JPH0794081A - ダイヤモンドを用いたエレクトロン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレーの作製 - Google Patents
ダイヤモンドを用いたエレクトロン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレーの作製Info
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- JPH0794081A JPH0794081A JP5269385A JP26938593A JPH0794081A JP H0794081 A JPH0794081 A JP H0794081A JP 5269385 A JP5269385 A JP 5269385A JP 26938593 A JP26938593 A JP 26938593A JP H0794081 A JPH0794081 A JP H0794081A
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- electron
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 負の電子親和力を持つ、ｎ型およびｐ型半導
体ダイヤモンド単体を用いた、安定性に優れ、低電圧で
高電流密度が得られるエレクトロン・エミッター、およ
びエレクトロン・エミッター・アレーの提供 【構成】 ダイヤモンドの特徴の一つである負の電子親
和力を利用し、適当な不純物を含むか、結晶中の欠陥等
に起因したｎ型あるいはｐ型半導体的性質を有するダイ
ヤモンド単体を用い、従来の半導体デバイス構造を用い
ずに、安定性に優れ低電圧で高電流密度が得られるエレ
クトロン・エミッター（電子放出素子）の作製、三極真
空電子増幅素子の作製、および加工の極めて難しいダイ
ヤモンドから成り、鋭い先端形状を持ち、これが規則正
しく配列した、エレクトロン・エミックー・アレーの作
製
体ダイヤモンド単体を用いた、安定性に優れ、低電圧で
高電流密度が得られるエレクトロン・エミッター、およ
びエレクトロン・エミッター・アレーの提供 【構成】 ダイヤモンドの特徴の一つである負の電子親
和力を利用し、適当な不純物を含むか、結晶中の欠陥等
に起因したｎ型あるいはｐ型半導体的性質を有するダイ
ヤモンド単体を用い、従来の半導体デバイス構造を用い
ずに、安定性に優れ低電圧で高電流密度が得られるエレ
クトロン・エミッター（電子放出素子）の作製、三極真
空電子増幅素子の作製、および加工の極めて難しいダイ
ヤモンドから成り、鋭い先端形状を持ち、これが規則正
しく配列した、エレクトロン・エミックー・アレーの作
製
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、従来の半導体デバイス
構造を用いる必要のない、ｎ型あるいはｐ型半導体ダイ
ヤモンド単体を用いたエレクトロン・エミッター（電子
放出素子）の作製、およびその特性を著しく高めるため
の作製・加工技術に関するものである。
構造を用いる必要のない、ｎ型あるいはｐ型半導体ダイ
ヤモンド単体を用いたエレクトロン・エミッター（電子
放出素子）の作製、およびその特性を著しく高めるため
の作製・加工技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンド（１１１）面が負の電子親
和力を持つことが報告されて以来（Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍｐｓ
ｅｌ ｅｔ ａｌ． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｂ２０
（１９７９） ６２４）、ダイヤモンドを利用したｐｎ
接合やショットキー障壁を利用した半導体電子放出素子
の製作に関して、そのアイディアは報告されている（Ｕ
ＳＰａｔｅｎｔ Ｎｏ．５１３８２３７、特開平４−３
５２３６５、等）。しかし現実には、ｎ型半導体ダイヤ
モンドの合成が困難であったため、実際には上述のダイ
ヤモンドによる半導体デバイスの作製はもちろん、作製
されたデバイスからのエミッション特性、およびダイヤ
モンド単体が示すエミッション特性さえも測定されてお
らず、上述のアイディアも単に机上の空論に過ぎなかっ
た。
和力を持つことが報告されて以来（Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍｐｓ
ｅｌ ｅｔ ａｌ． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｂ２０
（１９７９） ６２４）、ダイヤモンドを利用したｐｎ
接合やショットキー障壁を利用した半導体電子放出素子
の製作に関して、そのアイディアは報告されている（Ｕ
ＳＰａｔｅｎｔ Ｎｏ．５１３８２３７、特開平４−３
５２３６５、等）。しかし現実には、ｎ型半導体ダイヤ
モンドの合成が困難であったため、実際には上述のダイ
ヤモンドによる半導体デバイスの作製はもちろん、作製
されたデバイスからのエミッション特性、およびダイヤ
モンド単体が示すエミッション特性さえも測定されてお
らず、上述のアイディアも単に机上の空論に過ぎなかっ
た。
【０００３】
【本発明が解決しようとしている問題点】従来の技術で
述べたアイディアのように、ダイヤモンドを用いて既存
の半導体デバイス構造、たとえばｐｎ接合やショットキ
ー障壁などを模倣し作製するのではなく、最も単純な考
え方に戻り、ダイヤモンドの有する負の電子親和力を利
用し、ダイヤモンド単体をエレクトロン・エミッター
（電子放出素子）として用い、新世代の全く新しいデバ
イス開発を目指すことにある。
述べたアイディアのように、ダイヤモンドを用いて既存
の半導体デバイス構造、たとえばｐｎ接合やショットキ
ー障壁などを模倣し作製するのではなく、最も単純な考
え方に戻り、ダイヤモンドの有する負の電子親和力を利
用し、ダイヤモンド単体をエレクトロン・エミッター
（電子放出素子）として用い、新世代の全く新しいデバ
イス開発を目指すことにある。
【０００４】
【問題点を解決するための手段】適当な不純物を添加
し、ｎ型あるいはｐ型の半導体的性質を有するダイヤモ
ンド単体を利用し、これをエレクトロン・エミッターと
して用いること、およびダイヤモンド表面に電界を集中
させ、低電圧においても高電界が生じるよう、ダイヤモ
ンドに適当な加工を施すことが、上述の問題点を解決す
るための手段である。
し、ｎ型あるいはｐ型の半導体的性質を有するダイヤモ
ンド単体を利用し、これをエレクトロン・エミッターと
して用いること、およびダイヤモンド表面に電界を集中
させ、低電圧においても高電界が生じるよう、ダイヤモ
ンドに適当な加工を施すことが、上述の問題点を解決す
るための手段である。
【０００５】
【発明の効果】本発明では、特開平１−９６０９４、特
願平１−３０２２０９、ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５
１１２７７５、およびＮｏ．５２２３７２１に述ベられ
ているダイヤモンドへの不純物添加方法を用いｎ型およ
びｐ型半導体ダイヤモンドを合成し、得られた試料を用
いて、アノード電圧に対するダイヤモンドからのエミッ
ション電流を測定した。その結果、不純物としてリン
（Ｐ）・窒素（Ｎ）・リチウム（Ｌｉ）・ナトリウム
（Ｎａ）・酸素（Ｏ）などを含むか、あるいは結晶中の
欠陥等に起因したｎ型半導体的性質を示すダイヤモンド
のアノード電圧対エミッション電流特性は、ホウ素
（Ｂ）・アルミニウム（Ａｌ）等を添加して得られるｐ
型半導体ダイヤモンドからの特性と大きく異なることが
確認された。異なる点としては、まず、アノード電圧対
エミッション電流特性において、電流の観測され始める
電圧がｐ型半導体ダイヤモンドと比較し、ｎ型半導体ダ
イヤモンドにおいてかなり低いこと、そしてアノード電
圧対エミッション電流特性をＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈ
ｅｉｍ（Ｆ−Ｎ）プロット［（１／アノード電圧）対
｛エミッション電流／（アノード電圧）２｝］すると、
ｐ型半導体ダイヤモンドの場合には、Ｆ−Ｎ理論に従い
直線になるのに対して、ｎ型半導体ダイヤモンドの場合
には、指数関数的な変化を示すことが挙げられる。これ
は、ｐ型半導体ダイヤモンドからのエレクトロン・エミ
ッションが、通常のＦ−Ｎ理論から示唆される高電界に
よるトンネリングによるものであるの対して、ｎ型半導
体ダイヤモンドからのエレクトロン・エミッションはＦ
−Ｎ理論、すなわちトンネリングだけでは説明できない
ことを意味する。また、Ｆ−Ｎプロットの傾きによって
決定される仕事関数も、ｎ型半導体ダイヤモンドの場
合、ｐ型半導体ダイヤモンドと比較して著しく小さくな
る点も、ｎ型半導体ダイヤモンド固有の現象である。こ
れらは、いずれもダイヤモンドの持つ負の電子親和力、
およびｎ型の半導体的性質に起因するものであり、ｐ型
半導体ダイヤモンドには見られない特徴である。
願平１−３０２２０９、ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５
１１２７７５、およびＮｏ．５２２３７２１に述ベられ
ているダイヤモンドへの不純物添加方法を用いｎ型およ
びｐ型半導体ダイヤモンドを合成し、得られた試料を用
いて、アノード電圧に対するダイヤモンドからのエミッ
ション電流を測定した。その結果、不純物としてリン
（Ｐ）・窒素（Ｎ）・リチウム（Ｌｉ）・ナトリウム
（Ｎａ）・酸素（Ｏ）などを含むか、あるいは結晶中の
欠陥等に起因したｎ型半導体的性質を示すダイヤモンド
のアノード電圧対エミッション電流特性は、ホウ素
（Ｂ）・アルミニウム（Ａｌ）等を添加して得られるｐ
型半導体ダイヤモンドからの特性と大きく異なることが
確認された。異なる点としては、まず、アノード電圧対
エミッション電流特性において、電流の観測され始める
電圧がｐ型半導体ダイヤモンドと比較し、ｎ型半導体ダ
イヤモンドにおいてかなり低いこと、そしてアノード電
圧対エミッション電流特性をＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈ
ｅｉｍ（Ｆ−Ｎ）プロット［（１／アノード電圧）対
｛エミッション電流／（アノード電圧）２｝］すると、
ｐ型半導体ダイヤモンドの場合には、Ｆ−Ｎ理論に従い
直線になるのに対して、ｎ型半導体ダイヤモンドの場合
には、指数関数的な変化を示すことが挙げられる。これ
は、ｐ型半導体ダイヤモンドからのエレクトロン・エミ
ッションが、通常のＦ−Ｎ理論から示唆される高電界に
よるトンネリングによるものであるの対して、ｎ型半導
体ダイヤモンドからのエレクトロン・エミッションはＦ
−Ｎ理論、すなわちトンネリングだけでは説明できない
ことを意味する。また、Ｆ−Ｎプロットの傾きによって
決定される仕事関数も、ｎ型半導体ダイヤモンドの場
合、ｐ型半導体ダイヤモンドと比較して著しく小さくな
る点も、ｎ型半導体ダイヤモンド固有の現象である。こ
れらは、いずれもダイヤモンドの持つ負の電子親和力、
およびｎ型の半導体的性質に起因するものであり、ｐ型
半導体ダイヤモンドには見られない特徴である。
【０００６】また、上述のエミッション特性は、ダイヤ
モンドのｃｌｅａｎ Ｓｕｒｆａｃｅ（清浄面）が保て
れば維持できるが、ダイヤモンド再表面の炭素原子の再
構築や炭素以外の原子による終端や吸着などにより、元
来負であったダイヤモンドの電子親和力が零に近づくか
あるいは正に転じ、変化が起こることも考えられる。そ
こで、ダイヤモンド表面のｃｌｅａｎ ｓｕｒｆａｃｅ
を保つ技術、あるいはダイヤモンド表面の負の電子親和
力を保ったままある特定の元素で覆う技術を用いれば、
ダイヤモンドからのエレクトロン・エミッションは半永
久的に持続する。
モンドのｃｌｅａｎ Ｓｕｒｆａｃｅ（清浄面）が保て
れば維持できるが、ダイヤモンド再表面の炭素原子の再
構築や炭素以外の原子による終端や吸着などにより、元
来負であったダイヤモンドの電子親和力が零に近づくか
あるいは正に転じ、変化が起こることも考えられる。そ
こで、ダイヤモンド表面のｃｌｅａｎ ｓｕｒｆａｃｅ
を保つ技術、あるいはダイヤモンド表面の負の電子親和
力を保ったままある特定の元素で覆う技術を用いれば、
ダイヤモンドからのエレクトロン・エミッションは半永
久的に持続する。
【０００７】また、ダイヤモンド・窒化ホウ素（ｃＢ
Ｎ）・各種セラミック等の絶縁基板に直径あるいは一辺
が数／１００μｍから数百μｍの小さな穴を機械的な加
工、物理的あるいは化学的なエッチングにより単数また
は複数あけ、この基板上にＣＶＤ法によりダイヤモンド
を堆積させる。ダイヤモンドの基板面平行方向の成長に
より、穴の大きさに応じた時間経過後、穴は完全にふさ
がる。その後、基板のダイヤモンド成長面と裏面にアノ
ード電極を形成することで、ダイヤモンド・エレクトロ
ン・エミッターが作製できる。このエミッターではカソ
ード（Ｋ）・アノード（Ａ）間の距離は基板厚により決
まり、容易に一定となる。言い換えれば、基板厚を数／
１０μｍから数＋μｍ程度に薄くすることで、低電圧印
加時でもカソード（Ｋ）・アノード（Ａ）間に安定した
高電界が発生する。この技術により得られたエレクトロ
ン・エミッターは、表面をセシウム（Ｃｓ）処理し仕事
関数を小さくした、シリコン（Ｓｉ）やガリウム・ヒ素
（ＧａＡｓ）などのエミッターに比べ、安定して低電圧
で高電流密度が得られる。
Ｎ）・各種セラミック等の絶縁基板に直径あるいは一辺
が数／１００μｍから数百μｍの小さな穴を機械的な加
工、物理的あるいは化学的なエッチングにより単数また
は複数あけ、この基板上にＣＶＤ法によりダイヤモンド
を堆積させる。ダイヤモンドの基板面平行方向の成長に
より、穴の大きさに応じた時間経過後、穴は完全にふさ
がる。その後、基板のダイヤモンド成長面と裏面にアノ
ード電極を形成することで、ダイヤモンド・エレクトロ
ン・エミッターが作製できる。このエミッターではカソ
ード（Ｋ）・アノード（Ａ）間の距離は基板厚により決
まり、容易に一定となる。言い換えれば、基板厚を数／
１０μｍから数＋μｍ程度に薄くすることで、低電圧印
加時でもカソード（Ｋ）・アノード（Ａ）間に安定した
高電界が発生する。この技術により得られたエレクトロ
ン・エミッターは、表面をセシウム（Ｃｓ）処理し仕事
関数を小さくした、シリコン（Ｓｉ）やガリウム・ヒ素
（ＧａＡｓ）などのエミッターに比べ、安定して低電圧
で高電流密度が得られる。
【０００８】ここで、上述のカソード（Ｋ）の代わりに
メッシュ形状の電極を用い、これをグリッド（Ｇ）と
し、絶縁体を介して新たにカソード（Ｋ）電極を形成す
ると、三極構造のデバイスが作製できる。ここで、グリ
ッド（Ｇ）に交流信号を加えれば、アノード（Ａ）・カ
ソード（Ｋ）間には増幅された交流信号が現れる。すな
わち、三極真空管、半導体トランジスタに代わるダイヤ
モンドによる三極真空電子増幅素子が作製できる（図４
（ｅ）参照）。この素子は、エレクトロン・エミッター
としてダイヤモンドを用いているため、タングステン
（Ｗ）などの金属フィラメントを用いていた三極真空管
に比べ、その寿命は半永久的である。また、半導体素子
と異なり真空中で動作するため、高周波特性や動作速度
等が画期的に改善される。
メッシュ形状の電極を用い、これをグリッド（Ｇ）と
し、絶縁体を介して新たにカソード（Ｋ）電極を形成す
ると、三極構造のデバイスが作製できる。ここで、グリ
ッド（Ｇ）に交流信号を加えれば、アノード（Ａ）・カ
ソード（Ｋ）間には増幅された交流信号が現れる。すな
わち、三極真空管、半導体トランジスタに代わるダイヤ
モンドによる三極真空電子増幅素子が作製できる（図４
（ｅ）参照）。この素子は、エレクトロン・エミッター
としてダイヤモンドを用いているため、タングステン
（Ｗ）などの金属フィラメントを用いていた三極真空管
に比べ、その寿命は半永久的である。また、半導体素子
と異なり真空中で動作するため、高周波特性や動作速度
等が画期的に改善される。
【０００９】さらに、ダイヤモンドを用いて実際のエレ
クトロン・エミッターを作製するためには、低電圧でも
高電界を得るために、プラズマ・エッチングなどの技術
を用い、先端を尖らせる必要がある。しかしながら、ダ
イヤモンドは物理的にも化学的にも安定な物質であり、
先端を鋭くするような加工を行うことは容易でない。そ
こで本発明では、基板全面あるいは一部分を、一辺ある
いは直径が数／１００μｍから数ｍｍ程度、間隔が数／
１０μｍから数／１０ｍｍ程度の逆ピラミッド状、逆円
錐上などにエッチングした後、熱フィラメント、各種プ
ラズマ低圧気相合成（ＣＶＤ）法あるいは、燃焼炎法等
によりダイヤモンドを数μｍから数ｍｍ堆積させ、その
後基板だけを物理的あるいは化学的に除去する技術を開
発した。この技術により容易に、鋭い先端を持った規則
正しく配列した複数のピラミッド状あるいは円錐上のダ
イヤモンドからなるエレクトロン・エミッター・アレー
の作製が可能となる。得られたダイヤモンド・エレクト
ロン・エミッター・アレーのアノード電圧対エミッショ
ン電流特性を測定すると、電界が先端部分に集中するた
め、本加工を行う前に比べ、より低い電圧でより大きな
エミッション電流が得られる。
クトロン・エミッターを作製するためには、低電圧でも
高電界を得るために、プラズマ・エッチングなどの技術
を用い、先端を尖らせる必要がある。しかしながら、ダ
イヤモンドは物理的にも化学的にも安定な物質であり、
先端を鋭くするような加工を行うことは容易でない。そ
こで本発明では、基板全面あるいは一部分を、一辺ある
いは直径が数／１００μｍから数ｍｍ程度、間隔が数／
１０μｍから数／１０ｍｍ程度の逆ピラミッド状、逆円
錐上などにエッチングした後、熱フィラメント、各種プ
ラズマ低圧気相合成（ＣＶＤ）法あるいは、燃焼炎法等
によりダイヤモンドを数μｍから数ｍｍ堆積させ、その
後基板だけを物理的あるいは化学的に除去する技術を開
発した。この技術により容易に、鋭い先端を持った規則
正しく配列した複数のピラミッド状あるいは円錐上のダ
イヤモンドからなるエレクトロン・エミッター・アレー
の作製が可能となる。得られたダイヤモンド・エレクト
ロン・エミッター・アレーのアノード電圧対エミッショ
ン電流特性を測定すると、電界が先端部分に集中するた
め、本加工を行う前に比べ、より低い電圧でより大きな
エミッション電流が得られる。
【００１０】
【実施例１】シリコン基板上に熱フィラメントＣＶＤ法
によりダイヤモンドを堆積する。このとき不純物源とし
て粉末ホウ酸（Ｂ２Ｏ３）および五酸化二リン（Ｐ２Ｏ
５）を用いることで、ダイヤモンドにホウ素及びリンを
添加し、各々ｐ型およびｎ型の半導体ダイヤモンドを得
た。得られた半導体ダイヤモンドを、超高真空内に設置
し、図１に示したように、設置されたダイヤモンド上方
１００μｍにセットした直径１ｍｍのタングステン製ア
ノード（Ａ）に高電圧を印加し、そのときのダイヤモン
ド・カソード（Ｋ）からのエミッション電流を測定し
た。その結果、図２に示したアノード電圧対エミッショ
ン電流特性から、電流の流れ始める立ち上がり電圧が、
リン添加したダイヤモンドの場合１、０００Ｖ以下であ
り、ホウ素添加したダイヤモンドの場合（約２、５００
Ｖ）と比較し、かなり低いことがわかる。また、この特
性をＦ−Ｎプロット［（１／アノード電圧）対｛エミッ
ション電流／（アノード電圧）２｝」した結果（図
３）、ホウ素を添加した場合、通常のＦ−Ｎ理論に従い
直線になったが、リンを添加した場合、Ｆ−Ｎプロット
は指数関数的な変化を示し、Ｆ−Ｎプロットの傾きから
求められる仕事関数も、リン添加の場合著しく減少し
た。
によりダイヤモンドを堆積する。このとき不純物源とし
て粉末ホウ酸（Ｂ２Ｏ３）および五酸化二リン（Ｐ２Ｏ
５）を用いることで、ダイヤモンドにホウ素及びリンを
添加し、各々ｐ型およびｎ型の半導体ダイヤモンドを得
た。得られた半導体ダイヤモンドを、超高真空内に設置
し、図１に示したように、設置されたダイヤモンド上方
１００μｍにセットした直径１ｍｍのタングステン製ア
ノード（Ａ）に高電圧を印加し、そのときのダイヤモン
ド・カソード（Ｋ）からのエミッション電流を測定し
た。その結果、図２に示したアノード電圧対エミッショ
ン電流特性から、電流の流れ始める立ち上がり電圧が、
リン添加したダイヤモンドの場合１、０００Ｖ以下であ
り、ホウ素添加したダイヤモンドの場合（約２、５００
Ｖ）と比較し、かなり低いことがわかる。また、この特
性をＦ−Ｎプロット［（１／アノード電圧）対｛エミッ
ション電流／（アノード電圧）２｝」した結果（図
３）、ホウ素を添加した場合、通常のＦ−Ｎ理論に従い
直線になったが、リンを添加した場合、Ｆ−Ｎプロット
は指数関数的な変化を示し、Ｆ−Ｎプロットの傾きから
求められる仕事関数も、リン添加の場合著しく減少し
た。
【００１１】
【実施例２】実施例２では、図４に示したように、基板
厚５０μｍのダイヤモンド基板に直径１０μｍの小さな
穴を、物理的なエッチングにより複数あけ、この基板上
に熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンドを堆積さ
せる。ダイヤモンドの基板面平行方向の成長により、穴
が完全にふさがった後、基板のダイヤモンド成長面と裏
面に高融点金属によるアノード電極を形成することで、
ダイヤモンド・エレクトロン・エミッターを作製した。
この技術により得られたエミッターは、表面をセシウム
処理し、仕事関数を小さくしたシリコン（Ｓｉ）やガリ
ウム・ヒ素（ＧａＡｓ）などのエレクトロン・エミッタ
ーに比べ、安定してより低電圧で高電流密度が得られ
た。
厚５０μｍのダイヤモンド基板に直径１０μｍの小さな
穴を、物理的なエッチングにより複数あけ、この基板上
に熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンドを堆積さ
せる。ダイヤモンドの基板面平行方向の成長により、穴
が完全にふさがった後、基板のダイヤモンド成長面と裏
面に高融点金属によるアノード電極を形成することで、
ダイヤモンド・エレクトロン・エミッターを作製した。
この技術により得られたエミッターは、表面をセシウム
処理し、仕事関数を小さくしたシリコン（Ｓｉ）やガリ
ウム・ヒ素（ＧａＡｓ）などのエレクトロン・エミッタ
ーに比べ、安定してより低電圧で高電流密度が得られ
た。
【００１２】
【実施例３】実施例１のように、ただ単に基板上に堆積
したダイヤモンドからでもかなり大きなエミッション電
流が観測されたが、金属フィラメントなどに代わるエレ
クトロン・エミッターとして用いるためには、少しでも
低い印加電圧で電子を放出させる必要がある。他のエミ
ッター材料では、先端を尖らせるためにエッチング技術
を用いピラミッド形状などに加工し、その先端に電界を
集中させることで低電圧で電子を放出する技術が用いら
れている。しかし、ダイヤモンドは化学的あるいは物理
的に安定な物質であり、加工することは非常にむずかし
い。実施例３では、ピラミッド状のダイヤモンドを得る
ために図４に示すように、あらかじめフォトリソグラフ
ィー技術、およびテトラメチルアンモニウムハイドライ
ド（（ＣＨ３）４ＮＯＨ）あるいは水酸化カリウム（Ｋ
ＯＨ）等によるシリコン（Ｓｉ）の異方性エッチング技
術を用い、一辺が７０μｍ、間隔が７μｍの複数の逆ピ
ラミッド状にエッチングされたシリコン基板を用い、こ
の基板上に熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド
を堆積し、最後にこの基板を混酸（フッ酸（ＨＦ）：硝
酸（ＨＮＯ３）＝１：１）により除去する技術を用い
た。この技術を用いて作製したピラミッド状ダイヤモン
ドは図５に示すようなものであり、図１と同様の回路
で、このピラミッド状ダイヤモンドのアノード電圧対エ
ミッション電流特性を測定したところ、電界が先端部分
に集中するため、本加工を行う前に比べより低い電圧で
より大きなエミッション電流が得られることが確認され
た。
したダイヤモンドからでもかなり大きなエミッション電
流が観測されたが、金属フィラメントなどに代わるエレ
クトロン・エミッターとして用いるためには、少しでも
低い印加電圧で電子を放出させる必要がある。他のエミ
ッター材料では、先端を尖らせるためにエッチング技術
を用いピラミッド形状などに加工し、その先端に電界を
集中させることで低電圧で電子を放出する技術が用いら
れている。しかし、ダイヤモンドは化学的あるいは物理
的に安定な物質であり、加工することは非常にむずかし
い。実施例３では、ピラミッド状のダイヤモンドを得る
ために図４に示すように、あらかじめフォトリソグラフ
ィー技術、およびテトラメチルアンモニウムハイドライ
ド（（ＣＨ３）４ＮＯＨ）あるいは水酸化カリウム（Ｋ
ＯＨ）等によるシリコン（Ｓｉ）の異方性エッチング技
術を用い、一辺が７０μｍ、間隔が７μｍの複数の逆ピ
ラミッド状にエッチングされたシリコン基板を用い、こ
の基板上に熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド
を堆積し、最後にこの基板を混酸（フッ酸（ＨＦ）：硝
酸（ＨＮＯ３）＝１：１）により除去する技術を用い
た。この技術を用いて作製したピラミッド状ダイヤモン
ドは図５に示すようなものであり、図１と同様の回路
で、このピラミッド状ダイヤモンドのアノード電圧対エ
ミッション電流特性を測定したところ、電界が先端部分
に集中するため、本加工を行う前に比べより低い電圧で
より大きなエミッション電流が得られることが確認され
た。
【図１】 ダイヤモンドからのエミッション電流を測定
するための回路の一例。図中でアノード（ａｎｏｄ
ｅ）、ダイヤモンド（ＣＶＤ−ｇｒｏｗｎ ｄｉａｍｏ
ｎｄ）およびシリコン基板（Ｓｉ Ｓｕｂｓｔｒａｔ
ｅ）部分は高真空中に設置し、アノード電圧対エミッシ
ョン電流特性を測定。
するための回路の一例。図中でアノード（ａｎｏｄ
ｅ）、ダイヤモンド（ＣＶＤ−ｇｒｏｗｎ ｄｉａｍｏ
ｎｄ）およびシリコン基板（Ｓｉ Ｓｕｂｓｔｒａｔ
ｅ）部分は高真空中に設置し、アノード電圧対エミッシ
ョン電流特性を測定。
【図２】 リン添加したｎ型半導体ダイヤモンド（実
線：Ｐ−ｄｏｐｅｄ）およびホウ素添加したｐ型半導体
ダイヤモンド（点線：Ｂ−ｄｏｐｅｄ）に対するアノー
ド電圧対エミッション電流特性の一例。
線：Ｐ−ｄｏｐｅｄ）およびホウ素添加したｐ型半導体
ダイヤモンド（点線：Ｂ−ｄｏｐｅｄ）に対するアノー
ド電圧対エミッション電流特性の一例。
【図３】 図２に示したアノード電流対エミッション電
流特性を Ｆｏｗｌｅ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ プロットし
た結果。ここでも、実線がリン添加したｎ型半導体ダイ
ヤモンド、点線がホウ素添加したｐ型半導体ダイヤモン
ドの結果に対応。
流特性を Ｆｏｗｌｅ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ プロットし
た結果。ここでも、実線がリン添加したｎ型半導体ダイ
ヤモンド、点線がホウ素添加したｐ型半導体ダイヤモン
ドの結果に対応。
【図４】 ダイヤモンド・エレクトロン・エミッターお
よび三極真空電子増幅素子の作製方法の一例：（ａ）素
子作製のための絶縁基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、
（ｂ）絶縁基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上への微細な穴
加工、（ｃ）穴加工済み基板上へのダイヤモンド（ｄｉ
ａｍｏｎｄ）堆積、（ｄ）ダイヤモンド堆積面の裏面へ
金属（ｍｅｔａｌ）電極を形成し完成した、ダイヤモン
ド・エレクトロン・エミッター。（ｅ）（ｄ）に更にも
う一度絶縁体（ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を堆積、その裏面
に金属（ｍｅｔａｌ）電極を形成することで得られる三
極真空電子増幅素子の完成図。
よび三極真空電子増幅素子の作製方法の一例：（ａ）素
子作製のための絶縁基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、
（ｂ）絶縁基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上への微細な穴
加工、（ｃ）穴加工済み基板上へのダイヤモンド（ｄｉ
ａｍｏｎｄ）堆積、（ｄ）ダイヤモンド堆積面の裏面へ
金属（ｍｅｔａｌ）電極を形成し完成した、ダイヤモン
ド・エレクトロン・エミッター。（ｅ）（ｄ）に更にも
う一度絶縁体（ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を堆積、その裏面
に金属（ｍｅｔａｌ）電極を形成することで得られる三
極真空電子増幅素子の完成図。
【図５】 ピラミッド状ダイヤモンド・エレクトロン・
エミッター・アレーの作製方法の一例：（ａ）基板とし
て用いたシリコン（Ｓｉ）上に二酸化シリコン（ＳｉＯ
２）を堆積、（ｂ）フォトリソグラフィ技術により格子
状にパターニングしたフォトレシスト（ｐｈｏｔｏｒｅ
ｓｉｓｔ）、（ｃ）二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を
（ｂ）のパターニングにしたがい除去、（ｄ）異方性エ
ッチング技術により逆ピラミッド状にエッチングしたシ
リコン（Ｓｉ）、（ｅ）ダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎ
ｄ）堆積、（ｆ）シリコン（Ｓｉ）基板を除去し完成し
た、ピラミッド状ダイヤモンド・エレクトロン・エミッ
ター・アレー。
エミッター・アレーの作製方法の一例：（ａ）基板とし
て用いたシリコン（Ｓｉ）上に二酸化シリコン（ＳｉＯ
２）を堆積、（ｂ）フォトリソグラフィ技術により格子
状にパターニングしたフォトレシスト（ｐｈｏｔｏｒｅ
ｓｉｓｔ）、（ｃ）二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を
（ｂ）のパターニングにしたがい除去、（ｄ）異方性エ
ッチング技術により逆ピラミッド状にエッチングしたシ
リコン（Ｓｉ）、（ｅ）ダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎ
ｄ）堆積、（ｆ）シリコン（Ｓｉ）基板を除去し完成し
た、ピラミッド状ダイヤモンド・エレクトロン・エミッ
ター・アレー。
【図６】 得られたピラミッド状ダイヤモンド・エレク
トロン・エミッター・アレーの電子顕微鏡写真。
トロン・エミッター・アレーの電子顕微鏡写真。
【手続補正書】
【提出日】平成６年６月２０日
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 ダイヤモンドを用いたエレクトロ
ン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレ
ーの作製
ン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレ
ーの作製
Claims (2)
- 【請求項１】 ダイヤモンドの特徴の一つである負の電
子親和力を利用し、不純物としてリン（Ｐ）・窒素
（Ｎ）・リチウム（Ｌｉ）・ナトリウム（Ｎａ）・酸素
（０）などを含むか、結晶中の欠陥等に起因したｎ型半
導体的性質を有するダイヤモンド、あるいは不純物とし
てホウ素（Ｂ）・アルミニウム（Ａｌ）など含みｐ型半
導体的性質を有するダイヤモンド単体を用い、従来の半
導体デバイス構造を用いる必要のないことを特徴とす
る、安定性に優れ、低電圧で高電流密度が得られるエレ
クトロン・エミッター（電子放出素子）の作製、および
三極真空電子増幅素子の作製 - 【請求項２】 加工の極めて難しいダイヤモンドから成
り、鋭い先端形状を持ち、これが規則正しく配列した、
エレクトロン・エミッター・アレーの作製
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5269385A JPH0794081A (ja) | 1993-09-23 | 1993-09-23 | ダイヤモンドを用いたエレクトロン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレーの作製 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5269385A JPH0794081A (ja) | 1993-09-23 | 1993-09-23 | ダイヤモンドを用いたエレクトロン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレーの作製 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0794081A true JPH0794081A (ja) | 1995-04-07 |
Family
ID=17471676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5269385A Pending JPH0794081A (ja) | 1993-09-23 | 1993-09-23 | ダイヤモンドを用いたエレクトロン・エミッターおよびエレクトロン・エミッター・アレーの作製 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0794081A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002097843A1 (fr) * | 2001-05-28 | 2002-12-05 | Kabushiki Kaisha Watanabe Shoko | Electrode, element d'emission d'electrons et dispositif d'utilisation correspondant |
-
1993
- 1993-09-23 JP JP5269385A patent/JPH0794081A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002097843A1 (fr) * | 2001-05-28 | 2002-12-05 | Kabushiki Kaisha Watanabe Shoko | Electrode, element d'emission d'electrons et dispositif d'utilisation correspondant |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |