JPH11154471A - Electron emitting element and switching circuit using it - Google Patents

Electron emitting element and switching circuit using it

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JPH11154471A
JPH11154471A JP6576098A JP6576098A JPH11154471A JP H11154471 A JPH11154471 A JP H11154471A JP 6576098 A JP6576098 A JP 6576098A JP 6576098 A JP6576098 A JP 6576098A JP H11154471 A JPH11154471 A JP H11154471A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate loss at a gate, prevent the breakage of an element. SOLUTION: An electron emitting element comprises an emitter 2 emitting electrons, a gate electrode 1 extracting electrons by applying an electric field to the emitter 2, an anode electrode 3 collecting the electrons extracted by the gate electrode 1. A resistor 23 is connected between the gate electrode 1 and a signal applied to the agate electrode 1. A signal source 5 is provided between the emitter 2 and the gate electrode 1, and a voltage source 4 is provided between the gate electrode 1 and the anode electrode 3.

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、電子放出素子及び
それを用いたスイッチング回路に係わり、特に線形領域
においてスイッチング動作を行う場合に使用するものに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron-emitting device and a switching circuit using the same, and more particularly to a device used for performing a switching operation in a linear region.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、発達したSi半導体微細加工技術
を用いて、半導体デバイスと同程度の微細な電界放出型
の電子放出素子の開発が行われており、フラットパネル
ディスプレイ等への応用が進められている。その代表的
な例としてはスピント(C.A.Spindt)らの、Journal Of A
pplied Physics,vol.47,5248(1976) に掲載されたもの
が知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, fine field emission type electron-emitting devices of the same size as semiconductor devices have been developed by using advanced Si semiconductor fine processing technology, and application to flat panel displays and the like has been advanced. Have been. A typical example is Journal of A, by Spindt (CASpindt) et al.
The one described in pplied Physics, vol. 47, 5248 (1976) is known.

【0003】従来の電界放出型の電子放出素子の一例を
図16に示す。図16(a)は従来の電子放出素子を用
いた回路の全体構成を示す図であり、図16(b)は図
16(a)に示す回路のV−I特性を示す図であり、横
軸は電圧、縦軸は電流を示し、実線はアノード電流、破
線はゲート電流である。
FIG. 16 shows an example of a conventional field emission type electron-emitting device. FIG. 16A is a diagram showing an overall configuration of a circuit using a conventional electron-emitting device, and FIG. 16B is a diagram showing VI characteristics of the circuit shown in FIG. The axis is voltage, the vertical axis is current, the solid line is the anode current, and the broken line is the gate current.

【0004】図16(a)に示すように、電子放出素子
のエミッタ2に対し、ゲート電極1に正電圧Vg を印加
し、エミッタ2先端に大きな電界を発生させ、電界放出
によりエミッタ2内部の電子を真空中に引き出す。エミ
ッタ2に対向して設けたアノード電極3にはゲート電極
2よりも高い正電圧Va を印加し、エミッタ2からゲー
ト電極1に向かう電子をさらにアノード電極3に引き寄
せることにより、エミッタ2から放出された電子を収集
するようにして用いる。
As shown in FIG. 16A, a positive voltage Vg is applied to the gate electrode 1 of the emitter 2 of the electron-emitting device to generate a large electric field at the tip of the emitter 2. Electrons are drawn out into a vacuum. By the anode electrode 3 provided opposite the emitter 2 applies a high positive voltage V a than the gate electrode 2, draw from the emitter 2 further anode electrode 3 electrons toward the gate electrode 1, emitted from the emitter 2 The collected electrons are used for collection.

【0005】上述した電子放出素子の動作において、エ
ミッタ2から放出される電子数はエミッタ2の先端に発
生する電界のみで定まる。通常、アノード電極3はゲー
ト電極1に比べて十分大きな距離を置いて設けられるた
め、アノード電圧が低い場合には放出される電子はゲー
ト電極1に強く引かれるため、主としてゲート電極1に
向かい、アノード電極3には到達しない。
In the operation of the electron-emitting device described above, the number of electrons emitted from the emitter 2 is determined only by the electric field generated at the tip of the emitter 2. Usually, since the anode electrode 3 is provided at a sufficiently large distance as compared with the gate electrode 1, when the anode voltage is low, the emitted electrons are strongly attracted to the gate electrode 1. It does not reach the anode electrode 3.

【0006】アノード電圧が高くなるにつれてゲート電
極1に向かう電子は減少し、アノード電極3に到達する
電子が増加する。そして、アノード電圧が十分高くなる
と、エミッタ2から放出された全ての電子がアノード電
極3に到達するようになる。
As the anode voltage increases, the number of electrons traveling toward the gate electrode 1 decreases, and the number of electrons reaching the anode electrode 3 increases. When the anode voltage becomes sufficiently high, all the electrons emitted from the emitter 2 reach the anode electrode 3.

【0007】また、図16(b)では簡単のためゲート
電極1を接地し、エミッタ2に負の電圧−Vg (すなわ
ちゲート電圧はVg )を、アノード電極3に正のアノー
ド電圧Va を印加している。このとき、図の矢印の向き
にエミッタ2を流れる電流をIe 、ゲート電極11を流
れる電流をIg 、アノード電極3を流れる電流をIa
すれば、上述したようにIe はVg のみで決まり、また
e =Ig +Ia なる関係がある。また、アノード電極
3の電圧Va が高くなるにつれ、アノード電流が増加
し、ゲート電流が減少する領域(以下では線形領域と称
する)と、さらにアノード電圧が高くなり、アノード電
流が一定、ゲート電流がほぼ0となる領域(以下では飽
和領域と称する)がある。
In FIG. 16B, for simplicity, the gate electrode 1 is grounded, a negative voltage −V g (that is, the gate voltage is V g ) is applied to the emitter 2, and a positive anode voltage V a is applied to the anode electrode 3. Is applied. At this time, assuming that the current flowing through the emitter 2 in the direction of the arrow in the drawing is I e , the current flowing through the gate electrode 11 is I g , and the current flowing through the anode electrode 3 is I a , as described above, I e is V g determined by the only, also I e = I g + I a becomes relationship. Further, as the voltage V a of the anode electrode 3 is higher, the anode current increases, the region where the gate current is reduced (hereinafter referred to as the linear region), further increases the anode voltage, anode current is constant, the gate current Is substantially zero (hereinafter referred to as a saturation region).

【0008】また、ゲート電圧Vg を変化させると、飽
和領域においてエミッタ2に流れる電流Ia は変化す
る。Vg をVg3→Vg2→Vg1と大きくしていくに従い、
a も増加していく。これは、エミッタ2から放出され
る電子数はゲート電圧Vg のみに依存するからである。
Further, when changing the gate voltage V g, the current I a flowing through the emitter 2 in the saturation region varies. As Vg is increased from V g3 → V g2 → V g1 ,
Ia also increases. This is the number of electrons emitted from the emitter 2 because only depends on the gate voltage V g.

【0009】上記電界放出型の電子放出素子に固有の特
性は、フラットパネルディスプレイ等のようにアノード
電流の値をゲート電圧により制御する場合に対しては問
題ないが、真空の持つ高い絶縁性を利用して、電力用の
スイッチング素子として用いる場合には大きな問題とな
る。
The characteristics inherent to the field emission type electron-emitting device are not problematic when the value of the anode current is controlled by the gate voltage as in a flat panel display or the like. When used as a switching element for electric power, there is a big problem.

【0010】スイッチング回路として電子放出素子を用
いる場合の回路構成を図17に示す。図17(a)は電
子放出素子を用いたスイッチング回路の全体構成を示す
図、図17(b)は負荷のV−I特性を示す図であり、
横軸は電圧、縦軸は電流である。また、実線はアノード
電流Ia を、一点鎖線は負荷線を、破線はゲート電流I
g を示す。また、本スイッチング回路を用いる場合の動
作点は実線で示した特性曲線と一点鎖線で示した負荷線
の交点となる。
FIG. 17 shows a circuit configuration when an electron-emitting device is used as a switching circuit. FIG. 17A is a diagram illustrating an overall configuration of a switching circuit using an electron-emitting device, and FIG. 17B is a diagram illustrating a VI characteristic of a load.
The horizontal axis is voltage and the vertical axis is current. Further, the solid line anode current I a, the dashed line the load line, the broken line denotes a gate current I
Indicates g . The operating point when the present switching circuit is used is the intersection of the characteristic curve shown by the solid line and the load line shown by the dashed line.

【0011】図17(a)に示すように、電子放出素子
をインピーダンスがZの負荷6(ここでは簡単のため純
抵抗Rとする)と電圧V0 の電圧源4に接続し、スイッ
チング動作を行う。飽和領域においてスイッチング動作
を行う場合を考えると、図17(b)に示すように飽和
領域ではオン状態におけるアノード電圧Va が高くな
り、電力の損失が大きくなってしまう。
As shown in FIG. 17A, an electron-emitting device is connected to a load 6 having an impedance of Z (here, a pure resistor R for simplicity) and a voltage source 4 of a voltage V 0 to perform a switching operation. Do. Considering the case of performing the switching operation in the saturation region, the anode voltage V a increases in the on state in the saturation region as shown in FIG. 17 (b), the loss of large power.

【0012】また、負荷6の大きさや電源電圧V0 に無
関係にゲート電圧Vg によりアノード電流Ia が決まっ
てしまうため、素子特性のばらつきにより、動作の信頼
性に欠ける。これらの問題が生じるため、スイッチング
回路として電子放出素子を用いる場合には線形領域を使
うことになる。
Further, since the thus determined anode current I a by independent gate voltage V g to the size and the power source voltage V 0 which load 6, due to variations in device characteristics, unreliable operation. Because of these problems, when an electron-emitting device is used as a switching circuit, a linear region is used.

【0013】電子放出素子を線形領域で用いる場合に
は、図17(b)においてスイッチング動作のオン状態
が図中の点aに、オフ状態が図中点bに相当する。しか
しながら、点aにおいてはアノード電流と同じオーダー
のゲート電流Ig1a が存在しており、このため制御を行
うべきゲートにおいてIg1a ×Vg1なる大きな電力の損
失が生じるという問題がある。また、過大なゲート電流
が流れることにより電子放出素子自体が破壊されやすい
という問題が生じる。
When the electron-emitting device is used in the linear region, the on state of the switching operation in FIG. 17B corresponds to a point a in the figure, and the off state corresponds to a point b in the figure. However, at the point a, the gate current I g1a of the same order as the anode current exists, and therefore, there is a problem that a large power loss of I g1a × V g1 occurs at the gate to be controlled. In addition, there is a problem that the electron-emitting device itself is easily broken due to the flow of an excessive gate current.

【0014】本発明の対象とする電子放出素子の横断面
図を図18に示す。図18に示すように、Si単結晶基
板11上に選択的にSiO2 層12が形成され、このS
iO2 層12上にはMo層13が形成されている。ま
た、SiO2 層12が形成されていないSi単結晶基板
11表面には円錐型エミッタ17が形成されている。
FIG. 18 is a cross-sectional view of an electron-emitting device to which the present invention is applied. As shown in FIG. 18, an SiO 2 layer 12 is selectively formed on a Si single crystal substrate 11,
On the iO 2 layer 12, a Mo layer 13 is formed. A conical emitter 17 is formed on the surface of the Si single crystal substrate 11 where the SiO 2 layer 12 is not formed.

【0015】この電子放出素子は、通常は図18に示す
一つの円錐型エミッタ17を複数個有するエミッタをア
レイ状に配置して使用するが、エミッタ17先端の鋭さ
やエミッタ17とゲートとなるMo層13間の距離を均
一に作製することが困難なため、アレイ内で均一な電子
放出を得ることができなかった。このため、ゲート電圧
を上げていくと、他のエミッタ17よりも低いゲート電
圧で電子放出が始まる一部のエミッタ17の電流が他の
エミッタ17よりも先に限界値に達する。この結果、エ
ミッタ17とゲートとなるMo層13間が短絡してエミ
ッタ−ゲート間に電流が流れ、アレイ全体が動作不能と
なる問題があった。
This electron-emitting device is usually used by arranging an emitter having a plurality of conical emitters 17 as shown in FIG. 18 in an array. The sharpness of the tip of the emitter 17 and the Mo that serves as a gate with the emitter 17 are used. Because it was difficult to make the distance between the layers 13 uniform, it was not possible to obtain uniform electron emission in the array. For this reason, when the gate voltage is increased, the current of some of the emitters 17 starting to emit electrons at a gate voltage lower than that of the other emitters 17 reaches the limit value before the other emitters 17. As a result, a short circuit occurs between the emitter 17 and the Mo layer 13 serving as a gate, causing a current to flow between the emitter and the gate.

【0016】この問題を解決する方法として、Ghisらの
IVMC90 Technical Digest に掲載されたものが知られて
いる。この文献に記載されている電子放出素子を図19
に示す。図19(a)はその横断面図を、図19(b)
はその上面から見た配置図である。
As a method for solving this problem, Ghis et al.
Known from the IVMC90 Technical Digest. The electron-emitting device described in this document is shown in FIG.
Shown in FIG. 19A is a cross-sectional view thereof, and FIG.
Is a layout view as seen from above.

【0017】図19(a)に示すように、この電子放出
素子はガラス基板191上にメッシュ状のエミッタライ
ン192と抵抗層193を順次形成し、その上部にSi
2層12,Mo層13,円錐型エミッタ17を形成し
たものである。
As shown in FIG. 19A, in this electron-emitting device, a mesh-like emitter line 192 and a resistance layer 193 are sequentially formed on a glass substrate 191, and a Si layer is formed on the emitter line 192.
The O 2 layer 12, the Mo layer 13, and the conical emitter 17 are formed.

【0018】この構造では、図19(b)から分かるよ
うに、エミッタライン192とエミッタ17間に抵抗層
193が挿入されているため、あるエミッタ17で放出
電流が大きくなるとそのエミッタ17の電位が上がり、
ゲートとの電位差が減少して放出電流が小さくなる。す
なわち、抵抗層193による負帰還作用が働くことにな
る。このため、他よりも低いゲート電圧で電子放出が始
まる一部のエミッタ17に大きな負帰還作用が働き、全
体として電子放出特性が均一化するため、エミッタ17
とゲート間が短絡しにくくなる。また、短絡しても抵抗
層193で電圧を支えるため、アレイ全体が動作不能に
なることは無い。
In this structure, as can be seen from FIG. 19B, since the resistance layer 193 is inserted between the emitter line 192 and the emitter 17, when the emission current increases at a certain emitter 17, the potential of the emitter 17 becomes lower. Rise,
The potential difference from the gate decreases, and the emission current decreases. That is, the negative feedback action by the resistance layer 193 works. For this reason, a large negative feedback action is exerted on some of the emitters 17 in which electron emission starts at a gate voltage lower than the others, and the electron emission characteristics become uniform as a whole.
And the gates are not easily short-circuited. Further, even if a short circuit occurs, the voltage is supported by the resistance layer 193, so that the entire array does not become inoperable.

【0019】しかしながら、上述したようなエミッタ1
7側に抵抗層193を挿入した電子放出素子は、フラッ
トパネルディスプレイ等のように比較的小さな電流を得
ればよい応用に対しては問題無いが、真空の持つ高い絶
縁性を利用して電力用のスイッチング素子として用いる
場合には、大きな電流が抵抗層193を流れるため、抵
抗層193での損失が大きくなるという問題点が生じ
る。
However, the emitter 1 as described above
The electron-emitting device in which the resistive layer 193 is inserted on the 7th side has no problem for applications requiring only a relatively small current, such as a flat panel display. When the switching element is used as a switching element, a large current flows through the resistance layer 193, so that there is a problem that the loss in the resistance layer 193 increases.

【0020】また、フラットパネルディスプレイ等のよ
うな応用では引き出された電子を集めるアノード電極の
電圧がゲート電圧に対し、十分高く保たれるため、引き
出された電子の大部分はアノード電極に向かう。これに
対してスイッチング素子においては、スイッチオン時に
アノード電圧がゲート電圧と同程度までに低下するた
め、過大なゲート電流が流れ、これにより素子が破壊す
る可能性がある。しかしながら、この問題に対してはエ
ミッタ側に挿入した抵抗層193は有効ではない。
In an application such as a flat panel display, the voltage of the anode electrode for collecting the extracted electrons is kept sufficiently higher than the gate voltage, so that most of the extracted electrons go to the anode electrode. On the other hand, in the switching element, when the switch is turned on, the anode voltage decreases to about the same as the gate voltage, so that an excessive gate current flows, which may cause the element to be destroyed. However, the resistance layer 193 inserted on the emitter side is not effective for this problem.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の電子放出素
子において、線形領域でスイッチング回路に適用する場
合には、スイッチング動作のオン状態が図17(b)の
点aに、オフ状態が点bに相当する。しかしながら、点
aにおいてはアノード電流と同じオーダーのゲート電流
が存在しており、このため制御を行うはずのゲートにお
いて図17(b)に示すようにIg1a ×Vg1なる大きな
損失が生じるという問題がある。また、過大なゲート電
流が流れることにより素子が破壊されやすいという問題
が生じる。
In the above-mentioned conventional electron-emitting device, when applied to a switching circuit in the linear region, the on state of the switching operation is at point a in FIG. Is equivalent to However, at point a, there is a gate current of the same order as the anode current, and as a result, a large loss of I g1a × V g1 occurs at the gate to be controlled as shown in FIG. 17B. There is. In addition, there is a problem that the element is easily broken due to the flow of an excessive gate current.

【0022】以上のように、電界放出型の電子放出素子
でスイッチング動作を行う場合には、制御を行うはずの
ゲートで大きな損失が生じ、また過大なゲート電流によ
り素子が破壊されやすいという問題が生じていた。
As described above, when a switching operation is performed by a field emission type electron-emitting device, there is a problem that a large loss occurs in a gate to be controlled and that the device is easily broken by an excessive gate current. Had occurred.

【0023】また、エミッタ側に抵抗層を挿入した電子
放出素子をスイッチング素子として用いる場合、大きな
主電流が流れるエミッタ側に抵抗層が挿入されているた
め、抵抗層での損失が大きくなるという問題があった。
また、スイッチオン時にアノード電圧がゲート電圧と同
程度までに低下した時に、過大なゲート電流により素子
が破壊するという問題に対しても有効ではなかった。
When an electron-emitting device in which a resistance layer is inserted on the emitter side is used as a switching element, the loss in the resistance layer increases because the resistance layer is inserted on the emitter side where a large main current flows. was there.
Further, when the anode voltage is reduced to about the same level as the gate voltage when the switch is turned on, the device is not effective against the problem that the element is destroyed by an excessive gate current.

【0024】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、ゲート電極での電
力の損失が少なく、かつスイッチオン時の過大なゲート
電流による素子自体の破壊を防止する電子放出素子及び
それを用いたスイッチング回路を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to reduce the power loss at the gate electrode and to prevent the destruction of the element itself due to an excessive gate current at the time of switching on. An object of the present invention is to provide an electron-emitting device for preventing the light emission and a switching circuit using the same.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
電子放出素子は、電界の印加により電子を放出するエミ
ッタと、このエミッタに対し信号源により正の電圧が印
加されて該エミッタから電子を引き出すゲート電極と、
このゲート電極により引き出された電子を収集するアノ
ード電極と、前記信号源とゲート電極との間に挿入さ
れ、ゲート電流による電圧降下を利用してゲート電圧を
低下させるゲート抵抗とを具備してなることを特徴とす
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an electron-emitting device, comprising: an emitter for emitting electrons by applying an electric field; and a positive voltage applied to the emitter by a signal source from the emitter. A gate electrode for extracting electrons,
An anode electrode for collecting electrons extracted by the gate electrode, and a gate resistor inserted between the signal source and the gate electrode for reducing a gate voltage by using a voltage drop due to a gate current. It is characterized by the following.

【0026】また、本発明の請求項2に係る電子放出素
子は、前記エミッタは2次元的に複数個配置され、各々
のエミッタに独立してゲート電極が設けられ、これらの
ゲート電極と前記信号源との間にゲート抵抗をそれぞれ
挿入したことを特徴とする。
Further, in the electron-emitting device according to a second aspect of the present invention, a plurality of the emitters are two-dimensionally arranged, and a gate electrode is provided independently for each of the emitters. A gate resistor is inserted between the source and the source.

【0027】なお、本発明の望ましい形態としては、以
下に示す通りである。
The preferred embodiment of the present invention is as follows.

【0028】(1)エミッタとして円錐型又は四角錐型
のものを用いる。
(1) A conical or quadrangular pyramid emitter is used.

【0029】(2)エミッタ・アノード電極間を真空封
止する。
(2) Vacuum sealing between the emitter and anode electrodes.

【0030】また、本発明の請求項3に係る電子放出素
子は、前記ゲート抵抗は、エミッタ及びゲート電極を形
成した基板上に一体的に形成されていることを特徴とす
る。
According to a third aspect of the present invention, in the electron-emitting device, the gate resistor is integrally formed on a substrate on which an emitter and a gate electrode are formed.

【0031】また、本発明の請求項4に係る電子放出素
子を用いたスイッチング回路は、電界の印加により電子
を放出するエミッタと、このエミッタから電子を引き出
すゲート電極と、このゲート電極により引き出された電
子を収集するアノード電極と、前記エミッタに対しゲー
ト電極に正の電圧を印加する信号源と、この信号源に直
列接続され、ゲート電流による電圧降下を利用してゲー
ト電圧を低下させるゲート抵抗と、前記エミッタに対し
アノード電極にゲート電極よりも高い正の電圧を印加す
る電圧源と、この電圧源に直列接続された負荷とを具備
してなり、アノード電圧が高くなるに伴い、アノード電
流が増加しゲート電流が減少する領域を用いてスイッチ
ング動作させることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a switching circuit using an electron-emitting device, wherein the emitter emits electrons by applying an electric field, a gate electrode extracts electrons from the emitter, and the gate electrode extracts electrons. An anode electrode for collecting electrons, a signal source for applying a positive voltage to the gate electrode with respect to the emitter, and a gate resistor connected in series to the signal source and reducing a gate voltage by utilizing a voltage drop due to a gate current. A voltage source for applying a positive voltage higher than the gate electrode to the anode electrode with respect to the emitter, and a load connected in series to the voltage source. As the anode voltage increases, the anode current increases. The switching operation is performed using an area where the gate current increases and the gate current decreases.

【0032】なお、本発明の望ましい形態としては、以
下に示す通りである。
The preferred embodiments of the present invention are as follows.

【0033】(1)エミッタとして円錐型又は四角錐型
のものを用いる。
(1) A conical or quadrangular pyramid emitter is used.

【0034】(2)エミッタ−アノード電極間を真空封
止する。
(2) The space between the emitter and the anode is vacuum-sealed.

【0035】(3)ゲート抵抗を低融点金属で作成す
る。
(3) A gate resistor is made of a low melting point metal.

【0036】また、本発明の請求項5に係る電子放出素
子は、基板上に形成され、突起状の複数のエミッタを有
する第1の導電層と、前記第1の導電層上に形成され、
前記複数のエミッタの先端部を残して前記第1の導電層
を覆うように形成された絶縁層と、前記複数のエミッタ
の先端部が開口するように前記絶縁層を被覆して形成さ
れた第2の導電層とを具備してなり、前記第2の導電層
は、前記それぞれのエミッタ周辺部の膜厚を厚くするこ
とによりゲート電極をなし、前記複数のエミッタが形成
された領域を囲む領域であって、前記複数のゲート電極
から所定の距離をおいた領域の膜厚を厚くすることによ
りゲート配線をなし、前記ゲート電極及び前記ゲート配
線に挟まれた領域の膜厚を前記ゲート電極及び前記ゲー
ト配線の膜厚よりも薄くすることにより抵抗層をなすこ
とを特徴とする。
An electron-emitting device according to a fifth aspect of the present invention is formed on a substrate, a first conductive layer having a plurality of projecting emitters, and formed on the first conductive layer,
An insulating layer formed so as to cover the first conductive layer except for the tips of the plurality of emitters, and a second insulating layer formed by coating the insulating layer so that the tips of the plurality of emitters are open. A region surrounding the region where the plurality of emitters are formed, wherein the second conductive layer forms a gate electrode by increasing the thickness of the peripheral portion of each of the emitters. A gate wiring is formed by increasing the thickness of a region at a predetermined distance from the plurality of gate electrodes, and the film thickness of a region sandwiched between the gate electrode and the gate wiring is reduced by the gate electrode and the gate electrode. It is characterized in that a resistance layer is formed by making the thickness smaller than the thickness of the gate wiring.

【0037】本発明の望ましい形態を以下に示す。Preferred embodiments of the present invention will be described below.

【0038】(1)それぞれのゲート電極間における第
2の導電層の膜厚を該ゲート電極の膜厚よりも薄くする
ことにより抵抗層として動作させる。
(1) The second conductive layer between the respective gate electrodes is made thinner than the gate electrode to operate as a resistance layer.

【0039】(2)複数のエミッタはアレイ状に配置さ
れている。
(2) The plurality of emitters are arranged in an array.

【0040】(3)(2)のアレイ状に配置された複数
のエミッタの配置される領域を抵抗層を挟んで囲むよう
に第1のゲート配線が形成される。
(3) A first gate wiring is formed so as to surround a region where a plurality of emitters arranged in an array in (2) are arranged with a resistance layer interposed therebetween.

【0041】(4)(3)の第1のゲート配線は、抵抗
層及びゲート電極と同一の層からなる。
(4) The first gate wiring of (3) is formed of the same layer as the resistance layer and the gate electrode.

【0042】(5)ゲート電極と(3)の第1のゲート
配線は、所定の膜厚からなる抵抗層の上に形成される。
(5) The gate electrode and the first gate wiring of (3) are formed on a resistive layer having a predetermined thickness.

【0043】(6)ゲート電極、抵抗層、ゲート配線
は、それぞれ金属または半導体のいずれかにより構成さ
れる。
(6) The gate electrode, the resistance layer, and the gate wiring are each made of either a metal or a semiconductor.

【0044】(7)(3)のゲート配線を囲むように絶
縁膜が形成され、さらにこの絶縁膜を囲むように第2の
ゲート配線が形成され、かつ第1のゲート配線と第2の
ゲート配線を線幅の細い抵抗層が貫通する。
(7) An insulating film is formed so as to surround the gate wiring of (3), a second gate wiring is formed so as to surround the insulating film, and the first gate wiring and the second gate wiring are formed. A thin resistive layer penetrates the wiring.

【0045】(8)(3)のゲート配線と各エミッタの
距離が均一となるように形成される。
(8) The gate wiring of (3) is formed such that the distance between each emitter and each emitter is uniform.

【0046】(9)(3)のゲート配線から見て最も遠
くに配置されたエミッタと最も近くに配置されたエミッ
タの距離の差は、所定の値よりも小さい。
(9) The difference between the distance between the farthest emitter and the nearest emitter when viewed from the gate wiring in (3) is smaller than a predetermined value.

【0047】(10)(9)の所定の値とは、抵抗層が
抵抗として動作した場合の抵抗値の許容できる差に基づ
いて定められる。
(10) The predetermined value of (9) is determined based on an allowable difference in resistance value when the resistance layer operates as a resistor.

【0048】(作用)ゲート電極と信号源との間に抵抗
が挿入されている場合のエミッタ・ゲート間に加わる電
圧は理想的な電圧より、わずかに大きい電圧となる。な
ぜなら、エミッタ・ゲート間に理想的な電圧よりも大き
な電圧が加わるとゲート電流が流れる。ゲート電流が流
れるということは同時に抵抗にも電流が流れることにな
り、抵抗で電圧降下が生じる。この抵抗における電圧降
下によりエミッタ・ゲート間に加わる電圧が減少する
が、電圧降下が大きすぎるとエミッタ・ゲート間電圧が
理想的な電圧より小さくなり、ゲート電流が流れず、抵
抗での電圧降下が生じなくなる。
(Operation) When a resistor is inserted between the gate electrode and the signal source, the voltage applied between the emitter and the gate is slightly higher than the ideal voltage. This is because a gate current flows when a voltage higher than the ideal voltage is applied between the emitter and the gate. When the gate current flows, the current also flows through the resistor, and a voltage drop occurs in the resistor. The voltage applied between the emitter and the gate decreases due to the voltage drop at this resistor, but if the voltage drop is too large, the voltage between the emitter and the gate becomes smaller than the ideal voltage, the gate current does not flow, and the voltage drop at the resistor decreases. No longer occurs.

【0049】従って、この抵抗の動作により、理想的な
エミッタ・ゲート間電圧より少し高い電圧でバランスす
ることとなる。このバランスした状態におけるゲート電
流は小さく、ゲートでの電力の損失は抵抗が無い場合の
電力の損失に比べて大幅に減少する。
Therefore, by the operation of the resistor, the balance is achieved at a voltage slightly higher than the ideal emitter-gate voltage. The gate current in this balanced state is small, and the power loss at the gate is significantly reduced as compared to the power loss without a resistor.

【0050】また、ゲート電流は抵抗がない場合に比べ
て十分小さくできるから、ゲート電極に過大な電流が流
れることによる素子の破壊を防ぐことができる。
Further, since the gate current can be made sufficiently small as compared with the case where there is no resistance, it is possible to prevent the destruction of the element due to an excessive current flowing through the gate electrode.

【0051】また、本発明の電子放出素子では、通常の
動作状態では電流がほとんど流れないゲート側に抵抗層
を挿入し、かつゲート電極同士が抵抗層で接続すること
により、抵抗層の損失の発生を抑え、かつ一部のエミッ
タが短格してもアレイ全体が動作不能とならないように
することができる。
In the electron-emitting device according to the present invention, the resistance layer is inserted on the gate side where almost no current flows in a normal operation state, and the gate electrodes are connected to each other by the resistance layer. The occurrence can be suppressed, and even if some of the emitters are short, the entire array can be prevented from becoming inoperable.

【0052】[0052]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0053】(第1実施形態)図1は、本発明の第1実
施形態に係る電子放出素子の製造工程を示す図である。
図1に示すように、Si単結晶基板11上に絶縁層とし
てSiO2 層12を熱酸化により形成し、さらにゲート
電極となるMo層13を真空蒸着で形成した後、エッチ
ングによりホール14を開ける(図1(a))。次い
で、Si単結晶基板11を回転させながら、Alを基板
表面に対して斜め方向から真空蒸着し、Al層15を形
成する(図1(b))。
(First Embodiment) FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of an electron-emitting device according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a SiO 2 layer 12 is formed as an insulating layer on a Si single crystal substrate 11 by thermal oxidation, a Mo layer 13 serving as a gate electrode is formed by vacuum deposition, and a hole 14 is formed by etching. (FIG. 1 (a)). Next, while rotating the Si single crystal substrate 11, Al is vacuum-deposited obliquely to the substrate surface to form an Al layer 15 (FIG. 1B).

【0054】次に、エミッタとなるMoを基板表面に対
して垂直方向からSi単結晶基板11に真空蒸着し、ホ
ール14の直径がMo層16の堆積と共にふさがってい
くことを利用して、ホール14内にMoを円錐状に堆積
させ(図1(c))、最終的にホール14以外の部分の
Al層15、Mo層16を除去することにより円錐型エ
ミッタ17を作成したものである(図1(d))。
Next, Mo as an emitter is vacuum-deposited on the Si single crystal substrate 11 in a direction perpendicular to the substrate surface, and the hole 14 is closed by the deposition of the Mo layer 16 by utilizing the hole. A conical emitter 17 is formed by depositing Mo in a conical shape within 14 (FIG. 1C), and finally removing the Al layer 15 and the Mo layer 16 other than the holes 14 (FIG. 1C). FIG. 1 (d)).

【0055】図2(a)は上記の工程により製造された
電子放出素子を用いたスイッチング回路の全体構成を示
す図である。図2(a)において、複数の円錐型エミッ
タ2とゲート電極1よりなる素子上にはスペーサ21を
介してアノード電極3が設けられており、この電子放出
素子の内部は真空封止されている。エミッタ電極2,ゲ
ート電極1及びアノード電極3からはそれぞれ外部に配
線22が取り出されている。
FIG. 2A is a diagram showing the overall configuration of a switching circuit using the electron-emitting devices manufactured by the above steps. In FIG. 2A, an anode electrode 3 is provided on a device composed of a plurality of conical emitters 2 and a gate electrode 1 via a spacer 21, and the inside of the electron-emitting device is vacuum-sealed. . The wiring 22 is taken out from the emitter electrode 2, the gate electrode 1 and the anode electrode 3, respectively.

【0056】ゲート電極1は抵抗値がrの抵抗23を介
して接地される。エミッタ2は電圧−Vg1の負のパルス
波を発生する信号源5を介して接地されており、この信
号源5で発生したパルス波によりエミッタ2,ゲート電
極1間に電圧が印加され、エミッタ2先端部から電子が
ゲート電極1に向けて放出される。すなわち、信号源5
でパルス波が発生している状態は、本スイッチング回路
のオン状態に対応し、パルス波が発生していない状態
は、オフ状態に対応する。
The gate electrode 1 is grounded via a resistor 23 having a resistance value r. The emitter 2 is grounded via a signal source 5 for generating a negative pulse wave of a voltage -V g1. A voltage is applied between the emitter 2 and the gate electrode 1 by the pulse wave generated by the signal source 5, and Electrons are emitted toward the gate electrode 1 from the two tips. That is, the signal source 5
The state where a pulse wave is generated corresponds to the ON state of the present switching circuit, and the state where no pulse wave is generated corresponds to the OFF state.

【0057】アノード電極3はインピーダンスZの負荷
6(ここでは簡単のため純抵抗Rとする)を介して電圧
0 の電圧源4に接続されており、エミッタ2から放出
された電子がゲート電極1に向けて進行し、この電圧源
4によりさらにアノード電極3まで到達するようになっ
ている。
The anode electrode 3 is connected to a voltage source 4 of a voltage V 0 via a load 6 having an impedance Z (here, a pure resistor R for simplicity). The voltage source 4 further reaches the anode electrode 3.

【0058】上記実施形態に係る電子放出素子を用いた
スイッチング回路の動作を説明する。
The operation of the switching circuit using the electron-emitting device according to the above embodiment will be described.

【0059】信号源5により電圧Vg1のパルス電圧が印
加されると、エミッタ2及びゲート電極1間に正電圧が
印加される。この印加電圧によりエミッタ2先端部に大
きな電界が発生する。そして、電界放出によりエミッタ
2内部の電子は真空中に引き出される。
When a pulse voltage of voltage V g1 is applied by the signal source 5, a positive voltage is applied between the emitter 2 and the gate electrode 1. This applied voltage generates a large electric field at the tip of the emitter 2. Then, the electrons inside the emitter 2 are extracted into a vacuum by the field emission.

【0060】一方、アノード電極3には電圧源4により
抵抗23,負荷6に直列に電圧V0が印加される。な
お、この電圧V0 は、ゲート電極1よりも高い正電圧が
印加される。この印加電圧により、真空中に引き出され
た電子はゲート電極1付近からアノード電極3に向けて
進行し、アノード電極3で収集される。
On the other hand, a voltage V 0 is applied to the anode electrode 3 in series with the resistor 23 and the load 6 by the voltage source 4. The voltage V 0 is a positive voltage higher than that of the gate electrode 1. With this applied voltage, the electrons extracted into the vacuum travel from the vicinity of the gate electrode 1 toward the anode electrode 3 and are collected at the anode electrode 3.

【0061】エミッタ2から放出される電子数はエミッ
タ2の先端に発生する電界のみで定まるが、通常、アノ
ード電極3はゲート電極1に比べて十分大きな距離を置
いて設けられるため、放出される電子数は主にゲート電
極1に向かい、アノード電極3には到達しない。アノー
ド電圧が高くなると、ゲート電極1に向かう電子は減少
し、アノード電極3に到達する電子が増加する。そし
て、アノード電圧が十分高くなると、エミッタ2から放
出された全ての電子がアノード電極3に到達するように
なる。
Although the number of electrons emitted from the emitter 2 is determined only by the electric field generated at the tip of the emitter 2, the emitted electrons are usually provided because the anode electrode 3 is provided at a sufficiently large distance from the gate electrode 1. The number of electrons mainly goes to the gate electrode 1 and does not reach the anode electrode 3. When the anode voltage increases, the number of electrons traveling toward the gate electrode 1 decreases, and the number of electrons reaching the anode electrode 3 increases. When the anode voltage becomes sufficiently high, all the electrons emitted from the emitter 2 reach the anode electrode 3.

【0062】図1(b)は図1(a)に示した回路にお
ける負荷6のV−I特性を示す図である。横軸は電圧、
縦軸は電流を示し、実線はアノード電流Ia 、一点鎖線
は負荷線、破線はゲート電流Ig である。負荷線は、接
地点とアノード電極3との電圧に関する関係式Va =V
0 −RIa を表したものである。
FIG. 1B shows the VI characteristic of the load 6 in the circuit shown in FIG. 1A. The horizontal axis is voltage,
The vertical axis indicates the current, the solid line is the anode current I a , the dashed line is the load line, and the broken line is the gate current Ig . The load line has a relational expression V a = V regarding the voltage between the ground point and the anode electrode 3.
It illustrates a 0 -RI a.

【0063】抵抗23が無い場合であれば、前述の図5
(b)に示したように動作点は特性曲線と負荷線との交
点で定まるため、オン状態が図中aに、オフ状態が図中
bに相当する。また、ゲートにVg1の電圧をかけた場合
のゲート電流Ig1を示す直線より、オン状態においてゲ
ートにはIg1a が流れるため、ゲートにおいてIg1a×
g1なる大きな損失が生じることになる。
If there is no resistor 23, the aforementioned FIG.
As shown in (b), the operating point is determined by the intersection of the characteristic curve and the load line, so that the on state corresponds to a in the figure and the off state corresponds to b in the figure. Further, from the straight line indicating the gate current I g1 when the voltage of V g1 is applied to the gate, since I g1a flows through the gate in the ON state, I g1a ×
A large loss of V g1 will occur.

【0064】このスイッチング回路の場合、理想的なゲ
ート電圧はVg4、すなわちオン状態が線形領域と飽和領
域の境界にある場合である。なぜなら、ゲート電圧がV
g4より大きい場合は破線に示すようにゲート電流Ig
増加するため、ゲート電極1での電力の損失が生じるこ
とになるため適切ではない。また逆に、ゲート電圧がV
g4より小さい場合はオン状態が飽和領域に入ってしま
い、オン電圧が高くなることになる。しかしながら、負
荷6に応じてゲート電圧を変えることは実際には困難で
あり、また素子のばらつきの問題もある。
In the case of this switching circuit, the ideal gate voltage is V g4 , that is, when the ON state is at the boundary between the linear region and the saturation region. Because the gate voltage is V
For g4 case greater than the increase in the gate current I g as indicated by the broken line, not appropriate for a loss of power will occur in the gate electrode 1. Conversely, when the gate voltage is V
If it is smaller than g4, the ON state enters a saturation region, and the ON voltage increases. However, it is actually difficult to change the gate voltage according to the load 6, and there is a problem of variation in elements.

【0065】これらの問題を解決するために、本実施形
態では抵抗23を挿入し、理想に近い状態を実現してい
る。抵抗23が挿入されている場合のエミッタ・ゲート
間に加わる電圧は、理想的な電圧Vg4よりわずかに大き
いVg5となる。なぜなら、エミッタ・ゲート間に理想的
な電圧Vg4よりも十分大きな電圧Vg1が加わるとゲート
電流Ig1が流れる。従って、抵抗23にも電流が流れる
ことになり、抵抗23で電圧降下が生じる。この抵抗2
3の電圧降下によりエミッタ・ゲート間に加わる電圧が
減少する。この抵抗23の電圧降下が大きすぎるとエミ
ッタ・ゲート間電圧がVg4より小さくなり、ゲート電流
g が流れず、抵抗23での電圧降下が生じなくなる。
従って、特性曲線は理想的な電圧における曲線よりも上
方にシフトすることとなる。
In order to solve these problems, in this embodiment, a resistor 23 is inserted to realize a state close to an ideal. When the resistor 23 is inserted, the voltage applied between the emitter and the gate becomes Vg5 slightly larger than the ideal voltage Vg4 . This is because, when a voltage V g1 that is sufficiently higher than the ideal voltage V g4 is applied between the emitter and the gate, a gate current I g1 flows. Therefore, a current also flows through the resistor 23, and a voltage drop occurs at the resistor 23. This resistance 2
Due to the voltage drop of 3, the voltage applied between the emitter and the gate decreases. When this voltage drop across the resistor 23 is too large emitter-gate voltage is smaller than V g4, the gate current I g is not flow, the voltage drop across the resistor 23 does not occur.
Therefore, the characteristic curve shifts upward from the curve at the ideal voltage.

【0066】結局、理想的なエミッタ・ゲート間電圧V
g4より少し高い、小さなゲート電流Ig5a が流れるエミ
ッタ・ゲート間電圧Vg5でバランスすることになる。こ
のとき、ゲートでの損失はIg5a ×Vg5となり、Ig5a
<<Ig1a 、Vg5<Vg1であるから、抵抗23が無い場
合のIg1a ×Vg1に比べて大幅に減少することになる。
After all, the ideal emitter-gate voltage V
The balance is achieved by the emitter-gate voltage V g5 through which a small gate current I g5a slightly higher than g4 flows. At this time, losses in the gate I g5a × V g5 next, I G5a
<< I g1a , V g5 <V g1 , so that it is greatly reduced as compared with I g1a × V g1 when the resistor 23 is not provided.

【0067】また、ゲート電流Ig5a の値はIg1a より
十分小さくできるから、ゲート電流Ig を減少させ、素
子の破壊を防ぐことができる。
Further, since the value of the gate current I g5a can be made sufficiently smaller than the value of I g1a , the gate current I g can be reduced and the destruction of the element can be prevented.

【0068】以上の動作は素子の特性がばらついている
場合でも本質的に変わることがなく、理想的な電圧Vg4
よりわずかに高い電圧Vg5でバランスするため、安定し
た動作を実現できる。なお、抵抗rの大きさは許容でき
るゲート電流Ig5を定めれば、電界放出が始まるゲート
電圧をVthとして、(Vg1−Vth)/Ig5a より大きく
すればよい。但し、抵抗値rが大きすぎるとエミッタ・
ゲート間のキャパシタンスによりスイッチングの動作速
度が低下するので、抵抗値rはできるだけ小さく設定す
るのが望ましい。
The above operation is essentially unchanged even when the characteristics of the device vary, and the ideal voltage V g4
Balancing at a slightly higher voltage Vg5 allows a stable operation to be realized. Note that, if the allowable value of the gate current I g5 is determined for the resistance r, the gate voltage at which field emission starts can be set to V th and set to be larger than (V g1 −V th ) / I g5a . However, if the resistance value r is too large, the emitter
Since the switching operation speed decreases due to the capacitance between the gates, it is desirable to set the resistance value r as small as possible.

【0069】このように、ゲート電極1と信号源5の間
に抵抗23を接続することにより、ゲート電極1での電
力損失を減少させ、またゲート電極1に過大な電流が流
れることがないため、素子が破壊されることがない。
As described above, by connecting the resistor 23 between the gate electrode 1 and the signal source 5, the power loss at the gate electrode 1 is reduced, and an excessive current does not flow through the gate electrode 1. The device is not destroyed.

【0070】なお、本実施形態においてはエミッタ2か
ら取り出された配線22に信号源5を設ける場合を示し
たが、信号源5をゲート電極1から取り出された配線2
2に設け、抵抗23と直列接続するものであっても本発
明を適用可能であることは勿論である。
In this embodiment, the signal source 5 is provided on the wiring 22 taken out from the emitter 2. However, the signal source 5 is connected to the wiring 2 taken out from the gate electrode 1.
It is needless to say that the present invention can be applied to a circuit provided with the resistor 2 and connected in series with the resistor 23.

【0071】(第2実施形態)図3は、本発明の第2実
施形態に係る電子放出素子を用いたスイッチング回路の
全体構成を示す図である。図3中、図2に対応する部分
には同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略す
る。
(Second Embodiment) FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of a switching circuit using an electron-emitting device according to a second embodiment of the present invention. 3, parts corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0072】本実施形態のスイッチング回路は、エミッ
タ2とゲート電極1よりなる素子上にスペーサ21を介
してアノード電極3が設けられており、内部は真空封止
されている点で第1実施形態に係るスイッチング回路と
同様である。
The switching circuit according to the first embodiment is different from the switching circuit according to the first embodiment in that an anode electrode 3 is provided on a device including an emitter 2 and a gate electrode 1 via a spacer 21 and the inside is vacuum-sealed. Is the same as the switching circuit according to the first embodiment.

【0073】本実施形態の特徴は、ゲート電極1を1つ
の円錐型エミッタ2毎に分割する。そして、その各々の
ゲート電極1から配線22を取り出すようにする。この
エミッタ毎に取り出された1本の配線22に1つの抵抗
33が接続され、このように接続された複数の抵抗33
は1つの信号源に接続される。
The feature of this embodiment is that the gate electrode 1 is divided into one conical emitter 2. Then, the wiring 22 is taken out from each of the gate electrodes 1. One resistor 33 is connected to one wiring 22 extracted for each emitter, and a plurality of resistors 33 connected in this manner are connected.
Are connected to one signal source.

【0074】このように1つの円錐型エミッタ2に1つ
の抵抗を対応させて設けたのは、電子放出素子内にある
複数のエミッタの特性がばらついている場合に対応する
ためのものである。
The provision of one resistor corresponding to one conical emitter 2 as described above is intended to cope with a case where the characteristics of a plurality of emitters in an electron-emitting device vary.

【0075】この場合、抵抗33は素子上に半導体微細
加工技術を用いて作成しても良い。なお本実施形態にお
いては、エミッタ2を接地してゲート電極1に正電圧を
与えている。また、抵抗33を低融点金属等で作成し
て、過大なゲート電流Ig が流れたときには、接続が断
たれるようにヒューズの役割を持たせても良い。
In this case, the resistor 33 may be formed on the element by using a semiconductor fine processing technique. In this embodiment, the emitter 2 is grounded and a positive voltage is applied to the gate electrode 1. Further, the resistor 33 may be made of a low melting point metal or the like, and may have a role of a fuse so that the connection is cut off when an excessive gate current Ig flows.

【0076】上記実施形態に係る電子放出素子を用いた
スイッチング回路の動作を説明する。
The operation of the switching circuit using the electron-emitting device according to the above embodiment will be described.

【0077】信号源5によりパルス電圧が印加される
と、エミッタ2及びゲート電極1間に正電圧が印加され
る。この印加電圧によりエミッタ2先端部に大きな電界
が発生する。そして、電界放出によりエミッタ2内部の
電子は真空中に引き出される。
When a pulse voltage is applied by the signal source 5, a positive voltage is applied between the emitter 2 and the gate electrode 1. This applied voltage generates a large electric field at the tip of the emitter 2. Then, the electrons inside the emitter 2 are extracted into a vacuum by the field emission.

【0078】一方、アノード電極3及びゲート電極1間
には電圧源4により負荷6を介して電圧V0 が印加され
る。なお、この電圧V0 は、ゲート電極1よりも高い正
電圧が印加される。この印加電圧により、真空中に引き
出された電子はゲート電極1付近からアノード電極3に
向けて進行し、アノード電極3で収集される。
On the other hand, a voltage V 0 is applied between the anode electrode 3 and the gate electrode 1 via the load 6 by the voltage source 4. The voltage V 0 is a positive voltage higher than that of the gate electrode 1. With this applied voltage, the electrons extracted into the vacuum travel from the vicinity of the gate electrode 1 toward the anode electrode 3 and are collected at the anode electrode 3.

【0079】エミッタ2から放出される電子数はエミッ
タ2の先端に発生する電界のみで定まるが、通常、アノ
ード電極3はゲート電極1に比べて十分大きな距離を置
いて設けられるため、放出される電子数は主にゲート電
極1に向かい、アノード電極3には到達しないが、アノ
ード電圧が高くなるにつれ、ゲート電極1に向かう電子
は減少し、アノード電極3に到達する電子が増加する。
そして、アノード電圧が十分高くなると、エミッタ2か
ら放出された全ての電子がアノード電極3に到達するよ
うになる。
Although the number of electrons emitted from the emitter 2 is determined only by the electric field generated at the tip of the emitter 2, the emitted electrons are usually provided because the anode electrode 3 is provided at a sufficiently large distance from the gate electrode 1. The number of electrons mainly goes to the gate electrode 1 and does not reach the anode electrode 3, but as the anode voltage increases, the number of electrons going to the gate electrode 1 decreases and the number of electrons reaching the anode electrode 3 increases.
When the anode voltage becomes sufficiently high, all the electrons emitted from the emitter 2 reach the anode electrode 3.

【0080】また、本実施形態では1つの円錐型エミッ
タ2に対応して1つの抵抗33を挿入し、理想に近い状
態を実現している。抵抗33が挿入されている場合のエ
ミッタ・ゲート間に加わる電圧は、理想的な電圧Vg4
りわずかに大きいVg5となる。なぜなら、エミッタ・ゲ
ート間に理想的な電圧Vg4よりも十分大きな電圧Vg1
加わるとゲート電流が流れ、抵抗33の電圧降下により
エミッタ・ゲート間に加わる電圧が減少する。抵抗33
の電圧降下が大きすぎるとエミッタ・ゲート間電圧がV
g4より小さくなり、ゲート電流Ig が流れず、抵抗33
での電圧降下が生じなくなる。
In this embodiment, one resistor 33 is inserted corresponding to one conical emitter 2 to realize a state close to ideal. When the resistor 33 is inserted, the voltage applied between the emitter and the gate becomes Vg5 slightly larger than the ideal voltage Vg4 . This is because when a voltage V g1 that is sufficiently larger than the ideal voltage V g4 is applied between the emitter and the gate, a gate current flows, and the voltage applied between the emitter and the gate decreases due to the voltage drop of the resistor 33. Resistance 33
If the voltage drop is too large, the emitter-gate voltage
smaller than g4, not the gate current I g flowing, resistor 33
No voltage drop occurs.

【0081】結局、理想的なエミッタ・ゲート間電圧V
g4より少し高い、小さなゲート電流Ig5a が流れるエミ
ッタ・ゲート間電圧Vg5でバランスすることになる。こ
のとき、ゲートでの損失はIg5a ×Vg5となり、Ig5a
<<Ig1a 、Vg5<Vg1であるから、抵抗33が無い場
合のIg1a ×Vg1に比べて大幅に減少することになる。
また、ゲート電流Ig5の値はIg1a より十分小さくでき
るから、ゲート電流Ig を減らし、素子の破壊を防ぐこ
とができる。
After all, the ideal emitter-gate voltage V
The balance is achieved by the emitter-gate voltage V g5 through which a small gate current I g5a slightly higher than g4 flows. At this time, losses in the gate I g5a × V g5 next, I G5a
<< I g1a , V g5 <V g1 , so that it is greatly reduced as compared to I g1a × V g1 in the absence of the resistor 33.
In addition, since the value of the gate current I g5 can be made sufficiently smaller than the value of I g1a , the gate current I g can be reduced and destruction of the element can be prevented.

【0082】以上の動作は円錐型エミッタ2毎になされ
るため、素子の特性がばらついている場合でも本質的に
変わることがない。すなわち、各エミッタ2毎に特性曲
線が変動している場合であっても、エミッタ2毎に対応
する抵抗33によりそれぞれの特性曲線に応じた動作を
行う。従って、全てのエミッタ2について、理想的な電
圧Vg4よりわずかに高い電圧Vg5でバランスするため、
安定した動作を実現できる。
Since the above operation is performed for each conical emitter 2, there is essentially no change even if the characteristics of the device vary. That is, even if the characteristic curve varies for each emitter 2, the operation according to each characteristic curve is performed by the resistor 33 corresponding to each emitter 2. Therefore, to balance all the emitters 2 at a voltage V g5 slightly higher than the ideal voltage V g4 ,
Stable operation can be realized.

【0083】このように、ゲート電極1と信号源5の間
に抵抗33を接続することにより、ゲート電極1での電
力損失を減少させ、またゲート電極1に過大な電流が流
れることがないため、素子が破壊されることがない。
As described above, by connecting the resistor 33 between the gate electrode 1 and the signal source 5, the power loss at the gate electrode 1 is reduced, and no excessive current flows through the gate electrode 1. The device is not destroyed.

【0084】また、1個のエミッタ2に対して1個の抵
抗33を接続し、信号源5との間に挿入することによ
り、素子内にある複数のエミッタ2の特性がばらついて
いる場合であっても、各エミッタ2毎にそのエミッタの
特性に応じてゲート電流を減少させ、ゲート電極におけ
る電力の損失を低減し、また素子の破壊を防止すること
ができる。
Also, by connecting one resistor 33 to one emitter 2 and inserting it between the emitter and the signal source 5, the characteristics of a plurality of emitters 2 in the element may vary. Even if there is, the gate current can be reduced for each emitter 2 according to the characteristics of the emitter, the power loss at the gate electrode can be reduced, and the device can be prevented from being destroyed.

【0085】以上図示の実施の形態を参照して本発明を
説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定される
ものではない。例えば、素子上に複数のエミッタを含む
複数のエミッタアレイを作成し、各々のエミッタアレイ
に抵抗を挿入しても良い。すなわちこの場合、複数のエ
ミッタに1個の抵抗が対応することになる。
Although the present invention has been described with reference to the illustrated embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. For example, a plurality of emitter arrays including a plurality of emitters may be formed on an element, and a resistor may be inserted into each emitter array. That is, in this case, one resistor corresponds to a plurality of emitters.

【0086】また、上記第1,2実施形態では抵抗2
3,33は電子放出素子から取り出された配線22に接
続されている場合を示したが、電子放出素子中、すなわ
ちエミッタ2,ゲート電極1の基板上に一体的に形成さ
れている場合であってもよいことは勿論である。また、
本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更実施可能であ
る。
In the first and second embodiments, the resistance 2
3 and 33 show the case where they are connected to the wiring 22 taken out from the electron-emitting device, but the case where they are integrally formed in the electron-emitting device, that is, on the substrate of the emitter 2 and the gate electrode 1. Of course, it may be possible. Also,
Various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0087】(第3実施形態)図4〜図6は本発明の第
3実施形態に係る電子放出素子の製造工程を示す図であ
る。本実施形態に係る電子放出素子は、第2実施形態で
示した電子放出素子及び抵抗を半導体素子により実現し
たものである。
(Third Embodiment) FIGS. 4 to 6 are views showing a manufacturing process of an electron-emitting device according to a third embodiment of the present invention. The electron-emitting device according to the present embodiment is obtained by realizing the electron-emitting device and the resistance shown in the second embodiment by a semiconductor device.

【0088】まず、図4(a)に示すように(100)
結晶方位のp型Si基板41を準備する。次に、このS
i基板41上に熱酸化SiO2 膜42をドライ酸化によ
り形成する。そして、SiO2 膜42の形成されたSi
基板41をスピンナと呼ばれる回転台に乗せ、高速で回
転させながらレジスト液を滴下する。次いで、このレジ
スト液を遠心力でSiO2 膜42全面に広げ、溶媒を蒸
発させてレジスト膜を形成する。次いで、リソグラフィ
技術を用いた露光、現像等のパターニングを行った後、
パターニングされたレジストをマスクとしてNH4 F/
HF混合水溶液によりSiO2 膜42をSi基板41が
露出するまでエッチングし、複数の開口部を形成する。
First, as shown in FIG.
A p-type Si substrate 41 having a crystal orientation is prepared. Next, this S
A thermally oxidized SiO 2 film 42 is formed on an i-substrate 41 by dry oxidation. Then, the Si on which the SiO 2 film 42 is formed is formed.
The substrate 41 is placed on a rotating table called a spinner, and a resist solution is dropped while rotating at a high speed. Next, this resist solution is spread over the entire surface of the SiO 2 film 42 by centrifugal force, and the solvent is evaporated to form a resist film. Next, after performing patterning such as exposure and development using lithography technology,
Using the patterned resist as a mask, NH 4 F /
The SiO 2 film 42 is etched with the HF mixed aqueous solution until the Si substrate 41 is exposed to form a plurality of openings.

【0089】次に、例えばP(リン)等をイオン注入し
て、SiO2 膜42の開口部に対応するSi基板41中
にn型領域43を形成する。このn型領域43形成後の
上面図を図7(a)に示す。図7(a)に示すようにn
型領域43は、完成後にゲート電極となる例えば4μm
角の正方形のn型領域43aと、完成後にゲート配線と
なるn型領域43bからなる。
Next, for example, P (phosphorus) is ion-implanted to form an n-type region 43 in the Si substrate 41 corresponding to the opening of the SiO 2 film 42. FIG. 7A shows a top view after the n-type region 43 is formed. As shown in FIG.
The mold region 43 becomes a gate electrode after completion, for example, 4 μm.
It comprises an n-type region 43a having a square corner and an n-type region 43b to be a gate wiring after completion.

【0090】次に、図4(b)に示すようにKOH水溶
液による異方性エッチングを用いて、正方形のn型領域
43aを貫通するように底部を尖らせた凹部44を形成
する。この際、電気化学エッチングを利用して、n型領
域43bはエッチングされないようにする。
Next, as shown in FIG. 4B, a concave portion 44 having a sharpened bottom is formed so as to penetrate the square n-type region 43a by anisotropic etching using a KOH aqueous solution. At this time, the n-type region 43b is prevented from being etched using electrochemical etching.

【0091】この選択的エッチングは以下の手法により
行われる。電気化学エッチングは、pn接合に逆バイア
スとなるよう電圧を印加しつつ、エッチングを行うこと
により、p型の部分のみをエッチングし、n型の部分は
エッチングされないようにするものであり、本実施形態
では、n型領域43bとSi基板41のp型部分の間に
逆バイアスの電圧を印加している。この時、n型領域4
3bは逆バイアスが加わっているためエッチングされな
いが、n型領域43aはエッチングされる。これは、図
7(a)に示すように、n型領域43aとn型領域43
bとはSi基板41のp型部分により分離されているた
め、逆バイアスが加わらないからである。
This selective etching is performed by the following method. The electrochemical etching is to etch only the p-type portion and to prevent the n-type portion from being etched by applying a voltage while applying a reverse bias to the pn junction. In the embodiment, a reverse bias voltage is applied between the n-type region 43b and the p-type portion of the Si substrate 41. At this time, the n-type region 4
3b is not etched because a reverse bias is applied, but the n-type region 43a is etched. This is because, as shown in FIG. 7A, the n-type region 43a and the n-type region 43
This is because b is separated by the p-type portion of the Si substrate 41 and therefore no reverse bias is applied.

【0092】次に、図4(c)に示すように加工された
Si基板41表面にレジストをスピンコートし、その後
レジストエッチバックを行い凹部44中にのみレジスト
45が残るようにする。そして、SiO2 膜42をエッ
チング等により除去する。
Next, a resist is spin-coated on the surface of the processed Si substrate 41 as shown in FIG. 4C, and then a resist etch back is performed so that the resist 45 remains only in the concave portion 44. Then, the SiO 2 film 42 is removed by etching or the like.

【0093】次に、図5(d)に示すように例えばP
(リン)をイオン注入してSi基板41の表面に浅いn
型領域を形成することにより抵抗層46とする。この
際、レジスト45がマスクになるため凹部44にはイオ
ン注入が行われず、Si基板41のみに選択的にイオン
注入することができる。イオン注入の後、マスクとして
用いられたレジスト45を除去する。
Next, as shown in FIG.
(Phosphorus) is ion-implanted to form a shallow n
By forming a mold region, the resistance layer 46 is formed. At this time, since the resist 45 serves as a mask, the ion implantation is not performed on the concave portion 44, and the ion implantation can be selectively performed only on the Si substrate 41. After the ion implantation, the resist 45 used as a mask is removed.

【0094】次に、図5(e)に示すように凹部44を
含むSi基板41の表面に、ウェット酸化により所定の
膜厚の熱酸化SiO2 膜47を形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, a thermally oxidized SiO 2 film 47 having a predetermined thickness is formed on the surface of the Si substrate 41 including the concave portion 44 by wet oxidation.

【0095】次に、図5(f)に示すように凹部44を
含むSiO2 膜47表面に例えばMo等の金属からなる
エミッタ材料をスパッタ法等により堆積し、エミッタ層
48を形成する。さらに凹部44を含むエミッタ層48
表面に、例えば静電接着用のAl等の接着層49を形成
する。
Next, as shown in FIG. 5F, an emitter material made of a metal such as Mo is deposited on the surface of the SiO 2 film 47 including the concave portion 44 by a sputtering method or the like to form an emitter layer 48. Emitter layer 48 further including recess 44
An adhesive layer 49 of, for example, Al for electrostatic adhesion is formed on the surface.

【0096】次に、図6(g)に示すように例えば一方
の表面にAl層50を形成したガラス基板51を用意す
る。このガラス基板51のAl層50の形成されていな
い側の表面を接着層49に当てる。そして、高温下で接
着層49とガラス基板51表面のAl層50に高電圧を
印加して静電接着を行う。この静電接着の後にAl層5
0を除去する。
Next, as shown in FIG. 6G, for example, a glass substrate 51 having an Al layer 50 formed on one surface is prepared. The surface of the glass substrate 51 on which the Al layer 50 is not formed is applied to the adhesive layer 49. Then, a high voltage is applied to the adhesive layer 49 and the Al layer 50 on the surface of the glass substrate 51 at a high temperature to perform electrostatic bonding. After this electrostatic bonding, the Al layer 5
Remove 0.

【0097】次に、図6(h)に示すように電気化学エ
ッチングを行いてSi基板41のp型部分を除去する。
なお、図6(h)は図6(g)の上下を反転させて示し
たものである。
Next, as shown in FIG. 6H, the p-type portion of the Si substrate 41 is removed by electrochemical etching.
Note that FIG. 6H is an inverted view of FIG. 6G.

【0098】次に、図6(i)に示すように、エミッタ
52の先端部52aの周囲を覆う熱酸化SiO2 膜47
をエッチング除去し、電子放出素子が完成する。
Next, as shown in FIG. 6 (i), a thermally oxidized SiO 2 film 47 covering the periphery of the tip 52a of the emitter 52 is formed.
Is removed by etching to complete the electron-emitting device.

【0099】以上の製造工程により完成した電子放出素
子は、第2実施形態に示す図3の電子放出素子及び抵抗
33を半導体素子で実現したものである。以下、その対
応関係を説明する。
The electron-emitting device completed by the above-described manufacturing steps is one in which the electron-emitting device and the resistor 33 shown in FIG. 3 shown in the second embodiment are realized by semiconductor devices. Hereinafter, the correspondence will be described.

【0100】図6(i)において、エミッタ52の周囲
のn型領域43aは膜厚が厚いために抵抗が小さく、図
3ではゲート電極1となる部分である。この複数のn型
領域43aはそれぞれ分離して、膜厚が薄く抵抗の大き
な抵抗層46の上にある。n型領域43aの周囲の薄い
抵抗層46は抵抗33に対応するもので、図3と同様に
各エミッタ2に対応して抵抗33が接続される構成とな
る。
In FIG. 6I, the resistance of the n-type region 43a around the emitter 52 is small due to its large film thickness. In FIG. The plurality of n-type regions 43a are separately provided on the resistance layer 46 having a small thickness and a large resistance. The thin resistive layer 46 around the n-type region 43a corresponds to the resistor 33, and the resistor 33 is connected to each emitter 2 as in FIG.

【0101】また、膜厚が厚く抵抗が小さなn型領域4
3bは抵抗層46を介してn型領域43aに電圧を与え
るためのゲート配線となる。このため、一部でエミッタ
とゲート電極が短絡してもアレイ全体が動作不能となら
ないようにすることができる。この様子を図7(b)を
用いて説明する。図7(b)は図6(i)における完成
した電子放出素子の概略を示す上面図であり、エミッタ
−ゲート電極71の周囲は抵抗層46で囲まれており、
この抵抗層46を介して配線となるn型領域43bと接
続される構成となる。従って、それぞれのエミッタ−ゲ
ート電極71にそれぞれ抵抗が接続され、かつそれぞれ
のエミッタ−ゲート電極71同士が抵抗で接続された構
成となる。この構成をとる場合、例えば一部のエミッタ
−ゲート電極71で短絡が生じた場合、そのエミッタ−
ゲート電極71においてはゲートとエミッタの電位が等
しくなるが、この短絡したゲートと隣接するゲートの電
位は、ゲート同士に接続された抵抗によりショートしな
いために影響を受けず、正常な動作を行うことができ
る。
The n-type region 4 having a large thickness and a small resistance
3b is a gate line for applying a voltage to the n-type region 43a via the resistance layer 46. For this reason, even if the emitter and the gate electrode are partially short-circuited, the entire array can be prevented from becoming inoperable. This will be described with reference to FIG. FIG. 7B is a top view schematically showing the completed electron-emitting device in FIG. 6I. The periphery of the emitter-gate electrode 71 is surrounded by the resistance layer 46.
The structure is such that the resistance layer 46 is connected to the n-type region 43b to be a wiring via the resistance layer 46. Accordingly, a configuration is adopted in which a resistor is connected to each of the emitter-gate electrodes 71, and the respective emitter-gate electrodes 71 are connected to each other by a resistor. With this configuration, for example, when a short circuit occurs in some of the emitter-gate electrodes 71, the
In the gate electrode 71, the potential of the gate and the potential of the emitter become equal, but the potential of the short-circuited gate and the potential of the adjacent gate are not affected because they are not short-circuited by the resistance connected between the gates, and the normal operation is performed. Can be.

【0102】なお、スイッチング素子として使用する場
合の動作は、上記第2実施形態に示した動作と共通する
ため省略する。
The operation when used as a switching element is the same as the operation described in the second embodiment, and will not be described.

【0103】このように、本実施形態に係る電子放出素
子によれば、第2実施形態と同様にスイッチング素子と
して使用する場合のオン時におけるゲートでの損失を小
さくし、過大なゲート電流による素子の破壊を防ぐこと
ができるとともに、一部でエミッタとゲート電極が短絡
してもアレイ全体が動作不能とならないようにすること
ができる。
As described above, according to the electron-emitting device according to the present embodiment, similarly to the second embodiment, when the device is used as a switching device, the loss at the gate at the time of ON is reduced, and the device due to an excessive gate current is reduced. Can be prevented, and even if the emitter and the gate electrode are partially short-circuited, the entire array can be prevented from becoming inoperable.

【0104】なお、ドライ酸化によりSiO2 膜42を
形成する場合を示したが、CVD法等によりSiO2
42を堆積する場合でもよい。また、Mo層によりエミ
ッタ52を形成したが、例えばLaB6 ,TiN等のエ
ミッタ材料を用いることもできる。
Although the case where the SiO 2 film 42 is formed by dry oxidation has been described, the case where the SiO 2 film 42 is deposited by a CVD method or the like may be used. Further, although the emitter 52 is formed by the Mo layer, an emitter material such as LaB 6 or TiN can be used, for example.

【0105】(第4実施形態)図8〜図10は本発明の
第4実施形態に係わる電子放出素子の製造方法を示す図
である。図8〜図10中、図4〜図6と対応する部分に
は同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る電子放出素子の特徴は、ゲート配線と
してSiではなく金属を用いたことにある。
(Fourth Embodiment) FIGS. 8 to 10 are views showing a method of manufacturing an electron-emitting device according to a fourth embodiment of the present invention. 8 to 10, parts corresponding to those in FIGS. 4 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
The feature of the electron-emitting device according to this embodiment is that a metal is used instead of Si for the gate wiring.

【0106】まず、p型Si基板41上に抵抗層46を
形成し(図8(a))、この抵抗層46上に熱酸化Si
2 膜42を形成する。そして、SiO2 膜42をパタ
ーニングして複数の開口部を形成する。次に、例えばP
等をSi基板41中にイオン注入して複数の開口部にn
型領域43aを形成する(図8(b))。
First, a resistance layer 46 is formed on a p-type Si substrate 41 (FIG. 8A).
An O 2 film 42 is formed. Then, the SiO 2 film 42 is patterned to form a plurality of openings. Then, for example, P
And the like are implanted into the Si substrate 41 and n
The mold region 43a is formed (FIG. 8B).

【0107】次に、エッチングによりn型領域43aを
貫通する底部を尖らせた凹部44を形成し(図8
(c))、さらに凹部44を含む基板表面に熱酸化Si
2 膜47を堆積する(図9(d))。その後、第3実
施形態に示した図5(f),図6(g),(h)と同様
にエミッタ層48,接着層49,ガラス基板51,Al
層50を形成し、Si基板41を除去する(図9
(e),(f),図10(g))。ここまでに示した工
程において、第3実施形態と異なるのは、抵抗層46を
凹部44形成前に形成し、n型領域43bを形成しない
点である。
Next, a concave portion 44 having a sharpened bottom portion penetrating the n-type region 43a is formed by etching.
(C)) Further, thermal oxidation Si
An O 2 film 47 is deposited (FIG. 9D). Thereafter, similarly to FIGS. 5F, 6G, and 6H shown in the third embodiment, the emitter layer 48, the adhesive layer 49, the glass substrate 51, and the Al
A layer 50 is formed, and the Si substrate 41 is removed (FIG. 9).
(E), (f), FIG. 10 (g)). In the steps described so far, the difference from the third embodiment is that the resistance layer 46 is formed before forming the concave portion 44 and the n-type region 43b is not formed.

【0108】次に、第3実施形態ではn型領域43bに
よりゲート配線を形成した代わりに、例えばAlの配線
によりゲート配線81を形成する(図10(h))。こ
れはAlを成膜後、パターニングして形成される。この
点が本実施形態の特徴である。その後、図6(i)と同
様に、エミッタ52の先端部52aの周囲を覆うSiO
2 膜47を除去して電子放出素子が完成する(図10
(i))。
Next, in the third embodiment, instead of forming the gate wiring by the n-type region 43b, the gate wiring 81 is formed by, for example, an Al wiring (FIG. 10 (h)). This is formed by patterning after forming Al. This is a feature of the present embodiment. Thereafter, similarly to FIG. 6 (i), SiO 2 covering the periphery of the tip 52a of the emitter 52 is formed.
The electron emission element is completed by removing the second film 47 (FIG. 10).
(I)).

【0109】本実施形態に係る電子放出素子をスイッチ
ング素子として使用する場合の動作は上記第2実施形態
と共通するが、第3実施形態に示した電子放出素子とは
以下の点が異なる。すなわち、ゲート配線81として第
3実施形態に示したn型領域43bではなくAl等の金
属を用いる。これにより、ゲート配線81における電位
降下がより少なくなる。従って、例えば形成すべき電子
放出素子自体の大きさが大きく、膜厚を厚くすることに
より配線として作用するゲート配線81が第3実施形態
におけるn型領域43bによっては電位降下が無視でき
ないような場合に特に有効である。
The operation when the electron-emitting device according to the present embodiment is used as a switching device is the same as that of the second embodiment, but differs from the electron-emitting device shown in the third embodiment in the following points. That is, instead of the n-type region 43b shown in the third embodiment, a metal such as Al is used for the gate wiring 81. Thereby, the potential drop in the gate wiring 81 is further reduced. Therefore, for example, when the size of the electron-emitting device itself to be formed is large and the gate wiring 81 acting as a wiring by increasing the film thickness is such that the potential drop cannot be ignored depending on the n-type region 43b in the third embodiment. It is especially effective for

【0110】(第5実施形態)図11〜図13は本発明
の第5実施形態に係わる電子放出素子の製造方法を示す
図である。図11〜図13中、図4〜図6と対応する部
分には同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略す
る。本実施形態に係る電子放出素子の特徴は、ゲート電
極,抵抗層及びゲート配線にSiではなく金属を用いた
ことにある。また、ゲート同士が抵抗で接続されない構
成である点で、第3,4実施形態と異なる。
(Fifth Embodiment) FIGS. 11 to 13 are views showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. 11 to 13, parts corresponding to those in FIGS. 4 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The feature of the electron-emitting device according to the present embodiment is that a metal is used instead of Si for the gate electrode, the resistance layer, and the gate wiring. Further, the third embodiment is different from the third and fourth embodiments in that the gates are not connected by a resistor.

【0111】まず、p型Si基板41上に熱酸化SiO
2 膜42を形成し、パターニングにより複数の開口部を
形成する。そして、エッチングにより凹部44を形成し
(図11(a))、さらに凹部44の表面に熱酸化Si
2 膜47を形成する。その後、第3実施形態に示す図
5(f),図6(g),(h)と同様にエミッタ層4
8,接着層49,ガラス基板51,Al層50を形成
し、SiO2 膜47を残してSi基板41を除去する
(図11(c),図12(d))。
First, a thermally oxidized SiO 2 is formed on a p-type Si substrate 41.
Two films 42 are formed, and a plurality of openings are formed by patterning. Then, a concave portion 44 is formed by etching (FIG. 11A), and a thermally oxidized Si
An O 2 film 47 is formed. After that, the emitter layer 4 is formed similarly to FIGS. 5F, 6G, and 6H shown in the third embodiment.
8, an adhesive layer 49, a glass substrate 51, and an Al layer 50 are formed, and the Si substrate 41 is removed while leaving the SiO 2 film 47 (FIGS. 11C and 12D).

【0112】次に、SiO2 膜47を覆うようにAl等
の金属からなるゲート層111を成膜する(図12
(e))。
Next, a gate layer 111 made of a metal such as Al is formed so as to cover the SiO 2 film 47.
(E)).

【0113】次に、レジスト112をスピンコートし、
ゲート層111の先端部が露出するまでレジスト112
をエッチバックする(図12(f))。
Next, a resist 112 is spin-coated,
The resist 112 is used until the tip of the gate layer 111 is exposed.
Is etched back (FIG. 12F).

【0114】次に、露出したゲート層111の先端部を
エッチングにより除去してSiO2膜47の先端部を露
出し、レジスト112を除去する(図13(g))。
Next, the exposed tip of the gate layer 111 is removed by etching to expose the tip of the SiO 2 film 47, and the resist 112 is removed (FIG. 13G).

【0115】次に、ゲート層111のパターニングを行
う。すなわち、ゲート層111の一部をエッチングによ
り薄くして抵抗層111aを形成する(図13
(h))。これにより、SiO2 膜47先端部の周りを
囲む111bがゲート電極、111cはゲート配線部と
なる。
Next, patterning of the gate layer 111 is performed. That is, a part of the gate layer 111 is thinned by etching to form the resistance layer 111a (FIG. 13).
(H)). Thus, the gate electrode 111b surrounding the tip of the SiO 2 film 47 and the gate wiring portion 111c are formed.

【0116】この工程は、ゲート層111を2層構造と
し、まず抵抗層111aとなる高抵抗の金属を薄く成膜
し、次に電極、配線となる低抵抗の金属を厚く成膜し、
抵抗層とする部分の低抵抗金属をパターニング後、エッ
チングにより除去してもよい。この場合、抵抗層の厚み
の制御が容易となる。
In this step, the gate layer 111 has a two-layer structure, and first, a high-resistance metal to be the resistance layer 111a is formed thinly, and then a low-resistance metal to be the electrodes and wirings is formed to be thick.
After patterning the low-resistance metal in the portion to be the resistance layer, it may be removed by etching. In this case, the thickness of the resistance layer can be easily controlled.

【0117】次に、エミッタ52の先端部52aの周囲
を覆う熱酸化SiO2 膜47をエッチング除去してエミ
ッタ層48を露出することにより電子放出素子が完成す
る(図13(i))。
Next, the thermally oxidized SiO 2 film 47 covering the periphery of the tip 52a of the emitter 52 is removed by etching to expose the emitter layer 48, thereby completing the electron-emitting device (FIG. 13 (i)).

【0118】本実施形態に係る電子放出素子をスイッチ
ング素子として使用する場合の動作は、ゲート同士を抵
抗で接続していないことによる動作を除けば上記第2実
施形態と共通する。また第4実施形態に示したものと同
様に、ゲート配線111cはAl等の金属からなるた
め、ゲート配線部における電位降下が無視できないよう
な場合に有効である。
The operation in the case where the electron-emitting device according to the present embodiment is used as a switching device is the same as that of the second embodiment except for the operation due to the fact that the gates are not connected by resistors. Similarly to the fourth embodiment, since the gate wiring 111c is made of metal such as Al, it is effective when a potential drop in the gate wiring cannot be ignored.

【0119】なお、本実施形態ではゲート同士を抵抗で
接続しない構成としたが、領域111b間をエッチング
して薄くすることにより、第3,4実施形態と同様にゲ
ート同士を抵抗で接続することもできる。
In this embodiment, the gates are not connected by a resistor. However, by etching between the regions 111b to make them thinner, the gates can be connected by a resistor as in the third and fourth embodiments. Can also.

【0120】(第6実施形態)図14は本発明の第6実
施形態に係わる電子放出素子を示す上面図である。図1
4中、図4〜図6と対応する部分には同一の符号を付
し、それらの詳細な説明は省略する。
(Sixth Embodiment) FIG. 14 is a top view showing an electron-emitting device according to a sixth embodiment of the present invention. FIG.
4, parts corresponding to those in FIGS. 4 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0121】本実施形態に係る電子放出素子は、抵抗層
46の効果を高くするため、抵抗層46を2段挿入した
ものである。図14中、71はエミッタと、エミッタを
囲む低抵抗のゲート電極とを模式的に示したもので、4
6aは1段目の抵抗層、43b1 は1段目のn型領域
で、ゲート配線として動作する部分、46bは薄いライ
ン状の抵抗層をパターニングしてライン長方向の幅を小
さくすることにより、抵抗を大きくした2段目の抵抗
層、43b2 は2段目のn型領域で、ゲート配線として
動作する部分、47はSiO2 膜である。このような構
成を持つ電子放出素子は図4〜図13に示す電子放出素
子の作製方法を用いて容易に作製できる。なお、説明の
便宜のため、ゲート配線となるn型領域43bのライン
長方向を縦方向、ライン幅方向を横方向とする。
In the electron-emitting device according to the present embodiment, the resistance layer 46 is inserted in two stages in order to enhance the effect of the resistance layer 46. In FIG. 14, reference numeral 71 schematically shows an emitter and a low-resistance gate electrode surrounding the emitter.
Reference numeral 6a denotes a first-stage resistance layer, 43b 1 denotes a first-stage n-type region, which operates as a gate wiring, and 46b denotes a pattern formed by patterning a thin line-shaped resistance layer to reduce the width in the line length direction. , the second stage of the resistive layer the resistance is increased, 43 b 2 in the n-type region of the second stage, the portion that acts as a gate wiring, 47 denotes a SiO 2 film. An electron-emitting device having such a configuration can be easily manufactured by using the method for manufacturing an electron-emitting device shown in FIGS. For convenience of description, the line length direction of the n-type region 43b serving as a gate wiring is defined as a vertical direction, and the line width direction is defined as a horizontal direction.

【0122】このような2段の抵抗層46a及び46b
を有する構成の場合、抵抗層46aの横方向の幅を小さ
く形成できる。すなわち、第3実施形態の図7(b)に
示した構成によると、抵抗層46は1段であり、複数の
エミッタ−ゲート電極71のうち、n型領域43b1
最も近いものの抵抗は、抵抗層46aの横方向の幅に依
存する。従って、このようなエミッタ−ゲート電極71
に接続される抵抗を所定の大きさに保持するためには、
最も外側に位置するエミッタ−ゲート電極71とゲート
配線となるn型領域43b1 との幅を所定の幅よりも大
きくする必要がある。なお、所定の幅とは、第2実施形
態に示したようにスイッチング素子として動作させる際
に、抵抗33が有効に動作するような抵抗値に保持する
ための幅をいう。
The two-stage resistance layers 46a and 46b
In the case of the configuration having, the width of the resistance layer 46a in the horizontal direction can be reduced. That is, according to the configuration shown in FIG. 7 of the third embodiment (b), the resistance layer 46 is single-stage, multiple emitters - of the gate electrode 71, the resistance of the closest ones to the n-type region 43 b 1 is It depends on the lateral width of the resistance layer 46a. Therefore, such an emitter-gate electrode 71
In order to keep the resistance connected to
Most located outside the emitter - the width of the n-type region 43 b 1 to be the gate electrode 71 and the gate wiring is required to be greater than a predetermined width. Note that the predetermined width refers to a width for maintaining a resistance value that allows the resistor 33 to operate effectively when operating as a switching element as described in the second embodiment.

【0123】これに対して、本実施形態では、2段目の
抵抗層46bはSiO2 膜47の間に縦方向に関して細
い幅で形成されているため、その抵抗層46bの横方向
に大きな幅をとることなく抵抗値を大きくすることがで
きる。結果として、抵抗層46a自体の抵抗は第3実施
形態ほど大きく保持する必要がなく、ゲート配線に最も
近く配置されたエミッタ−ゲート電極71とゲート配線
との幅を小さくとった場合でも第3実施形態と同様の効
果が得られる。
On the other hand, in the present embodiment, since the second-stage resistance layer 46b is formed between the SiO 2 films 47 with a narrow width in the vertical direction, the width of the resistance layer 46b in the horizontal direction is large. Therefore, the resistance value can be increased without reducing the resistance. As a result, the resistance of the resistance layer 46a itself does not need to be kept as large as that of the third embodiment, and the third embodiment can be implemented even when the width between the emitter-gate electrode 71 disposed closest to the gate wiring and the gate wiring is small. The same effect as in the embodiment can be obtained.

【0124】なお、本実施形態では抵抗層を2段に直列
接続する場合を示したが、3段以上に接続する場合であ
っても同様に本発明を適用できる。
Although the present embodiment has shown the case where the resistance layers are connected in series in two stages, the present invention can be similarly applied to the case where the resistance layers are connected in three or more stages.

【0125】(第7実施形態)図15は本発明の第7実
施形態に係わる電子放出素子を示す上面図である。図1
5中、図4〜図6と対応する部分には同一の符号を付
し、それらの詳細な説明は省略する。
(Seventh Embodiment) FIG. 15 is a top view showing an electron-emitting device according to a seventh embodiment of the present invention. FIG.
5, parts corresponding to those in FIGS. 4 to 6 are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted.

【0126】本実施形態に係る電子放出素子は、例えば
第3実施形態では、アレイ中央付近にあるエミッタでは
抵抗層の効果が大きく、アレイ端部にあるエミッタでは
抵抗層の効果が小さいという問題を解決するためのもの
である。
In the electron-emitting device according to the present embodiment, for example, in the third embodiment, the effect of the resistance layer is large at the emitter near the center of the array, and the effect of the resistance layer is small at the emitter at the end of the array. It is to solve.

【0127】第3実施形態の図7(b)に示したエミッ
タ−ゲート電極71は抵抗層46上に島状に形成されて
いるが、抵抗層46の領域の中心部に位置するものと周
辺部に位置するものとでは、ゲート配線となるn型領域
43bとの距離が異なる。従って、それぞれのゲート電
極とゲート配線間の抵抗値にはばらつきが生じる。
The emitter-gate electrode 71 of the third embodiment shown in FIG. 7B is formed in an island shape on the resistance layer 46. The distance to the n-type region 43b serving as the gate wiring is different from that in the portion. Therefore, the resistance value between each gate electrode and the gate wiring varies.

【0128】これに対して、本実施形態に係る電子放出
素子では、図15に示すように、ゲート配線となるn型
領域43bと、エミッタ−ゲート電極71は、抵抗層4
6を挟んで形成され、エミッタ−ゲート電極71は複数
個アレイ状に配置されている点で図7(b)に示したも
のと共通するが、それぞれのエミッタ−ゲート電極71
はn型領域43bまで均一な距離を保つ。従って、それ
ぞれのエミッタ−ゲート電極71に接続される抵抗値は
均一な値をもつこととなり、それぞれのエミッタ−ゲー
ト電極71は均一なスイッチング動作を行うことができ
る。
On the other hand, in the electron-emitting device according to the present embodiment, as shown in FIG. 15, the n-type region 43b serving as a gate wiring and the emitter-gate electrode 71 are connected to the resistance layer 4
6 in that the plurality of emitter-gate electrodes 71 are arranged in an array, and are common to those shown in FIG.
Keeps a uniform distance to the n-type region 43b. Accordingly, the resistance value connected to each emitter-gate electrode 71 has a uniform value, and each emitter-gate electrode 71 can perform a uniform switching operation.

【0129】なお、図15には複数のエミッタ−ゲート
電極71を示し、それぞれがn型領域と均一な距離を保
つ場合を示したが、実際に製造される電子放出素子の有
するエミッタ数は図15に示す数には限定されず、1万
個を越えるエミッタを有する場合もある。この場合に
は、それぞれが均一な距離を保つ電子放出素子を作成す
るのは困難であり、必ずしも全く同一な距離を保つ必要
がない。ゲート配線から見て、最も遠くのエミッタと最
も近くのエミッタとの抵抗値の差が所定の値に収まれ
ば、本実施形態とほぼ同様の効果を奏することができ
る。
Although FIG. 15 shows a case where a plurality of emitter-gate electrodes 71 are kept at a uniform distance from the n-type region, the number of emitters of an actually manufactured electron-emitting device is shown in FIG. The number is not limited to 15 and may include more than 10,000 emitters. In this case, it is difficult to produce electron-emitting devices that maintain uniform distances from each other, and it is not necessary to maintain exactly the same distances. If the difference between the resistances of the farthest emitter and the closest emitter as seen from the gate wiring falls within a predetermined value, substantially the same effects as in the present embodiment can be obtained.

【0130】以上図示の実施の形態を参照して本発明を
説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定される
ものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変
更実施可能である。
Although the present invention has been described with reference to the illustrated embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. Various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0131】[0131]

【発明の効果】本発明の電子放出素子及びそれを用いた
スイッチング回路によれば、ゲートとゲートに加える信
号の間に抵抗を挿入し、ゲート電流がほとんど流れない
ようにゲートに実効的に加える電圧を変化させるため、
ゲートでの電力の損失を小さくでき、また素子が破壊さ
れにくくすることが可能である。
According to the electron-emitting device of the present invention and the switching circuit using the same, a resistor is inserted between the gate and the signal applied to the gate, and the resistance is effectively applied to the gate so that almost no gate current flows. To change the voltage,
Power loss at the gate can be reduced, and the element can be hardly damaged.

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

【図1】本発明の一実施形態における電子放出素子の製
造工程を示す横断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an electron-emitting device according to an embodiment of the present invention.

【図2】同実施形態における電子放出素子を用いたスイ
ッチング回路の全体構成を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing an entire configuration of a switching circuit using the electron-emitting devices according to the embodiment.

【図3】本発明の第2実施形態に係る電子放出素子を用
いたスイッチング回路の全体構成を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of a switching circuit using an electron-emitting device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施の形態に係わる電子放出素
子の製造方法を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a method for manufacturing the electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention.

【図5】同実施形態における電子放出素子の製造方法を
示す図。
FIG. 5 is a view showing the method for manufacturing the electron-emitting device according to the embodiment.

【図6】同実施形態における電子放出素子の製造方法を
示す図。
FIG. 6 is a view showing the method for manufacturing the electron-emitting device according to the embodiment.

【図7】同実施形態における電子放出素子の上面図。FIG. 7 is a top view of the electron-emitting device in the same embodiment.

【図8】本発明の第2の実施の形態に係わる電子放出素
子の製造方法を示す図。
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for manufacturing an electron-emitting device according to a second embodiment of the present invention.

【図9】同実施形態における電子放出素子の製造方法を
示す図。
FIG. 9 is a view showing the method for manufacturing the electron-emitting device according to the embodiment.

【図10】同実施形態における電子放出素子の製造方法
を示す図。
FIG. 10 is a view showing the method for manufacturing the electron-emitting device according to the embodiment.

【図11】本発明の第2の実施の形態に係わる電子放出
素子の製造方法を示す図。
FIG. 11 is a view showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to a second embodiment of the present invention.

【図12】同実施形態における電子放出素子の製造方法
を示す図。
FIG. 12 is a view showing the method for manufacturing the electron-emitting device according to the embodiment.

【図13】同実施形態における電子放出素子の製造方法
を示す図。
FIG. 13 is a view showing the method for manufacturing the electron-emitting device according to the embodiment.

【図14】本発明の第4の実施の形態に係わる電子放出
素子を示す上面図。
FIG. 14 is a top view showing an electron-emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第5の実施の形態に係わる電子放出
素子を示す上面図。
FIG. 15 is a top view showing an electron-emitting device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図16】従来のスイッチング回路の全体構成及びV−
I特性を示す図。
FIG. 16 shows the overall configuration of a conventional switching circuit and V-
The figure which shows an I characteristic.

【図17】従来のスイッチング回路の全体構成及びV−
I特性を示す図。
FIG. 17 shows the overall configuration of a conventional switching circuit and V-
The figure which shows an I characteristic.

【図18】本発明の対象とする電子放出素子の全体構成
を示す横断面図。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an electron-emitting device to which the present invention is applied.

【図19】従来のエミッタ側に抵抗層を挿入した電子放
出素子を説明するための図。
FIG. 19 is a view for explaining a conventional electron-emitting device in which a resistance layer is inserted on the emitter side.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ゲート電極 2…エミッタ 3…アノード電極 4…電圧源 5…信号源 6…負荷 11…Si単結晶基板 12…SiO2 層 13,16…Mo層 14…ホール 15…Al層 17…円錐型エミッタ 21…スペーサ 22…配線 23,33…抵抗 41…p型Si基板 42,47…熱酸化SiO2 膜 43…n型領域 44…凹部 45,112…レジスト 46…抵抗層 48…エミッタ層 49…接着層 50…Al層 51…ガラス基板 52…エミッタ 52a…先端部 71…エミッタ−ゲート電極 81…ゲート配線 111…ゲート層1 ... gate electrode 2 ... emitter 3 ... anode electrode 4 ... voltage source 5 ... source 6 ... load 11 ... Si single crystal substrate 12 ... SiO 2 layer 13, 16 ... Mo layer 14 ... Hole 15 ... Al layer 17 ... conical The emitter 21 ... spacer 22 ... wire 23, 33 ... resistor 41 ... p-type Si substrate 42, 47 ... thermal oxide SiO 2 film 43 ... n-type region 44 ... recess 45,112 ... resist 46 ... resistive layer 48 ... emitter layer 49 ... Adhesive layer 50 Al layer 51 Glass substrate 52 Emitter 52a Tip 71 Emitter-gate electrode 81 Gate wiring 111 Gate layer

フロントページの続き (72)発明者 中山 和也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内Continuing on the front page (72) Inventor Kazuya Nakayama 1 Kosuka Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside the Toshiba R & D Center

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電界の印加により電子を放出するエミッ
タと、 このエミッタに対し信号源により正の電圧が印加されて
該エミッタから電子を引き出すゲート電極と、 このゲート電極により引き出された電子を収集するアノ
ード電極と、 前記信号源とゲート電極との間に挿入され、ゲート電流
による電圧降下を利用してゲート電圧を低下させるゲー
ト抵抗とを具備してなることを特徴とする電子放出素
子。
An emitter for emitting electrons by applying an electric field; a gate electrode for applying a positive voltage to the emitter by a signal source to extract electrons from the emitter; and collecting electrons extracted by the gate electrode An electron-emitting device comprising: an anode electrode; and a gate resistor inserted between the signal source and the gate electrode, the gate resistor reducing a gate voltage by using a voltage drop caused by a gate current.
【請求項2】 前記エミッタは2次元的に複数個配置さ
れ、各々のエミッタに独立してゲート電極が設けられ、
これらのゲート電極と前記信号源との間にゲート抵抗を
それぞれ挿入したことを特徴とする請求項1記載の電子
放出素子。
2. A plurality of the emitters are two-dimensionally arranged, and a gate electrode is provided independently for each emitter.
2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein a gate resistor is inserted between each of said gate electrodes and said signal source.
【請求項3】 前記ゲート抵抗は、エミッタ及びゲート
電極を形成した基板上に一体的に形成されていることを
特徴とする請求項1記載の電子放出素子。
3. The electron-emitting device according to claim 1, wherein said gate resistor is integrally formed on a substrate on which an emitter and a gate electrode are formed.
【請求項4】 電界の印加により電子を放出するエミッ
タと、このエミッタから電子を引き出すゲート電極と、
このゲート電極により引き出された電子を収集するアノ
ード電極と、前記エミッタに対しゲート電極に正の電圧
を印加する信号源と、この信号源に直列接続され、ゲー
ト電流による電圧降下を利用してゲート電圧を低下させ
るゲート抵抗と、前記エミッタに対しアノード電極にゲ
ート電極よりも高い正の電圧を印加する電圧源と、この
電圧源に直列接続された負荷とを具備してなり、アノー
ド電圧が高くなるに伴い、アノード電流が増加しゲート
電流が減少する領域を用いてスイッチング動作させるこ
とを特徴とする電子放出素子を用いたスイッチング回
路。
4. An emitter for emitting electrons by applying an electric field, a gate electrode for extracting electrons from the emitter,
An anode electrode for collecting electrons extracted by the gate electrode; a signal source for applying a positive voltage to the gate electrode with respect to the emitter; and a gate connected in series to the signal source and utilizing a voltage drop due to a gate current. A gate resistor for reducing the voltage, a voltage source for applying a positive voltage higher than the gate electrode to the anode electrode with respect to the emitter, and a load connected in series to the voltage source. A switching circuit using an electron-emitting device, wherein a switching operation is performed using a region where an anode current increases and a gate current decreases.
【請求項5】 基板上に形成され、突起状の複数のエミ
ッタを有する第1の導電層と、 前記第1の導電層上に形成され、前記複数のエミッタの
先端部を残して前記第1の導電層を覆うように形成され
た絶縁層と、 前記複数のエミッタの先端部が開口するように前記絶縁
層を被覆して形成された第2の導電層とを具備してな
り、 前記第2の導電層は、前記それぞれのエミッタ周辺部の
膜厚を厚くすることによりゲート電極をなし、前記複数
のエミッタが形成された領域を囲む領域であって、前記
複数のゲート電極から所定の距離をおいた領域の膜厚を
厚くすることによりゲート配線をなし、前記ゲート電極
及び前記ゲート配線に挟まれた領域の膜厚を前記ゲート
電極及び前記ゲート配線の膜厚よりも薄くすることによ
り抵抗層をなすことを特徴とする電子放出素子。
5. A first conductive layer formed on a substrate and having a plurality of projecting emitters; and a first conductive layer formed on the first conductive layer and excluding tips of the plurality of emitters. An insulating layer formed so as to cover the conductive layer, and a second conductive layer formed by coating the insulating layer so that tips of the plurality of emitters are opened, The second conductive layer forms a gate electrode by increasing the thickness of the periphery of each of the emitters, and is a region surrounding the region where the plurality of emitters are formed, and is a predetermined distance from the plurality of gate electrodes. The gate wiring is formed by increasing the thickness of the region where the gate electrode is formed, and the thickness of the region sandwiched between the gate electrode and the gate wiring is made smaller than the thickness of the gate electrode and the gate wiring. Characterized by layers Electron-emitting device.
【請求項6】 前記それぞれのゲート電極間における前
記第2の導電層の膜厚を該ゲート電極の膜厚よりも薄く
することにより抵抗層として動作させることを特徴とす
る請求項5記載の電子放出素子。
6. The electron according to claim 5, wherein the second conductive layer between the respective gate electrodes is made thinner than the gate electrode so as to operate as a resistance layer. Emission element.
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