JPH05135687A - Semiconductor electron-emitting element - Google Patents

Semiconductor electron-emitting element

Info

Publication number
JPH05135687A
JPH05135687A JP6759491A JP6759491A JPH05135687A JP H05135687 A JPH05135687 A JP H05135687A JP 6759491 A JP6759491 A JP 6759491A JP 6759491 A JP6759491 A JP 6759491A JP H05135687 A JPH05135687 A JP H05135687A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diamond
layer
electron
type
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP6759491A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3085407B2 (en
Inventor
Keiji Hirabayashi
敬二 平林
Masaaki Matsushima
正明 松島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP6759491A priority Critical patent/JP3085407B2/en
Publication of JPH05135687A publication Critical patent/JPH05135687A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3085407B2 publication Critical patent/JP3085407B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide diamond crystal of high quality so as to provide a high electron emission characteristic by setting the crystal defect density of a diamond semiconductor layer to 10<8> pieces/cm<2> or less. CONSTITUTION:A 1mum-thick (p)-type diamond layer 102 is formed on a (p<+>) type Si substrate 101 by heat filament CVD method. An SiO<2> mask 103 is provided in a predetermined position and an (n)-type diamond layer 104 is selectively formed in only the exposed part of the diamond layer 102 of a mask opening. Next, an Ti electrode 105, a 100Angstrom -thick Ag layer 111, an SiO<2> layer 106, and a poly Si leading electrode 107 are formed into respective predetermined shapes by photomechanical technique. When a reverse-biased voltage Vb is applied between the electrodes 105, 108, injected electrons are allowed to pass through the (n)-type diamond layer 104 and the Ag layer 111 and escape into a vacuum region. The electrons can be released outside of an element by application of a leading voltage Vg to the electrodes 107, 105. During crystallization of the diamond O2 is added in the raw material so that the crystal defect density is 10<8> pieces/cm<2> or less.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体電子放出素子に係
り、特にダイヤモンド半導体層を用いた半導体電子放出
素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor electron emitting device, and more particularly to a semiconductor electron emitting device using a diamond semiconductor layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体電子放出素子のうち、アバ
ランシェ増幅を用いたものとしては、半導体基板上にp
型半導体とn型半導体との接合を形成した素子(pn接
合型素子)、及び半導体層と金属や金属化合物とのショ
ットキー接合を形成した素子(ショットキー接合型素
子)がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, among semiconductor electron-emitting devices, one using avalanche amplification is a p-type semiconductor device.
There are an element in which a junction between a type semiconductor and an n-type semiconductor is formed (pn junction element), and an element in which a Schottky junction between a semiconductor layer and a metal or a metal compound is formed (Schottky junction element).

【0003】上記アバランシェ増幅を用いたpn接合型
半導体電子放出素子としては、例えば米国特許第425
9678号及び米国特許第4303930号に記載され
ているものが知られている。
An example of a pn junction type semiconductor electron-emitting device using the avalanche amplification described above is disclosed in US Pat. No. 425.
Those described in 9678 and US Pat. No. 4,303,930 are known.

【0004】この半導体電子放出素子は、半導体基板上
にp型半導体層とn型半導体層とを形成し、該n型半導
体層の表面に更にセシウム等の金属を付着させて電子放
出部を形成したものであり、p型半導体層とn型半導体
層とにより形成されたダイオードに逆バイアス電圧をか
けてアバランシェ増幅を起こすことにより電子をホット
化し、電子放出部より電子を放出するものである。
In this semiconductor electron-emitting device, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are formed on a semiconductor substrate, and a metal such as cesium is further attached to the surface of the n-type semiconductor layer to form an electron-emitting portion. The reverse bias voltage is applied to the diode formed of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer to cause avalanche amplification, thereby hotening the electron and emitting the electron from the electron emitting portion.

【0005】また、上記アバランシェ増幅を用いたショ
ットキー接合型の半導体電子放出素子としては、例えば
p型半導体層と金属電極との接合を形成し、この接合に
逆バイアス電圧をかけてアバランシェ増幅を起こすこと
により電子をホット化し、電子放出部より電子を放出さ
せるものがある。
As a Schottky junction type semiconductor electron-emitting device using the avalanche amplification, for example, a junction between a p-type semiconductor layer and a metal electrode is formed, and a reverse bias voltage is applied to this junction to perform avalanche amplification. In some cases, the electrons are made hot by causing the electrons to be emitted from the electron emitting portion.

【0006】ところで、上記の従来例のようなアバラン
シェ増幅を利用した半導体電子放出素子から電子を放出
させる時に多くの電子放出電流を得ようとすれば、非常
に多くの電流を素子にかけねばならない。通常、上記の
様なpn接合から電子を放出させる場合には、1万アン
ペア以上の電流密度が必要であるが、この様な大電流を
流すと素子が発熱し、該素子の電子放出特性が不安定化
したり、該素子の寿命が短くなったりするという問題が
あった。
By the way, if a large amount of electron emission current is to be obtained when electrons are emitted from the semiconductor electron emission device utilizing the avalanche amplification as in the above-mentioned conventional example, a very large amount of current must be applied to the device. Usually, in order to emit electrons from the pn junction as described above, a current density of 10,000 amperes or more is required. However, when such a large current is passed, the element generates heat and the electron emission characteristic of the element is increased. There are problems that the device becomes unstable and the life of the device is shortened.

【0007】そこで、局所的発熱の少ない電子放出素子
が望まれていた。
Therefore, there has been a demand for an electron-emitting device which generates little local heat.

【0008】また、上記pn接合型の従来例では、電子
放出部の仕事関数を低下させ逆バイアス電圧を抑えるこ
とができるようにするために、低仕事関数の材料を用い
ている。
Further, in the conventional example of the pn junction type, a material having a low work function is used in order to lower the work function of the electron emitting portion and suppress the reverse bias voltage.

【0009】従来、逆バイアス電圧をあまり大きくせず
電子放出を行うためにセシウム等の材料が低仕事関数の
材料として用いられていたが、セシウム等の低仕事関数
の材料は化学的に活性であるため、半導体層の局所的な
発熱による影響を受け、安定な動作を期待することが困
難であった。このため、仕事関数低下材料として比較的
安定な材料をも使用し得る様な電子放出素子が望まれて
いた。
Conventionally, a material such as cesium has been used as a material having a low work function in order to emit electrons without increasing the reverse bias voltage so much. However, a material having a low work function such as cesium is chemically active. Therefore, it is difficult to expect stable operation due to the influence of local heat generation of the semiconductor layer. Therefore, an electron-emitting device that can use a relatively stable material as a work function lowering material has been desired.

【0010】また、従来のショットキー接合型電子放出
素子の電極材料としては、ショットキー接合を作り得る
様な材料で、しかも仕事関数が低い材料が望まれてい
た。しかし、従来の電子放出素子では、半導体層の局所
的加熱により電極材料がマイグレートしやすいことや、
半導体のエネルギーバンドギャップの大きさから、電極
材料の選択の幅が狭く素子の安定性向上のための材料選
定が良好に行えないという難点があった。また、電子放
出部の仕事関数を低下させるために該電子放出部の表面
にセシウムあるいはセシウムの酸化物の層を形成する場
合には、上記pn接合型の従来例と同様の問題点が生ず
る。
Further, as the electrode material of the conventional Schottky junction type electron-emitting device, a material which can form a Schottky junction and has a low work function has been desired. However, in the conventional electron-emitting device, the electrode material easily migrates due to local heating of the semiconductor layer,
Due to the size of the energy bandgap of the semiconductor, the selection range of the electrode material is narrow, and there is a problem that the material selection for improving the stability of the device cannot be performed well. Further, when a layer of cesium or an oxide of cesium is formed on the surface of the electron emitting portion in order to lower the work function of the electron emitting portion, the same problem as in the conventional example of the pn junction type occurs.

【0011】そこで、局所的な発熱が小さくショットキ
ー電極の材料選択の幅の広い電子放出素子が望まれてい
た。
Therefore, there has been a demand for an electron-emitting device which produces a small amount of local heat and has a wide range of materials for the Schottky electrode.

【0012】以上の観点から、ダイヤモンド半導体層を
用いた電子放出素子が期待されている。ダイヤモンド半
導体層は、常温下では物質中一番の熱伝導度を持ち、
又、広いバンドギャップ(5.4eV)のため耐熱性が
強く、又、ショットキー電極の材料選択の幅が広いから
である。
From the above viewpoints, an electron emitting device using a diamond semiconductor layer is expected. The diamond semiconductor layer has the highest thermal conductivity of the substance at room temperature,
Also, because of the wide band gap (5.4 eV), the heat resistance is strong, and the material range for the Schottky electrode is wide.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとしている課題】ダイヤモンド結晶
は、一般に{100}面と{111}面よりなる多面体
粒子として析出し、この多面体粒子の合体の結果、膜状
ダイヤモンドが得られる。この{100}面と{11
1}面では成長機構が異なり、本発明者らの報告(ジャ
パニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス
誌29巻10号L1901〜L1903ページ、199
0年)によれば、{111}面は多核成長様式、{10
0}面は単一核成長様式で成長している。この二つの結
晶面において電子放出特性は大きく異なっており、例え
ば{111}面は{100}面に比べて放出電子量が小
さく、半導体電子放出素子の放出電子量増大の妨げにな
っていた。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Diamond crystals are generally precipitated as polyhedral particles composed of {100} planes and {111} planes, and as a result of coalescence of these polyhedral grains, a film diamond is obtained. This {100} plane and {11
1}, the growth mechanism is different, and the present inventors report (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 29, No. 10, L1901 to L1903, 199, 199).
According to (0 years), the {111} plane has a multinuclear growth pattern,
The 0} plane is growing in a single nucleus growth mode. The electron emission characteristics of these two crystal planes are greatly different. For example, the {111} plane has a smaller amount of emitted electrons than the {100} plane, which hinders an increase in the emitted electron amount of the semiconductor electron-emitting device.

【課題を解決するための手段】本発明の半導体電子放出
素子は、ダイヤモンド半導体層を用いた半導体電子放出
素子において、上記ダイヤモンド半導体層の結晶欠陥密
度を108 個/cm2以下とすることを特徴とする。
The semiconductor electron-emitting device of the present invention is a semiconductor electron-emitting device using a diamond semiconductor layer, wherein the crystal defect density of the diamond semiconductor layer is set to 10 8 defects / cm 2 or less. Characterize.

【0014】[0014]

【作用】以下、本発明の作用を本発明をなすに際して得
た知見と共に説明する。
The function of the present invention will be described below together with the findings obtained in making the present invention.

【0015】前述したとおり、{111}面は{10
0}面に比べて放出電子量が小さいが、これは{11
1}面が多核成長様式であり、面内に1010個/cm2
といったような多数の転位・欠陥が発生し、これが電子
放出素子として用いた場合の電子放出効率の障害とな
り、放出電子量が小さくなる原因であると考えられる。
As described above, the {111} plane is {10
The amount of emitted electrons is smaller than that of the 0} plane, which is {11
1} plane is a multi-nucleus growth mode and 10 10 / cm 2 in the plane
It is considered that a large number of such dislocations / defects occur, which impairs the electron emission efficiency when used as an electron-emitting device and causes the amount of emitted electrons to decrease.

【0016】本発明者らは、かかる見地から鋭意研究を
続けた結果、{111}の結晶欠陥密度を108 個/c
2 以下とすることで、半導体電子放出素子の電子放出
効率を高めることができることを見出し、本発明に到達
したものである。なお、本発明の望ましい転位・欠陥の
密度は108 個/cm2 以下、さらに望ましくは5×1
7個/cm2 以下である。
The inventors of the present invention have conducted earnest research from this viewpoint, and as a result, have found that the crystal defect density of {111} is 10 8 defects / c.
With m 2, it found that it is possible to increase the electron emission efficiency of the semiconductor electron emitting device is one that has reached the present invention. The density of dislocations / defects of the present invention is preferably 10 8 / cm 2 or less, more preferably 5 × 1.
It is not more than 0 7 pieces / cm 2 .

【0017】{111}面の成長様式は既に述べたよう
に多核成長様式であるが、ダイヤモンド結晶成長時の原
料ガス中に酸素を添加することにより、多核成長様式の
核形成速度が減少し、単一核成長様式へ変化していくこ
とが明らかになった。この単一核成長様式への変化によ
り{111}面中に見られる転位・欠陥が大幅に減少
し、良質なダイヤモンド結晶を形成することができる。
この原因の詳細は不明な点が多いが、エッチング効果の
大きい酸素添加により、炭素源の過飽和度が減少し核形
成速度が減少するためと考えられる。以上のような転位
・欠陥の少ないダイヤモンド半導体層を用いることによ
り放出電子量の大きな半導体電子放出素子が得られる。
この転位及び欠陥を減少させる方法は、原料ガス中に酸
素を添加させる方法の他にも、他のエッチング用ガス例
えばフッ素及び塩素を含有するガスを添加させる方法で
もよい。
The growth mode of the {111} plane is a multi-nucleus growth mode as described above, but the addition of oxygen to the source gas during diamond crystal growth reduces the nucleation rate of the multi-nucleus growth mode, It became clear that it will change to a single nuclear growth mode. Due to this change to the single nucleus growth mode, dislocations and defects found in the {111} plane are significantly reduced, and a high quality diamond crystal can be formed.
Although there are many unclear points regarding the cause of this, it is considered that the addition of oxygen, which has a large etching effect, reduces the supersaturation degree of the carbon source and reduces the nucleation rate. By using the diamond semiconductor layer having few dislocations and defects as described above, a semiconductor electron-emitting device having a large amount of emitted electrons can be obtained.
The method of reducing the dislocations and defects may be a method of adding oxygen to the raw material gas, or a method of adding another etching gas such as a gas containing fluorine and chlorine.

【0018】本発明に用いる半導体電子放出素子は、負
の電子親和力(Negative ElectronAffinity) を用いた
もの、電子なだれ増幅(アバランシェ増幅)を用いたも
のなどいかなるものでもよい。
The semiconductor electron-emitting device used in the present invention may be any one using negative electron affinity (Negative Electron Affinity), one using electron avalanche amplification (avalanche amplification), or the like.

【0019】以下、アバランシェ増幅を用いたものを例
にとって本発明について説明する。図2A,図2Bは電
子なだれ誘起層がn型半導体層であるpn接合型の半導
体電子放出素子におけるエネルギーバンド図である。図
において、pはp型半導体層を示し、nはn型半導体層
を示し、Tは低仕事関数の材料の層を示す。図2Aはp
型ダイヤモンド層とn型ダイヤモンド層とのpn接合の
場合を示している。図2Bはp型ダイヤモンド層とダイ
ヤモンドよりバンドギャップの小さいn型半導体層との
ヘテロ接合を用いた場合を示している。尚、本発明にお
けるp型及びn型の半導体は、特に断らないかぎり不純
物を高濃度に含んだ、いわゆるp+ やn+ をも意味する
ものとする。
The present invention will be described below by taking an example using avalanche amplification. 2A and 2B are energy band diagrams in a pn junction type semiconductor electron-emitting device in which the electron avalanche inducing layer is an n-type semiconductor layer. In the figure, p represents a p-type semiconductor layer, n represents an n-type semiconductor layer, and T represents a layer of a low work function material. 2A is p
It shows a case of a pn junction between a diamond layer and an n-type diamond layer. FIG. 2B shows a case where a heterojunction of a p-type diamond layer and an n-type semiconductor layer having a band gap smaller than that of diamond is used. Unless otherwise specified, the p-type and n-type semiconductors in the present invention also mean so-called p + and n + containing impurities at a high concentration.

【0020】図2A及び図2Bに示す様に、p型半導体
層とn型半導体層との接合の間を逆バイアスすることに
より、真空準位Evac をp型半導体層の伝導帯Ec より
低いエネルギー準位とすることができ、大きなエネルギ
ー差ΔE(=Ec −Evac )を得ることができる。この
状態で、アバランシェ増幅を起こすことにより、p型半
導体層においては少数キャリアであった電子を多数生成
することが可能となり、電子の放出効率を高めることが
できる。また、空乏層内の電界が電子にエネルギーを与
えるために、電子がホット化されて運動エネルギーが大
きくなり、n型半導体層表面の仕事関数よりも大きなポ
テンシャルエネルギーを持つ電子が散乱によるエネルギ
ーロスを伴わずに表面から飛び出すことが可能となる。
As shown in FIGS. 2A and 2B, by reverse biasing the junction between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, the vacuum level E vac can be calculated from the conduction band E c of the p-type semiconductor layer. The energy level can be low, and a large energy difference ΔE (= E c −E vac ) can be obtained. By causing avalanche amplification in this state, a large number of electrons, which were minority carriers, can be generated in the p-type semiconductor layer, and the electron emission efficiency can be improved. Further, since the electric field in the depletion layer gives energy to the electrons, the electrons are hottened to increase the kinetic energy, and the electrons having potential energy larger than the work function of the surface of the n-type semiconductor layer cause energy loss due to scattering. It is possible to jump out of the surface without it.

【0021】本発明の半導体電子放出素子においては、
少なくともp型半導体層としてダイヤモンド層を用いる
ことにより、熱伝導性に優れ、放熱により素子の局所的
発熱が少なく、従って安定した電子放出特性を得ること
ができる。
In the semiconductor electron-emitting device of the present invention,
By using the diamond layer as at least the p-type semiconductor layer, the thermal conductivity is excellent, the local heat generation of the element is small due to the heat radiation, and thus stable electron emission characteristics can be obtained.

【0022】図2Aに示す様なダイヤモンド半導体のp
n接合を用いた場合、接合界面でのエネルギーバンドの
結合がスムーズで電子の散乱が少なく良好な電子放出特
性が得られる。
P of a diamond semiconductor as shown in FIG. 2A.
When the n-junction is used, energy band coupling at the junction interface is smooth, electron scattering is small, and good electron emission characteristics can be obtained.

【0023】図2Bはp型ダイヤモンド層とダイヤモン
ドよりバンドギャップの小さいn型半導体層とのヘテロ
接合を用いた場合のエネルギーバンド図を示している。
pn接合型のアバランシェ増幅を用いた電子放出素子に
おいては、n型半導体の抵抗値を下げることにより更に
発熱を低下させることができる。一般に、ダイヤモンド
の様なバンドギャップの大きい材料の場合は、伝導帯の
有効状態密度が小さいため、半導体の抵抗率をSi,G
eの様に10-4Ω・cm程度まで下げることは困難であ
る。そこでp型半導体層上に該p型半導体層よりもバン
ドギャップの小さなn型半導体層を形成してn型半導体
層の抵抗を下げることにより、更に発熱を低下させるこ
とが可能となり、より安定性の高い電子放出素子を得る
ことができる。
FIG. 2B shows an energy band diagram when a heterojunction of a p-type diamond layer and an n-type semiconductor layer having a band gap smaller than that of diamond is used.
In the electron-emitting device using pn junction type avalanche amplification, heat generation can be further reduced by lowering the resistance value of the n-type semiconductor. In general, in the case of a material having a large band gap such as diamond, the effective state density of the conduction band is small, so that the resistivity of the semiconductor is Si, G
Like e, it is difficult to reduce to about 10 −4 Ω · cm. Therefore, by forming an n-type semiconductor layer having a bandgap smaller than that of the p-type semiconductor layer on the p-type semiconductor layer to reduce the resistance of the n-type semiconductor layer, it is possible to further reduce heat generation and to improve stability. It is possible to obtain an electron-emitting device having high efficiency.

【0024】また、p型半導体層にダイヤモンド層を用
いているため、ダイヤモンドの持つバンドギャップが広
いために小さな逆バイアス電位で大きなΔEをとること
ができる。このため、従来の様に、n型半導体層の表面
にあえて化学的に不安定なセシウム等の低仕事関数材料
の層を形成する必要がなく、化学的に安定な比較的高い
仕事関数の材料の層を形成することができる。ダイヤモ
ンドのエネルギーバンドギャップが5.4eVで、ホウ
素を不純物とした場合のp型半導体の活性化エネルギー
が0.37eVであるため、n型半導体層表面に形成さ
れる材料層の仕事関数が5.0eV以下であれば、比較
的低い逆バイアス電圧の印加でΔE>0となり、電子放
出が可能となる。
Further, since the diamond layer is used for the p-type semiconductor layer, a large ΔE can be obtained with a small reverse bias potential because the diamond has a wide band gap. Therefore, unlike the prior art, it is not necessary to form a chemically unstable layer of a low work function material such as cesium on the surface of the n-type semiconductor layer, and a chemically stable material having a relatively high work function is used. Layers can be formed. Since the energy band gap of diamond is 5.4 eV and the activation energy of the p-type semiconductor is 0.37 eV when boron is used as an impurity, the work function of the material layer formed on the surface of the n-type semiconductor layer is 5. If it is 0 eV or less, ΔE> 0 is achieved by applying a relatively low reverse bias voltage, and electron emission becomes possible.

【0025】図5は電子なだれ誘起層がショットキー電
極であるショットキー接合型の電子放出素子におけるエ
ネルギーバンド図である。図において、pはp型半導体
層を示し、Tはショットキー電極を示す。図5に示す様
に、p型半導体層及び薄膜ショットキー電極との接合の
間を逆バイアスすることによって、真空準位Evac をp
型半導体層の伝導帯準位Ec より低いエネルギー準位と
することができ、大きなエネルギー差ΔE(=Ec −E
vac )を得ることができる。
FIG. 5 is an energy band diagram of a Schottky junction type electron-emitting device in which the avalanche inducing layer is a Schottky electrode. In the figure, p indicates a p-type semiconductor layer, and T indicates a Schottky electrode. As shown in FIG. 5, the vacuum level E vac is set to p by reducing the bias between the junction between the p-type semiconductor layer and the thin film Schottky electrode.
Energy level lower than the conduction band level E c of the type semiconductor layer, and a large energy difference ΔE (= E c −E
vac ) can be obtained.

【0026】この状態で、アバランシェ増幅を起こすこ
とにより、p型半導体層においては少数キャリアであっ
た電子を多数生成することが可能となり、電子の放出効
率を高めることができる。また、空乏層内の電界が電子
にエネルギーを与えるために、電子がホット化されて格
子系の温度よりも運動エネルギーが大きくなり、表面の
仕事関数よりも大きなポテンシャルを持つ電子が散乱に
よるエネルギーロスを伴わずに電子放出を行わせること
が可能となる。
By causing avalanche amplification in this state, a large number of electrons, which were minority carriers, can be generated in the p-type semiconductor layer, and the electron emission efficiency can be improved. Also, since the electric field in the depletion layer gives energy to the electrons, the electrons are hottened and the kinetic energy becomes larger than the temperature of the lattice system, and the electrons with a potential larger than the work function of the surface lose energy due to scattering. It is possible to cause electron emission without being accompanied by.

【0027】p型層にダイヤモンドを用いた場合、その
大きなバンドギャップの故に、広い仕事関数範囲の材料
から電極を構成することにより良好なショットキー接合
を形成することができ、電極材料の仕事関数の許容範囲
を非常に広くすることができる。また、広い仕事関数の
範囲の材料からショットキー電極材料を選択することが
できるため、安定に電子放出を行い得るショットキー接
合を形成することができる。
When diamond is used for the p-type layer, a good Schottky junction can be formed by forming the electrode from a material having a wide work function range because of its large band gap, and the work function of the electrode material is The tolerance range of can be made very wide. In addition, since a Schottky electrode material can be selected from materials having a wide work function range, a Schottky junction capable of stable electron emission can be formed.

【0028】[0028]

【実施態様例】本発明の素子におけるダイヤモンド層の
形成には、公知の熱フィラメントCVD法、マイクロ波
プラズマCVD法、有磁場マイクロ波プラズマCVD
法、直流プラズマCVD法、RFプラズマCVD法、燃
焼炎法等の気相合成法を用いることができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS For forming a diamond layer in the device of the present invention, known hot filament CVD method, microwave plasma CVD method, magnetic field microwave plasma CVD method are used.
A vapor phase synthesis method such as a method, a DC plasma CVD method, an RF plasma CVD method, or a combustion flame method can be used.

【0029】炭素原料としては、メタン,エタン,エチ
レン,アセチレン等の炭化水素ガス及びアルコール,ア
セトン等の液体有機化合物、一酸化炭素又はハロゲン化
炭素などを用いることができ、さらに適宜、水素、酸
素、塩素、フッ素を含むガスを添加することができる。
As the carbon raw material, hydrocarbon gas such as methane, ethane, ethylene, acetylene and the like, liquid organic compound such as alcohol and acetone, carbon monoxide or halogenated carbon and the like can be used, and further hydrogen, oxygen can be appropriately used. A gas containing chlorine, fluorine, can be added.

【0030】転位・欠陥密度を108 個/cm2 以下と
するためには、例えばO2 ,H2 O,N2 Oなどの酸素
含有ガスを原料ガス中に添加する。その添加量は、原料
ガス中の酸素と炭素の比(O/C)を0.2≦(O/
C)≦2、望ましくは0.5≦(O/C)≦1とする。
0.2以下では酸素添加の効果がなく、転位・欠陥の少
ないダイヤ結晶が形成されないからであり、又、2以上
では酸素のエッチング効果により実用上使用可能なダイ
ヤモンドの形成速度を得ることができないからである。
In order to reduce the dislocation / defect density to 10 8 / cm 2 or less, oxygen-containing gas such as O 2 , H 2 O and N 2 O is added to the raw material gas. The amount added is such that the ratio of oxygen to carbon (O / C) in the source gas is 0.2 ≦ (O /
C) ≦ 2, preferably 0.5 ≦ (O / C) ≦ 1.
If it is less than 0.2, there is no effect of oxygen addition and a diamond crystal with few dislocations / defects is not formed. If it is more than 2, the practically usable diamond formation rate cannot be obtained due to the etching effect of oxygen. Because.

【0031】さらに詳細なダイヤモンド結晶の合成条件
としては、例えば原料ガス中の酸素と炭素比(O/C)
を上述の範囲とした雰囲気ガス中で、圧力を1〜100
0Torrとして、公知のマイクロ波プラズマCVD法
及び熱フィラメントCVD法、燃焼炎法でダイヤモンド
結晶を合成する、さらには、圧力0.01〜10Tor
rの範囲内で公知の有磁場マイクロ波プラズマCVD法
で合成する、などをあげることができる。ダイヤモンド
結晶は、基体上に必ずしも全面に形成される必要はな
く、例えば本発明者らの特開平2−30697号公報に
基づくダイヤモンドの選択堆積法により希望する部位の
みに形成してもかまわない。又、上記特開平2−306
97号公報に基づき、核発生サイトを10μm2 以下と
十分小さくすることにより、単一核よりなるダイヤモン
ド結晶を用いてもよい。ただし燃焼炎法において単一核
よりなるダイヤモンド結晶を形成する場合は、一般に核
発生密度が小さく、核発生サイトを10μm2 以下とす
ると析出ヌケが生じやすいため、核発生サイトを100
μm2以下10μm2 を超えた値、望ましくは25μm2
から80μm2 とすることが好ましい。
More detailed conditions for synthesizing diamond crystals include, for example, oxygen and carbon ratio (O / C) in the raw material gas.
In an atmosphere gas having the above range, the pressure is 1 to 100.
As 0 Torr, a diamond crystal is synthesized by the known microwave plasma CVD method, hot filament CVD method, and combustion flame method, and further, the pressure is 0.01 to 10 Torr.
For example, it can be synthesized by a known magnetic field microwave plasma CVD method within the range of r. The diamond crystal does not necessarily have to be formed on the entire surface of the substrate, and may be formed only on a desired portion by the selective deposition method of diamond based on, for example, JP-A-2-30697 of the present inventors. Further, the above-mentioned JP-A-2-306
Based on Japanese Patent No. 97, a diamond crystal having a single nucleus may be used by sufficiently reducing the nucleation site to 10 μm 2 or less. However, in the case of forming a diamond crystal consisting of a single nucleus in the combustion flame method, the nucleus generation density is generally low, and if the nucleus generation site is 10 μm 2 or less, precipitation is likely to occur, so that the nucleus generation site is 100%.
[mu] m 2 value exceeding the following 10 [mu] m 2, preferably 25 [mu] m 2
To 80 μm 2 is preferable.

【0032】上記ダイヤモンド結晶の合成方法のうち、
燃焼炎法は、酸素−アセチレン炎を用い、0.85≦O
2 /C22 ≦0.98とすることで、特に高品質(結
晶欠陥密度が1×107 個/cm2 程度)のダイヤモン
ドが形成でき、さらに比較的高形成速度(数十μm/h
r)を得ることができる。又、有磁場マイクロ波プラズ
マCVD法は他の方法に比べ比較的低圧力下で合成が可
能なため、大面積に均一に(例えばφ5インチウエハー
に膜厚ムラ±10%程度)成膜が可能である。ダイヤモ
ンドの選択堆積法としては、基体上にダイヤモンド砥粒
を用いて傷付け処理した部位をパターン状に形成する方
法があり、例えば本発明者らの特開平2−30697号
公報に開示した方法をあげることができるが、特にかか
る方法に限定されるものではない。
Of the above diamond crystal synthesizing methods,
The combustion flame method uses an oxygen-acetylene flame, and 0.85 ≦ O.
By setting 2 / C 2 H 2 ≦ 0.98, particularly high quality (crystal defect density of about 1 × 10 7 pieces / cm 2 ) diamond can be formed, and a relatively high formation rate (tens of μm / cm 2 ). h
r) can be obtained. In addition, since the magnetic field microwave plasma CVD method can synthesize under a relatively low pressure compared to other methods, it is possible to form a film uniformly over a large area (for example, film thickness unevenness of ± 5% on a φ5-inch wafer). Is. As a selective deposition method of diamond, there is a method of forming a pattern of scratched portions on a substrate by using diamond abrasive grains. For example, the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-30697 of the present inventors can be mentioned. However, the method is not particularly limited to such a method.

【0033】特開平2−30697号公報に開示した方
法は、基板表面の傷付け処理を施した後、基板にパター
ン状マスクを形成し、エッチング処理を行ない、マスク
を除去することにより傷付け処理した部位をパターン状
に形成する方法である。なお、基体にパターン状にマス
ク部材を設け、基体表面に傷付け処理を施しエッチング
処理によりパターン状に形成した該マスク部材を除去す
ることにより、傷付け処理した部位をパターン状に形成
する方法でもよい。また基体表面に傷付け処理を施した
後、耐熱性を有するマスク部材をパターン状に形成する
ことにより傷付け処理した部位をパターン状に形成する
方法でもよい。
In the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-30697, after the surface of the substrate is scratched, a patterned mask is formed on the substrate, etching is performed, and the mask is removed to remove scratches. Is a method for forming a pattern. Alternatively, a method may be used in which a mask member is provided in a pattern on the substrate, the surface of the substrate is scratched, and the mask member formed in a pattern by etching is removed to form the scratched portion in a pattern. Alternatively, after the surface of the substrate is scratched, a mask member having heat resistance may be formed in a pattern to form the scratched portion in a pattern.

【0034】ダイヤモンド砥粒を用いた傷付け処理の方
法は、特定の方法に限定されるものではなく、例えばダ
イヤモンド砥粒を用いて研磨を行なう、超音波処理を行
なう、又はサンドブラスト等の方法がある。例えば1μ
m以下のダイヤモンド砥粒と横ずり研磨器によりSi単
結晶基板の傷付け処理を行なうと107 個/cm2 以上
の核発生密度が得られる。又、超音波処理の方法は、
0.1〜1g/10mlの割合で、粒径1μm〜50μ
mの砥粒を分散させた液体中に基体を入れ、5分間〜4
時間、望ましくは10分間から2時間程度、超音波洗浄
器等で超音波をかけることにより行う。この超音波処理
法により、やはり107 個/cm2 以上の核発生密度を
得ることができる。
The method of the scratch treatment using the diamond abrasive grains is not limited to a specific method, and for example, there are methods such as polishing using the diamond abrasive grains, ultrasonic treatment, or sandblasting. .. For example, 1μ
When the Si single crystal substrate is scratched by using a diamond abrasive grain of m or less and a horizontal polisher, a nucleus generation density of 10 7 / cm 2 or more is obtained. Also, the method of ultrasonic treatment is
Particle size 1 μm to 50 μ at a rate of 0.1 to 1 g / 10 ml
The substrate is placed in a liquid in which m abrasive particles are dispersed for 5 minutes to 4
It is carried out by applying ultrasonic waves with an ultrasonic cleaner or the like for a time, preferably 10 minutes to 2 hours. By this ultrasonic treatment method, it is possible to obtain a nucleus generation density of 10 7 / cm 2 or more.

【0035】基体上にダイヤモンド砥粒を用いて傷付け
処理した部位をパターン状に形成することでダイヤモン
ドの選択堆積を行なう方法の一例について、図7A〜図
7Eの模式図に従って説明すると、まず基体701表面
をダイヤモンド砥粒を用いて均一に傷付け処理を施す
(図7A)。この基体表面にマスク702を形成する
(図7B)。このマスクの材料としてはどのようなもの
でもかまわないが、例えば、フォトリソグラフィー法
(光描画法)を用いてパターン状に形成されたレジスト
などがあげられる。次にマスク702を介して基体70
1をエッチングすることにより傷付け処理を施した部位
をパターン状に形成する(図7C)。上記エッチングは
ドライエッチングでもウエットエッチングのどちらでも
良い。ウエットエッチングの場合、例えばフッ酸、硝酸
混液によるエッチングなどを挙げることができる。また
ドライエッチングの場合、プラズマエッチング、イオン
ビームエッチングなどを挙げることができる。プラズマ
エッチングのエッチングガスとしては、CF4 ガス及び
CF4 ガスに酸素・アルゴンなどのガスを加えたものを
用いることができる。イオンビームエッチングのエッチ
ングガスとしてはAr,He,Ne等の希ガスや酸素、
フッ素、水素、CF4 等のガスも可能である。エッチン
グの深さは100Å以上、望ましくは500〜1000
0Å、最適には800〜2000Å程度が好ましい。次
にマスク702を除去し(図7D)、気相合成法を用い
てダイヤモンドを形成すると、傷付け処理を施した部位
に選択的にダイヤモンド703が形成される(図7
E)。
An example of a method of selectively depositing diamond by forming a pattern of scratched portions on a substrate using diamond abrasive grains will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS. 7A to 7E. First, the substrate 701 will be described. The surface is uniformly scratched using diamond abrasive grains (FIG. 7A). A mask 702 is formed on the surface of this substrate (FIG. 7B). The mask may be made of any material, and examples thereof include a resist formed in a pattern using a photolithography method (optical drawing method). Next, the substrate 70 is placed through the mask 702.
1 is etched to form a pattern on the scratched portion (FIG. 7C). The etching may be dry etching or wet etching. In the case of wet etching, etching with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid can be used. In the case of dry etching, plasma etching, ion beam etching, or the like can be given. As the etching gas for plasma etching, CF 4 gas and CF 4 gas to which a gas such as oxygen or argon is added can be used. As an etching gas for the ion beam etching, a rare gas such as Ar, He, Ne or oxygen,
Gases such as fluorine, hydrogen and CF 4 are also possible. Etching depth is 100Å or more, preferably 500-1000
0Å, optimally about 800 to 2000Å is preferred. Next, when the mask 702 is removed (FIG. 7D) and diamond is formed by using the vapor phase synthesis method, the diamond 703 is selectively formed on the scratched portion (FIG. 7).
E).

【0036】燃焼炎法によるダイヤモンドの合成方法の
模式図を図8に示す。801はバーナー、802は基
体、803は内炎、804は外炎、805は基板ホルダ
ーで水冷により、基体を冷却している。原料ガスは酸素
及びアセチレンでこれに水素ガスや他の炭化水素ガス
(メタン、エチレン等)及びドーピング用ガス(ホウ
素、リン、窒素などの含有ガス)を添加してもよい。ガ
ス流量はバーナーの大きさにより変化するが、一般的に
は1リットル/minから10リットル/min程度が
好ましい。酸素とアセチレンの流量比は、本発明では
0.2≦O2 /C22≦2、望ましくは0.85≦O2
/C22 ≦0.98、さらに望ましくは0.90≦
2 /C22 ≦0.95が好ましい。
FIG. 8 shows a schematic diagram of a method for synthesizing diamond by the combustion flame method. Reference numeral 801 is a burner, 802 is a substrate, 803 is an inner flame, 804 is an outer flame, and 805 is a substrate holder, which is water-cooled to cool the substrate. The source gas is oxygen and acetylene, and hydrogen gas, other hydrocarbon gas (methane, ethylene, etc.) and doping gas (containing gas such as boron, phosphorus, nitrogen, etc.) may be added thereto. Although the gas flow rate varies depending on the size of the burner, it is generally preferably about 1 liter / min to 10 liter / min. In the present invention, the flow rate ratio of oxygen and acetylene is 0.2 ≦ O 2 / C 2 H 2 ≦ 2, preferably 0.85 ≦ O 2
/ C 2 H 2 ≦ 0.98, more preferably 0.90 ≦
O 2 / C 2 H 2 ≦ 0.95 is preferred.

【0037】また、上記O2 /C22 比が望ましい範
囲内(0.85から0.98)において、傷付け処理と
傷付け未処理部分との核発生密度差が大きくなる傾向が
ある(図9)。選択堆積法を行なうには一般に3ケタ以
上核発生密度の異なる領域を作り分けることが望ましい
が、燃焼炎法においては上記範囲内(0.85≦O2
22 ≦0.98)で3ケタ以上の核発生密度が生じ
る。このため、燃焼炎法による選択堆積ダイヤモンドを
用いた半導体電子放出素子を作成する場合は、上記ガス
流量の範囲内で行なうことが望ましい。又基板温度は5
00℃〜1200℃、望ましくは600〜800℃が好
ましい。
Further, when the above O 2 / C 2 H 2 ratio is within a desirable range (0.85 to 0.98), the difference in nucleation density between the scratched and unscratched portions tends to be large (Fig. 9). In order to carry out the selective deposition method, it is generally desirable to create regions having different nucleation densities of three digits or more, but in the combustion flame method, it is within the above range (0.85 ≦ O 2 /
When C 2 H 2 ≦ 0.98), a nucleus generation density of 3 digits or more occurs. For this reason, when a semiconductor electron-emitting device using selectively deposited diamond by the combustion flame method is produced, it is desirable to perform it within the above gas flow rate range. The substrate temperature is 5
00 ° C to 1200 ° C, preferably 600 to 800 ° C is preferable.

【0038】又、p型ダイヤモンド層の作成のための不
純物としては、ホウ素などの周期律表第III 族の元素を
用いることができる。ホウ素の添加方法としては、原料
ガス中にホウ素含有化合物を添加する方法及びイオン注
入法等を用いることができる。
As an impurity for forming the p-type diamond layer, an element of Group III of the periodic table such as boron can be used. As a method of adding boron, a method of adding a boron-containing compound to a raw material gas, an ion implantation method, or the like can be used.

【0039】本発明のpn接合型素子におけるn型半導
体層はできるだけ薄くするのが好ましい。n型半導体層
としてダイヤモンド層を用いる場合には、ダイヤモンド
中に不純物として窒素、リンなどの周期律表第V族の元
素及びリチウムなどを添加して形成することができる。
これらの不純物添加方法としては、原料ガス中にこれら
の不純物含有ガスを添加する方法及びイオン注入法等を
用いることができる。n型半導体層として、ダイヤモン
ド以外の半導体を用いる場合には、SiやGe、更には
In,As,P等の周期律表第II族、第III 族、第V
族、第VI族の半導体材料及びこれらを組合わせたもの、
更にはアモファスシリコンやアモルファスシリコンカー
バイド等のアモルファス材料を用いることができる。こ
れらの材料は1×1020atom/cm3 以上の不純物
を添加することが可能で、n型半導体層の比抵抗値を1
-4Ω・cm程度と低くすることができる。
The n-type semiconductor layer in the pn junction type element of the present invention is preferably as thin as possible. When a diamond layer is used as the n-type semiconductor layer, it can be formed by adding, to the diamond, an element of Group V of the periodic table such as nitrogen and phosphorus and lithium as an impurity.
As a method of adding these impurities, a method of adding these impurity-containing gases to the raw material gas, an ion implantation method, or the like can be used. When a semiconductor other than diamond is used for the n-type semiconductor layer, Si, Ge, In, As, P, and the like, Group II, Group III, and V of the periodic table.
Group III, Group VI semiconductor materials and combinations thereof,
Further, an amorphous material such as amorphous silicon or amorphous silicon carbide can be used. It is possible to add impurities of 1 × 10 20 atom / cm 3 or more to these materials, and the specific resistance value of the n-type semiconductor layer is 1 or less.
It can be as low as 0 −4 Ω · cm.

【0040】本発明の半導体電子放出素子に用いるショ
ットキー電極の材料は、p型ダイヤモンド層に対して明
確にショットキー特性を示すものである。一般に、仕事
関数φWKとn型半導体に対するショットキーバリアハイ
トφBnとの間には、直線関係が成り立っており(Physic
s of Semiconductor Devices Sze 274p 76
(b)JOHN WILEY & SONS )、仕事関数が小さくなるに
つれてφBnは低下する。また、一般にp型半導体に対す
るショットキーバリアハイトφBpとφBnとの間には、ほ
ぼφBp+φBn=Eg /qの関係があるため(qは電
荷)、p型半導体に対するショットキーバリアハイト
は、φBp=Eg /q−φBnとなる。以上の様に、仕事関
数の小さい材料を用いることで、p型半導体層に対して
良好なショットキーダイオードを作成することができ
る。
The material of the Schottky electrode used in the semiconductor electron-emitting device of the present invention clearly shows Schottky characteristics with respect to the p-type diamond layer. Generally, there is a linear relationship between the work function φ WK and the Schottky barrier height φ Bn for an n-type semiconductor (Physic
s of Semiconductor Devices Sze 274p 76
(B) JOHN WILEY & SONS), φ Bn decreases as the work function decreases. Further, generally, there is a relation of approximately φ Bp + φ Bn = E g / q between the Schottky barrier heights φ Bp and φ Bn for the p-type semiconductor (q is an electric charge). The height is φ Bp = E g / q−φ Bn . As described above, by using a material having a small work function, a good Schottky diode can be formed for the p-type semiconductor layer.

【0041】本発明のショットキー接合型素子における
ショットキー電極の材料としては、高温下でもマイグレ
ートしにくい材料であり、またダイヤモンドのエネルギ
ーバンドギャップの広さ(5.4eV)から不純物元素
をドープした場合の活性化エネルギーを減じたエネルギ
ー以下の仕事関数を持つ材料を使用すれば更に効率よく
電子放出を行わせることができる。不純物としてホウ素
を用いた場合に使用し得る材料としては、周期律表第1
A族〜第7A族、同じく第2B族〜第4B族の元素のう
ち5.0eV以下の仕事関数を持つ材料、周期律表第8
族、第1B族の元素のうちIr,Pt,Au等の元素、
及びランタノイド系の元素、更に種々の金属シリサイ
ド、金属ホウ化物、金属炭化物の一部も使用可能であ
る。また、これら上記の元素及び材料を組合わせた材料
でもよい。
The material of the Schottky electrode in the Schottky junction type element of the present invention is a material that does not easily migrate even at high temperature, and is doped with an impurity element due to the wide energy band gap of diamond (5.4 eV). If a material having a work function equal to or lower than the energy obtained by subtracting the activation energy is used, the electron emission can be more efficiently performed. As a material that can be used when boron is used as an impurity,
Materials having a work function of 5.0 eV or less among elements of Group A to Group 7A and Group 2B to Group 4B, Periodic Table No. 8
Elements of Group 1 and Group 1B such as Ir, Pt, Au,
Further, lanthanoid-based elements, and a part of various metal silicides, metal borides, and metal carbides can also be used. Further, a material obtained by combining these elements and materials described above may be used.

【0042】これらのショットキー電極のうち、タング
ステン、タンタル、モリブデン等の高融点金属や種々の
金属シリサイド、金属ホウ化物、金属炭化物等は、従来
の半導体電子放出素子の表面に形成されているセシウム
等の低仕事関数材料に比べて化学的に安定であり、また
Pd,Pt,Au,Ir,Ag,Cu,Rh等は低抵抗
で、しかもマイグレートしにくいため好適に用いられ、
比較的低い真空度(10-3Torr程度)でも安定して
電子放出が可能である。
Of these Schottky electrodes, refractory metals such as tungsten, tantalum, molybdenum, various metal silicides, metal borides, metal carbides, etc. are cesium formed on the surface of the conventional semiconductor electron-emitting device. Are chemically stable as compared with low work function materials such as Pd, Pt, Au, Ir, Ag, Cu, Rh, etc., because they have low resistance and do not easily migrate,
Electrons can be stably emitted even at a relatively low degree of vacuum (about 10 −3 Torr).

【0043】これらの材料の仕事関数は1.5〜5.0
eV程度であり、全てp型半導体層に対して良好なショ
ットキー電極となる。これらのショットキー電極材料は
電子ビーム蒸着等で極めて制御性よく半導体上に堆積す
ることが可能であり、1000Å以下、より好ましくは
500Å以下の厚さに堆積することによりショットキー
接合近傍で発生したホットエレクトロンがエネルギーを
大きく失うことなくショットキー電極を通過することが
でき、安定した電子放出を行うことが可能となる。
The work function of these materials is 1.5 to 5.0.
It is about eV, which is a good Schottky electrode for all p-type semiconductor layers. These Schottky electrode materials can be deposited on a semiconductor with extremely good controllability by electron beam evaporation or the like, and are generated in the vicinity of the Schottky junction by depositing to a thickness of 1000 Å or less, more preferably 500 Å or less. Hot electrons can pass through the Schottky electrode without significantly losing energy, and stable electron emission can be performed.

【0044】以上述べたショットキー電極を用いること
により、良好なショットキー接合型の半導体電子放出素
子が得られる。
By using the Schottky electrode described above, a good Schottky junction type semiconductor electron-emitting device can be obtained.

【0045】本発明の素子において、電子なだれ誘起層
上に形成される仕事関数低下材料としては、ダイヤモン
ドのエネルギーバンドギャップの広さ(5.4eV)か
ら不純物元素をドープした場合の活性化エネルギーを減
じたエネルギー以下の仕事関数を持つ材料を使用するの
が望ましい。不純物としてホウ素を用いた場合に使用し
得る材料としては、周期律表第1A族〜第7A族、同じ
く第2B族〜第4B族の元素のうち5.0eV以下の仕
事関数を持つ材料、周期律表第8族、第1B族の元素の
うちIr,Pt,Au等の元素、更に種々の金属シリサ
イド、金属ホウ化物、金属炭化物にも使用可能である。
また、これら上記の元素及び材料を組合せた材料でもよ
い。
In the device of the present invention, as the work function lowering material formed on the electron avalanche inducing layer, the activation energy when the impurity element is doped due to the wide energy band gap of diamond (5.4 eV). It is desirable to use a material with a work function below the reduced energy. As a material that can be used when boron is used as an impurity, a material having a work function of 5.0 eV or less among elements of groups 1A to 7A of the periodic table and groups 2B to 4B of the periodic table, It can be used for elements such as Ir, Pt, and Au among the elements of Group 8 and Group 1B of the table, as well as various metal silicides, metal borides, and metal carbides.
Further, a material obtained by combining these elements and materials described above may be used.

【0046】これらの仕事関数低下材料のうち、Au,
Ir,Pd,Pt,Ag,Cu,Rh等の元素は低抵抗
で、しかもマイグレードしにいくため特に好ましい。ま
た、これらの材料は従来の半導体電子放出素子の表面に
形成されているセシウム等の仕事関数低下材料に比べて
化学的に安定であり、比較的低い真空度(10-3Tor
r程度)でも安定して電子放出が可能である。
Of these work function lowering materials, Au,
Elements such as Ir, Pd, Pt, Ag, Cu and Rh are particularly preferable because they have low resistance and go to my grade. Further, these materials are chemically stable as compared with work function lowering materials such as cesium formed on the surface of the conventional semiconductor electron-emitting device, and have a relatively low vacuum (10 −3 Torr).
Electrons can be stably emitted even at about r).

【0047】これらの材料は、電子ビーム蒸着法等で極
めて制御性よく半導体上に堆積することが可能であり、
100Å以下好ましくは単原子層から数原子層の厚さに
堆積することにより、ホットエレクトロンがエネルギー
を大きく失うことなしに、これらの低仕事関数を持つ材
料を通過することができ、安定した電子放出を行うこと
ができる。
These materials can be deposited on a semiconductor with excellent controllability by an electron beam evaporation method or the like.
By depositing a thickness of 100 Å or less, preferably a thickness of a monoatomic layer to a few atomic layers, hot electrons can pass through these materials having a low work function without significantly losing energy, and stable electron emission can be achieved. It can be performed.

【0048】[0048]

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。 (実施例1)本実施例は、本発明のpn接合型電子放出
素子を示すものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Example 1) This example shows a pn junction type electron-emitting device of the present invention.

【0049】図1Aは平面図であり、図1BはそのA−
A断面図である。
FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is its A-
FIG.

【0050】図において、101はp+ 型半導体基板で
あり、本実施例ではSi(100)を用いた。102は
p型ダイヤモンド層である。103は絶縁性選択堆積用
マスクであり、ここではSiO2 層を用いた。104は
n型ダイヤモンド層であり、105はオーミックコンタ
クト用チタン(Ti)電極であり、106は絶縁層であ
り、107は引き出し電極である。108は上記Si基
板101の裏面にA1を蒸着したオーミックコンタクト
用電極である。109は電極105と電極108との間
に逆バイアス電圧Vb を印加するための電源であり、1
10は電極105と引き出し電極107との間に引き出
し電圧Vg を印加するための電源である。111は仕事
関係を低くする材料としてのAg(仕事関数:4.26
eV)の層である。
In the figure, 101 is a p + type semiconductor substrate, and Si (100) was used in this embodiment. 102 is a p-type diamond layer. Reference numeral 103 denotes an insulating selective deposition mask, and a SiO 2 layer was used here. 104 is an n-type diamond layer, 105 is a titanium (Ti) electrode for ohmic contact, 106 is an insulating layer, and 107 is an extraction electrode. Reference numeral 108 denotes an ohmic contact electrode having A1 deposited on the back surface of the Si substrate 101. 109 is a power supply for applying a reverse bias voltage V b between the electrodes 105 and 108, 1
Reference numeral 10 is a power supply for applying the extraction voltage V g between the electrode 105 and the extraction electrode 107. 111 is Ag (work function: 4.26) as a material that lowers the work relationship.
eV) layer.

【0051】以上の素子は、次の様な方法により製造し
た。
The above element was manufactured by the following method.

【0052】(1)p+ 型Si基板101上に、熱フィ
ラメントCVD法により1μm厚のp型ダイヤモンド層
102を形成した。形成条件は、基板温度を1000
℃、圧力を100Torr、ガス流量をH2 :200S
CCM、CH4 :1SCCM、O2 :0.4SCCM、
100ppmB26 (水素希釈):1SCCM、フィ
ラメント温度を2100℃とした。
(1) A 1 μm thick p-type diamond layer 102 was formed on a p + -type Si substrate 101 by a hot filament CVD method. The formation condition is that the substrate temperature is 1000
C, pressure 100 Torr, gas flow H 2 : 200S
CCM, CH 4 : 1SCCM, O 2 : 0.4SCCM,
100 ppm B 2 H 6 (diluted with hydrogen): 1 SCCM, filament temperature was 2100 ° C.

【0053】(2)次に、フォトリソグラフィーのレジ
ストプロセスにより、所定の位置にSiO2 マスク10
3を形成した。
(2) Next, the SiO 2 mask 10 is formed at a predetermined position by a resist process of photolithography.
Formed 3.

【0054】(3)次いで、n型ダイヤモンド層104
を熱フィラメントCVD法により形成した。形成条件
は、ガス流量をH2 :200SCCM、CH4 :1SC
CM、O2 :0.4SCCM、100ppmPH3 (水
素希釈):5SCCMとした以外は上記(1)と同様と
した。
(3) Next, the n-type diamond layer 104
Was formed by the hot filament CVD method. The formation conditions are gas flow rate H 2 : 200SCCM, CH 4 : 1SC
CM, O 2 : 0.4 SCCM, 100 ppm PH 3 (hydrogen diluted): 5 SCCM except that the same as the above (1).

【0055】n型ダイヤモンドはSiO2 マスク103
上には析出せず、該マスクの開口部(ダイヤモンド層1
02露出部)にのみ選択的に析出した。
The n-type diamond is a SiO 2 mask 103.
It does not deposit on the top surface of the mask and the opening (diamond layer 1
02 exposed area).

【0056】(4)次に、フォトリソグラフィー技術を
用いてTi電極105、銀層(100Å厚)111、S
iO2 絶縁層106及びポリシリコン引き出し電極10
7を、いずれも所定の形状に形成した。
(4) Next, using a photolithography technique, the Ti electrode 105, the silver layer (100 Å thickness) 111, S
iO 2 insulating layer 106 and polysilicon lead electrode 10
7 was formed into a predetermined shape.

【0057】以上の様にして製造した半導体電子放出素
子の電極105と108との間に逆バイアス電圧Vb
印加すると、p型ダイヤモンド層102からn型ダイヤ
モンド層104へ電子が注入され、注入電子はn型ダイ
ヤモンド層104及び銀層111を通り抜け、真空領域
にしみ出し、更に引き出し電極107と電極105との
間に引き出し電圧Vg を印加することによって、電子を
素子外部へ放出させることができた。
When a reverse bias voltage V b is applied between the electrodes 105 and 108 of the semiconductor electron-emitting device manufactured as described above, electrons are injected from the p-type diamond layer 102 to the n-type diamond layer 104, and the electrons are injected. The electrons pass through the n-type diamond layer 104 and the silver layer 111, exude into the vacuum region, and further, by applying the extraction voltage V g between the extraction electrode 107 and the electrode 105, the electrons can be emitted to the outside of the element. did it.

【0058】なお、この時の放出電流密度は、酸素を添
加せずにダイヤモンド層を形成する以外は、上記半導体
電子放出素子と同様に形成した素子に比べ、15倍と大
幅に増加していた。又、本素子と同条件で形成したダイ
ヤモンド結晶を、透過電子顕微鏡(TEM)を用いて、
結晶欠陥密度の測定を行なった所、6×107 個/cm
2 であることが確認された。 (実施例2〜6,比較例1〜2)ダイヤモンド層形成時
の酸素及びメタン量を変化させる以外は、実施例1と同
様にして半導体電子放出素子を作成し、その放出電子量
を測定した。このときの条件及びダイヤモンド層形成時
に酸素を添加しなかった素子の放出電子量との比較及び
同条件で形成したダイヤモンド結晶の欠陥密度を表1に
示す。なお、結晶欠陥密度の測定は実施例1と同様にし
て行なった。
The emission current density at this time was significantly increased to 15 times that of the device formed in the same manner as the semiconductor electron-emitting device except that the diamond layer was formed without adding oxygen. .. In addition, using a transmission electron microscope (TEM), a diamond crystal formed under the same conditions as this device was
When the crystal defect density was measured, 6 × 10 7 defects / cm
It was confirmed to be 2 . (Examples 2 to 6, Comparative Examples 1 and 2) A semiconductor electron-emitting device was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amounts of oxygen and methane at the time of diamond layer formation were changed, and the amount of emitted electrons was measured. .. Table 1 shows the conditions at this time, comparison with the amount of emitted electrons of the element to which oxygen was not added when forming the diamond layer, and the defect density of the diamond crystal formed under the same conditions. The crystal defect density was measured in the same manner as in Example 1.

【0059】実施例2〜6において、良好な電子放出効
率が得られることが分かる。
It can be seen that in Examples 2 to 6, good electron emission efficiency can be obtained.

【0060】[0060]

【表1】 *ダイヤモンド形成時に酸素無添加の素子(比較例1)
に対する放出効率 (実施例7)本実施例はショットキー接合型電子放出素
子を示すものであり、図3Aは平面図であり図3Bはそ
のA−A断面図である。
[Table 1] * Element with no oxygen added during diamond formation (Comparative Example 1)
(Embodiment 7) This embodiment shows a Schottky junction type electron-emitting device. FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a sectional view taken along line AA.

【0061】図において、301はp+ 型半導体基板で
あり、本実施例ではSi(100)を用いた。302は
p型ダイヤモンド層である。303は絶縁性選択堆積用
マスクであり、ここではSiO2 層を用いた。304は
+ 型ダイヤモンド層であり、305はショットキー電
極であり、ここではタングステン(仕事関数:4.55
eV)を用いた。306は絶縁層であり、307は引き
出し電極である。308は上記Si基板301の裏面に
A1を蒸着したオーミックコンタクト用電極である。3
09はショットキー電極305と電極308との間に逆
バイアス電圧Vb を印加するための電源であり、310
はショットキー電極305と引き出し電極307との間
に引き出し電圧Vg を印加するための電源である。
In the figure, 301 is a p + type semiconductor substrate, and Si (100) was used in this embodiment. 302 is a p-type diamond layer. Reference numeral 303 denotes an insulating selective deposition mask, and a SiO 2 layer is used here. 304 is a p + -type diamond layer, 305 is a Schottky electrode, here tungsten (work function: 4.55
eV) was used. Reference numeral 306 is an insulating layer, and 307 is a lead electrode. Reference numeral 308 is an ohmic contact electrode in which A1 is deposited on the back surface of the Si substrate 301. Three
A power source 09 applies a reverse bias voltage V b between the Schottky electrode 305 and the electrode 308, and 310
Is a power supply for applying the extraction voltage V g between the Schottky electrode 305 and the extraction electrode 307.

【0062】以上の素子は、次の様な方法により製造し
た。 (1)p+ 型Si基板301上に、熱フィラメントCV
D法により1μm厚のp型ダイヤモンド層302を形成
した。形成条件は、基板温度を1000℃、圧力を10
0Torr、ガス流量をH2 :200SCCM、CH
4 :1SCCM、O2 :0.3SCCM、100ppm
26 (水素希釈):1SCCM、フィラメント温度
を2100℃とした。 (2)次に、フォトリソグラフィーのレジストプロセス
により、所定の位置にSiO2 マスク303を形成し
た。 (3)次いで、p+ 型ダイヤモンド層304を熱フィラ
メントCVD法により1000Å厚に形成した。形成条
件は、ガス流量をH2 :200SCCM、CH4:1S
CCM、O2 :0.3SCCM、100ppmB26
(水素希釈):5SCCMとした以外は上記(1)と同
様とした。
The above element was manufactured by the following method. (1) Hot filament CV on p + type Si substrate 301
A 1 μm thick p-type diamond layer 302 was formed by the D method. The formation conditions are a substrate temperature of 1000 ° C. and a pressure of 10
0 Torr, gas flow rate H 2 : 200SCCM, CH
4 : 1SCCM, O 2 : 0.3SCCM, 100ppm
B 2 H 6 (diluted with hydrogen): 1 SCCM, filament temperature was 2100 ° C. (2) Next, a SiO 2 mask 303 was formed at a predetermined position by a resist process of photolithography. (3) Next, the p + -type diamond layer 304 was formed to a thickness of 1000 Å by the hot filament CVD method. The formation conditions are gas flow rate H 2 : 200SCCM, CH 4 : 1S.
CCM, O 2 : 0.3 SCCM, 100 ppm B 2 H 6
(Hydrogen dilution): Same as the above (1) except that 5 SCCM was used.

【0063】p+ 型ダイヤモンドはSiO2 マスク30
3上には析出せず、該マスクの開口部(ダイヤモンド層
302の露出部)にのみ選択的に析出した。 (4)次に、フォトリソグラフィー技術を用いてタング
ステン電極(100Å厚)305、SiO2 絶縁層30
6及びポリシリコン引き出し電極307を、いずれも所
定の形状に形成した。
The p + type diamond is a SiO 2 mask 30.
3 was not deposited, but was selectively deposited only on the openings (exposed portions of the diamond layer 302) of the mask. (4) Next, using a photolithography technique, a tungsten electrode (100 Å thickness) 305 and a SiO 2 insulating layer 30 are formed.
6 and the polysilicon lead electrode 307 were both formed in a predetermined shape.

【0064】以上の様にして製造した半導体電子放出素
子のショットキー電極305と電極308との間に逆バ
イアス電圧Vb を印加すると、p+ 型ダイヤモンド層3
04とショットキー電極305との界面でアバランシェ
増幅が生じ、生成したホットエレクトロンはショットキ
ー電極305を通り抜け、真空領域にしみ出し、更に引
き出し電極307とショットキー電極305との間に引
き出し電圧Vg を印加することによって、電子を素子外
部へ放出させることができた。
When a reverse bias voltage V b is applied between the Schottky electrode 305 and the electrode 308 of the semiconductor electron-emitting device manufactured as described above, the p + type diamond layer 3 is formed.
04 and the Schottky electrode 305 cause avalanche amplification, and the generated hot electrons pass through the Schottky electrode 305 and exude into the vacuum region. Further, the extraction voltage V g is drawn between the extraction electrode 307 and the Schottky electrode 305. The electrons could be emitted to the outside of the device by applying.

【0065】なお、この時の放出電流密度は、酸素を添
加せずにダイヤモンド層を形成する以外は、上記半導体
電子放出素子と同様に形成した素子に比べ、12倍と大
幅に増加していた。なお、本実施例と同様に形成したダ
イヤモンド結晶を、TEMを用いて結晶欠陥密度の測定
を行なったところ、7.5×107 個/cm2 であるこ
とが分かった。 (実施例8)本実施例は、単一核よりなるダイヤモンド
結晶を選択堆積法を用いて形成したショットキー接合型
電子放出素子を示すものであり、図4にその断面図を示
す。図において、401はp+ 型半導体基板であり、本
実施例ではSi(100)を用いた。402はp型ダイ
ヤモンド層である。403は絶縁性選択堆積用マスクで
あり、ここではSiO2 層を用いた。404はp+ 型ダ
イヤモンド層であり、405はショットキー電極であ
り、ここではタングステン(仕事関数:4.55eV)
を用いた。406は絶縁層であり、407は引き出し電
極である。408は上記Si基板401の裏面にA1を
蒸着したオーミックコンタクト用電極である。409は
ショットキー電極405と電極408との間に逆バイア
ス電圧Vb を印加するための電源であり、410はショ
ットキー電極405と引き出し電極407との間に引き
出し電圧Vg を印加するための電源である。
The emission current density at this time was 12 times larger than that of the element formed in the same manner as the semiconductor electron-emitting element except that the diamond layer was formed without adding oxygen. .. When the crystal defect density of the diamond crystal formed in the same manner as in this example was measured by using a TEM, it was found to be 7.5 × 10 7 pieces / cm 2 . (Embodiment 8) This embodiment shows a Schottky junction type electron-emitting device in which a diamond crystal having a single nucleus is formed by a selective deposition method, and its sectional view is shown in FIG. In the figure, 401 is a p + type semiconductor substrate, and Si (100) was used in this embodiment. 402 is a p-type diamond layer. 403 is an insulating selective deposition mask, and a SiO 2 layer was used here. 404 is a p + -type diamond layer, 405 is a Schottky electrode, and here, tungsten (work function: 4.55 eV)
Was used. 406 is an insulating layer, and 407 is an extraction electrode. Reference numeral 408 is an ohmic contact electrode in which A1 is deposited on the back surface of the Si substrate 401. Reference numeral 409 is a power supply for applying a reverse bias voltage V b between the Schottky electrode 405 and the electrode 408, and 410 is a power supply for applying the extraction voltage V g between the Schottky electrode 405 and the extraction electrode 407. Power.

【0066】以上の素子は、次の様な方法により製造し
た。 (1)p+ 型Si基板401を平均粒径25μmのダイ
ヤモンド粒子を拡散させたアルコール中に入れ、超音波
洗浄器を用いて傷付け処理を行なった。次いでこの基板
上にマスクアライナー(キャノン(株)製:PLA−5
00)を用いて、直径7μmのPMMA系レジストパタ
ーンを形成した。この基板をArイオンビームエッチン
グ装置を用いて1000Åの深さのエッチングを行なっ
た。なおその際のエッチング条件は、加速電圧:1k
V、エッチング時間:10分間であった。次いで硫酸・
過酸化水素水混合液でレジストを除去し、燃焼炎法を用
いてダイヤモンド形成を行なった。なお、この時の条件
はO2 :1.85リットル/min、C22 :2リッ
トル/min、100ppmB26 (水素希釈):5
0SCCM、基板温度750℃、合成時間15分間とし
た。このダイヤモンド形成により約10μmのp型ダイ
ヤモンド粒子402が傷付け処理が残存している部分
(レジストパターン形成部)にのみ選択的に形成され
た。 (2)次にフォトリソグラフィーのレジストプロセスに
より、所定の位置にSiO2 マスク403を形成した。 (3)次いでp+ 型ダイヤモンド層404を熱フィラメ
ントCVD法により1000Å厚に形成した。形成条件
は、ガス流量をH2 :200SCCM、CH4 :1SC
CM、100ppmB25 (水素希釈):5SCCM
とした以外は上記(1)と同様とした。
The above element was manufactured by the following method. (1) The p + type Si substrate 401 was placed in alcohol in which diamond particles having an average particle size of 25 μm were diffused, and a scratch treatment was performed using an ultrasonic cleaner. Then, a mask aligner (PLA-5 manufactured by Canon Inc.) is placed on this substrate.
00) was used to form a PMMA-based resist pattern having a diameter of 7 μm. This substrate was etched to a depth of 1000Å using an Ar ion beam etching device. The etching conditions at that time are: acceleration voltage: 1k
V, etching time: 10 minutes. Then sulfuric acid
The resist was removed with a mixed solution of hydrogen peroxide and diamond was formed by using a combustion flame method. The conditions at this time were O 2 : 1.85 liter / min, C 2 H 2 : 2 liter / min, 100 ppm B 2 H 6 (hydrogen dilution): 5
0 SCCM, substrate temperature 750 ° C., synthesis time 15 minutes. As a result of this diamond formation, p-type diamond particles 402 of about 10 μm were selectively formed only on the portion (resist pattern forming portion) where the scratching treatment remained. (2) Next, a SiO 2 mask 403 was formed at a predetermined position by a resist process of photolithography. (3) Next, the p + type diamond layer 404 was formed to a thickness of 1000 Å by the hot filament CVD method. The formation conditions are gas flow rate H 2 : 200SCCM, CH 4 : 1SC
CM, 100 ppm B 2 H 5 (diluted with hydrogen): 5 SCCM
The same as (1) above except for the above.

【0067】p+ 型ダイヤモンド層はSiO2 マスク4
03上には析出せず、該マスクの開口部(ダイヤモンド
層402の露出部)にのみ選択的に析出した。 (4)次に、フォトリソグラフィー技術を用いてタング
ステン電極(100Å厚)405、SiO2 絶縁層40
6及びポリシリコン引き出し電極407を、いずれも所
定の形状に形成した。 以上の様にして製造した半導体電子放出素子のショット
キー電極405と電極408との間に逆バイアスVb
印加すると、p+ 型ダイヤモンド層404とショットキ
ー電極405との界面でアバランシェ増幅が生じ、生成
したホットエレクトロンはショットキー電極405を通
り抜け、真空領域にしみ出し、更に引き出し電極407
とショットキー電極405との間に引き出し電圧Vg
印加することによって、電子を素子外部へ放出させるこ
とができた。
The p + type diamond layer is a SiO 2 mask 4
No deposit on the surface of the mask layer 03, and only on the opening portion (exposed portion of the diamond layer 402) of the mask. (4) Next, using a photolithography technique, a tungsten electrode (100 Å thickness) 405 and a SiO 2 insulating layer 40
6 and the polysilicon lead electrode 407 were both formed in a predetermined shape. When a reverse bias V b is applied between the Schottky electrode 405 and the electrode 408 of the semiconductor electron-emitting device manufactured as described above, avalanche amplification occurs at the interface between the p + type diamond layer 404 and the Schottky electrode 405. The generated hot electrons pass through the Schottky electrode 405, seep into the vacuum region, and are further drawn out.
By applying the extraction voltage V g between the Schottky electrode 405 and the Schottky electrode 405, electrons could be emitted to the outside of the device.

【0068】なお、この時の放出電流密度は、実施例7
に比べて約3倍と増加していた。なお、本実施例と同様
に形成したダイヤモンド結晶をTEMを用いて結晶欠陥
密度の測定を行なったところ、1×107 個/cm2
あることが分かった。 (実施例9)本実施例は図6の有磁場マイクロ波プラズ
マCVD装置を用いてダイヤモンド結晶を形成したショ
ットキー接合型電子放出素子を示すものである。
The emission current density at this time is the same as in Example 7.
It was about 3 times higher than that of. When the crystal defect density of the diamond crystal formed in the same manner as in this example was measured by using a TEM, it was found to be 1 × 10 7 pieces / cm 2 . (Embodiment 9) This embodiment shows a Schottky junction type electron-emitting device in which diamond crystals are formed by using the magnetic field microwave plasma CVD apparatus shown in FIG.

【0069】図において、601は空洞共振器、602
は電磁石、603はマイクロ波導波管で不図示のマイク
ロ波発振器に接続されている。604は石英ガラス製の
マイクロ波導入窓、605はガス導入口で不図示のガス
ボンベ及びガス流量調整器に接続されている。606は
基体、607は1000℃まで加熱可能なヒーターを内
蔵した基体ホルダー、608は試料室、609は排気口
で、不図示の圧力調整用バルブ及び真空ポンプ(ターボ
分子ポンプ及びロータリーポンプが接続され1×10-7
Torrまで真空引きが可能)が接続されている。
In the figure, reference numeral 601 is a cavity resonator, and 602.
Is an electromagnet, and 603 is a microwave waveguide connected to a microwave oscillator (not shown). Reference numeral 604 is a microwave introduction window made of quartz glass, and 605 is a gas introduction port, which is connected to a gas cylinder and a gas flow rate regulator (not shown). Reference numeral 606 is a substrate, 607 is a substrate holder containing a heater capable of heating up to 1000 ° C., 608 is a sample chamber, 609 is an exhaust port, and a pressure adjusting valve and a vacuum pump (a turbo molecular pump and a rotary pump, not shown) are connected. 1 x 10 -7
A vacuum can be drawn up to Torr) is connected.

【0070】素子の形成はダイヤモンド層の形成を図6
の有磁場マイクロ波プラズマCVD法で行なう以外は実
施例7と同様にしておこなった。
The element is formed by forming the diamond layer as shown in FIG.
Example 7 was carried out in the same manner as in Example 7 except that the magnetic field microwave plasma CVD method was used.

【0071】このうちp型ダイヤモンド層302は以下
の条件で形成した。原料ガスはO2:90SCCM、C2
2 :100SCCM、100ppmB26 (水素
希釈)10SCCM、それぞれ導入する。圧力は0.1
Torr磁場強度はマイクロ波導入口504付近が20
00Gauss、基板近傍が900Gaussになるよ
うに調整した。基板温度は750℃、マイクロ波出力は
1.0kWとした。
Of these, the p-type diamond layer 302 was formed under the following conditions. Source gas is O 2 : 90 SCCM, C 2
H 2 : 100 SCCM, 100 ppm B 2 H 6 (hydrogen diluted) 10 SCCM, respectively. Pressure is 0.1
Torr magnetic field strength is 20 near the microwave inlet 504.
00 Gauss, and the vicinity of the substrate was adjusted to 900 Gauss. The substrate temperature was 750 ° C. and the microwave output was 1.0 kW.

【0072】又、p+ 型ダイヤモンド層304はガス流
量をO2 :90SCCM、C22:100SCCM、
100ppmB26 (水素希釈)50SCCMづつ導
入してp型ダイヤモンド層と同様に形成した(膜厚は1
000Å)。
The p + type diamond layer 304 has a gas flow rate of O 2 : 90 SCCM, C 2 H 2 : 100 SCCM,
100 ppm B 2 H 6 (hydrogen diluted) 50 SCCM each was introduced to form the same as the p-type diamond layer (film thickness is 1
000Å).

【0073】以上のように形成した半導体電子放出素子
は、実施例7の素子とほぼ同等の放出電流密度を得るこ
とができた。なお、本実施例と同様に形成したダイヤモ
ンド結晶をTEMを用いて結晶欠陥密度の測定を行なっ
たところ、8×107 個/cm2 であることが分かっ
た。
The semiconductor electron-emitting device formed as described above could obtain an emission current density almost equal to that of the device of Example 7. When the crystal defect density of the diamond crystal formed in the same manner as in this example was measured by using a TEM, it was found to be 8 × 10 7 pieces / cm 2 .

【0074】[0074]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体電
子放出素子によれば、高品質のダイヤモンド結晶が得ら
れ、高い電子放出特性を得ることができる。
As described above, according to the semiconductor electron-emitting device of the present invention, high quality diamond crystals can be obtained and high electron-emitting characteristics can be obtained.

【0075】従って、本発明の半導体電子放出素子によ
れば、信頼性の高いディスプレイ、EB(エレクトロン
ビーム)描画装置、真空管、電子線プリンター、メモリ
ーなどを提供することができる。
Therefore, according to the semiconductor electron-emitting device of the present invention, it is possible to provide a highly reliable display, an EB (electron beam) drawing device, a vacuum tube, an electron beam printer, a memory and the like.

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

【図1A】本発明の第1の実施例に係るpn接合型電子
放出素子を示す平面図である。
FIG. 1A is a plan view showing a pn junction type electron-emitting device according to a first embodiment of the present invention.

【図1B】図1AのA−A断面図である。1B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1A.

【図2A】p型ダイヤモンドとn型ダイヤモンドによる
pn接合型の半導体電子放出素子におけるエネルギーバ
ンドの模式図である。
FIG. 2A is a schematic diagram of energy bands in a pn junction type semiconductor electron-emitting device composed of p-type diamond and n-type diamond.

【図2B】ヘテロpn接合型の半導体電子放出素子にお
けるエネルギーバンドの模式図である。
FIG. 2B is a schematic diagram of energy bands in a hetero pn junction type semiconductor electron-emitting device.

【図3A】本発明の別の実施例に係るショットキー接合
型電子放出素子を示す平面図である。
FIG. 3A is a plan view showing a Schottky junction type electron-emitting device according to another embodiment of the present invention.

【図3B】図3AのA−A断面図である。3B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3A.

【図4】本発明のさらに別の実施例に係る選択堆積ダイ
ヤモンドを用いたショットキー接合型電子放出素子の断
面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a Schottky junction type electron emitting device using selectively deposited diamond according to still another embodiment of the present invention.

【図5】ショットキー接合型の半導体電子放出素子にお
けるエネルギーバンドの模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram of energy bands in a Schottky junction type semiconductor electron-emitting device.

【図6】実施例9で用いたダイヤモンド形成装置の模式
図である。
FIG. 6 is a schematic view of a diamond forming apparatus used in Example 9.

【図7A】選択堆積法の模式図である。FIG. 7A is a schematic diagram of a selective deposition method.

【図7B】選択堆積法の模式図である。FIG. 7B is a schematic diagram of a selective deposition method.

【図7C】選択堆積法の模式図である。FIG. 7C is a schematic diagram of a selective deposition method.

【図7D】選択堆積法の模式図である。FIG. 7D is a schematic diagram of a selective deposition method.

【図7E】選択堆積法の模式図である。FIG. 7E is a schematic view of a selective deposition method.

【図8】燃焼炎法の模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a combustion flame method.

【図9】燃焼炎法による核発生密度を表わす特性図であ
る。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a nucleus generation density by a combustion flame method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 p+ 型半導体基板、 102 p型ダイヤモン
ド層、 103 絶縁性選択堆積用マスク、 104
n型ダイヤモンド層、 105 オーミックコンタクト
用電極、 106 絶縁層、 107 引き出し電極、
108 オーミックコンタクト用電極、 109 電
源、 110 電源、 111 仕事関数低下材料層、
301 p+ 型半導体基板、 302 p型ダイヤモン
ド層、 303 絶縁性選択堆積用マスク、 304
+ 型ダイヤモンド層、 305 ショットキー電極、
306 絶縁層、307 引き出し電極、 308
オーミックコンタクト用電極、 309 電源、 31
0 電源、401 p+ 型半導体基板、 402 p型
ダイヤモンド層、 403 絶縁性選択堆積用マスク、
404 p+型ダイヤモンド層、 405 ショット
キー電極、 406 絶縁層、 407 引き出し電
極、 408 オーミックコンタクト用電極、 40
9 電源、 410 電源、601 空洞共振器、 6
02 電磁石、 603 マイクロ波導波管、 604
マイクロ波導入窓、 605 ガス導入口、 606
基体、 607基体ホルダー、 608 試料室、
609 排気口、701 基体、 702 レジスト、
703 ダイヤモンド結晶、801 バーナー、80
2 基体、 803 内炎、 804 外炎、 805
基板ホルダー。
101 p + type semiconductor substrate, 102 p type diamond layer, 103 insulating selective deposition mask, 104
n-type diamond layer, 105 ohmic contact electrode, 106 insulating layer, 107 extraction electrode,
108 ohmic contact electrode, 109 power supply, 110 power supply, 111 work function lowering material layer,
301 p + type semiconductor substrate, 302 p type diamond layer, 303 insulating selective deposition mask, 304
p + type diamond layer, 305 Schottky electrode,
306 Insulating layer, 307 Extraction electrode, 308
Ohmic contact electrode, 309 power supply, 31
0 power source, 401 p + type semiconductor substrate, 402 p type diamond layer, 403 insulating selective deposition mask,
404 p + type diamond layer, 405 Schottky electrode, 406 insulating layer, 407 extraction electrode, 408 ohmic contact electrode, 40
9 power supply, 410 power supply, 601 cavity resonator, 6
02 Electromagnet, 603 Microwave waveguide, 604
Microwave introduction window, 605 gas introduction port, 606
Substrate, 607 substrate holder, 608 sample chamber,
609 exhaust port, 701 substrate, 702 resist,
703 diamond crystal, 801 burner, 80
2 substrate, 803 internal flame, 804 external flame, 805
Substrate holder.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド半導体層を用いた半導体電
子放出素子において、前記ダイヤモンド半導体層の結晶
欠陥密度を108 個/cm2 以下とすることを特徴とす
る半導体電子放出素子。
1. A semiconductor electron-emitting device using a diamond semiconductor layer, wherein the crystal defect density of the diamond semiconductor layer is 10 8 defects / cm 2 or less.
JP6759491A 1991-03-08 1991-03-08 Semiconductor electron-emitting device Expired - Lifetime JP3085407B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6759491A JP3085407B2 (en) 1991-03-08 1991-03-08 Semiconductor electron-emitting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6759491A JP3085407B2 (en) 1991-03-08 1991-03-08 Semiconductor electron-emitting device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH05135687A true JPH05135687A (en) 1993-06-01
JP3085407B2 JP3085407B2 (en) 2000-09-11

Family

ID=13349395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6759491A Expired - Lifetime JP3085407B2 (en) 1991-03-08 1991-03-08 Semiconductor electron-emitting device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3085407B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0609532A1 (en) * 1993-02-01 1994-08-10 Motorola, Inc. Electron emitter
JPH08510858A (en) * 1993-06-02 1996-11-12 マイクロイレクトラニクス、アンド、カムピュータ、テクナラジ、コーパレイシャン Amorphous diamond film flat field emission cathode

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0609532A1 (en) * 1993-02-01 1994-08-10 Motorola, Inc. Electron emitter
JPH08510858A (en) * 1993-06-02 1996-11-12 マイクロイレクトラニクス、アンド、カムピュータ、テクナラジ、コーパレイシャン Amorphous diamond film flat field emission cathode

Also Published As

Publication number Publication date
JP3085407B2 (en) 2000-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5849163A (en) Process for formation of epitaxial film
JP5242009B2 (en) Photovoltaic device using carbon nanowall
JP5234968B2 (en) N-type conductive aluminum nitride semiconductor crystal and manufacturing method thereof
JPH06267846A (en) Diamond electronic device and its manufacture
US5479875A (en) Formation of highly oriented diamond film
US20100212728A1 (en) Diode and Photovoltaic Device Using Carbon Nanostructure
US6313017B1 (en) Plasma enhanced CVD process for rapidly growing semiconductor films
TW471006B (en) N-type semiconductor diamond and its fabrication method
US5442199A (en) Diamond hetero-junction rectifying element
US5445851A (en) Method for forming tabular diamond crystals
JP2007096135A (en) Diode using carbon nanostructure
JPH05315647A (en) Nitride semiconductor device and its manufacture
US6661075B2 (en) Abrupt pn junction diode formed using chemical vapor deposition processing
JP3085407B2 (en) Semiconductor electron-emitting device
CN116190215A (en) Preparation method of diamond semiconductor device
JPH021115A (en) Formation of crystal
US11862460B2 (en) SiC multilayer body, production method therefor, and semiconductor device
JPH05152604A (en) Diamond semiconductor device and manufacture thereof
EP0601513B1 (en) Method for forming deposited epitaxial Si film by sputtering
JPH07130981A (en) Semiconductor electron emission element and its formation method
JPH04266020A (en) Semiconductor diamond
JP2721278B2 (en) Semiconductor electron-emitting device
JPH06187902A (en) Semiconductor electron emitting element
JP4789035B2 (en) Semiconductor device using n-type diamond
JP3219832B2 (en) Manufacturing method of silicon carbide thin film

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070707

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080707

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080707

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090707

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090707

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100707

Year of fee payment: 10