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JP3589172B2 - Field emission electron source - Google Patents

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JP3589172B2
JP3589172B2 JP2000315669A JP2000315669A JP3589172B2 JP 3589172 B2 JP3589172 B2 JP 3589172B2 JP 2000315669 A JP2000315669 A JP 2000315669A JP 2000315669 A JP2000315669 A JP 2000315669A JP 3589172 B2 JP3589172 B2 JP 3589172B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電界放射型電子源として、例えば米国特許3665241号などに開示されているいわゆるスピント(Spindt)型電極と呼ばれるものがある。このスピント型電極は、微小な三角錐状のエミッタチップを多数配置した基板と、エミッタチップの先端部を露出させる放射孔を有するとともにエミッタチップに対して絶縁された形で配置されたゲート層とを備え、真空中にてエミッタチップをゲート層に対して負極として高電圧を印加することにより、エミッタチップの先端から放射孔を通して電子線を放射するものである。
【0003】
しかしながら、スピント型電極は、製造プロセスが複雑であるとともに、多数の三角錐状のエミッタチップを精度良く構成することが難しく、例えば平面発光装置やディスプレイなどへ応用する場合に大面積化が難しいという問題があった。また、スピント型電極は、電界がエミッタチップの先端に集中するので、エミッタチップの先端の周りの真空度が低くて残留ガスが存在するような場合、放射された電子によって残留ガスがプラスイオンにイオン化され、プラスイオンがエミッタチップの先端に衝突するから、エミッタチップの先端がダメージ(例えば、イオン衝撃による損傷)を受け、放射される電子の電流密度や効率などが不安定になったり、エミッタチップの寿命が短くなってしまうという問題が生じる。したがって、スピント型電極では、この種の問題の発生を防ぐために、高真空(約10−5Pa〜約10−6Pa)で使用する必要があり、コストが高くなるとともに、取扱いが面倒になるという不具合があった。
【0004】
この種の不具合を改善するために、MIM(Metal Insulator Metal)方式やMOS(Metal Oxide Semiconductor)型の電界放射型電子源が提案されている。前者は金属−絶縁膜−金属、後者は金属−酸化膜−半導体の積層構造を有する平面型の電界放射型電子源である。しかしながら、このタイプの電界放射型電子源において電子の放射効率を高めるためには(多くの電子を放射させるためには)、上記絶縁膜や上記酸化膜の膜厚を薄くする必要があるが、上記絶縁膜や上記酸化膜の膜厚を薄くしすぎると、上記積層構造の上下の電極間に電圧を印加した時に絶縁破壊を起こす恐れがあり、このような絶縁破壊を防止するためには上記絶縁膜や上記酸化膜の膜厚の薄膜化に制約があるので、電子の放出効率(引き出し効率)をあまり高くできないという不具合があった。
【0005】
また、近年では、特開平8−250766号公報に開示されているように、シリコン基板などの単結晶の半導体基板を用い、その半導体基板の一表面を陽極酸化することにより多孔質半導体層(ポーラスシリコン層)を形成して、その多孔質半導体層上に金属薄膜を形成し、半導体基板と金属薄膜との間に電圧を印加して電子を放射させるように構成した電界放射型電子源(半導体冷電子放出素子)が提案されている。
【0006】
しかしながら、上述の特開平8−250766号公報に記載の電界放射型電子源では、基板が半導体基板に限られるので、大面積化やコストダウン化が難しいという不具合がある。また、特開平8−250766号公報に記載の電界放射型電子源では電子放出時にいわゆるポッピング現象が生じやすく、放出電子量にむらが起こりやすいので、平面発光装置やディスプレイなどに応用すると、発光むらができてしまうという不具合がある。
【0007】
そこで、本願発明者らは、特願平10−272340号、特願平10−272342号において、多孔質多結晶半導体層(例えば、多孔質化された多結晶シリコン層)を急速熱酸化(RTO)技術によって急速熱酸化することによって、導電性基板と金属薄膜(表面電極)との間に介在し導電性基板から注入された電子がドリフトする強電界ドリフト層を形成した電界放射型電子源を提案した。この電界放射型電子源10’は、例えば、図9に示すように、導電性基板たるn形シリコン基板1の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界ドリフト層6が形成され、強電界ドリフト層6上に金属薄膜よりなる表面電極7が形成され、n形シリコン基板1の裏面にオーミック電極2が形成されている。
【0008】
図9に示す構成の電界放射型電子源10’では、表面電極7を真空中に配置するとともに図10に示すように表面電極7に対向してコレクタ電極21を配置し、表面電極7をn形シリコン基板1(オーミック電極2)に対して正極として直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極21を表面電極7に対して正極として直流電圧Vcを印加することにより、n形シリコン基板1から注入された電子が強電界ドリフト層6をドリフトし表面電極7を通して放出される(なお、図10中の一点鎖線は表面電極7を通して放出された電子eの流れを示す)。したがって、表面電極7としては、仕事関数の小さな材料を用いることが望ましい。ここにおいて、表面電極7とオーミック電極2との間に流れる電流をダイオード電流Ipsと称し、コレクタ電極21と表面電極7との間に流れる電流を放出電子電流Ieと称し、ダイオード電流Ipsに対する放出電子電流Ieが大きい(Ie/Ipsが大きい)ほど電子放出効率が高くなる。なお、この電界放射型電子源10’では、表面電極7とオーミック電極2との間に印加する直流電圧Vpsを10〜20V程度の低電圧としても電子を放出させることができる。
【0009】
この電界放射型電子源10’では、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができる。ここにおいて、強電界ドリフト層6は、図11に示すように、少なくとも、n形シリコン基板1の主表面に略直交して列設された柱状の多結晶シリコン(グレイン)51と、多結晶シリコン51の表面に形成された薄いシリコン酸化膜52と、多結晶シリコン51間に介在するナノメータオーダの微結晶シリコン層63と、微結晶シリコン層63の表面に形成され当該微結晶シリコン層63の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜64とから構成されると考えられる。すなわち、強電界ドリフト層6は、各グレインの表面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持されていると考えられる。したがって、強電界ドリフト層6に印加された電界はほとんどシリコン酸化膜64にかかるから、注入された電子はシリコン酸化膜64にかかっている強電界により加速され多結晶シリコン51間を表面に向かって図11中の矢印Aの向きへ(図11中の上方向へ向かって)ドリフトするので、電子放出効率を向上させることができる。なお、強電界ドリフト層6の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極7を容易にトンネルし真空中に放出される。なお、表面電極7の膜厚は10nmないし15nm程度に設定されている。
【0010】
ところで、上記導電性基板としてn形シリコン基板1などの半導体基板の代わりに、ガラス基板などの絶縁性基板上に例えばITO膜よりなる導電性層を形成した基板を使用すれば、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。
【0011】
図12に、ガラス基板よりなる絶縁性基板11と該絶縁性基板11上に形成したITO膜よりなる導電性層8’とで構成した導電性基板を用いた電界放射型電子源10”を示す。すなわち、この電界放射型電子源10”は、図12に示すように、絶縁性基板11上に例えばITO膜よりなる導電性層8’が形成され、導電性層8’上に強電界ドリフト層6が形成され、強電界ドリフト層6上に金属薄膜よりなる表面電極7が形成されている。ここに、強電界ドリフト層6は、導電性層8’上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積させた後に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化し、さらに急速加熱法によって酸化若しくは窒化することにより形成されている。
【0012】
この電界放射型電子源10”では、表面電極7を真空中に配置するとともに図13に示すように表面電極7に対向してコレクタ電極21を配置し、表面電極7を導電性層8’に対して正極として直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極21を表面電極7に対して正極として直流電圧Vcを印加することにより、導電性層8’から注入された電子が強電界ドリフト層6をドリフトし表面電極7を通して放出される(なお、図13中の一点鎖線は表面電極7を通して放出された電子eの流れを示す)。ここにおいて、表面電極7と導電性層8’との間に流れる電流をダイオード電流Ipsと称し、コレクタ電極21と表面電極7との間に流れる電流を放出電子電流Ieと称し、ダイオード電流Ipsに対する放出電子電流Ieが大きい(Ie/Ipsが大きい)ほど電子放出効率が高くなる。なお、この電界放射型電子源10”では、表面電極7と導電性層8’との間に印加する直流電圧Vpsを10〜20V程度の低電圧としても電子を放出させることができる。
【0013】
ところで、上述の絶縁性基板11を利用した電界放射型電子源10”では、強電界ドリフト層6が、導電性層8’上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積させた後に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化し、さらに急速加熱法によって酸化することにより形成されており、この際の酸化温度が比較的高温(800℃から900℃の温度範囲)なので、絶縁性基板11として高価な石英ガラスを用いざるをえず、大面積化および低コスト化が制限されるという不具合があった。この種の不具合を解決する手段(つまり、プロセスの低温化を図る手段)としては、多孔質化した多結晶シリコン層を酸化する方法として、例えば酸により酸化する方法や、酸素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で紫外線を照射して酸化する方法などが考えられる。このように多孔質化した多結晶シリコン層を酸により酸化する方法や、多孔質化した多結晶シリコン層を酸素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で紫外線を照射して酸化する方法を採用することにより、絶縁性基板11として耐熱温度が石英ガラス基板に比べて低く価格が石英ガラス基板に比べて安価なガラス基板(例えば、無アルカリガラス基板、低アルカリガラス基板、ソーダライムガラス基板など)を用いることが可能となる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の絶縁性基板11を利用した電界放射型電子源10”では、製造工程においてITO膜よりなる導電性層8’上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積させる際に、導電性層8’との界面近傍に高抵抗のアモルファス層が形成されてしまい、しかも該アモルファス層の膜厚が面内でばらつくので、面内でポテンシャルがばらついてしまい、陽極酸化処理による多孔質化の度合いに面内ばらつきが生じて面内での電子放出量にばらつきが生じるという不具合があった。また、強電界ドリフト層6中に高抵抗のアモルファス層が残るので、例えば図14に示すように強電界ドリフト層6中に膜厚の比較的厚いアモルファス層6aが形成されると、強電界ドリフト層6の抵抗が高くなって強電界ドリフト層6に流れる電流値が小さくなり、上述のn形シリコン基板1を利用した電界放射型電子源10’に比べて電子放出量が低下してしまうという不具合があった。図14中の6cは強電界ドリフト層6のうちアモルファス層6a以外の結晶化層を示す。また、上述の絶縁性基板11を利用した電界放射型電子源10”の断面を断面TEMにより観察したところ、図15に示すようにアモルファス層6aの厚みが不均一になっており、強電界ドリフト層6では上述したように微結晶シリコン層63の表面に形成されたシリコン酸化膜64において電界が最も強くなるから、図15に示すようにアモルファス層6aの厚みが不均一であると、強電界ドリフト層6の各領域での電界強度にばらつきが生じるので、表面電極7の全面から電子を一様に放出させることができず、表面電極7から放出される電子のエネルギに場所による分布が生じることになってしまうという不具合があった。
【0015】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、電子放出量が高く且つ低コスト化が可能な電界放射型電子源を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加することにより導電性層から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Al若しくはNi若しくはAlとNiとのうちの1つを主成分とした合金により形成されてなることを特徴とするものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができる。
【0018】
また、最上層の導電性膜が、Al若しくはNi若しくはAlとNiとのうちの1つを主成分とした合金により形成されているので、低コストで最上層の導電性膜を形成することが可能となる。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができる。
【0019】
請求項の発明は、請求項の発明において、上記最上層の導電性膜が、膜厚が50nmを超えない寸法なので、上記最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散量を少なくすることができ、強電界ドリフト層中での電子散乱確率が増大するのを抑制することができ、電子放出効率の低下を抑制することが可能になる。
【0020】
請求項の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加することにより導電性層から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Alよりも強電界ドリフト層へ拡散しにくい材料により形成されてなることを特徴とするものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができ、しかも、最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散を防ぐことができて、耐熱性および経時安定性が向上する。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができる。
【0021】
請求項の発明は、請求項1ないし請求項の発明において、上記多孔質の結晶半導体層が、多孔質化した多結晶半導体よりなるので、大面積化が容易になる。
【0024】
請求項の発明は、請求項1ないし請求項の発明において、上記絶縁性基板は、耐熱温度が500℃以上のガラス基板からなることを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
本実施形態の電界放射型電子源10は、図1および図2に示すように、ガラス基板(例えば、無アルカリガラス基板)よりなる絶縁性基板11の一表面上に導電性材料よりなる導電性層8が形成され、該導電性層8上に酸化した多孔質多結晶シリコンよりなる強電界ドリフト層6が形成され、強電界ドリフト層6上に表面電極7が形成されている。
【0026】
ところで、本実施形態では、導電性層8が、厚み方向に積層された二層の導電性膜8a,8bからなり、最上層の導電性膜8bが、強電界ドリフト層6の形成温度近傍の温度(例えば、100℃から600℃の温度範囲)でシリコンと反応しやすい性質を有する導電性材料により形成されている点に特徴がある。これに対し、最下層の導電性膜8aは、シリコンと反応しにくい性質を有する導電性材料により形成されている。要するに、本実施形態では、導電性層8の厚み方向において少なくとも強電界ドリフト層6側が、強電界ドリフト層6中のアモルファスの形成を抑制可能な導電性材料により形成されているので、図3に示すように強電界ドリフト層6中に含まれるアモルファス層6aを減少させることができ(アモルファス層6aの膜厚を小さくすることができ)、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができる。
【0027】
なお、本実施形態では、導電性層8を厚み方向に積層された二層の導電性膜8a,8bにより構成しているが、厚み方向に積層された三層以上の導電性膜により構成してもよく、この場合には最上層の導電性膜8bおよび最下層の導電性膜8aがそれぞれ上記性質を有していればよい。
【0028】
本実施形態では、最上層の導電性膜8bとしてはアルミニウム(Al)を用いており、最下層の導電性膜8aとしてはアルミニウムに比べて抵抗が小さな銅(Cu)を用いている(したがって、導電性層8の抵抗値を小さくすることができる)が、最上層の導電性膜8bとしてはアルミニウムの代わりに、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、ハフニウム(Hf)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)、ジルコニウム(Zr)のいずれかを用いてもよいし、これらの金属の酸化物やこれらの金属のうちの複数種類よりなる合金膜や、これらの金属とSiとの合金(例えば、アルミニウムを主成分としたAi−Si合金)やシリサイド膜を用いてもよい。最下層の導電性膜8aとしては、銅、銀、アルミニウムなどの低抵抗材料(配線材料)を用いたり、クロム、チタンなどガラスとの密着性の高い材料を用いることができ、さらにこれらの材料を複数層堆積することも可能である。
【0029】
ところで、最上層の導電性膜8bとしてアルミニウムを用いた場合には、図3に示すようにアモルファス層6aの膜厚を従来(図14参照)に比べて十分に薄くできるだけでなく、アモルファス層6aの厚さのばらつきも小さくなる(アモルファス層6aと結晶化層6cとの界面が略平坦になる)ので、強電界ドリフト層6の各領域での電界強度のばらつきが小さくなり、表面電極7の全面から電子を略一様に放出させることができ、表面電極7から放出される電子のエネルギに場所による分布が生じないようにすることができる。また、最上層の導電性膜8bとしてニッケルを用いた場合、図4に示すように強電界ドリフト層6は結晶化層6cのみで構成されアモルファス層6aは形成されないので、最上層の導電性膜8bとしてアルミニウムを用いた場合よりも電子放出効率を高めることが可能になる。
【0030】
なお、最上層の導電性膜8bの膜厚は薄くすることが望ましく、50nm以下の膜厚に形成することで、最上層の導電性膜8bから強電界ドリフト層6への金属元素の拡散量を少なくすることができると考えられ、強電界ドリフト層6中での電子散乱確率が増大するのを抑制することができ、電子放出効率の低下を抑制することができると考えられる。ここに、最上層の導電性膜8bの膜厚は、上記金属元素の拡散を考慮して強電界ドリフト層6の膜厚よりも十分に小さくすることが望ましい。
【0031】
以下、上述の電界放射型電子源10の製造方法について図5を参照しながら説明する。
【0032】
まず、絶縁性基板11の一表面(図5(a)における上面)上に最下層の導電性膜8aを成膜し、さらに最下層の導電性層8a上に最上層の導電性膜8bを成膜することにより、図5(a)に示すような構造が得られる。
【0033】
導電性膜8aと導電性膜8bとからなる導電性層8を形成した後、所定膜厚(例えば、1.5μm)のノンドープの多結晶シリコン層3を例えばプラズマCVD法によって形成することにより、図5(b)に示すような構造が得られる。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層3は、プラズマCVD法により堆積しているので、600℃以下(100℃〜600℃)の低温プロセスで成膜することができる。なお、ノンドープの多結晶シリコン層3の形成方法は、プラズマCVD法に限らず、触媒CVD法により形成してもよく、触媒CVD法でも600℃以下の低温プロセスで成膜することができる。
【0034】
ノンドープの多結晶シリコン層3を形成した後、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した混合液よりなる電解液の入った陽極酸化処理槽を利用し、白金電極(図示せず)を負極、導電性層8を正極として、多結晶シリコン層3に光照射を行いながら所定の条件で陽極酸化処理を行うことによって、多孔質多結晶シリコン層4が形成され図5(c)に示すような構造が得られる。ここにおいて、本実施形態では、陽極酸化処理の条件として、陽極酸化処理の期間、多結晶シリコン層3の表面に照射する光パワーを一定、電流密度を一定としたが、この条件は適宜変更してもよい(例えば、電流密度を変化させてもよい)。
【0035】
上述の陽極酸化処理が終了した後、陽極酸化処理槽から電解液を除去し、該陽極酸化処理槽に新たに酸(例えば、略10%の希硝酸、略10%の希硫酸、王水など)を投入し、その後、この酸の入った陽極酸化処理槽を利用して、白金電極(図示せず)を負極、導電性層8を正極として、定電流を流し多孔質多結晶シリコン層4を酸化することにより強電界ドリフト層6が形成され、図5(d)に示す構造が得られる。
【0036】
強電界ドリフト層6を形成した後は、強電界ドリフト層6上に導電性薄膜(例えば、金薄膜)からなる表面電極7を例えば蒸着により形成することによって、図5(e)に示す構造の電界放射型電子源10が得られる。なお、本実施形態では、表面電極7の膜厚を15nmとしてあるが、この膜厚は特に限定するものではなく、強電界ドリフト層6を通ってきた電子がトンネルできる膜厚であればよい。また、本実施形態では、表面電極7となる導電性薄膜を蒸着により形成しているが、導電性薄膜の形成方法は蒸着に限定されるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。
【0037】
しかして、上述の製造方法によれば、多結晶シリコン層3をプラズマCVD法などの低温プロセスで成膜し、多孔質多結晶シリコン層4の酸化を酸により行っており、かつ、表面電極7を蒸着法、スパッタ法などにより成膜しているので、600℃以下の低温プロセスで電界放射型電子源10を製造することができる。したがって、絶縁性基板11として、石英ガラス基板に比べて安価な無アルカリガラス基板を用いることができて、低コスト化が図れるとともに、より一層の大面積化を図ることができ、さらに上記多結晶シリコン層3の形成温度によっては低アルカリガラス基板、ソーダライムガラス基板などの無アルカリガラス基板に比べて耐熱温度の低いガラス基板を用いることも可能になる。しかも、上記導電性層8の最上層の導電性膜8bが多結晶シリコン層3の形成温度においてシリコン(つまり、多結晶シリコン層3の構成元素)と反応しやすい材料により形成されているので、多結晶シリコン層3中にアモルファス層が形成されるのを抑制することができ(つまり、多結晶シリコン層3の堆積初期過程においてアモルファス層が形成されるのを抑制することができ)、結果的に強電界ドリフト層6が必要以上に高抵抗になるのを防止できる(図9に示した従来のn形シリコン基板1を用いた電界放射型電子源10’における強電界ドリフト層6と同程度の抵抗にすることができる)から、電子放出効率を高めることができる。
【0038】
また、上述の製造方法で製造された電界放射型電子源は、本願発明者らが特願平10−272340号、特願平10−272342号で提案した電界放射型電子源と同様に、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を放出することができる。
【0039】
ところで、上述の製造方法では、多孔質多結晶シリコン層4を酸により酸化しているが、例えば酸素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で紫外線を照射して酸化するようにしてもよく、100℃から600℃の温度範囲で酸化できることが望ましい。この温度は600℃より高温でもよいが、絶縁性基板11として安価なガラス基板を使用するという点からは100℃から600℃の温度範囲で酸化できることが望ましい。なお、上述のように最上層の導電性膜8bの膜厚が50nmを超えないようにしたのは、最上層の導電性膜8bの膜厚が厚すぎると、最上層の導電性層8bを構成する金属元素が多結晶シリコン層3中へ多量に拡散し、多結晶シリコン層3がシリサイドになってしまい、当該シリサイドを多孔質化して強電界ドリフト層6を形成しても動作時における電子散乱確率が増大して電子放出効率が低下してしまうと予想されるからである。要するに、最上層の導電性膜8bの膜厚は、強電界ドリフト層6への拡散量が少なく(強電界ドリフト層6の導電性層8側にのみ拡散し)、電子放出効率への影響が少なくなるように設定することが望ましい。
【0040】
また、最上層の導電性膜8bとしてアルミニウムよりも多結晶シリコン層3、多孔質多結晶シリコン層4、強電界ドリフト層6へ拡散しにくい(つまり、拡散エンタルピが大きい)材料を用いることで製造時や動作時それぞれでの温度上昇にともなう最上層の導電性膜8bの構成元素の拡散をより抑制することができる。ここにおいて、アルミニウムの拡散エンタルピは329kJ/mol(78.7kcal/mol)であり、アルミニウムよりも拡散エンタルピが大きな材料としては、Ni、Co、Cr、Hf、Mo、Pd、Pt、Rh、Ta、Ti、W、Zrおよびこれらの酸化物などを用いればよい。
【0041】
本実施形態の電界放射型電子源10の基本動作は図12に示した従来構成と同じであり、例えば図6に示すように、表面電極7を真空中に配置するとともに表面電極7に対向してコレクタ電極21を配置し、表面電極7を導電性層8に対して正極として直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極21を表面電極7に対して正極として直流電圧Vcを印加することにより、導電性層8から注入された電子が強電界ドリフト層6をドリフトし表面電極7を通して放出される(なお、図6中の一点鎖線は表面電極7を通して放出された電子eの流れを示す)。ここにおいて、表面電極7と導電性層8との間に流れる電流をダイオード電流Ipsと称し、コレクタ電極21と表面電極7との間に流れる電流を放出電子電流Ieと称し、ダイオード電流Ipsに対する放出電子電流Ieが大きい(Ie/Ipsが大きい)ほど電子放出量が高くなる。本実施形態の電界放射型電子源10においても、従来構成と同様に、表面電極7と導電性層8との間に印加する直流電圧Vpsを10〜20V程度の低電圧としても電子を放出させることができる。
【0042】
図7に上述の製造方法で製造した電界放射型電子源10の電子放出特性を示す。図7の横軸は上記直流電圧Vpsの値を、縦軸は電流密度を示し、同図中のイ(○)は導電性層8をW/Ti構造(つまり、最上層の導電性膜8bがW、最下層の導電性膜8aがTi)としたときのダイオード電流Ipsを、同図中のロ(●)は導電性層8をW/Ti構造としたときの放出電子電流Ieを、ハ(□)は導電性層8をAl−Si/W/Ti構造(つまり、最上層の導電性膜8bがAl−Si、最下層の導電性膜8aがTi)としたときのダイオード電流Ipsを、同図中のニ(■)は導電性層8をAl−Si/W/Ti構造としたときの放出電子電流Ieを、同図中のホ(△)は導電性層8をNi/W/Ti構造(つまり、最上層の導電性膜8bがNi、最下層の導電性膜8aがTi)としたときのダイオード電流Ipsを、同図中のへ(▲)は導電性層8をNi/W/Ti構造としたときの放出電子電流Ieを示す。また、図8は図7の電子放出電流Ieと上記直流電圧Vpsとに関するデータをFowler−Nordheim(ファウラ−ノルドハイム)プロットした結果を示す。ここに、図8中のイは導電性層8がW/Ti構造のとき、ロは導電性層8がAl−Si/W/Ti構造のとき、ハは導電性層8がNi/W/Ti構造のときのデータである。なお、陽極酸化処理の条件は、導電性層8の違いに関わらず、電流密度を12.5mA/cm、通電時間を6秒とし、酸による酸化の条件は、導電性層8の違いに関わらず、印加電圧を20V、電流密度を12.5mA/cmとした。また、最上層の導電性膜8bの膜厚は50nmとした。さらに、特性測定時の上記直流電圧Vcは100V一定とした。図7から良好な電子放出電流Ieおよび電子放出効率(Ie/Ips)が得られていることが分かる。
【0043】
なお、本実施形態では、強電界ドリフト層6を酸化した多孔質多結晶シリコンにより構成しているが、強電界ドリフト層6を窒化した多孔質多結晶シリコン、あるいは、その他の酸化若しくは窒化した多孔質多結晶半導体層により構成してもよい。
【0044】
【発明の効果】
請求項1の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加することにより導電性層から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Al若しくはNi若しくはAlとNiとのうちの1つを主成分とした合金により形成されてなるものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができるという効果がある。
【0046】
また、最上層の導電性膜が、Al若しくはNi若しくはAlとNiとのうちの1つを主成分とした合金により形成されているので、低コストで最上層の導電性膜を形成することが可能となるという効果がある。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができるという効果がある。
【0047】
請求項の発明は、請求項の発明において、上記最上層の導電性膜が、膜厚が50nmを超えない寸法なので、上記最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散量を少なくすることができ、強電界ドリフト層中での電子散乱確率が増大するのを抑制することができ、電子放出効率の低下を抑制することが可能になるという効果がある。
【0048】
請求項の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加することにより導電性層から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Alよりも強電界ドリフト層へ拡散しにくい材料により形成されてなるものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができるという効果があり、しかも、最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散を防ぐことができて、耐熱性および経時安定性が向上するという効果がある。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができるという効果がある。
【0049】
請求項の発明は、請求項1ないし請求項の発明において、上記多孔質の結晶半導体層が、多孔質化した多結晶半導体よりなるので、大面積化が容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態を示す概略断面図である。
【図2】同上の概略斜視図である。
【図3】同上の要部説明図である。
【図4】同上の要部説明図である。
【図5】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図6】同上の特性測定原理の説明図である。
【図7】同上の実施例の電圧電流特性図である。
【図8】図7のデータをファウラ−ノルドハイムプロットしたグラフである。
【図9】従来例を示す概略断面図である。
【図10】同上の特性測定原理の説明図である。
【図11】同上の電子放出機構の説明図である。
【図12】他の従来例を示す概略断面図である。
【図13】同上の特性測定原理の説明図である。
【図14】同上の要部説明図である。
【図15】同上の要部説明図である。
【符号の説明】
6 強電界ドリフト層
7 表面電極
8 導電性層
8a 最下層の導電性膜
8b 最上層の導電性膜
10 電界放射型電子源
11 絶縁性基板
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission type electron source that emits an electron beam by field emission.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission electron source, there is a so-called Spindt electrode disclosed in, for example, US Pat. No. 3,665,241. This Spindt-type electrode has a substrate on which a number of minute triangular pyramid-shaped emitter chips are arranged, a gate layer having a radiation hole for exposing the tip of the emitter chip, and being arranged insulated from the emitter chip. And applying a high voltage with the emitter tip as a negative electrode to the gate layer in a vacuum to emit an electron beam from the tip of the emitter tip through a radiation hole.
[0003]
However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately configure a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, it is difficult to increase the area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem. In the Spindt-type electrode, the electric field is concentrated at the tip of the emitter tip, so if the degree of vacuum around the tip of the emitter tip is low and residual gas exists, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the positive ions are ionized and collide with the tip of the emitter tip, the tip of the emitter tip is damaged (for example, damage due to ion bombardment), and the current density and efficiency of emitted electrons become unstable, There is a problem that the life of the chip is shortened. Therefore, in a Spindt-type electrode, a high vacuum (about 10-5Pa to about 10-6Pa), there is a problem that the cost increases and the handling becomes troublesome.
[0004]
In order to improve this kind of problem, a MIM (Metal Insulator Metal) system and a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type field emission electron source have been proposed. The former is a flat field emission type electron source having a metal-insulating film-metal structure, and the latter is a metal-oxide film-semiconductor stacked structure. However, in order to increase the emission efficiency of electrons in this type of field emission electron source (to emit a large number of electrons), it is necessary to reduce the thickness of the insulating film and the oxide film. If the thickness of the insulating film or the oxide film is too thin, dielectric breakdown may occur when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the laminated structure, and in order to prevent such dielectric breakdown, Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.
[0005]
In recent years, as disclosed in JP-A-8-250766, a single-crystal semiconductor substrate such as a silicon substrate is used, and one surface of the semiconductor substrate is anodized to form a porous semiconductor layer (porous semiconductor layer). A field emission electron source (semiconductor) configured to form a silicon thin film, form a metal thin film on the porous semiconductor layer, and apply a voltage between the semiconductor substrate and the metal thin film to emit electrons. Cold electron-emitting devices) have been proposed.
[0006]
However, the field emission type electron source described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766 has a problem that it is difficult to increase the area and reduce the cost because the substrate is limited to a semiconductor substrate. Further, in the field emission type electron source described in JP-A-8-250766, a so-called popping phenomenon is apt to occur during electron emission, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. There is a problem that can be done.
[0007]
In view of this, the inventors of the present application have disclosed in Japanese Patent Application Nos. 10-272340 and 10-272342 that a porous polycrystalline semiconductor layer (for example, a polycrystalline silicon layer made porous) is subjected to rapid thermal oxidation (RTO). ) A field emission type electron source that forms a strong electric field drift layer that is interposed between a conductive substrate and a metal thin film (surface electrode) and drifts electrons injected from the conductive substrate by rapid thermal oxidation by technology Proposed. In the field emission type electron source 10 ′, for example, as shown in FIG. 9, a strong electric field drift layer 6 made of an oxidized porous polycrystalline silicon layer is formed on the main surface side of an n-type silicon substrate 1 serving as a conductive substrate. Then, a surface electrode 7 made of a metal thin film is formed on the strong electric field drift layer 6, and an ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1.
[0008]
In the field emission type electron source 10 'having the configuration shown in FIG. 9, the surface electrode 7 is disposed in a vacuum, and the collector electrode 21 is disposed opposite the surface electrode 7 as shown in FIG. A DC voltage Vps is applied as a positive electrode to the silicon substrate 1 (ohmic electrode 2), and a DC voltage Vc is applied to the surface electrode 7 as a positive electrode from the n-type silicon substrate 1. The drifted electrons drift in the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the dashed line in FIG. 10 indicates the electron e emitted through the surface electrode 7).Shows the flow of). Therefore, it is desirable to use a material having a small work function as the surface electrode 7. Here, a current flowing between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is referred to as a diode current Ips, and a current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is referred to as an emission electron current Ie. The electron emission efficiency increases as the current Ie increases (Ie / Ips increases). In this field emission type electron source 10 ′, electrons can be emitted even when the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is as low as about 10 to 20 V.
[0009]
In the field emission type electron source 10 ′, the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum and the electrons can be stably emitted at a high electron emission efficiency without generating a popping phenomenon at the time of electron emission. Here, as shown in FIG. 11, the strong electric field drift layer 6 includes at least a columnar polycrystalline silicon (grain) 51 arranged substantially orthogonal to the main surface of the n-type silicon substrate 1 and a polycrystalline silicon. A thin silicon oxide film 52 formed on the surface of the microcrystalline silicon layer 51, a microcrystalline silicon layer 63 of nanometer order interposed between the polycrystalline silicon 51, and a crystal of the microcrystalline silicon layer 63 formed on the surface of the microcrystalline silicon layer 63. It is considered to be composed of a silicon oxide film 64 which is an insulating film having a thickness smaller than the particle diameter. That is, in the strong electric field drift layer 6, it is considered that the surface of each grain is porous and the crystalline state is maintained in the central portion of each grain. Therefore, most of the electric field applied to the strong electric field drift layer 6 is applied to the silicon oxide film 64, so that the injected electrons are accelerated by the strong electric field applied to the silicon oxide film 64 and pass between the polycrystalline silicon 51 toward the surface. Since the electron beam drifts in the direction of arrow A in FIG. 11 (upward in FIG. 11), the electron emission efficiency can be improved. The electrons that have reached the surface of the strong electric field drift layer 6 are considered to be hot electrons and are easily tunneled through the surface electrode 7 and discharged into a vacuum. The thickness of the surface electrode 7 is set to about 10 nm to 15 nm.
[0010]
By the way, if instead of a semiconductor substrate such as the n-type silicon substrate 1 as the conductive substrate, a substrate in which a conductive layer made of, for example, an ITO film is formed on an insulating substrate such as a glass substrate is used, the size of the electron source becomes large. The area and cost can be reduced.
[0011]
FIG. 12 shows a field emission type electron source 10 ″ using a conductive substrate composed of an insulating substrate 11 made of a glass substrate and a conductive layer 8 ′ made of an ITO film formed on the insulating substrate 11. That is, in the field emission type electron source 10 ″, as shown in FIG. 12, a conductive layer 8 ′ made of, for example, an ITO film is formed on an insulating substrate 11, and a strong electric field drift is formed on the conductive layer 8 ′. A layer 6 is formed, and a surface electrode 7 made of a metal thin film is formed on the strong electric field drift layer 6. Here, the strong electric field drift layer 6 is formed by depositing a non-doped polycrystalline silicon layer on the conductive layer 8 ', making the polycrystalline silicon layer porous by anodizing treatment, and further oxidizing it by a rapid heating method. Alternatively, it is formed by nitriding.
[0012]
In this field emission type electron source 10 ″, the surface electrode 7 is arranged in a vacuum and a collector electrode 21 is arranged opposite to the surface electrode 7 as shown in FIG. 13, and the surface electrode 7 is formed on the conductive layer 8 ′. On the other hand, by applying a DC voltage Vps as a positive electrode and applying a DC voltage Vc as a positive electrode to the surface electrode 7 with the collector electrode 21, electrons injected from the conductive layer 8 ′ pass through the strong electric field drift layer 6. Drift and emitted through the surface electrode 7 (note that the dashed line in FIG.Shows the flow of). Here, the current flowing between the surface electrode 7 and the conductive layer 8 'is referred to as a diode current Ips, and the current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is referred to as an emission electron current Ie. The larger the emission electron current Ie (the larger Ie / Ips), the higher the electron emission efficiency. In this field emission type electron source 10 ″, electrons can be emitted even when the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the conductive layer 8 ′ is as low as about 10 to 20 V.
[0013]
In the field emission type electron source 10 ″ using the insulating substrate 11, the strong electric field drift layer 6 is formed by depositing a non-doped polycrystalline silicon layer on the conductive layer 8 ′. The layer is formed by making the layer porous by anodizing treatment and then oxidizing it by a rapid heating method. Since the oxidation temperature at this time is relatively high (temperature range from 800 ° C. to 900 ° C.), the insulating substrate 11 As a result, expensive quartz glass must be used, which limits the increase in area and cost. As a method of oxidizing a porous polycrystalline silicon layer, for example, a method of oxidizing with an acid or a method of irradiating with ultraviolet rays in a gas atmosphere containing at least one of oxygen and ozone is used. A method of oxidizing such a porous polycrystalline silicon layer with an acid, or a method of exposing a porous polycrystalline silicon layer to ultraviolet light in a gas atmosphere containing at least one of oxygen and ozone is considered. By adopting the method of irradiating and oxidizing, a glass substrate (for example, a non-alkali glass substrate, a low alkali glass, Substrate, a soda lime glass substrate, or the like).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the field emission type electron source 10 ″ using the insulating substrate 11, the non-doped polycrystalline silicon layer is deposited on the conductive layer 8 ′ made of the ITO film in the manufacturing process. A high-resistance amorphous layer is formed in the vicinity of the interface with the film, and the thickness of the amorphous layer varies in the plane, so that the potential varies in the plane, and the degree of the porosity due to the anodic oxidation treatment is reduced. There has been a problem that in-plane variations occur, causing variations in the in-plane electron emission amount, and a high-resistance amorphous layer remains in the strong electric field drift layer 6, so that, for example, as shown in FIG. When the amorphous layer 6a having a relatively large thickness is formed in the drift layer 6, the resistance of the strong electric field drift layer 6 increases, and the current flowing through the strong electric field drift layer 6 decreases. 14 has a disadvantage that the amount of emitted electrons is lower than that of the field emission type electron source 10 'using the n-type silicon substrate 1. The reference numeral 6c in FIG. This shows a crystallized layer other than the amorphous layer 6a.When a cross section of the field emission electron source 10 ″ using the above-mentioned insulating substrate 11 is observed by a cross-sectional TEM, the thickness of the amorphous layer 6a is shown in FIG. Since the electric field in the strong electric field drift layer 6 is the strongest in the silicon oxide film 64 formed on the surface of the microcrystalline silicon layer 63 as described above, the amorphous layer 6a as shown in FIG. If the thickness is not uniform, the electric field intensity in each region of the strong electric field drift layer 6 varies, so that electrons cannot be uniformly emitted from the entire surface of the surface electrode 7. There is a problem that becomes the distribution by location occurs in the energy of the electrons emitted from the surface electrodes 7.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field emission type electron source which has a high electron emission amount and can be reduced in cost.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 provides an insulating substrate, a conductive layer formed on one surface of the insulating substrate, and an oxidized or nitrided porous layer formed on the conductive layer. A strong electric field drift layer made of a crystalline semiconductor layer, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, and the surface electrode is injected from the conductive layer by applying a voltage to the conductive layer as a positive electrode. Field electron source in which the electrons drift through the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode.The crystalline semiconductor layer is formed of silicon,Layer is in the thickness directionThe uppermost conductive film is formed of Al or Ni or an alloy mainly containing one of Al and Ni.In this case, the amount of the amorphous layer contained in the strong electric field drift layer can be reduced, and the amount of electron emission can be increased while reducing the cost.
[0018]
Also,Since the upper conductive film is formed of Al or Ni or an alloy mainly containing one of Al and Ni, the cost is low.The bestIt is possible to form an upper conductive film. In addition, since the crystalline semiconductor layer is made of silicon, a silicon process can be used. For example, when the crystal semiconductor layer is applied to an electron source such as a display, the pattern of the conductive layer can be miniaturized and highly accurate.
[0019]
Claim2The invention of claim1In the invention, the uppermost conductive film has a thickness not exceeding 50 nm, so that the amount of diffusion from the uppermost conductive film to the strong electric field drift layer can be reduced. It is possible to suppress an increase in the electron scattering probability in the inside, and it is possible to suppress a decrease in the electron emission efficiency.
[0020]
Claim3Invention ofA strong electric field drift layer comprising an insulating substrate, a conductive layer formed on one surface of the insulating substrate, an oxidized or nitrided porous crystalline semiconductor layer formed on the conductive layer, A surface electrode formed on the electric field drift layer, and electrons injected from the conductive layer drift by the strong electric field drift layer through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. In the field emission type electron source to be emitted, the crystal semiconductor layer is formed of silicon, and the conductive layer is formed of at least two conductive films stacked in a thickness direction, and the uppermost layerIs formed of a material that is harder to diffuse into the strong electric field drift layer than Al.It is possible to reduce the amount of the amorphous layer contained in the strong electric field drift layer, to increase the electron emission amount while reducing the cost, andDiffusion from the conductive film of the layer to the strong electric field drift layer can be prevented, and heat resistance and stability over time are improved.. In addition, since the crystalline semiconductor layer is made of silicon, a silicon process can be used. For example, when the crystal semiconductor layer is applied to an electron source such as a display, the pattern of the conductive layer can be miniaturized and highly accurate.
[0021]
Claim4The invention of claim 1 to claim 13According to the invention, since the porous crystalline semiconductor layer is made of a porous polycrystalline semiconductor, it is easy to increase the area.
[0024]
Claim5The invention of claim 1 to claim 14In the invention, the insulating substrate is made of a glass substrate having a heat resistance temperature of 500 ° C. or higher.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As shown in FIGS. 1 and 2, the field emission type electron source 10 of the present embodiment includes a conductive material made of a conductive material on one surface of an insulating substrate 11 made of a glass substrate (for example, an alkali-free glass substrate). A layer 8 is formed, a strong electric field drift layer 6 made of oxidized porous polycrystalline silicon is formed on the conductive layer 8, and a surface electrode 7 is formed on the strong electric field drift layer 6.
[0026]
By the way, in this embodiment, the conductive layer 8 is composed of two layers of conductive films 8 a and 8 b stacked in the thickness direction, and the uppermost conductive film 8 b is close to the temperature at which the strong electric field drift layer 6 is formed. It is characterized in that it is formed of a conductive material having a property of easily reacting with silicon at a temperature (for example, a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C.). On the other hand, the lowermost conductive film 8a is formed of a conductive material having a property that hardly reacts with silicon. In short, in the present embodiment, at least the strong electric field drift layer 6 side in the thickness direction of the conductive layer 8 is formed of a conductive material capable of suppressing the formation of amorphous in the strong electric field drift layer 6. As shown, the amount of the amorphous layer 6a contained in the strong electric field drift layer 6 can be reduced (the thickness of the amorphous layer 6a can be reduced), and the amount of electron emission can be increased while reducing the cost. .
[0027]
In the present embodiment, the conductive layer 8 is constituted by two layers of conductive films 8a and 8b stacked in the thickness direction, but is formed by three or more layers of conductive films stacked in the thickness direction. In this case, the uppermost conductive film 8b and the lowermost conductive film 8a only need to have the above properties.
[0028]
In the present embodiment, aluminum (Al) is used as the uppermost conductive film 8b, and copper (Cu) having a smaller resistance than aluminum is used as the lowermost conductive film 8a (accordingly, The resistance value of the conductive layer 8 can be reduced), but instead of aluminum, nickel (Ni), cobalt (Co), chromium (Cr), hafnium (Hf), Any of molybdenum (Mo), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), and zirconium (Zr) may be used. Oxides of these metals, alloy films of a plurality of these metals, and alloys of these metals and Si (for example, an Ai-Si alloy containing aluminum as a main component) Silicide film may be used. As the lowermost conductive film 8a, a low-resistance material (wiring material) such as copper, silver, or aluminum, or a material having high adhesion to glass such as chromium or titanium can be used. Can also be deposited in multiple layers.
[0029]
By the way, when aluminum is used as the uppermost conductive film 8b, as shown in FIG. 3, the thickness of the amorphous layer 6a can be made sufficiently thinner than the conventional one (see FIG. 14). (The interface between the amorphous layer 6a and the crystallized layer 6c is substantially flat), so that the variation in the electric field strength in each region of the strong electric field drift layer 6 is reduced, and Electrons can be emitted from the entire surface substantially uniformly, and the energy of the electrons emitted from the surface electrode 7 can be prevented from being distributed depending on the location. When nickel is used as the uppermost conductive film 8b, the strong electric field drift layer 6 is formed only of the crystallized layer 6c and the amorphous layer 6a is not formed as shown in FIG. The electron emission efficiency can be increased as compared with the case where aluminum is used as 8b.
[0030]
The thickness of the uppermost conductive film 8b is desirably small, and by forming the film to a thickness of 50 nm or less, the diffusion amount of the metal element from the uppermost conductive film 8b to the strong electric field drift layer 6 can be increased. It can be considered that the probability of electron scattering in the strong electric field drift layer 6 can be suppressed from increasing, and the decrease in electron emission efficiency can be suppressed. Here, the thickness of the uppermost conductive film 8b is desirably sufficiently smaller than the thickness of the strong electric field drift layer 6 in consideration of the diffusion of the metal element.
[0031]
Hereinafter, a method for manufacturing the above-described field emission electron source 10 will be described with reference to FIG.
[0032]
First, the lowermost conductive film 8a is formed on one surface of the insulating substrate 11 (the upper surface in FIG. 5A), and the uppermost conductive film 8b is further formed on the lowermost conductive layer 8a. By forming a film, a structure as shown in FIG. 5A is obtained.
[0033]
After forming the conductive layer 8 composed of the conductive film 8a and the conductive film 8b, a non-doped polycrystalline silicon layer 3 having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) is formed by, for example, a plasma CVD method. The structure as shown in FIG. 5B is obtained. Here, since the non-doped polycrystalline silicon layer 3 is deposited by the plasma CVD method, it can be formed by a low-temperature process of 600 ° C. or lower (100 ° C. to 600 ° C.). The method of forming the non-doped polycrystalline silicon layer 3 is not limited to the plasma CVD method, but may be a catalytic CVD method. The catalytic CVD method can be used to form a film at a low temperature of 600 ° C. or lower.
[0034]
After the non-doped polycrystalline silicon layer 3 is formed, a platinum electrode (using an anodizing treatment tank containing an electrolytic solution comprising a mixture of a 55 wt% hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol in a ratio of about 1: 1) is used. The porous polycrystalline silicon layer 4 is formed by performing anodizing treatment under predetermined conditions while irradiating the polycrystalline silicon layer 3 with light while using the negative electrode as the negative electrode and the conductive layer 8 as the positive electrode. The structure as shown in (c) is obtained. Here, in the present embodiment, as the conditions of the anodic oxidation treatment, the light power applied to the surface of the polycrystalline silicon layer 3 was constant and the current density was constant during the anodic oxidation treatment, but these conditions were appropriately changed. (For example, the current density may be changed).
[0035]
After the above-described anodizing treatment is completed, the electrolytic solution is removed from the anodizing treatment tank, and an acid (for example, about 10% diluted nitric acid, about 10% diluted sulfuric acid, aqua regia, etc.) is added to the anodizing tank. ), And then using the anodizing tank containing the acid, a platinum electrode (not shown) is used as a negative electrode and the conductive layer 8 is used as a positive electrode. Is oxidized to form a strong electric field drift layer 6, and the structure shown in FIG. 5D is obtained.
[0036]
After the strong electric field drift layer 6 is formed, a surface electrode 7 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) is formed on the strong electric field drift layer 6 by, for example, vapor deposition, so that the structure shown in FIG. The field emission type electron source 10 is obtained. In the present embodiment, the thickness of the surface electrode 7 is set to 15 nm. However, the thickness is not particularly limited, and may be any thickness as long as electrons passing through the strong electric field drift layer 6 can tunnel. Further, in this embodiment, the conductive thin film to be the surface electrode 7 is formed by vapor deposition, but the method of forming the conductive thin film is not limited to vapor deposition, and for example, a sputtering method may be used.
[0037]
According to the above-described manufacturing method, the polycrystalline silicon layer 3 is formed by a low-temperature process such as a plasma CVD method, and the porous polycrystalline silicon layer 4 is oxidized with an acid. Is formed by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like, so that the field emission electron source 10 can be manufactured by a low-temperature process of 600 ° C. or less. Therefore, a non-alkali glass substrate, which is less expensive than a quartz glass substrate, can be used as the insulating substrate 11, which can reduce the cost and can further increase the area, and can further increase the polycrystalline structure. Depending on the temperature at which the silicon layer 3 is formed, a glass substrate having a lower heat-resistant temperature than a non-alkali glass substrate such as a low alkali glass substrate and a soda lime glass substrate can be used. Moreover, since the uppermost conductive film 8b of the conductive layer 8 is formed of a material which easily reacts with silicon (that is, a constituent element of the polycrystalline silicon layer 3) at the temperature at which the polycrystalline silicon layer 3 is formed, The formation of an amorphous layer in the polycrystalline silicon layer 3 can be suppressed (that is, the formation of the amorphous layer in the initial stage of the deposition of the polycrystalline silicon layer 3 can be suppressed). It is possible to prevent the strong electric field drift layer 6 from having an unnecessarily high resistance (the same as the strong electric field drift layer 6 in the conventional field emission type electron source 10 'using the n-type silicon substrate 1 shown in FIG. 9). The electron emission efficiency can be increased.
[0038]
The field emission electron source manufactured by the above-described manufacturing method is similar to the field emission electron source proposed by the present inventors in Japanese Patent Application Nos. 10-272340 and 10-272342. The electron emission characteristics are less dependent on the degree of vacuum, and electrons can be emitted stably without generating a popping phenomenon during electron emission.
[0039]
By the way, in the above-described manufacturing method, the porous polycrystalline silicon layer 4 is oxidized with an acid. However, the porous polycrystalline silicon layer 4 may be oxidized by irradiating ultraviolet rays in a gas atmosphere containing at least one of oxygen and ozone. It is desirable that oxidation can be performed in a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C. Although this temperature may be higher than 600 ° C., it is desirable that oxidation can be performed in a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C. from the viewpoint that an inexpensive glass substrate is used as the insulating substrate 11. The reason why the thickness of the uppermost conductive film 8b does not exceed 50 nm as described above is that if the thickness of the uppermost conductive film 8b is too large, the uppermost conductive layer 8b will not be formed. Constituting metal elements diffuse into the polycrystalline silicon layer 3 in a large amount, and the polycrystalline silicon layer 3 becomes silicide. Even if the silicide is made porous and the strong electric field drift layer 6 is formed, electrons during the operation are generated. This is because it is expected that the scattering probability will increase and the electron emission efficiency will decrease. In short, the thickness of the uppermost conductive film 8b has a small amount of diffusion into the strong electric field drift layer 6 (diffuses only to the conductive layer 8 side of the strong electric field drift layer 6), and has an influence on the electron emission efficiency. It is desirable to set so as to reduce the number.
[0040]
Also, the uppermost conductive film 8b is manufactured by using a material that is less likely to diffuse into the polycrystalline silicon layer 3, the porous polycrystalline silicon layer 4, and the strong electric field drift layer 6 (that is, has a large diffusion enthalpy) than aluminum. It is possible to further suppress the diffusion of the constituent elements of the uppermost conductive film 8b due to the temperature rise during operation and during operation. Here, the diffusion enthalpy of aluminum is 329 kJ / mol (78.7 kcal / mol), and materials having a larger diffusion enthalpy than aluminum include Ni, Co, Cr, Hf, Mo, Pd, Pt, Rh, Ta, Ti, W, Zr and oxides thereof may be used.
[0041]
The basic operation of the field emission electron source 10 of the present embodiment is the same as that of the conventional configuration shown in FIG. 12, and for example, as shown in FIG. By applying a DC voltage Vps with the surface electrode 7 as a positive electrode to the conductive layer 8 and applying a DC voltage Vc with the collector electrode 21 as a positive electrode to the surface electrode 7, The electrons injected from the conductive layer 8 drift in the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the dashed line in FIG. 6 indicates the electron e emitted through the surface electrode 7).Shows the flow of). Here, a current flowing between the surface electrode 7 and the conductive layer 8 is referred to as a diode current Ips, and a current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is referred to as an emission electron current Ie. The electron emission amount increases as the electron current Ie increases (Ie / Ips increases). Also in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, electrons are emitted even when the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the conductive layer 8 is as low as about 10 to 20 V, as in the conventional configuration. be able to.
[0042]
FIG. 7 shows the electron emission characteristics of the field emission electron source 10 manufactured by the above-described manufacturing method. The horizontal axis in FIG. 7 indicates the value of the DC voltage Vps, and the vertical axis indicates the current density. A in FIG. 7 indicates that the conductive layer 8 has a W / Ti structure (that is, the uppermost conductive film 8b). Is W, the diode current Ips when the lowermost conductive film 8a is Ti), and b (●) in the figure indicates the emission electron current Ie when the conductive layer 8 has a W / Ti structure. C (□) indicates a diode current Ips when the conductive layer 8 has an Al—Si / W / Ti structure (that is, the uppermost conductive film 8b is Al—Si and the lowermost conductive film 8a is Ti). In the figure, (■) indicates the emission electron current Ie when the conductive layer 8 has an Al—Si / W / Ti structure, and (e) in the figure indicates that the conductive layer 8 is Ni / The diode current Ips in the case of a W / Ti structure (that is, the uppermost conductive film 8b is Ni and the lowermost conductive film 8a is Ti) is: Figure f of the (▲) represents the emitted electron current Ie when the conductive layer 8 was Ni / W / Ti structure. FIG. 8 shows a result of Fowler-Nordheim (Fowler-Nordheim) plotting of data on the electron emission current Ie and the DC voltage Vps in FIG. Here, A in FIG. 8 indicates that the conductive layer 8 has a W / Ti structure, B indicates that the conductive layer 8 has an Al—Si / W / Ti structure, and C indicates that the conductive layer 8 has a Ni / W / Ti structure. This is data for a Ti structure. The conditions of the anodizing treatment were such that the current density was 12.5 mA / cm irrespective of the difference in the conductive layer 8.2The energizing time was set to 6 seconds, and the conditions of oxidation with an acid were applied voltage of 20 V and current density of 12.5 mA / cm irrespective of the difference of the conductive layer 8.2And The thickness of the uppermost conductive film 8b was 50 nm. Further, the DC voltage Vc at the time of measuring the characteristics was kept constant at 100V. FIG. 7 shows that good electron emission current Ie and electron emission efficiency (Ie / Ips) were obtained.
[0043]
In the present embodiment, the strong electric field drift layer 6 is made of oxidized porous polycrystalline silicon. However, the strong electric field drift layer 6 is made of porous polycrystalline silicon, or other oxidized or nitrided porous polycrystalline silicon. It may be composed of a polycrystalline semiconductor layer.
[0044]
【The invention's effect】
The invention of claim 1 provides a strong electric field comprising an insulating substrate, a conductive layer formed on one surface of the insulating substrate, and an oxidized or nitrided porous crystalline semiconductor layer formed on the conductive layer. A drift layer and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, and electrons injected from the conductive layer are applied to the strong electric field drift layer by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. A field emission electron source that drifts and is emitted through a surface electrode;The crystalline semiconductor layer is formed of silicon,Layer is in the thickness directionThe uppermost conductive film is formed of Al or Ni or an alloy mainly containing one of Al and Ni.This has the effect that the amount of the amorphous layer contained in the strong electric field drift layer can be reduced, and the amount of electron emission can be increased while reducing the cost.
[0046]
Also,Since the upper conductive film is formed of Al or Ni or an alloy mainly containing one of Al and Ni, the cost is low.The bestThere is an effect that an upper conductive film can be formed.. In addition, since the crystalline semiconductor layer is made of silicon, a silicon process can be used. For example, when the crystal semiconductor layer is applied to an electron source such as a display, there is an effect that a pattern of a conductive layer can be miniaturized and highly accurate. is there.
[0047]
Claim2The invention of claim1In the invention, the uppermost conductive film has a thickness not exceeding 50 nm, so that the amount of diffusion from the uppermost conductive film to the strong electric field drift layer can be reduced. There is an effect that it is possible to suppress an increase in the electron scattering probability in the inside and to suppress a decrease in the electron emission efficiency.
[0048]
Claim3Invention ofA strong electric field drift layer comprising an insulating substrate, a conductive layer formed on one surface of the insulating substrate, an oxidized or nitrided porous crystalline semiconductor layer formed on the conductive layer, A surface electrode formed on the electric field drift layer, and electrons injected from the conductive layer drift by the strong electric field drift layer through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. In the field emission type electron source to be emitted, the crystal semiconductor layer is formed of silicon, and the conductive layer is formed of at least two conductive films stacked in a thickness direction, and the uppermost layerIs formed of a material that is harder to diffuse into the strong electric field drift layer than Al.The effect is that the amount of the amorphous layer contained in the strong electric field drift layer can be reduced, and the amount of electron emission can be increased while reducing the cost.Diffusion from the conductive film of the layer to the strong electric field drift layer can be prevented, and there is an effect that heat resistance and stability over time are improved.. In addition, since the crystalline semiconductor layer is made of silicon, a silicon process can be used. For example, when the crystal semiconductor layer is applied to an electron source such as a display, there is an effect that a pattern of a conductive layer can be miniaturized and highly accurate. is there.
[0049]
Claim4The invention of claim 1 to claim 13According to the invention, since the porous crystalline semiconductor layer is made of a porous polycrystalline semiconductor, there is an effect that the area can be easily increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment.
FIG. 2 is a schematic perspective view of the same.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a main part of the above.
FIG. 4 is an explanatory view of a main part of the above.
FIG. 5 is a main process sectional view for explaining the manufacturing method of the above.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a characteristic measurement principle of the above.
FIG. 7 is a voltage-current characteristic diagram of the embodiment.
8 is a graph obtained by plotting the data of FIG. 7 with Fowler-Nordheim plots.
FIG. 9 is a schematic sectional view showing a conventional example.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a principle of measuring characteristics of the above.
FIG. 11 is an explanatory diagram of an electron emission mechanism of the above.
FIG. 12 is a schematic sectional view showing another conventional example.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a characteristic measurement principle of the above.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a main part of the above.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a main part of the above.
[Explanation of symbols]
6 Strong electric field drift layer
7 Surface electrode
8 Conductive layer
8a Lowermost conductive film
8b Uppermost conductive film
10. Field emission electron source
11 Insulating substrate

Claims (5)

絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加することにより導電性層から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Al若しくはNi若しくはAlとNiとのうちの1つを主成分とした合金により形成されてなることを特徴とする電界放射型電子源。An insulative substrate, a conductive layer formed on one surface of the insulative substrate, a strong electric field drift layer including an oxidized or nitrided porous crystalline semiconductor layer formed on the conductive layer, and a strong electric field drift. And a surface electrode formed on the layer, and electrons injected from the conductive layer drift by the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. A field emission electron source, wherein the crystalline semiconductor layer is formed of silicon, the conductive layer is formed of at least two conductive films stacked in a thickness direction , and the uppermost conductive film is A field emission type electron source formed of Al or Ni or an alloy containing one of Al and Ni as a main component . 上記最上層の導電性膜は、膜厚が50nmを超えない寸法であることを特徴とする請求項1記載の電界放射型電子源。 2. The field emission type electron source according to claim 1 , wherein the uppermost conductive film has a thickness not exceeding 50 nm . 絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加することにより導電性層から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Alよりも強電界ドリフト層へ拡散しにくい材料により形成されてなることを特徴とする電界放射型電子源。 An insulative substrate, a conductive layer formed on one surface of the insulative substrate, a strong electric field drift layer including an oxidized or nitrided porous crystalline semiconductor layer formed on the conductive layer, and a strong electric field drift. And a surface electrode formed on the layer, and electrons injected from the conductive layer drift by the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. A field emission electron source, wherein the crystalline semiconductor layer is formed of silicon, the conductive layer is formed of at least two conductive films stacked in a thickness direction, and the uppermost conductive film is electric field emission electron source you characterized by comprising formed by diffusion material hard to be strong electric field drift layer from al. 上記多孔質の結晶半導体層は、多孔質化した多結晶半導体よりなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の電界放射型電子源。 4. The field emission type electron source according to claim 1 , wherein the porous crystalline semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor made porous . 上記絶縁性基板は、耐熱温度が500℃以上のガラス基板からなることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の電界放射型電子源 The field emission type electron source according to any one of claims 1 to 4, wherein the insulating substrate is a glass substrate having a heat-resistant temperature of 500 ° C or higher .
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