JPH097499A - Ｍｉｍ／ｍｉｓ電子源およびその製造方法 - Google Patents
Ｍｉｍ／ｍｉｓ電子源およびその製造方法Info
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- JPH097499A JPH097499A JP17137995A JP17137995A JPH097499A JP H097499 A JPH097499 A JP H097499A JP 17137995 A JP17137995 A JP 17137995A JP 17137995 A JP17137995 A JP 17137995A JP H097499 A JPH097499 A JP H097499A
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
- H01J2201/30—Cold cathodes
- H01J2201/312—Cold cathodes having an electric field perpendicular to the surface thereof
- H01J2201/3125—Metal-insulator-Metal [MIM] emission type cathodes
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 所定面内で、均一かつ安定した電子放出が可
能であり、また、製造プロセスが簡便なＭＩＭ／ＭＩＳ
電子源およびその製造方法を提供する。 【構成】 ５００ｔｏｒｒの第１のチャンバ内にヘリウ
ムと酸素を導入し、アルミニウムを蒸発させ、表面が酸
化膜（Ａｌ２Ｏ３）に覆われた直径２０ｎｍ程度の超微
粒子Ａｌを生成する。この超微粒子を第２のチャンバ内
に導入し、ノズルから吹き出させて、下部電極層５の上
面に吹き付け、微粒子層６を形成する。この微粒子層６
の上面に厚み１０ｎｍ程度の金の薄膜７を形成する。点
ＰＱ間に電圧Ｖ１を印加すると、Ａｌ→Ａｌ２Ｏ３→Ａ
ｕというＭＩＭ接合においてトンネル電流が流れ、薄膜
７の上面から対向電極８に向けて電子放出が起こる。
能であり、また、製造プロセスが簡便なＭＩＭ／ＭＩＳ
電子源およびその製造方法を提供する。 【構成】 ５００ｔｏｒｒの第１のチャンバ内にヘリウ
ムと酸素を導入し、アルミニウムを蒸発させ、表面が酸
化膜（Ａｌ２Ｏ３）に覆われた直径２０ｎｍ程度の超微
粒子Ａｌを生成する。この超微粒子を第２のチャンバ内
に導入し、ノズルから吹き出させて、下部電極層５の上
面に吹き付け、微粒子層６を形成する。この微粒子層６
の上面に厚み１０ｎｍ程度の金の薄膜７を形成する。点
ＰＱ間に電圧Ｖ１を印加すると、Ａｌ→Ａｌ２Ｏ３→Ａ
ｕというＭＩＭ接合においてトンネル電流が流れ、薄膜
７の上面から対向電極８に向けて電子放出が起こる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＭＩＭ／ＭＩＳ電子源、
特に、基板上の任意のパターン領域から電子放出を可能
にするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源に関する。
特に、基板上の任意のパターン領域から電子放出を可能
にするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＩＭ電子源は、金属−絶縁体−金属(M
etal-Insulator-Metal) という３層構造から構成される
電子源であり、また、ＭＩＳ電子源は、金属−絶縁体−
半導体(Metal-Insulator-Semiconductor) という３層構
造から構成される電子源である。これらの電子源は、
表面汚染の影響を受けにくい、動作電圧が５〜１０Ｖ
程度と低い、電子放出領域を任意のパターンにでき
る、といった利点を有する素子として注目を集めてい
る。その動作原理は、量子力学上のトンネル効果を利用
したものである。すなわち、フェルミレベルの異なる２
種類の金属同士もしくは金属と半導体とを絶縁層を挟ん
で接合し、この絶縁層をトンネルして通り抜けた電子を
外部へ放出させるものである。
etal-Insulator-Metal) という３層構造から構成される
電子源であり、また、ＭＩＳ電子源は、金属−絶縁体−
半導体(Metal-Insulator-Semiconductor) という３層構
造から構成される電子源である。これらの電子源は、
表面汚染の影響を受けにくい、動作電圧が５〜１０Ｖ
程度と低い、電子放出領域を任意のパターンにでき
る、といった利点を有する素子として注目を集めてい
る。その動作原理は、量子力学上のトンネル効果を利用
したものである。すなわち、フェルミレベルの異なる２
種類の金属同士もしくは金属と半導体とを絶縁層を挟ん
で接合し、この絶縁層をトンネルして通り抜けた電子を
外部へ放出させるものである。
【０００３】現在、提案されているＭＩＭ／ＭＩＳ電子
源の構造は、基板上に、金属−絶縁体−金属という薄膜
の３層構造を形成したＭＩＭ構造のものが主流である。
たとえば、日本学術振興会真空マイクロエレクトロニク
ス第１５８委員会第３回研究会資料（平成６年８月２９
日）の第１７〜２１頁には、「金属−絶縁体−金属型電
子源の非フォーミング状態での電子放出特性」と題し
て、シリコン基板上に、アルミニウム−酸化アルミニウ
ム−金という３層薄膜構造をもったＭＩＭ電子源を試作
した実験結果が報告されている。また、第５５回応用物
理学関係連合講演会予稿集第５７９頁には、「ＭＩＭ電
子源の電子放出特性の温度依存性」と題して、ＭＩＭ電
子源の放出電流の温度特性が報告されている。更に、第
４２回応用物理学関係連合講演会予稿集第６４２頁に
は、「コーン型ＭＩＳ電子源の電子放出特性」および
「外部電極を持つコーン型ＭＩＳ電子源の作製」と題し
て、ＭＩＳ電子源に関する研究結果が報告されている。
源の構造は、基板上に、金属−絶縁体−金属という薄膜
の３層構造を形成したＭＩＭ構造のものが主流である。
たとえば、日本学術振興会真空マイクロエレクトロニク
ス第１５８委員会第３回研究会資料（平成６年８月２９
日）の第１７〜２１頁には、「金属−絶縁体−金属型電
子源の非フォーミング状態での電子放出特性」と題し
て、シリコン基板上に、アルミニウム−酸化アルミニウ
ム−金という３層薄膜構造をもったＭＩＭ電子源を試作
した実験結果が報告されている。また、第５５回応用物
理学関係連合講演会予稿集第５７９頁には、「ＭＩＭ電
子源の電子放出特性の温度依存性」と題して、ＭＩＭ電
子源の放出電流の温度特性が報告されている。更に、第
４２回応用物理学関係連合講演会予稿集第６４２頁に
は、「コーン型ＭＩＳ電子源の電子放出特性」および
「外部電極を持つコーン型ＭＩＳ電子源の作製」と題し
て、ＭＩＳ電子源に関する研究結果が報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来報告されているＭＩＭ／ＭＩＳ電子源は、いず
れも実験段階のものであり、面内で均一な電子放出を安
定して行うことが困難であり、また、製造プロセスが非
常にむずかしいという問題点があり、実用化には至って
いない。ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の素子としての性能に大
きく影響を与える要因のひとつは、絶縁層の品質および
膜厚である。絶縁層はトンネル効果が生じる程度の薄膜
にする必要があり、通常は、数ｎｍ程度の厚みしかもた
ない。このため、ピンホールなどが発生しやすく、高品
質の絶縁膜を形成することは非常に困難である。また、
一様な膜厚をもった絶縁層を形成することも技術的に難
しい。絶縁層にピンホールなどの欠陥や厚みの変動が生
じていると、漏れ電流が発生し、均一で安定した電子放
出が阻害されることになる。また、絶縁層と金属層（半
導体層）との界面状態も、ＭＩＭ／ＭＩＳ素子としての
性能に影響を与える要因のひとつであり、理想的な界面
を有する素子を製造することは非常に困難である。
うな従来報告されているＭＩＭ／ＭＩＳ電子源は、いず
れも実験段階のものであり、面内で均一な電子放出を安
定して行うことが困難であり、また、製造プロセスが非
常にむずかしいという問題点があり、実用化には至って
いない。ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の素子としての性能に大
きく影響を与える要因のひとつは、絶縁層の品質および
膜厚である。絶縁層はトンネル効果が生じる程度の薄膜
にする必要があり、通常は、数ｎｍ程度の厚みしかもた
ない。このため、ピンホールなどが発生しやすく、高品
質の絶縁膜を形成することは非常に困難である。また、
一様な膜厚をもった絶縁層を形成することも技術的に難
しい。絶縁層にピンホールなどの欠陥や厚みの変動が生
じていると、漏れ電流が発生し、均一で安定した電子放
出が阻害されることになる。また、絶縁層と金属層（半
導体層）との界面状態も、ＭＩＭ／ＭＩＳ素子としての
性能に影響を与える要因のひとつであり、理想的な界面
を有する素子を製造することは非常に困難である。
【０００５】そこで本発明は、所定面内で、均一かつ安
定した電子放出が可能であり、また、製造プロセスが簡
便なＭＩＭ／ＭＩＳ電子源およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。
定した電子放出が可能であり、また、製造プロセスが簡
便なＭＩＭ／ＭＩＳ電子源およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。
【０００６】
(1) 本発明の第１の態様は、ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源に
おいて、表面が絶縁層によって覆われた第１の導電性材
料からなる微粒子を多数充填することにより構成された
微粒子層と、この微粒子層の下面に形成された下部電極
層と、この微粒子層の上面に形成された上部電極層と、
を設け、絶縁層はトンネル効果により電子が通り抜ける
ことが可能な厚みとし、上部電極層は第１の導電性材料
とは異なる第２の導電性材料からなり、第１の導電性材
料と第２の導電性材料とは互いにフェルミレベルが異な
る金属もしくは半導体によって構成されるようにし、第
１の導電性材料のフェルミレベルは、第２の導電性材料
のフェルミレベルよりも高くなるようにし、上部電極層
と下部電極層との間に所定の電圧を印加したときに、両
者間に電流が流れるのに十分な密度で、微粒子を充填す
るようにしたものである。
おいて、表面が絶縁層によって覆われた第１の導電性材
料からなる微粒子を多数充填することにより構成された
微粒子層と、この微粒子層の下面に形成された下部電極
層と、この微粒子層の上面に形成された上部電極層と、
を設け、絶縁層はトンネル効果により電子が通り抜ける
ことが可能な厚みとし、上部電極層は第１の導電性材料
とは異なる第２の導電性材料からなり、第１の導電性材
料と第２の導電性材料とは互いにフェルミレベルが異な
る金属もしくは半導体によって構成されるようにし、第
１の導電性材料のフェルミレベルは、第２の導電性材料
のフェルミレベルよりも高くなるようにし、上部電極層
と下部電極層との間に所定の電圧を印加したときに、両
者間に電流が流れるのに十分な密度で、微粒子を充填す
るようにしたものである。
【０００７】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、第１の導
電性材料としてアルミニウムを、第２の導電性材料とし
て金を、絶縁層として酸化アルミニウムを、それぞれ用
いたものである。
の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、第１の導
電性材料としてアルミニウムを、第２の導電性材料とし
て金を、絶縁層として酸化アルミニウムを、それぞれ用
いたものである。
【０００８】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、第１の導
電性材料としてシリコンを、第２の導電性材料として金
を、絶縁層として酸化シリコンを、それぞれ用いたもの
である。
の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、第１の導
電性材料としてシリコンを、第２の導電性材料として金
を、絶縁層として酸化シリコンを、それぞれ用いたもの
である。
【０００９】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
〜第３の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、微
粒子層を構成する微粒子として、直径が１００ｎｍ以下
の超微粒子を用いたものである。
〜第３の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、微
粒子層を構成する微粒子として、直径が１００ｎｍ以下
の超微粒子を用いたものである。
【００１０】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１
〜第４の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源を製造する方
法において、所定の支持基板上に下部電極層を形成し、
第１の導電性材料を収容する第１のチャンバと、微粒子
層を形成させるための第２のチャンバと、を用意し、第
１のチャンバ内で、不活性ガスおよび絶縁層の材料ガス
を導入しながら第１の導電性材料を蒸発させて微粒子を
生成し、第２のチャンバ内に支持基板を収容し、生成し
た微粒子を第２のチャンバ内に導入してノズルから支持
基板上の下部電極層に向けて放出することにより、下部
電極層上に微粒子層を形成し、微粒子層上に第２の導電
性材料からなる上部電極層を形成するようにしたもので
ある。
〜第４の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源を製造する方
法において、所定の支持基板上に下部電極層を形成し、
第１の導電性材料を収容する第１のチャンバと、微粒子
層を形成させるための第２のチャンバと、を用意し、第
１のチャンバ内で、不活性ガスおよび絶縁層の材料ガス
を導入しながら第１の導電性材料を蒸発させて微粒子を
生成し、第２のチャンバ内に支持基板を収容し、生成し
た微粒子を第２のチャンバ内に導入してノズルから支持
基板上の下部電極層に向けて放出することにより、下部
電極層上に微粒子層を形成し、微粒子層上に第２の導電
性材料からなる上部電極層を形成するようにしたもので
ある。
【００１１】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５
の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法におい
て、第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ス
テージを設け、この移動ステージにより支持基板を移動
させながら微粒子層を成長させることにより、移動軌跡
に応じたパターンの微粒子層を形成するようにしたもの
である。
の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法におい
て、第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ス
テージを設け、この移動ステージにより支持基板を移動
させながら微粒子層を成長させることにより、移動軌跡
に応じたパターンの微粒子層を形成するようにしたもの
である。
【００１２】
【作 用】本発明の基本概念は、金属−絶縁体−金属と
いうＭＩＭ電子源もしくは金属−絶縁体−半導体という
ＭＩＳ電子源の基本構成要素の一部を、微粒子を用いて
実現した点にある。たとえば、アルミニウムの微粒子の
表面に酸化アルミニウムからなる絶縁膜を形成する。こ
れらの微粒子を所定の基板上にある程度の密度で付着さ
せて微粒子層を作れば、この微粒子層は、内部に金属−
絶縁体というＭＩＭ電子源の基本構成要素の一部を多数
含んだ層になる。この微粒子層の上面に、たとえば、金
の薄膜を形成すれば、「アルミニウム−酸化アルミニウ
ム−金」という接合、すなわち、「金属−絶縁体−金
属」というＭＩＭ接合が得られることになる。ここで、
酸化アルミニウムの膜厚をトンネル効果が生じるように
十分小さな膜厚にしておき、個々の微粒子を十分な密度
で充填しておくようにすれば、「アルミニウム−酸化ア
ルミニウム−金」というＭＩＭ接合が随所において見ら
れるようになり、このような接合箇所がそれぞれ個々の
ＭＩＭ電子源素子として機能することになる。したがっ
て、微粒子層の下面に下部電極層を形成しておき、この
下部電極層と上部電極層との間に所定の電圧を印加すれ
ば、この両電極層間に電流が流れることになる。ここ
で、上部電極層の厚みを電子放出に適した厚みにしてお
けば、上部電極層の表面から電子放出が起こる。特に、
用いる微粒子として、直径が１００ｎｍ以下の超微粒子
を用いるようにすれば、上部電極層の表面から非常にき
めが細かい一様な電子放出が得られるようになる。
いうＭＩＭ電子源もしくは金属−絶縁体−半導体という
ＭＩＳ電子源の基本構成要素の一部を、微粒子を用いて
実現した点にある。たとえば、アルミニウムの微粒子の
表面に酸化アルミニウムからなる絶縁膜を形成する。こ
れらの微粒子を所定の基板上にある程度の密度で付着さ
せて微粒子層を作れば、この微粒子層は、内部に金属−
絶縁体というＭＩＭ電子源の基本構成要素の一部を多数
含んだ層になる。この微粒子層の上面に、たとえば、金
の薄膜を形成すれば、「アルミニウム−酸化アルミニウ
ム−金」という接合、すなわち、「金属−絶縁体−金
属」というＭＩＭ接合が得られることになる。ここで、
酸化アルミニウムの膜厚をトンネル効果が生じるように
十分小さな膜厚にしておき、個々の微粒子を十分な密度
で充填しておくようにすれば、「アルミニウム−酸化ア
ルミニウム−金」というＭＩＭ接合が随所において見ら
れるようになり、このような接合箇所がそれぞれ個々の
ＭＩＭ電子源素子として機能することになる。したがっ
て、微粒子層の下面に下部電極層を形成しておき、この
下部電極層と上部電極層との間に所定の電圧を印加すれ
ば、この両電極層間に電流が流れることになる。ここ
で、上部電極層の厚みを電子放出に適した厚みにしてお
けば、上部電極層の表面から電子放出が起こる。特に、
用いる微粒子として、直径が１００ｎｍ以下の超微粒子
を用いるようにすれば、上部電極層の表面から非常にき
めが細かい一様な電子放出が得られるようになる。
【００１３】このような構造をもつＭＩＭ電子源の素子
は、非常に簡便な製造プロセスで製造可能である。たと
えば、第１のチャンバ内を所定の真空度に保ち、酸素ガ
スを導入しながらアルミニウムを蒸発させれば、チャン
バ内に酸化膜で覆われたアルミニウムの微粒子を充満さ
せることができる。なお、一般にアルミニウムは非常に
酸化されやすい金属なので、チャンバ内に不活性ガスを
満たした状態でアルミニウムの微粒子を作成しても、こ
のアルミニウムの微粒子を大気中で取り出した段階で、
表面は酸化膜で覆われた状態になり、チャンバ内におい
ても不活性ガス中の不純物酸素や水によって表面は酸化
される傾向にある。したがって、チャンバ内には必ずし
も酸素ガスを積極的に導入する必要はないが、酸素ガス
の導入によって酸化膜厚を制御することが可能になる。
は、非常に簡便な製造プロセスで製造可能である。たと
えば、第１のチャンバ内を所定の真空度に保ち、酸素ガ
スを導入しながらアルミニウムを蒸発させれば、チャン
バ内に酸化膜で覆われたアルミニウムの微粒子を充満さ
せることができる。なお、一般にアルミニウムは非常に
酸化されやすい金属なので、チャンバ内に不活性ガスを
満たした状態でアルミニウムの微粒子を作成しても、こ
のアルミニウムの微粒子を大気中で取り出した段階で、
表面は酸化膜で覆われた状態になり、チャンバ内におい
ても不活性ガス中の不純物酸素や水によって表面は酸化
される傾向にある。したがって、チャンバ内には必ずし
も酸素ガスを積極的に導入する必要はないが、酸素ガス
の導入によって酸化膜厚を制御することが可能になる。
【００１４】こうして発生させた微粒子を、第２のチャ
ンバ内に導入し、支持基板上の下部電極層に向けて放出
すれば、下部電極層上に微粒子層を形成させることがで
きる。微粒子の大きさや酸化膜の厚みは、チャンバ内の
真空度や材料の蒸発温度によって制御することができ
る。下部電極層上に形成される微粒子層内には、膨大な
数の微粒子が堆積した状態になり、個々の微粒子の表面
に「金属−絶縁体」接合が形成されることになる。した
がって、この微粒子層の上面に上部電極層を形成すれ
ば、最終的に、「金属−絶縁体−金属」というＭＩＭ接
合を得ることができ、しかも、全体として得られるＭＩ
Ｍ接合の面積は非常に大きなものになる。このため、非
常に効率的な電子放出が可能になる。また、全体とし
て、微粒子の密度や分布は下部電極層上で均一になるた
め、面内において均一な安定した電子放出が得られるこ
とになる。
ンバ内に導入し、支持基板上の下部電極層に向けて放出
すれば、下部電極層上に微粒子層を形成させることがで
きる。微粒子の大きさや酸化膜の厚みは、チャンバ内の
真空度や材料の蒸発温度によって制御することができ
る。下部電極層上に形成される微粒子層内には、膨大な
数の微粒子が堆積した状態になり、個々の微粒子の表面
に「金属−絶縁体」接合が形成されることになる。した
がって、この微粒子層の上面に上部電極層を形成すれ
ば、最終的に、「金属−絶縁体−金属」というＭＩＭ接
合を得ることができ、しかも、全体として得られるＭＩ
Ｍ接合の面積は非常に大きなものになる。このため、非
常に効率的な電子放出が可能になる。また、全体とし
て、微粒子の密度や分布は下部電極層上で均一になるた
め、面内において均一な安定した電子放出が得られるこ
とになる。
【００１５】なお、第２のチャンバ内に、支持基板を移
動させる移動ステージを設け、この移動ステージにより
支持基板を移動させながら微粒子層を成長させるように
すれば、ノズルから放出される微粒子を支持基板上の任
意の位置へ堆積させることが可能になり、移動軌跡に応
じた任意のパターンを非常に簡単に形成させることがで
きる。
動させる移動ステージを設け、この移動ステージにより
支持基板を移動させながら微粒子層を成長させるように
すれば、ノズルから放出される微粒子を支持基板上の任
意の位置へ堆積させることが可能になり、移動軌跡に応
じた任意のパターンを非常に簡単に形成させることがで
きる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基いて説明
する。はじめに、参考のために、従来提案されている一
般的なＭＩＭ電子源の構造およびその動作を簡単に説明
しておく。
する。はじめに、参考のために、従来提案されている一
般的なＭＩＭ電子源の構造およびその動作を簡単に説明
しておく。
【００１７】図１は、従来提案されている一般的なＭＩ
Ｍ電子源と、このＭＩＭ電子源を用いた電子デバイスの
構成を示す断面図である。この例では、ＭＩＭ電子源
は、金属層１、絶縁層２、金属層３の３層によって構成
されている。ここで、金属層１はアルミニウム（Ａｌ）
からなり、絶縁層２は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）
からなり、金属層３は金（Ａｕ）からなる。このような
３層構造を有するＭＩＭ電子源において、金属層１と金
属層３との間に図のような電圧Ｖ１（たとえば、Ｖ１＝
１０Ｖ）を印加し、更に、このＭＩＭ電子源から少し離
れた位置に対向電極４を配置し、この対向電極４にアノ
ード電圧Ｖ２（たとえば、Ｖ２＝５００Ｖ）を印加すれ
ば、ＭＩＭ電子源から対向電極４に向けて電子ｅ−が放
出されることになる（両者間は、たとえば、１０−５Ｐ
ａ程度の圧力に保たれる）。
Ｍ電子源と、このＭＩＭ電子源を用いた電子デバイスの
構成を示す断面図である。この例では、ＭＩＭ電子源
は、金属層１、絶縁層２、金属層３の３層によって構成
されている。ここで、金属層１はアルミニウム（Ａｌ）
からなり、絶縁層２は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）
からなり、金属層３は金（Ａｕ）からなる。このような
３層構造を有するＭＩＭ電子源において、金属層１と金
属層３との間に図のような電圧Ｖ１（たとえば、Ｖ１＝
１０Ｖ）を印加し、更に、このＭＩＭ電子源から少し離
れた位置に対向電極４を配置し、この対向電極４にアノ
ード電圧Ｖ２（たとえば、Ｖ２＝５００Ｖ）を印加すれ
ば、ＭＩＭ電子源から対向電極４に向けて電子ｅ−が放
出されることになる（両者間は、たとえば、１０−５Ｐ
ａ程度の圧力に保たれる）。
【００１８】このような現象は、図２に示すエネルギー
準位図によって説明される。アルミニウムと金は、互い
にフェルミレベルの異なる金属であるが、両者のフェル
ミレベルが一致する方向に電圧Ｖ１を印加すると、中間
の酸化アルミニウム層２を挟んで、図示のようなエネル
ギー準位が得られることになる。ここで、印加電圧Ｖ１
＝１０Ｖ程度とし、酸化アルミニウム層２の厚みをトン
ネル効果が起こり得る１０ｎｍ程度とすると、酸化アル
ミニウム層２内の電界は１０９Ｖ／ｍ程度に達するた
め、アルミニウム層１から酸化アルミニウム層２の伝導
帯へ電子がトンネルし、このトンネル電子ｅ−は金層３
へと移動し、散乱によりエネルギーを失う。このような
トンネル電子ｅ−の移動により、ＭＩＭ構造をもった３
層を流れるダイオード電流Ｉ１が発生することになる。
一方、エネルギー損失が少なかったトンネル電子ｅ
−は、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出され、対
向電極４へと向かうことになる。対向電極４に流れる放
出電流Ｉ２は、こうして放出されたトンネル電子ｅ−の
移動によるものである。ここで、電流比Ｉ２／Ｉ１は、
全トンネル電子のうちの対向電極側へ放出される電子の
割合（放出比）を示すものとなり、これまで報告されて
いる一般的なＭＩＭ電子源の場合、Ｉ２／Ｉ１＝１０
−３〜１０−５程度である。
準位図によって説明される。アルミニウムと金は、互い
にフェルミレベルの異なる金属であるが、両者のフェル
ミレベルが一致する方向に電圧Ｖ１を印加すると、中間
の酸化アルミニウム層２を挟んで、図示のようなエネル
ギー準位が得られることになる。ここで、印加電圧Ｖ１
＝１０Ｖ程度とし、酸化アルミニウム層２の厚みをトン
ネル効果が起こり得る１０ｎｍ程度とすると、酸化アル
ミニウム層２内の電界は１０９Ｖ／ｍ程度に達するた
め、アルミニウム層１から酸化アルミニウム層２の伝導
帯へ電子がトンネルし、このトンネル電子ｅ−は金層３
へと移動し、散乱によりエネルギーを失う。このような
トンネル電子ｅ−の移動により、ＭＩＭ構造をもった３
層を流れるダイオード電流Ｉ１が発生することになる。
一方、エネルギー損失が少なかったトンネル電子ｅ
−は、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出され、対
向電極４へと向かうことになる。対向電極４に流れる放
出電流Ｉ２は、こうして放出されたトンネル電子ｅ−の
移動によるものである。ここで、電流比Ｉ２／Ｉ１は、
全トンネル電子のうちの対向電極側へ放出される電子の
割合（放出比）を示すものとなり、これまで報告されて
いる一般的なＭＩＭ電子源の場合、Ｉ２／Ｉ１＝１０
−３〜１０−５程度である。
【００１９】このような原理に基いて動作するＭＩＭ電
子源は、表面汚染に対して非常に強い素子になる。これ
は、トンネル電流を支配しているのが、表面障壁ではな
く、アルミニウム層１と酸化アルミニウム層２との間の
界面障壁であるためである。
子源は、表面汚染に対して非常に強い素子になる。これ
は、トンネル電流を支配しているのが、表面障壁ではな
く、アルミニウム層１と酸化アルミニウム層２との間の
界面障壁であるためである。
【００２０】しかしながら、このような従来のＭＩＭ電
子源では、放出面から均一で安定した電子放出を行うこ
とが困難であり、また、製造プロセスが難しいという問
題があることは既に述べたとおりである。たとえば、図
１に示す例の場合、金層３の表面から均一に安定した電
子放出を行うためには、各薄膜の厚みを均一にし、しか
も、部分的な欠陥のない高品質な薄膜を形成する必要が
ある。現在の技術では、このような品質の高い薄膜を均
一に形成することは非常に困難である。
子源では、放出面から均一で安定した電子放出を行うこ
とが困難であり、また、製造プロセスが難しいという問
題があることは既に述べたとおりである。たとえば、図
１に示す例の場合、金層３の表面から均一に安定した電
子放出を行うためには、各薄膜の厚みを均一にし、しか
も、部分的な欠陥のない高品質な薄膜を形成する必要が
ある。現在の技術では、このような品質の高い薄膜を均
一に形成することは非常に困難である。
【００２１】本発明に係るＭＩＭ電子源は、図２に示す
エネルギー準位図によって説明される動作原理に基いて
動作する素子ではあるが、その物理的な構造は、全く異
なるものである。図３は、本発明の一実施例に係るＭＩ
Ｍ電子源の基本構成を説明するための断面図である。こ
のＭＩＭ電子源は、下部電極層５と微粒子層６と上部電
極層７とによって構成されている。ここで、下部電極層
５は、単に微粒子層６へ電子を供給するための電極とし
て用いられる層であり、電極として機能する材料であれ
ばどのような材料で構成してもかまわない。たとえば、
金、銀、銅、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、クロムな
どの金属や、その他、どのような導電材料を用いて下部
電極層５を構成してもよい。
エネルギー準位図によって説明される動作原理に基いて
動作する素子ではあるが、その物理的な構造は、全く異
なるものである。図３は、本発明の一実施例に係るＭＩ
Ｍ電子源の基本構成を説明するための断面図である。こ
のＭＩＭ電子源は、下部電極層５と微粒子層６と上部電
極層７とによって構成されている。ここで、下部電極層
５は、単に微粒子層６へ電子を供給するための電極とし
て用いられる層であり、電極として機能する材料であれ
ばどのような材料で構成してもかまわない。たとえば、
金、銀、銅、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、クロムな
どの金属や、その他、どのような導電材料を用いて下部
電極層５を構成してもよい。
【００２２】一方、微粒子層６および上部電極層７は、
ＭＩＭ電子源としての本質的な機能を果たす部分であ
る。すなわち、微粒子層６は、表面が絶縁層によって覆
われた第１の導電性材料からなる微粒子を多数充填する
ことにより構成された層であり、上部電極層７は、この
第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料からなる
層である。ここで、第１の導電性材料と第２の導電性材
料とは互いにフェルミレベルが異なる金属によって構成
され、第１の導電性材料のフェルミレベルは第２の導電
性材料のフェルミレベルよりも高くなっている。しか
も、微粒子層６を構成する各微粒子の表面に形成された
絶縁層は、トンネル効果により電子が通り抜けることが
可能な厚みをもっている。また、下部電極層５と上部電
極層７との間に所定の電圧を印加したときに、両者間に
電流Ｉ１が流れるのに十分な密度で微粒子を充填するこ
とにより、微粒子層６が構成されている。本実施例の場
合、アルミニウム（Ａｌ）からなる超微粒子の表面に酸
化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の層を形成してなる超微
粒子を、多数充填することにより微粒子層６を形成して
おり、また、上部電極層７としては、金（Ａｕ）の薄膜
層を用いている。
ＭＩＭ電子源としての本質的な機能を果たす部分であ
る。すなわち、微粒子層６は、表面が絶縁層によって覆
われた第１の導電性材料からなる微粒子を多数充填する
ことにより構成された層であり、上部電極層７は、この
第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料からなる
層である。ここで、第１の導電性材料と第２の導電性材
料とは互いにフェルミレベルが異なる金属によって構成
され、第１の導電性材料のフェルミレベルは第２の導電
性材料のフェルミレベルよりも高くなっている。しか
も、微粒子層６を構成する各微粒子の表面に形成された
絶縁層は、トンネル効果により電子が通り抜けることが
可能な厚みをもっている。また、下部電極層５と上部電
極層７との間に所定の電圧を印加したときに、両者間に
電流Ｉ１が流れるのに十分な密度で微粒子を充填するこ
とにより、微粒子層６が構成されている。本実施例の場
合、アルミニウム（Ａｌ）からなる超微粒子の表面に酸
化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の層を形成してなる超微
粒子を、多数充填することにより微粒子層６を形成して
おり、また、上部電極層７としては、金（Ａｕ）の薄膜
層を用いている。
【００２３】一般に、「超微粒子」という言葉は、直径
１００ｎｍ以下の微粒子に対して用いられている。本実
施例では、微粒子層６を構成する超微粒子として、直径
１０〜３０ｎｍ程度の大きさのものを用いており、微粒
子層６の全体の厚みとしては、２０μｍ程度に設定して
いる（図３では、微粒子層６の中間部分における微粒子
の図示を省略しているが、これは、微粒子の直径がｎｍ
オーダであるのに対し、微粒子層６の厚みはμｍオーダ
であり、実際には、図の縦方向には１０３個のオーダの
微粒子が充填されているためである）。一方、超微粒子
の表面に形成された酸化アルミニウムの絶縁膜は膜厚５
ｎｍ程度のものであり、トンネル効果により電子が通り
抜けることが可能な厚みとなっている。また、金からな
る上部電極層７は、微粒子層６から供給されるトンネル
電子が、その上面から放出されるような厚みにする必要
があり、具体的には、１００ｎｍ以下に設定するのが好
ましく、１０ｎｍ程度の厚みに設定できれば極めて好ま
しい。
１００ｎｍ以下の微粒子に対して用いられている。本実
施例では、微粒子層６を構成する超微粒子として、直径
１０〜３０ｎｍ程度の大きさのものを用いており、微粒
子層６の全体の厚みとしては、２０μｍ程度に設定して
いる（図３では、微粒子層６の中間部分における微粒子
の図示を省略しているが、これは、微粒子の直径がｎｍ
オーダであるのに対し、微粒子層６の厚みはμｍオーダ
であり、実際には、図の縦方向には１０３個のオーダの
微粒子が充填されているためである）。一方、超微粒子
の表面に形成された酸化アルミニウムの絶縁膜は膜厚５
ｎｍ程度のものであり、トンネル効果により電子が通り
抜けることが可能な厚みとなっている。また、金からな
る上部電極層７は、微粒子層６から供給されるトンネル
電子が、その上面から放出されるような厚みにする必要
があり、具体的には、１００ｎｍ以下に設定するのが好
ましく、１０ｎｍ程度の厚みに設定できれば極めて好ま
しい。
【００２４】本願発明者は、このような超微粒子を、下
部電極層５上に微粒子層６として充填形成し、その上面
に上部電極層７を形成すれば、このような構造体はＭＩ
Ｍ電子源として機能することを見出だしたのである。た
とえば、図３において、下部電極層５内の点Ｐと、上部
電極層７内の点Ｑとの間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給
すると、両電極層５，７間に充填されているいくつかの
超微粒子を介して電流が流れることになる。超微粒子の
充填密度をある程度以上に保てば、三次元空間内におい
て、各超微粒子の大部分は他の超微粒子と表面接触する
ことになり、また、酸化アルミニウム層はトンネル電子
が通り抜けられる厚みなので、結局、下部電極層５から
微粒子層６を通って上部電極層７へ至る電子の移動経路
が形成されることになる。このような電子の移動経路を
有する構造体においては、図１に示すＭＩＭ電子源の３
層構造と等価な現象が起こるのである。すなわち、電圧
Ｖ１を供給すると、アルミニウムと金とのフェルミレベ
ルの差に基いて、微粒子層６内のトンネル電子の一部
が、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出される。別
言すれば、微粒子層６から上部電極層７へと移動してき
た電子がその表面から放出されることになる。そこで、
図３に示すように、上部電極層７の上方に所定の空間を
隔てて対向電極８（電極として機能するものであれば、
どのような材料のものでもかまわない）を配置し、上部
電極層７内の点Ｑと対向電極８内の点Ｒとの間に、所定
のアノード電圧Ｖ２を印加しておけば、上部電極層７の
表面から放出された電子は、対向電極８へと向かうこと
になる。
部電極層５上に微粒子層６として充填形成し、その上面
に上部電極層７を形成すれば、このような構造体はＭＩ
Ｍ電子源として機能することを見出だしたのである。た
とえば、図３において、下部電極層５内の点Ｐと、上部
電極層７内の点Ｑとの間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給
すると、両電極層５，７間に充填されているいくつかの
超微粒子を介して電流が流れることになる。超微粒子の
充填密度をある程度以上に保てば、三次元空間内におい
て、各超微粒子の大部分は他の超微粒子と表面接触する
ことになり、また、酸化アルミニウム層はトンネル電子
が通り抜けられる厚みなので、結局、下部電極層５から
微粒子層６を通って上部電極層７へ至る電子の移動経路
が形成されることになる。このような電子の移動経路を
有する構造体においては、図１に示すＭＩＭ電子源の３
層構造と等価な現象が起こるのである。すなわち、電圧
Ｖ１を供給すると、アルミニウムと金とのフェルミレベ
ルの差に基いて、微粒子層６内のトンネル電子の一部
が、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出される。別
言すれば、微粒子層６から上部電極層７へと移動してき
た電子がその表面から放出されることになる。そこで、
図３に示すように、上部電極層７の上方に所定の空間を
隔てて対向電極８（電極として機能するものであれば、
どのような材料のものでもかまわない）を配置し、上部
電極層７内の点Ｑと対向電極８内の点Ｒとの間に、所定
のアノード電圧Ｖ２を印加しておけば、上部電極層７の
表面から放出された電子は、対向電極８へと向かうこと
になる。
【００２５】以上、図３の断面図に基いて、本発明の基
本原理を説明したが、本発明の具体的な実施例に係るＭ
ＩＭ電子源の実際の構造を、図４の斜視図に示す。この
実施例のＭＩＭ電子源では、素子全体を支持するために
支持基板９が用いられている。この支持基板９は、どの
ような材質のものでもよいが、この実施例ではガラス基
板によって構成している。この支持基板９上には、アル
ミニウムからなる下部電極層５が形成されており、その
上に、いわゆるカマボコ型の微粒子層６が形成されてい
る。この微粒子層６は、図３に示したように、表面が酸
化アルミニウムの層で覆われたアルミニウムの超微粒子
を、所定の密度に充填してなる層であり、その厚みは２
０μｍ程度である。そして、この微粒子層６の上面に
は、更に上部電極層７が形成されている。この上部電極
層７は、金の薄膜層であり、上述したようにその厚みは
１０ｎｍ程度である。なお、図示のとおり、下部電極層
５と上部電極層７とは互いに短絡しない構造となってい
る。
本原理を説明したが、本発明の具体的な実施例に係るＭ
ＩＭ電子源の実際の構造を、図４の斜視図に示す。この
実施例のＭＩＭ電子源では、素子全体を支持するために
支持基板９が用いられている。この支持基板９は、どの
ような材質のものでもよいが、この実施例ではガラス基
板によって構成している。この支持基板９上には、アル
ミニウムからなる下部電極層５が形成されており、その
上に、いわゆるカマボコ型の微粒子層６が形成されてい
る。この微粒子層６は、図３に示したように、表面が酸
化アルミニウムの層で覆われたアルミニウムの超微粒子
を、所定の密度に充填してなる層であり、その厚みは２
０μｍ程度である。そして、この微粒子層６の上面に
は、更に上部電極層７が形成されている。この上部電極
層７は、金の薄膜層であり、上述したようにその厚みは
１０ｎｍ程度である。なお、図示のとおり、下部電極層
５と上部電極層７とは互いに短絡しない構造となってい
る。
【００２６】ここで、下部電極層５と上部電極層７との
間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給すれば、前述のよう
に、トンネル電子の移動によって、両電極層５，７間に
は所定のダイオード電流Ｉ１が流れることになる。この
とき、トンネル電子の一部は、仕事関数φの障壁を越え
て真空中に放出される。したがって、図に破線で示すよ
うな対向電極８を用意し、この対向電極８にアノード電
圧Ｖ２を印加し、支持基板９と対向電極８との間の空間
を所定の真空度に維持しておけば、微粒子層６の表面か
ら、仕事関数φの障壁を越えた電子が対向電極８へと向
かって放出され、放出電流Ｉ２を生成することになる。
このように、支持基板９上に形成された下部電極層５，
微粒子層６，上部電極層７は、ＭＩＭ電子源として機能
する。
間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給すれば、前述のよう
に、トンネル電子の移動によって、両電極層５，７間に
は所定のダイオード電流Ｉ１が流れることになる。この
とき、トンネル電子の一部は、仕事関数φの障壁を越え
て真空中に放出される。したがって、図に破線で示すよ
うな対向電極８を用意し、この対向電極８にアノード電
圧Ｖ２を印加し、支持基板９と対向電極８との間の空間
を所定の真空度に維持しておけば、微粒子層６の表面か
ら、仕事関数φの障壁を越えた電子が対向電極８へと向
かって放出され、放出電流Ｉ２を生成することになる。
このように、支持基板９上に形成された下部電極層５，
微粒子層６，上部電極層７は、ＭＩＭ電子源として機能
する。
【００２７】ここで、上部電極層７の表面からは、非常
に安定した電子放出が得られ、かつ、面に関する電子放
出分布は均一になる。なぜなら、微粒子層６は、図３に
示すような超微粒子を一様に分散させてなる層であり、
層全体の至るところでトンネル現象が起こり、微粒子層
６と上部電極層７との界面において均一に電子放出現象
が起こるからである。もちろん、個々の超微粒子をミク
ロ的に見れば、それぞれ直径や形状も異なり、また、隣
接する超微粒子との接触状態もそれぞれ異なっている。
しかしながら、微粒子層６全体としてマクロ的に見れ
ば、各超微粒子の分布も相互の接触状態も均一になるの
である。しかも、本実施例の場合、微粒子層６は直径２
０ｎｍ程度の非常に微細な粒子を多数充填させたもので
あるため、アルミニウムと酸化アルミニウムとの界面の
面積、すなわち、トンネル現象の起こる界面障壁の面積
は非常に大きくなり、トンネル現象が効果的に起こるこ
とになる。別言すれば、絶縁層を超微粒子の表面層とし
て形成するようにしたため、安定した絶縁層の形成が可
能になり、漏れ電流を抑制することができ、安定した電
子放出が可能になるのである。
に安定した電子放出が得られ、かつ、面に関する電子放
出分布は均一になる。なぜなら、微粒子層６は、図３に
示すような超微粒子を一様に分散させてなる層であり、
層全体の至るところでトンネル現象が起こり、微粒子層
６と上部電極層７との界面において均一に電子放出現象
が起こるからである。もちろん、個々の超微粒子をミク
ロ的に見れば、それぞれ直径や形状も異なり、また、隣
接する超微粒子との接触状態もそれぞれ異なっている。
しかしながら、微粒子層６全体としてマクロ的に見れ
ば、各超微粒子の分布も相互の接触状態も均一になるの
である。しかも、本実施例の場合、微粒子層６は直径２
０ｎｍ程度の非常に微細な粒子を多数充填させたもので
あるため、アルミニウムと酸化アルミニウムとの界面の
面積、すなわち、トンネル現象の起こる界面障壁の面積
は非常に大きくなり、トンネル現象が効果的に起こるこ
とになる。別言すれば、絶縁層を超微粒子の表面層とし
て形成するようにしたため、安定した絶縁層の形成が可
能になり、漏れ電流を抑制することができ、安定した電
子放出が可能になるのである。
【００２８】本発明に係るＭＩＭ電子源は、このように
均一で安定した電子放出が得られるという特徴の他に、
製造プロセスが容易であるという特徴を有する。以下、
本実施例に係るＭＩＭ電子源の製造プロセスの一例を説
明する。この製造プロセスは、いわゆるガスデポジショ
ン装置を用いた反応性超微粒子成膜技術を利用したもの
である。
均一で安定した電子放出が得られるという特徴の他に、
製造プロセスが容易であるという特徴を有する。以下、
本実施例に係るＭＩＭ電子源の製造プロセスの一例を説
明する。この製造プロセスは、いわゆるガスデポジショ
ン装置を用いた反応性超微粒子成膜技術を利用したもの
である。
【００２９】まず、図５に示すように、２つのチャンバ
を用意する。第１のチャンバ１０は、収容したアルミニ
ウム材料１１を蒸発させるとともに酸素ガスを導入し、
表面が酸化膜で覆われたアルミニウムの超微粒子を生成
させるためのチャンバである。また、第２のチャンバ２
０は、この第１のチャンバで生成した超微粒子を、支持
基板９上の下部電極層５に放出することにより、微粒子
層６を形成させるためのチャンバである。
を用意する。第１のチャンバ１０は、収容したアルミニ
ウム材料１１を蒸発させるとともに酸素ガスを導入し、
表面が酸化膜で覆われたアルミニウムの超微粒子を生成
させるためのチャンバである。また、第２のチャンバ２
０は、この第１のチャンバで生成した超微粒子を、支持
基板９上の下部電極層５に放出することにより、微粒子
層６を形成させるためのチャンバである。
【００３０】第１のチャンバ１０内には、アルミニウム
材料１１を加熱するためのヒータ１２が備わっており、
電源１３からヒータ１２に電流を供給することにより、
アルミニウム材料１１の表面からアルミニウムが蒸発
し、所定の真空度に保たれたチャンバ内に充満すること
になる。チャンバ内には、ガス導入管１４によって不活
性ガスとしてのヘリウムと、酸化膜形成用の酸素ガスが
導入されている。このような環境下では、チャンバ内の
ヘリウム・酸素雰囲気中において、散在しているアルミ
ニウム原子が互いに結合して、アルミニウムの微粒子が
生成されることになり、しかもその表面は酸素ガスによ
る酸化を受けて酸化膜が形成されることになる（ガス中
蒸発法）。導入するヘリウムガスと酸素ガスとの配分率
は、適宜選択することができるが、生成される超微粒子
の酸化膜を薄くするためには、酸素の配分率を小さくす
る必要がある。この実施例では、酸素の配分率を１０％
程度としている。生成される微粒子の大きさは、チャン
バ内の真空度と、ヒータ１２の温度によって制御するこ
とができる。チャンバ内の圧力を、数１０ｍｔｏｒｒ〜
数１０００ｔｏｒｒ程度に維持すれば、アルミニウムの
超微粒子を生成することが可能であるが、最終的に製造
される微粒子層６の密度を高くするためには、５００ｔ
ｏｒｒ以上に維持しておくのが好ましい。
材料１１を加熱するためのヒータ１２が備わっており、
電源１３からヒータ１２に電流を供給することにより、
アルミニウム材料１１の表面からアルミニウムが蒸発
し、所定の真空度に保たれたチャンバ内に充満すること
になる。チャンバ内には、ガス導入管１４によって不活
性ガスとしてのヘリウムと、酸化膜形成用の酸素ガスが
導入されている。このような環境下では、チャンバ内の
ヘリウム・酸素雰囲気中において、散在しているアルミ
ニウム原子が互いに結合して、アルミニウムの微粒子が
生成されることになり、しかもその表面は酸素ガスによ
る酸化を受けて酸化膜が形成されることになる（ガス中
蒸発法）。導入するヘリウムガスと酸素ガスとの配分率
は、適宜選択することができるが、生成される超微粒子
の酸化膜を薄くするためには、酸素の配分率を小さくす
る必要がある。この実施例では、酸素の配分率を１０％
程度としている。生成される微粒子の大きさは、チャン
バ内の真空度と、ヒータ１２の温度によって制御するこ
とができる。チャンバ内の圧力を、数１０ｍｔｏｒｒ〜
数１０００ｔｏｒｒ程度に維持すれば、アルミニウムの
超微粒子を生成することが可能であるが、最終的に製造
される微粒子層６の密度を高くするためには、５００ｔ
ｏｒｒ以上に維持しておくのが好ましい。
【００３１】なお、アルミニウムは非常に酸化しやすい
金属なので、第１のチャンバ１０内には積極的に酸素ガ
スを導入する操作を行わなくてもよい。酸素ガスを積極
的に導入しなくても、チャンバ内の不活性ガス中に含ま
れる酸素や水によって、アルミニウム超微粒子の表面は
酸化を受けるからである。ただ、酸素ガスを積極的に導
入することによって、酸化膜厚を制御することができる
ので、実用上は、所定量の酸素ガスを積極的に導入する
のが好ましい。
金属なので、第１のチャンバ１０内には積極的に酸素ガ
スを導入する操作を行わなくてもよい。酸素ガスを積極
的に導入しなくても、チャンバ内の不活性ガス中に含ま
れる酸素や水によって、アルミニウム超微粒子の表面は
酸化を受けるからである。ただ、酸素ガスを積極的に導
入することによって、酸化膜厚を制御することができる
ので、実用上は、所定量の酸素ガスを積極的に導入する
のが好ましい。
【００３２】第１のチャンバ１０内で生成された酸化膜
で覆われたアルミニウムの微粒子は、移送管１５を伝わ
って第２のチャンバ２０内に送られ、ノズル２１から放
出される。第２のチャンバ２０内の圧力を、第１のチャ
ンバ１０の圧力より低くしておけば、微粒子はチャンバ
間の圧力差に基いて、自然に第２のチャンバ２０内に移
送される。この実施例では、第１のチャンバ２０の圧力
を５００ｔｏｒｒに維持するとともに、第２のチャンバ
２０の圧力を５ｔｏｒｒ程度に維持している。
で覆われたアルミニウムの微粒子は、移送管１５を伝わ
って第２のチャンバ２０内に送られ、ノズル２１から放
出される。第２のチャンバ２０内の圧力を、第１のチャ
ンバ１０の圧力より低くしておけば、微粒子はチャンバ
間の圧力差に基いて、自然に第２のチャンバ２０内に移
送される。この実施例では、第１のチャンバ２０の圧力
を５００ｔｏｒｒに維持するとともに、第２のチャンバ
２０の圧力を５ｔｏｒｒ程度に維持している。
【００３３】第２のチャンバ２０内には、移動ステージ
２２が設けられており、支持基板９は、この移動ステー
ジ２２上に固定されている。このとき、支持基板９上に
は、予め下部電極層５を形成しておく。この実施例で
は、ガラスからなる支持基板９上に、アルミニウムから
なる下部電極層５を蒸着形成している。ノズル２１から
放出された超微粒子は、支持基板９の上面に吹き付けら
れる。移動ステージ２２は、このノズル２１の吹き出し
方向に対して垂直な平面内において、支持基板９を自由
に移動させることができる。そこで、たとえば、図６に
示すように、予め形成されている下部電極層５に沿っ
て、図の矢印Ａの方向に支持基板９をゆっくりと移動さ
せながら、ノズル２１からの超微粒子を下部電極層５上
に吹き出させれば、下部電極層５上には、この矢印Ａで
示す移動軌跡に応じたパターンをもった微粒子層６を成
長させることができる。この実施例では、幅２００μ
ｍ、厚み（高さ）２０μｍ、長さ１０ｍｍ程度の寸法を
もった微粒子層６を得ている。
２２が設けられており、支持基板９は、この移動ステー
ジ２２上に固定されている。このとき、支持基板９上に
は、予め下部電極層５を形成しておく。この実施例で
は、ガラスからなる支持基板９上に、アルミニウムから
なる下部電極層５を蒸着形成している。ノズル２１から
放出された超微粒子は、支持基板９の上面に吹き付けら
れる。移動ステージ２２は、このノズル２１の吹き出し
方向に対して垂直な平面内において、支持基板９を自由
に移動させることができる。そこで、たとえば、図６に
示すように、予め形成されている下部電極層５に沿っ
て、図の矢印Ａの方向に支持基板９をゆっくりと移動さ
せながら、ノズル２１からの超微粒子を下部電極層５上
に吹き出させれば、下部電極層５上には、この矢印Ａで
示す移動軌跡に応じたパターンをもった微粒子層６を成
長させることができる。この実施例では、幅２００μ
ｍ、厚み（高さ）２０μｍ、長さ１０ｍｍ程度の寸法を
もった微粒子層６を得ている。
【００３４】上述の方法によれば、移動ステージ２２の
移動軌跡によって、任意のパターンをもった微粒子層６
を形成することができる。これは、ＭＩＭ電子源を各種
素子に利用する上では大きなメリットである。また、必
要に応じて、アルミニウムに対するエッチャントを用い
れば、微粒子層６を形成後に、エッチングプロセスによ
りパターニングを行うことも可能である。最後に、蒸着
法やスパッタリング法などにより、微粒子層６の上面
に、上部電極層７として金の薄膜層を形成すれば、この
ＭＩＭ電子源は完成である。
移動軌跡によって、任意のパターンをもった微粒子層６
を形成することができる。これは、ＭＩＭ電子源を各種
素子に利用する上では大きなメリットである。また、必
要に応じて、アルミニウムに対するエッチャントを用い
れば、微粒子層６を形成後に、エッチングプロセスによ
りパターニングを行うことも可能である。最後に、蒸着
法やスパッタリング法などにより、微粒子層６の上面
に、上部電極層７として金の薄膜層を形成すれば、この
ＭＩＭ電子源は完成である。
【００３５】以上、本発明を図示する実施例に基いて説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、この他にも種々の態様で実施可能である。たとえ
ば、上述の実施例では、絶縁性の支持基板９の上面に下
部電極層５を形成し、その上に微粒子層６を形成してい
るが、支持基板９として導電性の基板を用いれば、支持
基板９自身を下部電極層５として機能させることがで
き、別層としての下部電極層５は不要になる。ただし、
この場合、上部電極層７と支持基板９とが直接接触する
ことがないように、両層間に絶縁層を設けるなどの方法
をとる必要がある。
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、この他にも種々の態様で実施可能である。たとえ
ば、上述の実施例では、絶縁性の支持基板９の上面に下
部電極層５を形成し、その上に微粒子層６を形成してい
るが、支持基板９として導電性の基板を用いれば、支持
基板９自身を下部電極層５として機能させることがで
き、別層としての下部電極層５は不要になる。ただし、
この場合、上部電極層７と支持基板９とが直接接触する
ことがないように、両層間に絶縁層を設けるなどの方法
をとる必要がある。
【００３６】また、上述の実施例では、アルミニウム−
酸化アルミニウム−金という３層構造によってＭＩＭ接
合を得ているが、各層の構成材料はこれらのものに限定
されるものではなく、アルミニウムや金の代わりに別な
金属を用いてもかまわないし、金属以外の別な導電性材
料を用いてもかまわない。本明細書における「導電性材
料」は、半導体をも含んだ広い概念である。一方の導電
性材料として半導体を用いれば、ＭＩＳ電子源を形成す
ることができる。たとえば、第１の導電性材料として、
アルミニウムの代わりにシリコンを用い、このシリコン
の微粒子表面に酸化シリコンからなる絶縁膜を形成すれ
ば、金−酸化シリコン−シリコンという構造をもったＭ
ＩＳ電子源を構成できる。なお、第１の導電性材料とし
てシリコンを用いる場合には、第１のチャンバ１０内に
積極的に酸素の導入を行い、表面に酸化シリコン膜を形
成させるのが好ましい。また、チャンバ１０内の酸素分
率は５〜２０％程度に維持するのが好ましい。
酸化アルミニウム−金という３層構造によってＭＩＭ接
合を得ているが、各層の構成材料はこれらのものに限定
されるものではなく、アルミニウムや金の代わりに別な
金属を用いてもかまわないし、金属以外の別な導電性材
料を用いてもかまわない。本明細書における「導電性材
料」は、半導体をも含んだ広い概念である。一方の導電
性材料として半導体を用いれば、ＭＩＳ電子源を形成す
ることができる。たとえば、第１の導電性材料として、
アルミニウムの代わりにシリコンを用い、このシリコン
の微粒子表面に酸化シリコンからなる絶縁膜を形成すれ
ば、金−酸化シリコン−シリコンという構造をもったＭ
ＩＳ電子源を構成できる。なお、第１の導電性材料とし
てシリコンを用いる場合には、第１のチャンバ１０内に
積極的に酸素の導入を行い、表面に酸化シリコン膜を形
成させるのが好ましい。また、チャンバ１０内の酸素分
率は５〜２０％程度に維持するのが好ましい。
【００３７】もちろん、表面に絶縁膜が形成された金属
微粒子と、半導体材料からなる上部電極層とによってＭ
ＩＳ電子源を形成することも可能である。要するに、互
いにフェルミレベルの異なる２種類の導電性材料を用意
し、フェルミレベルの高い第１の導電性材料からなる微
粒子の表面に、トンネル効果により電子が通り抜けるこ
とが可能な厚みをもった絶縁膜を形成し、フェルミレベ
ルの低い第２の導電性材料によって上部電極層を形成す
ることができれば、個々の材料としてはどのような元素
あるいは化合物を用いてもかまわない。フェルミレベル
の差が大きいほど、安定した電子放出を得ることができ
る。ただ、安定した酸化膜を容易に形成できるという点
からは、一方の導電性材料としてアルミニウムを用いる
のが実用上は好ましい。
微粒子と、半導体材料からなる上部電極層とによってＭ
ＩＳ電子源を形成することも可能である。要するに、互
いにフェルミレベルの異なる２種類の導電性材料を用意
し、フェルミレベルの高い第１の導電性材料からなる微
粒子の表面に、トンネル効果により電子が通り抜けるこ
とが可能な厚みをもった絶縁膜を形成し、フェルミレベ
ルの低い第２の導電性材料によって上部電極層を形成す
ることができれば、個々の材料としてはどのような元素
あるいは化合物を用いてもかまわない。フェルミレベル
の差が大きいほど、安定した電子放出を得ることができ
る。ただ、安定した酸化膜を容易に形成できるという点
からは、一方の導電性材料としてアルミニウムを用いる
のが実用上は好ましい。
【００３８】また、上述の実施例では、微粒子層６を構
成する微粒子として１種類の導電性材料を用いた同一の
微粒子を用いているが、２種類以上の導電性材料を用い
て２種類以上の微粒子を用意し、これらの微粒子を混合
して微粒子層を形成するようにしてもかまわない。
成する微粒子として１種類の導電性材料を用いた同一の
微粒子を用いているが、２種類以上の導電性材料を用い
て２種類以上の微粒子を用意し、これらの微粒子を混合
して微粒子層を形成するようにしてもかまわない。
【００３９】
【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、微粒子層
および上部電極層によってＭＩＭ接合もしくはＭＩＳ接
合を実現するようにしたため、所定面内で、均一かつ安
定した電子放出が可能であり、また、製造プロセスが簡
便なＭＩＭ／ＭＩＳ電子源を実現することが可能にな
る。
および上部電極層によってＭＩＭ接合もしくはＭＩＳ接
合を実現するようにしたため、所定面内で、均一かつ安
定した電子放出が可能であり、また、製造プロセスが簡
便なＭＩＭ／ＭＩＳ電子源を実現することが可能にな
る。
【図１】従来提案されている一般的なＭＩＭ電子源と、
このＭＩＭ電子源を用いた電子素子の構成を示す断面図
である。
このＭＩＭ電子源を用いた電子素子の構成を示す断面図
である。
【図２】図１に示すＭＩＭ電子源において起こる現象を
説明するためのエネルギー準位図である。
説明するためのエネルギー準位図である。
【図３】本発明の一実施例に係るＭＩＭ電子源の基本構
成を説明するための断面図である。
成を説明するための断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係るＭＩＭ電子源の実際の
構造を示す斜視図である。
構造を示す斜視図である。
【図５】本発明に係るＭＩＭ電子源の製造方法を実施す
るための装置構成を示すブロック図である。
るための装置構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示す装置における第２のチャンバ２０内
の詳細図である。
の詳細図である。
１…アルミニウム層 ２…酸化アルミニウム層 ３…金層 ４…対向電極 ５…下部電極層 ６…微粒子層 ７…上部電極層 ８…対向電極 ９…支持基板 １０…第１のチャンバ １１…アルミニウム材料 １２…ヒータ １３…電源 １４…ガス導入管 １５…移送管 ２０…第２のチャンバ ２１…ノズル ２２…移動ステージ Ｉ１…ダイオード電流 Ｉ２…放出電流Ｉ２ Ｐ，Ｑ，Ｒ…電圧供給点 Ｖ１…印加電圧 Ｖ２…アノード電圧 φ…仕事関数
Claims (6)
- 【請求項１】 表面が絶縁層によって覆われた第１の導
電性材料からなる微粒子を多数充填することにより構成
された微粒子層と、この微粒子層の下面に形成された下
部電極層と、この微粒子層の上面に形成された上部電極
層と、を有し、 前記絶縁層はトンネル効果により電子が通り抜けること
が可能な厚みをもち、 前記上部電極層は前記第１の導電性材料とは異なる第２
の導電性材料からなり、前記第１の導電性材料と前記第
２の導電性材料とは互いにフェルミレベルが異なる金属
もしくは半導体によって構成され、前記第１の導電性材
料のフェルミレベルは、前記第２の導電性材料のフェル
ミレベルよりも高く、 前記上部電極層と前記下部電極層との間に所定の電圧を
印加したときに、両者間に電流が流れるのに十分な密度
で、前記微粒子が充填されていることを特徴とするＭＩ
Ｍ／ＭＩＳ電子源。 - 【請求項２】 請求項１に記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源
において、 第１の導電性材料としてアルミニウムを、第２の導電性
材料として金を、絶縁層として酸化アルミニウムを、そ
れぞれ用いたことを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源。 - 【請求項３】 請求項１に記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源
において、 第１の導電性材料としてシリコンを、第２の導電性材料
として金を、絶縁層として酸化シリコンを、それぞれ用
いたことを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のＭＩＭ
／ＭＩＳ電子源において、 微粒子層を構成する微粒子として、直径が１００ｎｍ以
下の超微粒子を用いたことを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ
電子源。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載のＭＩＭ
／ＭＩＳ電子源の製造方法において、 所定の支持基板上に下部電極層を形成し、 第１の導電性材料を収容する第１のチャンバと、微粒子
層を形成させるための第２のチャンバと、を用意し、 前記第１のチャンバ内で、不活性ガスおよび絶縁層の材
料ガスを導入しながら第１の導電性材料を蒸発させて微
粒子を生成し、前記第２のチャンバ内に前記支持基板を
収容し、生成した微粒子を前記第２のチャンバ内に導入
してノズルから前記支持基板上の前記下部電極層に向け
て放出することにより、前記下部電極層上に微粒子層を
形成し、 前記微粒子層上に第２の導電性材料からなる上部電極層
を形成することを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製
造方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源
の製造方法において、 第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ステー
ジを設け、この移動ステージにより支持基板を移動させ
ながら微粒子層を成長させることにより、移動軌跡に応
じたパターンの微粒子層を形成することを特徴とするＭ
ＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17137995A JP3540445B2 (ja) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Ｍｉｍ／ｍｉｓ電子源およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17137995A JP3540445B2 (ja) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Ｍｉｍ／ｍｉｓ電子源およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH097499A true JPH097499A (ja) | 1997-01-10 |
| JP3540445B2 JP3540445B2 (ja) | 2004-07-07 |
Family
ID=15922092
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17137995A Expired - Fee Related JP3540445B2 (ja) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Ｍｉｍ／ｍｉｓ電子源およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3540445B2 (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999040601A1 (fr) * | 1998-02-09 | 1999-08-12 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Dispositif emetteur d'electrons, son procede de production, et son procede d'excitation; afficheur d'images comprenant ledit emetteur d'electrons et son procede de fabrication |
| WO2001091155A1 (fr) * | 2000-05-23 | 2001-11-29 | Japan Science And Technology Corporation | Micro-canon a electrons de type a effet de taille quantique, affichage mince l'utilisant, et son procede de fabrication |
| WO2003032690A1 (fr) * | 2001-10-01 | 2003-04-17 | Japan Science And Technology Agency | Ecran a emission spontanee a l'etat solide et son procede de production |
| KR100464007B1 (ko) * | 2002-01-30 | 2005-01-03 | 엘지전자 주식회사 | 전계 방출 소자의 ｍｉｍ 에미터 및 그 제조 방법 |
| WO2009066723A1 (ja) * | 2007-11-20 | 2009-05-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置、および電子放出素子の製造方法 |
| JP2009164141A (ja) * | 2007-11-20 | 2009-07-23 | Sharp Corp | 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置、および電子放出素子の製造方法 |
| JP2010182522A (ja) * | 2009-02-05 | 2010-08-19 | Sharp Corp | 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、冷却装置、および帯電装置 |
| JP2010244738A (ja) * | 2009-04-02 | 2010-10-28 | Sharp Corp | 電子放出素子及びその製造方法 |
| CN102243961A (zh) * | 2010-03-26 | 2011-11-16 | 夏普株式会社 | 电子发射元件和用于制造该电子发射元件的方法 |
| US8110971B2 (en) | 2009-05-19 | 2012-02-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Light emitting element, light emitting device, image display device, method of driving light emitting element, and method of producing light emitting element |
| US8164247B2 (en) | 2009-05-19 | 2012-04-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element, electron emitting device, light emitting device, image display device, air blowing device, cooling device, charging device, image forming apparatus, and electron-beam curing device |
| US8249487B2 (en) | 2009-05-19 | 2012-08-21 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element, electron emitting device, charging device, image forming apparatus, electron-beam curing device, light emitting device, image display device, air blowing device, and cooling device |
| US8299700B2 (en) | 2009-02-05 | 2012-10-30 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element having an electron acceleration layer, electron emitting device, light emitting device, image display device, cooling device, and charging device |
| US8378565B2 (en) | 2009-06-25 | 2013-02-19 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element having an electron acceleration layer using fine particle layer |
| US8616931B2 (en) | 2009-02-24 | 2013-12-31 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element, electron emitting device, light emitting device, image display device, air blowing device, cooling device, charging device, image forming apparatus, electron-beam curing device, and method for producing electron emitting element |
-
1995
- 1995-06-14 JP JP17137995A patent/JP3540445B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6635979B1 (en) | 1998-02-09 | 2003-10-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Electron emitting device, method of producing the same, and method of driving the same; and image display comprising the electron emitting device and method of producing the same |
| WO1999040601A1 (fr) * | 1998-02-09 | 1999-08-12 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Dispositif emetteur d'electrons, son procede de production, et son procede d'excitation; afficheur d'images comprenant ledit emetteur d'electrons et son procede de fabrication |
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| US6661021B2 (en) | 2000-05-23 | 2003-12-09 | Japan Science And Technology Corporation | Quantum size effect type micro electron gun and flat display unit using it and method for manufacturing the same |
| US6887725B2 (en) | 2000-05-23 | 2005-05-03 | Japan Science And Technology Agency | Micro electron gun of quantum size effect type and flat display using such electron guns as well as methods of their manufacture |
| WO2003032690A1 (fr) * | 2001-10-01 | 2003-04-17 | Japan Science And Technology Agency | Ecran a emission spontanee a l'etat solide et son procede de production |
| US7053422B2 (en) | 2001-10-01 | 2006-05-30 | Japan Science And Technology Agency | Solid-state self-emission display and its production method |
| KR100464007B1 (ko) * | 2002-01-30 | 2005-01-03 | 엘지전자 주식회사 | 전계 방출 소자의 ｍｉｍ 에미터 및 그 제조 방법 |
| US8401430B2 (en) | 2007-11-20 | 2013-03-19 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element for accelerating and emitting electrons, and use of electron emitting element |
| WO2009066723A1 (ja) * | 2007-11-20 | 2009-05-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置、および電子放出素子の製造方法 |
| JP2009164141A (ja) * | 2007-11-20 | 2009-07-23 | Sharp Corp | 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置、および電子放出素子の製造方法 |
| JP2010182522A (ja) * | 2009-02-05 | 2010-08-19 | Sharp Corp | 電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、冷却装置、および帯電装置 |
| US8299700B2 (en) | 2009-02-05 | 2012-10-30 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element having an electron acceleration layer, electron emitting device, light emitting device, image display device, cooling device, and charging device |
| US8616931B2 (en) | 2009-02-24 | 2013-12-31 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element, electron emitting device, light emitting device, image display device, air blowing device, cooling device, charging device, image forming apparatus, electron-beam curing device, and method for producing electron emitting element |
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| US8164247B2 (en) | 2009-05-19 | 2012-04-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | Electron emitting element, electron emitting device, light emitting device, image display device, air blowing device, cooling device, charging device, image forming apparatus, and electron-beam curing device |
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|---|---|
| JP3540445B2 (ja) | 2004-07-07 |
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