JPH11224595A - Cold electron emission element and its manufacture - Google Patents

Cold electron emission element and its manufacture

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JPH11224595A
JPH11224595A JP2583998A JP2583998A JPH11224595A JP H11224595 A JPH11224595 A JP H11224595A JP 2583998 A JP2583998 A JP 2583998A JP 2583998 A JP2583998 A JP 2583998A JP H11224595 A JPH11224595 A JP H11224595A
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semiconductor thin
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold electron emission element of a field emission type, in which a localized big current is suppressed without raising an operating voltage, a current variation can be reduced to the minimum, and in addition, a low cost and a large area can be easily obtained by using a glass board, by loading a current limiting function in an element itself by using semiconductor thin film, and its manufacturing method. SOLUTION: As for a cold electron emission element of field emission type, in which a conductive layer 6, an insulating layer 3 and a gate electrode 4 are laminated on an insulating board 1, an opening part A reaching a conductive board is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter is formed on the conductive board in the opening part so as not to come in contact with the gate electrode, a semiconductor thin film layer 2 is provided on the insulating board, and the emitter 5 and the conductive layer 6 are formed on the same plane on the semiconductor thin film layer electrically through the semiconductor thin film.

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、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(いわゆる
Field Emitt-er Array )の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 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-shaped FEA (so-called FEA) constituting a flat display.
Field of the Invention The present invention relates to a cold electron emitting element useful as an electron source of a 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5に示すように、先端が尖っ
た円錐形の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51上に導電層52、絶
縁層53及びゲート電極54が順次積層されており、そ
の絶縁層53及びゲート電極54には、導電層52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52上には、少なくともゲート電極54に接
触しないように、点状突起Poを有する円錐形状のエミ
ッタ55が形成されている。
As a general example of such a field emission type cold electron emitting device, a conical cold electron emitting device having a sharp tip as shown in FIG. 5 can be exemplified. In this device, a conductive layer 52, an insulating layer 53, and a gate electrode 54 are sequentially laminated on an insulating substrate 51, and an opening A reaching the conductive layer 52 is formed in the insulating layer 53 and the gate electrode 54. Have been. And the opening A
A conical emitter 55 having a point-like projection Po is formed on the conductive layer 52 in such a manner as not to contact at least the gate electrode 54.

【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6(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. 6 (a) to 6 (d).

【0008】まず、図6(a)に示すように、予め導電
層62が形成された絶縁性基板61上に、絶縁層63及
びゲート電極64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6
3及びゲート電極64の一部を、導電層62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. 6A, an insulating layer 63 and a gate electrode 64 are sequentially formed on an insulating substrate 61 on which a conductive layer 62 has been formed by sputtering or vacuum evaporation. . Subsequently, the insulating layer 6 is formed using photolithography and reactive ion etching (RIE).
3 and a part of the gate electrode 64 are etched such that a circular hole (gate hole) is opened until the conductive layer 62 is exposed.

【0009】次に、図6(b)に示すように、斜方蒸着
によりリフトオフ材65をゲート電極64上面と側面に
のみ形成する。リフトオフ材65の材料としては、A
l、MgO等が多く使用されている。
Next, as shown in FIG. 6B, a lift-off material 65 is formed only on the upper surface and side surfaces of the gate electrode 64 by oblique evaporation. The material of the lift-off material 65 is A
1, MgO and the like are often used.

【0010】続いて、図6(c)に示すように、導電層
62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66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
に導電層62上に円錐形のエミッタ66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. 6C, a metal material for the emitter 66 is deposited on the conductive layer 62 by a normal anisotropic deposition from a perpendicular direction. At this time,
As the deposition proceeds, the conical emitter 66 is formed on the conductive layer 62 in a self-aligned manner at the same time as the opening diameter of the gate hole is reduced. 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6(d)に示すように、リフト
オフ材65をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲ
ート電極64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. 6D, the lift-off material 65 is peeled off by etching, and the gate electrode 64 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エミッタを備えた冷
電子放出素子では、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簡便に形成でき、さらにエミッタ材
料が広範囲に選定できるという利点を有している。ま
た、エミッタ配線後に
The cold electron emission device having such a Spindt-type emitter has the advantages that a conical emitter can be easily formed in a self-aligned manner by anisotropic vapor deposition, and that the emitter material can be selected over a wide range. doing. Also, after emitter wiring

【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3789471では、スピント型エ
ミッタにおいて、導電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 a means for reducing such a variation in emission current, US Pat. No. 3,787,471 discloses a technique in which a resistive layer is provided between a conductive layer and an emitter in a Spindt-type emitter.

【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7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71上に導電層72、抵抗層7
3、絶縁層74及びゲート電極75が順次積層されてお
り、その絶縁層74及びゲート電極75には、抵抗層7
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73上には、少なくともゲート電極7
5に接触しないように、円錐形状のエミッタ76が形成
されている。
A conductive layer 72 and a resistance layer 7 are formed on an insulating substrate 71.
3, an insulating layer 74 and a gate electrode 75 are sequentially laminated, and the insulating layer 74 and the gate electrode 75
An opening A reaching 3 is formed. Then, at least the gate electrode 7 is provided on the resistance layer 73 in the opening A.
A conical emitter 76 is formed so as not to come into contact with 5.

【0018】この場合、抵抗層73は導電層72とエミ
ッタ76間に電気的に直列に挿入されている。この抵抗
層73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73の抵抗値に比
例して減少させることが可能となる。抵抗層73の比抵
抗は一般に102 〜106 Ω・cmが適当とされてい
る。
In this case, the resistance layer 73 is electrically inserted between the conductive layer 72 and the emitter 76 in series. The resistance layer 73 provides an effect of equalizing the current between the elements, and further reduces a large current that may lead to element destruction, and also reduces a variation in emission current in proportion to the resistance value of the resistance layer 73. It becomes possible. Generally, the resistivity of the resistance layer 73 is appropriately set to 10 2 to 10 6 Ω · cm.

【0019】一方、半導体集積回路製造技術を応用した
シリコンエミッタもまた広く知られている。(Tech.Dig.
IVMC.,(1991) p26)
On the other hand, silicon emitters to which semiconductor integrated circuit manufacturing technology is applied are also widely known. (Tech.Dig.
IVMC., (1991) p26)

【0020】シリコンエミッタを備えた冷電子放出素子
の製造例を、図8(a)〜(e)を参照しながら説明す
る。
An example of manufacturing a cold electron-emitting device having a silicon emitter will be described with reference to FIGS.

【0021】まず、図8(a)に示すように、単結晶シ
リコン基板81を熱酸化して表面に酸化シリコン層を形
成し、その酸化シリコン層を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、円形のエ
ッチングマスク用酸化シリコン層82を形成する。この
酸化シリコン層82は後述するようにリフトオフ材とし
ても機能する。なお、酸化シリコン層82の径はほぼゲ
ート径に相当する。
First, as shown in FIG. 8A, a single crystal silicon substrate 81 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer on the surface, and the silicon oxide layer is patterned into a circular shape by using photolithography. Thus, a circular silicon oxide layer 82 for an etching mask is formed. This silicon oxide layer 82 also functions as a lift-off material as described later. Note that the diameter of the silicon oxide layer 82 substantially corresponds to the gate diameter.

【0022】次に、図8(b)に示すように、サイドエ
ッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法(R
IE)によりシリコン基板81をエッチングし、エミッ
タ83を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, the reactive ion etching method (R
The emitter 83 is formed by etching the silicon substrate 81 by IE).

【0023】続いて、図8(c)に示すように、熱酸化
によりシリコン基板81及びエミッタ83の表面にエミ
ッタ先端先鋭化用酸化シリコン層84を形成する。この
酸化シリコン層84の形成時に発生する応力により、酸
化シリコン層84の内側のエミッタ83の先端が容易に
尖鋭化される。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, a silicon oxide layer 84 for sharpening the tip of the emitter is formed on the surfaces of the silicon substrate 81 and the emitter 83 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 84 is formed, the tip of the emitter 83 inside the silicon oxide layer 84 is easily sharpened.

【0024】そして、図8(d)に示すように、異方性
蒸着法により絶縁層85、ゲート電極86を積層する。
最後に、図8(e)に示すように、リフトオフ材として
も機能するエッチングマスク用酸化シリコン層82をエ
ッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ83の表
面の酸化シリコン層84をエッチング除去する。そして
必要に応じてゲート電極86をパターニングする。これ
によりシリコンエミッタを備えた冷電子放出素子が得ら
れる。
Then, as shown in FIG. 8D, an insulating layer 85 and a gate electrode 86 are laminated by anisotropic vapor deposition.
Finally, as shown in FIG. 8E, the silicon oxide layer 82 for an etching mask, which also functions as a lift-off material, is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 84 on the surface of the emitter 83 is removed by etching. Then, the gate electrode 86 is patterned as necessary. Thereby, a cold electron emission device having a silicon emitter is obtained.

【0025】さらに最近、シリコンエミッタにおいて、
シリコンの半導体としての性質を利用して高度な電流制
御が可能であることが示されている。(Jpn.J.Appl.Phy
s.vol.35 (1996) p6637) 。このような電流制御機能を
搭載したシリコンエミッタはMOSFET構造エミッタ
と称される。このMOSFET構造エミッタを備えた冷
電子放出素子の構成を図9を参照しながら説明する。
More recently, in silicon emitters,
It is shown that advanced current control is possible by utilizing the properties of silicon as a semiconductor. (Jpn.J.Appl.Phy
s.vol.35 (1996) p6637). A silicon emitter equipped with such a current control function is called a MOSFET structure emitter. The configuration of the cold electron-emitting device having the MOSFET structure emitter will be described with reference to FIG.

【0026】p型シリコン基板91の同一平面上に、n
型シリコンからなる円錐形のエミッタ92とn型シリコ
ン層93を介してエミッタ配線層94が設けられ、エミ
ッタ92とエミッタ配線層94の間に絶縁層95を介し
てゲート電極96が設置されている。即ち、このエミッ
タではMOSFET(いわゆる metal oxide semicon-d
uctor field effect transistor )構造を冷電子放出素
子に内蔵した構造をもち、冷電子放出素子のエミッタ配
線層94がMOSFETのソース、エミッタ92がドレ
イン、ゲート電極96がゲート、絶縁層95がゲート絶
縁膜としてそれぞれ機能する。
On the same plane of the p-type silicon substrate 91, n
An emitter wiring layer 94 is provided via a conical emitter 92 of n-type silicon and an n-type silicon layer 93, and a gate electrode 96 is provided between the emitter 92 and the emitter wiring layer 94 via an insulating layer 95. . That is, a MOSFET (so-called metal oxide semicon-d
The emitter wiring layer 94 of the cold electron emission element is a MOSFET source, the emitter 92 is a drain, the gate electrode 96 is a gate, and the insulating layer 95 is a gate insulating film. Function as each.

【0027】MOSFET構造エミッタを備えた冷電子
放出素子の製造例を、図10(a)〜(g)を参照しな
がら説明する。
An example of manufacturing a cold electron emitting device having a MOSFET structure emitter will be described with reference to FIGS.

【0028】まず、図10(a)に示すように、単結晶
のp型シリコン基板101を熱酸化して表面に酸化シリ
コン層102を形成し、その酸化シリコン層102をフ
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、円形のエッチングマスク用酸化シリコン
層102を形成する。この酸化シリコン層102は後述
するようにリフトオフ材としても機能する。なお、酸化
シリコン層102の径ははぼゲート径に相当する。
First, as shown in FIG. 10A, a single-crystal p-type silicon substrate 101 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 102 on the surface, and the silicon oxide layer 102 is formed by photolithography. Then, a circular silicon oxide layer 102 for an etching mask is formed by patterning in a circular shape. This silicon oxide layer 102 also functions as a lift-off material as described later. Note that the diameter of the silicon oxide layer 102 corresponds to the diameter of the gate.

【0029】次に、図10(b)に示すように、サイド
エッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法
(RIE)によりp型シリコン基板101をエッチング
し、エミッタ103を形成する。
Next, as shown in FIG. 10B, the p-type silicon substrate 101 is etched by reactive ion etching (RIE) under a condition of a high side etch rate to form an emitter 103.

【0030】続いて、図10(c)に示すように、熱酸
化によりp型シリコン基板101及びエミッタ103の
表面にエミッタ先端先鋭化用ならびに絶縁層用酸化シリ
コン層104を形成する。この酸化シリコン層104の
形成時に発生する応力により、酸化シリコン層104の
内側のエミッタ103の先端が容易に尖鋭化される。
Subsequently, as shown in FIG. 10C, a silicon oxide layer 104 for sharpening the tip of the emitter and for the insulating layer is formed on the surface of the p-type silicon substrate 101 and the emitter 103 by thermal oxidation. The tip of the emitter 103 inside the silicon oxide layer 104 is easily sharpened by the stress generated when the silicon oxide layer 104 is formed.

【0031】そして、図10(d)に示すように、ゲー
ト電極105材料を成膜し、そのゲート電極106材料
をフォトリソグラフィー法を利用して、エミッタ配線用
の円形孔パターンを形成する。
Then, as shown in FIG. 10D, a material for the gate electrode 105 is formed, and a circular hole pattern for the emitter wiring is formed using the material of the gate electrode 106 by photolithography.

【0032】次に、図10(e)に示すように、リフト
オフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコ
ン層102をエッチングによりリフトオフし、更に、エ
ミッタ103の表面の酸化シリコン層104をエッチン
グ除去するとともにエミッタ配線孔を形成する。
Next, as shown in FIG. 10E, the silicon oxide layer 102 for an etching mask, which also functions as a lift-off material, is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 104 on the surface of the emitter 103 is removed by etching. At the same time, an emitter wiring hole is formed.

【0033】続いて、図10(f)に示すように、リン
をイオン注入した後拡散アニールを施し、エミッタ10
3をn型化するとともに、エミッタ配線孔表面にn型シ
リコン層106を生成する。
Subsequently, as shown in FIG. 10 (f), phosphorus is ion-implanted and then diffusion annealing is performed.
3 is made n-type, and an n-type silicon layer 106 is formed on the surface of the emitter wiring hole.

【0034】最後に、図10(g)に示すように、エミ
ッタ配線用及びゲート配線用電極材料としてアルミニウ
ム等の金属薄膜107を成膜した後、必要に応じてゲー
ト電極105をパターニングする。これによりMOSF
ET構造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. 10 (g), after a metal thin film 107 such as aluminum is formed as an electrode material for the emitter wiring and the gate wiring, the gate electrode 105 is patterned as necessary. This allows MOSF
A cold electron emission device having an ET structure emitter is obtained.

【0035】このようなMOSFET構造を有したシリ
コンエミッタからなる冷電子放出素子では、従来のシリ
コンエミッタとほぼ同様の作製工程で容易に作製できる
にも関わらず、MOSトランジスタを素子に内蔵するこ
とにより、トランジスタ制御された非常に安定したエミ
ッション電流が得られ、かつ局所的な大電流の発生をな
くすることができるため素子破壊も原理的に起こり得な
いという、大きな特徴を有する。
In a cold electron emission device including a silicon emitter having such a MOSFET structure, although a MOS transistor can be easily manufactured in substantially the same manufacturing process as a conventional silicon emitter, a MOS transistor is built in the device. An extremely stable emission current controlled by a transistor can be obtained, and the generation of a local large current can be eliminated.

【0036】しかしながら、電流安定化のために抵抗層
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 a cold electron emission element provided with a resistance layer for current stabilization, it is necessary to provide a larger resistance in order to obtain a sufficient current reduction characteristic with respect to a local large current. At the same time, current fluctuations can be reduced only relative to the characteristics of individual elements,
Further, there is a problem that an increase in operating voltage cannot be avoided in principle.

【0037】一方、電流制御機能を搭載したMOSFE
T構造を有したシリコンエミッタでは、トランジスタ制
御による非常に高いレベルでの安定な電流が得られる
が、単結晶シリコン基板が必要とすることから、低コス
ト化及び大面積化が困難であるという問題があった。
On the other hand, a MOSFE equipped with a current control function
In a silicon emitter having a T structure, a stable current at a very high level can be obtained by transistor control. However, since a single crystal silicon substrate is required, it is difficult to reduce the cost and increase the area. was there.

【0038】[0038]

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
従来の技術の課題を解決しようとするものであり、半導
体薄膜を用いて素子自体に電流制御機能を搭載すること
により、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、電流変動を最小限に低減できるよう
にすること、さらには、ガラス基板等を使用可能とする
ことで低コスト化及び大面積化をも容易にすることが出
来る電界放射型の冷電子放出素子とその製造方法を提供
することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the operating voltage is reduced by mounting a current control function on the element itself using a semiconductor thin film. Suppress local large currents without raising them, minimize current fluctuations, and make it possible to use glass substrates etc. to easily reduce costs and increase area. It is an object of the present invention to provide a field emission type cold electron emitting device capable of performing the method and a method for manufacturing the same.

【0039】[0039]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、まず請求項1に示す発明は、絶縁性基板上に導電
層、絶縁層及びゲート電極が順次積層され、該ゲート電
極と絶縁層とには導電性基板に達する開口部が設けら
れ、その開口部内の該導電性基板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、絶縁性基板上に半導体薄膜層
が設けられ、該半導体薄膜層上の同一平面上に、エミッ
タと導電層が電気的に該半導体薄膜を介して形成されて
いることを特徴とする冷電子放出素子である。
In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is to provide a semiconductor device, comprising: a conductive layer, an insulating layer, and a gate electrode sequentially laminated on an insulating substrate; In the field emission type cold electron emitting element, an opening reaching the conductive substrate is provided, and an emitter is formed on the conductive substrate in the opening so as not to contact the gate electrode. A cold electron emission element, wherein a semiconductor thin film layer is provided on a substrate, and an emitter and a conductive layer are electrically formed on the same plane on the semiconductor thin film layer via the semiconductor thin film. .

【0040】請求項2に示す発明は、請求項1の構成を
基本とし、エミッタと半導体薄膜層の間に金属薄膜から
なるエミッタ接続層が介在することを特徴とする。
A second aspect of the present invention is based on the configuration of the first aspect, wherein an emitter connection layer made of a metal thin film is interposed between the emitter and the semiconductor thin film layer.

【0041】請求項3に示す発明は、請求項1又は2の
いずれかの構成を基本とし、導電層上に絶縁層及びゲー
ト電極が積層されていることを特徴とする。
A third aspect of the present invention is based on any one of the first and second aspects, and is characterized in that an insulating layer and a gate electrode are laminated on a conductive layer.

【0042】請求項4に示す発明は、請求項1乃至3の
いずれかの構成を基本とし、半導体薄膜層が非単結晶シ
リコンであることを特徴とする。
A fourth aspect of the present invention is based on any one of the first to third aspects and is characterized in that the semiconductor thin film layer is made of non-single-crystal silicon.

【0043】請求項5に示す発明は、請求項1乃至4の
いずれかの構成を基本とし、エミッタ材料が金属または
非単結晶シリコンであることを特徴とする。
A fifth aspect of the present invention is based on any one of the first to fourth aspects, wherein the emitter material is metal or non-single-crystal silicon.

【0044】請求項6に示す発明は、請求項1乃至5の
いずれかの構成を基本とし、エミッタの形状が円錐形、
多角錐形、円錐台形、又は多角錐台形のいずれかである
ことを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, based on any one of the first to fifth aspects, the shape of the emitter is conical,
It is a polygonal pyramid, a truncated cone, or a truncated polygon.

【0045】請求項7に示す発明は、請求項1乃至6の
いずれかの構成を基本とし、絶縁性基板としてガラス基
板が用いられていることを特徴とする。
A seventh aspect of the present invention is based on any one of the first to sixth aspects, and is characterized in that a glass substrate is used as an insulating substrate.

【0046】そして、請求項8に示す発明は、請求項1
乃至7のいずれかの冷電子放出素子を製造する製造方法
であって、 (a)絶縁性基板上に半導体薄膜材料層、絶縁材料層、
ゲート電極材料層を順次成膜する工程; (b)ゲート形成用の開口をもつ孔のパターンをフォト
リソグラフィー法により形成し、ゲート電極材料層及び
絶縁材料層を半導体薄膜層が露出するまで反応性イオン
エッチングによりエッチングし、エミッタ用孔及び導電
層用孔、並びにゲート電極と絶縁層とを形成する工程; (c)ゲート電極の上面側及び側面側にリフトオフ材料
を斜方蒸着法により蒸着することでリフトオフ層を形成
し、前記絶縁性基板に対してほぼ垂直方向に異方性をも
つ異方性蒸着法によりエミッタ用孔内にエミッタ材料を
成膜することで、エミッタ及び導電層を自己整合的に形
成する工程; (d)リフトオフ層を剥離しゲート電極上のエミッタ材
料を剥落させる工程;以上(a)〜(d)の工程を全て
具備することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法で
ある。
The invention described in claim 8 is the first invention.
7. A method for manufacturing a cold electron-emitting device according to any one of (1) to (7), wherein (a) a semiconductor thin film material layer, an insulating material layer,
A step of sequentially forming a gate electrode material layer; (b) forming a pattern of holes having openings for gate formation by a photolithography method, and reacting the gate electrode material layer and the insulating material layer until the semiconductor thin film layer is exposed; Etching by ion etching to form a hole for an emitter, a hole for a conductive layer, and a gate electrode and an insulating layer; (c) depositing a lift-off material on the upper and side surfaces of the gate electrode by oblique deposition. A self-aligned emitter and conductive layer are formed by forming a lift-off layer with an anisotropic vapor deposition method having anisotropy in a direction substantially perpendicular to the insulating substrate and forming an emitter material in the emitter hole. (D) peeling off the lift-off layer to peel off the emitter material on the gate electrode; characterized in that it comprises all of the above steps (a) to (d). It is a manufacturing method of the field emission device according to.

【0047】そして、請求項9に示す発明は、請求項1
乃至7のいずれかの冷電子放出素子を製造する製造方法
であって、 (e)絶縁性基板上に半導体薄膜材料層と金属薄膜層と
を成膜した後、該金属薄膜層をフォトリソグラフィー法
によりパターニングすることで導線層とエミッタ接続層
とを形成し、次いで、絶縁材料層とゲート電極材料層と
を順次成膜する工程; (f)ゲート形成用の開口をもつ孔のパターンをフォト
リソグラフィー法により形成し、ゲート電極材料層及び
絶縁材料層を半導体薄膜層が露出するまで反応性イオン
エッチングによりエッチングすることで、エミッタ用
孔、並びにゲート電極と絶縁層とを形成する工程; (g)ゲート電極の上面側及び側面側にリフトオフ材料
を斜方蒸着法により蒸着することでリフトオフ層を形成
し、前記絶縁性基板に対してほぼ垂直方向に異方性をも
つ異方性蒸着法によりエミッタ用孔内にエミッタ材料を
成膜することで、エミッタを自己整合的に形成する工
程; (h)リフトオフ層を剥離しゲート電極上のエミッタ材
料を剥落させる工程;以上(e)〜(h)の工程を全て
具備することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法で
ある。
The invention according to claim 9 is based on claim 1
(E) forming a semiconductor thin film material layer and a metal thin film layer on an insulating substrate, and then forming the metal thin film layer by a photolithography method. Forming a conductive layer and an emitter connection layer by patterning, and then sequentially forming an insulating material layer and a gate electrode material layer; (f) photolithographically forming a pattern of holes having openings for forming gates. Forming a gate electrode material layer and an insulating material layer by reactive ion etching until the semiconductor thin film layer is exposed, thereby forming an emitter hole, and a gate electrode and an insulating layer; (g) A lift-off layer is formed by obliquely depositing a lift-off material on the upper and side surfaces of the gate electrode, and is formed in a direction substantially perpendicular to the insulating substrate. A step of forming an emitter in a self-aligned manner by forming an emitter material in an emitter hole by anisotropic anisotropic vapor deposition; (h) peeling off the lift-off layer and peeling off the emitter material on the gate electrode; A method of manufacturing a cold electron-emitting device, comprising: all of the above steps (e) to (h).

【0048】請求項10に示す発明は、請求項8又は9
のいずれかの構成を基本とし、前記の工程(a)又は工
程(e)について、半導体薄膜材料が水素化アモルファ
スシリコンからなり、該半導体薄膜材料をPECVD法
により成膜することを特徴とする。
The tenth aspect of the present invention is the eighth or ninth aspect.
In the above step (a) or step (e), the semiconductor thin film material is made of amorphous silicon hydride, and the semiconductor thin film material is formed by a PECVD method.

【0049】請求項11に示す発明は、請求項8又は9
のいずれかの構成を基本とし、前記の工程(a)又は工
程(e)のいずれかについて、半導体薄膜材料がポリシ
リコンからなり、該半導体薄膜材料を熱CVD法または
PECVD法のいずれかでアモルファスシリコンを成膜
した後にアニール処理を施すことでポリシリコンを生成
することを特徴とする。
The eleventh aspect of the present invention relates to the eighth or ninth aspect.
In either of the above steps (a) and (e), the semiconductor thin film material is made of polysilicon, and the semiconductor thin film material is made amorphous by either a thermal CVD method or a PECVD method. It is characterized in that polysilicon is generated by performing an annealing process after forming silicon.

【0050】請求項12に示す発明は、請求項8乃至1
1のいずれかの構成を基本とし、前記の工程(a)又は
工程(e)のいずれかにおいて、絶縁層材料が、アモル
ファスシリコンナイトライドからなり、シラン又はジシ
ランのいずれかとアンモニアから成る混合ガスを反応ガ
スとして用いたPECVD法により形成することを特徴
とする。
The twelfth aspect of the present invention relates to the eighth to first aspects.
1. In any one of the above steps (a) and (e), the insulating layer material is made of amorphous silicon nitride, and a mixed gas of either silane or disilane and ammonia is used. It is characterized by being formed by a PECVD method used as a reaction gas.

【0051】[0051]

【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.

【0052】図1は、本発明の冷電子放出素子の断面図
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上に、半導体薄膜層2、絶縁層3及びゲート
電極4が順次積層された構造を有する。そして、ゲート
電極4と絶縁層3とには半導体薄膜層2に達するエミッ
タ用孔A及び導電層用孔Bが適当な間隙を隔てて設けら
れており、そのエミッタ用孔A及び導電層用孔B内の半
導体薄膜層2上には、それぞれ円錐形または円錐台形の
エミッタ5及び導電層6がゲート電極4に接触しないよ
うに形成されている。
FIG. 1 is a sectional view of a cold electron emitting device of the present invention. As shown in FIG. 1, the cold electron emission element has a structure in which a semiconductor thin film layer 2, an insulating layer 3, and a gate electrode 4 are sequentially stacked on an insulating substrate 1. The gate electrode 4 and the insulating layer 3 are provided with an emitter hole A and a conductive layer hole B reaching the semiconductor thin film layer 2 with an appropriate gap therebetween. On the semiconductor thin film layer 2 in B, a conical or truncated conical emitter 5 and a conductive layer 6 are formed so as not to contact the gate electrode 4.

【0053】本発明において絶縁性基板1は、冷電子放
出素子の支持絶縁性基板として用いられており、大面積
化が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。
なお、単結晶シリコンの表面に絶縁膜が形成された基板
も使用することができる。
In the present invention, the insulating substrate 1 is used as a supporting insulating substrate of a cold electron emission element, and an insulating substrate that can be easily enlarged can be preferably used. As such an insulating substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or the like can be used.
Note that a substrate in which an insulating film is formed over the surface of single crystal silicon can also be used.

【0054】半導体薄膜層2は、薄膜トランジスタ(T
FT)のチャネルとして機能する。このような半導体薄
膜層2としては、液晶ディスプレイのスイッチング素子
として広く用いられているTFTと同様の公知の材料か
ら形成することができる。例えば、特に絶縁性基板1と
してガラス基板を用いる場合には、水素化アモルファス
シリコン、レーザーアニールによるポリシリコンを用い
ることができる。
The semiconductor thin film layer 2 includes a thin film transistor (T
FT). Such a semiconductor thin film layer 2 can be formed from a known material similar to a TFT widely used as a switching element of a liquid crystal display. For example, particularly when a glass substrate is used as the insulating substrate 1, hydrogenated amorphous silicon or polysilicon obtained by laser annealing can be used.

【0055】半導体薄膜層2の厚みとしては、TFTの
チャネルとして動作しうる厚みとして、例えば、0.2
〜2μm、好ましくは0.3〜0.7μmとする。
The thickness of the semiconductor thin film layer 2 is, for example, 0.2 μm so that it can operate as a channel of the TFT.
To 2 μm, preferably 0.3 to 0.7 μm.

【0056】絶縁層3は、エミッタ5及び導電層6とゲ
ート電極4を電気的に絶縁するための層である。さら
に、半導体薄膜層2とゲート電極4とを電気的に絶縁す
るためにも同時に使用される。すなわち、TFTのゲー
ト絶縁膜としても機能する。このような絶縁層3として
は、冷電子放出素子ならびにTFT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、特
に良好な絶縁性を示し、ピンホールフリーの膜が得られ
るPECVD(いわゆる Plasma Enhanced Chemi-cal V
apor Deposition )法による酸化シリコン、窒化シリコ
ン膜を挙げることができる。
The insulating layer 3 is a layer for electrically insulating the emitter 5 and the conductive layer 6 from the gate electrode 4. Further, they are used simultaneously to electrically insulate the semiconductor thin film layer 2 and the gate electrode 4. That is, it also functions as a TFT gate insulating film. Such an insulating layer 3 can be formed from a known material used as a cold electron emitting element and an insulating layer of a TFT, and shows a particularly good insulating property and obtains a pinhole-free film. PECVD (so-called Plasma Enhanced Chemi-cal V
Silicon oxide and silicon nitride films formed by the apor deposition method.

【0057】絶縁層3の厚みとしては、エミッタ5、導
電層6及び半導体薄膜層2とゲート電極4との間に十分
な絶縁性が保たれればよく、例えば、0.2〜2μm、
好ましくは0.3〜0.7μmとする。
The thickness of the insulating layer 3 may be such that sufficient insulation between the emitter 5, the conductive layer 6, and the semiconductor thin film layer 2 and the gate electrode 4 is maintained, for example, 0.2 to 2 μm.
Preferably, it is 0.3 to 0.7 μm.

【0058】ゲート電極4は、エミッタ5に強電界を集
中させるための電極、かつTFTのゲート電極として機
能する。ゲート電極4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 4 functions as an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter 5 and as a gate electrode of the TFT. As a material for the gate electrode 4, a material having a high melting point in view 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.

【0059】ゲート電極4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 4 can be appropriately determined as needed, and is set to 0.1 to 0.5 μm.

【0060】エミッタ5は、その表面から電子を直接的
に放出する部材であり、冷電子放出素子のエミッタとし
て用いられている公知の材料から形成することができ、
金属薄膜もしくは非単結晶シリコン薄膜を使用すること
ができる。ここで、エミッタを非単結晶シリコン薄膜、
例えばポリシリコン薄膜またはアモルファスシリコン薄
膜で形成した場合、エミッタ自体がある程度の抵抗をも
つために、より安定なエミッション特性を得ることがで
きる。
The emitter 5 is a member that emits electrons directly from its surface, and can be formed from a known material used as an emitter of a cold electron emission element.
A metal thin film or a non-single-crystal silicon thin film can be used. Here, the emitter is a non-single-crystal silicon thin film,
For example, when formed of a polysilicon thin film or an amorphous silicon thin film, more stable emission characteristics can be obtained because the emitter itself has a certain degree of resistance.

【0061】エミッタ5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 5 can be appropriately determined as required, and is usually 0.3 to 2 μm.
m is preferable.

【0062】また、エミッタ5の形状としては、円錐形
または円柱形、或いは円錐台形または多角錐台であるこ
とが好ましい。
The shape of the emitter 5 is preferably a cone or a column, or a truncated cone or a truncated polygon.

【0063】導電層6は、冷電子放出素子のエミッタ配
線及びTFTのソースとして機能する。このような導電
層6の材料としては、配線抵抗が低く、下層の半導体薄
膜層2と密着性が高くかつオーミック接触する材料が適
当である。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。ただし、
製法によっては、エミッタ材料と同じ材料となるが、そ
の場合には、エミッタ5と導電層6の両方の要求特性を
満たした材料が用いられる。このような材料としては、
エミッタ5で用いられた材料と、Al、Cu及びAuの
積層膜等をあげることができる。
The conductive layer 6 functions as the emitter wiring of the cold electron emission element and the source of the TFT. As a material of such a conductive layer 6, a material having low wiring resistance, high adhesion to the underlying semiconductor thin film layer 2 and ohmic contact is appropriate. Such a material is particularly preferably Cr
Alternatively, an Al, Cr laminated film can be used. However,
Depending on the manufacturing method, the material may be the same as the emitter material. In this case, a material that satisfies the required characteristics of both the emitter 5 and the conductive layer 6 is used. Such materials include:
The material used for the emitter 5 and a laminated film of Al, Cu and Au can be used.

【0064】導電層6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0.0
5〜2.0μm、好ましくは0.1〜1.0μmとす
る。
The thickness of the conductive layer 6 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained.
The thickness is 5 to 2.0 μm, preferably 0.1 to 1.0 μm.

【0065】図2は、本発明の別の冷電子放出素子の断
面図である。同図に示すように、この冷電子放出素子
は、絶縁性基板1上に、半導体薄膜層2、絶縁層3及び
ゲート電極4が順次積層された構造を有する。そして、
ゲート電極4と絶縁層3とには半導体薄膜層2に達する
複数のエミッタ用孔A設けられており、そのエミッタ用
孔Aの半導体薄膜層2上には金属薄膜からなるエミッタ
接続層8が配され、そのエミッタ接続層8上に円錐形ま
たは円錐台形のエミッタ5がゲート電極4に接触しない
ように複数個形成されている。このようにエミッタ5が
複数個ある場合、エミッタ接続層8によってそれらのエ
ミッタ5は電気的に接続されている。さらに、エミッタ
接続層8と適当な間隙を隔てて導電層6が配され、その
導電層6上には絶縁層3及びゲート電極4が順次積層さ
れた構造を有する。このようにエミッタ接続層8を具備
することにより、特に複数個のエミッタに対して同時に
電流制御を行うことができるようになる。また、導電層
6上に絶縁層3及びゲート電極4が積層されている構造
をもつ。これにより、マトリクス配線ができるようにな
る。
FIG. 2 is a sectional view of another cold electron-emitting device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the cold electron emission element has a structure in which a semiconductor thin film layer 2, an insulating layer 3, and a gate electrode 4 are sequentially stacked on an insulating substrate 1. And
A plurality of emitter holes A reaching the semiconductor thin film layer 2 are provided in the gate electrode 4 and the insulating layer 3, and an emitter connection layer 8 made of a metal thin film is disposed on the semiconductor thin film layer 2 in the emitter hole A. A plurality of conical or frustoconical emitters 5 are formed on the emitter connection layer 8 so as not to contact the gate electrode 4. When there are a plurality of emitters 5, the emitters 5 are electrically connected by the emitter connection layer 8. Further, a conductive layer 6 is arranged with an appropriate gap from the emitter connection layer 8, and has a structure in which an insulating layer 3 and a gate electrode 4 are sequentially laminated on the conductive layer 6. By providing the emitter connection layer 8 in this manner, current control can be performed particularly on a plurality of emitters at the same time. Further, it has a structure in which the insulating layer 3 and the gate electrode 4 are stacked on the conductive layer 6. Thereby, matrix wiring can be performed.

【0066】次に、本発明の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。
Next, a method of manufacturing the cold electron emitting device of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

【0067】工程(a) まず、絶縁性基板1上に非単結晶シリコンなどの半導体
薄膜層2材料及び絶縁層3材料をCVD法等により成
膜、続いてゲート電極4材料を蒸着法等により成膜し、
積層膜を形成する。(図3(a))ここで、絶縁層3材
料の成膜法としては、通常用いられる電気絶縁性の高い
膜がえられる種々の方法が使用可能であるが、特にゲー
ト絶縁膜として良好な特性を示すシランまたはジシラン
とアンモニアから成る混合ガスを反応ガスとして用い
る、PECVD法で形成す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。
Step (a) First, a material for the semiconductor thin film layer 2 such as non-single-crystal silicon and a material for the insulating layer 3 are formed on the insulating substrate 1 by a CVD method or the like. Film,
A laminated film is formed. (FIG. 3A) Here, as a method of forming the material of the insulating layer 3, various methods that can be used to obtain a film having a high electrical insulating property can be used. Amorphous silicon nitride formed by a PECVD method using a mixed gas of silane or disilane exhibiting characteristics and ammonia as a reaction gas can be used.

【0068】工程(b) 次に、フォトリソグラフィー法によりゲートの開口径を
具備する円形孔または多角形孔パターン及び導電層用ス
ルーホールを形成し、反応性イオンエッチングによりゲ
ート電極4材料及び絶縁層3材料を半導体薄膜層2が露
出するまでエッチングし、エミッタ用孔A及び導電層用
孔Bを形成するとともにゲート電極4と絶縁層3を形成
する。(図3(b))
Step (b) Next, a circular or polygonal hole pattern having a gate opening diameter and a through hole for a conductive layer are formed by photolithography, and the material of the gate electrode 4 and the insulating layer are formed by reactive ion etching. The three materials are etched until the semiconductor thin film layer 2 is exposed to form a hole A for an emitter and a hole B for a conductive layer, and a gate electrode 4 and an insulating layer 3. (FIG. 3 (b))

【0069】工程(c) 続いて、斜方蒸着によりリフトオフ材7をゲート電極4
上面と側面にのみ形成する。リフトオフ材7の材料とし
ては、リフトオフの際の剥離性の高いAl、MgO等が
好ましく使用できる。続いて、エミッタ用孔A及び導電
層用孔B内の半導体薄膜層2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5用の金属材料を蒸
着する。このとき、蒸着の進行につれて、エミッタ用孔
Aの開口径が狭まると同時に半導体薄膜層2上に円錐形
のエミッタ5が自己整合的に形成される。蒸着は、最終
的にエミッタ用孔Aが閉じるまで行なう。このとき、導
電層用孔B内には導電層6が同時に形成される。エミッ
タの材料としては、金属、半導体、セラミックス等の蒸
着可能な広範囲の材料から選択できる。また、エミッタ
材料として蒸着法によるアモルファスシリコンもしくは
ポリシリコンを用いた場合、より安定なエミッション特
性を得ることが可能となる。(図3(c))
Step (c) Subsequently, a lift-off material 7 is applied to the gate electrode 4 by oblique evaporation.
Formed only on the top and side surfaces. As the material of the lift-off material 7, Al, MgO, or the like having high releasability at the time of lift-off can be preferably used. Subsequently, a metal material for the emitter 5 is deposited on the semiconductor thin film layer 2 in the hole A for the emitter and the hole B for the conductive layer by normal anisotropic deposition from the perpendicular direction. At this time, as the vapor deposition progresses, the conical emitter 5 is formed on the semiconductor thin film layer 2 in a self-aligning manner at the same time as the opening diameter of the emitter hole A decreases. The vapor deposition is performed until the emitter hole A is finally closed. At this time, the conductive layer 6 is simultaneously formed in the conductive layer hole B. The material of the emitter can be selected from a wide range of materials that can be deposited, such as metals, semiconductors, and ceramics. Further, when amorphous silicon or polysilicon formed by a vapor deposition method is used as an emitter material, more stable emission characteristics can be obtained. (FIG. 3 (c))

【0070】このとき、例えば絶縁層3及びゲート電極
4の厚みの合計を1μmとした場合、エミッタ用孔Aの
直径を1μm以下とした場合にはエミッタ形状は円錐形
状、1μmより大きくし、なおかつエミッタ材料の蒸着
をエミッタ用孔Aが閉じる前に終了させた場合には、概
ね円錐台形状となる。またエミッタ用孔Aの形状を円形
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5が形成される。
At this time, for example, when the total thickness of the insulating layer 3 and the gate electrode 4 is 1 μm, and when the diameter of the emitter hole A is 1 μm or less, the emitter shape is conical and larger than 1 μm, and When the deposition of the emitter material is completed before the emitter hole A is closed, the shape becomes substantially a truncated cone. When the shape of the emitter hole A is not a circle but a polygon, it can be a polygonal pyramid or a truncated polygonal cone, 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 5 having a sharpened tip is formed.

【0071】工程(d) 最後に、リフトオフ材7をエッチングにより剥離し、必
要に応じてゲート電極4をパターニングする。これによ
り図3(d)の冷電子放出素子が得られる。
Step (d) Finally, the lift-off material 7 is removed by etching, and the gate electrode 4 is patterned as necessary. Thus, the cold electron-emitting device shown in FIG.

【0072】次に、複数個のエミッタを備える場合及び
マトリクスアレイを形成する場合に特に有効な、本発明
の別の冷電子放出素子の製造方法を、図4に従って詳細
に説明する。
Next, another method of manufacturing a cold electron-emitting device of the present invention, which is particularly effective when a plurality of emitters are provided and when a matrix array is formed, will be described in detail with reference to FIG.

【0073】工程(a) まず、絶縁性基板1上に非単結晶シリコンなどの半導体
薄膜層2材料をCVD法等により成膜、続いて導電層6
及びエミッタ接続層8を兼ねる金属薄膜を蒸着法等によ
り成膜した後、フォトリソグラフィー法により導電層6
とエミッタ接続層8にTFTのチャネル長に相当する間
隙を設けてパターニングする。ここで、半導体薄膜2材
料としては、PECVD法で成膜された水素化アモルフ
ァスシリコンであるか、又は、熱CVD(CVDはいわ
ゆる Chemical Vapor Deposition)法、もしくはPEC
VD法で成膜されたアモルファスシリコン膜を例えばレ
ーザーアニール等でアニール処理し生成したポリシリコ
ンが好ましく用いることができる。
Step (a) First, a material for the semiconductor thin film layer 2 such as non-single-crystal silicon is formed on the insulating substrate 1 by a CVD method or the like.
After forming a metal thin film also serving as the emitter connection layer 8 by vapor deposition or the like, the conductive layer 6 is formed by photolithography.
And an emitter connection layer 8 is provided with a gap corresponding to the channel length of the TFT to perform patterning. Here, the material of the semiconductor thin film 2 is hydrogenated amorphous silicon formed by PECVD, thermal CVD (so-called Chemical Vapor Deposition), or PEC.
Polysilicon produced by annealing an amorphous silicon film formed by the VD method by, for example, laser annealing or the like can be preferably used.

【0074】さらに、絶縁層3材料及びゲート電極4材
料を成膜する。(図4(a))ここで、絶縁層3材料の
成膜法としては、通常用いられる電気絶縁性の高い膜が
えられる種々の方法が使用可能であるが、特にゲート絶
縁膜として良好な特性を示すシランまたはジシランとア
ンモニアから成る混合ガスを反応ガスとして用いる、P
ECVD法で形成す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。
Further, a material for the insulating layer 3 and a material for the gate electrode 4 are formed. (FIG. 4 (a)) Here, as a method of forming the material of the insulating layer 3, various methods that can be used to obtain a film having a high electric insulating property can be used. Using a mixed gas of silane or disilane having a characteristic and ammonia as a reaction gas;
Amorphous silicon nitride formed by an ECVD method can be used.

【0075】工程(b) 次に、フォトリソグラフィー法によりゲートの開口径を
具備する円形孔または多角形孔パターンを形成し、反応
性イオンエッチングによりゲート電極4材料及び絶縁層
3材料をエミッタ接続層8が露出するまでエッチング
し、エミッタ用孔Aを形成するとともにゲート電極4と
絶縁層3を形成する。(図4(b))
Step (b) Next, a circular hole or polygonal hole pattern having a gate opening diameter is formed by photolithography, and the material of the gate electrode 4 and the material of the insulating layer 3 are removed by reactive ion etching. Etching is performed until 8 is exposed, thereby forming an emitter hole A and forming a gate electrode 4 and an insulating layer 3. (FIG. 4 (b))

【0076】工程(c) 続いて、斜方蒸着によりリフトオフ材7をゲート電極4
上面と側面にのみ形成する。リフトオフ材7の材料とし
ては、リフトオフの際の剥離性の高いAl、MgO等が
好ましく使用できる。続いて、エミッタ用孔A内のエミ
ッタ接続層8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5用の金属材料を蒸着する。このと
き、蒸着の進行につれて、エミッタ用孔Aの開口径が狭
まると同時に半導体薄膜層2上に円錐形のエミッタ5が
自己整合的に形成される。蒸着は、最終的にエミッタ用
孔Aが閉じるまで行なう。エミッタの材料としては、金
属、半導体、セラミックス等の蒸着可能な広範囲の材料
から選択できる。また、エミッタ材料として蒸着法によ
るアモルファスシリコンもしくはポリシリコンを用いた
場合、より安定なエミッション特性を得ることが可能と
なる。(図4(c))
Step (c) Subsequently, a lift-off material 7 is applied to the gate electrode 4 by oblique evaporation.
Formed only on the top and side surfaces. As the material of the lift-off material 7, Al, MgO, or the like having high releasability at the time of lift-off can be preferably used. Subsequently, a metal material for the emitter 5 is deposited on the emitter connection layer 8 in the emitter hole A by normal anisotropic deposition from the vertical direction. At this time, as the vapor deposition progresses, the conical emitter 5 is formed on the semiconductor thin film layer 2 in a self-aligning manner at the same time as the opening diameter of the emitter hole A decreases. The vapor deposition is performed until the emitter hole A is finally closed. The material of the emitter can be selected from a wide range of materials that can be deposited, such as metals, semiconductors, and ceramics. Further, when amorphous silicon or polysilicon formed by a vapor deposition method is used as an emitter material, more stable emission characteristics can be obtained. (FIG. 4 (c))

【0077】工程(d) 最後に、リフトオフ材7をエッチングにより剥離し、必
要に応じてゲート電極4をパターニングする。これによ
り図4(d)の冷電子放出素子が得られる。
Step (d) Finally, the lift-off material 7 is peeled off by etching, and the gate electrode 4 is patterned if necessary. Thus, the cold electron-emitting device shown in FIG. 4D is obtained.

【0078】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、TFT構造を有する金属または非単結
晶シリコンでエミッタを構成することにより、絶縁性基
板上においてもトランジスタによって高度に制御された
エミッション電流が得られ、且つマトリクス配線化を容
易に実現することができる。
As described above, in the cold electron-emitting device of the present invention, the emitter is made of metal having a TFT structure or non-single-crystal silicon, so that the transistor is highly controlled even on the insulating substrate by the transistor. An emission current can be obtained and matrix wiring can be easily realized.

【0079】[0079]

【実施例】本発明の冷電子放出素子の製造例を以下の実
施例で具体的に説明する。
EXAMPLES The production examples of the cold electron-emitting device of the present invention will be specifically described in the following examples.

【0080】工程(a) まず、絶縁性基板1上に半導体薄膜層2としてPECV
D法によって水素化アモルファスシリコン膜を0.5μ
mの膜厚で成膜した。反応ガスとしてシランガス、また
希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量300scc
m、ガス圧1Torr、基板温度250℃、RFパワー
60Wの条件で成膜した。次に、連続的に絶縁層3材料
としてPECVD法によってアモルファスシリコンナイ
トライド膜を0.5μmの膜厚で成膜した。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、ガス総流量540sccm、ガス圧1
Torr、基板温度350℃、RFパワー60Wの条件
で成膜した。続いて、ゲート電極材料として真空蒸着法
によりNbを0.2μmの膜厚で成膜した。(図3
(a))
Step (a) First, a PECV is formed as a semiconductor thin film layer 2 on an insulating substrate 1.
0.5μ of hydrogenated amorphous silicon film by D method
m was formed. Using silane gas as a reaction gas and hydrogen as a diluting gas, a total gas flow rate of 300 scc
m, gas pressure of 1 Torr, substrate temperature of 250 ° C., and RF power of 60 W. Next, an amorphous silicon nitride film having a thickness of 0.5 μm was continuously formed as a material of the insulating layer 3 by PECVD. Using a mixed gas of silane and ammonia as a reaction gas and hydrogen as a diluting gas, a total gas flow rate of 540 sccm and a gas pressure of 1
The film was formed under the conditions of Torr, substrate temperature of 350 ° C., and RF power of 60 W. Subsequently, Nb was formed in a thickness of 0.2 μm as a gate electrode material by a vacuum evaporation method. (FIG. 3
(A))

【0081】工程(b) 次に、通常のフォトリソグラフィー法を用いてゲート開
口径として1μmの円形孔パターンを形成し、反応性イ
オンエッチングによりゲート電極4材料Nb及び絶縁層
3材料アモルファスシリコンナイトライドを半導体薄膜
層2が露出するまでエッチングした。このときのエッチ
ング条件は(導入ガス:SF6 が60sccm/パワー
100W/ガス圧4.5Pa)であった。(図3
(b))
Step (b) Next, a circular hole pattern having a gate opening diameter of 1 μm is formed by using a usual photolithography method, and the material Nb of the gate electrode 4 and the material of the amorphous silicon nitride 3 are formed by reactive ion etching. Was etched until the semiconductor thin film layer 2 was exposed. The etching conditions at this time were (introduced gas: SF 6 was 60 sccm / power 100 W / gas pressure 4.5 Pa). (FIG. 3
(B))

【0082】工程(c) 次に、リフトオフ材7としてAlを0.3μm厚で斜方
蒸着した。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5の材料としてMoをエミッタ
用孔Aが閉じるまで蒸着した。(図3(c))
Step (c) Next, as the lift-off material 7, Al was obliquely deposited to a thickness of 0.3 μm. Subsequently, Mo was deposited as a material of the emitter 5 by an anisotropic vapor deposition method from a direction perpendicular to the substrate until the emitter hole A was closed. (FIG. 3 (c))

【0083】工程(d) 次に、リフトオフ材7のAl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
剥離し図3(d)に示すような冷電子放出素子を得た。
Step (d) Next, Al of the lift-off material 7 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 as shown in FIG.

【0084】上述の冷電子放出素子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−ゲート
電極間の距離を約0.6μm、エミッタ高さ約0.8μ
m、TFTパラメータとしてチャネル長L/チャネル幅
W:10/1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3
0mm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。
The cold electron emission device described above was manufactured as a prototype, and the following tests were performed and evaluated. That is, the distance between the emitter and the gate electrode of each element is about 0.6 μm, and the emitter height is about 0.8 μm.
m, a glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor was placed at a distance of 3 from an element having a structure in which channel length L / channel width W was 10/1 as a TFT parameter.
When the electrodes were opposed to each other at 0 mm, and a drawing voltage was applied between the emitter electrode and the gate electrode with a positive polarity on the gate electrode side, electrons were successfully and stably emitted.

【0085】得られた典型的なエミッション特性の模式
図を図11に示す。低電界領域ではエミッタ自身の電流
電圧特性(E)を示し、高電界領域ではTFTによる電
流電圧特性(M)に従がう特性を示した。即ち、エミッ
ション電流がTFTのドレイン電流値を越えた高電界領
域で電流のトランジスタ制御領域が得られ、本素子では
ゲート電圧70V以上で安定なエミッション電流(M
E)が得られた。
FIG. 11 is a schematic diagram of the obtained typical emission characteristics. In the low electric field region, the current-voltage characteristic (E) of the emitter itself was exhibited, and in the high electric field region, the characteristic followed the current-voltage characteristic (M) of the TFT. That is, a transistor control region of current can be obtained in a high electric field region where the emission current exceeds the drain current value of the TFT. In this device, a stable emission current (M
E) was obtained.

【0086】[0086]

【発明の効果】本発明によれば、TFT構造を有する金
属または非単結晶シリコンでエミッタを構成することに
より、絶縁性基板上においてもトランジスタによって高
度に制御されたエミッション電流が得られ、且つマトリ
クス配線化を容易に実現する冷電子放出を得ることがで
きる。
According to the present invention, by forming an emitter from a metal having a TFT structure or non-single-crystal silicon, an emission current highly controlled by a transistor can be obtained even on an insulating substrate, and a matrix can be obtained. Cold electron emission that easily realizes wiring can be obtained.

【0087】従って、低コストで大面積化が可能なガラ
ス基板上に、電流安定性が高くかつマトリクス化の容易
な冷電子放出素子を得ることができる。更に、フラット
パネルディスプレイに応用した場合にも、高速、高精細
度の画像が、低消費電力で得ることが可能となる。
Therefore, it is possible to obtain a cold electron-emitting device having high current stability and easy matrix formation on a glass substrate which can be formed at a low cost and can have a large area. Further, even when applied to a flat panel display, a high-speed, high-definition image can be obtained with low power consumption.

【0088】つまるところ、本発明によると、半導体薄
膜を用いて素子自体に電流制御機能を搭載することによ
り、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、電流変動を最小限に低減できるようにす
ること、さらには、ガラス基板等を使用可能とすること
で低コスト化及び大面積化をも容易にすることが出来る
電界放射型の冷電子放出素子とその製造方法を提供する
ことが出来た。
After all, according to the present invention, by mounting a current control function on the device itself using a semiconductor thin film, a local large current can be suppressed without increasing the operating voltage, and the current fluctuation can be reduced to a minimum. To provide a field emission type cold electron-emitting device and a method for manufacturing the same, which can facilitate cost reduction and large area by using a glass substrate or the like. Was completed.

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

【図1】本発明の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a cold electron emission device of the present invention.

【図2】本発明の別の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of another cold electron-emitting device according to the present invention.

【図3】本発明の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the cold electron emission device of the present invention.

【図4】本発明の別の冷電子放出素子の製造工程図であ
る。
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of another cold electron-emitting device of the present invention.

【図5】従来の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional cold electron-emitting device.

【図6】従来の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of a conventional cold electron emission element.

【図7】従来の別の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of another conventional cold electron emission element.

【図8】従来の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional cold electron emission element.

【図9】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図であ
る。
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron-emitting device.

【図10】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図であ
る。
FIG. 10 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron-emitting device.

【図11】本発明の冷電子放出素子の電気特性の一例の
模式図である。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of electrical characteristics of the cold electron emission element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ・・・絶縁性基板 2 ・・・半導体薄膜層 3 ・・・絶縁層 4 ・・・ゲート電極 5 ・・・エミッタ 6 ・・・導電層 7 ・・・リフトオフ材 8 ・・・エミッタ接続層 51・・・絶縁性基板 52・・・導電層 53・・・絶縁層 54・・・ゲート電極 55・・・エミッタ 61・・・絶縁性基板 62・・・導電層 63・・・絶縁層 64・・・ゲート電極 65・・・リフトオフ材 66・・・エミッタ 71・・・絶縁性基板 72・・・導電層 73・・・抵抗層 74・・・絶縁層 75・・・ゲート電極 76・・・エミッタ 81・・・シリコン基板 82・・・酸化シリコン層 83・・・エミッタ 84・・・酸化シリコン層 85・・・絶縁層 86・・・ゲート電極 91・・・p型シリコン基板 92・・・エミッタ 93・・・n型シリコン層 94・・・エミッタ配線層 95・・・絶縁層 96・・・ゲート電極 101・・p型シリコン基板 102・・酸化シリコン層 103・・エミッタ 104・・酸化シリコン層 105・・ゲート電極 106・・n型シリコン層 107・・金属薄膜 A ・・・エミッタ用孔 B ・・・エミッタ配線用孔 E ・・・エミッタ特性 M ・・・MOSFET特性 ME・・・エミッション特性 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating substrate 2 ... Semiconductor thin film layer 3 ... Insulating layer 4 ... Gate electrode 5 ... Emitter 6 ... Conductive layer 7 ... Lift-off material 8 ... Emitter connection layer 51 ... insulating substrate 52 ... conductive layer 53 ... insulating layer 54 ... gate electrode 55 ... emitter 61 ... insulating substrate 62 ... conductive layer 63 ... insulating layer 64 ... Gate electrode 65 ... Lift-off material 66 ... Emitter 71 ... Insulating substrate 72 ... Conductive layer 73 ... Resistive layer 74 ... Insulating layer 75 ... Gate electrode 76 ... -Emitter 81 ... silicon substrate 82 ... silicon oxide layer 83 ... emitter 84 ... silicon oxide layer 85 ... insulating layer 86 ... gate electrode 91 ... p-type silicon substrate 92 ...・ Emitter 93 ・ ・ ・ n-type silicon Layer 94: Emitter wiring layer 95: Insulating layer 96: Gate electrode 101: p-type silicon substrate 102: Silicon oxide layer 103: Emitter 104: Silicon oxide layer 105: Gate electrode 106 · N-type silicon layer 107 · · · metal thin film A · · · emitter hole B · · · emitter wiring hole E · · · emitter characteristics M · · · MOSFET characteristics ME · emission characteristics

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】絶縁性基板上に導電層、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導電
性基板に達する開口部が設けられ、その開口部内の該導
電性基板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、 絶縁性基板上に半導体薄膜層が設けられ、該半導体薄膜
層上の同一平面上に、エミッタと導電層が電気的に該半
導体薄膜を介して形成されていることを特徴とする冷電
子放出素子。
A conductive layer, an insulating layer, and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, and an opening reaching the conductive substrate is provided between the gate electrode and the insulating layer. In a field emission type cold electron emitting element in which an emitter is formed on a substrate so as not to contact the gate electrode, a semiconductor thin film layer is provided on an insulating substrate, and on the same plane on the semiconductor thin film layer, A cold electron-emitting device, wherein an emitter and a conductive layer are electrically formed through the semiconductor thin film.
【請求項2】エミッタと半導体薄膜層の間に金属薄膜か
らなるエミッタ接続層が介在することを特徴とする請求
項1に記載の冷電子放出素子。
2. The cold electron emission device according to claim 1, wherein an emitter connection layer made of a metal thin film is interposed between the emitter and the semiconductor thin film layer.
【請求項3】導電層上に絶縁層及びゲート電極が積層さ
れてい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 cold electron-emitting device according to claim 1, wherein an insulating layer and a gate electrode are laminated on the conductive layer.
【請求項4】半導体薄膜層が非単結晶シリコンであるこ
とを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の冷電
子放出素子。
4. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor thin film layer is made of non-single-crystal silicon.
【請求項5】エミッタ材料が金属または非単結晶シリコ
ンであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに
記載の冷電子放出素子。
5. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the emitter material is metal or non-single-crystal silicon.
【請求項6】エミッタの形状が円錐形、多角錐形、円錐
台形、又は多角錐台形のいずれかであることを特徴とす
る請求項1乃至5のいずれかに記載の冷電子放出素子。
6. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the shape of the emitter is any one of a cone, a polygonal pyramid, a truncated cone, and a truncated pyramid.
【請求項7】絶縁性基板としてガラス基板が用いられて
いることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載
の冷電子放出素子。
7. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein a glass substrate is used as the insulating substrate.
【請求項8】請求項1乃至7のいずれかに記載の冷電子
放出素子を製造する製造方法において、 (a)絶縁性基板上に半導体薄膜材料層、絶縁材料層、
ゲート電極材料層を順次成膜する工程; (b)ゲート形成用の開口をもつ孔のパターンをフォト
リソグラフィー法により形成し、ゲート電極材料層及び
絶縁材料層を半導体薄膜層が露出するまで反応性イオン
エッチングによりエッチングし、エミッタ用孔及び導電
層用孔、並びにゲート電極と絶縁層とを形成する工程; (c)ゲート電極の上面側及び側面側にリフトオフ材料
を斜方蒸着法により蒸着することでリフトオフ層を形成
し、前記絶縁性基板に対してほぼ垂直方向に異方性をも
つ異方性蒸着法によりエミッタ用孔内にエミッタ材料を
成膜することで、エミッタ及び導電層を自己整合的に形
成する工程; (d)リフトオフ層を剥離しゲート電極上のエミッタ材
料を剥落させる工程;以上(a)〜(d)の工程を全て
具備することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。
8. A method for manufacturing a cold electron-emitting device according to claim 1, wherein: (a) a semiconductor thin film material layer, an insulating material layer,
A step of sequentially forming a gate electrode material layer; (b) forming a pattern of holes having openings for gate formation by a photolithography method, and reacting the gate electrode material layer and the insulating material layer until the semiconductor thin film layer is exposed; Etching by ion etching to form a hole for an emitter, a hole for a conductive layer, and a gate electrode and an insulating layer; (c) depositing a lift-off material on the upper and side surfaces of the gate electrode by oblique deposition. A self-aligned emitter and conductive layer are formed by forming a lift-off layer with an anisotropic vapor deposition method having anisotropy in a direction substantially perpendicular to the insulating substrate and forming an emitter material in the emitter hole. (D) peeling off the lift-off layer to peel off the emitter material on the gate electrode; characterized in that it comprises all of the above steps (a) to (d). Method of manufacturing a field emission device according to.
【請求項9】請求項1乃至7のいずれかに記載の冷電子
放出素子を製造する製造方法において: (e)絶縁性基板上に半導体薄膜材料層と金属薄膜層と
を成膜した後、該金属薄膜層をフォトリソグラフィー法
によりパターニングすることで導線層とエミッタ接続層
とを形成し、次いで、絶縁材料層とゲート電極材料層と
を順次成膜する工程; (f)ゲート形成用の開口をもつ孔のパターンをフォト
リソグラフィー法により形成し、ゲート電極材料層及び
絶縁材料層を半導体薄膜層が露出するまで反応性イオン
エッチングによりエッチングすることで、エミッタ用
孔、並びにゲート電極と絶縁層とを形成する工程; (g)ゲート電極の上面側及び側面側にリフトオフ材料
を斜方蒸着法により蒸着することでリフトオフ層を形成
し、前記絶縁性基板に対してほぼ垂直方向に異方性をも
つ異方性蒸着法によりエミッタ用孔内にエミッタ材料を
成膜することで、エミッタを自己整合的に形成する工
程; (h)リフトオフ層を剥離しゲート電極上のエミッタ材
料を剥落させる工程;以上(e)〜(h)の工程を全て
具備することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。
9. A method for manufacturing a cold electron emitting device according to claim 1, wherein: (e) forming a semiconductor thin film material layer and a metal thin film layer on an insulating substrate; Forming a conductive layer and an emitter connecting layer by patterning the metal thin film layer by photolithography, and then sequentially forming an insulating material layer and a gate electrode material layer; (f) an opening for forming a gate By forming a pattern of holes with a photolithography method, and etching the gate electrode material layer and the insulating material layer by reactive ion etching until the semiconductor thin film layer is exposed, the emitter hole, and the gate electrode and the insulating layer (G) forming a lift-off layer on the upper and side surfaces of the gate electrode by oblique vapor deposition to form a lift-off layer; A step of forming an emitter in a self-aligned manner by forming an emitter material in an emitter hole by an anisotropic vapor deposition method having anisotropy in a direction substantially perpendicular to the plate; (h) removing the lift-off layer Removing the emitter material on the gate electrode; and a method for manufacturing a cold electron-emitting device, comprising all of the above steps (e) to (h).
【請求項10】前記の工程(a)又は工程(e)のいず
れかにおいて、半導体薄膜材料が水素化アモルファスシ
リコンからなり、該半導体薄膜材料をPECVD法によ
り成膜することを特徴とする請求項8又は9のいずれか
に記載の冷電子放出素子の製造方法。
10. The method according to claim 1, wherein in either the step (a) or the step (e), the semiconductor thin film material is made of hydrogenated amorphous silicon, and the semiconductor thin film material is formed by a PECVD method. 10. The method for manufacturing a cold electron-emitting device according to any one of 8 and 9.
【請求項11】前記の工程(a)又は工程(e)のいず
れかにおいて、半導体薄膜材料がポリシリコンからな
り、該半導体薄膜材料を熱CVD法またはPECVD法
のいずれかでアモルファスシリコンを成膜した後にアニ
ール処理を施すことでポリシリコンを生成することを特
徴とする請求項8又は9のいずれかに記載の冷電子放出
素子の製造方法。
11. In either the step (a) or the step (e), the semiconductor thin film material is made of polysilicon, and the semiconductor thin film material is formed into an amorphous silicon film by a thermal CVD method or a PECVD method. 10. The method according to claim 8, wherein polysilicon is generated by performing an annealing process after the annealing.
【請求項12】前記の工程(a)又は工程(e)のいず
れかにおいて、絶縁層材料が、アモルファスシリコンナ
イトライドからなり、シラン又はジシランのいずれかと
アンモニアから成る混合ガスを反応ガスとして用いたP
ECVD法により形成することを特徴とする請求項8乃
至11のいずれかに記載の冷電子放出素子の製造方法。
12. In either the step (a) or the step (e), the insulating layer material is composed of amorphous silicon nitride, and a mixed gas composed of either silane or disilane and ammonia is used as a reaction gas. P
The method of manufacturing a cold electron emitting device according to claim 8, wherein the cold electron emitting device is formed by an ECVD method.
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