JPH05342995A - Mis type cold cathode electron emitting apparatus - Google Patents

Mis type cold cathode electron emitting apparatus

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JPH05342995A
JPH05342995A JP14758292A JP14758292A JPH05342995A JP H05342995 A JPH05342995 A JP H05342995A JP 14758292 A JP14758292 A JP 14758292A JP 14758292 A JP14758292 A JP 14758292A JP H05342995 A JPH05342995 A JP H05342995A
Authority
JP
Japan
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electrode
substrate
electrons
gate
gate electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP14758292A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Ota
好紀 太田
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
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Publication of JPH05342995A publication Critical patent/JPH05342995A/en
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  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PURPOSE:To heighten the probability that hot electron goes through a gate insulating film and a gate electrode and heighten the drawn electric current out of a cold cathode. CONSTITUTION:A MIS-type cold cathode electron emitting apparatus is composed of a cathode electrode 37 formed on a substrate 31, an ultra thin gate electrode 35 formed on the substrate 31 while having an ultra thin gate insulating film 34 between them, and anode electrode 38 set on the opposite to the cathode electrode 37. Regarding the MIS-type cold cathode electron emitting apparatus wherein electrons are emitted from the gate insulating film 34 to the anode electrode 38 by applying voltage between the cathode electrode 37 to the anode electrode 38, the gate insulating film 34 and a gate electrode 35 are formed on the substrate 31 while having a high resistance layer 3 between the substrate 31 and them.

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、MIS型冷陰極電子放
出装置の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a MIS type cold cathode electron emission device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、映像・情報関連の市場が拡大し、
表示素子として高精細,高輝度,大画面表示素子の開発
が進められている。従来のCRTを用いる表示素子は大
画面化に伴い、体積の増大を余儀なくされ、その薄型化
が大きな課題となっている。
2. Description of the Related Art In recent years, the video / information related market has expanded,
High-definition, high-brightness, large-screen display elements are being developed as display elements. A display element using a conventional CRT is inevitably increased in volume with an increase in screen size, and its thinning has become a major issue.

【0003】液晶表示素子(LCD)は、現在急速に量
産化体制が進められ、その薄型化の特徴を生かし、CR
Tに置き代わる可能性のある表示素子である。LCDは
フルカラーのディスプレイ化が可能であり、TV,パー
ソナルコンピュータ,車のナビゲーション用表示素子と
して最有力な表示素子である。
Liquid crystal display elements (LCDs) are being rapidly mass-produced at present, and by taking advantage of their thinness, CR
It is a display element that may replace T. The LCD can be used as a full-color display, and is the most effective display element for TVs, personal computers, and car navigation display elements.

【0004】しかし、LCDは応答速度が数10msec
と、CRTに比べ遅く、また視野角の制限(上下30〜
60°,左右60〜120°程度)があり、自発光表示
素子ではないためバックライトによる照明が必要であ
り、低消費電力化を困難にしている。一方、真空管技術
とマイクロマシーニングが結合して生まれた真空マイク
ロエレクトロニクスの分野が台頭し、真空菅の固体化技
術が急速に進んでいる。
However, the response speed of LCD is several 10 msec.
And it is slower than CRT, and the viewing angle is limited (up and down 30 ~
60 °, about 60 ° to 120 ° on the left and right), and since it is not a self-luminous display element, illumination by a backlight is necessary, which makes it difficult to reduce power consumption. On the other hand, the field of vacuum microelectronics, which was created by combining vacuum tube technology and micromachining, has emerged, and the solidification technology for vacuum tubes is advancing rapidly.

【0005】図10は、米国スタンフォード研究所(SR
I)のSpindt らが提案したSpindt 型冷陰極電子源
(マイクロエミッタ)の断面構造である(IEEE Tran
s,Electron Devices,38,10,2355.1991)。図
において、1はカソード電極の機能を果たすSi基板で
あり、平坦であればガラスなどでもよい。この基板1上
には、絶縁膜2を介して金属製のゲート電極3が設けら
れている。なお、図中の4はゲート開口部5に設けられ
たコーン型をした金属ティップを示す。図10の装置の動
作は、以下に述べる通りである。
FIG. 10 shows the Stanford Research Institute (SR)
I) Spindt type cold cathode electron source (microemitter) proposed by Spindt et al.
S., Electron Devices, 38, 10, 2355. 1991). In the figure, 1 is a Si substrate that functions as a cathode electrode, and may be glass or the like if it is flat. A metal gate electrode 3 is provided on the substrate 1 via an insulating film 2. Reference numeral 4 in the drawing denotes a cone-shaped metal tip provided in the gate opening 5. The operation of the device of FIG. 10 is as described below.

【0006】まず、電子放出源となる金属ティップ4に
接続されている基板1に対してゲート電極3に正の電圧
を印加すると、金属ティップ4の先端に電界が集中し、
金属ティップ4から電界放出により電子が真空6中に引
き出される。従って、ゲート電極3は電子の引き出し電
極となる。さらに、図示しないアノード電極をSpindt
型マイクロエミッタに対向して配置し、アノード電極に
ゲート電圧よりも高い正の電圧を加えることで、ゲート
電極3によって引き出された電子の一部をアノード電流
として取り出すことができる。
First, when a positive voltage is applied to the gate electrode 3 with respect to the substrate 1 connected to the metal tip 4 serving as an electron emission source, an electric field is concentrated at the tip of the metal tip 4,
Electrons are extracted from the metal tip 4 into the vacuum 6 by field emission. Therefore, the gate electrode 3 becomes an electron extraction electrode. Further, the anode electrode (not shown) is connected to Spindt.
A part of the electrons extracted by the gate electrode 3 can be taken out as an anode current by arranging them facing the micro-emitter and applying a positive voltage higher than the gate voltage to the anode electrode.

【0007】この構造の装置は、従来のCRTを小型,
固体化したもので非常に薄型で真空管の機能を実現でき
る。また、Spindt 型マイクロエミッタをアレイ状に配
置し、大きな電流を取り出し、かつ平均化の効果で均一
性に優れた電子放出源とすることができる。マイクロエ
ミッタは、真空電子回路への応用の他に図11に示すフラ
ットパネルディスプレイへの応用も進められている。
The device of this structure is a conventional CRT which is small in size,
It is a solid type and is extremely thin and can realize the function of a vacuum tube. Further, Spindt-type micro-emitters are arranged in an array, a large current can be taken out, and an electron emission source excellent in uniformity can be obtained by the effect of averaging. The microemitter is being applied not only to vacuum electronic circuits but also to the flat panel display shown in FIG.

【0008】図11は、マイクロエミッタをフラットパネ
ルディスプレイへ応用したフランスLETIから発表さ
れた表示素子の断面構造である(IEDM91−197 )。図中
の11はSpindt 型マイクロエミッタであり、これに対向
してガラス基板12上に形成されたITOアノード透明電
極13が形成されている。この透明電極13上には金属ティ
ップ4に対向して蛍光体14が形成されており、金属ティ
ップ4からゲート電極3で引き出された電子15が蛍光体
14に入射することにより蛍光16を発し、自発光型表示素
子として機能させることができる。
FIG. 11 is a cross-sectional structure of a display element presented by LETI, France, in which a microemitter is applied to a flat panel display (IEDM91-197). Reference numeral 11 in the figure denotes a Spindt type micro-emitter, and an ITO anode transparent electrode 13 formed on a glass substrate 12 is formed facing this. A phosphor 14 is formed on the transparent electrode 13 so as to face the metal tip 4, and the electron 15 extracted from the metal tip 4 by the gate electrode 3 is a phosphor.
When it is incident on 14, it emits fluorescence 16 and can function as a self-luminous display element.

【0009】しかし、上記マイクロエミッタは、電界放
出を利用して電子を真空中に引き出すため、金属ティッ
プ4の材料(仕事関数に関係する)、形状、ティップ・
ゲートの位置関係、雰囲気の真空度、ティップ表面への
吸着ガス種によってアノード電流が変化し、初期特性、
経時変化、ノイズに影響を与える。このため、上記エミ
ッタを用いた表示素子を実用化するに当り製作精度、テ
ィップ表面の安定性等の解決すべき問題が多いのも事実
である。
However, since the above-mentioned microemitter draws electrons into a vacuum by utilizing field emission, the material (related to work function), shape, tip
The anode current changes depending on the positional relationship of the gate, the degree of vacuum in the atmosphere, and the species of gas adsorbed on the tip surface.
Affects aging and noise. Therefore, it is a fact that there are many problems to be solved in practical use of the display device using the emitter, such as manufacturing accuracy and stability of the tip surface.

【0010】図12(A),(B)は、東北大通研から発
表のあったMOS型構造を有する冷陰極電子源であ
る(’92.春、応用物理学会31a-Nc-5)。但し、同図
(A)はその断面構造、同図(B)は同図(A)のX−
Xのエネルギーバンド構造の模式図である。
12 (A) and 12 (B) show a cold cathode electron source having a MOS type structure announced by Tohoku University Research Institute ('92. Spring, Japan Society of Applied Physics 31a-Nc-5). However, the same figure (A) is its sectional structure, and the same figure (B) is X- of the same figure (A).
It is a schematic diagram of the energy band structure of X.

【0011】図中の21は、n型のSi基板を示す。この
基板21上には、厚い(0.45μm)フィールド絶縁膜(S
iO2 )22と極めて薄い(〜10nm)ゲート絶縁膜(Si
2)23が形成されている。前記ゲート絶縁膜23上に
は、Alからなる極めて薄い(6nm)ゲート電極24が形
成されている。このゲート電極24には、コンタクト電極
25が接続されている。前記基板21の上方にはアノード電
極26が配置され、前記基板21の裏面にはカソード電極27
が設けられている。そして、前記アノード電極26には正
の電圧が印加され、前記カソード電極27には負の電圧が
印加される。
Reference numeral 21 in the figure denotes an n-type Si substrate. On this substrate 21, a thick (0.45 μm) field insulating film (S
iO 2 ) 22 and extremely thin (~ 10 nm) gate insulating film (Si
O 2 ) 23 is formed. An extremely thin (6 nm) gate electrode 24 made of Al is formed on the gate insulating film 23. This gate electrode 24 has a contact electrode
25 are connected. An anode electrode 26 is disposed above the substrate 21, and a cathode electrode 27 is disposed on the back surface of the substrate 21.
Is provided. Then, a positive voltage is applied to the anode electrode 26, and a negative voltage is applied to the cathode electrode 27.

【0012】この電圧印加時、図12(B)のエネルギー
バンド構造に示すように基板21の表面には電子の蓄積層
28が形成され、この電子は基板21に対してに対して正電
圧を加えられたゲート電極24の電界によって、ゲート絶
縁膜23をトンネリングし、ゲート電極24に達する。ゲー
ト電極24内での電子の平均自由工程は2.4nmなので、
これと同等厚みのゲート電極24を設けることにより、ゲ
ート絶縁膜23をトンネリングした電子群25の一部はアノ
ード電極26に引かれ、真空29中へ自由電子30として引き
出される。
When this voltage is applied, an electron accumulation layer is formed on the surface of the substrate 21 as shown in the energy band structure of FIG.
28 is formed, and the electrons tunnel through the gate insulating film 23 by the electric field of the gate electrode 24 to which a positive voltage is applied to the substrate 21, and reach the gate electrode 24. Since the mean free path of electrons in the gate electrode 24 is 2.4 nm,
By providing the gate electrode 24 having the same thickness as this, a part of the electron group 25 tunneled through the gate insulating film 23 is drawn to the anode electrode 26 and drawn into the vacuum 29 as free electrons 30.

【0013】この構造の特徴は、電子放出面がSiO2
で覆われパッシベーションされているため、電子放出面
が真空中に露出している従来のSpindt 型冷陰極に比べ
安定であることである。
This structure is characterized in that the electron emission surface is SiO 2
Since it is covered with and is passivated, it is more stable than the conventional Spindt type cold cathode in which the electron emission surface is exposed in vacuum.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、MOS
型トンネル陰極は従来の冷陰極にない良好な安定性が期
待でき、低電圧での電子の引き出しが可能である一方
で、引き出し電流が小さい欠点がある。これは、電子が
トンネリングするゲート絶縁膜23が比較的厚いのとゲー
ト電極24の厚みが電子の平均自由工程に較べ厚いことの
他に、Si基板21内での電子のエネルギーが小さいた
め、ゲート絶縁膜23をトンネリングし、ゲート電極24を
突き抜けるには電子のエネルギーは小さいことが原因と
して考えられる。
However, the MOS
The type tunnel cathode can be expected to have good stability, which is not possible with conventional cold cathodes, and can draw electrons at a low voltage, but has a drawback that the drawing current is small. This is because the gate insulating film 23 through which electrons are tunneled is relatively thick, the thickness of the gate electrode 24 is thicker than the mean free path of electrons, and the energy of electrons in the Si substrate 21 is small. It is considered that the energy of electrons is small in order to tunnel through the insulating film 23 and penetrate the gate electrode 24.

【0015】本発明は上記事情を鑑みてなされたもの
で、基板内に電子を加速する構造を作ることにより、電
子の持つエネルギーを高めて、ホットエレクトロンがゲ
ート酸化膜とゲート電極を突き抜ける確率を高め、もっ
て冷陰極からの引き出し電流を高めうるMIS型冷陰極
電子放出装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the energy of electrons is increased by forming a structure for accelerating electrons in the substrate to increase the probability that hot electrons penetrate through the gate oxide film and the gate electrode. It is an object of the present invention to provide a MIS-type cold cathode electron emission device which can increase the extraction current from the cold cathode.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明は、基板に形成さ
れたカソード電極と、前記基板上に極薄のゲート絶縁膜
を介して形成された極薄のゲート電極と、前記カソード
電極と対向して設けられたアノード電極とを具備し、前
記カソード電極,アノード電極に電圧を印加することに
よりゲート絶縁膜からアノード電極へ電子を放出させる
MIS型冷陰極電子放出装置において、前記基板上に高
抵抗層を介して前記ゲート絶縁膜とゲート電極を設けた
ことを特徴とするMIS型冷陰極電子放出装置である。
The present invention is directed to a cathode electrode formed on a substrate, an ultrathin gate electrode formed on the substrate via an ultrathin gate insulating film, and a cathode electrode facing the cathode electrode. An MIS cold-cathode electron-emitting device that emits electrons from the gate insulating film to the anode electrode by applying a voltage to the cathode electrode and the anode electrode. In the MIS type cold cathode electron emission device, the gate insulating film and the gate electrode are provided via a resistance layer.

【0017】本発明において、高抵抗層の濃度は好まし
くは不純物濃度1×1014atom/cm3 以下にする。この
理由は、この数値を越えると、基板表面付近に電子の加
速領域となる十分な巾の空乏層を得ることが困難なため
である。
In the present invention, the high resistance layer preferably has an impurity concentration of 1 × 10 14 atom / cm 3. Below. The reason for this is that if this value is exceeded, it is difficult to obtain a depletion layer having a sufficient width to serve as an electron acceleration region near the substrate surface.

【0018】本発明において、極薄のゲート絶縁膜及び
極薄のゲート電極の厚みは好ましくは数nm〜十nmで
ある。これは、ゲート電極等に電圧を印加した時に電子
の加速領域で加速されたホットエレクトロンを効率良く
トンネリングさせ、ゲート絶縁膜,ゲート電極を突き抜
けさせるためである。
In the present invention, the thickness of the ultrathin gate insulating film and the ultrathin gate electrode is preferably several nm to ten nm. This is because hot electrons accelerated in an electron acceleration region when a voltage is applied to the gate electrode or the like are efficiently tunneled and penetrate the gate insulating film and the gate electrode.

【0019】[0019]

【作用】本発明においては、基板内に電子を加速する領
域を設け、空乏化した領域で加速されたホットエレクト
ロンを効率良くトンネリングさせ、ゲート電極を突き抜
ける電子の量を増大させ、従来のMOS型トンネル陰極
から得られる電子量に比較して低電圧でより大きな電子
量を得ることができる。
According to the present invention, a region for accelerating electrons is provided in the substrate, hot electrons accelerated in the depleted region are efficiently tunneled, and the amount of electrons penetrating the gate electrode is increased. It is possible to obtain a larger amount of electrons at a low voltage as compared with the amount of electrons obtained from the tunnel cathode.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 (実施例1)図1(A)〜(D)を参照する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) Reference will be made to FIGS.

【0021】図中の31は、高濃度n+ 型(100)Si
基板である。この基板31上には、エピタキシャル成長に
より形成されたp- 層又はi層(高低抗層)32が形成さ
れている。ここで、前記基板31と高抵抗層32を総称して
基体と呼ぶ。前記基体上には、0.5μm程度の厚いS
iO2 膜(フィールド酸化膜)33が形成され、更にこの
フィールド酸化膜33のゲート開口部33aに厚さ数nm程度
の熱酸化膜(ゲート絶縁膜)34がそれぞれ形成されてい
る。このゲート絶縁膜34上には、厚さ数nmのゲート電極
35がフィールド酸化膜33上に延出して形成されている。
ここで、ゲート電極35は、金属あるいは高濃度にドーピ
ングされた多結晶シリコンからなる。前記フィールド酸
化膜33上には、前記ゲート電極35に接続するゲートコン
タクト電極36が形成されている。前記基板31の裏面に
は、カソード電極37が形成されている。前記基体の上方
には、カソード電極37と対向してアノード電極38が配置
されている。なお、図1(B)中の39はゲートコンタク
ト電極36の端部、40はゲート電極35の端部、41はゲート
開口部34の端部、42はゲート開口部の端部41とフィール
ド酸化膜33の端部の間の傾斜部、43はゲートコンタクト
電極用パッドを示す。
In the figure, 31 is a high concentration n + Mold (100) Si
It is a substrate. On this substrate 31, p formed by epitaxial growth A layer or i layer (high / low resistance layer) 32 is formed. Here, the substrate 31 and the high resistance layer 32 are collectively referred to as a base. A thick S of about 0.5 μm is formed on the substrate.
An iO 2 film (field oxide film) 33 is formed, and a thermal oxide film (gate insulating film) 34 having a thickness of several nm is formed in each gate opening 33a of the field oxide film 33. A gate electrode having a thickness of several nm is formed on the gate insulating film 34.
35 is formed so as to extend on the field oxide film 33.
Here, the gate electrode 35 is made of metal or highly doped polycrystalline silicon. A gate contact electrode 36 connected to the gate electrode 35 is formed on the field oxide film 33. A cathode electrode 37 is formed on the back surface of the substrate 31. An anode electrode 38 is arranged above the substrate so as to face the cathode electrode 37. In FIG. 1B, 39 is the end of the gate contact electrode 36, 40 is the end of the gate electrode 35, 41 is the end of the gate opening 34, 42 is the end 41 of the gate opening and the field oxidation. A slanted portion between the end portions of the film 33, and 43 denotes a gate contact electrode pad.

【0022】次に、上記構成のMIS型冷陰極電子放出
装置の動作について、説明する。この際、図1(C)の
ようにカソード電極37を接地し、ゲートコンタクト電極
36に正の電圧VG を、アノード電極38に正の電圧VA
印加する。この時のエネルギーバンド図を模式的に示す
と、図1(D)のようになる。
Next, the operation of the MIS type cold cathode electron emission device having the above structure will be described. At this time, the cathode electrode 37 is grounded as shown in FIG.
A positive voltage V G is applied to 36 and a positive voltage V A is applied to the anode electrode 38. The energy band diagram at this time is schematically shown in FIG.

【0023】ゲート電極35に正の電圧VG を印加するこ
とで、基板31の高抵抗層34を空乏化し、この空乏層を電
子の加速領域とする。電子44は基板31からこの空乏層内
へ注入,加速され、ゲート絶縁膜34をトンネリングして
ゲート電極35に達する。図中の45は基板31からゲート電
極35へ引き出された電子群を示し、その一部はアノード
電極38へ放出される。図中の47は真空中46へ放出された
電子群である。
By applying a positive voltage V G to the gate electrode 35, the high resistance layer 34 of the substrate 31 is depleted, and this depletion layer is used as an electron acceleration region. The electrons 44 are injected into the depletion layer from the substrate 31 and accelerated, and tunnel through the gate insulating film 34 to reach the gate electrode 35. Reference numeral 45 in the drawing denotes an electron group extracted from the substrate 31 to the gate electrode 35, and a part of the electron group is emitted to the anode electrode 38. 47 in the figure is a group of electrons emitted to 46 in vacuum.

【0024】図12(B)(従来)のバンド図では表面が
n型の蓄積層となっているため電子のもつエネルギーは
小さく、これをゲート電圧でゲート絶縁膜をトンネリン
グさせ、アノード電極で真空中へ引き出す機構であるの
に対し、上記実施例1による図1(D)では基板31内に
意図的に空乏層を設け空乏化した高抵抗層32へ基板31側
から電子を注入し、加速することで電子のもつエネルギ
ーを高めた後、ゲート電極35に加えた電圧により電子を
容易にゲート絶縁膜34をトンネリングさせることができ
る。高エネルギー電子はゲート電極35をも突き抜けて真
空中へ飛び出し、ゲート電圧よりも高電圧を印加された
アノード電極38に捕獲されアノード電流となる。
In the band diagram of FIG. 12B (conventional), the energy of electrons is small because the surface is an n-type storage layer, and the energy of the electrons is tunneled through the gate insulating film by the gate voltage, and the vacuum is generated at the anode electrode. 1D according to the first embodiment, a depletion layer is intentionally provided in the substrate 31 to inject electrons into the depleted high resistance layer 32 from the substrate 31 side to accelerate. By increasing the energy of the electrons by doing so, the electrons can be easily tunneled through the gate insulating film 34 by the voltage applied to the gate electrode 35. The high-energy electrons pass through the gate electrode 35 and jump out into the vacuum, and are trapped by the anode electrode 38 to which a voltage higher than the gate voltage is applied, resulting in an anode current.

【0025】このように、上記実施例1によれば、高濃
度n+ 型(100)Si基板31上にエピタキシャル成長
により形成された高低抗層32を設け、これを介して厚さ
が夫々数nm程度のゲート絶縁膜34、ゲート電極35を設
けた構成なっているため、ゲートコンタクト電極36に正
の電圧VG を、アノード電極38に正の電圧VA を印加
し、かつカソード電極37を接地することで、基板31内に
意図的に空乏層を設け、基板31側から空乏化した高抵抗
層32へ電子を注入、加速して電子のもつエネルギーを高
め、ゲート電極35に加えた電圧により電子を容易にゲー
ト絶縁膜34をトンネリングさせることができる。
As described above, according to the first embodiment, the high concentration n + Since the high / low resistance layer 32 formed by epitaxial growth is provided on the mold (100) Si substrate 31, and the gate insulating film 34 and the gate electrode 35 each having a thickness of about several nm are provided therethrough. a positive voltage V G to the gate contact electrode 36, a positive voltage V a is applied to the anode electrode 38, and by grounding the cathode electrode 37, intentionally provided depletion in the substrate 31, the substrate 31 side The electrons can be easily tunneled through the gate insulating film 34 by the voltage applied to the gate electrode 35 by injecting and accelerating the electrons into the depleted high resistance layer 32 to accelerate the electrons.

【0026】なお、上記実施例1では、基板として(1
00)Si基板を用いたが、これに限定されず、例えば
(111)Si基板、あるいはGaAs等のSi半導体
基板でもよい。
In the first embodiment, the substrate (1
Although the (00) Si substrate is used, the present invention is not limited to this, and a (111) Si substrate or a Si semiconductor substrate such as GaAs may be used.

【0027】上記実施例1では、ゲート電極、ゲートコ
ンタクト電極、ゲート開口部の平面形状が角型である場
合について述べたが、これに限らず、図2に示すように
円型であってもよい。 (実施例2)
In the first embodiment described above, the case where the planar shapes of the gate electrode, the gate contact electrode and the gate opening are rectangular is described, but the present invention is not limited to this, and may be circular as shown in FIG. Good. (Example 2)

【0028】図3(A),(B)を参照する。但し、図
1と同部材は同符号を付して説明を省略する。図中の51
は、ゲート絶縁膜34に対応する箇所に複数の微細孔52が
格子状に形成されたゲート電極である。
Reference will be made to FIGS. 3 (A) and 3 (B). However, the same members as those in FIG. 51 in the figure
Is a gate electrode in which a plurality of fine holes 52 are formed in a grid pattern at a position corresponding to the gate insulating film 34.

【0029】実施例2では、実施例1と同様に、カソー
ド電極37を接地し、ゲート電極51にゲートコンタクト電
極36を介して正の電圧を印加する。このゲート電圧によ
り、高抵抗層32が空乏化し、基板31から空乏層へ注入さ
れる電子が空乏層内で加速され、高エネルギー状態とな
った後、ゲート絶縁膜34をトンネリングにより突き抜け
る。ここで、ゲート電極51には複数の微細孔52が開口さ
れているため、真空中へ取り出されるアノード(図示せ
ず)電流となる電子はゲート電極51を突き抜けた成分と
微細孔52を通り抜けた成分の和になる。従って、実施例
2によれば、ゲート電極51の微細孔52の大きさと高抵抗
層32の厚みを最適化することにより、実施利1に比べ大
きなアノード電流を得ることが期待できる。
In the second embodiment, as in the first embodiment, the cathode electrode 37 is grounded and a positive voltage is applied to the gate electrode 51 via the gate contact electrode 36. Due to this gate voltage, the high resistance layer 32 is depleted, and the electrons injected from the substrate 31 into the depletion layer are accelerated in the depletion layer and become a high energy state, and then penetrate through the gate insulating film 34 by tunneling. Here, since a plurality of fine holes 52 are opened in the gate electrode 51, the electrons that become the anode (not shown) current that is taken out into the vacuum pass through the fine holes 52 and the components that have passed through the gate electrode 51. It is the sum of the ingredients. Therefore, according to the second embodiment, by optimizing the size of the fine holes 52 of the gate electrode 51 and the thickness of the high resistance layer 32, it is expected that a larger anode current than that of the first embodiment can be obtained.

【0030】図4(A)〜(C)は、上記実施例1,2
に係る装置による電子引き出し時のバンド図を示す。ゲ
ート電極35(又は51)に基板31に対して正電圧を印加
し、高抵抗層32を空乏化し、基板31から注入される電子
44を加速し、真空46中に取り出す様子を示してあるが、
基板31/ゲート絶縁膜34(Si/SiO2 )の界面53に
到達したホットエレクトロンが全てゲート絶縁膜34をト
ンネリングするわけではなく、界面には電子が蓄積した
状態となる(図4(B))。そして、ゲート電極に印加
された正電圧が高抵抗層32に形成される空乏層54の幅が
短くなり、また基板31と高抵抗層32間の障壁電位(54は
基板31と高抵抗層32間に形成される空乏層)により基板
31から注入される電子は途絶えてしまう。
FIGS. 4 (A) to 4 (C) show the first and second embodiments.
FIG. 3 is a band diagram when an electron is drawn out by the device according to FIG. Electrons injected from the substrate 31 by applying a positive voltage to the gate electrode 35 (or 51) with respect to the substrate 31 to deplete the high resistance layer 32.
It shows that 44 is accelerated and taken out into the vacuum 46.
Not all hot electrons reaching the interface 53 of the substrate 31 / gate insulating film 34 (Si / SiO 2 ) tunnel through the gate insulating film 34, and electrons are accumulated at the interface (FIG. 4 (B)). ). The positive voltage applied to the gate electrode reduces the width of the depletion layer 54 formed in the high resistance layer 32, and the barrier potential between the substrate 31 and the high resistance layer 32 (54 indicates the substrate 31 and the high resistance layer 32). Substrate due to depletion layer formed between)
The electrons injected from 31 are cut off.

【0031】ところで、Si/SiO2 の界面53に蓄積
した電子55は、ゲート電圧によりゲート絶縁膜34をトン
ネリングし失われので、再び空乏層54の幅が広がり、基
板31と高抵抗層32間の障壁電位が下がり、基板31からの
電子の注入が起きる。従って、実際には、図4(A)と
図4(B)の中間のバンド状態になるとう思われ、電子
の空乏層への注入は続くと思われるが、その量は少なく
電子の加速も十分には行われないことになる。
By the way, the electrons 55 accumulated at the Si / SiO 2 interface 53 are lost by tunneling through the gate insulating film 34 by the gate voltage, so that the width of the depletion layer 54 expands again and the gap between the substrate 31 and the high resistance layer 32 is increased. The barrier potential of the substrate 31 is lowered, and electrons are injected from the substrate 31. Therefore, in reality, it seems that the band state intermediate between those in FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B) appears, and the injection of electrons into the depletion layer is expected to continue, but the amount is small and the acceleration of electrons is also high. It will not be done enough.

【0032】そこで、図4(C)に示すように、ゲート
電極に負の電圧を印加し、Si/SiO2 界面に蓄積し
た電子55を正孔56と再結合させることにより消失させ
る。その後、再度図4(A)に示すように、ゲート電極
に正の電圧を印加し、高抵抗層32を空乏化し、同時に基
板31あるいは高抵抗層32の間に形成される電位障壁を下
げることで、基板31から空乏層54に注入される電子量を
増加させ、十分加速した後、ゲート絶縁膜34をトンネリ
ングさせる。図4(A)と図4(C)の動作を駆動回路
により繰り返すことにより、多量のホットエレクトロン
を真空中に引き出し、アノード電流として取り出すこと
ができる。 (実施例3)
Therefore, as shown in FIG. 4C, a negative voltage is applied to the gate electrode to recombine the electrons 55 accumulated at the Si / SiO 2 interface with the holes 56 to eliminate them. After that, as shown in FIG. 4A again, a positive voltage is applied to the gate electrode to deplete the high resistance layer 32 and at the same time lower the potential barrier formed between the substrate 31 or the high resistance layer 32. Then, the amount of electrons injected from the substrate 31 into the depletion layer 54 is increased and sufficiently accelerated, and then the gate insulating film 34 is tunneled. By repeating the operation of FIGS. 4A and 4C by the drive circuit, a large amount of hot electrons can be extracted into a vacuum and extracted as an anode current. (Example 3)

【0033】図5を参照する。但し、図1と同部材は同
符号を付して説明を省略する。図5の装置は、Spindt
型マイクロエミッタにMIS構造を導入し、MIS電極
を第1ゲート電極とし、これとは別にマイクロエミッタ
の周囲を取り囲んで設けた第2ゲート電極とでマイクロ
エミッタからの引き出し電子量の増大を図るものであ
る。
Referring to FIG. However, the same members as those in FIG. The device of FIG.
Type MIS structure is introduced into a micro-emitter, the MIS electrode is used as a first gate electrode, and a second gate electrode that surrounds the periphery of the micro-emitter is separately provided to increase the amount of electrons extracted from the micro-emitter. Is.

【0034】図中の61は、高抵抗層32の表面の一部に形
成されたコーン状のマイクロエミッタである。このマイ
クロエミッタ61の表面には、厚さ数nm〜10nmの第
1ゲート絶縁膜62が形成されている。この第1ゲート絶
縁膜62上には、厚さ数nmの第1ゲート電極63がフィー
ルド酸化膜33上に延出するように形成されている。前記
第1ゲート電極63は、金属あるいは高濃度にドープした
多結晶シリコンからなる。前記第1ゲート電極63には、
第1ゲートコンタクト電極64が接続されている。前記フ
ィールド酸化膜33上の前記第1ゲート電極63上には、絶
縁膜64を介して第2ゲート電極65が前記マイクロエミッ
タ61を囲むように形成されている。
Reference numeral 61 in the figure denotes a cone-shaped micro-emitter formed on a part of the surface of the high resistance layer 32. A first gate insulating film 62 having a thickness of several nm to 10 nm is formed on the surface of the micro-emitter 61. A first gate electrode 63 having a thickness of several nm is formed on the first gate insulating film 62 so as to extend onto the field oxide film 33. The first gate electrode 63 is made of metal or highly doped polycrystalline silicon. The first gate electrode 63 includes
The first gate contact electrode 64 is connected. A second gate electrode 65 is formed on the first gate electrode 63 on the field oxide film 33 so as to surround the micro emitter 61 via an insulating film 64.

【0035】実施例3では、第1ゲート電極63には第1
ゲートコンタクト電極64を介して、カソード電極37に対
して正の電圧を印加し、実施例1と同様に高抵抗層32を
空乏化し、基板31から高抵抗層へ電子を注入し、空乏層
で加速した後、第1ゲート絶縁膜62をトンエリングし、
第1ゲート電極63に達し、第1ゲート電極63を突き抜け
た電子がアノード電極(図示せず)に印加した正の電圧
に引かれアノード電流として取り出される。第2ゲート
電極65にもカソード電極37に対して正の電圧を加え、マ
イクロエミッタ61の先端に電界を集中させることによっ
て、マイクロエミッタ61からの電子の電界放出を促進さ
せることができる。 (実施例4)
In the third embodiment, the first gate electrode 63 has the first
A positive voltage is applied to the cathode electrode 37 via the gate contact electrode 64 to deplete the high resistance layer 32 as in the first embodiment, and electrons are injected from the substrate 31 to the high resistance layer to form a depletion layer. After accelerating, the first gate insulating film 62 is tunneled,
The electrons reaching the first gate electrode 63 and penetrating through the first gate electrode 63 are drawn by a positive voltage applied to an anode electrode (not shown) and taken out as an anode current. By applying a positive voltage to the second gate electrode 65 also with respect to the cathode electrode 37 to concentrate the electric field at the tip of the microemitter 61, it is possible to promote the field emission of electrons from the microemitter 61. (Example 4)

【0036】図6(A),(B)を参照する。但し、図
1と同部材は同符号を付して説明を省略する。この実施
例4は、実施例1あるいは実施例2のMIS型電界放出
電子源を集積化し、フラットパネルディスプレイへ応用
したものである。
Reference will be made to FIGS. 6A and 6B. However, the same members as those in FIG. Example 4 is an example in which the MIS field emission electron source of Example 1 or 2 is integrated and applied to a flat panel display.

【0037】図6(A)において、1画素は、1つのM
IS型冷陰極電子源71とMOSトランジスタ72からな
る。前記MIS型冷陰極電子源71は、ゲート絶縁膜34と
ゲート電極35を有する。前記MOSトランジスタ72は、
Pウェル73に形成されたn型のソース・ドレイン74,75
と、Pウェル73上にゲート酸化膜76を介して形成された
ゲート電極77とを有している。前記ソース領域74に対応
する前記ゲート酸化膜76は部分的に除去され、前記ソー
ス領域74と前記ゲート電極35とを金属配線78が接続して
いる。また、前記ドレイン領域75に対応する前記ゲート
酸化膜76も部分的に除去され、ここにドレイン電極79が
設けられている。
In FIG. 6A, one pixel is one M
It is composed of an IS type cold cathode electron source 71 and a MOS transistor 72. The MIS cold cathode electron source 71 has a gate insulating film 34 and a gate electrode 35. The MOS transistor 72 is
N-type source / drain 74, 75 formed in the P-well 73
And a gate electrode 77 formed on the P well 73 via a gate oxide film 76. The gate oxide film 76 corresponding to the source region 74 is partially removed, and a metal wiring 78 connects the source region 74 and the gate electrode 35. The gate oxide film 76 corresponding to the drain region 75 is also partially removed, and a drain electrode 79 is provided there.

【0038】通常、基板31とPウェル73は接地され、M
OSトランジスタ72のゲート電極77に正電圧を加え、M
OSトランジスタ72をON状態とし、ドレイン電極79を
介してドレイン電圧をMIS型冷陰極電子源71のゲート
電極35に伝えることで、MIS型冷陰極電子源71を駆動
する。
Normally, the substrate 31 and P well 73 are grounded, and M
A positive voltage is applied to the gate electrode 77 of the OS transistor 72, and M
The MIS cold cathode electron source 71 is driven by turning on the OS transistor 72 and transmitting the drain voltage to the gate electrode 35 of the MIS cold cathode electron source 71 through the drain electrode 79.

【0039】図6(B)において、MOSトランジスタ
72のソース領域74は前記冷陰極電子源71のゲート電極35
に接続され、ドレイン領域75はXライン80、ゲート電極
77はYライン81に接続されている。Yライン81は水平シ
フトレジスタ82に、Xライン80はMOSトランジスタ72
を介してパルス発生器83に接続され、MOSトランジス
タ72のゲート電極77は垂直シフトレジスタ84に接続され
ている。こうした構成の装置の動作は、次のとうりであ
る。
In FIG. 6B, a MOS transistor
The source region 74 of 72 is the gate electrode 35 of the cold cathode electron source 71.
The drain region 75 is connected to the X line 80 and the gate electrode
77 is connected to the Y line 81. The Y line 81 is connected to the horizontal shift register 82, and the X line 80 is connected to the MOS transistor 72.
To the pulse generator 83, and the gate electrode 77 of the MOS transistor 72 is connected to the vertical shift register 84. The operation of the device having such a configuration is as follows.

【0040】図6(B)において、Xライン80のX−1
に接続されているMOSトランジスタ72のゲート電極77
に垂直シフトレジスタ84より正のパルス電圧を印加し、
同時にYライン81のY−1に水平シフトレジスタ82より
正のパルス電圧を印加することにより、これに対応して
1つの冷陰極電子源71(例えば71a)が選択的にパルス
発生器83に接続される。
In FIG. 6B, X-1 of X line 80
Gate electrode 77 of the MOS transistor 72 connected to
Apply a positive pulse voltage from the vertical shift register 84 to
At the same time, by applying a positive pulse voltage from the horizontal shift register 82 to Y-1 of the Y line 81, one cold cathode electron source 71 (eg 71a) is selectively connected to the pulse generator 83 in response to this. To be done.

【0041】パルス発生器83から正の電圧あるいは正と
負を交互に繰り返すパルス電圧を冷陰極電子源71aに印
加することで、冷陰極電子源71aから電子線を引き出
し、これと対向して配置され傾向板を有する透明アノー
ド電極(図示せず)に冷陰極電子源のゲート電極35より
高い正の電圧を印加することで、冷陰極電子源71aが位
置する蛍光板から発光を得ることができる。
By applying a positive voltage or a pulse voltage in which positive and negative are alternately repeated from the pulse generator 83 to the cold cathode electron source 71a, an electron beam is extracted from the cold cathode electron source 71a and arranged opposite to this. By applying a positive voltage higher than that of the gate electrode 35 of the cold cathode electron source to the transparent anode electrode (not shown) having the inclined plate, it is possible to obtain light emission from the fluorescent plate on which the cold cathode electron source 71a is located.

【0042】垂直シフトレジスタ84でXライン80のX−
1を選択し、水平シフトレジスタ82から順次Y−1,Y
−2,Y−3…を選択するためのパルス電圧を加えるこ
とにより、冷陰極電子源71を横方向に走査し、パルス発
生器83により冷陰極電子源71から放射される電子線の量
を制御することでフラットパネルディスプレイの発光パ
ターンを任意に変化させることができる。この発光パタ
ーンの輝度は、パルス発生器からのパルス電圧を制御す
ることでアナログ的に変化させることができる。 (実施例5)
In the vertical shift register 84, X- of the X line 80
1 is selected, and Y-1 and Y are sequentially output from the horizontal shift register 82.
By applying a pulse voltage for selecting −2, Y−3, ..., The cold cathode electron source 71 is scanned in the lateral direction, and the amount of the electron beam emitted from the cold cathode electron source 71 by the pulse generator 83 is changed. The light emission pattern of the flat panel display can be arbitrarily changed by controlling. The brightness of this light emission pattern can be changed in an analog manner by controlling the pulse voltage from the pulse generator. (Example 5)

【0043】図7(A),(B)を参照する。但し、図
1と同部材は同符号を付して説明を省略する。この実施
例5は、Si基板の表面に形成した空乏層を横方向に走
行するホットエレクトロンを、その空乏層上に設けたM
IS型電極に正電圧を加えることで、MIS構造をトン
ネリングして電子を真空中に取り出すものである。
Reference will be made to FIGS. 7 (A) and 7 (B). However, the same members as those in FIG. In Example 5, hot electrons traveling laterally in a depletion layer formed on the surface of a Si substrate were provided on the depletion layer by M.
By applying a positive voltage to the IS electrode, the MIS structure is tunneled and the electrons are taken out into a vacuum.

【0044】図中の91は、p型のSi基板である。この
基板91のフィールド酸化膜33で囲まれた素子領域にはn
+ 型のソース,ドレイン領域92,93が離間して形成さ
れ、これらソース,ドレイン領域92,93間にはp- ある
いはi層(高抵抗層)94が形成されている。前記フィー
ルド酸化膜33で囲まれた素子領域上には、厚さ数nm〜
10nm程度のゲート絶縁膜95を介して厚さが電子の平
均自由工程と同等以下のゲート電極96が形成されてい
る。
Reference numeral 91 in the figure denotes a p-type Si substrate. In the element region surrounded by the field oxide film 33 of the substrate 91, n
+ The source and drain regions 92 and 93 of the mold are formed separately from each other, and p is formed between the source and drain regions 92 and 93. Alternatively, an i layer (high resistance layer) 94 is formed. On the device region surrounded by the field oxide film 33, a thickness of several nm to
A gate electrode 96 having a thickness equal to or less than the mean free path of electrons is formed through a gate insulating film 95 having a thickness of about 10 nm.

【0045】こうした構成の装置において、ソース領域
92は接地され、ドレイン領域93に正の電圧VD を印加す
る。ドレイン電圧VD により、ソース領域92とドレイン
領域93間の表面に形成した高抵抗層94は空乏化し、ゲー
ト電圧VG =0Vでソース領域92,ドレイン領域93間に
電子電流が流れる。この電子電流はゲート電極96側の障
壁電位が引き下げられることにより空乏化したチャネル
に電子が注入されることにより発生する。注入された電
子は空乏層間で加速されホットエレクトロンとなりドレ
イン領域93に達する。ここで、ゲート電極96に正の電圧
を印加すると、ホットエレクトロンはゲート絶縁膜95を
トンネリングし、ゲート電極96に達し、更に真空中へ飛
び出し真空中に基板34と対向して設けられゲート電圧よ
りも更に高電圧を印加されたアノード電極(図示せず)
に取り込まれる。なお、図中の98はホットエレクトロン
の進行方向を示すもので、一部真空中へ、残りはドレイ
ン領域93へ流れる。また、実施例5は図7(B)に示す
ようにゲート電極96がソース,ドレイン領域92,93を一
部覆う例であるが、チャネル電流はゲート電圧VG=0
Vの時にもドレイン電圧VD によって流れるので、ゲー
ト電極96は必ずしもソース,ドレイン領域92,93を覆う
必要はない。
In the device having such a structure, the source region
92 is grounded, and a positive voltage V D is applied to the drain region 93. The high resistance layer 94 formed on the surface between the source region 92 and the drain region 93 is depleted by the drain voltage V D , and an electron current flows between the source region 92 and the drain region 93 at the gate voltage V G = 0V. This electron current is generated by injecting electrons into the depleted channel by lowering the barrier potential on the gate electrode 96 side. The injected electrons are accelerated between the depletion layers, become hot electrons, and reach the drain region 93. Here, when a positive voltage is applied to the gate electrode 96, the hot electrons tunnel through the gate insulating film 95, reach the gate electrode 96, and further jump out into the vacuum to face the substrate 34 in the vacuum. Anode electrode (not shown) to which a higher voltage is applied
Is taken into. It should be noted that 98 in the figure indicates the traveling direction of hot electrons, and a part thereof flows into a vacuum and the rest flows into a drain region 93. In the fifth embodiment, as shown in FIG. 7B, the gate electrode 96 partially covers the source / drain regions 92 and 93, but the channel current is the gate voltage V G = 0.
Since the drain voltage V D flows even when the voltage is V, the gate electrode 96 does not necessarily have to cover the source / drain regions 92 and 93.

【0046】なお、実施例5では、ホットエレクトロン
の真空中への引き出しをゲート電極96に加える正のゲー
ト電圧VG で行なっているが、図7(A)に97で示すよ
うな紙面に垂直で手前と反対側に向かう磁界を印加する
ことで真空中の引き出される電子量を増加させることが
できる。
In the fifth embodiment, the extraction of hot electrons into the vacuum is performed by the positive gate voltage V G applied to the gate electrode 96. However, as shown by 97 in FIG. By applying a magnetic field directed to the side opposite to this side, the amount of extracted electrons in the vacuum can be increased.

【0047】図8(A)〜(C)は、図7(B)とは異
なるMIS型陰極のレイアウト図を示す。具体的には、
図8(A)は1つのドレイン領域100 に対して2つのソ
ース領域101 を有する例を、図8(B)は1つのドレイ
ン領域100 に対して4つのソース領域102 を有する例
を、図8(C)は円形のドレイン領域100 の周囲に円形
のソール領域を示した例をそれぞれ示す。なお、103
(斜線部分)はゲート電極を示す。このゲート電極はメ
ッシュ状に配置することも可能である。 (実施例6)
FIGS. 8A to 8C are layout diagrams of MIS type cathodes different from those in FIG. 7B. In particular,
8A shows an example having two source regions 101 for one drain region 100, and FIG. 8B shows an example having four source regions 102 for one drain region 100. (C) shows examples in which a circular sole region is shown around the circular drain region 100. Note that 103
The shaded area indicates the gate electrode. This gate electrode can be arranged in a mesh shape. (Example 6)

【0048】図9を参照する。但し、図1,図7と同部
材は同符号を付して説明を省略する。この実施例6は、
逆バイアスされたpinダイオードのアバランシェ降伏
による高エネルギー電子をMIS型電極で真空中に引き
出すものである。
Referring to FIG. However, the same members as those in FIGS. 1 and 7 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. This Example 6 is
High-energy electrons due to avalanche breakdown of a reverse-biased pin diode are drawn into a vacuum by a MIS type electrode.

【0049】図中の111 は、高抵抗層32に形成された空
乏層である。この空乏層111 の表面には、複数のn+
拡散層112 が格子状に形成されている。一部の拡散層11
2 には、層間絶縁膜113 に開口された開口部より電気的
にコンタクトをとるためのn+ コンタクト電極114 が形
成されている。p+ 型のSi基板31とn+ の拡散層112
とはpinダイオードを構成している。
Reference numeral 111 in the figure is a depletion layer formed in the high resistance layer 32. On the surface of the depletion layer 111, a plurality of n + The diffusion layer 112 is formed in a lattice shape. Part of diffusion layer 11
2 is n + for electrically contacting through the opening formed in the interlayer insulating film 113. A contact electrode 114 is formed. p + Type Si substrate 31 and n + The diffusion layer 112
And constitute a pin diode.

【0050】2つのpinダイオードは逆バイアスさ
れ、高抵抗層32を空乏化する。更に、逆バイアス電圧を
大きくすると、アバランシェ降伏が起こる。これは、空
乏層内で加速された電子が高いエネルギーをもち電子−
正孔対を発生させ、更に発生した電子が次々と空乏層11
1 内で電子−正孔対を発生させるプロセスを経て大電流
を発生させるものである。電子は空乏層111 内を高抵抗
層32の表面へ向かって流れ、拡散層112 に取り込まれ
る。拡散層112 は格子状に形成されているので、一部の
電子は加速された状態で高抵抗層32/ゲート絶縁膜に達
し、ゲート電極に加える正のゲート電圧VG によりトン
ネリングによりゲート絶縁膜を突き抜け、ゲート電極に
達し、一部はゲート電極を突き抜け真空中に引き出さ
れ、基板31に対向して配置されVG あるいはVR よりも
高電圧にバイアスされたアノードド電極(図示せず)に
取り込まれアノード電流となる。この時、電子の流れる
方向に磁界を加えることにより、電子を螺旋運動させ、
電子−正孔対の発生を促進し、アバランシェ降伏電圧を
下げることができる。
The two pin diodes are reverse biased and deplete the high resistance layer 32. Furthermore, when the reverse bias voltage is increased, avalanche breakdown occurs. This is because electrons accelerated in the depletion layer have high energy and
Hole pairs are generated, and the generated electrons are successively depleted.
A large current is generated through the process of generating electron-hole pairs in 1. The electrons flow in the depletion layer 111 toward the surface of the high resistance layer 32, and are taken into the diffusion layer 112. Since the diffusion layer 112 is formed in a lattice shape, some electrons reach the high resistance layer 32 / gate insulating film in an accelerated state, and are tunneled by the positive gate voltage V G applied to the gate electrode to cause the gate insulating film to tunnel. Through the gate electrode to reach the gate electrode, part of which is pulled out into the vacuum through the gate electrode and is disposed to face the substrate 31 to be an anode electrode (not shown) which is biased to a voltage higher than V G or V R. It is taken in and becomes the anode current. At this time, by applying a magnetic field in the direction in which the electrons flow, the electrons spiral,
The generation of electron-hole pairs can be promoted and the avalanche breakdown voltage can be lowered.

【0051】なお、上記実施例1〜6ではゲート絶縁膜
として熱酸化膜を用いた場合について述べたが、これに
限らず、熱窒化膜を用いても良い。また、MOSトラン
ジスタはいずれの実施例でも同一基板上に集積化するこ
とができ、MIS型冷陰極の駆動回路等を含めることが
できる。更に、アノード電極にITO等の透明電極を用
い、その上に蛍光体を形成することにより、自発光表示
素子としてフラットパッケージプレイへの応用が可能で
ある。
Although the above embodiments 1 to 6 describe the case where the thermal oxide film is used as the gate insulating film, the present invention is not limited to this, and a thermal nitride film may be used. Further, the MOS transistors can be integrated on the same substrate in any of the embodiments, and a MIS type cold cathode drive circuit and the like can be included. Furthermore, by using a transparent electrode such as ITO as an anode electrode and forming a phosphor on the transparent electrode, it is possible to apply to a flat package play as a self-luminous display element.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、基板
内に電子を加速する領域を設け、空乏化した領域で加速
されたホットエレクトロンを効率よくトンネリングさ
せ、ホットエレクトロンがゲート絶縁膜とゲート電極を
突き抜ける確率を高め、もって冷陰極からの引き出し電
流を高めうるMIS型冷陰極電子放出装置を提供でき
る。
As described in detail above, according to the present invention, a region for accelerating electrons is provided in the substrate, hot electrons accelerated in the depleted region are efficiently tunneled, and the hot electrons serve as a gate insulating film. It is possible to provide a MIS-type cold cathode electron emission device capable of increasing the probability of penetrating through the gate electrode and thus increasing the current drawn from the cold cathode.

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

【図1】本発明の実施例1に係るMIS型冷陰極電子放
出装置の説明図であり、図1(A)は断面図、図1
(B)は同図(A)の平面図、図1(C)は図1(A)
のアノードとバイアス電圧を印加した状態の断面図、図
1(D)は同図(B)のX−X線に沿うバンドギャップ
図。
1 is an explanatory view of a MIS type cold cathode electron emission device according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 1 (A) is a sectional view, and FIG.
1B is a plan view of FIG. 1A, and FIG. 1C is FIG. 1A.
FIG. 1D is a cross-sectional view showing a state in which a bias voltage is applied to the anode of FIG. 1, and FIG. 1D is a bandgap diagram taken along line XX of FIG.

【図2】図1の電子放出装置の変形例を示す装置の平面
図。
FIG. 2 is a plan view of a device showing a modification of the electron emission device of FIG.

【図3】本発明の実施例2に係るMIS型冷陰極電子放
出装置の説明図であり、図3(A)は断面図、図3
(B)は同図(A)の平面図。
3A and 3B are explanatory views of a MIS type cold cathode electron emission device according to Example 2 of the present invention, FIG. 3A being a cross-sectional view and FIG.
(B) is a plan view of FIG.

【図4】図1,図2の電子引き出し時のエネルギーバン
ド図を示す。
FIG. 4 shows energy band diagrams at the time of drawing out electrons in FIGS. 1 and 2.

【図5】本発明の実施例3に係るMIS型冷陰極電子放
出装置の断面図。
FIG. 5 is a sectional view of an MIS type cold cathode electron emission device according to Example 3 of the present invention.

【図6】本発明の実施例4に係るMIS型冷陰極電子放
出装置の説明図であり、図6(A)は断面図、図6
(B)は同図(A)の回路図。
6A and 6B are explanatory views of a MIS type cold cathode electron emission device according to Embodiment 4 of the present invention, FIG. 6A being a sectional view and FIG.
(B) is a circuit diagram of the same figure (A).

【図7】本発明の実施例5に係るMIS型冷陰極電子放
出装置の説明図であり、図7(A)は断面図、図7
(B)は同図(A)の要部の平面図。
7A and 7B are explanatory views of a MIS type cold cathode electron emission device according to Example 5 of the present invention, FIG. 7A being a cross-sectional view and FIG.
FIG. 3B is a plan view of the main part of FIG.

【図8】図7の電子放出装置と原理が同じ装置における
ソース,ドレイン領域の各種のレイアウトを示す図。
8 is a diagram showing various layouts of source and drain regions in a device having the same principle as that of the electron emission device of FIG. 7.

【図9】本発明の実施例6に係るMIS型冷陰極電子放
出装置の断面図。
FIG. 9 is a sectional view of a MIS type cold cathode electron emission device according to Example 6 of the present invention.

【図10】Spindt 型マイクロエミッタの概略断面図。FIG. 10 is a schematic sectional view of a Spindt type micro-emitter.

【図11】図11のマイクロエミッタのフラットパネルデ
ィスプレイへの応用例を示す概略図。
FIG. 11 is a schematic diagram showing an application example of the micro-emitter of FIG. 11 to a flat panel display.

【図12】従来のMOS型冷陰極電子放出装置の説明図
であり、図12(A)は断面図、図12(B)は同図(A)
のX−X線に沿うエネルギーバンド図。
12A and 12B are explanatory views of a conventional MOS type cold cathode electron emission device. FIG. 12A is a sectional view and FIG. 12B is the same figure.
Energy band diagram along the line XX of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31…Si基板、32…高抵抗層、33…フィールド酸化膜、
34,62,67…ゲート絶縁膜、35,51,63,65,77…ゲー
ト電極、36,64…ゲートコンタクト電極、37…カソード
電極、38…アノード電極、61…マイクロエミッタ、71…
MIS型冷陰極電子線、72…MOSトランジスタ、73…
Pウェル、74…ソース領域、75…ドレイン領域。
31 ... Si substrate, 32 ... High resistance layer, 33 ... Field oxide film,
34, 62, 67 ... Gate insulating film, 35, 51, 63, 65, 77 ... Gate electrode, 36, 64 ... Gate contact electrode, 37 ... Cathode electrode, 38 ... Anode electrode, 61 ... Micro-emitter, 71 ...
MIS type cold cathode electron beam, 72 ... MOS transistor, 73 ...
P well, 74 ... Source region, 75 ... Drain region.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板に形成されたカソード電極と、前記
基板上に極薄のゲート絶縁膜を介して形成された極薄の
ゲート電極と、前記カソード電極と対向して設けられた
アノード電極とを具備し、前記カソード電極,アノード
電極に電圧を印加することによりゲート絶縁膜からアノ
ード電極へ電子を放出させるMIS型冷陰極電子放出装
置において、前記基板上に高抵抗層を介して前記ゲート
絶縁膜とゲート電極を設けたことを特徴とするMIS型
冷陰極電子放出装置。
1. A cathode electrode formed on a substrate, an ultrathin gate electrode formed on the substrate via an ultrathin gate insulating film, and an anode electrode provided opposite to the cathode electrode. A MIS-type cold cathode electron emission device comprising: a gate insulating film to emit electrons to the anode electrode by applying a voltage to the cathode electrode and the anode electrode. A MIS-type cold cathode electron emission device comprising a film and a gate electrode.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999010908A1 (en) * 1997-08-27 1999-03-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electron emitting device, field emission display, and method of producing the same
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Effective date: 20010612