JPH05314892A - 電界放出陰極装置 - Google Patents

電界放出陰極装置

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JPH05314892A
JPH05314892A JP11276592A JP11276592A JPH05314892A JP H05314892 A JPH05314892 A JP H05314892A JP 11276592 A JP11276592 A JP 11276592A JP 11276592 A JP11276592 A JP 11276592A JP H05314892 A JPH05314892 A JP H05314892A
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JP
Japan
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electrode layer
cathode
cathode electrode
field emission
layer
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Pending
Application number
JP11276592A
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English (en)
Inventor
Keiichi Betsui
圭一 別井
Osamu Toyoda
治 豊田
Shinya Fukuda
晋也 福田
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電界放出陰極装置に関し、半導体基板を用い
る場合に好便にカソード電極層の絶縁を行うことのでき
るようにすることを目的とする。 【構成】 カソード電極層に接続されたエミッタティッ
プ18が、積層された絶縁層20及びゲート電極層22
に設けられた穴24に配置されている電界放出陰極装置
において、カソード電極層16は半導体基板14の表面
に設けられ、かつ該半導体基板14の表面の導電型とは
異なった導電型の半導体で形成されている構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電界放出陰極装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】電界放出陰極装置はカソード電極層に接
続された円錐状のエミッタティップを有し、エミッタテ
ィップは電子引き出し用のゲート電極層に設けた穴内に
配置され、エミッタティップの先端の電子放出部がゲー
ト電極層の穴壁と対向し、エミッタティップとゲート電
極層との間に電圧を印加すると、エミッタティップの先
端の電子放出部に大きな電界がかかり、電界放出が起き
る。
【0003】電界放出陰極装置は、蒸着やエッチング等
の半導体の微細加工技術を用いて製造され、ミクロンオ
ーダーの微小な電界放出陰極をもつマイクロ真空管とし
て用いられる。マイクロ真空管は半導体素子と比較して
電子の移動度が大きく、高速、高温動作、放射損傷に強
い。これらの特徴を生かし、電界放出陰極装置は、マイ
クロウェーブ素子、超高速演算素子や、放射線環境(宇
宙、原子炉等)や高温環境での使用、表示素子等への応
用が期待できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】電界放出陰極装置は、
基板上にカソード電極層を設け、カソード電極層上に円
錐状のエミッタティップを設けたものである。例えば表
示素子等のように多数のエミッタティップを設ける場
合、カソード電極層を多数設けることが必要であり、ま
た例えば電界放出陰極装置を用いてマトリクス状の表示
装置を構成する場合、多数列のカソード電極層を平行に
設けることが必要になる。基板がガラス基板のように絶
縁性のものの場合には多数のカソード電極層を基板上に
直接設けても絶縁の問題はない。しかし、シリコン等の
半導体基板を用いる場合、半導体基板に導電性があるの
で、カソード電極層を半導体基板上に直接設けることが
できず、カソード電極層の絶縁を施すことが必要であ
る。本発明の目的は、半導体基板を用いる場合に好便に
カソード電極層の絶縁を行うことのできる電界放出陰極
装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明による電界放出陰
極装置は、カソード電極層に接続されたエミッタティッ
プ18が、積層された絶縁層20及びゲート電極層22
に設けられた穴24に配置されている電界放出陰極装置
において、カソード電極層16は半導体基板14の表面
に設けられ、かつ該半導体基板14の表面の導電型とは
異なった導電型の半導体で形成されていることを特徴と
するものである。
【0006】
【作用】上記した構成においては、カソード電極層と半
導体基板との間に例えばP−N接合が形成される。半導
体基板は全てのカソード電極層に対して共通であり、各
カソード電極層と半導体基板との間のP−N接合の向き
は全て同じである。このため、あるカソード電極層から
半導体基板を通って他のカソード電極層への電流は実質
的になく、カソード電極層相互間は電気的に絶縁された
ものとなる。よって、好便にカソード電極層の絶縁を行
うことができる。
【0007】
【実施例】図1から図3は本発明による電界放出陰極装
置10の第1実施例を示す図である。電界放出陰極装置
10は例えば陽極12と対向して真空中に封入され、電
界放出陰極装置10で生じた電子が陽極12に向かって
飛び出すようになっている。
【0008】図1に示されるように、電界放出陰極装置
10は、n型のシリコン基板14上に設けられたp型の
シリコンからなるカソード電極層16を含む。カソード
電極層16の上には円錐状のエミッタティップ18が形
成されている。エミッタティップ18は、カソード電極
層16から円錐状に立ち上がる。図1の実施例では、エ
ミッタティップ18はカソード電極層16を形成した後
でカソード電極層16の表面を円錐状に形成した構成と
なっている。しかし、エミッタティップ18はカソード
電極層16の表面に高融点金属を蒸着して形成すること
もできる。
【0009】図2に示されるように、多数のカソード電
極層16が平行に長く延びて形成される。絶縁層20が
カソード電極層16を覆ってシリコン基板14の全面に
設けられる。さらに、ゲート電極層22が絶縁層20の
上に積層される。ゲート電極層22はカソード電極層1
6と垂直に長く延びて形成され、ゲート電極層22とカ
ソード電極層16とはマトリクスを形成する。
【0010】図1から図3において、ゲート電極層22
とカソード電極層16との交差部において、絶縁層20
及びゲート電極層22には穴24が設けられる。エミッ
タティップ18は、絶縁層20及びゲート電極層22の
穴24内をカソード電極層16から上向きに立ち上がっ
ている。エミッタティップ18の先端が電子放出部とし
てゲート電極層22の穴24の壁と対向する。カソード
電極層16は電源のマイナス側に接続され、ゲート電極
層22は電源のプラス側に接続される。よって、エミッ
タティップ18とゲート電極層22との間に電圧を印加
すると、エミッタティップ18の先端の電子放出部に大
きな電界がかかり、電界放出が起きる。このようにして
電界放出陰極装置10は電子源として利用され、電子は
陽極12に向かって飛び出す。
【0011】実施例においては、電界放出陰極装置10
は表示装置に応用されたものである。9個のエミッタテ
ィップ18がゲート電極層22とカソード電極層16と
の各交差部に1ブロックとして設けられ、これらの9個
のエミッタティップ18が表示装置の一つの画素を形成
するようになっている。各画素はマトリクス駆動され
る。
【0012】図1においては、3個のエミッタティップ
18が各カソード電極層16の上に設けられているのが
示されている。右側の3個のエミッタティップ18を含
むカソード電極層16には電圧が印加されており、それ
によって矢印で示されるように電子が放出されている。
その左側のカソード電極層16には電圧が印加されてい
ず、電子は放出されない。
【0013】各カソード電極層16とシリコン基板14
との間にはP−N接合が形成される。シリコン基板14
は全てのカソード電極層16に対して共通であり、各カ
ソード電極層16とシリコン基板14との間のP−N接
合の向きは全て同じである。図1においては、このP−
N接合はカソード電極層16からシリコン基板14に向
かう方向が順方向となるダイオードを形成する。従っ
て、右側のカソード電極層16からシリコン基板14に
向かって電流が流れるようなことがあるにしても、その
電流が、シリコン基板14からその他のカソード電極層
16に向かって流れることはない。よって、カソード電
極層16相互間は電気的に絶縁されたものとなる。この
ようにして、好便にカソード電極層の絶縁を行うことが
できる。この実施例では、n型のシリコン基板14上に
p型のシリコンからなるカソード電極層16が設けられ
た構成であったが、本発明では、導電型を逆にして、p
型のシリコン基板14上にn型のシリコンからなるカソ
ード電極層16が設けられた構成とすることもできる。
【0014】図4は、p型のシリコンからなるカソード
電極層16(又はn型のシリコンからなるカソード電極
層16)にエミッタティップ18を形成する工程を示す
図である。まず(A)に示されるように、カソード電極
層16のエミッタティップ18を形成する位置に円形マ
スク46を設ける。このマスク46の大きさはミクロン
オーダーであり、図1から図3の穴24に相当する。
【0015】次にマスク46の下部にアンダーカットが
生じるまでドライエッチング又は異方性エッチングによ
りエッチングする(B)。エッチングをマスク46が取
れないうちに終了させる。すると、カソード電極層16
の表面が切頭円錐形状になる。次に熱酸化、又は陽極酸
化等により酸化すると、カソード電極層16の表面及び
切頭円錐形状の外周部が酸化部分48となり、中心部の
未酸化部分が鋭いティップ状になる(C)。
【0016】その後で絶縁膜20及びゲート電極膜22
を形成する。この場合、(D)に示されるように、絶縁
膜20となる材料層50及びゲート電極膜22となる材
料層52を蒸着により形成する。マスク46がまだ付着
したままであるので、材料層50,52はマスク46の
ない部位ではカソード膜16上に堆積するが、マスク4
6のある部位ではマスク46の上に堆積し、絶縁膜20
及びゲート電極膜22の穴24が自動的に形成されるこ
とになる。最後に、(E)に示されるように、切頭円錐
形状の酸化部分48を選択的にエッチングする。する
と、マスク46及びその上の材料層も除去される。この
ようにして電界放出陰極装置10が製造される。
【0017】図5は、カソード電極層16の上にエミッ
タティップ18を形成する別の工程の例を示す図であ
る。(A)においては、最初にカソード電極層16の上
に絶縁膜20及びゲート電極膜22を蒸着により形成
し、エッチングにより穴24を形成する。次にゲート電
極膜22の上に犠牲層60を蒸着する。この場合、蒸着
を斜め方向から行うことにより、犠牲層60が穴24の
縁部に達するようにする。次に(C)に示されるよう
に、エミッタティップ18の材料62を蒸着する。この
場合、穴24はエミッタティップ18の材料62により
次第に閉塞されていき、カソード電極層16の上に円錐
形状のエミッタティップ18が形成される。最後に
(D)に示されるように、犠牲層60をエッチング除去
すると、不要な材料62も除去される。
【0018】図6は本発明の第2実施例の電界放出陰極
装置10を示す図である。この例では、電界放出陰極装
置10は、n型のシリコン基板14上に設けられたp型
のシリコンからなるカソード電極層16と、カソード電
極層16の上に設けられた円錐状のエミッタティップ1
8と、絶縁層20の上に設けられたゲート電極層22と
からなる。エミッタティップ18は絶縁層20及びゲー
ト電極層22の穴24内に位置している。この実施例で
は、金属配線パターン64によりカソード電極層16と
電源とを接続している。金属配線パターン64は絶縁層
20あるいはその他の絶縁層内に適当に設けられる。こ
のように半導体のみでカソード電極層16を作ると電気
抵抗が大きいのを、金属配線パターン64を併用するこ
とにより電圧降下が大きくなるのを防止する。
【0019】図7は本発明の第3実施例の電界放出陰極
装置10を示す図である。この例は、シリコン基板14
にトランジスタ64を形成した例を示す図である。シリ
コン基板14はn+ 型シリコンの上にn型シリコンをエ
ピタキシャル成長させてトランジスタ64のコレクタ6
6とし、その表面にベース68となるp型領域、及びエ
ミッタ70となるn型領域を次々に形成したものであ
る。この場合、エミッタ70はエミッタティップ18の
直下にあってカソード電極層となっている。カソードラ
イン72はベース68に接続され、シリコン基板14は
+ 型シリコン領域の下面には電源電極74が設けられ
る。従って、この場合には、エミッタティップ18の電
子放出電流は電源電極74から供給され、カソードライ
ン72はトランジスタ64のオンオフ制御電流を流すだ
けでよいので、カソードライン72を流れる電流の電圧
降下が小さい特徴がある。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
比較的に簡単に且つ確実にカソード電極層の絶縁を行う
ことのできる電界放出陰極装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す図である。
【図2】図1の電界放出陰極装置の斜視図である。
【図3】図2の部分拡大図である。
【図4】エミッタティップの製造工程を示す図である。
【図5】エミッタティップの別の製造工程を示す図であ
る。
【図6】本発明の第2実施例を示す図である。
【図7】本発明の第3実施例を示す図である。
【符号の説明】
14…基板 16…カソード電極層 18…エミッタティップ 20…絶縁層 22…ゲート電極層 24…穴

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カソード電極層に接続されたエミッタテ
    ィップ(18)が、積層された絶縁層(20)及びゲー
    ト電極層(22)に設けられた穴(24)に配置されて
    いる電界放出陰極装置において、カソード電極層(1
    6)は半導体基板(14)の表面に設けられ、かつ該半
    導体基板(14)の表面の導電型とは異なった導電型の
    半導体で形成されていることを特徴とする電界放出陰極
    装置。
  2. 【請求項2】 該カソード電極層(16)が該ゲート電
    極層とともにマトリクス状に帯状に延びることを特徴と
    する請求項1に記載の電界放出陰極装置。
  3. 【請求項3】 該カソード電極層(16)が基板上に形
    成した金属配線(64)に接続されることを特徴とする
    請求項1に記載の電界放出陰極装置。
  4. 【請求項4】 該半導体基板にはトランジスタ(65)
    が形成され、該エミッタティップ(18)が該トランジ
    スタを介してカソード電極ライン(72)に接続される
    ことを特徴とする請求項1に記載の電界放出陰極装置。
  5. 【請求項5】 該トランジスタのゲートを該カソードラ
    イン(72)に接続したことを特徴とする請求項4に記
    載の電界放出陰極装置の製造方法。
JP11276592A 1992-05-01 1992-05-01 電界放出陰極装置 Pending JPH05314892A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6326729B1 (en) 1999-02-22 2001-12-04 Tohoku University Field emission cathode and electromagnetic wave generating apparatus comprising the same
JP2004221073A (ja) * 2002-12-27 2004-08-05 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 電界放出素子及びその作製方法
JP2010108942A (ja) * 2002-12-27 2010-05-13 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 電界放出素子の作製方法

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US6326729B1 (en) 1999-02-22 2001-12-04 Tohoku University Field emission cathode and electromagnetic wave generating apparatus comprising the same
JP2004221073A (ja) * 2002-12-27 2004-08-05 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 電界放出素子及びその作製方法
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Effective date: 20010612