JPH08250766A - 半導体冷電子放出素子及びこれを用いた装置 - Google Patents
半導体冷電子放出素子及びこれを用いた装置Info
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- JPH08250766A JPH08250766A JP5009395A JP5009395A JPH08250766A JP H08250766 A JPH08250766 A JP H08250766A JP 5009395 A JP5009395 A JP 5009395A JP 5009395 A JP5009395 A JP 5009395A JP H08250766 A JPH08250766 A JP H08250766A
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- electron emission
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 冷電子放出素子の新しい展開を可能にすると
ともに、半導体応用分野の拡大を図り得る半導体冷電子
放出素子及びこれを用いた装置を提供する。 【構成】 シリコン基板1と、このシリコン基板1の表
面を陽極酸化処理により多孔質化した多孔質シリコン層
2と、この多孔質シリコン層2上に形成されるAu薄膜
電極3と、前記シリコン基板1の裏面に形成されるオー
ミック電極4と、前記Au薄膜電極3に対向して配置さ
れ、真空雰囲気で前記Au薄膜電極3からの放出電子を
捕獲するコレクタ電極5とを設ける。
ともに、半導体応用分野の拡大を図り得る半導体冷電子
放出素子及びこれを用いた装置を提供する。 【構成】 シリコン基板1と、このシリコン基板1の表
面を陽極酸化処理により多孔質化した多孔質シリコン層
2と、この多孔質シリコン層2上に形成されるAu薄膜
電極3と、前記シリコン基板1の裏面に形成されるオー
ミック電極4と、前記Au薄膜電極3に対向して配置さ
れ、真空雰囲気で前記Au薄膜電極3からの放出電子を
捕獲するコレクタ電極5とを設ける。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体による電子放出
素子に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、
加熱を必要としない冷電子放出源として有用なだけでな
く、発光・電子放出機能集積素子としても有用な新規な
半導体素子に関するものである。具体的な利用分野は、
発光形フラットパネルディスプレイ素子(装置)、真空
マイクロエレクトロニクス素子(装置)、極高真空計測
用電子源等である。
素子に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、
加熱を必要としない冷電子放出源として有用なだけでな
く、発光・電子放出機能集積素子としても有用な新規な
半導体素子に関するものである。具体的な利用分野は、
発光形フラットパネルディスプレイ素子(装置)、真空
マイクロエレクトロニクス素子(装置)、極高真空計測
用電子源等である。
【0002】
【従来の技術】加熱を必要としない冷電子放出源につい
ては、従来から平面形発光ディスプレイ素子や真空マイ
クロエレクトロニクス素子などの電子放出源として、そ
の開発が望まれており、実際に種々の素子が提案・試作
されてきた。その代表的なものとして、金属又は半導体
の電界放出チップアレイ及びシリコンのpn接合又はM
OS(Metal−Oxide−Semiconduc
tor)の構造素子の2つが挙げられる。
ては、従来から平面形発光ディスプレイ素子や真空マイ
クロエレクトロニクス素子などの電子放出源として、そ
の開発が望まれており、実際に種々の素子が提案・試作
されてきた。その代表的なものとして、金属又は半導体
の電界放出チップアレイ及びシリコンのpn接合又はM
OS(Metal−Oxide−Semiconduc
tor)の構造素子の2つが挙げられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
電界放出チップアレイは、製作工程が複雑である。
電子放出特性が真空度に敏感である。安定な動作には
超高真空が必要である。動作電界が高いといった問題
がある。また、後者のpn接合およびMOSの構造素子
は、集積回路作製に準じた多くの製作工程と装置が必
要である。素子構造のパラメータ(接合深さ、酸化膜
の厚さ等)の厳密制御の必要性がある等のため、コスト
低減の点や応用範囲の面で大きな制約と限界があった。
電界放出チップアレイは、製作工程が複雑である。
電子放出特性が真空度に敏感である。安定な動作には
超高真空が必要である。動作電界が高いといった問題
がある。また、後者のpn接合およびMOSの構造素子
は、集積回路作製に準じた多くの製作工程と装置が必
要である。素子構造のパラメータ(接合深さ、酸化膜
の厚さ等)の厳密制御の必要性がある等のため、コスト
低減の点や応用範囲の面で大きな制約と限界があった。
【0004】これらの問題を克服することは、冷電子放
出素子を本格的に進展させる上で不可欠である。また、
単なる電子放出機能だけではなく、付加的な機能をも兼
ね備えた冷電子放出素子を志向することも重要な技術課
題であると思われる。このような観点から、研究開発の
現状を見た場合、これまでのところ上記課題に応える提
案は、ほとんどなされていないのが現状である。
出素子を本格的に進展させる上で不可欠である。また、
単なる電子放出機能だけではなく、付加的な機能をも兼
ね備えた冷電子放出素子を志向することも重要な技術課
題であると思われる。このような観点から、研究開発の
現状を見た場合、これまでのところ上記課題に応える提
案は、ほとんどなされていないのが現状である。
【0005】本発明は、以上の事情に鑑みてなされたも
のであり、冷電子放出素子の新しい展開を可能にすると
ともに、半導体応用分野の拡大を図り得る半導体冷電子
放出素子及びこれを用いた装置を提供することを目的と
している。
のであり、冷電子放出素子の新しい展開を可能にすると
ともに、半導体応用分野の拡大を図り得る半導体冷電子
放出素子及びこれを用いた装置を提供することを目的と
している。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 (1)半導体冷電子放出素子において、半導体基板と、
この半導体基板の表面を陽極酸化処理により多孔質化し
た多孔質半導体層と、この多孔質半導体層上に形成され
る金属薄膜電極と、前記半導体基板の裏面に形成される
オーミック電極と、前記金属薄膜電極に対向して配置さ
れ、真空雰囲気で該金属薄膜電極からの放出電子を捕獲
するコレクタ電極とを具備するようにしたものである。
成するために、 (1)半導体冷電子放出素子において、半導体基板と、
この半導体基板の表面を陽極酸化処理により多孔質化し
た多孔質半導体層と、この多孔質半導体層上に形成され
る金属薄膜電極と、前記半導体基板の裏面に形成される
オーミック電極と、前記金属薄膜電極に対向して配置さ
れ、真空雰囲気で該金属薄膜電極からの放出電子を捕獲
するコレクタ電極とを具備するようにしたものである。
【0007】(2)上記(1)記載の半導体冷電子放出
素子は、面状又は点状の冷電子放出ダイオードである。 (3)上記(2)の半導体冷電子放出素子において、可
視域の発光ダイオード又はレーザダイオードとして動作
可能である。 (4)上記(2)又は(3)の半導体冷電子放出素子
を、半導体基板面上に多数配列し、それらを電子放出源
として利用する発光形フラットパネルディスプレイ(素
子)装置を得るようにしたものである。
素子は、面状又は点状の冷電子放出ダイオードである。 (3)上記(2)の半導体冷電子放出素子において、可
視域の発光ダイオード又はレーザダイオードとして動作
可能である。 (4)上記(2)又は(3)の半導体冷電子放出素子
を、半導体基板面上に多数配列し、それらを電子放出源
として利用する発光形フラットパネルディスプレイ(素
子)装置を得るようにしたものである。
【0008】
【作用】本発明は、半導体の陽極酸化処理によって形成
される多孔質半導体(例えば多孔質シリコン)が、量子
サイズ効果の発現により特異な電気的・光学的性質を示
すことに着目してなされたものである。本発明の半導体
冷電子放出素子は、基本的には多孔質半導体を高抵抗層
として用いた一種のMIS(Metal−Insula
tor−Semiconductor)ダイオード構造
の素子であり、金属薄膜/多孔質半導体/半導体基板を
その構成要素にしている。
される多孔質半導体(例えば多孔質シリコン)が、量子
サイズ効果の発現により特異な電気的・光学的性質を示
すことに着目してなされたものである。本発明の半導体
冷電子放出素子は、基本的には多孔質半導体を高抵抗層
として用いた一種のMIS(Metal−Insula
tor−Semiconductor)ダイオード構造
の素子であり、金属薄膜/多孔質半導体/半導体基板を
その構成要素にしている。
【0009】そこで、半導体基板から注入された電子を
多孔質半導体中の電界で加速し、金属薄膜中をトンネル
効果によって通過させ真空中に放出させるようにしてい
る。本発明により、複雑な工程は不要である。素子
構成が単純である。大面積化・多画素化が容易であ
る。超高真空を必要としない。発光ダイオードとし
ても機能する等の特徴を持つ冷電子放出素子を実現する
ことができる。
多孔質半導体中の電界で加速し、金属薄膜中をトンネル
効果によって通過させ真空中に放出させるようにしてい
る。本発明により、複雑な工程は不要である。素子
構成が単純である。大面積化・多画素化が容易であ
る。超高真空を必要としない。発光ダイオードとし
ても機能する等の特徴を持つ冷電子放出素子を実現する
ことができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図1は本発明の実施例を示す半導体冷電子放
出素子の構成を示す図である。この図に示すように、裏
面にオーミック電極をとった面方位(111)のn形シ
リコン基板(n形シリコンウエハ)(比抵抗が0.00
18Ωcm)1表面に、50wt%HF水溶液とエタノ
ールとの混合液(混合比は1:1)中で定電流陽極酸化
処理(電流密度は100mA/cm2 、時間は5mi
n)を施し、多孔質シリコン層(以下、PS層という)
2を形成する。陽極酸化中には500Wのタングステン
ランプにより試料面を光照射する。PS層2の厚さは約
40μmである。作製したPS層2の表面にAu薄膜を
真空蒸着し(厚さ15nm、直径6mmの円形)、これ
を表面側の正電位VPSにあるAu薄膜電極3として裏面
の接地電位にあるオーミック電極4との間でダイオード
を形成する。
説明する。図1は本発明の実施例を示す半導体冷電子放
出素子の構成を示す図である。この図に示すように、裏
面にオーミック電極をとった面方位(111)のn形シ
リコン基板(n形シリコンウエハ)(比抵抗が0.00
18Ωcm)1表面に、50wt%HF水溶液とエタノ
ールとの混合液(混合比は1:1)中で定電流陽極酸化
処理(電流密度は100mA/cm2 、時間は5mi
n)を施し、多孔質シリコン層(以下、PS層という)
2を形成する。陽極酸化中には500Wのタングステン
ランプにより試料面を光照射する。PS層2の厚さは約
40μmである。作製したPS層2の表面にAu薄膜を
真空蒸着し(厚さ15nm、直径6mmの円形)、これ
を表面側の正電位VPSにあるAu薄膜電極3として裏面
の接地電位にあるオーミック電極4との間でダイオード
を形成する。
【0011】ここで、真空チャンバー10を用いて、1
0-7Torrの雰囲気におかれる。そこで、このダイオ
ードのAu薄膜電極3に正電圧VPSを印加し、n形シリ
コン基板1からPS層2に電子を注入する。その際の電
流はIPSである。その場合、PS層2は高抵抗であるの
で、印加電界の大部分はPS層2にかかっているが、P
S層2の表面には酸化層が存在するため、図2のエネル
ギーバンド図に示すように、電界強度はPS層2表面ほ
ど強い。
0-7Torrの雰囲気におかれる。そこで、このダイオ
ードのAu薄膜電極3に正電圧VPSを印加し、n形シリ
コン基板1からPS層2に電子を注入する。その際の電
流はIPSである。その場合、PS層2は高抵抗であるの
で、印加電界の大部分はPS層2にかかっているが、P
S層2の表面には酸化層が存在するため、図2のエネル
ギーバンド図に示すように、電界強度はPS層2表面ほ
ど強い。
【0012】更に、n形シリコン基板1から注入された
電子は、Au薄膜電極3側に向けてPS層2を走行し、
Au薄膜側に向かう。PS層2表面付近に達した電子
は、そこでの強電界により一部はAu薄膜をトンネル
し、真空チャンバー10の10-7Torrの雰囲気の真
空中に放出される。放出された電子はAu薄膜電極3に
対し数Vの正電圧Vcを印加してあるコレクタ電極5に
集められる。その際の電流はIEMである。
電子は、Au薄膜電極3側に向けてPS層2を走行し、
Au薄膜側に向かう。PS層2表面付近に達した電子
は、そこでの強電界により一部はAu薄膜をトンネル
し、真空チャンバー10の10-7Torrの雰囲気の真
空中に放出される。放出された電子はAu薄膜電極3に
対し数Vの正電圧Vcを印加してあるコレクタ電極5に
集められる。その際の電流はIEMである。
【0013】図3に放出電子流のVPS依存性を示す。図
3において、10-7Torrの雰囲気で、横軸はV
PS(V)、縦軸は放出電子流(nA/cm2 )を示す。
電子放出はVPSが正の領域のみで観測され、電圧の上昇
とともに放出電子流は急激に増大する。この放出電子流
−電圧曲線の理論的な解析結果により、電子放出がトン
ネル効果によるものであることが裏付けられた。
3において、10-7Torrの雰囲気で、横軸はV
PS(V)、縦軸は放出電子流(nA/cm2 )を示す。
電子放出はVPSが正の領域のみで観測され、電圧の上昇
とともに放出電子流は急激に増大する。この放出電子流
−電圧曲線の理論的な解析結果により、電子放出がトン
ネル効果によるものであることが裏付けられた。
【0014】図1のコレクタ電極5に蛍光体を塗布し、
Au薄膜電極3とコレクタ電極5の間に約4kVの電圧
を印加した状態でダイオードから電子放出をさせたとこ
ろ、Au薄膜電極3に対応する円形の均一な蛍光パター
ンが観測された。このことは、PS層2からの電子放出
が均一であることを示すとともに、平面ディスプレイ素
子の電子源としての応用可能性を実証するものである。
Au薄膜電極3とコレクタ電極5の間に約4kVの電圧
を印加した状態でダイオードから電子放出をさせたとこ
ろ、Au薄膜電極3に対応する円形の均一な蛍光パター
ンが観測された。このことは、PS層2からの電子放出
が均一であることを示すとともに、平面ディスプレイ素
子の電子源としての応用可能性を実証するものである。
【0015】本発明の平面ディスプレイへの応用例を図
4に示す。この図において、11はオーミック電極、1
2はシリコン基板、13は多孔質シリコン層、14は薄
膜電極、15は信号供給源回路、16は蛍光体、17は
電子ビーム加速電圧を供給する電源、18はガラス板で
ある。この図に示すように、信号供給源回路15,15
から画像に応じた電気信号がX方向、Y方向から薄膜電
極14を通じて供給される。各交点(画素)では、供給
された電圧に対応して、図1及び図2の原理に基づいて
電子が放出される。放出された電子は加速されて蛍光体
16を発光させ、観測者はそのパターンを画像として見
ることができる。
4に示す。この図において、11はオーミック電極、1
2はシリコン基板、13は多孔質シリコン層、14は薄
膜電極、15は信号供給源回路、16は蛍光体、17は
電子ビーム加速電圧を供給する電源、18はガラス板で
ある。この図に示すように、信号供給源回路15,15
から画像に応じた電気信号がX方向、Y方向から薄膜電
極14を通じて供給される。各交点(画素)では、供給
された電圧に対応して、図1及び図2の原理に基づいて
電子が放出される。放出された電子は加速されて蛍光体
16を発光させ、観測者はそのパターンを画像として見
ることができる。
【0016】このディスプレイ素子はシリコン基板とガ
ラス基板を基本要素とするもので、薄形、かつ大面積に
構成できることを特徴としている。また、多画素化も容
易であり、高解像度も期待できる。なお、本発明の冷電
子源による平面ディスプレイの構成は、図4に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、シ
リコン基板側から一様に放出させた電子流を画像に応じ
て強度変調するメッシュ状グリッド電極をシリコン基板
とガラス基板との中間に配置する方法、図4の各画素に
スイッチング用の能動素子(トランジスタまたはダイオ
ード)を配置する方法などが考えられる。
ラス基板を基本要素とするもので、薄形、かつ大面積に
構成できることを特徴としている。また、多画素化も容
易であり、高解像度も期待できる。なお、本発明の冷電
子源による平面ディスプレイの構成は、図4に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、シ
リコン基板側から一様に放出させた電子流を画像に応じ
て強度変調するメッシュ状グリッド電極をシリコン基板
とガラス基板との中間に配置する方法、図4の各画素に
スイッチング用の能動素子(トランジスタまたはダイオ
ード)を配置する方法などが考えられる。
【0017】また、本願の発明者によって、既に特開平
4−356977号公報によって提案されているよう
に、本発明のダイオードは、電子放出と同時に可視光を
放出する発光ダイオードとしても動作させることができ
る。更に、上記実施例ではシリコンを基板としたもので
あるが、本発明はシリコンに限られたものではなく、陽
極酸化を適用できる半導体は全て利用することができ
る。
4−356977号公報によって提案されているよう
に、本発明のダイオードは、電子放出と同時に可視光を
放出する発光ダイオードとしても動作させることができ
る。更に、上記実施例ではシリコンを基板としたもので
あるが、本発明はシリコンに限られたものではなく、陽
極酸化を適用できる半導体は全て利用することができ
る。
【0018】すなわち、ゲルマニウム(Ge)、炭化シ
リコン(SiC)、ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化
インジウム(InP)、セレン化カドミウム(CdS
e)など、IV族、III −V族、II−VI族などの単体及び
化合物半導体の多くが、これに該当する。以上述べたよ
うに、本発明は独自の半導体構成要素によって新規の半
導体冷電子放出素子を開発したもので、その応用範囲及
び適用範囲は極めて広い。
リコン(SiC)、ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化
インジウム(InP)、セレン化カドミウム(CdS
e)など、IV族、III −V族、II−VI族などの単体及び
化合物半導体の多くが、これに該当する。以上述べたよ
うに、本発明は独自の半導体構成要素によって新規の半
導体冷電子放出素子を開発したもので、その応用範囲及
び適用範囲は極めて広い。
【0019】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0020】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。 (1)請求項1記載の発明によれば、複雑な工程は不要
であり、素子構成が単純であり、半導体冷電子放出素子
を得ることができる。
よれば、以下のような効果を奏することができる。 (1)請求項1記載の発明によれば、複雑な工程は不要
であり、素子構成が単純であり、半導体冷電子放出素子
を得ることができる。
【0021】また、大面積化・多画素化が容易であり、
超高真空を必要としない。 (2)請求項2記載の発明によれば、上記(1)の効果
を有する面状又は点状の冷電子放出ダイオードを得るこ
とができる。 (3)請求項3記載の発明によれば、上記(2)の効果
を有し、可視域の発光ダイオード又はレーザダイオード
として動作可能である。
超高真空を必要としない。 (2)請求項2記載の発明によれば、上記(1)の効果
を有する面状又は点状の冷電子放出ダイオードを得るこ
とができる。 (3)請求項3記載の発明によれば、上記(2)の効果
を有し、可視域の発光ダイオード又はレーザダイオード
として動作可能である。
【0022】(4)請求項4記載の発明によれば、上記
(2)又は(3)の半導体冷電子放出素子を、半導体基
板面上に多数配列し、それらを電子放出源として利用す
る発光形フラットパネルディスプレイ装置を得ることが
できる。
(2)又は(3)の半導体冷電子放出素子を、半導体基
板面上に多数配列し、それらを電子放出源として利用す
る発光形フラットパネルディスプレイ装置を得ることが
できる。
【図1】本発明の実施例を示す半導体冷電子放出素子の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
【図2】本発明の実施例を示す半導体冷電子放出素子の
エネルギーバンド図である。
エネルギーバンド図である。
【図3】本発明の実施例を示す半導体冷電子放出素子の
放出電子流のVPS依存性を示す図である。
放出電子流のVPS依存性を示す図である。
【図4】本発明の実施例を示す平面ディスプレイ素子の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
1 n形シリコン基板(n形シリコンウエハ) 2,13 多孔質シリコン層(PS層) 3 Au薄膜電極 4,11 オーミック電極 5 コレクタ電極 10 真空チャンバー 12 シリコン基板 14 薄膜電極 15 信号供給源回路 16 蛍光体 17 電子ビーム加速電圧を供給する電源 18 ガラス板
Claims (4)
- 【請求項1】(a)半導体基板と、(b)該半導体基板
の表面を陽極酸化処理により多孔質化した多孔質半導体
層と、(c)該多孔質半導体層上に形成される金属薄膜
電極と、(d)前記半導体基板の裏面に形成されるオー
ミック電極と、(e)前記金属薄膜電極に対向して配置
され、真空雰囲気で該金属薄膜電極からの放出電子を捕
獲するコレクタ電極とを具備することを特徴とする半導
体冷電子放出素子。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体冷電子放出素子
は、面状又は点状の冷電子放出ダイオードである半導体
冷電子放出素子。 - 【請求項3】 請求項2の半導体冷電子放出素子におい
て、可視域の発光ダイオード又はレーザダイオードとし
て動作可能である半導体冷電子放出素子。 - 【請求項4】 請求項2又は3の半導体冷電子放出素子
を、半導体基板面上に多数配列し、それらを電子放出源
として利用する発光形フラットパネルディスプレイ装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5009395A JP3226745B2 (ja) | 1995-03-09 | 1995-03-09 | 半導体冷電子放出素子及びこれを用いた装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5009395A JP3226745B2 (ja) | 1995-03-09 | 1995-03-09 | 半導体冷電子放出素子及びこれを用いた装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08250766A true JPH08250766A (ja) | 1996-09-27 |
JP3226745B2 JP3226745B2 (ja) | 2001-11-05 |
Family
ID=12849448
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5009395A Expired - Fee Related JP3226745B2 (ja) | 1995-03-09 | 1995-03-09 | 半導体冷電子放出素子及びこれを用いた装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3226745B2 (ja) |
Cited By (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0798761A1 (en) * | 1996-03-26 | 1997-10-01 | Pioneer Electronic Corporation | Cold electron emission display device |
EP0913849A2 (en) * | 1997-10-29 | 1999-05-06 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Field emission electron source, method of producing the same, and use of the same |
EP0989577A2 (en) * | 1998-09-25 | 2000-03-29 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Field emission electron source |
EP1094485A2 (en) * | 1999-10-18 | 2001-04-25 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Field emission-type electron source and manufacturing method thereof |
US6285118B1 (en) | 1998-11-16 | 2001-09-04 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Field emission-type electron source and manufacturing method thereof and display using the electron source |
US6340425B2 (en) | 1999-04-08 | 2002-01-22 | Nec Corporation | Method of manufacturing cold cathode device having porous emitter |
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