JP4312331B2 - 電子放出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体からの電子放出を利用する電子放出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、金属やシリコンを用いて尖塔形状を作製したスピント型と呼ばれている電子放出素子が研究開発されている。また、近年、負性電子親和力を有するダイヤモンドや窒化ホウ素薄膜を用いたフィールドエミッタの研究も進められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
フィールドエミッタには、低電圧動作、高電流密度動作、そして長寿命動作が要求される。低電圧化や高電流密度化を達成するためには、フィールドエミッタ用材料として、小さい仕事関数を有する金属や、小さい電子親和力または負性電子親和力を有する半導体が注目されている。また、長寿命化のためには、硬質で安定な材料が必要である。
【0004】
これまで、金属やシリコンを尖塔型の形状に加工し、その近傍に引き出し電極を作製することによって、低電圧動作が図られている。そして、これらに優る電子放出特性が負性電子親和力を持つダイヤモンドや窒化物半導体によって得られることが見出されている。近年、負性電子親和力を持つ窒化ホウ素薄膜においてダイヤモンドに匹敵する電子放出特性が示されているが、窒化ホウ素薄膜においては、表面が平坦で電界集中因子も小さく、さらに低電圧高電流密度動作を実現するのは困難であった。
【0005】
本発明は、上記課題を解決し、ホウ素、炭素、窒素を含有する材料による電子放出装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載された発明は、導体または半導体基板表面上に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が存在し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第1の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第1の金属体と空間をもって第2の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置である。
【0007】
請求項2に記載された発明は、導体または半導体基板に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が埋め込まれ、前記粒子状材料の一部が露出し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第1の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第1の金属体と空間をもって第2の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置である。
【0008】
請求項3に記載された発明は、導体または半導体基板上に導体層または半導体層があり、前記層内に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料があり、その粒子状材料の一部が露出し、前記導体層または前記半導体層および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第1の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第1の金属体と空間をもって第2の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置である。
【0016】
本発明の電子放出装置は、窒素とホウ素と炭素とを含んだ不定形の粒子状材料を基板表面に用いることにより、表面での電界集中因子の向上を図り、電界が集中する尖塔部の密度を増加させることにより、放出電流密度の向上を図る。前記粒子状材料および基板と電気的に絶縁して引き出し電極を設けることを特徴とし、さらに、前記材料に対向して空間をもって電気的に絶縁した金属体を設けることを特徴とする。
【0017】
前記粒子状材料を基盤とし、その上への窒化ホウ素炭素薄膜の堆積、ドナー不純物の添加、および前記粒子状材料表面や堆積薄膜表面の水素原子による終端によって、低電圧動作可能な高性能電子放出装置が実現できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明に関する窒素とホウ素とを主要元素とした粒子状材料を高密度に基板上に固定させた電子放出装置は、導電性基板および絶縁性基板上に作製できる。そして、本発明は、平面型の電子放出装置の実現につながり、フィールドエミッションディスプレー、電子ビーム露光機、マイクロ波進行波管、撮像素子等、様々な用途にキーデバイスとして応用できる。
【0019】
以下に本発明の電子放出装置の実施例について具体的に説明する。
【0020】
【実施例1】
図1は、本発明に係る電子放出装置の実施例1を示す断面図である。実施例1の電子放出装置は、シリコン基板1、フォトレジスト2、窒化ホウ素粒子3、SiOX薄膜4、引き出し電極5、カソード電極6およびアノード電極7で構成される。
【0021】
シリコン基板1は、n型のシリコン半導体の基板である。フォトレジスト2は、シリコン基板1の一方の面(以下、表面という)に設けられている。フォトレジスト2として、ポジ型フォトレジストやネガ型フォトレジストを用いることができる。フォトレジスト2には、窒化ホウ素粒子3が混在している。窒化ホウ素粒子3は、窒素とホウ素とを主要元素とした結晶粒子である。引き出し電極5は、SiOX薄膜4によって絶縁された第1の金属体である。カソード電極6は、シリコン基板1の他方の面(以下、裏面という)に設けられている。アノード電極7は、引き出し電極5と空間をもって設けられた第2の金属体である。
【0022】
この構成の電子放出装置を次に示す手順で作製した。つまり、図2(A)に示すn型のシリコン基板1の表面上に、フォトレジスト2を塗布した(図2(B))。フォトレジスト2には、粒子の大きさが1〜3[μm]の窒化ホウ素粒子3を混入させた。フォトレジスト2の塗布されたシリコン基板1を、650[℃]で熱処理をした。この熱処理の際、フォトレジスト22が炭化された。この後、その上にSiOX薄膜4を500[nm]形成した(図2(C))。SiOX薄膜4の上に引き出し電極5用の金属として、Ti(20[nm])/Au(500[nm])を電子ビーム蒸着法で形成した(図2(C))。
【0023】
一方、シリコン基板1の裏面にアルミニウムを蒸着して、オーミック接合を形成し、カソード電極6とした(図2(C))。フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極5用金属およびSiOX薄膜4をウェットエッチングにより除去し、直径5[μm]の窓5Aを形成した(図2(D))。窓5Aの中に露出した窒化ホウ素粒子3を含む部分の表面を、水素プラズマで処理した。この後、真空チェンバー内でアノード電極7となる金属板を窒化ホウ素粒子3を含むフォトレジスト2に対向させ、その間隔を125[μm]とした(図2(D))。
【0024】
前記構成の電子放出装置は、次のようにして用いられる。つまり、引き出し電極5を接地し(図1)、カソード電極6に電源11を接続し、アノード電極7に電源12を接続する。これによって、カソード電極6とアノード電極7とに各々バイアスが加えられる。さらに、8×10-7[Torr]以下の真空度で放出電流を測定した。このとき、アノード電圧を500[V]と一定にし、カソード電圧を変化させた。この結果、図3に示すように、カソード電圧40[V]で0.2[mA]の高い放出電流が得られた。
【0025】
【実施例2】
次に、本発明にかかる電子放出装置の実施例2について説明する。図4は、本発明に係る電子放出装置の実施例2を示す断面図である。実施例2の電子放出装置は、シリコン基板21、フォトレジスト22、窒化ホウ素粒子23、SiOX薄膜24、引き出し電極25、カソード電極26、アノード電極27およびイオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜28で構成される。
【0026】
シリコン基板21は、n型のシリコン半導体の基板である。フォトレジスト22は、シリコン基板21の表面に設けられている。フォトレジスト22には、窒化ホウ素粒子23が混在している。窒化ホウ素粒子23は、窒素とホウ素とを主要元素とした結晶粒子である。引き出し電極25は、SiOX薄膜24によって絶縁された第1の金属体である。カソード電極26は、シリコン基板21の裏面に設けられている。アノード電極27は、引き出し電極25と空間をもって設けられた第2の金属体である。イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜28は、フォトレジスト22の表面に設けられた、窒素とホウ素とを主要元素した薄膜である。
【0027】
この構成の電子放出装置を次に示す手順で作製した。つまり、図5(A)に示すn型のシリコン基板21上に、フォトレジスト22を塗布した(図5(B))。フォトレジスト22には、粒子の大きさが1〜3[μm]の窒化ホウ素粒子23を混入させた。フォトレジスト22の塗布されたシリコン基板21を、650[℃]で熱処理をした。この熱処理の際、フォトレジスト22が炭化された。この後、プラズマアシスト化学気相成長法により窒素、三塩化ホウ素およびメタンを材料ガスとして、イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜28を200[nm]堆積させた(図5(B))。
【0028】
この際、炭素組成比は0.1、窒素およびホウ素の組成比は各々0.5、0.4とした。また、イオウ原子を不純物として1×1018[cm-3]の濃度に添加した。その上にSiOX薄膜24を500[nm]、および引き出し電極25用の金属としてTi(20[nm])/Au(500[nm])を電子ビーム蒸着法で形成した(図5(C))。
【0029】
一方、シリコン基板21の裏面にアルミニウムを蒸着して、オーミック接合を形成し、カソード電極26とした(図5(C))。フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極25用の金属およびSiOX薄膜24をウェットエッチングにより除去し、直径5[μm]の窓25Aを形成した(図5(D))。窓25Aの中に露出した窒化ホウ素粒子を含む部分の表面を水素プラズマで処理した後、真空チェンバー内でアノード電極27となる金属板を窒化ホウ素粒子を含むフォトレジスト膜22に対向させ、その間隔を125[μm]とした(図5(D))。
【0030】
前記構成の電子放出装置は、次のようにして用いられる。つまり、引き出し電極25を接地し(図1)、カソード電極26に電源11を接続し、アノード電極27に電源12を接続する。これによって、カソード電極26とアノード電極27とに各々バイアスが加えられる。さらに、8×10-7[Torr]以下の真空度で放出電流を測定した。このとき、アノード電圧を500[V]と一定にし、カソード電圧を変化させた。
【0031】
この結果、カソード電圧35[V]で0.2[mA]の高い放出電流が得られ、実施例1の電子放出特性に比べて改善が見られた。つまり、実施例2のイオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜28の堆積により、電子放出部の電気抵抗が低減でき、電界集中を向上することができ、電子放出特性の改善を図ることができる。
【0032】
以上、実施例1,2について説明した。実施例1,2では、シリコン基板1,21を用いたが、これらの代わりにガラス基板をはじめ様々な絶縁体基板も用いることができる。この場合には、絶縁体基板上に金属膜を設け、その上で実施例1,2のように作製する。
【0033】
また、カソード電極6,26用の金属、引き出し電極5,25用の材料、アノード電極7,27用の材料としては、実施例1,2で用いた材料に限定されず、それ以外の様々な材料を用いることができる。
【0034】
また、実施例1,2では、窒化ホウ素粒子3,23として無添加窒化ホウ素結晶粒子を用いたが、フォトレジストに混入する前に、この粒子にドナー不純物を熱拡散させて用いることにより、特性改善が期待できる。また、無添加窒化ホウ素結晶粒子を基板表面に塗布した後、イオン注入法により不純物を添加することもできる。さらに、実施例1,2では、フォトレジストを用いて窒化ホウ素粒子3,23を基板上に塗布したが、窒化ホウ素粒子3,23をアルコ―ルなどの溶剤に加えて塗布することもできる。
【0035】
また、実施例2では、イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜28の作製にプラズマアシスト化学気相成長法を用いたが、他のスパッタ法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法などの堆積方法も用いることができる。
【0036】
さらに、実施例1,2の電子放出素子を同一基板上に2つ以上作製し、電子放出アレー装置を実現することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、窒素とホウ素とを主要元素とした粒子状材料を用いたことによって、窒化ホウ素炭素薄膜を成長させて作製した引き出し電極を有する電子放出装置が提供でき、低電圧で高輝度動作を実現できるため、表示装置のキーデバイスとして効果的である。
【0038】
また、本発明によれば、低電圧で高い引き出し電流が実現できるため、本発明による電子放出装置を、フラットパネルディスプレー、電子ビーム露光装置、撮像装置、材料評価装置等のキーデバイスとして提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電子放出装置の実施例1を示す断面図である。
【図2】 実施例1の電子放出装置の作製手順を説明するための説明図である。
【図3】 実施例1の電子放出装置の電子放出特性を示す特性図である。
【図4】 本発明に係る電子放出装置の実施例2を示す断面図である。
【図5】 実施例2の電子放出装置の作製手順を説明するための説明図である。
【符号の説明】
1,21 シリコン基板
2,22 フォトレジスト
3,23 窒化ホウ素粒子
4,24 SiOX薄膜
5,25 引き出し電極
5A,25A 窓
6,26 カソード電極
7,27 アノード電極
11,12 電源
28 イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜
Claims (3)
- 導体または半導体基板表面上に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が存在し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第1の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第1の金属体と空間をもって第2の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置。
- 導体または半導体基板に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が埋め込まれ、前記粒子状材料の一部が露出し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第1の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第1の金属体と空間をもって第2の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置。
- 導体または半導体基板上に導体層または半導体層があり、前記層内に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料があり、その粒子状材料の一部が露出し、前記導体層または前記半導体層および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第1の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第1の金属体と空間をもって第2の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置。
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