JPH1040805A - Cold-cathode element and its manufacture - Google Patents

Cold-cathode element and its manufacture

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Publication number
JPH1040805A
JPH1040805A JP20876696A JP20876696A JPH1040805A JP H1040805 A JPH1040805 A JP H1040805A JP 20876696 A JP20876696 A JP 20876696A JP 20876696 A JP20876696 A JP 20876696A JP H1040805 A JPH1040805 A JP H1040805A
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JP
Japan
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cold cathode
conductive layer
diamond
cold
cathode device
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Application number
JP20876696A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Deguchi
正洋 出口
Makoto Kitahata
真 北畠
Hideo Kurokawa
英雄 黒川
Tetsuya Shiratori
哲也 白鳥
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold-cathode element for the efficient generation of electron beams by constituting a cold-cathode part which includes a structure designed to serve as several electron emission sources. SOLUTION: This cold-cathode element comprises a conductive layer 2, a cold-cathode part 3 formed thereon, and a gate electrode 3 for taking electrons out of the cold-cathode part 3. In this case, the cold-cathode part 3 includes a structure designed to serve as several electron emission sources. By introducing a process of distributing granular diamonds having an average grain diameter, not greater than about 0.2μm over the conductive layer 2, or a process of implanting granular diamonds having an average grain diameter not greater than about 0.2μm into the conductive layer 2, diamonds highly suitable for cold-cathode material can be arranged on the conductive layer 2 or the surface layer thereof so as to be easily reproduced, in the form of minute grains or its aggregate to provide a structure, designed to serve as electron emission sources. Thus, it is possible to simply produce a highly efficient cold-cathode element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線を放出する
冷陰極素子に関し、特に粒子状のダイヤモンドを電子放
出源として有する冷陰極部分で構成される冷陰極素子及
びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode device which emits an electron beam, and more particularly to a cold cathode device comprising a cold cathode portion having particulate diamond as an electron emission source and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】高精細な薄型ディスプレィ用の電子銃に
代わる電子線源や、高速動作が可能な微小真空デバイス
のエミッター部分として、ミクロンサイズの微小電子放
出素子が注目されている。電子放出素子としては、従
来、高温に加熱されたタングステン(W)等の材料に数
キロボルト以上の電圧をかける熱放出型のものが用いら
れていたが、近年高温に加熱する必要が無く、低電圧で
も電子を放出することが可能である冷陰極型の電子放出
素子が、低消費電力化の意味からも盛んに研究開発がな
されている。
2. Description of the Related Art Micron-sized micro-electron-emitting devices have attracted attention as an electron beam source in place of an electron gun for a high-definition thin display or as an emitter of a micro vacuum device capable of high-speed operation. Conventionally, as the electron-emitting device, a heat-emitting device that applies a voltage of several kilovolts or more to a material such as tungsten (W) heated to a high temperature has been used. 2. Description of the Related Art Cold cathode electron-emitting devices capable of emitting electrons even at a high voltage have been actively researched and developed from the viewpoint of low power consumption.

【0003】このような冷陰極素子のタイプとしては様
々なものがあるが、一般的には電界放出型のものや、p
n及びショットキー接合を用いたアバランシェ増幅型の
ものなどが報告されている。電界放出型の冷陰極素子
は、ゲート電極に電圧をかけて冷陰極部分に電界を印加
することにより、シリコン(Si)やモリブデン(Mo)な
どの高融点金属などで作製されたコーン状の先端部分か
ら電子を放出させるものであり、微細加工技術を用いる
ことによって小型化、集積化を図ることができるなどの
特徴を有している。また半導体材料を用いたアバランシ
ェ増幅型のものは、pn及びショットキー接合部分に逆
バイアス電圧を印加してアバランシェ増幅を起こすこと
により、電子をホット化し、エミッター部分より電子を
放出させるものである。
[0003] There are various types of such cold cathode devices, but in general, field emission type devices and p-type devices are known.
An avalanche amplification type using n and Schottky junctions has been reported. A field emission type cold cathode device is a cone-shaped tip made of high melting point metal such as silicon (Si) or molybdenum (Mo) by applying a voltage to the gate electrode and applying an electric field to the cold cathode. It emits electrons from a part, and has features such as downsizing and integration by using microfabrication technology. In the avalanche amplification type using a semiconductor material, a reverse bias voltage is applied to a pn and a Schottky junction to cause avalanche amplification, so that electrons are hot and electrons are emitted from an emitter.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般的に冷陰極素子と
して要求される特性は、低電力で電子放出が可能である
と共に、得られる電流の安定性が良いことなどが挙げら
れる。そのためには、主として電子放出源である冷陰極
部分の構造や用いる材料をうまく選択する必要がある。
The characteristics generally required for a cold cathode device include the fact that electrons can be emitted with low power and the obtained current has good stability. For that purpose, it is necessary to properly select the structure of the cold cathode portion, which is mainly an electron emission source, and the material to be used.

【0005】これまで作製された電界放出型冷陰極素子
の電子放出部分の構造は、スピント型と呼ばれる単一の
鋭い突起部を有するコーン状のものであり、得られる電
子放出量はその先端形状に大きく依存していた。また冷
陰極素子に用いれれる材料としては、(1)比較的小さ
な電界で電子を放出し易いこと、すなわちその物質の電
子親和力が小さいこと、(2)安定な電子放出特性を維
持するために、エミッター部表面が化学的に安定なこ
と、(3)耐摩耗性や耐熱性に優れていることなどがあ
るが、従来材料ではこれらの要件を全て満たすようなも
のはなかった。すなわち、以上のような観点で従来技術
をみた場合、電界放出型素子は放出電流量のエミッター
部形状依存性が大きく、その作製、制御が非常に困難で
あると共に、用いられている材料の表面安定性の点で課
題があった。またこの方式では、個々の素子は電界の集
中するコーン状の先端部分からの点の電子放出源であ
り、大電流を取り出すことの出来る面状の電子放出流を
得ることは困難であった。
The structure of the electron emission portion of the field emission type cold cathode device manufactured so far has a cone shape having a single sharp projection called a Spindt type. Heavily relied on. Materials used for the cold cathode device include (1) easy emission of electrons in a relatively small electric field, that is, low electron affinity of the substance, and (2) maintenance of stable electron emission characteristics. Although the emitter surface is chemically stable and (3) it is excellent in wear resistance and heat resistance, none of the conventional materials satisfy all of these requirements. In other words, when the prior art is viewed from the above viewpoints, the field emission device has a large dependence of the emission current on the shape of the emitter portion, making it very difficult to manufacture and control the device. There were issues in terms of stability. Further, in this method, each element is an electron emission source at a point from the cone-shaped tip portion where the electric field is concentrated, and it is difficult to obtain a planar electron emission flow from which a large current can be taken out.

【0006】またアバランシェ増幅型冷陰極素子は、一
般的に非常に大きな電流量を素子に印加する必要がある
ので素子の発熱が起こり、そのため電子放出特性が不安
定になったり素子寿命が短くなったりするといった問題
点があった。またアバランシェ増幅型ではエミッター部
表面にセシウム層等を設けることによって電子放出部分
の仕事関数量を小さくしているが、セシウム等の仕事関
数が小さい材料は化学的に不安定であるため表面状態が
安定でない、すなわち電子放出特性が安定でないといっ
た問題点もあった。以上のようにこれまで用いられてき
た材料および構造は、電子放出素子に要求される特性を
十分に満たすものではなかった。
Further, avalanche-amplified cold cathode devices generally need to apply a very large amount of current to the device, so that the device generates heat, which causes unstable electron emission characteristics and shortens the life of the device. There was a problem that In the avalanche amplification type, the work function amount of the electron emission portion is reduced by providing a cesium layer or the like on the surface of the emitter, but a material having a small work function such as cesium has a chemically unstable surface state. There is also a problem that it is not stable, that is, the electron emission characteristics are not stable. As described above, the materials and structures used so far do not sufficiently satisfy the characteristics required for the electron-emitting device.

【0007】そこで本発明は、従来技術における前記課
題を解決するため、冷陰極部分が複数個の電子放出源と
なりうる構造を含んだ構成であることにより、効率的に
電子線を放出する冷陰極素子を提供することを目的とす
る。
In order to solve the above-mentioned problems in the prior art, the present invention has a structure in which a cold cathode portion includes a structure that can serve as a plurality of electron emission sources, so that the cold cathode efficiently emits an electron beam. It is intended to provide an element.

【0008】また本発明は、導電層と冷陰極部分から電
子を引き出すためのゲート電極との距離が0.5μm以
下、あるいは冷陰極部分の開口部の面積が2×10-9cm2
下である構成を含むことにより、微細で高効率な冷陰極
素子を提供することを目的とする。
In the present invention, the distance between the conductive layer and the gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion is 0.5 μm or less, or the area of the opening of the cold cathode portion is 2 × 10 −9 cm 2 or less. It is an object of the present invention to provide a fine and highly efficient cold cathode device by including the configuration.

【0009】また本発明方法は、平均粒径が0.2μm以
下の粒子状のダイヤモンドを導電層上に分布させる工
程、あるいは平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤ
モンドを前記導電層に埋め込ませる工程を含むことによ
り、容易に効率的に電子線を放出する冷陰極素子を作製
することができる方法を提供することを目的とする。
In the method of the present invention, diamond particles having an average particle diameter of 0.2 μm or less are distributed on the conductive layer, or the diamond particles having an average particle diameter of 0.2 μm or less are embedded in the conductive layer. It is an object of the present invention to provide a method for easily manufacturing a cold cathode device that efficiently emits an electron beam by including a step.

【0010】また本発明方法は、冷陰極部分に配置され
る粒子状ダイヤモンドを有した高効率電子放出素子を作
製する際に重要な作製プロセス、並びに粒子状ダイヤモ
ンドの表面状態制御を容易にかつ合理的に行なう方法を
提供することを目的とする。
In addition, the method of the present invention makes it possible to easily and rationally control a manufacturing process important for manufacturing a high-efficiency electron-emitting device having a particulate diamond disposed in a cold cathode portion, and a surface state control of the particulate diamond. It is intended to provide a method for performing the method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る冷陰極素子の構成は、導電層と、前記
導電層上に形成された冷陰極部分と、前記冷陰極部分か
ら電子を引き出すためのゲート電極とを備えた冷陰極素
子であって、前記冷陰極部分が複数個の電子放出源とな
りうる構造を含んだ構成であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a cold cathode device according to the present invention comprises a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and an electron beam from the cold cathode portion. A cold cathode element provided with a gate electrode for extracting the electrons, wherein the cold cathode portion has a structure including a structure that can serve as a plurality of electron emission sources.

【0012】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の構成は、導電層と、前記導電層上に形成
された冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出
すためのゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、複
数個の電子放出源となりうる構造を含んだ冷陰極部分
と、引き出された電子の軌道を制御する絞り電極とを含
んだ構成であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a cold cathode device according to the present invention comprises a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate for extracting electrons from the cold cathode portion. A cold cathode device comprising an electrode and a structure including a cold cathode portion including a structure that can serve as a plurality of electron emission sources, and a diaphragm electrode for controlling the trajectory of the extracted electrons. And

【0013】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される複数個の電子放出源となりうる構
造が、導電層上に配置されていることが好ましい。
Further, in the present invention, in the above-mentioned element structure, it is preferable that a structure which can be a plurality of electron emission sources arranged in the cold cathode portion is arranged on the conductive layer.

【0014】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される複数個の電子放出源となりうる構
造が、導電層表層に埋め込まれて配置されていることが
好ましい。
Further, in the present invention, it is preferable that in the device structure, a structure which can be a plurality of electron emission sources arranged in the cold cathode portion is embedded in the surface layer of the conductive layer.

【0015】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される複数個の電子放出源となりうる構
造を配置する導電層が、平坦であることが好ましい。
Further, in the present invention, in the above-mentioned element structure, it is preferable that a conductive layer on which a plurality of structures capable of serving as an electron emission source are arranged in the cold cathode portion is flat.

【0016】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される複数個の電子放出源となりうる構
造が、孤立していることが好ましい。
Further, in the present invention, it is preferable that in the device structure, a structure that can be a plurality of electron emission sources disposed in the cold cathode portion is isolated.

【0017】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される複数個の電子放出源となりうる構
造が、粒子状あるいは粒子の凝集体であることが好まし
い。
Further, in the present invention, it is preferable that in the device configuration, the structure that can be a plurality of electron emission sources disposed in the cold cathode portion is a particle or an aggregate of particles.

【0018】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される粒子の平均粒径が、0.2μm以下
であることが好ましい。さらに好ましくは、粒子の平均
粒径が、0.05μm以下である。
Further, in the present invention, in the above-mentioned element structure, it is preferable that the average particle diameter of the particles arranged in the cold cathode portion is 0.2 μm or less. More preferably, the average particle size of the particles is 0.05 μm or less.

【0019】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される粒子あるいは粒子の凝集体の分布
密度が、少なくとも1平方センチメートル当たり1×10
10個以上であることが好ましい。さらに好ましくは、粒
子あるいは粒子の凝集体の分布密度が、1平方センチメ
ートル当たり1×1011個以上である。
Further, according to the present invention, in the above-mentioned element structure, the distribution density of particles or aggregates of particles arranged in the cold cathode portion is at least 1 × 10 3 per square centimeter.
The number is preferably 10 or more. More preferably, the distribution density of particles or agglomerates of particles is 1 × 10 11 or more per square centimeter.

【0020】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置される複数個の電子放出源となりうる構
造が、ダイヤモンドからなることが好ましい。
In the present invention, it is preferable that in the device structure, a structure that can be a plurality of electron emission sources disposed in the cold cathode portion is made of diamond.

【0021】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置されたダイヤモンドの表面が、例えばセ
シウム(Cs)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、タング
ステン(W)、水素(H)、アモルファスカーボン等で
被覆された構成を含むことが好ましい。
According to the present invention, in the above-mentioned device structure, the surface of the diamond disposed on the cold cathode portion may be, for example, cesium (Cs), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W), hydrogen (H). It is preferable to include a configuration coated with amorphous carbon or the like.

【0022】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置されたダイヤモンドの表面を被覆してい
る物質の付着原子密度が、1平方センチメートル当たり
1×1017個以下であることが好ましい。さらに好ましく
は、被覆物質の付着原子密度が、1平方センチメートル
当たり1×1016個以下である。
According to the present invention, in the above-mentioned element structure, it is preferable that a substance covering a surface of the diamond disposed on the cold cathode portion has an attached atom density of 1 × 10 17 or less per square centimeter. More preferably, the coating material has an attached atom density of 1 × 10 16 or less per square centimeter.

【0023】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置されたダイヤモンドの最表面の炭素原子
が、水素原子との結合によって終端された構造を含むこ
とが好ましい。
Further, the present invention preferably has a structure in which the carbon atoms on the outermost surface of the diamond arranged in the cold cathode portion are terminated by bonding with hydrogen atoms in the above-mentioned element structure.

【0024】また本発明は、前記素子構成において、冷
陰極部分に配置されたダイヤモンドの最表面の炭素原子
と結合した水素原子の量が、1平方センチメートル当た
り1×1015個以上であることが好ましい。さらに好まし
くは、ダイヤモンドの最表面の炭素原子と結合した水素
の量が、2×1015個/cm2以上である。
Further, in the present invention, in the above-mentioned device configuration, the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of the diamond arranged in the cold cathode portion is preferably 1 × 10 15 or more per square centimeter. . More preferably, the amount of hydrogen bonded to carbon atoms on the outermost surface of diamond is 2 × 10 15 atoms / cm 2 or more.

【0025】また本発明は、前記素子構成において、導
電層が少なくとも半導体層を1層以上含む多層構造であ
ることが好ましい。
Further, according to the present invention, in the above-mentioned element structure, it is preferable that the conductive layer has a multilayer structure including at least one semiconductor layer.

【0026】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の構成は、導電層と、前記導電層上に形成
された冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出
すためのゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、前
記導電層と前記ゲート電極間の距離が0.5μm以下であ
る構成を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a cold cathode device according to the present invention comprises a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate for extracting electrons from the cold cathode portion. A cold cathode device including an electrode, wherein a distance between the conductive layer and the gate electrode is 0.5 μm or less.

【0027】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の構成は、導電層と、前記導電層上に形成
された冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出
すためのゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、前
記冷陰極部分の開口部の面積が2×10-9cm2以下である構
成を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a cold cathode device according to the present invention comprises a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate for extracting electrons from the cold cathode portion. A cold cathode element comprising an electrode and an opening area of the cold cathode portion is 2 × 10 −9 cm 2 or less.

【0028】また前記目的を達成するため、本発明に係
る導電層と、前記導電層上に形成された冷陰極部分と、
前記冷陰極部分から電子を引き出すためのゲート電極と
を備えた冷陰極素子の製造方法は、平均粒径が0.2μm
以下の粒子状のダイヤモンドを前記導電層上に分布させ
る工程を含むことを特徴とする。
Further, in order to achieve the above object, a conductive layer according to the present invention, a cold cathode portion formed on the conductive layer,
A method of manufacturing a cold cathode device including a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion has an average particle size of 0.2 μm
The method includes a step of distributing the following particulate diamond on the conductive layer.

【0029】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、平均粒径が0.2μm以下の
粒子状のダイヤモンドを前記導電層上に分布させる工程
と、前記粒子状のダイヤモンドの上にダイヤモンド層を
成長させる工程とを含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a cold cathode device according to the present invention comprises a step of distributing a diamond having an average particle diameter of 0.2 μm or less on the conductive layer; Growing a diamond layer on the diamond.

【0030】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、平均粒径が0.2μm以下の
粒子状のダイヤモンドを前記導電層に埋め込ませる工程
を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a cold cathode device according to the present invention includes a step of embedding particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less in the conductive layer. .

【0031】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、平均粒径が0.2μm以下の
粒子状のダイヤモンドを前記導電層に埋め込ませる工程
と、前記粒子状のダイヤモンドの上にダイヤモンド層を
成長させる工程とを含むことを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cold cathode device, comprising the steps of: embedding particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less in the conductive layer; Growing a diamond layer on the substrate.

【0032】また本発明は、前記製造方法において、粒
子状のダイヤモンド上にダイヤモンド層を成長させる工
程が、気相合成法であることが好ましい。
In the present invention, it is preferable that the step of growing a diamond layer on the particulate diamond is a vapor phase synthesis method.

【0033】また本発明は、前記製造方法において、導
電層上あるいは導電層表層に粒子状ダイヤモンドを配置
させる工程が、基材上の一部の領域に絶縁体層を形成す
る工程の後であることが好ましい。
In the present invention, the step of arranging the particulate diamond on the conductive layer or the surface of the conductive layer may be performed after the step of forming the insulator layer in a partial region on the base material. Is preferred.

【0034】また本発明は、前記製造方法において、導
電層上あるいは導電層表層に粒子状ダイヤモンドを配置
させる工程が、ゲート電極を形成する工程の後であるこ
とが好ましい。
In the present invention, the step of disposing the particulate diamond on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is preferably performed after the step of forming the gate electrode.

【0035】また本発明は、前記製造方法において、導
電層上あるいは導電層表層への粒子状ダイヤモンドの配
置方法が、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモ
ンドを分散させた溶液を基材に塗布することが好まし
い。さらに好ましくは用いる粒子状ダイヤモンドの平均
粒径が0.05μm以下である。
Further, in the present invention, in the above-mentioned production method, the method for arranging the particulate diamond on the conductive layer or on the surface of the conductive layer may be such that a solution in which particulate diamond having an average particle diameter of 0.2 μm or less is dispersed is used as a base material. It is preferably applied to More preferably, the average particle size of the particulate diamond used is 0.05 μm or less.

【0036】また本発明は、前記製造方法において、導
電層上あるいは導電層表層への粒子状ダイヤモンドの配
置方法が、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモ
ンドを分散させた溶液中に基材を設置し、前記溶液に超
音波振動を印加することが好ましい。さらに好ましくは
用いる粒子状ダイヤモンドの平均粒径が0.05μm以下で
ある。
[0036] In the present invention, the method for arranging the particulate diamond on the conductive layer or on the surface of the conductive layer may be based on a solution in which particulate diamond having an average particle diameter of 0.2 μm or less is dispersed. It is preferable to install a material and apply ultrasonic vibration to the solution. More preferably, the average particle size of the particulate diamond used is 0.05 μm or less.

【0037】また本発明は、前記製造方法において、導
電層上あるいは導電層表層への粒子状ダイヤモンドの配
置方法が、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモ
ンドを分散させた溶液中に基材を設置し、前記基材の導
電部と溶液を入れた容器との間、あるいは前記基材の導
電部と溶液中に設置された電極との間に電圧を印加する
ことが好ましい。さらに好ましくは用いる粒子状ダイヤ
モンドの平均粒径が0.05μm以下である。
Further, in the present invention, in the above-mentioned manufacturing method, the method of arranging the particulate diamond on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is preferably a method in which a particulate diamond having an average particle diameter of 0.2 μm or less is dispersed in a solution. It is preferable that a material is installed and a voltage is applied between the conductive part of the base material and the container containing the solution, or between the conductive part of the base material and the electrode provided in the solution. More preferably, the average particle size of the particulate diamond used is 0.05 μm or less.

【0038】また本発明は、前記製造方法において、基
材を設置する溶液中に分散させた粒子状のダイヤモンド
の量が、溶液1リットル当たり0.01g以上、100g以下
であることが好ましい。
According to the present invention, in the above-mentioned production method, the amount of the particulate diamond dispersed in the solution in which the substrate is provided is preferably 0.01 g or more and 100 g or less per liter of the solution.

【0039】さらに好ましくは、粒子状ダイヤモンドの
量が溶液1リットル当たり0.1g以上、20g以下であ
る。
More preferably, the amount of the particulate diamond is from 0.1 g to 20 g per liter of the solution.

【0040】また本発明は、前記製造方法において、基
材を設置する溶液中に分散させた粒子状のダイヤモンド
の数が、溶液1リットル当たり1×1016個以上、1×10
20個以下であることが好ましい。さらに好ましくは、溶
液中に分散させた粒子状ダイヤモンドの数が溶液1リッ
トル当たり1×1017個以上、1×1019個以下である。
Further, according to the present invention, in the above-mentioned production method, the number of particulate diamonds dispersed in the solution in which the base material is placed is 1 × 10 16 or more per 1 liter of the solution.
The number is preferably 20 or less. More preferably, the number of particulate diamonds dispersed in the solution is 1 × 10 17 or more and 1 × 10 19 or less per liter of the solution.

【0041】また本発明は、前記製造方法において、基
材を設置する溶液が、水あるいはアルコールを主成分と
することが好ましい。
Further, in the present invention, in the above-mentioned production method, it is preferable that the solution in which the base material is placed contains water or alcohol as a main component.

【0042】また本発明は、前記製造方法において、基
材を設置する溶液が、少なくともフッ素(F)を構成元
素とした化合物を含むことが好ましい。さらに好ましく
は、フッ素(F)を構成元素とした化合物が、フッ化水
素酸、あるいはフッ化アンモニウムである。
According to the present invention, in the above-mentioned production method, it is preferable that the solution in which the base material is provided contains at least a compound containing fluorine (F) as a constituent element. More preferably, the compound containing fluorine (F) as a constituent element is hydrofluoric acid or ammonium fluoride.

【0043】また本発明は、前記製造方法において、導
電層上あるいは導電層表層に配置された粒子状ダイヤモ
ンドの分布密度が、1平方センチメートル当たり1×10
10個以上であることが好ましい。さらに好ましくは、分
布密度が1平方センチメートル当たり1×1011個以上で
ある。
Further, according to the present invention, in the above-mentioned manufacturing method, the distribution density of the particulate diamond disposed on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is 1 × 10 3 / cm 2.
The number is preferably 10 or more. More preferably, the distribution density is 1 × 10 11 or more per square centimeter.

【0044】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、冷陰極部分に配置された粒
子状ダイヤモンドの所定の領域に波長が200nm以下の
真空紫外光を照射する工程を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a cold cathode device according to the present invention includes a step of irradiating a predetermined region of the particulate diamond arranged in the cold cathode portion with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less. It is characterized by including.

【0045】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、冷陰極部分に配置された粒
子状ダイヤモンドの所定の領域を少なくとも水素を含む
ガスを放電分解して得られるプラズマに晒す工程を有す
ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a cold cathode device according to the present invention is obtained by subjecting a predetermined region of particulate diamond arranged in a cold cathode portion to discharge decomposition of a gas containing at least hydrogen. A step of exposing to plasma.

【0046】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、冷陰極部分に配置された粒
子状ダイヤモンドを少なくとも水素を含むガスに晒す工
程を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a cold cathode device according to the present invention is characterized in that the method includes a step of exposing particulate diamond arranged in a cold cathode portion to a gas containing at least hydrogen.

【0047】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、冷陰極部分に配置された粒
子状ダイヤモンドの所定の領域を少なくとも酸素を含む
ガスを放電分解して得られるプラズマに晒す工程を有す
ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a cold cathode device according to the present invention is obtained by subjecting a predetermined region of particulate diamond arranged in a cold cathode portion to discharge decomposition of a gas containing at least oxygen. A step of exposing to plasma.

【0048】また前記目的を達成するため、本発明に係
る冷陰極素子の製造方法は、冷陰極部分に配置された粒
子状ダイヤモンドを少なくとも酸素を含むガスに晒す工
程を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a cold cathode device according to the present invention is characterized in that the method includes a step of exposing particulate diamond disposed at the cold cathode portion to a gas containing at least oxygen.

【0049】本発明の構成によれば、導電層と、前記導
電層上に形成された冷陰極部分と、前記冷陰極部分から
電子を引き出すためのゲート電極とを備えた冷陰極素子
であって、前記冷陰極部分が複数個の電子放出源となり
うる構造を含んだ構成であることを特徴とするため、以
下のような作用を奏することができる。
According to the structure of the present invention, there is provided a cold cathode device including a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion. Since the cold cathode portion has a structure including a plurality of electron emission sources, the following effects can be obtained.

【0050】[0050]

【発明の実施の形態】図1は本発明にかかる冷陰極素子
の基本的な構造を示す断面図である。図1に示すよう
に、本冷陰極素子は、主な構成部分として基材1と、カ
ソード側の電極となる導電層2と、冷陰極部分3と、絶
縁体層4と、冷陰極部分から電子を引き出すためのゲー
ト電極5とを有している。ここで、冷陰極部分3は複数
個の電子放出源となりうる構造6から構成されている。
図4に電子放出源となる構造の表面の顕微鏡写真による
構造図を示す。
FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a cold cathode device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the present cold cathode device includes, as main components, a base material 1, a conductive layer 2 serving as a cathode-side electrode, a cold cathode portion 3, an insulator layer 4, and a cold cathode portion. A gate electrode 5 for extracting electrons. Here, the cold cathode portion 3 is composed of a structure 6 that can be a plurality of electron emission sources.
FIG. 4 shows a structural diagram by a micrograph of the surface of the structure serving as an electron emission source.

【0051】図2は比較例として、同様の構成部分から
なる冷陰極素子の従来構造(スピント型)を示したもの
である。
FIG. 2 shows, as a comparative example, a conventional structure (Spindt type) of a cold cathode device having similar components.

【0052】いずれの構造においても、基材1、導電層
2、絶縁体層4、ゲート電極5に用いられる材料および
形成方法は共通であり、特に限定されるものではない。
例えば、基材1の材質としては、ガラスやシリコンなど
が一般的である。また導電層2は、冷陰極部分3に電子
を供給する下部電極層として作用するものであり、通常
の金属層、低抵抗層のみの構成でも良いし、冷陰極層3
に供給する電流制御を目的とした抵抗体層と金属層、あ
るいは低抵抗層との積層構造でも良い。
In any structure, the materials and forming methods used for the base 1, the conductive layer 2, the insulator layer 4, and the gate electrode 5 are common, and are not particularly limited.
For example, the material of the substrate 1 is generally glass or silicon. The conductive layer 2 functions as a lower electrode layer for supplying electrons to the cold cathode portion 3, and may be composed of only a normal metal layer and a low resistance layer,
May be a laminated structure of a resistor layer and a metal layer or a low resistance layer for the purpose of controlling the current supplied to the substrate.

【0053】また基材そのものが導電性の場合は、省略
することも可能である。絶縁体層4は冷陰極部分3とゲ
ート電極5を電気的に分離するためのものであり、一般
的には二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜が用いられ
る。ゲート電極5としては、一般的にモリブデン(Mo)
やアルミニウム(Al)などの金属が用いられる。
When the base material itself is conductive, it can be omitted. The insulator layer 4 is for electrically separating the cold cathode portion 3 from the gate electrode 5, and is generally made of a silicon dioxide film or a silicon nitride film. The gate electrode 5 is generally made of molybdenum (Mo)
Or a metal such as aluminum (Al).

【0054】図1と図2を比較すると、冷陰極部分3の
構成が大きく異なっている。一般的にゲート電極5に印
加された電圧によって形成される電界によって、冷陰極
部分3より電子が放出される。その電子放出部分は最も
電界が集中する部分であり、図2に示すような従来構造
の場合、冷陰極部分3の先端の一点のみである。またそ
の電子放出特性は、前記のように冷陰極部分3の先端部
の形状や表面状態に大きく左右される。それに対し、図
1に示すような本発明の構成では、ゲート電極5によっ
て印加される電界を均一に複数個の電子放出源となりう
る構造6に印加することによって、多数の電子放出源か
ら同時に電子が放出されるので、単一の電子放出源の場
合と比較して、大きな電子放出電流を得ることが可能と
なると共に、全体的に安定性の高い電子放出特性を得る
ことが可能となる。ここで電子放出源となりうる構造6
の例としては、後記の粒子構造やその凝集体、あるいは
微小な突起構造などが挙げられるが、電界集中のし易い
構造あるいは電子放出が容易な構造であるならば特に限
定されるものではない。
When comparing FIG. 1 with FIG. 2, the configuration of the cold cathode portion 3 is greatly different. Generally, electrons are emitted from the cold cathode portion 3 by an electric field formed by a voltage applied to the gate electrode 5. The electron emission portion is a portion where the electric field is concentrated most. In the case of the conventional structure as shown in FIG. The electron emission characteristics largely depend on the shape and surface condition of the tip of the cold cathode portion 3 as described above. On the other hand, in the configuration of the present invention as shown in FIG. 1, the electric field applied by the gate electrode 5 is uniformly applied to the structure 6 which can be a plurality of electron emission sources, so that the electron Is emitted, so that a larger electron emission current can be obtained as compared with the case of a single electron emission source, and it is possible to obtain electron emission characteristics with high overall stability. Structure 6 that can be an electron emission source here
Examples thereof include a particle structure described below, an aggregate thereof, and a fine projection structure. However, the structure is not particularly limited as long as the structure easily concentrates an electric field or easily emits electrons.

【0055】また本発明の構成によれば、導電層と、前
記導電層上に形成された冷陰極部分と、前記冷陰極部分
から電子を引き出すためのゲート電極とを備えた冷陰極
素子であって、複数個の電子放出源となりうる構造を含
んだ冷陰極部分と、引き出された電子の軌道を制御する
絞り電極とを含んだ構成であることを特徴とするため、
以下のような作用を奏することができる。
According to the structure of the present invention, there is provided a cold cathode device including a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion. Therefore, in order to have a configuration including a cold cathode portion including a structure that can be a plurality of electron emission sources, and a diaphragm electrode for controlling the trajectory of the extracted electrons,
The following effects can be obtained.

【0056】図3は本発明にかかる冷陰極素子の基本的
な構造を示す断面図である。本冷陰極素子の主な構成部
分は、引き出された電子の軌道を制御する絞り電極7以
外は図1の構成と全く同様である。この様な構成とする
ことにより、複数個の電子放出源となりうる構造を有す
る冷陰極部分から放出された電子流の軌道を、絞り電極
7によって制御することが可能となる。すなわち、電子
流を集束したり、電子流の軌道を変えたりすることが可
能となる。
FIG. 3 is a sectional view showing the basic structure of a cold cathode device according to the present invention. The main components of the present cold cathode device are exactly the same as those of FIG. 1 except for the aperture electrode 7 for controlling the trajectory of the extracted electrons. With such a configuration, the trajectory of the electron flow emitted from the cold cathode portion having a structure that can be a plurality of electron emission sources can be controlled by the aperture electrode 7. That is, it is possible to focus the electron flow or change the trajectory of the electron flow.

【0057】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置される複数個の電子放出源となりうる構造が、
導電層上あるいは導電層表層に埋め込まれて配置される
という好ましい例によれば、容易に所望の冷陰極素子構
造と形成することが可能となる。
In the structure of the present invention, a structure which can be a plurality of electron emission sources arranged in the cold cathode portion is as follows.
According to a preferred example of being disposed on the conductive layer or embedded in the conductive layer surface layer, it is possible to easily form a desired cold cathode device structure.

【0058】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置される複数個の電子放出源となりうる構造を配
置する導電層が平坦であるという好ましい例によれば、
従来行なわれているエッチングなどの複雑なプロセスを
へることなく、冷陰極素子を形成することが可能にな
る。
According to a preferred embodiment of the present invention, the conductive layer for arranging a plurality of structures capable of serving as an electron emission source arranged in the cold cathode portion is flat.
The cold cathode device can be formed without performing a complicated process such as etching which has been conventionally performed.

【0059】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置される複数個の電子放出源となりうる構造が孤
立しているという好ましい例によれば、電子放出源とな
る構造を冷陰極部分の任意の位置に制御して配置するこ
とが可能となる。
According to the preferred embodiment of the present invention, in which the structure which can be a plurality of electron emission sources disposed in the cold cathode portion is isolated, the structure which becomes the electron emission source is formed in the cold cathode portion. It is possible to control and arrange at any position.

【0060】また前記本発明の構成において、複数個の
電子放出源となりうる構造が粒子状あるいは粒子の凝集
体状であるという好ましい例によれば、冷陰極部分の任
意の領域に任意の密度で前記のような高効率電子放出源
を容易に配置することが可能になる。
Further, in the structure of the present invention, according to a preferred example in which the structure that can serve as a plurality of electron emission sources is in the form of particles or agglomerates of particles, it can be formed in any region of the cold cathode portion at any density. It becomes possible to easily arrange the high-efficiency electron emission sources as described above.

【0061】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置される粒子の平均粒径が0.2μm以下であると
いう好ましい例によれば、0.2μm以下の微小な電子放
出源を多数冷陰極部分に配置することができるため、効
率的に電子放出がなされると共に、素子サイズを小さく
することが可能となる。
According to the preferred embodiment of the present invention, in which the average particle diameter of the particles arranged in the cold cathode portion is 0.2 μm or less, a large number of fine electron emission sources of 0.2 μm or less are provided. , It is possible to efficiently emit electrons and reduce the element size.

【0062】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置される粒子あるいは粒子の凝集体の分布密度が
少なくとも1平方センチメートル当たり1×1010個以上
であるという好ましい例によれば、電子放出が容易な微
小電子放出源を多数冷陰極部分に配置されるので、容易
に大きな電子放出を得ることが可能になる。
According to the preferred embodiment of the present invention, the distribution density of particles or agglomerates of particles arranged in the cold cathode portion is at least 1 × 10 10 per square centimeter or more. Since a large number of easy micro electron emission sources are arranged in the cold cathode portion, it is possible to easily obtain a large electron emission.

【0063】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置される複数個の電子放出源となりうる構造がダ
イヤモンドであるという好ましい例によれば、ダイヤモ
ンドは広禁制帯幅半導体(5.5eV)、高硬度、耐磨耗
性、高熱伝導率、化学的に不活性といった冷陰極材料と
して非常に適した性質を有するので、低電圧駆動が可能
でかつ安定性の高い冷陰極素子を実現することが可能と
なる。
According to the preferred embodiment of the present invention, wherein the structure which can be a plurality of electron emission sources disposed in the cold cathode portion is diamond, diamond is a wide bandgap semiconductor (5.5 eV), Since it has properties such as high hardness, abrasion resistance, high thermal conductivity, and chemical inertness, it is very suitable as a cold cathode material, and it is possible to realize a cold cathode device that can be driven at low voltage and has high stability. It becomes possible.

【0064】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置されたダイヤモンドの表面が、例えばセシウム
(Cs)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、タングステン
(W)、水素(H)、アモルファスカーボン等で被覆さ
れた構成を含んでいるという好ましい例によれば、電子
放出に対してより安定なダイヤモンド表面を維持するこ
とが可能となる。さらに好ましくは、ダイヤモンドの優
れた電子放出特性を損なわないという観点から、ダイヤ
モンドの表面を被覆している物質の付着原子密度は1平
方センチメートル当たり1×1017個以下である。
In the structure of the present invention, the surface of the diamond disposed on the cold cathode portion is, for example, cesium (Cs), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W), hydrogen (H), amorphous (H). According to a preferred example including a configuration coated with carbon or the like, it becomes possible to maintain a diamond surface more stable against electron emission. More preferably, from the viewpoint of not impairing the excellent electron emission properties of diamond, the substance that coats the surface of diamond has an attached atom density of 1 × 10 17 or less per square centimeter.

【0065】また前記本発明の構成において、冷陰極部
分に配置されたダイヤモンドの最表面の炭素原子が、水
素原子との結合によって終端された構造を含んでいると
いう好ましい例によれば、水素終端されたダイヤモンド
表面は負の電子親和力状態であることから、電子放出源
として非常に電子放出をしやすい状態にすることが可能
となる。さらに前記本発明の構成において、ダイヤモン
ドの最表面の炭素原子と結合した水素原子の量が1平方
センチメートル当たり1×1015個以上、望ましくは2×
1015個/cm2以上という好ましい例によれば、ほぼ全ての
最表面炭素原子が水素原子と結合するため、より安定な
負の電子親和力状態を維持することができる。
According to the preferred embodiment of the present invention, the carbon atoms on the outermost surface of the diamond disposed in the cold cathode portion include a structure terminated by bonding to hydrogen atoms. Since the diamond surface thus formed has a negative electron affinity state, it becomes possible to make the electron emission source very easy to emit electrons. Further, in the constitution of the present invention, the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of diamond is 1 × 10 15 or more, preferably 2 × 10 15 per square centimeter.
According to a preferred example of 10 15 atoms / cm 2 or more, almost all the outermost surface carbon atoms are bonded to hydrogen atoms, so that a more stable negative electron affinity state can be maintained.

【0066】また前記本発明の構成において、導電層
が、少なくとも半導体層を1層以上含む多層構造である
という好ましい例によれば、挿入した半導体層によって
冷陰極素子に流れる電流量を制御できると共に、ゲート
電極と冷陰極部分の放電を防止することが可能となる。
According to the preferred embodiment of the present invention, in which the conductive layer has a multilayer structure including at least one semiconductor layer, the amount of current flowing through the cold cathode device can be controlled by the inserted semiconductor layer. In addition, it is possible to prevent discharge of the gate electrode and the cold cathode portion.

【0067】また本発明の構成によれば、導電層と、前
記導電層上に形成された冷陰極部分と、前記冷陰極部分
から電子を引き出すためのゲート電極とを備えた冷陰極
素子であって、前記導電層と前記ゲート電極間の距離が
0.5μm以下である構成、あるいは前記冷陰極部分の開
口部の面積が2×10-9cm2以下である構成を含むことを特
徴とするため、以下のような作用を奏することができ
る。前記のように、微小な電子放出源を冷陰極部分に配
置した場合、従来よりも導電層部分とゲート電極間を小
さくすることができる。また複数個の電子放出源を配置
しているため、微小領域においても充分な量の電子放出
を得ることができる。すなわち、従来よりも小さな距
離、面積で同等以上の特性を有する冷陰極素子を作製で
きるので、より集積性の高い微小な冷陰極素子を作製す
ることが可能となる。
According to the structure of the present invention, there is provided a cold cathode device including a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion. The distance between the conductive layer and the gate electrode is
The present invention is characterized by including a configuration of 0.5 μm or less, or a configuration in which the area of the opening of the cold cathode portion is 2 × 10 −9 cm 2 or less, so that the following effects can be obtained. As described above, when the minute electron emission source is disposed in the cold cathode portion, the distance between the conductive layer portion and the gate electrode can be reduced as compared with the related art. Further, since a plurality of electron emission sources are arranged, a sufficient amount of electron emission can be obtained even in a minute region. That is, it is possible to manufacture a cold cathode device having characteristics equal to or greater than a conventional device at a smaller distance and area than a conventional device, and thus it is possible to manufacture a small cold cathode device having higher integration.

【0068】また前記本発明方法によれば、導電層と、
前記導電層上に形成された冷陰極部分と、前記冷陰極部
分から電子を引き出すためのゲート電極とを備えた冷陰
極素子の製造方法であって、平均粒径が0.2μm以下の
粒子状のダイヤモンドを前記導電層上に分布させる工
程、あるいは平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤ
モンドを前記導電層に埋め込ませる工程を含むことを特
徴とするので、以下のような作用を奏することができ
る。すなわち、冷陰極材料として非常に適したダイヤモ
ンドを、電子放出源となりうる構造である微小粒子ある
いはその凝集体の形態で導電層上あるいは導電層表層に
再現性よく配置できるので、容易に高効率な冷陰極素子
を形成することが可能となる。さらに導電層上あるいは
導電層表層に配置されたダイヤモンド粒子を核にして、
ダイヤモンド層を成長した構造によっても同様な効果を
得ることができる。用いる粒子状のダイヤモンドの平均
粒径としては、上記の通り0.2μm以下とすることで十
分効果は得られるが、できるだけ小さい方が良く、望ま
しくは平均粒径が0.02μm以下である。
According to the method of the present invention, the conductive layer comprises:
A method of manufacturing a cold cathode element including a cold cathode portion formed on the conductive layer and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, wherein the average particle size is 0.2 μm or less. The step of distributing diamond on the conductive layer, or the step of embedding a particulate diamond having an average particle diameter of 0.2 μm or less in the conductive layer is characterized by the following effects. it can. In other words, diamond, which is very suitable as a cold cathode material, can be arranged on the conductive layer or on the surface of the conductive layer in a reproducible manner in the form of fine particles or aggregates of the structure that can be an electron emission source, so that high efficiency can be easily achieved. A cold cathode device can be formed. Further, with the diamond particles arranged on the conductive layer or on the surface of the conductive layer as nuclei,
Similar effects can be obtained by a structure in which a diamond layer is grown. A sufficient effect can be obtained by setting the average particle diameter of the particulate diamond used to 0.2 μm or less as described above, but the smaller the better, the better. The average particle diameter is desirably 0.02 μm or less.

【0069】また前記本発明方法において、粒子状のダ
イヤモンド上にダイヤモンド層を成長させる工程が気相
合成法であるという好ましい例によれば、容易の高品質
な微小ダイヤモンド粒を得ることができる。
According to the preferred embodiment of the method of the present invention, wherein the step of growing a diamond layer on diamond particles is a vapor phase synthesis method, fine diamond particles of high quality can be easily obtained.

【0070】また前記本発明方法において、導電層上あ
るいは導電層表層に粒子状ダイヤモンドを配置させる工
程が基材上の一部の領域に絶縁体層を形成する工程の後
である、あるいはゲート電極を形成する工程の後である
という好ましい例によれば、冷陰極部分へのダイヤモン
ド粒子の配置がセルフアラインになるなど、高効率冷陰
極素子作製のプロセスが容易になる。
In the method of the present invention, the step of arranging the particulate diamond on the conductive layer or the surface of the conductive layer is after the step of forming the insulator layer in a partial region on the base material, or the step of forming the gate electrode. According to a preferred example, which is after the step of forming, the process of manufacturing a high-efficiency cold-cathode device becomes easy, for example, the arrangement of diamond particles in the cold-cathode portion becomes self-aligned.

【0071】また前記本発明方法の構成において、基板
素材上あるいは基板素材表層への粒子の分布方法が平均
粒径が0.2μm以下の粒子状ダイヤモンドを分散させた
溶液を基材に塗布する、あるいは平均粒径が0.2μm以
下の粒子状ダイヤモンドを分散させた溶液中に基板素材
を設置し溶液に超音波振動を印加する、あるいは基材の
導電部と溶液を入れた容器との間、あるいは基材の導電
部と溶液中に設置された電極との間に電圧を印加すると
いう好ましい例によれば、大きな面積の基板素材に対し
ても均一にかつ制御性、再現性良く粒子状のダイヤモン
ドを分布させることが可能となる。また粒子状ダイヤモ
ンドの分布位置の選択も可能となる。
In the method of the present invention, the method of distributing particles on the substrate material or on the surface of the substrate material is to apply a solution in which particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less is dispersed to the substrate, or The substrate material is placed in a solution in which particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less is dispersed, and ultrasonic vibration is applied to the solution, or between the conductive part of the base material and the container containing the solution, or According to a preferred example in which a voltage is applied between the conductive part of the material and the electrode placed in the solution, the diamond particles can be uniformly and controllably reproducibly even with a large-area substrate material. It can be distributed. In addition, the distribution position of the particulate diamond can be selected.

【0072】また本発明方法の構成において、用いる溶
液中に分散させた粒子状ダイヤモンドの量が溶液1リッ
トル当たり0.01g以上、100g以下、さらに望ましくは
溶液1リットル当たり0.1g以上、20g以下であるとい
う好ましい例によれば、充分な量のダイヤモンド粒子数
を容易に基材の冷陰極部分に分布させることが可能とな
る。その際の最適なダイヤモンド粒子量としては、用い
る粒子の平均粒径にも依存し、粒径が0.01μm場合概ね
1g程度、粒径が0.04μmの場合、概ね16g程度であ
る。
In the method of the present invention, the amount of the particulate diamond dispersed in the solution to be used is 0.01 g or more and 100 g or less per liter of the solution, and more preferably 0.1 g or more and 20 g or less per liter of the solution. According to the preferred example, it is possible to easily distribute a sufficient number of diamond particles to the cold cathode portion of the substrate. The optimum amount of diamond particles at that time also depends on the average particle size of the particles used, and is approximately 1 g when the particle size is 0.01 μm and approximately 16 g when the particle size is 0.04 μm.

【0073】また本発明方法の構成において、用いる溶
液中に分散させた粒子状ダイヤモンドの数が溶液1リッ
トル当たり1×1016個以上、1×1020個以下、さらに望
ましくは溶液1リットル当たり1×1017個以上、1×10
19個以下であるという好ましい例によれば、上記構成と
同様に、充分な量のダイヤモンド粒子数を容易に冷陰極
部分に分布させることが可能となる。
In the method of the present invention, the number of particulate diamonds dispersed in the solution to be used is 1 × 10 16 to 1 × 10 20 per liter of the solution, and more preferably 1 × 10 20 or less per liter of the solution. × 10 17 or more, 1 × 10
According to a preferred example having 19 or less, a sufficient number of diamond particles can be easily distributed to the cold cathode portion, similarly to the above configuration.

【0074】また本発明方法の構成において、基材を設
置する溶液が水あるいはアルコールを主成分とするとい
う好ましい例によれば、溶液の扱いが容易であると共
に、ダイヤモンド粒子の分散溶媒として最適である。
In the method of the present invention, according to a preferred example in which the solution on which the base material is placed contains water or alcohol as a main component, the solution is easy to handle and the solution is optimal as a dispersion solvent for diamond particles. is there.

【0075】また本発明方法の構成において、基材を設
置する溶液が少なくともフッ化水素酸、あるいはフッ化
アンモニウムなどのフッ素(F)を構成元素とした化合
物をを含むという好ましい例によれば、例えばシリコン
基材などに均一にダイヤモンド粒子を分布させることが
容易となる。
According to a preferred embodiment of the method of the present invention, the solution in which the substrate is provided contains at least a compound containing fluorine (F) as a constituent element, such as hydrofluoric acid or ammonium fluoride. For example, it becomes easy to uniformly distribute diamond particles on a silicon substrate or the like.

【0076】また本発明方法の構成において、導電層上
あるいは導電層表層に配置された粒子状ダイヤモンドの
分布密度が1平方センチメートル当たり1×1010個以
上、さらに望ましくは1平方センチメートル当たり1×
1011個以上であるという好ましい例によれば、非常に多
量の電子放出源となりうる粒子状ダイヤモンドを得るこ
とが可能となる。
In the structure of the method of the present invention, the distribution density of the particulate diamond disposed on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is 1 × 10 10 or more per square centimeter, more preferably 1 × 10 10 per square centimeter.
According to a preferred example having 10 11 or more, it is possible to obtain a particulate diamond that can be a very large amount of electron emission source.

【0077】また本発明の冷陰極素子の構成において
は、電子放出源となりうる構造の表面制御が非常に重要
である。粒子状ダイヤモンドを電子放出源として用いる
場合に適した表面構造を形成する方法としては特に限定
するものではないが、ダイヤモンド表面の導電性を制御
する、すなわちダイヤモンド表面の炭素原子と結合する
元素を制御することが容易である。具体的な例として、
水素終端表面(導電性)とすることでダイヤモンドを電
子放出し易い状態にすることができ、酸素終端表面(絶
縁性)とすることで電子放出しにくい状態とすることが
できる。このような表面状態変化を任意に制御すること
で、高効率電子放出素子の素子構成並びに作製プロセス
を簡便にすることができる。
In the structure of the cold cathode device of the present invention, it is very important to control the surface of a structure that can serve as an electron emission source. The method of forming a surface structure suitable for using particulate diamond as an electron emission source is not particularly limited, but controls the conductivity of the diamond surface, that is, controls the elements bonded to carbon atoms on the diamond surface. It is easy to do. As a specific example,
By using a hydrogen-terminated surface (conductive), diamond can easily emit electrons, and by using an oxygen-terminated surface (insulating), it can be difficult to emit electrons. By arbitrarily controlling such surface state change, the device configuration and the manufacturing process of the high-efficiency electron-emitting device can be simplified.

【0078】そこで前記本発明方法の構成によれば、冷
陰極部分に配置された粒子状ダイヤモンドの所定の領域
に波長が200nm以下の真空紫外光を照射する工程を含
むことを特徴とするので、選択的にダイヤモンド表面に
結合した元素の除去と新たな結合を形成することが可能
となる。その結果、ダイヤモンド表面状態を正(絶縁
性)及び負(導電性)のいずれにも制御することが可能
となる。
Therefore, according to the structure of the method of the present invention, the method includes a step of irradiating a predetermined region of the particulate diamond arranged at the cold cathode portion with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less. It is possible to selectively remove the element bonded to the diamond surface and form a new bond. As a result, it is possible to control the diamond surface state to be either positive (insulating) or negative (conductive).

【0079】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドの所定の領域を
少なくとも水素を含むガスを放電分解して得られるプラ
ズマに晒す工程を有することを特徴とするので、選択的
にダイヤモンドの最表層炭素原子に水素原子を結合させ
ることが可能となり、その結果容易に電子を放出し易い
状態の領域を形成することが可能になる。
Further, according to the configuration of the method of the present invention, a step of exposing a predetermined region of the particulate diamond arranged in the cold cathode portion to plasma obtained by subjecting at least hydrogen-containing gas to electric discharge decomposition is provided. Therefore, a hydrogen atom can be selectively bonded to the outermost carbon atom of diamond, and as a result, a region in which electrons can be easily emitted can be formed.

【0080】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドを少なくとも水
素を含むガスに晒す工程を有することを特徴とするの
で、選択的にダイヤモンドの最表層炭素原子に水素原子
を結合させることが可能となり、その結果容易に電子放
出しやすい状態の領域を形成することが可能になる。
According to the structure of the method of the present invention, the method further comprises the step of exposing the particulate diamond disposed at the cold cathode portion to a gas containing at least hydrogen. A hydrogen atom can be bonded to an atom, and as a result, a region in a state where electrons can be easily emitted can be formed.

【0081】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドの所定の領域を
少なくとも酸素を含むガスを放電分解して得られるプラ
ズマに晒す工程を有することを特徴とするので、選択的
にダイヤモンドの最表層炭素原子に酸素原子を結合させ
ることが可能となり、その結果容易に電子放出がしにく
い状態の領域を形成することが可能になる。
According to the structure of the method of the present invention, the method further comprises the step of exposing a predetermined region of the particulate diamond disposed at the cold cathode portion to plasma obtained by discharge-decomposing at least a gas containing oxygen. Therefore, an oxygen atom can be selectively bonded to the outermost carbon atom of diamond, and as a result, it is possible to form a region in which electron emission is difficult.

【0082】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドを少なくとも酸
素を含むガスに晒す工程を有することを特徴とするの
で、選択的にダイヤモンドの最表層炭素原子に酸素原子
を結合させることが可能となり、その結果容易に電子放
出がしにくい状態の領域を形成することが可能になる。
これらの製造方法により任意の部分から選択的に電子を
放出する電子放出素子を形成することが出来る。
According to the structure of the method of the present invention, the method further comprises the step of exposing the particulate diamond arranged at the cold cathode portion to a gas containing at least oxygen. An oxygen atom can be bonded to an atom, and as a result, it is possible to form a region where electron emission is difficult.
By these manufacturing methods, an electron-emitting device that selectively emits electrons from an arbitrary portion can be formed.

【0083】以上のようにダイヤモンド層の表面状態を
任意に制御することにより、高効率電子放出素子の素子
構成並びに作製プロセスを簡便にすることができる。
As described above, by arbitrarily controlling the surface state of the diamond layer, the device configuration and manufacturing process of the high-efficiency electron-emitting device can be simplified.

【0084】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体
的に説明する。 (第1の実施の形態)まず冷陰極部分に配置される電子
放出源として、微小な粒子状のダイヤモンドを用いた場
合の結果について記す。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. (First Embodiment) First, the results when micro-particulate diamond is used as an electron emission source arranged in the cold cathode portion will be described.

【0085】まず基材を準備する。この基材として用い
る材料は特に限定されるものではないが、本実施例では
導電性のシリコン基板を用いた。
First, a base material is prepared. Although the material used for the substrate is not particularly limited, a conductive silicon substrate was used in this example.

【0086】次にこのシリコン基板を通常の洗浄工程で
清浄化した後、シリコン基板を石英製の円筒容器に設置
し、ウェットな酸素雰囲気中で加熱する熱酸化を行なっ
た。熱酸化条件は1000℃、2時間である。その結果、シ
リコン基板の表層約1μmの領域に二酸化シリコン層が
形成された。
Next, after the silicon substrate was cleaned in a usual cleaning step, the silicon substrate was placed in a cylindrical container made of quartz and subjected to thermal oxidation by heating in a wet oxygen atmosphere. Thermal oxidation conditions are 1000 ° C. for 2 hours. As a result, a silicon dioxide layer was formed in a region of about 1 μm in the surface layer of the silicon substrate.

【0087】続いてその上にフォトレジスト材を塗布し
た後、通常のフォトリソグラフィの工程でフォトレジス
ト材に所望のパターンを形成した。フォトレジスト材の
塗布方法については限定されるものではないが、本実施
の形態では回転させたシリコン基板にフォトレジスト材
を滴下して、コートとする方法、いわゆるスピンコート
を用いた。またパターニング形状についても特に限定は
されないが、本実施例では直径1μmの丸いドットを20
μm間隔で100×100個、すなわち10000個からなるドッ
トの窓を塗布されたフォトレジスト材に形成した。
Subsequently, after a photoresist material was applied thereon, a desired pattern was formed on the photoresist material by a usual photolithography process. The method for applying the photoresist material is not limited, but in this embodiment, a method in which a photoresist material is dropped on a rotated silicon substrate to form a coating, that is, spin coating is used. Although there is no particular limitation on the patterning shape, in this embodiment, a round dot having a diameter of 1 μm
Windows of 100 × 100, ie, 10,000, dots were formed at intervals of μm on the coated photoresist material.

【0088】さらに、そのフォトレジスト材をマスクと
して、シリコン基板表層の二酸化シリコン層をエッチン
グ除去した。二酸化シリコン層のエッチングは、フッ硝
酸系のエッチング液を用いたウェットエッチングにより
行なった。その結果、二酸化シリコン層が除去された部
分に直径が1μmの丸いドットの窓が形成された。
Further, using the photoresist material as a mask, the silicon dioxide layer on the surface of the silicon substrate was removed by etching. The silicon dioxide layer was etched by wet etching using a hydrofluoric / nitric acid-based etchant. As a result, a round dot window having a diameter of 1 μm was formed in a portion where the silicon dioxide layer was removed.

【0089】そしてパターニングされたフォトレジスト
材及び二酸化シリコン層が積層されたシリコン基板上
に、平均粒径が0.02μmのダイヤモンド粒子を分散させ
た溶液を塗布した。本実施の形態では1リットルの純水
に0.4gのダイヤモンド粒子を分散し、さらに0.2ccのフ
ッ化水素(濃度:46%)を加えた溶液を用いた。すなわ
ち、ダイヤモンド粒子数として溶液1リットル当たり約
2×1017個のダイヤモンド粒子が含まれた溶液を用い
た。溶液の塗布は、フォトレジスト材を塗布したのと同
様のスピンコートの手法を用いた。塗布後、シリコン基
板は赤外線ランプ光の照射によって乾燥された。
Then, a solution in which diamond particles having an average particle size of 0.02 μm were dispersed was applied on a silicon substrate on which a patterned photoresist material and a silicon dioxide layer were laminated. In this embodiment, a solution obtained by dispersing 0.4 g of diamond particles in 1 liter of pure water and further adding 0.2 cc of hydrogen fluoride (concentration: 46%) is used. That is, a solution containing about 2 × 10 17 diamond particles per liter of the solution was used as the number of diamond particles. The solution was applied by the same spin coating technique as that of applying the photoresist material. After the application, the silicon substrate was dried by irradiation with infrared lamp light.

【0090】その後、ダイヤモンド粒子が塗布されたシ
リコン基板をレジスト除去用の溶剤に10分以上浸透し、
フォトレジスト材を除去した。レジスト除去用の溶剤と
しては、用いるフォトレジスト材の材質等に依存する
が、一般的にアセトンなどの有機溶剤を用いることがで
きる。
Thereafter, the silicon substrate coated with the diamond particles is immersed in a solvent for removing resist for 10 minutes or more.
The photoresist material was removed. As a solvent for removing the resist, an organic solvent such as acetone can be generally used although it depends on the material of the photoresist material to be used.

【0091】以上のような方法で得られた基板の表面を
観察すると、シリコンが露出した部分(直径1μmの円
形)のみに微小ダイヤモンド粒が分布していることが確
認された。その分布密度は5×1010個/cm2程度であっ
た。
Observation of the surface of the substrate obtained by the above method confirmed that fine diamond grains were distributed only in the portion where silicon was exposed (circle having a diameter of 1 μm). Its distribution density was about 5 × 10 10 pieces / cm 2 .

【0092】さらに絶縁体層である二酸化シリコン層上
にゲート電極となるアルミニウム層(Al)を形成した。
Further, an aluminum layer (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0093】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されている
ことが確認された。すなわち、微小ダイヤモンド粒が電
子放出源として作用していることが確認された。またそ
の放出電流量も従来よりも大きく、効率的に電子が放出
されていることを確認することができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. That is, it was confirmed that the fine diamond grains acted as an electron emission source. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently.

【0094】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や塗布するダイヤモンド粒子の粒径や量を
変えて溶液を調合した場合、溶媒としてエタノールなど
のアルコールを用いた場合、さらには粒子をシリコンカ
ーバイドに変えた場合などにおいても、同様の結果が得
られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or when the solution is prepared by changing the particle size or amount of diamond particles to be applied. Similar results were obtained when an alcohol such as ethanol was used as a solvent, or when particles were changed to silicon carbide.

【0095】さらに本発明者らは、ゲート電極上に絞り
電極を設置し、絞り電極に電圧を印加することによっ
て、放出される電子流の軌道を制御したり、集束させた
りすることが可能であることを確認した。
Further, the present inventors can control the trajectory of the emitted electron flow or focus it by installing a stop electrode on the gate electrode and applying a voltage to the stop electrode. Confirmed that there is.

【0096】(第2の実施の形態)第1の実施の形態と
同様に、パターニングされたシリコン基板上に電子放出
源となりうる微小ダイヤモンド粒を配置した後、さらに
その粒子を核としてダイヤモンド層を成長させた場合の
結果について記す。
(Second Embodiment) Similar to the first embodiment, fine diamond particles which can be an electron emission source are arranged on a patterned silicon substrate, and a diamond layer is further formed using the particles as nuclei. The result of the growth is described.

【0097】用いる基材、及び熱酸化層の形成、パター
ニング、シリコン上へのダイヤモンド粒の分布方法等は
前記第1の実施の形態と同様である。
The base material used, the formation and patterning of the thermal oxide layer, the method of distributing diamond particles on silicon, and the like are the same as in the first embodiment.

【0098】本実施の形態においてはゲート電極を形成
する前に、さらに基材上に分布されたダイヤモンド粒上
にダイヤモンド層を形成した。ダイヤモンド層の合成方
法としては特に限定はされないが、気相合成法が容易で
あることから良く用いられる。気相合成方法は、一般的
には原料ガスにメタン、エタン、エチレン、アセチレン
等の炭化水素ガス、アルコール、アセトン等の有機化合
物及び一酸化炭素などの炭素源を水素で希釈したものを
用い、その原料ガスを分解することによって行なわれる
ものである。その際、さらに原料ガスに適宜酸素や水等
を添加することもできる。適用可能な気相合成法に関し
ても特に限定はされないが、本実施例においてはマイク
ロ波プラズマCVD法によってダイヤモンド膜の形成を
行なった。マイクロ波プラズマCVD法は原料ガスにマ
イクロ波を印加することによってプラズマ化し、ダイヤ
モンドの形成を行なう方法である。具体的な条件として
は、原料ガスに水素で1〜10vol%程度に希釈された一酸
化炭素ガスを用いた。反応温度及び圧力はそれぞれ800
〜900℃及び25〜40Torrである。また形成時間は1分か
ら5分程度で充分である。
In the present embodiment, before forming the gate electrode, a diamond layer was further formed on the diamond grains distributed on the substrate. The method for synthesizing the diamond layer is not particularly limited, but is often used because the vapor phase synthesis method is easy. The vapor phase synthesis method generally uses methane, ethane, ethylene, hydrocarbon gas such as acetylene, alcohol, an organic compound such as acetone, and a carbon source such as carbon monoxide diluted with hydrogen in a raw material gas, This is performed by decomposing the raw material gas. At that time, oxygen, water or the like can be added to the raw material gas as appropriate. Although there is no particular limitation on the applicable gas phase synthesis method, a diamond film was formed by a microwave plasma CVD method in this example. The microwave plasma CVD method is a method of forming a diamond by applying a microwave to a source gas to form diamond. As specific conditions, a carbon monoxide gas diluted to about 1 to 10 vol% with hydrogen was used as a source gas. Reaction temperature and pressure are 800 each
900900 ° C. and 25-40 Torr. A formation time of about 1 to 5 minutes is sufficient.

【0099】以上のような方法でダイヤモンド粒上にダ
イヤモンド層を形成した結果、シリコン上に配置された
ダイヤモンド粒子の大きさは、0.2〜0.5μm程度となっ
た。またダイヤモンド粒の表面状態は、水素で終端され
た状態であった。
As a result of forming a diamond layer on diamond particles by the above-described method, the size of diamond particles arranged on silicon was about 0.2 to 0.5 μm. The surface state of the diamond particles was a state terminated by hydrogen.

【0100】そこでさらに絶縁体層である二酸化シリコ
ン層上にゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成し
た。
Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0101】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されている
ことが確認された。またその放出電流量も従来よりも大
きく、効率的に電子が放出されていることを確認するこ
とができた。また水素終端されたダイヤモンドの表面は
非常に安定であるため、比較的真空度が悪い環境(10-4
Torr程度)においても安定な電子放出特性を有すること
が確認された。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode side. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently. In addition, the surface of hydrogen-terminated diamond is extremely stable, so that the environment with a relatively poor vacuum (10 -4
(About Torr).

【0102】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や塗布するダイヤモンド粒子の粒径や量を
変えて溶液を調合した場合、微小ダイヤモンド粒の分散
溶媒としてエタノールなどのアルコールを用いた場合、
さらには他の形成条件でダイヤモンド層を形成した場合
などにおいても、同様の結果が得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or when the solution is prepared by changing the diameter and amount of diamond particles to be applied. When alcohol such as ethanol is used as a dispersion solvent for fine diamond particles,
Further, similar results were obtained when a diamond layer was formed under other forming conditions.

【0103】また得られたダイヤモンド粒の表面をセシ
ウム、ニッケル、チタン、タングステンなどの薄い層で
コートした場合も同様の結果が得られた。
Similar results were obtained when the surface of the obtained diamond particles was coated with a thin layer of cesium, nickel, titanium, tungsten or the like.

【0104】(第3の実施の形態)次にシリコン基材上
に微小ダイヤモンド粒を配置する方法として、超音波振
動を用いた場合の結果について記す。
(Third Embodiment) Next, a description will be given of a result when ultrasonic vibration is used as a method of arranging fine diamond particles on a silicon substrate.

【0105】用いる基材、及び熱酸化層の形成、パター
ニング方法等は前記第1の実施の形態と同様である。本
実施の形態においては、パターニングされたフォトレジ
スト材及び二酸化シリコン層が積層されたシリコン基板
を平均粒径が0.02μm程度のダイヤモンド粒子を分散さ
せた溶液が入った容器内に設置し、容器全体に超音波振
動を与える(以後、「超音波振動処理」と記す)ことに
よって、シリコン領域上に微小ダイヤモンド粒を分布さ
せた。本実施の形態では1リットルの純水に0.4gのダイ
ヤモンド粒子を分散し、さらに0.2ccのフッ化アンモニ
ウム水溶液(濃度:40%)を滴下した溶液を用いた。ま
た超音波振動処理の際に印加した電力は100W程度であ
り、処理時間は5〜15分である。超音波振動処理を施
したシリコン基板は純水中で洗浄された後、窒素ガスで
ブローすることにより乾燥された。
The base material used and the method of forming and patterning the thermal oxide layer are the same as those in the first embodiment. In this embodiment, a silicon substrate on which a patterned photoresist material and a silicon dioxide layer are stacked is placed in a container containing a solution in which diamond particles having an average particle size of about 0.02 μm are dispersed, and the entire container is placed. By applying ultrasonic vibration (hereinafter referred to as “ultrasonic vibration processing”), thereby distributing the fine diamond particles on the silicon region. In this embodiment, a solution is used in which 0.4 g of diamond particles are dispersed in 1 liter of pure water, and a 0.2 cc aqueous solution of ammonium fluoride (concentration: 40%) is further dropped. The power applied during the ultrasonic vibration processing is about 100 W, and the processing time is 5 to 15 minutes. The silicon substrate subjected to the ultrasonic vibration treatment was washed in pure water, and then dried by blowing with nitrogen gas.

【0106】この超音波振動処理を施されたシリコン基
材のシリコン露出部分の表面を走査電子顕微鏡で観察し
たところ、溶液に分散させた微小ダイヤモンド粒が均一
に分布していることがわかった。またその分布密度は〜
1×1011個/cm2程度であった。
When the surface of the exposed silicon portion of the silicon substrate subjected to the ultrasonic vibration treatment was observed with a scanning electron microscope, it was found that the fine diamond particles dispersed in the solution were uniformly distributed. The distribution density is ~
It was about 1 × 10 11 / cm 2 .

【0107】そこでさらに二酸化シリコン層上にゲート
電極となるアルミニウム(Al)を形成した。
Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer.

【0108】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されている
ことが確認された。またその放出電流量も従来よりも大
きく、効率的に電子が放出されていることを確認するこ
とができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently.

【0109】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や超音波振動処理に用いる溶液中のダイヤ
モンド粒子の粒径や量を変えて溶液を調合した場合、溶
液のpH値を変化させた場合、さらには粒子をシリコン
カーバイドに変えた場合などにおいても、同様の結果が
得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or the particle size and amount of the diamond particles in the solution used for the ultrasonic vibration treatment are changed. Similar results were obtained when the solution was prepared by changing the solution, when the pH value of the solution was changed, or when the particles were changed to silicon carbide.

【0110】(第4の実施の形態)次に超音波振動処理
の条件を変化させて行なった場合の結果について記す。
(Fourth Embodiment) Next, results obtained when the conditions of the ultrasonic vibration processing are changed are described.

【0111】用いた基材、基板素材の洗浄工程、並びに
超音波振動処理に用いた溶液等は、前記第3の実施の形
態と同様である。本実施の形態では、基板素材の超音波
振動処理を印加電力:350W、処理時間:30分の条件で行
なった。この条件で超音波振動処理を施したシリコン基
板の表面を第1の実施例と同様、走査電子顕微鏡で観察
したところ、露出したシリコン上に分布した微小ダイヤ
モンド粒に加えて、シリコンの表層に半ば埋め込まれた
形で分布する微小ダイヤモンド粒が数多く見受けられ
た。これは本実施例の超音波振動処理条件の印加電力お
よび処理時間が、第3の実施の形態と比較して大きいこ
とに起因するものと考えられる。シリコン上及び表層に
埋め込まれて分布している微小ダイヤモンド粒の分布密
度は、さらに大きくなって〜5×1011個/cm2程度に達し
た。
The used base material, the substrate material cleaning step, and the solution used for the ultrasonic vibration treatment are the same as in the third embodiment. In the present embodiment, the ultrasonic vibration processing of the substrate material was performed under the conditions of an applied power of 350 W and a processing time of 30 minutes. When the surface of the silicon substrate subjected to the ultrasonic vibration treatment under these conditions was observed with a scanning electron microscope in the same manner as in the first embodiment, in addition to the fine diamond particles distributed on the exposed silicon, the surface of the silicon substrate was partially removed. Many fine diamond grains distributed in an embedded form were found. This is considered to be due to the fact that the applied power and the processing time under the ultrasonic vibration processing conditions of the present embodiment are larger than those of the third embodiment. The distribution density of the fine diamond grains distributed on the silicon and in the surface layer was further increased to reach about 5 × 10 11 / cm 2 .

【0112】そこで、絶縁体層である二酸化シリコン層
上にゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成した。
Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0113】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、第3の実施の形態と
同様にシリコン基板上に配置された微小ダイヤモンド粒
より電子が放出されていることが確認された。またその
放出電流量も従来よりも大きく、効率的に電子が放出さ
れていることを確認することができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage was applied to the gate electrode side to about 30 V. As a result, the same result as in the third embodiment was obtained. Then, it was confirmed that electrons were emitted from the fine diamond grains arranged on the silicon substrate. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently.

【0114】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や超音波振動処理に用いる溶液中のダイヤ
モンド粒子の粒径や量を変えて溶液を調合した場合、溶
液のpH値を変化させた場合、さらには粒子をシリコン
カーバイドに変えた場合などにおいても、同様の結果が
得られた。
In the present embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or the particle size or amount of the diamond particles in the solution used for the ultrasonic vibration treatment is changed. Similar results were obtained when the solution was prepared by changing the solution, when the pH value of the solution was changed, or when the particles were changed to silicon carbide.

【0115】(第5の実施の形態)続いてシリコン基材
上に微小ダイヤモンド粒を配置する方法として、超音波
振動処理を施した後、ゲート電極を形成する前にさらに
ダイヤモンド粒上にダイヤモンド層を形成した場合の結
果について記す。
(Fifth Embodiment) Subsequently, as a method of arranging fine diamond particles on a silicon base material, after applying an ultrasonic vibration treatment, a diamond layer is further formed on the diamond particles before forming a gate electrode. The result in the case of forming was described.

【0116】用いる基材、及び熱酸化層の形成、パター
ニング、シリコン上へのダイヤモンド粒の分布方法等は
前記第4の実施の形態と同様である。またダイヤモンド
層の形成方法については、前記第2の実施の形態と同様
である。
The base material used, the formation and patterning of the thermal oxide layer, the method of distributing diamond particles on silicon, and the like are the same as in the fourth embodiment. The method for forming the diamond layer is the same as in the second embodiment.

【0117】以上のような方法でダイヤモンド粒上にダ
イヤモンド層を形成した結果、大きさが0.2〜0.5μm程
度のダイヤモンド粒が多数露出したシリコン上に配置さ
れた。またダイヤモンド粒の表面状態は、水素で終端さ
れた状態であった。
As a result of forming a diamond layer on diamond grains by the above method, a large number of diamond grains having a size of about 0.2 to 0.5 μm were arranged on the exposed silicon. The surface state of the diamond particles was a state terminated by hydrogen.

【0118】そこでさらに絶縁体層である二酸化シリコ
ン層上にゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成し
た。
Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0119】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されている
ことが確認された。またその放出電流量も従来よりも大
きく、効率的に電子が放出されていることを確認するこ
とができた。また水素終端されたダイヤモンドの表面は
非常に安定であるため、比較的真空度が悪い環境(10-4
Torr程度)においても安定な電子放出特性を有すること
が確認された。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently. In addition, the surface of hydrogen-terminated diamond is extremely stable, so that the environment with a relatively poor vacuum (10 -4
(About Torr).

【0120】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や超音波振動処理の用いる溶液中のダイヤ
モンド粒子の粒径や量を変えて溶液を調合した場合、さ
らには他の形成条件でダイヤモンド層を形成した場合な
どにおいても、同様の結果が得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or the particle size or amount of the diamond particles in the solution used for the ultrasonic vibration treatment is changed. Similar results were obtained when the solution was prepared in a different manner, or when the diamond layer was formed under other forming conditions.

【0121】(第6の実施の形態)次に微小ダイヤモン
ド粒を分散させた溶液中に基材を設置し、その基材の導
電部と電極間に電圧を印加させて基材上の任意の領域に
微小ダイヤモンド粒を配置した結果について記す。
(Sixth Embodiment) Next, a base material is placed in a solution in which fine diamond particles are dispersed, and a voltage is applied between a conductive part of the base material and an electrode to arbitrarily set the base material. The result of arranging fine diamond grains in the region will be described.

【0122】用いた基材、並びに基材の洗浄工程は前記
実施の形態と同様である。続いてこの基材と白金製の平
板電極を、平均粒径が0.02μm程度のダイヤモンド粒子
を分散させた溶液が入った容器内に平行になるよう設置
し、基材のシリコン部分と白金電極間に直流電圧を印加
した(以後、「電圧印加処理」と記す)ことによって、
シリコン領域上に微小ダイヤモンド粒を分布させた。本
実施の形態では、1リットルの純水に0.4gのダイヤモ
ンド粒子を分散した溶液を用いた。また電圧印加処理の
条件は、白金電極側を負極、シリコン側を正極として、
150Vの電圧を10分間印加した。電圧印加処理を施した基
材は純水で洗浄された後、窒素ガスでブローすることに
より乾燥された。
The used base material and the step of cleaning the base material are the same as in the above embodiment. Subsequently, the base material and a platinum plate electrode were placed in parallel in a container containing a solution containing diamond particles having an average particle size of about 0.02 μm, and the base material was placed between the silicon part and the platinum electrode. By applying a DC voltage (hereinafter referred to as “voltage application process”),
Fine diamond grains were distributed over the silicon area. In this embodiment, a solution in which 0.4 g of diamond particles is dispersed in 1 liter of pure water is used. The conditions of the voltage application process are as follows: the platinum electrode side is the negative electrode,
A voltage of 150 V was applied for 10 minutes. The substrate subjected to the voltage application treatment was washed with pure water, and then dried by blowing with nitrogen gas.

【0123】この電圧印加処理を施された基材の表面を
走査電子顕微鏡で観察したところ、電圧が印加されたシ
リコン上に溶液に分散させた微小ダイヤモンド粒が均一
に分布していることがわかった。また、その分布密度は
〜3×1010個/cm2程度であった。これは溶液中でコロイ
ド状となった微小ダイヤモンド粒が負の電荷を帯びてい
るため、電圧印加処理によって電極として用いたシリコ
ン領域にのみに引き寄せられたためと考えられる。
When the surface of the substrate subjected to the voltage application treatment was observed with a scanning electron microscope, it was found that fine diamond particles dispersed in the solution were uniformly distributed on the silicon to which the voltage was applied. Was. Further, the distribution density was about 3 × 10 10 / cm 2 . This is probably because the colloidal fine diamond particles in the solution had a negative charge and were attracted only to the silicon region used as the electrode by the voltage application treatment.

【0124】そこでさらに絶縁体層である二酸化シリコ
ン層上にゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成し
た。
Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0125】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコンに配置され
た微小ダイヤモンド粒より電子が放出されていることが
確認された。またその放出電流量も従来よりも大きく、
効率的に電子が放出されていることを確認することがで
きた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that more electrons were emitted. The emission current is also larger than before,
It was confirmed that electrons were efficiently emitted.

【0126】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や電圧印加処理に用いる溶液中のダイヤモ
ンド粒子の粒径や量を変えて溶液を調合した場合、溶液
のpH値を変化させた場合、白金電極を用いず導電性の
容器を負極として用いた場合、さらには粒子をシリコン
カーバイドに変えた場合などにおいても、同様の結果が
得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or the particle size or amount of the diamond particles in the solution used for the voltage application process is changed. The same results were obtained when the solution was prepared, when the pH value of the solution was changed, when a conductive container was used as the negative electrode without using a platinum electrode, and when the particles were changed to silicon carbide. was gotten.

【0127】(第7の実施の形態)次にシリコン基材上
に微小ダイヤモンド粒を分布させる方法として、電圧印
加処理を施した後、ゲート電極を形成する前にさらにダ
イヤモンド粒上にダイヤモンド層を形成した場合の結果
について記す。
(Seventh Embodiment) As a method for distributing fine diamond particles on a silicon substrate, after applying a voltage, a diamond layer is further formed on the diamond particles before forming a gate electrode. The results in the case of forming are described.

【0128】用いた基材、基材の洗浄工程、並びに電圧
印加処理に用いた溶液中の微小ダイヤモンド粒の分散量
等は、前記第6の実施の形態と同様である。またダイヤ
モンド層の形成方法についても、前記第3の実施の形態
と同様である。
The used base material, the base material cleaning step, and the dispersion amount of the fine diamond particles in the solution used for the voltage application treatment are the same as those in the sixth embodiment. Also, the method of forming the diamond layer is the same as in the third embodiment.

【0129】以上のような方法でダイヤモンド粒上にダ
イヤモンド層を形成した結果、大きさが0.2〜0.5μm程
度のダイヤモンド粒が多数シリコン上に配置された。ま
たダイヤモンド粒の表面状態は、水素で終端された状態
であった。
As a result of forming a diamond layer on diamond particles by the above method, a large number of diamond particles having a size of about 0.2 to 0.5 μm were arranged on silicon. The surface state of the diamond particles was a state terminated by hydrogen.

【0130】そこでさらに絶縁体層である二酸化シリコ
ン層上にゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成し
た。
Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0131】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されている
ことが確認された。またその放出電流量も従来よりも大
きく、効率的に電子が放出されていることを確認するこ
とができた。また水素終端されたダイヤモンドの表面は
非常に安定であるため、比較的真空度が悪い環境(10-4
Torr程度)においても安定な電子放出特性を有すること
が確認された。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently. In addition, the surface of hydrogen-terminated diamond is extremely stable, so that the environment with a relatively poor vacuum (10 -4
(About Torr).

【0132】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や電圧印加処理に用いる溶液中のダイヤモ
ンド粒子の粒径や量を変えて溶液を調合した場合、さら
には他の形成条件でダイヤモンド層を形成した場合など
においても、同様の結果が得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or the particle size or amount of the diamond particles in the solution used for the voltage application process is changed. Similar results were obtained when the solution was prepared by using the above method, and when the diamond layer was formed under other forming conditions.

【0133】(第8の実施の形態)次に冷陰極素子形成
プロセスの手順として、ゲート電極まで形成した後、微
小ダイヤモンド粒を冷陰極部分に配置した場合の結果に
ついて記す。
(Eighth Embodiment) Next, as a procedure of a cold cathode element forming process, a result in a case where fine diamond grains are arranged in the cold cathode portion after forming up to the gate electrode will be described.

【0134】まず導電性のシリコン基材を通常の洗浄工
程で清浄化した後、熱酸化してシリコン表層に二酸化シ
リコン層を形成した。そしてさらに絶縁体層である二酸
化シリコン層上にゲート電極となるアルミニウム(Al)
を形成した。
First, the conductive silicon substrate was cleaned by a normal cleaning process, and then thermally oxidized to form a silicon dioxide layer on the silicon surface. Further, aluminum (Al) serving as a gate electrode is formed on a silicon dioxide layer serving as an insulator layer.
Was formed.

【0135】続いて、その上にフォトレジスト材を塗布
した後、通常のフォトリソグラフィの工程でフォトレジ
スト材に所望のパターンを形成し、そのフォトレジスト
材をマスクとして、ゲート電極、並びに二酸化シリコン
層をエッチング除去した。その後に、パターニングされ
たフォトレジスト材、ゲート電極及び二酸化シリコン層
が積層されたシリコン基材のシリコン露出部分に超音波
振動処理によって微小ダイヤモンド粒を分布させた。超
音波振動処理の条件は、前記第3の実施の形態と同様で
ある。
Subsequently, after a photoresist material is applied thereon, a desired pattern is formed on the photoresist material by a usual photolithography process, and the gate electrode and the silicon dioxide layer are formed using the photoresist material as a mask. Was removed by etching. Thereafter, micro diamond particles were distributed by ultrasonic vibration treatment on the exposed silicon portion of the silicon substrate on which the patterned photoresist material, gate electrode, and silicon dioxide layer were laminated. The conditions of the ultrasonic vibration processing are the same as in the third embodiment.

【0136】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されている
ことが確認された。またその放出電流量も従来よりも大
きく、効率的に電子が放出されていることを確認するこ
とができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently.

【0137】本実施の形態において、ゲート電極の種類
を他材料、例えばモリブデン(Mo)やニオブ(Nb)など
に変えた場合や超音波振動処理に用いる溶液中のダイヤ
モンド粒子の粒径や量を変えて溶液を調合した場合など
においても、同様の結果が得られた。
In the present embodiment, when the type of the gate electrode is changed to another material, for example, molybdenum (Mo) or niobium (Nb), or the particle size or amount of the diamond particles in the solution used for the ultrasonic vibration treatment is changed. Similar results were obtained when the solution was prepared in a different manner.

【0138】(第9の実施の形態)次に冷陰極素子の素
子サイズとして、導電層とゲート電極間の距離を変化さ
せた場合の結果について記す。
(Ninth Embodiment) Next, as a device size of the cold cathode device, a result when the distance between the conductive layer and the gate electrode is changed will be described.

【0139】まず導電性のシリコン基材を通常の洗浄工
程で清浄化した後、熱酸化してシリコン表層に二酸化シ
リコン層を形成した。本実施の形態においては、絶縁体
層として用いる二酸化シリコン層の厚さを0.3μmとし
た。そしてさらに絶縁体層である二酸化シリコン層上に
ゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成した。
First, the conductive silicon substrate was cleaned in a usual cleaning step, and then thermally oxidized to form a silicon dioxide layer on the silicon surface. In this embodiment, the thickness of the silicon dioxide layer used as the insulator layer is 0.3 μm. Further, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0140】この構造によって、導電層とゲート電極間
の距離を0.5μm以下とすることができる。
With this structure, the distance between the conductive layer and the gate electrode can be reduced to 0.5 μm or less.

【0141】続いて前記実施の形態と同様に、フォトレ
ジスト材の塗布、パターニング、ゲート電極並びに二酸
化シリコン層のエッチング工程を経て、シリコン露出部
分に超音波振動処理によって微小ダイヤモンド粒を分布
させた。超音波振動処理の条件は、用いた微小ダイヤモ
ンド粒の平均粒径を0.01μmとした他は、前記第3の実
施の形態と同様である。
Subsequently, as in the above-described embodiment, fine diamond grains were distributed by ultrasonic vibration treatment on exposed portions of the silicon through the steps of applying and patterning a photoresist material, etching the gate electrode and the silicon dioxide layer. The conditions for the ultrasonic vibration treatment are the same as in the third embodiment, except that the average particle size of the fine diamond particles used is 0.01 μm.

【0142】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、さらに放出電流量が
増加し、効率的に電子が放出されていることを確認する
ことができた。すなわち、より低い電圧で冷陰極素子を
駆動することが可能となった。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage was applied to the gate electrode side to about 30 V. As a result, the emission current amount further increased. It was confirmed that electrons were efficiently emitted. That is, the cold cathode device can be driven at a lower voltage.

【0143】本実施の形態において、他の方法で微小ダ
イヤモンド粒子を分布させた場合などにおいても、同様
の結果が得られた。
In the present embodiment, similar results were obtained when minute diamond particles were distributed by another method.

【0144】(第10の実施の形態)次に冷陰極素子の
素子サイズとして、冷陰極部分の開口部の面積を変化さ
せた場合の結果について記す。
(Tenth Embodiment) Next, as the element size of the cold cathode element, a result when the area of the opening of the cold cathode part is changed will be described.

【0145】まず導電性のシリコン基材を通常の洗浄工
程で清浄化した後、熱酸化してシリコン表層に二酸化シ
リコン層を形成した。本実施の形態においても、絶縁体
層として用いる二酸化シリコン層の厚さを0.3μmとし
た。そしてさらに絶縁体層である二酸化シリコン層上に
ゲート電極となるアルミニウム(Al)を形成した。
First, the conductive silicon substrate was cleaned in a usual cleaning step, and then thermally oxidized to form a silicon dioxide layer on the silicon surface. Also in the present embodiment, the thickness of the silicon dioxide layer used as the insulator layer is 0.3 μm. Further, aluminum (Al) serving as a gate electrode was formed on the silicon dioxide layer serving as an insulator layer.

【0146】続いて前記実施の形態と同様に、フォトレ
ジスト材の塗布、パターニングを行なった。本実施の形
態においては、フォトレジスト材に開ける窓の大きさを
直径0.4μmとした。その後、にゲート電極並びに二酸
化シリコン層のエッチングを行なった。その結果、冷陰
極部分の開口部の面積が2×10-9cm2以下の構造となっ
た。そして得られた基材に対して、電圧印加処理を施す
ことによって微小ダイヤモンド粒を分布させた。電圧印
加処理の条件は、用いた微小ダイヤモンド粒の平均粒径
を0.01μmとした他は、前記第6の実施の形態と同様で
ある。
Subsequently, a photoresist material was applied and patterned in the same manner as in the above embodiment. In the present embodiment, the size of the window opened in the photoresist material is 0.4 μm in diameter. Thereafter, the gate electrode and the silicon dioxide layer were etched. As a result, a structure was obtained in which the area of the opening of the cold cathode portion was 2 × 10 −9 cm 2 or less. The obtained base material was subjected to a voltage application treatment to distribute fine diamond grains. The conditions for the voltage application process are the same as in the sixth embodiment, except that the average particle size of the fine diamond particles used is 0.01 μm.

【0147】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より効率的に電子が放出さ
れていることが確認された。すなわち、より微小な面積
で冷陰極素子を形成することが可能となった。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode side. It was confirmed that electrons were emitted more efficiently than diamond grains. That is, it has become possible to form a cold cathode element with a smaller area.

【0148】本実施の形態において、他の方法で微小ダ
イヤモンド粒子を分布させた場合などにおいても、同様
の結果が得られた。
In the present embodiment, similar results were obtained even when minute diamond particles were distributed by another method.

【0149】(第11の実施の形態)本実施の形態で
は、基材としてガラスを用いた場合について記す。
(Eleventh Embodiment) This embodiment describes a case where glass is used as a base material.

【0150】まず基材であるガラスを通常の洗浄工程で
清浄化した後、下部電極となる導電層を線状に形成し
た。導電層の材質は特に限定されるものではなく、通常
の金属層あるいは低抵抗層のみの構成でも良いし、抵抗
体層と金属層、低抵抗層との積層構造でも良い。本実施
例ではアルミニウム層を用いた。
First, the glass as a base material was cleaned in a usual washing step, and then a conductive layer serving as a lower electrode was formed in a linear shape. The material of the conductive layer is not particularly limited, and may be a normal metal layer or a low-resistance layer only, or may be a laminated structure of a resistor layer, a metal layer, and a low-resistance layer. In this embodiment, an aluminum layer was used.

【0151】続いて基材の全面に絶縁体層となる二酸化
シリコン層をスパッタリングあるいはCVD法等の方法
で形成した後、フォトレジスト材のパターンニングを行
なった。本実施の形態においてもパターニング形状につ
いても特に限定はされないが、本実施例では直径1μm
の丸いドットを20μm間隔で100×100個、すなわち1000
0個からなるドットの窓をアルミニウム層上のフォトレ
ジスト材に形成した。
Subsequently, after a silicon dioxide layer serving as an insulator layer was formed on the entire surface of the base material by a method such as sputtering or a CVD method, the photoresist material was patterned. Also in the present embodiment, the patterning shape is not particularly limited, but is 1 μm in diameter in the present embodiment.
100 × 100 round dots of 20 μm intervals, that is, 1000
A window of zero dots was formed in the photoresist material on the aluminum layer.

【0152】さらにそのフォトレジスト材をマスクとし
て、二酸化シリコン層をエッチング除去した。その結
果、二酸化シリコン層が除去された部分に直径が1μm
の丸いドットの窓が形成された。
Further, using the photoresist material as a mask, the silicon dioxide layer was removed by etching. As a result, a portion having a diameter of 1 μm
A round dot window was formed.

【0153】次にこの基材と白金製の平板電極を、平均
粒径が0.02μm程度のダイヤモンド粒子を分散させた溶
液が入った容器内に平行になるよう設置し、基材上に形
成されたアルミニウム層と白金電極間に直流電圧を印加
する電圧印加処理を行なった。本実施の形態で用いた電
圧印加処理の条件は、前記第6の実施の形態と同じ条件
である。電圧印加処理を施した基材は純水で洗浄された
後、窒素ガスでブローすることにより乾燥された。
Next, this base material and a flat plate electrode made of platinum were placed parallel to each other in a container containing a solution in which diamond particles having an average particle size of about 0.02 μm were dispersed, and formed on the base material. A voltage application process for applying a DC voltage between the aluminum layer and the platinum electrode was performed. The conditions of the voltage application processing used in this embodiment are the same as those in the sixth embodiment. The substrate subjected to the voltage application treatment was washed with pure water, and then dried by blowing with nitrogen gas.

【0154】この電圧印加処理を施された基材の表面を
走査電子顕微鏡で観察したところ、電圧が印加されたア
ルミニウム層の円形の窓部分にのみ、溶液に分散させた
微小ダイヤモンド粒が均一に分布していることがわかっ
た。また、その分布密度は〜3×1010個/cm2程度であっ
た。そこでさらに二酸化シリコン層上にゲート電極とな
るアルミニウム(Al)を形成した。
When the surface of the substrate subjected to the voltage application treatment was observed with a scanning electron microscope, the fine diamond particles dispersed in the solution were uniformly distributed only in the circular window portion of the aluminum layer to which the voltage was applied. It turned out that it was distributed. Further, the distribution density was about 3 × 10 10 / cm 2 . Therefore, aluminum (Al) serving as a gate electrode was further formed on the silicon dioxide layer.

【0155】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、アルミニウム層上に
配置された微小ダイヤモンド粒より電子が放出されてい
ることが確認された。またその放出電流量も従来よりも
大きく、効率的に電子が放出されていることを確認する
ことができた。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode side. It was confirmed that electrons were emitted from the diamond grains. Also, the emission current was larger than in the conventional case, and it was confirmed that electrons were emitted efficiently.

【0156】本実施の形態において、ゲート電極あるい
は導電層の種類を他材料や積層構造に変えた場合や電圧
印加処理に用いる溶液中のダイヤモンド粒子の粒径や量
を変えて溶液を調合した場合、溶液のpH値を変化させ
た場合、白金電極を用いず導電性の容器を負極として用
いた場合、さらには粒子をシリコンカーバイドに変えた
場合などにおいても、同様の結果が得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode or the conductive layer is changed to another material or a laminated structure, or when the solution is prepared by changing the particle size or amount of the diamond particles in the solution used for the voltage application process. Similar results were obtained when the pH value of the solution was changed, when a conductive container was used as the negative electrode without using a platinum electrode, and when the particles were changed to silicon carbide.

【0157】また電圧印加処理の前にゲート電極を形成
した後に電圧印加処理を行なった場合や、他の方法例え
ば超音波振動処理などの方法でダイヤモンド粒を配置し
た場合も同様の結果が得られた。
Similar results can be obtained when the voltage application process is performed after the gate electrode is formed before the voltage application process, or when diamond grains are arranged by another method, such as an ultrasonic vibration process. Was.

【0158】(第12の実施の形態)本実施の形態で
は、基材としてガラスを用いて線状の下部電極層の上に
線状の冷陰極部分を形成した場合について記す。
(Twelfth Embodiment) In the present embodiment, a case where a linear cold cathode portion is formed on a linear lower electrode layer using glass as a base material will be described.

【0159】第11の実施の形態と同様に、まず基材で
あるガラスを通常の洗浄工程で清浄化した後、下部電極
となる導電層(材質:Al)を線状に形成した。続いて基
材の全面に絶縁体層となる二酸化シリコン層並びにゲー
ト電極層を形成した後、フォトレジスト材のパターンニ
ングを行なった。本実施の形態では幅が1μmの線状の
窓を塗布されたフォトレジスト材に形成し、そのフォト
レジスト材をマスクとして、ゲート電極層、及び二酸化
シリコン層をエッチング除去した。その結果、幅が1μ
mである線状の窓が形成された。
As in the eleventh embodiment, first, the glass as the base material was cleaned by a normal cleaning step, and then a conductive layer (material: Al) serving as a lower electrode was formed in a linear shape. Subsequently, after a silicon dioxide layer serving as an insulator layer and a gate electrode layer were formed on the entire surface of the base material, patterning of a photoresist material was performed. In this embodiment mode, a linear window having a width of 1 μm is formed on the coated photoresist material, and the gate electrode layer and the silicon dioxide layer are removed by etching using the photoresist material as a mask. As a result, the width is 1μ
A linear window of m was formed.

【0160】次にこの基材と白金製の平板電極を、平均
粒径が0.02μm程度のダイヤモンド粒子を分散させた溶
液が入った容器内に平行になるよう設置し、基材の下部
電極部分と白金電極間に直流電圧を印加する電圧印加処
理を行なった。
Next, this substrate and a platinum plate electrode were placed parallel to each other in a container containing a solution in which diamond particles having an average particle size of about 0.02 μm were dispersed. And a platinum electrode to apply a DC voltage.

【0161】以上のような方法で作製した電子放出素子
を10-6Torr以下の真空中に設置し、ゲート電極側に正の
電圧を30V程度まで印加した結果、シリコン基板上に配
置された微小ダイヤモンド粒より電子が線状に放出され
ていることが確認された。
The electron-emitting device manufactured by the above method was placed in a vacuum of 10 −6 Torr or less, and a positive voltage of about 30 V was applied to the gate electrode. It was confirmed that electrons were emitted linearly from the diamond grains.

【0162】本実施の形態において、ゲート電極あるい
は導電層の種類を他材料や積層構造に変えた場合や電圧
印加処理に用いる溶液中のダイヤモンド粒子の粒径や量
を変えて溶液を調合した場合、溶液のpH値を変化させ
た場合、白金電極を用いず導電性の容器を負極として用
いた場合、さらには粒子をシリコンカーバイドに変えた
場合などにおいても、同様の結果が得られた。
In this embodiment, when the type of the gate electrode or the conductive layer is changed to another material or a laminated structure, or when the solution is prepared by changing the diameter or amount of diamond particles in the solution used for the voltage application process. Similar results were obtained when the pH value of the solution was changed, when a conductive container was used as the negative electrode without using a platinum electrode, and when the particles were changed to silicon carbide.

【0163】また電圧印加処理の前にゲート電極を形成
した後に電圧印加処理を行なった場合や、他の方法例え
ば超音波振動処理などの方法でダイヤモンド粒を配置し
た場合も同様の結果が得られた。
Similar results can be obtained when the voltage application process is performed after the gate electrode is formed before the voltage application process, or when diamond grains are arranged by another method, such as an ultrasonic vibration process. Was.

【0164】(第13の実施の形態)電子放出源である
ダイヤモンド粒の表面構造制御の方法として、ダイヤモ
ンド粒の所定の領域に波長が200nm以下の真空紫外光
の照射を行なった結果について記す。
(Thirteenth Embodiment) As a method of controlling the surface structure of diamond grains as an electron emission source, a result of irradiating a predetermined region of diamond grains with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less will be described.

【0165】まず酸素雰囲気で加熱した導電層上に配置
されたダイヤモンド粒の表面状態を調べたところ、酸素
で終端された表面を有していることがわかった。このよ
うなダイヤモンド粒で構成される冷陰極素子の電子放出
特性を評価した結果、印加電圧が水素終端されていた場
合と比較して高くなっていた。そこで10-7Torr程度の真
空雰囲気中あるいは水素雰囲気中で酸素終端表面を有す
るダイヤモンド粒に波長が200nm以下の真空紫外光を
照射した。その際の真空紫外光の照射量としては照射レ
ート等に依存するため特に限定はされないが、本実施の
形態では1秒当たり1011個のフォトンを15分間照射し
た。その結果、真空紫外光が照射された領域の最表面炭
素と酸素との結合が切れ、水素との結合に変わっている
ことが確認され、冷陰極素子の電子放出特性も改善され
ていることがわかった。すなわち、このプロセスを用い
ることによって、電子放出源となるダイヤモンド粒の表
面状態を制御することが可能であることが確認された。
First, the surface condition of the diamond particles placed on the conductive layer heated in an oxygen atmosphere was examined, and it was found that the diamond particles had a surface terminated with oxygen. As a result of evaluating the electron emission characteristics of the cold cathode device composed of such diamond grains, the applied voltage was higher than that in the case where hydrogen was terminated. Accordingly, diamond particles having an oxygen-terminated surface were irradiated with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less in a vacuum atmosphere of about 10 −7 Torr or a hydrogen atmosphere. The irradiation amount of the vacuum ultraviolet light at this time is not particularly limited because it depends on the irradiation rate and the like, but in this embodiment, 10 11 photons are irradiated for 15 minutes per second. As a result, it was confirmed that the bond between carbon and oxygen on the outermost surface of the region irradiated with the vacuum ultraviolet light was broken and changed to a bond with hydrogen, and that the electron emission characteristics of the cold cathode device were also improved. all right. That is, it was confirmed that by using this process, it was possible to control the surface state of diamond grains serving as electron emission sources.

【0166】(第14の実施の形態)電子放出源である
ダイヤモンド粒の表面構造制御の方法として、ダイヤモ
ンド粒の所定の領域を水素ガスを放電分解して得られる
プラズマに晒した結果について記す。
(Fourteenth Embodiment) As a method of controlling the surface structure of diamond grains as an electron emission source, a result of exposing a predetermined region of diamond grains to plasma obtained by discharge decomposition of hydrogen gas will be described.

【0167】まず表面が酸素終端されているダイヤモン
ド粒を準備した。このダイヤモンド粒を有する冷陰極素
子は、上記のように特性が劣化している。そこで水素ガ
スのECR放電プラズマに酸素終端ダイヤモンド粒の領
域を晒した。その際の水素プラズマ照射時間としては20
秒間である。その結果、水素プラズマに晒された領域の
最表面炭素は、水素との結合に変わっていることが確認
され、冷陰極素子の電子放出特性も改善されていること
がわかった。すなわち、このプロセスを用いることによ
って、電子放出源となるダイヤモンド粒の表面状態を制
御することが可能であることが確認された。
First, diamond grains whose surface was terminated with oxygen were prepared. The characteristics of the cold cathode device having the diamond grains are deteriorated as described above. Then, the region of the oxygen-terminated diamond particles was exposed to ECR discharge plasma of hydrogen gas. The hydrogen plasma irradiation time at that time was 20
Seconds. As a result, it was confirmed that the outermost surface carbon in the region exposed to the hydrogen plasma was changed into a bond with hydrogen, and it was found that the electron emission characteristics of the cold cathode device were also improved. That is, it was confirmed that by using this process, it was possible to control the surface state of diamond grains serving as electron emission sources.

【0168】また水素ガスのECR放電プラズマに晒す
時間を変えた場合や水素ガスをアルゴンや窒素で10%程
度に希釈した場合、他の方法で形成した水素プラズマに
晒した場合などにおいても、同様の結果が得られた。
The same applies to the case where the time for exposing the hydrogen gas to the ECR discharge plasma is changed, the case where the hydrogen gas is diluted to about 10% with argon or nitrogen, and the case where the hydrogen gas is exposed to the hydrogen plasma formed by another method. Was obtained.

【0169】(第15の実施の形態)電子放出源である
ダイヤモンド粒の表面構造制御の方法として、加熱下で
ダイヤモンド粒を水素ガス中に晒した結果について記
す。
(Fifteenth Embodiment) As a method of controlling the surface structure of diamond particles as an electron emission source, a result of exposing diamond particles to hydrogen gas under heating will be described.

【0170】まず表面が酸素終端されているダイヤモン
ド粒を準備した。このダイヤモンド粒を有する冷陰極素
子は、上記のように特性が劣化している。そこで水素ガ
スを流した円筒形の容器内に酸素終端ダイヤモンド粒を
有する冷陰極素子を設置し、600℃まで加熱した。その
際の処理時間としては10分間である。その結果、水素雰
囲気中で加熱されたダイヤモンド粒の最表面炭素は、水
素との結合に変わっていることが確認され、冷陰極素子
の電子放出特性も改善されていることがわかった。すな
わち、このプロセスを用いることによって、電子放出源
となるダイヤモンド粒の表面状態を制御することが可能
であることが確認された。
First, diamond grains whose surface was terminated with oxygen were prepared. The characteristics of the cold cathode device having the diamond grains are deteriorated as described above. Therefore, a cold cathode device having oxygen-terminated diamond particles was set in a cylindrical container in which hydrogen gas was flown, and heated to 600 ° C. The processing time at that time is 10 minutes. As a result, it was confirmed that the outermost surface carbon of the diamond particles heated in the hydrogen atmosphere was changed into a bond with hydrogen, and that the electron emission characteristics of the cold cathode device were also improved. That is, it was confirmed that by using this process, it was possible to control the surface state of diamond grains serving as electron emission sources.

【0171】また容器に流す水素ガスをアルゴンや窒素
で10%程度に希釈した場合や加熱温度を400〜900℃の範
囲で変化された場合などにおいても、同様の結果が得ら
れた。
Similar results were obtained when the hydrogen gas flowing through the container was diluted to about 10% with argon or nitrogen, or when the heating temperature was changed in the range of 400 to 900 ° C.

【0172】(第16の実施の形態)電子放出源である
ダイヤモンド粒の表面構造制御の方法として、ダイヤモ
ンド粒の所定の領域を酸素ガスを放電分解して得られる
プラズマに晒した結果について記す。
(Sixteenth Embodiment) As a method of controlling the surface structure of diamond grains as an electron emission source, a result of exposing a predetermined region of diamond grains to plasma obtained by discharge decomposition of oxygen gas will be described.

【0173】まず表面が水素終端されているダイヤモン
ド粒を準備した。このようなダイヤモンド粒で構成され
る冷陰極素子の電子放出領域を限定するために、酸素ガ
スのECR放電プラズマにダイヤモンド粒が配置された
冷陰極部分の一部を晒した。その際の酸素プラズマ照射
時間としては20秒間である。その結果、酸素プラズマに
晒された領域の最表面炭素は、酸素との結合に変わって
いることが確認され、電子放出がされる領域を制御でき
ることがわかった。すなわち、このプロセスを用いるこ
とによって、電子放出源となるダイヤモンド粒の表面状
態を制御することが可能であることが確認された。
First, diamond grains whose surface was terminated with hydrogen were prepared. In order to limit the electron emission region of the cold cathode device composed of such diamond grains, a part of the cold cathode portion where the diamond grains were arranged was exposed to ECR discharge plasma of oxygen gas. The oxygen plasma irradiation time at that time is 20 seconds. As a result, it was confirmed that the outermost surface carbon in the region exposed to the oxygen plasma was changed into a bond with oxygen, and it was found that the region where electrons were emitted could be controlled. That is, it was confirmed that by using this process, it was possible to control the surface state of diamond grains serving as electron emission sources.

【0174】また酸素ガスのECR放電プラズマに晒す
時間を変えた場合や酸素ガスをアルゴンや窒素で10%程
度に希釈した場合、他の方法で形成した酸素プラズマに
晒した場合などにおいても、同様の結果が得られた。
The same applies when the time of exposing oxygen gas to ECR discharge plasma is changed, when oxygen gas is diluted to about 10% with argon or nitrogen, or when it is exposed to oxygen plasma formed by another method. Was obtained.

【0175】(第17の実施例)電子放出源であるダイ
ヤモンド粒の表面構造制御の方法として、加熱下でダイ
ヤモンド粒を酸素ガス中に晒した結果について記す。
(Seventeenth Embodiment) As a method of controlling the surface structure of diamond grains as an electron emission source, a result of exposing diamond grains to oxygen gas under heating will be described.

【0176】まず表面が水素終端されているダイヤモン
ド粒を準備した。このようなダイヤモンド粒で構成され
る冷陰極素子の電子放出領域を限定するために、一部の
領域を酸素ガス晒した。その結果、酸素雰囲気中に晒さ
れたダイヤモンド粒の最表面炭素は、酸素との結合に変
わっていることが確認され、電子放出がされる領域を制
御できることがわかった。すなわち、このプロセスを用
いることによって、電子放出源となるダイヤモンド粒の
表面状態を制御することが可能であることが確認され
た。
First, diamond grains whose surface was terminated with hydrogen were prepared. In order to limit the electron emission region of the cold cathode device composed of such diamond grains, a partial region was exposed to oxygen gas. As a result, it was confirmed that the outermost surface carbon of the diamond particles exposed to the oxygen atmosphere was changed into a bond with oxygen, and it was found that the region where electrons were emitted could be controlled. That is, it was confirmed that by using this process, it was possible to control the surface state of diamond grains serving as electron emission sources.

【0177】またダイヤモンド粒に晒す酸素ガスをアル
ゴンや窒素で10%程度に希釈した場合や加熱温度を変化
された場合などにおいても、同様の結果が得られた。
Similar results were obtained when the oxygen gas exposed to the diamond particles was diluted to about 10% with argon or nitrogen, or when the heating temperature was changed.

【0178】[0178]

【発明の効果】以上のように、本発明に係る冷陰極素子
によれば、導電層と、前記導電層上に形成された冷陰極
部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すためのゲー
ト電極とを備えた冷陰極素子であって、前記冷陰極部分
が複数個の電子放出源となりうる構造を含んだ構成であ
ることを特徴とするため、多数の電子放出源から電子が
放出されるので大きな電子放出電流を得ることが可能と
なると共に、全体的に安定性の良い電子放出を得ること
が可能となる。
As described above, according to the cold cathode device according to the present invention, the conductive layer, the cold cathode portion formed on the conductive layer, and the gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion are provided. Since the cold cathode element has a structure that includes a structure that can serve as a plurality of electron emission sources, electrons are emitted from a large number of electron emission sources. A large electron emission current can be obtained, and electron emission with good stability as a whole can be obtained.

【0179】また本発明に係る冷陰極素子によれば、導
電層と、前記導電層上に形成された冷陰極部分と、前記
冷陰極部分から電子を引き出すためのゲート電極とを備
えた冷陰極素子であって、複数個の電子放出源となりう
る構造を含んだ冷陰極部分と、引き出された電子の軌道
を制御する絞り電極とを含んだ構成であることを特徴と
するため、電子流の軌道やビーム径を制御することが可
能となる。
According to the cold cathode device of the present invention, the cold cathode includes a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion. The device has a configuration including a cold cathode portion including a structure that can serve as a plurality of electron emission sources, and an aperture electrode for controlling the trajectory of the extracted electrons. The orbit and the beam diameter can be controlled.

【0180】また本発明の構成によれば、導電層とゲー
ト電極間の距離が0.5μm以下である構成、あるいは冷
陰極部分の開口部の面積が2×10-9cm2以下である構成を
含むことを特徴とするため、従来よりも小さな距離、面
積で同等以上の特性を有する冷陰極素子を作製できるの
で、より低電圧で、より集積性の高い微小な冷陰極素子
を作製することが可能となる。
According to the structure of the present invention, the structure in which the distance between the conductive layer and the gate electrode is 0.5 μm or less, or the structure in which the area of the opening of the cold cathode portion is 2 × 10 −9 cm 2 or less. Because it is characterized by including, it is possible to manufacture a cold cathode device having characteristics equal to or greater than a conventional device at a smaller distance and area, so that it is possible to produce a small cold cathode device with higher integration at a lower voltage. It becomes possible.

【0181】また前記本発明方法によれば、平均粒径が
0.2μm以下の粒子状のダイヤモンドを導電層上に分布
させる工程、あるいは平均粒径が0.2μm以下の粒子状
のダイヤモンドを導電層に埋め込ませる工程を含むこと
を特徴とするので、冷陰極材料として非常に適したダイ
ヤモンドを、電子放出源となりうる構造である微小粒子
あるいはその凝集体の形態で導電層上あるいは導電層表
層に再現性よく配置できるので、容易に高効率な冷陰極
素子を形成することが可能となる。さらに導電層上ある
いは導電層表層に配置されたダイヤモンド粒子を核にし
て、ダイヤモンド層を成長した構造によっても同様な効
果を得ることができる。
According to the method of the present invention, the average particle size is
Since the step of distributing 0.2 μm or less of particulate diamond on the conductive layer, or the step of embedding the particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less in the conductive layer is characterized in that it is used as a cold cathode material, Since highly suitable diamond can be arranged with good reproducibility on the conductive layer or on the surface of the conductive layer in the form of fine particles or agglomerates thereof that can be an electron emission source, it is possible to easily form a highly efficient cold cathode device. It becomes possible. Further, a similar effect can be obtained by a structure in which a diamond layer is grown using diamond particles arranged on the conductive layer or on the surface of the conductive layer as nuclei.

【0182】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドの所定の領域に
波長が200nm以下の真空紫外光を照射する工程を含む
ことを特徴とするので、選択的にダイヤモンド表面に結
合した元素の除去と新たな結合を形成することが可能と
なるので、ダイヤモンド表面状態を正(絶縁性)及び負
(導電性)のいずれにも制御することが可能となる。
According to the structure of the method of the present invention, the method further comprises the step of irradiating a predetermined region of the particulate diamond arranged in the cold cathode portion with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less. Since it becomes possible to selectively remove elements bonded to the diamond surface and form new bonds, it is possible to control the diamond surface state to either positive (insulating) or negative (conductive). Become.

【0183】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドの所定の領域を
少なくとも水素を含むガスを放電分解して得られるプラ
ズマに晒す工程を有すること、あるいは冷陰極部分に配
置された粒子状ダイヤモンドを少なくとも水素を含むガ
スに晒す工程を有することを特徴とするので、選択的に
ダイヤモンドの最表層炭素原子に水素原子を結合させる
ことが可能となり、その結果容易に電子放出しやすい状
態の領域を形成することが可能になる。
According to the structure of the method of the present invention, the method further comprises the step of exposing a predetermined region of the particulate diamond disposed at the cold cathode portion to plasma obtained by subjecting at least a gas containing hydrogen to electric discharge decomposition, or Since it has a step of exposing the particulate diamond arranged at the cold cathode portion to a gas containing at least hydrogen, it is possible to selectively bond hydrogen atoms to the outermost carbon atoms of diamond, and as a result, It is possible to form a region in a state where electrons are easily emitted.

【0184】また前記本発明方法の構成によれば、冷陰
極部分に配置された粒子状ダイヤモンドの所定の領域を
少なくとも酸素を含むガスを放電分解して得られるプラ
ズマに晒す工程を有すること、あるいは冷陰極部分に配
置された粒子状ダイヤモンドを少なくとも酸素を含むガ
スに晒す工程を有することを特徴とするので、選択的に
ダイヤモンドの最表層炭素原子に酸素原子を結合させる
ことが可能となり、その結果容易に電子放出がしにくい
状態の領域を形成することが可能になる。これらの製造
方法により任意の部分から選択的に電子を放出する電子
放出素子を形成することが出来る。以上のようにダイヤ
モンド層の表面状態を任意に制御することにより、高効
率電子放出素子の素子構成並びに作製プロセスを簡便に
することができる。
According to the configuration of the method of the present invention, the method further comprises the step of exposing a predetermined region of the particulate diamond disposed at the cold cathode portion to plasma obtained by discharge-decomposing at least a gas containing oxygen. Since it has a step of exposing the particulate diamond arranged in the cold cathode portion to a gas containing at least oxygen, it is possible to selectively bind oxygen atoms to the outermost carbon atoms of diamond, and as a result, This makes it possible to form a region where electron emission is difficult. By these manufacturing methods, an electron-emitting device that selectively emits electrons from an arbitrary portion can be formed. By arbitrarily controlling the surface state of the diamond layer as described above, the device configuration and the manufacturing process of the high-efficiency electron-emitting device can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る冷陰極素子の基本的な構造を示す
断面図
FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a cold cathode device according to the present invention.

【図2】比較例として挙げた従来構造の冷陰極素子の基
本的な構造を示す断面図
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a basic structure of a conventional cold cathode device as a comparative example.

【図3】本発明に係る他の冷陰極素子の基本的な構造を
示す断面図
FIG. 3 is a sectional view showing a basic structure of another cold cathode device according to the present invention.

【図4】本発明に係る冷陰極素子の表面を顕微鏡での観
察した形状を示す写真
FIG. 4 is a photograph showing a shape of a surface of a cold cathode device according to the present invention observed with a microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基材 2 導電層 3 冷陰極部分 4 絶縁体層 5 ゲート電極 6 電子放出源となりうる構造 7 絞り電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Conductive layer 3 Cold cathode part 4 Insulator layer 5 Gate electrode 6 Structure which can be an electron emission source 7 Aperture electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白鳥 哲也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tetsuya Shiratori 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (36)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電層と、前記導電層上に形成された冷
陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すための
ゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、前記冷陰極
部分の電子放出源となりうる部分が複数個に分割した構
成であることを特徴とする冷陰極素子。
1. A cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, wherein the cold cathode portion includes A cold cathode device, wherein a portion that can be an electron emission source is divided into a plurality of portions.
【請求項2】 導電層と、前記導電層上に形成された冷
陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すための
ゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、複数個の電
子放出源となりうる構造を含んだ冷陰極部分と、引き出
された電子の軌道を制御する絞り電極とを含んだ構成で
あることを特徴とする冷陰極素子。
2. A cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, wherein a plurality of electron emitting devices are provided. A cold-cathode device comprising a cold-cathode portion including a structure that can serve as a source, and an aperture electrode for controlling the trajectory of the extracted electrons.
【請求項3】 冷陰極部分に配置される複数個の電子放
出源となりうる構造が導電層表層に埋め込まれて配置さ
れていることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷陰
極素子。
3. The cold-cathode device according to claim 1, wherein a structure that can be a plurality of electron-emitting sources arranged in the cold-cathode portion is embedded in the surface layer of the conductive layer.
【請求項4】 冷陰極部分に配置される複数個の電子放
出源となりうる構造が孤立していることを特徴とする請
求項1又は2に記載の冷陰極素子。
4. The cold-cathode device according to claim 1, wherein a plurality of electron emission sources arranged in the cold-cathode portion are isolated.
【請求項5】 冷陰極部分に配置される複数個の電子放
出源となりうる構造が粒子状あるいは粒子の凝集体状で
あることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷陰極素
子。
5. The cold cathode device according to claim 1, wherein the structure that can be a plurality of electron emission sources disposed in the cold cathode portion is in the form of particles or aggregates of particles.
【請求項6】 冷陰極部分に配置される粒子の平均粒径
が0.2μm以下であることを特徴とする請求項5に記載
の冷陰極素子。
6. The cold cathode device according to claim 5, wherein the average diameter of the particles arranged in the cold cathode portion is 0.2 μm or less.
【請求項7】 冷陰極部分に配置される粒子あるいは粒
子の凝集体の分布密度が少なくとも1平方センチメート
ル当たり1×1010個以上であることを特徴とする請求項
5に記載の冷陰極素子。
7. The cold-cathode device according to claim 5, wherein the distribution density of the particles or aggregates of the particles arranged in the cold-cathode portion is at least 1 × 10 10 per square centimeter.
【請求項8】 冷陰極部分に配置される複数個の電子放
出源となりうる構造がダイヤモンドからなることを特徴
とする請求項1又は2に記載の冷陰極素子。
8. The cold-cathode device according to claim 1, wherein the structure that can be a plurality of electron-emitting sources disposed in the cold-cathode portion is made of diamond.
【請求項9】 冷陰極部分に配置されたダイヤモンドの
表面が、セシウム(Cs)、ニッケル(Ni)、チタン(T
i)、タングステン(W)、水素(H)、アモルファス
カーボンのいずれかで被覆された構成を含むことを特徴
とする請求項8に記載の冷陰極素子。
9. The surface of a diamond disposed on a cold cathode portion is made of cesium (Cs), nickel (Ni), titanium (T
9. The cold cathode device according to claim 8, comprising a configuration coated with any one of i), tungsten (W), hydrogen (H), and amorphous carbon.
【請求項10】 冷陰極部分に配置されたダイヤモンド
の表面を被覆している物質の付着原子密度が、1平方セ
ンチメートル当たり1×1017個以下であることを特徴と
する請求項9に記載の冷陰極素子。
10. The cold cathode according to claim 9, wherein a substance covering the surface of the diamond disposed on the cold cathode portion has an attached atom density of 1 × 10 17 or less per square centimeter. Cathode element.
【請求項11】 冷陰極部分に配置されたダイヤモンド
の最表面の炭素原子が、水素原子との結合によって終端
された構造を含むことを特徴とする請求項8に記載の冷
陰極素子。
11. The cold cathode device according to claim 8, wherein a carbon atom on the outermost surface of the diamond disposed in the cold cathode portion has a structure terminated by a bond with a hydrogen atom.
【請求項12】 冷陰極部分に配置されたダイヤモンド
の最表面の炭素原子と結合した水素原子の量が、1平方
センチメートル当たり1×1015個以上であることを特徴
とする請求項11に記載の冷陰極素子。
12. The method according to claim 11, wherein the amount of hydrogen atoms bonded to carbon atoms on the outermost surface of the diamond disposed on the cold cathode portion is 1 × 10 15 or more per square centimeter. Cold cathode device.
【請求項13】 導電層が、少なくとも半導体層を1層
以上含む多層構造であることを特徴とする請求項1又は
2に記載の冷陰極素子。
13. The cold cathode device according to claim 1, wherein the conductive layer has a multilayer structure including at least one semiconductor layer.
【請求項14】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、前記導電
層と前記ゲート電極間の距離が0.5μm以下である構成
を含むことを特徴とする冷陰極素子。
14. A cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, wherein the cold cathode element includes A cold cathode device comprising a configuration in which a distance between gate electrodes is 0.5 μm or less.
【請求項15】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子であって、前記冷陰
極部分の開口部の面積が2×10-9cm2以下である構成を含
むことを特徴とする冷陰極素子。
15. A cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, wherein the cold cathode portion includes A cold cathode device comprising a configuration in which the area of the opening is 2 × 10 −9 cm 2 or less.
【請求項16】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモンドを
前記導電層上に分布させる工程を含むことを特徴とする
冷陰極素子の製造方法。
16. A method for manufacturing a cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of distributing particulate diamond having a diameter of 0.2 μm or less on the conductive layer.
【請求項17】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモンドを
前記導電層上に分布させる工程と、前記粒子状のダイヤ
モンド上にダイヤモンド層を成長させる工程とを含むこ
とを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
17. A method for manufacturing a cold cathode device comprising a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising: distributing particulate diamond having a diameter of 0.2 μm or less on the conductive layer; and growing a diamond layer on the particulate diamond.
【請求項18】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモンドを
前記導電層に埋め込ませる工程を含むことを特徴とする
冷陰極素子の製造方法。
18. A method for manufacturing a cold cathode device comprising a conductive layer, a cold cathode portion formed on the conductive layer, and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of embedding particulate diamond having a diameter of 0.2 μm or less in the conductive layer.
【請求項19】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、平均粒径が0.2μm以下の粒子状のダイヤモンドを
前記導電層に埋め込ませる工程と、前記粒子状のダイヤ
モンド上にダイヤモンド層を成長させる工程とを含むこ
とを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
19. A method for manufacturing a cold cathode device, comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method of manufacturing a cold cathode device, comprising: a step of embedding particulate diamond having a diameter of 0.2 μm or less in the conductive layer; and a step of growing a diamond layer on the particulate diamond.
【請求項20】 粒子状のダイヤモンド上にダイヤモン
ド層を成長させる工程が気相合成法であることを特徴と
する請求項17又は19に記載の冷陰極素子の製造方
法。
20. The method according to claim 17, wherein the step of growing a diamond layer on the particulate diamond is a vapor phase synthesis method.
【請求項21】 導電層上あるいは導電層表層に粒子状
ダイヤモンドを配置させる工程が、基材上の一部の領域
に絶縁体層を形成する工程の後であることを特徴とする
請求項16、17、18、19のいずれかに記載の冷陰
極素子の製造方法。
21. The method according to claim 16, wherein the step of disposing the particulate diamond on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is after the step of forming the insulator layer in a partial region on the base material. , 17, 18, and 19.
【請求項22】 導電層上あるいは導電層表層に粒子状
ダイヤモンドを配置させる工程が、ゲート電極を形成す
る工程の後であることを特徴とする請求項16、17、
18、19のいずれかに記載の冷陰極素子の製造方法。
22. The method according to claim 16, wherein the step of disposing the particulate diamond on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is performed after the step of forming the gate electrode.
20. The method for manufacturing a cold cathode device according to any one of 18 and 19.
【請求項23】 導電層上あるいは導電層表層への粒子
状ダイヤモンドの配置方法が、平均粒径が0.2μm以下
の粒子状のダイヤモンドを分散させた溶液を基材に塗布
すること特徴とする請求項16、17、18、19のい
ずれかに記載の冷陰極素子の製造方法。
23. A method for arranging particulate diamond on a conductive layer or on a surface of a conductive layer, wherein a solution in which particulate diamond having an average particle diameter of 0.2 μm or less is dispersed is applied to a substrate. Item 20. The method for producing a cold cathode device according to any one of Items 16, 17, 18, and 19.
【請求項24】 導電層上あるいは導電層表層への粒子
状ダイヤモンドの配置方法が、平均粒径が0.2μm以下
の粒子状のダイヤモンドを分散させた溶液中に基材を設
置し、前記溶液に超音波振動を印加すること特徴とする
請求項16、17、18、19のいずれかに記載の冷陰
極素子の製造方法。
24. A method for arranging particulate diamond on a conductive layer or on a surface of a conductive layer is such that a base material is placed in a solution in which particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less is dispersed, and 20. The method of manufacturing a cold cathode device according to claim 16, wherein ultrasonic vibration is applied.
【請求項25】 導電層上あるいは導電層表層への粒子
状ダイヤモンドの配置方法が、平均粒径が0.2μm以下
の粒子状のダイヤモンドを分散させた溶液中に基材を設
置し、前記基材の導電部と溶液を入れた容器との間、あ
るいは前記基材の導電部と溶液中に設置された電極との
間に電圧を印加すること特徴とする請求項16、17、
18、19のいずれかに記載の冷陰極素子の製造方法。
25. A method for arranging particulate diamond on a conductive layer or a surface layer of a conductive layer, comprising: disposing a substrate in a solution in which particulate diamond having an average particle size of 0.2 μm or less is dispersed; 18. A voltage is applied between the conductive part of the substrate and the container containing the solution, or between the conductive part of the base material and the electrode provided in the solution.
20. The method for manufacturing a cold cathode device according to any one of 18 and 19.
【請求項26】 基材を設置する溶液中に分散させた粒
子状のダイヤモンドの量が、溶液1リットル当たり0.01
g以上、100g以下であること特徴とする請求項23、
24又は25に記載の冷陰極素子の製造方法。
26. The amount of particulate diamond dispersed in a solution in which a substrate is placed is 0.01 to 1 liter of the solution.
25 g or more and 100 g or less.
26. The method for manufacturing a cold cathode device according to 24 or 25.
【請求項27】 基材を設置する溶液中に分散させた粒
子状のダイヤモンドの数が、溶液1リットル当たり1×
1016個以上、1×1020個以下であること特徴とする請求
項23、24又は25に記載の冷陰極素子の製造方法。
27. The number of particulate diamonds dispersed in a solution in which a substrate is placed is 1 × / liter of solution.
26. The method according to claim 23, 24 or 25, wherein the number is 10 16 or more and 1 × 10 20 or less.
【請求項28】 基材を設置する溶液が、水あるいはア
ルコールを主成分とすること特徴とする請求項23、2
4又は25に記載の冷陰極素子の製造方法。
28. The solution according to claim 23, wherein the solution in which the base material is placed contains water or alcohol as a main component.
26. The method for manufacturing a cold cathode device according to 4 or 25.
【請求項29】 基材を設置する溶液が、少なくともフ
ッ素(F)を構成元素とした化合物を含むことを特徴と
する請求項23、24又は25に記載の冷陰極素子の製
造方法。
29. The method for manufacturing a cold cathode device according to claim 23, wherein the solution in which the substrate is provided contains at least a compound containing fluorine (F) as a constituent element.
【請求項30】 フッ素を構成元素とした化合物が、フ
ッ化水素酸、あるいはフッ化アンモニウムであることを
特徴とする請求項29に記載の冷陰極素子の製造方法。
30. The method according to claim 29, wherein the compound containing fluorine as a constituent element is hydrofluoric acid or ammonium fluoride.
【請求項31】 導電層上あるいは導電層表層に配置さ
れた粒子状ダイヤモンドの分布密度が、1平方センチメ
ートル当たり1×1010個以上であることを特徴とする請
求項23、24又は25に記載の冷陰極素子の製造方
法。
31. The method according to claim 23, 24 or 25, wherein the distribution density of the particulate diamond arranged on the conductive layer or on the surface of the conductive layer is 1 × 10 10 or more per square centimeter. A method for manufacturing a cold cathode device.
【請求項32】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、冷陰極部分に配置される粒子状ダイヤモンドの所定
の領域に波長が200nm以下の真空紫外光を照射する工程
を含むことを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
32. A method for manufacturing a cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of irradiating a predetermined region of particulate diamond arranged in a portion with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less.
【請求項33】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、冷陰極部分に配置される粒子状ダイヤモンドの所定
の領域を少なくとも水素を含むガスを放電分解して得ら
れるプラズマに晒す工程を有することを特徴とする冷陰
極素子の製造方法。
33. A method of manufacturing a cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the cold cathode device comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of exposing a predetermined region of particulate diamond disposed in a portion to a plasma obtained by subjecting a gas containing at least hydrogen to discharge decomposition.
【請求項34】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、冷陰極部分に配置される粒子状ダイヤモンドの所定
の領域を少なくとも水素を含むガスに晒す工程を有する
ことを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
34. A method for manufacturing a cold cathode device, comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the cold cathode device comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of exposing a predetermined region of the particulate diamond arranged in a portion to a gas containing at least hydrogen.
【請求項35】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、冷陰極部分に配置される粒子状ダイヤモンドの所定
の領域を少なくとも酸素を含むガスを放電分解して得ら
れるプラズマに晒す工程を有することを特徴とする冷陰
極素子の製造方法。
35. A method for manufacturing a cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of exposing a predetermined region of particulate diamond disposed in a portion to a plasma obtained by discharge-decomposing a gas containing at least oxygen.
【請求項36】 導電層と、前記導電層上に形成された
冷陰極部分と、前記冷陰極部分から電子を引き出すため
のゲート電極とを備えた冷陰極素子の製造方法であっ
て、冷陰極部分に配置される粒子状ダイヤモンドの所定
の領域を少なくとも酸素を含むガスに晒す工程を有する
ことを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
36. A method of manufacturing a cold cathode device comprising: a conductive layer; a cold cathode portion formed on the conductive layer; and a gate electrode for extracting electrons from the cold cathode portion, the method comprising: A method for manufacturing a cold cathode device, comprising a step of exposing a predetermined region of particulate diamond disposed in a portion to a gas containing at least oxygen.
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