型シリコンとで、電流の流れ
る方向に対して逆バイアスになるようなショットキー接
合２６が形成されるのみとなり、空乏層は陰極２２内部
のみに形成されることになる。この場合、電流が流れる
ことにより生じる陰極２２上部と下部の電位差はショッ
トキー接合２６に逆バイアスとして印加されることにな
り、逆バイアスの大きくなる上部ほど空乏層の広がりは
大きくなる。

【０１４５】左右のショットキー接合２６から延在する
空乏層領域面２７が接近し、空乏層が接触する状態、い
わゆるパンチスルーになると、空乏層中の空間電荷で制
限される電流以上は流れなくなり、陰極２２に流れる電
流は飽和してしまう。

【０１４６】この状態でのＶ−Ｉ特性は図３に示す特性
Ｄと同様であり、陰極２２には空間電荷制限電流である
Ｉp以上の電流は流れず、何らかの原因によって電流Ｉ0
を越える電流が流れる事態が発生しても、電流Ｉp以上
には流れず、自動的に電流が制限されることは第２およ
び第３の実施例で説明した冷陰極２００および冷陰極３
００と同様である。

【０１４７】次に、冷陰極７００の製造方法を工程を順
に示した断面図である図３９〜図４１を用いて説明す
る。ここで、図３９に示す工程までは、冷陰極１００の
製造方法として説明した図５および図６に示す工程と同
様であるので重複する説明は省略する。

【０１４８】図３９に示す工程において、マスク用シリ
コン酸化膜１２をマスクとしてイオン注入法によりＮ型
シリコン基板１１の表面内に、例えばアルゴン（Ａｒ）
イオン８０のような不活性ガスのイオンを垂直上方から
注入する。この場合、マスク用シリコン酸化膜１２の影
になる部分、すなわち陰極２２にはアルゴンイオン８０
が注入されず、陰極２２を除くＮ型シリコン基板１１の
表面内にのみアルゴンイオン８０が注入され、その部分
の結晶格子が破壊されて格子欠陥を有する格子欠陥領域
５１が形成されることになる。

【０１４９】次に、図４０に示す工程において、マスク
用シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲の
格子欠陥領域５１上および陰極２２の表面上に、例えば
アルミニウムでショットキー金属層３１を形成する。こ
のとき陰極２２の先端部分にはショットキー金属層３１
が形成されないようにする。ショットキー金属層３１の
形成方法として、真空蒸着法により、Ｎ型シリコン基板
１１を回転させつつ、斜め方向から蒸着することにより
マスク用シリコン酸化膜１２の影になる部分には蒸着さ
れないので、図４０に示すように陰極２２の先端部分に
はショットキー金属層３１が形成されることはない。

【０１５０】次に図４１に示す工程において、マスク用
シリコン酸化膜１２をマスクとして陰極２２の周囲のシ
ョットキー金属層３１の上にシリコン酸化膜１３、ゲー
ト電極１４となるゲート電極層１４１を順次真空蒸着法
で形成する。このとき、マスク用シリコン酸化膜１２上
のショットキー金属層３１の上にもシリコン酸化膜１３
およびゲート電極層１４１が形成されるが、マスク用シ
リコン酸化膜１２をスペーサとしてリフトオフ法により
マスク用シリコン酸化膜１２上の、ショットキー金属層
３１、シリコン酸化膜１３およびゲート電極層１４１を
除去することにより図３７に示す冷陰極７００が得られ
る。

【０１５１】以上説明したように、先端部を除く表面上
にショットキー接合２６を有するコーン形状の陰極２２
は、構造が簡単で製作が容易であり、Ｎ型シリコン基板
１１上のショットキー接合２６を短絡させる格子欠陥領
域５１の形成も容易である。また、陰極２２の形成に用
いた、マスク用シリコン酸化膜１２を、シリコン酸化膜
１３およびゲート電極１４の形成にも転用できるので、
冷陰極の製造工程が簡略化されることになる。

【０１５２】なお、上述した製造方法ではアルゴンイオ
ンを用いて格子欠陥層５１を形成した例を示したが、例
えば、クリプトン（Ｋｒ）イオンあるいはキセノン（Ｘ
ｅ）イオンを用いても良い。

【０１５３】

【発明の効果】請求項１記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、陰極に流れる電流はＰＮ接合の近傍に形成される
チャネル領域を流れることになり、電流量はチャネルの
面積により決まる抵抗で制御されることになるので、陰
極単体で独立して制御性良く電流を制限でき、かつ、構
造が簡単で製作容易な冷陰極を得ることができる。

【０１５４】請求項２記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、絶縁層と陰極との間に電界を形成し、陰極の鋭角な
先端から電子を放出させる従来から多用されている構成
の冷陰極が得られるので、従来の冷陰極との互換性に優
れた冷陰極を得ることができる。

【０１５５】請求項３記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極に流れる電流はＰＮ接合の近傍に形成されるチ
ャネル領域を流れることになり、電流量はチャネルの面
積により決まる抵抗で制御されるとともに、過電流が流
れることを自動的に防止できるので、過電流による陰極
の破損を防止した冷陰極が得られる。

【０１５６】請求項４記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、導電層の形成が比較的容易であり、ＰＮ接合が半導
体基板に部分的に短絡されると共に半導体基板表面の抵
抗が下がることになる。

【０１５７】請求項５記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、半導体基板表面の抵抗がさらに低くなるので、半導
体基板上に複数の陰極を形成して並列動作をさせる場合
に、半導体基板表面の電位が共通化され、個々の陰極間
の電位差を低減して、複数の陰極に対して均一な動作を
させることが可能な冷陰極を得ることができる。

【０１５８】請求項６記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、絶縁層と陰極との間に電界を形成し、陰極の鋭角な
先端から電子を放出させる従来から多用されている構成
の冷陰極が得られるので、従来の冷陰極との互換性に優
れた冷陰極を得ることができる。

【０１５９】請求項７記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、ＰＮ接合は動作時には電流の流れる方向に対して逆
バイアスされるので、請求項１および請求項３記載の冷
陰極の実現に適した構成が得られる。

【０１６０】請求項８記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極に流れる電流は、ショットキー接合の近傍に形
成されるチャネル領域を流れることになり、電流量がチ
ャネルの面積により決まる抵抗で制御されることになる
ので、陰極単体で独立して制御性良く電流を制限でき、
かつ、構造が簡単で製作容易な冷陰極を得ることができ
る。

【０１６１】請求項９記載の本発明に係る冷陰極によれ
ば、陰極に流れる電流がチャネルの面積により決まる抵
抗で制御されるとともに、過電流が流れることを自動的
に防止できるので、過電流による陰極の破損を防止した
冷陰極が得られる。

【０１６２】請求項１０記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、陰極と金属層の接合面のみがショットキー接合と
なるので、陰極に流れる電流がチャネルの面積により決
まる抵抗で制御されるとともに、過電流が流れることを
自動的に防止できるので、過電流による陰極の破損を防
止した冷陰極が得られる。

【０１６３】請求項１１記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、陰極と金属層の接合面のみがショットキー接合と
なるので、陰極に流れる電流がチャネルの面積により決
まる抵抗で制御されるとともに、過電流が流れることを
自動的に防止できるので、過電流による陰極の破損を防
止した冷陰極が得られる。

【０１６４】請求項１２記載の本発明に係る冷陰極によ
れば、絶縁層と陰極との間に電界を形成し、陰極の鋭角
な先端から電子を放出させる従来から多用されている構
成の冷陰極が得られるので、従来の冷陰極との互換性に
優れた冷陰極を得ることができる。

【０１６５】請求項１３記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、鋭角な先端部を有して第１導電型の半
導体基板と一体で形成され、その先端部を除いて、表面
から内部にかけて第２導電型の半導体領域を備え、その
接合面がＰＮ接合となっている陰極を有した冷陰極が容
易に得られる。

【０１６６】請求項１４記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、工程(b)で用いたマスク層を、絶縁層
および電極層の形成に際して使用し、マスク層を除去す
ることで、マスク層の上に形成された、絶縁層および電
極層が共に除去され、陰極の周囲に絶縁層、電極層が順
に積層された構成が容易に形成できる。

【０１６７】請求項１５記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、鋭角な先端部を有して第１導電型の半
導体基板と一体で形成され、その先端部を除いて、表面
から内部にかけて設けられた第２導電型の半導体領域と
の接合面がＰＮ接合となっている陰極を有し、冷陰極の
周囲の半導体基板上に、その端部が陰極の基板側端部に
接触するように設けられた導電層を備えた冷陰極が容易
に得られる。

【０１６８】請求項１６記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、陰極の先端部を除いて、表面から内部
にかけて容易に第２導電型の不純物を導入するこができ
るので、製造工程を簡略化できる。

【０１６９】請求項１７記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、陰極の先端部を除いて、表面から内部
にかけて第２導電型の不純物が導入された構成が、熱拡
散法を用いて形成されるので、製造コストが安価にな
る。

【０１７０】請求項１８記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、半導体領域の上に形成した合金用金属
層を熱拡散法により半導体領域内に拡散して、半導体基
板との合金層を形成することで、陰極の基板側端部に接
触するように設けられた導電層を備えた冷陰極が容易に
得られる。

【０１７１】請求項１９記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層をエッチングマスクとして、
半導体基板の表面から内部にかけての半導体領域をエッ
チングにより除去し、その領域に金属層を形成すこと
で、陰極の基板側端部に接触するように設けられた導電
層を備えた冷陰極が容易に得られる。

【０１７２】請求項２０記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、工程(b)で用いたマスク層を、絶縁層
および電極層の形成に際して使用し、マスク層を除去す
ることで、マスク層の上に形成された、絶縁層および電
極層が共に除去され、陰極の周囲に絶縁層、電極層が順
に積層された構成が容易に形成できる。

【０１７３】請求項２１記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、鋭角な先端部を有して半導体基板と一
体で形成された陰極の先端部を除く表面上、および半導
体基板の表面上に、少なくとも陰極の表面との接合面が
ショットキー接合となる金属層を有した冷陰極が容易に
得られる。

【０１７４】請求項２２記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、半導体基板の表面から内部にかけて比
較的高濃度の半導体領域を容易に形成することができる
ので、製造工程を簡略化できる。

【０１７５】請求項２３記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を遮蔽体として、半導体基板
の表面上に、半導体基板との界面にオーミック接触を形
成する金属でオーミック電極金属層を形成することによ
り、半導体基板との界面がショットキー接合とならず、
陰極と金属層の接合面のみがショットキー接合となった
冷陰極が得られる。

【０１７６】請求項２４記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、マスク層を遮蔽体として、イオン注入
法により前記半導体基板の表面から内部にかけて不活性
ガスのイオンを導入し、結晶格子が乱れた格子欠陥領域
を形成することにより、半導体基板との界面がショット
キー接合とならず、陰極と金属層の接合面のみがショッ
トキー接合となった冷陰極が得られる。

【０１７７】請求項２５記載の本発明に係る冷陰極の製
造方法によれば、工程(b)で用いたマスク層を、絶縁層
および電極層の形成に際して使用し、マスク層を除去す
ることで、マスク層の上に形成された、絶縁層および電
極層が共に除去され、陰極の周囲に絶縁層、電極層が順
に積層された構成が容易に形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る冷陰極の第１の実施例の構成を
示す図である。

【図２】 本発明に係る冷陰極の接続構成を示す図であ
る。

【図３】 本発明に係る冷陰極の動作特性を示す図であ
る。

【図４】 本発明に係る冷陰極の第１の実施例の動作状
態を示す模式図である。

【図５】 本発明に係る冷陰極の第１の実施例の製造工
程を示す図である。

【図６】 本発明に係る冷陰極の第１の実施例の製造工
程を示す図である。

【図７】 本発明に係る冷陰極の第１の実施例の製造工
程を示す図である。

【図８】 本発明に係る冷陰極の第１の実施例の製造工
程を示す図である。

【図９】 本発明に係る冷陰極の第２の実施例の構成を
示す図である。

【図１０】 本発明に係る冷陰極の第２の実施例の動作
状態を示す模式図である。

【図１１】 本発明に係る冷陰極の第２の実施例の製造
工程を示す図である。

【図１２】 本発明に係る冷陰極の第２の実施例の製造
工程を示す図である。

【図１３】 本発明に係る冷陰極の第２の実施例の製造
工程を示す図である。

【図１４】 本発明に係る冷陰極の第３の実施例の構成
を示す図である。

【図１５】 本発明に係る冷陰極の第３の実施例の動作
状態を示す模式図である。

【図１６】 本発明に係る冷陰極の第３の実施例の製造
工程を示す図である。

【図１７】 本発明に係る冷陰極の第３の実施例の製造
工程を示す図である。

【図１８】 本発明に係る冷陰極の第３の実施例の製造
工程を示す図である。

【図１９】 本発明に係る冷陰極の第４の実施例の製造
工程を示す図である。

【図２０】 本発明に係る冷陰極の第４の実施例の製造
工程を示す図である。

【図２１】 本発明に係る冷陰極の第４の実施例の製造
工程を示す図である。

【図２２】 本発明に係る冷陰極の第４の実施例の製造
工程を示す図である。

【図２３】 本発明に係る冷陰極の第５の実施例の構成
を示す図である。

【図２４】 本発明に係る冷陰極の第５の実施例の動作
状態を示す模式図である。

【図２５】 本発明に係る冷陰極の第５の実施例の製造
工程を示す図である。

【図２６】 本発明に係る冷陰極の第５の実施例の製造
工程を示す図である。

【図２７】 本発明に係る冷陰極の第６の実施例の構成
を示す図である。

【図２８】 本発明に係る冷陰極の第６の実施例の動作
状態を示す模式図である。

【図２９】 本発明に係る冷陰極の第６の実施例の製造
工程を示す図である。

【図３０】 本発明に係る冷陰極の第６の実施例の製造
工程を示す図である。

【図３１】 本発明に係る冷陰極の第６の実施例の製造
工程を示す図である。

【図３２】 本発明に係る冷陰極の第７の実施例の構成
を示す図である。

【図３３】 本発明に係る冷陰極の第７の実施例の動作
状態を示す模式図である。

【図３４】 本発明に係る冷陰極の第７の実施例の製造
工程を示す図である。

【図３５】 本発明に係る冷陰極の第７の実施例の製造
工程を示す図である。

【図３６】 本発明に係る冷陰極の第７の実施例の製造
工程を示す図である。

【図３７】 本発明に係る冷陰極の第８の実施例の構成
を示す図である。

【図３８】 本発明に係る冷陰極の第８の実施例の動作
状態を示す模式図である。

【図３９】 本発明に係る冷陰極の第８の実施例の製造
工程を示す図である。

【図４０】 本発明に係る冷陰極の第８の実施例の製造
工程を示す図である。

【図４１】 本発明に係る冷陰極の第８の実施例の製造
工程を示す図である。

【図４２】 従来の冷陰極の構成を示す断面図である。

【図４３】 従来の冷陰極の構成を示す断面図である。

【図４４】 従来の冷陰極の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１１ Ｎ型シリコン基板、１２，１２０ マスク用シリ
コン酸化膜、１３ シリコン酸化膜、１５ Ｐ型シリコ
ン領域、１６ ＰＮ接合、１７、２７ 空乏層領域面、
１９ アルミニウム層、２０ アルミニウム・シリコン
合金領域、２１Ｎ⁺領域、２２ 陰極、２６ ショット
キー接合、３１ ショットキー金属層、４１ オーミッ
ク電極金属層、５１ 格子欠陥領域、６０ ボロンイオ
ン、６１ ボロン、７０ リンイオン、７１ リン、８
０ アルゴンイオン、１４１ゲート電極層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims (25)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の半導体基板と一体で形成さ
   れ、鋭角な先端部を有する陰極を備えた冷陰極におい
   て、 前記陰極は前記先端部を除いて、表面から内部にかけて
   第２導電型の半導体領域を備え、その接合面がＰＮ接合
   となっていることを特徴とする冷陰極。
2. 【請求項２】 前記半導体基板上に前記陰極を取り囲む
   ように形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された
   電極層とをさらに備える請求項１記載の冷陰極。
3. 【請求項３】 第１導電型の半導体基板と一体で形成さ
   れ、鋭角な先端部を有する陰極を備えた冷陰極におい
   て、 前記陰極の前記先端部を除いて、表面から内部にかけ
   て、その接合面がＰＮ接合となる第２導電型の半導体領
   域を備え、前記陰極の周囲の前記半導体基板上に設けられ、その端
   部が前記陰極の基板側端部に接触する 導電層を備える冷
   陰極。
4. 【請求項４】 前記導電層は前記半導体基板の基板材と
   金属との合金層である請求項３記載の冷陰極。
5. 【請求項５】 前記導電層は金属層である請求項３記載
   の冷陰極。
6. 【請求項６】 前記導電層上に、前記陰極を取り囲むよ
   うに形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された電
   極層とをさらに備える請求項３記載の冷陰極。
7. 【請求項７】 前記第１導電型がＮ型であり、前記第２
   導電型がＰ型である請求項１または３記載の冷陰極。
8. 【請求項８】 半導体基板と一体で形成され、鋭角な先
   端部を有する陰極を備えた冷陰極において、 前記陰極は前記先端部を除く表面上および前記半導体基
   板の表面上に金属層を備え、少なくとも前記陰極の前記
   表面との接合面がショットキー接合となっていることを
   特徴とする冷陰極。
9. 【請求項９】 前記半導体基板の表面から内部にかけ
   て、前記半導体基板と同一の導電型で比較的高濃度の半
   導体領域をさらに備える請求項８記載の冷陰極。
10. 【請求項１０】 前記金属層と前記半導体基板の表面と
    の間に、前記半導体基板との界面にオーミック接触を形
    成する金属で構成されたオーミック電極金属層をさらに
    備える請求項８記載の冷陰極。
11. 【請求項１１】 前記半導体基板の表面から内部にかけ
    て、結晶格子が乱れた格子欠陥領域をさらに備える請求
    項８記載の冷陰極。
12. 【請求項１２】 前記金属層上に前記陰極を取り囲むよ
    うに形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された電
    極層とをさらに備える請求項８〜請求項１１のいずれか
    に記載の冷陰極。
13. 【請求項１３】 (a)第１導電型の半導体基板の主面上
    に選択的にマスク層を形成する工程と、 (b)前記マスク層をエッチングマスクとして、前記半導
    体基板を選択的にエッチングして、前記マスク層の下
    に、前記半導体基板と一体となった鋭角な先端部を有す
    る陰極を形成する工程と、 (c)前記陰極の前記先端部を除いて、表面から内部にか
    けて、第２導電型の不純物を導入して第２導電型の半導
    体領域を形成する工程とを備える冷陰極の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記工程(c)の後に、 (d)全面に絶縁層を形成する工程と、 (e)前記絶縁層上に電極層を形成する工程と、 (f)前記マスク層上に積層された層を、前記マスク層と
    共に除去する工程とをさらに備える請求項１３記載の冷
    陰極の製造方法。
15. 【請求項１５】 (a)第１導電型の半導体基板の主面上
    に選択的にマスク層を形成する工程と、 (b)前記マスク層をエッチングマスクとして、前記半導
    体基板を選択的にエッチングして、前記マスク層の下
    に、前記半導体基板と一体となった鋭角な先端部を有す
    る陰極を形成する工程と、 (c)前記陰極の前記先端部を除いて、表面から内部にか
    けて、第２導電型の不純物を導入して第２導電型の半導
    体領域を形成する工程と、 (d)前記陰極の周囲の前記半導体基板上に、その端部が
    前記陰極の基板側端部に接触するように導電層を形成す
    る工程とを備える冷陰極の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記工程(c)は、(c-1)前記マスク層を
    遮蔽体として、前記陰極の前記先端部を除いて、表面か
    ら内部にかけてイオン注入法により前記第２導電型の不
    純物を導入する工程を有する請求項１２または請求項１
    ５記載の冷陰極の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記工程(a)は、 (a-1)前記マスク層を第１導電型の不純物を含む材料で
    形成する工程を有し、前記工程(c)は、 (c-2)前記陰極の全表面から内部にかけて熱拡散法によ
    り前記第２導電型の不純物を導入する工程と、 (c-3)前記マスク層に含まれた第１導電型の不純物を熱
    拡散法により前記陰極の前記先端部に導入して、前記先
    端部表面を第１導電型に置換する工程とを有する請求項
    １３または請求項１５記載の冷陰極の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記工程(d)は、 (d-1)前記半導体基板と合金を形成する合金用金属層を
    前記半導体領域の上に形成する工程と、 (d-2)前記合金用金属層を熱拡散により前記半導体領域
    内に拡散して前記半導体基板との合金層を形成する工程
    とを有する請求項１５記載の冷陰極の製造方法。
19. 【請求項１９】 前記工程(d)は、 (d-3)前記マスク層をエッチングマスクとして、前記陰
    極の周囲の前記半導体基板の表面から内部にかけての前
    記半導体領域をエッチングにより除去する工程と、 (d-4)前記工程(d-3)により除去された領域と、前記陰極
    の基板側端部の領域に金属層を形成する工程とを有する
    請求項１５記載の冷陰極の製造方法。
20. 【請求項２０】 前記工程(d)の後に、 (e)全面に絶縁層を形成する工程と、 (f)前記絶縁層上に電極層を形成する工程と、 (g)前記マスク層上に積層された層を、前記マスク層と
    共に除去する工程とをさらに備える請求項１５記載の冷
    陰極の製造方法。
21. 【請求項２１】 (a)半導体基板の主面上に選択的にマ
    スク層を形成する工程と、 (b)前記マスク層をエッチングマスクとして、前記半導
    体基板を選択的にエッチングして、前記マスク層の下
    に、前記半導体基板と一体となった鋭角な先端部を有す
    る陰極を形成する工程と、 (c)前記陰極の前記先端部を除く表面上および前記半導
    体基板の表面上に、少なくとも前記陰極の前記表面との
    接合面がショットキー接合となる金属層を形成する工程
    とを備える冷陰極の製造方法。
22. 【請求項２２】 (d)前記マスク層を遮蔽体として、イ
    オン注入法により前記半導体基板の表面から内部にかけ
    て前記半導体基板と同一の導電型の不純物を導入し、比
    較的高濃度の半導体領域を形成する工程をさらに備える
    請求項２１記載の冷陰極の製造方法。
23. 【請求項２３】 (e)前記マスク層を遮蔽体として、前
    記半導体基板の表面上に、前記半導体基板との界面にオ
    ーミック接触を形成する金属でオーミック電極金属層を
    形成する工程をさらに備える請求項２１記載の冷陰極の
    製造方法。
24. 【請求項２４】 (f)前記マスク層を遮蔽体として、イ
    オン注入法により前記半導体基板の表面から内部にかけ
    て不活性ガスのイオンを導入し、結晶格子が乱れた格子
    欠陥領域を形成する工程をさらに備える請求項２１記載
    の冷陰極の製造方法。
25. 【請求項２５】 前記工程(c)の後に、 (g)全面に絶縁層を形成する工程と、 (h)前記絶縁層上に電極層を形成する工程と、 (i)前記マスク層上に積層された層を、前記マスク層と
    共に除去する工程とをさらに備える請求項２１記載の冷
    陰極の製造方法。