JPH0982215A - 真空マイクロ素子 - Google Patents

真空マイクロ素子

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JPH0982215A
JPH0982215A JP23221195A JP23221195A JPH0982215A JP H0982215 A JPH0982215 A JP H0982215A JP 23221195 A JP23221195 A JP 23221195A JP 23221195 A JP23221195 A JP 23221195A JP H0982215 A JPH0982215 A JP H0982215A
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JP
Japan
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emitter
layer
porous
vacuum
conductive layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP23221195A
Other languages
English (en)
Inventor
Tadashi Sakai
忠司 酒井
Tomio Ono
富男 小野
Toshi Cho
利 張
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH0982215A publication Critical patent/JPH0982215A/ja
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  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来の真空マイクロ素子は、電子を放出するエ
ミッタが先端一点に限られており、エミッタの先端形状
が僅かでも異なってしまうと放出特性が大きく変化して
特性の急激な変化が生じるという問題があり、冗長性に
欠けていた、本発明はこの欠点を克服し、冗長性を富む
ようにした真空マイクロ素子を提供した。 【構成】本発明は先端部が相互に離間されかつ概略平坦
な包絡面を形成し、基底部は電気的に結合された導電性
を有する量子サイズの細線束エミッタと、該細線束の周
囲に電気的に絶縁を保持して配置されたゲート導電層
(3)とを有し、エミッタ開口部(5)の短半径がエミ
ッタ・ゲート金属間の最短距離と等しいかそれ以下であ
ることを特徴とする。

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冷陰極を有す
る真空マイクロ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】電界放出型の真空マイクロ素子はその高
速応答の可能性、耐放射線・耐高温特性の向上の可能
性、さらに高精細で自発発光型のディスプレイの可能性
などから、近年活発に研究開発が行われている。その、
発端となったのは1961年のK.R.Shoulde
rsの提案したトンネル効果真空トリオードの提案(M
icroelectronics using ele
ctron−beam−activated mach
ining techniques,Advances
in Computers Vol 2,p.p.1
35−293)であるが、一般的にこの分野が注目を集
めるに至ったのは同じSRI(Stanford Re
search Institute)のC.A.Spi
ndtの薄膜を用いた冷陰極の報告(J.Appl.P
hys.39,p.3504,1968)からである。
彼は回転斜め蒸着法と犠牲層エッチングによる巧妙な手
段を用いて、スピント法と呼ばれている現在までにおい
ても最も広く用いられているデバイスの作製方法と構造
の基本を提案・報告している。この方法の概略は図7に
示したように、まず、Si基板(17)に熱酸化膜(1
8)を形成し、これにゲートとなるメタル層として例え
ばMo(19)を形成し、これをパターニングして開口
部(20)を形成した後、下地の酸化膜層をエッチング
する。これに儀性層となるメタルとして例えばAl(2
1)を薄く蒸着した後に、エミッタ層を形成するメタル
として例えばMo(22)を回転斜め蒸着法で蒸着形成
する。蒸着金属は開口部の周囲にも付着するため、開口
部が次第に狭くなり、図のように、円錐型の尖端を持っ
たエミッタ層(23)が内部に形成される。最後に犠牲
層Alとともにゲート上に付着したよけいなMo層を除
去し、エミッタが完成する。しかし、この技術によると
エミッタは各開口部に1つずつしか形成できず、エミッ
タの密度を高めることは困難であった。また、回転斜め
蒸着を用いるためには基板のサイズに制約があり、大き
な素子を作るのには不向きである。また、エミッタの作
製工程に時間がかかり、しかも、個々の開口部の電子放
出はそれぞれ唯一のエミッタ先端部が損傷したり欠陥を
有していれば全く失われてしまい、欠陥を生じやすい問
題があった。このような問題は実際の応用デバイスを実
現する際に不均一や欠陥として問題を生じる原因となっ
てしまう。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述のような問題は基
本的に従来の電界放出構造においては冗長性が無いこと
は起因する。即ち、電子放出はエミッタの先端一点から
に限定されており、その放出特性は先端の形状に極めて
大きく依存している。この形状と放出特性の強い相関は
例えばUtsumiらによってFigure of m
eritとして詳しく報告されている(IEEE Tr
ans.Electron Devices ED−3
8 p.2276)。即ち、逆に言えば、素子の放出特
性は、エミッタの先端形状が僅かでも異なってしまえば
大きく変化してしまう。
【0004】本発明ではこのような放出特性に対する素
子構造の厳しい条件を緩和し、特性に対して構造の冗長
性を持たせると共に、結果的に素子全体の特性の均一性
・再現性を向上させることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、一つの
ゲートに対して極めて微細な寸法を有する多数の電子放
出尖端をほぼ平等の電子放出機会を持つように配置した
ことにある。特に、ポーラスSiを用いることによって
nmオーダーの極めて微細な尖端が相互に離間して配置
された表面を用意し、これらの細線束を囲むようにゲー
ト電極を設け、そのエミッタ束の開口部の短半径が細線
束エミッタとゲート電極間の最短距離とほぼ等しいかそ
れ以下であるように配置することによって、細線束エミ
ッタをほぼ均一に駆動でき、均等な放出を引き出すこと
ができる。さらに、望ましくはこの開口部形状が略円形
かストライプ状であり、またゲート電極がエミッタをド
ライブする最小限の領域を除いて絶縁膜で覆われてお
り、またゲート電極に加えて制御電極を積層形成してお
り、さらに、これら電極に加えてアノード電極を一体形
成することなどをもちいている。さらに、ポーラスSi
がポリSiから形成されており、このポリSi層をガラ
ス基板などSi以外の基板に形成することを手段として
用いている。また、さらに、ポーラスSi以外に細線束
をその尖端がほぼ平坦な包絡面を形成するように形成で
きる方法であればどのような方法を用いても良く、陽極
酸化多孔質アルミナ、LIGAプロセスによる高アスペ
クト比の細孔構造、多孔質セラミックなどを用いてこれ
に導電層をメッキ法などにより形成することによって細
線束を作製しても良い。
【0006】
【作用】本発明により、エミッタ電流が従来に比べて安
定し、従来の素子では避けられなかったエミッション電
流のノイズや変動を大幅におさえることができる。ま
た、エミッション電流を増大させることもできる。これ
は、電子の放出される尖端の数が実効的に増加し、しか
もそれらの多くの領域をほぼ均等に駆動することから放
出電流が増し、平均化されることによるものと考えられ
る。また、個々のエミッタ開口部からの放出特性の均一
性・再現性が向上する。すなわち、従来の素子では個々
のエミッタ開口部からの放出は必ずしも均一性が充分で
なかった。これに対して、本発明のエミッタは個々の開
口部からの放出特性の均一性が向上し、試作ロット間で
の再現性も良好であった。これは、上述のように実効的
には個々のエミッタ開口部内に多くの電子放出尖端が形
成されており、個々のエミッタ開口部内でも放出電流は
平均化されているためと考えられる。また、本発明では
ゲート電極への不要なリーク電流がおさえられ、良好な
出力効率が得られる。
【0007】
【実施例】本発明の主たる実施例を図1及び図2(図1
(f)の拡大上面図と断面図)に示す。以下図に従って
作製方法を説明する。まず、n型不純物を高濃度ドープ
したSi基板(1)を熱酸化し、表面に厚さ1.5μm
の熱酸化膜(2)を形成する(図1a)。次に全面にゲ
ート導電層(3)としてMoを厚さ0.2μmスパッタ
形成(図1c)し、さらにこの上にSiN膜(4)を厚
さ1.0μmCVD法により積層(図1d)した。
【0008】次に、これに直径2μmの円形の開口部を
有するアレイパターンのフォトレジストマスクを形成
し、RIE、フッ化アンモンエッチングを用いて積層膜
を順次エッチングし、図1(e)の如くSi表面を露出
(エミッタ開口部(5))させた。次にこれをフッ酸中
で陽極化成することによって図1dの如く表面をポーラ
ス化(5)した。陽極化成はフッ酸+エタノール(2:
3)中で光を照射しながらまたは暗中で行った。電流密
度は20mA/cm2 とし、化成時間は1〜10秒とし
た。エミッタの先端部の形状のみが先鋭化すれば良く、
化成厚みは50nm以上あれば十分である。このように
して得られた素子はゲート電圧印加20V以上、アノー
ド電圧印加200V(アノードエミッタ表面距離30μ
m)で1開口部あたり1μA以上のアノード電流を示
し、ゲートへのリーク電流はほぼゼロであった。
【0009】図3にストライプ状の開口部形状(7)を
有する実施例を示す。開口部の幅は2μm、ゲート絶縁
膜(2)の厚みは1.5μmである。また、ゲート導電
層のラインは各々アドレッシング可能であり、各々のエ
ミッタラインを独立に駆動可能である。
【0010】図4はゲート導電層(3)に加えてさらに
絶縁層(2a)を介して制御電極層(9)を設けた例で
あり、制御電極層(9)面をエミッタに対して負電位と
することによって放出した電子が素子の主面に捕らえら
れることを防ぎ、アノード(図示せず)への電子の捕集
効率を向上させることができる。
【0011】図5はガラス基板(10)上にMo電極層
(11)を介して形成したポリSi層(12)をベース
にしてエミッタを形成した実施例である。図示はしてい
ないが、導電層・ポリSi層をストライプ状にパターニ
ングし、エミッタ開口ストライプをこれに直交するよう
に形成することによってアドレッシング可能なアレイを
形成することができる。また、ガラス基板上に形成する
ことにより、Siウェーハのサイズの制約を取り除き、
より大型のデバイスを実現できる。これにより、大型デ
ィスプレイなどを実現することが可能になる。さらに、
本実施例ではアノード電極層(13)を一体に形成して
いる。電極上にガラス層を積層し、エミッタ開口部を真
空に引いた上で上にアノードを形成する金属層を静電装
着している。図6のようにこの金属層に換えて、透明電
極と蛍光体層を形成した透明ガラス基板を接着して発行
素子とすることもできる。さらに、ポーラスSi以外に
細線束をその尖端がほぼ平坦な包絡面を形成するように
形成できる方法であればどのような方法を用いても良
く、陽極酸化多孔質アルミナ、LIGAプロセスによる
高アスペクト比の細孔構造、多孔質セラミックなどを用
いてこれに導電層をメッキ法などにより形成することに
よって細線束を作成しても良い。
【0012】
【発明の効果】以上のように、本発明を用いることによ
って簡単なプロセスで、均一で再現性の良い放出特性を
有する真空マイクロ素子を得ることができる。また、個
々のエミッタの唯一の尖端に依存することなく、多数の
尖端からの平均的な放出によるため、エミッタ開口部内
に多少の表面損傷やプロセス欠陥があっても細線束内の
他の領域がこれを補って働き、そのエミッタ開口部から
の放出が確保される効果、即ち構造・プロセスに対する
冗長性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するための断面図。
【図2】図1fの拡大断面図及び上面図。
【図3】本発明素子のストライプ状の開口部形状を有す
るエミッタの実施例。
【図4】本発明素子の制御電極を設けた実施例を示す断
面図。
【図5】本発明におけるガラス基板上に形成したポリS
iに形成し、アノード電極を一体形成した実施例を示す
図。
【図6】本発明素子の透明電極を形成したガラスをアノ
ードとして接着した実施例示す図。
【図7】スピント法による従来の電界放出素子の作製方
法と構造を示す図。
【符号の説明】
1…n型Si基板 2…熱酸化膜 3…Moゲート金属層 4…SiN絶縁膜 5…エミッタ開口部 6…ポーラスSi層 7…ストライプ状エミッタ開口部 8…ストライプ状ゲート導電層 9…制御電極層 10…ガラス基板 11…Mo電極層 12…ポリSi層 13…アノード金属層 14…ガラスアノード基板 15…透明電極 16…蛍光体層

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】先端部が相互に離間され略平坦な包絡面を
    有し、基底部は電気的に結合された導電性を有する量子
    サイズの細線束エミッタと、該細線束の周囲に電気的に
    絶縁を保持して配置されたゲート導電層とを有し、エミ
    ッタ開口部の短半径がエミッタ表面からゲート導電層ま
    での最短距離と等しいかそれ以下であることを特徴とし
    た真空マイクロ素子。
  2. 【請求項2】細線束がポーラスSiからなることを特徴
    とする請求項1記載の真空マイクロ素子。
  3. 【請求項3】エミッタ開口部が略円形または幅に対して
    長さが著しく長いストライプ状であることを特徴とする
    請求項1記載の真空マイクロ素子。
  4. 【請求項4】ゲート導電層の基板主面方向の表面が絶縁
    層で覆われていることを特徴とする請求項1記載の真空
    マイクロ素子。
  5. 【請求項5】ゲート導電層に加えて制御電極層が絶縁層
    を介して積層形成されていることを特徴とする請求項1
    記載の真空マイクロ素子。
  6. 【請求項6】エミッタから放出電子を受けるアノード電
    極層がエミッタ形成面から離間して一体形成されている
    ことを特徴とする請求項1記載の真空マイクロ素子。
  7. 【請求項7】ポーラスSiが高濃度にn型不純物を含む
    Siから形成されていることを特徴とする請求項2記載
    の真空マイクロ素子。
  8. 【請求項8】ポーラスSiがポリSi層から形成されて
    いることを特徴とする請求項2記載の真空マイクロ素
    子。
  9. 【請求項9】ポリSi層はガラス基板上に導電層を介し
    て形成されていることを特徴とする請求項8記載の真空
    マイクロ素子。
  10. 【請求項10】細線束がポーラスSi、細孔構造のアク
    リル陽極酸化多孔質アルミナ或いは多孔質セラミックに
    導電性材料を充填形成し、その後ポーラス層,細孔層或
    いは多孔層を除去して形成されたものであることを特徴
    とする請求項1記載の真空マイクロ素子。
  11. 【請求項11】導電層が電解メッキ,無電解メッキ,有
    機金属熱分解法,圧力注入,圧力鋳造或いは電解重合に
    よって形成されたものであることを特徴とする請求項1
    0記載の真空マイクロ素子。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1089310A2 (en) * 1999-09-30 2001-04-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Field emission device
JP2003016921A (ja) * 2000-09-20 2003-01-17 Canon Inc 構造体、電子放出素子、画像形成装置およびそれらの製造方法

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