JP4312352B2

JP4312352B2 - Electron emission device

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Publication number: JP4312352B2
Application number: JP2000199489A
Authority: JP
Inventors: 隆杉野; 昌樹楠原; 優梅田
Original assignee: Watanabe Shoko KK
Current assignee: Watanabe Shoko KK
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: WO2003060942A1; JP2002015659A

Description

【０００１】
【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もつ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、複雑なプロセスによって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。更なる低電圧動作を行うためには、作製した尖塔形状に負性電子親和力を持つダイヤモシドや窒化物半導体をコートすることが望まれる。しかし、ダイヤモンドは均一薄膜の作製が困難であり、コーティング薄膜として用いることができない。
【０００５】
近年、窒化物半導体の中で窒化ホウ素薄膜からの、低電界での電子放出が報告されている。均一な窒化ホウ素薄膜の堆積も可能であるため、先に述べたコーティング薄膜として、窒化ホウ素薄膜の利用が期待され、その実用化が望まれている。
【０００６】
しかし、窒化ホウ素薄膜は水分に弱く、薄膜の割れや基板からの剥離が起こりやすい。このために、現状では、ウェットプロセスによるデバイスの作製ができないという大きな問題を有している。
【０００７】
本発明の目的は、前記の尖塔形状を作製する複雑なプロセスを排除し、窒化ホウ素薄膜が有する問題を解消して付着性を向上させ、低電圧で動作する電子放出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、表面に凹凸を有する基板または半導体基板上に電気的に接続してホウ素（組成比ｘ）、炭素（組成比ｙ）、窒素（組成比ｚ）を含む組成比が０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１の薄膜が設けられ、前記薄膜に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記薄膜に対向して前記第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。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、導体または半導体基板上に前記導体または前記半導体基板と異なる材料で表面に凹凸を有する導電性層または半導体層が設けられ、電気的に接続してホウ素（組成比ｘ）、炭素（組成比ｙ）、窒素（組成比ｚ）を含む組成比が０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１の薄膜が設けられ、前記薄膜に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記薄膜に対向して前記第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。
【００１０】
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電気的に接続して炭素ナノチューブが設けられ、ホウ素（組成比ｘ）、炭素（組成比ｙ）、窒素（組成比ｚ）を含む組成比が０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１の薄膜が設けられ、前記薄膜に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記薄膜に対向して前記第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。
【００１１】
請求項４に記載された発明は、絶縁体基板上に表面に凹凸を有する導電性層または半導体層が設けられ、前記導電性層または前記半導体層に電気的に接続してホウ素（組成比ｘ）、炭素（組成比ｙ）、窒素（組成比ｚ）を含む組成比が０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１の薄膜が設けられ、前記薄膜に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記薄膜に対向して前記第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。
【００１２】
請求項５に記載された発明は、絶縁体基板上に前記絶縁体基板と異なる材料で表面に凹凸を有する２層構造の導電性層または半導体層が設けられ、前記導電性層または前記半導体層に電気的に接続してホウ素（組成比ｘ）、炭素（組成比ｙ）、窒素（組成比ｚ）を含む組成比が０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１の薄膜が設けられ、前記薄膜に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記薄膜に対向して前記第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。
【００１３】
請求項６に記載された本発明では、請求項２〜３のいずれか１項に記載の電子放出装置において、前記導体または前記半導体基板として金属、シリコン、ガリウム砒素、インジウムリン、炭化珪素、窒化ガリウムの中の１つを用いたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載された本発明では、請求項４または５に記載の電子放出装置において、前記絶縁体基板としてガラス、石英、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム、サファイヤ、ダイヤモンドの中の１つを用いたことを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載された本発明では、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子放出装置において、前記薄膜の表面にも凹凸が存在することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載された本発明では、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子放出装置において、前記基板として表面層に窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムまたはそれらの混晶薄膜またはインジウムリンを用いたことを特徴とする。
【００２３】
前記構成の電子放出装置では、表面に凹凸を有する基板を用い、その上に窒化ホウ素炭素薄膜を設けた。これによって、従来の窒化ホウ素と基板との間の剥離の問題を解決して、付着性を向上させ、また、尖塔形状を作製することなく、低電圧動作を可能にする。
【００２４】
また、本発明の電子放出装置では、前記材料と電気的に絶縁して引き出し電極を設け、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たことを特徴とするので、引き出し電極を有する高性能平面型電子放出装置が実現できると考えられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。本発明による電子放出装置は、基板表面に凹凸を設け、その上にホウ素、炭素、窒素を含む薄膜を有する。つまり、表面に凹凸を有する基板を用い、その上に窒化ホウ素炭素薄膜を設ける。これによって、従来の窒化ホウ素と基板との間の剥離の問題を解決して、付着性を向上させている。
【００２６】
本発明によれば、導電性基板および絶縁性基板上に電子放出装置を作製することができるので、本発明は、平面型の電子放出装置の実現につながり、複雑な作製プロセスを必要とする従来のスピント型の尖塔形状を不要にしている。さらに、本発明よれば、電子放出特性を改善することができる。
【００２７】
これらの結果から、本発明は、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、撮像素子等に応用することができる。また、電子ビームを用いたオージェ電子分光装置等の材料評価装置の電子源としても用いることができ、様々な用途に対応できる。
【００２８】
【実施例】
以下に、各々の基板上に作製する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。
【００２９】
［実施例１］
図１は、本発明によ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、窒化ガリウム層２、窒化ホウ素炭素薄膜３、ＳｉＯ_X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。
【００３０】
シリコン基板１は、ｎ型のシリコン半導体の基板である。
窒化ガリウム層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。窒化ガリウム層２の表面には、断面形状がほぼ三角形状をした凹凸が一面に、ランダムかつ密に形成されている。
【００３１】
窒化ホウ素炭素薄膜３は、窒化ガリウム層２の表面全体を覆う薄膜である。窒化ホウ素炭素薄膜３は、窒化ガリウム層２の凹凸を覆うので、窒化ガリウム層２の凹凸と同じ形状になる。
【００３２】
引き出し電極５は、ＳｉＯ_X薄膜４によって絶縁されて、窒化ホウ素炭素薄膜３の表面に設けられた第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ている第２の金属体である。
【００３３】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。つまり、図２（Ａ）に示すように、有機金属化学気相合成法によって、ｎ型のシリコシ基板１の表面上に、シリコン添加ｎ型窒化ガリウム層２を１［μｍ］成長させたウエハーを基板として用いた。
【００３４】
マイクロ波により水素プラズマを生成し、窒化ガリウム層２の表面を処理した。マイクロ波出力３００［Ｗ］、水素流量を５０［ｓｃｃｍ］、ガス圧力４０[Ｔｏｒｒ]に設定し、５分間処理を行った。水素プラズマ処理によって、平坦な窒化ガリウム層２の表面は、図２（Ｂ）に示すように、数十［ｎｍ］の凹凸を有する表面に変化した。
【００３５】
窒化ガリウム層２の上に、三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスとを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、窒化ホウ素炭素薄膜３（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を１００［ｎｍ］堆積した（図２（Ｂ））。窒化ホウ素炭素薄膜３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。
【００３６】
次に、図２（Ｃ）に示すように、窒化ホウ素炭素薄膜３上にＳｉＯ_X薄膜４を８００［ｎｍ］、および引き出し電極５用金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した。また、シリコン基板１の裏面に、カソード電極６としてＡｌ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着した。
【００３７】
その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極５用の金属およびＳｉＯ_X薄膜４をエッチングにより除去し、図２（Ｄ）に示すように、直径５［μｍ］の窓５Ａを形成した。窓５Ａの中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜３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炭素薄膜３に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図２（Ｄ））。
【００３８】
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、電子放出装置が動作する。
【００３９】
電子放出装置が動作状態にあるとき、８×１０^-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。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。そして、カソード電極６に４０［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【００４０】
以上、シリコン基板１上に凹凸を有するｎ型窒化ガリウム層２を形成し、その上に作成した電子放出装置について説明した。なお、実施例１では、次のような構成も可能である。
【００４１】
実施例１では、シリコン基板１上に窒化ガリウム層２を形成し、水素プラズマ処理によって、凹凸表面を作製したが、窒化ガリウム層２の代わりに、窒化ガリウムにアルミニウムやインジウムを加えた混晶層を用いることもできる。ｎ型不純物として、シリコンだけでなく、ＶＩ族の元素をドナー不純物として用いることもできる。これらの窒化物層以外にインジウムリン層を用いることもできる。
【００４２】
表面に凹凸を形成するためのプラズマを生成するガスとして、酸素、塩素、フッ素等を含むガスも使用できる。プラズマの生成には、マイクロ波だけではなく、ＲＦ電力を用いることもでき、プラズマ処理において、試料にバイアスをかけることは表面形状の制御に有効である。
【００４３】
実施例１では、イオウ不純物を添加した窒化ホウ素炭素薄膜３を用いたが、ドナー不純物となるリチウム、酸素、シリコン等の原子を添加した窒化ホウ素炭素薄膜を用いることもできる。無添加窒化ホウ素炭素薄膜を用いて前記と同様の電子放出装置を作製した結果、ターンオン電圧が３０［％］程度増加し、電子放出特性の劣化が見られ、不純物添加の有効性が確認できた。ここでは、基板材料としてシリコンンを用いたが、それ以外の金属、ガリウム砒素、インジウムリン、炭化珪素、窒化ガリウム等、様々な導体および半導体を用いることもできる。
【００４４】
実施例１では、引き出し電極５用金属として、Ｔｉ／Ａｕを用いたが、Ｔｉの代わりにＣｒを用い、Ａｕの代わりに様々な金属を用いることができる。
【００４５】
半導体基板を用いる場合には、オーミック電極形成可能な材料であれば、どのような金属でもカソード電極６用金属として用いることができ、導体基板を用いる場合には、基板自身をカソード電極として用いることができる。
【００４６】
［実施例２］
図３は、本発明によ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では、シリコン基板上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層を形成し、その上に電子放出部分を作成した。実施例２の電子放出装置は、シリコン基板２１、窒化ガリウム層２２、窒化ホウ素炭素薄膜２３、ＳｉＯ_X薄膜２４、引き出し電極２５、カソード電極２６およびアノード電極２７で構成される。
【００４７】
なお、実施例２のシリコン基板２１、ＳｉＯ_X薄膜２４、引き出し電極２５、カソード電極２６およびアノード電極２７は、実施例１のシリコン基板１、ＳｉＯ_X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とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【００４８】
窒化ガリウム層２２は、シリコン基板２１の表面に設けられている。窒化ガリウム層２２は、断面形状がほぼ三角形状をした凸状になるように、加工されている。隣接する窒化ガリウム層２２の間、つまり、逆三角形状になる凹部では、その低部分からシリコン基板２１の表面が露出している。さらに、窒化ガリウム層２２は、シリコン基板２１の表面に、ランダムかつ密に設けられている。
【００４９】
窒化ホウ素炭素薄膜２３は、凸状の窒化ガリウム層２および露出したシリコン基板２１の表面全体を覆う薄膜である。窒化ホウ素炭素薄膜２３は、窒化ガリウム層２２の凸部分を覆うので、窒化ガリウム層２２と同じ凸形状になる。
【００５０】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。つまり、図４（Ａ）に示すように、有機金属化学気相合成法によって、ｎ型のシリコン基板２１の表面上に、シリコン添加ｎ型窒化ガリウム層２２を０．５［μｍ］成長させたウエハーを基板として用いた。
【００５１】
マイクロ波により水素プラズマを生成し、窒化ガリウム層２２の表面を処理した。マイクロ波出力３００［Ｗ］、水素流量を５０［ｓｃｃｍ］、ガス圧力４０［Ｔｏｒｒ］に設定し、１５分間処理を行った。水素プラズマ処理によって、平坦な窒化ガリウム層２２の表面は、図４（Ｂ）に示すように、数百［ｎｍ］の凹凸を有する表面に変化した。凹部分にはシリコン基板２１が現れた。
【００５２】
その上に、三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスとを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、窒化ホウ素炭素薄膜２３（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を１００［ｎｍ］堆積した（図４（Ｂ））。窒化ホウ素炭素薄膜２３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。
【００５３】
次に、図４（Ｃ）に示すように、窒化ホウ素炭素薄膜２３上にＳｉＯ_X薄膜２４を８００［ｎｍ］、および引き出し電極２５用金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した。また、シリコン基板２１の裏面に、カソード電極２６としてＡｌ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着した。
【００５４】
その後、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ＳｉＯ_X薄膜２４をエッチングにより除去し、図４（Ｄ）に示すように、直径５［μｍ］の窓２５Ａを形成した。窓２５Ａの中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜２３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２７となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜２３に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図４（Ｄ））。
【００５５】
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３）、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に各々バイアスが加えられ、電子放出装置が動作をする。
【００５６】
電子放出装置が動作状態にあるとき、８×１０^-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。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。そして、カソード電極２６に３５［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【００５７】
以上、シリコン基板２１上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層２２を形成し、その上に作成した電子放出装置について説明した。実施例２では、実施例１に述べた内容がすべて含まれる。さらに、実施例２では、次のような構成も可能である。
【００５８】
窒化ガリウム層２２がシリコン基板２１より水素プラズマ処理によってエッチングされやすいことを利用して、凹凸部分の形状を変化させる試みが付加されている。表面層として基板材料よりプラズマによるエッチングの容易な材料の選択により、実施例２が実現できる。なお、プラズマ処理により基板材料のエッチングが起こっても何ら影響はない。
【００５９】
［実施例３］
図５は、本発明による電子放出装置の実施例３を示す断面図である。実施例３では、サファイヤ基板上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層を形成し、その上に電子放出部分を作製した。
【００６０】
実施例３の電子放出装置は、サファイア基板３１、窒化ガリウム層３２、窒化ホウ素炭素薄膜３３、ＳｉＯ_X薄膜３４、引き出し電極３５、カソード電極３６およびアノード電極３７で構成される。
【００６１】
なお、実施例３のＳｉＯ_X薄膜３４、引き出し電極３５およびアノード電極３７は、実施例１のＳｉＯ_X薄膜４、引き出し電極５およびアノード電極７とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【００６２】
サファイア基板３１は、絶縁体材料であるサファイアで作られた基板である。
【００６３】
窒化ガリウム層３２は、シリコン基板３１の表面に設けられている。窒化ガリウム層３２の表面には、断面形状がほぼ三角形状をした波状の凹凸が、ランダムかつ密に形成されている。このとき、窒化ガリウム層３２の表面の一部分が平坦な状態に保たれている。
【００６４】
窒化ホウ素炭素薄膜３３は、凹凸部分が形成されている、窒化ガリウム層３２の表面だけを覆う薄膜である。この結果、窒化ホウ素炭素薄膜３３は、窒化ガリウム層３２の凹凸と同じ形状になる。
【００６５】
カソード電極３６は、窒化ガリウム層３２の平坦な表面部分に設けられている。
【００６６】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。つまり、図６（Ａ）に示すように、有機金属化学気相合成法によって、サファイヤ基板３１の表面上に、シリコン添加ｎ型窒化ガリウム層３２を１［μｍ］成長させたウエハーを基板として用いた。
【００６７】
マイクロ波により水素プラズマを生成し、窒化ガリウム層３２の表面を処理した。マイクロ波出力３００［Ｗ］、水素流量を５０［ｓｃｃｍ］、ガス圧力４０［Ｔｏｒｒ］に設定し、５分間処理を行った。水素プラズマ処理によって、平坦な窒化ガリウム層３２の表面は、図６（Ｂ）に示すように、数十［ｎｍ］の凹凸を有する表面に変化した。
【００６８】
その上に、三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスとを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、窒化ホウ素炭素薄膜３３（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を１００［ｎｍ］堆積した（図６（Ｂ））。この際、窒化ガリウム層３２の一部に窒化ホウ素炭素薄膜３３が堆積しないように、マスクを設けて行った。窒化ホウ素炭素薄膜３３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。
【００６９】
次に、図６（Ｃ）に示すように、窒化ガリウム層３２の表面にアルミニウム（３００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成し、カソード電極３６を作製する。この後、窒化ホウ素炭素薄膜３３上にＳｉＯ_X薄膜３４を８００［ｎｍ］、および引き出し電極３５用金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した。
【００７０】
その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極３５用の金属およびＳｉＯ_X薄膜３４をエッチングにより除去し、図６（Ｄ）に示すように、直径５［μｍ］の窓３５Ａを形成した。窓３５Ａの中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜３３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３７となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜３３に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図６（Ｄ））。
【００７１】
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３５を接地し、カソード電極３６に電源１１を接続し、アノード電極３７に電源１２を接続する。これによって、カソード電極３６とアノード電極３７に各々バイアスが加えられ、電子放出装置が動作する。
【００７２】
電子放出装置が動作状態にあるとき、８×１０^-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。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。そして、カソード電圧４０［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【００７３】
以上、サファイヤ基板３１上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層３２を形成し、その上に作製した電子放出装置について説明した。なお、実施例３では、次のような構成も可能である。
【００７４】
つまり、実施例３では、基板材料としてサファイヤを用いたが、それ以外のガラス、石英、ニオブ酸リチウム、酸化マグネシウム、ダイヤモンド等の様々な絶縁体材料を用いても作製できる。
【００７５】
実施例３では、窒化ガリウム層３２を用い、水素プラズマ処理によって凹凸表面を作製したが、基板としてアルミニウムやインジウムを加えた混晶層を用いることもできる。また、インジウムリンを用いることもできる。窒化ガリウム層３２つまり導電層のｎ型不純物として、シリコンだけでなく、ＶＩ族の元素をドナー不純物として用いることもできる。
【００７６】
プラズマを生成するガスとして、酸素、塩素、フッ素等を含むガスも使用できる。プラズマの生成にはマイクロ波だけではなくＲＦ電力を用いることもでき、プラズマ処理において試料にバイアスをかけることは表面形状の制御に有効である。
【００７７】
実施例３では、イオウ不純物を添加した窒化ホウ素炭素薄膜３３を用いたが、ドナー不純物となるリチウム、酸素、シリコン等の原子を添加した窒化ホウ素炭素薄膜を用いることもできる。
【００７８】
実施例３では、引き出し電極３５用金属としてＴｉ／Ａｕを用いたが、Ｔｉの代わりにＣｒを用い、Ａｕの代わりには様々な金属を用いることができる。
【００７９】
窒化ガリウム層３２つまり導電層に対してオーミック電極形成可能な材料であればどのような金属でもカソード電極３６用金属として用いることができる。
【００８０】
絶縁体基板を用いる実施例３において、前述の実施例２を容易に実現することができる。サファイヤ基板３１上に金属膜またはｎ型半導体膜（シリコンや炭化珪素膜）を形成した後、窒化ガリウムやインジウムリン膜を成長させた後、その表面を水素プラズマ処理することにより、凹凸を作製することができる。このようにして、これまでに述べてきた方法で電子放出装置を実現することができる。
【００８１】
［実施例４］
図７は、本発明による電子放出装置の実施例４を示す断面図である。実施例４の電子放出装置では、絶縁体基板にガラス基板を用いた。実施例４の電子放出装置は、ガラス基板４１、カソード電極４２、窒化ホウ素炭素薄膜４３、ＳｉＯ_X薄膜４４、引き出し電極４５およびアノード電極４６で構成される。
【００８２】
なお、実施例４のＳｉＯ_X薄膜４４、引き出し電極４５およびアノード電極４６は、実施例１のＳｉＯ_X薄膜４、引き出し電極５およびアノード電極７とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【００８３】
ガラス基板４１は、絶縁体材料であるガラスで作られた基板である。ガラス基板４１の表面には、断面形状がほぼ三角形状をした凹凸が、ランダムかつ密形成されている。
【００８４】
カソード電極４２は、ガラス基板４１の表面全体を覆う金属膜である。カソード電極４２は、ガラス基板４１の凹凸を覆うので、ガラス基板４１の凹凸と同じ形状になる。
【００８５】
窒化ホウ素炭素薄膜４３は、カソード電極４２の表面を覆う薄膜である。このとき、カソード電極４２の一部の表面を窒化ホウ素炭素薄膜４３で覆わないで、この部分を、カソード電極４２を設けるための領域とした。窒化ホウ素炭素薄膜４３は、カソード電極４２の凹凸を覆うので、カソード電極４２の凹凸と同じ形状になる。
【００８６】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。つまり、図８（Ａ）に示すように、ガラス基板４１の表面をメカニカル処理によって凹凸４１Ａを形成した。ガラス基板４１の表面上に、図８（Ｂ）に示すように、カソード電極４２として、Ｔｉを２０［ｎｍ］そしてＴｉＮを２００［ｎｍ］スパッタ法により形成した。
【００８７】
カソード電極４２の上に、三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスとを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、図８（Ｃ）に示すように、窒化ホウ素炭素薄膜４３（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を１００［ｎｍ］堆積した。この際、表面の一部分に窒化ホウ素炭素薄膜４３を堆積させない領域を設け、カソード電極領域４２Ａとした。
【００８８】
窒化ホウ素炭素薄膜４３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。窒化ホウ素炭素薄膜４３上には、ＳｉＯ_X薄膜４４を８００［ｎｍ］、および引き出し電極４５用金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した。
【００８９】
その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極４５用の金属およびＳｉＯ_X薄膜４４をウェットエッチングにより除去し、図８（Ｄ）に示すように、直径５［μｍ］の窓４５Ａを形成した。窓４５Ａの中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜４３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４６となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜４３に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図８（Ｄ））。
【００９０】
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４５を接地し（図７）、カソード電極４２に電源１１を接続し、アノード電極４６に電源１２を接続する。これよって、カソード電極４２とアノード電極４６とに各々バイアスが加えられ、電子放出装置が動作する。
【００９１】
電子放出装置が動作状態にあるとき、８×１０^-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。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て電子放出特性を評価した。この結果、実施例４による電子放出装置は、実施例１と同様な電子放出特性を示し、カソード電圧４０［Ｖ］で０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【００９２】
［実施例５］
図９は、本発明による電子放出装置の実施例５を示す断面図である。実施例５では、シリコン基板上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層を形成し、さらに、窒化ホウ素炭素薄膜表面にも凹凸を作製した。実施例５の電子放出装置は、シリコン基板５１、窒化ガリウム層５２、窒化ホウ素炭素薄膜５３、ＳｉＯ_X薄膜５４、引き出し電極５５、カソード電極５６およびアノード電極５７で構成される。
【００９３】
なお、実施例５のシリコン基板５１、窒化ガリウム層５２、ＳｉＯ_X薄膜５４、引き出し電極５５、カソード電極５６およびアノード電極５７は、実施例１のシリコン基板１、窒化ガリウム層２、ＳｉＯ_X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とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【００９４】
窒化ホウ素炭素薄膜５３は、窒化ガリウム層５２の表面全体を覆う薄膜である。窒化ホウ素炭素薄膜５３は、窒化ガリウム層５２の凹凸を覆うので、窒化ホウ素炭素薄膜５３の凹凸と同じ形状になる。さらに、窒化ホウ素炭素薄膜５３の表面には、窒化ガリウム層５２に比べて小さな、しかも断面形状がほぼ三角形状をした凹凸が、ランダムかつ密に形成されている。
【００９５】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。つまり、図１０（Ａ）に示すように、有機金属化学気相合成法によって、ｎ型シリコン基板５１の表面上に、シリコン添加ｎ型窒化ガリウム層５２を１［μｍ］成長させたウエハーを基板として用いた。
【００９６】
マイクロ波により水素プラズマを生成し、窒化ガリウム層５２の表面を処理した。マイクロ波出力３００［Ｗ］、水素流量を５０［ｓｃｃｍ］、ガス圧力４０［Ｔｏｒｒ］に設定し、１０分間処理を行った。水素プラズマ処理によって、平坦な窒化ガリウム層５２表面は、図１０（Ｂ）に示すように、数百［ｎｍ］の凹凸を有する表面に変化した。
【００９７】
窒化ガリウム層５２の上に、三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスとを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、窒化ホウ素炭素薄膜５３（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を２００［ｎｍ］堆積した（図１０（Ｂ））。窒化ホウ素炭素薄膜５３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。
【００９８】
この後、再びマイクロ波により生成した水素プラズマを用いて、窒化ホウ素炭素薄膜５３を処理した。処理時間は５分間とした。この処理によって、窒化ホウ素炭素薄膜５３の表面には、数十［ｎｍ］の凹凸５３Ａが形成された（図１０（Ｂ））。
【００９９】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、窒化ホウ素炭素薄膜５３上にＳｉＯ_X薄膜５４を１０００［ｎｍ］、および引き出し電極５５用金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した。また、シリコン基板５１の裏面に、カソード電極５６としてＡｌ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着した。
【０１００】
その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極５５用の金属およびＳｉＯ_X薄膜５４をエッチングにより除去し、図１０（Ｄ）に示すように、直径５［μｍ］の窓５５Ａを形成した。窓５５Ａの中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜５３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５７となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜５３に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図１０（Ｄ））。
【０１０１】
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５５を接地し（図９）、カソード電極５６に電源１１を接続し、アノード電極５７に電源１２を接続する。これによって、カソード電極５６とアノード電極５７に各々バイアスが加えられ、電子放出装置が動作する。
【０１０２】
電子放出装置が動作状態にあるとき、８×１０^-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。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。カソード電極５６に３０［Ｖ］の電圧を印加することにより０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【０１０３】
［実施例６］
図１１は、本発明による電子放出装置の実施例６を示す断面図である。実施例６では、シリコン基板上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層を形成し、その上に電子放出部分を作製した。実施例６の電子放出装置は、シリコン基板６１、窒化ガリウム層６２、炭化ホウ素薄膜６３、ＳｉＯ_X薄膜６４、引き出し電極６５、カソード電極６６およびアノード電極６７で構成される。
【０１０４】
なお、実施例６のシリコン基板６１、窒化ガリウム層６２、ＳｉＯ_X薄膜６４、引き出し電極６５、カソード電極６６およびアノード電極６７は、実施例１のシリコン基板１、窒化ガリウム層２、ＳｉＯ_X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とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【０１０５】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。窒化ガリウム層６２の形成および処理は、実施例１の窒化ガリウム層２の形成および処理と同じであるので、説明を省略する。窒化ガリウム層６２に凹凸が形成された後、その上に、三塩化ホウ素とメタンとを原料ガスとして用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、炭化ホウ素薄膜６３（組成比、ホウ素０．２５、炭素０．７５）を１００［ｎｍ］堆積した。炭化ホウ素薄膜６３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。
【０１０６】
この後のＳｉＯ_X薄膜６４、引き出し電極６５、窓６５Ａ、カソード電極６６およびアノード電極６７の形成と処理は、実施例１と同じであるので、説明を省略する。
【０１０７】
前記構成の電子放出装置は、実施例１と同じようにして用いられる。つまり、引き出し電極６５を接地し（図１１）、カソード電極６６に電源１１を接続し、アノード電極６７に電源１２を接続する。そして、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、カソード電極６６に５０［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【０１０８】
以上、実施例６について説明したが、実施例６で用いられた炭化ホウ素薄膜６３は、前記のすべての実施例において応用することができる。
【０１０９】
［実施例７］
図１２は、本発明による電子放出装置の実施例７を示す断面図である。実施例７では、シリコン基板上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層を形成し、その上に電子放出部分を作製した。実施例７の電子放出装置は、シリコン基板７１、窒化ガリウム層７２、窒化炭素薄膜７３、ＳｉＯ_X薄膜７４、引き出し電極７５、カソード電極７６およびアノード電極７７で構成される。
【０１１０】
なお、実施例７のシリコン基板７１、窒化ガリウム層７２、ＳｉＯ_X薄膜７４、引き出し電極７５、カソード電極７６およびアノード電極７７は、実施例１のシリコン基板１、窒化ガリウム層２、ＳｉＯ_X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とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【０１１１】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。窒化ガリウム層７２の形成および処理は、実施例１の窒化ガリウム層２の形成および処理と同じであるので、説明を省略する。窒化ガリウム層７２に凹凸が形成された後、その上に、メタンと窒素ガスとを原料ガスとして用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、窒化炭素薄膜７３（組成比、炭素０．４、窒素０．６）を１００［ｎｍ］堆積した。
【０１１２】
この後のＳｉＯ_X薄膜７４、引き出し電極７５、窓７５Ａ、カソード電極７６およびアノード電極７７の形成と処理は、実施例１と同じであるので、説明を省略する。
【０１１３】
前記構成の電子放出装置は、実施例１と同じようにして用いられる。つまり、引き出し電極７５を接地し（図１２）、カソード電極７６に電源１１を接続し、アノード電極７７に電源１２を接続する。そして、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、カソード電極７６に５０［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【０１１４】
以上、実施例７について説明したが、実施例７で用いられた窒化炭素薄膜７３は、前記のすべての実施例においても応用できる。
【０１１５】
［実施例８］
図１３は、本発明による電子放出装置の実施例８を示す断面図である。実施例８では、シリコン基板上に凹凸表面を有するｎ型窒化ガリウム層を形成し、その上に電子放出部分を作製した。実施例８の電子放出装置は、シリコン基板８１、窒化ガリウム層８２、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜８３、ＳｉＯ_X薄膜８４、引き出し電極８５、カソード電極８６およびアノード電極８７で構成される。
【０１１６】
なお、実施例８のシリコン基板８１、窒化ガリウム層８２、ＳｉＯ_X薄膜８４、引き出し電極８５、カソード電極８６およびアノード電極８７は、実施例１のシリコン基板１、窒化ガリウム層２、ＳｉＯ_X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とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【０１１７】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。窒化ガリウム層８２の形成および処理は、実施例１の窒化ガリウム層２の形成および処理と同じであるので、説明を省略する。窒化ガリウム層８２に凹凸が形成された後、その上に、メタンを原料ガスとして用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、ＤＬＣ薄膜８３を１００［ｎｍ］堆積した。ＤＬＣ薄膜８３には、窒素原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。
【０１１８】
この後のＳｉＯ_X薄膜８４、引き出し電極８５、窓８５Ａ、カソード電極８６およびアノード電極８７の形成と処理は、実施例１と同じであるので、説明を省略する。
【０１１９】
前記構成の電子放出装置は、実施例１と同じようにして用いられる。つまり、引き出し電極８５を接地し（図１３）、カソード電極８６に電源１１を接続し、アノード電極８７に電源１２を接続する。そして、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、カソード電極８６に５０［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【０１２０】
以上、実施例８について説明したが、実施例８で用いられたＤＬＣ薄膜８３は前記のすべての実施例においても応用できる。
【０１２１】
［実施例９］
図１４は、本発明による電子放出装置の実施例９を示す断面図である。実施例９では、シリコン基板上に炭素ナノチューブを形成し、その上に電子放出部分を作製した。実施例９の電子放出装置は、シリコン基板９１、炭素ナノチューブ９２、窒化ホウ素炭素薄膜９３、ＳｉＯ_X薄膜９４、引き出し電極９５、カソード電極９６およびアノード電極９７で構成される。
【０１２２】
なお、実施例９のシリコン基板９１、窒化ホウ素炭素薄膜９３、ＳｉＯ_X薄膜９４、引き出し電極９５、カソード電極９６およびアノード電極９７は、実施例１のシリコン基板１、窒化ホウ素炭素薄膜３、ＳｉＯ_X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とそれぞれ同じであるので、それらの説明を省略する。
【０１２３】
前記構成の電子放出装置を次に示す手順で作成した。つまり、図１５（Ａ）に示すように、ｎ型シリコン基板９１の表面上に、蒸着法により鉄の微粒子を作製した。その上に、プラズマ化学気相合成法によってメタンを原料ガスとして炭素ナノチューブ９２を合成した。
【０１２４】
この後、図１５（Ｂ）に示すように、シリコン基板９１の上に、三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスとを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって、窒化ホウ素炭素薄膜９３（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を５０［ｎｍ］堆積した。窒化ホウ素炭素薄膜９３には、イオウ原子を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］の濃度に添加した。このとき、炭素ナノチューブ９２も窒化ホウ素炭素薄膜９３で覆われた（図１５（Ｂ））。
【０１２５】
次に、図１５（Ｃ）に示すように、窒化ホウ素炭素薄膜９３上にＳｉＯ_X薄膜９４を８００［ｎｍ］、および引き出し電極９５用金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した。また、シリコン基板９１の裏面に、カソード電極９６としてＡｌ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着した。
【０１２６】
その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極９５用の金属およびＳｉＯ_X薄膜９４をエッチングにより除去し、図１５（Ｄ）に示すように、直径５［μｍ］の窓９５Ａを形成した。窓９５Ａの中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜９３の表面を水素プラズマで処理した。この後、真空チャンバー内でアノード電極９７となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜９３に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図１５（Ｄ））。
【０１２７】
前記構成の電子放出装置は、実施例１と同じようにして用いられる。つまり、引き出し電極９５を接地し（図１４）、カソード電極９６に電源１１を接続し、アノード電極９７に電源１２を接続する。そして、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、カソード電極９６に３０［Ｖ］の電圧を印加することにより、０．１［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【０１２８】
以上、シリコン基板９１上に炭素ナノチューブ９２を形成し、その上に作製した電子放出装置について説明した。なお、実施例９では、炭素ナノチューブ９２を合成するためにプラズマ化学気相合成法を用いたが、グロー放電や熱化学気相合成法も用いることができる。さらに、炭素ナノチューブ上に作製する薄膜として、前記実施例で述べた炭化ホウ素や窒化炭素薄膜も利用できる。
【０１２９】
以上、実施例１〜９について説明した。これらの実施例では、電子放出部の材料として窒素、ホウ素、炭素を含有する薄膜を用いたが、薄膜内の各元素の組成比は、前記実施例に示した場合に限らず、様々な組成の薄膜を使用することができる。
【０１３０】
また、前記実施例で説明した電子放出部を２つ以上同一基板上に作製し、アレーを実現することができる。
【０１３１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明では、基板表面に凹凸を形成し、その上に窒素、ホウ素、炭素含有薄膜を用いて、前記薄膜表面に凹凸を形成する。これによって、前記薄膜表面での電界集中度を増加することができる。また、電子放出用薄膜部分と基板との付着性が向上するので、剥離を防止することができる。
【０１３２】
本発明によって、引き出し電極を有する平面型の電子放出装置を提供することができる。また、低電圧で高輝度動作が実現できる。この結果、本発明は、表示装置、電子ビーム露光機、撮像装置、および電子ビームを用いた材料評価装置のキーデバイスとして効果的である。
【０１３３】
さらに、本発明を、フラットパネルディスプレのキーテクノロジーとなる電子放出アレー装置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】本発明によ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】本発明による電子放出装置の実施例２を示す断面図である。
【図４】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。
【図５】本発明による電子放出装置の実施例３を示す断面図である。
【図６】実施例３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７】本発明による電子放出装置の実施例４を示す断面図である。
【図８】実施例４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９】本発明による電子放出装置の実施例５を示す断面図である。
【図１０】実施例５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１１】本発明による電子放出装置の実施例６を示す断面図である。
【図１２】本発明による電子放出装置の実施例７を示す断面図である。
【図１３】本発明による電子放出装置の実施例８を示す断面図である。
【図１４】本発明による電子放出装置の実施例９を示す断面図である。
【図１５】実施例９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、５１、６１、７１、８１、９１シリコン基板
２、２２、３２、５２、６２、７２、８２窒化ガリウム層
３、２３、３３、４３、５３、９３窒化ホウ素炭素薄膜
４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９４ＳｉＯ_X薄膜
５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５引き出し電極
５Ａ、２５Ａ、３５Ａ、４５Ａ、５５Ａ、６５Ａ、７５Ａ、８５Ａ、９５Ａ窓
６、２６、３６、４２、５６、６６、７６、８６、９６カソード電極
７、２７、３７、４６、５７、６７、７７、８７、９７アノード電極
１１、１２電源
３１サファイア基板
４１ガラス基板
４１Ａ、５３Ａ凹凸
４２Ａカソード電極領域
６３炭化ホウ素薄膜
７３窒化炭素薄膜
８３ＤＬＣ薄膜
９２炭素ナノチューブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron emission device using electron emission from a semiconductor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an electron-emitting device called a Spindt type, in which a spire shape is made using metal or silicon, has been researched and developed. In recent years, research on field emitters using diamond having negative electron affinity has also been advanced.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Field emitters are required to operate at low voltage, high current density, and long life. In order to achieve a low voltage and a high current density, a metal having a small work function and a semiconductor having a small electron affinity or negative electron affinity are attracting attention as field emitter materials. Moreover, a hard and stable material is required for extending the life.
[0004]
Up to now, low voltage operation has been achieved by processing metal or silicon into a spire shape by a complicated process and producing an extraction electrode in the vicinity thereof. In order to perform further low-voltage operation, it is desired to coat the manufactured spire shape with diamoside or nitride semiconductor having negative electron affinity. However, diamond is difficult to produce a uniform thin film and cannot be used as a coating thin film.
[0005]
In recent years, electron emission at a low electric field from a boron nitride thin film in a nitride semiconductor has been reported. Since a uniform boron nitride thin film can be deposited, the boron nitride thin film is expected to be used as the coating thin film described above, and its practical application is desired.
[0006]
However, the boron nitride thin film is sensitive to moisture, and the thin film is easily cracked or peeled off from the substrate. For this reason, at present, there is a big problem that a device cannot be manufactured by a wet process.
[0007]
An object of the present invention is to provide an electron-emitting device that eliminates the complicated process of manufacturing the spire shape, solves the problems of the boron nitride thin film, improves adhesion, and operates at a low voltage. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 is characterized in that boron (composition ratio x), carbon (composition ratio y), nitrogen is electrically connected to a substrate or semiconductor substrate having an uneven surface. The composition ratio including (composition ratio z) is 0. < x <1, 0 < y < 1, 0 < A thin film with z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film. This is an electron emission device.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a conductive layer or a semiconductor layer having an uneven surface on a conductor or a semiconductor substrate which is made of a material different from that of the conductor or the semiconductor substrate, and is electrically connected to boron (composition Ratio x), carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z) are 0. < x <1, 0 < y < 1, 0 < A thin film with z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film. This is an electron emission device.
[0010]
The invention described in claim 3 is provided with carbon nanotubes electrically connected to a conductor or semiconductor substrate, and includes boron (composition ratio x), carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z). Composition ratio is 0 < x <1, 0 < y < 1, 0 < A thin film with z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film. This is an electron emission device.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, a conductive layer or a semiconductor layer having an uneven surface is provided on an insulator substrate, and boron (composition ratio x) is electrically connected to the conductive layer or the semiconductor layer. ), Carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z). < x <1, 0 < y < 1, 0 < A thin film with z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film. This is an electron emission device.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, a conductive layer or a semiconductor layer having a two-layer structure having an uneven surface on a surface made of a material different from that of the insulator substrate is provided on the insulator substrate, and the conductive layer or the semiconductor layer is provided. And a composition ratio containing boron (composition ratio y), carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z) is 0. < x <1, 0 < y < 1, 0 < A thin film with z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film. This is an electron emission device.
[0013]
In the present invention described in claim 6, the claim 2 4. The electron emission device according to claim 1, wherein one of metal, silicon, gallium arsenide, indium phosphide, silicon carbide, and gallium nitride is used as the conductor or the semiconductor substrate. .
[0014]
According to a seventh aspect of the present invention, in the electron emission device according to the fourth or fifth aspect, one of glass, quartz, lithium niobate, magnesium oxide, sapphire, and diamond is used as the insulator substrate. It is characterized by that.
[0015]
The present invention described in claim 8 is characterized in that in the electron emission device according to any one of claims 1 to 7, irregularities are also present on the surface of the thin film.
[0016]
In the present invention described in claim 9, in the electron emission device according to any one of claims 1 to 8, gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride or a mixed crystal thin film thereof is used as a surface layer as the substrate. Indium phosphide is used.
[0023]
In the electron emission device having the above-described configuration, a substrate having an uneven surface is used, and a boron nitride carbon thin film is provided thereon. This solves the conventional problem of delamination between boron nitride and the substrate, improves adhesion and allows low voltage operation without creating a spire shape.
[0024]
Further, the electron emission device of the present invention is characterized in that a lead electrode is provided so as to be electrically insulated from the material, and further, a metal body that is electrically insulated with a space facing the material is provided. It is considered that a high-performance planar electron emission device having an extraction electrode can be realized.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described. The electron-emitting device according to the present invention has irregularities on the substrate surface, and has a thin film containing boron, carbon, and nitrogen thereon. That is, a substrate having an uneven surface is used, and a boron nitride carbon thin film is provided thereon. This solves the problem of peeling between the conventional boron nitride and the substrate and improves the adhesion.
[0026]
According to the present invention, since an electron-emitting device can be manufactured on a conductive substrate and an insulating substrate, the present invention leads to the realization of a planar electron-emitting device and requires a conventional manufacturing process. This eliminates the need for a Spindt-shaped spire. Furthermore, according to the present invention, the electron emission characteristics can be improved.
[0027]
From these results, the present invention can be applied to a field emission display, an electron beam exposure machine, a microwave traveling wave tube, an imaging device, and the like. Further, it can be used as an electron source of a material evaluation apparatus such as an Auger electron spectrometer using an electron beam, and can be used for various applications.
[0028]
【Example】
Examples of the electron emission device of the present invention produced on each substrate will be specifically described below.
[0029]
[Example 1]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment 1 of an electron emission device according to the present invention. The electron-emitting device of Example 1 includes a silicon substrate 1, a gallium nitride layer 2, a boron nitride carbon thin film 3, SiO 2 _X The thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6, and the anode electrode 7 are configured.
[0030]
The silicon substrate 1 is an n-type silicon semiconductor substrate.
The gallium nitride layer 2 is provided on one surface (hereinafter referred to as a surface) of the silicon substrate 1. On the surface of the gallium nitride layer 2, irregularities having a substantially triangular cross section are formed randomly and densely on one surface.
[0031]
The boron nitride carbon thin film 3 is a thin film that covers the entire surface of the gallium nitride layer 2. Since the boron nitride carbon thin film 3 covers the irregularities of the gallium nitride layer 2, it has the same shape as the irregularities of the gallium nitride layer 2.
[0032]
The extraction electrode 5 is made of SiO. _X It is a first metal body that is insulated by the thin film 4 and provided on the surface of the boron nitride carbon thin film 3. The cathode electrode 6 is provided on the other surface (hereinafter referred to as the back surface) of the silicon substrate 1. The anode electrode 7 is a second metal body provided with the extraction electrode 5 and a space.
[0033]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. That is, as shown in FIG. 2A, a wafer in which a silicon-added n-type gallium nitride layer 2 is grown by 1 [μm] on the surface of an n-type silicon substrate 1 by metal organic chemical vapor synthesis. Used as a substrate.
[0034]
Hydrogen plasma was generated by microwaves to treat the surface of the gallium nitride layer 2. The microwave output was set to 300 [W], the hydrogen flow rate was set to 50 [sccm], and the gas pressure was set to 40 [Torr], and the treatment was performed for 5 minutes. By the hydrogen plasma treatment, the surface of the flat gallium nitride layer 2 was changed to a surface having unevenness of several tens [nm] as shown in FIG.
[0035]
A boron nitride carbon thin film 3 (composition ratio, boron 0.4, carbon 0.2, nitrogen 0) is formed on the gallium nitride layer 2 by plasma-assisted chemical vapor deposition using boron trichloride, methane, and nitrogen gas. .4) was deposited to 100 [nm] (FIG. 2B). The boron nitride carbon thin film 3 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration.
[0036]
Next, as shown in FIG. 2 (C), SiO 2 on the boron nitride carbon thin film 3 is formed. _X The thin film 4 was formed by 800 [nm], and Ti (20 [nm]) / Au (500 [nm]) as the extraction electrode 5 metal was formed by electron beam evaporation. In addition, Al (500 [nm]) as the cathode electrode 6 was deposited on the back surface of the silicon substrate 1 by electron beam evaporation.
[0037]
Then, using a photolithography process, the metal for the extraction electrode 5 and SiO _X The thin film 4 was removed by etching to form a window 5A having a diameter of 5 [μm] as shown in FIG. The surface of the boron nitride carbon thin film 3 exposed in the window 5A was treated with hydrogen plasma. Then, the metal plate used as the anode electrode 7 was made to oppose the boron nitride carbon thin film 3 in the vacuum chamber, and the space | interval was 125 [micrometers] (FIG.2 (D)).
[0038]
The electron emission device having the above-described configuration is used as follows. That is, the lead electrode 5 is grounded (FIG. 1), the power source 11 is connected to the cathode electrode 6, and the power source 12 is connected to the anode electrode 7. As a result, a bias is applied to each of the cathode electrode 6 and the anode electrode 7 to operate the electron emission device.
[0039]
8 × 10 when the electron emitter is in operation ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. The anode voltage was kept constant at 500 [V], and the cathode voltage was changed. A high emission current of 0.1 [mA] was obtained by applying a voltage of 40 [V] to the cathode electrode 6.
[0040]
As described above, the electron-emitting device formed on the n-type gallium nitride layer 2 having unevenness on the silicon substrate 1 has been described. In the first embodiment, the following configuration is also possible.
[0041]
In Example 1, the gallium nitride layer 2 was formed on the silicon substrate 1 and the uneven surface was produced by hydrogen plasma treatment. Instead of the gallium nitride layer 2, a mixed crystal layer in which aluminum or indium was added to gallium nitride. Can also be used. As the n-type impurity, not only silicon but also a group VI element can be used as a donor impurity. In addition to these nitride layers, indium phosphide layers can also be used.
[0042]
As a gas for generating plasma for forming irregularities on the surface, a gas containing oxygen, chlorine, fluorine or the like can also be used. For generating plasma, not only microwaves but also RF power can be used. In plasma processing, biasing a sample is effective for controlling the surface shape.
[0043]
In Example 1, the boron nitride carbon thin film 3 to which the sulfur impurity was added was used. However, a boron nitride carbon thin film to which atoms such as lithium, oxygen, and silicon that are donor impurities are added can also be used. As a result of producing an electron emission device similar to that described above using an additive-free boron nitride carbon thin film, the turn-on voltage increased by about 30%, deterioration of the electron emission characteristics was observed, and the effectiveness of impurity addition could be confirmed. . Here, silicon is used as the substrate material, but various conductors and semiconductors such as other metals, gallium arsenide, indium phosphide, silicon carbide, gallium nitride, and the like can also be used.
[0044]
In the first embodiment, Ti / Au is used as the metal for the extraction electrode 5, but Cr can be used instead of Ti, and various metals can be used instead of Au.
[0045]
When a semiconductor substrate is used, any metal that can form an ohmic electrode can be used as the metal for the cathode electrode 6, and when a conductive substrate is used, the substrate itself can be used as the cathode electrode. Can do.
[0046]
[Example 2]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment 2 of the electron emission apparatus according to the present invention. In Example 2, an n-type gallium nitride layer having an uneven surface was formed on a silicon substrate, and an electron emission portion was formed thereon. The electron-emitting device of Example 2 includes a silicon substrate 21, a gallium nitride layer 22, a boron nitride carbon thin film 23, SiO _X The thin film 24, the extraction electrode 25, the cathode electrode 26, and the anode electrode 27 are configured.
[0047]
In addition, the silicon substrate 21 of Example 2, SiO _X The thin film 24, the extraction electrode 25, the cathode electrode 26, and the anode electrode 27 are formed of the silicon substrate 1, the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0048]
The gallium nitride layer 22 is provided on the surface of the silicon substrate 21. The gallium nitride layer 22 is processed so that the cross-sectional shape has a substantially triangular shape. The surface of the silicon substrate 21 is exposed from the lower portion between the adjacent gallium nitride layers 22, that is, in the concave portion having an inverted triangular shape. Furthermore, the gallium nitride layer 22 is randomly and densely provided on the surface of the silicon substrate 21.
[0049]
The boron nitride carbon thin film 23 is a thin film that covers the entire surface of the convex gallium nitride layer 2 and the exposed silicon substrate 21. Since the boron nitride carbon thin film 23 covers the convex portion of the gallium nitride layer 22, it has the same convex shape as the gallium nitride layer 22.
[0050]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. That is, as shown in FIG. 4A, a silicon-added n-type gallium nitride layer 22 is grown by 0.5 [μm] on the surface of the n-type silicon substrate 21 by metal organic chemical vapor deposition. A wafer was used as the substrate.
[0051]
Hydrogen plasma was generated by microwaves to treat the surface of the gallium nitride layer 22. The microwave output was set to 300 [W], the hydrogen flow rate was set to 50 [sccm], and the gas pressure was set to 40 [Torr], and the treatment was performed for 15 minutes. By the hydrogen plasma treatment, the surface of the flat gallium nitride layer 22 was changed to a surface having unevenness of several hundreds [nm] as shown in FIG. The silicon substrate 21 appeared in the concave portion.
[0052]
Further, a boron nitride carbon thin film 23 (composition ratio, boron 0.4, carbon 0.2, nitrogen 0.4) is formed by plasma assisted chemical vapor deposition using boron trichloride, methane, and nitrogen gas. 100 [nm] was deposited (FIG. 4B). The boron nitride carbon thin film 23 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration.
[0053]
Next, as shown in FIG. 4C, a SiO 2 film on the boron nitride carbon thin film 23 is formed. _X The thin film 24 was formed with 800 [nm], and Ti (20 [nm]) / Au (500 [nm]) as a metal for the extraction electrode 25 was formed by electron beam evaporation. Further, Al (500 [nm]) was deposited on the back surface of the silicon substrate 21 as the cathode electrode 26 by electron beam evaporation.
[0054]
Then, using a photolithography process, the metal for the extraction electrode 25 and SiO _X The thin film 24 was removed by etching to form a window 25A having a diameter of 5 [μm] as shown in FIG. The surface of the boron nitride carbon thin film 23 exposed in the window 25A was treated with hydrogen plasma. Thereafter, a metal plate to be the anode electrode 27 was opposed to the boron nitride carbon thin film 23 in the vacuum chamber, and the interval was set to 125 [μm] (FIG. 4D).
[0055]
The electron emission device having the above-described configuration is used as follows. That is, the extraction electrode 25 is grounded (FIG. 3), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 26, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 27. As a result, a bias is applied to each of the cathode electrode 26 and the anode electrode 27, and the electron emission device operates.
[0056]
8 × 10 when the electron emitter is in operation ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. The anode voltage was kept constant at 500 [V], and the cathode voltage was changed. A high emission current of 0.1 [mA] was obtained by applying a voltage of 35 [V] to the cathode electrode 26.
[0057]
As described above, the n-type gallium nitride layer 22 having the uneven surface is formed on the silicon substrate 21, and the electron emission device formed thereon is described. In Example 2, all the contents described in Example 1 are included. Furthermore, in the second embodiment, the following configuration is also possible.
[0058]
An attempt has been made to change the shape of the concavo-convex portion by utilizing the fact that the gallium nitride layer 22 is more easily etched by hydrogen plasma treatment than the silicon substrate 21. Example 2 can be realized by selecting a material that is easier to etch by plasma than the substrate material as the surface layer. Note that there is no influence even if the etching of the substrate material occurs by the plasma treatment.
[0059]
[Example 3]
FIG. 5 is a sectional view showing Embodiment 3 of the electron emission apparatus according to the present invention. In Example 3, an n-type gallium nitride layer having an uneven surface was formed on a sapphire substrate, and an electron emission portion was formed thereon.
[0060]
The electron-emitting device of Example 3 includes a sapphire substrate 31, a gallium nitride layer 32, a boron nitride carbon thin film 33, and SiO. _X The thin film 34, the extraction electrode 35, the cathode electrode 36, and the anode electrode 37 are configured.
[0061]
In addition, SiO of Example 3 _X The thin film 34, the extraction electrode 35, and the anode electrode 37 are formed of the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0062]
The sapphire substrate 31 is a substrate made of sapphire that is an insulator material.
[0063]
The gallium nitride layer 32 is provided on the surface of the silicon substrate 31. On the surface of the gallium nitride layer 32, wavy irregularities having a substantially triangular cross section are randomly and densely formed. At this time, a part of the surface of the gallium nitride layer 32 is kept flat.
[0064]
The boron nitride carbon thin film 33 is a thin film that covers only the surface of the gallium nitride layer 32 in which the uneven portions are formed. As a result, the boron nitride carbon thin film 33 has the same shape as the unevenness of the gallium nitride layer 32.
[0065]
The cathode electrode 36 is provided on the flat surface portion of the gallium nitride layer 32.
[0066]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. That is, as shown in FIG. 6A, a wafer obtained by growing a silicon-added n-type gallium nitride layer 32 on the surface of the sapphire substrate 31 by 1 [μm] by a metal organic chemical vapor synthesis method is used as a substrate. It was.
[0067]
Hydrogen plasma was generated by microwaves to treat the surface of the gallium nitride layer 32. The microwave output was set to 300 [W], the hydrogen flow rate was set to 50 [sccm], and the gas pressure was set to 40 [Torr], and the treatment was performed for 5 minutes. By the hydrogen plasma treatment, the surface of the flat gallium nitride layer 32 was changed to a surface having unevenness of several tens [nm] as shown in FIG.
[0068]
Further, a boron nitride carbon thin film 33 (composition ratio, boron 0.4, carbon 0.2, nitrogen 0.4) is formed by plasma assisted chemical vapor deposition using boron trichloride, methane, and nitrogen gas. 100 [nm] was deposited (FIG. 6B). At this time, a mask was provided so that the boron nitride carbon thin film 33 was not deposited on a part of the gallium nitride layer 32. The boron nitride carbon thin film 33 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration.
[0069]
Next, as shown in FIG. 6C, aluminum (300 [nm]) is formed on the surface of the gallium nitride layer 32 by an electron beam evaporation method, and the cathode electrode 36 is manufactured. Thereafter, SiO 2 on the boron nitride carbon thin film 33 is formed. _X The thin film 34 was formed with 800 [nm], and Ti (20 [nm]) / Au (500 [nm]) as a metal for the extraction electrode 35 was formed by electron beam evaporation.
[0070]
Then, using a photolithography process, the metal for the extraction electrode 35 and SiO _X The thin film 34 was removed by etching to form a window 35A having a diameter of 5 [μm] as shown in FIG. The surface of the boron nitride carbon thin film 33 exposed in the window 35A was treated with hydrogen plasma. Then, the metal plate used as the anode electrode 37 was made to oppose the boron nitride carbon thin film 33 in the vacuum chamber, and the space | interval was 125 [micrometers] (Drawing 6D).
[0071]
The electron emission device having the above-described configuration is used as follows. That is, the lead electrode 35 is grounded, the power supply 11 is connected to the cathode electrode 36, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 37. As a result, a bias is applied to the cathode electrode 36 and the anode electrode 37, respectively, and the electron emission device operates.
[0072]
8 × 10 when the electron emitter is in operation ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. The anode voltage was kept constant at 500 [V], and the cathode voltage was changed. A high emission current of 0.1 [mA] was obtained by applying a cathode voltage of 40 [V].
[0073]
As described above, the electron-emitting device manufactured by forming the n-type gallium nitride layer 32 having the uneven surface on the sapphire substrate 31 has been described. In the third embodiment, the following configuration is also possible.
[0074]
That is, in the third embodiment, sapphire is used as the substrate material. However, other insulator materials such as glass, quartz, lithium niobate, magnesium oxide, and diamond can be used.
[0075]
In Example 3, the concavo-convex surface was produced by hydrogen plasma treatment using the gallium nitride layer 32, but a mixed crystal layer to which aluminum or indium is added can also be used as the substrate. Indium phosphide can also be used. As the n-type impurity of the gallium nitride layer 32, that is, the conductive layer, not only silicon but also a group VI element can be used as a donor impurity.
[0076]
A gas containing oxygen, chlorine, fluorine, or the like can also be used as a gas for generating plasma. For generating plasma, not only microwaves but also RF power can be used, and biasing a sample in plasma processing is effective for controlling the surface shape.
[0077]
In Example 3, the boron nitride carbon thin film 33 to which sulfur impurities were added was used, but a boron nitride carbon thin film to which atoms such as lithium, oxygen, and silicon that are donor impurities are added can also be used.
[0078]
In the third embodiment, Ti / Au is used as the metal for the extraction electrode 35. However, Cr can be used instead of Ti, and various metals can be used instead of Au.
[0079]
Any metal that can form an ohmic electrode with respect to the gallium nitride layer 32, that is, the conductive layer can be used as the metal for the cathode electrode 36.
[0080]
In Example 3 using an insulating substrate, Example 2 described above can be easily realized. After a metal film or an n-type semiconductor film (silicon or silicon carbide film) is formed on the sapphire substrate 31, a gallium nitride or indium phosphide film is grown, and then the surface is subjected to hydrogen plasma treatment to produce irregularities. be able to. In this way, the electron emission device can be realized by the method described so far.
[0081]
[Example 4]
FIG. 7 is a sectional view showing an embodiment 4 of the electron emission apparatus according to the present invention. In the electron emission device of Example 4, a glass substrate was used as the insulator substrate. The electron-emitting device of Example 4 includes a glass substrate 41, a cathode electrode 42, a boron nitride carbon thin film 43, and SiO. _X The thin film 44, the extraction electrode 45, and the anode electrode 46 are included.
[0082]
In addition, SiO of Example 4 _X The thin film 44, the extraction electrode 45, and the anode electrode 46 are made of the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0083]
The glass substrate 41 is a substrate made of glass which is an insulator material. On the surface of the glass substrate 41, irregularities having a substantially triangular cross section are randomly and densely formed.
[0084]
The cathode electrode 42 is a metal film that covers the entire surface of the glass substrate 41. Since the cathode electrode 42 covers the irregularities of the glass substrate 41, it has the same shape as the irregularities of the glass substrate 41.
[0085]
The boron nitride carbon thin film 43 is a thin film that covers the surface of the cathode electrode 42. At this time, a part of the surface of the cathode electrode 42 was not covered with the boron nitride carbon thin film 43, and this part was used as a region for providing the cathode electrode 42. Since the boron nitride carbon thin film 43 covers the unevenness of the cathode electrode 42, it has the same shape as the unevenness of the cathode electrode 42.
[0086]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. That is, as shown in FIG. 8A, the surface of the glass substrate 41 was formed with irregularities 41A by mechanical processing. On the surface of the glass substrate 41, as shown in FIG. 8B, a cathode electrode 42 was formed by sputtering with Ti of 20 [nm] and TiN of 200 [nm].
[0087]
As shown in FIG. 8 (C), a boron nitride carbon thin film 43 (composition ratio, boron 0. 0) is formed on the cathode electrode 42 by a plasma-assisted chemical vapor deposition method using boron trichloride, methane, and nitrogen gas. 4, carbon 0.2, nitrogen 0.4) was deposited 100 [nm]. At this time, a region where the boron nitride carbon thin film 43 was not deposited was provided on a part of the surface to form a cathode electrode region 42A.
[0088]
The boron nitride carbon thin film 43 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration. On the boron nitride carbon thin film 43, SiO _X The thin film 44 was formed by 800 [nm], and Ti (20 [nm]) / Au (500 [nm]) as a metal for the extraction electrode 45 was formed by electron beam evaporation.
[0089]
Then, using a photolithography process, the metal for the extraction electrode 45 and SiO _X The thin film 44 was removed by wet etching to form a window 45A having a diameter of 5 [μm] as shown in FIG. The surface of the boron nitride carbon thin film 43 exposed in the window 45A was treated with hydrogen plasma. Then, the metal plate used as the anode electrode 46 was made to oppose the boron nitride carbon thin film 43 in the vacuum chamber, and the space | interval was 125 [micrometers] (FIG.8 (D)).
[0090]
The electron emission device having the above-described configuration is used as follows. That is, the extraction electrode 45 is grounded (FIG. 7), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 42, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 46. Accordingly, a bias is applied to each of the cathode electrode 42 and the anode electrode 46, and the electron emission device operates.
[0091]
8 × 10 when the electron emitter is in operation ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. The electron emission characteristics were evaluated by keeping the anode voltage constant at 500 [V] and changing the cathode voltage. As a result, the electron emission device according to Example 4 exhibited the same electron emission characteristics as Example 1, and a high emission current of 0.1 [mA] was obtained at a cathode voltage of 40 [V].
[0092]
[Example 5]
FIG. 9 is a sectional view showing an embodiment 5 of the electron emission apparatus according to the present invention. In Example 5, an n-type gallium nitride layer having a concavo-convex surface was formed on a silicon substrate, and concavo-convex was also formed on the boron nitride carbon thin film surface. The electron-emitting device of Example 5 includes a silicon substrate 51, a gallium nitride layer 52, a boron nitride carbon thin film 53, and SiO. _X The thin film 54, the extraction electrode 55, the cathode electrode 56, and the anode electrode 57 are configured.
[0093]
In addition, the silicon substrate 51 of Example 5, the gallium nitride layer 52, SiO _X The thin film 54, the extraction electrode 55, the cathode electrode 56, and the anode electrode 57 are the silicon substrate 1, the gallium nitride layer 2, the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0094]
The boron nitride carbon thin film 53 is a thin film that covers the entire surface of the gallium nitride layer 52. Since the boron nitride carbon thin film 53 covers the irregularities of the gallium nitride layer 52, it has the same shape as the irregularities of the boron nitride carbon thin film 53. Further, irregularities that are smaller than the gallium nitride layer 52 and have a substantially triangular cross section are randomly and densely formed on the surface of the boron nitride carbon thin film 53.
[0095]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. That is, as shown in FIG. 10A, a substrate in which a silicon-added n-type gallium nitride layer 52 is grown on the surface of the n-type silicon substrate 51 by 1 [μm] by a metal organic chemical vapor synthesis method is used. Used as.
[0096]
Hydrogen plasma was generated by microwaves to treat the surface of the gallium nitride layer 52. The microwave output was set to 300 [W], the hydrogen flow rate was set to 50 [sccm], and the gas pressure was set to 40 [Torr], and the treatment was performed for 10 minutes. By the hydrogen plasma treatment, the surface of the flat gallium nitride layer 52 was changed to a surface having unevenness of several hundreds [nm] as shown in FIG.
[0097]
A boron nitride carbon thin film 53 (composition ratio, boron 0.4, carbon 0.2, nitrogen 0) is formed on the gallium nitride layer 52 by plasma-assisted chemical vapor deposition using boron trichloride, methane, and nitrogen gas. .4) was deposited by 200 [nm] (FIG. 10B). The boron nitride carbon thin film 53 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration.
[0098]
Thereafter, the boron nitride carbon thin film 53 was treated again using hydrogen plasma generated by microwaves. The treatment time was 5 minutes. By this treatment, unevenness 53A of several tens [nm] was formed on the surface of the boron nitride carbon thin film 53 (FIG. 10B).
[0099]
Next, as shown in FIG. 10C, a SiO 2 film on the boron nitride carbon thin film 53 is formed. _X The thin film 54 was formed by 1000 [nm], and Ti (20 [nm]) / Au (500 [nm]) was formed by the electron beam evaporation method as a metal for the extraction electrode 55. In addition, Al (500 [nm]) was deposited on the back surface of the silicon substrate 51 as the cathode electrode 56 by electron beam evaporation.
[0100]
Then, using a photolithography process, the metal for the extraction electrode 55 and SiO _X The thin film 54 was removed by etching to form a window 55A having a diameter of 5 [μm] as shown in FIG. The surface of the boron nitride carbon thin film 53 exposed in the window 55A was treated with hydrogen plasma. Thereafter, a metal plate to be the anode electrode 57 was opposed to the boron nitride carbon thin film 53 in the vacuum chamber, and the interval was set to 125 [μm] (FIG. 10D).
[0101]
The electron emission device having the above-described configuration is used as follows. That is, the lead electrode 55 is grounded (FIG. 9), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 56, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 57. As a result, a bias is applied to each of the cathode electrode 56 and the anode electrode 57, and the electron emission device operates.
[0102]
8 × 10 when the electron emitter is in operation ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. The anode voltage was kept constant at 500 [V], and the cathode voltage was changed. By applying a voltage of 30 [V] to the cathode electrode 56, a high emission current of 0.1 [mA] was obtained.
[0103]
[Example 6]
FIG. 11 is a sectional view showing Embodiment 6 of the electron emission apparatus according to the present invention. In Example 6, an n-type gallium nitride layer having an uneven surface was formed on a silicon substrate, and an electron emission portion was formed thereon. The electron-emitting device of Example 6 includes a silicon substrate 61, a gallium nitride layer 62, a boron carbide thin film 63, and SiO. _X The thin film 64, the extraction electrode 65, the cathode electrode 66 and the anode electrode 67 are configured.
[0104]
In addition, the silicon substrate 61 of Example 6, the gallium nitride layer 62, SiO _X The thin film 64, the extraction electrode 65, the cathode electrode 66, and the anode electrode 67 are the silicon substrate 1, the gallium nitride layer 2, and the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0105]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. Since the formation and processing of the gallium nitride layer 62 are the same as the formation and processing of the gallium nitride layer 2 of the first embodiment, description thereof is omitted. After the irregularities are formed on the gallium nitride layer 62, a boron carbide thin film 63 (composition ratio, boron 0.25, 0.25) is formed on the gallium nitride layer 62 by plasma assisted chemical vapor deposition using boron trichloride and methane as source gases. Carbon [0.75] was deposited to 100 [nm]. The boron carbide thin film 63 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration.
[0106]
SiO after this _X The formation and processing of the thin film 64, the extraction electrode 65, the window 65A, the cathode electrode 66, and the anode electrode 67 are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0107]
The electron emission device having the above configuration is used in the same manner as in the first embodiment. That is, the lead electrode 65 is grounded (FIG. 11), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 66, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 67. And 8x10 ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. At this time, a high emission current of 0.1 [mA] was obtained by keeping the anode voltage constant at 500 [V], changing the cathode voltage, and applying a voltage of 50 [V] to the cathode electrode 66. .
[0108]
Although the sixth embodiment has been described above, the boron carbide thin film 63 used in the sixth embodiment can be applied to all the above-described embodiments.
[0109]
[Example 7]
FIG. 12 is a sectional view showing an embodiment 7 of the electron emission apparatus according to the present invention. In Example 7, an n-type gallium nitride layer having an uneven surface was formed on a silicon substrate, and an electron emission portion was formed thereon. The electron-emitting device of Example 7 includes a silicon substrate 71, a gallium nitride layer 72, a carbon nitride thin film 73, and SiO.sub.2. _X The thin film 74, the extraction electrode 75, the cathode electrode 76, and the anode electrode 77 are configured.
[0110]
In addition, the silicon substrate 71 of Example 7, the gallium nitride layer 72, SiO. _X The thin film 74, the extraction electrode 75, the cathode electrode 76, and the anode electrode 77 are the silicon substrate 1, the gallium nitride layer 2, the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0111]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. Since the formation and processing of the gallium nitride layer 72 is the same as the formation and processing of the gallium nitride layer 2 of the first embodiment, description thereof is omitted. After the irregularities are formed in the gallium nitride layer 72, a carbon nitride thin film 73 (composition ratio, carbon 0.4, nitrogen, etc.) is formed thereon by a plasma assisted chemical vapor deposition method using methane and nitrogen gas as source gases. 0.6) was deposited to 100 [nm].
[0112]
SiO after this _X The formation and processing of the thin film 74, the extraction electrode 75, the window 75A, the cathode electrode 76, and the anode electrode 77 are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0113]
The electron emission device having the above configuration is used in the same manner as in the first embodiment. That is, the lead electrode 75 is grounded (FIG. 12), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 76, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 77. And 8x10 ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. At this time, a high emission current of 0.1 [mA] was obtained by making the anode voltage constant at 500 [V], changing the cathode voltage, and applying a voltage of 50 [V] to the cathode electrode 76. .
[0114]
As mentioned above, although Example 7 was demonstrated, the carbon nitride thin film 73 used in Example 7 is applicable also in all the said Examples.
[0115]
[Example 8]
FIG. 13 is a sectional view showing an eighth embodiment of the electron emission apparatus according to the present invention. In Example 8, an n-type gallium nitride layer having an uneven surface was formed on a silicon substrate, and an electron emission portion was formed thereon. The electron-emitting device of Example 8 includes a silicon substrate 81, a gallium nitride layer 82, a DLC (diamond-like carbon) thin film 83, SiO. _X The thin film 84, the extraction electrode 85, the cathode electrode 86, and the anode electrode 87 are configured.
[0116]
In addition, the silicon substrate 81, the gallium nitride layer 82, and SiO in Example 8. _X The thin film 84, the extraction electrode 85, the cathode electrode 86, and the anode electrode 87 are the silicon substrate 1, the gallium nitride layer 2, the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0117]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. Since the formation and processing of the gallium nitride layer 82 are the same as the formation and processing of the gallium nitride layer 2 of the first embodiment, description thereof is omitted. After irregularities were formed on the gallium nitride layer 82, a DLC thin film 83 was deposited thereon by 100 [nm] by a plasma-assisted chemical vapor deposition method using methane as a source gas. The DLC thin film 83 contains 1 × 10 nitrogen atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration.
[0118]
SiO after this _X The formation and processing of the thin film 84, the extraction electrode 85, the window 85A, the cathode electrode 86, and the anode electrode 87 are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0119]
The electron emission device having the above configuration is used in the same manner as in the first embodiment. That is, the lead electrode 85 is grounded (FIG. 13), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 86, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 87. And 8x10 ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. At this time, a high emission current of 0.1 [mA] was obtained by making the anode voltage constant at 500 [V], changing the cathode voltage, and applying a voltage of 50 [V] to the cathode electrode 86. .
[0120]
Although the eighth embodiment has been described above, the DLC thin film 83 used in the eighth embodiment can be applied to all the above embodiments.
[0121]
[Example 9]
FIG. 14 is a sectional view showing Embodiment 9 of the electron emission device according to the present invention. In Example 9, carbon nanotubes were formed on a silicon substrate, and an electron emission portion was formed thereon. The electron-emitting device of Example 9 includes a silicon substrate 91, carbon nanotube 92, boron nitride carbon thin film 93, SiO. _X The thin film 94, the extraction electrode 95, the cathode electrode 96 and the anode electrode 97 are configured.
[0122]
In addition, the silicon substrate 91 of Example 9, the boron nitride carbon thin film 93, SiO _X The thin film 94, the extraction electrode 95, the cathode electrode 96, and the anode electrode 97 are the silicon substrate 1, the boron nitride carbon thin film 3, the SiO 2 of Example 1. _X Since they are the same as the thin film 4, the extraction electrode 5, the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, their descriptions are omitted.
[0123]
The electron emission device having the above-described configuration was prepared by the following procedure. That is, as shown in FIG. 15A, iron fine particles were formed on the surface of an n-type silicon substrate 91 by vapor deposition. Further, carbon nanotubes 92 were synthesized using methane as a source gas by a plasma chemical vapor synthesis method.
[0124]
Thereafter, as shown in FIG. 15 (B), a boron nitride carbon thin film 93 (composition ratio, composition ratio, etc.) is formed on a silicon substrate 91 by plasma assisted chemical vapor deposition using boron trichloride, methane, and nitrogen gas. Boron 0.4, carbon 0.2, nitrogen 0.4) were deposited by 50 [nm]. The boron nitride carbon thin film 93 contains 1 × 10 sulfur atoms. ¹⁸ [Cm ^-3 ] To the concentration. At this time, the carbon nanotube 92 was also covered with the boron nitride carbon thin film 93 (FIG. 15B).
[0125]
Next, as shown in FIG. 15C, a SiO 2 film on the boron nitride carbon thin film 93 is formed. _X The thin film 94 was formed by 800 [nm], and Ti (20 [nm]) / Au (500 [nm]) as a metal for the extraction electrode 95 was formed by electron beam evaporation. Further, Al (500 [nm]) was deposited on the back surface of the silicon substrate 91 as a cathode electrode 96 by electron beam evaporation.
[0126]
Then, using a photolithography process, the metal for the extraction electrode 95 and SiO _X The thin film 94 was removed by etching to form a window 95A having a diameter of 5 [μm] as shown in FIG. The surface of the boron nitride carbon thin film 93 exposed in the window 95A was treated with hydrogen plasma. Then, the metal plate used as the anode electrode 97 was made to oppose the boron nitride carbon thin film 93 in the vacuum chamber, and the space | interval was 125 [micrometers] (FIG.15 (D)).
[0127]
The electron emission device having the above configuration is used in the same manner as in the first embodiment. That is, the lead electrode 95 is grounded (FIG. 14), the power supply 11 is connected to the cathode electrode 96, and the power supply 12 is connected to the anode electrode 97. And 8x10 ^-7 [Torr] The emission current was measured at a degree of vacuum below. At this time, a high emission current of 0.1 [mA] was obtained by keeping the anode voltage constant at 500 [V], changing the cathode voltage, and applying a voltage of 30 [V] to the cathode electrode 96. .
[0128]
In the above, the electron emission apparatus produced by forming the carbon nanotube 92 on the silicon substrate 91 has been described. In Example 9, the plasma chemical vapor synthesis method was used to synthesize the carbon nanotubes 92, but glow discharge and thermal chemical vapor synthesis methods can also be used. Further, as the thin film formed on the carbon nanotube, the boron carbide or carbon nitride thin film described in the above embodiment can be used.
[0129]
The examples 1 to 9 have been described above. In these examples, a thin film containing nitrogen, boron, and carbon was used as the material of the electron emission portion. However, the composition ratio of each element in the thin film is not limited to the case shown in the previous examples, and various compositions. The thin film can be used.
[0130]
In addition, two or more electron emission portions described in the above embodiments can be formed on the same substrate to realize an array.
[0131]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, irregularities are formed on the surface of the substrate, and the irregularities are formed on the surface of the thin film using a nitrogen-, boron-, and carbon-containing thin film thereon. Thereby, the electric field concentration on the surface of the thin film can be increased. In addition, since the adhesion between the electron emission thin film portion and the substrate is improved, peeling can be prevented.
[0132]
According to the present invention, a planar electron emission device having an extraction electrode can be provided. In addition, high luminance operation can be realized at a low voltage. As a result, the present invention is effective as a key device of a display device, an electron beam exposure machine, an imaging device, and a material evaluation apparatus using an electron beam.
[0133]
Furthermore, the present invention can be provided as an electron emission array device which is a key technology for flat panel displays.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment 1 of an electron emission device according to the present invention.
2 is an explanatory diagram for explaining a procedure for manufacturing the electron-emitting device of Example 1. FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing an embodiment 2 of an electron emission device according to the present invention.
4 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing procedure of the electron-emitting device of Example 2. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing Embodiment 3 of the electron emission device according to the present invention.
6 is an explanatory diagram for explaining a procedure for manufacturing the electron-emitting device of Example 3. FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an embodiment 4 of an electron emission device according to the present invention.
8 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing procedure of the electron-emitting device of Example 4. FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an embodiment 5 of an electron emission device according to the present invention.
10 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing procedure of the electron-emitting device of Example 5. FIG.
FIG. 11 is a sectional view showing Example 6 of an electron emission device according to the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an embodiment 7 of the electron emission apparatus according to the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing an eighth embodiment of the electron emission apparatus according to the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an embodiment 9 of an electron emission device according to the present invention.
15 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing procedure of the electron-emitting device of Example 9. FIG.
[Explanation of symbols]
1, 21, 51, 61, 71, 81, 91 Silicon substrate
2, 22, 32, 52, 62, 72, 82 Gallium nitride layer
3, 23, 33, 43, 53, 93 Boron nitride carbon thin film
4, 24, 34, 44, 54, 64, 74, 84, 94 SiO _X Thin film
5, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95 Lead electrode
5A, 25A, 35A, 45A, 55A, 65A, 75A, 85A, 95A Window
6, 26, 36, 42, 56, 66, 76, 86, 96 Cathode electrode
7, 27, 37, 46, 57, 67, 77, 87, 97 Anode electrode
11, 12 power supply
31 Sapphire substrate
41 glass substrate
41A, 53A Concavity and convexity
42A Cathode electrode area
63 Boron carbide thin film
73 Carbon nitride thin film
83 DLC thin film
92 carbon nanotubes

Claims

A composition ratio containing boron (composition ratio x), carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z) is electrically connected to a substrate having a concavo-convex surface or a semiconductor substrate, and 0 <x <1, 0 < A thin film of y <1, 0 <z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a second metal having a space between the first metal body and the space is opposed to the thin film. An electron-emitting device characterized in that a metal body is provided.

A conductive layer or semiconductor layer having an uneven surface is provided on a conductor or semiconductor substrate with a material different from that of the conductor or semiconductor substrate, and is electrically connected to boron (composition ratio x) or carbon (composition ratio y). , A thin film having a composition ratio including nitrogen (composition ratio z) of 0 <x <1, 0 <y <1, and 0 <z <1 is provided, and the first metal body is electrically insulated from the thin film. An electron-emitting device, wherein a second metal body is provided with a space between the first metal body and a space facing the thin film.

Carbon nanotubes are provided in electrical connection on a conductor or semiconductor substrate, and the composition ratio including boron (composition ratio x), carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z) is 0 <x <1, 0 A thin film of <y <1, 0 <z <1 is provided, a first metal body is provided by being electrically insulated from the thin film, and a first metal body and a space are provided opposite to the thin film. 2. An electron emission device comprising a metal body of 2.

A conductive layer or semiconductor layer having an uneven surface is provided on an insulator substrate, and is electrically connected to the conductive layer or the semiconductor layer to form boron (composition ratio x), carbon (composition ratio y), nitrogen A thin film having a composition ratio including (composition ratio z) of 0 <x <1, 0 <y <1, and 0 <z <1 is provided, and the first metal body is provided to be electrically insulated from the thin film. An electron-emitting device characterized in that a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film.

A conductive layer or a semiconductor layer having a two-layer structure having a surface with irregularities on a surface different from the material of the insulator substrate is provided over the insulator substrate, and boron (composition) is electrically connected to the conductive layer or the semiconductor layer. A thin film having a composition ratio including a ratio x), carbon (composition ratio y), and nitrogen (composition ratio z) of 0 <x <1, 0 <y <1, and 0 <z <1 is provided. A first metal body is provided so as to be insulated, and a second metal body is provided with the first metal body and a space facing the thin film.

4. The electron emission according to claim 2, wherein one of metal, silicon, gallium arsenide, indium phosphide, silicon carbide, and gallium nitride is used as the conductor or the semiconductor substrate. apparatus.

6. The electron emission device according to claim 4, wherein one of glass, quartz, lithium niobate, magnesium oxide, sapphire, and diamond is used as the insulator substrate.

The electron emission device according to claim 1, wherein the surface of the thin film is also uneven.

9. The electron emission device according to claim 1, wherein gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, a mixed crystal thin film thereof, or indium phosphide is used as a surface layer as the substrate.