JPH1083757A - Cold electron emitting element and its manufacture - Google Patents
Cold electron emitting element and its manufactureInfo
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- JPH1083757A JPH1083757A JP23656196A JP23656196A JPH1083757A JP H1083757 A JPH1083757 A JP H1083757A JP 23656196 A JP23656196 A JP 23656196A JP 23656196 A JP23656196 A JP 23656196A JP H1083757 A JPH1083757 A JP H1083757A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強電界によって電
子を放出する電界放射型の冷電子放出素子及びその製造
方法に関する。より詳しくは、光プリンタ、電子顕微
鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃とし
て、あるいは照明ランプの超小型照明源として、特に平
面ディスプレイを構成するアレイ状のFEA(FEA
は、 "FieldEmitter Array" の略)に用いる電子発
生源として有用な冷電子放出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 field emission type cold electron-emitting device that emits electrons by a strong electric field and a method of manufacturing the same. More specifically, as an electron generating source or an electron gun of an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure device, or the like, or as a micro illumination source of an illumination lamp, particularly, an array-like FEA (FEA) constituting a flat display
The present invention relates to a cold electron-emitting device useful as an electron source used in "Field Emitter Array" and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。2. Description of the Related Art Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, the cathode ray tube consumes a large amount of energy to emit thermoelectrons from a cathode of an electron gun, and is structurally large. There were problems such as requiring a volume.
【0003】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。[0003] For this reason, there has been a demand for a flat display in which cold electrons can be used instead of thermoelectrons, thereby reducing the energy consumption as a whole and further reducing the size of the device itself. There is also a strong demand for such a flat display to realize high-speed response and high resolution.
【0004】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
冷電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されて
いる。そして、そのために使用する冷電子放出素子とし
て、電界放射現象を利用した電界放射型の冷電子放出素
子が注目されている。この電界放射型の冷電子放出素子
は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に
応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、
電界強度が107 V/cm以上の強電界となると、物質
中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突
破できるようになり、そのため物質から電子が放出され
るという現象を利用している。この場合、電場がポアッ
ソンの方程式に従うために、電子を放出する部材(エミ
ッタ)に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い
引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができ
る。As a structure of such a flat display utilizing cold electrons, a structure in which minute cold electron-emitting devices are arranged in an array in a flat plate cell in a high vacuum is considered to be promising. As a cold electron-emitting device used therefor, a field-emission cold electron-emitting device utilizing a field emission phenomenon has been receiving attention. In this field emission type cold electron-emitting device, when the intensity of an electric field applied to a substance is increased, the width of an energy barrier on the surface of the substance is gradually reduced according to the intensity,
When the electric field intensity becomes a strong electric field of 10 7 V / cm or more, electrons in a substance can break through the energy barrier by a tunnel effect, and the phenomenon that electrons are emitted from the substance is used. In this case, since the electric field complies with Poisson's equation, if a portion where the electric field is concentrated is formed on a member (emitter) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.
【0005】このような電界放射型の冷電子放出素子の
一般的なものとしては、図6に示すように、先端が尖っ
た円錐の形状をした冷電子放出素子を例示することがで
きる。この素子においては、絶縁性基板61上に導電層
62、絶縁層63及びゲート電極64が順次積層されて
おり、その絶縁層63及びゲート電極64には、導電層
62に達する開口部Aが形成されている。そして、その
開口部A内の導電層62上には、少なくともゲート電極
64に接触しないように、円錐形状のエミッタ65が形
成されている。A common example of such a field emission type cold electron emitting device is a cold electron emitting device having a conical shape with a sharp tip as shown in FIG. In this element, a conductive layer 62, an insulating layer 63 and a gate electrode 64 are sequentially laminated on an insulating substrate 61, and an opening A reaching the conductive layer 62 is formed in the insulating layer 63 and the gate electrode 64. Have been. A conical emitter 65 is formed on the conductive layer 62 in the opening A so as not to contact at least the gate electrode 64.
【0006】このような円錐形エミッタでは、スピント
型エミッタが広く知られている。Among such conical emitters, Spindt-type emitters are widely known.
【0007】スピント型エミッタを備えた冷電子放出素
子の製造例を、図7(a)〜(d)を参照しながら説明
する。An example of manufacturing a cold electron emitting device having a Spindt-type emitter will be described with reference to FIGS.
【0008】まず、図7(a)に示すように、予めエミ
ッタ配線72が形成されたガラス基板71上に、絶縁層
73及びゲート電極74をスパッタ法又は真空蒸着法等
により順次成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法
と反応性イオンエッチング法(RIE)とを利用して絶
縁層73及びゲート電極74の一部を、エミッタ配線7
2が露出するまで円形の孔(ゲート孔)が開口するよう
にエッチングする。First, as shown in FIG. 7A, an insulating layer 73 and a gate electrode 74 are sequentially formed on a glass substrate 71 on which an emitter wiring 72 is formed in advance by a sputtering method or a vacuum evaporation method. Subsequently, the insulating layer 73 and a part of the gate electrode 74 are removed by using the photolithography method and the reactive ion etching method (RIE).
Etching is performed so that a circular hole (gate hole) is opened until 2 is exposed.
【0009】次に、図7(b)に示すように、斜方蒸着
によりリフトオフ材75をゲート電極74上にのみ形成
する。リフトオフ材75の材料としては、Al、MgO
等を使用している。Next, as shown in FIG. 7B, a lift-off material 75 is formed only on the gate electrode 74 by oblique evaporation. The material of the lift-off material 75 is Al, MgO
And so on.
【0010】続いて、図7(c)に示すように、基板7
1上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、
エミッタ76用の金属材料を蒸着する。このとき、蒸着
の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると同時にエ
ミッタ配線72上に円錐形のエミッタ76が自己整合的
に形成される。蒸着は、最終的にゲート孔が閉じるまで
行なう。エミッタの材料としては、Mo、Ni等を使用
している。Subsequently, as shown in FIG.
1, on the perpendicular direction by ordinary anisotropic deposition
A metal material for the emitter 76 is deposited. At this time, as the deposition proceeds, the opening diameter of the gate hole is reduced, and at the same time, a conical emitter 76 is formed on the emitter wiring 72 in a self-aligned manner. The vapor deposition is performed until the gate hole is finally closed. As a material of the emitter, Mo, Ni, or the like is used.
【0011】最後に、図7(d)に示すように、リフト
オフ材75をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲ
ート電極74をパターニングする。これによりスピント
型エミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。Finally, as shown in FIG. 7D, the lift-off material 75 is peeled off by etching, and the gate electrode 74 is patterned if necessary. Thus, a cold electron emitting device having a Spindt-type emitter is obtained.
【0012】このようなスピント型の冷電子放出素子
は、異方性蒸着法により自己整合的に円錐形状のエミッ
タが比較的簡便に形成できるために、エミッタ材料も広
範囲に選定でき、また、エミッタ材料が蒸着可能な材料
である限り任意の種類の基板、特に、大面積化の可能な
ガラス基板を利用できるという利点を有している。In such a Spindt-type cold electron-emitting device, a conical emitter can be formed relatively easily in a self-aligned manner by anisotropic vapor deposition, so that a wide range of emitter materials can be selected. As long as the material is a material that can be vapor-deposited, there is an advantage that any type of substrate, in particular, a glass substrate capable of increasing the area can be used.
【0013】スピント型エミッタに代表される、微細加
工技術を利用した冷電子放出素子を特に平面ディスプレ
イ等に適用する場合、エミッタからのエミッション電流
の変動が小さいことが、高品位の画質を得るには必要不
可欠である。When a cold electron emitting device utilizing a fine processing technique represented by a Spindt-type emitter is applied to a flat display or the like in particular, a small fluctuation of the emission current from the emitter is required to obtain a high quality image. Is essential.
【0014】エミッション電流の変動は、エミッタを集
積化することで、ある程度低減することが可能である。
これは、集積化により個々のエミッタにおけるエミッシ
ョン特性のばらつきの影響が低減されるためである。し
かしながら、この方法では各エミッタからのエミッショ
ン電流を見かけ上平均化するにすぎないため、局所的に
現れる異常に大きなエミッション電流を抑制することは
不可能である。The fluctuation of the emission current can be reduced to some extent by integrating the emitter.
This is because the effect of variations in emission characteristics of individual emitters is reduced by integration. However, in this method, the emission current from each emitter is merely averaged, so that it is impossible to suppress an abnormally large emission current that appears locally.
【0015】このようなエミッション電流の変動を低減
する手段として、米国特許第3,789,471号公報
では、スピント型の冷電子放出素子において、エミッタ
配線層とエミッタの間に抵抗層を設ける技術が示されて
いる。As means for reducing such a variation in emission current, US Pat. No. 3,789,471 discloses a technique in which a resistance layer is provided between an emitter wiring layer and an emitter in a Spindt-type cold electron emission element. It is shown.
【0016】このような抵抗層を具備した冷電子放出素
子の構成例を、図8を参照しながら説明する。An example of the configuration of a cold electron emission device having such a resistance layer will be described with reference to FIG.
【0017】絶縁性基板81上に導電層82、抵抗層8
3、絶縁層84及びゲート電極85が順次積層されてお
り、その絶縁層84及びゲート電極85には、抵抗層8
3に達する開口部Aが形成されている。そして、その開
口部A内の抵抗層83上には、少なくともゲート電極8
5に接触しないように、円錐形状のエミッタ86が形成
されている。A conductive layer 82 and a resistance layer 8 are formed on an insulating substrate 81.
3, an insulating layer 84 and a gate electrode 85 are sequentially laminated, and the insulating layer 84 and the gate electrode 85 are provided with a resistance layer 8
An opening A reaching 3 is formed. Then, at least the gate electrode 8 is formed on the resistance layer 83 in the opening A.
A conical emitter 86 is formed so as not to come into contact with 5.
【0018】この場合、抵抗層83は導電層82とエミ
ッタ86間に電気的に直列に挿入されている。この抵抗
層83により、素子間の電流を均一化する作用が得ら
れ、さらに素子破壊につながる大電流を低減するととも
に、エミッション電流の変動も抵抗層83の抵抗値に比
例して減少することが可能となっている。抵抗層83の
比抵抗は102 〜106 Ω・cmが適当とされている。In this case, the resistance layer 83 is electrically inserted between the conductive layer 82 and the emitter 86 in series. By the resistance layer 83, an action of equalizing the current between the elements is obtained. Further, a large current leading to element destruction is reduced, and the fluctuation of the emission current is reduced in proportion to the resistance value of the resistance layer 83. It is possible. The specific resistance of the resistance layer 83 is appropriately set to 10 2 to 10 6 Ω · cm.
【0019】[0019]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな抵抗層を施した冷電子放出素子においては、局所的
な大電流に対して十分な電流低減特性を得るためには、
より大きな抵抗を与える必要が生じるとともに、電流変
動も個々の素子の特性に対して相対的に低減できるに止
まること、さらには原理的に動作電圧の上昇が避けられ
ないという問題があった。However, in the cold electron emitting device provided with such a resistance layer, in order to obtain a sufficient current reduction characteristic with respect to a local large current,
In addition to the necessity of providing a larger resistance, there has been a problem that the current fluctuation can be reduced only relative to the characteristics of the individual elements, and that an increase in operating voltage is in principle unavoidable.
【0020】本発明は、前記従来の技術の問題点を解決
しようとするものであり、電界放射型の冷電子放出素子
において、動作電圧を上昇させることなく局所的な大電
流を抑えるとともに、さらには、低コストで大面積化が
容易なガラス基板を使用することができるようにするこ
とを目的とする。The present invention is intended to solve the above-mentioned problems of the prior art. In a field emission type cold electron emitting device, a local large current can be suppressed without increasing an operating voltage, and furthermore. It is an object of the present invention to be able to use a glass substrate which is easy to increase in area at low cost.
【0021】[0021]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、電界放射型の冷電子放出素子のエミッタ
配線層とエミッタとの間にp型半導体薄膜、n型半導体
薄膜の積層膜を配する、即ち、従来の抵抗層に代えてp
n接合を形成することにより、エミッタ自体に電流制御
機能を付加することで、動作電圧を上昇させることなく
局所的な大電流を抑えるとともに、個々の素子で制御す
ることで電流変動を最小限に低減でき、さらにはこのよ
うなpn接合を形成する半導体薄膜として水素化アモル
ファスシリコン薄膜を使用することにより、低コストで
大面積化の容易なガラス基板を使用することができるよ
うにしたものである。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is directed to a lamination of a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film between an emitter wiring layer and an emitter of a field emission type cold electron emission element. A film is arranged, that is, p is used instead of the conventional resistance layer.
By forming an n-junction, adding a current control function to the emitter itself suppresses a local large current without increasing the operating voltage, and minimizes current fluctuations by controlling individual elements. By using a hydrogenated amorphous silicon thin film as a semiconductor thin film for forming such a pn junction, it is possible to use a glass substrate which is easy to increase in area at a low cost. .
【0022】即ち、本発明は、まず請求項1に示すよう
に、絶縁性基板上に、エミッタ配線層、絶縁層、そして
ゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とに
は該エミッタ配線層に達する開口部が設けられ、その開
口部内の該エミッタ配線層上にエミッタが該ゲート電極
に接触しないように形成されてなる電界放射型の冷電子
放出素子において、該エミッタ配線層とエミッタとの間
には、少なくともp型半導体薄膜とn型半導体薄膜とが
この順に積層されてあり、該n型半導体薄膜上に該エミ
ッタが形成されていることを特徴とする冷電子放出素子
である。That is, according to the present invention, first, an emitter wiring layer, an insulating layer, and a gate electrode are sequentially stacked on an insulating substrate, and the gate electrode and the insulating layer include the emitter wiring layer. An opening reaching the wiring layer is provided, and an emitter is formed on the emitter wiring layer in the opening so as not to contact the gate electrode. And at least a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film are laminated in this order, and the emitter is formed on the n-type semiconductor thin film. .
【0023】さらに好ましくは、請求項2に示すよう
に、p型半導体薄膜がp型水素化アモルファスシリコン
薄膜であり、また、n型半導体薄膜がn型水素化アモル
ファスシリコン薄膜である請求項1に記載の冷電子放出
素子である。More preferably, as set forth in claim 2, the p-type semiconductor thin film is a p-type hydrogenated amorphous silicon thin film, and the n-type semiconductor thin film is an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film. It is a cold electron emission element of a statement.
【0024】さらに好ましくは、請求項3に示すよう
に、p型水素化アモルファスシリコン薄膜は、ボロンが
ドーパントであり、ボロンドープ量が100ppm〜1
0%の範囲にある水素化アモルファスシリコン薄膜であ
って、また、n型水素化アモルファスシリコン薄膜は、
リンがドーパントであり、リンドープ量が10ppm〜
10%の範囲にある水素化アモルファスシリコン薄膜で
あることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載
の冷電子放出素子である。More preferably, in the p-type hydrogenated amorphous silicon thin film, boron is a dopant and the boron doping amount is 100 ppm to 1 ppm.
A hydrogenated amorphous silicon thin film in the range of 0%, and an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film,
Phosphor is a dopant, and the phosphorus doping amount is 10 ppm or more.
3. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the hydrogenated amorphous silicon thin film is in a range of 10%.
【0025】また、請求項4に示すように、p型半導体
薄膜の厚みが0.05μm〜1μmの範囲にあって、ま
た、n型半導体薄膜の厚みは0.05μm〜1μmの範
囲にある請求項1に記載の冷電子放出素子である。Further, the thickness of the p-type semiconductor thin film is in the range of 0.05 μm to 1 μm, and the thickness of the n-type semiconductor thin film is in the range of 0.05 μm to 1 μm. Item 7. A cold electron-emitting device according to item 1.
【0026】また、請求項5に示すように、p型半導体
薄膜とn型半導体薄膜とは、真性半導体薄膜を両者の間
に介して形成されている請求項1に記載の冷電子放出素
子。The cold electron emission element according to claim 1, wherein the p-type semiconductor thin film and the n-type semiconductor thin film are formed with an intrinsic semiconductor thin film interposed therebetween.
【0027】また、請求項6に示すように、真性半導体
薄膜は、ノンドープの水素化アモルファスシリコン薄膜
である請求項5に記載の冷電子放出素子である。According to a sixth aspect of the present invention, in the cold electron emission device according to the fifth aspect, the intrinsic semiconductor thin film is a non-doped hydrogenated amorphous silicon thin film.
【0028】また、請求項7に示すように、エミッタ配
線層とp型半導体薄膜とは、オーミック層としてのn型
半導体薄膜を両者の間に介して形成されている請求項1
に記載の冷電子放出素子である。According to a seventh aspect of the present invention, the emitter wiring layer and the p-type semiconductor thin film are formed with an n-type semiconductor thin film as an ohmic layer interposed therebetween.
5. The cold electron-emitting device according to item 1.
【0029】また、請求項8に示すように、オーミック
層としてのn型半導体薄膜が、n型水素化アモルファス
シリコン薄膜である請求項7に記載の冷電子放出素子で
ある。Further, as in claim 8, the cold electron emitting device according to claim 7, wherein the n-type semiconductor thin film as the ohmic layer is an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film.
【0030】また、請求項9に示すように、絶縁層がア
モルファスシリコン窒化膜からなる請求項1に記載の冷
電子放出素子である。According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the cold electron emitting device according to the first aspect, wherein the insulating layer is made of an amorphous silicon nitride film.
【0031】また、請求項10に示すように、エミッタ
の形状が、円錐、円柱、円錐台または多角錐台のいずれ
かである請求項1に記載の冷電子放出素子である。According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the cold electron emitting element according to the first aspect, wherein the shape of the emitter is any one of a cone, a cylinder, a truncated cone, and a truncated polygon.
【0032】また、請求項11に示すように、エミッタ
がn型水素化アモルファスシリコンからなる請求項1に
記載の冷電子放出素子である。[0032] According to a eleventh aspect of the present invention, there is provided the cold electron-emitting device according to the first aspect, wherein the emitter is made of n-type hydrogenated amorphous silicon.
【0033】また、請求項12に示すように、絶縁性基
板にはガラス基板が使用されてなる請求項1に記載の冷
電子放出素子である。According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the cold electron emitting device according to the first aspect, wherein a glass substrate is used as the insulating substrate.
【0034】あるいは、請求項13に示すように、絶縁
性基板上に、エミッタ配線層、絶縁層及びゲート電極が
順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該エミッタ
配線層に達する開口部が設けられ、その開口部内の該エ
ミッタ配線層上にエミッタが該ゲート電極に接触しない
ように形成されてなる電界放射型の冷電子放出素子であ
って、該エミッタ配線層とエミッタとの間には、少なく
ともp型半導体薄膜とn型半導体薄膜とがこの順に積層
されてあり、該n型半導体薄膜の上にエミッタが形成さ
れていることを特徴とする冷電子放出素子の製造方法に
おいて、 (a)絶縁性基板上にエミッタ配線形成用金属薄膜を成
膜し、パターニングすることによってエミッタ配線層を
形成する工程; (b)エミッタ配線層上にp型半導体薄膜を成膜し、さ
らに該p型半導体薄膜上にn型半導体薄膜を成膜する工
程; (c)該n型半導体薄膜上に絶縁材料からなる層を成膜
し、さらにその上にゲート電極材料からなる層を成膜す
る工程; (d)その面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグ
ラフィー法を用いてフォトレジストをゲートの開口部に
対応する形状と大きさの孔を有するエッチングマスク層
に形成し、しかる後に、反応性イオンエッチングによ
り、前記ゲート電極材料及び絶縁材料の層をエッチング
して、前記n型半導体薄膜が露出したゲート孔を形成す
るとともに、ゲート電極と絶縁層とを形成する工程; (e)斜方蒸着法を用いて、ゲート電極の上面及び側面
にのみリフトオフ材料を蒸着することにより、リフトオ
フ層を形成する工程; (f)基板に対して垂直方向から、該垂直方向に蒸着量
の多い蒸着異方性を有する異方性蒸着法を用いて、前記
ゲート孔の孔内にエミッタ材料を成膜することにより、
エミッタを自己整合的に形成する工程;及び (g)前記ゲート電極の上側あるいは側面側にあるエミ
ッタ材料をリフトオフさせる工程; 以上(a)〜(g)のいずれも具備することを特徴とす
る製造方法である。Alternatively, an emitter wiring layer, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, and an opening reaching the emitter wiring layer is formed in the gate electrode and the insulating layer. Is provided on the emitter wiring layer in the opening so that the emitter is not in contact with the gate electrode, wherein the field emission type cold electron emitting element is provided between the emitter wiring layer and the emitter. Is a method for manufacturing a cold electron emission element, characterized in that at least a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film are laminated in this order, and an emitter is formed on the n-type semiconductor thin film. a) forming a metal thin film for forming an emitter wiring on an insulating substrate and patterning to form an emitter wiring layer; and (b) forming a p-type semiconductor thin film on the emitter wiring layer. And a step of forming an n-type semiconductor thin film on the p-type semiconductor thin film; (c) forming a layer of an insulating material on the n-type semiconductor thin film, and further forming a layer of a gate electrode material thereon (D) applying a photoresist on the surface, and forming the photoresist on an etching mask layer having a hole having a shape and a size corresponding to the opening of the gate by using a photolithography method; (E) etching the layer of the gate electrode material and the insulating material by reactive ion etching to form a gate hole in which the n-type semiconductor thin film is exposed and to form a gate electrode and an insulating layer; A) forming a lift-off layer by depositing a lift-off material only on the top and side surfaces of the gate electrode using an oblique deposition method; By using anisotropic deposition method having more deposition anisotropy deposited amount to the vertical direction, forming the emitter material inside the pores of the gate hole,
(G) a step of forming an emitter in a self-aligned manner; and (g) a step of lifting off an emitter material on an upper side or a side of the gate electrode; Is the way.
【0035】さらには、請求項14に示すように、前記
工程(c)において、絶縁材料の層はアモルファスシリ
コン・ナイトライドからなり、これをシランまたはジシ
ランのいずれかとアンモニアとから成る混合ガスを反応
ガスとして用いたPECVD法によって形成する請求項
13に記載の製造方法である。Further, in the step (c), in the step (c), the insulating material layer is made of amorphous silicon nitride, and this is reacted with a mixed gas containing either silane or disilane and ammonia. 14. The manufacturing method according to claim 13, which is formed by a PECVD method using a gas.
【0036】あるいは、請求項15に示すように、絶縁
性基板上に、エミッタ配線層、絶縁層及びゲート電極が
順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該エミッタ
配線層に達する開口部が設けられ、その開口部内の該エ
ミッタ配線層上にエミッタが該ゲート電極に接触しない
ように形成されてなる電界放射型の冷電子放出素子であ
って、該エミッタ配線層とエミッタとの間には、少なく
ともp型半導体薄膜とn型半導体薄膜とがこの順に積層
されてあり、該n型半導体薄膜の上にエミッタが形成さ
れていることを特徴とする冷電子放出素子の製造方法に
おいて、 (h)絶縁性基板上にエミッタ配線形成用金属薄膜を成
膜し、パターニングすることによりエミッタ配線層を形
成する工程; (i)エミッタ配線層上にp型半導体薄膜を成膜し、さ
らに該p型半導体薄膜上にn型半導体薄膜を成膜する工
程; (j)n型半導体薄膜上にエッチングマスク材料を成膜
し、該エッチングマスク材料の膜をフォトリソグラフィ
ー法を用いてゲートの開口部に対応する形状と大きさの
部分が残ったエッチングマスク層を形成する工程; (k)反応性イオンエッチング法を用いて、n型半導体
薄膜が残る程度にまでn型半導体薄膜をエッチングする
工程; (l)絶縁性基板の該n型半導体薄膜の面側に、絶縁材
料からなる層とゲート電極材料からなる層とをこの順に
積層することで、該n型半導体薄膜上に絶縁材料層とゲ
ート電極材料層とを形成する工程;及び (m)前記エッチングマスク層を除去することにより、
その上にある絶縁材料層とゲート電極材料層とをリフト
オフする工程 以上(h)〜(m)のいずれも具備することを特徴とす
る製造方法である。Alternatively, an emitter wiring layer, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, and an opening reaching the emitter wiring layer is formed in the gate electrode and the insulating layer. Is provided on the emitter wiring layer in the opening so that the emitter is not in contact with the gate electrode, wherein the field emission type cold electron emitting element is provided between the emitter wiring layer and the emitter. Is a method for manufacturing a cold electron emission element, characterized in that at least a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film are laminated in this order, and an emitter is formed on the n-type semiconductor thin film. h) forming a metal thin film for forming an emitter wiring on an insulating substrate and forming an emitter wiring layer by patterning; (i) forming a p-type semiconductor thin film on the emitter wiring layer Forming an n-type semiconductor thin film on the p-type semiconductor thin film; and (j) forming an etching mask material on the n-type semiconductor thin film, and forming the gate of the etching mask material film by photolithography. Forming an etching mask layer in which a portion having a shape and a size corresponding to the opening is left; (k) etching the n-type semiconductor thin film using a reactive ion etching method until the n-type semiconductor thin film remains; (L) laminating a layer made of an insulating material and a layer made of a gate electrode material in this order on the surface side of the n-type semiconductor thin film of the insulating substrate, thereby forming an insulating material on the n-type semiconductor thin film. Forming a layer and a gate electrode material layer; and (m) removing the etching mask layer,
Step of Lifting Off the Insulating Material Layer and Gate Electrode Material Layer Overlying It is a manufacturing method characterized by including any of the above (h) to (m).
【0037】さらには、請求項16に示すように、請求
項13の工程(b)、または請求項15の(i)のいず
れかにおいて、p型半導体薄膜は水素化アモルファスシ
リコン薄膜であり、これをシランまたはジシランのいず
れかとジボランとから成る混合ガスを反応ガスとして用
いるPECVD法により成膜し、また、n型半導体薄膜
は水素化アモルファスシリコン薄膜であり、これをシラ
ンまたはジシランのいずれかとフォスフィンとから成る
混合ガスを反応ガスとして用いるPECVD法により成
膜することを特徴とする請求項13又は15のいずれか
に記載の製造方法である。Further, as set forth in claim 16, in any one of step (b) of claim 13 and (i) of claim 15, the p-type semiconductor thin film is a hydrogenated amorphous silicon thin film. Is formed by a PECVD method using a mixed gas of either silane or disilane and diborane as a reaction gas, and the n-type semiconductor thin film is a hydrogenated amorphous silicon thin film, which is formed using either silane or disilane and phosphine. 16. The method according to claim 13, wherein the film is formed by a PECVD method using a mixed gas consisting of:
【0038】さらには、請求項17に示すように、シラ
ンまたはジシランのいずれかに対するジボランのガス流
量比は100ppm〜10%の範囲にあって、また、シ
ランまたはジシランのいずれかに対するフォスフィンの
ガス流量比が10ppm〜10%の範囲にある請求項1
6に記載の製造方法である。Further, the gas flow ratio of diborane to either silane or disilane is in the range of 100 ppm to 10%, and the gas flow ratio of phosphine to either silane or disilane. The ratio is in the range of 10 ppm to 10%.
6. The method according to item 6.
【0039】[0039]
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に従って詳細
に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
【0040】図1は、本発明の冷電子放出素子の一例の
断面斜視図である。同図に示すように、この冷電子放出
素子は、絶縁性基板1、エミッタ配線層2、絶縁層5及
びゲート電極6が順次積層された構造を有する。そし
て、ゲート電極6と絶縁層5とにはエミッタ配線層2に
達する開口部Aが設けらており、その開口部A内のエミ
ッタ配線層2上には、p型半導体薄膜3a及びn型半導
体薄膜3bの積層膜からなるpn接合層が設けられ、さ
らにn型半導体薄膜3b上には、円錐形または円錐台形
のエミッタ4がゲート電極6に接触しないように形成さ
れている。FIG. 1 is a sectional perspective view of one example of the cold electron emitting device of the present invention. As shown in the figure, this cold electron emission element has a structure in which an insulating substrate 1, an emitter wiring layer 2, an insulating layer 5, and a gate electrode 6 are sequentially laminated. An opening A reaching the emitter wiring layer 2 is provided in the gate electrode 6 and the insulating layer 5, and a p-type semiconductor thin film 3a and an n-type semiconductor are formed on the emitter wiring layer 2 in the opening A. A pn junction layer composed of a laminated film of the thin films 3b is provided, and a conical or truncated conical emitter 4 is formed on the n-type semiconductor thin film 3b so as not to contact the gate electrode 6.
【0041】本発明において絶縁性基板1は、冷電子放
出素子の支持基板として用いられており、大面積化が特
に容易な絶縁性基板を好ましく使用することができる。
このような絶縁性基板としては、ガラス基板、セラミッ
クス基板、石英基板などを使用することができる。In the present invention, the insulating substrate 1 is used as a support substrate for a cold electron emission element, and an insulating substrate whose area can be particularly easily increased can be preferably used.
As such an insulating substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or the like can be used.
【0042】エミッタ配線層2は、配線抵抗が低く、絶
縁性基板1との密着性が良好な材料から形成する。この
ような材料として、特に好ましくはCr又はAl、Cr
積層膜を挙げることができる。The emitter wiring layer 2 is formed from a material having low wiring resistance and good adhesion to the insulating substrate 1. As such a material, particularly preferably, Cr or Al, Cr
A laminated film can be given.
【0043】エミッタ配線層2の膜厚としては、十分な
配線抵抗と密着性が得られる限り特に制限はないが、通
常は0.05〜0.5μm、また良好な配線抵抗と密着
性を兼ね備え且つ成膜の容易さや材料費の節約も考慮す
ると、より好ましくは0.1〜0.3μmである。The thickness of the emitter wiring layer 2 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but is usually 0.05 to 0.5 μm, and has both good wiring resistance and adhesion. In consideration of ease of film formation and saving of material cost, the thickness is more preferably 0.1 to 0.3 μm.
【0044】p型半導体薄膜3a及びn型半導体薄膜3
bは、エミッタから放出される電流を制限するために機
能するための積層膜であり、p型半導体薄膜として、例
えば、ボロンドープした水素化アモルファスシリコン薄
膜、さらにp型半導体薄膜上に、n型半導体薄膜とし
て、例えば、リンドープした水素化アモルファスシリコ
ン薄膜の積層膜を使用する。ここでエミッタ4の下地層
にpn接合が形成され、素子駆動の電流制御機能を有
し、pn接合面に空乏層が生成されることで、エミッシ
ョン電流が制限され、電流制御が可能となる。また、半
導体として、水素化アモルファスシリコン薄膜等の低温
成膜の可能な半導体薄膜を使用することで、安価で大面
積化に有利なガラス基板の使用を可能とする。The p-type semiconductor thin film 3a and the n-type semiconductor thin film 3
b is a laminated film that functions to limit the current emitted from the emitter. As a p-type semiconductor thin film, for example, a boron-doped hydrogenated amorphous silicon thin film, and further, an n-type semiconductor As the thin film, for example, a laminated film of a phosphorus-doped hydrogenated amorphous silicon thin film is used. Here, a pn junction is formed in the base layer of the emitter 4 and has a current control function for driving the element. By generating a depletion layer on the pn junction surface, the emission current is limited, and current control becomes possible. Further, by using a semiconductor thin film that can be formed at a low temperature such as a hydrogenated amorphous silicon thin film as a semiconductor, it is possible to use a glass substrate that is inexpensive and advantageous for increasing the area.
【0045】ここで、本発明において使用する水素化ア
モルファスシリコンは、薄膜X線回折法による分析で結
晶性を示すピークが観察されないシリコンを、また、F
T−IR分析でシリコンとの結合水素が観測されるシリ
コンを意味する。従って、水素化アモルファスシリコン
には、部分的に微結晶となっているシリコンも含まれ
る。Here, the hydrogenated amorphous silicon used in the present invention is silicon which does not show a peak showing crystallinity when analyzed by a thin film X-ray diffraction method.
It means silicon for which hydrogen bonded to silicon is observed by T-IR analysis. Therefore, hydrogenated amorphous silicon includes partially microcrystalline silicon.
【0046】p型伝導性を示す水素化アモルファスシリ
コンの不純物制御は、PECVD法による成膜時に使用
する反応ガス、例えば、シランとジボランの混合比を制
御することで容易に可能となる。そのドープ量はp型伝
導性を示し比較的低抵抗の薄膜が得られる条件が好まし
く、その意味からは100ppm〜10%が特に好まし
く用いることができる。もし、このドープ量が100p
pmよりも下回ると、高抵抗となるうえに、充分なp型
伝導性を示さなくなるという傾向があり、また、10%
を越えると、アクセプタとして機能する(活性化してい
る)ボロン原子の割合が極端に減少し、良好なp型伝導
性が得られなくなるという傾向がある。なお、本明細書
に記載のPECVDとは、" Plasma Enhanced Chemical
VaporDeposition " の略である。The impurity control of hydrogenated amorphous silicon exhibiting p-type conductivity can be easily attained by controlling the reaction gas used for film formation by PECVD, for example, the mixing ratio of silane and diborane. The doping amount is preferably such that a thin film having p-type conductivity and a relatively low resistance can be obtained, and in that sense, 100 ppm to 10% can be particularly preferably used. If the doping amount is 100p
If it is lower than pm, the resistance tends to be high and the p-type conductivity is not sufficiently exhibited.
When the ratio exceeds 1, the proportion of boron atoms that function (activate) as acceptors is extremely reduced, and good p-type conductivity tends not to be obtained. In addition, PECVD described in this specification is "Plasma Enhanced Chemical
VaporDeposition ".
【0047】n型伝導性を示す水素化アモルファスシリ
コンの不純物制御は、PECVD法による成膜時に使用
する反応ガス、例えば、シランとフォスフィンの混合比
を制御することで容易に可能となる。そのドープ量はn
型伝導性を示し比較的低抵抗の薄膜が得られる条件が好
ましく、10ppm〜10%を特に好ましく用いること
ができる。もし、このドープ量が10ppmよりも下回
ると、高抵抗となるうえに、充分なn型伝導性を示さな
くなるという傾向があり、また、10%を越えると、ド
ナーとして機能するリン原子の割合が極端に減少し、良
好なn型伝導性が得られなくなるという傾向がある。Control of impurities of hydrogenated amorphous silicon having n-type conductivity can be easily performed by controlling a reaction gas used in film formation by PECVD, for example, a mixture ratio of silane and phosphine. The doping amount is n
It is preferable that a thin film having mold conductivity and a relatively low resistance is obtained, and 10 ppm to 10% can be particularly preferably used. If the doping amount is less than 10 ppm, the resistance tends to be high, and sufficient n-type conductivity is not exhibited. If the doping amount exceeds 10%, the proportion of phosphorus atoms functioning as donors is reduced. It tends to be extremely reduced and no good n-type conductivity can be obtained.
【0048】p型半導体薄膜3a及びn型半導体薄膜3
bの厚みは、必要に応じて適宜決定することができる
が、それぞれ、通常0.05μm〜1μmとすることが
好ましい。また、p型半導体薄膜とn型半導体薄膜の膜
厚比は、特に限定されるものではないが、1:1程度が
好ましい。もし、この膜厚が0.05μmよりも下回る
と、充分なpn接合特性が得られなくなるという傾向が
あり、また、1μmを越えると、実質の抵抗が上昇し、
エミッション特性が劣化するという傾向がある。The p-type semiconductor thin film 3a and the n-type semiconductor thin film 3
The thickness of b can be appropriately determined as necessary, but is preferably 0.05 μm to 1 μm. The thickness ratio between the p-type semiconductor thin film and the n-type semiconductor thin film is not particularly limited, but is preferably about 1: 1. If the thickness is less than 0.05 μm, there is a tendency that sufficient pn junction characteristics cannot be obtained. If the thickness exceeds 1 μm, the substantial resistance increases,
Emission characteristics tend to deteriorate.
【0049】エミッタ4は、その表面から電子を直接的
に放出する部材であり、本発明においては、金属、半導
体等の種々の材料を使用することができる。The emitter 4 is a member that emits electrons directly from its surface. In the present invention, various materials such as a metal and a semiconductor can be used.
【0050】エミッタ4全体の厚み(高さ)は、必要に
応じて適宜決定することができるが、通常0.3〜2μ
mとすることが好ましい。The thickness (height) of the entire emitter 4 can be appropriately determined as required, and is usually 0.3 to 2 μm.
m is preferable.
【0051】また、エミッタの形状としては、円錐、円
柱、円錐台、或いは多角錐台であることが好ましい。The shape of the emitter is preferably a cone, a cylinder, a truncated cone, or a truncated polygon.
【0052】絶縁層5は、エミッタ配線層2とゲート電
極6とを電気的に絶縁するための層である。このような
絶縁層5としては、冷電子放出素子の絶縁層として用い
られている公知の材料から形成することができるが、良
好な絶縁性を示し、しかも異方性蒸着法で形成できる酸
化シリコンを挙げることができる。また、p型半導体薄
膜材料及びn型半導体薄膜材料から連続して絶縁材料を
成膜する場合には、シランまたはジシランとアンモニア
の混合ガスを反応ガスとして用いた、PECVD法によ
るアモルファスシリコンナイトライドを使用することが
できる。The insulating layer 5 is a layer for electrically insulating the emitter wiring layer 2 from the gate electrode 6. Such an insulating layer 5 can be formed from a known material used as an insulating layer of a cold electron-emitting device. However, the insulating layer 5 has good insulating properties and can be formed by anisotropic vapor deposition. Can be mentioned. When an insulating material is continuously formed from a p-type semiconductor thin film material and an n-type semiconductor thin film material, amorphous silicon nitride by PECVD using a mixed gas of silane or disilane and ammonia as a reaction gas is used. Can be used.
【0053】絶縁層5の厚みとしては、エミッタ配線2
とゲート電極5との間に十分な絶縁性が保たれればよい
ことから、例えば、0.2〜2μm程度、より性能の良
い冷電子放出特性を考慮すると好ましくは0.3〜0.
7μmとする。The thickness of the insulating layer 5 depends on the emitter wiring 2
Since sufficient insulation between the gate electrode 5 and the gate electrode 5 may be maintained, for example, about 0.2 to 2 μm, preferably 0.3 to 0.
7 μm.
【0054】ゲート電極6は、エミッタ4に強電界を集
中させるための電極である。ゲート電極6の材料として
は、耐電流性の点から高融点金属であって、エミッタ形
成時に使用するエッチング液に耐性を有する材料を使用
することができ、好ましくはCr、W、Ta又はNbを
挙げることができる。中でも、下地との密着性の面から
Nbを使用することが好ましい。The gate electrode 6 is an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter 4. As a material for the gate electrode 6, a material having a high melting point from the viewpoint of current resistance and having resistance to an etching solution used for forming an emitter can be used. Preferably, Cr, W, Ta or Nb is used. Can be mentioned. Above all, it is preferable to use Nb from the viewpoint of adhesion to the base.
【0055】ゲート電極6の厚みは、必要に応じて適宜
決定することができるが、0.1〜0.5μmとする。The thickness of the gate electrode 6 can be appropriately determined as needed, and is set to 0.1 to 0.5 μm.
【0056】さらに、図2(a)に示されるように、p
型半導体薄膜3aとn型半導体薄膜3bの界面、即ちp
n接合面にノンドープの真性半導体層3c、特にはノン
ドープの水素化アモルファスシリコン薄膜層を介在させ
ることで、pn接合特性がより安定化し、したがってよ
り良好なエミッション特性を得ることが可能となる。Further, as shown in FIG.
Between the n-type semiconductor thin film 3a and the n-type semiconductor thin film 3b, ie, p
By interposing a non-doped intrinsic semiconductor layer 3c, particularly a non-doped hydrogenated amorphous silicon thin film layer, on the n-junction surface, the pn-junction characteristics can be further stabilized, and thus better emission characteristics can be obtained.
【0057】なお、ノンドープの水素化アモルファスシ
リコン薄膜3cは、PECVD法による成膜時に使用す
る反応ガスをシランまたはジシランとすれば容易に得ら
れる。ここで、ノンドープの水素化アモルファスシリコ
ン薄膜は通常弱いn型伝導性を示すことが知られてい
て、本発明において使用する真性半導体とは、このよう
なノンドープ膜も含まれる。The non-doped hydrogenated amorphous silicon thin film 3c can be easily obtained by using silane or disilane as a reaction gas when forming a film by PECVD. Here, it is known that a non-doped hydrogenated amorphous silicon thin film usually shows weak n-type conductivity, and the intrinsic semiconductor used in the present invention includes such a non-doped film.
【0058】さらに、図2(b)に示されるように、エ
ミッタ配線層2とエミッタ3の界面に、両層間の電気的
接続を良好に保つために、オーミック層として機能する
n型半導体薄膜3d、特にはn型水素化アモルファスシ
リコン薄膜を介在させることで、より良好なエミッショ
ン特性を得ることが可能となる。Further, as shown in FIG. 2B, an n-type semiconductor thin film 3d functioning as an ohmic layer is provided at the interface between the emitter wiring layer 2 and the emitter 3 in order to maintain good electrical connection between the two layers. In particular, better emission characteristics can be obtained by interposing an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film.
【0059】オーミック層としてのn型半導体薄膜3d
の厚み(高さ)は、必要に応じて適宜決定することがで
きるが、通常0.01〜0.2μmとすることが好まし
い。N-type semiconductor thin film 3d as ohmic layer
The thickness (height) of can be appropriately determined as needed, but is preferably 0.01 to 0.2 μm.
【0060】<製造方法の例1>次に、エミッタ配線層
とエミッタの間に、p型半導体薄膜、n型半導体薄膜の
積層膜を配した冷電子放出素子の製造方法を、図3に従
って詳細に説明する。<Example 1 of Manufacturing Method> Next, a method of manufacturing a cold electron-emitting device in which a stacked film of a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film is disposed between an emitter wiring layer and an emitter will be described in detail with reference to FIG. Will be described.
【0061】工程(a) まず、絶縁性基板1上にエミッタ配線用金属薄膜を成膜
後、フォトリソグラフィー法により所定形状にパターニ
ングし、エミッタ配線層2を形成する〔図3(a)を参
照〕。この場合にはエミッタ配線層2としては、スパッ
タ法により形成されるCr膜又はAl、Cr積層膜を好
ましく使用することができる。Step (a) First, a metal thin film for an emitter wiring is formed on the insulating substrate 1 and then patterned into a predetermined shape by photolithography to form an emitter wiring layer 2 (see FIG. 3A). ]. In this case, as the emitter wiring layer 2, a Cr film or an Al / Cr laminated film formed by a sputtering method can be preferably used.
【0062】工程(b) 次に、エミッタ配線層2上にp型半導体薄膜3a、例え
ばp型水素化アモルファスシリコン薄膜、続いてp型半
導体薄膜3a上にn型半導体薄膜3bを形成する〔図3
(b)を参照〕。この場合、p型水素化アモルファスシ
リコン薄膜の形成は、PECVD法を用い、反応ガスと
してシランとジボランの混合ガス、また希釈ガスとして
水素を使用して成膜する。このようなPECVD法の成
膜条件の一例として、ガス総流量540sccm、ガス
圧1Torr、基板温度320℃〜340℃、RFパワ
ー60Wを示すことができる。また、n型水素化アモル
ファスシリコン薄膜の形成は、PECVD法を用い、反
応ガスとしてシランとフォスフィンの混合ガス、また希
釈ガスとして水素を使用して成膜する。このようなPE
CVD法の成膜条件の一例として、ガス総流量540s
ccm、ガス圧1Torr、基板温度320℃〜340
℃、RFパワー60Wを示すことができる。さらに、p
n界面を清浄に保つために、p型水素化アモルファスシ
リコン層とn型水素化アモルファスシリコン層は、それ
ぞれ別の反応室でかつ真空中に搬送系を設置し連続的に
成膜することがより好ましい。Step (b) Next, a p-type semiconductor thin film 3a, for example, a p-type hydrogenated amorphous silicon thin film, is formed on the emitter wiring layer 2, and then an n-type semiconductor thin film 3b is formed on the p-type semiconductor thin film 3a. 3
(See (b)). In this case, the p-type hydrogenated amorphous silicon thin film is formed by PECVD using a mixed gas of silane and diborane as a reactive gas and hydrogen as a diluent gas. As an example of the film forming conditions of such a PECVD method, a total gas flow rate of 540 sccm, a gas pressure of 1 Torr, a substrate temperature of 320 to 340 ° C., and an RF power of 60 W can be shown. The n-type hydrogenated amorphous silicon thin film is formed by PECVD using a mixed gas of silane and phosphine as a reactive gas and hydrogen as a diluent gas. Such a PE
As an example of the film forming conditions of the CVD method, a total gas flow rate of 540 s
ccm, gas pressure 1 Torr, substrate temperature 320 ° C-340
° C, RF power 60W. Furthermore, p
In order to keep the n interface clean, the p-type hydrogenated amorphous silicon layer and the n-type hydrogenated amorphous silicon layer can be formed continuously in separate reaction chambers and by installing a transfer system in a vacuum. preferable.
【0063】工程(c) 次に、n型水素化アモルファスシリコン薄膜層上に、S
iO2 等などの絶縁材料とNb等のゲート電極材料とを
蒸着法などにより積層することにより、n型水素化アモ
ルファスシリコン薄膜層上に絶縁層5とゲート電極6と
を形成する〔図3(c)を参照〕。ここで、絶縁層5を
蒸着法により形成する場合には、反応ガスとしてオゾン
を10%程度含有した酸素ガスを導入し、蒸着材料とし
てSiOを充填したチムニー式の抵抗加熱法を用いて成
膜することが好ましい。このような方法で形成された絶
縁層5は良好な絶縁性を示す。またさらにこの製法の場
合には、絶縁層5として半導体薄膜と同様のPECVD
法によるアモルファスシリコンナイトライドを使用する
ことが可能である。この場合、アモルファスシリコンナ
イトライドの形成は、反応ガスとしてシランとアンモニ
アの混合ガス、また希釈ガスとして水素を使用して成膜
する。このようなPECVD法の成膜条件の一例とし
て、ガス総流量540sccm、ガス圧1Torr、基
板温度320℃〜400℃、RFパワー60Wを示すこ
とができる。このような方法で形成された絶縁層5は特
に良好な絶縁性を示す。Step (c) Next, S is deposited on the n-type hydrogenated amorphous silicon thin film layer.
The insulating layer 5 and the gate electrode 6 are formed on the n-type hydrogenated amorphous silicon thin film layer by laminating an insulating material such as iO 2 and a gate electrode material such as Nb by vapor deposition or the like [FIG. c)]. Here, when the insulating layer 5 is formed by a vapor deposition method, an oxygen gas containing about 10% of ozone is introduced as a reactive gas, and a film is formed using a chimney resistance heating method in which SiO is filled as a vapor deposition material. Is preferred. The insulating layer 5 formed by such a method shows good insulating properties. Further, in the case of this manufacturing method, the same PECVD as the semiconductor thin film is used as the insulating layer 5.
It is possible to use amorphous silicon nitride by the method. In this case, the amorphous silicon nitride is formed by using a mixed gas of silane and ammonia as a reaction gas and hydrogen as a diluting gas. As an example of the film forming conditions of such a PECVD method, a total gas flow rate of 540 sccm, a gas pressure of 1 Torr, a substrate temperature of 320 ° C. to 400 ° C., and an RF power of 60 W can be shown. The insulating layer 5 formed by such a method exhibits particularly good insulating properties.
【0064】工程(d) 次に、絶縁層5上に、レジストを塗布後、フォトリソグ
ラフィー法を利用してゲート孔に相当する円形パターン
もしくは多角形パターンをもつ、レジスト層7を形成す
る。Step (d) Next, after applying a resist on the insulating layer 5, a resist layer 7 having a circular pattern or a polygonal pattern corresponding to the gate hole is formed by photolithography.
【0065】続いて、異方性の高いRIEによりゲート
電極6及び絶縁層5を、n型半導体薄膜3bが露出する
までエッチングする〔図3(d)を参照〕。このような
RIE条件の一例として、導入ガスSF6 30〜70
sccm、RFパワー100W、ガス圧4.5Paを示
すことができる。Subsequently, the gate electrode 6 and the insulating layer 5 are etched by RIE with high anisotropy until the n-type semiconductor thin film 3b is exposed (see FIG. 3D). As an example of such RIE conditions, the introduced gas SF6 30 to 70
sccm, RF power of 100 W, and gas pressure of 4.5 Pa.
【0066】工程(e) 次に、斜方蒸着法によりゲート電極6の側面と上面のみ
にリフトオフ材8を成膜する〔図3(e)を参照〕。リ
フトオフ材8としては、剥離の容易さなどの点から、A
l、MgOなどが好ましい。Step (e) Next, a lift-off material 8 is formed only on the side and upper surfaces of the gate electrode 6 by oblique deposition (see FIG. 3E). As the lift-off material 8, A
1, MgO and the like are preferable.
【0067】工程(f) 続いて、基板に垂直な方向からの異方性蒸着法により、
ゲートの開口部が閉じるまで成膜を行う。このとき、ゲ
ートの開口部が閉じると同時に自己整合的にエミッタ4
が形成される〔図3(f)を参照〕。Step (f) Subsequently, by anisotropic vapor deposition from a direction perpendicular to the substrate,
Film formation is performed until the gate opening is closed. At this time, the emitter 4 is self-aligned at the same time that the gate opening is closed.
Is formed [see FIG. 3 (f)].
【0068】工程(g) 更に、リフトオフ材8をウェットエッチングにより剥離
すると同時に、ゲート電極6上のエミッタ材料を剥落さ
せる〔図3(g)を参照〕。さらに必要に応じて、ゲー
ト電極6をフォトリソグラフィー法を用いて所定の形状
にパターニングすることにより冷電子放出素子が得られ
る。Step (g) Further, the lift-off material 8 is removed by wet etching, and at the same time, the emitter material on the gate electrode 6 is removed (see FIG. 3G). Further, if necessary, the gate electrode 6 is patterned into a predetermined shape by using a photolithography method, whereby a cold electron-emitting device can be obtained.
【0069】<製造方法の例2>次に、エミッタ配線層
とエミッタの間に、p型半導体薄膜、n型半導体薄膜の
積層膜を配した冷電子放出素子の別の製造方法を、図4
に従って詳細に説明する。<Example 2 of Manufacturing Method> Next, another method of manufacturing a cold electron-emitting device in which a laminated film of a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film is arranged between an emitter wiring layer and an emitter is shown in FIG.
Will be described in detail.
【0070】工程(h) まず、絶縁性基板1上にエミッタ配線用金属薄膜を成膜
後、フォトリソグラフィー法により所定形状にパターニ
ングし、エミッタ配線層2を形成する〔図4(h)を参
照〕。この場合にはエミッタ配線層2としては、スパッ
タ法により形成されるCr膜又はAl、Cr積層膜を好
ましく使用することができる。Step (h) First, a metal thin film for an emitter wiring is formed on the insulating substrate 1 and then patterned into a predetermined shape by photolithography to form an emitter wiring layer 2 (see FIG. 4 (h)). ]. In this case, as the emitter wiring layer 2, a Cr film or an Al / Cr laminated film formed by a sputtering method can be preferably used.
【0071】工程(i) 次に、エミッタ配線層2上にp型半導体薄膜3a、例え
ばp型水素化アモルファスシリコン薄膜、続いてp型半
導体薄膜3a上にn型半導体薄膜3bを形成する〔図4
(i)を参照〕。この場合、p型水素化アモルファスシ
リコン薄膜の形成は、PECVD法を用い、反応ガスと
してシランとジボランの混合ガス、また希釈ガスとして
水素を使用して成膜する。このようなPECVD成膜条
件の一例として、ガス総流量540sccm、ガス圧1
Torr、基板温度320℃〜340℃、RFパワー6
0Wを示すことができる。また、n型水素化アモルファ
スシリコン薄膜の形成は、PECVD法を用い、反応ガ
スとしてシランとフォスフィンの混合ガス、また希釈ガ
スとして水素を使用して成膜する。このようなPECV
D成膜条件の一例として、ガス総流量540sccm、
ガス圧1Torr、基板温度320℃〜340℃、RF
パワー60Wを示すことができる。さらに、pn界面を
清浄に保つために、p型水素化アモルファスシリコン層
とn型水素化アモルファスシリコン層は、それぞれ別の
反応室でかつ真空中に搬送系を設置し連続的に成膜する
ことがより好ましい。Step (i) Next, a p-type semiconductor thin film 3a, for example, a p-type hydrogenated amorphous silicon thin film, is formed on the emitter wiring layer 2, and then an n-type semiconductor thin film 3b is formed on the p-type semiconductor thin film 3a. 4
(See (i)). In this case, the p-type hydrogenated amorphous silicon thin film is formed by PECVD using a mixed gas of silane and diborane as a reactive gas and hydrogen as a diluent gas. As an example of such PECVD film forming conditions, a total gas flow rate of 540 sccm and a gas pressure of 1
Torr, substrate temperature 320 ° C to 340 ° C, RF power 6
0W can be indicated. The n-type hydrogenated amorphous silicon thin film is formed by PECVD using a mixed gas of silane and phosphine as a reactive gas and hydrogen as a diluent gas. Such PECV
As an example of the D film formation conditions, the total gas flow rate is 540 sccm,
Gas pressure 1 Torr, substrate temperature 320 ° C to 340 ° C, RF
A power of 60 W can be indicated. Furthermore, in order to keep the pn interface clean, the p-type hydrogenated amorphous silicon layer and the n-type hydrogenated amorphous silicon layer should be formed continuously in separate reaction chambers and in a vacuum in a transfer system. Is more preferred.
【0072】工程(j) 次に、n型水素化アモルファスシリコン薄膜上に、エッ
チングマスク用材料を蒸着法やスパッタ法などにより成
膜し、フォトリソグラフィー法を利用して円形にパター
ニングすることによりエッチングマスク層9を形成する
〔図4(j)を参照〕。Step (j) Next, an etching mask material is formed on the n-type hydrogenated amorphous silicon thin film by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like, and is etched by patterning into a circle using a photolithography method. A mask layer 9 is formed (see FIG. 4 (j)).
【0073】エッチングマスク層9としては、後述する
RIEに対して耐性を有する材料から形成する。このよ
うな材料としては、好ましくはSiO2 を挙げることが
できる。The etching mask layer 9 is formed from a material having resistance to RIE described later. As such a material, SiO 2 can be preferably mentioned.
【0074】なお、円形パターンの径は、冷電子放出素
子特性、フォトリソグラフィー法のデザインルールに応
じた操作の難易度及びエッチング工程の歩留まり等を考
慮すると、1.0〜3.0μm程度とすることが好まし
い。The diameter of the circular pattern is about 1.0 to 3.0 μm in consideration of the characteristics of the cold electron emitting element, the difficulty of operation according to the design rule of the photolithography method, the yield of the etching step, and the like. Is preferred.
【0075】工程(k) 次に、サイドエッチレートの高い条件のRIEによりn
型水素化アモルファスシリコン薄膜層を適当な膜厚を残
しエッチングする。このときエッチング時間を増減する
ことでエミッタ形状を制御することが可能である。例え
ばエッチング時間を短くした場合には、エミッタ形状は
円錐形状、エッチング時間を長くした場合には円錐台形
状となる。またエッチングマスク形状を円形ではなく多
角形とした場合には、それぞれ多角錐または多角錐台と
することができる。ここで、例えば円錐形状よりも円錐
台形状の方が大面積にわたって均一なエミッション特性
が得られることが、発明者のこれまでの実験から確かめ
られている。これにより例えば先端が尖鋭化されたエミ
ッタ4が形成された〔図4(k)を参照〕。このような
RIE条件の一例として、導入ガスとしてSF6 にO2
を添加したガスを流量30〜70sccm、RFパワー
100W、ガス圧4.5Paを示すことができる。Step (k) Next, n is performed by RIE under the condition of a high side etch rate.
The hydrogenated amorphous silicon thin film layer is etched leaving an appropriate thickness. At this time, it is possible to control the shape of the emitter by increasing or decreasing the etching time. For example, when the etching time is shortened, the emitter shape becomes a conical shape, and when the etching time is lengthened, the emitter shape becomes a truncated cone shape. When the shape of the etching mask is not a circle but a polygon, the shape can be a pyramid or a truncated polygon, respectively. Here, it has been confirmed from experiments by the inventor that, for example, a trapezoidal conical shape can obtain more uniform emission characteristics over a large area than a conical shape. Thereby, for example, the emitter 4 having a sharpened tip is formed (see FIG. 4 (k)). As one example of such RIE conditions, O 2 is added to SF 6 as an introduced gas.
Can be shown at a flow rate of 30 to 70 sccm, an RF power of 100 W, and a gas pressure of 4.5 Pa.
【0076】工程(l) 次に、絶縁性基板1のエミッタ配線層2側の表面上に、
SiO2 等などの絶縁材料とNb等のゲート電極材料と
を蒸着法などにより積層することにより、エミッタ配線
層2上に絶縁層5とゲート電極6とを形成するととも
に、エッチングマスクパターン層9上に絶縁材料層5a
とゲート電極材料層6aとを形成する〔図4(l)を参
照〕。ここで、絶縁層5を蒸着法により形成する場合に
は、反応ガスとしてオゾンを10%程度含有した酸素ガ
スを導入し、蒸着材料としてSiOを充填したチムニー
式の抵抗加熱法を用いて成膜することが好ましい。この
ような方法で形成された絶縁層5は良好な絶縁性を示
す。Step (l) Next, on the surface of the insulating substrate 1 on the emitter wiring layer 2 side,
By laminating an insulating material such as SiO 2 and a gate electrode material such as Nb by a vapor deposition method or the like, the insulating layer 5 and the gate electrode 6 are formed on the emitter wiring layer 2 and the etching mask pattern layer 9 is formed. Insulating material layer 5a
And a gate electrode material layer 6a (see FIG. 4 (l)). Here, when the insulating layer 5 is formed by a vapor deposition method, an oxygen gas containing about 10% of ozone is introduced as a reactive gas, and a film is formed using a chimney resistance heating method in which SiO is filled as a vapor deposition material. Is preferred. The insulating layer 5 formed by such a method shows good insulating properties.
【0077】工程(m) 続いて、緩衝フッ酸溶液を用いて、リフトオフ材として
のエッチングマスク層9をエッチング除去する。その結
果、その上に積層されていた絶縁材料層5a及びゲート
電極材料層6aからなる積層体は剥落する。これによ
り、エミッタ4が露出する〔図4(m)を参照〕。Step (m) Subsequently, the etching mask layer 9 as a lift-off material is removed by etching using a buffered hydrofluoric acid solution. As a result, the stacked body composed of the insulating material layer 5a and the gate electrode material layer 6a stacked thereon is peeled off. Thus, the emitter 4 is exposed (see FIG. 4 (m)).
【0078】更に、必要に応じて、ゲート電極5をフォ
トリソグラフィー法を用いて所定の形状にパターニング
することにより冷電子放出素子が得られる。Further, if necessary, the gate electrode 5 is patterned into a predetermined shape by using a photolithography method to obtain a cold electron emission element.
【0079】以上説明したように、本発明の冷電子放出
素子においては、エミッタ配線層とエミッタとの間にp
型半導体薄膜、n型半導体薄膜の積層膜を配する。即
ち、本発明の冷電子放出素子は、従来の抵抗層に代えて
pn接合を形成することにより、エミッタ自体に電流制
御機能を付加することで、動作電圧を上昇させることな
く局所的な大電流を抑えるとともに、個々の素子で制御
することで電流変動を最小限に低減でき、さらにはこの
ようなpn接合を形成する半導体薄膜として水素化アモ
ルファスシリコン薄膜を使用することにより、低コスト
で大面積化の容易なガラス基板を使用することができ
る。As described above, in the cold electron-emitting device of the present invention, the p-electrode is provided between the emitter wiring layer and the emitter.
A stacked film of a type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film is provided. In other words, the cold electron emission device of the present invention provides a current control function to the emitter itself by forming a pn junction in place of the conventional resistance layer, thereby increasing the local large current without increasing the operating voltage. Current fluctuations can be reduced to a minimum by controlling each element, and the use of a hydrogenated amorphous silicon thin film as a semiconductor thin film for forming such a pn junction provides a low cost and large area. A glass substrate which can be easily formed can be used.
【0080】[0080]
【実施例】本発明に係る冷電子放出素子の実施例を、図
を参照して、以下に具体的に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a cold electron emitting device according to the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
【0081】<実施例1> 工程(a) まず、ガラス基板1上にエミッタ配線層2の材料として
Crを膜厚約0.1μmでスパッタ成膜した。続いて、
フォトリソグラフィー法によりエミッタ配線層2をマト
リクス配線形状にパターニングした〔図3(a)〕。<Example 1> Step (a) First, Cr as a material of the emitter wiring layer 2 was sputtered to a thickness of about 0.1 μm on a glass substrate 1. continue,
The emitter wiring layer 2 was patterned into a matrix wiring shape by photolithography (FIG. 3A).
【0082】工程(b) 次に、エミッタ配線層2上に、PECVD法により、シ
ラン、ジボラン、水素の混合ガス(シランに対するジボ
ランの添加量1%)を反応ガスとして用いて、p型水素
化アモルファスシリコン薄膜を0.3μm成膜しp型半
導体薄膜3aとした後、別の反応室へ大気にさらすこと
なく移動し、同様のPECVD法により、シラン、フォ
スフィン、水素の混合ガス(シランに対するフォスフィ
ンの添加量0.3%)を反応ガスとして用いて、n型水
素化アモルファスシリコン薄膜層を0.3μm成膜しn
型半導体薄膜3bとした〔図3(b)〕。Step (b) Next, p-type hydrogenation is performed on the emitter wiring layer 2 by PECVD using a mixed gas of silane, diborane, and hydrogen (addition amount of diborane to silane of 1%) as a reaction gas. After forming an amorphous silicon thin film of 0.3 μm to form a p-type semiconductor thin film 3a, the amorphous silicon thin film is moved to another reaction chamber without being exposed to the atmosphere, and a mixed gas of silane, phosphine, and hydrogen (phosphine to silane) is formed by the same PECVD method. Is added as a reaction gas to form an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film layer having a thickness of 0.3 μm.
The semiconductor thin film 3b is shown in FIG. 3 (b).
【0083】工程(c) 次に、絶縁層5としてアモルファスシリコンナイトライ
ドをPECVD法により0.8μm厚で成膜し、続い
て、その上にゲート電極材料6としてNbを0.2μm
厚でスパッタした〔図3(c)〕。Step (c) Next, an amorphous silicon nitride film having a thickness of 0.8 μm is formed as the insulating layer 5 by PECVD, and then Nb is formed thereon as a gate electrode material 6 with a thickness of 0.2 μm.
Thickness was sputtered [FIG. 3 (c)].
【0084】工程(d) 次に、レジストを塗布後、フォトリソグラフィー法によ
り、ゲート孔用に直径1.0μmの円形マスク形状にパ
ターニングしレジスト層7を形成した後、RIE(導入
ガスSF6 /流量60sccm/パワー100W/ガス
圧4.5Pa)により、ゲート電極材料、絶縁層材料を
約5分間エッチングした〔図3(d)〕。Step (d) Next, after applying a resist, by photolithography, patterning into a circular mask shape having a diameter of 1.0 μm for a gate hole to form a resist layer 7, and then RIE (introduced gas SF 6 / The gate electrode material and the insulating layer material were etched at a flow rate of 60 sccm / power of 100 W / gas pressure of 4.5 Pa) for about 5 minutes (FIG. 3D).
【0085】工程(e) 次に、リフトオフ材8としてAlを0.3μm厚で蒸着
した〔図3(e)〕。Step (e) Next, Al was deposited as a lift-off material 8 to a thickness of 0.3 μm (FIG. 3E).
【0086】工程(f) 続いて、基板に対して垂直方向からの異方性蒸着法によ
り、エミッタ4の材料としてMoをゲート孔が閉じるま
で蒸着した〔図3(f)〕。Step (f) Subsequently, Mo was deposited as a material for the emitter 4 by an anisotropic vapor deposition method from a direction perpendicular to the substrate until the gate hole was closed (FIG. 3F).
【0087】工程(g) 次に、リフトオフ材8を酸系のエッチャントを用いてウ
エットエッチングし上層のエミッタ材料とともに剥離し
冷電子放出素子を得た〔図3(g)〕。Step (g) Next, the lift-off material 8 was wet-etched using an acid-based etchant and peeled off together with the upper layer emitter material to obtain a cold electron-emitting device (FIG. 3 (g)).
【0088】上述の冷電子放出素子を100個集積した
アレイを試作し以下のように試験し、評価した。即ち、
各素子のエミッタ電極−ゲート電極間の距離を約0.5
μmとした構造の素子に対し、蛍光体を塗布した透明電
極(アノード)を有するガラス板部材を距離30mmで
対向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲート電極側
が正となる極性で引き出し電圧を印加したところ、良好
にかつ安定に電子を放出することができた。An array in which 100 of the above-described cold electron-emitting devices were integrated was prototyped, tested and evaluated as follows. That is,
The distance between the emitter electrode and the gate electrode of each element is about 0.5
A glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor is opposed at a distance of 30 mm to an element having a structure of μm, and an extraction voltage is applied between the emitter electrode and the gate electrode with a polarity where the gate electrode side is positive. As a result, electrons were successfully and stably emitted.
【0089】<実施例2>本発明の冷電子放出素子の別
の製造例を、図4を参照して、以下の実施例で具体的に
説明する。<Embodiment 2> Another manufacturing example of the cold electron emitting device of the present invention will be specifically described in the following embodiment with reference to FIG.
【0090】工程(h) まず、ガラス基板1上にエミッタ配線層2の材料として
Crを膜厚約0.1μmでスパッタ成膜した。続いて、
フォトリソグラフィー法によりエミッタ配線層2をマト
リクス配線形状にパターニングした〔図4(h)〕。Step (h) First, Cr was formed as a material for the emitter wiring layer 2 on the glass substrate 1 by sputtering to a thickness of about 0.1 μm. continue,
The emitter wiring layer 2 was patterned into a matrix wiring shape by photolithography [FIG. 4 (h)].
【0091】工程(i) 次に、エミッタ配線層2上に、PECVD法により、シ
ラン、ジボラン、水素の混合ガス(シランに対するジボ
ランの添加量1%)を反応ガスとして用いて、p型水素
化アモルファスシリコン薄膜を0.3μm成膜しp型半
導体薄膜3aを形成後、別の反応室へ大気にさらすこと
なく移動し、同様のPECVD法により、シラン、フォ
スフィン、水素の混合ガス(シランに対するフォスフィ
ンの添加量0.3%)を反応ガスとして用いて、n型水
素化アモルファスシリコン薄膜を1.1μmに成膜し、
n型半導体薄膜3b及びエミッタ材料を形成した〔図4
(i)〕。Step (i) Next, p-type hydrogenation is performed on the emitter wiring layer 2 by PECVD using a mixed gas of silane, diborane, and hydrogen (addition amount of diborane to silane of 1%) as a reaction gas. After forming an amorphous silicon thin film of 0.3 μm to form a p-type semiconductor thin film 3a, the amorphous silicon thin film is moved to another reaction chamber without being exposed to the atmosphere, and a mixed gas of silane, phosphine, and hydrogen (phosphine to silane) is formed by the same PECVD method. Is added as a reaction gas, an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film is formed to a thickness of 1.1 μm,
An n-type semiconductor thin film 3b and an emitter material were formed [FIG.
(I)].
【0092】工程(j) 次に、SiO2 を反応性の真空蒸着法により0.2μm
厚で成膜し、続いて、フォトリソグラフィー法により、
エミッタ形成用に直径1.2μmの円形マスク形状にパ
ターニングすることにより、エッチングマスク層9を形
成した〔図4(j)〕。Step (j) Next, SiO 2 was applied to a thickness of 0.2 μm by a reactive vacuum deposition method.
Thick film, and then by photolithography,
An etching mask layer 9 was formed by patterning into a circular mask shape having a diameter of 1.2 μm for forming an emitter [FIG. 4 (j)].
【0093】工程(k) 次に、RIE(導入ガスSF6 /流量60sccm/パ
ワー:100W/ガス圧:4.5Pa)によりn型水素
化アモルファスシリコン薄膜層3bを5分間エッチング
した〔図4(k)〕。Step (k) Next, the n-type hydrogenated amorphous silicon thin film layer 3b was etched by RIE (introduced gas SF 6 / flow rate 60 sccm / power: 100 W / gas pressure: 4.5 Pa) for 5 minutes [FIG. k)].
【0094】工程(l) 次に、絶縁層5として0.6μm厚のシリコン酸化膜
(蒸着源:SiO、反応ガス:酸素と約10%のオゾ
ン、蒸着真空度:5×10-6Torr)を蒸着し、続い
て、その上にゲート電極用材料のNbを0.2μm厚で
蒸着した。これにより、エミッタ4の周囲に位置する絶
縁層4とゲート電極5とは、エミッタ4に接触すること
なく、エミッタ4に対してわずかな間隙をもって自己整
合的に形成することができた〔図4(l)〕。Step (l) Next, a silicon oxide film having a thickness of 0.6 μm as the insulating layer 5 (evaporation source: SiO, reactive gas: oxygen and about 10% ozone, evaporation degree of vacuum: 5 × 10 -6 Torr) Then, Nb as a gate electrode material was deposited thereon to a thickness of 0.2 μm. Thereby, the insulating layer 4 and the gate electrode 5 located around the emitter 4 could be formed in a self-aligned manner with a small gap from the emitter 4 without contacting the emitter 4 [FIG. (L)].
【0095】工程(m) 工程(l)で得られたものを、緩衝フッ酸溶液に室温で
2分間浸漬することによりエッチングマスク層9をリフ
トオフし、その上に積層されていた絶縁材料層5a及び
ゲート電極材料層6aの積層体が剥落した。これによ
り、図4(m)のエミッタが得られた。さらに、ゲート
電極6のNb膜をフォトリソグラフィー法によりマトリ
クス配線形状にパターニングすることにより冷電子放出
素子を得た。Step (m) The etching mask layer 9 is lifted off by immersing the material obtained in the step (l) in a buffered hydrofluoric acid solution at room temperature for 2 minutes, and the insulating material layer 5a And the laminated body of the gate electrode material layer 6a peeled off. Thus, the emitter shown in FIG. 4 (m) was obtained. Further, a cold electron-emitting device was obtained by patterning the Nb film of the gate electrode 6 into a matrix wiring shape by photolithography.
【0096】上述の冷電子放出素子を100個集積した
アレイを試作し、以下のように試験し評価した。即ち、
各素子のエミッタ電極−ゲート電極間の距離を約0.7
μmとした構造の素子に対して、蛍光体を塗布した透明
電極(アノード)を有するガラス板部材を距離30mm
の間隔で対向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲー
ト電極側が正となる極性で引き出し電圧を印加したとこ
ろ、良好にしてかつ安定して電子を放出させることがで
きた。An array in which 100 cold electron emitting elements described above were integrated was prototyped, and tested and evaluated as follows. That is,
The distance between the emitter electrode and the gate electrode of each element is about 0.7
A glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor was placed at a distance of 30 mm from an element having a structure of μm.
When an extraction voltage was applied between the emitter electrode and the gate electrode with a polarity where the gate electrode side was positive, electrons could be emitted satisfactorily and stably.
【0097】得られたエミッション特性は、高電界領域
で電流の飽和領域が得られた。これは、エミッタ配線層
とエミッタとの間に設けられた半導体薄膜のpn接合界
面に生成した空乏層の機能による。In the obtained emission characteristics, a current saturation region was obtained in a high electric field region. This is due to the function of the depletion layer generated at the pn junction interface of the semiconductor thin film provided between the emitter wiring layer and the emitter.
【0098】次に、本発明の冷電子放出素子の一例であ
る金属エミッタからのエミッションのメカニズムの解釈
について述べる。〔図5を参照〕Next, the interpretation of the mechanism of emission from a metal emitter, which is an example of the cold electron emitting device of the present invention, will be described. [See Fig. 5]
【0099】p型半導体Pとn型半導体Nとが接合して
いる場合、n型半導体Nと接する金属エミッタMの先端
部に強電界Eが与えられると、p型半導体Pとn型半導
体Nの接合面のエネルギー状態が変化し、空乏層Lが生
成される。そして、真空V中に放出される電子は、空乏
層L内で電子e−正孔h対が生成され生じたものであ
る。したがって、放出電子は電子e−正孔h対生成に律
速されることになり、すなわちエミッション電流を制限
できるようになる。When the p-type semiconductor P and the n-type semiconductor N are joined, if a strong electric field E is applied to the tip of the metal emitter M in contact with the n-type semiconductor N, the p-type semiconductor P and the n-type semiconductor N The energy state of the junction surface changes, and a depletion layer L is generated. The electrons emitted into the vacuum V are generated by the generation of the electron e-hole h pair in the depletion layer L. Therefore, the emitted electrons are limited by the generation of the electron e-hole h pair, that is, the emission current can be limited.
【0100】[0100]
【発明の効果】本発明によれば、冷電子放出素子におい
て、エミッタ配線層とエミッタとの間にp型半導体薄
膜、n型半導体薄膜の積層膜をこの順に配する。即ち、
本発明によれば、従来の抵抗層に代えてpn接合を形成
することによって、エミッタ自体に電流制御機能を付加
することになり、その結果、動作電圧を上昇させること
なく局所的な大電流を抑えるとともに、個々の素子で制
御することで電流変動を最小限に低減することが出来
る。According to the present invention, in the cold electron emission element, a laminated film of a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film is arranged in this order between the emitter wiring layer and the emitter. That is,
According to the present invention, a current control function is added to the emitter itself by forming a pn junction instead of the conventional resistance layer, and as a result, a large local current can be supplied without increasing the operating voltage. In addition to the suppression, the current fluctuation can be reduced to a minimum by controlling each element.
【0101】さらには、本発明によれば、このようなp
n接合を形成する半導体薄膜として水素化アモルファス
シリコン薄膜を使用することによって、低コストで大面
積化の容易なガラス基板を使用することができる。つま
り、FEAを平面ディスプレィに応用する場合に、平面
ディスプレィの低コスト化・大面積化に貢献することが
出来る。Further, according to the present invention, such p
By using a hydrogenated amorphous silicon thin film as a semiconductor thin film forming an n-junction, it is possible to use a glass substrate that is easy to increase in area at low cost. That is, when the FEA is applied to a flat display, it can contribute to cost reduction and large area of the flat display.
【0102】以上、本発明によれば、低電圧で動作可能
な、かつ電流安定性の高い冷電子放出素子を得ることが
出来、さらには、平面ディスプレイに応用した場合に
も、従来よりも低コストで、大画面で高画質の画像が、
低消費電力で得ることが可能となる。As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a cold electron-emitting device which can operate at a low voltage and has high current stability. At high cost, high quality images on large screens,
It can be obtained with low power consumption.
【図1】本発明に係る冷電子放出素子の一例の概略の断
面斜視図である。FIG. 1 is a schematic sectional perspective view of an example of a cold electron emission element according to the present invention.
【図2】(a)、(b)は、本発明に係る冷電子放出素子の
別の一例の概略の断面斜視図である。FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional perspective views of another example of the cold electron emitting device according to the present invention.
【図3】(a)〜(g)は、本発明に係る冷電子放出素子の
一例の概略の製造工程図である。3 (a) to 3 (g) are schematic manufacturing process diagrams of an example of a cold electron emitting device according to the present invention.
【図4】(h)〜(m)は、本発明に係る冷電子放出素子の
別の一例の概略の製造工程図である。4 (h) to (m) are schematic manufacturing process diagrams of another example of the cold electron emitting device according to the present invention.
【図5】本発明に係る冷電子放出素子の一例のエミッタ
のエネルギーダイヤグラムである。FIG. 5 is an energy diagram of an emitter of one example of the cold electron emitting device according to the present invention.
【図6】従来の冷電子放出素子の一例の概略の断面斜視
図である。FIG. 6 is a schematic sectional perspective view of an example of a conventional cold electron emission element.
【図7】(a)〜(d)は、従来の冷電子放出素子の一例の
概略の製造工程図である。FIGS. 7A to 7D are schematic manufacturing process diagrams of an example of a conventional cold electron-emitting device.
【図8】従来の冷電子放出素子の別の一例の概略の製造
工程図である。FIG. 8 is a schematic manufacturing process diagram of another example of a conventional cold electron-emitting device.
1・・・・ガラス基板 2・・・・エミッタ配線層 3a・・・p型半導体薄膜 3b・・・n型半導体薄膜 3c・・・真性半導体層 3d・・・オーミック層 4・・・・エミッタ 5・・・・絶縁層 5a・・・絶縁層材料層 6・・・・ゲート電極 6a・・・ゲート電極材料層 7・・・・レジスト層 8・・・・リフトオフ材 9・・・・エッチングマスク層 61・・・絶縁性基板 62・・・導電層 63・・・絶縁層 64・・・ゲート電極 65・・・エミッタ 71・・・絶縁性基板 72・・・導電層 73・・・絶縁層 74・・・ゲート電極 75・・・リフトオフ材 76・・・エミッタ 81・・・絶縁性基板 82・・・導電層 83・・・抵抗層 84・・・絶縁層 85・・・ゲート電極 86・・・エミッタ A・・・・開口部 P・・・・p型半導体 N・・・・n型半導体 M・・・・金属エミッタ V・・・・真空 e・・・・電子 h・・・・正孔 L・・・・空乏層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glass substrate 2 ... Emitter wiring layer 3a ... P-type semiconductor thin film 3b ... N-type semiconductor thin film 3c ... Intrinsic semiconductor layer 3d ... Ohmic layer 4 ... Emitter 5 ... Insulating layer 5a ... Insulating layer material layer 6 ... Gate electrode 6a ... Gate electrode material layer 7 ... Resist layer 8 ... Lift-off material 9 ... Etching Mask layer 61 Insulating substrate 62 Conductive layer 63 Insulating layer 64 Gate electrode 65 Emitter 71 Insulating substrate 72 Conductive layer 73 Insulated Layer 74 Gate electrode 75 Lift-off material 76 Emitter 81 Insulating substrate 82 Conductive layer 83 Resistive layer 84 Insulating layer 85 Gate electrode 86 ... Emitter A ... Opening P ... p Semiconductor N · · · · n-type semiconductor M · · · · metal emitter V · · · · vacuum e · · · · electron h · · · · hole L · · · · depletion
Claims (17)
層、そしてゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と
絶縁層とには該エミッタ配線層に達する開口部が設けら
れ、その開口部内の該エミッタ配線層上にエミッタが該
ゲート電極に接触しないように形成されてなる電界放射
型の冷電子放出素子において、 該エミッタ配線層とエミッタとの間には、少なくともp
型半導体薄膜とn型半導体薄膜とがこの順に積層されて
あり、該n型半導体薄膜上に該エミッタが形成されてい
ることを特徴とする冷電子放出素子。An emitter wiring layer, an insulating layer, and a gate electrode are sequentially stacked on an insulating substrate, and an opening reaching the emitter wiring layer is provided between the gate electrode and the insulating layer. A field emission type cold electron emission element formed such that an emitter does not come into contact with the gate electrode on the emitter wiring layer, wherein at least p is provided between the emitter wiring layer and the emitter.
A cold electron emission element, wherein a type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film are stacked in this order, and the emitter is formed on the n-type semiconductor thin film.
シリコン薄膜であり、 また、n型半導体薄膜がn型水素化アモルファスシリコ
ン薄膜である請求項1に記載の冷電子放出素子。2. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the p-type semiconductor thin film is a p-type hydrogenated amorphous silicon thin film, and the n-type semiconductor thin film is an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film.
ボロンがドーパントであり、ボロンドープ量が100p
pm〜10%の範囲にある水素化アモルファスシリコン
薄膜であって、 また、n型水素化アモルファスシリコン薄膜は、リンが
ドーパントであり、リンドープ量が10ppm〜10%
の範囲にある水素化アモルファスシリコン薄膜であるこ
とを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の冷電
子放出素子。3. The p-type hydrogenated amorphous silicon thin film comprises:
Boron is a dopant, and the boron doping amount is 100 p
a hydrogenated amorphous silicon thin film in the range of pm to 10%, and the n-type hydrogenated amorphous silicon thin film has phosphorus as a dopant and a phosphorus doping amount of 10 ppm to 10%.
3. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the cold electron-emitting device is a hydrogenated amorphous silicon thin film in the range of:
μmの範囲にあって、 また、n型半導体薄膜の厚みは0.05μm〜1μmの
範囲にある請求項1に記載の冷電子放出素子。4. The p-type semiconductor thin film has a thickness of 0.05 μm to 1 μm.
2. The cold electron emission device according to claim 1, wherein the thickness of the n-type semiconductor thin film is in a range of 0.05 μm to 1 μm.
性半導体薄膜を両者の間に介して形成されている請求項
1に記載の冷電子放出素子。5. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the p-type semiconductor thin film and the n-type semiconductor thin film are formed with an intrinsic semiconductor thin film interposed therebetween.
モルファスシリコン薄膜である請求項5に記載の冷電子
放出素子。6. The cold electron-emitting device according to claim 5, wherein the intrinsic semiconductor thin film is a non-doped hydrogenated amorphous silicon thin film.
ーミック層としてのn型半導体薄膜を両者の間に介して
形成されている請求項1に記載の冷電子放出素子。7. The cold electron emitting element according to claim 1, wherein the emitter wiring layer and the p-type semiconductor thin film are formed with an n-type semiconductor thin film as an ohmic layer interposed therebetween.
n型水素化アモルファスシリコン薄膜である請求項7に
記載の冷電子放出素子。8. An n-type semiconductor thin film as an ohmic layer,
The cold electron emitting device according to claim 7, wherein the cold electron emitting device is an n-type hydrogenated amorphous silicon thin film.
なる請求項1に記載の冷電子放出素子。9. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the insulating layer comprises an amorphous silicon nitride film.
または多角錐台のいずれかである請求項1に記載の冷電
子放出素子。10. The cold electron emitting device according to claim 1, wherein the shape of the emitter is one of a cone, a cylinder, a truncated cone, and a truncated polygon.
コンからなる請求項1に記載の冷電子放出素子。11. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the emitter is made of n-type hydrogenated amorphous silicon.
なる請求項1に記載の冷電子放出素子。12. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein a glass substrate is used as the insulating substrate.
層及びゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁
層とには該エミッタ配線層に達する開口部が設けられ、
その開口部内の該エミッタ配線層上にエミッタが該ゲー
ト電極に接触しないように形成されてなる電界放射型の
冷電子放出素子であって、該エミッタ配線層とエミッタ
との間には、少なくともp型半導体薄膜とn型半導体薄
膜とがこの順に積層されてあり、該n型半導体薄膜の上
にエミッタが形成されていることを特徴とする冷電子放
出素子の製造方法において、 (a)絶縁性基板上にエミッタ配線形成用金属薄膜を成
膜し、パターニングすることによってエミッタ配線層を
形成する工程; (b)エミッタ配線層上にp型半導体薄膜を成膜し、さ
らに該p型半導体薄膜上にn型半導体薄膜を成膜する工
程; (c)該n型半導体薄膜上に絶縁材料からなる層を成膜
し、さらにその上にゲート電極材料からなる層を成膜す
る工程; (d)その面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグ
ラフィー法を用いてフォトレジストをゲートの開口部に
対応する形状と大きさの孔を有するエッチングマスク層
に形成し、しかる後に、反応性イオンエッチングによ
り、前記ゲート電極材料及び絶縁材料の層をエッチング
して、前記n型半導体薄膜が露出したゲート孔を形成す
るとともに、ゲート電極と絶縁層とを形成する工程; (e)斜方蒸着法を用いて、ゲート電極の上面及び側面
にのみリフトオフ材料を蒸着することにより、リフトオ
フ層を形成する工程; (f)基板に対して垂直方向から、該垂直方向に蒸着量
の多い蒸着異方性を有する異方性蒸着法を用いて、前記
ゲート孔の孔内にエミッタ材料を成膜することにより、
エミッタを自己整合的に形成する工程;及び (g)前記ゲート電極の上側あるいは側面側にあるエミ
ッタ材料をリフトオフさせる工程; 以上(a)〜(g)のいずれも具備することを特徴とす
る製造方法。13. An emitter wiring layer, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, and the gate electrode and the insulating layer are provided with an opening reaching the emitter wiring layer.
A field emission type cold electron emitting element in which an emitter is formed on the emitter wiring layer in the opening so as not to contact the gate electrode, wherein at least p is provided between the emitter wiring layer and the emitter. A method of manufacturing a cold electron-emitting device, characterized in that a type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film are stacked in this order, and an emitter is formed on the n-type semiconductor thin film. Forming a metal thin film for forming an emitter wiring on a substrate and forming an emitter wiring layer by patterning; (b) forming a p-type semiconductor thin film on the emitter wiring layer, and further forming a p-type semiconductor thin film on the p-type semiconductor thin film (C) forming a layer made of an insulating material on the n-type semiconductor thin film and further forming a layer made of a gate electrode material thereon; (d) That side A photoresist is applied to the substrate, and a photoresist is formed on the etching mask layer having a hole having a shape and a size corresponding to the opening of the gate by using a photolithography method, and thereafter, the gate electrode is formed by reactive ion etching. Forming a gate electrode and an insulating layer by exposing the layer of the material and the insulating material to form the gate hole where the n-type semiconductor thin film is exposed; (e) forming the gate electrode using an oblique deposition method; Forming a lift-off layer by vapor-depositing a lift-off material only on the upper surface and side surfaces of the substrate; (f) anisotropic vapor deposition having a large amount of vapor-deposited anisotropy in the vertical direction from the direction perpendicular to the substrate By depositing an emitter material in the gate hole using a method,
(G) a step of forming an emitter in a self-aligned manner; and (g) a step of lifting off an emitter material on an upper side or a side of the gate electrode; Method.
らなり、これをシランまたはジシランのいずれかとアン
モニアとから成る混合ガスを反応ガスとして用いたPE
CVD法によって形成する請求項13に記載の製造方
法。14. In the step (c), the insulating material layer is made of amorphous silicon nitride, and the insulating material layer is made of PE using a mixed gas of either silane or disilane and ammonia as a reaction gas.
14. The manufacturing method according to claim 13, wherein the manufacturing method is performed by a CVD method.
層及びゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁
層とには該エミッタ配線層に達する開口部が設けられ、
その開口部内の該エミッタ配線層上にエミッタが該ゲー
ト電極に接触しないように形成されてなる電界放射型の
冷電子放出素子であって、該エミッタ配線層とエミッタ
との間には、少なくともp型半導体薄膜とn型半導体薄
膜とがこの順に積層されてあり、該n型半導体薄膜の上
にエミッタが形成されていることを特徴とする冷電子放
出素子の製造方法において、 (h)絶縁性基板上にエミッタ配線形成用金属薄膜を成
膜し、パターニングすることによりエミッタ配線層を形
成する工程; (i)エミッタ配線層上にp型半導体薄膜を成膜し、さ
らに該p型半導体薄膜上にn型半導体薄膜を成膜する工
程; (j)n型半導体薄膜上にエッチングマスク材料を成膜
し、該エッチングマスク材料の膜をフォトリソグラフィ
ー法を用いてゲートの開口部に対応する形状と大きさの
部分が残ったエッチングマスク層を形成する工程; (k)反応性イオンエッチング法を用いて、n型半導体
薄膜が残る程度にまでn型半導体薄膜をエッチングする
工程; (l)絶縁性基板の該n型半導体薄膜の面側に、絶縁材
料からなる層とゲート電極材料からなる層とをこの順に
積層することで、該n型半導体薄膜上に絶縁材料層とゲ
ート電極材料層とを形成する工程;及び (m)前記エッチングマスク層を除去することにより、
その上にある絶縁材料層とゲート電極材料層とをリフト
オフする工程 以上(h)〜(m)のいずれも具備することを特徴とす
る製造方法。15. An emitter wiring layer, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, and the gate electrode and the insulating layer are provided with an opening reaching the emitter wiring layer,
A field emission type cold electron emitting element in which an emitter is formed on the emitter wiring layer in the opening so as not to contact the gate electrode, wherein at least p is provided between the emitter wiring layer and the emitter. A method of manufacturing a cold electron-emitting device, characterized in that a semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film are stacked in this order, and an emitter is formed on the n-type semiconductor thin film. Forming a metal thin film for forming an emitter wiring on a substrate and forming an emitter wiring layer by patterning; (i) forming a p-type semiconductor thin film on the emitter wiring layer; (J) forming an etching mask material on the n-type semiconductor thin film and opening the gate of the etching mask material film by photolithography. Forming an etching mask layer in which a portion having the shape and size corresponding to the portion remains; (k) etching the n-type semiconductor thin film using reactive ion etching until the n-type semiconductor thin film remains. (L) stacking a layer made of an insulating material and a layer made of a gate electrode material in this order on the surface side of the n-type semiconductor thin film of the insulating substrate, thereby forming an insulating material layer on the n-type semiconductor thin film; Forming a gate electrode material layer; and (m) removing the etching mask layer;
A step of lifting off the insulating material layer and the gate electrode material layer thereover. A manufacturing method comprising any of the above (h) to (m).
15の(i)のいずれかにおいて、 p型半導体薄膜は水素化アモルファスシリコン薄膜であ
り、これをシランまたはジシランのいずれかとジボラン
とから成る混合ガスを反応ガスとして用いるPECVD
法により成膜し、 また、n型半導体薄膜は水素化アモルファスシリコン薄
膜であり、これをシランまたはジシランのいずれかとフ
ォスフィンとから成る混合ガスを反応ガスとして用いる
PECVD法により成膜することを特徴とする請求項1
3又は15のいずれかに記載の製造方法。16. The method according to claim 13, wherein the p-type semiconductor thin film is a hydrogenated amorphous silicon thin film, which is formed by combining either silane or disilane with diborane. Using a mixed gas consisting of nitrogen as a reaction gas
The n-type semiconductor thin film is a hydrogenated amorphous silicon thin film, which is formed by a PECVD method using a mixed gas of either silane or disilane and phosphine as a reaction gas. Claim 1
16. The production method according to any one of items 3 and 15.
るジボランのガス流量比は100ppm〜10%の範囲
にあって、 また、シランまたはジシランのいずれかに対するフォス
フィンのガス流量比が10ppm〜10%の範囲にある
請求項16に記載の製造方法。17. The gas flow ratio of diborane to either silane or disilane is in the range of 100 ppm to 10%, and the gas flow ratio of phosphine to either silane or disilane is in the range of 10 ppm to 10%. The method according to claim 16.
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JP2000173442A (en) * | 1998-12-01 | 2000-06-23 | Toppan Printing Co Ltd | Cold electron emitting element and its manufacture |
JP2002184300A (en) * | 2000-12-13 | 2002-06-28 | Japan Science & Technology Corp | Electric field electron emitting element and method for manufacturing the same |
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- 1996-09-06 JP JP23656196A patent/JP3612883B2/en not_active Expired - Fee Related
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