JP2000223006A - Diamond electron emitting element and manufacture thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、長寿命、低電圧駆
動、高効率を有するマイクロ波デバイス、パワーデバイ
ス用のダイヤモンド電子放出素子及びその製造方法に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave device having a long life, low voltage driving, and high efficiency, a diamond electron-emitting device for a power device, and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来のダイヤモンド電子放出素子の構成
を図３に示して簡単に説明する。図３において、符号の
１はダイヤモンド下地基板、３はダイヤモンドｐ型半導
体膜、５及び７はオーミック電極、６はリンドープダイ
ヤモンド膜をそれぞれ示している。図３に示す従来のダ
イヤモンド電子放出素子は、ダイヤモンド下地基板１上
に室温では絶縁体のリンドープダイヤモンド膜６の層を
形成し、さらにこのリンドープダイヤモンド膜６の上に
ダイヤモンドｐ型半導体膜３の層を形成して両層間で接
合を作り、ダイヤモンドｐ型半導体膜３及びリンドープ
ダイヤモンド膜６の表面３ａ，６ａにそれぞれオーミッ
ク電極５，７を形成したものである。2. Description of the Related Art The structure of a conventional diamond electron-emitting device will be briefly described with reference to FIG. In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a diamond base substrate, 3 denotes a diamond p-type semiconductor film, 5 and 7 denote ohmic electrodes, and 6 denotes a phosphorus-doped diamond film. In the conventional diamond electron-emitting device shown in FIG. 3, a layer of an insulating phosphorus-doped diamond film 6 is formed on a diamond base substrate 1 at room temperature, and a diamond p-type semiconductor film 3 is formed on the phosphorus-doped diamond film 6. Are formed between the two layers to form ohmic electrodes 5 and 7 on the surfaces 3a and 6a of the diamond p-type semiconductor film 3 and the phosphorus-doped diamond film 6, respectively.
【０００３】このように構成されたダイヤモンド電子放
出素子では、ダイヤモンドｐ型半導体膜３上に形成した
オーミック電極５に対して、リンドープダイヤモンド膜
６上に形成したオーミック電極７に負の電圧を印加した
状態で、リンドープダイヤモンド膜６からダイヤモンド
ｐ型半導体膜３へ注入した電子をダイヤモンドｐ型半導
体膜３の表面３ａから放出することで、ダイヤモンドの
化学的安定性を利用した長寿命な電子放出素子として使
用してきた。In the diamond electron-emitting device configured as described above, a negative voltage is applied to the ohmic electrode 7 formed on the phosphorus-doped diamond film 6 with respect to the ohmic electrode 5 formed on the diamond p-type semiconductor film 3. In this state, electrons injected from the phosphorus-doped diamond film 6 into the diamond p-type semiconductor film 3 are emitted from the surface 3a of the diamond p-type semiconductor film 3, thereby providing long-life electron emission utilizing the chemical stability of diamond. It has been used as an element.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来構成のものでは、室温で絶縁体となるリンドープ
ダイヤモンド膜６の電気伝導度が著しく低いため、電子
をダイヤモンドｐ型半導体膜３へ注入するためには１０
０Ｖ以上の高い電圧をオーミック電極７に印加する必要
があり、ダイヤモンド電子放出素子の駆動電圧を高くす
る要因となっていた。However, in the above-described conventional structure, electrons are injected into the diamond p-type semiconductor film 3 because the electric conductivity of the phosphorus-doped diamond film 6 serving as an insulator at room temperature is extremely low. 10 for
It was necessary to apply a high voltage of 0 V or more to the ohmic electrode 7, which was a factor of increasing the driving voltage of the diamond electron-emitting device.
【０００５】このような問題に加えて、室温で絶縁体と
なるリンドープダイヤモンド膜６の結晶性が悪く、しか
も、ダイヤモンドｐ型半導体膜３を形成した場合、リン
ドープダイヤモンド膜６とダイヤモンドｐ型半導体膜３
との接合界面やダイヤモンドｐ型半導体膜３中で、リン
ドープダイヤモンド膜６からダイヤモンドｐ型半導体膜
３へ注入した電子が欠陥等により再結合することがあ
る。このため、ダイヤモンドｐ型半導体膜３の表面３ａ
へ到達する電子の数が減少し、結果的に電子放出素子の
効率を低下させるという問題もあった。[0005] In addition to the above problems, the crystallinity of the phosphorus-doped diamond film 6 which becomes an insulator at room temperature is poor, and when the diamond p-type semiconductor film 3 is formed, the phosphorus-doped diamond film 6 and the diamond p-type Semiconductor film 3
The electrons injected from the phosphorus-doped diamond film 6 into the diamond p-type semiconductor film 3 may be recombined due to defects or the like in the bonding interface with the diamond p-type semiconductor film 3. Therefore, the surface 3a of the diamond p-type semiconductor film 3
There is also a problem that the number of electrons arriving at the GaAs decreases, and as a result, the efficiency of the electron-emitting device decreases.
【０００６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、駆動電圧を低下させると共に電子放出の効率を向
上させたダイヤモンド電子放出素子及びその製造方法の
提供を目的としている。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a diamond electron-emitting device having a reduced driving voltage and improved electron emission efficiency, and a method of manufacturing the same.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため以下の手段を採用した。請求項１に記載のダ
イヤモンド電子放出素子は、ダイヤモンド下地基板と、
該ダイヤモンド下地基板上に形成したダイヤモンドｎ型
半導体膜の層と、該ダイヤモンドｎ型半導体膜層上に形
成したダイヤモンドｐ型半導体膜の層と、前記ダイヤモ
ンドｎ型半導体膜の層及び前記ダイヤモンドｐ型半導体
膜の層のそれぞれの表面に形成したオーミック電極とに
より構成したことを特徴とするものである。The present invention employs the following means to solve the above-mentioned problems. The diamond electron-emitting device according to claim 1, wherein:
A layer of a diamond n-type semiconductor film formed on the diamond base substrate; a layer of a diamond p-type semiconductor film formed on the diamond n-type semiconductor film layer; a layer of the diamond n-type semiconductor film; And an ohmic electrode formed on each surface of the semiconductor film layer.
【０００８】このようなダイヤモンド電子放出素子によ
れば、高品位で且つ室温で高い電気伝導度を有するダイ
ヤモンドｎ型半導体膜の層とダイヤモンドｐ型半導体膜
の層とによりｐｎ接合が形成されるので、ダイヤモンド
電子放出素子の駆動電圧を低減でき、さらに電子の放出
効率が向上する。According to such a diamond electron-emitting device, a pn junction is formed by a diamond n-type semiconductor film layer and a diamond p-type semiconductor film layer having high quality and high electrical conductivity at room temperature. In addition, the driving voltage of the diamond electron-emitting device can be reduced, and the electron emission efficiency is further improved.
【０００９】請求項２に記載のダイヤモンド電子放出素
子の製造方法は、ダイヤモンド下地基板上にダイヤモン
ドｎ型半導体膜の層を形成する工程と、前記ダイヤモン
ドｎ型半導体膜の層上にダイヤモンドｐ型半導体膜の層
を形成する工程と、前記ダイヤモンドｎ型半導体膜層及
び前記ダイヤモンドｐ型半導体膜層のそれぞれの表面に
オーミック電極を形成する工程とを具備してなり、前記
ダイヤモンドｎ型半導体膜層を形成する工程において、
所定の真空圧に減圧された真空容器内に前記ダイヤモン
ド下地基板を保持して所定の温度まで加熱すると共に、
炭化水素ガス及びドープ剤のガスの分子流をそれぞれ前
記真空容器内が所定の圧力で前記ダイヤモンド下地基板
に向けて導入するようにしたことを特徴とするものであ
る。A method for manufacturing a diamond electron-emitting device according to claim 2, wherein a diamond n-type semiconductor film layer is formed on a diamond base substrate, and a diamond p-type semiconductor film is formed on the diamond n-type semiconductor film. Forming a ohmic electrode on each surface of the diamond n-type semiconductor film layer and the diamond p-type semiconductor film layer, and forming the diamond n-type semiconductor film layer. In the forming step,
While holding the diamond base substrate in a vacuum vessel reduced to a predetermined vacuum pressure and heating it to a predetermined temperature,
A hydrocarbon gas and a molecular gas of a dopant gas are introduced into the vacuum vessel at a predetermined pressure toward the diamond base substrate.
【００１０】このようなダイヤモンド電子放出素子の製
造方法によれば、高品位で且つ室温で高い電気伝導度を
有するダイヤモンドｎ型半導体膜の層を再現性よく成膜
することが可能となる。According to such a method of manufacturing a diamond electron-emitting device, a layer of a diamond n-type semiconductor film having high quality and high electric conductivity at room temperature can be formed with good reproducibility.
【００１１】請求項３に記載のダイヤモンド電子放出素
子の製造方法は、前記炭化水素ガス及び前記ドープ剤の
ガスの分子流と共に、原子状水素ガスの分子流を前記真
空容器内が所定の圧力で導入したことを特徴とするもの
である。According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a diamond electron-emitting device, the molecular flow of the atomic hydrogen gas and the molecular flow of the hydrocarbon gas and the dopant gas are controlled at a predetermined pressure in the vacuum vessel. It is characterized by being introduced.
【００１２】このようなダイヤモンド電子放出素子の製
造方法によれば、炭化水素ガスを吸着したダイヤモンド
下地基板の表面やダイヤモンドｎ型半導体膜の表面水素
を脱離させることができるので、表面の活性化が可能と
なる。According to such a method for manufacturing a diamond electron-emitting device, the surface hydrogen of the diamond substrate and the surface of the diamond n-type semiconductor film to which the hydrocarbon gas has been adsorbed can be desorbed. Becomes possible.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るダイヤモンド
電子放出素子及びその製造方法の一実施形態を、図面に
基づいて説明する。図１は本発明のダイヤモンド電子放
出素子の概略構成を示す図で、図中の符号１はダイヤモ
ンド下地基板、２はダイヤモンドｎ型半導体膜、３はダ
イヤモンドｐ型半導体膜、４及び５はオーミック電極を
示している。また、図２はダイヤモンド下地基板１上に
ダイヤモンドｎ型半導体膜２を成膜する装置の一例を示
す概略構成図で、図中の符号１０は真空容器、１１は真
空換気装置、１２は分圧計、１３はダイヤモンド下地基
板１を保持するホルダー、１４は水素導入管、１５は水
素導入管１４内に設置された熱フィラメント、１６は炭
化水素ガス導入管、１７はドープ剤導入管を示してい
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a diamond electron-emitting device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a diamond electron-emitting device of the present invention. In the drawing, reference numeral 1 denotes a diamond base substrate, 2 denotes a diamond n-type semiconductor film, 3 denotes a diamond p-type semiconductor film, and 4 and 5 denote ohmic electrodes. Is shown. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of an apparatus for forming a diamond n-type semiconductor film 2 on a diamond base substrate 1, in which reference numeral 10 is a vacuum vessel, 11 is a vacuum ventilator, and 12 is a partial pressure gauge. , 13 is a holder for holding the diamond base substrate 1, 14 is a hydrogen inlet tube, 15 is a hot filament installed in the hydrogen inlet tube 14, 16 is a hydrocarbon gas inlet tube, and 17 is a doping agent inlet tube. .
【００１４】図１に示すように、化学的に十分に安定な
ダイヤモンドを利用したダイヤモンド下地基板１上に
は、リン（Ｐ）をドープされた、好適には１０17〜１０
20個／ｃｍ3 の割合でリンがドープされたダイヤモンド
ｎ型半導体膜２の層が形成されている。さらに、このダ
イヤモンドｎ型半導体膜２の上には、ダイヤモンドｐ型
半導体膜３の層が形成され、これらのダイヤモンドｎ型
半導体膜２とダイヤモンドｐ型半導体膜３とにより、ｐ
ｎ接合が形成されている。このｐｎ接合には、ダイヤモ
ンドｐ型半導体膜３上に形成したオーミック電極（以
下、ｐ型用電極と呼ぶ）５と、ダイヤモンドｎ型半導体
膜２上に形成したオーミック電極（以下、ｎ型用電極と
呼ぶ）４とが設けられ、これらのダイヤモンド下地基板
１、ダイヤモンドｎ型半導体膜２、ダイヤモンドｐ型半
導体膜３、ｎ型用電極４及びｐ型用電極５により、ダイ
ヤモンド電子放出素子を構成している。As shown in FIG. 1, a diamond (P) -doped, preferably 10 17 -10 is doped on a diamond base substrate 1 using diamond which is chemically sufficiently stable.
A layer of the diamond n-type semiconductor film 2 doped with phosphorus at a rate of 20 / cm 3 is formed. Further, a layer of a diamond p-type semiconductor film 3 is formed on the diamond n-type semiconductor film 2.
An n-junction is formed. The pn junction includes an ohmic electrode (hereinafter referred to as p-type electrode) 5 formed on the diamond p-type semiconductor film 3 and an ohmic electrode (hereinafter referred to as n-type electrode) formed on the diamond n-type semiconductor film 2. The diamond electron-emitting device is constituted by the diamond base substrate 1, the diamond n-type semiconductor film 2, the diamond p-type semiconductor film 3, the n-type electrode 4 and the p-type electrode 5. ing.
【００１５】このように構成されたダイヤモンド電子放
出素子は、ダイヤモンド下地基板１上に図２に示すよう
な成膜装置を用いてダイヤモンドｎ型半導体膜３を成膜
し、引き続き、従来構造（図３参照）として前述した電
子放出素子の場合と同様に説明を省略した公知技術によ
りダイヤモンドｐ型半導体膜３を成膜した後、ダイヤモ
ンドｐ型半導体膜３の表面３ａ上に形成したｐ型用電極
５と、ダイヤモンドｎ型半導体膜２の表面２ａ上に形成
したｎ型用電極４とを設けることにより、容易に製造す
ることができる。In the diamond electron-emitting device thus configured, a diamond n-type semiconductor film 3 is formed on a diamond base substrate 1 using a film forming apparatus as shown in FIG. 3), a p-type electrode formed on the surface 3a of the diamond p-type semiconductor film 3 after forming the diamond p-type semiconductor film 3 by a known technique whose description is omitted as in the case of the electron-emitting device described above. 5 and the n-type electrode 4 formed on the surface 2a of the diamond n-type semiconductor film 2 can be easily manufactured.
【００１６】図２に示すように、成膜装置用の真空容器
１０は、真空排気装置１１により減圧され、内部にはダ
イヤモンド下地基板１を保持するホルダー１３が設けら
れている。このホルダー１３には、タンタル、モリブデ
ン又はグラファイトなどの高融点材料からなる加熱手段
として、電熱ヒータ（図示省略）が取り付けられてお
り、保持した上記のダイヤモンド下地基板１を所定の温
度に加熱することができる。また、真空容器１０の上部
には、ホルダー１３に向けてメタン、エタン、プロパ
ン、ブタンなどのような炭化水素ガス（図中に矢印１９
で表示）を供給する炭化水素ガス導入管１６、トリ−ｎ
−ブチルフォスフィンなどのような一般式がＰＲ3 （但
し、Ｐはリン、Ｒは水素又は炭化水素基を表わす）など
で表わされるリンを含有するドープ剤のガス（図中に矢
印２０で表示）を供給するドープ剤導入管１７、及び水
素ガス（図中に矢印１８で表示）を供給する水素ガス導
入管１４がそれぞれ設けられている。このうち、水素ガ
ス導入管１４の内部には、水素ガス１８を加熱して励起
させることにより原子状態とするタングステン製の熱フ
ィラメント１５が設けらている。つまり、水素ガス導入
管１４の先端からは、原子状水素ガス１８がホルダー１
３上へ向けて供給される。なお、真空容器１０に設けた
分圧計１２により、上述したそれぞれのガス供給圧力が
モニターされる。As shown in FIG. 2, the vacuum vessel 10 for the film forming apparatus is depressurized by a vacuum evacuation device 11, and a holder 13 for holding the diamond base substrate 1 is provided inside. The holder 13 is provided with an electric heater (not shown) as a heating means made of a high melting point material such as tantalum, molybdenum, or graphite, and heats the held diamond base substrate 1 to a predetermined temperature. Can be. In addition, a hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, butane, etc. (arrow 19 in FIG.
, A hydrocarbon gas inlet pipe 16 for supplying tri-n
- general formula PR 3, such as butyl phosphine (where, P is phosphorus, R represents hydrogen or a hydrocarbon group) indicated by arrows 20 in the gas (Figure dopants containing phosphorus represented by like ) And a hydrogen gas introduction pipe 14 for supplying hydrogen gas (indicated by an arrow 18 in the figure). Among these, a hot filament 15 made of tungsten is provided inside the hydrogen gas introduction pipe 14 by heating and exciting the hydrogen gas 18 to be in an atomic state. That is, from the tip of the hydrogen gas introduction pipe 14, the atomic hydrogen gas 18 is supplied to the holder 1.
3 is supplied upward. The above gas supply pressures are monitored by a partial pressure gauge 12 provided in the vacuum vessel 10.
【００１７】さて、上記各導入管１４，１６，１７の先
端とホルダー１３との距離、すなわち各ガス１８，１
９，２０のダイヤモンド下地基板１までの流路長さは、
各ガス１８，１９，２０の平均自由工程の大きさよりも
小さい大きさ、すなわち分子線として供給される。この
ような成膜装置を用いて、ダイヤモンド下地基板１上に
ダイヤモンドｎ型半導体膜２を成膜するためには、以下
のようにすればよい。The distance between the distal end of each of the introduction pipes 14, 16, 17 and the holder 13, that is, each gas 18, 1
The flow path lengths to the diamond base substrate 1 of 9, 20 are as follows:
Each gas 18, 19, 20 is supplied as a size smaller than the size of the mean free path, that is, as a molecular beam. In order to form the diamond n-type semiconductor film 2 on the diamond base substrate 1 using such a film forming apparatus, the following may be performed.
【００１８】最初の第１工程では、真空排気装置１１に
より成膜装置の真空容器１０内を高い真空（好適には１
×１０-8Ｔｏｒｒ以下）にすると共に、残留窒素や酸素
を除去し、図示省略の電熱ヒーターによりホルダー１３
に保持されたダイヤモンド下地基板１を所定温度に加熱
する。続く第２工程では、炭化水素ガス導入管１６から
ホルダー１３に向けて、炭化水素ガス１９を分子流で導
入する。この場合、真空容器（成膜装置）１０内が所定
の圧力で、好適には５×１０-5Ｔｏｒｒの圧力で導入す
る。これと同時に、ドープ剤導入管１７からホルダー１
３に向けて、ドープ剤のガス２０を分子流で導入する。
この場合においても、真空容器（成膜装置）１０内が所
定の圧力で、好適には２×１０-7〜２×１０-6Ｔｏｒｒ
の圧力で供給する。一方、水素ガス導入管１４からホル
ダー１３へ向けて、原子状水素ガス１８が分子流で供給
されるようにするため、熱フィラメント１５で水素ガス
を加熱励起しながら所定圧力で導入する。この場合の所
定圧力は、１×１０-4Ｔｏｒｒが好適である。なお、こ
れらのガスを導入する際には、リン（Ｐ）と炭素（Ｃ）
との混合比、すなわち［Ｐ］／［Ｃ］が所定の濃度とな
るように、好適には３００００ｐｐｍとなるように、分
圧計１２で確認しながら上記調整を行う。In the first first step, the inside of the vacuum chamber 10 of the film forming apparatus is evacuated to a high vacuum (preferably 1
× 10 −8 Torr or less), while removing residual nitrogen and oxygen.
Is heated to a predetermined temperature. In the subsequent second step, the hydrocarbon gas 19 is introduced in a molecular flow from the hydrocarbon gas introduction pipe 16 toward the holder 13. In this case, the inside of the vacuum vessel (film forming apparatus) 10 is introduced at a predetermined pressure, preferably at a pressure of 5 × 10 −5 Torr. At the same time, the holder 1
Towards 3, dope gas 20 is introduced in a molecular flow.
Also in this case, the inside of the vacuum vessel (film forming apparatus) 10 is kept at a predetermined pressure, preferably 2 × 10 −7 to 2 × 10 −6 Torr.
Supply at a pressure of On the other hand, in order to supply the atomic hydrogen gas 18 in a molecular flow from the hydrogen gas introduction pipe 14 to the holder 13, the hydrogen gas is introduced at a predetermined pressure while being heated and excited by the hot filament 15. In this case, the predetermined pressure is preferably 1 × 10 −4 Torr. When introducing these gases, phosphorus (P) and carbon (C)
The above adjustment is performed while checking with the partial pressure gauge 12 so that the mixing ratio with the above, that is, [P] / [C] becomes a predetermined concentration, preferably 30,000 ppm.
【００１９】このようにして上述した各ガス１８，１
９，２０を分子線で供給すると、リンドープが施された
ダイヤモンドｎ型半導体膜２をダイヤモンド下地基板１
上に成膜することができ、高い電気伝導度（０．１〜３
０(Ωcm)-1）を有するダイヤモンドｎ型半導体膜２を再
現性よく成膜することが可能となる。また、上述した成
膜装置においては、炭化水素ガス１９を吸着したダイヤ
モンド下地基板１の表面や、成膜中のダイヤモンドｎ型
半導体膜２の表面２ａを活性化するために、すなわち表
面水素を脱離させるために、原子状水素ガス１８を照射
したが、表面活性化の必要がない場合には、前述した原
子状水素ガス１８の供給を省くようにしても良い。Thus, each of the above-mentioned gases 18, 1
When 9, 20 are supplied by molecular beam, the diamond n-type semiconductor film 2 doped with phosphorus is
On which high electrical conductivity (0.1-3
0 (Ωcm) −1 ) can be formed with good reproducibility. Further, in the above-described film forming apparatus, in order to activate the surface of the diamond base substrate 1 to which the hydrocarbon gas 19 is adsorbed and the surface 2a of the diamond n-type semiconductor film 2 being formed, that is, to remove the surface hydrogen. Although the atomic hydrogen gas 18 is irradiated for separation, the supply of the atomic hydrogen gas 18 may be omitted when the surface activation is not necessary.
【００２０】このようなダイヤモンドｎ型半導体膜２を
備えた図１のダイヤモンド電子放出素子において、ダイ
ヤモンドｐ型半導体膜３の表面３ａ上に形成したｐ型用
電極５に対し、ダイヤモンドｎ型半導体膜２の表面２ａ
上に形成したｎ型用電極４に５．５Ｖを超える負電圧を
印加するという実験を実施した結果、ダイヤモンドｐ型
半導体膜３の表面から電子放出が確認された。In the diamond electron-emitting device of FIG. 1 provided with such a diamond n-type semiconductor film 2, a diamond n-type semiconductor film is formed on the p-type electrode 5 formed on the surface 3a of the diamond p-type semiconductor film 3. 2 surface 2a
As a result of conducting an experiment in which a negative voltage exceeding 5.5 V was applied to the n-type electrode 4 formed above, electron emission from the surface of the diamond p-type semiconductor film 3 was confirmed.
【００２１】すなわち、従来のリンドープダイヤモンド
膜６に代えてダイヤモンドｎ型半導体膜２を採用するこ
とにより、電子源の駆動電圧を１００Ｖから５．５Ｖを
超える程度の低い値まで低下させることができるので、
従来に比べて駆動電圧を概ね１桁低下させることが可能
であることを確認できた。That is, by employing the diamond n-type semiconductor film 2 instead of the conventional phosphorus-doped diamond film 6, the driving voltage of the electron source can be reduced from 100V to a low value exceeding 5.5V. So
It was confirmed that the driving voltage can be reduced by approximately one digit as compared with the related art.
【００２２】また、従来のリンドープダイヤモンド膜６
に代えてダイヤモンドｎ型半導体膜２を採用した本発明
のダイヤモンド電子放出素子は、ダイヤモンドｐ型半導
体膜３の表面３ａ上に形成したｐ型用電極５に対し、ダ
イヤモンドｎ型半導体膜２の表面２ａ上に形成したｐ型
用電極４に５．５Ｖを超える負電圧を印加するという実
験を実施した結果、流れる電流値に対するダイヤモンド
ｐ型半導体膜３の表面３ａから放出される電子による電
流値の割合は１０-3以上という値になり、従来の１０-8
以上という値と比較して高い値が得られた。このこと
は、ダイヤモンドｎ型半導体膜２を採用することによ
り、電子の放出効率を概ね５桁向上させることが可能で
あることを意味しており、電子の放出効率が大幅に向上
することを確認できた。The conventional phosphorus-doped diamond film 6
The diamond electron-emitting device of the present invention employing the diamond n-type semiconductor film 2 in place of the diamond n-type semiconductor film 2 has a structure in which the p-type electrode 5 formed on the surface 3a of the diamond p-type semiconductor film 3 is As a result of conducting an experiment in which a negative voltage exceeding 5.5 V was applied to the p-type electrode 4 formed on 2a, the current value of electrons flowing from the surface 3a of the diamond p-type semiconductor film 3 with respect to the flowing current value was determined. The ratio becomes a value of 10 −3 or more, and the value of the conventional 10 −8
A higher value was obtained as compared with the above values. This means that the use of the diamond n-type semiconductor film 2 can improve the electron emission efficiency by approximately five orders of magnitude, and confirmed that the electron emission efficiency was greatly improved. did it.
【００２３】このように、上述した本発明によれば、長
寿命であるダイヤモンド電子放出素子に、高品位で、且
つ室温で高い電気伝導度のリンドープを施したダイヤモ
ンドｎ型半導体膜２を用いてｐｎ接合を形成すること
で、ダイヤモンド電子放出素子の駆動電圧を低減し、電
子の放出効率の改善することができた。As described above, according to the present invention described above, a diamond n-type semiconductor film 2 which is phosphorus-doped with high quality and high electrical conductivity at room temperature is used for a long-lived diamond electron-emitting device. By forming a pn junction, it was possible to reduce the driving voltage of the diamond electron-emitting device and improve the electron emission efficiency.
【００２４】[0024]
【発明の効果】上述した本発明のダイヤモンド電子放出
素子及びその製造方法によれば、以下の効果を奏する。 （１） 電気伝導度が高いダイヤモンドｎ型半導体膜と
ダイヤモンドｐ型半導体膜とによりｐｎ接合を形成した
ので、ダイヤモンド電子放出素子の駆動電圧を低くする
ことができる。 （２） 高品位のダイヤモンドｎ型半導体膜とダイヤモ
ンドｐ型半導体膜とによりｐｎ接合を形成したので、ダ
イヤモンド電子放出素子における電子の放出効率を向上
させることができる。 （３） 炭化水素ガス及びドープ剤のガスを分子線で供
給することにより、ダイヤモンド電子放出素子に適した
高品位で電気伝導度の高いダイヤモンドｎ型半導体膜を
再現性よく成膜することができる。 （４） 炭化水素ガス及びドープ剤のガスに加えて、原
子状水素ガスを分子線で供給すると、表面が活性化され
ることによって、より短時間でのｎ型半導体膜の成膜が
行え、製造を効率化できる。According to the diamond electron-emitting device of the present invention and the method of manufacturing the same described above, the following effects can be obtained. (1) Since the pn junction is formed by the diamond n-type semiconductor film and the diamond p-type semiconductor film having high electric conductivity, the driving voltage of the diamond electron-emitting device can be reduced. (2) Since the pn junction is formed by the high-quality diamond n-type semiconductor film and the diamond p-type semiconductor film, the electron emission efficiency in the diamond electron-emitting device can be improved. (3) By supplying a hydrocarbon gas and a dopant gas by molecular beam, a high-quality diamond n-type semiconductor film suitable for a diamond electron-emitting device and having high electric conductivity can be formed with good reproducibility. . (4) When an atomic hydrogen gas is supplied by a molecular beam in addition to the hydrocarbon gas and the dopant gas, the surface is activated, so that the n-type semiconductor film can be formed in a shorter time, Production can be made more efficient.
【図１】 本発明に係るダイヤモンド電子放出素子の一
実施形態を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a diamond electron-emitting device according to the present invention.
【図２】 本発明に係るダイヤモンド電子放出素子の製
造方法の一実施形態を示す図で、ダイヤモンドｎ型半導
体膜を形成するために使用する成膜装置の概略構成図で
ある。FIG. 2 is a view illustrating one embodiment of a method for manufacturing a diamond electron-emitting device according to the present invention, and is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus used for forming a diamond n-type semiconductor film.
【図３】 従来のダイヤモンド電子放出素子の構成を示
す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional diamond electron-emitting device.
１ ダイヤモンド下地基板 ２ ダイヤモンドｎ型半導体膜 ３ ダイヤモンドｐ型半導体膜 ４ オーミック電極（ｎ型用電極） ５ オーミック電極（ｐ型用電極） ６ リンドープダイヤモンド膜 ７ オーミック電極 １０ 真空容器（成膜装置） １１ 真空換気装置 １２ 分圧計 １３ ホルダー １４ 水素ガス導入管 １５ 熱フィラメント １６ 炭化水素ガス導入管 １７ ドープ剤導入管 １８ 水素ガス（原子状水素ガス） １９ 炭化水素ガス ２０ ドープ剤のガス REFERENCE SIGNS LIST 1 diamond base substrate 2 diamond n-type semiconductor film 3 diamond p-type semiconductor film 4 ohmic electrode (electrode for n-type) 5 ohmic electrode (electrode for p-type) 6 phosphorus-doped diamond film 7 ohmic electrode 10 vacuum vessel (film forming apparatus) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Vacuum ventilator 12 Partial pressure gauge 13 Holder 14 Hydrogen gas introduction tube 15 Hot filament 16 Hydrocarbon gas introduction tube 17 Doping agent introduction tube 18 Hydrogen gas (atomic hydrogen gas) 19 Hydrocarbon gas 20 Doping agent gas
Claims (3)
ド下地基板上に形成したダイヤモンドｎ型半導体膜の層
と、該ダイヤモンドｎ型半導体膜層上に形成したダイヤ
モンドｐ型半導体膜の層と、前記ダイヤモンドｎ型半導
体膜の層及び前記ダイヤモンドｐ型半導体膜の層のそれ
ぞれの表面に形成したオーミック電極とにより構成した
ことを特徴とするダイヤモンド電子放出素子。A diamond base substrate; a diamond n-type semiconductor film layer formed on the diamond base substrate; a diamond p-type semiconductor film layer formed on the diamond n-type semiconductor film layer; A diamond semiconductor electron-emitting device comprising: a semiconductor layer; and ohmic electrodes formed on respective surfaces of the diamond p-type semiconductor layer.
ｎ型半導体膜の層を形成する工程と、前記ダイヤモンド
ｎ型半導体膜の層上にダイヤモンドｐ型半導体膜の層を
形成する工程と、前記ダイヤモンドｎ型半導体膜層及び
前記ダイヤモンドｐ型半導体膜層のそれぞれの表面にオ
ーミック電極を形成する工程とを具備してなり、 前記ダイヤモンドｎ型半導体膜層を形成する工程におい
て、所定の真空圧に減圧された真空容器内に前記ダイヤ
モンド下地基板を保持して所定の温度まで加熱すると共
に、炭化水素ガス及びドープ剤のガスの分子流をそれぞ
れ前記真空容器内が所定の圧力で前記ダイヤモンド下地
基板に向けて導入するようにしたことを特徴とするダイ
ヤモンド電子放出素子の製造方法。A step of forming a layer of a diamond n-type semiconductor film on a diamond base substrate; a step of forming a layer of a diamond p-type semiconductor film on the layer of the diamond n-type semiconductor film; Forming an ohmic electrode on each surface of the semiconductor film layer and the diamond p-type semiconductor film layer. In the step of forming the diamond n-type semiconductor film layer, the pressure was reduced to a predetermined vacuum pressure. While holding the diamond base substrate in a vacuum vessel and heating it to a predetermined temperature, a molecular flow of a hydrocarbon gas and a dopant gas is introduced into the vacuum vessel at a predetermined pressure toward the diamond base substrate. A method of manufacturing a diamond electron-emitting device.
スの分子流と共に、原子状水素ガスの分子流を前記真空
容器内が所定の圧力で導入したことを特徴とする請求項
２記載のダイヤモンド電子放出素子の製造方法。3. The diamond according to claim 2, wherein a molecular flow of the atomic hydrogen gas is introduced at a predetermined pressure into the vacuum vessel together with a molecular flow of the hydrocarbon gas and the dopant gas. A method for manufacturing an electron-emitting device.
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| JP2069899A JP2000223006A (en) | 1999-01-28 | 1999-01-28 | Diamond electron emitting element and manufacture thereof |
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| JP2069899A Withdrawn JP2000223006A (en) | 1999-01-28 | 1999-01-28 | Diamond electron emitting element and manufacture thereof |
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| JP (1) | JP2000223006A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2000260301A (en) * | 1999-03-06 | 2000-09-22 | Smiths Ind Plc | Electron emission device and manufacture thereof |
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| JP2014078733A (en) * | 2009-07-22 | 2014-05-01 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Ohmic electrode for semiconductor diamond device |
-
1999
- 1999-01-28 JP JP2069899A patent/JP2000223006A/en not_active Withdrawn
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