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JP2001351506A - Field emission cold cathode device - Google Patents

Field emission cold cathode device

Info

Publication number
JP2001351506A
JP2001351506A JP2000174324A JP2000174324A JP2001351506A JP 2001351506 A JP2001351506 A JP 2001351506A JP 2000174324 A JP2000174324 A JP 2000174324A JP 2000174324 A JP2000174324 A JP 2000174324A JP 2001351506 A JP2001351506 A JP 2001351506A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cold cathode
field emission
metal
electron
thin film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000174324A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kikuo Kobayashi
規矩男 小林
Shiro Sato
史郎 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Broadcasting Corp
Original Assignee
Nippon Hoso Kyokai NHK
Japan Broadcasting Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Hoso Kyokai NHK, Japan Broadcasting Corp filed Critical Nippon Hoso Kyokai NHK
Priority to JP2000174324A priority Critical patent/JP2001351506A/en
Publication of JP2001351506A publication Critical patent/JP2001351506A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平面表示素子、撮像素子に用いる電子放出の
高効率化、高安定化を図った電界放出冷陰極装置を提供
する。 【解決手段】 電界放出素子を構成する冷陰極材料に金
属/絶縁体薄膜ヘテロ構造を用いるにあたり、絶縁体層
としてダイヤモンド、AlN、c−BNのいずれか一種
を用い、金属層としてCu、Sn−Pb,Al、Ag、
Au、Wのいずれか一種を用いる。これにより、電子放
出の高効率化、高安定化が実現でき、この電界放出冷陰
極素子を平面状に多数並べ、マトリックス電極構造を構
成することにより大画面平面表示素子が実現でき、また
撮像素子に応用すれば低消費電力で高解像度の撮像素子
が実現できる。
(57) [Problem] To provide a field emission cold-cathode device with high electron emission efficiency and high stability used for a flat display device and an imaging device. SOLUTION: In using a metal / insulator thin film heterostructure as a cold cathode material constituting a field emission device, any one of diamond, AlN, and c-BN is used as an insulator layer, and Cu, Sn- is used as a metal layer. Pb, Al, Ag,
One of Au and W is used. As a result, high efficiency and high stability of electron emission can be realized. By arranging a large number of the field emission cold cathode devices in a plane and forming a matrix electrode structure, a large screen flat display device can be realized. In this case, a high-resolution image sensor with low power consumption can be realized.

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、電界放出冷陰極ア
レイを用いた平面表示素子や撮像素子に用いる電界放出
冷陰極装置に関し、特に電子放出の高効率化、安定化を
図った電界放出冷陰極装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission cold-cathode device used for a flat display device or an image pickup device using a field emission cold-cathode array, and more particularly, to a field emission cold-cathode device with high efficiency and stable electron emission. It relates to a cathode device.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、液晶ディスプレイやプラズマディ
スプレイなどの各種フラットパネルディスプレイ(平面
パネル型表示装置)は、各々その特徴を生かして、マル
チメディア時代の主要ディバイスとしての地位を築こう
としている。その中で、電界放出冷陰極アレイ(FE
A:Field Emission Array)を用いた平面表示素子(F
ED:Field Emission Display)は、その原理がCRT
(ブラウン管)と同じで、蛍光体の電子線励起発光であ
る点から、CRTと同様の輝度、階調、視野角、高精細
度などの点で優れた表示特性を持ち、しかも平面型とい
うことで、従来からフラットパネルディスプレイとして
期待されている。
2. Description of the Related Art At present, various flat panel displays (flat panel type display devices) such as a liquid crystal display and a plasma display are trying to establish a position as a main device in the multimedia age by making use of their characteristics. Among them, a field emission cold cathode array (FE)
A: A flat display element (F) using a field emission array
ED (Field Emission Display) is based on the principle of CRT
It has the same display characteristics as a CRT in terms of brightness, gradation, viewing angle, high definition, etc., as well as (CRT), because it emits phosphors by electron beam excitation. Therefore, it has been expected as a flat panel display.

【0003】FED(電界放出冷陰極装置)を実用化す
るためには、高性能な電子源、蛍光体、基板間隔0.1
mm〜数mmの狭い空間内での高真空気密空間の実現な
ど課題が数多く存在している。そこで、FEDの特性を
根本的に改善できる可能性のある新電子源の研究が各種
の研究機関などから報告されている。例えば、負の電子
親和力(NEA:Negative Electron Affinity)の効果
を期待したダイヤモンド薄膜による電界放出素子、MI
M(Metal-Insulator-Metal)カソード、表面電導素子
(SCE:Surface Conduction Electron Emitter)、
カーボンナノチューブ(CNT:Carbon Nano Tube)を
用いた電子源などがある。しかし、このような新しく提
案された電子源でも実用化に十分な特性を持つものは実
現されていない。
In order to commercialize an FED (Field Emission Cold Cathode Device), a high-performance electron source, a phosphor, and a substrate spacing of 0.1 are required.
There are many problems such as realization of a high vacuum hermetic space in a narrow space of mm to several mm. Therefore, various research institutions and the like have reported research on new electron sources that may fundamentally improve the characteristics of FEDs. For example, a field emission device using a diamond thin film, which is expected to have an effect of negative electron affinity (NEA: Negative Electron Affinity), MI
M (Metal-Insulator-Metal) cathode, Surface Conduction Electron Emitter (SCE),
There are electron sources using carbon nanotubes (CNT: Carbon Nano Tube). However, none of these newly proposed electron sources have characteristics sufficient for practical use.

【0004】図1は金属および半導体表面近傍の電子エ
ネルギー分布の模式図であり、(a)は金属、(b)は
正の電子親和力をもつ半導体、(c)は負の電子親和力
をもつ半導体(NEA半導体)の特性を示す。ここで、
Evacは真空準位、EFはフェルミエネルギー、Ecは伝導帯
下端、Evは価電子帯上端である。図1の(a),(b)
に示すように、通常の金属冷陰極や、正の電子親和力を
持つ半導体では、電界の助けを借りて表面障壁をトンネ
ルすることにより電子が放出されるが、図1の(c)に
示すように、NEA半導体では伝導帯下端Ecが真空準位
Evacよりも上にあるので、伝導電子は真空側に放出され
やすい。
FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams of electron energy distribution in the vicinity of metal and semiconductor surfaces. FIG. 1A shows a metal, FIG. 1B shows a semiconductor with a positive electron affinity, and FIG. 1C shows a semiconductor with a negative electron affinity. (NEA semiconductor). here,
E vac vacuum level, E F is the Fermi energy, E c is the conduction band minimum, E v is the valence band upper end. (A), (b) of FIG.
As shown in FIG. 1, in a normal metal cold cathode or a semiconductor having a positive electron affinity, electrons are emitted by tunneling through a surface barrier with the help of an electric field. However, as shown in FIG. In addition, in the NEA semiconductor, the conduction band lower end E c is a vacuum level.
Since it is above Evac , conduction electrons are likely to be emitted to the vacuum side.

【0005】NEA特性を持つダイヤモンドを用いた従
来の薄膜型冷陰極素子の構造例を図2に示す。同図にお
いて、21はシリコン基板、22はその基板上に形成し
たp型ダイヤモンド、23はそのダイヤモンドの表側開
放面に形成した水素終端によるNEA表面、24はシリコ
ン基板21に形成したAl電極、25はダイヤモンドの
裏側に形成したAl電極、および26はAl電極24、
25間を接続して電子注入を行う電源である。薄膜冷陰
極素子は、冷陰極としての電子放出特性は、NEA特性
に基づいた表面23からの放出だけでなく、Al電極25
を介しての裏面からの電子注入効率にも大きく左右され
るので、電子濃度の大きいダイヤモンド、つまり良質の
n型を示すダイヤモンドを作製することが鍵となるが、
現状では成功していない。
FIG. 2 shows an example of the structure of a conventional thin film type cold cathode device using diamond having NEA characteristics. In the figure, 21 is a silicon substrate, 22 is a p-type diamond formed on the substrate, 23 is a NEA surface formed by hydrogen termination formed on the open surface of the diamond, 24 is an Al electrode formed on the silicon substrate 21, 25 Is an Al electrode formed on the back side of the diamond, and 26 is an Al electrode 24,
This is a power supply that connects between 25 and performs electron injection. The thin-film cold-cathode device has electron emission characteristics as a cold cathode which are not only emitted from the surface 23 based on the NEA characteristics, but also the Al electrode 25.
Is highly influenced by the efficiency of electron injection from the back surface through the substrate. Therefore, the key is to produce diamond having a high electron concentration, that is, a diamond exhibiting good quality n-type.
At present it is not successful.

【0006】図3にNEA特性を示す半導体材料の例を
示す。ここでは、NEA特性を示す半導体材料として、
ダイヤモンド、AlN(窒化アルミニウム)、およびc
−BN(立方晶形−窒化ホウ素)を例示している。な
お、黒丸は正の電子親和力を示し、白丸は負性親和力
(但し、大きさは不明)を示す。
FIG. 3 shows an example of a semiconductor material exhibiting NEA characteristics. Here, as a semiconductor material exhibiting NEA characteristics,
Diamond, AlN (aluminum nitride), and c
-BN (cubic-form boron nitride). Note that a black circle indicates a positive electron affinity, and a white circle indicates a negative affinity (however, the size is unknown).

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】図2を用いた上記議論
から分かるように、伝導電子が真空側に放出されやすい
NEA特性を保持したままで、裏面からの電子注入効率
も充分大きく、しかも安定に放出電子が得られる半導体
材料構造を新たに発明することが今後の大きな課題と考
えられる。
As can be seen from the above discussion with reference to FIG. 2, while maintaining the NEA characteristic in which conduction electrons are easily emitted to the vacuum side, the electron injection efficiency from the back surface is sufficiently large and stable. It is considered to be a major task in the future to invent a new semiconductor material structure capable of obtaining emitted electrons.

【0008】このためには、図3に示したNEA特性を
示すダイヤモンド、AlN,c−BNなどの半導体材料
に、n型の不純物をドープして、電子の供給量を増大さ
せる手法が考えられる。しかし、一般にこれらの半導体
はバンドギャップが大きく、浅いn型不純物エネルギー
準位を持つドーピング法は困難である。一般的にこれら
の半導体はp型か絶縁体となる。
For this purpose, it is conceivable to increase the amount of supplied electrons by doping a semiconductor material such as diamond, AlN, c-BN or the like having the NEA characteristics shown in FIG. 3 with an n-type impurity. . However, these semiconductors generally have a large band gap, and it is difficult to dope with a shallow n-type impurity energy level. Generally, these semiconductors are p-type or insulator.

【0009】ダイヤモンド等の半導体の裏面から電子を
供給する手法として、AlN/n−SiC,Al0.9
0.1N/n−GaN/n−SiCの薄膜型の冷陰極も
試作されているが、NEA特性を活用した性能は得られ
ていない。
As a method of supplying electrons from the back surface of a semiconductor such as diamond, AlN / n-SiC, Al 0.9 G
a 0.1 N / n-GaN / n-SiC thin-film cold cathodes have also been trial manufactured, but no performance utilizing the NEA characteristics has been obtained.

【0010】現在、最も開発の進んでいる電子源は図4
に示すような円錐形の電子放出部41を持つ、いわゆる
スピント(Spindt)型のFEAである。電子放出
部41としてMo(モリブデン)を用いている。また、
42はSi(シリコン)基板、43はSi基板上に電子
放出部41を囲むように形成したTh−SiO2(トリ
ューム−二酸化シリコン)、44は電子放出部41の上
方を開口してTh−SiO242上に設けたNb(ニオ
ブ)である。
At present, the most developed electron source is shown in FIG.
This is a so-called Spindt-type FEA having a conical electron emitting portion 41 as shown in FIG. Mo (molybdenum) is used for the electron emission portion 41. Also,
Reference numeral 42 denotes a Si (silicon) substrate, 43 denotes Th-SiO 2 (trough-silicon dioxide) formed on the Si substrate so as to surround the electron emission portion 41, and 44 denotes an opening above the electron emission portion 41 and Th-SiO 2. is Nb provided on 2 42 (niobium).

【0011】しかし、図4に示すようなスピント型FE
Aの問題点として、(1)駆動電圧の低減、(2)電子
放出の高効率化、(3)電子放出特性の均一化、(4)
電子放出の安定化を解決する必要がある。さらに、スピ
ント型FEAでは、大面積で多量の冷陰極チップを均一
性よく作製するのは困難ではないかと指摘されている。
However, a Spindt-type FE as shown in FIG.
Problems A include (1) reduction in driving voltage, (2) higher efficiency of electron emission, (3) uniform electron emission characteristics, and (4).
Stabilization of electron emission needs to be solved. Further, it has been pointed out that it is difficult to produce a large number of cold cathode chips in a large area with good uniformity in the Spindt-type FEA.

【0012】一方、薄膜型冷陰極は大面積化が比較的容
易で、将来の大型ディスプレイ用電子源として有望視さ
れている。
On the other hand, thin-film cold cathodes are relatively easy to increase in area, and are regarded as promising as electron sources for future large displays.

【0013】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は大面積化が比較的容易な薄膜型冷陰極を
用いて電子放出の高効率化、高安定化を図った電界放出
冷陰極装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to use a thin-film cold cathode whose area can be relatively easily increased to achieve an electric field with high efficiency and high electron emission. An emission cold cathode device is provided.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は、電界放出冷陰極素子の電子放出
層としてNEA特性を保持したままで、裏面からの電子
注入効率が大きく、しかも安定に放出電子が得られる半
導体材料構造として、冷陰極材料に金属/絶縁体極薄膜
ヘテロ構造を用いた電界放出冷陰極装置を特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 provides a high electron injection efficiency from the back surface while maintaining NEA characteristics as an electron emission layer of a field emission cold cathode device. In addition, as a semiconductor material structure capable of stably obtaining emitted electrons, a field emission cold cathode device using a metal / insulator ultra-thin heterostructure as a cold cathode material is characterized.

【0015】金属/絶縁体極薄膜ヘテロ構造をトランジ
スタなどの電子ディバイスに適用した例はすでに報告さ
れている(文献1:Y. Nakata, M. Asada and Y. Suema
tsu;IEEE Quantum Electron. QE-22, pp. 1880 (198
6))、(文献2:渡辺正裕、末益崇、浅田雅洋;応用物
理第63巻 第2号 pp.124 (1994))。しかし、これ
ら報告例では、絶縁層にCaF2を使用している。その
ため、図5に示すように、電子親和力が3eV程度あ
り、NEA特性を活用することができない。
An example in which a metal / insulator ultra-thin heterostructure is applied to an electronic device such as a transistor has already been reported (Reference 1: Y. Nakata, M. Asada and Y. Suema).
tsu; IEEE Quantum Electron. QE-22, pp. 1880 (198
6)), (Reference 2: Masahiro Watanabe, Takashi Suemasu, Masahiro Asada; Applied Physics Vol. 63, No. 2, pp. 124 (1994)). However, in these reports, CaF 2 is used for the insulating layer. Therefore, as shown in FIG. 5, the electron affinity is about 3 eV, and the NEA characteristics cannot be utilized.

【0016】これに対し、請求項2の発明では、図3に
示すように、絶縁層の伝導帯下端が真空準位にほぼ等し
いダイヤモンド、AlN,c−BN(立方晶形−チッ化
ホウ素)のいずれか一種を絶縁層として用い、金属層と
しては、上記絶縁層に格子定数ができるだけ近いCu,
Sn−Pb,Al,Ag,Au,Wのいずれか一種を使
用することを特徴とする。このような金属/絶縁体極薄
膜ヘテロ構造では、いわゆる電子の量子閉じ込め効果が
生ずる。
On the other hand, according to the invention of claim 2, as shown in FIG. 3, the lower end of the conduction band of the insulating layer is substantially equal to the vacuum level of diamond, AlN, c-BN (cubic crystal-boron nitride). One of them is used as an insulating layer, and the metal layer is made of Cu,
It is characterized in that one of Sn-Pb, Al, Ag, Au and W is used. In such a metal / insulator ultra-thin film heterostructure, a so-called electron quantum confinement effect occurs.

【0017】また、請求項3の発明は、電界放出冷陰極
素子を構成する冷陰極材料に金属/絶縁体極薄膜ヘテロ
構造を用いる際に、超格子構造を作製するために、後述
の図8、図9に示すように、冷陰極材料として、MOC
VD(有機金属気相成長)法またはMOMBE(有機金
属分子線エピタキシー)法によりSi基板81上に作製
した超格子構造84を持つ冷陰極材料を用いることを特
徴とする。
The third aspect of the present invention is to provide a superlattice structure when a metal / insulator ultra-thin film heterostructure is used as a cold cathode material constituting a field emission cold cathode device, as shown in FIG. As shown in FIG. 9, MOC is used as a cold cathode material.
It is characterized by using a cold cathode material having a superlattice structure 84 formed on a Si substrate 81 by a VD (metal organic metal vapor phase epitaxy) method or a MOMBE (organic metal molecular beam epitaxy) method.

【0018】図6は本発明の実施時の金属/絶縁体極薄
膜ヘテロ構造の電子エネルギー分布図である。同図に示
すような金属/絶縁体極薄膜ヘテロ構造で計算すると、
同図に示すように第1量子ミニバンド61と第2量子ミ
ニバンド62が生ずる。図6に示す金属/絶縁体極薄膜
ヘテロ構造を加工して、図8に示すような素子構造を作
り、電界を印加する。すると、図7に示すようなバンド
構造となる。
FIG. 6 is an electron energy distribution diagram of a metal / insulator ultra-thin film heterostructure when the present invention is carried out. Calculating with a metal / insulator ultra-thin heterostructure as shown in the figure,
As shown in the figure, a first quantum mini-band 61 and a second quantum mini-band 62 are generated. By processing the metal / insulator ultra-thin film heterostructure shown in FIG. 6, an element structure as shown in FIG. 8 is formed, and an electric field is applied. Then, a band structure as shown in FIG. 7 is obtained.

【0019】この図7から明らかなように、本発明によ
れば、伝導電子が真空側に放出されやすいNEA特性を
保持したままで、裏面からの電子注入効率も十分大きい
電界放出冷陰極素子が得られることが分かる。しかも、
電子が一定の量子準位のエネルギーを持つことになり、
安定な放出電子が得られる。
As apparent from FIG. 7, according to the present invention, a field emission cold cathode device having a sufficiently high electron injection efficiency from the back surface while maintaining the NEA characteristic in which conduction electrons are easily emitted to the vacuum side is maintained. It can be seen that it can be obtained. Moreover,
The electron has a certain quantum level of energy,
Stable emitted electrons can be obtained.

【0020】図8の電界放出冷陰極素子構造は3端子素
子で、後述するように素子作製プロセスがやや複雑にな
る。ここで、81はSi基板、82金属銅単結晶薄膜
(Cu)、83は絶縁体層、84は超格子であり、また
85、86は電子注入のための電源である。
The field emission cold-cathode device structure shown in FIG. 8 is a three-terminal device, and the device manufacturing process becomes somewhat complicated as described later. Here, 81 is a Si substrate, 82 is a metal copper single crystal thin film (Cu), 83 is an insulator layer, 84 is a superlattice, and 85 and 86 are power supplies for electron injection.

【0021】それに対し、図9に示す素子構造は2端子
素子であるので、プロセスが簡単になる。図9に示す構
造に電界を印加した時のバンド構造を図10に示す。こ
の場合も、伝導電子が真空側に放出されやすいNEA特
性を保持したままで、裏面の超格子構造を形成している
金属層から多量の電子供給が見込まれるため、電子注入
効率も十分大きいことが分かる。
On the other hand, since the element structure shown in FIG. 9 is a two-terminal element, the process is simplified. FIG. 10 shows a band structure when an electric field is applied to the structure shown in FIG. Also in this case, it is expected that a large amount of electrons will be supplied from the metal layer forming the superlattice structure on the back surface while maintaining the NEA characteristic in which conduction electrons are easily emitted to the vacuum side, so that the electron injection efficiency is sufficiently large. I understand.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0023】(第1の実施形態)図8は本発明の第1の
実施形態における金属/絶縁体極薄膜構造を用いた電界
放出冷陰極素子(3端子素子)を示し、(a)は平面
図、(b)は断面図である。
(First Embodiment) FIG. 8 shows a field emission cold cathode device (three-terminal device) using a metal / insulator ultra-thin film structure according to a first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 2B is a sectional view.

【0024】本発明を実現するためには、図8に示すよ
うな冷陰極素子構造を形成する必要がある。そのために
は、図8に示す超格子構造を作製することが最も重要と
なる。以下に、この超格子構造の作製方法を詳述する。
In order to realize the present invention, it is necessary to form a cold cathode device structure as shown in FIG. For that purpose, it is most important to produce the superlattice structure shown in FIG. Hereinafter, a method of manufacturing the superlattice structure will be described in detail.

【0025】まず、通常の有機金属気相成長(MOCV
D)法により、Si(111)(格子定数a=5.43
1Å)基板81を約600〜700℃に保ち、Cuを含
んだ有機金属ガス原料のメチル銅(CuCH3)ガスを
10-7Torr以上の高真空チャンバー(図示しない)
内のSi基板81上にガスボンベからノズル(図示しな
い)を通して導入する。Si基板81上でメチル銅は熱
分解し、金属銅(格子定数a=3.615Å)単結晶薄
膜82が成長する。この時の金属銅単結晶薄膜82の膜
厚は1000Åとする。
First, ordinary metal organic chemical vapor deposition (MOCV
By D) method, Si (111) (lattice constant a = 5.43)
1Å) The substrate 81 is maintained at about 600 to 700 ° C., and a methyl copper (CuCH 3 ) gas containing an organometallic gas containing Cu is supplied with a high vacuum chamber of 10 −7 Torr or more (not shown).
The gas is introduced through a nozzle (not shown) from a gas cylinder onto the Si substrate 81 in the inside. Methyl copper is thermally decomposed on the Si substrate 81, and a metallic copper (lattice constant a = 3.615 °) single crystal thin film 82 grows. At this time, the thickness of the metal copper single crystal thin film 82 is 1000 °.

【0026】次に、化学気相成長(CVD)法でメタン
(CH3),二酸化炭素(CO2)ガス原料を上記真空チ
ャンバー内にノズルを通して導入し、上記銅単結晶膜8
2上に吹き付ける。この時、基板温度を約600〜70
0℃に保持しておく。すると、銅膜82上で上記ガスは
分解し、ダイヤモンド(格子定数a=3.567Å)薄
膜83が得られる。この時のダイヤモンド薄膜83の膜
厚は10Åとする。
Next, methane (CH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ) gas raw materials are introduced into the vacuum chamber through a nozzle by a chemical vapor deposition (CVD) method, and the copper single crystal film 8 is formed.
Spray on 2. At this time, the substrate temperature is set to about 600 to 70
Keep at 0 ° C. Then, the gas is decomposed on the copper film 82, and a diamond (lattice constant a = 3.567 °) thin film 83 is obtained. At this time, the thickness of the diamond thin film 83 is set to 10 °.

【0027】さらに、メチル銅ガスを導入して、上で述
べた方法で銅薄膜82を10Åの厚さで成長させる。こ
の工程を10回くり返し、10層の超格子構造84を作
製する。最上層は電極を取るため100Åの銅層82で
終端する。
Further, a copper thin film 82 is grown to a thickness of 10 ° by the above-described method by introducing a methyl copper gas. This process is repeated ten times to produce a superlattice structure 84 having ten layers. The top layer terminates in a 100 ° copper layer 82 to take the electrodes.

【0028】次に、図8の銅膜82上にAlNを成長さ
せる場合について述べる。銅単結晶薄膜の作製方法は上
述した通りである。AlNはCVD法により作製する。
トリメチルAl[Al(CH33],アンモニア(NH
3)ガス原料を真空チャンバー内にノズルを介して導入
し、約600〜700℃に加熱した銅単結晶薄膜上に吹
き付ける。高温の基板上でガスを熱分解させ、AlN化
合物結晶膜を10Åの膜厚で成長させる。その後の10
層の工程はダイヤモンド薄膜の場合と同様である。
Next, a case where AlN is grown on the copper film 82 of FIG. 8 will be described. The method for producing the copper single crystal thin film is as described above. AlN is produced by a CVD method.
Trimethyl Al [Al (CH 3 ) 3 ], ammonia (NH
3 ) A gas raw material is introduced into a vacuum chamber through a nozzle, and is sprayed on a copper single crystal thin film heated to about 600 to 700 ° C. The gas is thermally decomposed on the high-temperature substrate to grow an AlN compound crystal film to a thickness of 10 °. Then 10
The layer process is the same as for the diamond thin film.

【0029】また、c−BN(立方晶形−チッ化ホウ
素)膜作製の場合は、ホウ素(B)ガス原料とアンモニ
ア(NH3)ガス原料を用いて、高温に保った(約60
0〜700℃)基板上81にガスを吹き付けて熱分解と
化学反応作用によりc−BN単結晶成長膜を作製する。
その後の工程は上述した通り、10層の超格子膜84を
作製する。
In the case of producing a c-BN (cubic-type boron nitride) film, the temperature is kept high (about 60) using a boron (B) gas raw material and an ammonia (NH 3 ) gas raw material.
(0-700 ° C.) A gas is blown onto the substrate 81 to produce a c-BN single crystal growth film by thermal decomposition and chemical reaction.
In the subsequent steps, as described above, ten superlattice films 84 are formed.

【0030】金属層の作製法は銅の場合について述べた
が、Sn−Pb,Al,Ag,Au,W層も上述したよ
うな有機金属ガス原料を使用して真空チャンバー内に設
置した高温Si基板上に単結晶薄膜を作製することがで
きる。
Although the method of forming the metal layer has been described for the case of copper, the Sn—Pb, Al, Ag, Au, and W layers are also formed by using the above-mentioned organometallic gas source and using a high-temperature Si placed in a vacuum chamber. A single crystal thin film can be formed over a substrate.

【0031】以上のようにして作製された金属/絶縁体
極薄膜ヘテロ構造の電子エネルギー分布図は図6に示す
ようになる。この図6から分かるように、絶縁体層83
はNEA特性を持つものを使用しているため、伝導帯の
下端が真空準位と等しいと考えられる。金属層82の電
子のフェルミ準位(大部分の電子が存在している最大の
電子エネルギー準位)は通常の金属で約4eVくらいで
ある。量子力学の理論から金属層82が約数百Å以下の
厚さで両側を禁制帯で囲まれたいわゆる量子井戸構造に
なれば、フェルミ準位以上のエネルギーを持つ電子は飛
び飛びのエネルギー値を持つことになる。この大きさを
量子井戸幅10Åで電子の実効質量m*=0.1m0(m
0は自由電子の質量)として計算すると、第1量子準位
は1.04eVとなる。また、障壁層となる絶縁層83
の厚さが数十Å以下になると、電子のトンネリング効果
が生ずる。
FIG. 6 shows an electron energy distribution diagram of the metal / insulator ultra-thin film heterostructure manufactured as described above. As can be seen from FIG. 6, the insulator layer 83
Since the material having NEA characteristics is used, it is considered that the lower end of the conduction band is equal to the vacuum level. The Fermi level of the electrons in the metal layer 82 (the maximum electron energy level where most of the electrons are present) is about 4 eV for a normal metal. According to the theory of quantum mechanics, if the metal layer 82 has a so-called quantum well structure with a thickness of about several hundreds of square meters or less and both sides surrounded by a forbidden band, electrons having energy higher than the Fermi level have discrete energy values. Will be. This size is defined as the effective mass of electrons m * = 0.1 m 0 (m
When calculated as 0 (mass of free electrons), the first quantum level is 1.04 eV. The insulating layer 83 serving as a barrier layer
When the thickness is less than several tens of millimeters, an electron tunneling effect occurs.

【0032】以上の結果をまとめると、図6に示すよう
な第1、第2ミニバンド61、62が発生する。このミ
ニバンド61、62を通って電子は運動するようにな
る。
Summarizing the above results, first and second minibands 61 and 62 are generated as shown in FIG. The electrons move through the mini-bands 61 and 62.

【0033】このような電子エネルギー分布を持つ超格
子薄膜84に図8に示すような電界85、86を印加す
れば、図7に示すような電子エネルギー分布図になる。
この図7から明らかなように、多量の電子64が裏面の
金属層82′から第1、2ミニバンド準位61、62に
供給される。さらに、電子64が真空中に放出される際
に、電子エネルギーは真空準位より高くなっており、負
の電子親和力(NEA)の効果が実現されている。
When electric fields 85 and 86 as shown in FIG. 8 are applied to the superlattice thin film 84 having such an electron energy distribution, an electron energy distribution diagram as shown in FIG. 7 is obtained.
As is apparent from FIG. 7, a large amount of electrons 64 are supplied to the first and second miniband levels 61 and 62 from the metal layer 82 'on the back surface. Further, when the electrons 64 are emitted into a vacuum, the electron energy is higher than the vacuum level, and the effect of the negative electron affinity (NEA) is realized.

【0034】このように、電子64は裏面から十分供給
され、しかもNEA特性を持っているということは、本
発明による電界放出冷陰極装置が高効率の電子放出特性
を持っていることを意味する。さらに、第1、2ミニバ
ンド61、62のエネルギーだけを電子は持つことにな
り、この装置の電子放出特性の安定化が図られることを
意味する。
As described above, the fact that the electrons 64 are sufficiently supplied from the back surface and have NEA characteristics means that the field emission cold cathode device according to the present invention has highly efficient electron emission characteristics. . Furthermore, electrons have only the energy of the first and second minibands 61 and 62, which means that the electron emission characteristics of the device can be stabilized.

【0035】次に、上述のようにして作製した超格子薄
膜を図8のような素子構造に加工する方法について説明
する。
Next, a method of processing the superlattice thin film manufactured as described above into an element structure as shown in FIG. 8 will be described.

【0036】上述したようなSi基板81上の10層の
超格子薄膜82をホトマスクを用いて方形状に、硫酸、
硝酸系エッチング液で図8に示すようにSi基板81に
到達するまでエッチングする。次に、最下層の金属層8
2と電極のリード線87を接続する。その後、ホトマス
クを用いてスパッタリング法によりSiO2絶縁膜を1
010Åの厚さに積層する。さらに、同じホトマスクを
用いて80Åの金属層82′を方形の周辺部に蒸着す
る。最後に、図8に示すように2本の電極用リード線8
8、89を接続して電界放出冷陰極素子(3端子素子)
を完成させる。
Using a photomask, a 10-layer superlattice thin film 82 on a Si substrate 81 is formed into a square shape using sulfuric acid,
Etching is performed with a nitric acid-based etchant until the silicon substrate 81 is reached, as shown in FIG. Next, the lowermost metal layer 8
2 and the electrode lead wire 87 are connected. Thereafter, the SiO 2 insulating film is formed by sputtering using a photomask.
Laminate to a thickness of 010 °. Further, using the same photomask, an 80 ° metal layer 82 ′ is deposited on the periphery of the square. Finally, as shown in FIG.
8 and 89 connected, field emission cold cathode device (3 terminal device)
To complete.

【0037】(第2の実施形態)図9は本発明の第2の
実施形態における金属/絶縁体極薄膜構造を用いた電界
放出冷陰極素子(2端子素子)を示し、(a)は平面
図、(b)は断面図である。 図9に示す素子構造に電
界を印加すれば、超格子84を形成している金属層薄膜
82から多量の電子が供給される。この場合も、真空中
に放出される電子64はNEA効果を持っているのは、
図10の電子エネルギー分布図から明らかである。
(Second Embodiment) FIG. 9 shows a field emission cold cathode device (two-terminal device) using a metal / insulator ultra-thin film structure according to a second embodiment of the present invention. FIG. 2B is a sectional view. When an electric field is applied to the element structure shown in FIG. 9, a large amount of electrons are supplied from the metal layer thin film 82 forming the superlattice 84. Also in this case, the electrons 64 emitted into the vacuum have the NEA effect.
It is clear from the electron energy distribution diagram of FIG.

【0038】図9のような構造は、図8と比較して加工
プロセスが容易である。超格子薄膜84を方形状にエッ
チングした後、ホトマスクを使用して金属層82′を1
090Åの厚さに方形部の周辺に蒸着する。その後、2
本の電極用リード線91、92を接続すればよい。
The structure shown in FIG. 9 is easier to process than the structure shown in FIG. After the superlattice thin film 84 is etched in a square shape, the metal layer 82 'is
Deposit around the square to a thickness of 090 °. Then 2
The electrode lead wires 91 and 92 may be connected.

【0039】(他の実施形態)上述した本発明の実施形
態では、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いてS
i基板状に超格子構造を作製したが、本発明はこれに限
定されず、例えばMOMBE(有機金属分子線エピタキ
シー)法を用いてSi基板状に超格子構造を作製しても
よい。
(Other Embodiments) In the above-described embodiment of the present invention, the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method is used.
Although a superlattice structure is formed on an i-substrate, the present invention is not limited to this. For example, a superlattice structure may be formed on a Si substrate by using a MOMBE (organic metal molecular beam epitaxy) method.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電
界放出冷陰極素子を構成する冷陰極材料に金属/絶縁体
極薄膜ヘテロ構造を用いることで電子放出の高効率化、
高安定化を図ることができる。
As described above, according to the present invention, the efficiency of electron emission can be improved by using a metal / insulator ultra-thin film heterostructure as a cold cathode material constituting a field emission cold cathode device.
High stability can be achieved.

【0041】実際に、発明の実施の形態の項で述べた銅
/AlN超格子薄膜を作製して、図8の素子構造を作
り、真空容器に入れ、印加電圧を上下とも約10V程度
に印加し、陰極と陽極アノード間に約1kV電圧を印加
し、ゲート電圧対エミッション電流を測定したところ、
従来の素子に比べて1桁以上向上していることが分かっ
た。また、放出電流の時間変化も一定で高安定性を保持
していることも分かった。
Actually, the copper / AlN superlattice thin film described in the section of the embodiment of the present invention is prepared, the device structure shown in FIG. 8 is formed, and the device is put in a vacuum vessel. Then, a voltage of about 1 kV was applied between the cathode and the anode, and the gate voltage versus the emission current was measured.
It was found that it was improved by one digit or more compared to the conventional element. In addition, it was also found that the time variation of the emission current was constant and high stability was maintained.

【0042】本発明による電界放出冷陰極素子を平面状
に多数並べ、マトリックス電極構造を構成すれば、今ま
で実現困難であった大画面平面表示素子(FED)が実
現できる。また、撮像素子に応用すれば、低消費電力で
高解像度な撮像素子が実現できる。
If a large number of field emission cold cathode devices according to the present invention are arranged in a plane to form a matrix electrode structure, a large-screen flat display device (FED), which has been difficult to realize so far, can be realized. Further, if applied to an image sensor, an image sensor with low power consumption and high resolution can be realized.

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

【図1】金属および半導体表面近傍の電子エネルギー分
布の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an electron energy distribution near a metal and semiconductor surface.

【図2】NEAダイヤモンド薄膜を用いた従来の薄膜型
冷陰極素子の構造例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structural example of a conventional thin film cold cathode device using a NEA diamond thin film.

【図3】半導体の電子親和力とバンドギャップの関係を
示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between an electron affinity of a semiconductor and a band gap.

【図4】従来のスピント(Spindt)型電界放出素
子の構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a conventional Spindt-type field emission device.

【図5】従来技術によるCoSi2/CaF2ヘテロ接合
界面における伝導帯プロファイルを示す概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a conduction band profile at a CoSi 2 / CaF 2 heterojunction interface according to a conventional technique.

【図6】本発明の一実施形態における金属/絶縁体極薄
膜ヘテロ構造の電子エネルギー分布図である。
FIG. 6 is an electron energy distribution diagram of a metal / insulator ultra-thin film heterostructure according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施形態における金属/絶縁体極薄
膜ヘテロ構造(3端子素子)の電界を印加した時の電子
エネルギー分布図である。
FIG. 7 is an electron energy distribution diagram when an electric field is applied to a metal / insulator ultrathin film heterostructure (three-terminal device) according to an embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施における金属/絶縁体極薄膜ヘ
テロ構造を用いた電界放出冷陰極素子(3端子素子)の
構成を示す平面図(a)と断面図(b)である。
8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, showing a configuration of a field emission cold cathode device (three-terminal device) using a metal / insulator ultrathin film heterostructure according to an embodiment of the present invention.

【図9】本発明の他の実施形態における金属/絶縁体極
薄膜ヘテロ構造を用いた電界放出冷陰極素子(2端子素
子))の構成を示す平面図(a)と断面図(b)であ
る。
FIG. 9 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing a configuration of a field emission cold cathode device (two-terminal device) using a metal / insulator ultrathin heterostructure in another embodiment of the present invention. is there.

【図10】図9の金属/絶縁体極薄膜ヘテロ構造(2端
子素子)に電界を印加した時の電子エネルギー分布図で
ある。
FIG. 10 is an electron energy distribution diagram when an electric field is applied to the metal / insulator ultra-thin film heterostructure (two-terminal element) in FIG. 9;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

61 第1ミニバンド 62 第2ミニバンド 63 伝導帯下端 64 電子 81 Si基板 82 金属層 83 絶縁体層 84 超格子 85、86 電源 87、88、89 電極のリード線 91、92 電極のリード線 Reference Signs List 61 first mini band 62 second mini band 63 conduction band lower end 64 electron 81 Si substrate 82 metal layer 83 insulator layer 84 superlattice 85, 86 power supply 87, 88, 89 electrode lead wire 91, 92 electrode lead wire

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電界放出冷陰極素子を構成する冷陰極材
料に金属/絶縁体極薄膜ヘテロ構造を用いたことを特徴
とする電界放出冷陰極装置。
1. A field emission cold cathode device comprising a metal / insulator ultra-thin heterostructure as a cold cathode material constituting a field emission cold cathode device.
【請求項2】 前記絶縁体層としてダイヤモンド、Al
N、c−BNのいずれか一種を使用し、前記金属層とし
てCu,Sn−Pb,Al,Ag,Au,Wのいずれか
一種を使用したことを特徴とする請求項1に記載の電界
放出冷陰極装置。
2. The method according to claim 1, wherein the insulating layer is diamond or Al.
2. The field emission device according to claim 1, wherein one of N and c-BN is used, and one of Cu, Sn-Pb, Al, Ag, Au and W is used as the metal layer. Cold cathode device.
【請求項3】 MOCVD(有機金属気相成長)法また
はMOMBE(有機金属分子線エピタキシー)法により
Si基板上に作製した超格子構造を持つ冷陰極材料を用
いたことを特徴とする請求項2に記載の電界放出冷陰極
装置。
3. A cold cathode material having a superlattice structure formed on a Si substrate by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) or MOMBE (metal organic molecular beam epitaxy). 3. The field emission cold cathode device according to item 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005022578A1 (en) * 2003-08-29 2005-03-10 National Institute For Materials Science sp3 BONDING BORON NITRIDE THIN FILM HAVING SELF-FORMING SURFACE SHAPE BEING ADVANTAGEOUS IN EXHIBITING PROPERTY OF EMITTING ELECTRIC FIELD ELECTRONS, METHOD FOR PREPARATION THEREOF AND USE THEREOF
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