JPH0945229A - 電界放出冷陰極の製作方法および冷陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の冷陰極に比して一段と陰極先端が尖鋭
で、かつ陰極−ゲート電極間距離が短くなった電界放出
冷陰極が得られるような、形状的に微細な電界放出冷陰
極の製作方法、およびその方法によって製作された冷陰
極を提供する。 【構成】 基板１上に絶縁物層２を介してゲート電極層
３を積層してなる固体の前記ゲート電極層側に微小な探
針４を接近させるとともに、その探針４と前記固体との
間に電圧を印加することにより、前記探針４と前記固体
の相対向する部分の原子または分子を着脱して前記固体
側に少なくとも陰極６および該陰極を取り囲むゲート電
極３を製作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像管や固体撮像板な
どの分野においての使用に適した形状的に微小な電界放
出冷陰極の製作方法、およびその方法によって製作され
た冷陰極に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記利用分野における電界放出冷陰極に
おいては、冷陰極を寸法的に小さくして、電子放出の高
効率化、動作安定化および長寿命化などを図る努力が現
在継続されている。

【０００３】このような目標に向かって、従来、２つの
アプローチで研究開発が行われている。すなわち、その
１つは、目標達成のための冷陰極材料そのものを追求す
るもので、（１）低仕事関数であること、（２）高融点
であること、（３）電子やイオンに対する耐衝撃性が高
いこと、（４）陰極先端について尖鋭な加工ができるこ
と、（５）化学的に安定であること、（６）抵抗が低い
ことなどの特性が追求されている。また、化学的に安定
な材料の表面被覆技術もこのアプローチに入るが、一般
には、これら特性のすべてを満足する材料はまだ見い出
されていない。最近ではダイヤモンドが有力であると言
われているが、それでも電気的に活性な不純物の高効率
な添加方法、単結晶化など様々な問題を抱えている。

【０００４】第２のアプローチは微細加工である。電界
放出冷陰極で電子放出効率を高めるには、陰極先端を尖
鋭に加工して、先端に作用する電界集中を大きくとると
同時に、冷陰極−ゲート電極間距離をできるだけ小さく
して動作電圧を低くする必要がある。このアプローチで
はシリコンデバイスにおける微細加工プロセスを駆使し
て開発が進められているが、その他にも収束イオンビー
ムによる尖鋭加工なども試みられている。これまでの研
究により達成されているのは、電子放出開始電圧として
２０Ｖ程度のものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】冷陰極を撮像管や固体
撮像板に使用する場合、得られる画像の解像度は陰極の
先端形状の尖鋭さとゲート電極の直径が関係するので、
冷陰極は極力小さく製作する必要がある。一例として現
在のＣＣＤ固体撮像素子では、画素サイズは５μｍ角程
度であるので、仮にこれまでの最小値であるゲート電極
の直径０．２μｍの冷陰極を用いたとしても解像度は現
在のＣＣＤに比べて２５倍程度にしか上がらない（レン
ズ系の倍率を変えないものとして）。たとえば、Ｘ線用
撮像素子では、レンズ系を用いないのでさらに小さい画
素による超高解像度の撮像素子が求められている。ま
た、冷陰極を撮像素子や表示素子に応用する場合、低電
圧で駆動できることが望まれる。その理由は、画面が大
画面になり、素子数が増加すればするほど、ゲート電極
に高電圧を印加するのが困難になるからである。

【０００６】本発明の目的は、従来の半導体製作のプロ
セスないしは微細加工とは異なった製作プロセスによ
り、従来の冷陰極に比して一段と陰極先端が尖鋭で、か
つ陰極−ゲート電極間距離が短くなった電界放出冷陰極
が得られるような、形状的に微細な電界放出冷陰極の製
作方法、およびその方法によって製作された冷陰極を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明電界放出冷陰極の製作方法は、基板上に少な
くともゲート電極層を積層してなる固体の前記ゲート電
極層側に微小な探針を接近させるとともに、前記探針と
前記固体との間に電圧を印加することにより、前記探針
と前記固体の相対向する部分の原子または分子を着脱し
て前記固体側に少なくとも陰極および該陰極を取り囲む
ゲート電極を形成するようにしたことを特徴とするもの
である。

【０００８】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、前記固体が、前記基板と前記ゲート電極層との間に
絶縁物層が介在していることを特徴とするものである。

【０００９】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、冷陰極の陰極先端部に微小な探針を接近させるとと
もに、前記探針と前記陰極先端部との間に電圧を印加す
ることにより、前記探針を構成している原子または分子
を前記陰極先端部に堆積して該陰極先端部の形状をより
尖鋭化するようにしたことを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、冷陰極の陰極先端部に微小な探針を接近させるとと
もに、前記探針と前記陰極先端部との間に電圧を印加す
ることにより、前記探針を構成している化学的に安定な
原子または分子を少なくとも前記陰極先端部を含む陰極
表面に堆積して該陰極表面をより安定化するようにした
ことを特徴とするものである。

【００１１】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、冷陰極の陰極先端部に微小な探針を接近させるとと
もに、前記探針と前記陰極先端部との間に電圧を印加す
ることにより、前記探針を構成しているＡｌＧａＡｓ系
化合物半導体よりなる超格子構成原子を前記陰極先端
部、または少なくとも該陰極先端部を含む陰極表面に多
層構造に堆積し、それぞれ前記陰極先端部、または少な
くとも該陰極先端部を含む陰極表面にＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系超格子の薄膜が形成されるよう
にして、冷陰極から放出される電子を単色ビームにする
ようにしたことを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、前記陰極が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ系超格子の薄膜が堆積されているようにしたことを特
徴とするものである。

【００１３】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、同一基板上に複数の陰極を形成するとともに、それ
ら形成された複数の陰極ごとに異なった超格子の薄膜を
堆積するようにしたことを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、同一基板上に複数の陰極を形成しかつそれら陰極の
前記基板上における直径をそれぞれほぼ電子のド・ブロ
ーイ波長以下にするとともに、前記複数の陰極を取り囲
むゲート電極を形成するようにしたことを特徴とするも
のである。

【００１５】また、本発明電界放出冷陰極は、本発明電
界放出冷陰極の製作方法によって製作された冷陰極であ
ることを特徴とするものである。

【００１６】

【実施例】以下に添付図面を参照し、実施例により本発
明を詳細に説明する。図１は、本発明電界放出冷陰極の
製作方法における製作プロセス（工程）を示す線図であ
る。図１において、（ａ）は基板１上に絶縁物層２およ
びゲート電極層３を順次に積層してなり、本発明冷陰極
が製作される素材としての“固体”（特許請求の範囲の
表現）を示している。ここに、一例として、基板１の材
料としてはシリコンを、絶縁物層２としては酸化シリコ
ンを、さらにゲート電極層３としてはモリブデンをそれ
ぞれ使用することができ、この場合、シリコン基板上
に、電子ビーム蒸着法などによって酸化シリコンおよび
モリブデン（金属）を順次堆積すればよい。

【００１７】次に、図１において（ｂ）に示すように、
冷陰極を製作しようとする位置に超高真空走査トンネル
顕微鏡などに使用される微小な探針４をもって行き、探
針と基板（固体）との間に電圧を印加し、まずゲート電
極構成原子、次いで絶縁物層構成原子を基板上から抜き
取り陰極ホール５を形成する。最後に、図１（ｃ）に示
すように、探針−基板 (ここでは基板に限る) 間に
（ｂ）に示したのとは逆符号の電圧を印加し先端尖鋭な
陰極６を堆積する。このとき、図示（ｂ）から図示
（ｃ）のプロセスに移る際に、探針４に付着したゲート
電極構成原子や絶縁物層構成原子を取り除くため、いっ
たん探針４を別の場所に移してそれら構成原子を放出し
た後に、探針構成原子または分子自体を冷陰極材料で構
成して、図示（ｃ）の操作で陰極６を堆積するようにす
る。また、探針４が陰極材料で構成されていない場合に
は、他の場所に用意した陰極構成原子または分子をいっ
たん探針４の表面に付着させた後、それら原子または分
子を基板上に堆積して陰極６を形成する。

【００１８】以上、図１に基づいて説明した製作方法に
よって製作された冷陰極においては、陰極ホール５の直
径を数１０ｎｍ以下、および陰極６も基板面における直
径で数１０ｎｍ以下にすることができる。この値は、収
束イオンビームによる尖鋭加工で製作される限界の最小
ゲート直径とされてきた直径２００ｎｍに比して１／１
０以下に小さい。従って、本発明方法を用いて電界放出
冷陰極を製作した場合、冷陰極の陰極−ゲート間距離を
きわめて短かくすることができるので、それに伴って冷
陰極の動作電圧も非常に小さくすることができる。

【００１９】次に、既に従来方法により製作されている
既製の電界放出冷陰極の陰極の先端形状を尖鋭化する本
発明による冷陰極製作方法について説明する。この場合
における冷陰極および探針の配置位置を図２に示す。

【００２０】図２において、７は鈍角な先端部を有し、
何らかの方法によって製作された既製の陰極であり、
２，３は、図１の場合と同様、それぞれ絶縁物層および
ゲート電極である。本発明においては、陰極先端部にさ
らに堆積させ、それにより尖鋭化を図ろうとする原子ま
たは分子から構成される探針４を陰極尖端部に接近さ
せ、両者間に電圧を印加する。具体的には、図２に示す
ように、探針４を構成している原子または分子が陰極先
端部に堆積し、陰極の形状を尖鋭化する。８は、この堆
積した先端尖鋭な陰極先端部を示している。

【００２１】また、上記においては、陰極先端部を一層
尖鋭にするために、探針構成材料を既製の陰極尖端部に
堆積したが、この堆積は、既製陰極の表面安定化のため
にも利用できる。この場合、陰極表面の安定化に作用す
る原子または分子でもって既製陰極の少なくとも陰極尖
端部を含む陰極表面を覆うように、探針構成原子または
分子を選定すればよい。

【００２２】なお、このように陰極先端部の尖鋭化ない
し化学的に安定な原子または分子による陰極表面の被覆
を行う場合、従来の製作方法では、構成原子または分子
が絶縁物に蒸着されるのを避けることができず、これを
避けるためには特殊な製作プロセスをとる必要があっ
た。これに対して、本発明方法によれば、既製陰極の陰
極先端部のみの処理であるので、このような配慮を必要
としない。

【００２３】上述した既製陰極の少なくとも陰極先端部
を含む陰極表面にさらに原子または分子を堆積する本発
明冷陰極の製作方法は、以下に説明するような単色電子
ビームを放出する単色電子ビーム電界放出冷陰極を製作
する場合に特に有効である。

【００２４】すなわち、光導電膜を用いた撮像管または
固体撮像素子においては、光導電膜に発生した信号電荷
を電子ビームで読み取るという原理から、電子ビームの
エネルギー分散が大きいと残像の原因になるので、陰極
は単色電子ビームを発生する陰極とすることが望まし
い。また、電子ビームリソグラフィーにおいても、陰極
は、精度を向上するために単色電子ビーム陰極である必
要がある。さらに、進行波管などの高周波素子において
もエネルギー分散が小さいほど高周波と電子ビームの相
互作用が効率的であるという理由から、これらの陰極を
単色電子ビームの陰極にすることが好ましい。これらの
ことは、冷陰極の場合についても全く同じである。

【００２５】冷陰極から放出される電子を単色ビームに
するために以下のような方法が考えられている。例えば
ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いたＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系超格子には、Ａｌの組成で決ま
る離散的なエネルギー分布をもつミニバンドが存在す
る。従って、電界放出冷陰極の先端部をこの種類の超格
子の薄膜で覆うと、陰極先端部から放出される電子のう
ち、上記ミニバンドエネルギーをもつ電子のみが放出さ
れることになり、放出電子を単色ビーム化することがで
きる。しかし、これを実現するには、陰極の直上にこの
超格子薄膜を堆積する必要があるが、従来のように陰極
上にそのまま分子線エピタキシー法などでこれら超格子
薄膜を堆積すると、絶縁物の側面にも超格子が付着して
耐圧性能が劣化すると同時に、陰極先端の尖鋭形状が損
なわれ、電界集中が低下して電子放出効率が低下するお
それがある。また、陰極の上方に超格子薄膜を設置する
と陰極から放出される電子がこの超格子薄膜を通過する
際に電子損失が生じ、やはり効率の低下をもたらすこと
になる。

【００２６】本発明冷陰極の製作方法においては、図２
により説明したのと同じ要領で、図３に示すように、既
製の陰極先端部または少なくとも陰極先端部を含む陰極
表面にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ（ＡｌＧ
ａＡｓ系化合物半導体を９、ＧａＡｓ化合物半導体を１
０で示す）系超格子の薄膜を多層構造に堆積し、陰極に
その超格子のもつミニバンドで決まる電子エネルギーの
単色電子ビームを放出させる機能をもたせるようにする
ものとする。またこの変形例として、陰極ごとに組成、
井戸層の幅などに関し異なった超格子の薄膜を堆積し、
かつ駆動する素子もアレイ配線などで選択するような構
造にすることにより、エネルギーの異なる単色電子ビー
ムを任意に選択して放出させることができるようにする
ことも可能である。

【００２７】最後に、本発明の大電流放出素子への応用
例について説明する。撮像素子では、光導電膜内に発生
した信号電荷量に応じこれを放出するための電子ビーム
量が必要であり、ハイビジョン用撮像管では８μＡ程度
のビーム電流が必要とされているが、冷陰極アレイを用
いた固体撮像板では、現在、単一の冷陰極からこれ程の
電流を放出する高効率のものは望めない。固体撮像板に
かぎらず、大電流放出素子は高周波素子においても求め
られる。電界放出冷陰極の放出電流の上限は一つには熱
的な条件で制限を受ける。陰極の電子放出領域の温度は
電子放出にともなうジュール熱の発生、基板低部への熱
伝導、およびNottingham効果のバランスで決まる。

【００２８】ジュール熱の発生を抑え、大電流の放出を
可能にする本発明冷陰極の製造方法について、図４につ
き説明する。図４においては、まず、基板１に絶縁物層
２およびゲート電極３を順次堆積して積層する。次に、
図１（ｂ）で説明した方法でゲート電極３および絶縁物
層２に陰極ホールを形成し、ここにシリコンなど半導体
材料による複数個の微小な陰極６を図１（ｃ）で説明し
た方法により堆積する。このとき、一個の陰極６の大き
さを基板面において電子のド・ブローイ波長程度以下
（直径１０ｎｍ程度以下）とすれば、量子効果により電
子の散乱が抑制され、陰極先端部が電子の閉じ込め機能
をもつようになりジュール熱の発生を抑えることができ
る。従って、上記形成した陰極ホールの領域にこの大き
さ（直径１０ｎｍ程度以下の）の陰極を複数個配置する
ことにより、発熱を抑えたまま大電流の電子ビームを放
出する冷陰極を製作することができる。

【００２９】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法に
おいては、補助的に電子ビーム、レーザ光またはＸ線ビ
ームを用い、またはこれらのうち複数の手段を併用する
ことにより、製作時の操作の選択性および効率化を図る
ことができる。

【００３０】また、本発明は、以上説明した電界放出冷
陰極の製作方法に基づいて製作された電界放出冷陰極を
含むものである。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、その製作方法により製
作された本発明電界効果冷陰極が、従来のものに対比し
て、次の（１）から（４）までの優れた性質を有するも
のとなっている。 （１）素子駆動電圧の低減化 （２）素子動作の安定、長寿命化 （３）放出電子の単色化 （４）最大放出電流の増大化

【００３２】また、本発明製作方法によれば、既製の陰
極先端に選択的に超格子の薄膜を堆積する場合には、次
の（１）から（３）の利点が得られる。 （１）電界集中に有利な尖鋭形状が確保できる （２）選択的に堆積できるので、リソグラフィーのプロ
セスが不要である （３）素子ごとに超格子薄膜の組成や井戸層の幅が調節
できる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明電界放出冷陰極の製作方法における製作
プロセスを示す線図である。

【図２】既製の電界放出冷陰極の陰極の先端形状を尖鋭
化する本発明冷陰極の製作方法を示す線図である。

【図３】陰極に超格子の薄膜を多層構造に堆積して冷陰
極から放出される電子を単色ビームにする本発明冷陰極
の製作方法を示す線図である。

【図４】大電流の放出を可能にする本発明冷陰極の製作
方法を示す線図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁物層 ３ ゲート電極層 ４ 微小な探針 ５ 陰極ホール ６ 陰極 ７ 既製陰極 ８ 先端尖鋭な陰極先端部 ９ AlGaAs系化合物半導体 １０ GaAs化合物半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平野 喜之 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本放 送協会放送技術研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に少なくともゲート電極層を積層
   してなる固体の前記ゲート電極層側に微小な探針を接近
   させるとともに、前記探針と前記固体との間に電圧を印
   加することにより、前記探針と前記固体の相対向する部
   分の原子または分子を着脱して前記固体側に少なくとも
   陰極および該陰極を取り囲むゲート電極を形成するよう
   にしたことを特徴とする電界放出冷陰極の製作方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電界放出冷陰極の製作方
   法において、前記固体は、前記基板と前記ゲート電極層
   との間に絶縁物層が介在していることを特徴とする電界
   放出冷陰極の製作方法。
3. 【請求項３】 冷陰極の陰極先端部に微小な探針を接近
   させるとともに、前記探針と前記陰極先端部との間に電
   圧を印加することにより、前記探針を構成している原子
   または分子を前記陰極先端部に堆積して該陰極先端部の
   形状をより尖鋭化するようにしたことを特徴とする電界
   放出冷陰極の製作方法。
4. 【請求項４】 冷陰極の陰極先端部に微小な探針を接近
   させるとともに、前記探針と前記陰極先端部との間に電
   圧を印加することにより、前記探針を構成している化学
   的に安定な原子または分子を少なくとも前記陰極先端部
   を含む陰極表面に堆積して該陰極表面をより安定化する
   ようにしたことを特徴とする電界放出冷陰極の製作方
   法。
5. 【請求項５】 冷陰極の陰極先端部に微小な探針を接近
   させるとともに、前記探針と前記陰極先端部との間に電
   圧を印加することにより、前記探針を構成しているＡｌ
   ＧａＡｓ系化合物半導体よりなる超格子構成原子を前記
   陰極先端部、または少なくとも該陰極先端部を含む陰極
   表面に多層構造に堆積し、それぞれ前記陰極先端部、ま
   たは少なくとも該陰極先端部を含む陰極表面にＡｌＧａ
   Ａｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系超格子の薄膜が形成さ
   れるようにして、冷陰極から放出される電子を単色ビー
   ムにするようにしたことを特徴とする電界放出冷陰極の
   製作方法。
6. 【請求項６】 請求項１または２記載の電界放出冷陰極
   の製作方法において、前記陰極は、ＡｌＧａＡｓ／Ｇａ
   Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ系超格子の薄膜が堆積されているよ
   うにしたことを特徴とする電界放出冷陰極の製作方法。
7. 【請求項７】 請求項１または２記載の電界放出冷陰極
   の製作方法において、同一基板上に複数の陰極を形成す
   るとともに、それら形成された複数の陰極ごとに異なっ
   た超格子の薄膜を堆積するようにしたことを特徴とする
   電界放出冷陰極の製作方法。
8. 【請求項８】 請求項１または２記載の電界放出冷陰極
   の製作方法において、同一基板上に複数の陰極を形成し
   かつそれら陰極の前記基板上における直径をそれぞれほ
   ぼ電子のド・ブローイ波長以下にするとともに、前記複
   数の陰極を取り囲むゲート電極を形成するようにしたこ
   とを特徴とする電界放出冷陰極の製作方法。
9. 【請求項９】 電界放出冷陰極が、請求項１乃至８のい
   ずれか１項記載の電界放出冷陰極の製作方法によって製
   作された冷陰極であることを特徴とする電界放出冷陰
   極。