JPH0567426A - 電界放出型電子源 - Google Patents

電界放出型電子源

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JPH0567426A
JPH0567426A JP22705991A JP22705991A JPH0567426A JP H0567426 A JPH0567426 A JP H0567426A JP 22705991 A JP22705991 A JP 22705991A JP 22705991 A JP22705991 A JP 22705991A JP H0567426 A JPH0567426 A JP H0567426A
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JP
Japan
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field emission
cold cathode
substrate
electric field
gate electrode
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JP22705991A
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English (en)
Inventor
Yasuyuki Ito
康幸 伊藤
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造が容易でありかつ高集積化に適してい
る、ゲートキャパシタンスの低減化を計った電界放出型
電子源を提供する。 【構成】 高抵抗半導体であるノンドープSi基板24の
表面に、P(リン)がドープされたn型低抵抗層により
なる複数の帯状の冷陰極基板電極25が互いに並んで形成
されており、帯状の各冷陰極基板電極25上には、表面積
を大きくするために側面断面がウェッジ形状をしている
複数の電界放出型冷陰極21がリニアアレイ状に形成され
ている。ノンドープSi基板24の表面上には、電界放出
型冷陰極21の位置する領域を含む長孔26を除いて、絶縁
層23を介在して電界放出型冷陰極21の高さとほぼ同一の
レベルの高さで、ゲート電極22が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電界放出型電子源に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、集積回路又は薄膜の分野において
用いられている微細加工技術により、高電界において電
子を放出する電界放出型電子源製造技術の進歩はめざま
しく、特に極めて小型な構造を有する電界放出型冷陰極
が製造されている。この種の電界放出型冷陰極は、3極
管型の超小型電子管又は超小型電子銃を構成する主要部
品の内、最も基本的な電子放出デバイスである。
【0003】多数の電子放出デバイスを含む電界放出型
電子源は、例えば微小3極管や薄型表示素子等の構成要
素として考案されたもので、特に、スタンフォード リ
サーチ インスティチュート(Stanford Research Inst
itute )のシー.エー.スピンド(C.A.Spindt)らによ
るジャーナル オブ アプライド フィジックス(Jour
nal of Applied Physics)の第47巻、12号、5248〜5263
項(1976年12月)に発表された研究報告により公知であ
り、エイチ.エフ.グレイ(H. F. Gray) 等によって米
国特許第4,307,507 号及び第4,513,308 号に開示されて
いる。
【0004】図4は、従来の電界放出型電子源の概略を
示す斜視図を示しており、その V−V 線の断面図を図5
に示す。
【0005】集積回路又は薄膜の分野における微細加工
技術との互換性、低コスト化、及び他の電子回路素子と
のモノリシック化等を考慮して、基板電極10には低抵抗
の単結晶Si(シリコン)基板が用いられている。基板
電極10の上には、多数の円錐形状の電界放出型冷陰極11
が形成されており、これらの電界放出型冷陰極11は、基
板電極10と同一の低抵抗単結晶Siか又はW(タングス
テン)、Mo(モリブデン)等の高融点金属材料で作ら
れている。また、電界放出型冷陰極11の回りの基板電極
10の上には絶縁層12が形成されており、絶縁層12の上に
はさらにゲート電極13が積層されている。このような構
成において、電界放出型冷陰極11とゲート電極13との間
に電圧が印加されると、その間に高電界が発生し、電界
放出の原理によって電界放出型冷陰極11より電子が放出
される。
【0006】Si半導体等の固体素子では、固体中の電
子の移動速度がc/1000(cは光速度)程度で飽和
するという限界があり、高温及び放射線に弱いという問
題点がある。これに対し、電界放出型電子源において
は、放出電子は真空中を移動するので、電子の移動速度
は固体中における移動速度より1桁以上大きくなること
が可能であり、かつ高温及び放射線に強いという利点が
ある。例えば1μmの間隔を有する電極間に50Vの電
圧を印加した場合、この電子の移動速度は、平均で2×
108 cm/sであり、1μmの距離の移動時間は0.
5psecとなる。
【0007】従って、ミクロンオーダの素子寸法を有す
る電界放出型冷陰極を含む真空3極管によってテラヘル
ツ程度の応答速度を有する超高速素子を実現することが
でき、これによりSi半導体等の固体素子の欠点及び限
界を克服することが可能となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電界放出型
冷陰極のカットオフ周波数ft は、一般に次式により表
される。
【0009】ft =gm /(2πCg ) 但し、gm は相互コンダクタンス、Cg はゲートキャパ
シタンスである。
【0010】従って、高速動作が可能な電界放出型冷陰
極を実現するためには、相互コンダクタンスgm を大き
くするか、又はゲートキャパシタンスCg を小さくしな
ければならない。
【0011】相互コンダクタンスgm を大きくするため
には、電界放出型冷陰極の放射効率を向上して放射電流
を増加する必要があるので、電界放出型冷陰極の表面に
仕事関数の小さな物質を用いるか、大きな電子放出面積
を有する電界放出型冷陰極を形成するか、若しくは電界
放出型冷陰極の間隔を小さくして放出電子密度を増加す
るか等の方法がなされている。しかしながら、仕事関数
の小さな物質は、本質的に不安定であるという問題点が
ある。また、電界放出型冷陰極の電子放出面積を大きく
すること、又は電界放出型冷陰極の間隔を小さくするこ
とは製造が困難であるという問題点がある。
【0012】また、ゲートキャパシタンスCg は、電界
放出型冷陰極11とゲート電極13との間の絶縁層12の誘電
率をε、絶縁層12の膜厚をd、基板電極10とゲート電極
13との対向面積(基板電極10とゲート電極13との重なっ
ている面積)をSとすると、次式により表される。
【0013】Cg =εS/d ゲートキャパシタンスCg を小さくするために、例えば
ゲート電極13をリング状に形成して対向面積Sを小さく
する等の提案がなされているが、このリング形状を均一
に形成するという製造上の問題点及び製造コストの増加
という問題点があり、実用化に至っていない。
【0014】従って、本発明は、上記の問題点を解決
し、製造が容易でありかつ高集積化に適している、ゲー
トキャパシタンスの低減化を計った電界放出型電子源を
提供するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板と、この半導体基板と対向して設けられた少なくと
も1つのゲート電極と、半導体基板のゲート電極と対向
する表面の一部分に形成されかつ半導体基板に電気的に
接続されており、半導体基板より小さい抵抗を有する少
なくとも1つの冷陰極基板電極と、冷陰極基板電極上に
形成されており、冷陰極基板電極を介して半導体基板に
電気的に接続された少なくとも1つの電界放出型冷陰極
とを備えた電界放出型電子源が提供される。
【0016】
【作用】本発明による電界放出型電子源では、半導体基
板のゲート電極と対向する表面の一部分に半導体基板よ
り小さい抵抗を有する少なくとも1つの冷陰極基板電極
が形成されているので、半導体基板全体が冷陰極基板電
極である場合と比較して冷陰極基板電極とゲート電極と
の対向面積を小さくすることができる。これによって、
ゲートキャパシタンスを小さくすることが可能となる。
このような構成の電界放出型電子源の冷陰極基板電極と
ゲート電極との間に、100V〜200Vの電圧が印加
されると、電界放出型冷陰極の上端とゲート電極との間
に107 V/cm程度の高電界が発生し、電界放出の原
理により電界放出型冷陰極の上端から電子が放出され
る。
【0017】
【実施例】本発明による実施例について図面を参照して
説明する。図1は本発明に係る電界放出型電子源の一実
施例の斜視図である。図2は図1のII−II線の断面図、
図3は図1の部分平面図である。
【0018】基板電極として、高抵抗半導体のノンドー
プSi基板24が使用される。このノンドープSi基板24
の表面には、P(リン)がドープされたn型低抵抗層よ
りなる複数の帯状の冷陰極基板電極25が互いに並んで形
成されており、帯状の各冷陰極基板電極25の上には、表
面積を大きくするために側面断面がウェッジ形状をして
いる複数の電界放出型冷陰極21がリニアアレイ状に配置
されている。各電界放出型冷陰極21は、それが上に形成
されている冷陰極基板電極25を介してノンドープSi基
板24に電気的に接続されている。冷陰極基板電極25とし
ては、P(リン)がドープされたn型低抵抗層の代わり
に、B(ボロン)等がドープされた低抵抗層が用いられ
てもよい。電界放出型冷陰極21は、通常、モリブデン、
金、銀等の熱的及び機械的に優れ、仕事関数の小さい材
料で製造される。また、電界放出型冷陰極21は、従来例
のような円錐状に形成されてもよい。尚、図3の破線は
帯状の冷陰極基板電極25を示している。
【0019】ノンドープSi基板24の上に、各電界放出
型冷陰極21の位置する領域を含む長穴26を除いて、絶縁
層23及びゲート電極22が、この順番で積層されている。
即ち、長穴26は、絶縁層23及びゲート電極22を貫通して
おり、その一端は基板24によって塞がれている。電界放
出型冷陰極21の先端は、ゲート電極22の上面(絶縁層と
は反対側)の高さとほぼ同一のレベルの高さになるよう
になされており、ゲート電極22によって包囲されてい
る。ノンドープSi基板24とゲート電極22との間は、絶
縁層23によって電気的に絶縁されている。ゲート電極22
は、電界放出型冷陰極21と同様に、モリブデン、金、銀
等の熱的及び機械的に優れ、仕事関数の小さい材料で製
造される。また、絶縁層23は、酸化シリコン等の電気絶
縁性を有する材料で形成されている。
【0020】本実施例では、ゲート電極22は、複数の長
穴26を有している1つの層で形成されているが、複数の
電界放出型冷陰極21を含む各リニアアレイの両側におい
て帯状に形成されてもよい。
【0021】本実施例による電界放出型電子源では、上
記のように複数の帯状の冷陰極基板電極25がノンドープ
Si基板24の表面に形成されており、かつ各電界放出型
冷陰極21の位置する領域を除いて、ゲート電極22が形成
されているので、半導体基板全体が冷陰極基板電極であ
る場合と比較して冷陰極基板電極25とゲート電極22とが
重なっている面積即ち冷陰極基板電極25とゲート電極22
との対向面積を小さくすることができる。従って、これ
によってゲートキャパシタンスを小さくすることができ
るので、電界放出型冷陰極21の高速応答が達成され得
る。また、帯状の冷陰極基板電極25は、Si基板表面に
P(リン)をドープしたn型低抵抗層として形成される
ので、製造が容易でありかつ高集積化に適した構造を有
している。
【0022】このような構成の電界放出型電子源の冷陰
極基板電極25とゲート電極22との間に、100V〜20
0Vの電圧が印加されると、電界放出型冷陰極21の上端
とゲート電極22との間に107 V/cm程度の高電界が
発生し、電界放出の原理により電界放出型冷陰極21の上
端から電子が放出される。
【0023】本実施例において、マトリクス状の電界放
出型冷陰極21の間隔が縦方向、横方向共に10μm、ゲー
ト電極22の長孔の幅d1が2μm、長さd2が7μm、
冷陰極基板電極25の長さd3が5μmである場合(図3
参照)、ゲートキャパシタンスCg の値は、従来の低抵
抗Si基板10が冷陰極基板電極である場合の値の8%程
度の大きさになり、従って、カットオフ周波数ft を1
2.5倍に増大することが可能となった。
【0024】本実施例において、帯状の複数の冷陰極基
板電極が形成されたが、これに代わって、各電界放出型
陰極が配置される部分に、多数の冷陰極基板がそれぞれ
形成されてもよい。
【0025】
【発明の効果】本発明による電界放出型電子源では、半
導体基板より小さい抵抗を有する複数の帯状の冷陰極基
板電極が半導体基板表面に形成されているので、半導体
基板全体が冷陰極基板電極である場合と比較して冷陰極
基板電極とゲート電極とが重なっている面積を小さくす
ることができる。従って、これによって、ゲートキャパ
シタンスを小さくすることができるので、電界放出型冷
陰極の高速応答が達成される。また、帯状の冷陰極基板
電極は、基板表面にP(リン)等の不純物をドープした
n型低抵抗層として形成されるので、製造が容易であり
かつ高集積化に適した構造を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電界放出型電子源の一実施例の斜
視図である。
【図2】図1のII−II線の断面図である。
【図3】図1の電界放出型電子源の部分平面図である。
【図4】従来の電界放出型電子源の斜視図である。
【図5】図4の V−V 線の断面図である。
【符号の説明】
21 電界放出型冷陰極 22 ゲート電極 23 絶縁層 24 ノンドープSi基板 25 冷陰極基板電極 26 長穴

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、該半導体基板と対向して
    設けられた少なくとも1つのゲート電極と、前記半導体
    基板の該ゲート電極と対向する表面の一部分に形成され
    かつ前記半導体基板に電気的に接続されており、前記半
    導体基板より小さい抵抗を有する少なくとも1つの冷陰
    極基板電極と、該冷陰極基板電極上に形成されており、
    該冷陰極基板電極を介して前記半導体基板に電気的に接
    続された少なくとも1つの電界放出型冷陰極とを備えた
    ことを特徴とする電界放出型電子源。
JP22705991A 1991-09-06 1991-09-06 電界放出型電子源 Pending JPH0567426A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040067679A (ko) * 2003-01-24 2004-07-30 엘지.필립스디스플레이(주) 전계 방출형 표시소자
KR100889527B1 (ko) * 2007-11-21 2009-03-19 삼성에스디아이 주식회사 발광 장치 및 이 발광 장치를 광원으로 사용하는 표시 장치
JP2011510431A (ja) * 2007-07-26 2011-03-31 シーイービーティー・カンパニー・リミティッド ナノ構造チップを備えた電子放出源及びこれを用いた電子カラム
JP2014523616A (ja) * 2011-06-29 2014-09-11 カリッド ワカス ナノ構造を含む装置及びその製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4979161A (ja) * 1972-12-04 1974-07-31

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