JPH10302608A - Field emitter element - Google Patents
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- JPH10302608A JPH10302608A JP11309197A JP11309197A JPH10302608A JP H10302608 A JPH10302608 A JP H10302608A JP 11309197 A JP11309197 A JP 11309197A JP 11309197 A JP11309197 A JP 11309197A JP H10302608 A JPH10302608 A JP H10302608A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶ディスプレイ
より画質が高いFED(field emission display) 、発
光デバイス等に使用しうるフィールドエミッタ素子に関
する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a field emitter element having higher image quality than a liquid crystal display and usable for a field emission display (FED), a light emitting device and the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】フィールドエミッタ素子の作製には、
C.A.Spindtが提案した方法(Journal
of Applied Physics,Vol.4
7,No12,December 1976)、H.
F.Grayらが提案した方法(3rd IVMC,1
990)等が知られている。また、最近、ダイヤモンド
膜が負の電気陰性度をもつことが報告され、ダイヤモン
ド膜をフィールドエミッタディスプレイに応用しようと
する報告が公開されている。例えば針状のエミッタ表面
にダイヤモンドをコーティングする方法(特開平5−2
05617)、プラズマエッチング等で針状のダイヤモ
ンドエミッタを作る方法(特開平7−29483)等が
報告されているが高度な加工技術や成膜技術が要求され
生産性が低い。また、ダイヤモンドの多結晶膜をそのま
まエミッタに利用する例(特開平5−152640、特
開平7−272618)も開示されている。2. Description of the Related Art To manufacture a field emitter element,
C. A. The method proposed by Spindt (Journal
of Applied Physics, Vol. 4
7, No. 12, December 1976);
F. The method proposed by Gray et al. (3rd IVMC, 1
990). Recently, it has been reported that a diamond film has a negative electronegativity, and there has been published a report of applying the diamond film to a field emitter display. For example, a method of coating diamond on a needle-like emitter surface (Japanese Patent Laid-Open No.
05617), and a method of producing a needle-shaped diamond emitter by plasma etching or the like (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-29483) has been reported, but high processing technology and film forming technology are required, and productivity is low. In addition, examples are disclosed in which a polycrystalline diamond film is used as it is as an emitter (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-152640 and 7-272618).
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記のSpindtら
の方法によるフィールドエミッタ素子では高度な微細加
工技術が必要で液晶パネルなみの製造コストを実現する
のは難しいとされている。また現状のフィールドエミッ
タディスプレイはエミッタ表面が吸着ガス等によって汚
染されやすいため寿命が短く一般用途の実用化には至っ
ていない。また従来の製造法では個々のエミッタの形状
にばらつきが生じやすく発色にむらが生じている。ま
た、通常の多結晶ダイヤモンドではエミッション電流が
不十分であるほか構造上も安定した特性のエミッタを作
製するのが難しいという問題点がある。It is said that the field emitter element according to the method of Spindt et al. Requires a high level of fine processing technology and it is difficult to realize a manufacturing cost comparable to that of a liquid crystal panel. Further, the current field emitter display has a short lifetime because the emitter surface is easily contaminated by an adsorbed gas or the like, and has not been put to practical use for general use. Further, in the conventional manufacturing method, the shapes of the individual emitters are apt to vary, resulting in uneven coloring. In addition, ordinary polycrystalline diamond has problems that the emission current is insufficient and that it is difficult to produce an emitter having structurally stable characteristics.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁基板上に
導電性を付与した多結晶ダイヤモンド膜が帯状に形成さ
れ、該ダイヤモンド膜と交差させ絶縁膜とゲート電極と
を帯状に形成されていることを特徴とするフィールドエ
ミッタ素子であって、更には上記多結晶ダイヤモンド膜
およびゲート電極の帯の幅の少なくとも1つが0.01
〜0.3mmであることを特徴とするフィールドエミッ
タ素子並びに上記多結晶ダイヤモンド膜表面の60%以
上が(111)面で形成されていることを特徴とするフ
ィールドエミッタ素子であって、従来のものに比べて、
全体的な構造は単純となり、高度なフォトリソグラフ技
術や精密加工技術を駆使する必要もなくなり、製造コス
トを軽減することができる。According to the present invention, a polycrystalline diamond film having conductivity is formed in a strip shape on an insulating substrate, and the insulating film and the gate electrode are formed in a strip shape so as to cross the diamond film. A field emitter element, wherein at least one of the width of the band of the polycrystalline diamond film and the gate electrode is 0.01
A field emitter element characterized in that it is not more than 0.3 mm and a field emitter element characterized in that at least 60% of the surface of the polycrystalline diamond film is formed by a (111) plane. Compared to
The overall structure is simpler, and there is no need to use advanced photolithographic and precision processing techniques, thereby reducing manufacturing costs.
【0005】[0005]
【発明の実施の形態】本発明で用いられる絶縁基板は、
例えばSi、SiC、SiO2 、Si3 N4、アルミ
ナ、AlN、サファイヤ等を挙げることができる。この
中で特にSi、Si3 N4 、AlNはダイヤモンド膜と
高い密着力が得られるので好ましい。絶縁基板の絶縁性
は、1×106 Ω・cm以上で、なるべく高抵抗である
ことが好ましく、それは帯状のダイヤモンド電極に流れ
る電流が絶縁基板を通じて他のダイヤモンド電極にもれ
るのを防ぐためである。この絶縁基板上に帯状の導電性
ダイヤモンドを形成する。ダイヤモンド膜の成膜方法と
しては公知の気相合成法等を用いることができる。例え
ば、熱フィラメントCVD法、EACVD法、マイクロ
波プラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、DCプ
ラズマCVD法、燃焼炎法等である。原料ガスには一般
的には水素と含炭素物との混合ガスが用いられる。含炭
素物としては一般的にはメタン、エタン、エタノール、
メタノール、アセトン、ベンゼン、炭酸ガス、一酸化炭
素等が用いられている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The insulating substrate used in the present invention is:
For example, Si, SiC, SiO 2 , Si 3 N 4 , alumina, AlN, sapphire and the like can be mentioned. Among them, Si, Si 3 N 4 , and AlN are particularly preferable because a high adhesion to the diamond film can be obtained. It is preferable that the insulating substrate has an insulating property of 1 × 10 6 Ω · cm or more and has a high resistance as much as possible, in order to prevent a current flowing through the strip-shaped diamond electrode from leaking to another diamond electrode through the insulating substrate. is there. A strip-shaped conductive diamond is formed on the insulating substrate. As a method for forming a diamond film, a known gas phase synthesis method or the like can be used. For example, there are a hot filament CVD method, an EACVD method, a microwave plasma CVD method, an ECR plasma CVD method, a DC plasma CVD method, a combustion flame method and the like. Generally, a mixed gas of hydrogen and a carbon-containing material is used as a source gas. Generally, methane, ethane, ethanol,
Methanol, acetone, benzene, carbon dioxide, carbon monoxide and the like are used.
【0006】ダイヤモンド膜に導電性を付与する方法と
しては、ドーピングによるpおよびn型半導体化または
ダイヤモンド膜中に導電性の不純物を添加することによ
る方法が挙げられる。p型半導体化のためのドーパント
としては、例えばホウ素を、n型半導体化のためのドー
パントとしてはリン、ナトリウムが挙げられる。また導
電性の不純物としては、例えばグラファイト、W、T
a、Mo等が挙げられる。これらのドーパント、不純物
の添加量はフィールドエミッタ作製に必要なダイヤモン
ド膜の抵抗率1×103 Ω・cm以下を実現するのに十
分な量で通常10〜10,000ppmの範囲が好まし
い。ダイヤモンド膜へのドープ量が10,000ppm
を越えるとダイヤモンドの抵抗率は低下するものの結晶
性も低下し、ダイヤモンド膜の耐スパッタリング特性が
低下してエミッタの寿命が低下する。ダイヤモンド膜の
抵抗率は、1×103 Ω・cm以下にするのが好ましい
が、その理由は、帯状のダイヤモンド電極に流れる電流
が制限されたり、ダイヤモンド膜が発熱しエミッション
電流が不安定になるのを防ぐためである。ドーパント、
不純物の添加量はフィールドエミッタ作製に必要なダイ
ヤモンド膜の抵抗率1×103 Ω・cm以下を実現する
のに十分な量で通常は10〜10,000ppmの範囲
である。ダイヤモンド膜へのドーパントおよび不純物の
添加は添加物にも影響されるが10ppmの添加でダイ
ヤモンド膜の抵抗率約1×103 Ω・cmとなる。添加
量が10ppm以上になるとダイヤモンドの抵抗率は徐
々に低下し、10,000ppmになると抵抗率は約1
0Ω・cm程度となるが、このあたりからダイヤモンド
の結晶性が悪化しはじめダイヤモンド膜の耐スパッタリ
ング特性が低下してエミッタとしての寿命が低下する。
よって実用的な意味でのダイヤモンド膜の抵抗率は10
〜1×103 Ω・cmの範囲が好ましい。As a method of imparting conductivity to a diamond film, there is a method of forming a p-type or n-type semiconductor by doping or a method of adding a conductive impurity to the diamond film. Examples of the dopant for forming a p-type semiconductor include boron, and examples of the dopant for forming an n-type semiconductor include phosphorus and sodium. The conductive impurities include, for example, graphite, W, T
a, Mo and the like. The addition amount of these dopants and impurities is an amount sufficient to realize a resistivity of 1 × 10 3 Ω · cm or less of a diamond film necessary for manufacturing a field emitter, and is usually preferably in a range of 10 to 10,000 ppm. 10,000ppm of dope to diamond film
If it exceeds, the resistivity of the diamond decreases, but the crystallinity also decreases, the sputtering resistance of the diamond film decreases, and the life of the emitter decreases. The resistivity of the diamond film is preferably set to 1 × 10 3 Ω · cm or less, because the current flowing through the band-shaped diamond electrode is restricted, or the diamond film generates heat, and the emission current becomes unstable. This is to prevent Dopants,
The amount of the impurity added is an amount sufficient to realize a resistivity of 1 × 10 3 Ω · cm or less of the diamond film required for manufacturing the field emitter, and is usually in a range of 10 to 10,000 ppm. The addition of dopants and impurities to the diamond film is affected by the additives, but the addition of 10 ppm results in a resistivity of the diamond film of about 1 × 10 3 Ω · cm. When the addition amount is 10 ppm or more, the resistivity of diamond gradually decreases, and when it is 10,000 ppm, the resistivity becomes about 1
At about 0 Ω · cm, the crystallinity of the diamond starts to deteriorate from around this point, and the sputtering resistance of the diamond film decreases, and the life as an emitter decreases.
Therefore, the resistivity of the diamond film in a practical sense is 10
The range is preferably 1 to 10 3 Ω · cm.
【0007】本発明はこの導電性ダイヤモンド膜(これ
がエミッタ電極として作用する)を帯状に形成し、この
エミッタ電極とその上に後で形成する交差した帯状ゲー
ト電極間に電圧を印加することにより、ゲート電極のエ
ッジの部分とその近傍のダイヤモンド膜の結晶の鋭部間
に加わる強電界によりエミッタ電極からフィールドエミ
ッションによるトンネル電子を放出させる。エミッタ電
極とゲート電極をそれぞれ帯状とし交差位置で電子を放
出させるため点状の電子源を簡単な構造で得ることがで
きる。即ち、従来法によるフィールドエミッタ素子は、
エミッタ素子サイズ1μmという大変小さな針状電極を
用い、安定な電子源とするためこれを数百万個も高密度
に配列させ、更に個々のエミッタ電極に1μmφ程度の
開口部をもつゲート電極を設ける必要があった。これに
対し本発明によるフィールドエミッタ素子は、エミッタ
には(111)面を多く有し鋭部が多く存在するダイヤ
モンドの多結晶を用いるのが好ましく、点状の電子源と
するのにエミッタ電極とゲート電極を帯状として各々を
交差させた構造とし、ゲート電極の端部に強電界を発生
させダイヤモンドの鋭部でフィールドエミッションを起
こさせるため、素子の構造は従来法に比べ単純で製造も
簡単になる。According to the present invention, the conductive diamond film (which acts as an emitter electrode) is formed in a band shape, and a voltage is applied between the emitter electrode and a crossed band-shaped gate electrode to be formed later on the film. Tunnel electrons are emitted from the emitter electrode by field emission due to the strong electric field applied between the edge of the gate electrode and the sharp part of the crystal of the diamond film in the vicinity thereof. Since the emitter electrode and the gate electrode are respectively strip-shaped and electrons are emitted at intersections, a point-shaped electron source can be obtained with a simple structure. That is, the field emitter element according to the conventional method is
A very small needle-shaped electrode with an emitter element size of 1 μm is used, millions of these are arranged at a high density in order to provide a stable electron source, and a gate electrode having an opening of about 1 μmφ is provided for each emitter electrode. Needed. On the other hand, in the field emitter element according to the present invention, it is preferable to use a polycrystalline diamond having many (111) planes and many sharp portions for the emitter. The gate electrode has a band-like structure with a cross, and a strong electric field is generated at the end of the gate electrode to cause field emission at the sharp part of diamond, so the element structure is simpler and easier to manufacture than the conventional method. Become.
【0008】帯状のダイヤモンド膜とゲート電極の交差
角は60度以上、120度以下が好ましく、より好まし
くは80度以上、100度以下、更に好ましくは直角で
ある。交差角が60度未満または120度を越えると点
電子源の電子線形状が横長となり電子密度も低くなり、
高密度の点電子源が得られるというフィールドエミッシ
ョンの特徴が生かされなくなり好ましくない。多結晶ダ
イヤモンド膜およびゲート電極の帯の幅は0.01mm
以上0.3mm以下が好ましく、より好ましくは0.0
5mm以上0.2mm以下である。ダイヤモンド膜およ
びゲート電極の幅が0.3mmを越えると交差部分で得
られる電子線も0.3mm角以上と広がり、安定した点
電子源が得られるというフィールドエミッションの特徴
が生かされなくなり好ましくない。またゲート電極の幅
が0.3mmを越えるとゲート電極両端で生ずる電界で
放出される電子線が2つに分離してしまい点電子源とし
ての特徴が低下するため好ましくない。電極の幅が0.
01mmより狭くなった場合は電極の抵抗が高くなりエ
ミッション電流による発熱が発生し、またフィールドエ
ミッションの発生するダイヤモンド膜の鋭部が少なくな
りエミッション電流が減少し優れた点電子源としての特
徴が生かされないため好ましくない。ダイヤモンド膜を
帯状に形成する方法としては、ダイヤモンド膜を全面に
コーティングした後、ダイシングソーやレーザでダイヤ
モンド膜を帯状に加工することができる。また、ダイヤ
モンド膜を帯状に選択成長させる方法としてはフォトリ
ソで作製した帯状のSiO2 マスクを用いる方法(T.
Inoue,H.Tachibana,K.Kumag
ai,K.Miyata,K.Nishimura,
K.Kobayashi and A.Nakane,
Jouranal of Applied Physi
cs,Vol.67,7329(1990))やダイヤ
モンドが核発生し易い金属(例えばFe,Y,Pt,T
a,Nb,Ti,W,Mo)等を絶縁基板上に予め帯状
に蒸着しておく方法等がある。The intersection angle between the band-shaped diamond film and the gate electrode is preferably 60 degrees or more and 120 degrees or less, more preferably 80 degrees or more and 100 degrees or less, and further preferably a right angle. If the crossing angle is less than 60 degrees or exceeds 120 degrees, the electron beam shape of the point electron source becomes oblong and the electron density decreases,
The field emission feature that a high-density point electron source can be obtained cannot be utilized, which is not preferable. Band width of polycrystalline diamond film and gate electrode is 0.01 mm
Not less than 0.3 mm and more preferably not more than 0.0 mm.
5 mm or more and 0.2 mm or less. If the width of the diamond film and the gate electrode exceeds 0.3 mm, the electron beam obtained at the crossing portion also spreads to 0.3 mm square or more, and the field emission feature that a stable point electron source can be obtained is not utilized. On the other hand, if the width of the gate electrode exceeds 0.3 mm, the electron beam emitted by the electric field generated at both ends of the gate electrode is separated into two, and the characteristics as a point electron source are undesirably reduced. The width of the electrode is 0.
When the diameter is smaller than 01 mm, the resistance of the electrode increases and heat is generated due to the emission current. In addition, the sharp portion of the diamond film where the field emission occurs is reduced, the emission current is reduced, and the feature as an excellent point electron source is utilized. It is not preferable because it is not performed. As a method of forming a diamond film in a band shape, after the diamond film is coated on the entire surface, the diamond film can be processed into a band shape using a dicing saw or a laser. As a method for selectively growing a diamond film in a band shape, a method using a band-shaped SiO 2 mask manufactured by photolithography (T.
Inoue, H .; Tachibana, K .; Kumag
ai, K .; Miyata, K .; Nishimura,
K. Kobayashi and A.K. Nakane,
Journal of Applied Physi
cs, Vol. 67, 7329 (1990)) and metals (for example, Fe, Y, Pt, T
a, Nb, Ti, W, Mo) or the like in advance in a strip shape on an insulating substrate.
【0009】エミッタ電極となる導電性の多結晶ダイヤ
モンド膜の厚さは0.1μm以上0.5mm以下が好ま
しく、より好ましくは1μm以上0.1mm以下であ
る。一般的にCVDダイヤモンド膜は膜が厚くなると表
面の構成ダイヤモンド粒径が大きくなる。例えば膜厚1
0μm時は表面の構成ダイヤモンド粒径は約6μm、膜
厚0.1mm時は粒径は約50μmとなる。そのためダ
イヤモンド膜厚が厚くなると表面の結晶の稜線等の鋭部
の単位面積当たりの量が少なくなりゲート電圧による電
界が作用する部分が減少しフィールドエミッション電流
密度は下がる傾向がある。またダイヤモンド膜が薄くな
ると鋭部の密度が高まりエミッション電流密度は増加す
るもののダイヤモンド膜の抵抗値が上がりエミッション
電流が制限されてしまう。本発明のゲート電極として用
いることができる材料は、例えばAl、Au,Pt,M
o,W等が挙げられる。成膜方法としては真空蒸着法、
スパッタリング法、イオンプレーティング法等がある。
ゲート電極の厚さは0.1〜50μm程度が好ましい。
ゲート電極があまり薄くなると抵抗値が高くなり発熱し
溶解する恐れが生じ、厚くなり過ぎると、効果向上の割
にはコスト高となり好ましくない。形成させる本発明の
ダイヤモンド膜は表面の60%以上がより好ましく80
%以上が(111)面で形成するのが好ましい。ダイヤ
モンド膜の(111)面は負の電気陰性度を持つとさ
れ、電子を真空へ取り出し易い。また表面における(1
11)面の比率が60%を越えると(111)面で形成
された四角錐状の結晶が多くでき、その先端部分は鋭く
強電界が生じ易く好ましい。それ故、低いゲート電圧で
もディスプレイ等の蛍光体を光らせるのに十分な電流密
度を得易い。The thickness of the conductive polycrystalline diamond film serving as the emitter electrode is preferably 0.1 μm or more and 0.5 mm or less, more preferably 1 μm or more and 0.1 mm or less. In general, as the CVD diamond film becomes thicker, the constituent diamond particle diameter on the surface becomes larger. For example, film thickness 1
When the thickness is 0 μm, the diameter of the diamond constituting the surface is about 6 μm, and when the thickness is 0.1 mm, the diameter is about 50 μm. Therefore, when the diamond film thickness is increased, the amount of the sharp portion such as the ridge line of the crystal on the surface per unit area is reduced, the portion where the electric field by the gate voltage acts is reduced, and the field emission current density tends to decrease. Further, as the diamond film becomes thinner, the density of the sharp part increases and the emission current density increases, but the resistance value of the diamond film increases and the emission current is limited. Materials that can be used as the gate electrode of the present invention include, for example, Al, Au, Pt, M
o, W and the like. As a film forming method, a vacuum evaporation method,
There are a sputtering method, an ion plating method and the like.
The thickness of the gate electrode is preferably about 0.1 to 50 μm.
If the gate electrode is too thin, the resistance value increases and heat is generated, which may cause melting. If the gate electrode is too thick, the cost is increased for the effect improvement, which is not preferable. The diamond film of the present invention to be formed is more preferably 60% or more of the surface.
% Or more is preferably formed on the (111) plane. The (111) plane of the diamond film is said to have a negative electronegativity, and electrons can be easily taken out into a vacuum. (1)
When the ratio of the 11) plane exceeds 60%, a large number of quadrangular pyramid crystals formed on the (111) plane can be formed, and the tip portion thereof is sharp and a strong electric field is easily generated, which is preferable. Therefore, it is easy to obtain a current density sufficient to illuminate a phosphor such as a display even at a low gate voltage.
【0010】ダイヤモンド膜の(111)面は負の電気
陰性度を持つとされ、比率を高めることにより電子を真
空へ取り出し易くなる。(111)面の比率が6割より
低くなるとゲート電圧の値が急激に高まりダイヤモンド
膜、ゲート電極間の放電等で素子が破壊する可能性が高
くなり好ましくない。CVDダイヤモンド合成で(11
1)面の比率を高める方法として、成膜時の基板温度を
通常より下げ700℃以下とする。水素に対する炭素原
料の比率を通常より高め原子比C/Hを0.015以上
とする等の方法がある。またSiやβ−SiC基板を電
界処理し高配向のダイヤモンド膜を得る方法が報告され
ている(S.Yugo,T.Kanai,T.Kimu
ra and T.Muto,Appl.Phys.L
ett.,58(1991)1036)。ダイヤモンド
膜の帯と交差させて絶縁膜とゲート電極をこの順に帯状
に形成する。ダイヤモンド膜と絶縁膜をはさんだゲート
電極間にダイヤモンド膜を負にして電圧を印加すること
によりゲート電極の端部とダイヤモンド結晶の鋭部で強
電界が生じダイヤモンド膜からエミッション電流が生ず
る。図1に具体的な構造の一例を示す。また帯状のゲー
ト電極は0.01〜0.3mmの範囲で図2のように交
差部分にスリット状や丸等の孔をあけると更に好まし
い。これにより電界が作用するダイヤモンド結晶の鋭部
を増やしエミッション電流を増加させることができる。
この場合、エミッタ電極はランダムな位置に鋭部をもつ
ダイヤモンド膜を用いているため、スピント型のフィー
ルドエミッタと異なりエミッタの鋭部とゲート電極の開
口部を対応させる必要はなく簡単な構造で高電流密度の
点電子原を得ることができる。The (111) plane of the diamond film is assumed to have a negative electronegativity. By increasing the ratio, electrons can be easily taken out into a vacuum. If the ratio of the (111) plane is lower than 60%, the value of the gate voltage sharply increases, and the possibility that the element is destroyed by a discharge between the diamond film and the gate electrode or the like increases, which is not preferable. In CVD diamond synthesis (11
1) As a method of increasing the surface ratio, the substrate temperature during film formation is set lower than usual to 700 ° C. or less. For example, there is a method in which the ratio of the carbon raw material to hydrogen is made higher than usual to make the atomic ratio C / H 0.015 or more. Also, a method of obtaining a highly oriented diamond film by performing an electric field treatment on a Si or β-SiC substrate has been reported (S. Yugo, T. Kanai, T. Kimu).
ra and T.R. Muto, Appl. Phys. L
ett. , 58 (1991) 1036). An insulating film and a gate electrode are formed in a band shape in this order so as to cross the band of the diamond film. When a negative voltage is applied to the diamond film between the diamond film and the gate electrode sandwiching the insulating film and a voltage is applied, a strong electric field is generated at the end of the gate electrode and the sharp portion of the diamond crystal, and an emission current is generated from the diamond film. FIG. 1 shows an example of a specific structure. Further, it is more preferable that the band-shaped gate electrode has a slit-like or round hole at the intersection in the range of 0.01 to 0.3 mm as shown in FIG. This makes it possible to increase the sharpness of the diamond crystal on which the electric field acts and increase the emission current.
In this case, since the emitter electrode uses a diamond film having sharp portions at random positions, unlike a Spindt-type field emitter, it is not necessary to make the sharp portion of the emitter correspond to the opening of the gate electrode, and the structure is simple and high. A point electron source with a current density can be obtained.
【0011】絶縁膜とゲート電極の積層の方法としては
通常のフォトリソ工程を用いることができる。例えば絶
縁膜を形成後その上にレジストによる帯状のパターンを
形成し、その上にゲート電極層を形成した後、レジスト
を剥離し帯状のゲート電極とする。更に基板表面に現れ
ている部分の絶縁膜を溶解することにより絶縁膜とゲー
ト電極が積層した帯状電極とすることができる。別の作
製方法としては、絶縁膜を形成後その上にゲート電極層
を形成し、更にその上にレジストによる帯状パターンを
形成する。その後表面に現れた電極層を除去後さらに表
面に現れた絶縁層を除去し最後にレジストを剥離すると
同様の構造を形成することができる。上記絶縁層の例と
しては、例えばSiO2 、Si3 N4 、ZrO2 、アル
ミナ、ポリイミドが挙げられる。形成の方法としては塗
布法、蒸着法等がある。絶縁層の厚みとしては、0.1
〜10μmが好ましい。絶縁層が0.1μm以下になる
と印加するゲート電圧に耐えきれず、絶縁破壊する恐れ
があり、好ましくない。一方、10μmを越えると、ダ
イヤモンド結晶表面に加わる電界が低くなりフィールド
エミッションが生じ難くなる。As a method of laminating the insulating film and the gate electrode, a usual photolithography process can be used. For example, after forming an insulating film, a belt-like pattern of a resist is formed thereon, and a gate electrode layer is formed thereon, and then the resist is peeled off to form a belt-like gate electrode. Further, by dissolving the portion of the insulating film that appears on the surface of the substrate, a strip-shaped electrode in which the insulating film and the gate electrode are stacked can be obtained. As another manufacturing method, after forming an insulating film, a gate electrode layer is formed thereon, and a belt-like pattern of a resist is formed thereon. After that, the same structure can be formed by removing the electrode layer appearing on the surface, removing the insulating layer appearing on the surface, and finally removing the resist. Examples of the insulating layer include, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , ZrO 2 , alumina, and polyimide. As a forming method, there are a coating method, a vapor deposition method and the like. The thickness of the insulating layer is 0.1
-10 μm is preferred. If the thickness of the insulating layer is 0.1 μm or less, it cannot withstand the applied gate voltage, which may cause dielectric breakdown, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 10 μm, the electric field applied to the diamond crystal surface becomes low, and it becomes difficult for field emission to occur.
【0012】[0012]
【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited to these examples.
【0013】(実施例1)基板として絶縁性(比抵抗率
1×1014Ω・cm)のアルミナ板(密度は理論密度の
98%)20×20×3mmを用いた。タンタル製のフ
ィラメントによる熱フィラメントCVD法を用い、投入
電力1kWh、反応圧力100Torr、原料ガスには
水素1リットル/分、メタン50cc/分(C/H原子
比=0.025)、B2 H6 0.02cc/分、基板温
度600℃、基板−フィラメント間距離10mmの条件
下で2時間合成し膜厚5μmのダイヤモンド膜を成膜し
た。ダイヤモンド膜表面の結晶配向は(111)面が全
体の85%を占め、他は(100)、(110)面で構
成されていた。ダイヤモンド表面の抵抗率を測定したと
ころ78Ω・cmであった。(Example 1) An insulating (specific resistance: 1 × 10 14 Ω · cm) alumina plate (density is 98% of the theoretical density) 20 × 20 × 3 mm was used as a substrate. Using a hot filament CVD method with a tantalum filament, the input power is 1 kWh, the reaction pressure is 100 Torr, the raw material gas is hydrogen 1 liter / min, methane 50 cc / min (C / H atomic ratio = 0.025), B 2 H 6 The composition was synthesized for 2 hours under the conditions of 0.02 cc / min, the substrate temperature of 600 ° C., and the distance between the substrate and the filament of 10 mm to form a diamond film having a thickness of 5 μm. The (111) plane occupied 85% of the whole crystal orientation of the diamond film, and the others were composed of (100) and (110) planes. When the resistivity of the diamond surface was measured, it was 78 Ω · cm.
【0014】この導電性ダイヤモンドを成膜した板をエ
キシマレーザ(ArF、平均出力30W、パルス幅15
nS)を用いて速度3mm/Sでダイヤモンド膜表面を
走査し、レーザー照射部分でアルミナ基板を残してダイ
ヤモンド膜のみを除去することによりダイヤモンド膜を
幅300μm、長さ20mmの帯状に加工した。この板
の表面にSiO2 の塗料(東京応化(株)OCD Ty
pe−7)を20秒間スピンコート(回転数500回転
/分)し、窒素ガス中で200℃、1分間加熱乾燥させ
ることにより厚み1μmのSiO2 絶縁膜を形成した。
この上に合成ゴム系のレジスト(東京応化(株)EPP
R)を約10μmの厚さでディップコーティングし、1
00℃の温風中で20分間乾燥後、帯状のダイヤモンド
膜の中央部分で幅300μm、長さ15mmのメタルマ
スクの中央部を90°に交差させて露光(波長436n
m、露光量150mJ/cm2 )、現像しレジストに幅
300μm、長さ15mmのダイヤモンドの帯と交差す
るスリット状のパターンを開けた。残留している溶剤を
除去するため120℃、20分間通風乾燥後、RFスパ
ッタ法によりタングステンのゲート電極層を厚さ0.6
μmで成膜した。その後レジストを剥離させ300μm
幅、長さ15mmのタングステン電極を形成しその後、
露出しているSiO2 の絶縁層をフッ酸(10%水溶
液)で除去した。この素子をガラス容器に封入し、内部
を1×10-7Torrに減圧後500℃、5時間ベーキ
ングして表面を清浄化した。ダイヤモンド膜(カソード
電極)に負、ゲート電極に正の電圧を84V印加したと
ころカソード、ゲート間で3μAの電流が流れた。The plate on which the conductive diamond was formed was coated with an excimer laser (ArF, average output 30 W, pulse width 15
The surface of the diamond film was scanned at a speed of 3 mm / S using nS), and the diamond film was processed into a band shape having a width of 300 μm and a length of 20 mm by removing only the diamond film while leaving the alumina substrate at the laser-irradiated portion. The surface of this plate is coated with SiO 2 paint (OCD Ty, Tokyo Ohka Co., Ltd.).
pe-7) was spin-coated (at 500 rpm) for 20 seconds, and heated and dried in a nitrogen gas at 200 ° C. for 1 minute to form a 1 μm thick SiO 2 insulating film.
On top of this, a synthetic rubber-based resist (Tokyo Ohka Co., Ltd. EPP)
R) by dip coating to a thickness of about 10 μm,
After drying in warm air of 00 ° C. for 20 minutes, the central part of the strip-shaped diamond film is exposed to light by crossing the central part of a metal mask having a width of 300 μm and a length of 15 mm at 90 ° (wavelength 436n).
m, an exposure amount of 150 mJ / cm 2 ), developed, and formed a slit-shaped pattern in the resist crossing a diamond band having a width of 300 μm and a length of 15 mm. After drying with air at 120 ° C. for 20 minutes to remove the residual solvent, the tungsten gate electrode layer was formed to a thickness of 0.6 by RF sputtering.
A film was formed with a thickness of μm. Then remove the resist and remove
After forming a tungsten electrode with a width and length of 15 mm,
The exposed insulating layer of SiO 2 was removed with hydrofluoric acid (10% aqueous solution). This device was sealed in a glass container, and the inside was baked at 500 ° C. for 5 hours after decompression to 1 × 10 −7 Torr to clean the surface. When a negative voltage was applied to the diamond film (cathode electrode) and a positive voltage of 84 V was applied to the gate electrode, a current of 3 μA flowed between the cathode and the gate.
【0015】(実施例2)実施例1と同様の幅の帯状ゲ
ート電極で、ダイヤモンド膜との交差部分の中央に10
0μm角の開口部を1個設けた。この素子を実施例1と
同一の条件下で作製し同一の電圧(84V)を印加した
ところカソード、ゲート間で5μAの電流が流れた。(Embodiment 2) A band-shaped gate electrode having the same width as that of Embodiment 1 and having a width of 10
One opening of 0 μm square was provided. This device was manufactured under the same conditions as in Example 1 and the same voltage (84 V) was applied. As a result, a current of 5 μA flowed between the cathode and the gate.
【0016】(実施例3〜7)実施例1においてダイヤ
モンド膜の結晶表面で(111)面が全体に占める割合
を変化させて比較を行った。他の条件は実施例1と同じ
にし、実施例1と同一の電流が得られるカソード、ゲー
ト間電圧を測定した。その結果、表1の結果が得られ
た。(Examples 3 to 7) In Example 1, a comparison was made by changing the ratio of the (111) plane to the whole crystal surface of the diamond film. Other conditions were the same as in Example 1, and the voltage between the cathode and the gate at which the same current as in Example 1 was obtained was measured. As a result, the results shown in Table 1 were obtained.
【0017】[0017]
【表1】 [Table 1]
【0018】[0018]
【発明の効果】本発明によると優れた特性を持つ点電子
源が簡単なプロセス、構造で造ることができ、フラット
パネルディスプレイ等に応用すると従来のものに比べ大
幅にコストとダウンが可能である。According to the present invention, a point electron source having excellent characteristics can be manufactured by a simple process and structure, and when applied to a flat panel display or the like, the cost and cost can be greatly reduced as compared with conventional ones. .
【図1】本発明の一構造を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing one structure of the present invention.
【図2】本発明の一構造を示す上面図である。FIG. 2 is a top view showing one structure of the present invention.
1 絶縁基板 2 導電性ダイヤモンド膜 3 絶縁膜 4 ゲート電極 Reference Signs List 1 insulating substrate 2 conductive diamond film 3 insulating film 4 gate electrode
Claims (3)
ダイヤモンド膜が帯状に形成され、該ダイヤモンド膜と
交差させ絶縁膜とゲート電極とを帯状に形成されている
ことを特徴とするフィールドエミッタ素子。1. A field, wherein a polycrystalline diamond film provided with conductivity is formed in a band shape on an insulating substrate, and the insulating film and the gate electrode are formed in a band shape so as to intersect with the diamond film. Emitter element.
の帯の幅の少なくとも1つが0.01〜0.3mmであ
ることを特徴とする請求項1記載のフィールドエミッタ
素子。2. The field emitter element according to claim 1, wherein at least one of the widths of the band of the polycrystalline diamond film and the gate electrode is 0.01 to 0.3 mm.
が(111)面で形成されていることを特徴とする請求
項1または2記載のフィールドエミッタ素子。3. The field emitter element according to claim 1, wherein 60% or more of the surface of the polycrystalline diamond film is formed by the (111) plane.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11309197A JPH10302608A (en) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | Field emitter element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11309197A JPH10302608A (en) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | Field emitter element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10302608A true JPH10302608A (en) | 1998-11-13 |
Family
ID=14603262
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11309197A Pending JPH10302608A (en) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | Field emitter element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10302608A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100778408B1 (en) * | 2002-02-18 | 2007-11-22 | 삼성에스디아이 주식회사 | Field emission display device and manufacturing method thereof |
JP2022088906A (en) * | 2020-12-03 | 2022-06-15 | 株式会社東芝 | Electron emission electrode and magnetron |
-
1997
- 1997-04-30 JP JP11309197A patent/JPH10302608A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100778408B1 (en) * | 2002-02-18 | 2007-11-22 | 삼성에스디아이 주식회사 | Field emission display device and manufacturing method thereof |
JP2022088906A (en) * | 2020-12-03 | 2022-06-15 | 株式会社東芝 | Electron emission electrode and magnetron |
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