JP6635510B2

JP6635510B2 - 電界放出素子及び電界放出素子を備える装置

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Publication number: JP6635510B2
Application number: JP2016071332A
Authority: JP
Inventors: 昌善長尾; 俊一吉澤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017183180A

Description

本発明は、高電界が印加されるエミッタ先端から電子を放出する電界放出素子の技術分野に係わり、特に、放電により破壊されることを防止する効果を備える、電界放出素子、及び電界放出素子を備える装置に関する。

従来、電界放出素子は、薄型ディスプレイなどに用いられてきた。最近では、電界放出素子をマトリクス状に配置したアレイ状の素子と光電変換膜とを組み合わせて、超高感度のイメージセンサーや、放射線耐性の高いイメージセンサー等の装置への応用が期待されている（特許文献１参照）。

電界放出素子は、鋭利な先端を有する突起体とも呼ばれるエミッタと、エミッタを取り囲む、該エミッタから電子を放出させるために引き出し電圧を印加する引き出し用ゲート電極とから主に構成される。該電界放出素子を備える装置は、該電界放出素子と、電子を捕獲あるいは加速させるための陽極（コレクタ又はアノードとも呼ぶ。）とを少なくとも備える装置である。電界放出素子において、ゲート電極に１０から６０ボルト程度の電圧を印加すると、エミッタ先端に非常に高い電界が発生し、電子がエミッタから放出される。

電界放出素子の例としては、スピント型と呼ばれる円錐状のエミッタ構造を採用したものがあげられる（非特許文献１参照）。

また、本発明者を含むグループは、電界放出素子について研究開発を行ってきた（特許文献２、４、非特許文献３参照）。例えば、エミッタから放出された電子を集束させる目的で、火山型のゲート電極や集束電極を積層し、その電極の高さを制御することにより、良好な集束特性を得る構造を開示した（非特許文献２参照）。更に、多層の集束電極を積層した構造を開示した（特許文献２参照）。

先行技術文献調査により、次のような文献があった。特許文献３では、電界放出素子において沿面距離を長くする構造が示されている。特許文献５では、エミッタ先端を残してエミッタを熱酸化絶縁膜に埋没させる構造が示されている。

特許第５１６７４８４号特許第５０６２７６１号特開平８−３２１２５５号公報特開２０１４−４４８８５号公報特開平９−２０４８７４号公報

Journal of Applied Physics, Vol.47, No.12, p.5248, (1976). Applied Physics Express Vol.1, p.053001, 2008.

電界放出素子において、動作中に突然絶縁破壊を起こして壊れることがある。絶縁破壊の原因の一つに絶縁膜の沿面放電がある。図１０を参照して、沿面放電について以下詳しく説明する。

一般に、金属（導電性のもの）と絶縁体（真空・空気以外）と真空の三つが接する点を三重点（以下、トリプルジャンクションとも呼ぶ。）という。三重点は、境界線も三つでき、その三本の境界線が一点で交わるので、「境界線が交わる点」でもある。三重点には極度に電界が集中することが知られている。

図１０において、陰極（エミッタ電極）１側の金属・絶縁体・真空の３つの境界線が重なる点が、図示するトリプルジャンクション５である。トリプルジャンクションから強電界による電界放出により、本来不要な電子放出が起こる。放出された電子が陽極（例えば、ゲート電極）３に向かって加速されるが、その幾つかが絶縁体２表面を衝撃すると、２次電子４が放出される。この時、２次電子放出効率が１を上回るような場合、複数の電子放出が起こり、同時に電子放出した部分は正に帯電するため、更に電子を引き寄せる。放出された２次電子が絶縁体２表面をさらに衝撃すると、更に２次電子放出を起こす。このような過程を繰り返しながら、電子数の増幅を伴って絶縁破壊にいたる。

スピント型電界放出素子の場合について、図１１を参照して詳しく説明する。図１１は、スピント型電界放出素子の模式図であり、エミッタ電極１２の上に先鋭なエミッタ１１が設けられ、絶縁膜などの絶縁体２を介してゲート電極３１が形成されている。なお、スピント型とは、スピント氏の提案した次の作製方法による図１１のようなエミッタを備える構造をいう。エミッタ電極と絶縁層とゲート電極層とからなる積層体を形成した後、ゲート電極層に透孔をあけて絶縁層をエッチングした構造体に対し、エミッタ材料としてモリブデン等の金属を高真空中で蒸着等の直進性の高い堆積手法により蒸着して行く。透孔を介して侵入するモリブデンがエミッタ電極層上に堆積していくに連れ、ゲート電極層の透孔の径を縮径していくようになるために、先端が鋭利な略円錐形状のエミッタが形成される。

エミッタ１１とエミッタ電極１２を０Ｖとし、ゲート電極３１にプラスの電圧を印加した場合、エミッタ１１とゲート電極３１の間に形成される電界分布は、概略、等電位線６のようになる。ここで、金属・絶縁体・真空の３つの境界線が重なるトリプルジャンクションは５の位置に形成される。トリプルジャンクション５から電子が放出された場合、電子は等電位線に対して垂直な方向に加速されるので、概ね絶縁体２の沿面に沿う方向に加速される。よって、図１１の構造において、図１０で説明したような沿面放電が起こる。

従来、エレクトロンホッピングによる雪崩的な絶縁破壊を防ぐ方法の一つとして、絶縁層の表面に凹凸を形成し、沿面距離を長くする構造が知られている（特許文献３参照）。しかしながら、特許文献３の方法では、トリプルジャンクションから放出された電子は沿面に沿う方向に加速されることには変わりないので、距離が長くなる分、沿面放電の可能性は軽減されるが、根本的な解決にはならない。

また、火山型のゲート電極を用いた電界放出素子の場合について、図１２を参照して説明する。図１２は、火山型のゲート電極及び円錐型のエミッタを有する電界放出素子の模式図であり、エミッタ電極１２の上に先鋭なエミッタ１１が設けられ、エミッタ電極１２とエミッタ１１の側壁の下部を覆う絶縁体２を介して、頂上の欠けた火山型のゲート電極３１が形成されている。エミッタ１１とエミッタ電極１２を０Ｖとし、ゲート電極３１にプラスの電圧を印加した場合、エミッタ１１とゲート電極３１の間に形成される電界分布は、概略、等電位線６のようになる。ここで、トリプルジャンクション５は図中の５の位置（エミッタ側壁）に位置する。図１２に示すように、トリプルジャンクション５から電子が放出され、該電子は、絶縁体２の沿面に沿うような方向に加速され、沿面放電の原因となる。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、放電により破壊されることを防止した構造を有する電界放出素子、及び該電界放出素子を備える装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
（１）本発明の電界放出素子は、先端が先鋭な電子放出端となっているエミッタと、前記エミッタの先端を露呈する開口を有する引き出し用ゲート電極と、前記エミッタの電子放出端を露出する開口周縁を有し、前記エミッタの側壁を被覆するエミッタ側壁被覆絶縁層とを備え、前記エミッタの先端と前記引き出し用ゲート電極との最短距離をＤ、前記エミッタと前記エミッタ側壁被覆絶縁層と真空の三つの境界線が重なる三重点と、電子放出端との距離をＬｔとした時に、Ｌｔ＜Ｄ／２であることを特徴とする。
（２）前記（１）の電界放出素子において、前記エミッタ側壁被覆絶縁層の更に外側に、第２の絶縁層を有し、前記三重点と絶縁層の沿面の各部との直線距離をＬｏとしたときに、Ｌｏ＞２Ｄを満たす沿面が存在することを特徴とすることがより好ましい。ここで、絶縁層の沿面とは、エミッタ側壁被覆絶縁層又は第２の絶縁層の絶縁層が真空に露出している表面をさす。
（３）前記１又は２の電界放出素子において、前記ゲート電極の前記エミッタに対向する面を被覆するゲート電極内壁被覆絶縁層を備え、エミッタ側壁被覆絶縁層又は第２の絶縁層と連続して絶縁層を構成していることを特徴とすることがより好ましい。
（４）前記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の電界放出素子において、前記ゲート電極は、火山型又は平板型であることを特徴とすることがより好ましい。
（５）前記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の電界放出素子を備える装置である。

本発明の電界放出素子は、沿面電流を生じない構造であるので、素子及びこれを用いた装置が、放電により絶縁破壊を起こすことを防止でき、絶縁耐圧を向上できる。

また、本発明の電界放出素子では、本来の電子放出端での電界集中を、より強くすることになるので、低電圧で電子放出を可能とすると同時に、放出された電子が絶縁体の方向に向かって加速されるのを防ぎ、放出電子が絶縁層の沿面を衝撃することを抑える効果がある。

また、本発明の実施の形態の電界放出素子では、ゲート電極の、エミッタやエミッタ電極に対抗する面（ゲート電極内壁面）を、絶縁層で覆う構造とする場合は、沿面距離をさらに稼ぐこともできるので、絶縁耐圧の低下を防ぐ効果が大である。

また、本発明においては、エミッタの側壁を被覆するエミッタ側壁被覆絶縁層である第１の絶縁層は、その部分が真空である従来構造に比べて、熱伝導が良いので、エミッタ先端から大電流を放出する場合に発生するジュール熱をエミッタ基板にまで伝えることで、放熱の役目も果たすので、大電流動作時においてもジュール熱によりエミッタ先端が溶解することを防ぐ効果もある。

第１の実施の形態における、電界放出素子の一例を示す模式図である。第１の実施の形態における基本原理及び効果を説明する図である。第１の実施の形態における、電界放出素子の変形例を示す模式図である。第１の実施の形態における、電界放出素子の変形例の製造方法を説明する図である。第１の実施の形態における、電界放出素子の製造方法を説明する図である。第２の実施の形態における、電界放出素子の一例を示す模式図である。第２の実施の形態における、電界放出素子の変形例１の模式図である。第２の実施の形態における、電界放出素子の変形例２の模式図である。第２の実施の形態における、電界放出素子の変形例２の製造方法を説明する図である。沿面放電の原理を説明する図である。従来技術のスピント型電界放出素子における、トリプルジャンクションから放出された電子の加速される向きを説明する図である。従来技術の火山型電界放出素子における、トリプルジャンクションから放出された電子の加速される向きを説明する図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本発明者は、電界放出素子についてその絶縁層の構造に着目して研究開発を行い、沿面電流を抑制して優れた絶縁耐圧性を有する構造を得るに到ったものである。

また、本発明の実施の形態の電界放出素子は、エミッタの側壁を絶縁層で覆い、エミッタの先端のみを露出する構造を有する。該構造をとることにより、トリプルジャンクションを本来の電子放出端近傍のみとすることができる。トリプルジャンクションを本来の電子放出端近傍のみとするには、トリプルジャンクションの位置が、エミッタの先端から、エミッタの先端と引き出し用ゲート電極との最短距離Ｄの２分の１以下であることが必要である。例えば、ゲート電極の開口径が４００ｎｍ程度の場合において、エミッタの先端と引き出しゲート電極の最短距離が２００ｎｍとなり、その場合のトリプルジャンクションの位置は先端からおよそ１０〜１００ｎｍ下がった程度であることが望ましい。

本実施の形態では、電子を放出するための構造を有しているものをエミッタとよび、そのエミッタに電流を供給するための配線部分をエミッタ電極と呼ぶ。基板は、エミッタに電流を供給する役目も果たしている場合は、エミッタ電極でもある。
エミッタは、先鋭な先端を有する突起状であり、円錐形状などである。

また、本発明の実施の形態の電界放出素子では、陰極側に形成されるトリプルジャンクションから放出される電子が、その電子放出点であるトリプルジャンクションから見て該絶縁層の沿面とは逆方向に加速される向きに電界が形成されることになるように、絶縁層がエミッタ側壁に設けられていることが、好ましい。

本発明の実施の形態の電界放出素子では、トリプルジャンクションから放出された電子は、絶縁層の沿面の方向には加速されることがないので、絶縁破壊現象を起こさない。

本発明の電界放出素子を備える装置は、電界放出素子と、電界を印加して電子を捕獲あるいは加速させるための陽極（コレクタ又はアノードとも呼ぶ。）とを、少なくとも備える。

また、本発明の実施の形態の電界放出素子では、ゲート電極の、エミッタやエミッタ電極に対抗する面を、絶縁層（以下、ゲート電極内壁面絶縁層ともいう。）で覆う構造とすることが好ましい。ゲート電極内壁面絶縁層により、万が一トリプルジャンクション外から何らかの影響で電子放出が起こったとしても沿面距離を長くしホッピングが持続しないような構造とすることができる。

各層の絶縁層の材質に関しては特に制約はなく、絶縁層の材料として知られる材料を用いることができる。例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等、半導体技術分野等で知られる膜を用いることができる。エミッタ側壁を被覆する絶縁層と、ゲート電極内壁面絶縁層とは、それぞれ個別の膜で形成されてもよいし、連続する膜で形成されてもよい。エミッタ側壁を被覆する絶縁層とゲート電極内壁面絶縁層の絶縁層を接続して、これらの層間又は並列に設けられる中間絶縁層を、適宜設ける。これらの絶縁層は、いずれも、１層又は２層以上の絶縁層から構成することができ、それぞれの材料を適宜選択することができる。

後述する実施の形態では、エミッタの高さは、ゲート電極（の開口端）に対してほぼ同じ高さかゲート電極の上面の高さを超えることがないが、これに特に限定はされるわけではないので、任意に設計することができる。

（第１の実施の形態）
本実施の形態では、ゲート電極の形状が火山型である電界放出素子の場合について、図１乃至図５を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の電界放出素子の一例の模式図であり、図２は、図１に基づいて、本発明の原理及び効果を説明する図である。図１の電界放出素子は、エミッタ電極１２上に設けられた先端が先鋭な円錐形状のエミッタ１１と、エミッタ１１先端のみを露出させてエミッタ１の側壁及びエミッタ電極を被覆する第１の絶縁層２１と、第１の絶縁層を被覆する第２の絶縁層２２と、ゲート電極のエミッタ及びエミッタ電極と対向する内壁面に設けられる第３の絶縁層２３と、エミッタ先端周辺部に開口を有する火山型ゲート電極３１とを備える。エミッタ１１と、第１の絶縁層２１と、真空とで形成されるトリプルジャンクション５の位置が、この第１の絶縁層２１により規定される。トリプルジャンクション５の位置は電子放出端近傍に位置する。図中、エミッタ側壁を被覆する第１の絶縁層２１の縁にトリプルジャンクション５が位置する。第２の絶縁層は、エミッタ先端から見て、また、トリプルジャンクションから見て、第１の絶縁層２１の被覆端より、エミッタ下部へ後退した位置に、第１の絶縁層２１上に設けられる。第２の絶縁層を第１の絶縁層よりも電子放出端から見て後退させることによって、第２の絶縁層の沿面が、トリプルジャンクションから放出された電子が到達し得ないような位置とすることができる。

第１の絶縁層や第２の絶縁層の表面は、真空と接し、絶縁層の沿面と呼ぶことができる。

図２に、本発明の実施の形態における特徴である、三重点の位置と、絶縁層の配置についての説明を示す。

エミッタの先端と引き出し用ゲート電極との最短距離をＤ、エミッタとエミッタ側壁被覆絶縁層と真空の三つの境界線が重なる三重点と、電子放出端との距離をＬｔとした時に、Ｌｔ＜Ｄ／２である条件（以下、「条件１」ともいう。）を満たすように、三重点の位置を設定する。この条件を満たす場合には、三重点から放出された電子はゲート電極の方向には加速されず、アノードに向かって加速されることが、電子軌道シミュレーション等により分かった。

エミッタ側壁被覆絶縁層及び第２の絶縁層の表面からなる沿面は、三重点とこれらの絶縁層の沿面の各部との直線距離をＬｏとしたときに、Ｌｏ＞２Ｄを満たす沿面が存在する条件（以下、「条件２」ともいう。）を満たすようにする。実験により、この条件を満たすときには、放電破壊が起こりにくいことが分かった。

このような条件をみたす場合においては、トリプルジャンクションから放出された電子は、本来必要としている電子放出端から放出された電子と同様に、等電位線に直交する方向で、陽極に向かって加速されるので、絶縁層の表面を沿うような方向に加速されることはなく、沿面放電の原因となり得ないのである。

各層の絶縁層の材質に関しては特に制約はなく、半導体技術分野等で知られる絶縁層の材料を用いることができる。例えば、第１の絶縁層として窒化シリコン膜、第２の絶縁層として酸化シリコン膜、第３の絶縁層としてアルミナを使うことができる。材質の異なる絶縁層を使うことにより、そのエッチングレートの違いから、本実施の形態の構造を形成することが可能である。

［変形例］
本実施の形態の電界放出素子の変形例を、図３に示す。変形例では、第１の絶縁層２１がエミッタ先端に向かって徐々に薄くなっていく構造である。該変形例の場合であっても、トリプルジャンクション５の位置はエミッタ先端近傍に有り、そこから放出された電子は、第１の絶縁層の沿面に沿う方向には加速されずに、図示しないアノードに向かって加速されるので、図２で説明したと同様の効果が得られる。

［製造方法］
本実施の形態の電界放出素子の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、変形例の素子の製造工程（ａ）〜（ｆ）を説明する図である。

（ａ）工程
エミッタ電極１２上に先鋭な円錐形状のエミッタ１１を形成する。エミッタを形成する方法は、公知の方法を採用することができ、特に限定されない。例えば、シリコンをエッチングする方法でも良い。または、微細な穴を有する二層の有機塗布膜上に、真空蒸着などの粒子の直進性の高い成膜方法によりエミッタ材料を成膜することで、穴が徐々に塞がっていくことを利用し円錐形のエミッタを形成し、後に有機溶剤により有機塗布膜を溶解することで不要なエミッタ材料膜を除去する方法でもよい（特許文献４参照）。

（ｂ）工程
次に、第１の絶縁層２１を成膜する。成膜方法は、公知の方法を採用することができ、特に限定されない。構造物の上に成膜するので、コンフォーマルに成膜できる方法がより望ましい。例えば、化学気相合成法（ＣＶＤ）やスパッタリングなどの方法がある。シリコンをターゲットとし、ＡｒとＮ_２をプラズマ源としたスパッタリングによりＳｉＮを成膜する方法でもよい。第１の絶縁層２１の膜厚は、基本的には任意に選ぶことが可能であるが、作製が容易になるようにするためには、第２の絶縁層の１０％〜２０％程度の厚さが良い。
次に、第２の絶縁層２２を成膜する。成膜方法は、既に公知の方法を採用することができ、特に限定されない。例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスを使ったプラズマＣＶＤによりＳｉＯ_２を成膜することができる。
さらに、第３の絶縁層２３を成膜する。第３の絶縁層２３は、第１の絶縁層２１と同様にスパッタリングでＳｉＮを成膜することができる。
その後、ゲート電極３１となる金属薄膜を成膜する。金属薄膜の金属の種類は既に公知の材料を採用することができ、特に限定されない。例えば、ＮｂやＭｏ等が、ＳＦ_６等フッ素系のガスを用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）により簡単にエッチングができ、なおかつ、後に使うことになる緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）によりエッチングされないので都合が良い。

（ｃ）工程
次に、第１〜第３の絶縁層及びゲート電極を成膜した基板（エミッタ電極）に、フォトレジスト４１を塗布する。塗布するフォトレジストの厚さは、エミッタ１１の高さに相当するよりも厚い膜厚に設定する。膜厚の調整には、使用するフォトレジストの粘度を調整したり、回転塗布の場合においては回転数を調整するなどして、調整することができる。

（ｄ）工程
次に、酸素プラズマなどによりフォトレジストをエッチングする。エッチング量は、ゲート電極の高さが所望の値になるように調整する。

（ｅ）工程
次に、残ったフォトレジストをマスクにして、ゲート電極３１をエッチングする。ゲート電極としてＮｂやＭｏを選んだ場合は、ＳＦ_６ガスを用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングすることができる。また、第３の絶縁層２３の材質としてＳｉＮを選んだ場合には、ゲート電極３１をエッチンするためのＳＦ_６ガスによるＲＩＥにより第３の絶縁層も同時にエッチングすることができる。ＳｉＮ以外の材質を選んだ場合には、第３の絶縁層２３をエッチングするための工程を行う。この際、ゲート電極３１をエッチングしないような方法を用いる必要がある。

（ｆ）工程
次に、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）により第２の絶縁層２２をエッチングする。この時、第２の絶縁層２２は、ゲート電極３１の開口部分からエッチングされていくので、エミッタに沿う方向にエッチングが進んでいく。エミッタ先端を覆っている第２の絶縁層２２がエッチングされれば、第１の絶縁層２１がＢＨＦに暴露されることになる。第１の絶縁層２１としてＳｉＮ、第２の絶縁層としてＳｉＯ_２を選ぶと、ＢＨＦによるエッチングレートの比は概ね１：１０〜１：２０程度であるので、第２の絶縁層２２を後退させていく間に第１の絶縁層２１のエミッタ先端部分がエッチングされてなくなり、エミッタを露出することができる。

以上の（ａ）〜（ｆ）の工程により、図３の構造の電界放出素子が得られる。

図５は、第１の絶縁層２１の形状が異なる図１の電界放出素子の製造工程を説明する図である。図１に示した電界放出素子を製造する場合は、図４の（ａ）〜（ｄ）の工程を実施した後、図５の（ｅ）〜（ｈ）工程を実施する。

（ｅ）工程
第１の絶縁層２１の材質として、ＢＨＦには全くエッチングされない材質、たとえばアルミナ等を選んでおく必要がある。該第１の絶縁層２１の材質を用いて、図４の（ａ）〜（ｅ）の工程を行う。

（ｆ）工程
次に、（ｅ）工程の後、ＢＨＦにより第２の絶縁層２２をエッチングにより後退させるが、エミッタ先端部分の第１の絶縁層２１のみが露出した時点で一旦エッチングを終了する。

（ｇ）工程
次に、第１の絶縁層２１のみがエッチングできるエッチング液などを用いて、第１の絶縁層２１のエミッタ先端部分のみをエッチングにより除去する。

（ｈ）工程
次に、再び第２の絶縁層２２をエッチングするＢＨＦの工程を行い、第２の絶縁層２２を更に後退させる。

以上の工程により、図１の構造の電界放出素子が得られる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、ゲート電極が平坦である電界放出素子の場合について、図６乃至図９を参照して説明する。本実施の形態における原理と効果は、第１の実施の形態で説明したと同様である。本実施の形態において、エミッタ側壁被覆絶縁層の縁により規定される三重点は、条件１を満たす。本実施の形態は、従来のゲート電極が平坦であるスピント型電界放出素子（図１１参照）に対して、本発明の絶縁層構造を適用したものである。従来例は、図１１に示すように、エミッタの側壁及びエミッタ電極が真空に対して露出している構造である。それに対して、本実施の形態では、エミッタの側壁及びエミッタ電極は第１の絶縁層２１で覆われ、エミッタ先端の電子放出端のみが露出している。トリプルジャンクション５は電子放出端付近に形成される。このような絶縁層の配置にすることにより、トリプルジャンクション５から放出された電子は、絶縁層の沿面方向に加速されることなく、真空中に向かって加速されるので、沿面放電に至ることはない。

図６は、本実施の形態の電界放出素子の一例の模式図である。図６の電界放出素子は、エミッタ電極１２上に設けられた先端が先鋭な円錐形状のエミッタ１１と、エミッタ１１先端のみを露出させてエミッタ１１の側壁及びエミッタ電極を被覆する第１の絶縁層２１と、ゲート電極のエミッタ及びエミッタ電極と対向する内壁面に設けられ第３の絶縁層２３と、第１の絶縁層２１と第３の絶縁層２３を接続するように配置される第２の絶縁層２２と、エミッタ先端周辺部に開口を有する平坦なゲート電極３１とを備える。エミッタ１１と第１の絶縁層２１と真空とのトリプルジャンクション５の位置が、この第１の絶縁層２１の縁により規定される。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、第２の絶縁層２２は、エミッタ先端から見て、また、トリプルジャンクションから見て、第１の絶縁層２１の被覆端（エミッタ先端部開口）より、エミッタ下部へ後退し、さらにエミッタ電極表面上の後退した位置に、第１の絶縁層２１と隙間なく連続して設けられる。このように、第２の絶縁層を第１の絶縁層よりも電子放出端から見て後退させることによって、第２の絶縁層の沿面がトリプルジャンクションから直接見通せない位置とすることができる。即ち、第２の絶縁層の沿面が、トリプルジャンクションから放出された電子が到達し得ないような位置とすることができる。

前記後退により、第１の絶縁層２１は、第２の絶縁層２２に被覆されていない表面を有する。本実施の形態では、第１の絶縁層２１の表面と第２の絶縁層２２の表面が真空と接し、これらは絶縁層の沿面と呼ぶことができる。本実施の形態においても、絶縁層の沿面は、条件２（三重点と絶縁層の沿面の各部との直線距離をＬｏとしたときに、Ｌｏ＞２Ｄを満たす沿面が存在する）を満足する。トリプルジャンクションから放出された電子は、本来必要としている電子放出端から放出された電子と同様に、等電位線に直交する方向で、陽極に向かって加速されるので、第１の絶縁層の表面を沿うような方向に加速されることはない。

図６に示すように、第1の絶縁層２１と第２の絶縁層２２の境界部分に隙間が生じないような構造としなければならない。図６において絶縁層２１と絶縁層２２に隙間が生じれば、それはすなわちトリプルジャンクションが形成されることになるからである。

第1の絶縁層２１と第２の絶縁層２２の境界部分に隙間が生じないような構造として、例えば、次の変形例１、２がある。

［変形例１］
図７は、変形例１を示す模式図である。変形例１の電界放出素子の絶縁構造は、エミッタ１１先端のみを露出させてエミッタ１１の側壁及びエミッタ電極１２を被覆する第１の絶縁層２１が、エミッタ電極とゲート電極の間に設けられる第２の絶縁層２２を被覆するとともに、さらに連続して、ゲート電極のエミッタ電極対向面及びエミッタ対向面を被覆する構造である。第１の絶縁層２１により、エミッタ側壁とエミッタ電極とゲート電極内壁が、連続して被覆され絶縁され、隙間が生じない。

［変形例２］
図８は、変形例２を示す模式図である。変形例２の電界放出素子の絶縁構造は、エミッタ１１先端のみを露出させてエミッタ１１の側壁及びエミッタ電極１２を被覆する第１の絶縁層２１と、ゲート電極のエミッタ及びエミッタ電極と対向する内壁面に設けられ第３の絶縁層２３と、第１の絶縁層２１と第３の絶縁層２３との層間に挟み込まれている第２の絶縁層２２とからなる構造である。該構造により、図６や図７と同様の効果が得られる。

［製造方法］
図６や図７の電界放出素子は、図１１に示した従来例のスピント型電界放出素子が完成したあとで、つまり、第２の絶縁層２２が完成した状態で、第１の絶縁層２１と第３の絶縁層２３を所望の位置に成膜する方法により作製できる。例えば、ＣＶＤ法など構造各部にコンフォーマルに製膜できるような方法等により、絶縁層を成膜できる。また、エミッタ１１先端に成膜された第１の絶縁層２１は、例えば、集束イオンビームを使い、アレイ状のエミッタの各先端の絶縁層のみエッチングすることにより先端のみ除去できる。

本実施の形態の電界放出素子の製造方法について、図９を参照して説明する。図９は、変形例２（図８参照）の素子のための製造工程（ａ）〜（ｆ）を説明する図である。

（ａ）工程
第１の実施の形態において説明した図４（ａ）の工程と同様に、エミッタ電極１２上に先鋭な円錐形状のエミッタ１１を形成する。

（ｂ）工程
次に、第１の絶縁層２１、第２の絶縁層２２、第３の絶縁層２３、およびゲート電極３１を連続して成膜する。この時、絶縁層とゲート電極の合計の膜厚が、エミッタの高さよりも厚くなるように設計する。第１の絶縁層２１と第２の絶縁層２２と第３の絶縁層２３とについては、後の工程で選択的にエッチングができる必要があることを考慮して、適切な材料と膜厚を選択する。例えば、第１の絶縁層２１としてアルミナ、第２の絶縁層２２としてシリコン酸化膜、第３の絶縁層２３としてシリコン窒化膜を用いることができる。

（ｃ）工程
次に、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）法により、エミッタ１１上の凸になった部分を削り取る。この時、ゲート電極の上に緩衝材を堆積してもよい。

（ｄ）工程
次に、図５（ｆ）の工程と同様に、ＢＨＦにより第２の絶縁層２２をエッチングにより後退させるが、エミッタ先端部分の第１の絶縁層２１のみが露出した時点で一旦エッチングを終了する。

（ｅ）工程
次に、図５（ｇ）の工程と同様に、第１の絶縁層２１のみがエッチングできるエッチング液などを用いて、第１の絶縁層２１のエミッタ先端部分のみをエッチングにより除去する。

（ｆ）工程
次に、図５（ｈ）の工程と同様に、再び第２の絶縁層２２をエッチングするＢＨＦの工程を行い、第２の絶縁層２２を更に後退させる。
以上の工程により、エミッタ先端のみ露出し、側壁は第１の絶縁層２１で被覆された構造の変形例２の電界放出素子が得られる。

なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。例えば、電界放出素子をアレー状に形成する等、適宜できる。

本発明の電界放出素子及びこれを用いた装置は、絶縁破壊を防止する構造であるので、薄型ディスプレイ等、超高感度のイメージセンサー、放射線耐性の高いイメージセンサー等の装置に広く利用でき、産業上有用である。

１陰極（エミッタ電極）
２絶縁体
３陽極（ゲート電極）
４二次電子放出
５三重点（トリプルジャンクション）
６等電位線
１１エミッタ
１２エミッタ電極
２１第１の絶縁層
２２第２の絶縁層
２３第３の絶縁層
３１ゲート電極
４１フォトレジスト
Ｐ、Ｑ、トリプルジャンクションから放出された電子の加速される向きを表す矢印
Ｄエミッタの先端と引き出し用ゲート電極との最短距離
Ｌｔ三重点と電子放出端との距離
Ｌｏ三重点と絶縁層の沿面の各部との直線距離

Claims

先端が先鋭な電子放出端となっているエミッタと、
前記エミッタの先端を露呈する開口を有する、火山型の引き出し用ゲート電極と、
前記エミッタの電子放出端を露出する開口周縁を有し、前記エミッタの側壁を被覆するエミッタ側壁被覆絶縁層とを備え、
前記エミッタの先端と前記引き出し用ゲート電極との最短距離をＤ、前記エミッタと前記エミッタ側壁被覆絶縁層と真空の三つの境界線が重なる三重点と、電子放出端との距離をＬｔとした時に、
Ｌｔ＜Ｄ／２
であり、
前記エミッタ側壁被覆絶縁層の更に外側に、前記エミッタ側壁被覆絶縁層よりも前記電子放出端から見て後退した第２の絶縁層を前記エミッタ側壁被覆絶縁層上に備え、
前記引き出し用ゲート電極の前記エミッタに対向する面を被覆するゲート電極内壁被覆絶縁層を備え、前記ゲート電極内壁被覆絶縁層と前記エミッタ側壁被覆絶縁層とはそれぞれ個別の膜であり、前記エミッタ側壁被覆絶縁層と前記ゲート電極内壁被覆絶縁層を接続するように前記第２の絶縁層が設けられ、
前記三重点と、前記エミッタ側壁被覆絶縁層及び前記第２の絶縁層の表面からなる沿面の各部との直線距離をＬｏとしたときに、Ｌｏ＞２Ｄを満たす沿面が存在すること、
を特徴とする電界放出素子。
請求項１記載の電界放出素子を備える装置。